JP2003249243A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子を電解
質として用いた燃料電池に関し、特に、低加湿または無
加湿状態のガス供給下で稼動する燃料電池においても、
セル特性の低下を引き起こすことなく安定した稼動が可
能であると共に、稼動温度を高く維持することによって
発電効率を向上させることができる燃料電池に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell using a solid polymer as an electrolyte, and more particularly to a fuel cell operating under a low-humidification or non-humidification gas supply.
The present invention relates to a fuel cell capable of stable operation without causing deterioration of cell characteristics and capable of improving power generation efficiency by maintaining a high operating temperature.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池は、反応ガスである水素などの
燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応さ
せることにより、燃料が有している化学エネルギーを電
気エネルギーに変換する電池である。この燃料電池は、
電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類
されるが、その一つとして、電解質として固体高分子膜
を用いた固体高分子電解質型燃料電池が知られている。2. Description of the Related Art A fuel cell is a battery that converts the chemical energy of the fuel into electrical energy by electrochemically reacting a reaction gas, such as hydrogen, with a fuel gas such as air. Is. This fuel cell
It is classified into various types depending on the difference in the electrolyte, and as one of them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte is known.
【０００３】一般に、燃料電池の燃料極（アノード
極）、酸化剤極（カソード極）の両電極において進行す
る電極反応は、以下の通りである。Generally, the electrode reactions that proceed at both the fuel electrode (anode electrode) and the oxidant electrode (cathode electrode) of a fuel cell are as follows.
【０００４】
燃料極 ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ￣ …（１）
酸化剤極 ４Ｈ＋＋４ｅ￣＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ …（２）
すなわち、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極で
は式（１）の反応が進行して水素イオンが生成する。こ
の生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子
電解質型電池の場合には、固体高分子電解質膜）を透過
（拡散）して酸化剤極に至る。そして、この酸化剤極に
酸素含有ガス、例えば空気が供給されることにより、カ
ソードでは式（２）の反応が進行する。この（１）、
（２）の電極反応が各極で進行することにより、燃料電
池は起電力を発生する。[0004] The fuel electrode 2H 2 → 4H + + 4e ¯ ... (1) oxidant electrode 4H + + 4e ¯ + O 2 → 2H 2 O ... (2) That is, when hydrogen gas is supplied to the fuel electrode, wherein the fuel electrode The reaction of (1) proceeds to generate hydrogen ions. The generated hydrogen ions permeate (diffuse) the electrolyte (in the case of a solid polymer electrolyte type battery, a solid polymer electrolyte membrane) in a hydrated state to reach the oxidizer electrode. Then, by supplying an oxygen-containing gas such as air to the oxidizer electrode, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode. This (1),
The fuel cell generates an electromotive force by the electrode reaction of (2) proceeding at each electrode.
【０００５】一般に燃料電池での発電では、燃料が有し
ている化学エネルギーのうち電気エネルギーに変換でき
ない分を熱として放出するため、電極反応を円滑に進行
させるためには、特開平５−１９０１９３号公報に記載
されるように、循環する冷却水で燃料電池を冷却するこ
とが広く行われている。Generally, in power generation by a fuel cell, the chemical energy of the fuel, which cannot be converted into electric energy, is released as heat. Therefore, in order to make the electrode reaction proceed smoothly, JP-A-5-190193 is required. As described in the publication, it is widely practiced to cool a fuel cell with circulating cooling water.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記した式（２）で示
すように、電極反応においては、カソード極で水が生成
するため、生成した水が電極や拡散層の細孔に浸透す
る、いわゆる電極の濡れ（フラッディング）が生じ、ガ
ス拡散性が低下してセル特性の低下を引き起こしてい
る。As shown in the above formula (2), in the electrode reaction, since water is produced at the cathode electrode, the produced water permeates into the pores of the electrode and the diffusion layer. Wetting of the electrodes (flooding) occurs, gas diffusivity is lowered, and cell characteristics are lowered.
【０００７】一方、固体高分子電解質型燃料電池におい
ては、固体高分子電解質膜のプロトン導電性が反応ガス
の湿度に著しく依存しており、反応ガスの湿度が低すぎ
ると、固体高分子電解質膜が乾燥して膜抵抗が増大し
て、セル特性の低下を引き起こすこととなる。このた
め、電極の湿潤状態を適切に保持するために、反応ガス
を加湿器等の加湿手段により加湿して供給することが一
般的に行われている。しかしながら、このように加湿器
等の加湿手段を用いる場合には、固体高分子電解質型燃
料電池が大型化し、発電システムとしての発電効率が低
下する。On the other hand, in the solid polymer electrolyte fuel cell, the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane remarkably depends on the humidity of the reaction gas, and if the humidity of the reaction gas is too low, the solid polymer electrolyte membrane is Will be dried and the membrane resistance will increase, resulting in deterioration of cell characteristics. For this reason, in order to appropriately maintain the wet state of the electrode, it is common practice to humidify the reaction gas with a humidifying means such as a humidifier and supply it. However, when the humidifying means such as the humidifier is used as described above, the solid polymer electrolyte fuel cell becomes large and the power generation efficiency of the power generation system is reduced.
【０００８】このため、反応ガスを加湿することなく供
給して、固体高分子電解質型燃料電池を稼働する無加湿
運転が試みられており、特開２００１−１８５１７２号
公報や特開２００１−６６９８号公報には、高分子電解
質膜を薄膜化したり、アノード極及びカソード極に供給
する反応ガスを互いに反対方向に流通させる対向流とし
て供給することが開示されている。Therefore, a non-humidified operation in which the solid polymer electrolyte fuel cell is operated by supplying the reaction gas without humidification has been attempted, and is disclosed in JP 2001-185172 A and JP 2001-6698 A. The official gazette discloses that the polymer electrolyte membrane is made thin, or that the reaction gases supplied to the anode and cathode are supplied as countercurrent flows that flow in opposite directions.
【０００９】しかしながら、反応ガスを低加湿または無
加湿の状態で発電を行うと、燃料ガス及び酸化剤ガスを
消費して発電を行う部位であるＭＥＡ（膜電極接合体；
Ｍｅｍｂｒａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｅｂ
ｌｙ）の含水状態が不安定となり、その結果発電に必要
なプロトンの移動が安定して行われなくなる。このた
め、セル特性を低下させることなく安定して発電を行う
ことは困難であった。従来の燃料電池では、安定して発
電できる温度域が６０℃近辺と限られている。そのため
燃料電池の発電効率がより望ましい状態となる９０℃に
近い温度での稼動を維持することが困難であった。However, when power generation is performed in a state where the reaction gas is low-humidified or non-humidified, the MEA (membrane electrode assembly;
Membran Electrode Assemb
The water-containing state of ly) becomes unstable, and as a result, the transfer of protons necessary for power generation cannot be performed stably. Therefore, it has been difficult to stably generate power without degrading cell characteristics. In the conventional fuel cell, the temperature range in which stable power generation is possible is limited to around 60 ° C. Therefore, it was difficult to maintain the operation at a temperature close to 90 ° C. at which the power generation efficiency of the fuel cell becomes more desirable.
【００１０】さらに、車両の推進エネルギーとして燃料
電池からの電力を用いるに当たっては、燃料電池からの
排熱を円滑に行うためにラジエターを必要としている。
これに対し、上述したような限られた稼動温度では、外
気温との温度差があまりないため、良好な除熱効率とす
ることができないものとなっている。このようなことか
ら、除熱効率を維持するためには非常に大きなラジエタ
ーを必要とし、これにより燃料電池による発電システム
が大型化して、その効率低下の原因となっている。Further, when the electric power from the fuel cell is used as the propulsion energy of the vehicle, a radiator is required in order to smoothly exhaust heat from the fuel cell.
