JP2010113928A

JP2010113928A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2010113928A
Application number: JP2008285064A
Authority: JP
Inventors: Naoki Takehiro; 直樹竹広; Shinji Shiromori; 慎司城森; Takumi Taniguchi; 拓未谷口; Keiichi Kaneko; 桂一金子; Tatsuya Arai; 竜哉新井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2010-05-20

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell for simplifying operation control of a switching means to switch over each passage in which a reaction gas flows to an open passage or to a closed passage. <P>SOLUTION: The fuel cell includes a stack having at least a membrane electrode assembly and a pair of separators to pinch the stack, and includes passages in which the reaction gas to be supplied to the stack flows on the surface on the stack side of the separator. A switching means to switch over the passage automatically according to the temperature to an open passage with the entrance or the exit open and a closed passage with the entrance or the exit closed is installed at one or more passages. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、流路の入口又は出口を閉塞することが可能な手段を備える、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell including means capable of closing an inlet or an outlet of a flow path.

燃料電池は、電解質層（以下において、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード触媒層及びカソード触媒層）とを備える膜電極構造体（以下において、「ＭＥＡ」ということがある。）で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ」という。）は、低温領域で運転することができる。このＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。 A fuel cell includes a membrane electrode structure (hereinafter referred to as an “electrolyte membrane”) and electrodes (an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer) disposed on both sides of the electrolyte membrane. , And may be referred to as “MEA”), and an electric energy generated by the electrochemical reaction is taken out to the outside. Among fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) used in a home cogeneration system or an automobile can be operated in a low temperature region. This PEFC has been attracting attention as a power source and portable power source for electric vehicles because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and small and light system.

ＰＥＦＣの単セルは、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを含む積層体を狭持する一対の集電体（セパレータ）と、を備え、ＭＥＡには、プロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下において、「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下において、「空気」という。）が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノード触媒層に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソード触媒層へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給された空気に含有されている酸素とが、カソード触媒層に含まれる触媒の作用下で反応することにより、水が生成される。 A single cell of PEFC includes an MEA and a pair of current collectors (separators) that sandwich a laminate including the MEA, and the MEA contains a proton conductive polymer that exhibits proton conductivity. . During operation of PEFC, a hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “air”) is supplied to the cathode. The hydrogen supplied to the anode is separated into protons and electrons under the action of the catalyst contained in the anode catalyst layer, and the protons generated from the hydrogen reach the cathode catalyst layer through the anode catalyst layer and the electrolyte membrane. On the other hand, electrons reach the cathode catalyst layer through an external circuit, and through such a process, electric energy can be extracted. Then, protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen contained in the air supplied to the cathode catalyst layer under the action of the catalyst contained in the cathode catalyst layer, so that water is produced. Generated.

ＭＥＡに含有されるプロトン伝導性ポリマーを含水状態に保つことにより、プロトン伝導抵抗を低減することが可能になる。そのため、ＰＥＦＣの運転時には、ＭＥＡを含水状態に保つ必要がある。ところが、ＰＥＦＣの運転時に、単セルの排水能力を超える量の水が生成されると、ＭＥＡへと供給される水素や空気が流通する流路（以下において、単に「流路」ということがある。）等に液体の水（以下において、「液水」という。）が滞留し、フラッディングと呼ばれる状態になる。フラッディングが発生すると、反応ガスの拡散が阻害されて電気化学反応の発生頻度が低減するため、ＰＥＦＣの発電性能が低下する。それゆえ、ＰＥＦＣの発電性能を向上させるためには、フラッディングを解消する必要がある。 Proton conduction resistance can be reduced by keeping the proton conductive polymer contained in MEA in a water-containing state. Therefore, it is necessary to keep the MEA in a water-containing state during PEFC operation. However, when the amount of water that exceeds the drainage capacity of a single cell is generated during operation of the PEFC, a flow path (hereinafter referred to simply as a “flow path”) through which hydrogen or air supplied to the MEA flows. Etc.), liquid water (hereinafter referred to as “liquid water”) stays in a state called flooding. When flooding occurs, diffusion of the reaction gas is hindered and the frequency of occurrence of the electrochemical reaction is reduced, so that the power generation performance of the PEFC is lowered. Therefore, in order to improve the power generation performance of PEFC, it is necessary to eliminate flooding.

フラッディングを解消し得る技術として、これまでに、流路の入口又は出口が閉塞された閉塞流路を有するＰＥＦＣが開発されてきている。閉塞流路を有する形態とすることにより、隣り合う流路の間に位置するセパレータの部位（以下において「凸部」という。）と対向する積層体の領域にも、多くの反応ガスを拡散させることができるため、排水性を向上することが可能になる。ところが、閉塞流路を有するＰＥＦＣの運転時に生成される水が少量である場合には、ＭＥＡから持ち去られる水の量が増大する結果、ＭＥＡが乾燥しやすい。ＭＥＡが乾燥すると、プロトン伝導抵抗が増大するため、ＰＥＦＣの発電性能が低下する虞がある。それゆえ、生成される水が少量である運転状態においては、閉塞流路が備えられない形態とすることが好ましく、生成される水が多量である運転状態においては、閉塞流路が備えられる形態とすることが好ましい。 As a technique that can eliminate flooding, PEFCs having a closed flow path in which the flow path inlet or outlet is closed have been developed. By adopting a form having a closed channel, a large amount of reaction gas is diffused also in the region of the laminate facing the separator portion (hereinafter referred to as “convex portion”) located between adjacent channels. Therefore, drainage can be improved. However, when a small amount of water is generated during operation of the PEFC having a closed channel, the amount of water taken away from the MEA increases, and the MEA tends to dry. When the MEA is dried, the proton conduction resistance increases, so that the power generation performance of the PEFC may be reduced. Therefore, it is preferable that the closed channel is not provided in the operation state where the amount of water generated is small, and the closed channel is provided in the operation state where the amount of water generated is large. It is preferable that

