JP2009081102A

JP2009081102A - Polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number: JP2009081102A
Application number: JP2007250912A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tatsui; 洋龍井; Junji Morita; 純司森田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2009-04-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress obstruction of flow of a cooling medium caused by generation of bubbles of dissolved gas contained in the cooling medium flowing through the inside of a fuel cell stack in a cooling passage according to temperature rising of the cooling medium between the inlet and outlet of the fuel cell stack. <P>SOLUTION: A cooling water passage 8 installed on the opposite surface to a surface coming in contact with an MEA 105 of a separator connects a cooling water inlet manifold hole 6a installed on the upper side in the vertical direction of the separator and a cooling water exhaust manifold hole 7a installed on the lower side in the vertical direction, and is constituted in a serpentine state by connecting a plurality of almost horizontal parts and a plurality of almost vertical parts 8b, and at least the beginning substantially horizontal part 8a of the cooling water passage 8 has an inclined part 8c inclined so that the upstream side in the flow direction of cooling water is positioned in the upper part more than the downstream side. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等に用いる固体高分子型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used for a portable power source, a power source for an electric vehicle, a stationary cogeneration system, and the like.

固体高分子型燃料電池では、高分子電解質膜を挟んでアノードとカソードとが形成されており、これを一対のセパレータで挟持した燃料電池の基本構成を単セルと呼ぶ。 In a polymer electrolyte fuel cell, an anode and a cathode are formed with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and the basic configuration of a fuel cell in which this is sandwiched between a pair of separators is called a single cell.

そして両セパレータのアノードとカソードとに接する面にそれぞれ設けたガス流路を通して、アノードおよびカソードにそれぞれ水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガス（以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応ガスと総称する場合がある）とが供給される。 Then, through the gas flow paths provided on the surfaces of the separators in contact with the anode and the cathode, respectively, the anode and the cathode each contain a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air (hereinafter, fuel gas and oxidant gas). May be collectively referred to as a reaction gas).

そしてアノードにおいて、電極反応により燃料ガス中の水素原子から電子が解放されて水素イオンが生成されるとともにこの電子が外部回路（負荷）を通じてカソードに到達する。一方、水素イオンは高分子電解質膜を通過してカソードに到達する。 In the anode, electrons are released from hydrogen atoms in the fuel gas by the electrode reaction to generate hydrogen ions, and these electrons reach the cathode through an external circuit (load). On the other hand, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and reach the cathode.

そして、カソードにおいて、水素イオンと電子と酸化剤ガス中の酸素とが結合して水が生成される。そして、この反応の際に、電力と熱とが同時に発生する。一般的に、燃料電池は必要電力を得るために、単セルを電気的に直列に複数積層して締結した状態（燃料電池スタックと呼ばれる）で用いられる。 Then, at the cathode, hydrogen ions, electrons, and oxygen in the oxidant gas are combined to generate water. In this reaction, electric power and heat are generated simultaneously. In general, a fuel cell is used in a state (called a fuel cell stack) in which a plurality of single cells are electrically stacked in series and fastened in order to obtain necessary power.

発生した電力は、燃料電池スタックに接続された外部回路（負荷）を介して消費される。 The generated power is consumed via an external circuit (load) connected to the fuel cell stack.

一方、発生した熱は、燃料電池スタックの温度をコントロールするために燃料電池スタックに供給、排出される水や不凍液などの冷却媒体によって燃料電池から回収され、燃料電池スタックの外部に搬出される。そして燃料電池コージェネレーションシステムでは温水を作る熱源や、燃料電池スタックに供給する反応ガスの加湿源として利用される。 On the other hand, the generated heat is recovered from the fuel cell by a cooling medium such as water or antifreeze supplied to and discharged from the fuel cell stack to control the temperature of the fuel cell stack, and is carried out of the fuel cell stack. In the fuel cell cogeneration system, it is used as a heat source for producing hot water and a humidifying source for the reaction gas supplied to the fuel cell stack.

燃料電池に供給する反応ガスを加湿する必要性は、高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸系の材料が使われていることにある。この高分子電解質膜は水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、通常、反応ガスは加湿して燃料電池に供給される必要がある。 The necessity of humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell is that a perfluorocarbon sulfonic acid-based material is used as the polymer electrolyte membrane. Since this polymer electrolyte membrane exhibits ionic conductivity in a state containing moisture, it is usually necessary to humidify the reaction gas and supply it to the fuel cell.

燃料電池の高性能化のためには高分子電解質膜のイオン伝導度を向上させる必要があり、そのためには反応ガスを１００％の相対湿度を有するように加湿して供給することが好ましい。そして、燃料電池の動作温度以下の露点を有する反応ガスを供給すると、パーフルオロカーボンスルホン酸系の電解質が分解してフッ化物イオンが高分子電解質膜から溶出し、それにより、高分子電解質膜が劣化することが判明している。 In order to improve the performance of the fuel cell, it is necessary to improve the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane. For this purpose, it is preferable to supply the reaction gas with humidification so as to have a relative humidity of 100%. When a reaction gas having a dew point below the operating temperature of the fuel cell is supplied, the perfluorocarbon sulfonic acid electrolyte is decomposed and fluoride ions are eluted from the polymer electrolyte membrane, thereby deteriorating the polymer electrolyte membrane. It has been found to be.

しかしながら、他方では、カソードでは発電の際に水が生成されるため、反応ガスを過剰に加湿するとフラッディングが発生する恐れがある。 On the other hand, however, since water is generated at the cathode during power generation, flooding may occur if the reaction gas is excessively humidified.

そこで、高分子電解質膜の劣化を抑制して燃料電池の寿命を向上させるために、フラッディングを防止しつつ、燃料電池の温度と反応ガスの加湿状態を適切に保つ運転が試みられてきた。なおここで言う適切な過湿状態の運転とは、詳細は後述の実施の形態で説明するが、燃料電池の温度と同じ温度の露点を有する反応ガスを燃料電池に供給して行う運転（いわゆるフル加湿運転）や、燃料電池の温度よりも高い換算露点温度の反応ガスを燃料電池に供給する過加湿運転を意味している（例えば、特許文献１参照）。 Therefore, in order to suppress deterioration of the polymer electrolyte membrane and improve the life of the fuel cell, an operation has been attempted in which the temperature of the fuel cell and the humidified state of the reaction gas are appropriately maintained while preventing flooding. The operation in the appropriate overhumid state mentioned here will be described in detail in an embodiment described later, but is performed by supplying a reaction gas having a dew point of the same temperature as the temperature of the fuel cell to the fuel cell (so-called operation) Full humidification operation) and over humidification operation in which a reaction gas having a converted dew point temperature higher than the temperature of the fuel cell is supplied to the fuel cell (see, for example, Patent Document 1).

図９は、特許文献１に示される固体高分子型燃料電池スタックの概略構成を示す斜視図であり、図１０は図９のＸ-Ｘ断面および要部拡大の説明図であり、図１１はセパレータの冷却流路を示す背面図である。図９および図１１では、燃料電池における上下方向を、図における上下方向として表している。 FIG. 9 is a perspective view showing a schematic configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack shown in Patent Document 1, FIG. 10 is an XX cross section of FIG. It is a rear view which shows the cooling flow path of a separator. 9 and 11, the vertical direction in the fuel cell is represented as the vertical direction in the drawings.

図９に示すように燃料電池スタック５０は、板状の全体形状を有する単セル１０がその厚み方向に積層されてなるセル積層体２０１と、セル積層体２０１の両端に配置された第１および第２の端板１４ａ，１４ｃとを有している。 As shown in FIG. 9, the fuel cell stack 50 includes a cell stack 201 in which unit cells 10 having a plate-like overall shape are stacked in the thickness direction, and first and second cells disposed at both ends of the cell stack 201. Second end plates 14a and 14c are provided.

セル積層体２０１の一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、セル積層体２０１を積層方向に貫通するように酸化剤ガス供給マニホールド４が形成されている。酸化剤ガス供給マニホールド４の一端は第１の端板１４ａに形成された貫通孔（酸化剤ガス入口４０４）を介して酸化剤ガス入口配管１６に接続している。酸化剤ガス供給マニホールド４の他端は第２の端板１４ｃによって閉鎖されている。 An oxidant gas supply manifold 4 is formed above one side portion (hereinafter referred to as a first side portion) of the cell stack 201 so as to penetrate the cell stack 201 in the stacking direction. One end of the oxidant gas supply manifold 4 is connected to the oxidant gas inlet pipe 16 via a through hole (oxidant gas inlet 404) formed in the first end plate 14a. The other end of the oxidant gas supply manifold 4 is closed by a second end plate 14c.

また、セル積層体２０１の他方の側部（以下、第２の側部）の下部には、セル積層体２０１を積層方向に貫通するように酸化剤ガス排出マニホールド５が形成されている。酸化剤ガス排出マニホールド５の一端は第１の端板１４ａによって閉鎖されている。酸化剤ガス排出マニホールド５の他端は第２の端板１４ｃに形成された貫通孔（酸化剤ガス出口）を介して酸化剤ガス出口配管１９に接続している。 In addition, an oxidant gas discharge manifold 5 is formed below the other side portion (hereinafter, second side portion) of the cell stack 201 so as to penetrate the cell stack 201 in the stacking direction. One end of the oxidant gas discharge manifold 5 is closed by a first end plate 14a. The other end of the oxidant gas discharge manifold 5 is connected to an oxidant gas outlet pipe 19 through a through hole (oxidant gas outlet) formed in the second end plate 14c.

セル積層体２０１の第２の側部の上部には、セル積層体２０１を積層方向に貫通するように燃料ガス供給マニホールド２が形成されている。燃料ガス供給マニホールド２の一端は第１の端板１４ａに形成された貫通孔（燃料ガス入口４０３）を介して燃料ガス入口配管１５に接続している。燃料ガス供給マニホールド２の他端は第２の端板１４ｃによって閉鎖されている。 A fuel gas supply manifold 2 is formed above the second side portion of the cell stack 201 so as to penetrate the cell stack 201 in the stacking direction. One end of the fuel gas supply manifold 2 is connected to the fuel gas inlet pipe 15 through a through hole (fuel gas inlet 403) formed in the first end plate 14a. The other end of the fuel gas supply manifold 2 is closed by a second end plate 14c.

また、セル積層体２０１の第１の側部の下部には、セル積層体２０１を積層方向に貫通するように燃料ガス排出マニホールド３が形成されている。燃料ガス排出マニホールド３の一端は第１の端板１４ａによって閉鎖されている。燃料ガス排出マニホールド３の他端は第２の端板１４ｃに形成された貫通孔（燃料ガス出口）を介して燃料ガス出口配管２０に接続している。 A fuel gas discharge manifold 3 is formed below the first side portion of the cell stack 201 so as to penetrate the cell stack 201 in the stacking direction. One end of the fuel gas discharge manifold 3 is closed by a first end plate 14a. The other end of the fuel gas discharge manifold 3 is connected to the fuel gas outlet pipe 20 through a through hole (fuel gas outlet) formed in the second end plate 14c.

