JP2006179233A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems of gas shortage and distribution flow failures, caused due to freezing of formed water and condensed water in a region except an electrode part of a membrane electrode assembly having an electrode catalyst, when a fuel cell starts below freezing point. <P>SOLUTION: In the fuel cell, in which a separator 11 provided with a fluid passage 16 for circulating hydrogen gas or air, is laminated on the membrane electrode assembly 21, and by installing a combustion catalyst 18 in a non-electrode region of the downstream of the fluid passage, and by reaction heat in the combustion catalyst, the downstream region of the passage is heated which is apt to cause the freezing, when starting below the freezing point. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池に関し、特にその低温起動性を向上させるためのセル構造の改良に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to improvement of a cell structure for improving its low-temperature startability.

従来の燃料電池として、特許文献1または特許文献2に示されるようなものがある。前者には、触媒のCO被毒を防止するために、燃料ガス供給ラインからアノード電極に至るまでの随所にCO酸化用触媒を設けた構成、またはカソード側にも同様の位置に有害物質除去用の触媒を設けた構成が開示されている。後者には、酸化剤ガス流路出口を加熱して、所定温度以上となったら発電を開始するものが開示されている。
特開平9-27326号公報 特開2003-303607号公報
As a conventional fuel cell, there is one as shown in Patent Document 1 or Patent Document 2. In the former, in order to prevent CO poisoning of the catalyst, CO oxidation catalyst is provided everywhere from the fuel gas supply line to the anode electrode, or for removing harmful substances at the same position on the cathode side. A configuration in which the catalyst is provided is disclosed. The latter discloses that the power generation is started when the outlet of the oxidant gas passage is heated to a predetermined temperature or higher.
JP-A-9-27326 JP 2003-303607 A

こうした従来の燃料電池では、氷点下起動時において電極触媒を有する膜電極複合体の電極部以外の領域において、生成水や凝縮水が凍結してガス欠や配流不良が発生するという問題があった。   In such a conventional fuel cell, there is a problem that the generated water or condensed water freezes in a region other than the electrode portion of the membrane electrode assembly having the electrode catalyst at the time of starting below freezing point, causing gas shortage and poor distribution.

本発明は、膜電極複合体の非電極領域の昇温を促すことにより氷点下起動時の水分の凍結を回避して燃料電池の起動性を改善することを目的としている。   An object of the present invention is to improve the startability of a fuel cell by accelerating the temperature rise in the non-electrode region of the membrane electrode assembly to avoid freezing of water at the time of starting below freezing.

本発明では、電解質膜上に電気化学的反応触媒を有する燃料極または酸化剤極からなる電極を形成した膜電極複合体と、燃料または酸化剤を流通させる流体通路を前記膜電極複合体との間に形成するセパレータとを積層してなる燃料電池を構成する。   In the present invention, a membrane electrode assembly in which an electrode composed of a fuel electrode or an oxidant electrode having an electrochemical reaction catalyst on an electrolyte membrane is formed, and a fluid passage for allowing the fuel or oxidant to flow is provided between the membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly. A fuel cell is formed by laminating a separator formed therebetween.

また、前記流体通路の途中に燃焼触媒を設け、低温起動時に前記燃焼触媒での反応熱により燃料電池の昇温を促すことを可能にする。   Further, a combustion catalyst is provided in the middle of the fluid passage, and it is possible to promote the temperature rise of the fuel cell by the reaction heat at the combustion catalyst when starting at a low temperature.

燃焼触媒を設けた燃料または酸化剤ガスの流体通路部分に、例えば燃料と酸化剤の混合流体を供給することで、燃焼触媒上で燃料と酸化剤とが直接反応して発熱する。通常は、電極触媒が存在する領域のみで発熱反応が生じるが、前記の通り流体通路の途中に設けた燃焼触媒部分でも発熱が生じるため、氷点下起動時に、局所的な氷点下温度部位である非電極領域における生成水や凝縮水の凍結を抑制することができる。従って、氷点下起動時に、凍結による燃料や酸化剤ガスの欠乏および配流不良を抑制して燃料電池の低温起動性を改善することができる。   By supplying, for example, a mixed fluid of fuel and oxidant to the fluid passage portion of the fuel or oxidant gas provided with the combustion catalyst, the fuel and oxidant react directly on the combustion catalyst to generate heat. Normally, an exothermic reaction occurs only in the region where the electrode catalyst is present, but as described above, heat is also generated in the combustion catalyst portion provided in the middle of the fluid passage. Freezing of generated water and condensed water in the region can be suppressed. Therefore, at the time of starting below freezing, the low temperature startability of the fuel cell can be improved by suppressing deficiency of fuel and oxidant gas and poor distribution due to freezing.

