JP2004265815A

JP2004265815A - Polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number: JP2004265815A
Application number: JP2003056839A
Authority: JP
Inventors: Katsuzo Konakawa; 勝蔵粉川; Susumu Kobayashi; 晋小林; Toshihiro Matsumoto; 敏宏松本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2004-09-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel cell which prevents flooding perfectly by lowering static pressure in exit manifolds to exhaust generated water in the state of gas through a conduit channel. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte fuel cell having high reliability, which prevents the flooding, is so constituted that the static pressure in the exit manifolds 16 and 18 is lowered than static pressure in entrance manifolds 15 and 17 for fuel gas or oxidation gas to exhaust the generated water in the state of gas through the conduit channel 14. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池は、イオン導電性が付与された固体高分子電解質膜の両面に触媒を担持したガス拡散電極を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータを介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子電解質膜でのイオン導電と各ガス拡散電極の化学反応が進行して一対のガス拡散電極間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータを介して外部回路に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。
【０００３】
しかし、ガス拡散電極の全面に供給ガスが供給されるようにすると、セパレータとガス拡散電極との接触面積が無くなり、発生した電流の効率的な集電やガス拡散電極で発生する熱の除去が難しくなる。このため、セパレータとガス拡散電極の境界部分に、供給ガスの通流方向を規制する流路溝が設けられ、セパレータとガス拡散電極とをある割合に接触面積を保っている。セパレータ側に形成したこの流路溝は、蛇行したサーペンタイン構成、あるいは複数本構成が記載されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００４】
そして、固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜のイオン導電性を十分に発揮させて発電効率を高く維持するためには、供給するガスを加湿して供給ガス中の水蒸気濃度を高める必要があり、さらに、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換するものであるため、カソード側において水が生成する。
【０００５】
このため、供給ガスの流路溝には、反応上生成される水が下流側、特に出口側に多量に含有し、液体状態となって流路溝を塞いでしまうおそれがある（この現象をフラッディングという）。このフラッディングを防止する技術がある（例えば、特許文献３参照）。図５は従来の固体高分子型燃料電池の酸化ガスセパレータを示す。セパレータ１の溝部材２は、ガス拡散電極に対応した方形状でガス不透過性と導電性を有して構成される。入口マニホールド３から酸化ガスが流入され、流路溝材２の溝を経た酸化ガスを出口マニホールド４より導出する。燃料ガスのセパレータ１も酸化ガスの入口マニホールド３および出口マニホールド４と互違いの位置に形成された入口マニホールド５及び出力マニホールド６より燃料ガスの流入と導出が行われる。流路溝材２の溝は、入口マニホールド３に直接に連通した入口側流路溝７と、上記出口マニホールド４に直接に連通した出口側流路溝８と、上記入口側流路溝７及び出口側流路溝８とを連通した中間流路溝９とから構成されている。入口側流路溝７と出口側流路溝８とは格子状に形成され、中間流路溝９は、複数回折返した曲折形態に形成され、複数本の直線状に延びる独立流路群９Ａ〜９Ｅと、折返し部に形成された格子状溝１０Ａ〜１０Ｄとから構成されている。すなわち、入口側流路溝７と出口側流路溝８は、縦横に整列して形成された孤立突起ａ以外の領域がガス流路溝であり、独立流路群９Ａ〜９Ｅは長延突起ｂ以外の領域がガス流路溝である。また、折返し部の格子状溝１０Ａ〜１０Ｄは、孤立突起ｃ以外の領域がガス流路溝である。
【０００６】
反応生成水によるフラッディングにより供給ガスの停滞を防止するため、過去より種々のガス流路溝が工夫され、ガス流路が格子状となるタイプと、入口から出口まで１本の流路とするタイプがあるが、格子状タイプは、フラッディングに達するような水溜まりは生じないが、全体に均一となるガス拡散性能、一部が閉塞するなど排水性能に劣る。また、１本流路タイプは、拡散性が良いが、流れ抵抗が増えてガス供給装置側の元圧を高くする必要を生じ補機動力が増加してシステム効率が低下する。
【０００７】
そして、特許文献３に記載されたものは、供給ガスの入口側流路溝及び出口側流路溝が縦横に整列して形成された孤立突起ａ以外の領域がガス流路溝であり格子状をなすため、電極へのガスの接触面積が広くなると共に、ガスが自由に移動でき、時間的に速く電極と接触する。従って、入口側流路溝では供給ガスと電極との接触効率（面積的に広く及び時間的に速く接触）が高く入口側におけるガス拡散性の損失を回避し得る。また、出口側流路溝では、入口側と同様のガス拡散性の損失を回避し、かつ流路断面積が広くなるため排水性を確保してフラッディングを防止することができると記述してある。
【０００８】
【特許文献１】
特公昭５０−８７７７号公報
【特許文献２】
特開平７−２６３００３号公報
【特許文献３】
特開平１０−１０６５９４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの従来構成においては、入口側流路溝ではガス拡散性を高め、この部分の反応を促進して全体の電気変換エネルギー効率を高めたため、入口側流路溝での反応が集中し固体高分子電解質膜やガス拡散電極の触媒層の劣化が進み耐久性に課題が残った。また、出口側流路溝では、流路断面積が広くして排水性を確保してフラッディングを防止してあるが、流路断面積が広いためガスの流れが偏在し一様でなく、流速の遅い部分では生成水が流路溝の一部を閉塞した状態を発生し、この部分にはガスが供給できなく完全にフラッディングを防止できなかった。
【００１０】
これら、従来例は、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換する時、カソード側に生成した水を流路溝内を速やかに流す構成で、フラッディングを防止する手段であるため、生成した水が増加すると遂には通路を閉塞しフラッディングを完全に防止して動作の信頼性を確保できなかった。本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料ガス、酸化ガスの入口マニホールドの静圧より出口マニホールドの静圧を低くして流路溝内の静圧を低くし、生成した水をガスの状態で流路溝を流して排出する事により、フラッディングを防止して信頼性を高めた固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、燃料ガスと酸化ガス少なくとも一方の入口マニホールドの静圧より出口マニホールドの静圧を低くして構成してある。
