JP2010160993A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel cell with a function which allows water produced at power generation to be used for solid polymer film humidification and eliminates any external humidifier, thereby simplifying the construction thereof. <P>SOLUTION: A gas flow channel of a fuel gas is formed in an anode-side separator, whereas a gas flow channel of an oxidant gas is formed in a cathode-side separator. The cathode-side separator includes a movable rib for controlling the flow of an oxidant gas. At the time of stable power generation, the rib is moved to a flow channel location forming a gas flow channel including a separator's center portion, and at the time of drying an electrolyte film, the rib is moved to a flow channel location generating a drift flow in which a flow of an oxidant gas in the separator's center position is diminished, in accordance with the required amount of water. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、カソード側セパレータにおける酸化ガスの流れを制御する可動型のリブを備えた固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell having a movable rib for controlling the flow of an oxidizing gas in a cathode side separator.

燃料電池は、運動部分を持たず、無重力環境下でも作動し、排出物は環境に無害な水のみといった特徴からクリーンなエネルギー源として数多くの利用が考えられている。特に低温で動作する固体高分子形燃料電池は、近年、MEMS技術を利用し、携帯電話やパソコンなどの電源とするための小型化が進んでいる。   The fuel cell does not have a moving part and operates even in a zero-gravity environment, and its waste is considered to be used as a clean energy source because of its characteristics such as only water that is harmless to the environment. In particular, polymer electrolyte fuel cells that operate at low temperatures have recently been miniaturized to use as a power source for mobile phones and personal computers using MEMS technology.

固体高分子形燃料電池は、電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる膜-電極アッセンブリMEAと、このMEAを挟持する一対のセパレータとで構成された単セルが積層されたセルスタック構造となっている。このような構造の燃料電池においては、各セパレータに形成されているガス流路を介して酸化ガス(空気)または燃料ガスが各電極に供給されることにより発電が行われるが、この空気流量を、高負荷時と低負荷時に応じて切り替える技術が公知である(特許文献1参照)。   A polymer electrolyte fuel cell has a cell stack structure in which a single cell composed of an electrolyte membrane and a membrane-electrode assembly MEA composed of a pair of electrodes disposed on both sides thereof and a pair of separators sandwiching the MEA is laminated. It has become. In a fuel cell having such a structure, power is generated by supplying an oxidizing gas (air) or a fuel gas to each electrode through a gas flow path formed in each separator. A technique for switching according to a high load and a low load is known (see Patent Document 1).

図11は、特許文献1に記載のセパレータに対する空気の分配について模式的に示した図であり、(A)は、高負荷時の流路を、また(B)は低負荷時の流路をそれぞれ示している。高負荷時においては流路切替機構を開とし、空気の流路を複数のストレート流路とする。高負荷時においてはガス流量が多いため、流路を複数としてもセルの出入り口間での差圧が十分に確保される。このため発電反応によって生じた生成水が流路を閉塞することなく安定した運転を行うことが可能である。   FIG. 11 is a diagram schematically illustrating air distribution to the separator described in Patent Document 1. (A) shows a flow path at high load, and (B) shows a flow path at low load. Each is shown. When the load is high, the flow path switching mechanism is opened, and the air flow path is a plurality of straight flow paths. Since the gas flow rate is high at high loads, a sufficient differential pressure is ensured between the cell entrances and exits even if there are a plurality of flow paths. For this reason, it is possible to perform a stable operation without causing the generated water generated by the power generation reaction to block the flow path.

一方、低負荷時においては、反応部の内部に設けられた2つの仕切壁によってS字状のサーペンタイン流路が形成され、流路が途中で2回折り返す構造となっている。低負荷時においては空気流量が少ない。このため、低負荷時においては流路切替機構を閉止することにより、セル内の流路をサーペンタイン流路に切り替える。   On the other hand, when the load is low, an S-shaped serpentine flow path is formed by two partition walls provided inside the reaction section, and the flow path is configured to be folded twice in the middle. The air flow rate is low at low load. For this reason, at the time of low load, the flow path switching mechanism is closed to switch the flow path in the cell to the serpentine flow path.

このように、負荷に応じて流路形状を切り替えることで、負荷変動が生じた場合にも安定した対応を行うことが可能となる。さらに、負荷状態に関係なくセル面内の全ての部位を常に利用した発電が可能であることから、膜の加湿条件が一定となり、フル負荷運転が必要になったときに速やかに負荷変動に対応することができる。   Thus, by switching the flow path shape according to the load, it is possible to perform a stable response even when a load change occurs. In addition, power generation is always possible using all parts in the cell regardless of the load condition, so the humidification conditions of the membrane are constant, and when the full load operation becomes necessary, it can respond quickly to load fluctuations. can do.