閉塞流路を有するＰＥＦＣに関する技術として、例えば特許文献１には、流路の入口及び出口が開口している流路（以下において、「開口流路」ということがある。）と、閉塞流路とを、ＰＥＦＣの運転状態に応じて変更する流路形状変更機構を有するＰＥＦＣが開示されている。そして、特許文献１には、流路形状変更機構を、単セルの外部に配設された機器の測定結果等を用いて作動させる技術が開示されている。また、特許文献２には、開口流路と閉塞流路とを切り替えるガス流路切替手段を備えたＰＥＦＣに関する技術が開示され、開閉弁を用いたガス流路切替手段が開示されている。 As a technology related to PEFC having a closed channel, for example, Patent Document 1 discloses a channel in which an inlet and an outlet of a channel are opened (hereinafter, sometimes referred to as “open channel”), and a blocked channel. The PEFC having a flow path shape changing mechanism that changes the values according to the operating state of the PEFC is disclosed. Patent Document 1 discloses a technique for operating a flow path shape changing mechanism using a measurement result or the like of a device disposed outside a single cell. Patent Document 2 discloses a technique related to PEFC including a gas flow path switching means for switching between an open flow path and a closed flow path, and discloses a gas flow path switching means using an on-off valve.

特開２００４−２５３３６６号公報JP 2004-253366 A 特開２００７−２０７７２５号公報JP 2007-207725 A

特許文献１に開示されている技術には流路形状変更機構が備えられ、特許文献２に開示されている技術にはガス流路切替手段が備えられているので、これらの技術によれば、ＭＥＡの乾燥を抑制しつつ、フラッディングを解消することが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術では単セルの外部に配設された外部機器を用いて流路形状変更機構を作動させ、特許文献２に開示されている技術では単セルの外部に配設された開閉弁を作動させることによりガス流路切替手段としての機能を発現させている。そのため、特許文献１に開示されている技術や特許文献２に開示されている技術では、構成が複雑化しやすく、発電機器としての信頼性が低下しやすいという問題があった。 Since the technology disclosed in Patent Document 1 is provided with a flow path shape changing mechanism, and the technology disclosed in Patent Document 2 is provided with a gas flow path switching means, according to these techniques, It is considered that flooding can be eliminated while suppressing drying of the MEA. However, in the technique disclosed in Patent Document 1, the flow path shape changing mechanism is operated using an external device arranged outside the single cell, and in the technique disclosed in Patent Document 2, it is outside the single cell. The function as the gas flow path switching means is expressed by operating the arranged on-off valve. Therefore, the technique disclosed in Patent Document 1 and the technique disclosed in Patent Document 2 have a problem that the configuration is easily complicated and the reliability as a power generation device is likely to be reduced.

そこで本発明は、反応ガスが流通する各流路を開口流路又は閉塞流路へと切り替える開閉手段の動作制御を簡略化することが可能な燃料電池を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of simplifying the operation control of an opening / closing means for switching each flow path through which a reaction gas flows to an open flow path or a closed flow path.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、少なくとも膜電極構造体を備える積層体と、該積層体を狭持する一対のセパレータと、を具備し、セパレータの積層体側の面に、積層体へと供給される反応ガスが流通する流路が備えられ、温度に応じて、自動で、流路を、入口及び出口が開口している開口流路、又は、入口若しくは出口が閉塞されている閉塞流路へと切り替える開閉手段が、一以上の流路に備えられることを特徴とする、燃料電池である。 In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention comprises a laminate including at least a membrane electrode structure and a pair of separators sandwiching the laminate, and a reaction gas supplied to the laminate is circulated on a surface of the separator on the laminate side. And an opening / closing means for automatically switching the flow path to an open flow path in which the inlet and the outlet are open, or a closed flow path in which the inlet or the outlet is closed, depending on the temperature. The fuel cell is provided in one or more flow paths.

ここに、本発明において、「少なくとも膜電極構造体を備える積層体」とは、膜電極構造体からなる積層体と、膜電極構造体及びその他の要素からなる積層体とを含む概念である。積層体に備えられる「その他の要素」としては、ＰＥＦＣの単セルにおいて一対のセパレータに狭持されるＭＥＡを除く公知の構成要素を例示することができ、具体的には、ＭＥＡとセパレータとの間に配設されるガス拡散層等を例示することができる。 Here, in the present invention, “a laminate including at least a membrane electrode structure” is a concept including a laminate comprising a membrane electrode structure and a laminate comprising a membrane electrode structure and other elements. As the “other elements” provided in the laminate, known constituent elements other than the MEA sandwiched between a pair of separators in a PEFC single cell can be exemplified. Specifically, the MEA and the separator A gas diffusion layer or the like disposed between them can be exemplified.

また、上記本発明において、開閉手段は、所定の温度以上で流路を閉塞流路へと切り替え、かつ、該所定の温度未満で流路を開口流路へと切り替えることが好ましい。 In the present invention, the opening / closing means preferably switches the flow path to a closed flow path at a predetermined temperature or higher and switches the flow path to an open flow path at a temperature lower than the predetermined temperature.

ここに、本発明において、「所定の温度」は、特に限定されるものではないが、フラッディングが発生しやすい温度とすることが好ましい。本発明における「所定の温度」としては、８０℃を例示することができる。 In the present invention, the “predetermined temperature” is not particularly limited, but is preferably a temperature at which flooding is likely to occur. An example of the “predetermined temperature” in the present invention is 80 ° C.

