JP2008277211A - Fuel cell - Google Patents

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正史 前田
Yuichi Sakagami
祐一 坂上
Toru Mizuno
透 水野
Takashi Kajiwara
隆 梶原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize both flooding prevention at the exit part and drying prevention at the entrance part in both of a fuel gas passage and an oxidizer gas passage in a fuel battery cell. <P>SOLUTION: In a unit cell C of a fuel cell stack S, the flowing direction of an oxidizer gas passage 21 installed on the oxidizer gas side separator 2 and a fuel gas passage 31 installed on a fuel gas side separator 3 is made to be opposed. On the exit part 23 side of the oxidizer gas passage 21, a heat insulating coating layer 5A is arranged between the oxidizer gas side separator 2 and a cooling medium passage 4 and an heat insulating region 24 where the temperature on the oxidizer gas side is higher than the fuel gas side is formed and moisture is permeated to the entrance part 32 side of the fuel gas passage 31. On the exit part 33 side of the fuel gas passage 31, a heat insulating coating layer 5B is arranged between the fuel gas side separator 3 and the cooling medium passage 4, and an heat insulating region 34 where the temperature on the fuel gas side is higher than the oxidizer gas side is formed and moisture is permeated to the entrance part 22 side of the oxidizer gas passage 21. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、酸化ガスと燃料ガスの化学反応を利用して発電する燃料電池に関し、特にセル面内のフラッディングおよびドライアップを防止するためのセル構成に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell that generates power using a chemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, and more particularly to a cell configuration for preventing flooding and dry-up in a cell plane.

固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層した燃料電池スタックに、空気等の酸化ガスと水素等の燃料ガスとを供給して化学反応させることにより、電気エネルギーを発生させている。基本単位となるセルは、一般に、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成し、さらに拡散層で両面を挟んで一体化されたMEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる膜電極接合体を備え、MEAの両側に酸化ガス側セパレータ、燃料ガス側セパレータを配設した構造となっている。MEAを挟持する酸化ガス側セパレータおよび燃料ガス側セパレータは、MEAの拡散層との間に酸化ガス流路および燃料ガス流路をそれぞれ形成している。   In a polymer electrolyte fuel cell, electric energy is generated by supplying a chemical reaction by supplying an oxidizing gas such as air and a fuel gas such as hydrogen to a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked. A cell serving as a basic unit generally includes a membrane electrode assembly called MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a catalyst layer is formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and is further integrated by sandwiching both sides with a diffusion layer. It has a structure in which an oxidizing gas side separator and a fuel gas side separator are disposed on both sides of the MEA. The oxidizing gas side separator and the fuel gas side separator that sandwich the MEA form an oxidizing gas channel and a fuel gas channel between the MEA diffusion layers.

燃料電池の燃料極(アノード)では、供給される水素が触媒作用によってイオン化し、電解質膜を透過して、空気極(カソード)側に移動する。空気極に供給される酸素は、移動してきた水素と反応し、水を生成する。この発電反応により起電力が発生し、生成水は余剰のガスとともに拡散層を透過して酸化ガス流路へ放出される。また、生成水の一部は電解質膜を透過して燃料極側へ移動し、燃料ガス流路へ放出される。このため、ガス流路内の水分分布が変化し、水分が凝縮してガス拡散を阻害するフラッディングを起こすおそれがあった。   In the fuel electrode (anode) of the fuel cell, the supplied hydrogen is ionized by catalytic action, passes through the electrolyte membrane, and moves to the air electrode (cathode) side. Oxygen supplied to the air electrode reacts with the moving hydrogen to produce water. An electromotive force is generated by this power generation reaction, and the generated water passes through the diffusion layer together with surplus gas and is discharged to the oxidizing gas flow path. A part of the generated water passes through the electrolyte membrane, moves to the fuel electrode side, and is discharged to the fuel gas flow path. For this reason, the moisture distribution in the gas flow path is changed, and there is a possibility that the moisture is condensed to cause flooding that inhibits gas diffusion.

そこで、本発明者等は、先に特許文献1において、燃料電池の燃料ガス流路内でのフラッディングを防止するため、燃料電池の酸化ガス側セパレータの裏面だけに冷却水流路を設ける等により、燃料ガス側のセル面内の温度を酸化ガス側より高くなる構成を提案した。これにより、燃料ガス側の飽和水蒸気圧を上げ、燃料ガス側から酸化ガス側へ電解質膜を透過する水分量を増加させることで、酸化ガス側よりも流速の遅い燃料ガス側流路内でのフラッディングを防止することができる。   Therefore, the inventors previously described in Patent Document 1 by providing a cooling water flow path only on the back surface of the oxidant gas side separator of the fuel cell in order to prevent flooding in the fuel gas flow path of the fuel cell. A configuration has been proposed in which the temperature in the cell surface on the fuel gas side is higher than that on the oxidizing gas side. This increases the saturated water vapor pressure on the fuel gas side and increases the amount of moisture that permeates the electrolyte membrane from the fuel gas side to the oxidant gas side. Flooding can be prevented.

また、従来技術として、特許文献2には、燃料電池の酸化ガス流路内での水分分布を均一化するため、酸化ガス流路下流部と冷却水流路との間に空気層等の熱抵抗手段を介設し、水分過剰となりやすい酸化ガス流路下流側の温度を高くして水分の排出を促すことで酸化ガス流路内のフラッディングを防止する燃料電池が開示されている。
特開2005−203313号公報 特開2005−158610号公報
Further, as a conventional technique, Patent Document 2 discloses a thermal resistance such as an air layer between the downstream portion of the oxidizing gas flow channel and the cooling water flow channel in order to uniformize the moisture distribution in the oxidizing gas flow channel of the fuel cell. A fuel cell is disclosed that prevents flooding in the oxidant gas flow path by increasing the temperature on the downstream side of the oxidant gas flow path, which tends to cause excessive water, by promoting the discharge of moisture.
JP 2005-203313 A JP 2005-158610 A

ところで、燃料電池においては、フラッディング防止とともに乾燥防止が重要な課題となっている。一般に、固体高分子電解質膜は、その機能を維持するためにほぼ飽和状態に含水させることが望ましく、例えば、供給される反応ガスの湿度を調整して水分を保持している。このため、フラッディングを防止しようとすると、相対的に水分量の少ないガス流路の入口側において膜が乾燥するドライアップが生じやすくなり、膜の比抵抗が増大して出力が低下する不具合があった。   By the way, in fuel cells, prevention of flooding as well as prevention of drying are important issues. In general, it is desirable that the solid polymer electrolyte membrane is substantially saturated with water in order to maintain its function. For example, the moisture of the reaction gas supplied is adjusted to maintain moisture. For this reason, when trying to prevent flooding, the membrane tends to dry up on the inlet side of the gas flow path with a relatively small amount of water, and there is a problem in that the specific resistance of the membrane increases and the output decreases. It was.

また、特許文献1の構成は、燃料ガス流路内でのフラッディングを防止することはできるが、酸化ガス流路側におけるフラッディングを考慮していない。一般に、燃料電池スタックでは積層方向に温度分布があり、両端部ではセル内においても温度差が生じやすい。このため、例えばスタック端面側に酸化ガス流路が位置するセルでは、燃料ガス流路側から酸化ガス流路側への水分透過が促進され、酸化ガス流路側でフラッディングが生じやすくなる。   Moreover, although the structure of patent document 1 can prevent the flooding in a fuel gas flow path, the flooding in the oxidizing gas flow path side is not considered. In general, a fuel cell stack has a temperature distribution in the stacking direction, and a temperature difference is likely to occur in the cell at both ends. For this reason, for example, in a cell in which the oxidizing gas channel is located on the stack end face side, moisture permeation from the fuel gas channel side to the oxidizing gas channel side is promoted, and flooding is likely to occur on the oxidizing gas channel side.

同様に、特許文献2の構成では、酸化ガス流路側のフラッディングは防止できるが、燃料ガス流路側におけるフラッディングを考慮していない。このため、スタック端面側に燃料ガス流路が位置するセルでは、酸化ガス流路後半部の温度が燃料ガス流路側の温度に対してより高くなって、酸化ガス流路側から燃料ガス流路側への水分透過が多くなり、燃料ガス流路側でフラッディングしてしまう問題があった。   Similarly, in the configuration of Patent Document 2, flooding on the oxidizing gas channel side can be prevented, but flooding on the fuel gas channel side is not taken into consideration. For this reason, in the cell in which the fuel gas flow path is located on the stack end face side, the temperature of the latter half of the oxidizing gas flow path is higher than the temperature on the fuel gas flow path side, and the oxidation gas flow path side to the fuel gas flow path side. There was a problem that the water permeation of the water increased and flooding occurred on the fuel gas flow path side.