【００１２】
これによって、燃料ガス、酸化ガスの入口マニホールドの静圧より出口マニホールドの静圧を低くして流路溝内の静圧を低くし、生成した水をガスの状態で流路溝を流して排出する事ができる。すなわち、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換する時、カソード側に生成した水は、固体高分子電解質膜でガスの状態で発生し、拡散層を移動する中で飽和蒸気圧以上になると、この余分な水蒸気は熱を放散しながら液化する。この液の状態の水が流路溝に流れガスと混合してスタックの外へ放出する。ところが、流路溝内の静圧を低くすると、この低くなった静圧の分に相当する水蒸気圧の水分がガスの状態で流路溝を流れる。このため、流路溝内の液の状態である水量が減らすことが可能となる。このことにより、フラッディングを防止して信頼性を高めた固体高分子型燃料電池とすることが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、燃料ガスと酸化ガス少なくとも一方の入口マニホールドの静圧より出口マニホールドの静圧を低くして構成してある。
【００１４】
これによって、燃料ガス、酸化ガスの入口マニホールドの静圧より出口マニホールドの静圧を低くして流路溝内の静圧を低くし、生成した水をガスの状態で流路溝を流して排出する事ができる。すなわち、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換する時、カソード側に生成した水は、固体高分子電解質膜でガスの状態で発生し、拡散層を移動する中で飽和蒸気圧以上になると、この余分な水蒸気は熱を放散しながら液化する。固体高分子型燃料電池が動作温度の８０℃における水の飽和水蒸気圧は、３５５．２６ｍｍＨｇである。通常の流路溝の静圧は７６０ｍｍＨｇとガスを流す為の加圧の和となるが、流路溝内の静圧を低くすると、この低くなった静圧の分に相当する水蒸気圧の水分がガスの状態で流路溝を流れ、残りの水は液の状態で流路溝に流れガスと混合してスタックの外へ放出する。このため、流路溝内の液の状態である水量が減らすことが可能となる。さらに、流路溝内の静圧を低くして、流路溝の静圧が水の飽和水蒸気圧である３５５．２６ｍｍＨｇと同じになると、生成した水は液化する事無く全てがガスの状態で流路溝を流れフラッディングを発生することはない。このことにより、フラッディングを防止して信頼性を高めた固体高分子型燃料電池とすることが出来る。
【００１５】
また、生成した水が液化せずにガスの状態で排出することは、液化時熱を放出することが無く、排出する水のエンタルピーが大きいため燃料電池を冷却できる。燃料電池は水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換するが、効率が１００％でなく一部は熱エネルギーとして発生する。固体高分子電解質膜は高温になると電気変換率の低下や材料劣化による信頼性の低下を生じ、これを防止するため、空気や水を流して冷却している。流路溝の静圧を低下して水をガスの状態で多くの熱をともに排出する事により、冷却能力が少なくて済み、冷却に必要な補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。また、固体高分子電解質膜は発生した水の液化で加熱されることが無く、熱放散がスムーズとなり、過熱されることが無く、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、特に請求項１記載の固体高分子型燃料電池を酸化ガスの入口マニホールドの静圧より出口マニホールドの静圧を低くしたことにより、生成した水をガスの状態で流路溝を流して排出する事ができる。すなわち、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換する時、生成した水はカソード側に発生する。このカソード側すなわち、酸化ガス側の静圧を低くして生成した水を気体の状態で放出できるため、フラッディングを発生せず安定した運転を確保できる。また、酸化ガスの入口マニホールドの静圧より出口マニホールドの静圧を低くしたことにより、流路溝の静圧は低く設定したことになり、同じ露点温度の酸化ガスを導入しても、水分がより蒸気化するため相対湿度は高くなり、固体高分子電解質膜の加湿をより確実に確保でき、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性能の向上による高効率化と、固体高分子電解質膜の渇きによる劣化を防止し耐久性が向上する。
【００１７】
請求項３記載の発明は、特に請求項１〜２記載の固体高分子型燃料電池を送風機は出口マニホールドに連結して構成したことにより、送風機の動力によって、燃料ガスまたは酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導き流路溝を形成したセパレータを流すとき、各流れ圧損抵抗により、出口マニホールドの静圧が最も低くなる。そのため、流路溝から出口マニホールドでは水分が蒸気となる分が多く出来、フラッディングを生じなく運転範囲が広く使用性能が向上する。
【００１８】
請求項４記載の発明は、特に請求項１〜３記載の固体高分子型燃料電池の入口マニホールド又は、流路溝の入口は、流路溝の断面積より狭い極狭部を構成したことにより、流路溝から出口マニホールドの静圧をさらに低く設定できるため、水分が蒸気となる分を自由に調節設定でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止し正常な運転を維持することが可能となり使用性能が向上できる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、特に請求項４記載の入口マニホールド又は、流路溝の入口は、流路溝の断面積より狭い極狭部を構成し、この極狭部を可動としたことにより、フラッディングの程度に合わせて流路溝から出口マニホールドの静圧を増減する設定を自由にできるため、水分が蒸気となる分を自由に調節設定でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止し正常な運転を維持することが可能となり使用性能が向上できる。また、運転中、拡散層の濡れ性の変化等特性が変化した場合も、スタックを分解することなく、極狭部を可動してフラッディングを防止でき、耐久信頼性が向上できる。
【００２０】
請求項６記載の発明は、特に請求項１〜３記載の流路溝の経路途中は、流路溝の他の部分の断面積より狭い極狭部Ｂを構成したことにより、水分が多くフラッディングの発生する域であるこの極狭部Ｂから後流の流路溝と出口マニホールドの静圧をさらに低く設定できるため、水分が蒸気となる分を自由に調節設定でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止し正常な運転を維持することが可能となり使用性能が向上できる。また、ガス量を流路絞部で自由に設定できるため、実使用条件に合わせて最適に調節が可能であり、システムの信頼性が向上するものである。
【００２１】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における固体高分子型燃料電池の全体構成図、図２は燃料電池のセパレータの構成図、図３は燃料電池の断面図を示す。図３において、固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性が付与された固体高分子電解質の膜１１の両面に触媒を担持したガス拡散電極１２を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータ１３を介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極１２に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子電解質膜１１でのイオン導電と各ガス拡散電極１２の電気化学反応が進行して一対のガス拡散電極１２間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータ１３を介して外部回路（図示せず）に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極１２の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。