温度に応じて自動で流路を開口流路又は閉塞流路へと切り替える開閉手段が、一以上の流路に備えられるので、本発明によれば、開閉手段の動作を制御するための機器が不要になり、開閉手段の動作制御を簡略化することができる。したがって、本発明によれば、反応ガスが流通する各流路を開口流路又は閉塞流路へと切り替える開閉手段の動作制御を簡略化することが可能な燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, there is provided an apparatus for controlling the operation of the opening / closing means because the opening / closing means for automatically switching the flow path to the open flow path or the closed flow path according to the temperature is provided in one or more flow paths. The operation control of the opening / closing means can be simplified. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of simplifying the operation control of the opening / closing means for switching each flow path through which the reaction gas flows to an open flow path or a closed flow path.

また、本発明において、所定の温度以上で流路を閉塞流路とし、かつ、所定の温度未満で流路を開口流路とする開閉手段が備えられることにより、高出力運転時における発電性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供することができる。 Further, in the present invention, the power generation performance at the time of high output operation is provided by providing an opening / closing means that makes the flow path a closed flow path above a predetermined temperature and makes the flow path an open flow path below a predetermined temperature. A fuel cell that can be improved can be provided.

様々な運転状態で使用されるＰＥＦＣの発電性能を向上させるためには、その運転状態に応じて、流路を、開口流路又は閉塞流路に切り替えることが有効である。本発明者らは、かかる観点から鋭意研究を進めた結果、外部からの動作制御を行うことなく、自動的（自律的）に作動する開閉手段を流路に配置することにより、従来技術よりも構成を簡略化しつつ、ＰＥＦＣの発電性能を向上させることが可能になるとの知見を得た。本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、反応ガスが流通する各流路を開口流路又は閉塞流路に切り替える開閉手段の動作制御を簡略化することが可能な燃料電池を提供することを、主な要旨とする。 In order to improve the power generation performance of the PEFC used in various operating conditions, it is effective to switch the flow path to an open flow path or a closed flow path according to the operating conditions. As a result of diligent research from such a viewpoint, the present inventors have arranged an opening / closing means that operates automatically (autonomously) in the flow path without performing external operation control. We obtained knowledge that it is possible to improve the power generation performance of PEFC while simplifying the configuration. The present invention has been made based on such knowledge, and a fuel cell capable of simplifying operation control of an opening / closing means for switching each flow path through which a reaction gas flows to an open flow path or a closed flow path. The main point is to provide

以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below.

図１は、本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図である。図１の紙面上下方向が、膜電極構造体の厚さ方向であり、図１の紙面奥／手前方向又は図１の紙面手前／奥方向が、膜電極構造体へと供給される反応ガスの流通方向である。図１は、セパレータに備えられる全ての流路が開口流路である場合を示しており、一部符号の記載を省略している。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a fuel cell according to the present invention. 1 is the thickness direction of the membrane electrode structure, and the back / front direction of FIG. 1 or the front / back direction of FIG. 1 indicates the reaction gas supplied to the membrane electrode structure. It is a distribution direction. FIG. 1 shows a case where all the channels provided in the separator are open channels, and a part of the reference numerals is omitted.

図１に示すように、本発明の燃料電池１０は、電解質膜１、該電解質膜１の一方の面に形成されたアノード触媒層２、及び、該アノード触媒層２が形成された電解質膜１の面とは反対側の面に形成されたカソード触媒層３、を備えるＭＥＡ４、アノード触媒層２側に配設されたガス拡散層５、並びに、カソード触媒層３側に配設されたガス拡散層６、を備える積層体７と、ガス拡散層５側に配設されたセパレータ８と、ガス拡散層６側に配設されたセパレータ９と、を有している。セパレータ８のガス拡散層５側の面には、水素が流通する開口流路８ｘ、８ｘ、…（以下において、単に「流路８ｘ、８ｘ、…」又は「流路８ｘ」ということがある。）が備えられ、セパレータ９のガス拡散層６側の面には、空気が流通する開口流路９ｘ、９ｘ、…（以下において、単に「流路９ｘ、９ｘ、…」又は「流路９ｘ」ということがある。）が備えられている。 As shown in FIG. 1, a fuel cell 10 of the present invention includes an electrolyte membrane 1, an anode catalyst layer 2 formed on one surface of the electrolyte membrane 1, and an electrolyte membrane 1 on which the anode catalyst layer 2 is formed. MEA 4 provided with the cathode catalyst layer 3 formed on the surface opposite to the surface of the gas, the gas diffusion layer 5 disposed on the anode catalyst layer 2 side, and the gas diffusion disposed on the cathode catalyst layer 3 side The laminated body 7 provided with the layer 6, the separator 8 disposed on the gas diffusion layer 5 side, and the separator 9 disposed on the gas diffusion layer 6 side are included. On the surface of the separator 8 on the gas diffusion layer 5 side, there are sometimes referred to as “open channels 8x, 8x,... ), And on the surface of the separator 9 on the gas diffusion layer 6 side, open flow channels 9x, 9x,... (Hereinafter referred to simply as “flow channels 9x, 9x,...” Or “flow channel 9x”). Is sometimes provided).

