JP2009037854A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a fuel cell.
燃料電池の発電部である電解質膜は、湿潤状態でイオン(プロトン)伝導性を示し良好な電池特性を発揮するので、電解質膜の水分状態を最適に保つ必要がある。そこで特許文献１では、触媒電極層が形成された電解質膜の外方の表裏にカーボン層で形成された加湿部を設けている。カソードガス(酸化剤ガス)が流れて電解質膜で生成された反応水は、カーボン層(加湿部)において水蒸気の濃度勾配によってカソードからアノードへ移動する。この移動した水分によってアノードガス(燃料ガス)が加湿される。そしてアノードガスがもう一方のカーボン層(加湿部)に達すると水蒸気の濃度勾配によって水分がアノードからカソードへ移動しカソードガスを加湿するのである。
しかし、前述した従来の構造では、加湿部に剛性がなく、燃料電池の運転時のカソードガス及びアノードガスの差圧によって電解質膜が流路側に延びて流路を閉塞するおそれがあった。 However, in the conventional structure described above, the humidifying portion is not rigid, and there is a possibility that the electrolyte membrane may extend to the flow channel side and block the flow channel due to the differential pressure between the cathode gas and the anode gas during operation of the fuel cell.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、電解質膜の水分状態を適切に維持できるとともに、燃料電池の運転時にカソードガス及びアノードガスの差圧が大きくても電解質膜が流路側に延びて流路を閉塞するおそれを低減できる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made by paying attention to such conventional problems, and can appropriately maintain the moisture state of the electrolyte membrane, and even when the differential pressure between the cathode gas and the anode gas is large during operation of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can reduce the risk that the electrolyte membrane extends to the flow channel side and closes the flow channel.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.
本発明は、電解質膜(１１ａ)と、その電解質膜(１１ａ)の片面の一部の領域に形成されたカソード電極(１１ｂ)と、カソード電極(１１ｂ)の裏面に形成されたアノード電極(１１ｃ)と、を含む膜電極接合体(１１)と、膜電極接合体(１１)に積層され、膜電極接合体(１１)に形成された電極(１１ｂ，１１ｃ)を表出させるための電極表出孔(１２ａ，１３ａ)と、電極表出孔(１２ａ，１３ａ)のガス流れ方向上流及び下流に設けられ、通水孔(１２ｃ，１３ｃ)が形成され、電解質膜(１１ａ)に当接して電解質膜(１１ａ)の強度を補強する補強領域(１２ｂ，１３ｂ)と、を有する補強材(１２，１３)と、を有することを特徴とする。 The present invention relates to an electrolyte membrane (11a), a cathode electrode (11b) formed on a part of one surface of the electrolyte membrane (11a), and an anode electrode (11c) formed on the back surface of the cathode electrode (11b). ), And an electrode table for exposing the electrodes (11b, 11c) formed on the membrane electrode assembly (11). Provided upstream and downstream of the outlet holes (12a, 13a) and the electrode outlet holes (12a, 13a) in the gas flow direction, water passage holes (12c, 13c) are formed, and contact the electrolyte membrane (11a). Reinforcing materials (12, 13) having reinforcing regions (12b, 13b) for reinforcing the strength of the electrolyte membrane (11a).
本発明によれば、補強材の補強領域で電解質膜を補強する構造であるので、燃料電池の運転時にガス差圧が大きくても、電解質膜が流路側に延びて流路を閉塞してしまう可能性を低減できる。また補強領域には孔が形成されており、生成水を利用して反応ガスを加湿することができる。 According to the present invention, since the electrolyte membrane is reinforced by the reinforcing region of the reinforcing material, the electrolyte membrane extends to the flow channel side and closes the flow channel even if the gas differential pressure is large during operation of the fuel cell. The possibility can be reduced. In addition, a hole is formed in the reinforcing region, and the reaction gas can be humidified using generated water.
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の外観を示す斜視図である。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a fuel cell according to the present invention.
燃料電池スタック１は、積層された複数の単セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４個のナット５０とを備える。 The fuel cell stack 1 includes a plurality of stacked single cells 10, a current collecting plate 20, an insulating plate 30, an end plate 40, and four nuts 50.
単セル１０は、燃料電池の単位セルである。各単セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各単セル１０の構成の詳細については後述する。 The single cell 10 is a unit cell of a fuel cell. Each single cell 10 generates an electromotive voltage of about 1 volt (V). Details of the configuration of each single cell 10 will be described later.
集電プレート２０は、積層された複数の単セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、上辺の一部に出力端子２１を備える。燃料電池スタック１は、出力端子２１によって、各単セル１０で生じた電子ｅ-を取り出して出力する。 The current collecting plate 20 is disposed outside each of the stacked single cells 10. The current collecting plate 20 is formed of a gas impermeable conductive member, for example, dense carbon. The current collecting plate 20 includes an output terminal 21 in a part of the upper side. The fuel cell stack 1 takes out and outputs the electrons e − generated in each single cell 10 through the output terminal 21.
絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。 The insulating plates 30 are respectively arranged outside the current collecting plates 20. The insulating plate 30 is formed of an insulating member such as rubber.
エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。 The end plate 40 is disposed outside the insulating plate 30. The end plate 40 is made of a rigid metal material such as steel.