【００２３】
図２に示すセパレータ１３は、セパレータ１３の流路溝１４は、ガス拡散電極１２に対応した形状としガス不透過性と導電性有するカーボン、表面処理をした金属を用いて構成する。酸化ガス入口マニホールド１５から酸化ガスが流入され、流路溝１４の溝を経たガスを酸化ガス出口マニホールド１６より流出する。他方燃料ガスのセパレータ１３はこのセパレータ１３の背面側に同様の流れる構成を設け燃料ガス入口マニホールド１７及び燃料ガス出口マニホールド１８よりガスの流入と導出が行われる。これにより、固体高分子電解質膜１１を挟持する一対のガス拡散電極１２のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く流路溝１４を形成したセパレータ１３を構成している。
【００２４】
そして、図１に示す燃料電池は、積層発電セル１９は、図３に示した固体高分子電解質膜１１の両面に触媒を担持したガス拡散電極１２を両面に重ね合わせて発電セル間にセパレータ１３を介在させ発電セルを積層してスタック化してあり、端板２０により締結してある（電力の取り出し用電極や回路は図示せず）。酸化ガスは、フィルターや湿度調整部等と接続した酸化ガス入口管２１により酸化ガス入口マニホールド１５に接続し、酸化ガス出口マニホールド１６には酸化ガス出口管２２により酸化ガス送風機２３に接続してある。また、燃料ガスは、燃料タンク、改資器や湿度調整部等と接続した燃料ガス入口管２４により燃料ガス入口マニホールド１７に接続し、燃料ガス出口マニホールド１８には燃料ガス出口管２５により燃料ガス送風機２６に接続してある。
【００２５】
以上のように構成された固体高分子型燃料電池について、以下その動作、作用を説明する。酸化ガスは、酸化ガス送風機２３を動作させることにより、フィルターや湿度調整部等で調整された後、酸化ガス入口管２１から積層発電セル１９の酸化ガス入口マニホールド１５からはいりセパレータ１３の流路溝１４を流れた後、酸化ガス出口マニホールド１６から酸化ガス出口管２２を通り酸化ガス送風機２３から外部に流れる。同時に、燃料ガス送風機２６を動作させることにより、燃料ガスは、燃料タンク、改資器や湿度調整部等から燃料ガス入口管２４を通り、積層発電セル１９の燃料ガス入口マニホールド１７からはいりセパレータ１３の流路溝１４を流れた後、燃料ガス出口マニホールド１８から燃料ガス出口管２５を通り燃料ガス送風機２６から外部に放出する。放出する酸化ガス、燃料ガスは、熱交換器、加湿交換器等に連結して、その熱、湿度、未分解ガス等再度利用しても良い。燃料ガスが流路溝１４を流れる時、ガス拡散電極に拡散して電気化学反応を行い、水となり順次質量を減じながら酸化ガス出口マニホールド１６に至り排出される。
【００２６】
そして、酸化ガス送風機２３と燃料ガス送風機２６は、セパレータ１３に対してガス流れの後流に位置しているため、セパレータ１３の流れ圧損を生じ入口マニホールド１５，１７の静圧より出口マニホールド１６，１８の静圧を低くして構成する。これによって、燃料ガス、酸化ガスの入口マニホールド１５，１７の静圧より出口マニホールド１６，１８の静圧を低くして流路溝内の静圧を低くし、生成した水をガスの状態で流路溝を流して排出する事ができる。
【００２７】
すなわち、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換する時、カソード側に生成した水は、固体高分子電解質膜１１で気体の状態で発生し、拡散層１２を移動する中で飽和蒸気圧以上になると、この余分な水蒸気は熱を放散しながら液化する。固体高分子型燃料電池が動作温度の８０℃における水の飽和水蒸気圧は、３５５．２６ｍｍＨｇである。通常の流路溝の静圧は７６０ｍｍＨｇとガスを流す為の加圧の和となるが、流路溝１４内の静圧を低くすると、この低くなった静圧の分に相当する水蒸気圧の水分がガスの状態で流路溝１４を流れ、残りの水は液の状態で流路溝に流れガスと混合してスタックの外へ放出する。このため、流路溝１４内の液の状態である水量が減らすことが可能となる。さらに、流路溝１４内の静圧を低くして、流路溝１４の静圧が水の飽和水蒸気圧は、３５５．２６ｍｍＨｇと同じになると、生成した水は液化する事無く全てがガスの状態で流路溝１４を流れフラッディングを発生することはない。このことにより、フラッディングを防止して信頼性を高めた固体高分子型燃料電池とすることが出来る。
【００２８】
また、生成した水が液化せずにガスの状態で排出することは、液化時熱を放出することが無く、排出する水のエンタルピが大きいため燃料電池を冷却できる。燃料電池は水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換するが、効率が１００％でなく一部は熱エネルギーとして発生する。固体高分子電解質膜１１は高温になると電気変換率の低下や材料劣化による信頼性の低下を生じ、これを防止するため、空気や水を流して冷却している。流路溝１４の静圧を低下して水をガスの状態で多くの熱をともに排出する事により、冷却能力が少なくて済み、冷却に必要な補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。また、固体高分子電解質膜１１は発生した水の液化で加熱されることが無く、熱放散がスムーズとなり、過熱されることが無く、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【００２９】
そして、酸化ガスの酸化ガス入口マニホールド１５の静圧より酸化ガス出口マニホールド１６の静圧を低くしたことにより、生成した水を気体ガスの状態で流路溝１４を流して排出する事ができる。すなわち、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換する時、生成した水はカソード側に発生する。このカソード側すなわち、酸化ガス側の静圧を低くして生成した水を気体の状態で放出できるため、フラッディングを発生せず安定した運転を確保できる。また、酸化ガスの酸化ガス入口マニホールド１５の静圧より酸化ガス出口マニホールド１６の静圧を低くしたことにより、流路溝１４の静圧は低く設定したことになり、同じ露点温度の酸化ガスを導入しても、水分がより蒸気化するため相対湿度は高くなり、固体高分子電解質膜１１の加湿をより確実に確保でき、固体高分子電解質膜１１のプロトン伝導性能の向上による高効率化と、固体高分子電解質膜１１の渇きによる劣化を防止し耐久性が向上する。
【００３０】
また、固体高分子型燃料電池の燃料ガスまたは酸化ガスを流す動力となる酸化ガス送風機２３または燃料ガス送風機２６は出口マニホールド１６，１８に酸化ガス出口管２２または燃料ガス出口管２５で連結して構成したことにより、酸化ガス送風機２３または燃料ガス送風機２６の動力によって、酸化ガスまたは燃料ガスをそれぞれの入口マニホールド１５，１７から出口マニホールド１６，１８に導き流路溝１４を形成したセパレータ１３を流すとき、各流れ圧損抵抗により、出口マニホールド１６，１８の静圧が最も低くなる。そのため、流路溝１４から出口マニホールド１６，１８では水分が蒸気となる分が多く出来、フラッディングを生じなく運転範囲が広く使用性能が向上する。
【００３１】
（実施例２）
図４は、本発明の第２の実施例における固体高分子型燃料電池のセパレータの構成を示す。実施例１と異なるところは、セパレータ１３の酸化ガス入口マニホールド１５から流路溝１４の入口には、流路溝１４の断面積より狭い極狭部２７を構成してある。このことにより、流路溝１４から酸化ガス出口マニホールド１６に至る部分の静圧をさらに低く設定できる。このため、水分が蒸気となる分を自由に調節設定でき、流路溝１４が水により閉塞するフラッディングを防止し正常な運転を維持することが可能となり使用性能が向上できる。
【００３２】
そして、酸化ガス入口マニホールド１５から流路溝１４の入口に設けた流路溝１４の断面積より狭い極狭部２７を可動としたことにより（図に示していないが、極狭部２１をセパレータ１３と別体可動とする構成はいろいろ容易に考えられる。例えば外部からネジ形状で気密を保ちながら回転で上下する）、フラッディングの程度に合わせて流路溝から出口マニホールド１６，１８の静圧を増減する設定を自由にできるため、水分が蒸気となる分を自由に調節設定でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止し正常な運転を維持することが可能となり使用性能が向上できる。また、運転中、拡散層１２の濡れ性の変化等特性が変化した場合も、スタックを分解することなく、この極狭部２７を可動してフラッディングを防止でき、耐久信頼性が向上できる。
