JP2004186008A - Solid polymer fuel cell, solid polymer fuel cell system and mobile body - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell in which state of water retention of a membrane electrode assembly contributing to power generation performance is retained homogeneously. <P>SOLUTION: The fuel cell is provided with an MEA (membrane electrodes assembly) constituted by pinching an electrolyte film 1 by electrodes 2, 3 and a separator which pinches the MEA and which has a reaction gas flow-path in the confronting face against the MEA. This is constituted so that a cathode flow-path 7 formed at least at one separator, a cathode separator 5 in this case, is constituted of a cathode flow-path 7a in which a part of circulating oxidizer gas is diffused into an oxidizer electrode 3, and of cathode flow-paths 7b, 7c in which all of the circulating oxidizer gas is supplied to the oxidizer electrode 3. Furthermore, at least a part of the oxidizer gas circulated in the cathode flow-path 7a is supplied to the cathode flow-paths 7b, 7c. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００４】
燃料極に燃料ガスが供給されると、（１）の反応が進行してプロトンが生成される。このプロトンが水和状態で電解質、ここでは固体高分子電解質膜内を移動して酸化剤極に至る。酸化剤極には、酸化剤ガスが供給されて、（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起電力を生じる。
【０００５】
ここで、プロトンが酸化剤極へ移動するには、電解質膜が含水している必要がある。この含水量が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって、出力電圧の低下、出力電力の低下を招く。さらに含水量が低下して乾燥状態になると、電解質として機能しなくなる。
【０００６】
通常、電極の発電領域においては、燃料ガス、酸化剤ガスの通流方向上流側と下流側では供給ガスの濃度、流量、水蒸気分圧が異なっている。特に、反応ガス通流方向上流側で電解質膜は乾燥しやすく、下流側の電解質膜は湿潤状態になりやすい。反応生成水の量が電解質膜の保水量を上回ると、反応ガス流路へ生成水が溢れ出すフラッディングを生じる。これにより、電極の発電面を生成水が覆って反応を抑制し、反応ガス流路を閉塞してガス通流を阻害する可能性が生じる。
【０００７】
そこで、従来、供給側の反応ガス流路と、排出側の反応ガス流路が直接連通しないように流路の分離を行い、反応ガスを強制的にガス拡散層へ通流させることにより、生成水の除去を促進してフラッディングを抑制している燃料電池が公知となっている（例えば、特許文献１、特許文献２、参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３２３１５９号公報
【特許文献２】
米国特許第５６４１５８６号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上記従来技術においては、流路形状に主たる対策を施すことでセル内でのフラッディング発生を抑制したものであり、依然として供給ガス通流方向上流側に位置する電解質膜は乾燥しやすいという問題がある。
【００１０】
特に、移動体へ搭載して駆動力を生成する燃料電池においては、その重量軽減の要求から燃料電池へ供給するガスの加湿に関わる水を削減することが望まれている。そのため、移動体用の燃料電池としては、外部からの加湿を抑制した状態、あるいは、外部からの加湿を全く行わない状態が要求されている。このように湿度が抑制された反応ガスを使用する状況下で燃料電池を稼動させる場合、特に供給側における電解質膜の乾燥はより著しい。
【００１１】
そこで、本発明は、発電性能に寄与する膜電極接合体の保水状態を均一に保持させた燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、固体高分子電解質膜を電極で狭持することにより構成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持し、かつ、前記膜電極接合体に対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備える。少なくとも一方の前記セパレータに形成した前記反応ガス流路が、複数の異なる形態の反応ガス流路により形成され、前記流路は、流通する反応ガスの一部が前記電極に拡散するように構成した形態である第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスが前記電極に供給されるように構成した形態である第２反応ガス流路と、の少なくとも２種のガス流路を含んで構成する。さらに、前記第１反応ガス流路を流通後の反応ガスの少なくとも一部を前記第２反応ガス流路に供給する。
【００１３】
または、燃料電池システムにおいて、固体高分子電解質膜を電極で狭持することにより構成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持するセパレータと、少なくとも一方の前記セパレータに備えた、流通する反応ガスの一部を電極に拡散させる第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスを電極に供給する第２反応ガス流路と、からなる反応ガス流路と、前記第１反応ガス流路に反応ガスを供給する第１供給マニホールドと、前記第１反応ガス流路からの反応ガスを回収する第１排出マニホールドと、前記第２反応ガス流路に反応ガスを供給する第２供給マニホールドと、前記第２反応ガス流路からの反応ガスを回収する第２排出マニホールドと、を備え、前記第１排出マニホールドから排出される反応ガスの少なくとも一部を前記第２供給マニホールドに供給する固体高分子型燃料電池を備える。また、前記第１供給マニホールドと前記第２供給マニホールドとに反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記第１供給マニホールドと前記第２供給マニホールドに供給する反応ガスの流量をそれぞれ制御する流量制御手段と、を備える。
【００１４】
または、移動体に、固体高分子電解質膜を電極で狭持することにより構成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持し、かつ、前記膜電極接合体に対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備え、前記反応ガス流路を、流通する反応ガスの一部が前記電極に拡散するように構成した第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスが前記電極に供給されるように構成した第２反応ガス流路と、から構成し、前記第１反応ガス流路を流通した反応ガスの少なくとも一部を前記第２反応ガス流路に供給する固体高分子型燃料電池システムを搭載する。
【００１５】
【作用及び効果】
反応ガス流路を、流通する反応ガスの一部が電極に拡散するように構成した形態である第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスが電極に供給されるように構成した形態である第２反応ガス流路と、の少なくとも２種のガス流路を含んで構成し、第１反応ガス流路を流通後の反応ガスの少なくとも一部を第２反応ガス流路に供給する。このように構成することで、発電にともなう生成水を電極に保持しやすい第１反応ガス流路を、排水性能の優れた第２反応ガス流路の上流側に設けることができる。これにより、第１反応ガス流路を形成した領域の乾燥を抑制することができるとともに、湿潤された反応ガスが供給される第２反応ガス流路ではフラッディングを抑制することができる。これにより、電極全体の湿潤状態を均一化することができる。
【００１６】
また、第１供給マニホールドと第２供給マニホールドとに反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、第１供給マニホールドと第２供給マニホールドに供給する反応ガスの流量をそれぞれ制御する流量制御手段と、を備える。これにより、第１反応ガス流路、第２反応ガス流路それぞれに供給する反応ガス流量を調整することができる。よって、運転状態に応じて変化する電極の湿潤状態を、各流路に供給する反応ガス流量を調整することで、適切に維持することができる。
【００１７】
さらに、上記のような固体高分子型燃料電池を備えた移動体では、固体高分子型電解質膜を湿潤するために燃料電池に供給する水を削減することができるので、コンパクト化・軽量化し、燃料電池システムの移動体への車載性を向上することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池５０の断面の概略を図１に示す。ここで、燃料電池５０として、移動体、例えば燃料電池車に搭載する固体高分子型燃料電池を用いる。
【００１９】
膜電極接合体（ＭＥＡ）を、固体高分子からなる電解質膜１と、これを狭持する燃料極２と酸化剤極３とから構成する。電解質膜１としては、フッ素系樹脂等を代表とする固体高分子材料により構成されるプロトン伝導性の膜を用いる。各電極２、３は、ガス拡散層と触媒層とから構成し、触媒の存在する面が電解質膜１と対峙するように配置する。触媒層は、個別に形成してもよいし、ガス拡散層に触媒を充填させたり、ガス拡散層のセル面に付着させて形成させたりしてもよい。ここでは、高分子電解質を含む触媒層と多孔質のガス拡散層を配置することにより構成する。例えば、白金、または白金とその他の金属からなる白金担持カーボン粒子を触媒として含有したカーボンクロス、または、カーボンペーパー等から構成する。
【００２０】
このようなＭＥＡを、さらにアノードセパレータ４とカソードセパレータ５により狭持する。セパレータ４、５を、ガス不透過である緻密カーボン材で構成する。各セパレータ４、５のセル面には流路を構成する多数のリブを有する。アノードセパレータ４の燃料極２に対峙するセル面にはアノード流路６を形成し、水素を含有する燃料ガスを流通させる。カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙するセル面にはカソード流路７を形成し、酸素を含んだ酸化剤ガスを流通させる。
【００２１】
アノード流路６の燃料ガスと、カソード流路７の酸化剤ガスを用いて、式（１）、（２）に示すような電気化学反応を生じる。このときプロトンが電解質膜１を燃料極２から酸化剤極３に向かって移動するためには、電解質膜１が湿潤している必要がある。電解質膜１の含水量が低下すると、電気抵抗が大きくなって出力電圧が低下する。
【００２２】
そこで、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する面と反対のセル面には、冷却水流路９を形成する。冷却水流路９には、外部より冷却水が供給され、燃料電池５０で発生する熱を除熱する。冷却水流路９は、必ずしもそれぞれのセル毎に設置されていなくとも良い。ただし、燃料電池５０の高出力を望む場合には、燃料電池５０で生じる熱量も大きくなるため、冷却水流路９をできるだけ多く配置するのが望ましい。
【００２３】
また、電極２、３の外周部の、セパレータ４、５と電解質膜１の間には、シールガスケット８によりシーリング領域を形成する。これにより、水素を含有する燃料ガスや酸化剤ガス、冷却水をシールしている。
【００２４】
次に、カソードセパレータ５のカソード流路７を形成したセル面の構成について図２を用いて説明する。ここでは、各セルに酸化剤ガスを供給するマニホールドとして、セル面内部に配置される内部マニホールドを用いる。
【００２５】
セル積層方向に延びる第１供給マニホールド１０、第１排出マニホールド１２を備える。さらに第１供給マニホールド１０により各セルに分配された酸化剤ガスを、セル面に沿って流通させるカソード流路７ａを備える。カソード流路７ａは第１供給マニホールド１０と第１排出マニホールド１２の間の第１流路域１１に配置する。また、カソード流路７ａは、第１供給マニホールド１０と第１排出マニホールド１２とを連通する流路とする。ここではカソード流路７ａが第１流路域１１内を蛇行するように構成する。
【００２６】
また、セル積層方向に延びる第２供給マニホールド１３、第２排出マニホールド１５を備える。第２供給マニホールド１３に接続して後述するカソード流路７ｂに酸化剤ガスを分配するセル内分配マニホールド１６を構成する。また、第２排出マニホールド１５に接続して後述するカソード流路７ｃから酸化剤ガスを回収するセル内回収マニホールド１７を構成する。セル内分配マニホールド１６とセル内回収マニホールド１７との軸方向を平行に、且つ、内部を流れる酸化剤ガスの流通方向が同一方向となるように構成する。
【００２７】
さらに、セル内分配マニホールド１６とセル内回収マニホールド１７との間に第２流路域１４を構成する。ここでは、第１流路域１１を流れる酸化剤ガスの概略流れ方向と、第２流路域１４を流れる酸化剤ガスの概略流れ方向を平行、ここでは特に同一方向とする。
【００２８】
第２流路域１４には、セル内分配マニホールド１６に接続してカソード流路７ｂを形成する。ここで、カソード流路７ｂを、セル内分配マニホールド１６内の酸化剤ガスの流れ方向に垂直に構成した複数の流路により構成する。カソード流路７ｂの一端をセル内分配マニホールド１６に接続させ、他端を行き止まりとなるように構成する。
【００２９】
また、平行に配置した複数のカソード流路７ｂの間隔が、セル内分配マニホールド１６内の酸化剤ガス上流側では広く、下流側では狭くなるように構成しても良い。
【００３０】
また、セル内回収マニホールド１７に接続してカソード流路７ｃを形成する。ここで、カソード流路７ｃを、セル内回収マニホールド１７内の酸化剤ガスの流れ方向に垂直に構成した複数の流路により構成する。カソード流路７ｃを、カソード流路７ｂ間に配置する。つまり、カソード流路７ｂとカソード流路７ｃとを交互に配置し、その流路の少なくとも一部が隣接するように構成する。ここで、カソード流路７ｃの一端はセル内分配マニホールド１７に接続させるが、他端は行き止まりとなるように構成する。また、平行に構成された複数のカソード流路７ｃ間の間隔が、セル内回収マニホールド１７内の酸化剤ガス上流側では広く、下流側では狭くなるように形成しても良い。
【００３１】
また、酸化剤極３において、第２流路域１４に対峙する部分に比べて、第１流路域１１に対峙する部分の親水性が高くなるように構成しても良い。これにより、第２流路域１４に比較して上流側にあり、電解質膜が乾燥しやすい第１の流路域１１における電解質膜１の湿潤性を向上することができる。
【００３２】
また、同様の効果を奏する構成として、第１流路域１１に対峙する部分の細孔径を、第２流路域１４に対峙する部分の細孔径に比べて小さくする構成がある。この構成とすることでも湿潤性の向上を図ることができる。
【００３３】
これに対して、第２流路域１４に対峙する部分に比較して、フラッディングを起しやすいコンベンショナルな流路形状を有する第１流路域１１に対峙する部分において、フラッディングをより良く抑制したい場合には、第１流路域１１に対峙する領域における酸化剤極３の疎水性を、第２流路域１４に対峙する部分に比べて高くなるように構成すれば良い。この場合には、第２流路域１４に対峙する部分に比較して、フラッディングを起しやすいコンベンショナルな流路形状を有する第１流路域１１に対峙する部分において、フラッディングをより良く抑制することができる。
【００３４】
同様に、フラッディングを起しやすいコンベンショナルな流路形状を有する第１流路域１１に対峙する部分の細孔径を、第２流路域１４に対峙する部分の細孔径に比べて大きくした構成とすることでも湿潤性の向上を図ることができる。
【００３５】
また、これら親水性、もしくは、疎水性特性の分布と、細孔径特性の分布との組み合わせによって、セル全体での所望の水排出性能を実現しても良い。
【００３６】
次に、カソードセパレータ５における酸化剤ガスの流通状態を説明する。
【００３７】
酸化剤ガスを、第１供給マニホールド１０、第１流路域１１（カソード流路７ａ）、第１排出マニホールド１２、第２供給マニホールド１３、セル内分配マニホールド１６、第２流路域１４（カソード流路７ｂ、７ｃ）、セル内回収マニホールド１７、第２排出マニホールド１５の順番で流通させる。
