JP2009252427A - Member for flow channel and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain degradation in power generating performance, caused by local detention of product water due to electrochemical reaction of reaction gas. <P>SOLUTION: In a cathode-side porous body flow channel 28, a cathode-side flow channel member 200 for guiding flow of oxidizing gas is arranged so as the oxidizing gas to flow from a site with slow flow speed of the oxidizing gas toward a site with quick flow speed. According to Bernoulli's theorem, the higher the flow speed of the site, the smaller the pressure generated by fluid becomes, so that, as shown in Fig.8, pressure P1 at a center part B becomes smaller than that P2 at an end part A, C. As a result, suction force F according to a pressure difference (P2-P1) acts from the end parts A and C toward the center part B, along the flowing direction of the oxidizing gas. Hence, product water Wa locally detained at the end parts A and C is suctioned to the center part B by the suction force F, and is drained outside the fuel cell, being forced to flow by the oxidizing gas which is flowing in the center part B. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池のガス流路に配置される流路用部材の構造に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to the structure of a channel member disposed in a gas channel of a fuel cell.

燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード電極層、および、カソード電極層を接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有するものがある。燃料電池には、例えば、膜電極接合体とセパレータとの間に、各膜電極接合体へ反応ガスを供給するための反応ガス流路に、多孔質体の部材が配置されている。多孔質体の部材としては、例えば、エキスパンドメタルが利用されている。   A fuel cell has a stack structure in which a plurality of membrane electrode assemblies each having an anode electrode layer and a cathode electrode layer bonded to each other on both sides of an electrolyte membrane having proton conductivity with a separator interposed therebetween There is. In a fuel cell, for example, a porous member is disposed between a membrane electrode assembly and a separator in a reaction gas channel for supplying a reaction gas to each membrane electrode assembly. As the porous member, for example, expanded metal is used.

このような燃料電池は、燃料電池に接続されたマニホールドを介して、外部から燃料ガス(例えば、水素)と酸化ガス(例えば、空気)とが膜電極接合体に供給されると、電気化学反応によって発電するとともに、電気化学反応によって水が生成される。生成水は、燃料ガス、酸化ガスによって流されて、燃料電池の外部へ排水される。   In such a fuel cell, when a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidizing gas (for example, air) are supplied to the membrane electrode assembly from the outside through a manifold connected to the fuel cell, an electrochemical reaction occurs. In addition to generating electricity, water is generated by an electrochemical reaction. The generated water is flowed by the fuel gas and the oxidizing gas and drained to the outside of the fuel cell.

特開2005−310633号公報JP 2005-310633 A

しかしながら、マニホールドや燃料電池の全体的な構成によって、反応ガス流路を流れる反応ガスの流速にばらつきが生じる。反応ガスの流速にばらつきがあると、反応ガスの流速の遅い部分では、流速の早い部分に比して生成水の排水効率が低下する。このため、膜電極接合体とセパレータの間には、反応ガスの流速の遅い部分に偏って生成水が滞留してしまう。この結果、燃料電池の発電性能の低下を招く。   However, the flow rate of the reaction gas flowing through the reaction gas flow path varies depending on the overall configuration of the manifold and the fuel cell. If there is a variation in the flow rate of the reaction gas, the drainage efficiency of the produced water is reduced in the portion where the flow rate of the reaction gas is low compared to the portion where the flow rate is high. For this reason, between the membrane electrode assembly and the separator, the generated water stays in a portion where the flow rate of the reaction gas is low. As a result, the power generation performance of the fuel cell is reduced.

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池において、反応ガスの電気化学反応による生成水の局所的な滞留による発電性能の低下の抑制を目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to suppress a decrease in power generation performance due to local retention of generated water by an electrochemical reaction of a reaction gas in a fuel cell.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
燃料電池の発電に利用される反応ガスを膜電極接合体に供給するためのガス流路に配置される流路用部材であって、多孔質体によって形成され、前記前記ガス流路の反応ガスの流速が遅い部位から早い部位への、前記燃料電池の電気化学反応によって生成される生成水の移動を促進するための構成を有する、流路用部材。
[Application Example 1]
A flow path member disposed in a gas flow path for supplying a reaction gas used for power generation of a fuel cell to a membrane electrode assembly, formed by a porous body, and the reaction gas in the gas flow path A flow path member having a configuration for promoting movement of generated water generated by an electrochemical reaction of the fuel cell from a site where the flow velocity of the fuel cell is slow to a fast site.

適用例1の流路用部材によれば、ガス流路において、反応ガスの流速が遅い部位から早い部位に向けて、生成水の移動が促進される。この結果、反応ガスの流速の遅い部位から早い部位に移動された生成水は、反応ガスによって燃料電池外部へ排水される。よって、適用例1の流路用部材を燃料電池に適用することにより、生成水の滞留を抑制でき、燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。   According to the flow path member of Application Example 1, in the gas flow path, the movement of the generated water is promoted from the part where the flow rate of the reaction gas is low to the part where it is fast. As a result, the generated water moved from the part where the flow rate of the reaction gas is low to the part where it is fast is drained outside the fuel cell by the reaction gas. Therefore, by applying the flow path member of Application Example 1 to the fuel cell, retention of generated water can be suppressed, and a decrease in power generation performance of the fuel cell can be suppressed.

適用例1の流路用部材において、前記構成は、前記ガス流路における前記反応ガスの流れが、前記反応ガスの流の遅い部位から早い部位へ方向付けられるように構成されている。適用例1の流路用部材によれば、反応ガスの流速が早い部位に比して反応ガスの流速が遅い部位の方が反応ガスによる圧力が大きくなるので、反応ガスの流速の遅い部位から反応ガスの流速の遅い部位に向けて圧力差に応じた吸引力が作用する。従って、生成水を流速の早い部位に移動させることができ、燃料電池外部への生成水の排水を促進できる。   In the flow path member of Application Example 1, the configuration is configured such that the flow of the reaction gas in the gas flow path is directed from a slow part of the reaction gas flow to a fast part. According to the flow path member of Application Example 1, since the pressure due to the reaction gas is higher in the portion where the reaction gas flow rate is slower than the portion where the reaction gas flow rate is higher, A suction force corresponding to the pressure difference acts toward a site where the flow velocity of the reaction gas is slow. Therefore, the generated water can be moved to a part having a high flow rate, and the drainage of the generated water to the outside of the fuel cell can be promoted.

