JP2008135188A

JP2008135188A - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP2008135188A
Application number: JP2005025432A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Kondo; 政彰近藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2008-06-12
Also published as: WO2006082911A1

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack capable of absorbing, trapping and removing impurities from fluid, and, preferably, capable of retaining the impurities once absorbed or trapped. <P>SOLUTION: (1) The fuel cell stack 23 contains a pair of separators 18 equipped with cell modules 19 and impurity trapping modules 50, the latter 50 in conductivity with each other at least at a part of opposed faces, and impurity removal bodies 51 fitted in a gap between the pair of separators for removing impurities from the fluid. (2) One impurity trapping module 50 is provided at a fluid supply-side end part of the fuel cell stack. (3) The other impurity trapping module 50 is provided at an end part opposite to the fluid supply-side end part of the fuel cell stack. (4) The impurity removal body is ion exchange resin. (5) The impurity removal body 51 traps impurities and retains the impurities trapped. (6) The impurity trapping module 50 has almost the same pressure loss as the cell module 19. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池（セル）のスタックに関する。 The present invention relates to a stack of fuel cells (cells).

固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを積層したものから構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。セパレータは、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を有するとともに、冷媒を流すための冷媒流路を有する。ＭＥＡとセパレータとの間には拡散層が設けられる。１以上のセルを積層してセルモジュールを構成し、セルモジュールを積層してモジュール群とし、モジュール群の積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、両端のエンドプレートをモジュール積層体の外側でモジュール積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート、テンションボルトなど）に締結し、モジュール積層体にモジュール積層方向に締め付け荷重を付与して、燃料電池スタックを構成する。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層体一端のセルのアノードで生じた電子が外部回路を通ってセル積層体他端のセルのカソードに流れてくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
電解質膜中を水素イオンが移動するためには電解質膜が適度に湿潤していることが必要であり、反応ガスを適度に加湿してセル積層体に供給する他、上記発電反応で生成した水を電解質膜の湿潤に利用している。 A solid polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is configured by stacking a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator. The MEA includes an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) made of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an electrode made of a catalyst layer placed on the other surface of the electrolyte membrane (cathode, air). Poles). The separator has a fluid passage for supplying a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the anode and the cathode, and a refrigerant passage for flowing a refrigerant. A diffusion layer is provided between the MEA and the separator. One or more cells are stacked to form a cell module, the cell modules are stacked to form a module group, terminals, insulators, and end plates are arranged at both ends of the module group in the stacking direction, and the end plates at both ends are stacked into the module stack. Are fastened to fastening members (for example, tension plates, tension bolts, etc.) extending in the module stacking direction outside, and a tightening load is applied to the module stack in the module stacking direction to constitute a fuel cell stack.
In a solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side, the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen, hydrogen ions and electrons (adjacent to the cathode side). Generated from the anode of the MEA through the separator, or the electron generated at the anode of the cell at one end of the cell stack flows to the cathode of the cell at the other end of the cell stack) The reaction is performed.
Anode side: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
Cathode side: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
In order for hydrogen ions to move in the electrolyte membrane, the electrolyte membrane needs to be moderately wet. In addition to supplying the cell stack with the reaction gas being appropriately humidified, the water generated by the above power generation reaction is used. Is used to wet the electrolyte membrane.

セルに供給される反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）および冷媒などの流体に不純物（配管系鉄錆、ポンプのフッ素系樹脂の磨耗粉などがガス流中に含まれる水分中でイオンとなっているものや、イオンとならないで異物となっているものなど〕が含まれていると、それらは燃料電池を劣化させる原因となる。たとえば、イオンが触媒に付着すると触媒性能を低下させたり、電解質膜中に入ると（プロトン移動に使われる分子中の手にイオンがついて）プロトンの膜中の移動を阻害し、燃料電池を劣化させる。 Impurities (plumbing system iron rust, pump fluororesin abrasion powder, etc.) become ions in the water contained in the gas flow in the reaction gas (fuel gas, oxidizing gas) and refrigerant fluid supplied to the cell If they are attached to the catalyst, the performance of the catalyst may be reduced or the electrolyte may be reduced. When entering the membrane (with ions in the hands of the molecules used for proton transfer), the protons are blocked from moving in the membrane, degrading the fuel cell.

特開２００１−３５５１９号公報は、セルに供給される冷却水を清浄に保つために、冷却水系で燃料電池スタック外に、イオン交換樹脂を装備したものを開示している。しかし、冷却水系のイオンを除去しても反応ガス中の加湿水中のイオンは低減されない、不純物除去装置が燃料電池スタックに直列に設けられているので、冷却水の全量が不純物除去装置を通過し、流れの圧損を増加させてしまうこと、などの問題がある。
特開２００３−３３８３０５号公報は、セルに供給されるガスに含まれる不純物を低減するために、かつ不純物の低減をスタックで行うようにするために、燃料電池スタックの端部に電解質膜を有さないセル（ダミーセル）を設け、ダミーセルのガス流路に不純物を蓄積させ、不純物を低減するようにした燃料電池スタック構造を開示している。
特開２００３−３３８３０５号公報 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-35519 discloses a cooling water system equipped with an ion exchange resin outside the fuel cell stack in order to keep the cooling water supplied to the cell clean. However, removing ions from the cooling water system does not reduce the ions in the humidified water in the reaction gas. Since an impurity removal device is provided in series with the fuel cell stack, the entire amount of cooling water passes through the impurity removal device. There are problems such as increasing the pressure loss of the flow.
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-338305 has an electrolyte membrane at the end of a fuel cell stack in order to reduce impurities contained in the gas supplied to the cell and to reduce impurities in the stack. A fuel cell stack structure is disclosed in which a non-performing cell (dummy cell) is provided, impurities are accumulated in the gas flow paths of the dummy cells, and the impurities are reduced.
JP 2003-338305 A

しかし、特開２００３−３３８３０５号公報の不純物低減構成には、なお、つぎの問題があった。
（イ）上記の不純物低減構成は、積極的に不純物をとるものではないので、不純物の低減に限度があり、さらなる流体の純度の向上が望まれていた。
（ロ）上記の不純物低減構成は、蓄積した不純物を積極的に保持するものではないので、いったん蓄積した不純物が流体の流れに乗って再度流れて燃料電池に循環することがある。
本発明の目的は、流体から不純物を積極的に吸着または捕捉して除去でき、望ましくはいったん吸着または捕捉した不純物を保持できる、燃料電池スタックを提供することにある。 However, the impurity reduction configuration of Japanese Patent Laid-Open No. 2003-338305 still has the following problems.
(A) Since the above impurity reduction configuration does not actively take impurities, there is a limit to the reduction of impurities, and further improvement in the purity of the fluid has been desired.
(B) Since the above impurity reduction configuration does not actively retain accumulated impurities, the accumulated impurities may flow once again on the fluid flow and circulate in the fuel cell.
An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can positively adsorb or remove impurities from a fluid and desirably retain impurities once adsorbed or trapped.