固体高分子形燃料電池を日常生活温度領域で作動させた場合、カソード(酸素極)側で生成した水蒸気は、電極構造体内で凝縮・残留し、反応面への燃料ガスの供給を阻害し出力の低下をもたらす(フラッディング、プラッギング)。一方で燃料電池を構成する固体高分子膜は、湿潤状態でのみ高いイオン伝導率を示して出力が維持され、乾くとやはり出力の低下が生じる(ドライアウト)。よって固体高分子形燃料電池は、アノード側(水素極側)を加湿器により加湿して運転しているのが現状である。すなわち、固体高分子形燃料電池内部の水分管理は、燃料電池の性能向上に関連して重要な課題である。   When the polymer electrolyte fuel cell is operated in the daily life temperature range, the water vapor generated on the cathode (oxygen electrode) side condenses and remains in the electrode structure, obstructing the supply of fuel gas to the reaction surface and outputting it. Reduction (flooding, plugging). On the other hand, the solid polymer membrane constituting the fuel cell exhibits high ionic conductivity only in a wet state and maintains its output, and when it dries, the output also decreases (dry out). Therefore, the polymer electrolyte fuel cell is currently operated by humidifying the anode side (hydrogen electrode side) with a humidifier. That is, water management inside the polymer electrolyte fuel cell is an important issue in relation to improving the performance of the fuel cell.

特開2007−42496号公報JP 2007-42496 A

特許文献1に記載の技術によれば、セル面内の全ての部位について、膜の加湿条件を一定にすることができる。しかし、さらに、反応で生成した水を“保水”し電解質膜の加湿に利用することで外部加湿器の必要を無くすこと、及び安定運転時は、反応で生成した水を排出し、電解質膜乾燥時は、この生成水を“保水”し電解質膜の加湿に利用する“生成水の制御”が必要である。   According to the technique described in Patent Document 1, the humidification condition of the film can be made constant for all the parts in the cell plane. However, the water produced by the reaction is “retained” and used to humidify the electrolyte membrane, eliminating the need for an external humidifier. During stable operation, the water produced by the reaction is discharged and the electrolyte membrane is dried. In some cases, it is necessary to “control the generated water” to “retain” this generated water and use it for humidifying the electrolyte membrane.

そこで、本発明では、発電時に生成した水を固体高分子膜の加湿に利用できる機能を固体高分子形燃料電池に持たせ、この外付けの加湿器を排除し、構造をシンプルにするだけでなく、発電状況に応じてセル内部で反応生成した水を適当な量にする自動的かつ連続的な制御を可能にすることを目的としている。   Therefore, in the present invention, the solid polymer fuel cell has a function capable of using the water generated during power generation to humidify the solid polymer membrane, and this external humidifier is eliminated to simplify the structure. The objective is to enable automatic and continuous control to make an appropriate amount of water produced by reaction in the cell according to the power generation situation.

本発明では、ガス流路を形成するセパレータリブの位置を安定発電時には排水性の高い一様なガス流路を形成する(例えば、サーペンタイン型)流路位置に移動し、電解質膜乾燥時には保水性の高い(例えば、ストレート型)流路位置に移動する可動型セパレータを有する固体高分子形燃料電池を提供する。図4を参照して後述するように、出力密度が低下すると、燃料電池の温度が上昇する。すなわち、この温度上昇を検知すれば電解質膜の乾燥を検知することができる。   In the present invention, the position of the separator rib that forms the gas flow path is moved to a flow path position that forms a uniform gas flow path with high drainage (for example, serpentine type) during stable power generation, and water retention is maintained during electrolyte membrane drying. A solid polymer fuel cell having a movable separator that moves to a high (for example, straight type) flow path position is provided. As will be described later with reference to FIG. 4, when the power density decreases, the temperature of the fuel cell increases. That is, if this temperature rise is detected, the drying of the electrolyte membrane can be detected.

本発明の固体高分子形燃料電池は、高分子材料の電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる膜-電極アッセンブリMEAと、このアッセンブリMEAを挟持する一対の集電板とカソード側セパレータ及びアノード側セパレータとで構成された単セルが積層されたセルスタック構造を有する。アノード側セパレータには、燃料ガスのガス流路を形成する一方、カソード側セパレータには、酸化ガスのガス流路を形成する。このカソード側セパレータには、酸化ガスの流れを制御する可動型のリブを備えて、安定発電時にはセパレータ中央部を含めてガス流路を形成する流路位置にリブを移動し、電解質膜乾燥時には必要な水分量に対応して、セパレータ中央部の酸化ガスの流れが低下した偏流を発生させる換言すれば保水性の高い流路位置にリブを移動するよう構成した。   A polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes an electrolyte membrane made of a polymer material and a membrane-electrode assembly MEA comprising a pair of electrodes disposed on both sides thereof, a pair of current collector plates and a cathode separator that sandwich the assembly MEA. And a cell stack structure in which single cells composed of an anode separator are stacked. A gas flow path for fuel gas is formed in the anode-side separator, while a gas flow path for oxidizing gas is formed in the cathode-side separator. This cathode-side separator is provided with a movable rib that controls the flow of oxidizing gas. During stable power generation, the rib is moved to the flow path position that forms the gas flow path including the central part of the separator, and when the electrolyte membrane is dried. Corresponding to the required amount of moisture, the rib is moved to a flow path position having high water retention, in other words, generating a drift in which the flow of the oxidizing gas in the central portion of the separator is reduced.