【００３８】
第１供給マニホールド１０により、各セルに分配された酸化剤ガスは、第１流路域１１に形成したカソード流路７ａ内を流れる。このとき流通する酸化剤ガスの一部は、カソード流路７ａから酸化剤極３のガス拡散層電極に向かって拡散する。拡散した酸化剤ガスは式（２）の反応を生じて発電に用いられる。このとき、電解質膜１の湿潤を維持する必要があるが、発電に伴って酸化剤極３では生成水が生じるので、この生成水を加湿に用いることができる。酸化剤極３内に拡散しなかった酸化剤ガスは、カソード流路７ａに沿って流れて第１排出マニホールド１２に回収される。このとき、酸化剤ガス中には、酸化剤極３で生成された水の一部が蒸発しているので、加湿された酸化剤ガスとなる。
【００３９】
第１排出マニホールド１２に回収された酸化剤ガスは、後述する中間流路４３等により第２供給マニホールド１３に供給されて各セルに分配される。各セルでは、セル内分配マニホールド１６を通ってカソード流路７ｂに分配される。ここで、第２流路域１４に形成したカソード流路７ｂとカソード流路７ｃは連通流路が設けられていない。そのため酸化剤ガスは、カソード流路７ｂとカソード流路７ｃとを分割するリブ部（カソード流路７ｂとカソード流路７ｃとの間の部分）に対峙する酸化剤極３のガス拡散層内を通り、隣接するカソード流路７ｃに排出される。このとき酸化剤極３に供給される酸化剤ガス中には、第１流路域１１内で生成した生成水の一部が含まれるため、電解質膜１の乾燥を防ぐことができる。また、酸化剤ガスが酸化剤極３を介してカソード流路７ｂからカソード流路７ｃに通過するので、酸化剤極３内の水分、例えば第２流路域１４内での発電に伴う生成水は酸化剤ガスの流れに伴って除去することができる。このように、酸化剤極３を介してカソード流路７ｃに移動した酸化剤ガスは、セル内回収マニホールド１７を介して、第２排出マニホールド１５に回収される。
【００４０】
なお、ここでは、第２供給マニホールド１３および、第２排出マニホールド１５を外部マニホールドにより構成することもできる。
【００４１】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【００４２】
電解質膜１を電極２、３で狭持することにより構成したＭＥＡと、ＭＥＡを狭持し、かつ、ＭＥＡに対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備える。少なくとも一方のセパレータ、ここではカソードセパレータ５に形成したカソード流路７を、流通する酸化剤ガスの一部が酸化剤極３に拡散するように構成したカソード流路７ａと、流通する全ての酸化剤ガスが酸化剤極３に供給されるように構成したカソード流路７ｂ、７ｃと、から構成する。さらに、カソード流路７ａを流通した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソード流路７ｂ、７ｃに供給する。ここでは、第１供給マニホールド１０から第１流路域１１を介して第１排出マニホールド１２を経て、さらに第２供給マニホールド１３、第２供給マニホールド１３から第２流路域１４へと続き、最終的に第２排出マニホールドマニフォールド１５を通じて、ガスの排出を行う。
【００４３】
電解質膜１を乾燥しやすい供給ガス通流方向上流部に第１流路域１１を配置する。ここで第１流路域１１は生成水を保持し易い形状であるため、電解質膜１が乾燥しやすい部分に配置することで、電解質膜１を湿潤化させることができる。一方、第２流路域１４のカソード流路７ｂ、７ｃでは、酸化剤ガスを酸化剤極３のガス拡散層へ強制的に通流させる。このためカソード流路７ａよりフラッディングを抑制できるが、供給する酸化剤ガスに含まれている水蒸気が不十分であると電解質膜１を乾燥させてしまう。ここでは、発電で湿潤した酸化剤ガスを第２流路域１４へ供給するので電解質膜１を湿潤化させることができ、結果としてセル面全体にわたる電解質膜１を湿潤状態とすることができる。これにより、電解質膜１の湿潤性がより向上し、セル電圧、スタック出力、発電効率などの更なる向上が達成できる。
【００４４】
ＭＥＡと、セパレータ４、５により構成されるセルを積層することにより燃料電池スタックを構成し、各セルに反応ガスを分配する第１供給マニホールド１０および第２の供給マニホールド１３と、各セルから排出ガスを回収する第１排出マニホールド１２および第２排出マニホールド１５と、を備える。カソード流路７ａを、第１供給マニホールド１０と第１排出マニホールド１２との間を連通する反応ガス流路から構成する。カソード流路７ｂ、７ｃを、第２供給マニホールド１３と第２排出マニホールド１５の少なくとも一方と非連通とする反応ガス流路から構成する。第１排出マニホールド１２を、第２供給マニホールド１３の上流側に連通させる。これにより、第１流路域１１を流通して加湿された酸化剤ガスを、第２供給マニホールド１３により各セルに分配して第２流路域１４に供給することができる。
【００４５】
ここで、第２流路域１４のカソード流路７として、第２供給マニホールド１３に連通するカソード流路７ｂと、第２排出マニホールド１５に連通し、かつ、カソード流路７ｂと非連通のカソード流路７ｃと、から構成する。このように、非連通とすることで、カソード流路７ｂに供給した全ての酸化剤ガスを酸化剤極３を介してカソード流路７ｃに供給することができる。ここでは、カソード流路７ｂとカソード流路７ｃとを交互に配置し、その一部が隣接するように構成した。隣接する一部分に対峙する酸化剤極３が酸化剤ガスの主なる拡散領域となるので、隣接する部分を大きくとることで、酸化剤極３の広い範囲に酸化剤ガスを拡散することができる。このように、全ての酸化剤ガスを酸化剤極３に強制的に供給してカソード流路７ｃに排出するように構成することで、フラッディングを抑制することができる。
【００４６】
第１反応ガス流路７ａを備えた第１流路域１１と、第２反応ガス流路７ｂ、７ｃを設けた前記第２流路域１４と、を同一セパレータに形成する。ここでは、カソードセパレータ５面内に、カソード流路７ａを備えた第１流路域１１と、カソード流路７ｂ、７ｃを設けた第２流路域１４と、を形成する。これにより、同一セル面内に第１流路域１１と第２流路域１４を構成して、セパレータセル面内の湿潤状態を均一化することができる。
【００４７】
また、セパレータを、反応ガス流路として酸化剤ガスのカソード流路７を設けたカソードセパレータ５とする。式（２）に示すように、カソード側では発電に伴って水が生成される。そのため、カソード流路７内の上流側と下流側のカソードガスの湿潤状態の差が大きく、電解質膜１の乾燥やフラッディングが生じやすい。そこで、第１流路域１１と第２流路域１４をカソード側に構成することで、電解質膜１の湿潤状態を均一化することができる。
【００４８】
酸化剤極３の、カソードセパレータ５のセル面内のカソード流路７ｂ、７ｃを形成した第２流路域１４に対峙する領域と比較して、カソード流路７ａを形成した第１流路域１１に対峙する領域のほうが、親水性が強くなるように構成する。これにより、電解質膜１が乾燥しやすい酸化剤ガス通流方向上流部における電解質膜１の湿潤性を向上させることができる。
【００４９】
また、逆に、酸化剤極３の、第２流路域１４に対峙する領域と比較して、第１流路域１１に対峙する領域のほうが、疎水性が強くなるように構成する。これにより、上流側に配置する第１流路域１１がフラッディングを発生しやすい場合にはフラッディング発生を抑制することができる。
【００５０】
さらに、酸化剤極３の、第２流路域１４に対峙する領域と比較して、第１流路域１１に対峙する領域を細孔が小さい部材で構成する。これにより、電解質膜１が乾燥しやすい上流部に相当する酸化剤極３のガス拡散層における水分の保持能力を向上し、電解質膜１の湿潤性を向上させることができる。
【００５１】
一方、酸化剤３の、第２流路域１４に対峙する領域と比較して、第１流路域１１に対峙する領域を細孔の大きい部材で構成する。これにより、第１流路域１１に相当する酸化剤極３のガス拡散層において、供給される酸化剤ガスにより過剰な水分を除去し易くすることができるので、フラッディングを低減することができる。
【００５２】
さらに、電解質膜１を電極２、３で狭持したＭＥＡと、ＭＥＡを狭持し、かつ、ＭＥＡに対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備え、反応ガス流路を、流通する反応ガスの一部が電極（酸化剤極３）に拡散するように構成する第１反応ガス流路（カソード流路７ａ）と、流通する全ての反応ガスが電極（酸化剤極３）に供給される第２反応ガス流路（カソード流路７ｂ、７ｃ）と、から構成する。第１反応ガス流路（カソード流路７ａ）を流通した反応ガスの少なくとも一部を第２反応ガス流路（カソード流路７ｂ、７ｃ）に供給する。このような固体高分子型燃料電池システムを移動体に搭載することで、電解質膜１を加湿するために燃料電池５０に供給する水を低減もしくは省略することができる。これにより、移動体の動力源として用いる燃料電池システムをコンパクト化・軽量化することができるので、効率のよい運転を行うことができる。
【００５３】
上述したように、ここでは湿潤の不足が生じ易い上流側の流路を、酸化剤ガスがカソード流路７ａから酸化剤極３に向かって流れるように構成する。これにより、カソード流路７の上流側の乾燥を発電に伴う生成水により防ぎ、湿潤化を促進することができる。また、フラッディングの生じ易い下流側の流路を、酸化剤ガスが、酸化剤極３を介してカソード流路７ｂからカソード流路７ｃに拡散するように構成する。これにより、カソード流路７の下流側で発電に伴う生成水の蒸気を大量に含んだ酸化剤ガスを流通させても、フラッディングを抑制することができる。このように構成することで、発電性能に寄与するＭＥＡの保水状態を均一に保持させた燃料電池５０を提供することができる。
【００５４】
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池５０の概略は第１の実施形態と同様とし、カソードセパレータ５のカソード流路７の構成を図３に示す。
【００５５】
セル内分配マニホールド１６を省略し、第２供給マニホールド１３に直接カソード流路７ｂを接続させた。つまり、第２供給マニホールド１３を、セル積層方向に延び、かつ、カソード流路７ｂが並列する方向に広がった形状とする。また、セル内回収マニホールド１７を省略し、第２回収マニホールド１５に直接カソード流路７ｃを接続させた。つまり、第２回収マニホールド１５をセル積層方向に延び、かつ、カソード流路７ｃが並列する方向に広がった形状とする。
【００５６】
このように、酸化剤ガスを各セルに分配する第２供給マニホールド１３とセル面内のカソード流路７ｂを直接接続させる。これにより、それぞれのガス流路７ｂへのガス分配性の改善を図ることができる。また、各セルから酸化剤ガスを回収する第２排出マニホールド１５と各セル面内のカソード流路７ｃとを直接接続させる。これにより、それぞれのガス流路７ｃからのガス回収性の改善を図ることができる。ガス分配性、ガス回収性を向上することで、ガス流路７ｂ、７ｃを流れる酸化剤ガスの流量を均一化することができる。なお、ここでは、第２流路領域１４に形成するカソード流路７ｂ、７ｃの間隔を均一に構成する。
【００５７】
ここではカソード流路７を例としているが、アノード流路６についても同様に構成することができる。その際、カソード側の第１流路域１１に電解質膜１を介して対峙するアノードセパレータ４の面にも、第２流路域１４に構成した形状の流路を構成することが好ましい。
【００５８】
次に、第３の実施形態について説明する。本実施形態に用いる燃料電池５０の概略構成を第１の実施形態と同様とし、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する平面を図４のように構成する。
【００５９】
ここでは、第２実施形態において、第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３とを連通させて、中間マニホールド１８とした。このように構成することで、第１流路域１１の排出側と第２流路域１４の供給側が同一側となる。そこで、ここでは第１流路域１１内と第２流路域１４との酸化剤ガスの概略流れ方向を平行に且つ逆方向とする。ここでは、カソード流路７ｂ、７ｃの間隔を、一定間隔とした。ただし、供給される酸化剤ガス流量が小さく、中間マニホールド１８内での流量勾配が大きい場合には、その流量勾配に合わせてこのカソード流路７ｂ、７ｃの間隔を変化させてもよい。
【００６０】
このように第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３とをセパレータセル面内で連通させることで、マニホールド数を量略することができ、セル面積を小さくすることができる。特に移動体搭載を考慮した燃料電池５０では、そのサイズが小さくなるほど好ましい。
【００６１】
次に、第４の実施形態について説明する。本実施形態に用いる燃料電池５０の概略構成を第１の実施形態と同様とし、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する平面を図５のように構成する。
【００６２】
ここでは、カソードセパレータ５の平面を第３の実施形態と略同様の構成とする。ただし、セル面が垂直になるようにセルを積層した際に、中間マニホールド１８をセルの発電面の鉛直上方に配置する。
【００６３】
以下、本実施形態の効果を説明する。
【００６４】
第２供給マニホールド１３を、セパレータセル面の鉛直方向上方に配置し、第２排出マニホールド１５を、第２供給マニホールド１３に比較して、鉛直下方に配置する。ここでは、第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３とを連通して形成し、セパレータセル面の鉛直上方に配置するとともに、第１供給マニホールド１０および第２排出マニホールド１５を、連通された第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３とに比較して、鉛直下方に配置する。これにより、中間マニホールド１８内で凝縮する水を、ガスの通流する流れを利用して第２流路域１４に導入することができる。その結果、中間マニホールド１８内の凝縮水を有効に電解質膜１の湿潤に用いることができるとともに、過剰な生成水の除去性能を向上することができる。
【００６５】
次に、第５の実施形態について説明する。本実施形態に用いる燃料電池５０の概略構成を第１の実施形態と同様とし、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する平面の構成を第１から４の実施形態のいずれか一つとする。また、カソードセパレータ５のカソード流路７を構成したのと反対側の冷却水流路９を構成した面の形状を図６に示す。
【００６６】
ここでは、セル積層方向に延びる冷却水供給マニホールド１９、冷却水流路域２０に形成した冷却水流路９、セル積層方向に延びる冷却水排出マニホールド２１を備える。外部から供給された冷却水は、冷却水供給マニホールド１９を流れる際に各セルに分配される。セルに分配された冷却水は、冷却水流路９を流れる際に、燃料電池５０の発電に伴う熱を回収するとともに、その一部をアノ−ド流路４を流れる燃料ガスに供給する。ここでは、冷却水流路９を冷却水流路域２０を覆うように蛇行して構成する。冷却水流路９を流通した冷却水は冷却水排出マニホールド２１を介して排出される。
【００６７】
このような冷却水の流路を構成する際に、第１供給マニホールド１０の近くに冷却水のセル面への導入部である冷却水供給マニホールド１９を配置する。また、冷却水流路９の上流側の一部を、第１流路域１１に沿うように構成する。ここでは、冷却水流路９の上流端からの一部分を、カソード流路７ａの酸化剤ガスの概略流れ方向に沿って冷却水が流れるように形成する。また、冷却水流路９の下流側は第２流路域１４に沿って構成する。冷却水マニホールド２１は、第２流路域１４に相当する部分に配置する。
【００６８】
このように、カソードセパレータ５のカソード流路７を設けた面の反対側の面に冷却水流路９を設け、冷却水流路９の導入部である冷却水供給マニホールド１９を、第１供給マニホールド１０の近傍に配置する。これにより、電解質膜１が乾燥しやすい酸化剤ガス上流部に当たる第１供給マニホールド１０付近で、蒸発によりガス拡散層から酸化剤ガスへ移動する水の量を抑制することができる。
【００６９】
次に、第６の実施形態について説明する。酸化剤極３に対峙する面が第１または２の実施形態に示すような構成のカソードセパレータ５を用いて、図７に示すような燃料電池システムを構成する。また、冷却水流路９を第６の実施形態に示したような構成としてもよい。
【００７０】
酸化剤ガスを燃料電池５０に圧送するコンプレッサ３０を備える。また、コンプレッサ３０で圧送した酸化剤ガスを第１供給マニホールド１０に供給する第１供給流路３８を備える。第１供給流路３８には、酸化剤ガスを供給するかどうかを選択する第１供給バルブ３１、第１供給流路３８を流通する流量を検出し、その流量が設定する値となるように第１供給バルブの開度を調整する第１マスフローコントローラ３２を備える。さらに、コンプレッサ３０で圧送した酸化剤ガスの一部を第２供給マニホールド１３に供給する第２供給流路３９を備える。第２供給流路３９には、酸化剤ガスを供給するかどうかを選択する第２供給バルブ３３、第２供給流路３９を流通する流量を検出し、その流量が設定する値になるように第２に供給バルブ３９を調整するマスフローコントローラ３４を備える。
【００７１】
また、第１排出マニホールド１２から排出された酸化剤ガスを排出する第１排出流路４１と、酸化剤ガスを排出するかどうかを選択する第１排出バルブ３６を備える。さらに第２排出マニホールド１５から排出された酸化剤ガスを排出する第２排出流路４２を備える。
