JP2005222906A - Fuel cell system - Google Patents

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Koji Morita
幸治 盛田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To uniformalize the steam pressure in air electrode separators in fuel cells of a fuel cell system. <P>SOLUTION: On the air electrode separators 8, 14 of an adjacent pair of the fuel cells 2A, 2B in the stacking direction, air electrode gas flow grooves 8A, 14A to supply an air electrode gas are formed. In the air electrode gas flow grooves 8A, 14A, a plurality of steam passing holes 8C, 14C are formed. The air electrode separators 8, 14 are disposed such that they interpose a steam permeable membrane 15 to selectively permeate steam so as to mutually give and take steam. The air electrode gas flow directions in the air electrode gas flow grooves 8A, 14A interposing the steam permeable membrane 15 are set to be opposite to each other. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池に関し、さらに詳しくは、高分子固体電解質膜を燃料極セパレータと空気極セパレータで挟んだ構造の燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell having a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode separator and an air electrode separator.

一般に、高分子固体電解質膜を用いた燃料電池では、高分子固体電解質膜のプロトン伝導度を良い状態に保つために、湿度の高いガスを利用する必要がある。燃料電池内では、高分子固体電解質膜におけるガスの流れ方向に向かって、生成物である水の発生と反応物であるガスの消失が起こり、ガス出口の水蒸気の飽和比はガス入口の水蒸気の飽和比よりも高くなる。すなわち、ガス入口付近の飽和比を適切になるようにガス湿度を外部加湿器にて調湿すれば、ガス出口付近の飽和比が高くなり、反応ガスの分圧を低下させ燃料電池の発電性能の低下を招く。   In general, in a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane, it is necessary to use a gas with high humidity in order to keep the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane in a good state. In the fuel cell, generation of water as a product and disappearance of gas as a reaction occur in the direction of gas flow in the polymer solid electrolyte membrane, and the saturation ratio of water vapor at the gas outlet It becomes higher than the saturation ratio. In other words, if the humidity of the gas is adjusted with an external humidifier so that the saturation ratio near the gas inlet is appropriate, the saturation ratio near the gas outlet will increase, reducing the partial pressure of the reaction gas and reducing the power generation performance of the fuel cell. Cause a decline.

一方、ガス出口付近の飽和比を適切になるようにガス湿度を外部加湿器にて調湿すれば、ガス入口付近の飽和比が低くなり高分子固体電解質膜のプロトン伝導度が低下し燃料電池の発電性能の低下を招く。このように、燃料電池の湿度は、ガス出口付近では水蒸気が過剰気味になるのに対して、ガス入口付近では水蒸気が不足気味になる。このような状態を緩和するために、ガスの流れの上流下流を隣接させて水蒸気の移動を促し、ガスの流れ方向の湿度分布の均一化を図るものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。また、電気伝導性を有するセパレータプレートに水蒸気透過膜の機能を併せ持たせ、空気極ガスから燃料極ガスの間で過剰な水蒸気を移動させるものがある(例えば、特許文献2参照)。
特開2001−126746号公報(第4頁、図1) 特許第3331117号公報(第1頁、図2)
On the other hand, if the humidity of the gas is adjusted with an external humidifier so that the saturation ratio near the gas outlet is appropriate, the saturation ratio near the gas inlet is lowered and the proton conductivity of the polymer solid electrolyte membrane is lowered, so that Of power generation performance. As described above, the humidity of the fuel cell is such that the water vapor is excessive in the vicinity of the gas outlet, whereas the water vapor is insufficient in the vicinity of the gas inlet. In order to alleviate such a state, it is known to make the humidity distribution in the gas flow direction uniform by making the upstream and downstream of the gas flow adjacent to promote the movement of water vapor (for example, Patent Document 1). reference.). In addition, there is a separator plate having electric conductivity that also has a function of a water vapor permeable membrane, and moves excess water vapor from the air electrode gas to the fuel electrode gas (see, for example, Patent Document 2).
JP 2001-126746 A (page 4, FIG. 1) Japanese Patent No. 3331117 (first page, FIG. 2)