酸化剤ガス供給マニホールド４の上部の内側には、セル積層体２０１を積層方向に貫通するように冷却水供給マニホールド６が形成されている。冷却水供給マニホールド６の一端は第１の端板１４ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔（冷却水入口４０１）を介して冷却水入口配管１７が接続している。冷却水供給マニホールド６の他端は第２の端板１４ｃによって閉鎖されている。 A cooling water supply manifold 6 is formed inside the upper part of the oxidant gas supply manifold 4 so as to penetrate the cell stack 201 in the stacking direction. One end of the cooling water supply manifold 6 communicates with a through hole formed in the first end plate 14a, and a cooling water inlet pipe 17 is connected through this through hole (cooling water inlet 401). The other end of the cooling water supply manifold 6 is closed by a second end plate 14c.

また、酸化剤ガス排出マニホールド５の下部の内側には、セル積層体２０１を積層方向に貫通するように冷却水排出マニホールド７が形成されている。冷却水排出マニホールド７の一端は第１の端板１４ａによって閉鎖されている。冷却水排出マニホールド７の他端は第２の端板１４ｃに形成された貫通孔（冷却水出口４０２）を介して冷却水出口配管２１が接続されている。 A cooling water discharge manifold 7 is formed inside the lower part of the oxidant gas discharge manifold 5 so as to penetrate the cell stack 201 in the stacking direction. One end of the cooling water discharge manifold 7 is closed by a first end plate 14a. The other end of the cooling water discharge manifold 7 is connected to the cooling water outlet pipe 21 through a through hole (cooling water outlet 402) formed in the second end plate 14c.

図１０に示すように、セル１０は、板状の電極接合体（以下ＭＥＡと記す）１０５と、ＭＥＡ１０５の両主面に接触するように配置されたカソード側セパレータ１０７ｃ及びアノード側セパレータ１０７ａとで構成されている。 As shown in FIG. 10, a cell 10 includes a plate-like electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) 105, and a cathode-side separator 107c and an anode-side separator 107a arranged so as to be in contact with both main surfaces of the MEA 105. It is configured.

そして、互いに隣接するセル１０，１０において、一方のセル１０のカソード側セパレータ１０７ｃの背面と他方のセル１０のアノード側セパレータ１０７ａの背面とが接触するようにして、セル１０が積層されている。ＭＥＡ１０５，カソード側セパレータ１０７ｃ，及びアノード側セパレータ１０７ａは、互いに同じ大きさの矩形状に形成されている。 In the cells 10 and 10 adjacent to each other, the cells 10 are stacked such that the back surface of the cathode side separator 107c of one cell 10 and the back surface of the anode side separator 107a of the other cell 10 are in contact with each other. The MEA 105, the cathode side separator 107c, and the anode side separator 107a are formed in a rectangular shape having the same size.

そして、ＭＥＡ１０５、カソード側セパレータ１０７ｃ、及びアノード側セパレータ１０７ａには、互いに対応する所定の箇所に、これらを厚み方向に貫通する、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａ、酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａ、燃料ガス入口マニホールド孔２ａ、燃料ガス出口マニホールド孔３ａ、冷却水入口マニホールド孔６ａ、及び冷却水出口マニホールド孔７ａが形成され、全てのセル１０の各孔がそれぞれ繋がって、酸化剤ガス供給マニホールド４、酸化剤ガス排出マニホールド５、燃料ガス供給マニホールド２、燃料ガス排出マニホールド３、冷却水供給マニホールド６、及び冷却水排出マニホールド７が、それぞれ形成されている。 The MEA 105, the cathode-side separator 107c, and the anode-side separator 107a are formed at predetermined locations corresponding to each other through the oxidant gas inlet manifold hole 4a, the oxidant gas outlet manifold hole 5a, and the fuel. A gas inlet manifold hole 2a, a fuel gas outlet manifold hole 3a, a cooling water inlet manifold hole 6a, and a cooling water outlet manifold hole 7a are formed. The holes of all the cells 10 are connected to each other, and the oxidant gas supply manifold 4, An oxidant gas discharge manifold 5, a fuel gas supply manifold 2, a fuel gas discharge manifold 3, a cooling water supply manifold 6, and a cooling water discharge manifold 7 are formed.

カソード側セパレータ１０７ｃのＭＥＡ１０５と接触する正面、および背面には、それぞれ、酸化剤ガス流路１０６ｃ及び冷却水流路７０が形成されている。酸化剤ガス流路１０６ｃは、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａと酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａとを接続するように形成され、冷却水流路７０は後述するように、冷却水入口マニホールド孔６ａと冷却水出口マニホールド孔７ａとを接続するように形成されている。 An oxidant gas flow path 106c and a cooling water flow path 70 are formed on the front surface and the back surface of the cathode side separator 107c in contact with the MEA 105, respectively. The oxidant gas flow path 106c is formed so as to connect the oxidant gas inlet manifold hole 4a and the oxidant gas outlet manifold hole 5a, and the cooling water flow path 70 is cooled with the cooling water inlet manifold hole 6a as described later. It is formed so as to connect to the water outlet manifold hole 7a.

アノード側セパレータ１０７ａのＭＥＡ１０５と接触する正面、および背面には、それぞれ、燃料ガス流路１０６ａ及び冷却水流路７１が形成されている。燃料ガス流路１０６ａは、燃料ガス入口マニホールド孔２ａと燃料ガス出口マニホールド孔３ａとを接続するように形成され、冷却水流路７１は、冷却水入口マニホールド孔６ａと冷却水出口マニホールド孔７ａとを接続するように形成されている。 A fuel gas channel 106a and a cooling water channel 71 are formed on the front surface and the back surface of the anode side separator 107a that are in contact with the MEA 105, respectively. The fuel gas passage 106a is formed so as to connect the fuel gas inlet manifold hole 2a and the fuel gas outlet manifold hole 3a, and the cooling water passage 71 connects the cooling water inlet manifold hole 6a and the cooling water outlet manifold hole 7a. It is formed to connect.

冷却水流路７０，７１、燃料ガス流路１０６ａ、酸化剤ガス流路１０６ｃはカソード側セパレータ１０７ｃ又はアノード側セパレータ１０７ａの主面に形成された溝で構成されている。また、隣接するカソード側セパレータ１０７ｃの冷却水流路７０とアノード側セパレータ１０７ａの冷却水流路７１とは、セル１０が積層されたとき互いに合わさる（接合する）ように形成されており、両者で１つの冷却水流路が形成されている。 The cooling water channels 70 and 71, the fuel gas channel 106a, and the oxidant gas channel 106c are configured by grooves formed on the main surface of the cathode side separator 107c or the anode side separator 107a. Further, the cooling water flow path 70 of the adjacent cathode side separator 107c and the cooling water flow path 71 of the anode side separator 107a are formed so as to be joined (joined) to each other when the cells 10 are stacked, and one of them is one. A cooling water flow path is formed.

また、図１１に示すように、カソード側セパレータ１０７ｃの背面及びアノード側セパレータ１０７ａの背面には、冷却水入口マニホールド孔６ａ及び冷却水出口マニホールド孔７ａ並びに冷却水流路７０と、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａと、酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａと、燃料ガス入口マニホールド孔２ａと、燃料ガス出口マニホールド孔３ａとを、それぞれ、囲むように冷却水シール収容溝９ａが形成され、その溝に冷却水シール９がそれぞれ配置されている。これにより、前記のマニホールド孔等が互いにシールされている。 Further, as shown in FIG. 11, the cooling water inlet manifold hole 6a, the cooling water outlet manifold hole 7a, the cooling water flow path 70, and the oxidant gas inlet manifold are provided on the back surface of the cathode side separator 107c and the back surface of the anode side separator 107a. A cooling water seal accommodating groove 9a is formed so as to surround the hole 4a, the oxidant gas outlet manifold hole 5a, the fuel gas inlet manifold hole 2a, and the fuel gas outlet manifold hole 3a, respectively. Each of the seals 9 is arranged. As a result, the manifold holes and the like are sealed with each other.

ＭＥＡ１０５は、高分子電解質膜１０１と、カソードとアノードからなる一対の電極１０４と、ＭＥＡガスケット１１０と、を有している。そして、高分子電解質膜１０１の縁部以外の部分の両面にそれぞれカソード及びアノードが形成され、高分子電解質膜１０１の縁部の両面にカソード及びアノードをそれぞれ囲むようにＭＥＡガスケット１１０が配置されている。カソード及びアノードは、高分子電解質膜１０１の互いに反対の主面にそれぞれ形成された触媒層とこの触媒層の上に形成されたガス拡散層とで構成されている。 The MEA 105 includes a polymer electrolyte membrane 101, a pair of electrodes 104 including a cathode and an anode, and an MEA gasket 110. Then, a cathode and an anode are formed on both surfaces of the portion other than the edge of the polymer electrolyte membrane 101, respectively, and an MEA gasket 110 is disposed on both surfaces of the edge of the polymer electrolyte membrane 101 so as to surround the cathode and the anode, respectively. Yes. The cathode and the anode are composed of a catalyst layer formed on the opposite main surfaces of the polymer electrolyte membrane 101 and a gas diffusion layer formed on the catalyst layer.

また、カソードと、アノードと、カソード側セパレータ１０７ｃにおける酸化剤ガス流路１０６ｃが形成された領域及び冷却水流路７０が形成された領域と、アノード側セパレータ１０７ａにおける燃料ガス流路１０６ａが形成された領域及び冷却水流路７１が形成された領域とは、セル１０の積層方向から見て、互いに、実質的に全体的に重なり合うように配設されている。 Further, the cathode, the anode, the region where the oxidant gas channel 106c is formed in the cathode side separator 107c, the region where the cooling water channel 70 is formed, and the fuel gas channel 106a in the anode side separator 107a are formed. The region and the region in which the cooling water channel 71 is formed are disposed so as to substantially overlap each other when viewed from the stacking direction of the cells 10.

次に、各流路について、カソード側セパレータ１０７ｃの背面に設けた冷却水流路７０を例にして説明する。 Next, each flow path will be described taking the cooling water flow path 70 provided on the back surface of the cathode side separator 107c as an example.

図１１に示すように、カソード側セパレータ１０７ｃは、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａ及び酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａ、燃料ガス入口マニホールド孔２ａ及び燃料ガス出口マニホールド孔３ａ並びに冷却水入口マニホールド孔６ａ及び冷却水出口マニホールド孔７ａを有する。 As shown in FIG. 11, the cathode separator 107c includes an oxidant gas inlet manifold hole 4a, an oxidant gas outlet manifold hole 5a, a fuel gas inlet manifold hole 2a, a fuel gas outlet manifold hole 3a, a cooling water inlet manifold hole 6a, A cooling water outlet manifold hole 7a is provided.

さらに、カソード側セパレータ１０７ｃは、背面に、冷却水入口マニホールド孔６ａと冷却水出口マニホールド孔７ａを接続する冷却水流路７０を有し、ＭＥＡ１０５と接する正面には、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａと酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａとを接続する酸化剤ガス流路１０６ｃを有する。 Further, the cathode side separator 107c has a cooling water flow path 70 connecting the cooling water inlet manifold hole 6a and the cooling water outlet manifold hole 7a on the back surface, and the oxidant gas inlet manifold hole 4a and the front surface contacting the MEA 105. An oxidant gas flow path 106c that connects the oxidant gas outlet manifold hole 5a is provided.