【００７２】
さらに、第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３を結ぶ中間流路４３を備える。中間流路４３を、第１排出流路４１と第２供給流路３９とを連通する流路とする。ここでは、第２マスフローコントローラ３４と第２供給マニホールド１３の燃料電池５０への入口部分との間に接続させる。中間流路４３には、第１流路域１１から排出された酸化剤ガスを第２流路域１４に供給するかどうかを選択する中間バルブ３５を備える。また、逆止弁３７を備え、中間流路４３に供給された酸化剤ガスが逆流するのを防ぐ。
【００７３】
このような構成の燃料電池システムの酸化剤ガスの供給系を制御するために、コントローラ４０を備える。ここでは、コントローラ４０により、各バルブ３１、３３、３５、３６の開度を制御する。また、燃料電池５０には温度センサ２５を備え、燃料電池５０の温度状態を検出可能とする。
【００７４】
次に、このような燃料電池システムにおける酸化剤ガスの流れを説明する。
【００７５】
通常時、並びに、常温以上である起動時には、図７の太線で示すように酸化剤ガスを流通させる。
【００７６】
第１供給バルブ３１を開、第２バルブ３３を閉とする。これにより、コンプレッサ３０から圧送される酸化剤ガスを第１流路域１１のみに供給する。さらに、第１排出バルブ３６を閉、中間バルブ３５を開とする。これにより、第１流路域１１を通過した酸化剤ガスを第２流路域１４に供給する。
【００７７】
つまり、コンプレッサ３０により圧送した酸化剤ガスは、第１供給流路３８を通って燃料電池５０に供給される。燃料電池５０では、第１供給マニホールド１０から第１流路域１１を通って、第１排出マニホールド１２に排出される。排出された酸化剤ガスは中間流路４３を通って、再び燃料電池５０に供給される。ここでは、第２供給マニホールド１３から第２流路域１４を通って、第２排出マニホールド１５から排出される。さらに第２排出流路４２を通って、システム外部や図示しない燃焼器等に排出される。
【００７８】
なお、中間流路４３を通って第２流路域１４に供給される酸化剤ガスの流量が小さい場合には、第１供給バルブを開いて酸化剤ガスを追加してもよい。また、要求される発電量に対して、第１流路域１１から排出される酸化剤ガスの流量が大きすぎる場合等には、第１排出バルブ３６を開くことで、第２流路域１４に供給する酸化剤ガスの流量を低減することもできる。
【００７９】
次に、常温以下、特に氷点下で燃料電池５０が保管されている時の燃料電池起動状態におけるガス通流を図８を用いて説明する。
【００８０】
燃料電池５０を移動体に搭載する場合には低温地域での使用が想定され、環境温度が低い状態からの燃料電池５０の起動が要求される。低温環境、とりわけ氷点下保管された燃料電池５０の起動の際、稼動に必要となる水の凍結が懸念される。そこで、ここでは流路の持つ特性を有効に活用した氷点下からの燃料電池５０の起動方法を説明する。
【００８１】
第１供給バルブ３１を閉、第２供給バルブ３３を開とする。これにより、コンプレッサ３０から圧送される酸化剤ガスを第２流路域１４のみに供給する。つまり、コンプレッサ３０により圧送した酸化剤ガスは、第２供給流路３９を通って燃料電池５０に供給される。燃料電池５０では、第２供給マニホールド１３から第２流路域１４を通って、第２排出マニホールド１５に排出される。排出された酸化剤ガスは第２排出流路４２を通って、システム外部や図示しない燃焼器等に排出される。
【００８２】
低温から燃料電池５０を起動する際には、発電に伴って発生する流路内凝縮水およびガス拡散層内での凝縮水が、酸化剤ガスの通流を阻害する。これを回避するため、反応ガスを強制的にガス拡散層内に通流させる第２流路域１４のみで発電することが好ましい。
【００８３】
次に、上述した燃料電池システムの起動制御を図９のフローチャートを用いて説明する。燃料電池５０の起動の信号を検知したら以下の制御を開始する。
【００８４】
ステップＳ１において、温度センサ２５により燃料電池５０の温度が所定温度より低いかどうかを判断する。ここで、所定温度を常温として予め設定しておく。または、所定温度を氷点とすることもできる。所定温度より低い場合には、ステップＳ２に進み、第１供給バルブ３１を閉じて、第１供給マニホールド１０への酸化剤ガスの流路を遮断する。これにより、第１流路域１１へ酸化剤ガスは供給されないので、ステップＳ３において中間バルブ３５を閉じる。
【００８５】
次にステップＳ４に進み、第２供給バルブ３３を開く。これにより、コンプレッサ３０と第２供給マニホールド１３を連通させる。ステップＳ５において、コンプレッサ３０を駆動することにより、酸化剤ガスを第２流路域１４に供給する。
【００８６】
ステップＳ６において、燃料電池５０の温度を再び検出する。燃料電池５０の温度が所定の温度に達していなければ、所定の温度に達するまでその状態を維持する。燃料電池５０の温度が所定の温度に達したら、ステップＳ７に進む。ここでは、この所定温度を常温とする。
【００８７】
ステップＳ７では、第１供給バルブ３１を開いて、第１流路域１１に酸化剤ガスを供給する。このとき、第１排出バルブ３６を開き、中間バルブ３５を閉じることで、第１流路域１１のカソード流路７ａ内の凝縮水をパージする。このパージを行っている間も、第２流路域１４には酸化剤ガスを供給して発電を継続する。
【００８８】
ステップＳ８において、パージが終了したかどうかを判断する。ここでは、予め実験等で必要なパージ時間を求めておき、そのパージ時間が経過したかどうかで判断する。パージが終了するまでこの状態を維持し、パージが終了したと判断されたらステップＳ９に進む。
【００８９】
ステップＳ９では、中間バルブ３５を開くと同時に、第１排出バルブ３６を閉じる。これにより、第１供給流路３８を介して第１流路域１１に供給された酸化剤ガスは、中間流路４３を介して第２流路域１４に供給される。また、第２供給バルブ３３を閉じて、第２流路域１４への酸化剤ガスの供給を停止する。また、コンプレッサ３０を、要求される電力に応じた出力、または所定の出力に設定する。このとき、コンプレッサ３０は第１流路域１１のみに供給する。
【００９０】
一方、ステップＳ１において、燃料電池５０の温度が常温より高い場合には、ステップＳ１０に進み、通常の起動を行う。例えば、第１流路域１４のパージを行う。その後、酸化剤ガスを第１流路域１１に供給してから第２流路域１４に供給するように各バルブを制御する。
【００９１】
次に、本実施形態の効果を説明する。第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００９２】
電解質膜１を電極２、３で狭持することにより構成したＭＥＡと、ＭＥＡを狭持するセパレータ４、５と、少なくとも一方のセパレータ、ここではカソードセパレータ５に備えた、流通する酸化剤ガスの一部を酸化剤極３に拡散させるカソード流路７ａと、流通する全ての酸化剤ガスを酸化剤極３に供給するカソード流路７ｂ、７ｃと、からなる反応ガス流路とを備える。また、カソード流路７ａに酸化剤ガスを供給する第１供給マニホールド１０と、カソード流路７ａからの酸化剤ガスを回収する第１排出マニホールド１２と、カソード流路７ｂ、７ｃに酸化剤ガスを供給する第２供給マニホールド１３と、カソード流路７ｂ、７ｃからの酸化剤ガスを回収する第２排出マニホールド１５と、を備える。このような構成であり、第１排出マニホールド１２に回収した反応ガスの少なくとも一部を第２供給マニホールド１３に供給する固体高分子型燃料電池と、第１供給マニホールド１０と第２供給マニホールド１３とに反応ガスを供給するコンプレッサ３０と、第１供給マニホールド１０と第２供給マニホールド１３に供給する反応ガスの流量をそれぞれ制御する第１供給バルブ３１、第２供給バルブ３３と、を備える。これにより、第１流路域１１に供給する酸化剤ガス流量および第２流路域１４に供給する酸化剤流量を調整することができる。これにより、運転状況等に応じて、発電を行う領域を調整できるので、電解質膜１の湿潤を保持するように調整することができる。
【００９３】
カソード流路７ａから排出される酸化剤ガスを排出する第１排出流路４１と、第１排出流路４１を流通する酸化剤ガス流量を制御する第１排出バルブ３６と、カソード流路７ａからカソード流路７ｂ、７ｃに供給する反応ガス流量を制御する中間バルブ３５と、を備える。これにより、第１流路域１１を流通した酸化剤ガスを選択的に第２流路域１４に供給することができる。
【００９４】
ここで、酸化剤ガス流量を制御する手段（流量制御手段）をバルブ３１、３３、３５、３６により構成する。これにより、簡単な構成で酸化剤ガスの流路を設定することができるとともに、簡単に流路を切り替えることができる。
【００９５】
また、燃料電池５０の温度を検出する温度センサ２５と、温度センサ２５による出力が所定値以上であるかどうかを判断する判断手段（Ｓ１）と、を備える。燃料電池５０の起動時に、温度センサ２５による出力が所定値以上の場合には、酸化剤ガスをカソード流路７ａに流通させてから、カソード流路７ｂ、７ｃに流通させる。これにより、ＭＥＡの保水状態を均一化することができ、電解質膜１の乾燥およびフラッディングを抑制することができる。
【００９６】
さらに、燃料電池５０の起動時に、温度センサ２５による出力が所定値より低い場合には、カソード流路７ｂ、７ｃのみに反応ガスを供給する。ここで、発電に伴って発生する流路内凝縮水およびガス拡散層内での凝縮水は低温時に生じやすく、反応ガス、ここでは酸化剤ガスの通流を阻害する。また、低温時には、この凝縮水が凍結している可能性があり、このような場合には第１流路域１１に構成したカソード流路７ａでは、酸化剤極３に酸化剤ガスを拡散するのが困難である。これを回避するため、酸化剤ガスを強制的にガス拡散層内に通流させる第２流路域１４のみで発電する。これにより、低温時でも速やかに起動することができる。
【００９７】
次に、第７の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池システムを、第６の実施形態と同様とする。また、起動時や通常時の制御も、第６の実施形態と同様とする。ただし、燃料電池１０の出力電圧が低下した場合、例えば負荷応答や流路閉塞が生じた場合のガス通流状態を図１０に示すように制御する。
【００９８】
急激な負荷変動や、突然の凝縮水の供給ガス流路閉塞などの要因によって、発電状態に変化が見られた場合、所定の電力が得られるように、第１供給マニホールド１０と第２供給マニホールド１３へガス供給を同時に行う。また、第２供給マニホールド１３へは、第１流路域１１から供給される酸化剤ガスとコンプレッサ３０から供給される酸化剤ガスの両方を供給することで、第２流路域１４におけるガス流路の閉塞を解消する。
【００９９】
ここでは、第１供給バルブ３１、第２供給バルブ３３を開くことで、コンプレッサ３０から圧送される酸化剤ガスを、第１流路域１１および第２流路域１４に供給する。また、第１排出バルブ３６、中間バルブ３５を開き、第１流路域１１から排出された酸化剤ガスの一部を第２流路域１４に循環させる。
【０１００】
なお、ここでは燃料電池５０の状態を燃料電池５０の電圧を検出する電圧センサ２６により検出する。また、燃料電池５０の定常運転または負荷応答運転を検出する運転状態検出手段２７を備え、この出力をコントローラ４０に送る。
【０１０１】
このような制御を行うためのフローを図１１のフローチャートを用いて説明する。本フローチャートは、運転状態検出手段２７により、急激な負荷変動や、突然の凝縮水の供給ガス流路閉塞などの要因によって、発電状態に変化が見られると判断された場合に送られる信号を、コントローラ４０において検出した場合に開始する。
【０１０２】
ステップＳ２１において、電圧センサ２６から燃料電池５０の出力が低下しているかどうかを判断する。低下していないと判断された場合には、そのままの状態を維持して本制御を終了する。一方、燃料電池５０の出力が低下していると判断されたら、ステップＳ２２に進み、第２供給バルブ３３を開く。次に、ステップＳ２３において、コンプレッサ３０を調整して第１流路域１１および第２流路域１４に所定流量の酸化剤ガスを供給する。これにより、第２流路域１４に第１流路域１１から供給される酸化剤ガスとコンプレッサ３０から供給される酸化剤ガスをあわせて導入する。ここで、コンプレッサ３０から第２流路域１４に供給する酸化剤ガスの流量は、燃料電池５０の出力低下の程度に応じて設定してもよいし、予め設定した所定量としてもよい。
【０１０３】
次に、ステップＳ２４において、燃料電池５０の出力安定を電圧センサ２６により検知する。燃料電池５０の出力が再び安定するまでこの状態を維持し、燃料電池５０の出力が安定したと判断されたら、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、コンプレッサ３０から第２流路域１４への酸化剤ガスの供給を停止する。次にステップＳ２６に進み、第２供給バルブ３３を閉じて、第２供給流路３９を閉塞する。
【０１０４】
このように、燃料電池５０の運転状態を検出する運転状態検出手段２７と、燃料電池５０の発生電圧を検出する電圧センサと、を備える。運転状態検出手段２７により、燃料電池５０の定常運転または負荷応答運転を検出した際に、電圧センサ２６により電圧低下を検出した場合には、カソード流路７ａにコンプレッサ３０から反応ガスを供給するとともに、カソード流路７ｂ、７ｃにもコンプレッサ３０から反応ガスを追加供給する。このようなガス通流状態とすることで、第２流路域１４の燃料利用率を制御することができ、それによって、所定の発電量を補うことができる。また、第２流路域１４には、第１流路域１１から排出された酸化剤ガスの一部とコンプレッサ３０からの酸化剤ガスとを供給することができるので、第２流路域１４のフラッディングを解消でき、電圧を回復することができる。
【０１０５】
次に、第８の実施形態について説明する。本実施形態で用いるカソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙するセル平面の構成を図１２に示す。
【０１０６】
第１流路域１１を必要に応じて複数箇所設ける。ここでは、第１流路域１１ａ、１１ｂにより、第２流路域１４を挟む構成とする。酸化剤ガスは第１供給マニホールド１０ａ、１０ｂよりそれぞれの第１流路域１１ａ、１１ｂに供給され、それぞれの第１排出マニホールド１２ａ、１２ｂに回収される。回収された酸化剤ガスは、それぞれ第２供給マニホールド１３に供給され、第２流路域１３における発電に用いられる。
【０１０７】
第１〜第７実施形態においては、第１流路域１１と第２流路域１４を一列につなげたが、図１２に示すように、第２流路域１４の両側を二つの第１流路域１１で挟まれた構造でもかまわない。
【０１０８】
第１流路域１１と第２流路域１４のそれぞれの面積割合は、燃料電池５０の運転状況、環境によって適宜設定される。しかし、第１流路域１１が第２流路域１４より大きくなると、燃料電池５０全体の出力が十分得られない。また、第１流路域１１が第２流路域１４の１／３より小さくなると、第１流路域１１に配置するカソード流路７ａによる生成水の保持の効果を十分に発揮することができない。
【０１０９】
このように、燃料電池５０の条件に応じて、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する面の構成を設定することができる。要求される運転状況、環境に応じて第１流路域１１、第２流路域１４の面積割合を変更することで、要求される出力を得ることができる。このとき、第１流路域１１と第２流路域１４との配置が線対称または点対称となるように構成する。例えば、第１流路域１１を広く形成する場合等には、第２流路域１４を挟むように構成する。これにより、セル面全体の酸化剤ガス拡散性能を均一化することができ、燃料電池５０の発電効率をセル面で均一化することができる。また、第１流路域１１を広く構成したい場合にも、第１流路域１１を分割して酸化剤ガスをそれぞれに平行して供給することで、通流する酸化剤ガスの湿度が過剰になるのを抑制することができる。その結果、酸化剤極３のガス拡散層内で生じるフラッディングを低減することができる。
【０１１０】
次に、第９の実施形態について説明する。ここに用いるカソードセパレータ５の酸化剤極３の構成を図１３に、燃料電池５０の積層体構造を図１４に示す。
【０１１１】
本実施形態では、図１３（ａ）に示すように第１流路域１１を構成したカソードセパレータ５ａと、図１３（ｂ）に示すように第２流路域１４を構成したカソードセパレータ５ｂとを用いる。つまり、カソードセパレータ５ａにおいては、カソード流路７ａに供給された酸化剤ガスは、カソード流路７ａから酸化剤極３に向かって拡散する。そのため、生成水を加湿に用いることができ、電解質膜１を十分に湿潤することができる。一方、カソードセパレータ５ｂにおいては、カソード流路７ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤極３のガス拡散層を通ってカソード流路７ｃに回収される。そのため、湿潤の過剰な部分のガス拡散層におけるフラッディングを抑制することができる。
【０１１２】
そこで、図１４に示すように、カソードセパレータ５ａを積層することにより形成した第１積層体４５を上流側に、カソードセパレータ５ｂを積層することにより形成した第２積層体４６を下流側に配置して燃料電池５０を構成する。このように構成することで、比較的乾燥した酸化剤ガスが供給される上流側の第１積層体４５では、生成水を用いた電解質膜１の加湿が促進される。一方、第１積層体４５内で湿潤された酸化剤ガスが供給される下流側の第２積層体４６では、フラッディングが抑制される。これにより、燃料電池５０全体の効率を向上すると共に、燃料電池５０の出力低下を抑制する。