On the other hand, at the limited operating temperature as described above, since there is not much temperature difference from the outside air temperature, it is impossible to obtain good heat removal efficiency. For this reason, a very large radiator is required to maintain the heat removal efficiency, which increases the size of the power generation system using the fuel cell and causes the efficiency to decrease.
【００１１】さらに燃料電池車両（ＦＣＶ）に用いる燃
料電池としては、負荷に応じて運転状況を変化させる過
渡応答性が必要となる。すなわち、低負荷状態では発電
で生成する生成水と比較して、ガス流速が比較的低いた
めに、ＭＥＡの乾燥をある程度抑制できるのに対し、高
負荷状態になると負荷に応じて生成する水量も多くなる
が、それ以上にガス流速が早くなるため、ＭＥＡの乾燥
を促進して、一部ではＭＥＡの水不足状態が生じること
に応答する必要がある。またガスの下流側では蒸発した
水分がガス中に溜め込まれてくるため、一定量以上の水
分量をガスが保持できなくなり、水のたまり、すなわち
フラッディングを起こすこととなり、これに応答する必
要がある。このようにセル内では、ＭＥＡの含水状態が
不均一となるため、セル特性の低下が生じて、安定して
燃料電池を稼動することが難しい問題を有している。Further, a fuel cell used in a fuel cell vehicle (FCV) is required to have a transient responsiveness that changes an operating condition according to a load. That is, in the low load state, compared with the generated water generated by power generation, the gas flow velocity is relatively low, so that the drying of the MEA can be suppressed to some extent, while in the high load state, the amount of water generated according to the load is also increased. However, since the gas flow rate becomes higher than that, it is necessary to accelerate the drying of the MEA and respond to the occurrence of a water-deficient state of the MEA in some cases. On the downstream side of the gas, the evaporated water accumulates in the gas, so that the gas cannot hold a certain amount of water or more, which causes a pool of water, that is, flooding, and it is necessary to respond to this. . As described above, since the water content of MEA becomes non-uniform in the cell, the cell characteristics are deteriorated, and it is difficult to stably operate the fuel cell.
【００１２】そこで本発明は、このような従来の問題点
を考慮してなされたもので、その目的は、電極反応によ
り生成された水による膜電極接合体の乾燥を抑制でき、
かつ加湿が抑制されたガスの供給下における発電におい
てもセル特性の低下を引き起こすことがなく、これによ
り発電効率が高く小型化の可能な燃料電池を提供するこ
とにある。Therefore, the present invention has been made in consideration of such conventional problems, and an object thereof is to suppress the drying of the membrane electrode assembly by the water generated by the electrode reaction,
Further, it is intended to provide a fuel cell which has high power generation efficiency and can be downsized without causing deterioration of cell characteristics even in power generation under the supply of gas in which humidification is suppressed.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、電解質膜の両面に高分子電
解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配
置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むよう
に配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパ
レータと、加湿が抑制された燃料ガスが前記膜電極接合
体と対向する面内を流通するようにアノード側セパレー
タに形成された燃料ガス流路と、加湿が抑制された酸化
剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと
対向した流れとなって流通するようにカソード側セパレ
ータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、前記燃料ガ
ス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が
膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共
に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路
が設けられた燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路の
ガス入口部分の温度に比べて、前記酸化剤ガス流路のガ
ス出口部分の温度が異なるように調整する酸化剤ガス調
整用冷却水路が、前記排熱用冷却水路と独立して前記カ
ソード側セパレータに形成されていることを特徴とす
る。In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a membrane in which electrodes comprising a catalyst layer containing a polymer electrolyte and a porous diffusion layer are arranged on both sides of an electrolyte membrane. An electrode assembly, an anode-side separator and a cathode-side separator that are arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly, and an anode so that the fuel gas whose humidification is suppressed flows in a surface facing the membrane electrode assembly. Formed in the cathode side separator so that the fuel gas flow path formed in the side separator and the oxidant gas in which humidification is suppressed flow in a plane facing the membrane electrode assembly in a flow facing the fuel gas. And a gas inlet and a gas outlet of the oxidant gas channel are arranged so as to face each other with the membrane electrode assembly interposed therebetween, and are generated by power generation. In the fuel cell provided with a cooling water channel for exhaust heat for exhausting heat, the temperature of the gas outlet portion of the oxidant gas flow channel is higher than that of the gas inlet portion of the oxidant gas flow channel. The cooling water passage for adjusting the oxidant gas to be adjusted differently is formed in the cathode-side separator independently of the cooling water passage for exhaust heat.
【００１４】請求項１記載の発明では、酸化剤ガス調整
用冷却水路によって、含水量の多い酸化剤ガスのガス出
口部分でガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温
度とするため、ガス中に飛散している水分を凝集して回
収することができる。このとき、ガス出口部分のガス温
度をガス入口部分のガス温度より低くすることによって
水を回収できると共に、電解質膜の反対側に設置される
含水量の少ない燃料ガスのガス入口部分に対して、電解
質膜の表裏での水分量の濃度差を大きくすることがで
き、これにより、酸化剤ガスのガス出口側からガス入口
側へ電解質膜を介して水の供給を促進することが可能と
なる。According to the first aspect of the present invention, since the gas temperature of the gas outlet portion of the oxidant gas having a large water content is made different from the gas temperature of the gas inlet portion by the oxidant gas adjusting cooling water passage, It is possible to aggregate and collect the water that has been scattered. At this time, water can be recovered by lowering the gas temperature of the gas outlet portion below the gas temperature of the gas inlet portion, and with respect to the gas inlet portion of the fuel gas with a small water content installed on the opposite side of the electrolyte membrane, It is possible to increase the difference in water content concentration between the front and back surfaces of the electrolyte membrane, which makes it possible to promote the supply of water from the gas outlet side of the oxidant gas to the gas inlet side through the electrolyte membrane.
【００１５】さらに加湿された燃料ガスがセル中央部へ
水分を持ち込むため、膜電極接合体の乾燥を抑制するこ
とができる。このため、セル特性の低下を抑制し、安定
した発電をすることが可能となる。Further, since the humidified fuel gas brings moisture into the central portion of the cell, it is possible to suppress the drying of the membrane electrode assembly. For this reason, it becomes possible to suppress the deterioration of the cell characteristics and perform stable power generation.
【００１６】さらにまた、酸化剤ガスのガス入口部分の
温度に比べて出口部分のガス温度を異なる温度状態に調
整する酸化剤ガス調整用冷却水路を、燃料電池自体から
発生する熱の排熱用冷却水路と独立して設けることによ
り、セルの稼働温度を高く維持することができる。この
ため、高い発電効率を維持できるとともに、外気温との
温度差を保持でき、燃料電池からの排熱をスムーズに行
うことも可能となる。Furthermore, a cooling water passage for adjusting the oxidizing gas for adjusting the gas temperature at the outlet portion to a different temperature state compared to the temperature at the gas inlet portion of the oxidizing gas is provided for exhausting heat generated from the fuel cell itself. By providing the cooling water channel independently of the cooling water channel, the operating temperature of the cell can be maintained high. Therefore, it is possible to maintain high power generation efficiency, maintain a temperature difference from the outside air temperature, and smoothly exhaust heat from the fuel cell.