適用例1の流路用部材において、前記構成は、前記ガス流路において前記反応ガスの流速の速い部位に配置され、前記反応ガスの流れ方向と同一な方向に前記反応ガスの流れを導く第1の多孔質体と、前記ガス流路において前記反応ガスの流れの遅い部分に配置され、前記第1の多孔質体の方向へ前記反応ガスの流れを導く第2の多孔質体とにより構成されている。適用例1の流路用部材によれば、第1の多孔質体と第2の多孔質体との組み合わせにより流路用部材が構成される。よって、簡易な構成で、反応ガスの流れ方向を、流速の遅い部分から速い部分に向けることができる。   In the flow path member of Application Example 1, the structure is arranged in the gas flow path at a portion where the flow rate of the reaction gas is high, and the flow of the reaction gas is guided in the same direction as the flow direction of the reaction gas. 1 porous body, and a second porous body that is disposed in a slow flow portion of the reactive gas in the gas flow path and guides the reactive gas flow toward the first porous body. Has been. According to the flow path member of Application Example 1, the flow path member is configured by a combination of the first porous body and the second porous body. Therefore, with a simple configuration, the flow direction of the reaction gas can be directed from the slow part to the fast part.

[適用例2]
電解質膜の両面にそれぞれ電極を接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、前記膜電極接合体とセパレータとの間に、適用例1の流路用部材を備える燃料電池。適用例2の燃料電池によれば、ガス流路面内における反応ガスの流速の違いに起因して部分的に滞留する生成水を、反応ガスの流速の遅い部位から反応ガスの流速の速い部位に向けて移動させることができる。従って、電気化学反応による生成水を燃料電池外部に効率的に排水することができ、生成水の滞留を抑制できる。よって、燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。
[Application Example 2]
A fuel cell having a stack structure in which a plurality of membrane electrode assemblies each having an electrode bonded to both surfaces of an electrolyte membrane are stacked with a separator interposed therebetween, and the fuel cell of Application Example 1 is interposed between the membrane electrode assembly and the separator. A fuel cell comprising a channel member. According to the fuel cell of Application Example 2, the generated water that partially retains due to the difference in the flow velocity of the reaction gas in the gas flow path surface is changed from the portion where the reaction gas flow velocity is low to the portion where the reaction gas flow velocity is high. Can be moved toward. Therefore, the water produced by the electrochemical reaction can be efficiently drained to the outside of the fuel cell, and the retention of the produced water can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell.

本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。   In the present invention, the various aspects described above can be applied by appropriately combining or omitting some of them.

A.実施例:
A1.燃料電池の全体構成:
図1および図2を用いて実施例の燃料電池の概略構成について説明する。図1は、実施例における燃料電池100の概略構成を示す説明図である。図2は実施例における燃料電池の構成を表しており、図1のA−A断面によって切断された断面図である。実施例では、酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する固形高分子形の燃料電池を例にとって説明する。以降では。酸化ガスと燃料ガスとをまとめて反応ガスとも呼ぶ。なお、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが用いられ、酸化ガスとしては、例えば、空気が用いられる。
A. Example:
A1. Overall configuration of the fuel cell:
A schematic configuration of the fuel cell of the embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell 100 according to an embodiment. FIG. 2 shows a configuration of the fuel cell in the embodiment, and is a cross-sectional view cut along the AA cross section of FIG. In the embodiment, a solid polymer fuel cell that generates electric power by receiving supply of oxidizing gas and fuel gas will be described as an example. After that. Oxidizing gas and fuel gas are collectively referred to as reaction gas. As the fuel gas, for example, hydrogen gas is used, and as the oxidizing gas, for example, air is used.

燃料電池100は、発電体20とセパレータ40とが交互に積層され、その積層体の両端から図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されて形成されている。   The fuel cell 100 is formed by alternately stacking power generators 20 and separators 40 and sandwiching them from both ends of the stacked body with terminals, insulators, and end plates (not shown).

発電体20は、図2に示すように、MEA24(Membrane Electrode Assembly)、ガス拡散層23a、23b、カソード側多孔体流路28と、アノード側多孔体流路29と、を備えている。ガス拡散層23a、23bはMEA24の両面に配置されている。MEA24、ガス拡散層23aおよびガス拡散層23bから構成される部材をMEGA25と呼ぶ。   As shown in FIG. 2, the power generation body 20 includes an MEA 24 (Membrane Electrode Assembly), gas diffusion layers 23 a and 23 b, a cathode side porous body channel 28, and an anode side porous body channel 29. The gas diffusion layers 23 a and 23 b are disposed on both surfaces of the MEA 24. A member composed of the MEA 24, the gas diffusion layer 23a, and the gas diffusion layer 23b is referred to as MEGA 25.

MEA24は、電解質膜21の表面上に、カソード電極触媒層22a,アノード電極触媒層22bを備える。電解質膜21は、プロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、セパレータ40の外形よりも小さくガス流路の外形よりも大きい長方形に形成されている。電解質膜21は、例えば、ナフィオンである。電解質膜21の表面上に形成されたカソード電極触媒層22a,アノード電極触媒層22bは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されている。   The MEA 24 includes a cathode electrode catalyst layer 22 a and an anode electrode catalyst layer 22 b on the surface of the electrolyte membrane 21. The electrolyte membrane 21 is a thin film of a solid polymer material that has proton conductivity and exhibits good electrical conductivity in a wet state, and is formed in a rectangle that is smaller than the outer shape of the separator 40 and larger than the outer shape of the gas channel. Yes. The electrolyte membrane 21 is, for example, Nafion. The cathode electrode catalyst layer 22a and the anode electrode catalyst layer 22b formed on the surface of the electrolyte membrane 21 carry a catalyst that promotes an electrochemical reaction, for example, platinum.