【０１１３】
このように、カソード流路７ａを形成したカソードセパレータ５ａと、カソード流路７ｂ、７ｃを形成したカソードセパレータ５ｂと、を積層して構成する。これにより、例えばスタック内での温度勾配等により、スタック全体でのフラッディングの発生しやすいところとそうでないところがある場合にセパレータを使い分けることで燃料電池全体での湿潤度合を平均化できる。
【０１１４】
また、カソード流路７ａを形成したカソードセパレータ５ａを積層してなる積層体４５と、カソード流路７ｂ、７ｃを形成したカソードセパレータ５ｂを積層してなる積層体４６と、から構成する。このような積層体４５、４６を組み合わせることで、湿潤状態を均一化した燃料電池５０を容易に構成することができる。
【０１１５】
次に、第１０の実施形態の説明をする。本実施形態で用いるカソードセパレータ５の構成を第９の実施形態と同様とし、燃料電池５０の構成を図１５に示す。
【０１１６】
第２流路域１４を有するカソードセパレータ５ｂを積層した第２積層体４６の両端に、第１流路域１１を有するカソードセパレータ５ａを積層した第１積層体４５ａ、４５ｂを備える。外部より酸化剤ガスが積層体４５ａ、４５ｂにそれぞれ供給される。その後、積層体４５ａ、４５ｂから排出された酸化剤ガスは第２積層体４６に供給される。
【０１１７】
このように構成することで、第１流路域１１を広く構成したい場合にも、第１流路域１１を分割して酸化剤ガスをそれぞれに平行して供給することで、通流する酸化剤ガスの湿度が過剰になるのを抑制することができる。その結果、酸化剤極３のガス拡散層内でフラッディングが生じるのを低減することができる。
【０１１８】
次に、第１１の実施形態の説明をする。本実施形態で用いるカソードセパレータ５の構成を第９の実施形態と同様とし、燃料電池５０の構成を図１６に示す。なお、本実施形態は、第１０の実施形態にも適用することができる。
【０１１９】
ここでは、第９の実施形態において、第１積層体４５と第２積層体４６を分割して構成し、第１積層体４５で用いた酸化剤ガスを流路等により第２積層体４６に供給する。このように構成することにより、例えば燃料電池５０を移動体に搭載する際などに、配置される領域に対する条件を低減することができるので、設計を容易にすることができる。
【０１２０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定するわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で、様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の積層構造の一部を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図３】第２の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図４】第３の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図５】第４の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図６】第５の実施形態に用いる冷却水流路を構成したセパレータの平面図である。
【図７】第６の実施形態に用いる燃料電池の通常時のガス状態を示す図である。
【図８】第６の実施形態に用いる燃料電池の起動時のガス状態を示す図である。
【図９】第６の実施形態における起動時の制御方法を示したフローチャートである。
【図１０】第７の実施形態に用いる燃料電池の電圧変化時のガス状態を示す図である。
【図１１】第７の実施形態における出力低下時の制御方法を示したフローチャートである。
【図１２】第８の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図１３】第９の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図１４】第９の実施形態に用いる燃料電池の構成を示した概略図である。
【図１５】第１０の実施形態に用いる燃料電池の構成を示した概略図である。
【図１６】第１１の実施形態に用いる燃料電池の構成を示した概略図である。
【符号の説明】
１ 電解質膜（固体高分子電解質膜）
２ 燃料極（電極）
３ 酸化剤極（電極）
４ アノードセパレータ（セパレータ）
５ カソードセパレータ（セパレータ）
６ アノード流路（反応ガス流路）
７ カソード流路（反応ガス流路）
７ａ カソード流路（第１反応ガス流路）
７ｂ カソード流路（第２反応ガス流路、供給側反応ガス流路）
７ｃ カソード流路（第２反応ガス流路、排出側反応ガス流路）
９ 冷却水流路
１０ 第１供給マニホールド
１１ 第１流路域
１２ 第１排出マニホールド
１３ 第２供給マニホールド
１４ 第２流路域
１５ 第２排出マニホールド
１８ 中間マニホールド
１９ 冷却水供給マニホールド（冷却水の導入部）
２５ 温度センサ（温度検出手段）
２６ 電圧センサ（電圧検出手段）
２７ 運転状態検出手段
３０ コンプレッサ（反応ガス供給手段）
３１ 第１供給バルブ（流量制御手段）
３３ 第２供給バルブ（流量制御手段）
３５ 中間バルブ（流量制御手段）
３６ 排出バルブ（流量制御手段）
４１ 第１排出流路
４３ 中間流路
４５ 第１積層体
４６ 第２積層体[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a solid polymer fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte, a solid polymer fuel cell provided with the same, and a mobile body equipped with such a solid polymer fuel cell. In particular, the present invention relates to a method of optimizing a flow direction and a flow region of a reaction gas so that water retention of a membrane electrode assembly contributing to power generation performance can be made uniform.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Generally, a fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electric energy by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen or the like with an oxidizing gas. Fuel cells are classified into various types according to differences in electrolytes and the like, and as one of them, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte is known. In such a fuel cell, an electromotive force is generated by the following reaction.
[0003]
Embedded image

[0004]
When the fuel gas is supplied to the fuel electrode, the reaction of (1) proceeds and protons are generated. In the hydrated state, these protons move through the electrolyte, here the solid polymer electrolyte membrane, and reach the oxidant electrode. The oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, and the reaction (2) proceeds. The electromotive force is generated by the electrode reactions of (1) and (2) proceeding at each electrode.
[0005]
Here, in order for protons to move to the oxidant electrode, the electrolyte membrane needs to contain water. When the water content decreases, the electric resistance of the electrolyte membrane increases, causing a decrease in output voltage and a decrease in output power. Further, when the water content is reduced to a dry state, it does not function as an electrolyte.
[0006]
Usually, in the power generation region of the electrode, the supply gas concentration, flow rate, and water vapor partial pressure are different between the upstream side and the downstream side in the flow direction of the fuel gas and the oxidizing gas. In particular, the electrolyte membrane is likely to be dried on the upstream side in the flow direction of the reaction gas, and the electrolyte membrane on the downstream side is likely to be in a wet state. When the amount of the reaction water exceeds the water retention amount of the electrolyte membrane, flooding occurs in which the generated water overflows into the reaction gas flow path. As a result, there is a possibility that the generated water covers the power generation surface of the electrode to suppress the reaction, block the reaction gas flow path, and obstruct the gas flow.
[0007]
Therefore, conventionally, the reaction gas flow path on the supply side and the reaction gas flow path on the discharge side are separated so that they do not directly communicate with each other, and the reaction gas is forced to flow to the gas diffusion layer to generate the reaction gas. 2. Description of the Related Art Fuel cells that promote water removal to suppress flooding are known (for example, see Patent Documents 1 and 2).
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2000-323159 A
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 5,641,586
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional technology, the occurrence of flooding in the cell is suppressed by applying a main measure to the shape of the flow path, and the electrolyte membrane located on the upstream side in the flow direction of the supply gas is apt to dry. There is.
[0010]
In particular, in a fuel cell that is mounted on a moving body and generates a driving force, it is desired to reduce water involved in humidification of gas supplied to the fuel cell due to a demand for weight reduction. Therefore, a fuel cell for a mobile body is required to have a state in which external humidification is suppressed or a state in which external humidification is not performed at all. When the fuel cell is operated under the condition of using the reaction gas whose humidity is suppressed as described above, the drying of the electrolyte membrane particularly on the supply side is more remarkable.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell in which the water retention state of a membrane electrode assembly that contributes to power generation performance is uniformly maintained.
[0012]
[Means for solving the problem]
The present invention provides a membrane / electrode assembly constituted by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between electrodes, and a reaction gas flow on a surface which sandwiches the membrane / electrode assembly and faces the membrane / electrode assembly. And a separator having a path. The reaction gas flow channel formed in at least one of the separators is formed by a plurality of different types of reaction gas flow channels, and the flow channel is configured such that a part of the flowing reaction gas diffuses into the electrode. At least two types of gas flow paths, a first reaction gas flow path in a form and a second reaction gas flow path in a form in which all the flowing reaction gas is supplied to the electrode. Constitute. Further, at least a part of the reaction gas after flowing through the first reaction gas flow path is supplied to the second reaction gas flow path.