以下、本発明のいくつかの実施形態を図面に基づいて説明する。なお各実施形態につき共通する部分には同一の符号を付して示すことにする。   Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and shown to the part which is common about each embodiment.

図1は本発明の第1の実施形態であり、膜電極複合体と共に燃料電池セルを構成するセパレータの燃料極側の流体通路部分に本発明を適用した例を示している。なお以下の実施形態に係る燃料電池では、燃料として水素ガス、酸化剤として空気を用いる。   FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, which shows an example in which the present invention is applied to a fluid passage portion on the fuel electrode side of a separator that constitutes a fuel cell together with a membrane electrode assembly. In the fuel cell according to the following embodiment, hydrogen gas is used as the fuel and air is used as the oxidant.

図において、セパレータ11は略矩形のプレート状をなしており、その一辺に沿って水素ガスの入口マニホールド部12a、冷却水の出口マニホールド部13b、空気の入口マニホールド部14aを、またその反対側の一辺に沿って空気の出口マニホールド部14b、冷却水の入口マニホールド部13a、水素ガスの出口マニホールド部12bを、それぞれ各流体の出入口が対向するように設けてある。図2は前記セパレータ11に積層する膜電極複合体21を示している。膜電極複合体21はセパレータ11と同一外形を有しており、セパレータ11と同様に水素ガスのマニホールド部22a,22b、冷却水のマニホールド部23a,23b、空気のマニホールド部24a,24bをそれぞれ設けてある。両辺に位置する前記各マニホールド部に挟まれた矩形の領域が燃料極(またはガス拡散層)25となっている。   In the figure, the separator 11 has a substantially rectangular plate shape, and along one side thereof, a hydrogen gas inlet manifold portion 12a, a cooling water outlet manifold portion 13b, an air inlet manifold portion 14a, and the opposite side thereof. An air outlet manifold portion 14b, a cooling water inlet manifold portion 13a, and a hydrogen gas outlet manifold portion 12b are provided along one side so that the respective fluid inlets and outlets face each other. FIG. 2 shows a membrane electrode assembly 21 laminated on the separator 11. The membrane electrode assembly 21 has the same external shape as the separator 11, and similarly to the separator 11, a hydrogen gas manifold portion 22 a, 22 b, a cooling water manifold portion 23 a, 23 b, and an air manifold portion 24 a, 24 b are provided. It is. A rectangular region sandwiched between the manifold portions located on both sides is a fuel electrode (or gas diffusion layer) 25.

実用に供する燃料電池では、前記セパレータ11と膜電極複合体21とからなるセルを多数積層したスタックにより燃料電池を構成する。前記各マニホールド部は、この燃料電池スタックを構成したときに一連の供給通路または排出通路を形成して各セルに水素ガス、冷却水、空気等の流体を分配し、または各セルからの排出流体を集合させる機能を有している。   In a fuel cell for practical use, a fuel cell is constituted by a stack in which a large number of cells composed of the separator 11 and the membrane electrode assembly 21 are stacked. Each of the manifold portions forms a series of supply passages or discharge passages when the fuel cell stack is configured, and distributes fluids such as hydrogen gas, cooling water, and air to the cells, or discharge fluids from the cells. Has the function of gathering.

前記セパレータ11は、水素ガスの入口マニホールド部12aから他端側の出口マニホールド部12bに至るまでの略矩形の領域に突起または突条形状の多数のリブ15を設け、このリブ間およびセパレータ11に隣接して積層される膜電極複合体21の電極面(ガス拡散層25)との間に水素ガスを流通させるサーペンタイン形(蛇行形状)の流体通路16を形成するようにしている。なお、図示しないがセパレータ11の背面側には隣接する他の膜電極複合体の酸化剤極電極面と対向するように空気を流通させるための流体通路を形成してある。   The separator 11 is provided with a large number of ribs 15 having protrusions or protrusions in a substantially rectangular region from the inlet manifold portion 12a of hydrogen gas to the outlet manifold portion 12b on the other end side. A serpentine (meandering) fluid passage 16 through which hydrogen gas flows is formed between the electrode surfaces (gas diffusion layer 25) of the membrane electrode assembly 21 stacked adjacent to each other. Although not shown, a fluid passage for allowing air to flow is formed on the back side of the separator 11 so as to face the oxidant electrode surface of another adjacent membrane electrode assembly.