ガス拡散層23a,23bは、気孔率が約20%程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層23a,23bは、接合によりMEA24と一体化されてMEGA25となる。なお、ガス拡散層23aはMEA24のカソード側に、ガス拡散層23bはアノード側に、それぞれ配置される。ガス拡散層23aは、酸化ガスをその厚み方向に拡散して、カソード電極触媒層22aの全面に供給する。ガス拡散層23bは、燃料ガスをその厚み方向に拡散して、アノード電極触媒層22bの全面に供給する。ガス拡散層23a,23bは、厚み方向へのガスの拡散を主目的とするため、比較的小さい気孔率を有する。   The gas diffusion layers 23a and 23b are carbon porous bodies having a porosity of about 20%, and are formed of, for example, carbon cloth or carbon paper. The gas diffusion layers 23a and 23b are integrated with the MEA 24 by bonding to form the MEGA 25. The gas diffusion layer 23a is disposed on the cathode side of the MEA 24, and the gas diffusion layer 23b is disposed on the anode side. The gas diffusion layer 23a diffuses the oxidizing gas in the thickness direction and supplies the entire surface of the cathode electrode catalyst layer 22a. The gas diffusion layer 23b diffuses the fuel gas in the thickness direction and supplies it to the entire surface of the anode electrode catalyst layer 22b. The gas diffusion layers 23a and 23b have a relatively low porosity because the main purpose is gas diffusion in the thickness direction.

カソード側多孔体流路28は、MEA24での電気化学反応に供される酸化ガスの流路である。カソード側多孔体流路28には、酸化ガスの流れ方向を規定するためのカソード側流路用部材200が、MEGA25とセパレータ40と接するように配置されている。また、アノード側多孔体流路29は、燃料ガスの流路である。アノード側多孔体流路29には、燃料ガスの流れ方向を規定するためのアノード側流路用部材210が、MEGA25とセパレータ40と接するように配置されている。カソード側流路用部材200,アノード側流路用部材210は、一般的に、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンナノチューブなどによって形成することができる。実施例では、カソード側流路用部材200およびアノード側流路用部材210は、金属板に同一形状の貫通孔が規則的に形成されている。本実施例では、カソード側流路用部材200およびアノード側流路用部材210が、特許請求の範囲の「流路用部材」に当たる。   The cathode-side porous body channel 28 is a channel for oxidizing gas that is used for an electrochemical reaction in the MEA 24. In the cathode side porous body channel 28, a cathode side channel member 200 for defining the flow direction of the oxidizing gas is disposed so as to be in contact with the MEGA 25 and the separator 40. The anode-side porous channel 29 is a fuel gas channel. An anode side flow path member 210 for defining the flow direction of the fuel gas is disposed in the anode side porous body flow path 29 so as to contact the MEGA 25 and the separator 40. Generally, the cathode side flow path member 200 and the anode side flow path member 210 can be formed of a gas permeable conductive member, for example, carbon paper, carbon cloth, carbon nanotube, or the like. In the embodiment, the cathode side flow path member 200 and the anode side flow path member 210 are regularly formed with through holes having the same shape in a metal plate. In the present embodiment, the cathode-side channel member 200 and the anode-side channel member 210 correspond to the “channel member” in the claims.

カソード側多孔体流路28およびアノード側多孔体流路29を流れる反応ガスの流速は、マニホールドや燃料電池の全体的な構成によってばらつきが生じている。カソード側流路用部材200は、カソード側多孔体流路28を流れる酸化ガスが流速の遅い部位から早い部位に向けて流れるように構成されており、アノード側流路用部材210は、カソード側流路用部材200と同様に、アノード側多孔体流路29を流れる燃料ガスが流速の遅い部位から早い部位に向けて流れるように構成されている。カソード側流路用部材200およびアノード側流路用部材210の構成については、後に詳述する。   The flow rate of the reaction gas flowing through the cathode side porous body channel 28 and the anode side porous body channel 29 varies depending on the overall configuration of the manifold and the fuel cell. The cathode-side channel member 200 is configured such that the oxidizing gas flowing in the cathode-side porous channel 28 flows from a part having a low flow rate toward a part having a low flow rate. Similar to the flow path member 200, the fuel gas flowing through the anode-side porous flow path 29 is configured to flow from a part having a low flow rate toward a part having a high flow rate. The configurations of the cathode-side channel member 200 and the anode-side channel member 210 will be described in detail later.

セパレータ40は、カソード側多孔体流路28、アノード側多孔体流路29の壁面を形成するように構成されている。セパレータ40は、反応ガスが透過しない導電性部材、たとえば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや焼成カーボン、あるいはステンレス鋼といった種々の材料が使用可能である。本実施例では、セパレータ40は、カソード側多孔体流路28と接触するカソード側プレート41と、アノード側多孔体流路29と接触するアノード側プレート43と、これらの間に配される中間プレート42とが一体となった3層セパレータとして構成されている。   The separator 40 is configured to form the wall surfaces of the cathode-side porous channel 28 and the anode-side porous channel 29. The separator 40 can be made of various materials such as a conductive member that does not allow reaction gas to pass through, for example, dense carbon, carbon that has been compressed by carbon, and baked carbon, or stainless steel. In the present embodiment, the separator 40 includes a cathode side plate 41 that contacts the cathode side porous body flow path 28, an anode side plate 43 that contacts the anode side porous body flow path 29, and an intermediate plate disposed therebetween. 42 is configured as a three-layer separator.