図１１において、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａはカソード側セパレータ１０７ｃの一方の側部（図面右側の側部：以下、第１の側部という）の上部に設けられ、酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａはセパレータ１０７の他方の側部（図面左側の側部：以下、第２の側部という）の下部に設けられている。燃料ガス入口マニホールド孔２ａは、カソード側セパレータ１０７ｃの第２の側部の上部に設けられ、燃料ガス出口マニホールド孔３ａはカソード側セパレータ１０７ｃの第１の側部の下部に設けられている。 In FIG. 11, the oxidant gas inlet manifold hole 4a is provided at the upper part of one side of the cathode separator 107c (the right side of the drawing: hereinafter referred to as the first side), and the oxidant gas outlet manifold hole 5a. Is provided below the other side of the separator 107 (the side on the left side of the drawing: hereinafter referred to as the second side). The fuel gas inlet manifold hole 2a is provided in the upper part of the second side part of the cathode side separator 107c, and the fuel gas outlet manifold hole 3a is provided in the lower part of the first side part of the cathode side separator 107c.

冷却水入口マニホールド孔６ａは酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａの上部の内側に設けられ、冷却水出口マニホールド孔７ａは酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａの下部の内側に設けられている。 The cooling water inlet manifold hole 6a is provided inside the upper part of the oxidant gas inlet manifold hole 4a, and the cooling water outlet manifold hole 7a is provided inside the lower part of the oxidant gas outlet manifold hole 5a.

図１１において、冷却水流路７０は、２つの流路（流路溝）で構成されている。各流路は、水平方向に延びる水平部７０ａと、鉛直方向に延びる鉛直部７０ｂとで実質的に構成されている。 In FIG. 11, the cooling water channel 70 is composed of two channels (channel grooves). Each flow path is substantially constituted by a horizontal portion 70a extending in the horizontal direction and a vertical portion 70b extending in the vertical direction.

具体的には、冷却水流路７０の各流路は、冷却水入口マニホールド孔６ａの、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａに近い方の端部からある距離下方に延び、そこから、カソード側セパレータ１０７ｃの第２の側部（図面左側の側部）まで水平に延び、そこから下方にある距離延び、そこから第１の側部（図面右側の側部）まで水平に延びている。 Specifically, each flow path of the cooling water flow path 70 extends downward from the end of the cooling water inlet manifold hole 6a closer to the oxidant gas inlet manifold hole 4a by a distance from the cathode side separator 107c. Extends horizontally to the second side (left side of the drawing), extends a distance below it, and extends horizontally from there to the first side (right side of the drawing).

そして、そこから、上記の延在パターンを繰り返すサーペンタイン状の流路を構成し、その到達点から冷却水の出口マニホールド孔７ａの、酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａに近い方の端部に至るように下方に延びている。そして、各流路の水平に延びる部分が水平部７０ａを形成し、下方に延びる部分が鉛直部７０ｂを形成している。 From there, a serpentine-like flow path that repeats the above-described extending pattern is formed, and reaches from the reaching point to the end of the cooling water outlet manifold hole 7a closer to the oxidant gas outlet manifold hole 5a. It extends downward. And the part extended horizontally of each flow path forms the horizontal part 70a, and the part extended below forms the vertical part 70b.

そして、カソード側セパレータ１０７ｃの正面には、酸化剤ガス流路１０６ｃが、また、アノード側セパレータ１０７ａの正面と背面にはそれぞれ燃料ガス流路１０６ａと、冷却水流路７１とが、上記の冷却水流路７０と同様の構成で形成されている。 An oxidant gas passage 106c is provided on the front side of the cathode-side separator 107c, and a fuel gas passage 106a and a cooling water passage 71 are provided on the front and rear surfaces of the anode-side separator 107a, respectively. It is formed with the same configuration as the path 70.

以上のような構成にすることにより、酸化剤ガス流路１０６ｃおよび燃料ガス流路１０６ａは、全体的に見て鉛直方向の上から下へと流れるために、フラッディングが発生しにくい。 With the above-described configuration, the oxidant gas channel 106c and the fuel gas channel 106a flow from the top to the bottom in the vertical direction as a whole, so that flooding is unlikely to occur.

加えて、冷却水流路７０，７１は、セル１０の積層方向から見て酸化剤ガス流路１０６ｃと実質的に重なるように形成されており、燃料ガス流路１０６ａとは、水平方向においては反対方向に流れるものの、鉛直方向においては、全体としては上から下へと同じ方向に流れるように形成されている。したがって、比較的相対湿度が低くなる酸化剤ガスおよび燃料ガスの入口部において温度の上昇を抑えることができる。 In addition, the cooling water channels 70 and 71 are formed so as to substantially overlap the oxidant gas channel 106c when viewed from the stacking direction of the cells 10, and are opposite to the fuel gas channel 106a in the horizontal direction. Although it flows in the direction, it is formed so as to flow in the same direction from top to bottom as a whole in the vertical direction. Accordingly, it is possible to suppress an increase in temperature at the inlet portion of the oxidant gas and the fuel gas whose relative humidity is relatively low.

そして先述のように、反応ガスの換算露点が燃料電池の温度よりも高くなるように反応ガスを加湿器で加湿してから燃料電池に供給する過加湿運転を行うことにより、高分子電解質膜の乾燥を抑制することができる。
特開２００６−２１０３３４号公報 Then, as described above, by performing an over-humidification operation in which the reaction gas is humidified with a humidifier so that the converted dew point of the reaction gas is higher than the temperature of the fuel cell and then supplied to the fuel cell, Drying can be suppressed.
JP 2006-210334 A

しかしながら、上記従来の固体高分子型燃料電池では、以下のような課題があった。 However, the conventional polymer electrolyte fuel cell has the following problems.

すなわち、冷却媒体（冷却水やポリエチレングリコール水溶液などの不凍液）の入口マニホールド孔から冷却経路に供給された冷却媒体は、温度上昇によって溶存していた空気などのガスが気泡となって現れる。 That is, in the cooling medium supplied from the inlet manifold hole of the cooling medium (antifreezing liquid such as cooling water or polyethylene glycol aqueous solution) to the cooling path, gas such as air dissolved by the temperature rise appears as bubbles.

ところで、燃料電池の発電は、比較的上流側に集中しやすく、また、一般的にセパレータに用いられる金属やカーボンといった材料は熱伝導率が高いため、冷却媒体の温度上昇は比較的上流側で大きくなる。すなわち冷却媒体の温度上昇は、上流側に偏る傾向がある。 By the way, the power generation of the fuel cell is likely to be concentrated relatively upstream, and materials such as metals and carbon generally used for separators have high thermal conductivity, so the temperature rise of the cooling medium is relatively upstream. growing. That is, the temperature rise of the cooling medium tends to be biased upstream.

そのため、冷却媒体から発生する気泡は、一方の反応ガスの入口近傍から他方の反応ガスの入口近傍までの間、すなわち、冷却流路の最初の水平部に溜まりやすい。 For this reason, bubbles generated from the cooling medium tend to collect from the vicinity of one reaction gas inlet to the vicinity of the other reaction gas inlet, that is, in the first horizontal portion of the cooling flow path.

そして、冷却流路内に溜まった気泡は冷却媒体の流れを阻害するため、他方の反応ガス入口近傍の温度が上昇し、過加湿またはフル加湿の運転状態を維持できなくなる場合があり、高分子電解質膜の耐久性が低下するという課題があった。 Since the bubbles accumulated in the cooling flow path inhibit the flow of the cooling medium, the temperature in the vicinity of the other reaction gas inlet rises, and it may not be possible to maintain the operation state of excessive humidification or full humidification. There was a problem that the durability of the electrolyte membrane was lowered.

本発明の固体高分子型燃料電池は、前記従来の課題を解決するものであり、冷却媒体中の溶存ガスから発生した気泡が冷却流路の特に反応ガス入口近傍に溜まることを抑制して、反応ガス入口近傍の温度が上昇することを抑制することができ、ひいては過加湿またはフル加湿の運転状態を維持することができる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。 The polymer electrolyte fuel cell of the present invention solves the above-described conventional problems, and suppresses bubbles generated from the dissolved gas in the cooling medium from being accumulated particularly near the reaction gas inlet of the cooling flow path. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell that can suppress an increase in temperature in the vicinity of a reaction gas inlet and can maintain an overhumidified or fully humidified operating state.

上記課題を解決するために、本発明の固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを有し、前記セパレータにはその表面に設けられた冷却通路に冷却媒体が流れるとともに、前記冷却通路は略水平部と略鉛直部とを複数接続して構成したサーペンタイン状であり、前記冷却通路の上端に設けられた冷却媒体供給マニホールドと前記冷却通路の下端に設けられた冷却媒体排出マニホールドを有し、前記冷却流路の少なくとも最初の略水平部には、冷却媒体の流れる向きに対して上流側が下流側よりも上方に位置するように傾斜させた傾斜部を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池としたものである。 In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a membrane electrode assembly and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly, and the separator is provided on the surface thereof. The cooling medium flows through the cooling passage, and the cooling passage has a serpentine shape formed by connecting a plurality of substantially horizontal portions and substantially vertical portions. The cooling medium supply manifold provided at the upper end of the cooling passage and the cooling passage A cooling medium discharge manifold provided at the lower end of the passage, and at least the first substantially horizontal portion of the cooling flow path is inclined so that the upstream side is positioned above the downstream side with respect to the flow direction of the cooling medium The polymer electrolyte fuel cell is characterized by having an inclined portion.

これにより、少なくとも最初の略水平部である傾斜部で発生した気泡は自らの浮力によって、傾斜部に溜まることなく冷却媒体入口マニホールドに排出されるため、傾斜部に気泡が溜まり冷却媒体の流れを阻害することを抑制することができる。 As a result, at least the first bubble generated in the inclined portion, which is a substantially horizontal portion, is discharged to the cooling medium inlet manifold by its own buoyancy without accumulating in the inclined portion. Inhibiting can be suppressed.

本発明の固体高分子型燃料電池は、冷却流路の少なくとも最初の略水平部を冷却媒体入口マニホールドに向かって傾斜させたために、一方の反応ガス入口近傍と他方の反応ガス入口近傍との間に気泡が溜まって温度が上昇するのを抑制することができ、過加湿もしくはフル加湿の状態を維持することができる。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, since at least the first substantially horizontal portion of the cooling flow path is inclined toward the cooling medium inlet manifold, it is between the vicinity of one reaction gas inlet and the vicinity of the other reaction gas inlet. It is possible to suppress the temperature from rising due to accumulation of bubbles in the air, and it is possible to maintain an overhumidified or fully humidified state.