本実施形態では、前記セパレータ11の流体通路16の非電極領域つまり膜電極複合体21のガス拡散層25に相対しない領域に燃焼触媒を設ける。詳細には、このセパレータ11では図の水素ガスの入口マニホールド部12aと出口マニホールド部12bの近傍の領域17aと17bが前記非電極領域となるので、このうち出口マニホールド部12bの近傍である非電極領域17bに燃焼触媒18を被覆してある。燃焼触媒18としては、Fe、Co、Cr、Ni、Ru、Pd、Cu、Zn、Ptなど種々のものが適用可能であるが、氷点下での起動性を向上させる観点から比較的低温で活性化するものが好ましく、またコストの観点からは非貴金属系のものが好ましい。なお、FeまたはCu系のものは、FeまたはCuが燃焼反応により生成した水中にイオンとして溶出した場合、発電時の電気化学反応で副成するH2O2による電解質膜の劣化を促すので使用を避けることが望ましい。 In this embodiment, a combustion catalyst is provided in a non-electrode region of the fluid passage 16 of the separator 11, that is, a region not opposed to the gas diffusion layer 25 of the membrane electrode assembly 21. More specifically, in this separator 11, the regions 17a and 17b in the vicinity of the hydrogen gas inlet manifold portion 12a and the outlet manifold portion 12b shown in the figure serve as the non-electrode regions, and therefore, the non-electrode in the vicinity of the outlet manifold portion 12b. The region 17b is covered with the combustion catalyst 18. Various combustion catalysts 18 such as Fe, Co, Cr, Ni, Ru, Pd, Cu, Zn, and Pt can be applied, but they are activated at a relatively low temperature from the viewpoint of improving the startability below freezing point. From the viewpoint of cost, a non-noble metal type is preferable. In addition, Fe or Cu-based materials are used because when Fe or Cu is eluted as ions in the water produced by the combustion reaction, it promotes the deterioration of the electrolyte membrane by H 2 O 2 that is a by-product of the electrochemical reaction during power generation. It is desirable to avoid.

図3は前記セパレータ11および膜電極複合体21からなる燃料電池スタックを有する燃料電池システムの構成例を示している。これは、純水素を燃料ガスとし、水素循環ポンプ31を含む水素循環ライン32を有する燃料電池システムである。高圧水素ボンベや水素吸蔵合金などの水素貯蔵手段(図示せず)から、水素供給ライン33を介して燃料電池スタック34の燃料極側に水素を供給する。燃料電池スタック34から水素排出ライン35に排出された余剰の水素ガスは、前記の水素循環ポンプ31を有する水素循環ライン32を介して水素供給ライン33に再供給する。水素排出ライン35にはバルブ36を設けてあり、通常再循環する際にはバルブ36を閉としておくが、これを必要に応じて開くことにより、排水素ガスをそのまま排気側に排出することができる。一方、コンプレッサーなどの昇圧手段(図示せず)から空気供給ライン37を介して燃料電池スタック34の酸化剤極側に空気を供給し、反応済みの空気は空気排出ライン38から外部に排出させる。39は燃料電池スタック34から取り出す電力を制御する制御装置である。   FIG. 3 shows a configuration example of a fuel cell system having a fuel cell stack composed of the separator 11 and the membrane electrode assembly 21. This is a fuel cell system having a hydrogen circulation line 32 including pure hydrogen as a fuel gas and including a hydrogen circulation pump 31. Hydrogen is supplied to the fuel electrode side of the fuel cell stack 34 through a hydrogen supply line 33 from a hydrogen storage means (not shown) such as a high-pressure hydrogen cylinder or a hydrogen storage alloy. Excess hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 34 to the hydrogen discharge line 35 is re-supplied to the hydrogen supply line 33 via the hydrogen circulation line 32 having the hydrogen circulation pump 31. A valve 36 is provided in the hydrogen discharge line 35, and the valve 36 is normally closed when recirculating. However, when the valve 36 is opened as necessary, the exhaust hydrogen gas can be discharged to the exhaust side as it is. it can. On the other hand, air is supplied to the oxidant electrode side of the fuel cell stack 34 from a pressure increasing means (not shown) such as a compressor via the air supply line 37, and the reacted air is discharged from the air discharge line 38 to the outside. Reference numeral 39 denotes a control device that controls electric power extracted from the fuel cell stack 34.