[0013]
Alternatively, in a fuel cell system, a membrane electrode assembly configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between electrodes, a separator sandwiching the membrane electrode assembly, and at least one of the separators, A first reactant gas passage for diffusing a part of the reactant gas to be diffused to the electrode; a second reactant gas passage for supplying all reactant gas flowing to the electrode; A first supply manifold for supplying a reaction gas to the gas flow path, a first discharge manifold for collecting a reaction gas from the first reaction gas flow path, and a second supply manifold for supplying a reaction gas to the second reaction gas flow path A supply manifold, and a second discharge manifold for collecting a reaction gas from the second reaction gas flow path, wherein at least a part of the reaction gas discharged from the first discharge manifold is supplied to the first discharge manifold. Comprising a solid polymer electrolyte fuel cell is supplied to the supply manifold. A reaction gas supply unit for supplying a reaction gas to the first supply manifold and the second supply manifold; and a flow control for controlling a flow rate of the reaction gas supplied to the first supply manifold and the second supply manifold, respectively. Means.
[0014]
Alternatively, a membrane-electrode assembly constituted by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane with an electrode on a moving body, and a reaction that reacts with a surface that sandwiches the membrane-electrode assembly and faces the membrane-electrode assembly A separator having a gas flow path, a first reaction gas flow path configured so that a part of the flowing reaction gas diffuses into the electrode, A second reaction gas flow path configured to be supplied to the electrode; and a solid that supplies at least a part of the reaction gas flowing through the first reaction gas flow path to the second reaction gas flow path. Equipped with a polymer fuel cell system.
[0015]
[Action and effect]
A first reaction gas flow path in which a part of the flowing reaction gas is diffused to the electrode; and a reaction gas flow path in which all the flowing reaction gas is supplied to the electrode. And at least a part of the reaction gas after flowing through the first reaction gas flow path is supplied to the second reaction gas flow path. . With this configuration, it is possible to provide the first reaction gas flow channel that easily holds the water generated by the power generation on the electrode on the upstream side of the second reaction gas flow channel having excellent drainage performance. Accordingly, it is possible to suppress the drying of the region where the first reaction gas flow path is formed, and to suppress the flooding in the second reaction gas flow path to which the wet reaction gas is supplied. Thereby, the wet state of the entire electrode can be made uniform.
[0016]
A reaction gas supply unit for supplying a reaction gas to the first supply manifold and the second supply manifold; and a flow control unit for controlling a flow rate of the reaction gas to be supplied to the first supply manifold and the second supply manifold, respectively. Prepare. Thereby, the flow rate of the reaction gas supplied to each of the first reaction gas flow path and the second reaction gas flow path can be adjusted. Therefore, the wet state of the electrode, which changes according to the operation state, can be appropriately maintained by adjusting the flow rate of the reaction gas supplied to each flow path.
[0017]
Further, in the moving body equipped with the polymer electrolyte fuel cell as described above, the amount of water supplied to the fuel cell to wet the polymer electrolyte membrane can be reduced, so that the size and weight can be reduced. The fuel cell system can be more easily mounted on a moving object.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 schematically shows a cross section of the fuel cell 50 used in the first embodiment. Here, as the fuel cell 50, a solid polymer fuel cell mounted on a moving body, for example, a fuel cell vehicle is used.
[0019]
The membrane electrode assembly (MEA) includes an electrolyte membrane 1 made of a solid polymer, and a fuel electrode 2 and an oxidant electrode 3 sandwiching the electrolyte membrane 1. As the electrolyte membrane 1, a proton conductive membrane made of a solid polymer material represented by a fluorine-based resin or the like is used. Each of the electrodes 2 and 3 is composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer, and is arranged such that the surface on which the catalyst exists faces the electrolyte membrane 1. The catalyst layer may be formed individually, or the gas diffusion layer may be filled with a catalyst, or may be formed by adhering to the cell surface of the gas diffusion layer. Here, it is configured by arranging a catalyst layer containing a polymer electrolyte and a porous gas diffusion layer. For example, it is composed of carbon cloth or carbon paper containing platinum or platinum-supported carbon particles made of platinum and other metals as a catalyst.
[0020]
Such an MEA is further sandwiched between the anode separator 4 and the cathode separator 5. The separators 4 and 5 are made of a gas-impermeable dense carbon material. The cell surface of each of the separators 4 and 5 has a number of ribs constituting a flow path. An anode flow path 6 is formed on the cell surface of the anode separator 4 facing the fuel electrode 2, and a hydrogen-containing fuel gas is allowed to flow. A cathode channel 7 is formed on the cell surface of the cathode separator 5 facing the oxidant electrode 3, and an oxidant gas containing oxygen is allowed to flow.
[0021]
Using the fuel gas in the anode flow path 6 and the oxidizing gas in the cathode flow path 7, an electrochemical reaction as shown in the equations (1) and (2) occurs. At this time, in order for protons to move from the fuel electrode 2 to the oxidant electrode 3 in the electrolyte membrane 1, the electrolyte membrane 1 needs to be wet. When the water content of the electrolyte membrane 1 decreases, the electric resistance increases and the output voltage decreases.
[0022]
Therefore, a cooling water channel 9 is formed on the cell surface of the cathode separator 5 opposite to the surface facing the oxidant electrode 3. The cooling water flow path 9 is supplied with cooling water from the outside, and removes heat generated in the fuel cell 50. The cooling water channel 9 does not necessarily have to be provided for each cell. However, when a high output of the fuel cell 50 is desired, the amount of heat generated in the fuel cell 50 also increases, so it is desirable to arrange the cooling water passage 9 as much as possible.
[0023]
A sealing region is formed by a seal gasket 8 between the separators 4 and 5 and the electrolyte membrane 1 on the outer peripheral portions of the electrodes 2 and 3. Thus, the fuel gas containing hydrogen, the oxidizing gas, and the cooling water are sealed.
[0024]
Next, the configuration of the cell surface on which the cathode channel 7 of the cathode separator 5 is formed will be described with reference to FIG. Here, an internal manifold arranged inside the cell surface is used as a manifold for supplying the oxidizing gas to each cell.
[0025]
A first supply manifold 10 and a first discharge manifold 12 extending in the cell stacking direction are provided. Further, a cathode flow path 7a is provided for allowing the oxidant gas distributed to each cell by the first supply manifold 10 to flow along the cell surface. The cathode channel 7 a is disposed in a first channel region 11 between the first supply manifold 10 and the first discharge manifold 12. The cathode flow path 7a is a flow path that connects the first supply manifold 10 and the first discharge manifold 12. Here, the cathode channel 7a is configured to meander in the first channel region 11.
[0026]
In addition, a second supply manifold 13 and a second discharge manifold 15 extending in the cell stacking direction are provided. An in-cell distribution manifold 16 that is connected to the second supply manifold 13 and distributes an oxidizing gas to a cathode channel 7b described below is configured. In addition, an in-cell recovery manifold 17 that is connected to the second discharge manifold 15 and recovers an oxidizing gas from a cathode channel 7c described below is configured. The axial direction of the distribution manifold 16 in the cell and the collection manifold 17 in the cell are parallel to each other, and the flow direction of the oxidizing gas flowing inside is the same.
[0027]
Further, a second flow path region 14 is formed between the distribution manifold 16 in the cell and the collection manifold 17 in the cell. Here, the general flow direction of the oxidizing gas flowing through the first flow path area 11 and the general flow direction of the oxidizing gas flowing through the second flow path area 14 are parallel to each other.
[0028]
In the second flow path area 14, a cathode flow path 7b is formed by connecting to the intra-cell distribution manifold 16. Here, the cathode flow path 7b is composed of a plurality of flow paths that are formed perpendicular to the flow direction of the oxidizing gas in the distribution manifold 16 within the cell. One end of the cathode channel 7b is connected to the intra-cell distribution manifold 16, and the other end is configured to be a dead end.
[0029]
Further, the interval between the plurality of cathode channels 7b arranged in parallel may be configured such that it is wide on the upstream side of the oxidizing gas in the distribution manifold 16 in the cell and narrow on the downstream side.
[0030]
Further, the cathode flow path 7c is formed by connecting to the in-cell collection manifold 17. Here, the cathode flow path 7c is constituted by a plurality of flow paths formed perpendicular to the flow direction of the oxidizing gas in the in-cell collection manifold 17. The cathode channel 7c is arranged between the cathode channels 7b. That is, the cathode flow paths 7b and the cathode flow paths 7c are alternately arranged, and at least a part of the flow paths is adjacent to each other. Here, one end of the cathode flow path 7c is connected to the intra-cell distribution manifold 17, but the other end is configured to be a dead end. Further, the interval between the plurality of parallel cathode flow paths 7c may be wide on the upstream side of the oxidizing gas in the in-cell collection manifold 17 and narrow on the downstream side.
[0031]
Further, in the oxidant electrode 3, a portion facing the first channel region 11 may be configured to have higher hydrophilicity than a portion facing the second channel region 14. This makes it possible to improve the wettability of the electrolyte membrane 1 in the first channel region 11 which is located on the upstream side as compared with the second channel region 14 and in which the electrolyte membrane is easily dried.
[0032]
Further, as a configuration having the same effect, there is a configuration in which the pore diameter of the portion facing the first flow channel region 11 is smaller than the pore diameter of the portion facing the second flow channel region 14. With this configuration, the wettability can be improved.
[0033]
On the other hand, it is desirable to more effectively suppress flooding in a portion facing the first flow channel region 11 having a conventional flow channel shape in which flooding easily occurs, as compared with a portion facing the second flow channel region 14. In this case, the hydrophobicity of the oxidant electrode 3 in the region facing the first flow path region 11 may be configured to be higher than that of the portion facing the second flow path region 14. In this case, as compared with the portion facing the second flow path region 14, the flooding is better suppressed in the portion facing the first flow path region 11 having a conventional flow path shape that easily causes flooding. be able to.
[0034]
Similarly, the configuration is such that the pore diameter of the portion facing the first channel region 11 having a conventional channel shape that easily causes flooding is larger than the pore diameter of the portion facing the second channel region 14. By doing so, the wettability can be improved.
[0035]
Also, a desired water discharge performance in the entire cell may be realized by a combination of the distribution of the hydrophilic or hydrophobic properties and the distribution of the pore diameter properties.
[0036]
Next, the flow of the oxidizing gas in the cathode separator 5 will be described.
[0037]
The oxidizing gas is supplied to the first supply manifold 10, the first flow path area 11 (cathode flow path 7a), the first discharge manifold 12, the second supply manifold 13, the in-cell distribution manifold 16, and the second flow path area 14 (cathode). The channels 7b and 7c), the collection manifold 17 in the cell, and the second discharge manifold 15 are circulated in this order.
[0038]
The oxidant gas distributed to each cell by the first supply manifold 10 flows in the cathode channel 7 a formed in the first channel region 11. At this time, a part of the oxidant gas flowing through the cathode channel 7a diffuses toward the gas diffusion layer electrode of the oxidant electrode 3. The diffused oxidant gas causes a reaction of the formula (2) and is used for power generation. At this time, it is necessary to keep the electrolyte membrane 1 moist, but generated water is generated at the oxidant electrode 3 with power generation, and this generated water can be used for humidification. The oxidizing gas that has not diffused into the oxidizing electrode 3 flows along the cathode flow path 7a and is collected in the first discharge manifold 12. At this time, since a part of the water generated at the oxidant electrode 3 evaporates in the oxidant gas, the oxidant gas becomes a humidified oxidant gas.
[0039]
The oxidant gas collected in the first discharge manifold 12 is supplied to the second supply manifold 13 through an intermediate channel 43 described later and distributed to each cell. In each cell, the gas is distributed to the cathode channel 7b through the intra-cell distribution manifold 16. Here, a communication channel is not provided between the cathode channel 7b and the cathode channel 7c formed in the second channel region 14. Therefore, the oxidizing gas flows through the gas diffusion layer of the oxidizing electrode 3 facing the rib portion (the portion between the cathode flow channel 7b and the cathode flow channel 7c) dividing the cathode flow channel 7b and the cathode flow channel 7c. As a result, it is discharged to the adjacent cathode channel 7c. At this time, since the oxidizing gas supplied to the oxidizing electrode 3 contains a part of the water generated in the first flow path region 11, it is possible to prevent the electrolyte membrane 1 from drying. Further, since the oxidizing gas passes from the cathode flow channel 7b to the cathode flow channel 7c via the oxidizing electrode 3, the water in the oxidizing electrode 3, for example, the water generated by the power generation in the second flow path region 14 is generated. Can be removed with the flow of the oxidizing gas. As described above, the oxidizing gas that has moved to the cathode flow path 7c via the oxidizing electrode 3 is recovered to the second discharge manifold 15 via the in-cell recovery manifold 17.
[0040]
Note that, here, the second supply manifold 13 and the second discharge manifold 15 can also be constituted by external manifolds.
[0041]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0042]
The MEA includes an MEA configured by sandwiching the electrolyte membrane 1 between the electrodes 2 and 3 and a separator that sandwiches the MEA and has a reaction gas flow path on a surface facing the MEA. At least one of the separators, here the cathode channel 7 formed in the cathode separator 5, is provided with a cathode channel 7a configured so that a part of the oxidant gas flowing therethrough is diffused to the oxidant electrode 3, and a cathode channel 7a that is formed through all the oxidizing agents. And cathode flow paths 7b and 7c configured to supply the agent gas to the oxidant electrode 3. Further, at least a part of the oxidizing gas flowing through the cathode channel 7a is supplied to the cathode channels 7b and 7c. Here, the first supply manifold 10 passes through the first discharge manifold 12 via the first flow passage area 11, further continues to the second supply manifold 13, from the second supply manifold 13 to the second flow passage area 14, and finally The gas is discharged through the second discharge manifold 15.
[0043]
The first flow path region 11 is disposed at an upstream portion in the supply gas flow direction where the electrolyte membrane 1 is easily dried. Here, since the first channel region 11 has a shape that can easily hold the generated water, the electrolyte membrane 1 can be moistened by arranging it in a portion where the electrolyte membrane 1 is easily dried. On the other hand, in the cathode flow paths 7 b and 7 c of the second flow path area 14, the oxidizing gas is forced to flow to the gas diffusion layer of the oxidizing electrode 3. For this reason, flooding can be suppressed from the cathode channel 7a, but if the water vapor contained in the supplied oxidizing gas is insufficient, the electrolyte membrane 1 will be dried. Here, since the oxidizing gas moistened by the power generation is supplied to the second channel region 14, the electrolyte membrane 1 can be moistened, and as a result, the electrolyte membrane 1 over the entire cell surface can be in a wet state. As a result, the wettability of the electrolyte membrane 1 is further improved, and further improvements in cell voltage, stack output, power generation efficiency, and the like can be achieved.
