JP2008021449A - Fuel cell - Google Patents

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Hisao Asai
尚雄 浅井
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress heat radiation from the end part cell without making the stack large in size in a fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell has a stack 10 in which a plurality of unit cells 12 are laminated and a current collector 16 which is installed at both ends of the stack 10. The end part cells 14 placed at both ends of the stack 10 have a separator 26 of concavo-convex shape and have a coolant passage 30 formed by the recessed part of the separator 26 and the current collector 16 between the separator 26 and the current collector 16. A heat insulating material 32 is installed in the coolant passage 30. The heat insulating material 30 is formed of ceramic material and is formed on the current collector 16 side or separator 26 side of the coolant passage 30. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、複数の単セルを積層したスタックと、スタックの両端に設けられた集電板とを備えた燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell including a stack in which a plurality of single cells are stacked, and current collecting plates provided at both ends of the stack.

燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有する電池として近年脚光を浴びている。燃料電池は、一般的に、燃料ガスである水素に空気中の酸素を化学反応させて、電気エネルギをつくりだしている。そして、水素と酸素とが化学反応した結果として、水が生成される。燃料電池の種類は、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、アルカリ型、固体高分子型等がある。この中でも、常温で起動しかつ起動時間が速い等の利点を有する固体高分子型の燃料電池が注目されている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as batteries having high efficiency and excellent environmental characteristics. In general, a fuel cell generates electric energy by chemically reacting oxygen in air with hydrogen, which is a fuel gas. As a result of the chemical reaction between hydrogen and oxygen, water is generated. Types of fuel cells include phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, alkali type, and solid polymer type. Among these, solid polymer fuel cells that have advantages such as startup at normal temperature and quick startup time have been attracting attention.

固体高分子型の燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックを備えている。そして、スタックを形成する単セルは、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータとを含んで構成される。このうち電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層とを一体化したものは、一般的に、膜電極接合体と呼ばれている。   A polymer electrolyte fuel cell includes a stack in which a plurality of single cells are stacked. The single cell forming the stack includes an electrolyte membrane, a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a separator. Of these, an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer integrated together are generally called a membrane electrode assembly.

スタックの両端に置かれた単セルである端部セルには、直流電流を取り出すための集電板(ターミナルプレート)が設けられている。そして、端部セルと集電板との間には、冷却媒体流路が形成されている。端部セルは、冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却されて、更に、集電板に接触することにより冷却されるために、スタックの中心部に置かれた単セルよりも放熱が多く冷却されやすい。   The end cells, which are single cells placed at both ends of the stack, are provided with current collector plates (terminal plates) for taking out a direct current. A cooling medium flow path is formed between the end cell and the current collector plate. The end cell is cooled by the cooling medium flowing through the cooling medium flow path, and further cooled by contacting the current collector plate, so that the end cell cools more than the single cell placed at the center of the stack. Easy to be.

そのため、端部セルは、発電の停止時(冷却時)において、セル内に、生成水が残留する場合がある。そして、スタックが氷点下環境に曝露されると、端部セル内に結露した水が凍結して、セルの劣化や、起動遅延等が生じる場合がある。また、燃料電池の動作中には、フラディングが生じる場合がある。   Therefore, in the end cell, the generated water may remain in the cell when power generation is stopped (cooling). When the stack is exposed to a sub-freezing environment, the condensed water in the end cells freezes, which may cause cell deterioration, activation delay, and the like. In addition, flooding may occur during operation of the fuel cell.

特許文献1には、複数の単位セルを積層した積層体の積層方向両端と電力取り出し用ターミナル板との間に導電性の断熱板を介装して、断熱板と積層体との間に断熱用空気層を形成することにより、単位セルの内部で発生した熱が、ターミナル板に伝達されることを有効に阻止することができる燃料電池スタックが示されている。   In Patent Document 1, a conductive heat insulating plate is interposed between both ends in the stacking direction of a stacked body in which a plurality of unit cells are stacked and a power extraction terminal plate, and heat insulation is performed between the heat insulating plate and the stacked body. A fuel cell stack that can effectively prevent heat generated in a unit cell from being transferred to a terminal plate by forming a working air layer is shown.

特開2004−152502号公報JP 2004-152502 A

ここで、上記のように、スタックと集電板との間に断熱用空気層を形成して端部セルで生じた熱の放熱を抑制する場合には、新たに、端部セルと集電板との間に断熱板を設けて断熱用空気層を形成するため、スタックが大型化する場合がある。   Here, as described above, in the case where a heat insulating air layer is formed between the stack and the current collector plate to suppress the heat radiation generated in the end cell, the end cell and the current collector are newly added. Since a heat insulating plate is provided between the plates to form a heat insulating air layer, the stack may be enlarged.