一般に、ガスの流れの上流下流には圧力損失による静圧差が存在する。また、セパレータプレートと接する触媒層はガス拡散性を有さなければならないため、触媒層自体の空孔率が高い構成となっているか、空孔率が高くかつ導電性を有するカーボン等の多孔質体を触媒層とセパレータプレートで挟み込む構成になっている。上記特許文献1のように、空孔率が高い構成体を境界としてガスの流れの上流下流を隣接させる構成では、静圧差に応じた反応ガスの移動が生じてしまうという問題点がある。   Generally, a static pressure difference due to pressure loss exists upstream and downstream of the gas flow. In addition, since the catalyst layer in contact with the separator plate must have gas diffusivity, the catalyst layer itself has a high porosity, or a porous material such as carbon having high porosity and conductivity. The body is sandwiched between the catalyst layer and the separator plate. In the configuration in which the upstream and downstream of the gas flow are adjacent to each other with the structure having a high porosity as the boundary as in Patent Document 1, there is a problem in that the reaction gas moves according to the static pressure difference.

また、上記特許文献2のように、空気極ガスと燃料極ガスの間で水蒸気交換を行う構成では、ガス流量が相対的に小さい燃料極では少量の水が移動しただけで、燃料極の水蒸気の飽和比が上昇してしまうとう問題点がある。このため、水蒸気移動の駆動力となる水蒸気圧差が逓減してしまい、空気極の水蒸気が過剰な状態を緩和できないことがある。   In the configuration in which water vapor is exchanged between the air electrode gas and the fuel electrode gas as in Patent Document 2, only a small amount of water moves at the fuel electrode having a relatively small gas flow rate. However, there is a problem that the saturation ratio increases. For this reason, the water vapor pressure difference, which is the driving force for the water vapor movement, gradually decreases, and the excessive water vapor in the air electrode may not be alleviated.

本発明は、燃料電池セルにおける水蒸気圧の均一化を図ることを課題としている。   An object of the present invention is to make the water vapor pressure uniform in a fuel battery cell.

本発明は、積層方向に互いに隣接する燃料電池セルの空気極セパレータ同士が、水蒸気を選択的に透過させる水蒸気透過膜を挟むようにしたことを特徴としている。   The present invention is characterized in that air electrode separators of fuel cells adjacent to each other in the stacking direction sandwich a water vapor permeable membrane that selectively transmits water vapor.

本発明によれば、水蒸気透過膜を挟む空気極セパレータ同士が、水蒸気透過膜を介して水蒸気の交換を行って水蒸気圧の均一化を図れる。このため、燃料電池の発電性能を向上することができる。   According to the present invention, the air electrode separators sandwiching the water vapor permeable membrane can exchange water vapor through the water vapor permeable membrane to make the water vapor pressure uniform. For this reason, the power generation performance of the fuel cell can be improved.

次に、図面を参照して、本発明の燃料電池を例示し説明する。但し、図面は模式的なものであり、各材料層の厚みや膜厚比率等は現実のものをは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   Next, the fuel cell of the present invention will be illustrated and described with reference to the drawings. However, it should be noted that the drawings are schematic and the thicknesses and thickness ratios of the material layers are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池1の概略を示す断面説明図であり、一対の燃料電池セル2A、2Bを積層した例を示すものである。なお、図1は、各層がシール材30の介在により離間している状態を示すが、最終的にはこのシール材30は圧迫されて各層同士は接合するようになっている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view schematically showing a fuel cell 1 according to a first embodiment of the present invention, and shows an example in which a pair of fuel cells 2A and 2B are stacked. FIG. 1 shows a state in which the layers are separated by the interposition of the sealing material 30, but the sealing material 30 is finally compressed so that the layers are joined to each other.

先ず、図1の下部に配置された燃料電池セル2Aの構成について説明する。燃料電池セル2Aは、高分子固体電解質膜3の両主面に、触媒層を含むガス拡散層4、5が形成されてなるMEA(membrane electrode assembly)6と、MEA6の一方(図1中下側)の主面に沿って配置された燃料極セパレータ(アノードプレート)7と、MEA6の他方(図1中上側)の主面に沿って配置された空気極セパレータ(カソードプレート)8と、から構成されている。   First, the configuration of the fuel battery cell 2A disposed in the lower part of FIG. 1 will be described. The fuel cell 2A includes an MEA (membrane electrode assembly) 6 in which gas diffusion layers 4 and 5 including catalyst layers are formed on both main surfaces of the polymer solid electrolyte membrane 3, and one of the MEA 6 (lower in FIG. 1). A fuel electrode separator (anode plate) 7 disposed along the main surface of the MEA 6 and an air electrode separator (cathode plate) 8 disposed along the other main surface of the MEA 6 (upper side in FIG. 1). It is configured.

