JP2002280048A - Fuel cell - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
とくに固体高分子電解質型燃料電池に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell,
In particular, it relates to a solid polymer electrolyte fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料
極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡
散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応
ガス流路を形成するセパレータとからセルを構成し、複
数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層
してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方
向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレー
トを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの
外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえ
ば、テンションプレート）にて締め付け、固定したもの
からなる。固体高分子電解質型燃料電池では、アノード
側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、
水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソー
ド側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡの
アノードで生成した電子がセパレータを通してくる）か
ら水を生成する反応が行われる。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ 燃料電池で発生するジュール熱およびカソードでの水生
成反応で出る熱を冷却するために、セパレータ間には、
各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷
却水）が流れる冷媒流路が形成されており、そこに冷媒
が流されて燃料電池を冷却している。通常は、１つのセ
パレータ面内に１つの単電池が形成されるが、特開平８
−１７１９２５号公報は、１つのセパレータ面内に複数
の単電池を配置した燃料電池を開示している。そこで
は、燃料ガスや酸化ガス等の反応ガスは、同一面内に配
置された単電池の１つに流入しその単電池全域を流れた
後、つぎの単電池に流れてその単電池全域を流れる、と
いうことを同一面内に配置された全単電池にわたって順
に繰り返しながら、最初に流入した単電池とは別の単電
池から流出していく。同一面内に配置された単電池の１
つから出たガスが往復して再びその単電池に戻るという
流し方にはなっていない。2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte fuel cell comprises an electrolyte membrane comprising an ion exchange membrane, electrodes (anode and fuel electrode) comprising a catalyst layer and a diffusion layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane. Membrane consisting of catalyst layer and diffusion layer electrodes (cathode, air electrode) arranged on the surface
Electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assem
bly) and a separator forming a reaction gas flow path for supplying a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the anode and the cathode, and a plurality of cells are stacked. Modules are stacked, and modules are stacked to form a module group.Terminals, insulators, and end plates are placed at both ends of the module group in the cell stacking direction to form a stack, and the stack is stacked outside the stack in the cell stacking direction. It is formed by fastening and fixing with an extending fastening member (for example, a tension plate). In a solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction that converts hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side,
The hydrogen ions move to the cathode side in the electrolyte membrane, and a reaction is performed on the cathode side to generate water from oxygen, hydrogen ions, and electrons (electrons generated at the anode of the next MEA pass through the separator). Anode side: H 2 → 2H + + 2e - Cathode side: 2H + + 2e − + (１ ／) O 2 → H 2 O To cool the Joule heat generated in the fuel cell and the heat generated in the water generation reaction at the cathode. And between the separators
A coolant flow path through which a coolant (normally, cooling water) flows is formed for each cell or for each of a plurality of cells, and the coolant flows through the coolant flow path to cool the fuel cell. Usually, one cell is formed in one separator surface.
Japanese Patent Publication No. 171925 discloses a fuel cell in which a plurality of cells are arranged in one separator surface. There, a reactant gas such as a fuel gas or an oxidizing gas flows into one of the cells arranged in the same plane, flows through the entire area of the cell, and then flows into the next cell to flow through the entire area of the cell. While flowing repeatedly over all the cells arranged in the same plane, the cells flow out from cells different from the cells that flowed in first. One of the cells arranged in the same plane
It does not flow in such a way that the gas discharged from the cell goes back and forth and returns to the cell again.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の燃料電
池には、つぎの課題がある。単電池での発電反応によっ
て、燃料ガスも酸化ガスも徐々に消費されていくので、
同一面内に配置された複数の単電池では、反応ガスの流
れの上流部に位置する単電池と下流部に位置する単電池
とで、反応ガスの濃度が変わり、下流部に位置する単電
池ほどガス濃度が低下し、発電出力が低下する。したが
って、出力が、複数の単電池が配置された同一面内でば
らつき、安定しない。本発明の目的は、複数の単電池を
有する集合セル構造体を複数有する燃料電池における、
各集合セル構造体の複数の単電池間での出力を均一化さ
せた燃料電池を提供することにある。However, the conventional fuel cell has the following problems. Fuel cells and oxidizing gas are gradually consumed by the power generation reaction in the cell,
In a plurality of cells arranged in the same plane, the concentration of the reaction gas changes between the cells located at the upstream part and the cells located at the downstream part of the flow of the reaction gas, and the cells located at the downstream part As the gas concentration decreases, the power generation output decreases. Therefore, the output fluctuates in the same plane where a plurality of unit cells are arranged, and is not stable. An object of the present invention is to provide a fuel cell having a plurality of aggregate cell structures having a plurality of cells,
An object of the present invention is to provide a fuel cell in which the output of a plurality of unit cells of each assembly cell structure is made uniform.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。 （１） 複数の単電池を有する集合セル構造体を複数有
する固体高分子型燃料電池であって、各集合セル構造体
の複数の単電池に対して、反応ガスのガス流路を直列に
かつ往復するように形成した燃料電池。 （２） 各集合セル構造体の複数の単電池が同一平面内
に配置されている（１）記載の燃料電池。 （３） 前記反応ガスのガス流路には燃料ガスのガス流
路と酸化ガスのガス流路とがあり、燃料ガスと酸化ガス
とは、各集合セル構造体において、互いに対向流れとし
てある（１）記載の燃料電池。 （４） さらに冷媒が流れる冷媒流路を有し、冷媒と酸
化ガスとは同方向流れとしてある（３）記載の燃料電
池。 （５） 各集合セル構造体の複数の単電池が配置されて
いる面が、単電池の面内配列方向へ偏平である（２）記
載の燃料電池。 （６） 前記ガス流路の往路と復路が隣接する（１）記
載の燃料電池。The present invention to achieve the above object is as follows. (1) A polymer electrolyte fuel cell having a plurality of aggregated cell structures having a plurality of unit cells, wherein a gas flow path of a reaction gas is connected in series to the plurality of unit cells of each aggregated cell structure. A fuel cell formed to reciprocate. (2) The fuel cell according to (1), wherein a plurality of cells of each assembly cell structure are arranged in the same plane. (3) The gas flow path of the reaction gas includes a gas flow path of a fuel gas and a gas flow path of an oxidizing gas, and the fuel gas and the oxidizing gas flow in opposite directions in each assembly cell structure ( The fuel cell according to 1). (4) The fuel cell according to (3), further including a refrigerant flow path through which the refrigerant flows, wherein the refrigerant and the oxidizing gas flow in the same direction. (5) The fuel cell according to (2), wherein the surface of each unit cell structure on which the plurality of cells are arranged is flat in the in-plane arrangement direction of the cells. (6) The fuel cell according to (1), wherein a forward path and a return path of the gas flow path are adjacent to each other.