請求項１に記載の発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを有し、前記セパレータにはその表面に設けられた冷却通路に冷却媒体が流れるとともに、前記冷却通路は略水平部と略鉛直部とを複数接続して構成したサーペンタイン状であり、前記冷却通路の上端に設けられた冷却媒体供給マニホールドと前記冷却通路の下端に設けられた冷却媒体排出マニホールドを有し、前記冷却流路の少なくとも最初の略水平部には、冷却媒体の流れる向きに対して上流側が下流側よりも上方に位置するように傾斜させた傾斜部を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池としたことにより、傾斜部で発生した気泡が傾斜部に溜まって冷却媒体の流れを阻害し、温度が上昇することを抑制することができる。 The invention according to claim 1 has a membrane electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly, and the cooling medium flows through a cooling passage provided on the surface of the separator, The cooling passage has a serpentine shape formed by connecting a plurality of substantially horizontal portions and substantially vertical portions, and a cooling medium supply manifold provided at the upper end of the cooling passage and a cooling medium discharge provided at the lower end of the cooling passage. It has a manifold, and at least the first substantially horizontal portion of the cooling flow path has an inclined portion that is inclined so that the upstream side is positioned higher than the downstream side with respect to the flow direction of the cooling medium. By using the solid polymer fuel cell, it is possible to suppress the bubbles generated in the inclined portion from accumulating in the inclined portion and hindering the flow of the cooling medium and increasing the temperature.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の前記傾斜部において、冷却媒体の流れに対して垂直な断面の面積を示す流路断面積が、冷却流路の他の部分の流路断面積よりも大きくなるようにしたことにより、傾斜部において気泡が溜まりにくくすると共に、気泡が万が一溜まっても冷却媒体の流れを阻害しにくく、また、気泡が冷却媒体供給マニホールドに抜けやすい。 According to a second aspect of the present invention, in the inclined portion of the polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, the flow path cross-sectional area indicating the area of the cross section perpendicular to the flow of the cooling medium has a cooling flow path. By making it larger than the flow path cross-sectional area of the other part, it is difficult for air bubbles to collect in the inclined part, and even if air bubbles accumulate, it is difficult to inhibit the flow of the cooling medium. Easy to come out to supply manifold.

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の固体高分子型燃料電池の前記傾斜部における流路断面積が、下流に行くにつれて徐々に狭くなるようにしたことにより、比較的小さなスペースで請求項２と同様の効果を得ることが可能である。 According to a third aspect of the present invention, the flow path cross-sectional area in the inclined portion of the polymer electrolyte fuel cell according to the second aspect is gradually narrowed toward the downstream, so that a relatively small space is obtained. Thus, the same effect as in the second aspect can be obtained.

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の前記傾斜部の主面から見た形状を曲線状にしたものであり、これにより、冷却媒体の温度上昇が傾斜部近傍で一様でなく、温度上昇が大きい領域は傾斜を急にし、温度上昇が小さい領域では傾斜を緩やかにするといった具合に、傾斜部を複数の傾斜角度で構成した方が比較的省スペースで気泡を排出できることが想定される。その場合、傾斜角度を複数に変えた傾斜部では、複数の傾斜角度の流路が接続する部分に気泡が溜まりやすくなるが、傾斜部が全体的に滑らかな曲線で構成することが可能なため、複数の傾斜角度で構成した傾斜部に対して気泡が溜まりにくくできる。 The invention according to claim 4 is a curved shape of the solid polymer fuel cell according to claim 1 as viewed from the main surface of the inclined portion, whereby the temperature of the cooling medium is increased. It is relatively easier to configure the inclined part with multiple inclination angles, for example, the area where the temperature rise is not uniform in the vicinity of the inclined part and the inclination is steep and the inclination is gentle in the area where the temperature rise is small. It is assumed that bubbles can be discharged in the space. In that case, in the inclined part where the inclination angle is changed to a plurality, it becomes easy for bubbles to accumulate in the part where the flow paths of the plurality of inclination angles are connected, but the inclined part can be configured with a smooth curve as a whole. In addition, it is possible to make it difficult for air bubbles to collect with respect to the inclined portion constituted by a plurality of inclination angles.

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の前記傾斜部の流路を構成する上側の壁を、前記冷却媒体供給マニホールドとバイパス流路で接続したことにより、冷却流路に発生した気泡をバイパス経路から冷却媒体供給マニホールドに逃がすことができるので、気泡が溜まって冷却媒体の流れを阻害することを抑制することができる。 According to a fifth aspect of the present invention, the upper wall constituting the flow path of the inclined portion of the polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect is connected to the cooling medium supply manifold by a bypass flow path. Since the bubbles generated in the cooling flow path can escape from the bypass path to the cooling medium supply manifold, it is possible to suppress the bubbles from accumulating and inhibiting the flow of the cooling medium.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、従来例と同一の部分については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は本発明による実施の形態１における固体高分子型燃料電池を構成する単セルの分解図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments. In addition, about the part same as a prior art example, the same code | symbol is attached | subjected and the detailed description is abbreviate | omitted.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded view of a single cell constituting the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.

図１に示すように、本発明の実施の形態１の固体高分子型燃料電池の単セルは、高分子電解質膜１０１をカソードとアノードとを形成する一対の電極１０４で挟んで構成したＭＥＡ１０５と、ＭＥＡ１０５の外周を保持し、ＭＥＡ１０５と一体化された電気的絶縁物の樹脂で形成された枠体１を、一対のアノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとからなるカーボン製のセパレータ１０７で挟み込んで構成されている。枠体１とセパレータ１０７は互いに主面の大きさが同じ矩形状に形成されている。 As shown in FIG. 1, a single cell of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention includes an MEA 105 configured by sandwiching a polymer electrolyte membrane 101 between a pair of electrodes 104 forming a cathode and an anode. The frame 1 made of an electrically insulating resin that holds the outer periphery of the MEA 105 and is integrated with the MEA 105 is sandwiched between carbon separators 107 including a pair of anode-side separators 107a and cathode-side separators 107c. It consists of The frame 1 and the separator 107 are formed in a rectangular shape having the same main surface size.

アノード側セパレータ１０７ａ、カソード側セパレータ１０７ｃ、および枠体１の主面における一方の側部（図１で示す左側で、以降、第１の側部と称す）の上部には、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス入口マニホールド孔２ａが、他方の側部（図１で示す右側で、以降、第２の側部と称す）の下部には、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス出口マニホールド孔３ａが、第２の側部の上部には、外部から酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａが、第１の側部の下部には、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａが、単セルの厚み方向に貫通するように、それぞれが対応して設けられている。 The anode side separator 107a, the cathode side separator 107c, and the upper part of one side portion (on the left side shown in FIG. 1, hereinafter referred to as the first side portion) of the main surface of the frame 1 contain hydrogen from the outside. A fuel gas inlet manifold hole 2a for introducing the fuel gas is provided at the lower part of the other side part (on the right side shown in FIG. 1 and hereinafter referred to as the second side part). Is provided with a fuel gas outlet manifold hole 3a for discharging the oxidant gas to the outside, and an oxidant gas inlet manifold hole 4a for introducing an oxidant gas containing oxygen from the outside is provided at the upper portion of the second side portion. In the lower part of the side part 1, each of the oxidant gas outlet manifold holes 5a for discharging the oxidant gas that has not been used for power generation to the outside passes through in the thickness direction of the single cell. Provided .

さらに、アノード側セパレータ１０７ａ、カソード側セパレータ１０７ｃ、および枠体１の酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａの上部で内側には冷却水入口マニホールド孔６ａが、酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａの下部で内側には冷却水出口マニホールド孔７ａが単セルの厚み方向に貫通するように、それぞれが対応して設けられている。 Further, a cooling water inlet manifold hole 6a is formed inside the anode side separator 107a, the cathode side separator 107c, and the oxidant gas inlet manifold hole 4a of the frame 1 at the upper side, and an inner side below the oxidant gas outlet manifold hole 5a. Are provided correspondingly so that the cooling water outlet manifold hole 7a penetrates in the thickness direction of the single cell.

そして、燃料ガス入口マニホールド孔２ａ，燃料ガス出口マニホールド孔３ａ，酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａ，酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａ，冷却水入口マニホールド孔６ａ，冷却水出口マニホールド孔７ａは、後述するように、複数の単セルを積層して燃料電池スタックとした際に、それぞれ燃料ガス供給マニホールド２，燃料ガス排出マニホールド３，酸化剤ガス供給マニホールド４，酸化剤ガス排出マニホールド５，冷却水供給マニホールド６，冷却水排出マニホールド７を構成する。 The fuel gas inlet manifold hole 2a, fuel gas outlet manifold hole 3a, oxidant gas inlet manifold hole 4a, oxidant gas outlet manifold hole 5a, cooling water inlet manifold hole 6a, and cooling water outlet manifold hole 7a will be described later. When a plurality of single cells are stacked to form a fuel cell stack, a fuel gas supply manifold 2, a fuel gas discharge manifold 3, an oxidant gas supply manifold 4, an oxidant gas discharge manifold 5, and a cooling water supply manifold 6 are respectively provided. The cooling water discharge manifold 7 is configured.

また、枠体１のカソード側には、電極１０４と酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａと酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａとを囲う領域と、燃料ガス入口マニホールド孔２ａと、燃料ガス出口マニホールド孔３ａと、冷却水入口マニホールド孔６ａと、冷却水出口マニホールド孔７ａとの各孔外周をそれぞれ囲う領域とに、各領域に流通する所定の反応ガスまたは冷却水が当該領域外に漏れ出ないようにするためのＭＥＡガスケット１１０が設けてある。 Further, on the cathode side of the frame 1, a region surrounding the electrode 104, the oxidant gas inlet manifold hole 4 a and the oxidant gas outlet manifold hole 5 a, a fuel gas inlet manifold hole 2 a, and a fuel gas outlet manifold hole 3 a The predetermined reaction gas or cooling water flowing in each region is prevented from leaking out of the region in the region surrounding the outer periphery of each of the cooling water inlet manifold hole 6a and the cooling water outlet manifold hole 7a. An MEA gasket 110 is provided.

また、枠体１のアノード側には、カソード側と同様に、電極１０４と燃料ガス入口マニホールド孔２ａと燃料ガス出口マニホールド孔３ａとを囲う領域と、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａと、酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａと、冷却水入口マニホールド孔６ａと、冷却水出口マニホールド孔７ａとの各孔外周をそれぞれ囲う領域とに、各領域に流通する反応ガスまたは冷却水が当該領域外に漏れ出なくするためのＭＥＡガスケット（図示せず）が設けてある。 On the anode side of the frame 1, similarly to the cathode side, a region surrounding the electrode 104, the fuel gas inlet manifold hole 2 a, and the fuel gas outlet manifold hole 3 a, an oxidant gas inlet manifold hole 4 a, and an oxidant The reaction gas or cooling water flowing in each region leaks out of the region into the region surrounding the outer periphery of each of the gas outlet manifold hole 5a, the cooling water inlet manifold hole 6a, and the cooling water outlet manifold hole 7a. An MEA gasket (not shown) is provided for the purpose.

また、アノード側セパレータ１０７ａのＭＥＡ１０５と接する面（以降、この面をアノード側セパレータの正面とする）には、燃料ガス入口マニホールド孔２ａと燃料ガス出口マニホールド孔３ａとを結び、電極１０４に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路１０６ａが設けてある。 Further, the surface of the anode separator 107a that contacts the MEA 105 (hereinafter, this surface is referred to as the front surface of the anode separator) is connected to the fuel gas inlet manifold hole 2a and the fuel gas outlet manifold hole 3a. Is provided with a fuel gas flow path 106a.

この燃料ガス流路１０６ａは、枠体１のアノード側の電極１０４と燃料ガス入口マニホールド孔２ａと燃料ガス出口マニホールド孔３ａとを囲うＭＥＡガスケットで外部とシールされた領域内に対応する位置に、実質、水平方向に延びる水平部と、鉛直方向に延びる鉛直部とを複数組み合わせてサーペンタイン状に形成されている。 The fuel gas flow path 106a is located at a position corresponding to the area sealed with the MEA gasket that surrounds the anode-side electrode 104, the fuel gas inlet manifold hole 2a, and the fuel gas outlet manifold hole 3a of the frame 1. Substantially, a horizontal portion extending in the horizontal direction and a plurality of vertical portions extending in the vertical direction are combined to form a serpentine shape.