また、図1の上部に配置された燃料電池セル2Bは、高分子固体電解質膜9の両主面に、触媒層を含むガス拡散層10、11が形成されてなるMEA12と、このMEA12の一方(図1中上側)の主面に沿って配置された燃料極セパレータ13と、MEA12の他方(図1中下側)の主面に沿って配置された空気極セパレータ14と、から構成されている。   1 includes an MEA 12 in which gas diffusion layers 10 and 11 including a catalyst layer are formed on both main surfaces of the polymer solid electrolyte membrane 9, and one of the MEA 12 The fuel electrode separator 13 is disposed along the main surface (upper side in FIG. 1), and the air electrode separator 14 is disposed along the other main surface (lower side in FIG. 1) of the MEA 12. Yes.

そして、これら一対の燃料電池セル2A、2Bは、互いの空気極セパレータ8、14が対向するように配置され、これら空気極セパレータ8、14の間に、水蒸気透過性及び電気絶縁性を有する樹脂でなる水蒸気透過膜15が介在されている。なお、これら空気極セパレータ8、14により流通される空気極ガスは、後述するように互いに逆方向に流れるように設定されている。   The pair of fuel cells 2A and 2B are arranged such that the air electrode separators 8 and 14 face each other, and a resin having water vapor permeability and electrical insulation between the air electrode separators 8 and 14. A water vapor permeable membrane 15 is interposed. The air electrode gas circulated by the air electrode separators 8 and 14 is set to flow in opposite directions as will be described later.

ここで、水蒸気透過膜15とこれを挟む空気極セパレータ8、14について図2(a)〜(c)を用いて説明する。なお、図2(a)〜(c)は、それぞれ空気極セパレータ14、水蒸気透過膜15、空気極セパレータ8を上面側から見た平面図である。   Here, the water vapor permeable membrane 15 and the air electrode separators 8 and 14 sandwiching the water vapor permeable membrane 15 will be described with reference to FIGS. 2A to 2C are plan views of the air electrode separator 14, the water vapor permeable membrane 15, and the air electrode separator 8 as viewed from the upper surface side, respectively.

これら水蒸気透過膜15、空気極セパレータ8、14には、対応する位置に、後述する各種のマニホルド形成されている。なお、図2(a)〜(c)は、燃料極ガスである水素(H)の燃料極ガス入口マニホルド22と、空気極ガス出口マニホルド25と、空気極ガス入口マニホルド26と、冷却水の入口マニホルド28とが形成された部分を示している。 Each of the water vapor permeable membrane 15 and the air electrode separators 8 and 14 is formed with various manifolds described later at corresponding positions. 2A to 2C show a fuel electrode gas inlet manifold 22 of hydrogen (H 2 ) that is a fuel electrode gas, an air electrode gas outlet manifold 25, an air electrode gas inlet manifold 26, and cooling water. The inlet manifold 28 is formed.

図2(c)に示すように、空気極セパレータ8における水蒸気透過膜15に対向する面(上面)と反対側の面(下面)には、複数列の平行な空気極ガス流通溝8Aと、これら空気極ガス流通溝8Aが合流して空気極ガス出口マニホルド25に空気極ガスを案内する合流溝8Bとが形成されている。そして、これら空気極ガス流通溝8Aには、空気極セパレータ8の厚み方向に貫通する複数の水蒸気通過孔8Cが溝に沿って所定間隔で形成されている。   As shown in FIG. 2 (c), on the surface (lower surface) opposite to the surface (upper surface) facing the water vapor permeable membrane 15 in the air electrode separator 8, a plurality of parallel air electrode gas flow grooves 8A, The air electrode gas flow grooves 8A merge to form a merge groove 8B that guides the air electrode gas to the air electrode gas outlet manifold 25. In the air electrode gas flow grooves 8A, a plurality of water vapor passage holes 8C penetrating in the thickness direction of the air electrode separator 8 are formed at predetermined intervals along the grooves.