【０００５】上記（１）の燃料電池では、各集合セル構
造体の複数の単電池に対して、反応ガスのガス流路を直
列にかつ往復するように形成したので、各集合セル構造
体の複数の単電池に対して、ガス濃度が均一化し、その
結果、各集合セル構造体の複数の単電池の出力が均一化
する。上記（２）の燃料電池では、各集合セル構造体の
複数の単電池が同一平面内に配置されているので、ガス
流路が簡素化し、かつ燃料電池の、集合セル構造体の積
層方向の長さが、すべての単電池を積層した場合に比べ
て、短くなる。車両などにおける燃料電池搭載スペース
の形状によっては、搭載が有利になる。上記（３）の燃
料電池では、酸化ガス流路のウエット部と燃料ガスのド
ライ部が電解質膜を介して対応し、酸化ガス流路のドラ
イ部と燃料ガスのウエット部が電解質膜を介して対応す
るので、電解質膜を通しての燃料電池の水分布が改善さ
れる。上記（４）の燃料電池では、冷媒が酸化ガスと同
方向に流れるため、酸化ガス入口で酸化ガスは低温の冷
媒で冷却され、飽和蒸気圧も低くなって酸化ガス入口近
傍での電解質膜の乾燥が抑制される。逆に、酸化ガス出
口では酸化ガスは、温度が上昇した冷媒によってあまり
冷却されないため、飽和蒸気圧があがり、フラッディン
グを起こしにくくなる。上記（５）の燃料電池では、単
電池の面内配列方向へ偏平であるため、燃料電池は単電
池の面内配列方向へ偏平となり、車両などにおける燃料
電池搭載スペースの形状によっては、搭載に有利とな
る。上記（６）の燃料電池では、ガス流路の往路と復路
が隣接するため、往路では下流ほど濃度が低く、復路で
は上流ほど濃度が高く、往路と復路の和で見た場合に濃
度が均一化する。たとえば、往路で濃度が１０、９、
８、７、６であり、復路で濃度が５、４、３、２、１で
あるとすると、各単電池で濃度の和はいずれも１１にな
り、均一化している。[0005] In the fuel cell of the above (1), the gas flow path of the reaction gas is formed in series and reciprocates with respect to the plurality of cells of each assembly cell structure. The gas concentration is made uniform for the plurality of cells, and as a result, the outputs of the plurality of cells of each aggregate cell structure are made uniform. In the fuel cell of the above (2), since a plurality of cells of each assembly cell structure are arranged in the same plane, the gas flow path is simplified, and the fuel cell in the stacking direction of the assembly cell structure is stacked. The length is shorter than when all the cells are stacked. Depending on the shape of the fuel cell mounting space in a vehicle or the like, mounting is advantageous. In the fuel cell of the above (3), the wet part of the oxidizing gas flow path and the dry part of the fuel gas correspond via the electrolyte membrane, and the dry part of the oxidizing gas flow path and the wet part of the fuel gas pass through the electrolyte membrane. Correspondingly, the water distribution of the fuel cell through the electrolyte membrane is improved. In the fuel cell of the above (4), since the refrigerant flows in the same direction as the oxidizing gas, the oxidizing gas is cooled by the low-temperature refrigerant at the oxidizing gas inlet, the saturated vapor pressure is also reduced, and the electrolyte membrane near the oxidizing gas inlet is reduced. Drying is suppressed. Conversely, the oxidizing gas at the oxidizing gas outlet is hardly cooled by the refrigerant whose temperature has increased, so that the saturated vapor pressure increases and flooding is less likely to occur. In the fuel cell of the above (5), since the fuel cell is flat in the in-plane arrangement direction of the unit cells, the fuel cell is flat in the in-plane arrangement direction of the unit cells, and depending on the shape of the fuel cell mounting space in a vehicle or the like, the fuel cell cannot be mounted. This is advantageous. In the fuel cell of the above (6), since the forward path and the return path of the gas flow path are adjacent to each other, the concentration is lower toward the downstream in the forward path, higher in the upstream path in the return path, and uniform when viewed in the sum of the forward path and the return path. Become For example, when the concentration is 10, 9,
Assuming that the concentrations are 8, 7, and 6 and the concentrations are 5, 4, 3, 2, and 1 on the return path, the sum of the concentrations is 11 in each of the single cells, which is uniform.
【０００６】[0006]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池を図１
〜図４を参照して、説明する。図中、図１は本発明の実
施例１を示し、図２は本発明の実施例２を示し、図３は
本発明の実施例３を示す。図４〜図６は本発明の何れの
実施例にも共通に適用できる。はじめに、本発明の実施
例１〜実施例３に共通する部分を、図１、図４〜図６を
参照して、説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A fuel cell according to the present invention is described below with reference to FIG.
This will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. 4 to 6 can be applied to any of the embodiments of the present invention. First, portions common to the first to third embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 4 to 6.