【００３３】
また、流路溝１４の経路途中に、流路溝１４の他の部分の断面積より狭い極狭部Ｂ２８を構成してある。このことにより、水分が多くフラッディングの発生する域であるこの極狭部Ｂ２８から後流の流路溝１４と酸化ガス出口マニホールド１６の静圧をさらに低く設定できるため、水分が蒸気となる分を自由に調節設定でき、このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止し正常な運転を維持することが可能となり使用性能が向上できる。また、ガス量を極狭部Ｂ２８で自由に設定できるため、実使用条件に合わせて最適に調節が可能であり、システムの信頼性が向上し、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、固体高分子型燃料電池において、固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、燃料ガスと酸化ガス少なくとも一方の入口マニホールドの静圧より出口マニホールドの静圧を低くして構成したことにより、生成した水をガスの状態で流路溝を流して排出する事ができる。このことにより、フラッディングを防止して信頼性を高めた固体高分子型燃料電池とすることが出来る。
【００３５】
また、生成した水が液化せずにガスの状態で排出することは、液化時熱を放出することが無く、排出する水のエンタルピーが大きいため燃料電池を冷却できため、冷却能力が少なくて済み、冷却に必要な補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。また、固体高分子電解質膜は、熱放散がスムーズとなり、過熱されることが無く、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における固体高分子型燃料電池を示す全体構成図
【図２】本発明の第１の実施例における固体高分子型燃料電池のセパレータの構成図
【図３】本発明の第１の実施例における固体高分子型燃料電池の断面図
【図４】本発明の第２の実施例における固体高分子型燃料電池のセパレータの構成図
【図５】従来の固体高分子型燃料電池を示す全体構成図
【符号の説明】
１１固体高分子電解質膜
１２拡散層
１３セパレータ
１４流路溝
１５酸化ガス入口マニホールド（入口マニホールド）
１６酸化ガス出口マニホールド（出口マニホールド）
１７燃料ガス入口マニホールド（入口マニホールド）
１８燃料ガス出口マニホールド（出口マニホールド）
２３酸化ガス送風機（送風機）
２６燃料ガス送風機（送風機）
２７極狭部
２８極狭部Ｂ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of fuel cell has a power generation cell in which a gas diffusion electrode carrying a catalyst on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane provided with ionic conductivity is superposed on both surfaces. Then, a plurality of the power generation cells are connected to obtain a predetermined voltage. For this reason, a separator is interposed between the power generation cells, and the power generation cells are stacked and stacked. When the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to both sides of the separator and the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the respective gas diffusion electrodes, the ionic conduction in the solid polymer electrolyte membrane and the chemical reaction of each gas diffusion electrode progress. As a result, a voltage is generated between the pair of gas diffusion electrodes, and power is supplied to an external circuit via a pair of separators at both ends having a function of a current collecting electrode. In such power generation, supplying the supplied gas to the electrode surface of the gas diffusion electrode as evenly as possible increases the gas utilization rate and improves power generation efficiency and output performance.
[0003]
However, if the supply gas is supplied to the entire surface of the gas diffusion electrode, the contact area between the separator and the gas diffusion electrode is lost, so that the current generated efficiently and the heat generated in the gas diffusion electrode are removed. It becomes difficult. For this reason, a flow channel for regulating the flow direction of the supply gas is provided at the boundary between the separator and the gas diffusion electrode, and the contact area between the separator and the gas diffusion electrode is maintained at a certain ratio. The channel groove formed on the separator side has a meandering serpentine configuration or a plurality of configurations (for example, see Patent Documents 1 and 2).
[0004]
In order to maintain the high power generation efficiency by sufficiently exhibiting the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte fuel cell humidifies the supplied gas to reduce the water vapor concentration in the supplied gas. It is necessary to increase the energy and further convert the energy of an electrochemical reaction for generating water from hydrogen and oxygen into an electric quantity, so that water is generated on the cathode side.