図２は、水素が流通する全ての流路が開口流路８ｘ、８ｘ、…であるセパレータ８の形態例を概略的に示す平面図である。図２の矢印は水素の流通方向を示しており、図２の紙面左側は図１の紙面手前側と対応している。図２に示すように、セパレータ８は、水素が流通する全ての流路８ｘ、８ｘ、…に、本発明における開閉手段として機能するバイメタル１１、１１、…が備えられている。これらのバイメタル１１、１１、…は、水素流通方向の一端のみが流路８ｘ、８ｘ、…の側壁に固定され、水素流通方向の他端の動きが拘束されない形態とされている。図２に示すように、バイメタル１１、１１、…は、流路８ｘ、８ｘ、…における水素の入口側又は出口側に備えられており、水素の入口側にバイメタル１１が配設された流路８ｘと、水素の出口側にバイメタル１１が配設された流路８ｘとが、交互に連続して配置されている。 FIG. 2 is a plan view schematically showing an embodiment of the separator 8 in which all the channels through which hydrogen flows are open channels 8x, 8x,. The arrows in FIG. 2 indicate the direction of hydrogen flow, and the left side of FIG. 2 corresponds to the front side of FIG. As shown in FIG. 2, the separator 8 is provided with bimetals 11, 11,... Functioning as opening / closing means in the present invention in all the flow paths 8 x, 8 x,. These bimetals 11, 11,... Are configured such that only one end in the hydrogen flow direction is fixed to the side walls of the flow paths 8x, 8x,. As shown in FIG. 2, the bimetals 11, 11,... Are provided on the hydrogen inlet side or the outlet side in the flow channels 8x, 8x,..., And the bimetal 11 is disposed on the hydrogen inlet side. 8x and the flow path 8x in which the bimetal 11 is disposed on the hydrogen outlet side are alternately and continuously arranged.

燃料電池１０において、バイメタル１１、１１、…は、低温になると側面視で直線形状となる一方、高温になると側面視で曲線形状となる。図２に示すバイメタル１１、１１、…は、側面視の形状が直線形状であるため、図２のセパレータ８は、その全体が、低温環境（例えば、３０℃程度の温度環境。以下において同じ。）に置かれている。すなわち、例えば燃料電池１０の始動直後のように、ＭＥＡ４が低温となる条件で燃料電池１０が運転されている場合、水素が流通する流路は、湾曲していないバイメタル１１、１１、…によって、開口流路８ｘ、８ｘ、…とされる。このように、低温状態下（所定の温度未満の状態下）で開口流路８ｘ、８ｘ、…が備えられる形態とすることにより、ＭＥＡ４の乾燥を抑制することができる。ＭＥＡ４の乾燥を抑制することにより、プロトン伝導抵抗の増加を抑制しながら燃料電池１０を運転することが可能になるので、本発明によれば、低温運転時における発電性能を向上させることが可能な、燃料電池１０を提供することができる。 In the fuel cell 10, the bimetals 11, 11,... Have a linear shape in a side view when the temperature is low, and a curved shape in a side view when the temperature is high. 2, the shape of the separator 8 in FIG. 2 is entirely low-temperature environment (for example, a temperature environment of about 30 ° C. The same applies below). ). That is, for example, immediately after the fuel cell 10 is started, when the fuel cell 10 is operated under a condition where the MEA 4 is at a low temperature, the flow path through which the hydrogen flows is not bent by the bimetals 11, 11,. Open channel 8x, 8x, and so on. Thus, drying of MEA4 can be suppressed by setting it as the form with which the open flow paths 8x, 8x, ... are provided under a low temperature state (under a temperature lower than a predetermined temperature). By suppressing the drying of the MEA 4, it becomes possible to operate the fuel cell 10 while suppressing an increase in proton conduction resistance. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the power generation performance during low temperature operation. The fuel cell 10 can be provided.

図３は、セパレータ８に備えられている全てのバイメタル１１、１１、…が湾曲してバイメタル１１’、１１’、…になることにより、低温時に開口流路８ｘ、８ｘ、…であった全ての流路が、閉塞流路８ｙ、８ｙ、…、又は、閉塞流路８ｚ、８ｚ、…とされたセパレータ８’を概略的に示す平面図である。図３は図２と対応する図である。図３の矢印は水素の流通方向を示しており、図３の紙面左側は図１の紙面手前側及び図２の紙面左側と対応している。図３に示すように、セパレータ８の全体が所定の温度以上の環境（例えば、８０℃以上の環境。以下において同じ。）に曝されると、湾曲したバイメタル１１’、１１’、…によって、流路の入口又は出口が閉塞され、低温時に開口流路８ｘ、８ｘ、…であった全ての流路が、水素の入口が閉塞された閉塞流路８ｙ、８ｙ、…、又は、水素の出口が閉塞された閉塞流路８ｚ、８ｚ、…へと切り替えられて、セパレータ８’となる。例えば、燃料電池１０を高出力状態（高電流密度状態）で運転すると、セパレータ８の全体が所定の温度以上の環境に曝される場合がある。そのため、本発明によれば、高出力状態で、流路が閉塞流路８ｙ、８ｙ、…や閉塞流路８ｚ、８ｚ、…へと切り替えられたセパレータ８’を有する燃料電池１０を提供することができる。水素が流通する流路が、閉塞流路８ｙ、８ｙ、…、又は、閉塞流路８ｚ、８ｚ、…とされると、閉塞流路８ｙ、８ｙ、…と閉塞流路８ｚ、８ｚ、…によって挟まれたセパレータ８’の凸部と面するガス拡散層５及びアノード触媒層２にも、水素を拡散させやすくなる。そのため、アノード触媒層２、ガス拡散層５、閉塞流路８ｙ、８ｙ、…、及び、閉塞流路８ｚ、８ｚ、…におけるフラッディングの発生を解消することが可能になり、容易に燃料電池１０の高出力化を図ることが可能になる。 3 shows that all the bimetals 11, 11,... Provided in the separator 8 are curved to become bimetals 11 ′, 11 ′,. Is a plan view schematically showing a separator 8 'in which the flow paths are closed flow paths 8y, 8y, ... or closed flow paths 8z, 8z, .... FIG. 3 corresponds to FIG. The arrows in FIG. 3 indicate the direction of hydrogen flow, and the left side of FIG. 3 corresponds to the front side of FIG. 1 and the left side of FIG. As shown in FIG. 3, when the entire separator 8 is exposed to an environment of a predetermined temperature or higher (for example, an environment of 80 ° C. or higher; the same applies hereinafter), the curved bimetals 11 ′, 11 ′,. All the channels that were the open channels 8x, 8x,... At the low temperature were closed channels 8y, 8y,. Are switched to the closed flow paths 8z, 8z,... That become the separator 8 ′. For example, when the fuel cell 10 is operated in a high output state (high current density state), the entire separator 8 may be exposed to an environment having a predetermined temperature or higher. Therefore, according to the present invention, there is provided a fuel cell 10 having a separator 8 'in which the flow path is switched to a closed flow path 8y, 8y,... Or a closed flow path 8z, 8z,. Can do. If the flow path through which hydrogen flows is the closed flow paths 8y, 8y,... Or the closed flow paths 8z, 8z,. Hydrogen can be easily diffused also in the gas diffusion layer 5 and the anode catalyst layer 2 facing the convex portions of the sandwiched separator 8 ′. Therefore, it becomes possible to eliminate the occurrence of flooding in the anode catalyst layer 2, the gas diffusion layer 5, the closed flow paths 8y, 8y,... And the closed flow paths 8z, 8z,. High output can be achieved.