一方のエンドプレート４０(図１では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、カソード供給口４２ａ、冷却水供給口４３ａ及びアノード排出口４１ｂは図中右側に設けられている。またアノード供給口４１ａ、冷却水排出口４３ｂ及びカソード排出口４２ｂは図中左側に設けられている。 One end plate 40 (the left front end plate 40 in FIG. 1) includes an anode supply port 41a, an anode discharge port 41b, a cathode supply port 42a, a cathode discharge port 42b, and a cooling water supply port 43a. A cooling water discharge port 43b is provided. In the present embodiment, the cathode supply port 42a, the cooling water supply port 43a, and the anode discharge port 41b are provided on the right side in the drawing. The anode supply port 41a, the cooling water discharge port 43b, and the cathode discharge port 42b are provided on the left side in the drawing.
ナット５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にはテンションロッド(不図示)が挿通される。テンションロッドは、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッドは、単セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッドの両端に上述したナット５０が螺合する。ナット５０とテンションロッドとが燃料電池スタック１を積層方向に締め付ける。 The nuts 50 are respectively arranged near the four corners of the end plate 40. The fuel cell stack 1 has a hole (not shown) penetrating therethrough. A tension rod (not shown) is inserted through this through hole. The tension rod is made of a rigid metal material such as steel. The tension rod is insulated on the surface in order to prevent an electrical short circuit between the single cells 10. The nut 50 described above is screwed to both ends of the tension rod. The nut 50 and the tension rod tighten the fuel cell stack 1 in the stacking direction.
アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等がある。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。 As a method of supplying hydrogen as anode gas to the anode supply port 41a, for example, a method of supplying hydrogen gas directly from a hydrogen storage device or a method of supplying a reformed hydrogen-containing gas by reforming a fuel containing hydrogen and so on. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, and a hydrogen storage alloy tank. Examples of the fuel containing hydrogen include natural gas, methanol, and gasoline. Air is generally used as the cathode gas supplied to the cathode supply port 42a.
図２は、燃料電池の積層構造を示す側断面図であり、図２(Ａ)は燃料電池全体を示し、ガスの流れを説明し、図２(Ｂ)は単セルの拡大構造を示す。 FIG. 2 is a side sectional view showing a stacked structure of a fuel cell. FIG. 2 (A) shows the entire fuel cell, explaining the gas flow, and FIG. 2 (B) shows an enlarged structure of a single cell.
図２(Ｂ)に示すように、単セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という)１１の両面にカソード側補強材１２とアノード側補強材１３とが配置されるとともにさらにその外側にカソードセパレータ１４とアノードセパレータ１５とが配置され、さらにアノードセパレータ１５の外側に冷却水流路１６が設けられて構成される。 As shown in FIG. 2B, a single cell 10 has a cathode side reinforcing material 12 and an anode side reinforcing material 13 arranged on both surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 11. In addition, a cathode separator 14 and an anode separator 15 are arranged on the outer side, and a cooling water channel 16 is provided on the outer side of the anode separator 15.
カソードガスは、図２(Ａ)のアミ塗り矢印に示すように、カソード供給口４２ａから供給されて燃料電池内を通流する。そしてカソード排出口４２ｂから排出される。 The cathode gas is supplied from the cathode supply port 42a and flows through the fuel cell as indicated by the shaded arrows in FIG. And it discharges | emits from the cathode discharge port 42b.
冷却水は、図２(Ａ)の破線塗り矢印に示すように、冷却水供給口４３ａから供給されて燃料電池内を通流する。そして冷却水排出口４３ｂから排出される。 The cooling water is supplied from the cooling water supply port 43a and flows through the fuel cell as indicated by the dashed arrows in FIG. And it is discharged | emitted from the cooling water discharge port 43b.
アノードガスは、図２(Ａ)の波塗り矢印に示すように、アノード供給口４１ａから供給される。そして燃料電池内を通流してアノード排出口４１ｂから排出される。 The anode gas is supplied from the anode supply port 41a as indicated by a wavy arrow in FIG. Then, it flows through the fuel cell and is discharged from the anode discharge port 41b.
図３は、燃料電池の構成部品を示す平面図であり、図３(Ａ)はカソードセパレータ、図３(Ｂ)はカソード側補強材、図３(Ｃ)はＭＥＡ、図３(Ｄ)はアノード側補強材、図３(Ｅ)はアノードセパレータである。なお図３(Ｅ)はアノードセパレータの透過図でありアノード流路を破線で示した。 3 is a plan view showing components of the fuel cell. FIG. 3A is a cathode separator, FIG. 3B is a cathode side reinforcing material, FIG. 3C is an MEA, and FIG. An anode side reinforcing material, FIG. 3 (E) is an anode separator. FIG. 3E is a permeation diagram of the anode separator, and the anode flow path is indicated by a broken line.
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、カソード電極１１ｂと、アノード電極１１ｃと、を備える。 The MEA 11 includes an electrolyte membrane 11a, a cathode electrode 11b, and an anode electrode 11c.