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）ガス流路を有するセルモジュールと、
前記ガス流路と連通する空所を内部に有し、流体から不純物を除去する不純物除去体が前記空所内に設けられた不純物トラップモジュールと、
を具備する燃料電池スタック。
（２）セルモジュールと、
不純物トラップモジュールと、
を有し、
前記不純物トラップモジュールが、
互いに対向して間に隙間を形成し、対向面の少なくとも一部で互いに導通している一対のセパレータと、
前記一対のセパレータの間の前記隙間に設けられ、流体から不純物を除去する不純物除去体と、
を含む燃料電池スタック。
（３）前記不純物トラップモジュールが、燃料電池スタックの流体供給側端部に設けられている（１）または（２）記載の燃料電池スタック。
（４）前記不純物トラップモジュールが、燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側端部に設けられている（１）または（２）記載の燃料電池スタック。
（５）前記不純物トラップモジュールが、燃料電池スタックの流体供給側端部と、燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側端部に設けられている（１）または（２）記載の燃料電池スタック。
（６）前記不純物除去体が、イオン交換樹脂である（１）または（２）記載の燃料電池スタック。
（７）前記不純物除去体が、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するものである（１）または（２）記載の燃料電池スタック。
（８）前記不純物除去体が、イオン交換樹脂と、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するものとを含む（１）または（２）記載の燃料電池スタック。
（９）前記不純物除去体が、イオン交換樹脂と、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するものとを含み、イオン交換樹脂から構成された不純物除去体を有する不純物トラップモジュールが燃料電池スタックの流体供給側端部に設けられ、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するものから構成された不純物除去体を有する不純物トラップモジュールが燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側の端部に設けられている（１）または（２）記載の燃料電池スタック。
（１０）前記不純物トラップモジュールは、前記セルモジュールとほぼ同じ圧損をもつ（１）または（２）記載の燃料電池スタック。 The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) a cell module having a gas flow path;
An impurity trap module in which a void communicating with the gas flow path is provided, and an impurity removing body for removing impurities from the fluid is provided in the void;
A fuel cell stack comprising:
(2) Cell module,
An impurity trap module;
Have
The impurity trap module is
A pair of separators that are opposed to each other, form a gap therebetween, and are electrically connected to each other on at least a part of the opposing surface;
An impurity remover that is provided in the gap between the pair of separators and removes impurities from the fluid;
Including fuel cell stack.
(3) The fuel cell stack according to (1) or (2), wherein the impurity trap module is provided at a fluid supply side end of the fuel cell stack.
(4) The fuel cell stack according to (1) or (2), wherein the impurity trap module is provided at an end opposite to the fluid supply side end of the fuel cell stack.
(5) The fuel cell according to (1) or (2), wherein the impurity trap module is provided at a fluid supply side end of the fuel cell stack and an end opposite to the fluid supply side of the fuel cell stack. stack.
(6) The fuel cell stack according to (1) or (2), wherein the impurity removing body is an ion exchange resin.
(7) The fuel cell stack according to (1) or (2), wherein the impurity removing body captures impurities and holds the captured impurities.
(8) The fuel cell stack according to (1) or (2), wherein the impurity remover includes an ion exchange resin and a substance that captures and captures impurities.
(9) The impurity trap module includes an ion exchange resin and an impurity trapping and holding the trapped impurity, and the impurity trap module having the impurity remover composed of the ion exchange resin is a fluid of the fuel cell stack. An impurity trap module having an impurity removing body provided at the supply side end portion and configured to capture impurities and hold the trapped impurities is provided at the end opposite to the fluid supply side end portion of the fuel cell stack. The fuel cell stack according to (1) or (2).
(10) The fuel cell stack according to (1) or (2), wherein the impurity trap module has substantially the same pressure loss as the cell module.