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料電池のセル内の燃料ガス流路と酸化ガス流路の両方において、フラッディングの発生を防止するとともに、ガス流路入口部での乾燥を防止することができること、さらには燃料電池スタックを構成するどのセルにおいてもフラッディングと乾燥防止を成立させることができる、高性能な燃料電池を実現することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to prevent the occurrence of flooding in both the fuel gas channel and the oxidant gas channel in the cell of the fuel cell, and It is to realize a high-performance fuel cell capable of preventing flooding and drying prevention in any cell constituting the fuel cell stack.

請求項1の発明は、酸化ガスと燃料ガスの化学反応により発電する単位セルを多数積層し、単位セル間に冷却媒体流路を設けた燃料電池スタックを備える燃料電池において、
上記単位セルは、電解質膜の両面に電極を配設した膜電極接合体の一方の面側に酸化ガス流路を形成する酸化ガス側セパレータを、他方の面側に燃料ガス流路を形成する燃料ガス側セパレータを設けるとともに、上記酸化ガス流路の入口部と上記燃料ガス流路の出口部、上記酸化ガス流路の出口部と上記燃料ガス流路の入口部とを、それぞれ上記膜電極接合体を挟んで対向位置させて、酸化ガスと燃料ガスの流れの向きが対向する流路構成とし、
上記酸化ガス側セパレータを介して上記酸化ガス流路と上記冷却媒体流路を隣接させる一方、上記燃料ガス側セパレータを介して上記燃料ガス流路と上記冷却媒体流路を隣接させ、
上記酸化ガス流路の出口部側では、上記酸化ガス側セパレータと上記冷却媒体流路の間に断熱層を配設して、酸化ガス側の温度を燃料ガス側よりも高くした断熱領域を形成し、
上記燃料ガス流路の出口部側では、上記燃料ガス側セパレータと上記冷却媒体流路の間に断熱層を配設して、燃料ガス側の温度を酸化ガス側よりも高くした断熱領域を形成したものである。
The invention of claim 1 is a fuel cell comprising a fuel cell stack in which a large number of unit cells that generate power by a chemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas are stacked, and a cooling medium flow path is provided between the unit cells.
In the unit cell, an oxidizing gas side separator that forms an oxidizing gas channel is formed on one surface side of a membrane electrode assembly in which electrodes are disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a fuel gas channel is formed on the other surface side. A fuel gas side separator is provided, and an inlet portion of the oxidizing gas passage and an outlet portion of the fuel gas passage, an outlet portion of the oxidizing gas passage and an inlet portion of the fuel gas passage are respectively connected to the membrane electrode. It is made to oppose on both sides of a joined body, and it is set as the channel composition where the direction of the flow of oxidation gas and fuel gas is opposed,
While the oxidizing gas channel and the cooling medium channel are adjacent to each other through the oxidizing gas side separator, the fuel gas channel and the cooling medium channel are adjacent to each other via the fuel gas side separator,
On the outlet side of the oxidizing gas flow path, a heat insulating layer is disposed between the oxidizing gas side separator and the cooling medium flow path to form a heat insulating region in which the temperature on the oxidizing gas side is higher than that on the fuel gas side. And
On the outlet side of the fuel gas flow path, a heat insulating layer is disposed between the fuel gas side separator and the cooling medium flow path to form a heat insulating region in which the temperature on the fuel gas side is higher than that on the oxidizing gas side. It is a thing.

請求項1の構成では、酸化ガス流路と燃料ガス流路の入口部と出口部とが対向するように配置し、かつそれぞれのガス流路の下流域において、冷却媒体流路の間に断熱層を配設したので、出口部側の温度が上昇する。ここで、酸化ガス流路では、発電に伴う生成水により水分量が出口部側へ向けて上昇するが、断熱領域では、酸化ガス側の温度が燃料ガス側より高く保持されるために、水蒸気分圧差により電解質膜を透過して燃料ガス側へ移動する水分量が増加する。このため、水蒸気分圧が飽和に達して液水が生じるのを抑制する。また、燃料ガス流路の入口部側では、移動する水分により乾燥が防止される。   In the structure of Claim 1, it arrange | positions so that the inlet_port | entrance part and exit part of an oxidizing gas flow path and a fuel gas flow path may oppose, and it heat-insulates between cooling medium flow paths in the downstream area of each gas flow path. Since the layer is disposed, the temperature on the outlet side increases. Here, in the oxidizing gas flow path, the amount of water rises toward the outlet side due to the generated water accompanying power generation, but in the heat insulating region, the temperature on the oxidizing gas side is maintained higher than that on the fuel gas side. Due to the partial pressure difference, the amount of moisture that permeates the electrolyte membrane and moves to the fuel gas side increases. For this reason, it suppresses that water vapor partial pressure reaches saturation and liquid water arises. Moreover, drying is prevented by the moving water | moisture content at the entrance part side of a fuel gas flow path.

燃料ガス流路においても、同様に、出口部側の断熱領域では、燃料ガス側の温度が酸化ガス側より高く保持されるために、水蒸気分圧差により電解質膜を透過して酸化ガス側へ移動する水分量が増加し、液水を減少させる。一方、水分が移動する酸化ガス流路の入口部側における乾燥も防止される。   Similarly, in the fuel gas flow path, in the heat insulating region on the outlet side, the temperature on the fuel gas side is maintained higher than that on the oxidant gas side. The amount of water to increase increases and the liquid water decreases. On the other hand, drying at the inlet side of the oxidizing gas flow path through which moisture moves is also prevented.

よって、酸化ガス流路と燃料ガス流路の両方において、フラッディングを防止するとともに乾燥を防止することができ、発電性能の高い燃料電池を実現することができる。   Therefore, in both the oxidizing gas channel and the fuel gas channel, flooding can be prevented and drying can be prevented, and a fuel cell with high power generation performance can be realized.

請求項2の発明では、上記断熱層の大きさまたは厚さを、上記燃料電池スタックの積層方向の位置によって変更する。   In the invention of claim 2, the size or thickness of the heat insulating layer is changed depending on the position of the fuel cell stack in the stacking direction.

一般に、燃料電池スタックは積層方向の端部へ向けて温度が低下する傾向がある。例えば端部に近い位置にあるセルにおいて、ガス流路出口部に配設する上記断熱層を大きくし、または厚くすることで、必要な温度昇を実現し、燃料電池スタック全体で効率よく発電することができる。   In general, the temperature of the fuel cell stack tends to decrease toward the end in the stacking direction. For example, in a cell close to the end, the heat insulation layer disposed at the gas flow path outlet is enlarged or thickened to achieve the required temperature rise and efficiently generate power throughout the fuel cell stack. be able to.

請求項3の発明では、上記断熱層の大きさまたは厚さを、上記燃料ガス流路の出口部または上記酸化ガス流路の出口部における燃料ガス側と酸化ガス側の温度差が予め設定した範囲となるように、上記燃料電池スタックの積層方向の位置および流路方向の位置に応じて変更する。   In the invention of claim 3, the temperature difference between the fuel gas side and the oxidizing gas side at the outlet part of the fuel gas channel or the outlet part of the oxidizing gas channel is set in advance for the size or thickness of the heat insulating layer. The fuel cell stack is changed according to the position in the stacking direction and the position in the flow path direction so as to be in the range.

より具体的には、各セルの位置ごとに、両流路間の温度差が所定値となるように、断熱層の大きさまたは厚さを設定することで、必要な水分の透過量を確保し、フラッディングと乾燥防止を、燃料電池スタックの任意位置で実現することができる。   More specifically, the necessary moisture permeation amount is secured by setting the size or thickness of the heat insulation layer so that the temperature difference between the two flow paths becomes a predetermined value for each cell position. In addition, flooding and drying prevention can be realized at an arbitrary position of the fuel cell stack.