そこで、本発明の目的は、スタックをより大型化せずに、端部セルからの放熱を抑制できる燃料電池を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can suppress heat dissipation from the end cells without further increasing the size of the stack.

本発明に係る燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックと、スタックの両端に設けられた集電板とを備え、スタックの両端に置かれた端部セルは、凹凸状のセパレータを有し、セパレータと集電板との間に、セパレータの凹部と集電板とで形成された冷却媒体流路を有する燃料電池であって、冷却媒体流路に、断熱材が設けられることを特徴とする。   A fuel cell according to the present invention includes a stack in which a plurality of single cells are stacked, and current collectors provided at both ends of the stack, and the end cells placed at both ends of the stack have uneven separators. A fuel cell having a cooling medium flow path formed between the separator and the current collecting plate between the separator and the current collecting plate, wherein a heat insulating material is provided in the cooling medium flow path. And

本発明に係る燃料電池において、集電板に、冷却媒体流路を形成する溝が設けられることを特徴とする。   In the fuel cell according to the present invention, the current collector plate is provided with a groove for forming a cooling medium flow path.

本発明に係る燃料電池において、断熱材は、セラミックス材料で形成されることを特徴とする。   In the fuel cell according to the present invention, the heat insulating material is formed of a ceramic material.

本発明に係る燃料電池において、断熱材は、集電板側に配置されることを特徴とする。   In the fuel cell according to the present invention, the heat insulating material is disposed on the current collector plate side.

本発明に係る燃料電池において、断熱材は、セパレータ側に配置されることを特徴とする。   In the fuel cell according to the present invention, the heat insulating material is arranged on the separator side.

本発明に係る燃料電池において、断熱材は、冷却媒体流路の表面に被覆されることを特徴とする。   In the fuel cell according to the present invention, the heat insulating material is coated on the surface of the cooling medium flow path.

上記のように本発明に係る燃料電池によれば、端部セルから冷却媒体への熱の流れを抑えることにより、スタックをより大型化せずに、端部セルからの放熱を抑制することができる。   As described above, according to the fuel cell of the present invention, by suppressing the flow of heat from the end cells to the cooling medium, it is possible to suppress heat dissipation from the end cells without further increasing the size of the stack. it can.

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックと、スタックの両端に設けられた集電板とを含んで構成される。図1は、燃料電池に備えられるスタック10の構成を示す図である。燃料電池のスタック10は、複数個、例えば、数十個の単セル12が積層されて構成されている。そして、スタック10の両端に置かれた端部のセルである端部セル14には、電流を取り出すための集電板16が設けられている。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The fuel cell includes a stack in which a plurality of single cells are stacked, and current collector plates provided at both ends of the stack. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a stack 10 provided in a fuel cell. The fuel cell stack 10 is formed by stacking a plurality of, for example, several tens of single cells 12. A current collector plate 16 for taking out current is provided in the end cell 14 which is an end cell placed at both ends of the stack 10.

図2は、集電板16が設けられた端部セル14の断面を示す図である。まず、端部セル14は、電解質膜18の両側にそれぞれ触媒層20が積層され、各々の触媒層20にガス拡散層22が積層されて膜電極接合体24を構成し、更に、膜電極接合体24にセパレータ26が積層されることにより構成される。   FIG. 2 is a view showing a cross section of the end cell 14 provided with the current collector plate 16. First, in the end cell 14, a catalyst layer 20 is laminated on each side of the electrolyte membrane 18, and a gas diffusion layer 22 is laminated on each catalyst layer 20 to form a membrane electrode assembly 24. The separator 24 is laminated on the body 24.

電解質膜18は、アノード極側で発生した水素イオンをカソード極側まで移動させる機能等を有している。電解質膜18の材料は、化学的に安定であるフッ素系樹脂、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜が使用される。パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜としては、ナフィオン膜(デュポン社の登録商標)等を用いることができる。   The electrolyte membrane 18 has a function of moving hydrogen ions generated on the anode electrode side to the cathode electrode side. The material of the electrolyte membrane 18 is a chemically stable fluororesin, for example, an ion exchange membrane of perfluorocarbon sulfonic acid. As an ion exchange membrane of perfluorocarbon sulfonic acid, a Nafion membrane (registered trademark of DuPont) or the like can be used.