【００１７】また、請求項２記載の発明は、電解質膜の
両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層か
らなる電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接
合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及び
カソード側セパレータと、加湿が抑制された燃料ガスが
前記膜電極接合体と対向する面内を流通するように前記
アノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、加
湿が抑制された酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向し
た面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するよう
に前記カソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流
路とを備え、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路の
ガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向する
ように配置されると共に、発電によって発生する熱を排
熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、
前記酸化剤ガス流路のガス入口部分の温度に比べて、前
記酸化剤ガス流路のガス出口部分の温度が異なるように
調整する酸化剤ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水
路と独立して前記カソード側セパレータに形成されると
共に、前記燃料ガス流路のガス入口部分の温度に比べ
て、前記燃料ガス流路の出口部分の温度が異なるように
調整する燃料ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路
及び前記酸化剤ガス調整用冷却水路と独立して前記アノ
ード側セパレータに形成されていることを特徴とする。
すなわち、このような構成の請求項２記載の発明では、
請求項１の発明の構成に加えて、燃料ガスのガス入口部
分の温度に比べて出口部分の温度が異なるように調整す
る燃料ガス調整用冷却水路を設けている。The invention according to claim 2 provides a membrane electrode assembly in which electrodes comprising a catalyst layer containing a polymer electrolyte and a porous diffusion layer are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and the membrane electrode assembly. Anode-side separator and cathode-side separator arranged so as to be sandwiched, and a fuel gas flow path formed in the anode-side separator so that the fuel gas whose humidification is suppressed flows in a surface facing the membrane electrode assembly. And an oxidant gas flow path formed in the cathode-side separator so that the oxidant gas in which humidification is suppressed flows in the surface facing the membrane electrode assembly in a flow facing the fuel gas. The fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage are arranged such that the gas inlet and the gas outlet of the oxidant gas flow passage are opposed to each other with the membrane electrode assembly interposed therebetween, and exhaust heat cooling for exhausting heat generated by power generation is provided. A fuel cell road is provided,
An oxidant gas adjusting cooling water channel for adjusting the temperature of the gas outlet portion of the oxidant gas channel to be different from the temperature of the gas inlet portion of the oxidant gas channel is independent of the exhaust heat cooling channel. And a fuel gas adjusting cooling water channel that is formed on the cathode-side separator and adjusts the temperature of the outlet portion of the fuel gas passage to be different from the temperature of the gas inlet portion of the fuel gas passage. It is characterized in that the anode side separator is formed independently of the exhaust heat cooling water passage and the oxidizing gas adjusting cooling water passage.
That is, in the invention of claim 2 having such a configuration,
In addition to the configuration of the first aspect of the invention, a cooling passage for adjusting fuel gas is provided so that the temperature of the outlet portion of the fuel gas is different from the temperature of the inlet portion of the fuel gas.
【００１８】したがって、請求項２記載の発明では、酸
化剤ガスのガス出口部分だけではなく、燃料ガスのガス
出口部分においても、ガス出口部分のガス温度をガス入
口部分のガス温度と異なる温度とすることができ、これ
により、燃料ガス中に含まれている水分を凝集して回収
することができる。このように、燃料ガスのガス出口部
分に対しても、独立した冷却水路を設けることにより、
含水量が少ないガスの双方の入口部分に対しても、水分
量の濃度差を利用した水分の供給を電解質膜の表裏で行
うことが可能となる。Therefore, according to the second aspect of the invention, not only in the gas outlet portion of the oxidant gas but also in the gas outlet portion of the fuel gas, the gas temperature at the gas outlet portion is different from the gas temperature at the gas inlet portion. Therefore, water contained in the fuel gas can be aggregated and collected. In this way, by providing an independent cooling water passage for the gas outlet portion of the fuel gas,
It is possible to supply water to both inlets of a gas having a low water content by utilizing the difference in water content between the front and back surfaces of the electrolyte membrane.
【００１９】また、加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの双方がセル中央部へ水分を持ち込むため、膜電極接
合体の乾操をさらに抑制することができる。このため、
セル特性の低下をさらに抑制でき、安定して発電するこ
とが可能となる。Further, since both the humidified fuel gas and the oxidant gas bring water into the central portion of the cell, the dry operation of the membrane electrode assembly can be further suppressed. For this reason,
The deterioration of cell characteristics can be further suppressed, and stable power generation can be achieved.
【００２０】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の燃料電池であって、前記酸化剤ガス調整用冷却水
路および／または前記燃料ガス調整用冷却水路が、前記
膜電極接合体における前記触媒層が配置された領域外に
位置するように配置されていることを特徴とする。The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2.
In the fuel cell described above, the oxidant gas adjusting cooling water channel and / or the fuel gas adjusting cooling water channel is arranged so as to be located outside a region in which the catalyst layer is arranged in the membrane electrode assembly. It is characterized by
【００２１】したがって、請求項３記載の発明では、酸
化剤ガス調整用冷却水路や燃料ガス調整用水路を膜電極
接合体における触媒層の領域外に設けるため、これら調
整用冷却水路の冷却が膜電極接合体に影響することがな
くなり、セルの稼動温度を発電効率に適した温度に維持
することができ、その結果、燃料電池全体の効率を向上
させることができる。Therefore, according to the third aspect of the invention, since the cooling water channel for adjusting the oxidant gas and the water channel for adjusting the fuel gas are provided outside the area of the catalyst layer in the membrane electrode assembly, the cooling of these adjusting cooling water channels is performed. The joined body is not affected, and the operating temperature of the cell can be maintained at a temperature suitable for power generation efficiency. As a result, the efficiency of the entire fuel cell can be improved.
【００２２】また、請求項３記載の発明では、ガス流路
へガスを供給する流路幅の大きな部位を冷却することが
できるため、凝集した水が電極や拡散層の細孔に浸透す
る電極の濡れ（フラッディング）の発生を防ぐことがで
き、ガス拡散性が低下し、セル特性の低下を抑制でき
る。Further, according to the third aspect of the invention, since a portion having a large flow channel width for supplying gas to the gas flow channel can be cooled, the electrode in which the condensed water permeates the pores of the electrode or the diffusion layer. It is possible to prevent the occurrence of wetting (flooding), to reduce gas diffusibility, and to suppress deterioration of cell characteristics.
【００２３】一般に、水の凝集のために温度を低くする
部位では、中央部より温度が低くなるため発電効率が中
央部より低くなってしまい、セル全体の安定性を損なう
のに対し、この請求項３記載の発明では、調整用冷却水
路を発電に必要な触媒塗布部と重ならないようにしてい
るため、触媒を有効に活用できる。これにより、燃料電
池の稼働の安定性を高めることができ、しかも、余分な
触媒の使用を抑制できる。In general, in the portion where the temperature is lowered due to the aggregation of water, the temperature is lower than that in the central portion, so that the power generation efficiency is lower than that in the central portion, and the stability of the entire cell is impaired. In the invention described in Item 3, the adjustment cooling water passage is not overlapped with the catalyst coating portion required for power generation, so that the catalyst can be effectively used. As a result, the stability of the operation of the fuel cell can be enhanced, and the use of extra catalyst can be suppressed.
【００２４】請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求
項３のいずれかに記載された燃料電池であって、前記排
熱用冷却水路と、前記酸化剤ガス調整用冷却水路と、前
記燃料ガス調整用冷却水路とが、個別の温度調整システ
ムに接続されていることを特徴とする。The invention according to claim 4 is the fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the exhaust heat cooling water channel, the oxidant gas adjusting cooling water channel, and The cooling water channel for adjusting the fuel gas is connected to a separate temperature adjusting system.
【００２５】したがって、請求項４記載の発明では、負
荷変動時に応じて、これら調整用冷却水路の温度を適し
た温度に維持することができるため、燃料電池の発電の
効率低下を抑制することができる。Therefore, according to the fourth aspect of the present invention, the temperature of these adjusting cooling water channels can be maintained at an appropriate temperature according to the load fluctuation, so that the reduction of the power generation efficiency of the fuel cell can be suppressed. it can.