請求項4の発明のように、具体的には、上記燃料ガス側セパレータまたは上記酸化ガス側セパレータの出口部側において、上記冷却媒体流路側のセパレータ表面を断熱コーティング材で被覆することによって、上記断熱層を形成することができる。   Specifically, as in the invention of claim 4, specifically, on the outlet portion side of the fuel gas side separator or the oxidizing gas side separator, the separator surface on the cooling medium flow path side is covered with a heat insulating coating material, thereby A heat insulation layer can be formed.

請求項5の発明のように、上記断熱コーティング材として、例えば、シリコン系高分子材料または導電性材料を用いることができる。   As in the fifth aspect of the present invention, for example, a silicon-based polymer material or a conductive material can be used as the heat insulating coating material.

図1に、本発明の第1実施形態における燃料電池構成を示す。図1(a)は燃料電池スタックSの主要部構成を示す概略図であり、図1(b)は、燃料電池スタックSを含む燃料電池システム全体の概略構成図である。図1(b)に示すように、燃料電池スタックSは、基本単位であるセルCを多数積層して電気的に直列接続してなり、酸化ガス (例えば、空気)や燃料ガス(例えば、水素)の供給・排出流路、冷却媒体である冷却水の供給・排出流路、各種制御装置等が接続されて燃料電池システムを構成している。燃料電池スタックSは、酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により発電を行い、DC/DCコンバータにて電圧調整後、負荷の駆動に用いられる。負荷は、例えば燃料電池自動車駆動用のモータや各種補機類であり、必要電力に応じてコントローラが反応ガスや冷却水の制御手段を含むシステム全体を制御する。   FIG. 1 shows a fuel cell configuration according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a schematic diagram showing a main part configuration of the fuel cell stack S, and FIG. 1B is a schematic configuration diagram of the entire fuel cell system including the fuel cell stack S. As shown in FIG. 1B, the fuel cell stack S is formed by stacking a large number of cells C, which are basic units, and electrically connecting them in series, and oxidizing gas (for example, air) or fuel gas (for example, hydrogen). ) Supply / discharge flow path, cooling water supply / discharge flow path as a cooling medium, various control devices, etc. are connected to form a fuel cell system. The fuel cell stack S generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, and is used for driving a load after voltage adjustment by a DC / DC converter. The load is, for example, a motor for driving a fuel cell vehicle or various auxiliary machines, and the controller controls the entire system including the control means for the reaction gas and the cooling water according to the required power.

図1(a)に示すように、燃料電池スタックSの各セルCは、電解質膜11の両面に触媒層および拡散層をそれぞれ配置して電極12、13としたMEA(Membrane Electrode Assembly :膜電極接合体)1を備え、このMEA1を挟んで一方の面側(図の右側)に酸化ガス側セパレータ2を、他方の面側(図の左側)に燃料ガス側セパレータ3を配設した構成となっている。酸化ガス側セパレータ2のMEA1に対向する面には、酸化ガス流路21となる溝が形成されており、燃料ガス側セパレータ3のMEA1に対向する面には、燃料ガス流路31となる溝が形成されている。酸化ガス側セパレータ2および燃料ガス側セパレータ3のMEA1と反対側の面に形成される溝は、冷却媒体流路としての冷却水流路4となる。これにより、燃料電池スタックSの隣合うセルC間に冷却水流路4が介設される。   As shown in FIG. 1 (a), each cell C of the fuel cell stack S has MEA (Membrane Electrode Assembly: membrane electrodes) in which a catalyst layer and a diffusion layer are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane 11 to form electrodes 12 and 13, respectively. (Jointed body) 1, and a configuration in which the oxidizing gas side separator 2 is disposed on one side (right side in the figure) and the fuel gas side separator 3 is disposed on the other side (left side in the figure) with the MEA 1 interposed therebetween. It has become. A groove that becomes the oxidizing gas flow path 21 is formed on the surface facing the MEA 1 of the oxidizing gas side separator 2, and a groove that becomes the fuel gas flow path 31 is formed on the surface facing the MEA 1 of the fuel gas side separator 3. Is formed. Grooves formed on the surfaces of the oxidizing gas side separator 2 and the fuel gas side separator 3 on the side opposite to the MEA 1 serve as a cooling water flow path 4 as a cooling medium flow path. Thereby, the cooling water flow path 4 is interposed between the adjacent cells C of the fuel cell stack S.

電解質膜11には、公知の構造の水素イオン伝導性固体高分子電解質膜、具体的には、パーフルオロスルホン系ポリマー、例えば、Nafion(デュポン社製:登録商標)等を膜状に成形したものが好適に使用される。電解質膜11の厚さ方向の一方の面には、空気極(カソード)12を構成する触媒層および拡散層がこの順に積層形成され、他方の面には、燃料極(アノード)13を構成する触媒層および拡散層がこの順に形成されて、一体化されており、それぞれ酸化ガス流路21および燃料ガス流路31に接している。触媒層は、白金触媒等の触媒を導電性の良好な材料、例えばカーボン材に担持させて構成される。拡散層は、導電性およびガス拡散性の良好な材料、例えばカーボン材で構成され、さらに必要に応じて撥水性等の特性を付与することもできる。   The electrolyte membrane 11 is a hydrogen ion conductive solid polymer electrolyte membrane having a known structure, specifically, a perfluorosulfone-based polymer such as Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) or the like formed into a membrane shape. Are preferably used. A catalyst layer and a diffusion layer constituting the air electrode (cathode) 12 are laminated in this order on one surface in the thickness direction of the electrolyte membrane 11, and a fuel electrode (anode) 13 is formed on the other surface. The catalyst layer and the diffusion layer are formed and integrated in this order, and are in contact with the oxidizing gas passage 21 and the fuel gas passage 31, respectively. The catalyst layer is configured by supporting a catalyst such as a platinum catalyst on a material having good conductivity, such as a carbon material. The diffusion layer is made of a material having good electrical conductivity and gas diffusibility, such as a carbon material, and can impart properties such as water repellency as necessary.

酸化ガス側セパレータ2および燃料ガス側セパレータ3は、例えばカーボン材または金属等よりなる導電性板状部材からなる。酸化ガス側セパレータ2とMEA1の間に形成される酸化ガス流路21は、図の上端側を酸化ガス入口部22、下端側を酸化ガス出口部23としており、それぞれ図示しない酸化ガスの供給流路および排出流路に接続している。一方、燃料ガス側セパレータ3は、図の下端側を燃料ガス入口部32、上端側を燃料ガス出口部33とし、同様にそれぞれ図示しない燃料ガスの供給流路および排出流路に接続している。これにより、MEA1を間に挟み込むようにして、酸化ガス入口部22と燃料ガス出口部33、酸化ガス出口部23と燃料ガス入口部32とが対向位置する。   The oxidizing gas side separator 2 and the fuel gas side separator 3 are made of a conductive plate member made of, for example, a carbon material or a metal. The oxidant gas flow path 21 formed between the oxidant gas side separator 2 and the MEA 1 has an oxidant gas inlet part 22 on the upper end side and an oxidant gas outlet part 23 on the lower end side of the figure. Connected to the channel and the discharge channel. On the other hand, the fuel gas side separator 3 has a lower end side in the figure as a fuel gas inlet portion 32 and an upper end side as a fuel gas outlet portion 33, and is connected to a fuel gas supply passage and a discharge passage (not shown), respectively. . Thus, the oxidizing gas inlet 22 and the fuel gas outlet 33, and the oxidizing gas outlet 23 and the fuel gas inlet 32 are opposed to each other so that the MEA 1 is sandwiched therebetween.

なお、図1(a)は、酸化ガスと燃料ガスの流れの向きが対向している流路構成を模式的に示したものである。流路を構成するための酸化ガス側セパレータ2または燃料ガス側セパレータ3形状は、酸化ガス流路21と燃料ガス流路31の入口部および出口部が対向し、流れの向きが対向していれば、任意に設定することができる。通常は、例えば、酸化ガス側セパレータ2または燃料ガス側セパレータ3の板面に設けた複数の溝を連通させて一続きの流路とし、両端を入口部または出口部とする。冷却水流路4も同様であり、酸化ガス側セパレータ2と燃料ガス側セパレータ3の少なくとも一方の面に溝を設けて、衝合させることにより対向面間に流路を形成することができる。   FIG. 1A schematically shows a flow path configuration in which the flow directions of the oxidizing gas and the fuel gas are opposed to each other. The shape of the oxidizing gas side separator 2 or the fuel gas side separator 3 for constituting the flow path is such that the inlet and outlet portions of the oxidizing gas flow path 21 and the fuel gas flow path 31 face each other and the flow directions face each other. Can be arbitrarily set. Usually, for example, a plurality of grooves provided on the plate surface of the oxidizing gas side separator 2 or the fuel gas side separator 3 are connected to form a continuous flow path, and both ends are used as an inlet portion or an outlet portion. The cooling water flow path 4 is the same, and a flow path can be formed between the opposing surfaces by providing a groove on at least one surface of the oxidizing gas side separator 2 and the fuel gas side separator 3 and abutting each other.