【０００７】本発明の燃料電池用セパレータが組み付け
られる燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０であ
る。固体高分子電解質型燃料電池１０は、たとえば燃料
電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いら
れてもよい。固体高分子電解質型燃料電池１０は、図５
（図１のＢ方向矢視図）、図６（図１のＡ−Ａ線に沿う
断面図）に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜
１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２
および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料
極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５
および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気
極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membra
ne-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガ
ス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給
するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７
および酸化ガス流路２８）および燃料電池冷却用の冷媒
（通常は冷却水）が流れる冷媒流路２６を形成するセパ
レータ１８とを重ねてセル（単電池２９）を形成し、該
セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１
９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群
のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナ
ル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配
置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向
に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方
向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレー
ト）とボルト２５で固定したものからなる。The fuel cell to which the fuel cell separator of the present invention is assembled is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The solid polymer electrolyte fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than a car. The polymer electrolyte fuel cell 10 shown in FIG.
As shown in FIG. 1 (a view in the direction of arrow B in FIG. 1) and FIG. 6 (a cross-sectional view along the line AA in FIG. 1), the electrolyte membrane 11 made of an ion-exchange membrane and one surface of the electrolyte membrane 11 are arranged. Catalyst layer 12
And an electrode 14 (anode, fuel electrode) composed of a diffusion layer 13 and a catalyst layer 15 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 11.
-Electrode assembly (MEA: Membra) composed of a diffusion layer 16 and an electrode 17 (cathode, air electrode)
ne-Electrode Assembly) and reaction gas flow paths 27, 28 (fuel gas flow path 27) for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) to the electrodes 14, 17.
And an oxidizing gas passage 28) and a separator 18 forming a coolant passage 26 through which a coolant for cooling the fuel cell (usually cooling water) flows, to form a cell (unit cell 29). To module 19, and module 1
9 are stacked to form a module group, and terminals 20, insulators 21 and end plates 22 are arranged at both ends of the module 19 group in the cell stacking direction (fuel cell stacking direction) to form a stack 23, and the stack 23 is stacked A fastening member 24 (for example, a tension plate) extending in the stacking direction of the fuel cell stack outside the fastening stack 23 in the direction and fixed by bolts 25.
【０００８】本発明実施例では、固体高分子電解質型燃
料電池１０は、複数の単電池２９を有する集合セル構造
体３０を複数有する固体高分子型燃料電池からなる。図
１では、集合セル構造体３０が、同一面内に位置する複
数（図１では５個）の単電池２９から構成され、集合セ
ル構造体３０が複数積層された場合を示している。ただ
し、集合セル構造体３０が、積層した（図１のものを折
り畳んだ構成）複数の単電池から構成されてもよい。以
下の説明では、図１に示したような、集合セル構造体３
０が、同一面内に位置する複数の単電池２９から構成さ
れた場合を例にとる。In the embodiment of the present invention, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 comprises a solid polymer fuel cell having a plurality of aggregate cell structures 30 having a plurality of unit cells 29. FIG. 1 shows a case where the collective cell structure 30 is composed of a plurality of (five in FIG. 1) unit cells 29 located in the same plane, and a plurality of the collective cell structures 30 are stacked. However, the aggregate cell structure 30 may be composed of a plurality of unit cells that are stacked (the configuration shown in FIG. 1 is folded). In the following description, the aggregate cell structure 3 as shown in FIG.
0 is constituted by a plurality of unit cells 29 located in the same plane as an example.
【０００９】図６に示すように、集合セル構造体３０の
積層方向に見て、冷媒流路２６は、集合セル構造体毎
に、または複数の集合セル構造体毎（たとえば、モジュ
ール毎）に、設けられる。たとえば、図６では、２つの
集合セル構造体が１モジュールを形成し、モジュール毎
に１つの冷媒流路２６が設けられている。集合セル構造
体３０の積層方向に見て、セパレータ１８は、冷媒流路
２６を有するセパレータ１８Ａと、冷媒流路２６を有さ
ないセパレータ１８Ｂを含む。ただし、全セパレータ１
８に冷媒流路２６を設ける場合はセパレータ１８Ｂはな
い。セパレータ１８Ｂは、燃料ガスと酸化ガスを区画す
る。セパレータ１８Ａは、燃料ガスと酸化ガスを区画す
るとともに、冷却水と、燃料ガスおよび酸化ガスを区画
する。セパレータ１８は、また、隣り合うセルのアノー
ドからカソードに電子が流れる電気の通路をも形成して
いる。集合セル構造体３０の積層方向に見て、セパレー
タ１８は、カーボン板に、または導電性粒子（たとえ
ば、カーボン粒子）を混入して導電性をもたせた樹脂板
に、冷媒流路２６やガス流路２７、２８を形成したもの
からなり、一体成形により形成されているか、または冷
媒流路２６やガス流路２７、２８を形成した金属板を組
み合わせたものからなる。As shown in FIG. 6, when viewed in the stacking direction of the collective cell structures 30, the coolant flow path 26 is provided for each collective cell structure or for each of a plurality of collective cell structures (for example, for each module). , Is provided. For example, in FIG. 6, two assembled cell structures form one module, and one coolant flow path 26 is provided for each module. Seen in the stacking direction of the aggregate cell structure 30, the separator 18 includes a separator 18A having a coolant channel 26 and a separator 18B having no coolant channel 26. However, all separators 1
When the refrigerant flow path 26 is provided in 8, there is no separator 18B. The separator 18B partitions fuel gas and oxidizing gas. The separator 18A partitions fuel gas and oxidizing gas, and also partitions cooling water, fuel gas and oxidizing gas. The separator 18 also forms an electrical path for electrons to flow from the anode to the cathode of an adjacent cell. When viewed in the stacking direction of the collective cell structure 30, the separator 18 is provided on the carbon plate or on a resin plate mixed with conductive particles (for example, carbon particles) so as to have conductivity. The passages 27 and 28 are formed, and are formed by integral molding or a combination of a metal plate on which the coolant passage 26 and the gas passages 27 and 28 are formed.