【００２６】請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求
項３のいずれかに記載された燃料電池であって、前記排
熱用冷却水路及び調整用冷却水路とが同じ温度調整シス
テムに接続されていることを特徴とする。The invention according to claim 5 is the fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the cooling water channel for exhaust heat and the cooling water channel for adjustment are connected to the same temperature control system. It is characterized by being.
【００２７】したがって、請求項５記載の発明では、同
じ温度調整システムを用いることにより、燃料電池の構
成を簡素化することができる。また、加湿が抑制された
ガス供給の発電においても、セル特性の低下を引き起こ
すことなく、かつ発電効率が高く、より小型化された燃
料電池とすることができる。Therefore, according to the fifth aspect of the invention, by using the same temperature adjusting system, the structure of the fuel cell can be simplified. Further, even in the case of gas-supplied power generation in which humidification is suppressed, it is possible to obtain a smaller fuel cell that does not cause deterioration of cell characteristics, has high power generation efficiency.
【００２８】請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５
のいずれかに記載された燃料電池であって、自動車に搭
載されていることを特徴とする。[0028] The invention of claim 6 is from claim 1 to claim 5.
The fuel cell according to any one of 1 to 3, which is mounted on an automobile.
【００２９】請求項６の発明では、自動車が加湿が抑制
された燃料電池を搭載するため、自動車自体をコンパク
トとすることができる。According to the sixth aspect of the invention, since the vehicle is equipped with the fuel cell in which humidification is suppressed, the vehicle itself can be made compact.
【００３０】[0030]
【発明の効果】請求項１の発明によれば、含水量の多い
酸化剤ガスのガス出口部分でガス温度をガス入口部分の
ガス温度と異なる温度とするため、ガス中に飛散してい
る水分を凝集して回収することができる。そして、ガス
出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度より低く
して水を回収することにより、電解質膜の反対側に設置
される含水量の少ない燃料ガスのガス入口部分に対して
の水分量の濃度差を大きくすることができ、酸化剤ガス
のガス出口側からガス入口側へ電解質膜を介して水の供
給を促進することが可能となる。According to the first aspect of the invention, since the gas temperature of the oxidant gas having a large water content is different from the gas temperature of the gas inlet, the water content scattered in the gas. Can be aggregated and collected. Then, the gas temperature of the gas outlet portion is made lower than that of the gas inlet portion to collect water, so that the moisture content of the fuel gas with a small water content installed on the opposite side of the electrolyte membrane to the gas inlet portion is reduced. It is possible to increase the difference in the concentration between the amounts, and it is possible to promote the supply of water from the gas outlet side of the oxidant gas to the gas inlet side via the electrolyte membrane.
【００３１】また、加湿された燃料ガスがセル中央部へ
水分を同伴するため、膜電極接合体の乾燥を抑制するこ
とができ、セル特性の低下を抑制し、発電を安定して行
うことができる。Further, since the humidified fuel gas entrains water in the central portion of the cell, it is possible to suppress the drying of the membrane electrode assembly, suppress the deterioration of cell characteristics, and perform stable power generation. it can.
【００３２】さらに、調整用冷却水路を排熱用冷却水路
と独立して設けるため、セルの稼働温度を高く維持する
ことができ、このため、高い発電効率を維持できるとと
もに、外気温との温度差を保持でき、燃料電池からの排
熱をスムーズに行うことも可能となる。Further, since the adjustment cooling water passage is provided independently of the exhaust heat cooling water passage, the operating temperature of the cell can be maintained high, and therefore high power generation efficiency can be maintained and the temperature of the outside air temperature can be maintained. The difference can be maintained, and the heat exhausted from the fuel cell can be smoothly performed.
【００３３】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
と同様な効果を有するのに加えて、燃料ガスのガス出口
部分においても、ガス出口部分のガス温度をガス入口部
分のガス温度と異なる温度とすることができるため、燃
料ガス中に飛散している水分を凝集して回収することが
でき、含水量が少ないガスの双方の入口部分に対して
も、水分量の濃度差を利用した水分の供給を電解質膜の
表裏で行うこと可能となる。According to the invention of claim 2, in addition to having the same effect as that of the invention of claim 1, also in the gas outlet portion of the fuel gas, the gas temperature of the gas outlet portion is changed to the gas temperature of the gas inlet portion. Since the temperature can be set to a temperature different from that of the above, it is possible to collect the water scattered in the fuel gas by aggregating and collect the difference in the water content concentration even at both inlet portions of the gas with a low water content. It becomes possible to supply the used water on the front and back sides of the electrolyte membrane.
【００３４】また、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガス
の双方がセル中央部へ水分を同伴するため、膜電極接合
体の乾操をさらに抑制することができ、セル特性の低下
を抑制して、発電を安定して行うことができる。Further, since both the humidified fuel gas and the oxidant gas entrain water in the cell central portion, it is possible to further suppress the dry operation of the membrane electrode assembly and suppress the deterioration of the cell characteristics. The power generation can be performed stably.
【００３５】請求項３の発明によれば、請求項１及び２
の発明と同様な効果を有するのに加えて、調整用冷却水
路の冷却が膜電極接合体に影響することがなくなり、セ
ルの稼動温度を発電効率に適した温度に維持することが
でき、燃料電池全体の効率を向上させることができる。
また、ガス流路へガスを供給する流路幅の大きな部位を
冷却することができるため、凝集した水が電極や拡散層
の細孔に浸透する電極の濡れの発生を防ぐことができ、
ガス拡散性が低下し、セル特性の低下を抑制できる。According to the invention of claim 3, claims 1 and 2
In addition to having the same effect as that of the invention, the cooling of the adjustment cooling water channel does not affect the membrane electrode assembly, and the operating temperature of the cell can be maintained at a temperature suitable for power generation efficiency. The efficiency of the entire battery can be improved.
Further, since it is possible to cool a portion having a large flow channel width for supplying gas to the gas flow channel, it is possible to prevent the occurrence of wetting of the electrode in which condensed water permeates the pores of the electrode or the diffusion layer,
The gas diffusivity is reduced, and the deterioration of cell characteristics can be suppressed.
【００３６】さらに、調整用冷却水路が発電に必要な触
媒塗布部と重ならないようになっているため、触媒を有
効に活用でき、これにより、燃料電池の稼働の安定性を
高めることができ、さらには、余分な触媒の使用を抑制
できるため、コストを削減できる。Furthermore, since the adjustment cooling water passage does not overlap with the catalyst coating portion required for power generation, the catalyst can be effectively utilized, which can enhance the stability of the operation of the fuel cell. Furthermore, since the use of extra catalyst can be suppressed, the cost can be reduced.
【００３７】請求項４の発明によれば、請求項１〜３の
発明と同様な効果を有するのに加えて、負荷変動時に応
じて、調整用冷却水路の温度を適した温度に維持するこ
とができるため、燃料電池の発電の効率低下を抑制する
ことができる。According to the invention of claim 4, in addition to having the same effects as the inventions of claims 1 to 3, the temperature of the cooling water passage for adjustment is maintained at an appropriate temperature in accordance with a load change. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency of the fuel cell.
【００３８】請求項５の発明によれば、請求項１〜３の
発明と同様な効果を有するのに加えて、同じ温度調整シ
ステムを用いるため、燃料電池の構成を簡素化すること
ができ、しかも、加湿が抑制されたガス供給の発電にお
いても、セル特性の低下を引き起こすことなく、かつ発
電効率が高く、より小型化された燃料電池とすることが
できる。According to the invention of claim 5, in addition to having the same effects as the inventions of claims 1 to 3, since the same temperature adjusting system is used, the structure of the fuel cell can be simplified, In addition, even in the case of gas-supplied power generation in which humidification is suppressed, the fuel cell can be made smaller without causing deterioration of cell characteristics and having high power generation efficiency.