前記燃料電池システムにおいて、水素ガスと空気との供給に伴い燃料電池スタック34内での電気化学的反応により電力が生じる。氷点下での起動時には、この反応時に生じた水分がセパレータ11の通路16内にて凍結し、ガスの流通を妨げて起動不良を生じることがある。これに対して、本実施形態の構成下では、燃焼触媒18の部分にて生じる反応熱により前記水分の凍結を防ぐことができるため、氷点下での燃料電池の起動を円滑に行うことが可能となる。燃料極側では水素ガスと空気中の酸素との直接的な反応により生じた水分が通路16の下流域にて凍結することが多く、燃料極下流域での水素ガスの配流不良を起こしやすいが、これに対して本実施形態では水素ガス出口付近の非電極領域17bに燃焼触媒18を設けてあるので、通路16の下流域付近を加温して効率よく水分の凍結を回避することができる。   In the fuel cell system, electric power is generated by an electrochemical reaction in the fuel cell stack 34 with the supply of hydrogen gas and air. When starting below freezing, the water generated during this reaction freezes in the passage 16 of the separator 11, which may hinder gas flow and cause startup failure. On the other hand, under the configuration of the present embodiment, the moisture can be prevented from freezing by the reaction heat generated in the portion of the combustion catalyst 18, so that it is possible to smoothly start the fuel cell below freezing point. Become. On the fuel electrode side, the water generated by the direct reaction between hydrogen gas and oxygen in the air often freezes in the downstream area of the passage 16, which tends to cause poor distribution of hydrogen gas in the downstream area of the fuel electrode. On the other hand, in the present embodiment, the combustion catalyst 18 is provided in the non-electrode region 17b near the hydrogen gas outlet, so that the vicinity of the downstream region of the passage 16 can be heated to efficiently avoid the freezing of moisture. .

燃焼触媒18にて燃焼反応を生じさせるためには、燃焼触媒18の部分に燃料と酸素を供給する手段を設ける必要があるが、前記のような水素ガスと空気とを反応ガスとして作動する燃料電池システムでは、必ずしもそのような供給手段を設けなくともよい。すなわち、前記のような燃料電池システムでは、その運転を停止してからシステム各部の温度が氷点下に達するまでには数時間を要し、その間に、水素供給ライン33、燃料電池スタック34の燃料極近傍、水素排出ライン35および水素循環ライン32の内部は、外部からの空気の侵入や燃料電池スタック34の空気極側からのクロスリークの影響で空気に置換される。このため、氷点下起動時に燃料電池スタック34に水素ガスを導入する当初は、自ずと水素と空気の混合気を燃料極に供給することになる。これにより、前記燃焼触媒18において、水素と空気の混合気により、ある限られた時間内で燃焼反応が得られるのである。   In order to cause the combustion reaction in the combustion catalyst 18, it is necessary to provide means for supplying fuel and oxygen to the portion of the combustion catalyst 18, but the fuel that operates using hydrogen gas and air as the reaction gas as described above. In a battery system, such a supply means is not necessarily provided. That is, in the fuel cell system as described above, it takes several hours for the temperature of each part of the system to reach below freezing after the operation is stopped. During this time, the fuel electrode of the hydrogen supply line 33 and the fuel cell stack 34 is required. The neighborhood, the inside of the hydrogen discharge line 35 and the hydrogen circulation line 32 are replaced with air due to the influence of air intrusion from the outside and the cross leak from the air electrode side of the fuel cell stack 34. For this reason, when hydrogen gas is initially introduced into the fuel cell stack 34 at the time of starting below freezing, a mixture of hydrogen and air is naturally supplied to the fuel electrode. Thereby, in the combustion catalyst 18, a combustion reaction can be obtained within a limited time by the mixture of hydrogen and air.

ただし、空気極側に燃焼触媒を設けた場合には、燃焼反応のための燃料の供給手段を設ける必要がある。このような供給手段としては、例えば図3に破線で示したように水素供給ライン33と空気供給ライン37とを連通する燃料分配ライン41と、これを開閉するバルブ42とを設ける。この場合、システムの氷点下起動の当初、空気供給の開始に先立ってバルブ42を開き、水素供給ライン33からの加圧水素ガスを所要量だけ空気供給ライン37に導入しておく。その後、バルブ42を閉ざしてから空気の供給を開始する。これにより起動当初に空気極側に水素と酸素との混合ガスが供給されることになるので、空気極側に設けた燃焼触媒での燃焼反応を生じさせることが可能となる。空気極側の流体通路に燃焼触媒を設けるにあたっては、前述のとおり水分の凍結は燃料極側の通路下流域で起こりやすいので、空気通路背面側の、燃料流体通路下流域に対応する通路領域に設けると効率よく凍結を防止することができる。   However, when a combustion catalyst is provided on the air electrode side, it is necessary to provide a fuel supply means for the combustion reaction. As such supply means, for example, as shown by a broken line in FIG. 3, a fuel distribution line 41 that connects the hydrogen supply line 33 and the air supply line 37 and a valve 42 that opens and closes the fuel distribution line 41 are provided. In this case, at the beginning of the system below freezing point, the valve 42 is opened prior to the start of air supply, and the pressurized hydrogen gas from the hydrogen supply line 33 is introduced into the air supply line 37 in a required amount. Thereafter, the supply of air is started after the valve 42 is closed. As a result, since a mixed gas of hydrogen and oxygen is supplied to the air electrode side at the beginning of startup, it is possible to cause a combustion reaction in the combustion catalyst provided on the air electrode side. When the combustion catalyst is provided in the fluid passage on the air electrode side, the freezing of moisture tends to occur in the downstream area of the passage on the fuel electrode side as described above. If provided, freezing can be prevented efficiently.