電解質膜乾燥は、燃料電池の温度上昇または生成水量変化を検出することにより検知することができる。リブ位置の可動機構として、形状記憶合金バネを用いることができる。或いは、検出された信号をもとに可動型のリブを駆動するモータを制御することもできる。   Electrolyte membrane drying can be detected by detecting a temperature rise in the fuel cell or a change in the amount of generated water. A shape memory alloy spring can be used as the moving mechanism of the rib position. Alternatively, the motor that drives the movable rib can be controlled based on the detected signal.

安定発電時の酸化ガスの流路は、S字状のサーペンタイン流路であり、電解質膜乾燥時の酸化ガスの流路は、カソード側セパレータ入口から流入した酸化ガスが、二分割してストレート状に出口に向かうストレート形の流路である。可動型のリブは、細長い壁状形状を有する一対構成であり、その長さ方向にも、幅方向にも移動可能に構成される。   The flow path of oxidizing gas at the time of stable power generation is an S-shaped serpentine flow path, and the flow path of oxidizing gas at the time of drying the electrolyte membrane is divided into two straight sections by oxidizing gas flowing in from the cathode separator inlet. It is a straight channel that goes to the outlet. The movable rib has a pair of elongated wall-like shapes, and is configured to be movable in both the length direction and the width direction.

本発明によれば、無加湿運転が可能となる自己水分管理機能を有する燃料電池を実現できることから、加湿器等の補機が不要となり、燃料電池の小型化、高性能化を達成することができる。これによって、燃料電池技術の本格的普及が可能となり、燃料電池産業へ及ぼす波及効果は極めて大きくなる。   According to the present invention, since it is possible to realize a fuel cell having a self-moisture management function capable of non-humidifying operation, an auxiliary device such as a humidifier is not required, and the fuel cell can be reduced in size and performance. it can. As a result, full-scale spread of fuel cell technology becomes possible, and the ripple effect on the fuel cell industry becomes extremely large.

本発明に基づき具体化した固体高分子形燃料電池の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the polymer electrolyte fuel cell actualized based on this invention. 組み立てたセルスタック構造に対するガスの流れを説明する図である。It is a figure explaining the flow of the gas with respect to the assembled cell stack structure. カソード側セパレータについて説明する図である。It is a figure explaining a cathode side separator. ドライアウトが発生した運転時の出力密度と温度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the power density at the time of the driving | running which generate | occur | produced the dryout, and temperature. ドライアウトが発生した運転時との比較のため示したグラフである。It is the graph shown for the comparison with the time of the driving | operation which dryout generate | occur | produced. 数値解析によって得られたガス拡散層内水分量の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the moisture content in a gas diffusion layer obtained by numerical analysis. 数値解析によって得られた定常発電時におけるカソード側ガス拡散層内部の凝縮水分布を示す図である。It is a figure which shows the condensed water distribution inside the cathode side gas diffusion layer at the time of the steady power generation obtained by numerical analysis. セパレータリブ位置の温度変化による可動機構を例示する図である。It is a figure which illustrates the movable mechanism by the temperature change of a separator rib position. 解析系を説明する図である。It is a figure explaining an analysis system. 数値解析によって得られた定常発電時におけるカソード側の酸素ガス流動を示す図である。It is a figure which shows the oxygen gas flow by the side of the cathode at the time of the steady power generation obtained by numerical analysis. 特許文献1に記載の反応部70に対する空気の分配について模式的に示した図である。It is the figure which showed typically about the distribution of the air with respect to the reaction part 70 of patent document 1. As shown in FIG.