また、図2(a)に示すように、空気極セパレータ14における水蒸気透過膜15に対向する面(下面)と反対側の面(上面)には、上記空気極セパレータ8と同様に、複数列の平行な空気極ガス流通溝14Aと、空気極ガス入口マニホルド26から空気極ガスをこれら空気極ガス流通溝14Aへ流通させて分散させる分散溝14Bとが形成されている。そして、空気極ガス流通溝14Aには、空気極セパレータ14の厚み方向に貫通する複数の水蒸気通過孔14Cが溝に沿って所定間隔で形成されている。   Further, as shown in FIG. 2A, on the surface (upper surface) opposite to the surface (lower surface) facing the water vapor permeable membrane 15 in the air electrode separator 14, a plurality of rows are formed in the same manner as the air electrode separator 8. The parallel air electrode gas flow grooves 14A and the dispersion grooves 14B for distributing the air electrode gas from the air electrode gas inlet manifold 26 to the air electrode gas flow grooves 14A and dispersing them are formed. In the air electrode gas circulation groove 14A, a plurality of water vapor passage holes 14C penetrating in the thickness direction of the air electrode separator 14 are formed at predetermined intervals along the groove.

水蒸気透過膜15およびそれを挟む空気極セパレータ8、14は、図3に示すような配置でそれぞれ形成された、燃料極ガス入口マニホルド22、燃料極ガス出口マニホルド23、空気極ガス入口マニホルド24、空気極ガス出口マニホルド25、空気極ガス入口マニホルド26、空気極ガス出口マニホルド27、冷却水の入口マニホルド28、冷却水の出口マニホルド29が合致するように積層されている。   The water vapor permeable membrane 15 and the air electrode separators 8 and 14 sandwiching the water vapor permeable membrane 15 are respectively formed in an arrangement as shown in FIG. 3, the fuel electrode gas inlet manifold 22, the fuel electrode gas outlet manifold 23, the air electrode gas inlet manifold 24, The air electrode gas outlet manifold 25, the air electrode gas inlet manifold 26, the air electrode gas outlet manifold 27, the cooling water inlet manifold 28, and the cooling water outlet manifold 29 are stacked so as to match.

そして、燃料電池セル2Aの燃料極セパレータ7の下には、順次、電気導電性を有する集電プレート16、絶縁プレート17、エンドプレート18が積層されている。また、燃料電池セル2Bの上には、順次、電気導電性を有する集電プレート19、絶縁プレート20、エンドプレート21が積層されている。このような積層体は、図1に示すように、気密性を要求される場所にシール材30を介在させて、図3に示すように、例えば4本のタイロッド31で各層同士が圧接するように固定されている。なお、図3はエンドプレート18を下面から見た状態を示す図である。   Then, under the fuel electrode separator 7 of the fuel cell 2A, a current collecting plate 16, an insulating plate 17, and an end plate 18 having electrical conductivity are sequentially stacked. In addition, a current collecting plate 19, an insulating plate 20, and an end plate 21 having electrical conductivity are sequentially stacked on the fuel battery cell 2B. As shown in FIG. 1, such a laminate has a sealing material 30 interposed in a place where airtightness is required, and, as shown in FIG. 3, for example, each layer is press-contacted by four tie rods 31. It is fixed to. FIG. 3 is a view showing a state in which the end plate 18 is viewed from the lower surface.

なお、エンドプレート18、絶縁プレート17、集電プレート16にも、燃料極ガス入口マニホルド22、燃料極ガス出口マニホルド23、空気極ガス入口マニホルド24、空気極ガス出口マニホルド25、空気極ガス入口マニホルド26、空気極ガス出口マニホルド27、冷却水の入口マニホルド28、冷却水の出口マニホルド29が形成されている。   The end plate 18, the insulating plate 17, and the current collecting plate 16 are also provided with a fuel electrode gas inlet manifold 22, a fuel electrode gas outlet manifold 23, an air electrode gas inlet manifold 24, an air electrode gas outlet manifold 25, and an air electrode gas inlet manifold. 26, an air electrode gas outlet manifold 27, a cooling water inlet manifold 28, and a cooling water outlet manifold 29 are formed.