電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１ａの性能を引き出して発電効率を向上させるには、電解質膜１１ａの水分状態を最適に保つ必要がある。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１０に導入するアノードガスやカソードガスを加湿している。具体的な加湿構造については後述する。なお、電解質膜１１ａの水分状態を最適に保つための水には純水を用いるとよい。これは不純物が混入した水を燃料電池スタック１０に供給しては、電解質膜１１ａに不純物が蓄積し発電効率が低下するからである。 The electrolyte membrane 11a is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 11a exhibits good electrical conductivity in a wet state. Therefore, in order to extract the performance of the electrolyte membrane 11a and improve the power generation efficiency, it is necessary to keep the moisture state of the electrolyte membrane 11a optimal. Therefore, in this embodiment, the anode gas and cathode gas introduced into the fuel cell stack 10 are humidified. A specific humidification structure will be described later. Note that pure water may be used as water for keeping the moisture state of the electrolyte membrane 11a optimal. This is because when water mixed with impurities is supplied to the fuel cell stack 10, the impurities accumulate in the electrolyte membrane 11a and the power generation efficiency decreases.
カソード電極１１ｂは電解質膜１１ａの片面(図３(Ｃ)では裏面)に設けられ、アノード電極１１ｃは反対面(図３(Ｃ)では表面)に設けられる。カソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃは、ガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)と、撥水層と、触媒層と、で構成される。ガス拡散層(ＧＤＬ)は、充分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、たとえばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。 The cathode electrode 11b is provided on one surface (the back surface in FIG. 3C) of the electrolyte membrane 11a, and the anode electrode 11c is provided on the opposite surface (the surface in FIG. 3C). The cathode electrode 11b and the anode electrode 11c are composed of a gas diffusion layer (Gas Diffusion Layer; GDL), a water repellent layer, and a catalyst layer. The gas diffusion layer (GDL) is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers. The water repellent layer is a layer containing, for example, polyethylene fluoroethylene and a carbon material. The catalyst layer is formed of, for example, carbon black particles on which platinum is supported.
カソード側補強材１２は、本実施形態ではＭＥＡ１１の下に重なる。カソード側補強材１２の中央には、カソード電極１１ｂを表出させるためのカソード電極表出孔１２ａが形成されている。カソード電極表出孔１２ａの両側には電解質膜１１ａに重なって電解質膜１１ａを補強する補強領域１２ｂが設けられている。カソード側補強材１２は、有機材料で形成される。 In the present embodiment, the cathode-side reinforcing material 12 overlaps under the MEA 11. In the center of the cathode side reinforcing material 12, a cathode electrode exposing hole 12a for exposing the cathode electrode 11b is formed. Reinforcing regions 12b that reinforce the electrolyte membrane 11a are provided on both sides of the cathode electrode outlet hole 12a so as to overlap the electrolyte membrane 11a. The cathode side reinforcing material 12 is formed of an organic material.
アノード側補強材１３は、本実施形態ではＭＥＡ１１の上に重なる。アノード側補強材１３の中央には、アノード電極１１ｃを表出させるためのアノード電極表出孔１３ａが形成されている。アノード電極表出孔１３ａの両側には電解質膜１１ａに重なって電解質膜１１ａを補強する補強領域１３ｂが設けられている。アノード側補強材１３は、有機材料で形成される。 In this embodiment, the anode side reinforcing material 13 is overlaid on the MEA 11. In the center of the anode side reinforcing material 13, an anode electrode exposing hole 13a for exposing the anode electrode 11c is formed. Reinforcing regions 13b that reinforce the electrolyte membrane 11a are provided on both sides of the anode electrode outlet hole 13a so as to overlap the electrolyte membrane 11a. The anode side reinforcing material 13 is formed of an organic material.
カソードセパレータ１４は、本実施形態ではカソード側補強材１２の下側に重なる。すなわちこのカソードセパレータ１４にカソード側補強材１２が積層し、その上にＭＥＡ１１が積層し、その上にアノード側補強材１３が積層し、その上にアノードセパレータ１５が積層する。 In the present embodiment, the cathode separator 14 overlaps the lower side of the cathode side reinforcing material 12. That is, the cathode side reinforcing material 12 is laminated on the cathode separator 14, the MEA 11 is laminated thereon, the anode side reinforcing material 13 is laminated thereon, and the anode separator 15 is laminated thereon.
カソードセパレータ１４の片面(図３(Ａ)の表面)には、拡散流路１４ａと、カソード反応流路１４ｂと、集合流路１４ｃと、が形成されている。拡散流路１４ａ及び集合流路１４ｃには整流部１４ｄが凸設されている。 A diffusion channel 14a, a cathode reaction channel 14b, and a collective channel 14c are formed on one side of the cathode separator 14 (the surface in FIG. 3A). A rectifying portion 14d is provided in a protruding manner in the diffusion flow path 14a and the collecting flow path 14c.
カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、拡散流路１４ａを流れて拡散し、カソード反応流路１４ｂを流れ、集合流路１４ｃを流れて集合し、カソード排出口４２ｂから排出される。 Cathode gas supplied from the cathode supply port 42a flows through the diffusion flow path 14a, diffuses, flows through the cathode reaction flow path 14b, flows through the collective flow path 14c, collects, and is discharged from the cathode discharge port 42b.
アノードセパレータ１５の片面(図３(Ｅ)の裏面)には、拡散流路１５ａと、アノード反応流路１５ｂと、集合流路１５ｃと、が形成されている。拡散流路１５ａ及び集合流路１５ｃには整流部１５ｄが凸設されている。 A diffusion channel 15a, an anode reaction channel 15b, and a collecting channel 15c are formed on one surface of the anode separator 15 (the back surface in FIG. 3E). A rectification unit 15d is provided in a projecting manner in the diffusion channel 15a and the collecting channel 15c.
アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、拡散流路１５ａを流れて拡散し、アノード反応流路１５ｂを流れ、集合流路１５ｃを流れて集合し、アノード排出口４１ｂから排出される。 The anode gas supplied from the anode supply port 41a flows through the diffusion flow channel 15a, diffuses, flows through the anode reaction flow channel 15b, flows through the collective flow channel 15c, collects, and is discharged from the anode discharge port 41b.
図４は、カソード側補強材及びアノード側補強材の補強領域を示す拡大図である。 FIG. 4 is an enlarged view showing a reinforcing region of the cathode side reinforcing material and the anode side reinforcing material.
補強領域１２ｂ，１３ｂには、多数の通水孔１２ｃ，１３ｃが穿孔されている。図４には、８行×４列の円孔１２ｃ，１３ｃを例示した。 A large number of water passage holes 12c and 13c are formed in the reinforcing regions 12b and 13b. FIG. 4 illustrates the circular holes 12c and 13c of 8 rows × 4 columns.
図５は、孔径の設定方法の説明図である。 FIG. 5 is an explanatory diagram of a hole diameter setting method.
加湿性能の点では、補強領域１２ｂ，１３ｂに穿孔されている通水孔の径ｒが大きいことが望ましい。その一方で孔径ｒが過大では電解質膜１１ａが破損するおそれがある。そこで電解質膜１１ａを破損しない範囲で孔径ｒをできる限り大きくすることが望ましい。図５下図に示すように孔径ｒを大きくすれば補強領域１２ｂ，１３ｂの面積が減少し、それにともなって応力が上昇する。電解質膜１１ａには次式(1)が成立する。 In terms of humidification performance, it is desirable that the diameter r of the water passage holes drilled in the reinforcing regions 12b and 13b is large. On the other hand, if the pore diameter r is excessive, the electrolyte membrane 11a may be damaged. Therefore, it is desirable to make the hole diameter r as large as possible without causing damage to the electrolyte membrane 11a. As shown in the lower diagram of FIG. 5, when the hole diameter r is increased, the areas of the reinforcing regions 12b and 13b are reduced, and the stress increases accordingly. The following equation (1) is established for the electrolyte membrane 11a.
電解質膜の引っ張り強度の最大値σmax、膜厚ｔは、電解質膜１１ａの仕様で決まる。またアノードガスとカソードガスとの差圧ΔＰは、燃料電池の仕様で決まる。この式(１)によって孔径ｒの最大値が求まる。たとえば差圧が１０ＭＰａ(たとえば燃料電池起電時や停止時における極間差圧の最大値)、引っ張り強度が３０ＭＰａで膜厚が２５μｍの電解質膜を用いる場合、電解質膜が補強膜によって保持されていないとして自由端として式(１)を用いると、最大の孔径はｒ＝０．２５ｍｍであることが分かる。孔径ｒが０．２５ｍｍ以下であれば電解質膜１１ａが破損することはない。なお整流部幅(リブ幅)、隣接孔、補強膜の強度を考慮すると、さらに高精度で求めることができる。 The maximum value σmax and the film thickness t of the tensile strength of the electrolyte membrane are determined by the specifications of the electrolyte membrane 11a. The differential pressure ΔP between the anode gas and the cathode gas is determined by the specifications of the fuel cell. The maximum value of the hole diameter r is obtained from this equation (1). For example, when an electrolyte membrane having a differential pressure of 10 MPa (for example, the maximum value of the differential pressure between electrodes at the time of starting or stopping the fuel cell), a tensile strength of 30 MPa and a film thickness of 25 μm is used, the electrolyte membrane is held by the reinforcing membrane. If the equation (1) is used as the free end, it is understood that the maximum hole diameter is r = 0.25 mm. If the hole diameter r is 0.25 mm or less, the electrolyte membrane 11a will not be damaged. In consideration of the width of the rectifying section (rib width), the adjacent hole, and the strength of the reinforcing film, it can be obtained with higher accuracy.
図６は、単セルの構成部品を積層した状態を示す平面図であり、図６(Ａ)は、カソードセパレータにカソード側補強材を積層した状態を示し、図６(Ｂ)は、さらにＭＥＡ及びアノード側補強材を積層した状態を示す。 FIG. 6 is a plan view showing a state in which component parts of a single cell are laminated, FIG. 6 (A) shows a state in which a cathode side reinforcing material is laminated on a cathode separator, and FIG. 6 (B) further shows an MEA. And the state which laminated | stacked the anode side reinforcement material is shown.
図６(Ａ)に示すように、カソードセパレータ１４にカソード側補強材１２を積層した状態では、カソードセパレータ１４のカソード反応流路１４ｂにカソード側補強材１２のカソード電極表出孔１２ａが重なり、カソード反応流路１４ｂが表出している。またカソードセパレータ１４の拡散流路１４ａ及び集合流路１４ｃにカソード側補強材１２の補強領域１２ｂが重なる。 As shown in FIG. 6A, in a state where the cathode side reinforcing material 12 is laminated on the cathode separator 14, the cathode electrode outlet hole 12a of the cathode side reinforcing material 12 overlaps the cathode reaction flow path 14b of the cathode separator 14, The cathode reaction channel 14b is exposed. Further, the reinforcing region 12b of the cathode side reinforcing member 12 overlaps the diffusion channel 14a and the collecting channel 14c of the cathode separator 14.