以下、例示に基づき本発明を説明する。図1は、本発明に基づき具体化した固体高分子形燃料電池の概略構成を示す図であり、本発明の特徴とするカソード側セパレータの構成を除いて、通常の構成を有している。例示の固体高分子形燃料電池は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜およびその両面に配した一対の電極(GDL)からなる膜-電極アッセンブリ(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、このMEAを挟持する一対の集電板(多孔板)とカソードセパレータ及びアノードセパレータとで構成された単セルが積層されたセルスタック構造となっている。カソード及びアノードは、それぞれセパレータと集電板からなる。集電板は、導電性の材料であり、ガス拡散層にガスを供給するため透過性のある多孔質構造体(パンチングメタル、金属メッシュ等)によって構成される。ガス拡散層(GDL: Gas Diffusion Layer)は、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。カソード側GDLには、空気や酸化剤などの酸化ガスが供給され、他方のアノード側GDLには、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。この二つのガスによってMEA内で電気化学反応が生じ、単セルは起電力を得る。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a solid polymer fuel cell embodied according to the present invention, and has a normal configuration except for the configuration of a cathode separator, which is a feature of the present invention. An exemplary polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane made of a polymer material and a membrane-electrode assembly (MEA) made up of a pair of electrodes (GDL) arranged on both sides thereof, and this MEA. The cell stack structure is formed by laminating a single cell composed of a pair of current collector plates (perforated plates) sandwiching the electrode, a cathode separator, and an anode separator. The cathode and the anode are each composed of a separator and a current collector plate. The current collector plate is a conductive material, and is configured by a porous structure (such as a punching metal or a metal mesh) that is permeable to supply gas to the gas diffusion layer. The gas diffusion layer (GDL) is made of, for example, a porous carbon material to which a catalyst such as platinum is bound. Oxidizing gas such as air or oxidant is supplied to the cathode side GDL, and hydrogen gas as fuel gas is supplied to the other anode side GDL. The two gases cause an electrochemical reaction in the MEA, and the single cell obtains an electromotive force.

セパレータは燃料電池を構成する主要部材の一つであり、燃料電池セルの間に挟んで燃料ガスと空気を遮断する役割を有し、加えて、各セパレータには、燃料ガス、空気を送り込む流路が必要である。各セパレータには、材料に制約はない。カソード側セパレータのGDL側となる内側の面には、本発明の特徴とする構成を有するガス流路(詳細は、後述する)が設けられている。アノード側のセパレータのGDL側となる内側の面には、通常の技術に従い、例えばサーペンタイン状の、水素ガスのガス流路が形成されている。   The separator is one of the main members constituting the fuel cell, and has a role of blocking fuel gas and air by being sandwiched between the fuel cells. In addition, each separator is supplied with fuel gas and air. A road is necessary. There is no restriction on the material of each separator. A gas flow path (details will be described later) having the characteristic features of the present invention is provided on the inner surface on the GDL side of the cathode side separator. A gas flow path of hydrogen gas, for example, a serpentine shape, is formed on the inner surface on the GDL side of the anode-side separator according to a normal technique.

図2は、組み立てたセルスタック構造に対するガスの流れを説明する図である。カソードセパレータに形成された流路には、酸素ガス(空気)を供給する。その出口には、酸素ガスと共に生成された水が流出する。アノードセパレータに形成された流路には、水素を供給する。水素は、MEA電極(アノードGDL)のカーボンブラック粒子上に塗布されている触媒(Pt)の作用により、電子と水素イオン(プロトン)に分解され、プロトンは水を伴いながら電解質膜内を移動してカソードGDLに達し、触媒上で酸素と外部回路を通ってきた電子と結合して水になる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a gas flow with respect to the assembled cell stack structure. Oxygen gas (air) is supplied to the flow path formed in the cathode separator. At the outlet, water generated together with oxygen gas flows out. Hydrogen is supplied to the flow path formed in the anode separator. Hydrogen is decomposed into electrons and hydrogen ions (protons) by the action of the catalyst (Pt) coated on the carbon black particles of the MEA electrode (anode GDL), and the protons move through the electrolyte membrane with water. It reaches the cathode GDL and combines with oxygen and electrons that have passed through the external circuit on the catalyst to become water.

図3は、カソード側セパレータのリブの移動について説明する図である。カソード側セパレータには酸素ガス(空気)が、図中の入口から供給されて、出口側に排出される。セパレータ内部の酸素ガスの流れは、一対の可動型リブ(セパレータリブ)によって制御される。各リブは、細長い壁状形状を有して、その長さ方向にも、幅方向にも移動可能に構成される。今、一対の可動型リブは、図3(a)に示すタイプ1の状態にあるとする。このとき、一対の可動型リブは、それぞれの長さ方向の一端を、セパレータ内部の互いに相対する端部に接するように移動した状態にある。即ち、セパレータ内部に設けられた2つの可動型リブによってS字状のサーペンタイン流路が形成され、流路が途中で2回折り返す構造となっている。これによって、セパレータの中央部を含む全面に略均等に一様なガス流路が形成される。この状態で電解質膜が乾燥すると、図3(b)に示すタイプ2の状態に移動する。   FIG. 3 is a diagram for explaining the movement of the rib of the cathode side separator. Oxygen gas (air) is supplied to the cathode separator from the inlet in the figure and discharged to the outlet. The flow of oxygen gas inside the separator is controlled by a pair of movable ribs (separator ribs). Each rib has an elongated wall shape and is configured to be movable in both the length direction and the width direction. Now, it is assumed that the pair of movable ribs is in the type 1 state shown in FIG. At this time, the pair of movable ribs are in a state where their one ends in the length direction are moved so as to be in contact with the mutually opposing ends inside the separator. That is, an S-shaped serpentine flow path is formed by two movable ribs provided inside the separator, and the flow path has a structure that is folded twice in the middle. As a result, a substantially uniform gas flow path is formed on the entire surface including the central portion of the separator. When the electrolyte membrane dries in this state, it moves to the type 2 state shown in FIG.