また、図1に示すように空気極セパレータ8、14は、一端部が側方へ延在されて集電端子8D、14Dが形成されている。また、集電プレート16、19も一端部が延在されて集電端子16A、19Aが形成されている。   Moreover, as shown in FIG. 1, the air electrode separators 8 and 14 have one end portions extending laterally to form current collecting terminals 8D and 14D. In addition, current collecting plates 16 and 19 are also extended at one end to form current collecting terminals 16A and 19A.

図3に示すように、矢印Aが空気極セパレータ14の空気極ガス流通溝14Aのガス流方向を示し、矢印Bが空気極セパレータ8の空気極ガス流通溝8Aのガス流方向を示している。このように空気極セパレータ8と空気極セパレータ14とでは、水蒸気透過膜15を介して逆方向にガスが流れている。   As shown in FIG. 3, the arrow A indicates the gas flow direction in the air electrode gas flow groove 14 </ b> A of the air electrode separator 14, and the arrow B indicates the gas flow direction in the air electrode gas flow groove 8 </ b> A of the air electrode separator 8. . As described above, in the air electrode separator 8 and the air electrode separator 14, gas flows in the reverse direction through the water vapor permeable membrane 15.

図4は、図3で示した矢印Aの沿った方向の位置を横軸として、縦軸に各位置毎の、すなわち空気極ガス入口マニホルド25および空気極ガス出口マニホルド25側から空気極ガス出口マニホルド27および空気極ガス入口マニホルド24に亘る各位置毎の、空気極ガス流通溝8A、14Aの水蒸気分圧を示したものである。   4 shows the position of the direction along the arrow A shown in FIG. 3 as the horizontal axis and the vertical axis for each position, that is, from the air electrode gas inlet manifold 25 and the air electrode gas outlet manifold 25 side to the air electrode gas outlet. The water vapor partial pressure of the air electrode gas flow grooves 8A and 14A for each position over the manifold 27 and the air electrode gas inlet manifold 24 is shown.

図4中、破線は、水蒸気の移動が無かった場合、すなわち水蒸気透過膜15を介さずに空気極セパレータ8、14同士の空気極ガス流通溝8A、14Aが独立している場合のプロファイルである。この場合は、それぞれ、空気極ガス入口マニホルド26、24から空気極ガス出口マニホルド25、27に向かって、水蒸気分圧が単調に増加するため、空気極ガス入口マニホルド26、24付近の水蒸気圧を確保しようとすると、空気極ガス出口マニホルド25、27付近では水蒸気圧が過剰となり、凝縮水が流路を閉塞させる問題や、ガス拡散を阻害する問題がある。   In FIG. 4, the broken line is a profile when there is no movement of water vapor, that is, when the air electrode gas flow grooves 8 </ b> A and 14 </ b> A between the air electrode separators 8 and 14 are independent without using the water vapor permeable membrane 15. . In this case, since the water vapor partial pressure monotonously increases from the air electrode gas inlet manifolds 26 and 24 toward the air electrode gas outlet manifolds 25 and 27, respectively, the water vapor pressure near the air electrode gas inlet manifolds 26 and 24 is increased. If it is going to be secured, the water vapor pressure becomes excessive in the vicinity of the air electrode gas outlet manifolds 25, 27, and there is a problem that the condensed water closes the flow path and a problem that hinders gas diffusion.

一方、空気極ガス出口マニホルド25、27付近の水蒸気圧を凝縮が起きない程度に抑えると、空気極ガス入口マニホルド26、24付近の水蒸気圧が低下して、高分子固体電解質膜3、9から水分の蒸発を促進してしまう問題がある。   On the other hand, if the water vapor pressure in the vicinity of the air electrode gas outlet manifolds 25 and 27 is suppressed to such a level that condensation does not occur, the water vapor pressure in the vicinity of the air electrode gas inlet manifolds 26 and 24 decreases, and the polymer solid electrolyte membranes 3 and 9 There is a problem of promoting the evaporation of moisture.

図4に示す実線は、水蒸気透過膜15を介して、実際に水蒸気の移動が起きた場合のプロファイルである。図4中破線で示された2本の水蒸気プロファイルの差圧が水蒸気移動の推進力となるため、空気極ガス入口マニホルド26、24付近および空気極ガス出口マニホルド25、27付近以外は、概ね平坦なプロファイルとなっている。   A solid line shown in FIG. 4 is a profile when water vapor actually moves through the water vapor permeable membrane 15. Since the differential pressure between the two water vapor profiles indicated by the broken line in FIG. 4 is the driving force for the movement of the water vapor, it is generally flat except for the vicinity of the air electrode gas inlet manifolds 26 and 24 and the vicinity of the air electrode gas outlet manifolds 25 and 27. Profile.