ここで、上記発電反応を効率よく進めるには、電解質膜11を十分に含水させる必要があり、通常、酸化ガスを加湿してガス流路入口部22へ供給している。ただし、燃料電池では酸化ガスと燃料ガスの反応で水が生成することから、供給ガスの加湿度が高いとガス流路内の水分量が増加し、ガス流路出口部23、33側において液水が生じるフラッディングをまねきやすい。この液水がMEA1の内外にて水詰まりを起こすと、反応ガスの拡散が阻害されるおそれがある。これを回避しようとして供給ガスの加湿度を低くすると、ガス流路入口部22、32側において電解質膜11が乾燥するドライアップを生じやすくなる。これらはいずれも出力を低下させる要因となる。   Here, in order to advance the power generation reaction efficiently, the electrolyte membrane 11 needs to be sufficiently hydrated. Usually, the oxidizing gas is humidified and supplied to the gas flow path inlet 22. However, in the fuel cell, water is generated by the reaction of the oxidizing gas and the fuel gas. Therefore, when the humidification of the supply gas is high, the amount of water in the gas flow path increases, and the liquid flow is increased at the gas flow path outlets 23 and 33 side. It is easy to cause flooding that generates water. If this liquid water causes water clogging inside and outside the MEA 1, diffusion of the reaction gas may be hindered. If the humidification of the supply gas is lowered so as to avoid this, dry-up of the electrolyte membrane 11 is likely to occur on the gas flow path inlet portions 22 and 32 side. Both of these are factors that reduce the output.

このため、本実施形態では、図1(a)に示すように、酸化ガス流路21の出口部23に近い下流域において、酸化ガス側セパレータ2の冷却媒体流路4側表面に、断熱層である断熱コーティング層5Aを形成して断熱領域24とする。断熱領域24では、酸化ガス流路21から冷却媒体流路4への放熱が抑制されて酸化ガス側の温度が燃料ガス側よりも高くなる。同様に、燃料ガス流路31の出口部33側に近い下流域には、燃料ガス側セパレータ3の冷却媒体流路4側表面に、断熱層である断熱コーティング層5Bを形成して断熱領域34とする。この断熱領域34では、燃料ガス流路31から冷却媒体流路4への放熱が抑制されて、燃料ガス側の温度が酸化ガス側よりも高くなる。これら断熱領域24、34により、酸化ガス流路21および燃料ガス流路31における水分量および水蒸気分圧、ガス流路間を透過する水分量を調整して、フラッディングおよびドライアップを抑制する。   For this reason, in this embodiment, as shown in FIG. 1A, a heat insulating layer is formed on the surface of the oxidizing gas side separator 2 on the cooling medium flow path 4 side in the downstream area near the outlet 23 of the oxidizing gas flow path 21. The heat insulating coating layer 5A is formed as a heat insulating region 24. In the heat insulating region 24, heat radiation from the oxidizing gas passage 21 to the cooling medium passage 4 is suppressed, and the temperature on the oxidizing gas side becomes higher than that on the fuel gas side. Similarly, in the downstream region near the outlet 33 side of the fuel gas channel 31, a heat insulating coating layer 5B, which is a heat insulating layer, is formed on the surface of the fuel gas side separator 3 on the cooling medium channel 4 side to form a heat insulating region 34. And In the heat insulating region 34, heat radiation from the fuel gas flow path 31 to the cooling medium flow path 4 is suppressed, and the temperature on the fuel gas side becomes higher than that on the oxidizing gas side. By these heat insulating regions 24 and 34, the amount of moisture and the partial pressure of water vapor in the oxidizing gas passage 21 and the fuel gas passage 31 and the amount of moisture permeating between the gas passages are adjusted to suppress flooding and dry-up.

断熱コーティング層5A、5Bは、セパレータ2、3を構成するカーボンや金属材より熱伝導率が低く、薄膜で断熱効果が得られる断熱コーティング材を塗布することにより形成される。具体的には、シリコン系高分子材料やフッ素系高分子材料等の他、低熱伝導率の金属材、導電性樹脂等の導電性材料を用いることもできる。断熱コーティング層5A、5Bの形成範囲、すなわち断熱領域24、34の大きさは、酸化ガス流路21側、燃料ガス流路31側それぞれにおいて、ガス流路出口部の温度や流路間の温度差が所望の値となるように、任意に設定することができる。通常は、酸化ガス流路21および燃料ガス流路31の出口部23、33側において、それぞれ下流端部からガス流路長の約30〜70%の範囲で、適宜選択するとよい。   The heat insulating coating layers 5A and 5B are formed by applying a heat insulating coating material having a thermal conductivity lower than that of carbon or metal material constituting the separators 2 and 3 and having a heat insulating effect with a thin film. Specifically, in addition to a silicon-based polymer material and a fluorine-based polymer material, a conductive material such as a metal material having a low thermal conductivity, a conductive resin, or the like can be used. The formation range of the heat insulating coating layers 5A and 5B, that is, the size of the heat insulating regions 24 and 34, is the temperature of the gas channel outlet and the temperature between the channels on the oxidizing gas channel 21 side and the fuel gas channel 31 side, respectively. It can be arbitrarily set so that the difference becomes a desired value. Usually, on the outlet portions 23 and 33 side of the oxidant gas passage 21 and the fuel gas passage 31, they may be appropriately selected within a range of about 30 to 70% of the gas passage length from the downstream end.

上記構成の燃料電池の作動について、次に説明する。図1において、燃料電池スタックSの各セルCに、燃料ガスとして水素が、酸化ガスとして空気が供給されると、セルCの酸化ガス流路21と燃料ガス流路31に水素と空気がそれぞれ導入され、MEA1の両電極12、13において下記(1)、(2)の電気化学反応が起こる。すなわち、燃料極13では拡散層を経て触媒層に達した水素が、水素イオンとなって電解質膜11を透過し、空気極12にて拡散層を経て触媒層に達した酸素と反応して水を生成する。生成水は、未反応ガスとともに空気極12内を移動して酸化ガス流路21へ排出され、また一部は電解質膜11を透過して燃料極13側へ移動し、燃料ガス流路31へ排出される。
アノード電極反応(燃料極13) H2 →2H+ +2e- ・・・(1)
カソード電極反応(空気極12) 2H+ +1/2O2 + +2e- →H2 O・・・(2)
Next, the operation of the fuel cell having the above configuration will be described. In FIG. 1, when hydrogen is supplied as fuel gas and air is supplied as oxidizing gas to each cell C of the fuel cell stack S, hydrogen and air are respectively supplied to the oxidizing gas passage 21 and the fuel gas passage 31 of the cell C. When introduced, the following electrochemical reactions (1) and (2) occur at both electrodes 12 and 13 of the MEA 1. That is, hydrogen that has reached the catalyst layer through the diffusion layer in the fuel electrode 13 passes through the electrolyte membrane 11 as hydrogen ions, and reacts with oxygen that has reached the catalyst layer through the diffusion layer at the air electrode 12 to react with water. Is generated. The generated water moves in the air electrode 12 together with the unreacted gas and is discharged to the oxidizing gas flow channel 21, and part of the generated water passes through the electrolyte membrane 11 and moves toward the fuel electrode 13, and enters the fuel gas flow channel 31. Discharged.
Anode electrode reaction (fuel electrode 13) H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathode electrode reaction (air electrode 12) 2H + + 1 / 2O 2 + + 2e → H 2 O (2)