具体的には第１の側部側にある燃料ガス入口マニホールド孔２ａから、水平方向に第２の側部に向かって延び、ＭＥＡガスケットで囲まれた領域内の第２の側部近傍で、鉛直方向下向きに向きを変えて所定の距離下向きに延びた後、再び第１の側部に向かって水平に延びる。 Specifically, from the fuel gas inlet manifold hole 2a on the first side portion side, extending horizontally toward the second side portion, in the vicinity of the second side portion in the region surrounded by the MEA gasket, After changing the direction downward in the vertical direction and extending downward by a predetermined distance, it extends horizontally again toward the first side.

そしてそこから、所定の回数上記流路パターンをＭＥＡガスケットで囲まれた領域内で繰り返して、最終的に燃料ガス出口マニホールド孔３ａに到達する構成である。そして水平に延びた部分が水平部を形成し、鉛直に延びた部分が鉛直部を形成している。 From there, the flow path pattern is repeated a predetermined number of times within the region surrounded by the MEA gasket, and finally reaches the fuel gas outlet manifold hole 3a. The horizontally extending portion forms a horizontal portion, and the vertically extending portion forms a vertical portion.

そして、燃料ガス流路１０６ａが設けられた領域は、燃料ガス入口マニホールド孔２ａおよび燃料ガス出口マニホールド孔３ａと接続される水平部の一部を除いて電極１０４と接する領域と概ね重なる。これにより、燃料ガスを電極１０４の全面に行き渡らせることが可能となる。 The region where the fuel gas channel 106a is provided substantially overlaps the region in contact with the electrode 104 except for a part of the horizontal portion connected to the fuel gas inlet manifold hole 2a and the fuel gas outlet manifold hole 3a. As a result, the fuel gas can be spread over the entire surface of the electrode 104.

また、カソード側セパレータ１０７ｃのＭＥＡ１０５と接する面（以降、この面をカソード側セパレータの正面とする）には、アノード側セパレータ１０７ａの正面と同様に、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａと酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａとを結び、電極１０４に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（図示せず）がサーペンタイン状に設けられている。 Further, on the surface of the cathode side separator 107c in contact with the MEA 105 (hereinafter, this surface is referred to as the front side of the cathode side separator), the oxidant gas inlet manifold hole 4a and the oxidant gas outlet are provided similarly to the front side of the anode side separator 107a. An oxidant gas flow path (not shown) for connecting the manifold hole 5a and supplying the oxidant gas to the electrode 104 is provided in a serpentine shape.

酸化剤ガス流路が設けられた領域は、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａおよび酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａと接続される水平部の一部を除いて電極１０４と接する領域と概ね重なる。これにより、酸化剤ガスを電極１０４の全面に行き渡らせることが可能となる。 The region where the oxidant gas flow path is provided substantially overlaps the region in contact with the electrode 104 except for a part of the horizontal portion connected to the oxidant gas inlet manifold hole 4a and the oxidant gas outlet manifold hole 5a. As a result, the oxidant gas can be spread over the entire surface of the electrode 104.

そして、燃料ガス流路１０６ａと酸化剤ガス流路１０６ｃは、各反応ガスが重力に逆らうことなく上から下へと流れるように流路を構成してあるため、フラッディングが抑制される。 The fuel gas channel 106a and the oxidant gas channel 106c are configured such that each reaction gas flows from top to bottom without resisting gravity, so that flooding is suppressed.

また、カソード側セパレータの正面でない側の主面（以降、この面をカソード側セパレータの背面とする）には、冷却水入口マニホールド孔６ａと冷却水出口マニホールド孔７ａとを結ぶ冷却水流路８が設けてある。 A cooling water flow path 8 that connects the cooling water inlet manifold hole 6a and the cooling water outlet manifold hole 7a is formed on the main surface of the cathode side separator that is not the front surface (hereinafter, this surface is referred to as the back surface of the cathode side separator). It is provided.

そして、さらにカソード側セパレータの背面には、冷却水流路８と冷却水入口マニホールド孔６ａと冷却水出口マニホールド孔７ａとを囲む領域と、燃料ガス入口マニホールド孔２ａと、燃料ガス出口マニホールド孔３ａと、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａと、酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａの各孔外周の領域をそれぞれ囲む冷却水シール９を設け、各領域に流通する所定の反応ガスおよび冷却水が外部に漏れ出ないようにしてある。 Further, on the back surface of the cathode side separator, a region surrounding the cooling water flow path 8, the cooling water inlet manifold hole 6a, and the cooling water outlet manifold hole 7a, a fuel gas inlet manifold hole 2a, and a fuel gas outlet manifold hole 3a are provided. The cooling water seal 9 is provided to surround the outer peripheral areas of the oxidant gas inlet manifold hole 4a and the oxidant gas outlet manifold hole 5a, respectively, and predetermined reaction gas and cooling water flowing through each area leak to the outside. There is no way.

冷却水流路８は、水平方向に延びる水平部８ａと、鉛直方向に延びる鉛直部８ｂ、そして冷却水の流れに対して上流側が下流側に対して上になるように傾斜した傾斜部８ｃとで実質的に構成されている。 The cooling water flow path 8 includes a horizontal portion 8a extending in the horizontal direction, a vertical portion 8b extending in the vertical direction, and an inclined portion 8c inclined so that the upstream side is above the downstream side with respect to the flow of the cooling water. It is substantially constructed.

具体的には、冷却水流路８は、第２の側部の上側にある冷却水入口マニホールド孔６ａから鉛直下向きに所定距離延びてから、第１の側部側に所定の角度だけ下向きに傾いて向きを変え、傾斜した状態で第２の側部に至り、再度、鉛直下向きに向きを変える。 Specifically, the cooling water passage 8 extends vertically downward from the cooling water inlet manifold hole 6a on the upper side of the second side by a predetermined distance, and then tilts downward by a predetermined angle toward the first side. Change the direction, reach the second side in an inclined state, and change the direction downward again.

そして所定の距離下向きに延びた後、今度は第２の側部に向かって水平方向に延びて第２の側部に至り、第２の側部で下向きに向きを変えて所定の距離延びた後、今度は第１の側部に向かって水平に延びる。そして以降は、この水平と鉛直の流路パターンを所定回数繰り返し、最後は、第１の側部下側にある冷却水出口マニホールド孔７ａに接続する。 And after extending downward for a predetermined distance, this time it extended horizontally toward the second side to reach the second side, and turned downward for a predetermined distance on the second side. Later, it now extends horizontally towards the first side. Thereafter, the horizontal and vertical flow path patterns are repeated a predetermined number of times, and finally connected to the cooling water outlet manifold hole 7a on the lower side of the first side portion.

この、冷却水流路８が設けられた領域は、カソード側セパレータの正面に酸化剤ガス流路が設けられた領域および、アノード側セパレータの正面の燃料ガス流路１０６ａが設けられた領域、すなわち電極１０４の領域と概ね重なる。 The area where the cooling water flow path 8 is provided includes the area where the oxidant gas flow path is provided in front of the cathode side separator and the area where the fuel gas flow path 106a is provided in front of the anode side separator, that is, an electrode. It substantially overlaps the area 104.

ただし、冷却水入口マニホールド孔６ａおよび冷却水出口マニホールド孔７ａと接続される鉛直部の一部と、傾斜部の一部で冷却水入口マニホールド孔６ａ側の一部は、前記領域の外側に位置する。すなわち、本実施の形態１では、傾斜部８ｃの上流側の一部が電極１０４の領域の上側に、傾斜部８ｃの下流側が電極１０４の領域内になるように形成している。 However, a part of the vertical part connected to the cooling water inlet manifold hole 6a and the cooling water outlet manifold hole 7a and a part of the inclined part on the cooling water inlet manifold hole 6a side are located outside the region. To do. That is, in the first embodiment, a part of the upstream side of the inclined portion 8 c is formed above the region of the electrode 104, and the downstream side of the inclined portion 8 c is formed within the region of the electrode 104.

図２は図１に示す単セルを複数積層して構成し燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。 FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a fuel cell stack in which a plurality of single cells shown in FIG. 1 are stacked.

図２に示すように、燃料電池スタックは図１に示す単セルを、単セルを構成するアノード側セパレータ１０７ａと、隣接する単セルを構成するカソード側セパレータ１０７ｃとが電気的に接続するようにして複数枚積層し、両端に位置する単セルのアノード側セパレータ１０７ａ，カソード側セパレータ１０７ｃと電気的に接続した集電板１２ａ，１２ｃを配置し、絶縁板１３ａ，１３ｃを介して一対の端板１４ａ，１４ｃで挟持したものである。 As shown in FIG. 2, the fuel cell stack is configured such that the single cell shown in FIG. 1 is electrically connected to the anode separator 107a constituting the single cell and the cathode separator 107c constituting the adjacent single cell. The current collector plates 12a and 12c that are electrically connected to the anode-side separator 107a and the cathode-side separator 107c of the single cell located at both ends are disposed, and a pair of end plates are interposed via the insulating plates 13a and 13c. 14a and 14c.

そして各単セルの燃料ガス入口マニホールド孔２ａ，燃料ガス出口マニホールド孔３ａ，酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａ，酸化剤ガス出口マニホールド孔５ａ，冷却水入口マニホールド孔６ａおよび冷却水出口マニホールド孔７ａが、複数の単セルを積層することにより、それぞれ燃料ガス供給マニホールド２，燃料ガス排出マニホールド３，酸化剤ガス供給マニホールド４，酸化剤ガス排出マニホールド５，冷却水供給マニホールド６および冷却水排出マニホールド７を構成している。 Each unit cell has a fuel gas inlet manifold hole 2a, a fuel gas outlet manifold hole 3a, an oxidant gas inlet manifold hole 4a, an oxidant gas outlet manifold hole 5a, a cooling water inlet manifold hole 6a, and a cooling water outlet manifold hole 7a. By stacking a plurality of single cells, a fuel gas supply manifold 2, a fuel gas discharge manifold 3, an oxidant gas supply manifold 4, an oxidant gas discharge manifold 5, a cooling water supply manifold 6 and a cooling water discharge manifold 7 are configured. is doing.

また、端板１４ａは、絶縁板１３ａを介してアノード側セパレータ１０７ａと接続した集電板１２ａをアノード側セパレータ１０７ａに圧接させ、端板１４ｃは絶縁板１３ｃを介してカソード側セパレータ１０７ｃと接続した集電板１２ｃをカソード側セパレータ１０７ｃに圧接させている。 The end plate 14a presses the current collector plate 12a connected to the anode side separator 107a through the insulating plate 13a to the anode side separator 107a, and the end plate 14c connects to the cathode side separator 107c through the insulating plate 13c. The current collector plate 12c is pressed against the cathode separator 107c.