【００１０】ガスの濃度分布を均一化するために、図１
に示すように、各集合セル構造体３０の複数の単電池２
９に対して、反応ガスのガス流路２７、２８が直列にか
つ往復するように形成されている。具体的には、同じ集
合セル構造体３０を構成する複数（図１では、５個）の
単電池２９に対して、一端の単電池２９の面内の一部
（たとえば、面内の上部）を通ったガス流路はつぎの単
電池２９の面内の一部（たとえば、面内の上部）を通
り、これを順次繰り返して、他端の単電池２９の面内の
一部（たとえば、面内の上部）を通った後、折り返す。
そして、往復の復路では、上記他端の単電池２９の面内
の一部（たとえば、面内の高さ方向中間部）を通ったガ
ス流路はつぎの単電池２０の面内の一部（たとえば、面
内の高さ方向中間部）を通り、これを順次繰り返して、
上記一端の単電池２９の面内の一部（たとえば、面内の
高さ方向中間部）を通った後、折り返す。この往復を少
なくとも１回繰り返す。そして、単電池の面内の全域を
流れた後、流入した単電池と同じ単電池から流出する。In order to make the gas concentration distribution uniform, FIG.
As shown in FIG.
The gas flow paths 27 and 28 for the reaction gas are formed in series and reciprocate with respect to 9. Specifically, for a plurality (five in FIG. 1) of the single cells 29 constituting the same aggregated cell structure 30, a part of the one end of the single cell 29 in the plane (for example, the upper part in the plane) The gas flow path passes through a part of the surface of the next unit cell 29 (for example, the upper part of the surface), and sequentially repeats the above process, and then a part of the other unit cell 29 (for example, the surface). After passing through the upper part), turn it back.
In the reciprocating return path, the gas flow path passing through a part of the surface of the cell 29 at the other end (for example, a middle part in the height direction of the surface) becomes part of the surface of the next unit cell 20 ( (For example, the middle part in the height direction in the plane), and this is sequentially repeated,
After passing through a part (for example, an intermediate part in the height direction in the plane) of the cell 29 at the one end, the cell is folded. This reciprocation is repeated at least once. Then, after flowing through the entire area in the plane of the unit cell, it flows out from the same unit cell as the unit cell that has flowed in.
【００１１】図１に示した例では、各集合セル構造体３
０の複数（図１では５個）の単電池２９は同一平面内に
配置されている。すなわち、各集合セル構造体３０で
は、共通の電解質膜１１に対して、複数（図１では５
個）の単電池２９が設けられており、複数（図１では５
個）の単電池２９同士は互いから電気的に絶縁されてい
る。各集合セル構造体３０の複数（図１では５個）の単
電池２９のセパレータ１８も、同じ集合セル構造体３０
の他の単電池２９のセパレータ１８から電気的に絶縁さ
れている。ガス流路２７、２８および冷媒流路２６は、
各集合セル構造体３０の複数（図１では５個）の単電池
２９にわたって、蛇行（ターン）して延び、往復してい
る。In the example shown in FIG. 1, each set cell structure 3
A plurality (five in FIG. 1) of the single cells 29 are arranged in the same plane. That is, in each assembly cell structure 30, a plurality (5 in FIG.
Cells 29 are provided, and a plurality (5 in FIG. 1) are provided.
) Are electrically insulated from each other. The separators 18 of a plurality (five in FIG. 1) of the unit cells 29 of each of the aggregate cell structures 30 also have the same aggregate cell structure 30.
Is electrically insulated from the separator 18 of the other unit cell 29. The gas flow paths 27 and 28 and the refrigerant flow path 26
It extends in a meandering (turn) manner over a plurality (five in FIG. 1) of the unit cells 29 of each assembly cell structure 30 and reciprocates.
【００１２】水分バランスをよくするために、各集合セ
ル構造体３０において、燃料ガス流路２７を流れる燃料
ガスと酸化ガス流路２８を流れる酸化ガス（通常、酸素
を含むエア）とは、互いに対向流れとしてある。すなわ
ち、燃料ガス中の湿度分布と酸化ガス中の湿度分布が、
電解質膜１１を介して逆分布となるように、燃料ガスと
酸化ガスの入口、出口、およびガス流路を配置してあ
る。したがって、各集合セル構造体３０において、電解
質膜１１を隔てて、燃料ガスの上流部と酸化ガスの下流
部が対応し、燃料ガスの下流部と酸化ガスの上流部が対
応する。たとえば、燃料ガスが集合セル構造体３０の左
上部から流入して１回以上ターンした後左下部から流出
する場合は、酸化ガスは集合セル構造体３０の右下部か
ら流入して１回以上ターンした後右上部から流出する。In order to improve the moisture balance, the fuel gas flowing through the fuel gas flow path 27 and the oxidizing gas (generally, air containing oxygen) flowing through the oxidizing gas flow path 28 in each collective cell structure 30 are mutually separated. It is a counter flow. That is, the humidity distribution in the fuel gas and the humidity distribution in the oxidizing gas,
The inlet and outlet of the fuel gas and the oxidizing gas, and the gas flow path are arranged so that the distribution is reversed through the electrolyte membrane 11. Therefore, in each assembly cell structure 30, the upstream portion of the fuel gas corresponds to the downstream portion of the oxidizing gas, and the downstream portion of the fuel gas corresponds to the upstream portion of the oxidizing gas, with the electrolyte membrane 11 interposed therebetween. For example, when the fuel gas flows from the upper left portion of the collective cell structure 30 and turns at least once and then flows out from the lower left portion, the oxidizing gas flows from the lower right portion of the collective cell structure 30 and turns at least once. After that, it flows out from the upper right part.