[0044]
A fuel cell stack is formed by stacking the MEA and cells constituted by the separators 4 and 5, a first supply manifold 10 and a second supply manifold 13 for distributing a reaction gas to each cell, and discharging from each cell. A first discharge manifold 12 and a second discharge manifold 15 for recovering gas are provided. The cathode flow path 7a is constituted by a reaction gas flow path communicating between the first supply manifold 10 and the first discharge manifold 12. The cathode flow paths 7b and 7c are configured by reaction gas flow paths that are not in communication with at least one of the second supply manifold 13 and the second discharge manifold 15. The first discharge manifold 12 is communicated with the upstream side of the second supply manifold 13. Thereby, the oxidizing gas humidified by flowing through the first flow path area 11 can be distributed to each cell by the second supply manifold 13 and supplied to the second flow path area 14.
[0045]
Here, as the cathode flow path 7 of the second flow path area 14, a cathode flow path 7b communicating with the second supply manifold 13 and a cathode communicating with the second discharge manifold 15 and not communicating with the cathode flow path 7b. And a flow path 7c. In this way, by not communicating, all the oxidizing gas supplied to the cathode channel 7b can be supplied to the cathode channel 7c via the oxidizing electrode 3. Here, the cathode flow paths 7b and the cathode flow paths 7c are alternately arranged, and a part thereof is arranged adjacent to the cathode flow path 7b. Since the oxidant electrode 3 facing the adjacent part becomes the main diffusion region of the oxidant gas, the oxidant gas can be diffused over a wide range of the oxidant electrode 3 by making the adjacent part large. Thus, flooding can be suppressed by compulsorily supplying all the oxidizing gas to the oxidizing electrode 3 and discharging it to the cathode channel 7c.
[0046]
The first flow path area 11 having the first reaction gas flow path 7a and the second flow path area 14 having the second reaction gas flow paths 7b and 7c are formed on the same separator. Here, a first channel region 11 having a cathode channel 7a and a second channel region 14 having cathode channels 7b and 7c are formed in the surface of the cathode separator 5. Thereby, the first flow path area 11 and the second flow path area 14 are formed in the same cell plane, and the wet state in the separator cell plane can be made uniform.
[0047]
The separator is a cathode separator 5 provided with a cathode flow path 7 for an oxidizing gas as a reaction gas flow path. As shown in equation (2), water is generated on the cathode side along with power generation. Therefore, the difference between the wet state of the cathode gas on the upstream side and the wet state of the cathode gas on the downstream side in the cathode channel 7 is large, and drying and flooding of the electrolyte membrane 1 are likely to occur. Therefore, by configuring the first channel region 11 and the second channel region 14 on the cathode side, the wet state of the electrolyte membrane 1 can be made uniform.
[0048]
The first flow path area where the cathode flow path 7a is formed is compared with the area of the oxidant electrode 3 which faces the second flow path area 14 where the cathode flow paths 7b and 7c are formed in the cell surface of the cathode separator 5. The region facing 11 has a higher hydrophilicity. This makes it possible to improve the wettability of the electrolyte membrane 1 at the upstream portion in the oxidant gas flow direction where the electrolyte membrane 1 is easily dried.
[0049]
Conversely, the oxidant electrode 3 is configured such that the region facing the first channel region 11 has a stronger hydrophobicity than the region facing the second channel region 14. This makes it possible to suppress the occurrence of flooding when the first channel region 11 disposed on the upstream side is likely to cause flooding.
[0050]
Further, the region of the oxidant electrode 3 facing the first flow passage region 11 is made of a member having small pores as compared with the region facing the second flow passage region 14. Thus, the ability of the oxidant electrode 3 to retain moisture in the gas diffusion layer corresponding to the upstream portion where the electrolyte membrane 1 is easily dried can be improved, and the wettability of the electrolyte membrane 1 can be improved.
[0051]
On the other hand, the region of the oxidizing agent 3 facing the first flow passage region 11 as compared with the region facing the second flow passage region 14 is made of a member having large pores. Thereby, in the gas diffusion layer of the oxidant electrode 3 corresponding to the first flow path region 11, excess moisture can be easily removed by the supplied oxidant gas, so that flooding can be reduced.
[0052]
The MEA further includes an MEA in which the electrolyte membrane 1 is sandwiched between the electrodes 2 and 3 and a separator which sandwiches the MEA and has a reaction gas flow path on a surface facing the MEA. The first reaction gas flow path (cathode flow path 7a) configured so that a part of the reactant gas to be diffused to the electrode (oxidant electrode 3), and all the reactant gas flowing through the electrode (oxidant electrode 3) And the supplied second reaction gas flow paths (cathode flow paths 7b and 7c). At least a part of the reaction gas flowing through the first reaction gas flow path (cathode flow path 7a) is supplied to the second reaction gas flow path (cathode flow paths 7b and 7c). By mounting such a polymer electrolyte fuel cell system on a moving body, water supplied to the fuel cell 50 for humidifying the electrolyte membrane 1 can be reduced or omitted. This makes it possible to reduce the size and weight of the fuel cell system used as the power source of the moving body, so that efficient operation can be performed.
[0053]
As described above, here, the upstream channel in which insufficient wetting is likely to occur is configured such that the oxidant gas flows from the cathode channel 7a toward the oxidant electrode 3. As a result, drying on the upstream side of the cathode flow path 7 can be prevented by the generated water accompanying the power generation, and wetting can be promoted. In addition, the downstream flow path in which flooding easily occurs is configured such that the oxidizing gas diffuses from the cathode flow path 7b to the cathode flow path 7c via the oxidizing electrode 3. Thus, flooding can be suppressed even if an oxidizing gas containing a large amount of vapor generated by the power generation flows on the downstream side of the cathode channel 7. With this configuration, it is possible to provide the fuel cell 50 in which the water retention state of the MEA that contributes to the power generation performance is uniformly maintained.
[0054]
Next, a second embodiment will be described. The outline of the fuel cell 50 of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, and the configuration of the cathode channel 7 of the cathode separator 5 is shown in FIG.
[0055]
The in-cell distribution manifold 16 was omitted, and the cathode flow path 7b was directly connected to the second supply manifold 13. That is, the second supply manifold 13 has a shape extending in the cell stacking direction and expanding in the direction in which the cathode flow paths 7b are arranged in parallel. In addition, the in-cell collection manifold 17 was omitted, and the cathode flow path 7c was directly connected to the second collection manifold 15. That is, the second collection manifold 15 has a shape extending in the cell stacking direction and expanding in the direction in which the cathode flow paths 7c are arranged in parallel.
[0056]
As described above, the second supply manifold 13 for distributing the oxidizing gas to each cell is directly connected to the cathode channel 7b in the cell plane. Thereby, the gas distribution to each gas flow path 7b can be improved. Further, the second discharge manifold 15 for recovering the oxidizing gas from each cell is directly connected to the cathode channel 7c in each cell surface. Thereby, the gas recoverability from each gas flow path 7c can be improved. By improving the gas distribution property and the gas recovery property, the flow rate of the oxidizing gas flowing through the gas flow paths 7b and 7c can be made uniform. Here, the intervals between the cathode channels 7b and 7c formed in the second channel region 14 are configured to be uniform.
[0057]
Here, the cathode channel 7 is taken as an example, but the anode channel 6 can be similarly configured. At this time, it is preferable to form a flow path having the shape of the second flow path area 14 also on the surface of the anode separator 4 which faces the first flow path area 11 on the cathode side via the electrolyte membrane 1.
[0058]
Next, a third embodiment will be described. The schematic configuration of the fuel cell 50 used in this embodiment is the same as that of the first embodiment, and the plane of the cathode separator 5 facing the oxidant electrode 3 is configured as shown in FIG.
[0059]
Here, in the second embodiment, the first discharge manifold 12 and the second supply manifold 13 are communicated with each other to form an intermediate manifold 18. With this configuration, the discharge side of the first flow path area 11 and the supply side of the second flow path area 14 are on the same side. Therefore, here, the flow directions of the oxidizing gas in the first flow path area 11 and the second flow path area 14 are set to be parallel and opposite directions. Here, the interval between the cathode flow paths 7b and 7c was set to a constant interval. However, when the flow rate of the supplied oxidizing gas is small and the flow rate gradient in the intermediate manifold 18 is large, the interval between the cathode flow paths 7b and 7c may be changed according to the flow rate gradient.
[0060]
By connecting the first discharge manifold 12 and the second supply manifold 13 in the separator cell plane in this way, the number of manifolds can be reduced, and the cell area can be reduced. In particular, the smaller the size of the fuel cell 50 in consideration of mounting on a moving body, the more preferable.
[0061]
Next, a fourth embodiment will be described. The schematic configuration of the fuel cell 50 used in this embodiment is the same as that of the first embodiment, and the plane of the cathode separator 5 facing the oxidant electrode 3 is configured as shown in FIG.
[0062]
Here, the plane of the cathode separator 5 has substantially the same configuration as that of the third embodiment. However, when the cells are stacked so that the cell surface is vertical, the intermediate manifold 18 is arranged vertically above the power generation surface of the cell.
[0063]
Hereinafter, effects of the present embodiment will be described.
[0064]
The second supply manifold 13 is disposed vertically above the separator cell surface, and the second discharge manifold 15 is disposed vertically below the second supply manifold 13. Here, the first discharge manifold 12 and the second supply manifold 13 are formed so as to communicate with each other, are disposed vertically above the separator cell surface, and the first supply manifold 10 and the second discharge manifold 15 are connected to each other. The first discharge manifold 12 and the second supply manifold 13 are disposed vertically below. Thereby, the water condensed in the intermediate manifold 18 can be introduced into the second flow path region 14 using the flow of the gas. As a result, the condensed water in the intermediate manifold 18 can be effectively used for wetting the electrolyte membrane 1, and the performance of removing excess generated water can be improved.
[0065]
Next, a fifth embodiment will be described. The schematic configuration of the fuel cell 50 used in this embodiment is the same as that of the first embodiment, and the configuration of the plane of the cathode separator 5 facing the oxidant electrode 3 is any one of the first to fourth embodiments. FIG. 6 shows the shape of the surface on which the cooling water channel 9 on the opposite side of the cathode channel 7 of the cathode separator 5 is formed.
[0066]
Here, a cooling water supply manifold 19 extending in the cell stacking direction, a cooling water flow path 9 formed in a cooling water flow area 20, and a cooling water discharge manifold 21 extending in the cell stacking direction are provided. The cooling water supplied from the outside is distributed to each cell when flowing through the cooling water supply manifold 19. The cooling water distributed to the cells, when flowing through the cooling water flow path 9, recovers heat accompanying the power generation of the fuel cell 50 and supplies a part of the heat to the fuel gas flowing through the anode flow path 4. Here, the cooling water flow path 9 is configured to meander so as to cover the cooling water flow path area 20. The cooling water flowing through the cooling water passage 9 is discharged through a cooling water discharge manifold 21.
[0067]
When configuring such a flow path of the cooling water, a cooling water supply manifold 19 which is an introduction portion of the cooling water to the cell surface is arranged near the first supply manifold 10. Further, a part of the cooling water flow path 9 on the upstream side is configured to be along the first flow path area 11. Here, a part of the cooling water flow path 9 from the upstream end is formed so that the cooling water flows along the general flow direction of the oxidizing gas in the cathode flow path 7a. Further, the downstream side of the cooling water flow path 9 is configured along the second flow path area 14. The cooling water manifold 21 is arranged at a portion corresponding to the second flow path region 14.
[0068]
As described above, the cooling water flow path 9 is provided on the surface of the cathode separator 5 opposite to the surface on which the cathode flow path 7 is provided, and the cooling water supply manifold 19 which is an introduction portion of the cooling water flow path 9 is connected to the first supply manifold 10. Is placed in the vicinity of. Thereby, the amount of water that moves from the gas diffusion layer to the oxidant gas due to evaporation can be suppressed in the vicinity of the first supply manifold 10 corresponding to the upstream portion of the oxidant gas where the electrolyte membrane 1 easily dries.
[0069]
Next, a sixth embodiment will be described. A fuel cell system as shown in FIG. 7 is constituted by using the cathode separator 5 having a surface facing the oxidant electrode 3 as shown in the first or second embodiment. Further, the cooling water flow path 9 may be configured as shown in the sixth embodiment.
[0070]
A compressor 30 for pumping the oxidant gas to the fuel cell 50 is provided. Further, a first supply flow path 38 for supplying the oxidant gas pumped by the compressor 30 to the first supply manifold 10 is provided. A first supply valve 31 for selecting whether or not to supply an oxidizing gas is supplied to the first supply flow path 38, and a flow rate flowing through the first supply flow path 38 is detected so that the flow rate becomes a set value. A first mass flow controller 32 for adjusting the opening of the first supply valve is provided. Further, a second supply flow path 39 for supplying a part of the oxidizing gas pumped by the compressor 30 to the second supply manifold 13 is provided. In the second supply channel 39, a second supply valve 33 for selecting whether or not to supply an oxidizing gas, a flow rate flowing through the second supply channel 39 is detected, and the flow rate is set to a set value. Secondly, a mass flow controller 34 for adjusting the supply valve 39 is provided.
[0071]
Further, a first discharge passage 41 for discharging the oxidizing gas discharged from the first discharge manifold 12 and a first discharging valve 36 for selecting whether to discharge the oxidizing gas are provided. Further, a second discharge passage 42 for discharging the oxidizing gas discharged from the second discharge manifold 15 is provided.
[0072]
Further, an intermediate flow path 43 connecting the first discharge manifold 12 and the second supply manifold 13 is provided. The intermediate channel 43 is a channel that connects the first discharge channel 41 and the second supply channel 39. Here, it is connected between the second mass flow controller 34 and the inlet of the second supply manifold 13 to the fuel cell 50. The intermediate flow path 43 includes an intermediate valve 35 for selecting whether to supply the oxidizing gas discharged from the first flow path area 11 to the second flow path area 14. Further, a check valve 37 is provided to prevent the oxidizing gas supplied to the intermediate flow path 43 from flowing backward.