図4と図5は本発明の第2の実施形態である。これは、図2に示したのと同様の膜電極複合体21の側に燃焼触媒18を設けた例である。図の燃料極25に重なるように同じ領域にガス拡散層26(図5参照)が存在する。燃料極25の周囲及び各マニホールド周囲にはガス拡散層26の基板にシール材を含浸させたシール材含浸部54が存在し、セパレータ(11)と共にセルないしスタックを構成した状態で各マニホールドやガス拡散層内部に存在するガスや冷却水が、外部にリークしないようにシールされる。   4 and 5 show a second embodiment of the present invention. This is an example in which the combustion catalyst 18 is provided on the side of the membrane electrode assembly 21 similar to that shown in FIG. A gas diffusion layer 26 (see FIG. 5) exists in the same region so as to overlap the fuel electrode 25 in the figure. Around the fuel electrode 25 and around each manifold, there is a seal material impregnated portion 54 in which the substrate of the gas diffusion layer 26 is impregnated with a seal material. The gas and cooling water existing inside the diffusion layer are sealed so as not to leak to the outside.

水素出口マニホールド部22bの近傍領域には、ガス拡散層26の基材にシール材を含浸しておらず、多孔質であるガス拡散層26の基材を構成する材質(例えば炭素繊維)表面に燃焼触媒18を担持してある。また、前記領域には親水性を付与してある。親水性を付与するには、例えばSnO2、ZnO2、SiO2、ZrO2、TiO2などの酸化物をガス拡散層26の基材に含浸させる。 In the region near the hydrogen outlet manifold portion 22b, the base material of the gas diffusion layer 26 is not impregnated with the sealing material, and is formed on the surface of the material (for example, carbon fiber) constituting the porous base material of the gas diffusion layer 26. A combustion catalyst 18 is supported. Further, hydrophilicity is imparted to the region. In order to impart hydrophilicity, the base material of the gas diffusion layer 26 is impregnated with an oxide such as SnO 2 , ZnO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , and TiO 2 .

図5に示したように、膜電極複合体21の電解質膜51の片面側に燃料極25を、他の片面側に空気極52をそれぞれ設けた領域に重なるように、水素及び空気のガス拡散層26がそれぞれ存在する。燃料極や酸化剤を設けていない水素出口マニホールド部22b近傍の領域では、基本的にシール材53またはガス拡散層内部にシール材を含浸したシール剤含浸部54により電解質膜51が挟持されているが、燃料極側の水素出口マニホールド部22bの近傍におけるガス拡散層26の基材には前述のとおり燃焼触媒18を担持させてある。   As shown in FIG. 5, the gas diffusion of hydrogen and air is performed so as to overlap the region where the fuel electrode 25 is provided on one side of the electrolyte membrane 51 of the membrane electrode assembly 21 and the air electrode 52 is provided on the other side. Each layer 26 is present. In the region near the hydrogen outlet manifold portion 22b where no fuel electrode or oxidant is provided, the electrolyte membrane 51 is basically sandwiched by the seal material 53 or the seal material impregnated portion 54 impregnated with the seal material inside the gas diffusion layer. However, as described above, the combustion catalyst 18 is supported on the base material of the gas diffusion layer 26 in the vicinity of the hydrogen outlet manifold portion 22b on the fuel electrode side.

この実施形態によれば、第1の実施形態による効果に加えて次のような効果を期待できる。すなわち、燃焼触媒18を担持したガス拡散層26の領域は、燃料である水素が拡散するための多数のポアを有する多孔部であり、ガス拡散層26に燃焼触媒18を設けることで、燃焼触媒18で水素と空気中の酸素とが直接反応して生成する水分はガス拡散層26のポア内にて生成される。そのため、この生成水によりセパレータにおける水素の通路部分が直接塞がれるおそれが少なくなる。また、燃焼触媒18を設けたガス拡散層26の部分に親水性を付与したことにより、燃焼反応により生成した水をガス拡散層26内のポアに保持しやすくなる。また、燃焼触媒18の材質によっては、ガス拡散層26の基材に親水性を持たせることで、その部分に触媒18を担持させやすくなる。   According to this embodiment, the following effects can be expected in addition to the effects of the first embodiment. That is, the region of the gas diffusion layer 26 carrying the combustion catalyst 18 is a porous portion having a large number of pores for diffusing hydrogen as a fuel. By providing the combustion catalyst 18 in the gas diffusion layer 26, the combustion catalyst In 18, the moisture generated by the direct reaction between hydrogen and oxygen in the air is generated in the pores of the gas diffusion layer 26. Therefore, the possibility that the hydrogen passage portion in the separator is directly blocked by the generated water is reduced. Further, by imparting hydrophilicity to the portion of the gas diffusion layer 26 where the combustion catalyst 18 is provided, water generated by the combustion reaction can be easily held in the pores in the gas diffusion layer 26. Further, depending on the material of the combustion catalyst 18, the base material of the gas diffusion layer 26 is made hydrophilic so that the catalyst 18 can be easily carried on that portion.