図４は、空気が流通する全ての流路が開口流路９ｘ、９ｘ、…であるセパレータ９の形態例を概略的に示す平面図である。図４の矢印は空気の流通方向を示しており、図４の紙面左側は図１の紙面手前側と対応している。図４に示すように、セパレータ９は、空気が流通する全ての流路９ｘ、９ｘ、…に、本発明における開閉手段として機能するバイメタル１１、１１、…が備えられている。これらのバイメタル１１、１１、…は、空気流通方向の一端のみが流路９ｘ、９ｘ、…の側壁に固定され、空気流通方向の他端の動きが拘束されない形態とされている。図４に示すように、バイメタル１１、１１、…は、流路９ｘ、９ｘ、…における空気の入口側又は出口側に備えられており、空気の入口側にバイメタル１１が配設された流路９ｘと、空気の出口側にバイメタル１１が配設された流路９ｘとが、交互に連続して配置されている。 FIG. 4 is a plan view schematically showing an embodiment of the separator 9 in which all the channels through which air flows are open channels 9x, 9x,. The arrows in FIG. 4 indicate the direction of air flow, and the left side in FIG. 4 corresponds to the front side in FIG. As shown in FIG. 4, the separator 9 includes bimetals 11, 11,... Functioning as opening / closing means in the present invention in all the flow paths 9 x, 9 x,. These bimetals 11, 11,... Are configured such that only one end in the air circulation direction is fixed to the side walls of the flow paths 9x, 9x,. 4, the bimetals 11, 11,... Are provided on the air inlet side or the outlet side of the flow paths 9x, 9x,... And the bimetal 11 is disposed on the air inlet side. 9x and the flow path 9x in which the bimetal 11 is disposed on the air outlet side are alternately and continuously arranged.

図４に示すバイメタル１１、１１、…は、側面視の形状が直線形状であるため、図４のセパレータ９は、その全体が、低温環境に置かれている。すなわち、例えば燃料電池１０の始動直後のように、ＭＥＡ４が低温となる条件で燃料電池１０が運転されている場合、空気が流通する流路は、湾曲していないバイメタル１１、１１、…によって、開口流路９ｘ、９ｘ、…とされる。このように、低温状態下（所定の温度未満の状態下）で開口流路９ｘ、９ｘ、…が備えられる形態とすることにより、ＭＥＡ４の乾燥を抑制することができる。ＭＥＡ４の乾燥を抑制することにより、プロトン伝導抵抗の増加を抑制しながら燃料電池１０を運転することが可能になるので、本発明によれば、低温運転時における発電性能を向上させることが可能な、燃料電池１０を提供することができる。 The bimetals 11, 11,... Shown in FIG. 4 have a linear shape in a side view, and therefore the separator 9 in FIG. 4 is entirely placed in a low temperature environment. That is, for example, immediately after the fuel cell 10 is started, when the fuel cell 10 is operated under a condition where the MEA 4 is at a low temperature, the flow path through which the air flows is not bent by the bimetals 11, 11,. Open channel 9x, 9x,... Thus, drying of MEA4 can be suppressed by setting it as the form with which the opening flow path 9x, 9x, ... is provided under a low temperature state (under the state below predetermined temperature). By suppressing the drying of the MEA 4, it becomes possible to operate the fuel cell 10 while suppressing an increase in proton conduction resistance. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the power generation performance during low temperature operation. The fuel cell 10 can be provided.