[0073]
The controller 40 is provided to control the oxidant gas supply system of the fuel cell system having such a configuration. Here, the controller 40 controls the degree of opening of each of the valves 31, 33, 35, 36. Further, the fuel cell 50 includes a temperature sensor 25 so that the temperature state of the fuel cell 50 can be detected.
[0074]
Next, the flow of the oxidizing gas in such a fuel cell system will be described.
[0075]
At normal times and at the time of startup at normal temperature or higher, an oxidizing gas is circulated as indicated by the thick line in FIG.
[0076]
The first supply valve 31 is opened and the second valve 33 is closed. Thus, the oxidizing gas pumped from the compressor 30 is supplied only to the first channel region 11. Further, the first discharge valve 36 is closed, and the intermediate valve 35 is opened. Thus, the oxidizing gas that has passed through the first flow path area 11 is supplied to the second flow path area 14.
[0077]
That is, the oxidizing gas pumped by the compressor 30 is supplied to the fuel cell 50 through the first supply channel 38. In the fuel cell 50, the fuel is discharged from the first supply manifold 10 to the first discharge manifold 12 through the first passage area 11. The discharged oxidant gas passes through the intermediate channel 43 and is supplied to the fuel cell 50 again. Here, the gas is discharged from the second discharge manifold 15 from the second supply manifold 13 through the second flow path region 14. Further, the gas is discharged to the outside of the system or a combustor (not shown) through the second discharge channel 42.
[0078]
When the flow rate of the oxidizing gas supplied to the second flow path area 14 through the intermediate flow path 43 is small, the oxidizing gas may be added by opening the first supply valve. When the flow rate of the oxidizing gas discharged from the first flow path area 11 is too large for the required power generation amount, the first discharge valve 36 is opened to open the second flow path area 14. It is also possible to reduce the flow rate of the oxidizing gas supplied to the fuel cell.
[0079]
Next, gas flow in a fuel cell activated state when the fuel cell 50 is stored below normal temperature, particularly below freezing will be described with reference to FIG.
[0080]
When the fuel cell 50 is mounted on a moving object, it is assumed that the fuel cell 50 is used in a low-temperature area, and it is necessary to start the fuel cell 50 from a state where the environmental temperature is low. When starting the fuel cell 50 stored in a low-temperature environment, especially below the freezing point, there is a concern that water required for operation may freeze. Therefore, here, a method of starting the fuel cell 50 from below freezing by effectively utilizing the characteristics of the flow path will be described.
[0081]
The first supply valve 31 is closed, and the second supply valve 33 is opened. As a result, the oxidizing gas pumped from the compressor 30 is supplied only to the second flow path region 14. That is, the oxidizing gas pumped by the compressor 30 is supplied to the fuel cell 50 through the second supply channel 39. In the fuel cell 50, the fuel is discharged from the second supply manifold 13 to the second discharge manifold 15 through the second passage area 14. The discharged oxidizing gas passes through the second discharge channel 42 and is discharged to the outside of the system or a combustor (not shown).
[0082]
When the fuel cell 50 is started from a low temperature, the condensed water in the flow passage and the condensed water in the gas diffusion layer generated by the power generation hinders the flow of the oxidizing gas. In order to avoid this, it is preferable to generate power only in the second flow path region 14 in which the reaction gas is forced to flow through the gas diffusion layer.
[0083]
Next, the above-described startup control of the fuel cell system will be described with reference to the flowchart of FIG. When the activation signal of the fuel cell 50 is detected, the following control is started.
[0084]
In step S1, the temperature sensor 25 determines whether the temperature of the fuel cell 50 is lower than a predetermined temperature. Here, the predetermined temperature is set in advance as a normal temperature. Alternatively, the predetermined temperature can be a freezing point. If the temperature is lower than the predetermined temperature, the process proceeds to step S2, where the first supply valve 31 is closed, and the flow path of the oxidizing gas to the first supply manifold 10 is shut off. As a result, the oxidizing gas is not supplied to the first flow path area 11, and the intermediate valve 35 is closed in step S3.
[0085]
Next, the process proceeds to step S4, where the second supply valve 33 is opened. Thereby, the compressor 30 and the second supply manifold 13 are communicated. In step S5, the oxidizing gas is supplied to the second flow path region 14 by driving the compressor 30.
[0086]
In step S6, the temperature of the fuel cell 50 is detected again. If the temperature of the fuel cell 50 has not reached the predetermined temperature, the state is maintained until the temperature reaches the predetermined temperature. When the temperature of the fuel cell 50 reaches a predetermined temperature, the process proceeds to step S7. Here, the predetermined temperature is assumed to be a normal temperature.
[0087]
In step S7, the first supply valve 31 is opened to supply the oxidizing gas to the first flow path region 11. At this time, by opening the first discharge valve 36 and closing the intermediate valve 35, the condensed water in the cathode channel 7a of the first channel region 11 is purged. During this purging, the oxidizing gas is supplied to the second flow path region 14 to continue power generation.
[0088]
In step S8, it is determined whether the purging has been completed. Here, a necessary purge time is obtained in advance by an experiment or the like, and it is determined whether the purge time has elapsed. This state is maintained until the purge is completed, and if it is determined that the purge is completed, the process proceeds to step S9.
[0089]
In step S9, the first discharge valve 36 is closed while opening the intermediate valve 35. As a result, the oxidizing gas supplied to the first channel region 11 via the first supply channel 38 is supplied to the second channel region 14 via the intermediate channel 43. Further, the supply of the oxidizing gas to the second flow path region 14 is stopped by closing the second supply valve 33. Further, the compressor 30 is set to an output corresponding to the required power or a predetermined output. At this time, the compressor 30 supplies only the first flow path area 11.
[0090]
On the other hand, if the temperature of the fuel cell 50 is higher than the normal temperature in step S1, the process proceeds to step S10, and normal startup is performed. For example, the first flow path area 14 is purged. After that, each valve is controlled so that the oxidizing gas is supplied to the first flow path area 11 and then to the second flow path area 14.
[0091]
Next, effects of the present embodiment will be described. The following effects can be obtained in addition to the first embodiment.
[0092]
An MEA configured by sandwiching the electrolyte membrane 1 between the electrodes 2 and 3, separators 4 and 5 sandwiching the MEA, and at least one of the separators, here the cathode separator 5, provided with a flowing oxidant gas. There is provided a reaction gas flow path including a cathode flow path 7a for partially diffusing the oxidant electrode 3 and cathode flow paths 7b and 7c for supplying all the oxidizing gas flowing to the oxidant electrode 3. Further, a first supply manifold 10 for supplying an oxidizing gas to the cathode flow path 7a, a first discharge manifold 12 for collecting the oxidizing gas from the cathode flow path 7a, and an oxidizing gas for the cathode flow paths 7b and 7c. A second supply manifold 13 for supplying the gas and a second discharge manifold 15 for collecting the oxidizing gas from the cathode flow paths 7b and 7c are provided. With such a configuration, a polymer electrolyte fuel cell that supplies at least a part of the reaction gas collected in the first discharge manifold 12 to the second supply manifold 13, the first supply manifold 10, the second supply manifold 13, And a first supply valve 31 and a second supply valve 33 for controlling the flow rate of the reaction gas supplied to the first supply manifold 10 and the second supply manifold 13, respectively. Thereby, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the first flow path area 11 and the flow rate of the oxidizing gas supplied to the second flow path area 14 can be adjusted. Thus, the region in which power generation is performed can be adjusted according to the operating conditions and the like, so that adjustment can be made to maintain the electrolyte membrane 1 wet.
[0093]
A first discharge passage 41 for discharging the oxidant gas discharged from the cathode flow passage 7a, a first discharge valve 36 for controlling the flow rate of the oxidant gas flowing through the first discharge flow passage 41, and a cathode flow passage 7a. An intermediate valve 35 for controlling a flow rate of a reaction gas supplied to the cathode flow paths 7b and 7c. As a result, the oxidizing gas flowing through the first flow path area 11 can be selectively supplied to the second flow path area 14.
[0094]
Here, means for controlling the flow rate of the oxidizing gas (flow rate control means) is constituted by the valves 31, 33, 35 and 36. Thus, the flow path of the oxidizing gas can be set with a simple configuration, and the flow path can be easily switched.
[0095]
Further, it includes a temperature sensor 25 for detecting the temperature of the fuel cell 50, and a judging means (S1) for judging whether the output from the temperature sensor 25 is equal to or more than a predetermined value. When the output from the temperature sensor 25 is equal to or greater than a predetermined value when the fuel cell 50 is started, the oxidizing gas is caused to flow through the cathode flow path 7a and then through the cathode flow paths 7b and 7c. Thereby, the water retention state of the MEA can be made uniform, and drying and flooding of the electrolyte membrane 1 can be suppressed.
[0096]
Further, when the output of the temperature sensor 25 is lower than a predetermined value at the time of starting the fuel cell 50, the reaction gas is supplied only to the cathode channels 7b and 7c. Here, the condensed water in the flow passage and the condensed water in the gas diffusion layer, which are generated due to the power generation, are likely to be generated at a low temperature, and obstruct the flow of the reaction gas, here, the oxidizing gas. At low temperatures, the condensed water may be frozen. In such a case, the oxidant gas is diffused to the oxidant electrode 3 in the cathode flow path 7a formed in the first flow path area 11. Is difficult. In order to avoid this, power is generated only in the second flow path region 14 in which the oxidizing gas is forced to flow through the gas diffusion layer. As a result, it is possible to start up quickly even at a low temperature.
[0097]
Next, a seventh embodiment will be described. The fuel cell system used here is the same as in the sixth embodiment. Further, the control at the time of startup and during normal operation is the same as that of the sixth embodiment. However, when the output voltage of the fuel cell 10 decreases, for example, a load response or a gas flow state in a case where a flow path blockage occurs is controlled as shown in FIG.
[0098]
When a change in the power generation state is observed due to a sudden load change or a sudden blockage of the supply gas flow path of the condensed water, the first supply manifold 10 and the second supply manifold are set so that predetermined power is obtained. 13 are supplied simultaneously. Further, by supplying both the oxidizing gas supplied from the first flow path area 11 and the oxidizing gas supplied from the compressor 30 to the second supply manifold 13, the gas flow in the second flow path area 14 is supplied. Eliminate road blockage.
[0099]
Here, by opening the first supply valve 31 and the second supply valve 33, the oxidizing gas pumped from the compressor 30 is supplied to the first channel region 11 and the second channel region 14. Further, the first discharge valve 36 and the intermediate valve 35 are opened, and a part of the oxidizing gas discharged from the first flow path area 11 is circulated to the second flow path area 14.
[0100]
Here, the state of the fuel cell 50 is detected by the voltage sensor 26 that detects the voltage of the fuel cell 50. Further, an operation state detecting means 27 for detecting a steady operation or a load response operation of the fuel cell 50 is provided.
[0101]
The flow for performing such control will be described with reference to the flowchart of FIG. This flow chart shows a signal sent when the operating state detecting means 27 determines that a change in the power generation state is found due to a sudden load change or a sudden blockage of the condensed water supply gas flow path. The process is started when the detection is performed in the controller 40.
[0102]
In step S21, it is determined whether the output of the fuel cell 50 from the voltage sensor 26 has decreased. If it is determined that it has not decreased, the control is terminated while maintaining the state. On the other hand, if it is determined that the output of the fuel cell 50 has decreased, the process proceeds to step S22, and the second supply valve 33 is opened. Next, in step S23, the compressor 30 is adjusted to supply a predetermined flow rate of the oxidizing gas to the first flow path area 11 and the second flow path area 14. Thus, the oxidizing gas supplied from the first channel region 11 and the oxidizing gas supplied from the compressor 30 are introduced into the second channel region 14 together. Here, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the compressor 30 to the second flow path region 14 may be set according to the degree of the output decrease of the fuel cell 50 or may be a predetermined amount set in advance.
[0103]
Next, in step S24, the output stability of the fuel cell 50 is detected by the voltage sensor 26. This state is maintained until the output of the fuel cell 50 is stabilized again, and if it is determined that the output of the fuel cell 50 has been stabilized, the process proceeds to step S25. In step S25, the supply of the oxidizing gas from the compressor 30 to the second flow path region 14 is stopped. Next, in step S26, the second supply valve 33 is closed, and the second supply flow path 39 is closed.
[0104]
As described above, the operating state detecting unit 27 that detects the operating state of the fuel cell 50 and the voltage sensor that detects the generated voltage of the fuel cell 50 are provided. When the operating state detecting means 27 detects a steady operation or a load response operation of the fuel cell 50 and a voltage drop is detected by the voltage sensor 26, the compressor 30 supplies the reaction gas from the compressor 30 to the cathode channel 7a. Further, the reaction gas is additionally supplied from the compressor 30 to the cathode channels 7b and 7c. By setting such a gas flow state, it is possible to control the fuel utilization rate of the second flow path region 14, and thereby to supplement a predetermined power generation amount. In addition, since a part of the oxidizing gas discharged from the first channel area 11 and the oxidizing gas from the compressor 30 can be supplied to the second channel area 14, the second channel area 14 can be supplied. Flooding can be eliminated, and the voltage can be recovered.
[0105]
Next, an eighth embodiment will be described. FIG. 12 shows a configuration of a cell plane facing the oxidant electrode 3 of the cathode separator 5 used in the present embodiment.
[0106]
A plurality of first channel regions 11 are provided as necessary. Here, the second flow path area 14 is sandwiched between the first flow path areas 11a and 11b. The oxidizing gas is supplied from the first supply manifolds 10a and 10b to the respective first flow passage areas 11a and 11b, and is recovered to the respective first discharge manifolds 12a and 12b. The recovered oxidizing gas is supplied to the second supply manifold 13 and used for power generation in the second flow path region 13.
[0107]
In the first to seventh embodiments, the first flow path area 11 and the second flow path area 14 are connected in a line, but as shown in FIG. The structure sandwiched between the flow path regions 11 may be used.