MEGA25、カソード側多孔体流路28およびアノード側多孔体流路29は、外周をシールガスケット26で囲われるように、シールガスケット26と一体に形成されている。シールガスケット26は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなり、マニホールド内を流れる流体(水素,酸化ガス,冷却水)の漏れを抑制するシールラインSLを形成する。セパレータ40は、一体に形成されているMEGA25、カソード側多孔体流路28、アノード側多孔体流路29およびシールガスケット26の両側に配置されている。   The MEGA 25, the cathode side porous channel 28, and the anode side porous channel 29 are formed integrally with the seal gasket 26 so that the outer periphery is surrounded by the seal gasket 26. The seal gasket 26 is made of an insulating resin material made of rubber, such as silicon rubber, butyl rubber, and fluoro rubber, and has a seal line SL that suppresses leakage of fluid (hydrogen, oxidizing gas, cooling water) flowing in the manifold. Form. The separators 40 are disposed on both sides of the MEGA 25, the cathode-side porous channel 28, the anode-side porous channel 29, and the seal gasket 26 that are integrally formed.

冷却水、燃料ガスおよび酸化ガスの流れについて、図1を参照して説明する。冷却水流路は、冷却水供給マニホールド11wmと、冷却水供給路12wと、冷却水排出マニホールド13wmとを介して、この順序で冷却水が流れるように構成されている。燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド11hmと、アノード側多孔体流路29と、燃料ガス排出マニホールド17hmと、を介して、この順序で燃料ガスが流れるように構成されている。酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド11amと、カソード側多孔体流路28と、酸化ガス排出マニホールド17amと、を介して、この順序で空気が流れるように構成されている。以降、実施例では、反応ガスの流れる方向を流れ方向と呼ぶ。実施例では、酸化ガスの流れ方向は、セパレータ40を立てた状態での下→上方向であり、燃料ガスの流れ方向は、セパレータ40を立てた状態での水平(左右)方向である。   The flow of cooling water, fuel gas, and oxidizing gas will be described with reference to FIG. The cooling water flow path is configured such that the cooling water flows in this order via the cooling water supply manifold 11wm, the cooling water supply path 12w, and the cooling water discharge manifold 13wm. The fuel gas is configured such that the fuel gas flows in this order through the fuel gas supply manifold 11hm, the anode-side porous body flow passage 29, and the fuel gas discharge manifold 17hm. The oxidizing gas is configured such that air flows in this order through the oxidizing gas supply manifold 11am, the cathode-side porous body flow path 28, and the oxidizing gas discharge manifold 17am. Hereinafter, in the examples, the direction in which the reaction gas flows is referred to as the flow direction. In the embodiment, the flow direction of the oxidizing gas is downward → upward when the separator 40 is erected, and the flow direction of the fuel gas is horizontal (left and right) direction when the separator 40 is erected.

A2.燃料電池の排水について:
A2−1.生成水の滞留の仕組みについて:
図3は、実施例における燃料電池の生成水の滞留の仕組みについて説明する模式図である。図3には、一例として、カソード側多孔体流路28を示す。MEGA25とセパレータ40との間は非常に狭く構成されているため、通常、図2に示すように、燃料電池100の電気化学反応による生成水Waは、MEGA25とセパレータ40との間に生じ、カソード側多孔体流路28を流れる酸化ガスによって流され、マニホールドを介して燃料電池外部へ排水される。しかしながら、マニホールドの構造や積層方向など燃料電池の全体的な構成によって、カソード側多孔体流路28面内を流れる酸化ガスの流速は、部分的に異なる場合があり、この結果、生成水が偏って滞留することがある。例えば、図3に示すように、セパレータ40の中央部分に対応するカソード側多孔体流路28の中央部分Bの流速が、セパレータ40の端部に対応するカソード側多孔体流路28の端部AおよびCの流速に比して流速の早い場合、中央部分Bでは、生成水は滞留することなく燃料電池外部へ排水されるが、端部AおよびCでは、生成水は一部しか排水されず、燃料電池の動作時間に比例して生成水Waが滞留する。酸化ガスの流速は、酸化ガスの入口側(図3中、セパレータ40の下方)よりも出口側(図3中、カソード側多孔体流路28の上方)の方が流速が遅くなるため、図3に示すように、生成水Waは、出口近傍に滞留しやすい。このような生成水の滞留は、アノード側多孔体流路29においても同様に生じる。
A2. About fuel cell drainage:
A2-1. About the mechanism of retention of generated water:
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a mechanism of retention of generated water of the fuel cell in the example. In FIG. 3, the cathode side porous body flow path 28 is shown as an example. Since the space between the MEGA 25 and the separator 40 is very narrow, the water produced by the electrochemical reaction of the fuel cell 100 is usually generated between the MEGA 25 and the separator 40 as shown in FIG. It is made to flow by the oxidizing gas flowing through the side porous body flow path 28 and is drained to the outside of the fuel cell through the manifold. However, depending on the overall structure of the fuel cell, such as the manifold structure and the stacking direction, the flow rate of the oxidizing gas flowing in the surface of the cathode side porous body flow path 28 may be partially different. May stay. For example, as shown in FIG. 3, the flow velocity of the central portion B of the cathode-side porous channel 28 corresponding to the central portion of the separator 40 is the end of the cathode-side porous channel 28 corresponding to the end of the separator 40. When the flow rate is faster than the flow rates of A and C, the generated water is drained to the outside of the fuel cell without staying in the central portion B, but only a part of the generated water is drained at the end portions A and C. Instead, the generated water Wa stays in proportion to the operation time of the fuel cell. The flow rate of the oxidizing gas is slower on the outlet side (in FIG. 3, above the cathode-side porous passage 28) than on the inlet side of the oxidizing gas (in FIG. 3, below the separator 40). As shown in FIG. 3, the produced water Wa tends to stay in the vicinity of the outlet. Such stagnation of generated water also occurs in the anode-side porous body channel 29 in the same manner.