[0005]
For this reason, there is a risk that the reaction gas produced in the flow channel groove of the supply gas contains a large amount of water generated on the downstream side, particularly on the outlet side, and becomes a liquid state to block the flow channel groove. Flooding). There is a technique for preventing this flooding (for example, see Patent Document 3). FIG. 5 shows an oxidizing gas separator of a conventional polymer electrolyte fuel cell. The groove member 2 of the separator 1 has a rectangular shape corresponding to the gas diffusion electrode and has gas impermeability and conductivity. The oxidizing gas flows from the inlet manifold 3, and the oxidizing gas having passed through the groove of the flow channel member 2 is led out from the outlet manifold 4. The fuel gas separator 1 also flows in and out of the fuel gas from an inlet manifold 5 and an output manifold 6 formed at positions different from the oxidizing gas inlet manifold 3 and the outlet manifold 4. The grooves of the flow channel material 2 include an inlet flow channel 7 directly communicating with the inlet manifold 3, an outlet flow channel 8 directly communicating with the outlet manifold 4, an inlet flow channel 7, And an intermediate flow channel 9 communicating with the outlet flow channel 8. The inlet-side channel groove 7 and the outlet-side channel groove 8 are formed in a lattice shape, and the intermediate channel groove 9 is formed in a bent shape obtained by turning a plurality of times, and a plurality of linear channels 9A extending linearly. To 9E, and lattice-shaped grooves 10A to 10D formed in the folded portion. In other words, the inlet-side channel groove 7 and the outlet-side channel groove 8 have a gas channel groove in a region other than the isolated protrusions a formed in the vertical and horizontal directions, and the independent flow channel groups 9A to 9E correspond to the elongated protrusions b. The other area is the gas channel groove. In the lattice-shaped grooves 10A to 10D of the folded portions, the regions other than the isolated protrusions c are gas flow grooves.
[0006]
Various gas flow grooves have been devised from the past to prevent stagnation of the supply gas due to flooding with the reaction product water, and the gas flow path has a lattice shape, and the gas flow path has a single flow path from the inlet to the outlet. However, the grid type does not cause water pools to reach flooding, but is inferior in gas diffusion performance that is uniform throughout and drainage performance such as partial blockage. In addition, the single flow channel type has good diffusivity, but increases the flow resistance, which necessitates a higher original pressure on the gas supply device side, increases the power of auxiliary equipment, and lowers the system efficiency.
[0007]
In the structure described in Patent Document 3, a region other than the isolated protrusion a in which the inlet-side flow channel and the outlet-side flow channel of the supply gas are aligned vertically and horizontally is a gas flow channel, and has a lattice shape. Therefore, the contact area of the gas with the electrode is increased, the gas can move freely, and the electrode contacts the electrode quickly in time. Therefore, in the inlet-side channel groove, the contact efficiency between the supply gas and the electrode (large in area and fast in time) is high, and loss of gas diffusibility on the inlet side can be avoided. In addition, it is described that in the outlet side channel groove, it is possible to avoid loss of gas diffusivity similar to that at the inlet side and to secure drainage property and prevent flooding because the channel cross-sectional area is widened. .
[0008]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 50-8777
[Patent Document 2]
JP-A-7-263003
[Patent Document 3]
JP-A-10-106594
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this conventional configuration, the gas diffusion property is enhanced in the inlet-side flow channel, and the reaction in this portion is promoted to increase the overall electric conversion energy efficiency. Deterioration of the molecular electrolyte membrane and the catalyst layer of the gas diffusion electrode progressed, and a problem remained in durability. Also, in the outlet-side channel groove, flooding is prevented by widening the channel cross-sectional area to ensure drainage.However, since the flow-path cross-sectional area is large, the gas flow is unevenly distributed, and the flow velocity is not uniform. In the slow part, the generated water blocked a part of the channel groove, and gas could not be supplied to this part, so that flooding could not be completely prevented.
[0010]
In these conventional examples, when energy of an electrochemical reaction for generating water from hydrogen and oxygen is converted into an electric quantity, water generated on the cathode side is quickly flown in the flow channel to prevent flooding. Therefore, when the generated water increases, the passage is finally closed, flooding is completely prevented, and the reliability of the operation cannot be secured. The present invention solves the above-mentioned conventional problems, in which the static pressure in the outlet manifold is made lower than the static pressure in the inlet manifold of the fuel gas and the oxidizing gas to lower the static pressure in the flow channel, and the generated water is removed. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell in which flooding is prevented by flowing through a flow channel in a gas state and discharged to prevent the flooding and improve reliability.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the conventional problem, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a pair of gas diffusion electrodes sandwiching a polymer electrolyte membrane, and a fuel gas and an oxidizing gas on each surface of the gas diffusion electrodes. The separator is formed with a flow channel formed from each of the inlet manifolds to the outlet manifold, and the static pressure of the outlet manifold is lower than the static pressure of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas.
[0012]
As a result, the static pressure in the outlet manifold is made lower than the static pressure in the inlet manifold of the fuel gas and oxidizing gas, thereby lowering the static pressure in the flow channel, and the generated water flows through the flow channel in a gaseous state and is discharged. You can do it. That is, when converting the energy of the electrochemical reaction that produces water from hydrogen and oxygen into electricity, the water generated on the cathode side is generated in a gaseous state at the solid polymer electrolyte membrane and moves through the diffusion layer. When the pressure exceeds the saturated vapor pressure, the excess water vapor liquefies while dissipating heat. The water in this liquid state flows into the channel groove, mixes with the gas, and discharges out of the stack. However, when the static pressure in the flow channel is reduced, water vapor having a water vapor pressure corresponding to the reduced static pressure flows through the flow channel in a gaseous state. For this reason, it is possible to reduce the amount of water in the state of the liquid in the flow channel. This makes it possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that has improved reliability by preventing flooding.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The invention according to claim 1 is characterized in that a pair of gas diffusion electrodes sandwiching the solid polymer electrolyte membrane, and a flow channel for guiding the fuel gas and the oxidizing gas from the respective inlet manifolds to the outlet manifolds on each surface of the gas diffusion electrodes. The static pressure of the outlet manifold is lower than the static pressure of the inlet manifold of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas.