図3(b)においては、一対の可動型リブは、それぞれの長さ方向の両側端にそれぞれ流路を形成するように、かつ、リブとリブの間に所定の間隔を空けて配置した状態にある。これによって、一対の可動型リブは、保水性の高いストレート型の流路位置に移動して、固体高分子膜の保水に使用できる。このとき、入口から流入した酸素ガスは、図中に矢印で示すように、二分割してストレート状に出口に向かい、そこから流出する。このリブ位置では、リブとリブの間の間隔に流れる酸素ガス流量は大きく低下する。即ち、セパレータ中央部でガス流量が低下した偏流が発生する。このため、図中の中央部に、円で表示したように水が溜まることになる。この水が、固体高分子膜の加湿に利用できる。但し、図3(b)に例示したような完全なストレート型に移行することに代えて、必要な水分量に応じた偏流を発生させるために、後述する図8(b)に例示したようなサーペンタイン流路とストレート型流路を併せ持つような流路(タイプ4)にすることができる。   In FIG. 3 (b), the pair of movable ribs are arranged so as to form flow paths at both ends in the lengthwise direction and with a predetermined interval between the ribs. It is in. As a result, the pair of movable ribs can move to the straight flow path position with high water retention and can be used for water retention of the solid polymer film. At this time, the oxygen gas flowing in from the inlet is divided into two parts as shown by the arrows in the drawing, straightly going to the outlet, and flows out from there. At this rib position, the flow rate of oxygen gas flowing in the gap between the ribs is greatly reduced. That is, a drift in which the gas flow rate is reduced occurs in the central portion of the separator. For this reason, water accumulates at the center in the figure as indicated by a circle. This water can be used for humidifying the solid polymer membrane. However, instead of shifting to a complete straight type as illustrated in FIG. 3B, in order to generate a drift according to the required amount of water, as illustrated in FIG. 8B described later. A flow path (type 4) having both a serpentine flow path and a straight flow path can be provided.

図3(b)に示す状態でも、依然として、電解質膜の乾燥が検出されるときには、さらに、一対のリブの間の間隔が小さくなる方向にリブを移動させる。即ち、必要な水分量に対応して、さらに大きく偏流を発生させる。図3(c)に示すタイプ3は、リブとリブの間の隙間を最も小さくした状態で示している。リブとリブの間の酸素ガス流は、事実上遮断されて、図中に円内に示すように、さらに、水が溜まり、電解質膜の乾燥が解消することになる。但し、この状態で、フラッディングが発生して、検出されると、リブを、図3(d)の状態に移動させる。   Even in the state shown in FIG. 3B, when the drying of the electrolyte membrane is still detected, the ribs are further moved in the direction in which the distance between the pair of ribs is reduced. That is, a larger drift is generated corresponding to the required amount of moisture. Type 3 shown in FIG. 3C shows a state where the gap between the ribs is minimized. The oxygen gas flow between the ribs is effectively cut off, and as shown in a circle in the figure, water is further accumulated, and the electrolyte membrane is dried. However, if flooding occurs and is detected in this state, the rib is moved to the state shown in FIG.

図3(d)の状態は、最初の図3(a)に示したタイプ1の状態に相当する。即ち、セパレータ内部に設けられた2つのリブによってS字状のサーペンタイン流路が形成される状態にある。この状態で、最適な水分量が検出される限り、この状態を維持し、また、電解質膜の乾燥が検出されると、上述したように、図3(b)に示すタイプ2の状態に移動する。   The state shown in FIG. 3D corresponds to the type 1 state shown in FIG. That is, an S-shaped serpentine flow path is formed by two ribs provided inside the separator. In this state, this state is maintained as long as the optimum amount of water is detected, and when the electrolyte membrane is detected to dry, as described above, the state moves to the type 2 state shown in FIG. To do.