【００３９】請求項６の発明によれば、請求項１〜５の
発明と同様な効果を有するのに加えて、自動車が加湿が
抑制された燃料電池を搭載するため、自動車自体をコン
パクトとすることができる。According to the invention of claim 6, in addition to having the same effects as the inventions of claims 1 to 5, the vehicle itself has a fuel cell in which humidification is suppressed, so that the vehicle itself is made compact. be able to.
【００４０】[0040]
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池の詳
細を図面に示す各実施の形態に基づいて説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, details of a fuel cell according to the present invention will be described based on each embodiment shown in the drawings.
【００４１】（第１の実施の形態）図１および図２は、
本発明の第１の実施形態の固体高分子電解質型の燃料電
池を示し、図１は燃料電池の一部を示す断面図、図２は
固体高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す分解斜線
図である。(First Embodiment) FIG. 1 and FIG.
1 shows a solid polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of the fuel cell, and FIG. 2 is an exploded perspective view showing a basic structure of the solid polymer electrolyte fuel cell. It is a figure.
【００４２】燃料電池スタックは、膜電極接合体１と、
この膜電極接合体１を挟むように配置されたカソード側
セパレータ２およびアノード側セパレータ３と、を有し
て構成されている。The fuel cell stack comprises a membrane electrode assembly 1 and
The cathode-side separator 2 and the anode-side separator 3 are arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly 1.
【００４３】膜電極接合体１は、固体高分子膜からなる
電解質膜４と、この電解質膜４の両面に配置された電極
５、６とによって形成されている。電解質膜４は、フッ
素系樹脂などの固体高分子材料によりプロトン伝導性の
膜として形成されている。電解質膜４の両面に配設され
る二つの電極５、６には、白金または白金とその他の金
属からなる触媒を含有するカーボンクロスまたはカーボ
ンペーパーからなり、触媒の存在する面が電解質膜と接
触するように形成されている。電極５は、酸化剤極、電
極６は燃料極として機能する。The membrane electrode assembly 1 is formed of an electrolyte membrane 4 made of a solid polymer membrane and electrodes 5 and 6 arranged on both sides of the electrolyte membrane 4. The electrolyte membrane 4 is formed as a proton conductive membrane from a solid polymer material such as a fluororesin. The two electrodes 5 and 6 arranged on both sides of the electrolyte membrane 4 are made of carbon cloth or carbon paper containing a catalyst made of platinum or platinum and another metal, and the surfaces where the catalyst is present are in contact with the electrolyte membrane. Is formed. The electrode 5 functions as an oxidant electrode, and the electrode 6 functions as a fuel electrode.
【００４４】カソード側セパレータ２およびアノード側
セパレータ３は、いずれもガス不透過である緻密性カー
ボン材で形成されており、片面または両面に燃料ガスや
酸化性ガスあるいは冷却媒体の流路を確保するための多
数のリブが形成されている。また、セパレータ外縁部に
沿ったシーリング領域７によって水素を含有する燃料ガ
スや酸素を含有する酸化剤ガスをシールしている。The cathode-side separator 2 and the anode-side separator 3 are both formed of a gas-impermeable dense carbon material, and secure a flow path for fuel gas, oxidizing gas, or cooling medium on one or both sides. A large number of ribs for forming are formed. Further, the fuel gas containing hydrogen and the oxidant gas containing oxygen are sealed by the sealing region 7 along the outer edge of the separator.
【００４５】カソード側セパレータ２には、酸化剤ガス
流路８が形成されている。酸化剤ガス流路８には、加湿
が抑制された空気などの酸化剤ガスが供給される。この
酸化剤ガス流路８は、カソード側セパレータ２における
膜電極接合体１と対面した面内を酸化剤ガスが流通する
ように形成されている。酸化剤ガスはガス入口９から導
入され、酸化剤ガス流路８を流通した後、ガス出口１０
から排出される。An oxidant gas flow channel 8 is formed in the cathode side separator 2. The oxidant gas flow path 8 is supplied with an oxidant gas such as air in which humidification is suppressed. The oxidant gas flow path 8 is formed so that the oxidant gas flows through the surface of the cathode-side separator 2 that faces the membrane electrode assembly 1. The oxidant gas is introduced from the gas inlet 9 and flows through the oxidant gas flow path 8 and then the gas outlet 10
Emitted from.
【００４６】一方、アノード側セパレータ３には、燃料
ガス流路１６が形成されている。この流路１１には、加
湿が抑制された水素等の燃料ガスが供給される。そし
て、この燃料ガスはガス入口１２から導入され、燃料ガ
ス流路１６を流通した後、ガス出口１３から排出される
ようになっている。アノード側セパレータ３では、カソ
ード側セパレータ２の酸化剤ガス流路８と同様に、燃料
ガスが膜電極接合体１と対面した面内を流通するように
燃料ガス流路１６が形成されるが、酸化剤ガスおよび燃
料ガスが対向した流れとなるように酸化剤ガス流路８お
よび燃料ガス流路１６が形成されている。すなわち、図
１に示すように酸化剤ガスは矢印Ａで示すように、酸化
剤ガス流路８内を左側から右側に流通するのに対し、燃
料ガスは矢印Ｂで示すように、燃料ガス流路１６内を右
側から左側に流通するようにこれらの通路が形成される
ている。On the other hand, a fuel gas passage 16 is formed in the anode side separator 3. A fuel gas such as hydrogen in which humidification is suppressed is supplied to the flow path 11. The fuel gas is introduced from the gas inlet 12, flows through the fuel gas passage 16, and is then discharged from the gas outlet 13. In the anode side separator 3, the fuel gas flow channel 16 is formed so that the fuel gas flows in the plane facing the membrane electrode assembly 1, like the oxidant gas flow channel 8 of the cathode side separator 2. The oxidant gas flow channel 8 and the fuel gas flow channel 16 are formed so that the oxidant gas and the fuel gas flow in opposite directions. That is, as shown in FIG. 1, the oxidant gas flows from the left side to the right side in the oxidant gas flow path 8 as shown by an arrow A, while the fuel gas flows as shown by an arrow B in the fuel gas flow. These passages are formed so as to flow from the right side to the left side in the passage 16.
【００４７】カソード側セパレータ２およびアノード側
セパレータ３においては、ガス入口が相手側セパレータ
のガス出口と対向するように電極接合体１を挟んで配置
されている。すなわち、カソード側セパレータ２のガス
入口９はアノード側セパレータ３のガス出口１３と対向
し、ガス出口１０はアノード側セパレータ３のガス入口
１２と対向している。In the cathode side separator 2 and the anode side separator 3, the electrode assembly 1 is arranged so that the gas inlet faces the gas outlet of the mating separator. That is, the gas inlet 9 of the cathode side separator 2 faces the gas outlet 13 of the anode side separator 3, and the gas outlet 10 faces the gas inlet 12 of the anode side separator 3.
【００４８】カソード側セパレータ２における膜電極接
合体１との反対側の面には、発電によって発生した熱を
排熱するための排熱用冷却水路１４が溝状となって形成
されている。On the surface of the cathode side separator 2 opposite to the membrane electrode assembly 1, an exhaust heat cooling water passage 14 for exhausting heat generated by power generation is formed in a groove shape.