そこで、本実施例では、生成水Waの局所的な滞留(フラッディング)を抑制するために、カソード側多孔体流路28およびアノード側多孔体流路29において、反応ガスの流速の遅い部位から流速の速い部位に反応ガスの流れを導くように、カソード側流路用部材200とアノード側流路用部材210とが構成されている。   Therefore, in this embodiment, in order to suppress local stagnation (flooding) of the generated water Wa, in the cathode side porous body channel 28 and the anode side porous body channel 29, the flow rate from the part where the flow rate of the reaction gas is low. The cathode side flow path member 200 and the anode side flow path member 210 are configured so as to guide the flow of the reaction gas to the fast part.

A2−2.流路用部材の詳細構成:
カソード側多孔体流路28およびアノード側多孔体流路29の詳細な構成について、図4〜図7を参照して説明する。図4は、実施例におけるガス流路におけるガスの流れ方向FDを説明する説明図である。図5は、実施例におけるガス流路を構成する流路構成部材を例示する説明図である。図6は、実施例におけるMEGA25のカソード側とセパレータ40との間に構成されるカソード側多孔体流路28の断面図である。図7は、実施例におけるカソード側多孔体流路28に配置される流路用部材の構成を例示する模式図である。図5(a)は、流路構成部材の斜視図であり、図5(b)は、流路構成部材の正面図である。図6に示す断面図は、図2における円Y部分の拡大図であり、併せて、セパレータ40、MEGA25を示す。
A2-2. Detailed configuration of flow path member:
The detailed configuration of the cathode side porous body channel 28 and the anode side porous body channel 29 will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the gas flow direction FD in the gas flow path in the embodiment. FIG. 5 is an explanatory view illustrating a flow path component that constitutes the gas flow path in the embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view of the cathode-side porous passage 28 configured between the cathode side of the MEGA 25 and the separator 40 in the embodiment. FIG. 7 is a schematic view illustrating the configuration of the channel member disposed in the cathode-side porous channel 28 in the example. Fig.5 (a) is a perspective view of a flow-path structural member, FIG.5 (b) is a front view of a flow-path structural member. The cross-sectional view shown in FIG. 6 is an enlarged view of a circle Y portion in FIG. 2, and also shows the separator 40 and the MEGA 25.

実施例では、図4に示すように、カソード側多孔体流路28では、下方から酸化ガスが流入し、上方に向けて流れる。ここで、カソード側多孔体流路28の中央部分Bの流速が、カソード側多孔体流路28の端部AおよびCの流速に比して早い場合には、図4に示すように、端部AおよびCを流れる酸化ガスが、端部AおよびCを流れる酸化ガスよりも流れる酸化ガスの流速の早い中央部分Bに向かうように、カソード側流路用部材200を構成する。   In the embodiment, as shown in FIG. 4, in the cathode side porous body channel 28, the oxidizing gas flows from below and flows upward. Here, when the flow rate of the central portion B of the cathode-side porous channel 28 is higher than the flow rates of the ends A and C of the cathode-side porous channel 28, as shown in FIG. The cathode-side flow path member 200 is configured such that the oxidizing gas flowing through the portions A and C is directed toward the central portion B where the flow velocity of the oxidizing gas flowing through the end portions A and C is higher than that flowing through the end portions A and C.

カソード側流路用部材200は、図5(a)に示すように、金属板に同一形状の貫通孔が規則的に形成されたガス流路構成部材30を用いて形成されている。図5(a)は、カソード側流路用部材200の一部拡大図を表している。図5(a)に示すように、ガス流路構成部材30は、山部32aと谷部32bが交互に連続する波板部32を基本構造としており、この波板部32を複数、連結した構成である。複数の波板部32は、同一の形状であり、横幅Wも同一のサイズである。谷部32bと山部32aの連結部分は、一平面(以下、この平面を「連結面」と呼ぶ)Sを形成することから、図5(a)からわかるように、一つの連結面S1と、次の谷部32bと山部32aで形成された連結面S2との間に六角形の貫通孔Hが形成される。六角形の貫通孔Hは千鳥状に配列されることになり、正面方向から見たとき、図5(b)に示すように、いわゆるハニカム形状となる。図5(a)中の破線は、隣接する2つの波板部32の間を区分けするために便宜的に付けたものである。本実施例のカソード側流路用部材28に用いられるガス流路構成部材30は、実際は、山谷の周波数は350程度であり、波板部32の連結数は250程度であり、87000個程度の六角形の貫通孔Hを備える構成となっている。   As shown in FIG. 5A, the cathode-side channel member 200 is formed by using a gas channel constituting member 30 in which through holes having the same shape are regularly formed in a metal plate. FIG. 5A shows a partially enlarged view of the cathode-side channel member 200. As shown in FIG. 5 (a), the gas flow path component 30 has a basic structure of corrugated plate portions 32 in which crest portions 32a and trough portions 32b continue alternately, and a plurality of corrugated plate portions 32 are connected. It is a configuration. The plurality of corrugated plate portions 32 have the same shape and the same width W. The connecting portion between the valley portion 32b and the mountain portion 32a forms a single plane (hereinafter, this plane is referred to as a “connecting surface”) S. As can be seen from FIG. A hexagonal through hole H is formed between the next valley 32b and the connecting surface S2 formed by the peaks 32a. The hexagonal through holes H are arranged in a zigzag shape, and when viewed from the front direction, a so-called honeycomb shape is formed as shown in FIG. A broken line in FIG. 5A is attached for the sake of convenience in order to distinguish between two adjacent corrugated plate portions 32. In the gas flow path constituting member 30 used for the cathode side flow path member 28 of the present embodiment, the frequency of the mountain valley is actually about 350, the number of connections of the corrugated plate portions 32 is about 250, and about 87,000 pieces. The hexagonal through hole H is provided.