触媒層20は、アノード極側での水素の酸化反応やカソード極側での酸素の還元反応を促進する機能を有している。そして、触媒層20は、触媒と触媒の担体とを含んで構成される。触媒は、反応させる電極面積を大きくするため、一般的に粒子状にして、触媒の担体に付着して使用される。触媒には、水素の酸化反応や酸素の還元反応について、小さい活性化過電圧を有する白金族元素である白金等が使用される。触媒の担体としては、カーボン材料、例えば、カーボンブラック等が使用される。触媒の担体であるカーボンブラックとしては、ケッチェンブラック(ライオン社製)、デンカブラック(電気化学工業社製)等を用いることができる。   The catalyst layer 20 has a function of promoting a hydrogen oxidation reaction on the anode electrode side and an oxygen reduction reaction on the cathode electrode side. The catalyst layer 20 includes a catalyst and a catalyst carrier. In order to increase the electrode area to be reacted, the catalyst is generally used in the form of particles and attached to the catalyst support. As the catalyst, platinum, which is a platinum group element having a small activation overvoltage, is used for the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen. As the catalyst carrier, a carbon material such as carbon black is used. As carbon black which is a carrier of the catalyst, Ketjen black (manufactured by Lion), Denka black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo) or the like can be used.

ガス拡散層22は、燃料である水素や酸化剤である酸素を触媒層20に拡散させる機能や、電子を移動させる機能等を有している。そして、ガス拡散層22には、導電性を有する材料であるカーボン繊維織布、カーボン紙等を使用することができる。そして、膜電極接合体24は、電解質膜18と、触媒層20と、ガス拡散層22とを積層し、ヒートプレス等することにより製造することができる。   The gas diffusion layer 22 has a function of diffusing hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant into the catalyst layer 20, a function of moving electrons, and the like. For the gas diffusion layer 22, carbon fiber woven fabric, carbon paper, or the like, which is a conductive material, can be used. And the membrane electrode assembly 24 can be manufactured by laminating | stacking the electrolyte membrane 18, the catalyst layer 20, and the gas diffusion layer 22, and heat-pressing.

セパレータ26は、膜電極接合体24のガス拡散層22に積層され、隣設する単セル12における燃料ガスである水素と酸化剤である空気とを分離する機能を有している。また、セパレータ26は、一方の単セル12と他方の単セル12とを電気的に接続する機能を有している。   The separator 26 is stacked on the gas diffusion layer 22 of the membrane electrode assembly 24 and has a function of separating hydrogen, which is a fuel gas, and air, which is an oxidant, in the adjacent unit cell 12. The separator 26 has a function of electrically connecting one unit cell 12 and the other unit cell 12.

セパレータ26には、凹凸状を有するセパレータ26を用いることが好ましい。セパレータ26には、燃料ガスや空気等が流れるガス流路28や、単セル12を冷却するLLC(Long Life Coolant)や冷却水等の冷却媒体を流す冷却媒体流路30等を形成されるためである。例えば、セパレータ26の凸部とガス拡散層22とで、燃料ガスや空気等のガス流路28を形成することができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ26の形状は、凹凸状に限定されることはない。   As the separator 26, it is preferable to use a separator 26 having an uneven shape. The separator 26 is formed with a gas flow path 28 through which fuel gas, air, and the like flow, a cooling medium flow path 30 through which a cooling medium such as LLC (Long Life Coolant) that cools the single cell 12 and cooling water, and the like. It is. For example, a gas flow path 28 such as fuel gas or air can be formed by the convex portion of the separator 26 and the gas diffusion layer 22. Of course, depending on other conditions, the shape of the separator 26 is not limited to an uneven shape.

セパレータ26には、導電性を有する材料であるステンレス鋼、チタン、銅等の金属材料や炭素材料等を使用することができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ26の材料は、上記材料に限定されることはない。そして、金属材料のシート材を、例えば、プレス加工等することにより凹凸状に成形して、凹凸状のセパレータを製造することができる。勿論、他の条件次第では、金属材料等を機械加工等してセパレータを製造することができ、プレス加工に限定されることはない。   For the separator 26, a metal material such as stainless steel, titanium, copper, or a carbon material, which is a conductive material, can be used. Of course, depending on other conditions, the material of the separator 26 is not limited to the above material. Then, the sheet material of metal material can be formed into a concavo-convex shape by, for example, pressing, and a concavo-convex separator can be manufactured. Of course, depending on other conditions, the separator can be manufactured by machining a metal material or the like, and is not limited to press working.