そして図６(Ｂ)に示すように、さらにＭＥＡ１１及びアノード側補強材１３を積層した状態では、カソード側補強材１２のカソード電極表出孔１２ａを通して、カソードセパレータ１４のカソード反応流路１４ｂにＭＥＡ１１のカソード電極１１ｂが重なる。またカソード側補強材１２の補強領域１２ｂにはカソード電極１１ｂ及びアノード電極１１ｃが存在せず電解質膜１１ａが直接重なり、さらにその上にアノード側補強材１３の補強領域１３ｂが重なる。このように電解質膜１１ａが、カソード側補強材１２の補強領域１２ｂ及びアノード側補強材１３の補強領域１３ｂで挟持されて補強されることとなる。ＭＥＡ１１のアノード電極１１ｃは、アノード側補強材１３のアノード電極表出孔１３ａによって表出状態である。 6B, when the MEA 11 and the anode side reinforcing material 13 are further laminated, the MEA 11 passes through the cathode electrode outlet hole 12a of the cathode side reinforcing material 12 to the cathode reaction channel 14b of the cathode separator 14. The cathode electrodes 11b overlap. Further, the cathode electrode 11b and the anode electrode 11c do not exist in the reinforcing region 12b of the cathode side reinforcing material 12, and the electrolyte membrane 11a directly overlaps, and further, the reinforcing region 13b of the anode side reinforcing material 13 overlaps thereon. In this way, the electrolyte membrane 11a is sandwiched and reinforced by the reinforcing region 12b of the cathode side reinforcing material 12 and the reinforcing region 13b of the anode side reinforcing material 13. The anode electrode 11 c of the MEA 11 is in an exposed state by the anode electrode exposing hole 13 a of the anode side reinforcing material 13.
図示を省略するが、さらにアノードセパレータ１５を重ねると、アノード側補強材１３の補強領域１３ｂにアノードセパレータ１５の拡散流路１５ａ及び集合流路１５ｃが重なる。 Although illustration is omitted, when the anode separator 15 is further overlapped, the diffusion flow path 15a and the collective flow path 15c of the anode separator 15 overlap with the reinforcing region 13b of the anode side reinforcing member 13.
図７は単セルの断面図である。 FIG. 7 is a cross-sectional view of a single cell.
カソードガスが、カソードガス流路１４ｂを流れると、反応水が生成するが、本実施形態の単セル１０は、上述のような構成になっているので、図７に示すように、この生成水が、カソード側補強材１２の補強領域１２ｂの通水孔１２ｃを介して電解質膜１１ａに到達して電解質膜１１ａを加湿する。そして電解質膜１１ａを透過した水分は、アノード側補強材１３の補強領域１３ｂの通水孔１３ｃを介してアノードセパレータ１５の拡散流路１５ａを流れるアノードガスを加湿し湿潤状態にする。これによりＭＥＡ１１の良好な発電反応が保たれる。 When the cathode gas flows through the cathode gas flow path 14b, reaction water is generated. However, since the unit cell 10 of the present embodiment is configured as described above, as shown in FIG. However, it reaches the electrolyte membrane 11a through the water passage holes 12c of the reinforcing region 12b of the cathode side reinforcing member 12, and humidifies the electrolyte membrane 11a. The moisture that has permeated the electrolyte membrane 11a humidifies the anode gas flowing through the diffusion flow path 15a of the anode separator 15 through the water passage holes 13c of the reinforcing region 13b of the anode side reinforcing member 13 to make it wet. Thereby, the favorable power generation reaction of MEA11 is maintained.
本実施形態によれば、カソード側補強材１２の補強領域１２ｂ及びアノード側補強材１３の補強領域１３ｂでＭＥＡ１１の電解質膜１１ａを挟持する構造であるので、燃料電池の運転時にカソードガス及びアノードガスの差圧が大きくても、電解質膜１１ａが流路側に延びて流路を閉塞してしまうことがない。 According to the present embodiment, since the electrolyte membrane 11a of the MEA 11 is sandwiched between the reinforcing region 12b of the cathode side reinforcing material 12 and the reinforcing region 13b of the anode side reinforcing material 13, the cathode gas and the anode gas are operated during the operation of the fuel cell. Even if the differential pressure is large, the electrolyte membrane 11a does not extend to the flow channel side and block the flow channel.
また本実施形態によれば、カソード側補強材１２の補強領域１２ｂは、カソードセパレータ１４の拡散流路１４ａ及び集合流路１４ｃが重なり、アノード側補強材１３の補強領域１３ｂは、アノードセパレータ１５の拡散流路１５ａ及び集合流路１５ｃが重なる。このため生成水は、反応流路１４ｂ，１５ｂよりも流路断面積が小さいところに集合して圧力が高められることとなる。そのため補強領域の孔から電解質膜１１ａに流れやすくなり反応ガスを加湿する性能を高められるのである。 In addition, according to the present embodiment, the reinforcing region 12 b of the cathode side reinforcing member 12 overlaps the diffusion channel 14 a and the collecting channel 14 c of the cathode separator 14, and the reinforcing region 13 b of the anode side reinforcing member 13 corresponds to the anode separator 15. The diffusion channel 15a and the collecting channel 15c overlap. For this reason, the generated water gathers at a place where the cross-sectional area of the flow path is smaller than that of the reaction flow paths 14b and 15b, and the pressure is increased. Therefore, it becomes easy to flow to the electrolyte membrane 11a from the hole in the reinforcing region, and the performance of humidifying the reaction gas can be enhanced.