実施例においてガス流路構成部材30を用いたカソード側流路用部材200では、酸化ガスは、図6に太線で示すように、連結面Sの表面に沿って、MEGA25のカソード側の表面に向かって流れ、カソードにおいて発電反応に供されなかった酸化ガスは、次の連結面Sの表面に沿ってMEGA25のカソード側の表面に向かって流れる。よって、酸化ガスは、連結面Sに当たって一部が周囲に拡散されるが、主として、奥行き方向(図5(a)におけるZ方向)に向かって流れる。この反応ガスの流れる方向が、既述の「流れ方向」である。   In the cathode side flow path member 200 using the gas flow path constituting member 30 in the embodiment, the oxidizing gas flows along the surface of the connecting surface S along the surface of the cathode side of the MEGA 25 as shown by the thick line in FIG. The oxidizing gas that flows toward the cathode and has not been subjected to the power generation reaction at the cathode flows along the surface of the next connecting surface S toward the cathode-side surface of the MEGA 25. Therefore, the oxidizing gas hits the connecting surface S and partly diffuses around, but mainly flows in the depth direction (Z direction in FIG. 5A). The direction in which the reaction gas flows is the above-described “flow direction”.

ガス流路構成部材30を用いて図4に示すカソード側多孔体流路28を形成する方法について、図7を参照して以下に説明する。なお、図7の端部A、中央部分Bおよび端部Cにおいて、ガス流路構成部材30の各貫通孔Hが異なる大きさで正面図のように示されているが、これは、端部A、中央部分Bおよび端部Cにおいて、流れ方向がそれぞれ異なることを表すために模式的に示したものである。実際には、各貫通孔Hの大きさは端部A,Cおよび中央部分Bにおいて同一である。図7の端部AおよびCにおいて各貫通孔Hの長辺を結ぶ方向が流れ方向FDを表している。   A method of forming the cathode-side porous body flow path 28 shown in FIG. 4 using the gas flow path constituting member 30 will be described below with reference to FIG. In addition, in the end part A, the central part B, and the end part C of FIG. 7, the through holes H of the gas flow path component 30 are shown in different sizes as shown in the front view. In A, the center part B, and the edge part C, it has shown typically in order to represent that a flow direction differs. Actually, the size of each through hole H is the same in the end portions A and C and the central portion B. The direction connecting the long sides of the through holes H at the end portions A and C in FIG. 7 represents the flow direction FD.

図7に示すように、中央部分Bには、ガス流路構成部材30の流れ方向がガス流路の上下方向に略平行となるようにガス流路構成部材30を配置し、端部AおよびCには、流れ方向FDが中央部分Bに向くようにガス流路構成部材30を傾けて配置する。この「傾ける」とは、ガス流路構成部材30を1枚の薄板と考えた場合に、薄板の法線を軸として回転させることを含む。端部AおよびCと中央部分Bとは、例えば、溶接や接着剤を用いて接合してもよい。このように、流れ方向の異なる複数のガス流路構成部材30を接合することにより、カソード側多孔体流路28を形成する。実施例において、中央部分Bに配置されるガス流路構成部材30が特許請求の範囲における「第1の多孔質体」に当たり、端部AおよびCに配置されるガス流路構成部材30が、特許請求の範囲における「第2の多孔質体」に当たる。   As shown in FIG. 7, in the central portion B, the gas flow path component 30 is arranged so that the flow direction of the gas flow path component 30 is substantially parallel to the vertical direction of the gas flow path. In C, the gas flow path constituting member 30 is inclined and arranged so that the flow direction FD faces the central portion B. This “tilting” includes rotating the gas flow path component 30 about the normal of the thin plate when the gas flow path component 30 is considered as a single thin plate. The ends A and C and the central portion B may be joined using, for example, welding or an adhesive. Thus, the cathode side porous body flow path 28 is formed by joining a plurality of gas flow path constituting members 30 having different flow directions. In the embodiment, the gas flow path component 30 disposed in the central portion B corresponds to the “first porous body” in the claims, and the gas flow path component 30 disposed in the end portions A and C is This corresponds to the “second porous body” in the claims.

A2−3.生成水の移動について:
図8は、実施例における生成水の移動の状態を例示する説明図である。上記説明の通り、本実施例のカソード側多孔体流路28では、酸化ガスの流速の遅い部位から酸化ガスの流速の速い部位に向けて酸化ガスが流れるように、カソード側流路用部材200が配置されている。ベルヌーイの定理によれば、流速の速い部位ほど流体により生じる圧力が小さくなる。従って、図8に示すように、中央部分Bの圧力P1は、端部AおよびCの圧力P2より小さくなる。この結果、酸化ガスの流れ方向に沿って、端部AおよびCから中央部分Bに向けて、圧力差(P2−P1)に応じた吸引力Fが作用する。よって、端部AおよびCに局所的に滞留する生成水Waは、吸引力Fにより、中央部分Bに吸引され、中央部分Bを流れる酸化ガスに流されて燃料電池の外部へ排水される。
A2-3. About movement of generated water:
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating the state of movement of the produced water in the example. As described above, in the cathode-side porous channel 28 of the present embodiment, the cathode-side channel member 200 is configured such that the oxidizing gas flows from the portion where the oxidizing gas flow rate is low toward the portion where the oxidizing gas flow rate is high. Is arranged. According to Bernoulli's theorem, the higher the flow velocity, the smaller the pressure generated by the fluid. Therefore, as shown in FIG. 8, the pressure P1 at the central portion B is smaller than the pressure P2 at the ends A and C. As a result, a suction force F corresponding to the pressure difference (P2-P1) acts from the end portions A and C toward the central portion B along the flow direction of the oxidizing gas. Therefore, the generated water Wa locally retained at the end portions A and C is sucked into the central portion B by the suction force F, and is discharged to the outside of the fuel cell by flowing into the oxidizing gas flowing through the central portion B.