【００４９】さらに、カソード側セパレータ２には酸化
剤ガス調整用冷却水路１５が形成されている。酸化剤ガ
ス調整用冷却水路１５はカソード側セパレータ２におけ
るガス出口１０側に配置されている。また、酸化剤ガス
調整用冷却水路１５は、排熱用冷却水路１４と独立した
水路となっている。さらに、酸化剤ガス調整用冷却水路
１５は、膜電極接合体１における電極４，５（触媒）の
面外に位置しており、触媒が配置されていない部分を冷
却するようになっている。Further, the cathode side separator 2 is provided with an oxidizing gas adjusting cooling water passage 15. The oxidant gas adjusting cooling water passage 15 is arranged on the gas outlet 10 side of the cathode side separator 2. Further, the oxidant gas adjusting cooling water passage 15 is a water passage independent of the exhaust heat cooling water passage 14. Further, the oxidant gas adjusting cooling water passage 15 is located outside the planes of the electrodes 4 and 5 (catalyst) in the membrane electrode assembly 1, and is adapted to cool the portion where the catalyst is not arranged.
【００５０】次にこの実施の形態の作用を説明する。Next, the operation of this embodiment will be described.
【００５１】低加湿または無加湿状態のガス供給下にお
いては、加湿して発電した場合に比べて著しく特性が低
下するのが一般的であり、これは加湿が抑制されたため
に電極４、５が乾燥して電解質膜４の抵抗が高くなるこ
とが原因と考えられている。この実施の形態では、膜電
極接合体１を挟んでそれぞれのガスを互いに対向流とし
て供給することにより、互いの流路間に生じる水分の濃
度勾配を利用して、膜電極接合体の乾燥を防ぐことが可
能としている。Under low-humidification or non-humidification gas supply, generally, the characteristics are remarkably deteriorated as compared with the case of generating power by humidification. This is because the humidification is suppressed and the electrodes 4 and 5 are suppressed. It is considered that the cause is that the resistance of the electrolyte membrane 4 becomes high after drying. In this embodiment, by supplying each gas as a counter-current flow with the membrane electrode assembly 1 sandwiched therebetween, the membrane electrode assembly can be dried by utilizing the concentration gradient of the moisture generated between the channels. It is possible to prevent it.
【００５２】しかし、燃料電池の発電効率がより高く、
燃料電池に発生する熱の除熱効率がより高くなる７０℃
以上で発電を行う場合には、蒸気としての燃料電池から
持ち出される水分量が多くなるため、たとえガス供給を
対向流の形態としても膜電極接合体１が乾操状態となっ
て特性が低下する。However, the power generation efficiency of the fuel cell is higher,
70 ° C, where the heat removal efficiency of the heat generated in the fuel cell becomes higher
When power generation is performed as described above, the amount of water taken out from the fuel cell as steam increases, so that even if the gas supply is in the counter flow mode, the membrane electrode assembly 1 is in a dry operation state and the characteristics deteriorate. .
【００５３】この実施の形態では、このような問題を解
決するため、発電部位で発生する熱を除くための排熱用
冷却水路１４と、酸化剤ガスのガス１０出口を冷却する
調整用冷却水路１５が独立して、それぞれの温度を調節
できるようになっている。すなわち、酸化剤ガスのガス
出口１０では、燃料電池の冷却用と独立した専用の酸化
剤ガス調整用冷却水路１５によって水分を凝集して排出
される水分を回収している。このように、発電によって
酸化剤極側に生成される水分が蒸気として含まれる酸化
剤ガスを、そのガス出口１０で水分を回収し、凝集した
水分を濃度差を利用して電解質膜４を介して通過させて
いる。これにより、燃料ガス流路１６のガス入口１１に
供給される燃料ガスを加湿して、セル内の膜電極接合体
１の乾燥を抑制している。In this embodiment, in order to solve such a problem, an exhaust heat cooling water passage 14 for removing heat generated at the power generation site and an adjustment cooling water passage for cooling the gas 10 outlet of the oxidant gas. Each of the 15 can independently adjust its temperature. That is, at the gas outlet 10 for the oxidant gas, the effluent is condensed and discharged by the dedicated oxidant gas adjusting cooling water passage 15 which is independent of the fuel cell cooling, and is collected. In this way, the oxidant gas, which contains the moisture generated on the oxidizer electrode side by power generation as steam, is recovered at the gas outlet 10 and the condensed water is passed through the electrolyte membrane 4 using the concentration difference. I am passing it. As a result, the fuel gas supplied to the gas inlet 11 of the fuel gas channel 16 is humidified, and the drying of the membrane electrode assembly 1 in the cell is suppressed.
【００５４】このような実施の形態では、酸化剤ガスの
ガス出口１０付近のみを特に冷却するため、発電に関与
する膜電極接合体１での温度を高く維持することができ
る。このように、発電部位の温度が高くなることによ
り、発電効率が高くなるとともに、燃料電池の除熱効率
も改善されるため、系全体の発電効率がより向上した固
体高分子電解質型燃料電池とすることができる。In such an embodiment, only the vicinity of the gas outlet 10 for the oxidant gas is particularly cooled, so that the temperature in the membrane electrode assembly 1 involved in power generation can be kept high. As described above, since the temperature of the power generation portion is increased, the power generation efficiency is increased and the heat removal efficiency of the fuel cell is also improved, so that the solid polyelectrolyte fuel cell is further improved in the power generation efficiency of the entire system. be able to.
【００５５】また、発電部位の温度を高くすることによ
って、その部位での飽和水蒸気量が高くなるため、生成
した水による電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れ
が抑制され、これにより優れたセル特性を得ることがで
きる。Further, by increasing the temperature of the power generation portion, the amount of saturated water vapor in that portion increases, so that wetting of the electrode and the electrode penetrating into the pores of the diffusion layer by the generated water is suppressed, and as a result, Excellent cell characteristics can be obtained.
【００５６】（第２実施の形態）図３は、本発明の第２
実施の形態の燃料電池の一部を示す断面図、図４は燃料
電池の基本構成を示す分解斜視図である。(Second Embodiment) FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a part of the fuel cell according to the embodiment, and FIG. 4 is an exploded perspective view showing the basic configuration of the fuel cell.
【００５７】この実施の形態では、第１の実施の形態の
構成に加えて燃料ガス調整用冷却水路１７がアノード側
セパレータ３に形成されている。すなわち、この形態で
はカソード側セパレータ２に酸化剤ガス調整用冷却水路
１５を第１の実施の形態と同様に形成するのに加えて、
アノード側セパレータ３にも燃料ガス調整用冷却水路１
７を形成するものである。この調整用冷却水路１７はア
ノード側セパレータ３における燃料ガスのガス出口１３
に対応するように形成されている。In this embodiment, in addition to the structure of the first embodiment, a fuel gas adjusting cooling water passage 17 is formed in the anode side separator 3. That is, in this embodiment, in addition to forming the oxidant gas adjusting cooling water passage 15 in the cathode side separator 2 as in the first embodiment,
A cooling water channel 1 for adjusting fuel gas is also used for the anode side separator 3.
7 is formed. The cooling water passage 17 for adjustment is used as the gas outlet 13 for the fuel gas in the anode-side separator 3.
Is formed to correspond to.
【００５８】アノード側セパレータ３の燃料ガス調整用
冷却水路１７は、排熱用冷却水路１４と独立していると
共に、カソード側セパレータ２の酸化剤ガス調整用冷却
水路１５とも独立している。したがって、この燃料ガス
調整用冷却水路１７は、燃料ガスのガス出口１３部分の
温度をガス入口１１部分と異なるように調整するが、こ
の調整は排熱用冷却水路１４およびカソード側セパレー
タ２の酸化剤ガス調整用冷却水路１５と独立して行うよ
うになっている。また、アノード側セパレータ３の燃料
ガス調整用冷却水路１７は、膜電極接合体１における電
極４、５（触媒層）の面外に位置するように配置されて
いる。The fuel gas adjusting cooling water passage 17 of the anode side separator 3 is independent of the exhaust heat cooling water passage 14, and is also independent of the oxidant gas adjusting cooling water passage 15 of the cathode side separator 2. Therefore, the fuel gas adjusting cooling water passage 17 adjusts the temperature of the gas outlet 13 portion of the fuel gas to be different from that of the gas inlet 11 portion, but this adjustment is performed by oxidizing the exhaust heat cooling water passage 14 and the cathode side separator 2. The cooling water passage 15 for adjusting the agent gas is provided independently. Further, the fuel gas adjusting cooling water passage 17 of the anode-side separator 3 is arranged so as to be located outside the surfaces of the electrodes 4 and 5 (catalyst layer) in the membrane electrode assembly 1.