図6と図7に、それぞれ本発明の第3の実施形態に係るセパレータと膜電極複合体を示す。このセパレータ11は反応ガスを長手方向に沿って一方向に流通させるようにしたもので、燃料ガスと空気とは互いにセパレータ11の反対側の端部から流入する対向流形式である。このセパレータ11はその一端側の水素入口マニホールド部12aと他端側の水素出口マニホールド部12bとを連通する多数の流体通路16をリブ15により並列的に形成している。このようないわゆるストレート流路型のセパレータ11では、多数の流体通路16へとガスが均等に配分されるように、マニホールド部12aまたは12bと流体通路16の端部との間にディフューザ61を設けている。すなわち入口側のディフューザ61は、入口マニホールド部12aからのガスを沿面方向に分散させて多数の流体通路16のそれぞれに均等に流入させる。   6 and 7 show a separator and a membrane electrode assembly according to the third embodiment of the present invention, respectively. The separator 11 is configured such that the reaction gas flows in one direction along the longitudinal direction, and the fuel gas and the air are of a counterflow type in which the gas flows from the opposite ends of the separator 11. In this separator 11, a large number of fluid passages 16 are formed in parallel with ribs 15 to communicate the hydrogen inlet manifold portion 12 a on one end side with the hydrogen outlet manifold portion 12 b on the other end side. In such a so-called straight channel separator 11, a diffuser 61 is provided between the manifold portion 12 a or 12 b and the end of the fluid passage 16 so that the gas is evenly distributed to a large number of fluid passages 16. ing. In other words, the diffuser 61 on the inlet side disperses the gas from the inlet manifold portion 12a in the creeping direction and uniformly flows into each of the many fluid passages 16.

図7は前記セパレータ11に適用する膜電極複合体21であり、構造的には図5のものと同様であり、前記セパレータ11を積層したときにその流体通路16に相対する矩形状の領域は燃料極25となっており、これに重畳するようにガス拡散層26が存在し、前記燃料極25の周囲および各マニホールド部の周囲にはガス拡散層26の基材にシール材を含浸したシール材含浸部54を形成している。ただし、前記ディフューザ61と相対する領域にはガス拡散層26にシール材を含浸せず、燃焼触媒18を担持させてある。この実施形態では、燃料の入口マニホールド部22a側のほうが、出口マニホールド部22b側よりも燃焼触媒18の担持領域が大となるようにしてある。これは、セパレータ背面側の空気を流通させる流体通路とその出口マニホールド部24bとを結ぶディフューザに重なる領域を加熱領域として確保するためである。なお、この場合も燃焼触媒18の担持領域には親水性を付与するのが望ましい。   FIG. 7 shows a membrane electrode assembly 21 applied to the separator 11, which is structurally similar to that of FIG. 5, and the rectangular region facing the fluid passage 16 when the separator 11 is laminated is as follows. A gas diffusion layer 26 exists so as to overlap with the fuel electrode 25, and the base material of the gas diffusion layer 26 is impregnated with a sealing material around the fuel electrode 25 and each manifold portion. A material impregnated portion 54 is formed. However, the gas diffusion layer 26 is not impregnated with the sealing material and the combustion catalyst 18 is supported in the region facing the diffuser 61. In this embodiment, the area where the combustion catalyst 18 is carried is larger on the fuel inlet manifold portion 22a side than on the outlet manifold portion 22b side. This is to secure an area overlapping with the diffuser connecting the fluid passage through which the air on the back side of the separator flows and the outlet manifold portion 24b as a heating area. In this case as well, it is desirable to impart hydrophilicity to the supporting region of the combustion catalyst 18.