以上説明した実施例の燃料電池によれば、ガス流路において流速の遅い部位から速い部位への生成水の移動を促進させるための流路用部材200,210が配置されている。従って、流速の遅い部位から流速の速い部位に向けて生成水の移動を促進させることができる。よって、燃料電池の排水性を向上できる。   According to the fuel cell of the embodiment described above, the flow path members 200 and 210 for accelerating the movement of the generated water from the slow flow velocity portion to the fast flow velocity portion in the gas flow passage are arranged. Therefore, the movement of the generated water can be promoted from a portion having a low flow rate toward a portion having a high flow rate. Therefore, the drainage of the fuel cell can be improved.

また、実施例の燃料電池によれば、ガス流路において、流速の遅い部位から流速の速い部位に向けて反応ガスが流れるように、流路構成部材200,210が配置されているため、ベルヌーイの定理により、流速の遅い部位から流速の速い部位に向けて圧力差に応じた力(吸引力)が作用する。従って、生成水の滞留し易い部位、言い換えれば、生成水の排水性能の低い部位から高い部位へ生成水の移動を促進でき、燃料電池外部への排水性を向上できる。よって、カソード側流路用部材200、アノード側流路用部材210を用いた燃料電池によれば、フラッディングによる電圧低下を抑制でき、燃料電池の発電効率を向上できる。   Further, according to the fuel cell of the embodiment, since the flow path component members 200 and 210 are arranged in the gas flow path so that the reaction gas flows from the low flow rate portion toward the high flow velocity portion, the Bernoulli According to the theorem, a force (suction force) corresponding to the pressure difference acts from a part having a low flow rate to a part having a high flow rate. Accordingly, it is possible to promote the movement of the generated water from a portion where the generated water is likely to stay, in other words, from a portion where the generated water drainage performance is low to a high portion, and to improve drainage to the outside of the fuel cell. Therefore, according to the fuel cell using the cathode side flow path member 200 and the anode side flow path member 210, it is possible to suppress a voltage drop due to flooding and to improve the power generation efficiency of the fuel cell.

また、実施例によれば、流れ方向が規定されている流路構成部材を複数用意して、向きを変えて接合することにより、カソード側流路用部材200およびアノード側流路用部材210が製造されている。従って、簡易に、反応ガスの流れを所望の方向に導く流路用部材を製造できる。   In addition, according to the embodiment, by preparing a plurality of flow path components having a defined flow direction and joining them in different directions, the cathode-side flow path member 200 and the anode-side flow path member 210 are It is manufactured. Therefore, it is possible to easily manufacture a flow path member that guides the flow of the reaction gas in a desired direction.

B.変形例:
(1)上述の実施例では、カソード側多孔体流路28の端部AおよびCに生成水が滞留する場合について説明しているが、例えば、図9に示すように、中央部分Bに生成水が滞留する場合についても、反応ガスの流速の遅い部位から速い部位に向けて流路を方向付けることにより、実施例と同様に生成水の燃料電池外部への排水を促進できる。
B. Variations:
(1) In the above-described embodiment, the case where the generated water stays at the end portions A and C of the cathode-side porous channel 28 is described. For example, as shown in FIG. Even in the case where water stays, drainage of the generated water to the outside of the fuel cell can be promoted in the same manner as in the embodiment by directing the flow path from the part where the flow rate of the reaction gas is slow toward the fast part.

図9は、変形例におけるカソード側多孔体流路28に配置されるカソード側流路用部材200aを例示する説明図である。本変形例では、端部AおよびCの流速が、中央部分Bの流速に比して速いため、図9に示すように、カソード側多孔体流路28の上部の排水性能が低く、生成水Waが滞留しやすい。そこで、図9に示すように、中央部分Bを2つの領域B1,B2に分割し、端部Aに近い領域B1では、領域B1から端部Aに反応ガスの流れを導くように、かつ、端部Cに近い領域B2では、領域B2から端部Cに反応ガスの流れを導くように構成されたカソード側流路用部材200aをカソード側多孔体流路28に配置する。こうすることにより、反応ガスの流速の遅い領域B1,B2から流速の速い端部AおよびCに向けて圧力差に応じた力(吸引力)Fが作用するので、燃料電池外部への生成水の排水を促進できる。   FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating the cathode-side channel member 200a disposed in the cathode-side porous channel 28 in the modification. In the present modification, the flow rates of the end portions A and C are higher than the flow rate of the central portion B. Therefore, as shown in FIG. Wa tends to stay. Therefore, as shown in FIG. 9, the central portion B is divided into two regions B1 and B2, and in the region B1 close to the end A, the flow of the reaction gas is guided from the region B1 to the end A, and In the region B2 close to the end C, the cathode side flow path member 200a configured to guide the flow of the reaction gas from the region B2 to the end C is disposed in the cathode side porous body flow channel 28. By doing so, a force (suction force) F corresponding to the pressure difference acts from the regions B1 and B2 where the flow velocity of the reaction gas is low toward the end portions A and C where the flow velocity is high. Can promote the drainage of water.

(2)上述の実施例では、カソード側多孔体流路28およびアノード側多孔体流路29のそれぞれの流路の向きを、反応ガスの流速の遅い部位から速い部位に反応ガスが流れるように構成しているが、例えば、カソード側多孔体流路28およびアノード側多孔体流路29の少なくとも一方のみを、反応ガスの流速の遅い部位から速い部位に反応ガスが流れるように構成してもよい。燃料電池の構成に応じて、水の生成される側の多孔体流路のみを実施例のように構成すれば、多孔体流路の製造負荷を軽減しながらフラッディングを効率的に抑制できる。 (2) In the above-described embodiment, the direction of each of the cathode side porous body flow path 28 and the anode side porous body flow path 29 is set so that the reaction gas flows from a portion where the flow velocity of the reaction gas is low to a portion where it is fast. However, for example, at least one of the cathode side porous body channel 28 and the anode side porous body channel 29 may be configured such that the reaction gas flows from a part where the flow rate of the reaction gas is low to a part where it is fast. Good. If only the porous flow path on the side where water is generated is configured as in the embodiment according to the configuration of the fuel cell, flooding can be efficiently suppressed while reducing the manufacturing load of the porous flow path.