この時、酸化ガス流路21では、発電により酸化ガス(酸素)が消費されるため、酸化ガスが導入される入口部22側から出口部23側へ向かってガス流量が減少する。ただし、酸化ガスとして空気を使用する場合、一般に、その減少量は少ない。また、酸化ガス流路21では、発電に伴って生成する水が排出されるために、流通するガス中の水分量が出口部23側へ向かって上昇する。そして、水蒸気分圧がその温度における飽和水蒸気圧に達すると、酸化ガス流路21内に液水が現れることになる。一方、燃料ガス流路31では、酸化ガス側と同様、発電により燃料ガス(水素)が消費されるため、燃料ガスが導入される入口部32側から出口部33側へ向かってガス流量が減少する。燃料ガス流路31では、酸化ガス側のように発電に伴う水の生成はないが、電解質膜11を透過して酸化ガス側から水分が移動する。この水分の影響により水分量が変動し、同様に出口部23側へ向かって上昇する傾向がある。   At this time, in the oxidizing gas channel 21, the oxidizing gas (oxygen) is consumed by the power generation, so that the gas flow rate decreases from the inlet portion 22 side where the oxidizing gas is introduced toward the outlet portion 23 side. However, when air is used as the oxidizing gas, the amount of decrease is generally small. Moreover, in the oxidizing gas flow path 21, since the water produced | generated with an electric power generation is discharged | emitted, the moisture content in the distribute | circulating gas rises toward the exit part 23 side. When the water vapor partial pressure reaches the saturated water vapor pressure at that temperature, liquid water appears in the oxidizing gas channel 21. On the other hand, in the fuel gas flow path 31, as with the oxidizing gas side, fuel gas (hydrogen) is consumed by power generation, so the gas flow rate decreases from the inlet portion 32 side where the fuel gas is introduced toward the outlet portion 33 side. To do. In the fuel gas flow path 31, there is no generation of water due to power generation unlike the oxidizing gas side, but moisture moves from the oxidizing gas side through the electrolyte membrane 11. The amount of moisture fluctuates due to the influence of this moisture, and similarly tends to rise toward the outlet 23 side.

ここで、本実施形態では、酸化ガス流路21の出口部23に近い下流域を断熱領域24としており、冷却水流路4と酸化ガス側セパレータ2の間に断熱コーティング層5Aを介在させている。このため、冷却水への放熱による温度低下が抑制されて、酸化ガス流路21の出口部23近傍の温度は、MEA1を挟んで対向する燃料ガス流路31の入口部32近傍の温度よりも高くなり、酸化ガス流路21側の水蒸気分圧が、燃料ガス流路31側に比べて高くなる。この水蒸気分圧の差により、酸化ガス側から燃料ガス側へ透過する水分量が多くなり、その結果、酸化ガス出口部23付近における水分量が減少するので、液水が溜まってフラッディングが生じるのを防止できる。   Here, in this embodiment, the downstream area close to the outlet 23 of the oxidizing gas channel 21 is used as the heat insulating region 24, and the heat insulating coating layer 5 </ b> A is interposed between the cooling water channel 4 and the oxidizing gas side separator 2. . For this reason, the temperature drop due to the heat radiation to the cooling water is suppressed, and the temperature in the vicinity of the outlet portion 23 of the oxidizing gas passage 21 is higher than the temperature in the vicinity of the inlet portion 32 of the fuel gas passage 31 opposed across the MEA 1. The water vapor partial pressure on the oxidizing gas channel 21 side becomes higher than that on the fuel gas channel 31 side. This difference in water vapor partial pressure increases the amount of water that permeates from the oxidant gas side to the fuel gas side. As a result, the amount of water near the oxidant gas outlet 23 decreases, so that liquid water accumulates and flooding occurs. Can be prevented.

一方、燃料ガス流路31の入口部32近傍では、透過してくる水分により燃料ガス中の水分量および水蒸気分圧は上昇する。このため、通常、乾燥水素が直接供給される燃料ガス流路31の入口部32付近に適度な水分が補給されるので、電解質膜11の乾燥を防止することができる。   On the other hand, in the vicinity of the inlet 32 of the fuel gas channel 31, the amount of water and the partial pressure of water vapor in the fuel gas rise due to the permeated water. For this reason, since the appropriate water | moisture content is normally replenished in the vicinity of the inlet part 32 of the fuel gas flow path 31 to which dry hydrogen is directly supplied, the drying of the electrolyte membrane 11 can be prevented.

同様に、燃料ガス流路31側においても、出口部33に近い下流域を断熱領域34として、冷却水流路4と燃料ガス側セパレータ3の間に断熱コーティング層5Bを介在させている。このため、冷却水への放熱による温度低下が抑制されて、燃料ガス流路31の出口部33近傍の温度は、MEA1を挟んで対向する酸化ガス流路21の入口部22近傍の温度よりも高くなり、燃料ガス流路31側の水蒸気分圧が、酸化ガス流路21側に比べて高くなる。この水蒸気分圧の差により、燃料ガス側から酸化ガス側へ透過する水分量が多くなり、その結果、燃料ガス出口部33付近における液水を減少させて、フラッディングを起こりにくくする効果が得られる。   Similarly, on the fuel gas flow path 31 side, a heat insulating coating layer 5 </ b> B is interposed between the cooling water flow path 4 and the fuel gas side separator 3 with the downstream area close to the outlet portion 33 as a heat insulating area 34. For this reason, the temperature drop due to the heat radiation to the cooling water is suppressed, and the temperature in the vicinity of the outlet portion 33 of the fuel gas passage 31 is higher than the temperature in the vicinity of the inlet portion 22 of the oxidizing gas passage 21 opposed across the MEA 1. The water vapor partial pressure on the fuel gas channel 31 side becomes higher than that on the oxidizing gas channel 21 side. Due to the difference in the partial pressure of water vapor, the amount of water that permeates from the fuel gas side to the oxidizing gas side increases, and as a result, the liquid water near the fuel gas outlet portion 33 is reduced, and the effect of preventing flooding is obtained. .

また、酸化ガス流路21の入口部22近傍では、透過してくる水分により酸化ガス中の水分量および水蒸気分圧が上昇する。このため、出口部23側におけるフラッディング防止のために、入口部22に供給される空気の加湿が不十分な場合でも、酸化ガス流路21の入口部22付近に適度な水分が補給されるので、電解質膜11の乾燥を防止することができる。   Further, in the vicinity of the inlet portion 22 of the oxidizing gas channel 21, the amount of moisture in the oxidizing gas and the water vapor partial pressure rise due to the permeated moisture. For this reason, in order to prevent flooding on the outlet 23 side, even when humidification of the air supplied to the inlet 22 is insufficient, appropriate moisture is supplied to the vicinity of the inlet 22 of the oxidizing gas channel 21. The drying of the electrolyte membrane 11 can be prevented.

図2、3に本発明の第2実施形態を示す。本実施形態では、図2(a)に示す燃料電池スタックSの積層方向の位置に応じて、セルCの酸化ガス側セパレータ2または燃料ガス側セパレータ3に形成する断熱コーティング層5A、5Bの形成範囲、すなわち断熱領域24、34の大きさを変更する。図2(b)は、燃料電池スタックSのセルC中央部付近の温度(図2(a)のA−A’線が通過する部位の温度)が、積層方向の位置によって変化する様子を表したものである。   2 and 3 show a second embodiment of the present invention. In this embodiment, formation of the heat insulating coating layers 5A and 5B formed on the oxidizing gas side separator 2 or the fuel gas side separator 3 of the cell C according to the position in the stacking direction of the fuel cell stack S shown in FIG. The range, that is, the size of the heat insulating regions 24 and 34 is changed. FIG. 2B shows how the temperature in the vicinity of the center portion of the cell C of the fuel cell stack S (the temperature at the site where the line AA ′ in FIG. 2A passes) changes depending on the position in the stacking direction. It is a thing.