上記（１）、（２）の燃料電池スタックによれば、スタックが不純物トラップモジュールを有し、不純物トラップモジュールが流体から不純物を除去する不純物除去体を有するので、従来のダミーセルのように流体流路に不純物を蓄積、沈殿させるものに比べて、より積極的に流体から不純物を、吸着または捕捉して、除去できる。
また、不純物除去体に、不純物を保持できるものを用いることにより、いったん吸着または捕捉した不純物が再び流れに流出して燃料電池に流れることを防止できる。
上記（３）の燃料電池スタックによれば、不純物トラップモジュールが燃料電池スタックの流体供給側端部に設けられているので、不純物トラップモジュールは、イオンを選択的にかつ効率よく除去できる。イオンは、スタックの流体供給側端のセルか流体供給側端から２〜３セルのセルを、選択的に劣化させる傾向にあるが（ガス流中に含まれる水分はマニホールドを通過する端部のセルか端部から２〜３セルのセルを通過する間にセル面内流路に落下するため、水分に混入しているイオンも、端部のセルか端部から２〜３セルのセルのセル面内ガス流路に流入し、そのセルを劣化させるため）、スタックの流体供給側端部に不純物トラップモジュールを配置したことにより、イオンを選択的にかつ効率よく除去できる。
上記（４）の燃料電池スタックによれば、不純物トラップモジュールが燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側端部に設けられているので、不純物トラップモジュールは、流体中の異物を選択的にかつ効率よく除去できる。異物は、流体供給側端部と反対側端部のセルか流体供給側端部と反対側端から２〜３セルのセルを、選択的に劣化させる傾向にあるが（ガス流中に含まれる異物はマニホールド中を流体供給側端部と反対側端まで流れ、流体供給側端部と反対側端のセルか該端部から２〜３セルのセルのセル面内ガス流路に流入し、そのセルを劣化させるため）、燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側端部に不純物トラップモジュールを配置したことにより、異物を選択的にかつ効率よく除去できる。
上記（５）の燃料電池スタックによれば、不純物トラップモジュールが、燃料電池スタックの流体供給側端部と、燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側端部に設けられているので、燃料電池スタックの流体供給側端部の不純物トラップモジュールがガス流中の水分に混入しているイオンを選択的にかつ効率よく除去し、燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側端部の不純物トラップモジュールがガス流中の異物を選択的にかつ効率よく除去する。これによって、イオンと異物の両方を除去できる。
上記（６）の燃料電池スタックによれば、不純物除去体がイオン交換樹脂であるので、ガス流中の水分に含まれるイオンがイオン交換によりイオン交換樹脂に積極的に吸着されかつ保持される。保持も行われるので、いったん吸着されたイオンが再び流れだしてセルに循環することが抑制される。その結果、純度の高い反応ガスの供給が可能となる。イオンを吸着、保持して吸着能が低下した不純物除去体は新しいイオン交換樹脂に交換される。
上記（７）の燃料電池スタックによれば、不純物除去体が、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布や通気性ペーパ）であるので、ガス流中の異物が積極的に捕捉されかつ保持される。保持も行われるので、いったん捕捉されたイオンが再び流れだしてセルに循環することが抑制される。その結果、純度の高い反応ガスの供給が可能となる。異物を捕捉、保持して捕捉能が低下した不純物除去体は新しい不純物除去体に交換される。
上記（８）の燃料電池スタックによれば、不純物除去体が、イオン交換樹脂と、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するものとを含むので、ガス流中の水分に混入しているイオンはイオン交換樹脂によって吸着、保持され、ガス流中に含まれている異物は、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するものによって、捕捉、保持される。その結果、イオンも異物もほとんど含まない、純度の高い反応ガスの供給が可能となる。
上記（９）の燃料電池スタックによれば、イオン交換樹脂から構成された不純物除去体を有する不純物トラップモジュールが燃料電池スタックの流体供給側端部に設けられ、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するものから構成された不純物除去体を有する不純物トラップモジュールが燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側の端部に設けられているので、スタックの流体供給側端部のトラップモジュールを流れやすいイオンをイオン交換樹脂によって効果的に除去でき、スタックの流体供給側端部と反対側端のトラップモジュールを流れやすい異物を不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するものによって効果的に除去できる。
上記（１０）の燃料電池スタックによれば、不純物トラップモジュールは、セルモジュールとほぼ同じ圧損をもつので、セルモジュールと並列配置されたトラップモジュールに流れる流量を各セルモジュールを流れる流量とほぼ同じにすることができる。その結果、トラップモジュールに流れ過ぎてセルモジュールの流量が減少して発電性能が低下することを防止できるとともに、トラップモジュールの流れが少な過ぎて不純物除去性能が低下することを防止できる。 According to the fuel cell stacks of (1) and (2) above, the stack has an impurity trap module, and the impurity trap module has an impurity remover that removes impurities from the fluid. Impurities can be more actively adsorbed or trapped from the fluid and removed than those that accumulate and precipitate impurities in the channel.
Further, by using an impurity removing member that can retain impurities, it is possible to prevent impurities once adsorbed or trapped from flowing out into the flow and flowing into the fuel cell.
According to the fuel cell stack of (3) above, since the impurity trap module is provided at the fluid supply side end of the fuel cell stack, the impurity trap module can selectively and efficiently remove ions. Ions tend to selectively degrade either the cells at the fluid supply end of the stack or a few cells from the fluid supply end (moisture contained in the gas stream is at the end of the gas flow through the manifold). Since it falls into the flow channel in the cell plane while passing the cell of 2 to 3 cells from the end of the cell, the ions mixed in the moisture are also in the cell of 2 to 3 cells from the end of the cell. By introducing the impurity trap module at the fluid supply side end of the stack, ions can be selectively and efficiently removed to flow into the in-cell gas flow path and deteriorate the cell.
According to the fuel cell stack of (4) above, since the impurity trap module is provided at the end opposite to the fluid supply side end of the fuel cell stack, the impurity trap module selectively removes foreign matter in the fluid. And can be removed efficiently. Foreign matter tends to selectively degrade the cells at the end opposite to the fluid supply side or from the end opposite to the fluid supply end, but 2-3 cells (included in the gas flow) The foreign matter flows through the manifold to the end opposite to the fluid supply side end, and flows into the cell on the side opposite to the fluid supply side end or into the in-cell gas channel of the cell of 2 to 3 cells from the end, In order to deteriorate the cell), the foreign substance can be selectively and efficiently removed by disposing the impurity trap module at the end opposite to the fluid supply side end of the fuel cell stack.
According to the fuel cell stack of the above (5), the impurity trap module is provided at the fluid supply side end of the fuel cell stack and the end opposite to the fluid supply side of the fuel cell stack. The impurity trap module at the end of the fluid supply side of the battery stack selectively and efficiently removes ions mixed in moisture in the gas stream, and the impurity at the end opposite to the end of the fuel cell stack from the fluid supply side The trap module selectively and efficiently removes foreign substances in the gas flow. Thereby, both ions and foreign substances can be removed.
According to the fuel cell stack of (6) above, since the impurity removing body is an ion exchange resin, ions contained in moisture in the gas stream are positively adsorbed and held by the ion exchange resin by ion exchange. Since holding is also performed, ions once adsorbed are prevented from flowing again and circulating to the cell. As a result, it is possible to supply a reaction gas with high purity. Impurity-removed bodies that have adsorbed and retained ions and have reduced adsorption capacity are replaced with new ion exchange resins.
According to the fuel cell stack of the above (7), since the impurity removing body captures impurities and holds the trapped impurities (for example, nonwoven fabric or breathable paper), foreign matter in the gas flow is positively Captured and retained. Since the holding is also performed, the ions once trapped are prevented from flowing again and circulating to the cell. As a result, it is possible to supply a reaction gas with high purity. Impurity-removed bodies whose trapping ability has been reduced by capturing and holding foreign substances are replaced with new impurity-removed bodies.
According to the fuel cell stack of the above (8), since the impurity removing body includes an ion exchange resin and a substance that captures and retains the impurities, the ions mixed in the moisture in the gas flow are The foreign matter adsorbed and held by the ion exchange resin and contained in the gas flow is trapped and held by the trapped impurity and holding the trapped impurity. As a result, it is possible to supply a high-purity reaction gas containing almost no ions or foreign substances.
According to the fuel cell stack of (9) above, an impurity trap module having an impurity remover made of ion exchange resin is provided at the fluid supply side end of the fuel cell stack to capture and retain the captured impurity Since the impurity trap module having the impurity removing body constituted by the component is provided at the end opposite to the fluid supply side end of the fuel cell stack, it easily flows through the trap module at the fluid supply side end of the stack. Ions can be effectively removed by the ion exchange resin, and foreign substances that easily flow through the trap module at the opposite end of the stack to the fluid supply side can be effectively removed by trapping impurities and holding the trapped impurities.
According to the fuel cell stack of (10) above, since the impurity trap module has almost the same pressure loss as the cell module, the flow rate flowing through the trap module arranged in parallel with the cell module is almost the same as the flow rate through each cell module. can do. As a result, it is possible to prevent the flow rate of the cell module from flowing too much to the trap module and reducing the power generation performance, and it is possible to prevent the impurity removal performance from being lowered due to too little flow of the trap module.