集電板16は、スタック10の両端に設けられ、セル12、14で生じた直流電流を取り出す機能を有している。そして、集電板16は、スタック10の両端に置かれた端部セル14における凹凸状に成形されたセパレータ26の凸部と接触して設けられる。   The current collecting plates 16 are provided at both ends of the stack 10 and have a function of taking out a direct current generated in the cells 12 and 14. Then, the current collector plate 16 is provided in contact with the convex portions of the separator 26 formed in a concave-convex shape in the end cell 14 placed at both ends of the stack 10.

集電板16には、導電性を有する材料であるステンレス鋼や銅等の金属材料や炭素材料等を使用することができる。また、集電板16には、ステンレス鋼や銅等の金属シート材に金メッキを施して用いてもよい。勿論、他の条件次第では、集電板16の材料は、上記材料に限定されることはない。   For the current collector plate 16, a metal material such as stainless steel or copper, a carbon material, or the like, which is a conductive material, can be used. Further, the current collector plate 16 may be used by applying gold plating to a metal sheet material such as stainless steel or copper. Of course, depending on other conditions, the material of the current collector plate 16 is not limited to the above materials.

セパレータ26と集電板16との間には、セパレータ26の凹部と集電板16とで、上述したように、セルを冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路30が形成される。燃料電池を高電流密度発電で稼動させる場合には、端部セル14においてもより多くの熱が発生するため冷却する必要があるからである。   Between the separator 26 and the current collector plate 16, as described above, the cooling medium flow path 30 through which the cooling medium for cooling the cells flows is formed by the concave portion of the separator 26 and the current collector plate 16. This is because when the fuel cell is operated with high current density power generation, more heat is generated also in the end cells 14 and thus cooling is necessary.

ここで、集電板16には、冷却媒体流路30の断面積をより大きくするため、溝31を設けることが好ましい。後述するように、セパレータ26の凹部と集電板16とで形成される冷却媒体流路30に断熱材32等を設けた場合においても、集電板16に溝31を設けることにより、端部セル14における冷却媒体の圧力損失を、端部セル14以外の他の単セル12と略同じとすることができるからである。勿論、他の条件次第では、集電板16に溝31を設けないで冷却媒体流路30を形成することができる。   Here, the current collecting plate 16 is preferably provided with a groove 31 in order to increase the cross-sectional area of the cooling medium flow path 30. As will be described later, even when a heat insulating material 32 or the like is provided in the cooling medium flow path 30 formed by the concave portion of the separator 26 and the current collector plate 16, the end portion is provided by providing the current collector plate 16 with the groove 31. This is because the pressure loss of the cooling medium in the cell 14 can be made substantially the same as the other single cells 12 other than the end cell 14. Of course, depending on other conditions, the cooling medium flow path 30 can be formed without providing the grooves 31 in the current collector plate 16.

セパレータ26の凹部と集電板16とで形成された冷却媒体流路30に、断熱材32が設けられる。セパレータ26の凹部と集電板16とで形成された冷却媒体流路30に断熱材32を設けることにより、端部セル14で生じた熱が、端部セル14のガス拡散層22からセパレータ26の凹部を通して冷却媒体に流れるのを、断熱材32で抑えることができるからである。そして、冷却媒体流路30に断熱材32を設けることで、端部セル14で生じた熱の放熱経路をより少なくすることができるからである。これにより端部セル14におけるガス流路28を流れる燃焼ガスや空気等の温度低下を抑えて、発電により生じた生成水の系外排出能力をより高めることができる。   A heat insulating material 32 is provided in the cooling medium flow path 30 formed by the recess of the separator 26 and the current collector plate 16. By providing a heat insulating material 32 in the cooling medium flow path 30 formed by the recess of the separator 26 and the current collector plate 16, heat generated in the end cell 14 is transferred from the gas diffusion layer 22 of the end cell 14 to the separator 26. This is because the heat insulating material 32 can suppress the flow into the cooling medium through the recess. This is because by providing the heat insulating material 32 in the cooling medium flow path 30, it is possible to reduce the heat radiation path of the heat generated in the end cell 14. As a result, the temperature drop of the combustion gas, air, etc. flowing through the gas flow path 28 in the end cell 14 can be suppressed, and the ability to discharge generated water generated by power generation can be further enhanced.