この実施形態では、水素ガスの流体通路16の上流側と下流側の各々にて燃焼触媒18による加熱がなされる。この場合、上流側の燃焼触媒18での反応熱は熱伝導によりその背面側の空気通路のディフューザ部分を加熱し、空気通路側での水分の凍結を抑制する。また、下流側の燃焼触媒18では、その反応熱により直接的に燃料通路下流域の加熱を行い、低温起動時に水分が凍結しやすい当該部分のガス流を確保する。このようなストレート流路型のセパレータ11を有するセルではそのディフューザ61が比較的大きな非電極領域となるので、この部分を燃焼触媒18による加熱領域とすることで水分の凍結を抑止する効果が大である。   In this embodiment, heating by the combustion catalyst 18 is performed on each of the upstream side and the downstream side of the hydrogen gas fluid passage 16. In this case, the reaction heat in the upstream combustion catalyst 18 heats the diffuser portion of the air passage on the back side thereof by heat conduction, and suppresses freezing of moisture on the air passage side. Further, the combustion catalyst 18 on the downstream side directly heats the downstream area of the fuel passage by the reaction heat, and secures the gas flow in the portion where moisture is likely to freeze at the time of low temperature startup. In a cell having such a straight channel separator 11, the diffuser 61 becomes a relatively large non-electrode region. Therefore, by making this portion a heating region by the combustion catalyst 18, the effect of suppressing freezing of water is great. It is.

図8は本発明の第4の実施形態に係るセパレータを示している。このセパレータ11には、水素ガス流体通路16の出口側のディフューザ61のリブ状部分を除く表面部分と、入口側のディフューザ61の部分を除く非電極領域とに、燃焼触媒18を被覆してある。流体通路16の入口近傍の表面に重なり合う膜電極複合体(21)のガス拡散層領域はシール材が含浸されていないので、ガスが拡散層内部を行き渡り、このため溝形状の通路等を設けていなくても、水素と空気の混合ガスを供給した場合には入口近傍の燃焼触媒18の表面において燃焼反応が生じる。したがって簡単、小型な構成で低温起動性に優れた燃料電池が得られる。   FIG. 8 shows a separator according to a fourth embodiment of the present invention. The separator 11 is coated with a combustion catalyst 18 on the surface portion excluding the rib-like portion of the diffuser 61 on the outlet side of the hydrogen gas fluid passage 16 and the non-electrode region excluding the portion of the diffuser 61 on the inlet side. . Since the gas diffusion layer region of the membrane electrode assembly (21) overlapping the surface in the vicinity of the inlet of the fluid passage 16 is not impregnated with the sealing material, the gas spreads through the diffusion layer, and therefore a groove-shaped passage or the like is provided. Even if not, when a mixed gas of hydrogen and air is supplied, a combustion reaction occurs on the surface of the combustion catalyst 18 near the inlet. Therefore, it is possible to obtain a fuel cell having a simple and small configuration and excellent low temperature startability.

本発明の第1の実施形態に係るセパレータの平面図。The top view of the separator which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る膜電極複合体の平面図。The top view of the membrane electrode assembly which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明に係る燃料電池を適用した燃料電池システムの実施形態を示す概略構成図。1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell system to which a fuel cell according to the present invention is applied. 本発明の第2の実施形態に係る膜電極複合体の平面図。The top view of the membrane electrode assembly which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図4のA−A線に沿った断面図。Sectional drawing along the AA line of FIG. 本発明の第3の実施形態に係るセパレータの平面図。The top view of the separator which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る膜電極複合体の平面図。The top view of the membrane electrode assembly which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係るセパレータの平面図。The top view of the separator which concerns on the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11 セパレータ
12a 燃料(水素ガス)の入口マニホールド部
12b 燃料の出口マニホールド部
13a 冷却水の入口マニホールド部
13b 冷却水の出口マニホールド部
14a 酸化剤(空気)の入口マニホールド部
14b 酸化剤の出口マニホールド部
15 リブ
16 流体通路
18 燃焼触媒
21 膜電極複合体
22a 燃料の入口マニホールド部
22b 燃料の出口マニホールド部
23a 冷却水の入口マニホールド部
23b 冷却水の出口マニホールド部
24a 酸化剤の入口マニホールド部
24b 酸化剤の出口マニホールド部
25 燃料極
26 ガス拡散層
51 電解質膜
61 ディフューザ
11 Separator 12a Fuel (hydrogen gas) inlet manifold 12b Fuel outlet manifold 13a Cooling water inlet manifold 13b Cooling water outlet manifold 14a Oxidant (air) inlet manifold 14b Oxidant outlet manifold 15 Rib 16 Fluid passage 18 Combustion catalyst 21 Membrane electrode assembly 22a Fuel inlet manifold 22b Fuel outlet manifold 23a Cooling water inlet manifold 23b Cooling water outlet manifold 24a Oxidant inlet manifold 24b Oxidant outlet Manifold part 25 Fuel electrode 26 Gas diffusion layer 51 Electrolyte membrane 61 Diffuser