図4に、ドライアウトが発生した運転時の出力密度と温度の変化を示すグラフである。図示のように、ドライアウトが発生することにより出力密度が低下すると、燃料電池の温度が上昇する。すなわち、この温度上昇を検知すれば電解質膜の乾燥を検知することができる。図5は、ドライアウトが発生した運転時との比較のため示したグラフである。低負荷時の場合は、出力密度が低下することもなく、燃料電池温度が一定になっている安定発電時であることを示している。   FIG. 4 is a graph showing changes in power density and temperature during operation in which dryout occurs. As shown in the figure, when the output density decreases due to the occurrence of dryout, the temperature of the fuel cell increases. That is, if this temperature rise is detected, the drying of the electrolyte membrane can be detected. FIG. 5 is a graph shown for comparison with an operation in which dryout has occurred. In the case of low load, the power density does not decrease, indicating that the fuel cell temperature is constant and stable power generation is in progress.

電解質膜の乾燥を検知するために温度上昇を検知する他にも、例えば、リブ下の水分量変化の検知が考えられる。水分量変化によって形状(体積)が繰り返し変化する材料を用いて、形状記憶合金(実施例1参照)と同様にその形状変化をリブの駆動力に利用することができる。或いは、温度変化、水分量、又は出力の変化を検知するセンサを設けて、このセンサ出力に応じて、可動型のリブを駆動するモータを制御することもできる。   In addition to detecting a temperature rise in order to detect the drying of the electrolyte membrane, for example, it is conceivable to detect a change in the amount of water under the rib. Using a material whose shape (volume) changes repeatedly due to a change in the amount of moisture, the shape change can be used for the driving force of the ribs as in the shape memory alloy (see Example 1). Alternatively, a sensor that detects a change in temperature, a moisture content, or an output can be provided, and a motor that drives the movable rib can be controlled in accordance with the sensor output.

図6は、数値解析によって得られたガス拡散層内水分量の時間変化を示す。定常発電時のガス拡散層内水分量は、サーペンタイン型流路(タイプ1)と比較してストレート型流路(タイプ2、タイプ3)の方が多い。   FIG. 6 shows the time change of the moisture content in the gas diffusion layer obtained by numerical analysis. The amount of moisture in the gas diffusion layer during steady power generation is greater in the straight flow path (type 2, type 3) than in the serpentine flow path (type 1).

図7は、数値解析によって得られた定常発電時におけるカソード側ガス拡散層内部の凝縮水(低温水粒子)分布を示す図である。ガス拡散層内の凝縮水は、各タイプ共にセパレータリブの下部に多く存在している。すなわち、セパレータリブは、排水のための流路を塞ぐ蓋の効果、換言すれば保水効果を持つと考えられる。ここで(B)タイプ2の場合は、(A)タイプ1と比較して、中央のガス流路にも多くの凝縮水が存在している。これは酸素ガスの偏流によって凝縮水が排水されにくいためである。すなわちセパレータリブの面積が同じでもサーペンタイン型よりもストレート型の方が偏流の影響で保水効果が高いことが分かる。   FIG. 7 is a diagram showing the distribution of condensed water (low-temperature water particles) inside the cathode-side gas diffusion layer during steady power generation obtained by numerical analysis. A large amount of condensed water in the gas diffusion layer exists in the lower part of the separator rib in each type. That is, it is considered that the separator rib has a lid effect for closing the flow path for drainage, in other words, a water retention effect. Here, in the case of (B) type 2, as compared with (A) type 1, more condensed water is also present in the central gas flow path. This is because the condensed water is not easily drained due to the uneven flow of oxygen gas. That is, even if the area of the separator rib is the same, it is understood that the straight type has a higher water retention effect due to the drift than the serpentine type.

図8は、セパレータリブ位置の温度変化による可動機構を例示する図である。温度変化に応じた可動機構として、形状記憶合金バネを用いることができる。低温では柔らかく(弱く)、高温では硬い(強い)特性が得られる形状記憶合金バネと通常のバネ材で出来たバイアスバネを互いに押し合うようにセットしたバイアス式2方向性アクチュエータが知られている。図8に示すアクチュエータとして、このようなバイアス式2方向性アクチュエータ(http://www.sogospring.co.jp/product/product3.html参照)を用いることにより、温度が低温から高温に変化するのに応じて、図7(A)から(B)、そしてさらに(C)の状態にリブ位置を連続的に移動させることができる。   FIG. 8 is a diagram illustrating a movable mechanism according to a temperature change of the separator rib position. A shape memory alloy spring can be used as a movable mechanism that responds to temperature changes. There is known a bias type bidirectional actuator in which a shape memory alloy spring that is soft (weak) at a low temperature and hard (strong) at a high temperature and a bias spring made of a normal spring material are set to press each other. . By using such a bias type bidirectional actuator (see http://www.sogospring.co.jp/product/product3.html) as the actuator shown in FIG. 8, the temperature changes from a low temperature to a high temperature. Accordingly, the rib position can be continuously moved from FIG. 7 (A) to FIG. 7 (B) and further to the state of (C).