断熱材32には、セラミックス材料を用いることが好ましい。無機材料であるセラミックス材料は、他の材料より一般的に熱伝導率が小さいため断熱性能が高く、また、耐腐食性にも優れているからである。セラミックス材料には、例えば、アルミナ(Al)、シリカ(SiO)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(SiN)、ジルコニア(ZrO)等を用いることができる。また、セラミックス材料には、例えば、アルミナ(Al)−シリカ(SiO)系セラミックス等の2元系セラミックス材料やアルミナ(Al)−シリカ(SiO)−ジルコニア(ZrO)系セラミックス等の3元系セラミックス材料を用いてもよい。勿論、セラミックス材料は、上記材料に限定されることはない。 A ceramic material is preferably used for the heat insulating material 32. This is because ceramic materials that are inorganic materials generally have lower heat conductivity than other materials, and therefore have high heat insulation performance and excellent corrosion resistance. As the ceramic material, for example, alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), silicon carbide (SiC), silicon nitride (SiN), zirconia (ZrO 2 ), or the like can be used. Examples of the ceramic material include binary ceramic materials such as alumina (Al 2 O 3 ) -silica (SiO 2 ) ceramics, and alumina (Al 2 O 3 ) -silica (SiO 2 ) -zirconia (ZrO 2 ). ) A ternary ceramic material such as a ceramic may be used. Of course, the ceramic material is not limited to the above materials.

断熱材32は、セラミックス材を含有する塗料やペースト材を用いて形成されることが好ましい。冷却媒体流路30を形成するセパレータ26の凹部に、上記塗料やペースト材を塗布、スプレまたは充填等することにより、断熱材32を容易に形成することができるからである。セラミックス材を含有する塗料には、例えば、スーペリアプロダクト(Superior Product)社製のスーパーサーム(SUPER THERM)やエンヴァイロトロール(Envirotrol)社製のセラミックカバーCC100等を用いることができる。勿論、断熱材32には、セラミックファイバで成形された成形品や、多孔質セラミックス材等を用いてもよく、上記塗料やペースト材等に限定されることはない。   The heat insulating material 32 is preferably formed using a paint or paste material containing a ceramic material. This is because the heat insulating material 32 can be easily formed by applying, spraying, or filling the coating material or the paste material into the concave portion of the separator 26 that forms the cooling medium flow path 30. As the paint containing the ceramic material, for example, SUPER THERM manufactured by Superior Product, ceramic cover CC100 manufactured by Envirotrol, or the like can be used. Of course, the heat insulating material 32 may be a molded product formed of ceramic fiber, a porous ceramic material, or the like, and is not limited to the paint or paste material.

断熱材32は、図2に示すように、冷却媒体流路30のセパレータ26側に配置することが好ましい。端部セル14で生じた熱は、膜電極接合体(MEA)24のガス拡散層22から凹凸状に成形されたセパレータ26の凹部を通って冷却媒体に流入するため、断熱材32をセパレータ26側に配置することにより、冷却媒体への熱の流入を抑えることができるからである。それにより、端部セル14で生じた熱を、より多くガス流路28に流入させることでガス流路28内の燃料ガスや空気の温度を上昇させて、系外への生成水の持ち去り量を更に向上させることができる。また、凹凸状に成形されたセパレータ26の凸部は、集電板16に接触しているため、端部セル14で生じた熱は、セパレータ26の凸部から集電板16に流れて放熱される。そのため、燃料電池を高電流密度で発電させる場合にも、端部セル14の放熱ルートは確保されているため、端部セル14の過加熱状態が抑制される。   As shown in FIG. 2, the heat insulating material 32 is preferably disposed on the separator 26 side of the cooling medium flow path 30. The heat generated in the end cell 14 flows into the cooling medium from the gas diffusion layer 22 of the membrane electrode assembly (MEA) 24 through the concave portion of the separator 26 formed into an uneven shape. This is because the heat flow into the cooling medium can be suppressed by disposing it on the side. As a result, more heat generated in the end cell 14 flows into the gas flow path 28 to increase the temperature of the fuel gas and air in the gas flow path 28, and the generated water is taken out of the system. The amount can be further improved. Moreover, since the convex part of the separator 26 formed into an uneven shape is in contact with the current collector plate 16, the heat generated in the end cell 14 flows from the convex part of the separator 26 to the current collector plate 16 to dissipate heat. Is done. For this reason, even when the fuel cell generates power at a high current density, the heat dissipation route of the end cell 14 is secured, and thus the overheating state of the end cell 14 is suppressed.