図示するように、積層方向の中央部(領域C)では、各セルの温度はほぼ一定であるが、両端部(領域B、D)では中央部(領域C)よりもセル温度が低くなる傾向にあり、端面に近づくと温度が大きく低下する。このため、各セルC内においても積層方向に温度差が生じやすく、より端面に近い側の温度が低くなる。例えば、燃料ガス側セパレータ3が端面側に位置する領域Bでは、酸化ガス流路21側より燃料ガス流路31側が低温となり、酸化ガス側セパレータ2が端面側に位置する領域Dでは、燃料ガス流路31側より酸化ガス流路21側が低温となって、液水が発生しやすくなる。   As shown in the figure, the temperature of each cell is substantially constant at the central portion (region C) in the stacking direction, but the cell temperature tends to be lower at both ends (regions B and D) than at the central portion (region C). In this case, the temperature drops greatly as it approaches the end face. For this reason, also in each cell C, a temperature difference tends to occur in the stacking direction, and the temperature closer to the end face becomes lower. For example, in the region B where the fuel gas side separator 3 is located on the end surface side, the fuel gas channel 31 side is at a lower temperature than the oxidizing gas channel 21 side, and in the region D where the oxidizing gas side separator 2 is located on the end surface side, the fuel gas The temperature of the oxidizing gas channel 21 becomes lower than that of the channel 31 and liquid water is likely to be generated.

この場合、断熱領域24、34を燃料電池スタックS内で一律に設定すると、積層方向の位置によっては、断熱コーティング層5A、5Bによる温度上昇が不十分となって上述した水分移動による所望の効果が得られないおそれがある。そこで、図3に示すように、積層方向の領域B〜Dにおいて異なる断熱領域24、34を設定し、両端部(領域B、D)においてより端面側に位置するガス流路出口部の温度を高くするために、断熱領域を大きくする。   In this case, if the heat insulating regions 24 and 34 are uniformly set in the fuel cell stack S, depending on the position in the stacking direction, the temperature rise due to the heat insulating coating layers 5A and 5B becomes insufficient, and the desired effect due to the above-described moisture movement. May not be obtained. Therefore, as shown in FIG. 3, different heat insulating regions 24 and 34 are set in the regions B to D in the stacking direction, and the temperature of the gas flow channel outlet located at the end face side at both ends (regions B and D) is set. In order to make it higher, the heat insulation area is enlarged.

例えば、図3(a)のように、燃料ガス流路31側が低温となりやすい領域Bでは、燃料ガス側セパレータ3と冷却水流路4間の断熱コーティング層5Bを、流路中間域から下流域へかけて形成して、燃料ガス流路31出口部33側の断熱領域34を、図3(b)の領域Cより大きくする。また、図3(c)のように、酸化ガス流路21側が低温となりやすい領域Dでは、酸化ガス側セパレータ2と冷却水流路4間の断熱コーティング層5Aを、流路中間域から下流域へかけて形成して、酸化ガス流路21出口部23側の断熱領域24を、図3(b)の領域Cより大きくする。具体的には、領域Cにおける断熱領域24、34を流路長の30%程度とし、領域Bの断熱領域34および領域Dの断熱領域24を流路長の30%〜70%、例えば、60%程度とする。   For example, as shown in FIG. 3A, in the region B where the temperature of the fuel gas channel 31 tends to be low, the heat insulating coating layer 5B between the fuel gas separator 3 and the cooling water channel 4 is moved from the channel middle region to the downstream region. The heat insulation area 34 on the fuel gas flow path 31 outlet 33 side is made larger than the area C in FIG. Further, as shown in FIG. 3C, in the region D where the temperature of the oxidizing gas channel 21 tends to be low, the heat insulating coating layer 5A between the oxidizing gas side separator 2 and the cooling water channel 4 is moved from the channel middle region to the downstream region. The heat insulation region 24 on the side of the outlet 23 of the oxidizing gas channel 21 is made larger than the region C in FIG. Specifically, the heat insulating regions 24 and 34 in the region C are set to about 30% of the channel length, and the heat insulating region 34 in the region B and the heat insulating region 24 in the region D are set to 30% to 70%, for example, 60% of the channel length. %.

このように、積層方向のセル位置によって断熱領域24、34の大きさを変更することにより、燃料電池スタックS全体で、効果的にフラディッングおよび乾燥を防止することができる。なお、領域B、Dは、例えば、燃料電池スタックSの積層方向長のそれぞれ20%程度、領域Cは60%程度とする。これら領域B〜Dの分け方や、断熱領域24、34の設定は一例であり、適宜変更することができる。   Thus, flooding and drying can be effectively prevented in the entire fuel cell stack S by changing the size of the heat insulating regions 24 and 34 depending on the cell position in the stacking direction. The regions B and D are each about 20% of the length in the stacking direction of the fuel cell stack S, and the region C is about 60%, for example. The method of dividing these regions B to D and the setting of the heat insulating regions 24 and 34 are examples, and can be changed as appropriate.

あるいは、図4に第3実施形態として示すように、断熱領域24、34の大きさを変更する代わりに、断熱コーティング層5A、5Bの形成厚さを変更することにより、同様の効果を得ることもできる。すなわち、積層方向の領域B〜Dにおける断熱領域24、34の大きさは同等とし、両端部(領域B、D)においては、より端面側に位置するガス流路出口部の温度を高くするために、断熱コーティング層5A、5Bをより厚く塗布する。   Alternatively, as shown in FIG. 4 as the third embodiment, the same effect can be obtained by changing the formation thickness of the heat insulating coating layers 5A and 5B instead of changing the size of the heat insulating regions 24 and 34. You can also. That is, the sizes of the heat insulating regions 24 and 34 in the regions B to D in the stacking direction are set to be equal, and in both end portions (regions B and D), the temperature of the gas flow path outlet portion located on the end face side is increased. Further, the heat insulating coating layers 5A and 5B are applied thicker.

例えば、図4(a)のように、燃料ガス流路31側が低温となりやすい領域Bでは、燃料ガス側セパレータ3と冷却水流路4間の断熱コーティング層5Bを、図3(b)の領域Cより厚く形成して、燃料ガス流路31出口部33側の流路下流域に断熱領域34を形成する。また、図4(c)のように、酸化ガス流路21側が低温となりやすい領域Dでは、酸化ガス側セパレータ2と冷却水流路4間の断熱コーティング層5Aを、図3(b)の領域Cより厚く形成して、酸化ガス流路21出口部23側の流路下流域に断熱領域24を形成する。これら領域B〜Dにおける断熱領域24、34は、例えば、いずれも30%程度とする。   For example, as shown in FIG. 4A, in the region B where the temperature of the fuel gas channel 31 tends to be low, the heat insulating coating layer 5B between the fuel gas side separator 3 and the cooling water channel 4 is changed to the region C of FIG. The heat insulating region 34 is formed in the downstream area of the flow path on the fuel gas flow path 31 outlet 33 side. Further, as shown in FIG. 4C, in the region D where the temperature of the oxidizing gas flow channel 21 tends to be low, the heat insulating coating layer 5A between the oxidizing gas side separator 2 and the cooling water flow channel 4 is replaced with the region C of FIG. A heat insulating region 24 is formed in the downstream region of the flow channel on the side of the outlet 23 of the oxidizing gas flow channel 21 so as to be thicker. The heat insulating regions 24 and 34 in these regions B to D are both about 30%, for example.

このように、積層方向のセル位置によって、断熱領域24、34となる断熱コーティング層5A、5Bの厚さを変更することによっても、同様の効果が得られる。断熱領域24、34の大きさと断熱コーティング層5A、5Bの厚さの両方を変更しても、もちろんよく、フラッディングを防止したいガス流路の出口部側の温度が、対向する乾燥を防止したいガス流路の入口側の温度よりも高くなるように、断熱領域を形成することによって、フラッディング防止と乾燥防止を両立させることができる。   Thus, the same effect is acquired also by changing the thickness of 5 A of thermal insulation coating layers used as the thermal insulation area | regions 24 and 34 by the cell position of a lamination direction. Of course, even if both the size of the heat insulating regions 24 and 34 and the thickness of the heat insulating coating layers 5A and 5B are changed, the temperature on the outlet side of the gas flow path to prevent flooding is the gas to prevent the opposite drying. By forming the heat insulating region so as to be higher than the temperature on the inlet side of the flow path, both prevention of flooding and prevention of drying can be achieved.