以下に、本発明の燃料電池スタックを、図１〜図８を参照して、説明する。
本発明の燃料電池スタックに適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。燃料電池（セル）１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図７、図８に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と電解質膜１１の一面に配置された触媒層からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる。セパレータ１８には、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６が形成されている。ＭＥＡとセパレータ１８との間には、アノード側に拡散層１３が、カソード側に拡散層１６が設けられる。ＭＥＡとセパレータ１８を重ねてセルを形成し、該セルを少なくとも１層積層してセルモジュール１９を構成し、セルモジュール１９を積層してセル積層体（モジュール積層体といってもよい）とし、セル積層体のセル積層方向適宜の部位に（たとえば、流体供給側端、流体供給側端と反対側端、セル積層体の中間の部位、の少なくとも１つの部位に）、後述する、発電に寄与しない不純物トラップモジュール５０を配置する。そして、不純物トラップモジュール５０を含めたセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、テンションボルトなど）にボルト２５・ナットで締結し、セル積層体にモジュール積層方向に締め付け荷重を付与して（たとえば、一端のエンドプレートとその内側のインシュレータとの間にプレッシャプレートを設け、一端のエンドプレートとプレッシャプレートとの間にばねを配置し、ばね力を調整してセル積層体にモジュール積層方向に締め付け荷重を付与する）、燃料電池スタック２３を構成する。 The fuel cell stack of the present invention will be described below with reference to FIGS.
The fuel cell applied to the fuel cell stack of the present invention is, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell (cell) 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
The solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18 as shown in FIGS. 1, 7, and 8. The MEA includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode 14 (anode, fuel electrode) made of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane 11, and an electrode 17 made of a catalyst layer placed on the other surface of the electrolyte membrane 11. (Cathode, air electrode). The separator 18 has gas passages 27, 28 (fuel gas passage 27, oxidation gas passage 28) for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) to the electrodes 14, 17, and A cooling water flow path 26 through which the cooling water for cooling the fuel cell flows is formed. Between the MEA and the separator 18, a diffusion layer 13 is provided on the anode side, and a diffusion layer 16 is provided on the cathode side. A cell is formed by stacking the MEA and the separator 18, and the cell module 19 is configured by stacking at least one layer of the cell. The cell module 19 is stacked to form a cell stack (may be referred to as a module stack). Contributes to power generation, which will be described later, at an appropriate portion of the cell stack in the cell stacking direction (for example, at least one of the fluid supply side end, the end opposite to the fluid supply side end, and the intermediate portion of the cell stack) Impurity trap module 50 is arranged. Then, terminals 20, insulators 21, and end plates 22 are arranged at both ends of the cell stack including the impurity trap module 50 in the cell stacking direction, and the end plates 22 at both ends are fastened to extend in the cell stacking direction outside the cell stack. Fasten to member 24 (for example, tension plate, tension bolt, etc.) with bolts 25 and nuts, and apply a tightening load to the cell stack in the module stacking direction (for example, between the end plate at one end and the insulator inside it) A pressure plate is provided, a spring is disposed between the end plate at one end and the pressure plate, and the spring force is adjusted to apply a tightening load to the cell stack in the module stacking direction), thereby forming the fuel cell stack 23 .

セル１０において、電解質膜１１は固体高分子膜のイオン交換膜からなり、湿潤状態で水素イオン（プロトン）が膜中を移動する。電解質膜１１は非導電性膜である。
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、電解質からなる。拡散層１３、１６はガス透過性を有しカーボン（Ｃ）からなる。
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを隔てるとともに、隣り合うセル間では、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
セパレータ１８は、ガス、水不透過性で、導電性を有する。セパレータ１８は、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含む）、または金属（メタル）、または導電性樹脂、の何れかからなる。 In the cell 10, the electrolyte membrane 11 is made of a solid polymer membrane ion exchange membrane, and hydrogen ions (protons) move through the membrane in a wet state. The electrolyte membrane 11 is a non-conductive membrane.
The catalyst layers 12 and 15 are made of platinum (Pt), carbon (C), and an electrolyte. The diffusion layers 13 and 16 have gas permeability and are made of carbon (C).
The separator 18 separates any one of the fuel gas and the oxidizing gas, the fuel gas and the cooling water, and the oxidizing gas and the cooling water. In addition, between the adjacent cells, an electric passage through which electrons flow from the anode to the cathode of the adjacent cells is provided. Forming.
The separator 18 is impermeable to gas and water and has conductivity. The separator 18 is usually made of either carbon (including the case of graphite), metal (metal), or conductive resin.

ＭＥＡの一側のセパレータに燃料ガス流路２７が形成されており、ＭＥＡの他側のセパレータに酸化ガス流路２８が形成されている。冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。図７の例では、１セル１０で１モジュール１９を構成しており、冷却水流路２６が、モジュール間に設けられている。また、セル１０のうち、ＭＥＡがありその両側に燃料ガス、酸化ガスが供給される部位は、燃料電池の発電部３４を構成している。 A fuel gas channel 27 is formed in the separator on one side of the MEA, and an oxidizing gas channel 28 is formed in the separator on the other side of the MEA. The cooling water channel 26 is provided for each cell or for each of a plurality of cells. In the example of FIG. 7, one cell 19 constitutes one module 19, and the cooling water flow path 26 is provided between the modules. Further, in the cell 10, the portion where the MEA is provided and the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to both sides thereof constitutes a power generation unit 34 of the fuel cell.

セパレータ１８は、通常、四角形状か、ほぼ四角形状を有する。ただし、セパレータ１８の形状は四角形に限るものではない。
ガス流路２７（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）は、複数の流路溝が並行する流路群、または溝状流路の幅内に複数の突起をもつ流路からなる。ガス流路は、仕切壁により、セパレータ面内方向に蛇行するように形成された流路、いわゆるサーペンタイン流路に形成されていてもよい。
セパレータ１８には、発電部３４を挟んで対向する端部に、冷却水マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１が形成されている。これらのマニホールド２９、３０、３１まわりは異種流体が混じり合わないように、互いにシールされている。ＭＥＡの両側のセパレータ間は、通常、接着剤３３でシールされ、隣り合うセル間は、通常、ガスケット３２でシールされる。図１において、マニホールド２９、３０、３１には、冷却水、燃料ガス、酸化ガスを供排する配管３６、３７、３８がそれぞれ接続されている。図１に示すように、冷却水、燃料ガス、酸化ガスは、燃料電池スタック２３のセル積層方向一端のエンドプレート２２の孔から給排されている。すなわち、流体供給側のスタック端と、流体排出側のスタック端とは、同じスタック端にある。流体（反応ガス、冷却水）は、スタック一端からスタックに流入し、各セル１０とトラップモジュール５０でＵターンし、流入側と同じスタック端から流出する。各セル１０とトラップモジュール５０とは、流路的には、互いに並列である。 The separator 18 usually has a rectangular shape or a substantially rectangular shape. However, the shape of the separator 18 is not limited to a quadrangle.
The gas flow path 27 (the fuel gas flow path 27 and the oxidizing gas flow path 28) includes a flow path group in which a plurality of flow path grooves are arranged in parallel, or a flow path having a plurality of protrusions within the width of the groove-shaped flow path. The gas flow path may be formed by a partition wall in a so-called serpentine flow path formed so as to meander in the in-plane direction of the separator.
In the separator 18, a cooling water manifold 29, a fuel gas manifold 30, and an oxidizing gas manifold 31 are formed at end portions facing each other with the power generation unit 34 interposed therebetween. These manifolds 29, 30, and 31 are sealed with each other so that different fluids do not mix with each other. The separators on both sides of the MEA are usually sealed with an adhesive 33, and the adjacent cells are usually sealed with a gasket 32. In FIG. 1, manifolds 29, 30, and 31 are connected to pipes 36, 37, and 38 for supplying and discharging cooling water, fuel gas, and oxidizing gas, respectively. As shown in FIG. 1, the cooling water, the fuel gas, and the oxidizing gas are supplied and discharged from the hole of the end plate 22 at one end of the fuel cell stack 23 in the cell stacking direction. That is, the stack end on the fluid supply side and the stack end on the fluid discharge side are at the same stack end. The fluid (reactive gas, cooling water) flows into the stack from one end of the stack, makes a U-turn at each cell 10 and the trap module 50, and flows out from the same stack end as the inflow side. Each cell 10 and the trap module 50 are parallel to each other in terms of flow paths.