上述のように、本実施の形態によれば、互いに逆方向に空気極ガスが流れる空気極セパレータ8、14の空気極ガス流通溝8A、14Aに形成した複数の水蒸気通過孔8C、14Cから水蒸気透過膜15を介して水蒸気の授受が行われるため、両方の空気極セパレータ8、14水蒸気の交換量を略同等にすることができ、水蒸気以外の反応ガスの透過量を低減しながら、空気極ガスの水蒸気圧の均一化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, water vapor flows from the plurality of water vapor passage holes 8C and 14C formed in the air electrode gas flow grooves 8A and 14A of the air electrode separators 8 and 14 in which the air electrode gas flows in opposite directions. Since the water vapor is exchanged through the permeable membrane 15, both the air electrode separators 8, 14 can exchange substantially the same amount of water vapor, while reducing the permeation amount of the reaction gas other than water vapor, It is possible to make the water vapor pressure of the gas uniform.

また、図5は本実施の形態に係る燃料電池1の等価回路を示したものである。本実施の形態では、水蒸気透過膜15が電気伝導性を有していないため、2つの独立した燃料電池セル2A、2Bが形成されている。集電プレート16、19と、集電端子8D、14Dとを適宜接続することにより、直列接続や並列接続が可能となる。   FIG. 5 shows an equivalent circuit of the fuel cell 1 according to the present embodiment. In the present embodiment, since the water vapor permeable membrane 15 does not have electrical conductivity, two independent fuel cells 2A and 2B are formed. By appropriately connecting the current collecting plates 16 and 19 and the current collecting terminals 8D and 14D, series connection or parallel connection becomes possible.

[第2の実施の形態]
図6は、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池を示している。なお、本実施の形態に係る燃料電池において、上述した第1の実施の形態に係る燃料電池1と同一の部分には、同一の符号を付して説明する。
[Second Embodiment]
FIG. 6 shows a fuel cell according to the second embodiment of the present invention. In the fuel cell according to the present embodiment, the same portions as those of the fuel cell 1 according to the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals.

この燃料電池100は、例えば8つの燃料電池セル101〜108が積層されて構成されている。なお、本実施の形態では、互いに隣接する一対の燃料電池セル102、103が水蒸気透過膜15を挟んだ構成であり、上述の第1の実施の形態に係る燃料電池1の2つの燃料電池セル2A、2Bに相当する。同様に、互いに隣接する燃料電池セル104、105の対、互いに隣接する燃料電池セル106、107の対も、ともに水蒸気透過膜15が介在されており、上述の第1の実施の形態に係る燃料電池1の燃料電池セル2A、2Bと同様の構成である。なお、本実施の形態においても、水蒸気透過膜15は電気絶縁性を有している。   The fuel cell 100 is configured by stacking, for example, eight fuel cells 101 to 108. In the present embodiment, a pair of adjacent fuel cells 102 and 103 sandwich the water vapor permeable membrane 15, and the two fuel cells of the fuel cell 1 according to the first embodiment described above. It corresponds to 2A and 2B. Similarly, the pair of fuel cells 104 and 105 adjacent to each other and the pair of fuel cells 106 and 107 adjacent to each other also have a water vapor permeable membrane 15 interposed therebetween, and the fuel according to the first embodiment described above. The configuration is the same as that of the fuel battery cells 2A and 2B of the battery 1. Also in this embodiment, the water vapor permeable membrane 15 has electrical insulation.

本実施の形態では、図6において最下位置の対の下側の燃料電池セル102の下に、燃料電池セル101が積層されている。また、最上位置の燃料電池セル107の上に、燃料電池セル108が積層されている。   In the present embodiment, the fuel battery cell 101 is stacked under the lower fuel battery cell 102 in the lowest position in FIG. A fuel cell 108 is stacked on the uppermost fuel cell 107.