図5に第4実施形態として示すように、酸化ガス側セパレータ2および燃料ガス側セパレータ3を薄肉の導電性板材にて形成し、波板状に成形して流路を構成してもよい。この時、図5(a)のように、波板状の酸化ガス側セパレータ2とMEA1の間に酸化ガス流路21が、波板状の燃料ガス側セパレータ3とMEA1の間に燃料ガス流路31が形成され、両セパレータ2、3間に冷却水流路4が形成される構成は、上記実施形態と同様である。このような構成とすると、セパレータ2、3を薄くすることができ、セルCの積層枚数に対して燃料電池スタックSをコンパクトにすることができる。   As shown in FIG. 5 as a fourth embodiment, the oxidizing gas side separator 2 and the fuel gas side separator 3 may be formed of a thin conductive plate material and may be formed into a corrugated plate to constitute a flow path. At this time, as shown in FIG. 5A, the oxidizing gas flow path 21 is provided between the corrugated oxidizing gas side separator 2 and the MEA 1, and the fuel gas flow is provided between the corrugated fuel gas side separator 3 and the MEA 1. The configuration in which the channel 31 is formed and the cooling water channel 4 is formed between the separators 2 and 3 is the same as in the above embodiment. With such a configuration, the separators 2 and 3 can be made thin, and the fuel cell stack S can be made compact with respect to the number of stacked cells C.

ここで、冷却水流路4形成部位を除くセパレータ2、3の衝合位置において導電性を確保する必要があることから、図5(a)において、樹脂材等よりなる断熱コーティング層5Aは、酸化ガス側セパレータ2の冷却水流路4の内表面にのみ形成する。燃料ガス側セパレータ3に断熱コーティング層5Bを形成する場合も同様である。ただし、断熱コーティング層5A、5Bが導電性材料である場合には、図5(b)のように、断熱コーティング層5Aを、酸化ガス側セパレータ2の冷却水流路4側の表面全面に形成することができ、製作が容易となりコスト面で有利である。   Here, since it is necessary to ensure conductivity at the abutting position of the separators 2 and 3 excluding the portion where the cooling water flow path 4 is formed, the heat insulating coating layer 5A made of a resin material or the like in FIG. It is formed only on the inner surface of the cooling water flow path 4 of the gas side separator 2. The same applies when the heat insulating coating layer 5B is formed on the fuel gas side separator 3. However, when the heat insulating coating layers 5A and 5B are conductive materials, the heat insulating coating layer 5A is formed on the entire surface of the oxidizing gas side separator 2 on the cooling water flow path 4 side as shown in FIG. This is easy to manufacture and is advantageous in terms of cost.

図6は、酸化ガス流路21と燃料ガス流路31の流れの向きが対向する流路構成例を示すもので、図6(a)は、上記図1の第1実施形態のように、セル面の一方の側から他方の側へ向かう流路を形成した場合である。ここでは、酸化ガスが図の左方から右方へ流れ、燃料ガスが図の右方から左方へ流れるようにしている。図6(b)は、上記図5の第4実施形態のように、セル面に平行に形成した複数の流路を接続して、一続きの流路とした場合で、酸化ガスが図の左上方から右下方へ流れ、燃料ガスが図の右下方から左上方へ流れるようにしている。   FIG. 6 shows an example of the flow path configuration in which the flow directions of the oxidizing gas flow path 21 and the fuel gas flow path 31 are opposed to each other. FIG. 6 (a) shows the first embodiment of FIG. This is a case where a flow path from one side of the cell surface to the other side is formed. Here, the oxidizing gas flows from the left to the right in the figure, and the fuel gas flows from the right to the left in the figure. FIG. 6B shows a case where a plurality of flow paths formed in parallel to the cell surface are connected to form a continuous flow path as in the fourth embodiment of FIG. The fuel gas flows from the upper left to the lower right so that the fuel gas flows from the lower right to the upper left in the figure.

このように、本発明は、基本的にガス流れが対向流となる構成を前提としており、特に効果が高い。いずれの流路構成においても、酸化ガス側および燃料ガス側の下流端部において冷却水流路との間に断熱コーディング層を形成することで、上記効果が得られる。   As described above, the present invention is based on the premise that the gas flow is basically a counter flow, and is particularly effective. In any of the flow path configurations, the above-described effect can be obtained by forming a heat insulating coding layer between the oxidizing gas side and the fuel gas side at the downstream end portion between the cooling water flow path.

図7により、本発明の効果を確認するためのシミュレーション結果について説明する。図7(a)において、酸化ガス流路21および燃料ガス流路31の出口部23、33側には、それぞれ断熱コーティング層5A、5Bが形成されている。ここで、酸化ガス流路21の出口部33側を、断熱コーティング層5Aとして厚さ0.1mmのシリコンフィルムにて断熱したと仮定すると、その温度上昇は以下のように算出される。
熱伝導率:0.15W/m・K
発電面積を10×10=100cmとすると、
熱抵抗=0.0001/(0.15×0.1×0.1)=0.067
発電量を0.8A/cm2 、0.6Vとすると、
発熱量=0.8×100×(1.23−0.6)=50.4W
温度上昇=0.067×50.4=3.4℃
よって、断熱により空気極(カソード)12側が約3.4℃温度上昇することになる。
A simulation result for confirming the effect of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 7A, heat insulating coating layers 5 </ b> A and 5 </ b> B are formed on the outlet portions 23 and 33 side of the oxidizing gas passage 21 and the fuel gas passage 31, respectively. Here, assuming that the outlet 33 side of the oxidizing gas flow channel 21 is thermally insulated with a silicon film having a thickness of 0.1 mm as the heat insulating coating layer 5A, the temperature rise is calculated as follows.
Thermal conductivity: 0.15 W / m · K
If the power generation area is 10 × 10 = 100 cm 2 ,
Thermal resistance = 0.0001 / (0.15 × 0.1 × 0.1) = 0.067
If the power generation amount is 0.8 A / cm 2 and 0.6 V,
Calorific value = 0.8 × 100 × (1.23−0.6) = 50.4 W
Temperature rise = 0.067 × 50.4 = 3.4 ° C.
Therefore, the temperature of the air electrode (cathode) 12 side rises by about 3.4 ° C. due to heat insulation.

この温度上昇により、空気極(カソード)12側から燃料極(アノード)13側へ水分が透過する。水素側が無加湿から飽和に達する水移動量は、
80℃の時、飽和水蒸気分圧は47.6kPaであるので、
このときの水素流量が1.0L/min、背圧が100kPaGとすると、 1×47.6/(200−47.6)/22.4×18=0.25g/min
77℃の時、飽和水蒸気分圧は42.2kPaであるので、
1×42.2/(200−42.2)/22.4×18=0.21g/min
よって、3℃温度上昇した場合の水移動量は、0.04g/min増加する。
Due to this temperature rise, moisture permeates from the air electrode (cathode) 12 side to the fuel electrode (anode) 13 side. The amount of water movement on the hydrogen side from saturation to no saturation is
Since the saturated water vapor partial pressure is 47.6 kPa at 80 ° C,
When the hydrogen flow rate at this time is 1.0 L / min and the back pressure is 100 kPaG, 1 × 47.6 / (200−47.6) /22.4×18=0.25 g / min
Since the saturated water vapor partial pressure is 42.2 kPa at 77 ° C,
1 × 42.2 / (200-42.2) /22.4×18=0.21 g / min
Therefore, the amount of water movement when the temperature rises by 3 ° C. increases by 0.04 g / min.

さらに、水移動量が0.04g増加した時の効果として、酸化ガス流路21の出口部23側での液水量を試算すると、
アノード/カソードともに60℃で加湿し、空気流量が2.5L/minのとき
セル温度76℃で、0.426g/min
セル温度78℃で、0.393g/min
セル温度79℃で、0.376g/min
となり、液水量が0.05g/減ることにより図7(b)のように、電流電圧特性への違いが生じる。
Furthermore, as an effect when the amount of water movement increases by 0.04 g, when the amount of liquid water at the outlet 23 side of the oxidizing gas channel 21 is estimated,
When both the anode and cathode are humidified at 60 ° C and the air flow rate is 2.5 L / min, the cell temperature is 76 ° C and 0.426 g / min.
0.393 g / min at a cell temperature of 78 ° C.
At a cell temperature of 79 ° C., 0.376 g / min
Thus, when the amount of liquid water is reduced by 0.05 g / day, a difference in current-voltage characteristics occurs as shown in FIG.