図５は、セパレータ９に備えられている全てのバイメタル１１、１１、…が湾曲してバイメタル１１’、１１’、…になることにより、低温時に開口流路９ｘ、９ｘ、…であった全ての流路が、閉塞流路９ｙ、９ｙ、…、又は、閉塞流路９ｚ、９ｚ、…とされたセパレータ９’を概略的に示す平面図である。図５は図４と対応する図である。図５の矢印は空気の流通方向を示しており、図５の紙面左側は図１の紙面手前側及び図４の紙面左側と対応している。図５に示すように、セパレータ９の全体が所定の温度以上の環境に曝されると、湾曲したバイメタル１１’、１１’、…によって、流路の入口又は出口が閉塞され、低温時に開口流路９ｘ、９ｘ、…であった全ての流路が、空気の入口が閉塞された閉塞流路９ｙ、９ｙ、…、又は、空気の出口が閉塞された閉塞流路９ｚ、９ｚ、…へと切り替えられて、セパレータ９’となる。例えば、燃料電池１０を高出力状態（高電流密度状態）で運転すると、セパレータ９の全体が所定の温度以上の環境に曝される場合がある。そのため、本発明によれば、高出力状態で、流路が閉塞流路９ｙ、９ｙ、…や閉塞流路９ｚ、９ｚ、…へと切り替えられたセパレータ９’を有する燃料電池１０を提供することができる。空気が流通する流路が、閉塞流路９ｙ、９ｙ、…、又は、閉塞流路９ｚ、９ｚ、…とされると、閉塞流路９ｙ、９ｙ、…と閉塞流路９ｚ、９ｚ、…によって挟まれたセパレータ９’の凸部と面するガス拡散層６及びカソード触媒層３にも、空気を拡散させやすくなる。そのため、カソード触媒層３、ガス拡散層６、閉塞流路９ｙ、９ｙ、…、及び、閉塞流路９ｚ、９ｚ、…におけるフラッディングの発生を解消することが可能になり、容易に燃料電池１０の高出力化を図ることが可能になる。 FIG. 5 shows that all the bimetals 11, 11,... Provided in the separator 9 are curved to become bimetals 11 ′, 11 ′,. Is a plan view schematically showing a separator 9 ′ in which the flow paths are closed flow paths 9y, 9y,... Or closed flow paths 9z, 9z,. FIG. 5 corresponds to FIG. The arrows in FIG. 5 indicate the air flow direction, and the left side of FIG. 5 corresponds to the front side of FIG. 1 and the left side of FIG. As shown in FIG. 5, when the entire separator 9 is exposed to an environment having a predetermined temperature or higher, the inlet or outlet of the flow path is blocked by the curved bimetals 11 ′, 11 ′,. All of the channels 9x, 9x,... Are closed channels 9y, 9y,... In which the air inlet is blocked, or closed channels 9z, 9z,. It is switched to become a separator 9 ′. For example, when the fuel cell 10 is operated in a high output state (high current density state), the entire separator 9 may be exposed to an environment having a predetermined temperature or higher. Therefore, according to the present invention, there is provided a fuel cell 10 having a separator 9 'in which the flow path is switched to the closed flow paths 9y, 9y,... And the closed flow paths 9z, 9z,. Can do. If the flow path through which the air flows is the closed flow paths 9y, 9y,... Or the closed flow paths 9z, 9z,. Air can be easily diffused also in the gas diffusion layer 6 and the cathode catalyst layer 3 facing the convex portions of the sandwiched separator 9 ′. Therefore, it becomes possible to eliminate the occurrence of flooding in the cathode catalyst layer 3, the gas diffusion layer 6, the closed channels 9y, 9y,... And the closed channels 9z, 9z,. High output can be achieved.

燃料電池１０において、バイメタル１１、１１、…の長さ（図２〜図５の紙面左右方向における長さ。以下において同じ。）及び厚さ（板厚）は、流路８ｘ、８ｘ、…や流路９ｘ、９ｘ、…を、相対的に高温の状態下で閉塞し得る長さ及び厚さであれば特に限定されるものではない。バイメタル１１、１１、…の長さ及び厚さは、流路８ｘ、８ｘ、…や流路９ｘ、９ｘ、…の幅（図１の紙面左右方向における流路８ｘや流路９ｘの長さ。以下において同じ。）や、セパレータ８及びセパレータ９が曝される温度環境や、バイメタル１１、１１、…の湾曲係数に応じて決定することができる。例えば、流路８ｘ、８ｘ、…や流路９ｘ、９ｘ、…の幅が１ｍｍであり、３０℃以下の温度環境下で図２及び図４に示すバイメタル１１、１１、…となり、８０℃以上の温度環境下で図３及び図５に示すバイメタル１１’、１１’、…となり、かつ、バイメタル１１、１１、…の湾曲係数ｋがｋ＝１×１０^−５［℃^−１］である場合、バイメタル１１、１１、…の長さを２０ｍｍ、厚さを０．２ｍｍとすることができる。 In the fuel cell 10, the length of the bimetal 11, 11,... (The length in the left-right direction in FIGS. 2 to 5; the same applies hereinafter) and the thickness (plate thickness) are the flow paths 8x, 8x,. There is no particular limitation as long as the flow paths 9x, 9x,... Have a length and thickness that can be closed under relatively high temperature conditions. The lengths and thicknesses of the bimetals 11, 11,... Are the widths of the flow paths 8x, 8x,... And the flow paths 9x, 9x, ... (the lengths of the flow paths 8x and 9x in the horizontal direction in FIG. The same applies hereinafter), the temperature environment to which the separator 8 and the separator 9 are exposed, and the bending coefficient of the bimetal 11, 11,. For example, the width of the flow paths 8x, 8x,... And the flow paths 9x, 9x,... Is 1 mm, and the bimetals 11, 11,. 3 and FIG. 5 in the temperature environment, and the bending coefficient k of the bimetal 11, 11,... Is k = 1 × 10 ⁻⁵ [° C. ⁻¹ ]. The lengths of the bimetals 11, 11,... Can be 20 mm and the thickness can be 0.2 mm.

また、燃料電池１０において、バイメタル１１、１１、…の構成材料は、燃料電池１０の運転時における環境に耐え得る性質（例えば、耐熱性、耐水性等）を備えた材料によって構成されていれば、特に限定されるものではなく、公知の材料を用いることができる。 In addition, in the fuel cell 10, the constituent materials of the bimetals 11, 11,... Are made of materials having properties that can withstand the environment during operation of the fuel cell 10 (for example, heat resistance, water resistance, etc.). The material is not particularly limited, and a known material can be used.