なお、図3には、リブの典型的な位置をそれぞれ、タイプ1,タイプ2、タイプ3として例示したが、図8(b)にタイプ4として示したように、リブ位置は、別のタイプ位置(例えば、タイプ4)を設けること、或いは段階的なリブ位置制御だけでなく、連続的なリブ位置の制御が可能である。   In FIG. 3, typical positions of the ribs are illustrated as type 1, type 2, and type 3, respectively. However, as shown in FIG. 8B as type 4, the rib positions are different types. It is possible not only to provide a position (for example, type 4) or to control a continuous rib position as well as a stepwise rib position control.

図1及び図2を参照して説明した構成に対して、数値解析を行った。図9は、解析系を説明する図である。固体高分子形燃料電池内物質移動三次元シミュレータは、流体(気体、液体)を粒子と仮想し、仮想粒子間の衝突、相互作用を考慮しながらランダムに移動させることにより、その流動を模擬する“格子ガス法”である。燃料電池は、カソード、アノードそれぞれのセパレータおよびガス拡散層と、触媒層と固体高分子膜を一体化した膜電極接合体(MEA)(厚みゼロ)の積層構造とする。なお、解析系は正立方体で格子分割され、計算領域全体の格子数は、x方向864、y方向816、z方向72である。セパレータガス流路形状は、アノード側はサーペンタイン型流路とし、カソード側はサーペンタイン型流路、ストレート型流路2タイプの3タイプを対象とする(図3参照)。ガス拡散層は、多孔質層とみなし(厚さt)、計算格子点上に仮想固体粒子を空隙率ε=0.8となるようにランダムに配置して構成している。またMEA面には、触媒(白金)を模擬した仮想粒子を計算格子点上に任意の確率αでランダムに配置する。   Numerical analysis was performed on the configuration described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 9 is a diagram for explaining the analysis system. The 3D simulator for mass transfer in polymer electrolyte fuel cells simulates the flow of a fluid (gas, liquid) as particles by moving them randomly while considering collisions and interactions between virtual particles. “Lattice gas method”. The fuel cell has a laminated structure of cathode and anode separators and gas diffusion layers, and a membrane electrode assembly (MEA) (zero thickness) in which a catalyst layer and a solid polymer membrane are integrated. Note that the analysis system is divided into a regular cubic lattice, and the number of lattices in the entire calculation region is the x direction 864, the y direction 816, and the z direction 72. The separator gas flow channel shape is a serpentine type flow channel on the anode side and three types of serpentine type channel and straight type flow channel 2 type on the cathode side (see FIG. 3). The gas diffusion layer is regarded as a porous layer (thickness t), and virtual solid particles are randomly arranged on the calculation lattice points so that the porosity ε = 0.8. On the MEA surface, virtual particles simulating the catalyst (platinum) are randomly arranged on the calculation lattice point with an arbitrary probability α.

格子ガス法における仮想粒子としては、燃料の水素ガス粒子、酸化剤である酸素ガス粒子、反応(発電)によって発生した水粒子、初期条件として燃料電池内に充填する窒素ガス粒子を考える。なお、水粒子は、高温水粒子(水蒸気をイメージ)と低温水粒子(凝縮水をイメージ)を仮定し、計5粒子を解析対象とする。水素ガス粒子、酸素ガス粒子は、両極のセパレータの入口側開口部からほぼ一定の粒子数で流入し(流入確率パラメータ:V、酸素ガス、水素ガス流量に対応)、セパレータ反対側の開口部から出口圧力を考慮した状態で流出する(流出は初期充填している窒素ガス粒子、生成水粒子も同様)。なお5粒子間すべての衝突規則としては、最も基本的なHPPモデルを適用する。   As virtual particles in the lattice gas method, hydrogen gas particles as fuel, oxygen gas particles as oxidant, water particles generated by reaction (power generation), and nitrogen gas particles filled in the fuel cell as initial conditions are considered. The water particles are high-temperature water particles (image of water vapor) and low-temperature water particles (image of condensed water), and a total of 5 particles are analyzed. Hydrogen gas particles and oxygen gas particles flow in from the opening on the inlet side of the bipolar separator at an almost constant number of particles (inflow probability parameter: V, corresponding to oxygen gas, hydrogen gas flow rate), and from the opening on the opposite side of the separator It flows out with the outlet pressure taken into consideration (the outflow is the same for the initially filled nitrogen gas particles and produced water particles). The most basic HPP model is applied as the collision rule for all five particles.