配管３６、３７、３８は、ステンレス配管からなり、途中にバルブ、循環ポンプを有するので、錆（電解質から酸（フッ酸、硫酸）が微量溶けだすのでガス中の水分が酸性を帯びやすくステンレスであっても微量錆びる）や、軸受けやコーティング（樹脂の場合、フッ素を含むことが多い）の磨耗粉などが混入し、ガス中の水分（加湿ガスのため、また、水素系は一部が循環されるため生成水が循環するため、水分がある）や冷却水に混入して、イオン（たとえば、鉄イオンや、フッ素イオン）となっているとともに、異物となっている場合がある。セル１０は、イオンや異物からなる不純物を嫌う。 The pipes 36, 37, and 38 are made of stainless steel pipes, and have valves and circulation pumps in the middle, so rust (a small amount of acid (hydrofluoric acid, sulfuric acid) dissolves from the electrolyte, so the water in the gas is easily made acidic and is made of stainless steel. Even if there is a minute amount of rust), wear powder of bearings and coating (which often contains fluorine in the case of resin), etc. are mixed, moisture in the gas (due to humidified gas, and part of the hydrogen system circulates) Therefore, the generated water circulates, so that water is present) or mixed in the cooling water to become ions (for example, iron ions or fluorine ions) and may be foreign matters. The cell 10 dislikes impurities composed of ions and foreign matters.

発明者の試験において、不純物によるセルの被毒（発電性能低下）は、特定の部位にあるセル１０に集中して起こることが発見されている。
イオンの場合は、スタック２３のガス入り側の端部のセル１０またはガス入り側の端部から２〜３のセル１０が被毒しやすい。これはイオンを含む水分がマニホールドを通過中に始めの１〜３セルでセル流路に落下（またはガス流で流入）するからであると推察される。
また、イオンとなっていない異物の場合は、質量もイオンを含むミストに比べて大のため、慣性でマニホールド中をガス入り側の端部と反対側端のマニホールド終端まで流れ、ガス入り側の端部と反対側端のセルかそのセルに近い２〜３のセルのガス流路を通ってＵターンするので、ガス入り側の端部と反対側端のセルかそのセルに近い２〜３のセルが集中的に被毒される。 In the inventors' tests, it has been discovered that poisoning of cells due to impurities (decreased power generation performance) is concentrated on the cells 10 in a specific region.
In the case of ions, the cells 10 on the gas-filled end of the stack 23 or the two to three cells 10 from the gas-filled end are easily poisoned. This is presumed to be because moisture containing ions falls into the cell flow path (or flows in by a gas flow) in the first 1 to 3 cells while passing through the manifold.
In the case of foreign substances that are not ions, the mass is larger than that of mist containing ions, so the inertia flows through the manifold to the end of the manifold on the opposite side to the end of the gas-filled side. Since it makes a U-turn through the gas flow path of a cell on the opposite side to the end or a few cells close to the cell, a cell on the opposite side to the end on the gas side or a cell close to the cell Cells are poisoned intensively.

図１〜図６に示すように、スタック２３のセル１０の不純物による性能低下を防止または抑制するために、本発明の燃料電池スタック２３は、ガス流路を有するセルモジュール１０と、ガス流路と連通する空所５２を内部に有し、流体から不純物を除去する不純物除去体５１が空所５２内に設けられた不純物トラップモジュール５０とを具備する。
本発明の燃料電池スタック２３は、セルモジュール１０と、少なくとも１つの不純物トラップモジュール５０と、を有している。不純物トラップモジュール５０はセルモジュール１０と並列流路を形成するように設けられる。
不純物トラップモジュール５０は、互いに対向し、間に（一対のセパレータ間に）不純物除去体を配置する隙間５２を形成し、対向面の少なくとも一部で互いに電気的に導通している（５３が導通部を示す、導通部５３には電気絶縁材である接着剤が塗布されておらず一対のセパレータが面接触している）一対のセパレータ１８と、一対のセパレータ１８の間の隙間５２に設けられ、流体（水分を含むガス、冷却水）から不純物（イオンや、イオンとなっていない異物）を除去する不純物除去体（不純物除去体を不純物除去体材といってもよい）５１と、を含む。セルモジュール１９はＭＥＡを挟む一対のセパレータ１８は電解質膜１１と接着剤３３とで電気的に遮断されるが、不純物トラップモジュール５０は、一対のセパレータ１８は導通部５３で互いに導通している。この導通部５３がないと、スタック端部に設けられた不純物トラップモジュール５０はその両側のセルモジュール１９とターミナル２０とを電気的に遮断し燃料電池スタックが成立しなくなる。 As shown in FIGS. 1 to 6, in order to prevent or suppress performance degradation due to impurities in the cells 10 of the stack 23, the fuel cell stack 23 of the present invention includes a cell module 10 having a gas flow path, and a gas flow path. The impurity trap module 50 is provided with an impurity removal body 51 that has a void 52 communicating therewith and removes impurities from the fluid.
The fuel cell stack 23 of the present invention includes the cell module 10 and at least one impurity trap module 50. The impurity trap module 50 is provided so as to form a parallel flow path with the cell module 10.
The impurity trap modules 50 face each other, form a gap 52 in which an impurity removing body is disposed (between a pair of separators), and are electrically connected to each other on at least a part of the facing surface (53 is conductive). The conductive portion 53 is not provided with an adhesive, which is an electrical insulating material, and the pair of separators are in surface contact with each other) and the gap 52 between the pair of separators 18 is provided. An impurity remover (impurity remover may be referred to as an impurity remover material) 51 that removes impurities (ions or foreign substances that are not ions) from a fluid (water-containing gas, cooling water). . In the cell module 19, the pair of separators 18 sandwiching the MEA are electrically cut off by the electrolyte membrane 11 and the adhesive 33, but in the impurity trap module 50, the pair of separators 18 are electrically connected to each other by the conducting portion 53. Without the conducting portion 53, the impurity trap module 50 provided at the stack end portion electrically cuts off the cell module 19 and the terminal 20 on both sides of the impurity trap module 50, so that the fuel cell stack is not established.

不純物除去体５１の両側のセパレータ１８には流体流路２６、２７、２８（セル１０の流体流路２６、２７、２８と同じ流体が流れる流路）が形成されており、不純物トラップモジュール５０の流体流路２６、２７、２８を流れる間に、流体は不純物除去体５１と十分に接触して、流体中の不純物が不純物除去体５１に積極的に吸着または捕捉され、かつ保持されて、除去される。不純物トラップモジュール５０の流体流路２６、２７、２８は、スタック２３の流体マニホールド２９、３０、３１に、それぞれ、連通している。
図２、図４、図５に示すように、スタック２３の一端に１つの不純物トラップモジュール５０を設けられる場合は、１つの不純物トラップモジュール５０に、燃料ガスの不純物を除去する不純物除去体５１と、酸化ガスの不純物を除去する不純物除去体５１とが、同じセル面内で、配置部位を異ならせて設けられる。ただし、不純物トラップモジュール５０を２つ設け、１つのトラップモジュール５０のセル面に燃料ガスの不純物を除去する不純物除去体５１のみを設け、もう一つのトラップモジュール５０のセル面に燃料ガスの不純物を除去する不純物除去体５１のみを設けるようにしてもよい。 The separators 18 on both sides of the impurity removing body 51 are formed with fluid flow paths 26, 27, 28 (flow paths through which the same fluid as the fluid flow paths 26, 27, 28 of the cell 10 flows). While flowing through the fluid flow paths 26, 27, 28, the fluid is in sufficient contact with the impurity removing body 51, and impurities in the fluid are positively adsorbed or captured by the impurity removing body 51, and are retained and removed. Is done. The fluid flow paths 26, 27 and 28 of the impurity trap module 50 communicate with the fluid manifolds 29, 30 and 31 of the stack 23, respectively.
As shown in FIGS. 2, 4, and 5, when one impurity trap module 50 is provided at one end of the stack 23, an impurity remover 51 that removes impurities from the fuel gas is provided in one impurity trap module 50. The impurity removing body 51 that removes the impurities of the oxidizing gas is provided in the same cell plane with different arrangement sites. However, two impurity trap modules 50 are provided, only one impurity removing body 51 for removing fuel gas impurities is provided on the cell surface of one trap module 50, and fuel gas impurities are provided on the cell surface of the other trap module 50. Only the impurity removal body 51 to be removed may be provided.