【００１３】温度による飽和蒸気圧コントロールによっ
て、酸化ガス下流での水生成を抑制し酸化ガス上流での
ドライアップを抑制するために、冷媒流路２６を流れる
冷媒の流れ方向と、酸化ガス流路２８を流れる酸化ガス
の流れ方向とは、互いに同じ方向にしてある。The flow direction of the refrigerant flowing through the refrigerant passage 26 and the oxidizing gas passage are controlled in order to suppress the water generation downstream of the oxidizing gas and the dry-up upstream of the oxidizing gas by controlling the saturated vapor pressure by the temperature. The flow directions of the oxidizing gas flowing through 28 are the same as each other.
【００１４】各集合セル構造体３０の複数の単電池２９
が配置されている面は、単電池２９の面内配列方向へ偏
平であり、電解質膜１１も偏平である。たとえば、単電
池２９が１列に配置されている場合は、その配列方向に
集合セル構造体３０の正面形状が長くなって偏平とな
る。また、単電池２９が横方向にｍ個、縦方向にｎ個、
格子状に配置されている場合はｍとｎの大きい方に長く
なって偏平となる。このように、集合セル構造体３０の
正面形状を、複数の単電池２９の配列を選定することに
よって、適宜に変えることができる。また、ガス流路２
７、２８の往路と復路とは隣接している。A plurality of cells 29 of each aggregate cell structure 30
Is flat in the in-plane arrangement direction of the unit cells 29, and the electrolyte membrane 11 is also flat. For example, when the unit cells 29 are arranged in one row, the front shape of the aggregate cell structure 30 becomes longer in the arrangement direction and becomes flat. Also, the number of cells 29 is m in the horizontal direction, n in the vertical direction,
When they are arranged in a lattice shape, they become longer in the larger of m and n and become flat. As described above, the front shape of the collective cell structure 30 can be appropriately changed by selecting the arrangement of the plurality of unit cells 29. In addition, gas flow path 2
The outbound and return routes 7, 28 are adjacent to each other.
【００１５】本発明の各実施例に共通する部分の作用
は、つぎの通りである。ガスが直列にかつ往復して流れ
るように反応ガス流路２７、２８を設定したことによ
り、往復流れにおける、往路のガス流れ方向と復路のガ
ス流れ方向が対向する。したがって、発電反応で水素、
酸素がそれぞれ消費されて、往路でガス濃度がガス流れ
方向に順次低下していき、復路でもガス濃度がガス流れ
方向に順次低下していく時、ガス濃度大とガス濃度小の
部分が対応するので、往路と復路のガス流路の総合で見
ると、集合セル構造体３０の各領域における、ガス濃度
は均一化し、電池出力が均一化する。The operation of the parts common to the embodiments of the present invention is as follows. By setting the reaction gas flow paths 27 and 28 so that the gas flows in series and reciprocates, the gas flow direction of the outward path and the gas flow direction of the return path in the reciprocating flow are opposite to each other. Therefore, hydrogen,
When oxygen is consumed and the gas concentration gradually decreases in the gas flow direction on the outward path and the gas concentration sequentially decreases in the gas flow direction on the return path, the large gas concentration and the small gas concentration correspond. Therefore, looking at the total of the gas flow paths of the forward path and the return path, the gas concentration in each region of the collective cell structure 30 is made uniform, and the battery output is made uniform.
【００１６】これによって、各集合セル構造体３０の複
数の単電池２９に対して、ガス濃度が均一化し、その結
果、各集合セル構造体３０の複数の単電池２９の電池出
力が均一化する。従来は、集合セル構造体の単電池のう
ち、ガス入口側の単電池では１Ｖの出力が出たがガス出
口側の単電池では１Ｖが出ないという現象が生じたが、
本発明では、集合セル構造体３０の単電池２９のすべて
の単電池２９で１Ｖが出、単電池の数がたとえば５個の
場合、集合セル構造体３０で５Ｖを出せるようになる。
図４は、酸素分圧と燃料電池起電力の関係を示したもの
であるが、酸素分圧の低領域で、起電力は激減する。従
来は酸化ガスの下流側の単電池で起電力が激減する現象
が生じたが、本発明では全ての単電池で酸素分圧を一定
値以上とすることができるので、全ての単電池で良好な
起電力が得られる。As a result, the gas concentration of the plurality of cells 29 of each cell assembly 30 is made uniform, and as a result, the battery outputs of the cells 29 of each cell assembly 30 are made uniform. . Conventionally, among the unit cells of the collective cell structure, the cell at the gas inlet side outputs 1 V, but the unit cell at the gas outlet side does not output 1 V.
In the present invention, 1 V is output from all the cells 29 of the unit cells 29 of the collective cell structure 30, and when the number of cells is, for example, 5, the collective cell structure 30 can output 5 V.
FIG. 4 shows the relationship between the oxygen partial pressure and the fuel cell electromotive force. In a region where the oxygen partial pressure is low, the electromotive force sharply decreases. In the past, a phenomenon in which the electromotive force was drastically reduced in a single cell on the downstream side of the oxidizing gas occurred. High electromotive force can be obtained.
【００１７】各集合セル構造体３０の複数の単電池２９
を同一面内に配置した場合は、反応ガス流路２７、２８
および冷媒流路２６を集合セル構造体３０の複数の単電
池２９にわたって直線状に延ばすことができ、単電池毎
にターン部を設ける必要がなく、途中で折り返しや曲が
り部を設けなくて済むので、流路設計が簡素化し、全体
がコンパクトになる。The plurality of cells 29 of each cell assembly 30
Are arranged in the same plane, the reaction gas flow paths 27 and 28
In addition, the refrigerant flow path 26 can be linearly extended over the plurality of cells 29 of the collective cell structure 30, and there is no need to provide a turn portion for each cell, and it is not necessary to provide a folded or bent portion in the middle. Thus, the flow path design is simplified, and the whole becomes compact.