そして、水蒸気透過膜15を挟む空気極セパレータ8、14のうちの一方の空気極セパレータ(本実施の形態では空気極セパレータ14)の両端部が側方へ延在されて、集電端子14D、14Eとなっている。このように側方に延在された各端子には、貫通した孔(図示省略する)が形成されている。   Then, both ends of one of the air electrode separators 8 and 14 sandwiching the water vapor permeable membrane 15 (the air electrode separator 14 in the present embodiment) are extended laterally, and the current collecting terminals 14D, 14E. Each terminal extended in this way is formed with a through hole (not shown).

なお、本実施の形態に係る燃料電池100においても、水蒸気透過膜15を介して配置された空気極セパレータ8、14におけるガス流方向は互いに逆になるように設定されている。   In the fuel cell 100 according to the present embodiment, the gas flow directions in the air electrode separators 8 and 14 disposed via the water vapor permeable membrane 15 are set to be opposite to each other.

このような構成としたことにより、図7に示すように、図6に示す構成に加えて電気伝導性を有する第1弾性体としてのカラー32、第2弾性体としてのカラー33と、非電気伝導性の弾性体できたカラー34を挟み込んで回路を構成することが可能となる。そして、これらカラー32、33、34とこれらカラーが挟み込まれるセパレータプレートを貫通する絶縁処理されたボルト35、36で締結することにより、図8に示すような等価回路で表される燃料電池100が構成されている。このように、空気極セパレータなどに電流取り出し部を設けて、これにより直列接続の最低電圧プレートと最高電圧プレートとすることが可能となる。   With such a configuration, as shown in FIG. 7, in addition to the configuration shown in FIG. 6, the collar 32 as the first elastic body, the collar 33 as the second elastic body, and the non-electric A circuit can be formed by sandwiching a collar 34 made of a conductive elastic body. Then, by fastening these collars 32, 33, and 34 with insulated bolts 35 and 36 that pass through the separator plate in which these collars are sandwiched, the fuel cell 100 represented by an equivalent circuit as shown in FIG. 8 is obtained. It is configured. In this manner, a current extraction portion is provided in the air electrode separator or the like, and thereby, the lowest voltage plate and the highest voltage plate connected in series can be obtained.

上述の第2の実施の形態では、水蒸気透過膜15を介して対向配置された燃料電池セルの対でなる単位が、複数積層して構成されている。このため、繰り返し単位内で略同電位となる空気極セパレータ同士が電気伝導性を有するカラー33で接続され、空気極セパレータと、隣接する単位内の燃料極セパレータとを電気伝導性を有するカラー34で接続したことにより、従来と同様の直列接続による高電圧化が可能となる。   In the above-described second embodiment, a plurality of units each composed of a pair of fuel cells arranged opposite to each other with the water vapor permeable membrane 15 interposed therebetween are configured. For this reason, the air electrode separators having substantially the same potential in the repeating unit are connected by the collar 33 having electric conductivity, and the air electrode separator and the fuel electrode separator in the adjacent unit have the electric conductivity collar 34. As a result of the connection, the voltage can be increased by the serial connection as in the conventional case.

また、上述の第2の実施の形態では、カラー32、33、34が弾性体で形成されているため、各層を積層してボルト35、36で締結する際に、プレート側の損傷を防止しつつ、電気的導通や電気的絶縁を確実に図ることができる。   In the second embodiment described above, the collars 32, 33, and 34 are formed of an elastic body. Therefore, when the layers are stacked and fastened with the bolts 35 and 36, damage on the plate side is prevented. However, electrical conduction and electrical insulation can be reliably achieved.

本発明に係る燃料電池は、車両用の燃料電池の他に家庭用並びに形態用の燃料電池用途にも適用できる。   The fuel cell according to the present invention can be applied not only to a vehicle fuel cell but also to household and configuration fuel cell applications.