図１、図６に示すように、不純物トラップモジュール５０は、少なくとも、燃料電池スタック２３の流体供給側端部に設けられている。
また、不純物トラップモジュール５０は、燃料電池スタック２３の流体供給側端部と反対側端部にも、設けられることが望ましい。
図１、図６に示すように、不純物トラップモジュール５０は、燃料電池スタック２３の流体供給側端部と、燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側端部との、両端に設けられることが望ましい。
図６の例では、不純物トラップモジュール５０が、燃料電池スタック２３のセル積層方向の中間部位にも、少なくとも１個（スタック中間部位に不純物トラップモジュール５０が複数個設けられてもよい）、設けられている。 As shown in FIGS. 1 and 6, the impurity trap module 50 is provided at least at the fluid supply side end of the fuel cell stack 23.
The impurity trap module 50 is also preferably provided at the end of the fuel cell stack 23 opposite to the end of the fluid supply side.
As shown in FIGS. 1 and 6, the impurity trap module 50 is provided at both ends of the fluid supply side end of the fuel cell stack 23 and the end opposite to the fluid supply side end of the fuel cell stack. Is desirable.
In the example of FIG. 6, at least one impurity trap module 50 is provided also in the intermediate portion of the fuel cell stack 23 in the cell stacking direction (a plurality of impurity trap modules 50 may be provided in the stack intermediate portion). ing.

不純物除去体５１は、イオンからなる不純物を吸着、保持するイオン交換樹脂であってもよい。不純物除去体５１がイオン交換樹脂からなる場合、イオン交換樹脂は、図２に示すように、シート状、板状に形成されて剥き出しで隙間５２に装着されてもよいし、あるいは、図３に示すように、複数の粒状に形成されて多孔質の容器５４に入れられて隙間５２に装着されてもよい。
不純物除去体５１は、イオンとなっていない異物からなる不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布やペーパ）であってもよい。 The impurity removing body 51 may be an ion exchange resin that adsorbs and holds impurities made of ions. When the impurity removing body 51 is made of an ion exchange resin, as shown in FIG. 2, the ion exchange resin may be formed into a sheet shape or a plate shape, and may be barely mounted in the gap 52. Alternatively, as shown in FIG. As shown, it may be formed into a plurality of particles, placed in a porous container 54 and mounted in the gap 52.
The impurity removing body 51 may be one that captures impurities made of foreign substances that are not ions and holds the captured impurities (for example, a nonwoven fabric or paper).

不純物除去体５１がスタック２３の複数箇所に設けられる場合は、ある箇所に設けられる不純物除去体５１はイオンからなる不純物を吸着、保持するイオン交換樹脂であってもよいし、その他の箇所に設けられる不純物除去体５１はイオンとなっていない異物からなる不純物を捕捉し、捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布やペーパ）であってもよい。 When the impurity remover 51 is provided at a plurality of locations of the stack 23, the impurity remover 51 provided at a certain location may be an ion exchange resin that adsorbs and holds impurities composed of ions, or is provided at other locations. The impurity removal body 51 to be captured may be one that captures impurities composed of foreign matters that are not ions and retains the captured impurities (for example, nonwoven fabric or paper).

不純物除去体５１が、イオン交換樹脂と、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布やペーパ）とを含む場合は、イオン交換樹脂から構成された不純物除去体５１を有する不純物トラップモジュール５０は、（流体供給側端部にあるセルがイオンにより劣化するため）、望ましくは、燃料電池スタック２３の流体供給側端部に設けられ、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布やペーパ）から構成された不純物除去体５１を有する不純物トラップモジュール５０は、（流体供給側端部と反対側端にあるセルが異物により劣化するため）、望ましくは、燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側の端部に設けられる。 When the impurity remover 51 includes an ion exchange resin and a substance that captures and retains the impurity (for example, a nonwoven fabric or paper), the impurity trap having the impurity remover 51 made of the ion exchange resin. The module 50 is provided at the end of the fluid supply side of the fuel cell stack 23 (preferably because the cell at the end of the fluid supply side is deteriorated by ions), and captures impurities and holds the trapped impurities ( For example, the impurity trap module 50 having the impurity removing body 51 made of non-woven fabric or paper (because the cell at the opposite end to the fluid supply side end is deteriorated by foreign matter), preferably, the fuel cell stack It is provided at the end opposite to the fluid supply side end.

不純物トラップモジュール５０は、セルモジュール１０とほぼ同じ圧損をもつ。したがって、不純物トラップモジュール５０をスタック２３に挿入しても、各セル１０を流れる流体流量はほとんど変化しない。 The impurity trap module 50 has almost the same pressure loss as the cell module 10. Therefore, even if the impurity trap module 50 is inserted into the stack 23, the flow rate of the fluid flowing through each cell 10 hardly changes.

つぎに、本発明の燃料電池スタック２３の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池スタックでは、燃料電池スタック２３が不純物トラップモジュール５０を有し、不純物トラップモジュール５０が流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却水）から不純物を除去する不純物除去体５１を有するので、従来（特開２００３−３３８３０５号公報）のダミーセルのように流体流路に不純物を単に蓄積、沈殿させるものに比べて、より積極的に流体から不純物を、吸着または捕捉して、除去することができる。
また、不純物除去体５１に、不純物を保持できるものを用いることにより、いったん吸着または捕捉した不純物が再び流れに流出して燃料電池１０に流れることを防止または抑制することができる。 Next, the operation and effect of the fuel cell stack 23 of the present invention will be described.
In the fuel cell stack of the present invention, the fuel cell stack 23 has the impurity trap module 50, and the impurity trap module 50 has the impurity removing body 51 that removes impurities from the fluid (fuel gas, oxidizing gas, cooling water). Compared to a conventional dummy cell that simply accumulates and precipitates impurities in the fluid flow path, it can more actively adsorb or remove impurities from the fluid to remove them. it can.
Further, by using an impurity removing body 51 that can hold impurities, it is possible to prevent or suppress impurities once adsorbed or trapped from flowing out into the flow and flowing into the fuel cell 10.