【００５９】この実施の形態では、第１の実施の形態の
排熱用冷却水路１４および酸化ガスのガス出口１０冷却
用の酸化剤ガス調整用冷却水路１５に加えて、燃料ガス
のガス出口１３を冷却する燃料ガス調整用冷却水路１７
を設けているため、両方のガス出口１０、１３における
水回収およびガスの加湿を酸化剤ガス、燃料ガスの両方
で行うことができるため、膜電極接合体１の乾燥抑制を
より促進することができる。In this embodiment, in addition to the exhaust heat cooling water passage 14 and the oxidizing gas gas outlet 10 of the first embodiment, the oxidant gas adjusting cooling water passage 15 for cooling, a fuel gas gas outlet 13 is provided. Cooling channel 17 for adjusting fuel gas
Since it is possible to collect water at both gas outlets 10 and 13 and humidify the gas with both the oxidant gas and the fuel gas, it is possible to further promote the suppression of drying of the membrane electrode assembly 1. it can.
【００６０】（第３の実施の形態）図５および図６は、
本発明の第３の実施の形態を示す。この実施の形態で
は、図５に示すように燃料ガス調整用冷却水路１９がア
ノード側セパレータ３に形成されている。図６はカソー
ド側セパレータ２でを示し、酸化剤ガスの入口マニホー
ルド２１および出口マニホールド２２がアノード側セパ
レータ３の入口マニホールド２４および出口マニホール
ド２５と対応するように形成されている。(Third Embodiment) FIGS. 5 and 6 show
The 3rd Embodiment of this invention is shown. In this embodiment, the fuel gas adjusting cooling water passage 19 is formed in the anode side separator 3 as shown in FIG. FIG. 6 shows the cathode side separator 2, and an oxidant gas inlet manifold 21 and an outlet manifold 22 are formed so as to correspond to the inlet manifold 24 and the outlet manifold 25 of the anode side separator 3.
【００６１】図５および図６において、２６、２７は燃
料ガスの入口マニホールド、２８、２９は燃料ガスの出
口マニホールド、３１、３２は冷却水の入口、３３、３
４は冷却水の出口である。In FIGS. 5 and 6, 26 and 27 are fuel gas inlet manifolds, 28 and 29 are fuel gas outlet manifolds, 31 and 32 are cooling water inlets, and 33 and 3, respectively.
4 is an outlet of cooling water.
【００６２】この実施の形態において、カソード側セパ
レータ２では、図６に示すようにガス流路が同一平面状
を往復する構成となっている。ここでは、そのガス供給
出口を冷却する独立した調整用冷却水路１９をアノード
側セパレータ３に形成している。このような構成とする
ことにより、酸化剤ガス自身でガス供給に必要な加湿を
行なうことが可能となっている。In this embodiment, the cathode side separator 2 has a structure in which the gas flow paths reciprocate in the same plane as shown in FIG. Here, an independent cooling water passage 19 for cooling the gas supply outlet is formed in the anode-side separator 3. With such a configuration, the oxidizing gas itself can perform the humidification necessary for gas supply.
【００６３】（第４の実施の形態）図７は、本発明の第
４の実施の形態であり、固体高分子電解質型燃料電池に
おけるガスや冷却水の流通系を示している。(Fourth Embodiment) FIG. 7 shows a fourth embodiment of the present invention, showing a gas or cooling water flow system in a solid polymer electrolyte fuel cell.
【００６４】本実施の形態では、固体高分子電解質型燃
料電池が、上記した第１〜第３の実施の形態のいずれか
の構成となっている。したがって、図７に示すように、
燃料電池４１は、酸化ガスのガス入口９、ガス出口１０
および燃料ガスのガス入口１１およびガス出口１３を有
している。In the present embodiment, the solid polymer electrolyte fuel cell has any one of the configurations of the above-described first to third embodiments. Therefore, as shown in FIG.
The fuel cell 41 includes a gas inlet 9 and a gas outlet 10 for oxidizing gas.
And a gas inlet 11 and a gas outlet 13 for fuel gas.
【００６５】さらに、酸化ガスのガス出口１３の温度調
整を行う酸化剤ガス調整用冷却水路１５が形成されてい
る。この酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、燃料電池４
１の系外に設けられた酸化剤ガス出口冷却系４２と接続
されている。酸化剤ガス出口冷却系４２は熱交換器４３
を有しており、燃料電池４１の系外で熱交換が行われ
る。Furthermore, an oxidizing gas adjusting cooling water passage 15 for adjusting the temperature of the gas outlet 13 of the oxidizing gas is formed. The cooling water channel 15 for adjusting the oxidant gas is used for the fuel cell 4
1 is connected to an oxidant gas outlet cooling system 42 provided outside the system. The oxidant gas outlet cooling system 42 is a heat exchanger 43.
And heat exchange is performed outside the system of the fuel cell 41.
【００６６】一方、発電によって発生した熱を排熱する
排熱用冷却水路は、燃料電池４１の系外に設けられた燃
料電池スタック冷却系４４に接続されている。この冷却
系４４は酸化ガス出口冷却系４２の熱交換器４３とは、
別個の熱交換器４５を備えている。On the other hand, an exhaust heat cooling water passage for exhausting heat generated by power generation is connected to a fuel cell stack cooling system 44 provided outside the system of the fuel cell 41. This cooling system 44 is different from the heat exchanger 43 of the oxidizing gas outlet cooling system 42 in
A separate heat exchanger 45 is provided.
【００６７】このような実施の形態では、燃料電池本体
の除熱のための冷却系と酸化剤ガス出口でのガス中の水
分を回収する冷却系が独立して循環して温度制御を行
う。これにより、燃料電池の運転温度を高く維持するこ
とができ、高い運転温度にもかかわらず膜電極接合体１
の乾操を抑制することができ、安定して発電することが
可能となる。In such an embodiment, the cooling system for removing heat from the fuel cell main body and the cooling system for recovering water in the gas at the oxidant gas outlet are independently circulated to control the temperature. As a result, the operating temperature of the fuel cell can be maintained high, and the membrane electrode assembly 1 can be maintained despite the high operating temperature.
It is possible to suppress the dry operation, and it is possible to stably generate power.
【００６８】（第５実施の形態）図８は、本発明の第５
の実施の形態のガスおよび冷却水の流通系を示してい
る。(Fifth Embodiment) FIG. 8 shows the fifth embodiment of the present invention.
3 shows a gas and cooling water flow system of the embodiment.
【００６９】この実施の形態では、独立している燃料電
池４１の除熱のための燃料電池スタック冷却系４４と、
酸化剤ガス出口でガス中の水分を回収する酸化ガス出口
冷却系４２とが、スタックの外部で連結されて冷却水が
循環して、温度制御を行うようになっている。これによ
り熱交換器４５を出た直後の温度の低い冷却水で、空気
または燃料の出口側を冷却することができる。In this embodiment, a fuel cell stack cooling system 44 for removing heat from the independent fuel cell 41,
The oxidant gas outlet cooling system 42 for recovering water in the gas at the oxidant gas outlet is connected to the outside of the stack to circulate cooling water for temperature control. As a result, the outlet side of air or fuel can be cooled with the cooling water having a low temperature immediately after exiting the heat exchanger 45.