[0014]
As a result, the static pressure in the outlet manifold is made lower than the static pressure in the inlet manifold of the fuel gas and oxidizing gas, thereby lowering the static pressure in the flow channel, and the generated water flows through the flow channel in a gaseous state and is discharged. You can do it. That is, when converting the energy of the electrochemical reaction that produces water from hydrogen and oxygen into electricity, the water generated on the cathode side is generated in a gaseous state at the solid polymer electrolyte membrane and moves through the diffusion layer. When the pressure exceeds the saturated vapor pressure, the excess water vapor liquefies while dissipating heat. The saturated water vapor pressure of water at the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell of 80 ° C. is 355.26 mmHg. The normal static pressure of the channel groove is 760 mmHg, which is the sum of pressurization for flowing gas. However, when the static pressure in the channel groove is reduced, the water pressure of the steam pressure corresponding to the reduced static pressure is reduced. Flows in the flow channel in a gaseous state, and the remaining water flows in the flow channel in a liquid state, mixes with the gas, and discharges out of the stack. For this reason, it is possible to reduce the amount of water in the state of the liquid in the flow channel. Furthermore, when the static pressure in the flow channel is lowered and the static pressure in the flow channel becomes equal to 355.26 mmHg, which is the saturated water vapor pressure of water, the generated water does not liquefy and all of the water is in a gaseous state. No flooding occurs in the flow channel. This makes it possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that has improved reliability by preventing flooding.
[0015]
Discharging the generated water in a gaseous state without liquefaction does not release heat during liquefaction, and the discharged water has a large enthalpy, so that the fuel cell can be cooled. A fuel cell converts energy of an electrochemical reaction for producing water from hydrogen and oxygen into an electric quantity, but the efficiency is not 100% but a part is generated as thermal energy. When the temperature of the solid polymer electrolyte membrane becomes high, the electrical conversion rate decreases and the reliability deteriorates due to the deterioration of the material. To prevent this, air or water is flown to cool the solid polymer electrolyte membrane. By lowering the static pressure of the channel groove and discharging a lot of heat in the form of water in the form of water, the cooling capacity can be reduced and the power of auxiliary equipment required for cooling can be reduced, improving the efficiency of the entire system it can. In addition, the solid polymer electrolyte membrane is not heated by the liquefaction of the generated water, the heat dissipation is smooth, there is no overheating, the durability reliability is improved and the overall electric conversion energy efficiency is improved. it can.
[0016]
According to the second aspect of the present invention, the generated polymer flows in a gaseous state by reducing the static pressure of the outlet manifold from the static pressure of the oxidizing gas inlet manifold in the polymer electrolyte fuel cell of the first aspect. It can be drained down the channel. That is, when the energy of the electrochemical reaction for generating water from hydrogen and oxygen is converted into an electric quantity, the generated water is generated on the cathode side. Since water generated by reducing the static pressure on the cathode side, that is, on the oxidizing gas side, can be released in a gaseous state, stable operation can be ensured without flooding. In addition, since the static pressure of the outlet manifold is lower than the static pressure of the oxidizing gas inlet manifold, the static pressure of the flow channel is set lower. The relative humidity rises due to more vaporization, the humidification of the solid polymer electrolyte membrane can be secured more reliably, and the proton conduction performance of the solid polymer electrolyte membrane is improved to improve efficiency, and the solid polymer electrolyte membrane is dried up. Prevents deterioration and improves durability.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in particular, the polymer electrolyte fuel cell according to any one of the first and second aspects is configured such that the blower is connected to the outlet manifold. When the separator having the flow channel formed therein is guided from the manifold to the outlet manifold, the static pressure of the outlet manifold becomes lowest due to each flow pressure loss resistance. For this reason, a large amount of water becomes vapor in the outlet manifold from the flow channel, so that flooding does not occur, the operation range is wide, and the use performance is improved.
[0018]
The invention according to claim 4 is characterized in that the inlet manifold of the polymer electrolyte fuel cell according to claims 1 to 3 or the inlet of the flow channel has a very narrow portion smaller than the cross-sectional area of the flow channel. Since the static pressure of the outlet manifold from the flow channel can be set further lower, the amount of water that becomes vapor can be freely adjusted and set, thereby preventing flooding in which the flow channel is blocked by water and maintaining normal operation. It is possible to improve the use performance.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in particular, the inlet manifold or the inlet of the flow channel forms an extremely narrow portion narrower than the cross-sectional area of the flow channel, and the extremely narrow portion is movable. It is possible to freely set the static pressure of the outlet manifold from the flow channel to increase or decrease according to the degree of flooding, so that the amount of water that becomes steam can be freely adjusted and set, so that the flow channel is blocked by water , And normal operation can be maintained, and the use performance can be improved. In addition, even when characteristics such as a change in the wettability of the diffusion layer change during operation, flooding can be prevented by moving the extremely narrow portion without disassembling the stack, and durability reliability can be improved.
[0020]
The invention according to claim 6 is particularly advantageous in that a very narrow portion B is formed in the middle of the passage groove according to claims 1 to 3 which is narrower than the cross-sectional area of the other part of the passage groove, so that a large amount of water is flooded. Since the static pressure of the downstream flow channel and the outlet manifold can be set further lower from the extremely narrow portion B, which is a region where the water is generated, the amount of water that becomes steam can be freely adjusted and set. It is possible to prevent flooding, which is blocked by water, to maintain normal operation, and to improve use performance. In addition, since the gas amount can be freely set at the flow path restricting portion, it can be optimally adjusted according to actual use conditions, and the reliability of the system is improved.
[0021]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
(Example 1)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel cell separator, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell. In FIG. 3, a polymer electrolyte fuel cell forms a power generation cell by stacking gas diffusion electrodes 12 carrying a catalyst on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 11 provided with ion conductivity on both surfaces. . Then, a plurality of the power generation cells are connected to obtain a predetermined voltage. For this reason, the power generation cells are stacked and stacked with the separator 13 interposed between the power generation cells. When the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to both sides of the separator, and the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the respective gas diffusion electrodes 12, the ionic conduction in the solid polymer electrolyte membrane 11 and the electric power of the respective gas diffusion electrodes 12 are increased. The chemical reaction proceeds, and a voltage is generated between the pair of gas diffusion electrodes 12 to supply power to an external circuit (not shown) via the pair of separators 13 on both ends having a function of a current collecting electrode. In such power generation, supplying the supplied gas to the electrode surface of the gas diffusion electrode 12 as evenly as possible increases the gas utilization rate and improves the power generation efficiency and output performance.