[0108]
The area ratio of each of the first flow path area 11 and the second flow path area 14 is appropriately set depending on the operating condition of the fuel cell 50 and the environment. However, if the first passage area 11 is larger than the second passage area 14, the output of the entire fuel cell 50 cannot be sufficiently obtained. When the first flow path area 11 is smaller than one third of the second flow path area 14, the effect of retaining the generated water by the cathode flow path 7a arranged in the first flow path area 11 can be sufficiently exhibited. Can not.
[0109]
Thus, the configuration of the surface of the cathode separator 5 facing the oxidant electrode 3 can be set according to the conditions of the fuel cell 50. The required output can be obtained by changing the area ratio of the first flow path area 11 and the second flow path area 14 according to the required operating conditions and environment. At this time, the first flow path area 11 and the second flow path area 14 are arranged so as to be line-symmetric or point-symmetric. For example, when the first flow path area 11 is formed wide, the second flow path area 14 is sandwiched. Thus, the oxidant gas diffusion performance over the entire cell surface can be made uniform, and the power generation efficiency of the fuel cell 50 can be made uniform over the cell surface. Also, when the first flow path area 11 is desired to be widened, the first flow path area 11 is divided and the oxidizing gas is supplied in parallel with each other, so that the humidity of the flowing oxidizing gas becomes excessive. Can be suppressed. As a result, flooding generated in the gas diffusion layer of the oxidant electrode 3 can be reduced.
[0110]
Next, a ninth embodiment will be described. FIG. 13 shows the configuration of the oxidant electrode 3 of the cathode separator 5 used here, and FIG. 14 shows the stacked structure of the fuel cell 50.
[0111]
In the present embodiment, a cathode separator 5a having a first flow path area 11 as shown in FIG. 13A and a cathode separator 5b having a second flow path area 14 as shown in FIG. Is used. That is, in the cathode separator 5a, the oxidant gas supplied to the cathode flow path 7a diffuses from the cathode flow path 7a toward the oxidant electrode 3. Therefore, the generated water can be used for humidification, and the electrolyte membrane 1 can be sufficiently wetted. On the other hand, in the cathode separator 5b, the oxidant gas supplied to the cathode flow path 7b is recovered to the cathode flow path 7c through the gas diffusion layer of the oxidant electrode 3. Therefore, flooding of the gas diffusion layer in an excessively wet portion can be suppressed.
[0112]
Therefore, as shown in FIG. 14, a first laminated body 45 formed by laminating the cathode separators 5a is arranged on the upstream side, and a second laminated body 46 formed by laminating the cathode separators 5b is arranged on the downstream side. Thus, the fuel cell 50 is configured. With this configuration, the humidification of the electrolyte membrane 1 using the generated water is promoted in the first stacked body 45 on the upstream side to which the relatively dry oxidizing gas is supplied. On the other hand, in the second stacked body 46 on the downstream side to which the oxidant gas moistened in the first stacked body 45 is supplied, flooding is suppressed. As a result, the efficiency of the entire fuel cell 50 is improved, and a decrease in the output of the fuel cell 50 is suppressed.
[0113]
As described above, the cathode separator 5a having the cathode flow path 7a formed thereon and the cathode separator 5b having the cathode flow paths 7b and 7c formed thereon are laminated. This makes it possible to average the degree of wetness in the entire fuel cell by selectively using the separator when there is a place where flooding is likely to occur in the entire stack due to, for example, a temperature gradient in the stack or the like, and where it is not.
[0114]
Further, a laminate 45 is formed by laminating the cathode separators 5a in which the cathode flow paths 7a are formed, and a laminate 46 is formed by laminating the cathode separators 5b in which the cathode flow paths 7b and 7c are formed. By combining such laminates 45 and 46, a fuel cell 50 with a uniform wet state can be easily configured.
[0115]
Next, a tenth embodiment will be described. The configuration of the cathode separator 5 used in this embodiment is the same as that of the ninth embodiment, and the configuration of the fuel cell 50 is shown in FIG.
[0116]
At both ends of a second stacked body 46 in which the cathode separators 5b having the second flow passage areas 14 are stacked, first stacked bodies 45a and 45b in which the cathode separators 5a having the first flow passage areas 11 are stacked are provided. An oxidant gas is supplied to the laminates 45a and 45b from the outside. Thereafter, the oxidizing gas discharged from the stacks 45a and 45b is supplied to the second stack 46.
[0117]
With this configuration, even when the first flow path area 11 is desired to be widened, the first flow path area 11 is divided and the oxidizing gas is supplied in parallel with each other, so that the oxidizing gas flowing therethrough is supplied. Excessive humidity of the agent gas can be suppressed. As a result, the occurrence of flooding in the gas diffusion layer of the oxidant electrode 3 can be reduced.
[0118]
Next, an eleventh embodiment will be described. The configuration of the cathode separator 5 used in this embodiment is the same as that of the ninth embodiment, and the configuration of the fuel cell 50 is shown in FIG. This embodiment can be applied to the tenth embodiment.
[0119]
Here, in the ninth embodiment, the first stacked body 45 and the second stacked body 46 are divided and configured, and the oxidizing gas used in the first stacked body 45 is supplied to the second stacked body 46 through a flow path or the like. Supply. With such a configuration, for example, when the fuel cell 50 is mounted on a moving body, the conditions for the area in which the fuel cell 50 is arranged can be reduced, so that the design can be facilitated.
[0120]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and it goes without saying that various changes can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of a stacked structure of a fuel cell used in a first embodiment.
FIG. 2 is a plan view of a separator used in the first embodiment.
FIG. 3 is a plan view of a separator used in a second embodiment.
FIG. 4 is a plan view of a separator used in a third embodiment.
FIG. 5 is a plan view of a separator used in a fourth embodiment.
FIG. 6 is a plan view of a separator constituting a cooling water channel used in a fifth embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a gas state in a normal state of a fuel cell used in a sixth embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a gas state at the time of starting a fuel cell used in a sixth embodiment.
FIG. 9 is a flowchart illustrating a control method at the time of startup according to a sixth embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a gas state when a voltage of a fuel cell used in a seventh embodiment changes.
FIG. 11 is a flowchart illustrating a control method at the time of output reduction in a seventh embodiment.
FIG. 12 is a plan view of a separator used in an eighth embodiment.
FIG. 13 is a plan view of a separator used in a ninth embodiment.
FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell used in a ninth embodiment.
FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell used in a tenth embodiment.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell used in an eleventh embodiment.
[Explanation of symbols]
1 electrolyte membrane (solid polymer electrolyte membrane)
2 Fuel electrode (electrode)
3 Oxidizer electrode (electrode)
4 Anode separator (separator)
5 Cathode separator (separator)
6. Anode flow path (reaction gas flow path)
7 Cathode channel (reaction gas channel)
7a Cathode flow path (first reaction gas flow path)
7b Cathode flow path (second reaction gas flow path, supply-side reaction gas flow path)
7c Cathode flow path (second reaction gas flow path, discharge-side reaction gas flow path)
9 Cooling water channel
10 1st supply manifold
11 1st channel area
12 First discharge manifold
13 Second supply manifold
14 Second channel area
15 Second discharge manifold
18 Intermediate manifold
19 Cooling water supply manifold (cooling water introduction part)
25 temperature sensor (temperature detection means)
26 Voltage sensor (voltage detection means)
27 Operating state detecting means
30 Compressor (reaction gas supply means)
31 1st supply valve (flow control means)
33 Second supply valve (flow control means)
35 Intermediate valve (flow control means)
36 Discharge valve (flow control means)
41 1st discharge channel
43 Intermediate flow path
45 First laminate
46 Second laminate

Claims (23)

A membrane electrode assembly configured by sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between the electrodes,
A separator having a reaction gas flow path on a surface facing the membrane electrode assembly, and sandwiching the membrane electrode assembly,
The reaction gas flow path formed in at least one of the separators is formed by a plurality of different forms of reaction gas flow paths,
The flow path is configured such that a part of the flowing reaction gas is diffused to the electrode, and the first reaction gas flow path is configured to supply all the flowing reaction gas to the electrode. A second reaction gas flow path which is in the form;
Comprising at least two types of gas flow paths of
A polymer electrolyte fuel cell, wherein at least a part of the reaction gas after flowing through the first reaction gas flow path is supplied to the second reaction gas flow path. A fuel cell stack is formed by stacking the membrane electrode assembly and a cell constituted by the separator,
A first supply manifold and a second supply manifold for distributing a reaction gas to each of the cells;
A first discharge manifold and a second discharge manifold for collecting a reaction gas from each of the cells,
The first reaction gas flow path is constituted by a reaction gas flow path communicating between the first supply manifold and the first discharge manifold,
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the second reaction gas flow path includes a reaction gas flow path that is not communicated with at least one of the second supply manifold and the second discharge manifold. 3. A supply-side reaction gas passage communicating the second reaction gas passage with the second supply manifold;
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, comprising a discharge-side reaction gas flow path that communicates with the second discharge manifold and is not connected to the supply-side reaction gas flow path. 4. 4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the first discharge manifold communicates with an upstream side of the second supply manifold. 5. 5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the first discharge manifold and the second supply manifold communicate with each other on a cell surface of the separator. 6. The second supply manifold is disposed vertically above a cell surface of the separator,
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 2 to 5, wherein the second discharge manifold is disposed vertically below the second supply manifold. The first discharge manifold and the second supply manifold are formed so as to communicate with each other, and are disposed vertically above the cell surface of the separator.
7. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the first supply manifold and the second discharge manifold are disposed vertically below the first discharge manifold and the second supply manifold connected to each other. . The solid according to claim 1, wherein a first flow path region including the first reaction gas flow path and the second flow path region including the second reaction gas flow path are formed in the same separator. Polymer fuel cell. The solid polymer fuel according to any one of claims 1 to 8, wherein the separator having the first reaction gas flow path and the separator having the second reaction gas flow path are laminated. battery. A laminate formed by laminating separators each having the first reaction gas flow path,
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 9, comprising: a laminate formed by laminating separators each having the second reaction gas channel formed therein. The fixed polymer fuel cell according to the above. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the separator is a cathode separator provided with an oxidizing gas passage as the reaction gas passage. A refrigerant flow path is provided on the surface of the cathode separator opposite to the surface on which the oxidizing gas flow path is provided,
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 2 to 7, wherein the introduction portion of the coolant channel is arranged near the first supply manifold. Compared with a region of the electrode facing the second flow path region where the second reaction gas flow path is formed in the separator cell plane, the first reaction gas flow path is formed in the first flow path region. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 12, wherein the confronting regions are configured to have higher hydrophilicity. Compared with a region of the electrode facing the second flow path region where the second reaction gas flow path is formed in the separator cell plane, the first reaction gas flow path is formed in the first flow path region. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 12, wherein the opposing regions have a higher hydrophobicity. Compared with a region of the electrode facing the second flow path region where the second reaction gas flow path is formed in the separator cell plane, the first reaction gas flow path is formed in the first flow path region. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 12, wherein the facing region is formed of a member having small pores. Compared with a region of the electrode facing the second flow path region where the second reaction gas flow path is formed in the separator cell plane, the first reaction gas flow path is formed in the first flow path region. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 12, wherein the facing region is formed of a member having large pores. A membrane electrode assembly configured by sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between the electrodes,
A separator for sandwiching the membrane electrode assembly,
A first reaction gas flow channel provided in at least one of the separators, for diffusing a part of the flowing reaction gas to the electrode, and a second reaction gas flow channel for supplying all the flowing reaction gas to the electrode. A reaction gas flow path;
A first supply manifold for supplying a reaction gas to the first reaction gas flow path;
A first discharge manifold for collecting a reaction gas from the first reaction gas flow path;
A second supply manifold for supplying a reaction gas to the second reaction gas flow path;
A second discharge manifold for recovering the reaction gas from the second reaction gas flow path,
A polymer electrolyte fuel cell that supplies at least a portion of the reaction gas discharged from the first discharge manifold to the second supply manifold;
Reaction gas supply means for supplying a reaction gas to the first supply manifold and the second supply manifold;
A fuel cell system comprising: flow rate control means for controlling flow rates of reactant gases supplied to the first supply manifold and the second supply manifold, respectively. The fuel cell system according to claim 17, further comprising: a flow control unit configured to control a flow rate of a reaction gas supplied from the first reaction gas flow path to the second reaction gas flow path. 19. The fuel cell system according to claim 17, wherein the flow rate control means is constituted by a valve. Temperature detection means for detecting the temperature of the polymer electrolyte fuel cell,
Determining means for determining whether the output of the temperature detecting means is equal to or more than a predetermined value,
When the output of the temperature detecting means is equal to or higher than a predetermined value at the time of starting the polymer electrolyte fuel cell, the reaction gas is allowed to flow through the first reaction gas flow path, and then is passed through the second reaction gas flow path. The fuel cell system according to any one of claims 17 to 19, which is distributed. Temperature detection means for detecting the temperature of the polymer electrolyte fuel cell,
Determining means for determining whether the output of the temperature detecting means is equal to or more than a predetermined value,
21. The apparatus according to claim 17, wherein, when the polymer electrolyte fuel cell is started, when an output from the temperature detecting means is lower than a predetermined value, a reaction gas is supplied only to the second reaction gas flow path. The fuel cell system according to item 1. Operating state detecting means for detecting an operating state of the polymer electrolyte fuel cell,
Voltage detecting means for detecting the generated voltage of the polymer electrolyte fuel cell,
When the steady state operation or the load response operation of the polymer electrolyte fuel cell is detected by the operating state detection unit, when a voltage drop is detected by the voltage detection unit,
22. The reaction gas is supplied from the reaction gas supply unit to the first reaction gas passage, and the reaction gas is additionally supplied from the reaction gas supply unit to the second reaction gas passage. A fuel cell system according to one of the preceding claims. A membrane electrode assembly configured by sandwiching the solid polymer electrolyte membrane between the electrodes,
A separator having a reaction gas flow path on a surface facing the membrane electrode assembly, and sandwiching the membrane electrode assembly,
A first reaction gas flow path configured so that a part of the flowing reaction gas diffuses into the electrode; and a second reaction gas flow path configured so that all the flowing reaction gas is supplied to the electrode. And two reaction gas flow paths;
A moving body comprising a polymer electrolyte fuel cell system provided with a unit for supplying at least a part of the reaction gas flowing through the first reaction gas flow path to the second reaction gas flow path.

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