（第２実施形態）
図８は、本発明による燃料電池の第２実施形態を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a view showing a second embodiment of the fuel cell according to the present invention.
第１実施形態の補強領域１２ｂ，１３ｂは、カソード電極表出孔１２ａ，アノード電極表出孔１３ｂの両側に矩形に形成したが、本実施形態の補強領域１２ｂ，１３ｂは、カソードセパレータ１４の拡散流路１４ａと、アノードセパレータ１５の集合流路１５ｃと、が重なる領域にのみ形成するようにした。 The reinforcing regions 12b and 13b of the first embodiment are formed in a rectangular shape on both sides of the cathode electrode exposing hole 12a and the anode electrode exposing hole 13b, but the reinforcing regions 12b and 13b of the present embodiment are diffused by the cathode separator 14. The flow path 14a and the collective flow path 15c of the anode separator 15 are formed only in the overlapping region.
このようにしても、生成水は、カソード側補強材１２の補強領域１２ｂの通水孔１２ｃを介して電解質膜１１ａに到達して電解質膜１１ａを加湿するとともに、アノード側補強材１３の補強領域１３ｂの通水孔１３ｃを介してアノードセパレータ１５の拡散流路１５ａを流れるアノードガスを加湿し湿潤状態にする。これによりＭＥＡ１１の良好な発電反応が保たれる。 Even in this case, the generated water reaches the electrolyte membrane 11a via the water passage holes 12c of the reinforcement region 12b of the cathode side reinforcing member 12 and humidifies the electrolyte membrane 11a, and also the reinforcing region of the anode side reinforcing member 13 The anode gas flowing through the diffusion flow path 15a of the anode separator 15 through the water passage hole 13c of 13b is humidified to be in a wet state. Thereby, the favorable power generation reaction of MEA11 is maintained.
また補強領域１２ｂ，１３ｂの面積が第１実施形態に比べて小さいので、補強材１２，１３の補強性能が高くなる。 Further, since the areas of the reinforcing regions 12b and 13b are smaller than those in the first embodiment, the reinforcing performance of the reinforcing members 12 and 13 is enhanced.
（第３実施形態）
図９は、本発明による燃料電池の第３実施形態を示す図である。
(Third embodiment)
FIG. 9 is a diagram showing a third embodiment of the fuel cell according to the present invention.
第１実施形態の電解質膜１１ａは、ほぼ一定厚であったが、本実施形態の電解質膜１１ａは、補強領域１２ｂ，１３ｂと重なる領域では厚さが薄くなっている。 The electrolyte membrane 11a of the first embodiment has a substantially constant thickness, but the electrolyte membrane 11a of the present embodiment has a small thickness in the region overlapping the reinforcing regions 12b and 13b.
このようにすれば、電解質膜中の水分移動距離が短くなるので、生成水が電解質膜１１ａを透過しやすくなり、アノードセパレータ１５の拡散流路１５ａを流れるアノードガスを加湿しやすくなる。 In this way, since the water movement distance in the electrolyte membrane is shortened, the generated water can easily pass through the electrolyte membrane 11a, and the anode gas flowing through the diffusion flow path 15a of the anode separator 15 can be easily humidified.
（第４実施形態）
図１０は、本発明による燃料電池の第４実施形態を示す図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a view showing a fourth embodiment of the fuel cell according to the present invention.
本実施形態では、補強領域１２ｂの通水孔１２ｃは、整流部１４ｄに重ならない位置に形成されている。 In this embodiment, the water flow hole 12c of the reinforcement area | region 12b is formed in the position which does not overlap with the rectification | straightening part 14d.
補強領域１２ｂの通水孔１２ｃが、整流部１４ｄに重なったところでは、生成水が電解質膜側へ透過しにくい。その一方で補強領域１２ｂの通水孔１２ｃが存在すると、電解質膜１１ａに対する補強性能が低下する。そこで生成水の透過しやすいところにのみ孔を形成することで無用に補強性能を低下させないのである。 Where the water passage hole 12c of the reinforcing region 12b overlaps the rectifying unit 14d, the generated water is difficult to permeate to the electrolyte membrane side. On the other hand, if the water flow holes 12c in the reinforcing region 12b exist, the reinforcing performance with respect to the electrolyte membrane 11a deteriorates. Therefore, the reinforcing performance is not lowered unnecessarily by forming the holes only in the place where the generated water easily passes.
（第５実施形態）
図１１は、本発明による燃料電池の第５実施形態の特徴部分を拡大した図であり、図１２(Ａ)は図１１のＡ−Ａ断面図であり、図１２(Ｂ)は図１１のＢ−Ｂ断面図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 is an enlarged view of the characteristic part of the fifth embodiment of the fuel cell according to the present invention, FIG. 12 (A) is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 11, and FIG. 12 (B) is FIG. It is BB sectional drawing.