そして、集電板１２ｃ、絶縁板１３ｃ、端板１４ｃには、燃料ガス供給マニホールド２と酸化剤ガス供給マニホールド４および冷却水供給マニホールド６とに対応した貫通穴が設けてあり、さらに端板１４ｃの絶縁板１３ｃと接する主面の反対面に設け、燃料ガスを燃料電池スタックに導入する燃料ガス入口配管１５、酸化剤ガスを燃料電池スタックに導入する酸化剤ガス入口配管１６、そして冷却水を燃料電池スタックに導入する冷却水入口配管１７にそれぞれ接続してある。 The current collecting plate 12c, the insulating plate 13c, and the end plate 14c are provided with through holes corresponding to the fuel gas supply manifold 2, the oxidant gas supply manifold 4, and the cooling water supply manifold 6, and the end plate 14c. The fuel gas inlet pipe 15 for introducing fuel gas into the fuel cell stack, the oxidant gas inlet pipe 16 for introducing oxidant gas into the fuel cell stack, and cooling water Each is connected to a cooling water inlet pipe 17 to be introduced into the fuel cell stack.

また、同様に、集電板１２ａ、絶縁板１３ａ、端板１４ａには、燃料ガス排出マニホールド３と酸化剤ガス排出マニホールド５および冷却水排出マニホールド７とに対応した貫通穴が設けてあり、さらに端板１４ａの絶縁板１３ａに接する面の反対面に設けた、燃料ガスをスタックから排出する燃料ガス出口配管と、酸化剤ガスをスタックから排出する酸化剤ガス出口配管と、冷却水を排出する冷却水出口配管とに、それぞれと接続されている。 Similarly, the current collecting plate 12a, the insulating plate 13a, and the end plate 14a are provided with through holes corresponding to the fuel gas discharge manifold 3, the oxidant gas discharge manifold 5, and the cooling water discharge manifold 7. A fuel gas outlet pipe for discharging the fuel gas from the stack, an oxidant gas outlet pipe for discharging the oxidant gas from the stack, and a cooling water provided on the opposite surface of the end plate 14a to the surface in contact with the insulating plate 13a. Each is connected to the cooling water outlet pipe.

集電板１２ａ，１２ｃには、電極１０４の中央に対応する位置に電力取り出し端子１８が絶縁板１３ａ，１３ｃと端板１４ａ，１４ｃとを貫通し、端板１４ａ，１４ｃと電気的に絶縁された状態で端板１４ａ，１４ｃから突出して設けられ、外部回路に接続されている。 In the current collecting plates 12a and 12c, a power extraction terminal 18 passes through the insulating plates 13a and 13c and the end plates 14a and 14c at a position corresponding to the center of the electrode 104, and is electrically insulated from the end plates 14a and 14c. In such a state, it protrudes from the end plates 14a and 14c and is connected to an external circuit.

また、端板１４ａ，１４ｃとは、締結ロッド（図示せず）によって締結し、積層した単セルのＭＥＡガスケット１１０および冷却水シール９に締め付け圧力を与えてシール性を発揮させ、また、電極１０４とアノード側セパレータ１０７ａおよびカソード側セパレータ１０７ｃとを接触させている。 Further, the end plates 14a and 14c are fastened by fastening rods (not shown), and a clamping pressure is applied to the stacked single-cell MEA gasket 110 and the cooling water seal 9 to exhibit sealing performance. Are in contact with the anode separator 107a and the cathode separator 107c.

図３は、図２の燃料電池スタックを用いた燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。 FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system using the fuel cell stack of FIG.

本実施の形態１の燃料電池システムでは燃料電池スタック５０に、燃料ガス供給装置５１から燃料ガスが燃料ガス入口配管１５を通して供給され、酸化剤ガス供給装置５２から酸化剤ガスが酸化剤ガス入口配管１６を通して供給されるが、燃料電池スタック５０に供給される前にそれぞれ、アノード加湿器５３とカソード加湿器５４で所定の温度，露点まで加熱および加湿されて供給される。 In the fuel cell system of the first embodiment, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply device 51 to the fuel cell stack 50 through the fuel gas inlet pipe 15, and the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply device 52 to the oxidant gas inlet pipe. 16, but before being supplied to the fuel cell stack 50, the anode humidifier 53 and the cathode humidifier 54 are heated and humidified to a predetermined temperature and dew point, respectively.

アノード加湿器５３は、第１の加湿器５３ａと第２の加湿器５３ｂとで構成され、第１の加湿器５３ａは、燃料ガス供給装置５１から導入された燃料ガスと、燃料電池スタック５０から排出された排燃料ガスとを水蒸気透過膜を介して接触させて熱湿交換させる全熱交換型の熱交換器であり、第２の加湿器５３ｂは、第１の加湿器５３ａから導入された燃料ガスを、燃料電池スタック５０から排出された冷却水と水蒸気透過膜を介して接触させて熱湿交換させる加湿器であり、第２の加湿器５３ｂを出た燃料ガスが、燃料電池スタックに供給される。 The anode humidifier 53 includes a first humidifier 53 a and a second humidifier 53 b. The first humidifier 53 a includes a fuel gas introduced from the fuel gas supply device 51 and a fuel cell stack 50. This is a total heat exchange type heat exchanger in which exhausted exhaust gas is brought into contact with the water vapor permeable membrane to exchange heat and humidity, and the second humidifier 53b is introduced from the first humidifier 53a. The humidifier is a humidifier for contacting the cooling water discharged from the fuel cell stack 50 via the water vapor permeable membrane and exchanging heat and humidity, and the fuel gas discharged from the second humidifier 53b enters the fuel cell stack. Supplied.

また、カソード加湿器５４は、第１の加湿器５４ａと第２の加湿器５４ｂとで構成され、第１の加湿器５４ａは、酸化剤ガス供給装置５２から導入された酸化剤ガスと、燃料電池スタック５０から排出された排酸化剤ガスとを水蒸気透過膜を介して接触させて熱湿交換させる全熱交換型の熱交換器であり、第２の加湿器５４ｂは、第１の加湿器５４ａから導入された酸化剤ガスを、燃料電池スタック５０から排出された冷却水と水蒸気透過膜を介して接触させて熱湿交換させる加湿器であり、第２の加湿器５４ｂを出た酸化剤ガスが、燃料電池スタックに供給される。 The cathode humidifier 54 includes a first humidifier 54a and a second humidifier 54b. The first humidifier 54a includes an oxidant gas introduced from the oxidant gas supply device 52, fuel, and the like. This is a total heat exchange type heat exchanger in which exhaust oxidant gas discharged from the battery stack 50 is brought into contact via a water vapor permeable membrane to exchange heat and humidity, and the second humidifier 54b is a first humidifier. The oxidant gas introduced from the fuel cell stack 50 is brought into contact with the cooling water discharged from the fuel cell stack 50 through the water vapor permeable membrane to exchange heat and humidity, and the oxidant discharged from the second humidifier 54b. Gas is supplied to the fuel cell stack.

また、燃料電池スタック５０には、冷却水が冷却水ポンプ５５から供給され、燃料電池スタック５０から排出された冷却水は、一旦、二手に分かれてアノード加湿器５３とカソード加湿器５４とに供給された後、再度合流し、混合弁５６で再び二手に分かれ、一方は放熱器５７を介して冷却され後、他方と合流し、再び冷却水ポンプ５５へと戻る。なお、放熱器５７には、図示していないが、システム外の水を導入して熱交換させ加熱，貯湯し、お湯として蓄熱利用している。 Further, cooling water is supplied to the fuel cell stack 50 from the cooling water pump 55, and the cooling water discharged from the fuel cell stack 50 is temporarily divided into two and supplied to the anode humidifier 53 and the cathode humidifier 54. Then, they are merged again and separated again into two at the mixing valve 56, one is cooled via the radiator 57, then merged with the other, and returned to the cooling water pump 55 again. Although not shown, the radiator 57 introduces water outside the system, exchanges heat to heat and store hot water, and uses the heat as hot water.

さらに燃料電池スタック５０の冷却水の入口と出口には、それぞれ第１の温度センサ５８と第２の温度センサ５９とが設けてあり、図示していない制御部によって、燃料電池スタックの温度を一定に保つように温度センサ５８，５９の監視と、冷却水ポンプ５５と混合弁５６との制御を行っている。 Further, a first temperature sensor 58 and a second temperature sensor 59 are respectively provided at the inlet and the outlet of the cooling water of the fuel cell stack 50, and the temperature of the fuel cell stack is kept constant by a control unit (not shown). The temperature sensors 58 and 59 are monitored so that the cooling water pump 55 and the mixing valve 56 are controlled.

具体的には、温度センサ５８の温度が所定の温度よりも高い場合は、混合弁５６を制御して放熱器５７に流れる比率を増やしてやり、温度センサ５８の温度が所定の温度よりも低い場合は、逆に放熱器５７に流れる比率を減らしてやる。 Specifically, when the temperature of the temperature sensor 58 is higher than a predetermined temperature, the mixing valve 56 is controlled to increase the ratio of flowing to the radiator 57, and the temperature of the temperature sensor 58 is lower than the predetermined temperature. In the case, the ratio of flowing to the radiator 57 is reduced.

また、温度センサ５８，５９の温度差が所定の温度差よりも大きいときは、冷却水ポンプ５５を制御して冷却水流量を増やしてやり、逆に温度差が小さいときは、冷却水ポンプ５５を制御して冷却水流量を減らしてやる。 Further, when the temperature difference between the temperature sensors 58 and 59 is larger than the predetermined temperature difference, the cooling water pump 55 is controlled to increase the cooling water flow rate. Conversely, when the temperature difference is small, the cooling water pump 55 is increased. To control the cooling water flow rate.

これにより、燃料電池スタック５０の温度を一定に保つことが可能となり、結果として燃料電池から排出される排燃料ガスと排酸化剤ガスの温度もほぼ一定に制御することが可能となる。よって、燃料電池スタック５０に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの温湿度を、燃料電池で発生する熱を利用して一定に保つことが可能となる。 As a result, the temperature of the fuel cell stack 50 can be kept constant, and as a result, the temperatures of the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas discharged from the fuel cell can be controlled to be substantially constant. Therefore, the temperature and humidity of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 50 can be kept constant by using the heat generated in the fuel cell.

以上のように構成した燃料電池システムについて、以下その動作、作用について、本発明の特徴である燃料電池内の冷却水温度と反応ガスの湿度を中心に説明する。 The operation and action of the fuel cell system configured as described above will be described below with a focus on the cooling water temperature in the fuel cell and the humidity of the reaction gas, which are features of the present invention.

燃料電池スタック５０の発電時には、アノード加湿器５３で所定の温湿度に加熱，加湿された燃料ガスが燃料ガス入口配管１５から燃料電池スタック５０に供給され、燃料ガス供給マニホールド２を介して各単セルのアノード側セパレータ１０７ａの燃料ガス流路１０６ａを通って電極１０４のアノード側に供給される。 During power generation of the fuel cell stack 50, the fuel gas heated and humidified to a predetermined temperature and humidity by the anode humidifier 53 is supplied to the fuel cell stack 50 from the fuel gas inlet pipe 15, and each unit is connected via the fuel gas supply manifold 2. It is supplied to the anode side of the electrode 104 through the fuel gas channel 106a of the anode separator 107a of the cell.

一方、カソード加湿器５４で所定の温湿度に加熱，加湿された酸化剤ガスは酸化剤ガス入口配管１６から燃料電池スタック５０に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド４を介して、各単セルのカソード側セパレータ１０７ｃの酸化剤ガス流路を通って電極１０４のカソード側に供給される。そして、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素の電気化学反応によって電気と熱、そして水が発生する。 On the other hand, the oxidant gas heated and humidified to a predetermined temperature and humidity by the cathode humidifier 54 is supplied from the oxidant gas inlet pipe 16 to the fuel cell stack 50, and is passed through the oxidant gas supply manifold 4 to each single cell. It is supplied to the cathode side of the electrode 104 through the oxidant gas flow path of the cathode side separator 107c. Then, electricity, heat, and water are generated by an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas.