[0023]
In the separator 13 shown in FIG. 2, the flow channel 14 of the separator 13 has a shape corresponding to the gas diffusion electrode 12 and is made of carbon having gas impermeability and conductivity, and a surface-treated metal. The oxidizing gas flows from the oxidizing gas inlet manifold 15, and flows out of the oxidizing gas outlet manifold 16 through the gas of the flow channel groove 14. On the other hand, the fuel gas separator 13 has a similar flow structure on the back side of the separator 13, and gas flows in and out from the fuel gas inlet manifold 17 and the fuel gas outlet manifold 18. Thus, a separator 13 is formed in which a channel groove 14 for guiding the fuel gas and the oxidizing gas from the inlet side to the outlet side is formed on each surface of the pair of gas diffusion electrodes 12 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 11. ing.
[0024]
In the fuel cell shown in FIG. 1, the stacked power generation cell 19 is configured such that the gas diffusion electrodes 12 carrying the catalyst on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 11 shown in FIG. The power generation cells are stacked to form a stack, and are fastened by end plates 20 (electrodes and circuits for extracting power are not shown). The oxidizing gas is connected to the oxidizing gas inlet manifold 15 by an oxidizing gas inlet pipe 21 connected to a filter, a humidity adjusting unit, and the like, and the oxidizing gas outlet manifold 16 is connected to an oxidizing gas blower 23 by an oxidizing gas outlet pipe 22. . Further, the fuel gas is connected to the fuel gas inlet manifold 17 by a fuel gas inlet pipe 24 connected to a fuel tank, a refining device, a humidity control unit, and the like, and the fuel gas is connected to the fuel gas outlet manifold 18 by a fuel gas outlet pipe 25. Connected to blower 26.
[0025]
The operation and action of the solid polymer fuel cell configured as described above will be described below. The oxidizing gas is adjusted by a filter, a humidity adjusting unit, and the like by operating the oxidizing gas blower 23, and then is inserted from the oxidizing gas inlet pipe 21 through the oxidizing gas inlet manifold 15 of the stacked power generation cell 19, and the flow channel of the separator 13 is formed. After flowing through 14, the gas flows from the oxidizing gas outlet manifold 16 through the oxidizing gas outlet pipe 22 to the outside from the oxidizing gas blower 23. At the same time, by operating the fuel gas blower 26, the fuel gas passes through the fuel gas inlet pipe 24 from the fuel tank, the refurbishment device, the humidity adjustment unit, and the like, enters the fuel gas inlet manifold 17 of the stacked power generation cell 19, and enters the separator 13. After flowing through the flow groove 14, the fuel gas is discharged from the fuel gas outlet manifold 18 to the outside through the fuel gas outlet pipe 25 through the fuel gas blower 26. The released oxidizing gas and fuel gas may be connected to a heat exchanger, a humidifying exchanger and the like, and the heat, humidity, undecomposed gas and the like may be reused. When the fuel gas flows through the flow channel 14, the fuel gas diffuses into the gas diffusion electrode to perform an electrochemical reaction, and becomes water, and is discharged to the oxidizing gas outlet manifold 16 while sequentially reducing its mass.
[0026]
Since the oxidizing gas blower 23 and the fuel gas blower 26 are located downstream of the gas flow with respect to the separator 13, a flow pressure loss of the separator 13 occurs and the static pressure of the inlet manifolds 15, 17 causes the outlet manifolds 16, 17 to fail. The static pressure of 18 is configured to be low. Thereby, the static pressure in the outlet manifolds 16 and 18 is made lower than the static pressure in the inlet manifolds 15 and 17 for the fuel gas and the oxidizing gas to lower the static pressure in the flow channel, and the generated water flows in a gaseous state. It can be drained down the channel.
[0027]
That is, when the energy of the electrochemical reaction for generating water from hydrogen and oxygen is converted into an electric quantity, the water generated on the cathode side is generated in a gaseous state in the solid polymer electrolyte membrane 11 and moves through the diffusion layer 12. When the pressure exceeds the saturated vapor pressure, the excess water vapor liquefies while dissipating heat. The saturated water vapor pressure of water at the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell of 80 ° C. is 355.26 mmHg. The normal static pressure of the flow channel is 760 mmHg, which is the sum of pressurization for flowing gas. However, when the static pressure in the flow channel 14 is reduced, the steam pressure corresponding to the reduced static pressure is reduced. Moisture flows in the flow channel 14 in a gaseous state, and the remaining water flows in the flow channel in a liquid state, mixes with the gas, and discharges out of the stack. For this reason, the amount of water, which is the state of the liquid in the flow channel 14, can be reduced. Furthermore, when the static pressure in the flow channel 14 is lowered and the saturated pressure of the flow channel 14 becomes the same as the saturated steam pressure of water at 355.26 mmHg, the generated water does not liquefy and all of the gas is gaseous. In this state, no flooding occurs by flowing through the flow channel 14. This makes it possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that has improved reliability by preventing flooding.
[0028]
In addition, discharging the generated water in a gas state without liquefaction does not release heat during liquefaction, and the enthalpy of the discharged water is large, so that the fuel cell can be cooled. A fuel cell converts energy of an electrochemical reaction for producing water from hydrogen and oxygen into an electric quantity, but the efficiency is not 100% but a part is generated as thermal energy. When the temperature of the solid polymer electrolyte membrane 11 rises to a high temperature, the electrical conversion rate decreases and the reliability deteriorates due to the deterioration of the material. To prevent this, air or water is flown to cool the solid polymer electrolyte membrane 11. By reducing the static pressure of the flow channel 14 and discharging a large amount of heat together with water in a gaseous state, the cooling capacity can be reduced, the power of auxiliary equipment required for cooling can be reduced, and the efficiency of the entire system can be reduced. Can be improved. In addition, the solid polymer electrolyte membrane 11 is not heated by the liquefaction of the generated water, the heat is smoothly dissipated, and the solid polymer electrolyte membrane 11 is not overheated, thereby improving the durability reliability and the overall electric conversion energy efficiency. Can be.
[0029]
Since the static pressure of the oxidizing gas outlet manifold 16 is lower than the static pressure of the oxidizing gas inlet manifold 15 for the oxidizing gas, the generated water can be discharged through the flow channel 14 in a gaseous state. That is, when the energy of the electrochemical reaction for generating water from hydrogen and oxygen is converted into an electric quantity, the generated water is generated on the cathode side. Since water generated by reducing the static pressure on the cathode side, that is, on the oxidizing gas side, can be released in a gaseous state, stable operation can be ensured without flooding. In addition, since the static pressure of the oxidizing gas outlet manifold 16 is set lower than the static pressure of the oxidizing gas inlet manifold 15 for the oxidizing gas, the static pressure of the flow channel 14 is set to be lower. Even when introduced, the relative humidity increases because the water evaporates more, the humidification of the solid polymer electrolyte membrane 11 can be more reliably ensured, and the solid polymer electrolyte membrane 11 is improved in proton conduction performance to achieve higher efficiency. In addition, deterioration due to thirst of the solid polymer electrolyte membrane 11 is prevented, and durability is improved.