上記試算では、極間温度差を考慮していないが、冷却水温度76℃で、極間温度差3℃とした場合、酸化ガス流路21の出口部23側での温度上昇で液水が0.05g減り、さらに、水分透過によりさらに約0.04g減る。この場合、発電性能は、図7(b)に示す冷却水温度79℃以上にまで向上すると予測できる。   In the above calculation, the temperature difference between the electrodes is not taken into consideration, but when the cooling water temperature is 76 ° C. and the temperature difference between the electrodes is 3 ° C., the liquid water is increased due to the temperature rise on the outlet 23 side of the oxidizing gas passage 21. It is reduced by 0.05 g, and further reduced by about 0.04 g due to moisture permeation. In this case, it can be predicted that the power generation performance is improved to a cooling water temperature of 79 ° C. or higher shown in FIG.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明が適用される燃料電池は、上記図示の構成に限定されるものではなく、通常公知の燃料電池システムに用いられる種々の燃料電池構成に適用することが可能である。   The preferred embodiment of the present invention has been described above. However, the fuel cell to which the present invention is applied is not limited to the above-described configuration, and various fuel cell configurations that are used in commonly known fuel cell systems. It is possible to apply.

本発明の第1実施形態であり、(a)は第1実施形態の燃料電池における燃料電池スタックの主要部概略構成図、(b)は、燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is 1st Embodiment of this invention, (a) is a principal part schematic block diagram of the fuel cell stack in the fuel cell of 1st Embodiment, (b) is the schematic which shows the whole structure of a fuel cell system. 本発明の第2実施形態であり、(a)は第2実施形態の燃料電池スタックの概略構成図、(b)は、スタック積層方向の位置とセル温度を関係を示す図である。FIG. 2A is a schematic configuration diagram of a fuel cell stack according to a second embodiment, and FIG. 2B is a diagram illustrating a relationship between a position in the stack stacking direction and a cell temperature. (a)〜(c)は、本発明の第2実施形態において、燃料電池スタックの領域B〜Dにおける断熱層の構成例をそれぞれ示す図である。(A)-(c) is a figure which respectively shows the structural example of the heat insulation layer in area | region BD of a fuel cell stack in 2nd Embodiment of this invention. (a)〜(c)は、本発明の第3実施形態において、燃料電池スタックの領域B〜Dにおける断熱コーティング層の構成例をそれぞれ示す図である。(A)-(c) is a figure which respectively shows the structural example of the heat insulation coating layer in area | region BD of a fuel cell stack in 3rd Embodiment of this invention. (a)、(b)は、本発明の第4実施形態において、燃料電池スタックの酸化ガス側セパレータまたは燃料ガス側セパレータにおける断熱コーティング層の構成例をそれぞれ示す図である。(A), (b) is a figure which respectively shows the structural example of the heat insulation coating layer in the oxidizing gas side separator of a fuel cell stack, or a fuel gas side separator in 4th Embodiment of this invention. (a)、(b)は、燃料電池スタックのセル面における酸化ガス流路および燃料ガス流路の構成例をそれぞれ示す図である。(A), (b) is a figure which respectively shows the structural example of the oxidizing gas flow path in the cell surface of a fuel cell stack, and a fuel gas flow path. 本発明の効果を説明するための図で、(a)は燃料電池スタック主要部の概略構成図、(b)は、燃料電池の電流電圧特性を示す図である。2A and 2B are diagrams for explaining the effects of the present invention, in which FIG. 1A is a schematic configuration diagram of a main part of a fuel cell stack, and FIG.

符号の説明Explanation of symbols

S 燃料電池スタック
C セル(単位セル)
1 MEA(膜電極接合体)
11 電解質膜
2 酸化ガス側セパレータ
21 酸化ガス流路
22 入口部
23 出口部
24 断熱領域
3 燃料ガス側セパレータ
31 燃料ガス流路
32 入口部
33 出口部
34 断熱領域
4 冷却水流路(冷却媒体流路)
5A、5B 断熱コーティング層(断熱層)
S Fuel cell stack C cell (unit cell)
1 MEA (membrane electrode assembly)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Electrolyte membrane 2 Oxidizing gas side separator 21 Oxidizing gas flow path 22 Inlet part 23 Outlet part 24 Heat insulation area 3 Fuel gas side separator 31 Fuel gas flow path 32 Inlet part 33 Outlet part 34 Heat insulation area 4 Cooling water flow path (cooling medium flow path )
5A, 5B Thermal insulation coating layer (thermal insulation layer)

Claims (5)

酸化ガスと燃料ガスの化学反応により発電する単位セルを多数積層し、単位セル間に冷却媒体流路を設けた燃料電池スタックを備える燃料電池において、
上記単位セルは、電解質膜の両面に電極を配設した膜電極接合体の一方の面側に酸化ガス流路を形成する酸化ガス側セパレータを、他方の面側に燃料ガス流路を形成する燃料ガス側セパレータを設けるとともに、上記酸化ガス流路の入口部と上記燃料ガス流路の出口部、上記酸化ガス流路の出口部と上記燃料ガス流路の入口部とを、それぞれ上記膜電極接合体を挟んで対向位置させて、酸化ガスと燃料ガスの流れの向きが対向する流路構成とし、
上記酸化ガス側セパレータを介して上記酸化ガス流路と上記冷却媒体流路を隣接させる一方、上記燃料ガス側セパレータを介して上記燃料ガス流路と上記冷却媒体流路を隣接させ、
上記酸化ガス流路の出口部側では、上記酸化ガス側セパレータと上記冷却媒体流路の間に断熱層を配設して、酸化ガス側の温度を燃料ガス側よりも高くした断熱領域を形成し、
上記燃料ガス流路の出口部側では、上記燃料ガス側セパレータと上記冷却媒体流路の間に断熱層を配設して、燃料ガス側の温度を酸化ガス側よりも高くした断熱領域を形成したことを特徴とする燃料電池。
In a fuel cell including a fuel cell stack in which a large number of unit cells that generate power by a chemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas are stacked and a cooling medium flow path is provided between the unit cells.
In the unit cell, an oxidizing gas side separator that forms an oxidizing gas channel is formed on one surface side of a membrane electrode assembly in which electrodes are disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a fuel gas channel is formed on the other surface side. A fuel gas side separator is provided, and an inlet portion of the oxidizing gas passage and an outlet portion of the fuel gas passage, an outlet portion of the oxidizing gas passage and an inlet portion of the fuel gas passage are respectively connected to the membrane electrode. It is made to oppose on both sides of a joined body, and it is set as the channel composition where the direction of the flow of oxidation gas and fuel gas is opposed,
While the oxidizing gas channel and the cooling medium channel are adjacent to each other through the oxidizing gas side separator, the fuel gas channel and the cooling medium channel are adjacent to each other via the fuel gas side separator,
On the outlet side of the oxidizing gas flow path, a heat insulating layer is disposed between the oxidizing gas side separator and the cooling medium flow path to form a heat insulating region in which the temperature on the oxidizing gas side is higher than that on the fuel gas side. And
On the outlet side of the fuel gas flow path, a heat insulating layer is disposed between the fuel gas side separator and the cooling medium flow path to form a heat insulating region in which the temperature on the fuel gas side is higher than that on the oxidizing gas side. A fuel cell characterized by that.
上記断熱層の大きさまたは厚さを、上記燃料電池スタックの積層方向の位置によって変更する請求項1記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the size or thickness of the heat insulating layer is changed depending on a position in the stacking direction of the fuel cell stack. 上記断熱層の大きさまたは厚さを、上記燃料ガス流路の出口部または上記酸化ガス流路の出口部における燃料ガス側と酸化ガス側の温度差が予め設定した範囲となるように、上記燃料電池スタックの積層方向の位置および流路方向の位置に応じて変更する請求項1記載の燃料電池。   The size or thickness of the heat insulating layer is set such that the temperature difference between the fuel gas side and the oxidizing gas side at the outlet of the fuel gas channel or the outlet of the oxidizing gas channel is within a preset range. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell stack is changed according to a position in a stacking direction and a position in a flow path direction of the fuel cell stack. 上記燃料ガス側セパレータまたは上記酸化ガス側セパレータの出口部側において、上記冷却媒体流路側のセパレータ表面を断熱コーティング材で被覆して上記断熱層を形成する請求項1ないし3のいずれか記載の燃料電池。   The fuel according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat insulating layer is formed by coating the surface of the separator on the cooling medium flow path side with a heat insulating coating material on the outlet side of the fuel gas side separator or the oxidizing gas side separator. battery. 上記断熱コーティング材がシリコン系高分子材料または導電性材料である請求項4記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 4, wherein the heat insulating coating material is a silicon-based polymer material or a conductive material.
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