また、燃料電池１０において、バイメタル１１、１１、…の一端側を流路８ｘ、８ｘ、…や流路９ｘ、９ｘ、…の側壁へと固定する方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。さらに、燃料電池１０において、セパレータ８及びセパレータ９は、ＰＥＦＣのセパレータとして使用可能な材料によって構成されていれば、その構成材料は特に限定されるものではなく、炭素材料や金属等を用いることができる。ただし、バイメタル１１、１１、…の一端側を、スポット溶接等により、流路８ｘ、８ｘ、…や流路９ｘ、９ｘ、…の側壁へ容易に接合可能な形態にする等の観点からは、セパレータ８及びセパレータ９を金属製のセパレータとすることが好ましい。 Further, in the fuel cell 10, the method of fixing one end side of the bimetal 11, 11,... To the side walls of the flow paths 8x, 8x,... And the flow paths 9x, 9x,. This method can be used. Furthermore, in the fuel cell 10, the separator 8 and the separator 9 are not particularly limited as long as the separator 8 and the separator 9 are made of a material that can be used as a PEFC separator, and a carbon material, a metal, or the like may be used. it can. However, from the viewpoint of making one end side of the bimetal 11, 11,... Easily connectable to the side walls of the flow paths 8x, 8x,... And the flow paths 9x, 9x,. The separator 8 and the separator 9 are preferably metal separators.

また、燃料電池１０に関する上記説明では、セパレータ８の水素が流通する全ての流路にバイメタル１１、１１、…が配設されている形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、水素が流通する流路の一部にのみ、バイメタル１１、１１、…を配設することも可能である。同様に、燃料電池１０に関する上記説明では、セパレータ９の空気が流通する全ての流路にバイメタル１１、１１、…が配設されている形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、空気が流通する流路の一部にのみ、バイメタル１１、１１、…を配設することも可能である。 Further, in the above description regarding the fuel cell 10, the mode in which the bimetals 11, 11,... Are disposed in all the flow paths through which the hydrogen of the separator 8 circulates is illustrated. However, it is also possible to dispose the bimetals 11, 11,... Only in a part of the flow path through which hydrogen flows. Similarly, in the above description regarding the fuel cell 10, the mode in which the bimetals 11, 11,... Are disposed in all the flow paths through which the air of the separator 9 circulates is illustrated. It is not limited, and it is also possible to arrange the bimetals 11, 11,... Only in a part of the flow path through which air flows.

また、燃料電池１０に関する上記説明では、セパレータ８及びセパレータ９にバイメタル１１、１１、…が配設されている形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、セパレータ８又はセパレータ９にのみ、バイメタル１１、１１、…を配設することも可能である。ただし、高出力運転時に、出力を向上させやすい形態の燃料電池１０を提供する等の観点からは、セパレータ８及びセパレータ９にバイメタル１１、１１、…を配設することが好ましい。 Moreover, in the said description regarding the fuel cell 10, although the form by which the bimetal 11, 11, ... was arrange | positioned by the separator 8 and the separator 9 was illustrated, the fuel cell of this invention is not limited to the said form, It is also possible to dispose the bimetals 11, 11,... Only on the separator 8 or the separator 9. However, from the viewpoint of providing the fuel cell 10 in a form in which the output is easily improved during high output operation, it is preferable to dispose the bimetals 11, 11,.

また、燃料電池１０に関する上記説明では、開閉手段としてバイメタル１１、１１、…が用いられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。所定の温度以上で流路を閉塞流路へと切り替え、かつ、所定の温度未満で流路を開口流路へと切り替える機能を備えた開閉手段を用いる場合、当該機能を備えた開閉手段はバイメタルに限定されるものではなく、他の公知の手段を用いることができる。さらに、本発明の燃料電池に備えられる開閉手段の機能は、所定の温度以上で流路を閉塞流路へと切り替え、かつ、所定の温度未満で流路を開口流路へと切り替える機能に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、所定の温度以下で流路を閉塞流路へと切り替え、かつ、当該所定の温度よりも高温時に流路を開口流路へと切り替える機能を有する開閉手段が備えられる形態とすることも可能である。当該機能を有する開閉手段の具体例としては、バイメタル等を挙げることができる。当該機能を有する開閉手段が備えられることにより、例えば、発電時に高温であったセパレータが掃気運転時に低温になった時点で、流路を閉塞流路とすることが可能になる。掃気運転時に流路を閉塞流路とすることにより、セパレータの凸部と面する積層体の部位等に滞留しやすい液水を燃料電池の外部へ排出することが容易になるため、低温始動性を向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。 Moreover, in the said description regarding the fuel cell 10, although the form in which the bimetal 11, 11, ... was used as an opening / closing means was illustrated, the fuel cell of this invention is not limited to the said form. When using an opening / closing means having a function of switching a flow path to a closed flow path at a predetermined temperature or higher and switching a flow path to an open flow path at a temperature lower than the predetermined temperature, the opening / closing means having the function is a bimetal. It is not limited to this, Other known means can be used. Furthermore, the function of the opening / closing means provided in the fuel cell of the present invention is limited to the function of switching the flow path to the closed flow path at a predetermined temperature or higher and switching the flow path to the open flow path at a temperature lower than the predetermined temperature. Is not to be done. The fuel cell of the present invention is provided with an opening / closing means having a function of switching a flow path to a closed flow path at a predetermined temperature or less and switching the flow path to an open flow path at a temperature higher than the predetermined temperature. It is also possible. Specific examples of the opening / closing means having the function include bimetal. By providing the opening / closing means having the function, for example, the flow path can be made a closed flow path when the separator, which was high temperature during power generation, becomes low temperature during the scavenging operation. By setting the flow path as a closed flow path during the scavenging operation, it becomes easy to discharge liquid water that tends to stay in the part of the laminate facing the convex portion of the separator to the outside of the fuel cell. A fuel cell capable of improving the efficiency can be provided.