また、不純物トラップモジュール５０が、（イオン交換樹脂からなる不純物除去体５１を含み、）燃料電池スタック２３の流体供給側端部に設けられている場合は、不純物トラップモジュール５０は、流体中に含まれているイオン（たとえば、ガス中の水分に溶けていることがある、鉄イオンやフッ素イオン）を選択的にかつ効率よく除去できる。イオンは、スタック２３の流体供給側端のセル１０か、流体供給側端から２〜３セルのセル１０を、選択的に劣化させる傾向にあるが（ガス流中に含まれる水分はマニホールドを通過する端部のセルか端部から２〜３セルのセルを通過する間にセル面内流路に落下するため、水分に混入しているイオンも、端部のセルか端部から２〜３セルのセルのセル面内ガス流路に流入し、そのセルを劣化させるため）、スタック２３の流体供給側端部に不純物トラップモジュール５０を配置したことにより、イオンを選択的に、かつ、効率よく除去できる。 Further, when the impurity trap module 50 is provided at the fluid supply side end of the fuel cell stack 23 (including the impurity removing body 51 made of ion exchange resin), the impurity trap module 50 is included in the fluid. Ions (for example, iron ions or fluorine ions that may be dissolved in moisture in the gas) can be selectively and efficiently removed. Ions tend to selectively deteriorate the cell 10 on the fluid supply side end of the stack 23 or the cell 10 of 2 to 3 cells from the fluid supply side end (moisture contained in the gas flow passes through the manifold). Since the ions fall into the cell in-plane flow channel while passing through the cells of 2 to 3 cells from the end cell, the ions mixed in the moisture are also 2 to 3 from the end cell or the end portion. The impurity trap module 50 is disposed at the end of the fluid supply side of the stack 23, so that ions can be selectively and efficiently injected into the cell in-plane gas flow path of the cell. Can be removed well.

不純物トラップモジュール５０が、（異物除去用不純物除去体５１を含み、）燃料電池スタックの流体供給側端部と反対側端部に設けられている場合は、不純物トラップモジュール５０は、流体中の異物（イオン化していない、比較的質量の大きな異物）を選択的にかつ効率よく除去できる。異物は、流体供給側端部と反対側端部のセル１０か流体供給側端部と反対側端から２〜３セルのセル１０を、選択的に劣化させる傾向にあるが（ガス流中に含まれる異物はマニホールド中を流体供給側端部と反対側端まで流れ、流体供給側端部と反対側端のセルか該端部から２〜３セルのセルのセル面内ガス流路に流入し、そのセルを劣化させるため）、燃料電池スタック２３の流体供給側端部と反対側端部に不純物トラップモジュール５０を配置したことにより、異物を選択的に、かつ、効率よく除去できる。 When the impurity trap module 50 is provided at the end of the fuel cell stack opposite to the fluid supply side end (including the foreign matter removing impurity remover 51), the impurity trap module 50 is (Foreign matter that is not ionized and has a relatively large mass) can be selectively and efficiently removed. Foreign matter tends to selectively degrade the cell 10 at the end opposite to the fluid supply side or the cell 10 at 2 to 3 cells from the end opposite to the fluid supply end (during gas flow) The contained foreign material flows through the manifold to the end opposite to the fluid supply side end, and flows into the cell on the side opposite to the fluid supply side end or into the in-cell gas flow path of the cell of 2 to 3 cells from the end. In order to deteriorate the cell), the impurity trap module 50 is disposed at the end opposite to the fluid supply side of the fuel cell stack 23, so that foreign substances can be selectively and efficiently removed.

不純物トラップモジュール５０が、燃料電池スタック２３の流体供給側端部と、燃料電池スタック２３の流体供給側端部と反対側端部に設けられている場合は、燃料電池スタックの流体供給側端部の不純物トラップモジュール５０（このトラップモジュールの不純物除去体はイオン交換樹脂からなることが望ましい）がガス流中の水分に混入しているイオンを選択的にかつ効率よく除去し、燃料電池スタック２３の流体供給側端部と反対側端部の不純物トラップモジュール５０（このトラップモジュールの不純物除去体は異物除去方であることが望ましい）がガス流中の異物を選択的にかつ効率よく除去する。これによって、イオンと異物の両方を除去できる。 When the impurity trap module 50 is provided at the fluid supply side end of the fuel cell stack 23 and the end opposite to the fluid supply side end of the fuel cell stack 23, the fluid supply side end of the fuel cell stack The impurity trap module 50 (the impurity removal body of the trap module is preferably made of an ion exchange resin) selectively and efficiently removes ions mixed in the moisture in the gas stream, The impurity trap module 50 at the end opposite to the fluid supply side end (desirably, the impurity removal body of this trap module is a foreign matter removal method) selectively and efficiently removes foreign matters in the gas flow. Thereby, both ions and foreign substances can be removed.

不純物除去体５１がイオン交換樹脂である場合は、ガス流中の水分に含まれるイオンがイオン交換によりイオン交換樹脂に積極的に吸着されかつ保持される。保持も行われるので、いったん吸着されたイオンが再び流れだしてセルに循環することが抑制される。その結果、純度の高い反応ガスの供給が可能となる。イオンを吸着、保持して吸着能が低下した不純物除去体は新しいイオン交換樹脂に交換される。 When the impurity removing body 51 is an ion exchange resin, ions contained in moisture in the gas flow are positively adsorbed and held on the ion exchange resin by ion exchange. Since holding is also performed, ions once adsorbed are prevented from flowing again and circulating to the cell. As a result, it is possible to supply a reaction gas with high purity. Impurity-removed bodies that have adsorbed and retained ions and have reduced adsorption capacity are replaced with new ion exchange resins.

不純物除去体５１が、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布や通気性ペーパ）である場合は、ガス流中の異物が不織布などの表面に触れて（不織布を透過する場合はより一層）積極的に捕捉されかつ保持される。保持も行われるので、いったん捕捉されたイオンが再び流れだしてセルに循環することが抑制される。その結果、純度の高い反応ガスの供給が可能となる。異物を捕捉、保持して捕捉能が低下した不純物除去体は新しい不純物除去体に交換される。 When the impurity removing body 51 captures impurities and holds the trapped impurities (for example, non-woven fabric or breathable paper), a foreign matter in the gas flow touches the surface of the non-woven fabric or the like (permeates the non-woven fabric). Are even more) actively captured and retained. Since the holding is also performed, the ions once trapped are prevented from flowing again and circulating to the cell. As a result, it is possible to supply a reaction gas with high purity. Impurity-removed bodies whose trapping ability has been reduced by capturing and holding foreign substances are replaced with new impurity-removed bodies.

不純物除去体５１が、イオン交換樹脂と、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布や通気性ペーパ）とを含む場合は、ガス流中の水分に混入しているイオンはイオン交換樹脂によって吸着、保持され、ガス流中に含まれている異物は、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布や通気性ペーパ）によって、捕捉、保持される。その結果、イオンも異物もほとんど含まない、純度の高い反応ガスの供給が可能となる。 When the impurity removing body 51 includes an ion exchange resin and a substance that captures and captures the impurity (for example, a nonwoven fabric or air-permeable paper), ions mixed in moisture in the gas flow are ions. The foreign matter adsorbed and held by the exchange resin and contained in the gas flow is trapped and held by the one that holds the trapped impurity (for example, nonwoven fabric or breathable paper). As a result, it is possible to supply a high-purity reaction gas containing almost no ions or foreign substances.