【００１８】また、燃料ガス流路２７を流れる燃料ガス
の流れ方向と酸化ガス流路２８を流れる酸化ガスの流れ
方向を、互いに対向流れとした場合は、酸化ガスの下流
側のウエット部と燃料ガスの上流側のドライ部とを電解
質膜１１を介して対応させることができ、また、酸化ガ
スの上流側のドライ部と燃料ガスの下流側のウエット部
とを電解質膜１１を介して対応させることができるの
で、水分が自己循環して燃料電池面内方向での水分分布
がよくなり、酸化ガス下流部に対応する部分でのフラッ
ディングと、酸化ガス上流部に対応する部分での電解質
膜１１のドライアップが抑制される。When the flow direction of the fuel gas flowing through the fuel gas passage 27 and the flow direction of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas passage 28 are opposed to each other, the wet portion on the downstream side of the oxidizing gas and the fuel A dry portion on the upstream side of the gas can be made to correspond via the electrolyte membrane 11, and a dry portion on the upstream side of the oxidizing gas and a wet portion on the downstream side of the fuel gas can be made to correspond via the electrolyte membrane 11. As a result, the water is self-circulated and the water distribution in the in-plane direction of the fuel cell is improved, and the flooding at the portion corresponding to the downstream portion of the oxidizing gas and the electrolyte membrane 11 at the portion corresponding to the upstream portion of the oxidizing gas are performed. Dry-up is suppressed.
【００１９】また、冷媒流路２６を流れる冷媒の流れ方
向と、酸化ガス流路２８を流れる酸化ガスの流れ方向と
を、互いに同じ方向にした場合は、酸化ガス入口近傍で
の酸化ガスの温度を下げて飽和蒸気圧を下げ、水分が出
やすくして、電解質膜１１のドライアップを抑制でき、
酸化ガス出口近傍での酸化ガスの温度を上げて飽和蒸気
圧を上げ、水分が出にくくして、フラッディングを抑制
できる。各集合セル構造体３０の複数の単電池２９が配
置されている面は、単電池２９の面内配列方向へ偏平と
なる。これによって、集合セル構造体３０の正面形状
を、複数の単電池２９の配列を選定することによって、
適宜に変えることができる。そして、燃料電池の車両へ
の搭載において、燃料電池搭載スペースの大きさ、形状
が限られている場合に、それに対応させることができ
る。If the flow direction of the refrigerant flowing through the refrigerant flow passage 26 and the flow direction of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow passage 28 are the same, the temperature of the oxidizing gas near the oxidizing gas inlet is reduced. Lowering the saturated vapor pressure, making it easier for moisture to come out, suppressing the dry-up of the electrolyte membrane 11,
The temperature of the oxidizing gas in the vicinity of the oxidizing gas outlet is increased to increase the saturated vapor pressure, making it difficult for moisture to come out, thereby suppressing flooding. The surface of each assembly cell structure 30 on which the plurality of unit cells 29 are arranged becomes flat in the in-plane arrangement direction of the unit cells 29. Thereby, the front shape of the collective cell structure 30 is changed by selecting the arrangement of the plurality of cells 29.
It can be changed as appropriate. When the fuel cell is mounted on a vehicle, the size and shape of the fuel cell mounting space can be limited when the size and shape are limited.
【００２０】つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を
説明する。本発明の実施例１では、図１に示すように、
各集合セル構造体３０に、同じ電解質膜１１に、横１列
に複数（たとえば、５個）の単電池２９（電極触媒層）
が配置されている。集合セル構造体３０は、複数枚、厚
さ方向に積層されていて、燃料電池１０を構成してい
る。燃料ガス流路２７は横方向に延びて往復している。
ターン数は奇数個であり、たとえば３である。燃料ガス
の入口と出口は、集合セル構造体３０の左右端部の同じ
側の端部にある。酸化ガス流路２８も横方向に延びて往
復している。ターン数は奇数個であり、たとえば３であ
る。酸化ガスの入口と出口は、集合セル構造体３０の左
右端部の同じ側の端部にある。ただし、酸化ガスの入口
および出口は、燃料ガスの入口および出口と、集合セル
構造体３０の左右方向に反対側にある。冷媒流路２６も
横方向に延びて往復している。冷媒の流れ方向と酸化ガ
スの流れ方向は同じにしてある。集合セル構造体３０は
横方向に偏平となっており、積層方向には単電池を積層
する場合に比べて短縮されている。本発明の実施例１で
は、同一平面内の複数の単電池２９間の酸素分圧が均等
になり、出力が均一化し、高い起電力が得られる。Next, parts unique to each embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment of the present invention, as shown in FIG.
A plurality of (for example, five) unit cells 29 (electrode catalyst layers) are arranged in one horizontal row on the same electrolyte membrane 11 in each set cell structure 30.
Is arranged. The fuel cell 10 is configured by stacking a plurality of aggregate cell structures 30 in the thickness direction. The fuel gas passage 27 extends in the lateral direction and reciprocates.
The number of turns is an odd number, for example, three. The inlet and outlet of the fuel gas are located at the same left and right ends of the collective cell structure 30. The oxidizing gas passage 28 also extends in the lateral direction and reciprocates. The number of turns is an odd number, for example, three. The inlet and outlet of the oxidizing gas are located at the same side of the left and right ends of the collective cell structure 30. However, the inlet and outlet of the oxidizing gas are opposite to the inlet and outlet of the fuel gas in the left-right direction of the collective cell structure 30. The coolant passage 26 also extends in the lateral direction and reciprocates. The flow direction of the refrigerant and the flow direction of the oxidizing gas are the same. The collective cell structure 30 is flattened in the horizontal direction, and is shorter in the stacking direction than in the case where unit cells are stacked. In the first embodiment of the present invention, the oxygen partial pressure between the plurality of unit cells 29 in the same plane becomes uniform, the output becomes uniform, and a high electromotive force is obtained.