冷却媒体流路30を形成するセパレータ26の凹部に断熱材32を形成する場合には、セパレータ26の凹部に、上述したセラミックス材を含有する塗料やペースト材を充填して形成させることができる。セラミックス材を含有する塗料やペースト材の充填方法は、一般的な、塗料やペースト材の充填方法を用いることができる。例えば、セパレータ26の凹部に、上記塗料やペースト材等を充填した後、常温または所定の温度で乾燥等させることによりセパレータ26の凹部に断熱材32を埋め込むことができる。また、多孔質セラミックス材等を断熱材32として用いる場合には、接着剤等の接合材でセパレータ26の凹部に接合して、断熱材32を形成することができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ26の凹部に断熱材32を形成する方法は、上記方法に限定されることはない。   When the heat insulating material 32 is formed in the concave portion of the separator 26 that forms the cooling medium flow path 30, the concave portion of the separator 26 can be filled with the above-described paint or paste material containing the ceramic material. As a filling method of the paint or paste material containing the ceramic material, a general filling method of the paint or paste material can be used. For example, the heat insulating material 32 can be embedded in the concave portion of the separator 26 by filling the concave portion of the separator 26 with the paint, paste material, or the like and then drying at a normal temperature or a predetermined temperature. Further, when a porous ceramic material or the like is used as the heat insulating material 32, the heat insulating material 32 can be formed by bonding to the concave portion of the separator 26 with a bonding material such as an adhesive. Of course, depending on other conditions, the method of forming the heat insulating material 32 in the recess of the separator 26 is not limited to the above method.

また、断熱材32を、冷却媒体流路30の表面に被覆してもよい。図3は、断熱材32を冷却媒体流路30の表面に被覆した構成を示す図である。冷却媒体流路30を形成する凹凸状に成形されたセパレータ26の凹部に、上述したセラミックス材を含有する塗料等を塗布することにより断熱材32を被覆することができる。セラミックス材を含有する塗料やペースト材の被覆方法は、一般的な、塗料やペースト材のコーティング方法、例えば、スプレ法や塗布法等を用いることができる。そして、セパレータ26の凹部に、上記塗料やペースト材等をスプレ等した後、常温または所定の温度で乾燥等させることによりセパレータ26の凹部に断熱材32を被覆することができる。勿論、他の条件次第では、断熱材32の被覆方法は、上記被覆方法に限定されることはない。   Further, the surface of the cooling medium flow path 30 may be covered with the heat insulating material 32. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration in which the surface of the cooling medium flow path 30 is covered with the heat insulating material 32. The heat insulating material 32 can be covered by applying the above-described coating material containing the ceramic material to the concave portions of the separator 26 that is formed in the uneven shape forming the cooling medium flow path 30. As a coating method of a paint or paste material containing a ceramic material, a general coating method of a paint or paste material, for example, a spray method or a coating method can be used. And after spraying the said coating material, paste material, etc. to the recessed part of the separator 26, it is possible to coat | cover the heat insulating material 32 to the recessed part of the separator 26 by drying etc. at normal temperature or predetermined temperature. Of course, depending on other conditions, the coating method of the heat insulating material 32 is not limited to the above coating method.

断熱材32は、冷却媒体流路30の集電板16側に設けることができる。図4は、断熱材32を冷却媒体流路30の集電板16側に配置した構成を示す図である。集電板16には溝31が形成されており、断熱材32は、例えば、集電板16の溝31に設けることができる。冷却媒体流路30の集電板16側に断熱材32を設けることにより、冷却媒体流路30を流れる冷却媒体の温度が集電板16の温度より高い場合において、冷却媒体から集電板16に流れる熱を抑えることができるからである。また、断熱材32を冷却媒体流路30の集電板16側に設ける場合には、上述した、セラミックス材を含有する塗料やペースト材の充填方法や被覆方法を用いて断熱材32を集電板16側に設けることができる。勿論、他の条件次第では、集電板16側に断熱材32を形成する方法は、上記方法に限定されることはない。   The heat insulating material 32 can be provided on the current collecting plate 16 side of the cooling medium flow path 30. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration in which the heat insulating material 32 is disposed on the current collecting plate 16 side of the cooling medium flow path 30. A groove 31 is formed in the current collector plate 16, and the heat insulating material 32 can be provided in the groove 31 of the current collector plate 16, for example. By providing the heat insulating material 32 on the side of the current collecting plate 16 of the cooling medium flow path 30, when the temperature of the cooling medium flowing through the cooling medium flow path 30 is higher than the temperature of the current collecting plate 16, It is because the heat which flows into can be suppressed. Further, when the heat insulating material 32 is provided on the current collecting plate 16 side of the cooling medium flow path 30, the heat insulating material 32 is collected using the above-described filling method or coating method of the paint or paste material containing the ceramic material. It can be provided on the plate 16 side. Of course, depending on other conditions, the method of forming the heat insulating material 32 on the current collector plate 16 side is not limited to the above method.