発電に伴って発生した熱は、冷却水を冷却水入口配管１７から冷却水供給マニホールド６を介してカソード側セパレータ１０７ｃの冷却水流路８に供給し、冷却水排出マニホールド７を介して冷却水出口から燃料電池スタック５０の外へ排出することで、燃料電池スタック５０から搬出される。 The heat generated as a result of power generation supplies cooling water from the cooling water inlet pipe 17 to the cooling water flow path 8 of the cathode separator 107 c via the cooling water supply manifold 6 and then to the cooling water outlet via the cooling water discharge manifold 7. Are discharged from the fuel cell stack 50 by being discharged from the fuel cell stack 50.

なお、本実施の形態１の燃料電池システムでは、第１の温度センサ５８により冷却水入口配管１７の温度を６０℃に、そして第２の温度センサ５９により冷却水出口温度を７０℃になるように混合弁５６と冷却水ポンプ５５を制御した。 In the fuel cell system of the first embodiment, the temperature of the cooling water inlet pipe 17 is set to 60 ° C. by the first temperature sensor 58, and the cooling water outlet temperature is set to 70 ° C. by the second temperature sensor 59. The mixing valve 56 and the cooling water pump 55 were controlled.

さらに、燃料ガスと酸化剤ガスとの露点の所定値を本実施の形態１では６６℃とし、本実施の形態１の燃料電池スタック５０の発熱量および放熱量、さらには冷却水の入口と出口の温度差（１０℃）とそのときの冷却水流量、および発電に必要な反応ガス流量をもとに、アノード加湿器５３とカソード加湿器５４とを最適な構成、大きさとして用いた。 Further, the predetermined value of the dew point of the fuel gas and the oxidant gas is 66 ° C. in the first embodiment, the heat generation amount and the heat radiation amount of the fuel cell stack 50 of the first embodiment, and the cooling water inlet and outlet. The anode humidifier 53 and the cathode humidifier 54 were used as the optimum configuration and size based on the temperature difference (10 ° C.) of the gas, the cooling water flow rate at that time, and the reaction gas flow rate necessary for power generation.

なお、アノード加湿器５３とカソード加湿器５４とを大きくしてアノード加湿器５３，カソード加湿器５４を構成する水蒸気透過膜の有効熱湿交換面積を大きくしてやれば、ある程度の加湿性能の向上が図れるが、最終的には加湿性能は冷却水出口温度に大きく依存するため、冷却水入口温度と冷却水出口温度が一定で、かつヒータなどを用いて燃料電池システムの発電効率低下させることを避ける場合にはあまり大きな過失性能向上の効果を得ることは難しく、逆にコストアップや燃料電池システムの大型化を招いてしまう。 If the anode humidifier 53 and the cathode humidifier 54 are enlarged to increase the effective heat / humidity exchange area of the water vapor permeable membrane constituting the anode humidifier 53 and the cathode humidifier 54, the humidification performance can be improved to some extent. However, since the humidification performance ultimately depends greatly on the cooling water outlet temperature, the cooling water inlet temperature and the cooling water outlet temperature are constant, and it is avoided to reduce the power generation efficiency of the fuel cell system using a heater or the like. Therefore, it is difficult to obtain the effect of improving the negligible performance, and conversely, the cost is increased and the size of the fuel cell system is increased.

また、冷却水出口温度を上げることによって加湿性能の向上を図ることは可能であるが、今度は外部との温度差が大きくなるために、放熱による熱回収効率のロスが大きくなってしまう。 In addition, it is possible to improve the humidification performance by raising the cooling water outlet temperature, but this time the temperature difference from the outside becomes large, so that the loss of heat recovery efficiency due to heat dissipation becomes large.

ここで冷却水入口温度６０℃に対して、反応ガスの露点を６６℃と高めに設定しているのは、以下のためである。すなわち、本実施の形態１の燃料電池スタックでは、冷却水が燃料電池スタック５０に供給されてから冷却水流路８に到達するまでの間に、冷却水供給マニホールド６内で加熱され、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａ近傍では約３℃温度上昇する。 The reason why the dew point of the reaction gas is set as high as 66 ° C. with respect to the cooling water inlet temperature of 60 ° C. is as follows. That is, in the fuel cell stack of the first embodiment, the cooling water is heated in the cooling water supply manifold 6 between the time when the cooling water is supplied to the fuel cell stack 50 and the time when it reaches the cooling water flow path 8, and the oxidant gas. The temperature rises by about 3 ° C. in the vicinity of the inlet manifold hole 4a.

そして、傾斜部８ｃを通って燃料ガス入口マニホールド孔２ａに到達する時には、約６℃温度上昇し、燃料ガス供給時の露点と同等の約６６℃になる。よって、燃料電池スタックに供給する反応ガスのうち少なくとも冷却水入口マニホールド孔６ａから遠い反応ガス入口マニホールド孔（本実施の形態１では、燃料ガス入口マニホールド孔２ａ）から供給する反応ガス（本実施の形態１では、燃料ガス）の露点は、最低限、フル加湿運転を維持するためには６６℃以上とする必要がある。 When the fuel gas inlet manifold hole 2a is reached through the inclined portion 8c, the temperature rises by about 6 ° C. and reaches about 66 ° C., which is equivalent to the dew point at the time of fuel gas supply. Therefore, among the reaction gases supplied to the fuel cell stack, at least the reaction gas supplied from the reaction gas inlet manifold hole (in the first embodiment, the fuel gas inlet manifold hole 2a) far from the cooling water inlet manifold hole 6a (this embodiment). In form 1, the dew point of the fuel gas) needs to be at least 66 ° C. in order to maintain the full humidification operation.

ところで、冷却水の温度は上述のように、酸化剤ガス入口マニホールド孔４ａ近傍から燃料ガス入口マニホールド孔２ａまでの間、すなわち傾斜部８ｃにおいて約６℃の大きな温度上昇をする。これは、反応ガス中の水素および酸素濃度が高い上流側に発電が比較的集中しやすいことと、セパレータ１０７を形成するカーボンの熱伝導率が充分高いために、下流側の熱が上流側に流れ込むためである。 By the way, as described above, the temperature of the cooling water increases greatly by about 6 ° C. from the vicinity of the oxidant gas inlet manifold hole 4a to the fuel gas inlet manifold hole 2a, that is, in the inclined portion 8c. This is because power generation is relatively concentrated on the upstream side where the hydrogen and oxygen concentrations in the reaction gas are high, and the heat conductivity of the carbon forming the separator 107 is sufficiently high, so that the heat on the downstream side is on the upstream side. It is for flowing.

そして、冷却水が温度上昇する際、冷却水中に溶存していた空気が気泡となって発生する。この気泡の発生は、冷却水の温度が高くなると、水中に溶存できる空気の量が減ることによるもので、温度差が大きい傾斜部８ｃにおいてその発生量が多いことになる。そしてこの発生した空気の気泡は、他の気泡と合体して大きくなると、自らの浮力によって冷却水入口マニホールド孔６ａ方向に向かって移動し、冷却水入口マニホールド孔６ａから排出されるため、冷却水流路に溜まって冷却水の流れを阻害することがない。 When the temperature of the cooling water rises, air dissolved in the cooling water is generated as bubbles. The generation of the bubbles is caused by a decrease in the amount of air that can be dissolved in the water when the temperature of the cooling water is increased, and the amount of generation is large in the inclined portion 8c having a large temperature difference. When the generated air bubbles merge with other bubbles and become larger, they move toward the cooling water inlet manifold hole 6a by their buoyancy and are discharged from the cooling water inlet manifold hole 6a. It does not block the flow of cooling water that accumulates in the road.

なお、本実施の形態１の燃料電池の冷却水流路８が、従来の燃料電池スタックを、セルの積層方向の軸で４５度の角度以下で回転させて得られる冷却水流路と異なる点は、冷却水流路の全域を通じて、水平部はあるものの鉛直方向上から下へ、重力に逆らうことなく流れる典である。 The difference between the coolant flow path 8 of the fuel cell of the first embodiment and the coolant flow path obtained by rotating the conventional fuel cell stack at an angle of 45 degrees or less about the cell stacking direction axis is that Throughout the entire cooling water flow path, there is a horizontal part, but it flows from top to bottom in the vertical direction without going against gravity.

次に冷却水流路のバリエーションについて示す。図４から図７は燃料電池を構成するカソード側セパレータの背面図であり、冷却水流路を示すものである。なお、簡略化のために図１に示すものと同様の構成である冷却水シールについては図示していない。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図であり、冷却水流路６０の傾斜部６０ｃの溝幅を、他の冷却水流路６０を構成する鉛直部６０ｂおよび水平部６０ａより、広くしたものである。なお、先の実施の形態１と同様の構成、動作については、その説明を省略する。 Next, variations of the cooling water flow path will be described. 4 to 7 are rear views of the cathode separator constituting the fuel cell, and show the cooling water flow path. For the sake of simplicity, the cooling water seal having the same configuration as that shown in FIG. 1 is not shown.
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a rear view of the separator of the solid polymer fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention, in which the groove width of the inclined portion 60c of the cooling water flow channel 60 is set to the vertical portion 60b constituting the other cooling water flow channel 60. And wider than the horizontal portion 60a. Note that the description of the same configuration and operation as in the first embodiment is omitted.

この構成によって、傾斜部に気泡が溜まりにくく、万が一溜まったとしても、流路断面積が広いために、冷却水の流れを阻害しにくく、最終的には、気泡が大きく成長して、流れを阻害する前に冷却水入口マニホールド孔６ａに抜けていくことが期待できる。 With this configuration, even if bubbles do not collect easily in the inclined part, even if they accumulate, the flow passage cross-sectional area is large, so it is difficult to inhibit the flow of cooling water. It can be expected that the coolant will pass through the cooling water inlet manifold hole 6a before obstruction.

なお、冷却水流路の溝深さを深くすることによっても同様の効果が得られるが、セパレータの厚みが厚くなり、燃料電池スタックの大型化を招くこととなる。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図であり、冷却水流路６１の傾斜部６１ｃの流路幅をが、傾斜部６１ｃの上流側で広く、そして下流側の鉛直部に向かうにつれて徐々に狭くなるものである。なお、冷却水流路６１は、傾斜部６１ｃに加えて水平部６１ａおよび鉛直部６１ｂを有する。 Although the same effect can be obtained by increasing the groove depth of the cooling water flow path, the thickness of the separator increases and the fuel cell stack increases in size.
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a rear view of the separator of the solid polymer fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention, in which the channel width of the inclined portion 61c of the cooling water channel 61 is wide on the upstream side of the inclined portion 61c, and It becomes gradually narrower toward the vertical part on the downstream side. The cooling water channel 61 has a horizontal part 61a and a vertical part 61b in addition to the inclined part 61c.