【００７０】このような構成では、燃料電池４１のシス
テム構成を簡素化することができ、結果としてシステム
全体のサイズをコンパクトにできる。従って、体積あた
りの出力密度を向上することができ、結果として、安定
したより小型の固体高分子電解質型燃料電池とすること
ができる。With such a structure, the system structure of the fuel cell 41 can be simplified, and as a result, the size of the entire system can be made compact. Therefore, the output density per volume can be improved, and as a result, a stable and smaller solid polymer electrolyte fuel cell can be obtained.
【００７１】システムを得ることができる。A system can be obtained.
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態を示
す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a fuel cell according to the present invention.
【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図
である。FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell according to the first embodiment.
【図３】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態を示
す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a second embodiment of a fuel cell according to the present invention.
【図４】第２の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図
である。FIG. 4 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a second embodiment.
【図５】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態に用
いるアノード側セパレータの平面図である。FIG. 5 is a plan view of an anode-side separator used in a third embodiment of a fuel cell according to the present invention.
【図６】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態に用
いるカソード側セパレータの平面図である。FIG. 6 is a plan view of a cathode side separator used in a third embodiment of a fuel cell according to the present invention.
【図７】本発明に係る燃料電池の第４の実施の形態のシ
ステムを示す全体図である。FIG. 7 is an overall view showing a system of a fourth embodiment of a fuel cell according to the present invention.
【図８】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態のシ
ステムを示す全体図である。FIG. 8 is an overall view showing a system of a fifth embodiment of a fuel cell according to the present invention.
１ 膜電極接合体 ２ カソード側セパレータ ３ アノード側セパレータ ４ 電解質膜 ５、６ 電極 ８ 酸化ガス流路 ９ 酸化ガスのガス入口 １０ 酸化ガスのガス出口 １１ 燃料ガスのガス入口 １３ 燃料ガスのガス出口 １４ 排熱用冷却水路 １５ 酸化剤ガス調整用冷却水路 １７ 燃料ガス調整用冷却水路 1 membrane electrode assembly 2 Cathode side separator 3 Anode side separator 4 electrolyte membrane 5, 6 electrodes 8 Oxidizing gas flow path 9 Oxidizing gas inlet 10 Oxidizing gas outlet 11 Gas inlet for fuel gas 13 Gas outlet for fuel gas 14 Cooling water channel for exhaust heat 15 Cooling channel for adjusting oxidant gas 17 Cooling channel for fuel gas adjustment
Claims (6)
媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電
極接合体と、 前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セ
パレータ及びカソード側セパレータと、 加湿が抑制された燃料ガスが前記膜電極接合体と対向す
る面内を流通するようにアノード側セパレータに形成さ
れた燃料ガス流路と、 加湿が抑制された酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向
した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するよ
うにカソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路
とを備え、 前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及び
ガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置さ
れると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用
冷却水路が設けられた燃料電池であって、 前記酸化剤ガス流路のガス入口部分の温度に比べて、前
記酸化剤ガス流路のガス出口部分の温度が異なるように
調整する酸化剤ガス調整用冷却水路が、前記排熱用冷却
水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されて
いることを特徴とする燃料電池。1. A membrane electrode assembly in which electrodes composed of a catalyst layer containing a polymer electrolyte and a porous diffusion layer are disposed on both sides of an electrolyte membrane, and an anode side disposed so as to sandwich the membrane electrode assembly. A separator and a cathode-side separator, a fuel gas channel formed in the anode-side separator so that the fuel gas whose humidification is suppressed flows in a surface facing the membrane electrode assembly, and an oxidant whose humidification is suppressed. An oxidant gas flow channel formed in the cathode side separator so that the gas circulates in a surface facing the membrane electrode assembly as a flow facing the fuel gas, and the fuel gas flow channel and the oxidation gas are provided. A fuel cell in which a gas inlet and a gas outlet of an agent gas flow path are arranged so as to face each other with a membrane electrode assembly interposed therebetween, and an exhaust heat cooling water passage for exhausting heat generated by power generation is provided. As compared with the temperature of the gas inlet portion of the oxidant gas flow channel, the oxidant gas adjusting cooling water channel for adjusting the temperature of the gas outlet portion of the oxidant gas flow channel to be different is the exhaust heat cooling water channel. A fuel cell, which is independently formed on the cathode side separator.
媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電
極接合体と、 前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セ
パレータ及びカソード側セパレータと、 加湿が抑制された燃料ガスが前記膜電極接合体と対向す
る面内を流通するように前記アノード側セパレータに形
成された燃料ガス流路と、 加湿が抑制された酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向
した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するよ
うに前記カソード側セパレータに形成された酸化剤ガス
流路とを備え、 前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及び
ガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置さ
れると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用
冷却水路が設けられた燃料電池であって、 前記酸化剤ガス流路のガス入口部分の温度に比べて、前
記酸化剤ガス流路のガス出口部分の温度が異なるように
調整する酸化剤ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水
路と独立して前記カソード側セパレータに形成されると
共に、前記燃料ガス流路のガス入口部分の温度に比べ
て、前記燃料ガス流路の出口部分の温度が異なるように
調整する燃料ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路
及び前記酸化剤ガス調整用冷却水路と独立して前記アノ
ード側セパレータに形成されていることを特徴とする燃
料電池。2. A membrane electrode assembly in which electrodes composed of a catalyst layer containing a polymer electrolyte and a porous diffusion layer are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and an anode side arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly. A separator and a cathode-side separator, a fuel gas flow path formed in the anode-side separator so that the fuel gas whose humidification is suppressed flows in a surface facing the membrane electrode assembly, and the oxidation whose humidification is suppressed An oxidant gas flow channel formed in the cathode side separator so that the agent gas circulates in a surface facing the fuel electrode in a surface facing the membrane electrode assembly, and the fuel gas flow channel, A fuel cell in which the gas inlet and the gas outlet of the oxidant gas flow channel are arranged so as to face each other with the membrane electrode assembly interposed therebetween, and a cooling water channel for exhaust heat for exhausting heat generated by power generation is provided. There is a cooling water channel for adjusting the oxidant gas for adjusting the temperature of the gas outlet portion of the oxidant gas flow channel to be different from the temperature of the gas inlet portion of the oxidant gas flow channel. For adjusting the fuel gas, which is formed in the cathode-side separator independently of the water channel and adjusts so that the temperature of the outlet of the fuel gas passage is different from the temperature of the gas inlet of the fuel gas passage. A fuel cell, wherein a cooling water passage is formed in the anode-side separator independently of the exhaust heat cooling water passage and the oxidizing gas adjusting cooling water passage.
または前記燃料ガス調整用冷却水路が、前記膜電極接合
体における前記触媒層が配置された領域外に位置するよ
うに配置されていることを特徴とする請求項１または２
記載の燃料電池。3. A cooling water channel for adjusting the oxidant gas and / or
Alternatively, the fuel gas adjusting cooling water passage is arranged so as to be located outside a region where the catalyst layer is arranged in the membrane electrode assembly.
The fuel cell described.
調整用冷却水路と、前記燃料ガス調整用冷却水路とが、
個別の温度調整システムに接続されていることを特徴と
する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。4. The exhaust heat cooling water channel, the oxidant gas adjusting cooling water channel, and the fuel gas adjusting cooling water channel,
The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is connected to an individual temperature control system.
整用冷却水路と前記燃料ガス調整用冷却水路とが、同じ
温度調整システムに接続されていることを特徴とする請
求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。5. The cooling water channel for exhaust heat, the cooling water channel for adjusting the oxidant gas, and the cooling water channel for adjusting the fuel gas are connected to the same temperature control system. The fuel cell according to any one of 1.
る請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。6. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is mounted on an automobile.
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