[0030]
Further, an oxidizing gas blower 23 or a fuel gas blower 26 serving as a power for flowing a fuel gas or an oxidizing gas of the polymer electrolyte fuel cell is connected to the outlet manifolds 16 and 18 by an oxidizing gas outlet pipe 22 or a fuel gas outlet pipe 25. With this configuration, the oxidizing gas or the fuel gas is guided from the respective inlet manifolds 15 and 17 to the outlet manifolds 16 and 18 by the power of the oxidizing gas blower 23 or the fuel gas blower 26 and flows through the separator 13 having the flow channel 14 formed therein. At this time, the static pressure of the outlet manifolds 16 and 18 becomes the lowest due to the respective flow pressure loss resistances. For this reason, a large amount of water is vaporized from the flow channel 14 to the outlet manifolds 16 and 18, so that flooding does not occur, the operation range is wide, and the use performance is improved.
[0031]
(Example 2)
FIG. 4 shows a configuration of a separator of a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that an extremely narrow portion 27 that is smaller than the cross-sectional area of the flow channel 14 is formed from the oxidizing gas inlet manifold 15 of the separator 13 to the inlet of the flow channel 14. As a result, the static pressure in the portion from the flow channel 14 to the oxidizing gas outlet manifold 16 can be set lower. For this reason, the amount of water that becomes steam can be freely adjusted and set, flooding in which the flow channel 14 is blocked by water can be prevented, normal operation can be maintained, and usage performance can be improved.
[0032]
Then, the extremely narrow portion 27 smaller than the cross-sectional area of the flow channel 14 provided at the inlet of the flow channel 14 from the oxidizing gas inlet manifold 15 is movable (not shown, but the Various configurations can be easily conceived that can be moved separately from the outer ring 13. For example, it is screwed from the outside and moves up and down while maintaining airtightness), and the static pressure of the outlet manifolds 16 and 18 from the flow channel is adjusted according to the degree of flooding. Since the setting to increase or decrease can be set freely, it is possible to freely adjust and set the amount of water that becomes steam, so that it is possible to prevent flooding in which the flow path is blocked by water and maintain normal operation and improve use performance it can. In addition, even when characteristics such as a change in wettability of the diffusion layer 12 change during operation, the extremely narrow portion 27 can be moved to prevent flooding without disassembling the stack, and durability reliability can be improved.
[0033]
Further, an extremely narrow portion B28 having a smaller cross-sectional area than other portions of the flow channel 14 is formed in the middle of the flow channel 14. Thereby, the static pressure of the flow channel 14 and the oxidizing gas outlet manifold 16 downstream of the extremely narrow portion B28, which is a region where a large amount of moisture is generated and flooding, can be set further lower. It can be freely adjusted and set, so that flooding in which the flow path is blocked by water can be prevented, normal operation can be maintained, and usage performance can be improved. In addition, since the gas amount can be freely set in the extremely narrow portion B28, it can be optimally adjusted according to actual use conditions, the reliability of the system is improved, the durability reliability is improved, and the overall electric conversion energy efficiency is improved. And the degree of freedom in designing the flow path is improved, and the processing is easy and inexpensive.
[0034]
【The invention's effect】
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, wherein a pair of gas diffusion electrodes sandwiching a polymer electrolyte membrane, and a fuel gas and an oxidizing gas are guided from each inlet manifold to an outlet manifold on each surface of the gas diffusion electrodes. It is composed of a separator having a flow channel formed therein, and the configuration is such that the static pressure of the outlet manifold is lower than the static pressure of at least one of the inlet manifolds of the fuel gas and the oxidizing gas. And can be discharged. This makes it possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that has improved reliability by preventing flooding.
[0035]
In addition, discharging the generated water in a gas state without liquefaction does not release heat during liquefaction, and the enthalpy of the discharged water is large, so that the fuel cell can be cooled. In addition, the power of auxiliary equipment required for cooling can be reduced, and the efficiency of the entire system can be improved. In addition, the solid polymer electrolyte membrane smoothly dissipates heat and is not overheated, so that it is possible to improve the durability reliability and the overall electric conversion energy efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a separator of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a separator of a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an overall configuration diagram showing a conventional polymer electrolyte fuel cell.
[Explanation of symbols]
11 Solid polymer electrolyte membrane
12 Diffusion layer
13 Separator
14 Channel groove
15 Oxidizing gas inlet manifold (inlet manifold)
16 Oxidizing gas outlet manifold (outlet manifold)
17 Fuel gas inlet manifold (inlet manifold)
18 Fuel gas outlet manifold (outlet manifold)
23 Oxidizing gas blower (blower)
26 Fuel gas blower (blower)
27 Narrow part
28 Extra narrow part B

Claims

A pair of gas diffusion electrodes sandwiching the solid polymer electrolyte membrane, and a separator formed on each surface of the gas diffusion electrodes with a flow channel that guides the fuel gas and the oxidizing gas from the respective inlet manifold to the outlet manifold, A polymer electrolyte fuel cell, wherein the static pressure of the outlet manifold is lower than the static pressure of the inlet manifold of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas.

2. The polymer electrolyte fuel cell fuel cell according to claim 1, wherein the static pressure of the outlet manifold is lower than the static pressure of the oxidizing gas inlet manifold.

3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the blower is connected to an outlet manifold.

The polymer electrolyte fuel cell fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the inlet manifold or the inlet of the flow channel has an extremely narrow portion smaller than a cross-sectional area of the flow channel.

5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the inlet manifold or the inlet of the flow channel forms an extremely narrow portion smaller than the cross-sectional area of the flow channel, and the extremely narrow portion is movable. Fuel cell.

The polymer electrolyte fuel cell fuel cell according to claim 1, wherein an extremely narrow portion is formed in the middle of the flow path groove, the cross section being narrower than a cross-sectional area of another part of the flow path groove.