【００２１】本発明の実施例２では、図２に示すよう
に、各集合セル構造体３０に、同じ電解質膜１１に、縦
１列に複数（たとえば、５個）の単電池２９（電極触媒
層）が配置されている。集合セル構造体３０は、複数
枚、厚さ方向に積層されていて、燃料電池１０を構成し
ている。反応ガス流路２７、２８は縦方向に延びて往復
している。ターン数は奇数個であり、たとえば３であ
る。反応燃料ガスの入口と出口は、集合セル構造体３０
の上下端部の同じ側の端部にある。ただし、酸化ガスの
入口および出口は、燃料ガスの入口および出口と、集合
セル構造体３０の上下方向に反対側にある。冷媒流路２
６も縦方向に延びて往復している。冷媒の流れ方向と酸
化ガスの流れ方向は同じにしてある。集合セル構造体３
０は縦方向に偏平となっており、積層方向には単電池を
積層する場合に比べて短縮されている。本発明の実施例
２では、同一平面内の複数の単電池２９間の酸素分圧が
均等になり、出力が均一化し、高い起電力が得られる。In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, a plurality of (for example, five) unit cells 29 (electrode catalysts) Layers) are arranged. The fuel cell 10 is configured by stacking a plurality of aggregate cell structures 30 in the thickness direction. The reaction gas flow paths 27 and 28 extend in the vertical direction and reciprocate. The number of turns is an odd number, for example, three. The inlet and outlet of the reaction fuel gas are
On the same side of the upper and lower ends. However, the inlet and outlet of the oxidizing gas are opposite to the inlet and outlet of the fuel gas in the vertical direction of the collective cell structure 30. Refrigerant channel 2
6 also extends vertically and reciprocates. The flow direction of the refrigerant and the flow direction of the oxidizing gas are the same. Collective cell structure 3
0 is flattened in the vertical direction, and is shortened in the stacking direction as compared with the case where the unit cells are stacked. In the second embodiment of the present invention, the partial pressure of oxygen between the plurality of unit cells 29 in the same plane becomes uniform, the output becomes uniform, and a high electromotive force is obtained.
【００２２】本発明の実施例３では、図３に示すよう
に、各集合セル構造体３０に、同じ電解質膜１１に、
縦、横に複数（たとえば、横に５個、縦に２個）の単電
池２９（電極触媒層）が格子状に配置されている。集合
セル構造体３０は、複数枚、厚さ方向に積層されてい
て、燃料電池１０を構成している。反応ガス流路２７は
横方向に延びて往復している。ターン数は奇数個であ
り、たとえば３である。ただし、燃料ガスの入口と出口
と、酸化ガスの入口と出口は、集合セル構造体３０の左
右方向の同じ側の端部にある。冷媒流路２６も横方向に
延びて往復している。冷媒の流れ方向と酸化ガスの流れ
方向は同じにしてある。集合セル構造体３０は横方向に
偏平となっており、積層方向には単電池を積層する場合
に比べて短縮されている。本発明の実施例３では、同一
平面内の複数の単電池２９間の酸素分圧が均等になり、
出力が均一化し、高い起電力が得られる。In the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the same electrolyte membrane 11
A plurality of unit cells 29 (electrode catalyst layers) are arranged vertically and horizontally (for example, five horizontally and two vertically) in a grid pattern. The fuel cell 10 is configured by stacking a plurality of aggregate cell structures 30 in the thickness direction. The reaction gas channel 27 extends in the horizontal direction and reciprocates. The number of turns is an odd number, for example, three. However, the inlet and the outlet of the fuel gas and the inlet and the outlet of the oxidizing gas are located at the same side end of the collective cell structure 30 in the left-right direction. The coolant passage 26 also extends in the lateral direction and reciprocates. The flow direction of the refrigerant and the flow direction of the oxidizing gas are the same. The collective cell structure 30 is flattened in the horizontal direction, and is shorter in the stacking direction than in the case where unit cells are stacked. In the third embodiment of the present invention, the oxygen partial pressures between the plurality of unit cells 29 in the same plane are equalized,
The output is made uniform and a high electromotive force is obtained.
【００２３】[0023]
【発明の効果】請求項１の燃料電池によれば、各集合セ
ル構造体の複数の単電池に対して、反応ガスのガス流路
を直列にかつ往復するように形成したので、各集合セル
構造体の複数の単電池に対して、ガス濃度を均一化で
き、出力を向上できる。請求項２の燃料電池によれば、
各集合セル構造体の複数の単電池が同一平面内に配置さ
れているので、ガス流路が簡素化し、かつ燃料電池の、
集合セル構造体の積層方向の長さを、短くできる。請求
項３の燃料電池によれば、燃料ガスと酸化ガスとは互い
に対向流れとしてあるので、電解質膜を通しての燃料電
池の水分分布を改善できる。請求項４の燃料電池によれ
ば、冷媒が酸化ガスと同方向に流れるため、酸化ガス入
口近傍での電解質膜の乾燥を抑制でき、酸化ガス出口で
のフラッディングを抑制でき。請求項５の燃料電池によ
れば、燃料電池が単電池の面内配列方向へ偏平となり、
車両などにおける燃料電池搭載スペースの形状によって
は、搭載を有利にすることができる。請求項６の燃料電
池によれば、ガス流路の往路と復路が隣接するため、往
路では下流ほど濃度が低く、復路では上流ほど濃度が高
く、往路と復路の和で見た場合に濃度が均一化する。According to the fuel cell of the first aspect, the gas flow path of the reactant gas is formed in series and reciprocally with respect to the plurality of cells of each assembly cell structure. The gas concentration can be made uniform for a plurality of unit cells of the structure, and the output can be improved. According to the fuel cell of claim 2,
Since the plurality of cells of each assembly cell structure are arranged in the same plane, the gas flow path is simplified, and
The length of the assembly cell structure in the stacking direction can be reduced. According to the fuel cell of the third aspect, since the fuel gas and the oxidizing gas flow in opposition to each other, the water distribution of the fuel cell through the electrolyte membrane can be improved. According to the fuel cell of the fourth aspect, since the refrigerant flows in the same direction as the oxidizing gas, drying of the electrolyte membrane near the oxidizing gas inlet can be suppressed, and flooding at the oxidizing gas outlet can be suppressed. According to the fuel cell of claim 5, the fuel cell is flat in the in-plane arrangement direction of the unit cells,
Depending on the shape of the fuel cell mounting space in a vehicle or the like, mounting may be advantageous. According to the fuel cell of claim 6, since the outward path and the return path of the gas flow path are adjacent to each other, the concentration is lower toward the downstream in the forward path, higher in the upstream path in the return path, and the concentration is higher when the sum of the forward path and the return path is viewed. Make uniform.