断熱材32の大きさ、例えば、断熱材32の厚み等は、断熱材32の断熱能力や冷却媒体の冷却能力等により定めることができる。   The size of the heat insulating material 32, such as the thickness of the heat insulating material 32, can be determined by the heat insulating capacity of the heat insulating material 32, the cooling capacity of the cooling medium, or the like.

断熱材32の熱伝導率がより小さく、断熱能力がより高い場合には、断熱材32の厚みは、より小さくなるように定められる。断熱材32の厚みを大きくすると、端部セル14を冷却する能力が低下し、例えば、燃料電池を高電流密度発電で稼動する場合に、端部セル14の内部温度が過剰に高くなる場合があるからである。このような場合には、例えば、上述したように、断熱材32を、冷却媒体流路30の表面に被覆することができる。   When the heat conductivity of the heat insulating material 32 is smaller and the heat insulating capacity is higher, the thickness of the heat insulating material 32 is determined to be smaller. When the thickness of the heat insulating material 32 is increased, the ability to cool the end cell 14 is reduced. For example, when the fuel cell is operated with high current density power generation, the internal temperature of the end cell 14 may become excessively high. Because there is. In such a case, for example, as described above, the heat insulating material 32 can be coated on the surface of the cooling medium flow path 30.

そして、断熱材32の熱伝導率がより大きく、断熱能力がより低い場合には、断熱材32の厚みは、より大きくなるように定められる。断熱材32の厚みを小さくすると、端部セル14で生じた熱が冷却媒体に多く流入し、端部セル14の内部温度が低下してガス流路28に生成水が残留する場合があるからである。このような場合には、例えば、上述したように、断熱材32を、冷却媒体流路30に充填することができる。   And when the heat conductivity of the heat insulating material 32 is larger and the heat insulating capacity is lower, the thickness of the heat insulating material 32 is determined to be larger. When the thickness of the heat insulating material 32 is reduced, a large amount of heat generated in the end cell 14 flows into the cooling medium, the internal temperature of the end cell 14 is lowered, and the generated water may remain in the gas flow path 28. It is. In such a case, for example, as described above, the cooling medium channel 30 can be filled with the heat insulating material 32.

冷却媒体の流量がより多く、冷却媒体の冷却能力がより高い場合には、断熱材32の厚みは、より小さくなるように定められる。断熱材32の厚みを大きくすると、上述したように、端部セル14を冷却する能力が低下し、例えば、燃料電池を高電流密度発電で稼動する場合に、端部セル14の内部温度が過剰に高くなる場合があるからである。   When the flow rate of the cooling medium is higher and the cooling capacity of the cooling medium is higher, the thickness of the heat insulating material 32 is determined to be smaller. When the thickness of the heat insulating material 32 is increased, as described above, the ability to cool the end cell 14 is reduced. For example, when the fuel cell is operated at high current density power generation, the internal temperature of the end cell 14 is excessive. It is because it may become high.

そして、冷却媒体の流量がより少なく、冷却能力がより低い場合には、断熱材32の厚みは、より大きくなるように定められる。断熱材32の厚みを小さくすると、上述したように、端部セル14で生じた熱が、冷却媒体に多く流入し、端部セル14の内部温度が低下するからである。   When the flow rate of the cooling medium is smaller and the cooling capacity is lower, the thickness of the heat insulating material 32 is determined to be larger. When the thickness of the heat insulating material 32 is reduced, as described above, a large amount of heat generated in the end cell 14 flows into the cooling medium, and the internal temperature of the end cell 14 decreases.

なお、上記構成では、端部セル14と集電板16との間に設けられた冷却媒体流路30に断熱材32を設けたが、更に、端部セル14と、端部セル14に隣接して積層される単セル12との間に設けられる冷却媒体流路に上述した断熱材32を設けるようにしてもよい。   In the above configuration, the heat insulating material 32 is provided in the cooling medium flow path 30 provided between the end cell 14 and the current collector plate 16, but is further adjacent to the end cell 14 and the end cell 14. The above-described heat insulating material 32 may be provided in the cooling medium flow path provided between the single cells 12 stacked.