イオン交換樹脂から構成された不純物除去体５１を有する不純物トラップモジュール５０が燃料電池スタック２３の流体供給側端部に設けられ、不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布や通気性ペーパ）から構成された不純物除去体５１を有する不純物トラップモジュール５０が燃料電池スタック２３の流体供給側端部と反対側の端部に設けられている場合は、スタック２３の流体供給側端部のトラップモジュール５０を流れる傾向にあるイオンをイオン交換樹脂によって効果的に除去でき、スタック２３の流体供給側端部と反対側端のトラップモジュール５０を流れる傾向にある異物（イオン化していない、イオンに比べて質量の大きい異物）を不純物を捕捉し捕捉した不純物を保持するもの（たとえば、不織布や通気性ペーパ）によって効果的に除去できる。 An impurity trap module 50 having an impurity removing body 51 made of an ion exchange resin is provided at the fluid supply side end of the fuel cell stack 23 and captures and retains the trapped impurities (for example, non-woven fabric or air permeability) When the impurity trap module 50 having the impurity removing body 51 composed of paper is provided at the end opposite to the fluid supply side end of the fuel cell stack 23, the fluid supply side end of the stack 23 Ions that tend to flow through the trap module 50 can be effectively removed by the ion exchange resin, and foreign substances (non-ionized ions) that tend to flow through the trap module 50 at the opposite end of the stack 23 to the fluid supply side. A foreign substance having a larger mass than the other is captured and retained (for example, non-woven fabric) Breathable paper) by effectively removed.

不純物トラップモジュール５０は、セルモジュール１０と並列経路を構成し、かつ各セルモジュール１０とほぼ同じ圧損をもつので、セルモジュール１０と並列配置されたトラップモジュール５０に流れる流量を各セルモジュール１０を流れる流量とほぼ同じにすることができる。その結果、トラップモジュール５０に流れ過ぎてセルモジュール１０の流量が減少してセルモジュールでの発電性能が低下することを防止できるとともに、トラップモジュール５０の流れが少な過ぎて不純物除去性能が低下することを防止できる。 Since the impurity trap module 50 forms a parallel path with the cell module 10 and has almost the same pressure loss as each cell module 10, the flow rate flowing through the trap module 50 arranged in parallel with the cell module 10 flows through each cell module 10. The flow rate can be almost the same. As a result, it is possible to prevent the flow rate of the cell module 10 from flowing too much to the trap module 50 and reducing the power generation performance in the cell module, and to reduce the impurity removal performance due to the flow of the trap module 50 being too small. Can be prevented.

本発明の、セル積層体端部に配置された不純物トラップモジュールを含む、燃料電池スタックの側面図である。1 is a side view of a fuel cell stack including an impurity trap module disposed at an end of a cell stack according to the present invention. 図１の燃料電池スタックの、不純物トラップモジュールでの、断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell stack of FIG. 1 at an impurity trap module. 図２で不純物除去体が、多孔容器に入れられた粒状イオン交換樹脂からなる場合の、燃料電池スタックの、不純物トラップモジュールでの、断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell stack in the impurity trap module when the impurity removing body is made of a granular ion exchange resin placed in a porous container in FIG. 2. 図１の燃料電池スタックの、不純物トラップモジュールでの、正面図である。It is a front view in the impurity trap module of the fuel cell stack of FIG. 図２で、通電部位を示す、燃料電池スタックの、不純物トラップモジュールでの、断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell stack in the impurity trap module, showing an energization site in FIG. 2. 本発明の、セル積層体端部とセル積層方向中間部に配置された不純物トラップモジュールを含む、燃料電池スタックの側面図である。1 is a side view of a fuel cell stack including an impurity trap module disposed at an end of a cell stack and an intermediate portion in a cell stacking direction according to the present invention. 図１、図６の燃料電池スタックのセルモジュール部位での一部の、拡大断面図である。FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a part of the cell module portion of the fuel cell stack of FIGS. 1 and 6. 図１、図６の燃料電池スタックの、セルモジュール部位での、正面図である。FIG. 7 is a front view of the cell module portion of the fuel cell stack of FIGS. 1 and 6.

Explanation of symbols

１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１３拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９セルモジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３燃料電池スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルト・ナット
２６冷却水流路
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
２９冷却水マニホールド
３０燃料ガスマニホルド
３１酸化ガスマニホルド
３２ガスケット
３３接着剤
３４発電部
３６冷却水配管
３７燃料ガス配管
３８酸化ガス配管
５０不純物トラップモジュール
５１不純物除去体
５２隙間（空所）
５３導通部
５４容器 10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membrane 13 diffusion layer 14 electrode (anode, fuel electrode)
16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Separator 19 Cell module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Fuel cell stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Bolt / Nut 26 Cooling Water Channel 27 Fuel Gas Channel 28 Oxidizing Gas Channel 29 Cooling Water Manifold 30 Fuel Gas Manifold 31 Oxidizing Gas Manifold 32 Gasket 33 Adhesive 34 Power Generation Unit 36 Cooling Water Piping 37 Fuel Gas Piping 38 Oxidizing Gas Piping 50 Impurity trap module 51 Impurity remover 52 Clearance (vacant space)
53 Conducting part 54 Container

Claims

A cell module having a gas flow path;
An impurity trap module in which a void communicating with the gas flow path is provided, and an impurity removing body for removing impurities from the fluid is provided in the void;
A fuel cell stack comprising:

A cell module;
An impurity trap module;
Have
The impurity trap module is
A pair of separators that are opposed to each other, form a gap therebetween, and are electrically connected to each other on at least a part of the opposing surface;
An impurity remover that is provided in the gap between the pair of separators and removes impurities from the fluid;
Including fuel cell stack.

The fuel cell stack according to claim 1, wherein the impurity trap module is provided at a fluid supply side end of the fuel cell stack.

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the impurity trap module is provided at an end opposite to the fluid supply side of the fuel cell stack.

The fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein the impurity trap module is provided at a fluid supply side end of the fuel cell stack and an end opposite to the fluid supply side of the fuel cell stack.

The fuel cell stack according to claim 1, wherein the impurity removing body is an ion exchange resin.

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the impurity removing body captures impurities and holds the captured impurities.

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the impurity removing body includes an ion exchange resin and one that captures impurities and retains the captured impurities. 4.

The impurity removing module includes an ion exchange resin and an impurity trapping and holding the trapped impurity, and an impurity trap module having an impurity removing body composed of the ion exchange resin is connected to a fluid supply side end of the fuel cell stack. And an impurity trap module having an impurity removal body configured to capture the impurities and hold the trapped impurities is provided at an end opposite to the fluid supply side end of the fuel cell stack. The fuel cell stack according to claim 1 or 2.

The fuel cell stack according to claim 1, wherein the impurity trap module has substantially the same pressure loss as the cell module.