【図１】本発明実施例１の各面内における燃料ガス流
路、酸化ガス流路、冷媒流路の配置を示す燃料電池の正
面図である。FIG. 1 is a front view of a fuel cell showing an arrangement of a fuel gas flow path, an oxidizing gas flow path, and a refrigerant flow path in each plane according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明実施例２の酸化ガス流路の配置を示す燃
料電池の正面図である。FIG. 2 is a front view of a fuel cell showing an arrangement of an oxidizing gas flow channel according to a second embodiment of the present invention.
【図３】本発明実施例３の酸化ガス流路の配置を示す燃
料電池の正面図である。FIG. 3 is a front view of a fuel cell showing an arrangement of an oxidizing gas flow channel according to a third embodiment of the present invention.
【図４】燃料電池における起電力と酸素分圧の関係を示
すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between electromotive force and oxygen partial pressure in a fuel cell.
【図５】本発明実施例の燃料電池の全体概略図（図１の
Ｂ矢視図）である。FIG. 5 is an overall schematic view of the fuel cell according to the embodiment of the present invention (a view as seen from the arrow B in FIG. 1).
【図６】本発明実施例の燃料電池の一部拡大断面図（図
１のＡ−Ａ線に沿う断面図）である。FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view (cross-sectional view along the line AA in FIG. 1) of the fuel cell according to the embodiment of the present invention;
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池 １１ 電解質膜 １２ 触媒層 １３ 拡散層 １４ 電極（アノード、燃料極） １５ 触媒層 １６ 拡散層 １７ 電極（カソード、空気極） １８ セパレータ １８Ａ 冷媒流路を有するセパレータ １８Ｂ 冷媒流路を有さないセパレータ １９ モジュール ２０ ターミナル ２１ インシュレータ ２２ エンドプレート ２３ スタック ２４ テンションプレート ２５ ボルト ２６ 冷媒流路 ２７ 燃料ガス流路 ２８ 酸化ガス流路 ２９ 単電池 ３０ ２８ ガス入口 ２８ａ 燃料ガス入口 ２８ｂ 酸化ガス入口 ２９ ガス出口 ２９ａ 燃料ガス出口 ２９ｂ 酸化ガス出口 ３０ 貫通孔 ３１ 集合セル構造体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 (Solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 Electrolyte membrane 12 Catalyst layer 13 Diffusion layer 14 Electrode (anode, fuel electrode) 15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode) 18 Separator 18A Separator having refrigerant channel 18B Separator without refrigerant flow path 19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Tension plate 25 Bolt 26 Refrigerant flow path 27 Fuel gas flow path 28 Oxidation gas flow path 29 Single cell 30 28 Gas inlet 28a Fuel gas inlet 28b Oxidizing gas inlet 29 Gas outlet 29a Fuel gas outlet 29b Oxidizing gas outlet 30 Through hole 31 Collective cell structure
Claims (6)
複数有する固体高分子型燃料電池であって、各集合セル
構造体の複数の単電池に対して、反応ガスのガス流路を
直列にかつ往復するように形成した燃料電池。1. A polymer electrolyte fuel cell having a plurality of unit cell structures having a plurality of unit cells, wherein a gas flow path of a reaction gas is connected in series to the plurality of unit cells of each unit cell structure. A fuel cell formed to reciprocate.
平面内に配置されている請求項１記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein a plurality of cells of each assembly cell structure are arranged in the same plane.
ガス流路と酸化ガスのガス流路とがあり、燃料ガスと酸
化ガスとは、各集合セル構造体において、互いに対向流
れとしてある請求項１記載の燃料電池。3. The gas flow path of the reaction gas includes a gas flow path of a fuel gas and a gas flow path of an oxidizing gas, and the fuel gas and the oxidizing gas flow as opposed to each other in each assembly cell structure. The fuel cell according to claim 1.
媒と酸化ガスとは同方向流れとしてある請求項３記載の
燃料電池。4. The fuel cell according to claim 3, further comprising a refrigerant flow path through which the refrigerant flows, wherein the refrigerant and the oxidizing gas flow in the same direction.
されている面が、単電池の面内配列方向へ偏平である請
求項２記載の燃料電池。5. The fuel cell according to claim 2, wherein the surface of each of the unit cell structures on which the plurality of cells are arranged is flat in the in-plane arrangement direction of the cells.
求項１記載の燃料電池。6. The fuel cell according to claim 1, wherein a forward path and a return path of the gas flow path are adjacent to each other.
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- 2001-03-16 JP JP2001075283A patent/JP2002280048A/en active Pending
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