上記構成によれば、セパレータの凹部と集電板とで形成される冷却媒体流路に断熱材を設けることで、端部セルで生じる熱が冷却媒体に流れるのを抑制でき、スタックをより大型化することなく端部セルからの放熱を抑制することができる。それにより、燃料電池におけるフラディングや生成水の凍結によるセル劣化、起動遅延等を抑えることができる。また、特に、アノード側における水素の欠乏、セル電圧落ち、水素の欠乏による触媒劣化等を抑えることができる。   According to the above configuration, by providing the heat insulating material in the cooling medium flow path formed by the concave portion of the separator and the current collector plate, heat generated in the end cells can be suppressed from flowing to the cooling medium, and the stack can be made larger. The heat radiation from the end cell can be suppressed without becoming. Thereby, it is possible to suppress cell deterioration, start-up delay, and the like due to flooding in the fuel cell and freezing of generated water. In particular, it is possible to suppress hydrogen depletion on the anode side, cell voltage drop, catalyst deterioration due to hydrogen depletion, and the like.

上記構成によれば、集電板に冷却媒体流路を形成する溝を設けることにより、冷却媒体流路に断熱材を設けた場合においても、断熱材が配置された冷却媒体流路を流れる冷却媒体の圧力損失を抑えることができる。   According to the above configuration, by providing the current collector plate with the groove for forming the cooling medium flow path, the cooling flowing through the cooling medium flow path in which the heat insulating material is disposed even when the heat insulating material is provided in the cooling medium flow path. The pressure loss of the medium can be suppressed.

上記構成によれば、断熱材をセラミックス材料で形成することにより、耐腐食性をより向上させることができる。   According to the said structure, corrosion resistance can be improved more by forming a heat insulating material with a ceramic material.

本発明の実施の形態において、燃料電池に備えられるスタックの構成を示す図である。In embodiment of this invention, it is a figure which shows the structure of the stack with which a fuel cell is equipped. 本発明の実施の形態において、集電板が設けられた端部セルの断面を示す図である。In embodiment of this invention, it is a figure which shows the cross section of the edge part cell in which the current collecting plate was provided. 本発明の実施の形態において、断熱材を冷却媒体流路の表面に被覆した構成を示す図である。In embodiment of this invention, it is a figure which shows the structure which coat | covered the surface of the cooling medium flow path with the heat insulating material. 本発明の実施の形態において、断熱材を冷却媒体流路の集電板側に配置した構成を示す図である。In embodiment of this invention, it is a figure which shows the structure which has arrange | positioned the heat insulating material to the current collecting plate side of a cooling medium flow path.

符号の説明Explanation of symbols

10 スタック、12 単セル、14 端部セル、16 集電板、18 電解質膜、20 触媒層、22 ガス拡散層、24 膜電極接合体、26 セパレータ、28 ガス流路、30 冷却媒体流路、31 溝、32 断熱材。   10 stacks, 12 single cells, 14 end cells, 16 current collector plate, 18 electrolyte membrane, 20 catalyst layer, 22 gas diffusion layer, 24 membrane electrode assembly, 26 separator, 28 gas flow channel, 30 cooling medium flow channel, 31 groove, 32 heat insulating material.

Claims (6)

複数の単セルを積層したスタックと、
スタックの両端に設けられた集電板と、
を備え、
スタックの両端に置かれた端部セルは、凹凸状のセパレータを有し、
セパレータと集電板との間に、セパレータの凹部と集電板とで形成された冷却媒体流路を有する燃料電池であって、
冷却媒体流路に、断熱材が設けられることを特徴とする燃料電池。
A stack of multiple single cells,
Current collectors provided at both ends of the stack;
With
The end cells placed at both ends of the stack have uneven separators,
A fuel cell having a cooling medium flow path formed by a recess of the separator and a current collector plate between the separator and the current collector plate,
A fuel cell, characterized in that a heat insulating material is provided in the cooling medium flow path.
請求項1に記載の燃料電池であって、
集電板に、冷却媒体流路を形成する溝が設けられることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1,
A fuel cell, wherein a current collector plate is provided with a groove for forming a cooling medium flow path.
請求項1または2に記載の燃料電池であって、
断熱材は、セラミックス材料で形成されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell, wherein the heat insulating material is formed of a ceramic material.
請求項1から3のいずれか1に記載の燃料電池であって、
断熱材は、集電板側に配置されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell, wherein the heat insulating material is disposed on the current collecting plate side.
請求項1から3のいずれか1に記載の燃料電池であって、
断熱材は、セパレータ側に配置されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell, wherein the heat insulating material is disposed on the separator side.
請求項1から5のいずれか1に記載の燃料電池であって、
断熱材は、冷却媒体流路の表面に被覆されることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell, wherein the heat insulating material is coated on a surface of the cooling medium flow path.
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DE102017105464A1 (en) * 2017-03-15 2018-09-20 Proton Motor Fuel Cell Gmbh Current collector plates with fluid flow field for fuel cells

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