カソードセパレータ１４及びアノードセパレータ１５が金属セパレータである場合は、ガス流路の裏面が冷却水流路になっている。このような構成であると、図１２(Ｂ)に示すように、３種の流体が流れるため集合流路１４ｃの流路断面積が小さく、フラッディングを生じる可能性がある。そこで本実施形態のように、補強領域１２ｂ，１３ｂを形成しておくことで、生成水が電解質膜１１ａを透過し、フラッディングを防止できるのである。 When the cathode separator 14 and the anode separator 15 are metal separators, the back surface of the gas channel is a cooling water channel. With such a configuration, as shown in FIG. 12B, since three kinds of fluid flow, the flow passage cross-sectional area of the collecting flow passage 14c is small, and flooding may occur. Therefore, as in the present embodiment, by forming the reinforcing regions 12b and 13b, the generated water permeates the electrolyte membrane 11a and can prevent flooding.
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。 Without being limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are also included in the technical scope of the present invention.
上記説明においては、ガス流路はストレートタイプのものを例示して説明したが、たとえば、サーペンタイン(serpentine)タイプであってもよく、すなわちカソードガスの排出部とアノードガスの供給部とが近接するような構成であればよい。 In the above description, the gas flow path has been described as an example of a straight type, but may be, for example, a serpentine type, that is, the cathode gas discharge unit and the anode gas supply unit are close to each other. Any configuration may be used.
そして図１３に示すように反応ガスの供給口及び排出口が同方向であって冷却水供給口側に集めた構造のサーペンタインタイプであれば、水分授受を行う加湿部(通水孔１２ｃ，１３ｃが形成されている領域)で効率よく加湿できるとともに、さらに加湿部において気化熱によって温度が下がるので燃料電池の冷却能力が向上し、さらに燃料電池から排出される冷却水は温度が上昇しているのでラジエータの冷却能力が向上するのである。 And if it is the serpentine type of the structure where the supply port and discharge port of the reactive gas are in the same direction and are collected on the cooling water supply port side as shown in FIG. 13, the humidifying part (water passage holes 12c, 13c) for transferring and receiving moisture is used. In the humidified part, the temperature is lowered by the heat of vaporization, so that the cooling capacity of the fuel cell is improved, and the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell is increased. Therefore, the cooling capacity of the radiator is improved.
また通水孔１２ｃ，１３ｃに、水分を含有可能な保水材を配置すれば、燃料電池の運転停止直後の起動時でも保水材に蓄えられている水分で反応ガスを加湿できるのである。 If a water retaining material capable of containing water is disposed in the water passage holes 12c and 13c, the reaction gas can be humidified with the water stored in the water retaining material even when the fuel cell is started immediately after the operation is stopped.
１ 燃料電池スタック
１０ 単セル
１１ 膜電極接合体(ＭＥＡ)
１１ａ 電解質膜
１１ｂ カソード電極
１１ｃ アノード電極
１２ カソード側補強材
１２ａ カソード電極表出孔
１２ｂ 補強領域
１２ｃ 通水孔
１３ アノード側補強材
１３ａ アノード電極表出孔
１３ｂ 補強領域
１３ｃ 通水孔
１４ カソードセパレータ(流路形成体)
１４ａ 拡散流路
１４ｂ カソード反応流路
１４ｃ 集合流路
１４ｄ 整流部
１５ アノードセパレータ(流路形成体)
１５ａ 拡散流路
１５ｂ アノード反応流路
１５ｃ 集合流路
１５ｄ 整流部
1 Fuel Cell Stack 10 Single Cell 11 Membrane Electrode Assembly (MEA)
11a Electrolyte membrane 11b Cathode electrode 11c Anode electrode 12 Cathode side reinforcing material 12a Cathode electrode exposing hole 12b Reinforcing region 12c Water through hole 13 Anode side reinforcing material 13a Anode electrode exposing hole 13b Reinforcing region 13c Water through hole 14 Cathode separator (flow) (Path former)
14a Diffusion flow path 14b Cathode reaction flow path 14c Aggregation flow path 14d Rectifier 15 Anode separator (flow path forming body)
15a Diffusion channel 15b Anode reaction channel 15c Aggregation channel 15d Rectifier
Claims (9)
前記膜電極接合体に積層され、膜電極接合体に形成された電極を表出させるための電極表出孔と、その電極表出孔のガス流れ方向上流及び下流に設けられ、通水孔が形成され、前記電解質膜に当接して電解質膜の強度を補強する補強領域と、を有する補強材と、
を有する燃料電池。 A membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, a cathode electrode formed in a partial region of one surface of the electrolyte membrane, and an anode electrode formed on the back surface of the cathode electrode;
It is laminated on the membrane electrode assembly, and is provided in an electrode outlet hole for exposing the electrode formed in the membrane electrode assembly, upstream and downstream in the gas flow direction of the electrode outlet hole, and a water passage hole is provided. A reinforcing region formed and abutting the electrolyte membrane to reinforce the strength of the electrolyte membrane, and
A fuel cell.
前記補強領域は、前記拡散流路又は前記集合流路に対向するように形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 A flow path forming body that is laminated on the reinforcing material and has a diffusion flow path that guides the gas supplied from the gas supply port to the reaction flow path, and a collective flow path that guides the gas reacted in the reaction flow path to the gas discharge port. Have
The reinforcing region is formed to face the diffusion channel or the collecting channel.