(3)上述の実施例〜第3実施例では、縦置き型の燃料電池について説明しているが、例えば、横置き型の燃料電池においても適用可能である。 (3) In the above-described embodiment to the third embodiment, the vertical fuel cell is described, but the present invention can be applied to, for example, a horizontal fuel cell.

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。   As mentioned above, although the various Example of this invention was described, this invention is not limited to these Examples, A various structure can be taken in the range which does not deviate from the meaning.

実施例における燃料電池100の概略構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 100 in an Example. 実施例における燃料電池の構成を例示する断面図。Sectional drawing which illustrates the structure of the fuel cell in an Example. 実施例における燃料電池の生成水の滞留の仕組みについて説明する模式図。The schematic diagram explaining the mechanism of the retention of the produced water of the fuel cell in an Example. 実施例におけるガス流路におけるガスの流れ方向を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the flow direction of the gas in the gas flow path in an Example. 実施例におけるガス流路を構成する流路構成部材を例示する説明図。Explanatory drawing which illustrates the flow-path structural member which comprises the gas flow path in an Example. 実施例におけるMEGA25のカソード側とセパレータ40との間に構成されるカソード側多孔体流路28の断面図。Sectional drawing of the cathode side porous body flow path 28 comprised between the cathode side of MEGA25 and the separator 40 in an Example. 実施例におけるカソード側多孔体流路に配置される流路用部材について説明する模式図。The schematic diagram explaining the member for flow paths arrange | positioned in the cathode side porous body flow path in an Example. 実施例における生成水の排水の仕組みについて説明する説明図。Explanatory drawing explaining the mechanism of the waste_water | drain of the produced water in an Example. 変形例におけるカソード側多孔体流路に配置される流路用部材について説明する模式図。The schematic diagram explaining the member for flow paths arrange | positioned at the cathode side porous body flow path in a modification.

符号の説明Explanation of symbols

11am…酸化ガス供給マニホールド
11hm…燃料ガス供給マニホールド
11wm…冷却水供給マニホールド
12w…冷却水供給路
13wm…冷却水排出マニホールド
17am…酸化ガス排出マニホールド
17hm…燃料ガス排出マニホールド
20…発電体
21…電解質膜
22a…カソード電極触媒層
22b…アノード電極触媒層
23a…ガス拡散層
23b…ガス拡散層
26…シールガスケット
28…カソード側多孔体流路
29…アノード側多孔体流路
30…ガス流路構成部材
32…波板部
32a…山部
32b…谷部
40…セパレータ
41…カソード側プレート
42…中間プレート
43…アノード側プレート
100…燃料電池
11am ... oxidizing gas supply manifold 11hm ... fuel gas supply manifold 11wm ... cooling water supply manifold 12w ... cooling water supply passage 13wm ... cooling water discharge manifold 17am ... oxidizing gas discharge manifold 17hm ... fuel gas discharge manifold 20 ... power generator 21 ... electrolyte membrane 22a ... Cathode electrode catalyst layer 22b ... Anode electrode catalyst layer 23a ... Gas diffusion layer 23b ... Gas diffusion layer 26 ... Seal gasket 28 ... Cathode side porous channel 29 ... Anode side porous channel 30 ... Gas channel component 32 ... Corrugated plate part 32a ... Mountain part 32b ... Tani part 40 ... Separator 41 ... Cathode side plate 42 ... Intermediate plate 43 ... Anode side plate 100 ... Fuel cell

Claims (4)

燃料電池の発電に利用される反応ガスを膜電極接合体に供給するためのガス流路に配置される流路用部材であって、
多孔質体によって形成され、前記前記ガス流路の反応ガスの流速が遅い部位から早い部位への、前記燃料電池の電気化学反応によって生成される生成水の移動を促進するための構成を有する、流路用部材。
A flow path member disposed in a gas flow path for supplying a reaction gas used for power generation of a fuel cell to a membrane electrode assembly,
Formed of a porous body, and has a configuration for promoting the movement of generated water generated by the electrochemical reaction of the fuel cell from a site where the flow rate of the reaction gas in the gas flow path is slow to a fast site, Channel member.
請求項1記載の流路用部材であって、
前記構成は、前記ガス流路における前記反応ガスの流れが、前記反応ガスの流れの遅い部位から早い部位へ方向付けられるように構成されている、流路用部材。
The flow path member according to claim 1,
The said structure is a member for flow paths comprised so that the flow of the said reactive gas in the said gas flow path may be directed from the site | part with the slow flow of the said reactive gas to the site | part early.
請求項1または請求項2記載の流路用部材であって、
前記構成は、
前記ガス流路において前記反応ガスの流速の速い部位に配置され、前記反応ガスの流れ方向と同一な方向に前記反応ガスの流れを導く第1の多孔質体と、
前記ガス流路において前記反応ガスの流れの遅い部分に配置され、前記第1の多孔質体の方向へ前記反応ガスの流れを導く第2の多孔質体とにより構成されている、流路用部材。
The flow path member according to claim 1 or 2,
The configuration is as follows:
A first porous body that is disposed in a portion of the gas flow path where the flow rate of the reaction gas is fast and guides the flow of the reaction gas in the same direction as the flow direction of the reaction gas;
For the flow path, which is arranged in the gas flow path in a portion where the flow of the reactive gas is slow and is configured by a second porous body that guides the flow of the reactive gas toward the first porous body Element.
電解質膜の両面にそれぞれ電極を接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて複数積層した燃料電池であって、
前記膜電極接合体とセパレータとの間に、請求項1ないし請求項3いずれか記載の流路用部材を備える燃料電池。
A fuel cell in which a plurality of membrane electrode assemblies each having electrodes bonded to both surfaces of an electrolyte membrane are stacked with a separator interposed therebetween,
A fuel cell comprising the channel member according to any one of claims 1 to 3 between the membrane electrode assembly and the separator.
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