本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池を示す側面説明図である。It is side explanatory drawing which shows the fuel cell which concerns on the 1st Embodiment of this invention. (a)は本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池を構成する水蒸気透過膜を挟む一方の空気極セパレータの平面図、(b)は水蒸気透過膜の平面図、(c)は水蒸気透過膜を挟む他方の空気極セパレータの平面図である。(A) is a plan view of one air electrode separator sandwiching the water vapor permeable membrane constituting the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, (b) is a plan view of the water vapor permeable membrane, and (c) is water vapor. It is a top view of the other air electrode separator which pinches | interposes a permeable membrane. 本発明に係る第1の実施の形態に係る燃料電池をエンドプレート側から見た状態を示す底面図である。It is a bottom view which shows the state which looked at the fuel cell which concerns on 1st Embodiment which concerns on this invention from the end plate side. 第1の実施の形態に係る燃料電池の空気極セパレータの水蒸気分圧とガス流方向位置との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the water vapor partial pressure and the gas flow direction position of the air electrode separator of the fuel cell which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る燃料電池の等価回路図である。1 is an equivalent circuit diagram of a fuel cell according to a first embodiment. 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池の側面説明図である。It is side surface explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池の接続例を示す側面説明図である。It is side explanatory drawing which shows the example of a connection of the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池の等価回路図である。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
2A、2B 燃料電池セル
3、9 高分子固体電解質膜
8、14 空気極セパレータ
8A、14A 空気極ガス流通溝
8C、14C 水蒸気通過孔
8D、14D 集電端子
15 水蒸気透過膜
16 集電プレート
18、21 エンドプレート
24、26 空気極ガス入口マニホルド
25、27 空気極ガス出口マニホルド
33 カラー(第1弾性体)
34 カラー(第2弾性体)
100 燃料電池
101〜108 燃料電池セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2A, 2B Fuel cell 3, 9 Polymer solid electrolyte membrane 8, 14 Air electrode separator 8A, 14A Air electrode gas distribution groove 8C, 14C Water vapor passage hole 8D, 14D Current collecting terminal 15 Water vapor permeable membrane 16 Current collection Plate 18, 21 End plate 24, 26 Air electrode gas inlet manifold 25, 27 Air electrode gas outlet manifold 33 Collar (first elastic body)
34 color (second elastic body)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fuel cell 101-108 Fuel cell

Claims (5)

燃料極ガスを供給するための溝が形成された燃料極セパレータと、空気極ガスを供給するための溝が形成された空気極セパレータとが、高分子固体電解質を挟むように配設された燃料電池セルの複数が積層されてなる燃料電池であって、
積層方向に互いに隣接する一対の前記燃料電池セルを、前記空気極セパレータ同士が水蒸気の授受が可能となるように、水蒸気を選択的に透過させる水蒸気透過膜を挟むように配置させたことを特徴とする燃料電池。
A fuel in which a fuel electrode separator having a groove for supplying a fuel electrode gas and an air electrode separator having a groove for supplying an air electrode gas are disposed so as to sandwich the polymer solid electrolyte. A fuel cell in which a plurality of battery cells are stacked,
A pair of the fuel cells adjacent to each other in the stacking direction are arranged so as to sandwich a water vapor permeable membrane that selectively allows water vapor to pass between the air electrode separators. A fuel cell.
前記水蒸気透過膜を挟む空気極セパレータ同士は、空気極ガスの流れ方向が互いに逆になるように設定されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the air electrode separators sandwiching the water vapor permeable membrane are set so that the flow directions of the air electrode gas are opposite to each other. 前記空気極セパレータに、厚さ方向に貫通した開口を前記溝内に形成したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された燃料電池。   The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein an opening penetrating in the thickness direction is formed in the groove in the air electrode separator. 前記水蒸気透過膜は、電気絶縁性を有する樹脂でなることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載された燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the water vapor permeable membrane is made of an electrically insulating resin. 前記空気極セパレータは導電性を有する材料で形成され、
前記水蒸気透過膜を挟む前記燃料電池セルの対を複数対備え、各対をなす前記燃料電池セルの前記空気極セパレータ同士の間に、電気伝導性を有する第1弾性体を挟み込み、
互いに隣接する対の空気極セパレータと燃料極セパレータとの間に、電気伝導性を有する第2弾性体を挟み込んだことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載された燃料電池。
The air electrode separator is formed of a conductive material,
A plurality of pairs of fuel cells sandwiching the water vapor permeable membrane are provided, and a first elastic body having electrical conductivity is sandwiched between the air electrode separators of the fuel cells forming each pair,
5. The second elastic body having electrical conductivity is sandwiched between a pair of air electrode separators and fuel electrode separators adjacent to each other, according to claim 1. Fuel cell.
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