The fuel cell according to claim 1.
カソード供給口から供給されたカソードガスをカソード反応流路へ導く拡散流路と、カソード反応流路で反応したカソードガスをカソード排出口へ導く集合流路と、を有するカソード流路形成体と、
アノード供給口から供給されたアノードガスをアノード反応流路へ導く拡散流路と、アノード反応流路で反応したアノードガスをアノード排出口へ導く集合流路と、を有するアノード流路形成体と、
を含み、
前記カソード流路形成体の拡散流路と前記アノード流路形成体の集合流路とが対峙し、
前記カソード流路形成体の集合流路と前記アノード流路形成体の拡散流路とが対峙し、
前記補強領域は、積層方向から透過して見たときに、前記カソード流路形成体の拡散流路と前記アノード流路形成体の集合流路とが重なる領域、又は、前記カソード流路形成体の集合流路と前記アノード流路形成体の拡散流路とが重なる領域、に形成されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。 The flow path forming body is:
A cathode flow path forming body having a diffusion flow path for guiding the cathode gas supplied from the cathode supply port to the cathode reaction flow path, and a collecting flow path for guiding the cathode gas reacted in the cathode reaction flow path to the cathode discharge port;
An anode flow path forming body having a diffusion flow path for guiding the anode gas supplied from the anode supply port to the anode reaction flow path, and a collecting flow path for guiding the anode gas reacted in the anode reaction flow path to the anode discharge port;
Including
The diffusion flow path of the cathode flow path forming body and the aggregate flow path of the anode flow path forming body face each other,
The collective flow path of the cathode flow path forming body and the diffusion flow path of the anode flow path forming body are opposed to each other,
The reinforcing region is a region where the diffusion flow channel of the cathode flow channel forming body and the aggregate flow channel of the anode flow channel forming member overlap when viewed from the lamination direction, or the cathode flow channel forming member Formed in a region where the collective flow channel and the diffusion flow channel of the anode flow channel forming body overlap,
The fuel cell according to claim 2.
前記補強領域の通水孔は、前記整流部に重ならない位置に形成されている、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池。 At least one of the diffusion channel and the collecting channel is formed with a rectifying unit that rectifies the gas flow,
The water passage hole of the reinforcing region is formed at a position that does not overlap the rectifying unit,
The fuel cell according to claim 2 or claim 3, wherein
カソード電極を表出させるためのカソード電極表出孔と、そのカソード電極表出孔のカソードガス流れ方向上流及び下流に設けられ、通水孔が形成され、前記電解質膜に当接して電解質膜の強度を補強する補強領域と、を有するカソード側補強材と、
アノード電極を表出させるためのアノード電極表出孔と、そのアノード電極表出孔のアノードガス流れ方向上流及び下流に設けられ、通水孔が形成され、前記電解質膜に当接して電解質膜の強度を補強する補強領域と、を有するアノード側補強材と、
を有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池。 The reinforcing material is
A cathode electrode outlet hole for exposing the cathode electrode, and a cathode gas flow direction upstream and downstream of the cathode electrode outlet hole in the cathode gas flow direction, a water passage hole is formed, and is in contact with the electrolyte membrane to A reinforcing region for reinforcing strength, and a cathode side reinforcing material having
An anode electrode outlet hole for exposing the anode electrode, and an anode gas flow direction upstream and downstream of the anode electrode outlet hole in the anode gas flow direction, a water passage hole is formed, contacting the electrolyte membrane, A reinforcing region for reinforcing strength, and an anode side reinforcing material having
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell comprises:
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池。 A water retaining material that is provided in the water passage hole of the reinforcing region and can contain moisture;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell is characterized in that:
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池。 In the electrolyte membrane, the thickness of the region where the reinforcing region of the reinforcing material comes into contact is thinner than the thickness of the region where the cathode electrode and the anode electrode are formed.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, characterized in that:
前記ガス供給口と前記ガス排出口とが同方向に配置されるとともに、冷却水供給口も同方向に配置されている、
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池。 The reaction channel has a serpentine shape,
The gas supply port and the gas discharge port are disposed in the same direction, and the cooling water supply port is also disposed in the same direction.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, characterized in that:
前記カソード電極を電解質膜の片面の一部の領域に形成し、
前記アノード電極を前記カソード電極の裏面に形成し、
前記膜電極接合体に、補強材を積層し、膜電極接合体に形成された電極を電極表出孔により表出させ、電極表出孔のガス流れ方向上流及び下流に通水孔を形成し、電解質膜に当接して電解質膜の強度を補強する補強領域を形成した、
ことを特徴とする燃料電池の形成方法。 A method of forming a fuel cell having a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, a cathode electrode, and an anode electrode,
Forming the cathode electrode in a partial region on one side of the electrolyte membrane;
Forming the anode electrode on the back surface of the cathode electrode;
A reinforcing material is laminated on the membrane electrode assembly, and the electrode formed on the membrane electrode assembly is exposed by the electrode outlet hole, and water passage holes are formed upstream and downstream of the electrode outlet hole in the gas flow direction. , Formed a reinforced region that abuts the electrolyte membrane and reinforces the strength of the electrolyte membrane,
A method of forming a fuel cell.
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