この構成によって、傾斜部６１ｃによる気泡の排出性を維持したまま、電極１０４に対応する全面に流路を設けることができるため、効率よく流路を構成することができる。
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図であり、冷却水流路６２の傾斜部６２ｃが曲線で構成され、冷却水流路６２が、鉛直部６２ｂとそれに続く水平部６２ａで構成されたものである。なお、先の実施の形態１と同様の構成、動作については、その説明を省略する。 With this configuration, since the flow path can be provided on the entire surface corresponding to the electrode 104 while maintaining the bubble discharge performance by the inclined portion 61c, the flow path can be efficiently configured.
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a rear view of the separator of the solid polymer fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention. The inclined portion 62c of the cooling water flow path 62 is configured by a curve, and the cooling water flow path 62 includes the vertical portion 62b and the vertical portion 62b. It is composed of the following horizontal portion 62a. Note that the description of the same configuration and operation as in the first embodiment is omitted.

この構成によって、気泡の発生が多いところ、すなわち温度上昇が大きいところの傾斜角度を大きく、気泡の発生が少ないところ、すなわち温度上昇が小さいところでは傾斜角度を小さく、複数の傾斜角度を持たせることができ、さらには、その複数の傾斜角度の傾斜部の接続部分を滑らかにつなぐことによって、接続部に気泡が溜まるのを抑制することが可能である。
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図であり、冷却水流路６３が傾斜部６３ｃと鉛直部６３ｂとから構成されたものである。すなわち冷却水入口マニホールド孔６ａから鉛直下向きに所定距離延びた後、第１の側部に向かって所定の角度鉛直下向きに傾斜したまま延び、第１の側部で鉛直下向きに向きを変え、所定距離鉛直に延びた後、第２の側部に向かった、所定の角度鉛直下向きに傾斜したまま延びる。 With this configuration, the tilt angle is large where there are many bubbles, that is, where the temperature rise is large, and the tilt angle is small where there are few bubbles, that is, where the temperature rise is small. Furthermore, it is possible to suppress the accumulation of bubbles in the connecting portion by smoothly connecting the connecting portions of the inclined portions having the plurality of inclination angles.
(Embodiment 5)
FIG. 7 is a rear view of the separator of the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 5 of the present invention, in which the cooling water channel 63 is composed of an inclined portion 63c and a vertical portion 63b. That is, after extending a predetermined distance vertically downward from the cooling water inlet manifold hole 6a, it extends while tilting downward at a predetermined angle toward the first side, and changes its direction downward vertically at the first side. After extending the distance vertically, it extends toward the second side while being inclined downward by a predetermined angle vertically.

そして、この流路パターンを所定の回数繰り返して冷却水出口マニホールド孔７ａに到達する。なお、先の実施の形態１と同様の構成、動作については、その説明を省略する。 The flow path pattern is repeated a predetermined number of times to reach the cooling water outlet manifold hole 7a. Note that the description of the same configuration and operation as in the first embodiment is omitted.

この構成により、冷却水流路は全体を通じて鉛直上から下への流れとなり、気泡が溜まりにくくなる。しかし、電極１０４を効率よく全体的に冷却するという観点では、若干、性能が低下することになる。
（実施の形態６）
図８は、本発明の実施の形態６の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図であり、冷却水流路６４は、冷却水入口マニホールド孔６ａから鉛直下向きに所定の距離延び、第１の側面方向に向きを変え、略水平に所定距離延びた後、鉛直下向きに若干角度を変えてから第１の側面に至り、そこで鉛直下向きに角度を変えて所定の距離延びた後、第２の側面に角度を変えて水平な流路を形成して第２の側面に至る。その後は、鉛直な流路（鉛直部６４ｂ）と水平な流路（水平部６４ａ）とを繰り返し、冷却水出口マニホールド孔７ａに至る。 With this configuration, the cooling water flow path flows vertically from top to bottom throughout, and bubbles are less likely to accumulate. However, in terms of efficiently cooling the electrode 104 as a whole, the performance is slightly reduced.
(Embodiment 6)
FIG. 8 is a rear view of the separator of the solid polymer fuel cell according to Embodiment 6 of the present invention. The cooling water flow path 64 extends vertically downward from the cooling water inlet manifold hole 6a by a predetermined distance, and is a first side surface. The direction is changed to the direction, and after extending a predetermined distance substantially horizontally, the angle is slightly changed downward vertically to reach the first side surface, and then the angle is changed vertically downward to extend the predetermined distance, and then the second side surface. The angle is changed to a horizontal flow path to reach the second side. Thereafter, the vertical flow path (vertical portion 64b) and the horizontal flow path (horizontal portion 64a) are repeated to reach the cooling water outlet manifold hole 7a.

そして、図８に示すようにそして、冷却水流路の内の一本で、冷却水入口マニホールド孔６ａがある第２の側面から第１の側面に最初に向かう部分で一番上側に位置する流路（以降、第１の冷却水流路と呼ぶ）の、鉛直下向きに若干角度を変える部分（傾斜部６４ｃ）には、冷却水入口マニホールド孔６ａの上側と接続されたバイパス経路６５が設けてある。なお、先の実施の形態１と同様の構成、動作については、その説明を省略する。 Then, as shown in FIG. 8, the flow located in the uppermost part in one of the cooling water flow paths is the part first facing from the second side surface to the first side surface with the cooling water inlet manifold hole 6a. A bypass path 65 connected to the upper side of the cooling water inlet manifold hole 6a is provided in a portion of the path (hereinafter referred to as the first cooling water flow path) whose angle is slightly changed vertically downward (inclined portion 64c). . Note that the description of the same configuration and operation as in the first embodiment is omitted.

この構成により、第１の冷却水流路で発生した気泡は、バイパス経路を介して冷却水入口マニホールド孔６ａに排出されるために、気泡が冷却水流路に溜まって冷却水の流れを阻害することがない。 With this configuration, bubbles generated in the first cooling water flow path are discharged to the cooling water inlet manifold hole 6a via the bypass path, so that the bubbles accumulate in the cooling water flow path and obstruct the flow of the cooling water. There is no.

以上のように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。 As described above, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be applied to uses such as a portable power source, a power source for an electric vehicle, and a stationary cogeneration system.

本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池の単セルの分解図1 is an exploded view of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. 同固体高分子型燃料電池の燃料電池スタックの斜視図Perspective view of the fuel cell stack of the polymer electrolyte fuel cell 同固体高分子型燃料電池の模式図Schematic diagram of the polymer electrolyte fuel cell 本発明の実施の形態２の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図The rear view of the separator of the solid polymer fuel cell of Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態３の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図The rear view of the separator of the solid polymer fuel cell of Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態４の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図The rear view of the separator of the solid polymer fuel cell of Embodiment 4 of this invention 本発明の実施の形態５の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図The rear view of the separator of the polymer electrolyte fuel cell of Embodiment 5 of this invention 本発明の実施の形態６の固体高分子燃料電池のセパレータの背面図Rear view of the separator of the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 6 of the present invention 従来の燃料電池スタックの概略構成を示す斜視図A perspective view showing a schematic configuration of a conventional fuel cell stack 図９におけるＸ−Ｘ面断面図XX plane sectional view in FIG. 同燃料電池スタックの冷却水流路を示すセパレータの背面図Rear view of separator showing cooling water flow path of the fuel cell stack

Explanation of symbols

１枠体
２燃料ガス供給マニホールド
２ａ燃料ガス入口マニホールド孔
３燃料ガス排出マニホールド
３ａ燃料ガス出口マニホールド孔
４酸化剤ガス供給マニホールド
４ａ酸化剤ガス入口マニホールド孔
５酸化剤ガス排出マニホールド
５ａ酸化剤ガス出口マニホールド孔
６冷却水供給マニホールド
６ａ冷却水入口マニホールド孔
７冷却水排出マニホールド
７ａ冷却水出口マニホールド孔
８，６０，６１，６２，６３，６４冷却水流路
８ａ，６０ａ，６１ａ，６２ａ，６４ａ水平部
８ｂ，６０ｂ，６１ｂ，６２ｂ，６３ｂ，６４ｂ鉛直部
８ｃ，６０ｃ，６１ｃ，６２ｃ，６３ｃ，６４ｃ傾斜部
９冷却水シール
１０セル
１２ａ，１２ｃ集電板
１３ａ，１３ｃ絶縁板
１４ａ，１４ｃ端板
１５燃料ガス入口配管
１６酸化剤ガス入口配管
１７冷却水入口配管
１８電力取り出し端子
５０燃料電池スタック
５１燃料ガス供給装置
５２酸化剤ガス供給装置
５３アノード加湿器
５４カソード加湿器
５３ａ，５４ａ第１の加湿器
５３ｂ，５４ｂ第２の加湿器
５５冷却水ポンプ
５６混合弁
５７放熱器
５８，５９温度センサ
６５バイパス経路
１０１高分子電解質膜
１０４電極
１０５ＭＥＡ
１０６ａ燃料ガス流路
１０６ｃ酸化剤ガス流路
１０７ａアノード側セパレータ
１０７ｃカソード側セパレータ
１１０ＭＥＡガスケット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Frame 2 Fuel gas supply manifold 2a Fuel gas inlet manifold hole 3 Fuel gas discharge manifold 3a Fuel gas outlet manifold hole 4 Oxidant gas supply manifold 4a Oxidant gas inlet manifold hole 5 Oxidant gas discharge manifold 5a Oxidant gas outlet manifold Hole 6 Cooling water supply manifold 6a Cooling water inlet manifold hole 7 Cooling water discharge manifold 7a Cooling water outlet manifold hole 8, 60, 61, 62, 63, 64 Cooling water flow path 8a, 60a, 61a, 62a, 64a Horizontal portion 8b, 60b, 61b, 62b, 63b, 64b Vertical portion 8c, 60c, 61c, 62c, 63c, 64c Inclined portion 9 Cooling water seal 10 Cell 12a, 12c Current collecting plate 13a, 13c Insulating plate 14a, 14c End plate 15 Fuel gas inlet Piping 16 Oxidation Gas inlet pipe 17 Cooling water inlet pipe 18 Power extraction terminal 50 Fuel cell stack 51 Fuel gas supply device 52 Oxidant gas supply device 53 Anode humidifier 54 Cathode humidifier 53a, 54a First humidifier 53b, 54b Second humidification 55 Cooling water pump 56 Mixing valve 57 Radiator 58, 59 Temperature sensor 65 Bypass path 101 Polymer electrolyte membrane 104 Electrode 105 MEA
106a Fuel gas flow path 106c Oxidant gas flow path 107a Anode side separator 107c Cathode side separator 110 MEA gasket

Claims

A plate-like electrode assembly and a pair of separators sandwiching the electrode assembly, wherein the cooling medium flows through a cooling channel provided on the surface of the separator, and the cooling channel is substantially horizontal. A serpentine shape formed by connecting a plurality of portions and a substantially vertical portion, and having a cooling medium supply manifold provided at the upper end of the cooling flow path and a cooling medium discharge manifold provided at the lower end of the cooling flow path The solid polymer is characterized in that at least the first substantially horizontal portion of the cooling flow path has an inclined portion that is inclined so that the upstream side is positioned higher than the downstream side with respect to the flow direction of the cooling medium. Type fuel cell.

2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the cooling channel in the inclined portion is larger than a cross-sectional area of the cooling channel in a portion other than the inclined portion of the cooling channel.

3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein a flow path cross-sectional area in the inclined portion becomes narrower as it goes downstream.

2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the inclined portion has a curved shape when viewed from the main surface.

2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein an upper wall constituting the flow path of the inclined portion is connected to the cooling medium supply manifold by a bypass flow path.