Claims (9)

電解質膜上に電気化学的反応触媒を有する燃料極または酸化剤極からなる電極を形成した膜電極複合体と、燃料または酸化剤を流通させる流体通路を前記膜電極複合体との間に形成するセパレータとを積層してなる燃料電池において、
前記流体通路の途中に燃焼触媒を設け、
前記燃焼触媒での燃焼作用により低温起動時の昇温を促すようにしたことを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly in which an electrode composed of a fuel electrode or an oxidant electrode having an electrochemical reaction catalyst is formed on an electrolyte membrane, and a fluid passage through which the fuel or oxidant flows is formed between the membrane electrode complex. In a fuel cell formed by laminating a separator,
A combustion catalyst is provided in the middle of the fluid passage,
A fuel cell characterized in that a temperature rise at low temperature startup is promoted by a combustion action of the combustion catalyst.
前記燃焼触媒は、前記膜電極複合体の電極よりも下流側の非電極領域に設けてある請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the combustion catalyst is provided in a non-electrode region on the downstream side of the electrode of the membrane electrode assembly. 前記燃焼触媒は、前記セパレータの酸化剤流体通路であって、その背面側の燃料流体通路の下流域に対応する領域に設けた請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the combustion catalyst is provided in a region corresponding to a downstream region of the fuel fluid passage on the back side of the oxidant fluid passage of the separator. 前記膜電極複合体は燃料または酸化剤を拡散するためのガス拡散層を備え、該ガス拡散層の表面に前記燃焼触媒を設けた請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the membrane electrode assembly includes a gas diffusion layer for diffusing fuel or an oxidant, and the combustion catalyst is provided on a surface of the gas diffusion layer. 前記ガス拡散層近傍の流体通路に親水性を付与した請求項4に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 4, wherein hydrophilicity is imparted to a fluid passage in the vicinity of the gas diffusion layer. 前記燃焼触媒は、Cu系またはFe系を除く非貴金属触媒である請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the combustion catalyst is a non-noble metal catalyst excluding a Cu-based or Fe-based catalyst. 前記流体通路はその入口部または出口部にディフューザを備えると共に、該ディフューザ部分に前記燃焼触媒を設けた請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the fluid passage includes a diffuser at an inlet portion or an outlet portion thereof, and the combustion catalyst is provided in the diffuser portion. 低温起動時に、前記燃焼触媒上での燃料と酸化剤との反応熱により昇温を促すようにした請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a temperature rise is promoted by a reaction heat between the fuel and the oxidant on the combustion catalyst when starting at a low temperature. 低温起動時に、前記燃焼触媒に燃料と酸化剤との混合物を供給する手段を有する請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, further comprising means for supplying a mixture of a fuel and an oxidant to the combustion catalyst at a low temperature startup.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008130565A (en) * 2006-11-22 2008-06-05 Gm Global Technology Operations Inc Heating of auxiliary coolant for fuel cell equipped with metal plate
JP2008192425A (en) * 2007-02-02 2008-08-21 Nippon Oil Corp Fuel cell system and its operation method
WO2009138829A1 (en) * 2008-03-25 2009-11-19 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
JP2012182093A (en) * 2011-03-03 2012-09-20 Honda Motor Co Ltd Fuel cell
JP2013004289A (en) * 2011-06-16 2013-01-07 Honda Motor Co Ltd Fuel cell
US8445152B2 (en) 2007-06-19 2013-05-21 Hyundai Motor Company Membrane electrode assembly containing flexible printed circuit board formed on ion exchange membrane support film

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008130565A (en) * 2006-11-22 2008-06-05 Gm Global Technology Operations Inc Heating of auxiliary coolant for fuel cell equipped with metal plate
DE102007055226B4 (en) 2006-11-22 2022-08-04 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Supplemental coolant heating for fuel cells with metal plates
JP2008192425A (en) * 2007-02-02 2008-08-21 Nippon Oil Corp Fuel cell system and its operation method
US8445152B2 (en) 2007-06-19 2013-05-21 Hyundai Motor Company Membrane electrode assembly containing flexible printed circuit board formed on ion exchange membrane support film
WO2009138829A1 (en) * 2008-03-25 2009-11-19 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
US8663856B2 (en) 2008-03-25 2014-03-04 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
JP2012182093A (en) * 2011-03-03 2012-09-20 Honda Motor Co Ltd Fuel cell
JP2013004289A (en) * 2011-06-16 2013-01-07 Honda Motor Co Ltd Fuel cell

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