また、燃料電池１０に関する上記説明では、水素の流通方向と空気の流通方向とが互いに向かい合う方向である形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池における水素の流通方向及び空気の流通方向は、同一の方向とすることも可能である。 Moreover, in the said description regarding the fuel cell 10, although the form which is the direction where the distribution direction of hydrogen and the distribution direction of air face each other was illustrated, the fuel cell of this invention is not limited to the said form. The flow direction of hydrogen and the flow direction of air in the fuel cell of the present invention can be the same direction.

また、本発明を、複数の単セルが積層されたセル積層体へ適用する場合、開閉手段を備えた単セルのみによってセル積層体を構成しても良く、開閉手段を備えた単セルをセル積層体の一部に配置しても良い。所定の温度以下で流路を閉塞流路へと切り替え、かつ、所定の温度よりも高温時に流路を開口流路へと切り替える形態の開閉手段を備えた単セルをセル積層体の一部に配置する場合、その配置箇所は特に限定されるものではないが、セル積層体の中央に位置する単セルと比較して低温環境に曝されやすいセル積層体の端部に、開閉手段を備えた単セルを配置することが好ましい。さらに、所定の温度以下で流路を閉塞流路へと切り替え、かつ、所定の温度よりも高温時に流路を開口流路へと切り替える形態の開閉手段も、セパレータの流路の一部にのみ配設することができる。この場合、他の部位と比較して低温環境に曝されやすい、セパレータを冷却する冷却剤の流通方向上流側に、開閉手段を配設することが好ましい。 In addition, when the present invention is applied to a cell stack in which a plurality of single cells are stacked, the cell stack may be configured only by a single cell provided with an opening / closing means. You may arrange | position in a part of laminated body. A single cell provided with opening / closing means configured to switch a flow path to a closed flow path at a temperature lower than a predetermined temperature and to switch the flow path to an open flow path at a temperature higher than the predetermined temperature is part of the cell stack. In the case of arrangement, the arrangement location is not particularly limited, but an opening / closing means is provided at the end of the cell laminate that is more easily exposed to a low temperature environment than a single cell located in the center of the cell laminate. It is preferable to arrange a single cell. Furthermore, the opening / closing means configured to switch the flow path to a closed flow path at a predetermined temperature or lower and switch the flow path to an open flow path when the temperature is higher than the predetermined temperature is also provided for only a part of the separator flow path. It can be arranged. In this case, it is preferable to dispose the opening / closing means on the upstream side in the flow direction of the coolant that cools the separator, which is more easily exposed to a low temperature environment than other parts.

本発明の燃料電池の形態例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of a form of the fuel cell of this invention. セパレータ８の全ての流路が開口流路８ｘ、８ｘ、…とされた状態を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the state by which all the flow paths of the separator 8 were made into the open flow paths 8x, 8x, .... セパレータ８の全ての流路が閉塞流路８ｙ、８ｙ、…又は閉塞流路８ｚ、８ｚ、…へと切り替えられた状態を概略的に示す平面図である。FIG. 6 is a plan view schematically showing a state where all the flow paths of the separator 8 are switched to closed flow paths 8y, 8y,... Or closed flow paths 8z, 8z,. セパレータ９の全ての流路が開口流路９ｘ、９ｘ、…とされた状態を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the state by which all the flow paths of the separator 9 were made into the open flow paths 9x, 9x, .... セパレータ９の全ての流路が閉塞流路９ｙ、９ｙ、…又は閉塞流路９ｚ、９ｚ、…へと切り替えられた状態を概略的に示す平面図である。FIG. 6 is a plan view schematically showing a state in which all the flow paths of the separator 9 are switched to closed flow paths 9y, 9y,... Or closed flow paths 9z, 9z,.

Explanation of symbols

１…電解質膜
２…アノード触媒層
３…カソード触媒層
４…ＭＥＡ（膜電極構造体）
５…ガス拡散層
６…ガス拡散層
７…積層体
８…セパレータ
８ｘ…開口流路
８ｙ…閉塞流路
８ｚ…閉塞流路
９…セパレータ
９ｘ…開口流路
９ｙ…閉塞流路
９ｚ…閉塞流路
１０…燃料電池
１１…バイメタル（開閉手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Anode catalyst layer 3 ... Cathode catalyst layer 4 ... MEA (membrane electrode structure)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... Gas diffusion layer 6 ... Gas diffusion layer 7 ... Laminate body 8 ... Separator 8x ... Opening channel 8y ... Blocking channel 8z ... Blocking channel 9 ... Separator 9x ... Opening channel 9y ... Blocking channel 9z ... Blocking channel 10 ... Fuel cell 11 ... Bimetal (opening / closing means)

Claims

A laminate comprising at least a membrane electrode structure, and a pair of separators sandwiching the laminate,
On the surface of the separator on the side of the laminate, a flow path through which a reaction gas supplied to the laminate is circulated,
Depending on the temperature, the opening / closing means for automatically switching the flow path to an open flow path in which an inlet and an outlet are open or a closed flow path in which an inlet or an outlet is closed is provided with one or more of the flow paths. A fuel cell comprising a road.

2. The opening / closing means switches the flow path to the closed flow path at a predetermined temperature or higher and switches the flow path to the open flow path at a temperature lower than the predetermined temperature. A fuel cell according to claim 1.