本解析では、酸素極と水素極を仕切る厚みゼロのMEA面上にランダムに配置(確率α)した白金触媒粒子の上を、水素極の水素ガス粒子と酸素極の酸素ガス粒子が同時に通過すると、水素ガス粒子が消え、酸素ガス粒子が高温水粒子(水蒸気)に置き換わるとする。この消滅・置換を触媒層での反応、すなわち発電と模擬する。各格子点上に存在する高温水粒子数(1〜6個)は、そこでの水蒸気分圧を模擬すると考えられる。そこで本解析では、発電時の燃料電池温度に対する飽和蒸気圧(露点温度)に相当する粒子数を設定し、その設定粒子数を超えた分の高温水粒子は低温水粒子に置換するとした(凝縮をイメージ)。この飽和蒸気圧に相当する粒子数を飽和粒子数Nsatと定義する。すなわち、Nsatが小さい場合は相対的に燃料電池が低温環境下での発電を、大きい場合は高温環境下での発電を模擬する。低温水粒子間には、数格子(距離r)離れた位置の粒子との相互作用(引力)を考慮した相変化モデルであるLGモデルを適用する。また、低温水粒子と構造体表面間に引力(距離rw)を考慮するかしないかで、それぞれ親水性表面、疎水(撥水)性表面を模擬することができる。本解析では、セパレータ(ガス流路)表面は親水性面(rw/r=1)、ガス拡散層は撥水性の条件(rw/r=0)を与えた。   In this analysis, when hydrogen gas particles at the hydrogen electrode and oxygen gas particles at the oxygen electrode pass simultaneously on platinum catalyst particles randomly arranged (probability α) on the zero-thickness MEA surface that partitions the oxygen electrode and the hydrogen electrode. Suppose that hydrogen gas particles disappear and oxygen gas particles are replaced by high-temperature water particles (water vapor). This extinction / replacement is simulated by a reaction in the catalyst layer, that is, power generation. The number of high-temperature water particles (1 to 6) existing on each lattice point is considered to simulate the water vapor partial pressure there. Therefore, in this analysis, the number of particles corresponding to the saturated vapor pressure (dew point temperature) relative to the fuel cell temperature during power generation is set, and the high-temperature water particles that exceed the set number of particles are replaced with low-temperature water particles (condensation). The image). The number of particles corresponding to this saturated vapor pressure is defined as the number of saturated particles Nsat. That is, when Nsat is small, the fuel cell relatively simulates power generation under a low temperature environment, and when it is large, power generation under a high temperature environment is simulated. Between the low-temperature water particles, an LG model, which is a phase change model that takes into account the interaction (attraction) with particles at positions separated by several lattices (distance r), is applied. Also, a hydrophilic surface and a hydrophobic (water repellent) surface can be simulated, respectively, depending on whether or not an attractive force (distance rw) is considered between the low-temperature water particles and the structure surface. In this analysis, the separator (gas flow path) surface was given a hydrophilic surface (rw / r = 1), and the gas diffusion layer was given water-repellent conditions (rw / r = 0).

図10は、数値解析によって得られた定常発電時におけるカソード側の酸素ガス流動を示す図である。流量に比例して、矢印の大きさを変化させて表示している。ストレート型の場合(タイプ2、タイプ3)、酸素ガスはセル中央部を流れておらず、偏流が発生している。
FIG. 10 is a diagram illustrating the oxygen gas flow on the cathode side during steady power generation obtained by numerical analysis. The size of the arrow is changed in proportion to the flow rate. In the case of the straight type (type 2, type 3), oxygen gas does not flow in the center of the cell, and a drift occurs.

Claims (5)

高分子材料の電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる膜-電極アッセンブリMEAと、このアッセンブリMEAを挟持する一対のカソード側セパレータ及びアノード側セパレータとで構成された単セルが積層されたセルスタック構造を有する固体高分子形燃料電池において、
前記アノード側セパレータには、燃料ガスのガス流路を形成する一方、前記カソード側セパレータには、酸化ガスのガス流路を形成し、
前記カソード側セパレータには、酸化ガスの流れを制御する可動型のリブを備えて、安定発電時にはセパレータ中央部を含めてガス流路を形成する流路位置に前記リブを移動し、電解質膜乾燥時には必要な水分量に対応して、セパレータ中央部の酸化ガスの流れが低下した偏流を発生させる流路位置に前記リブを移動するよう構成した、
ことから成る固体高分子形燃料電池。
A single cell composed of an electrolyte membrane of a polymer material and a membrane-electrode assembly MEA comprising a pair of electrodes disposed on both sides thereof, and a pair of cathode side separator and anode side separator sandwiching the assembly MEA was laminated. In a polymer electrolyte fuel cell having a cell stack structure,
The anode-side separator forms a fuel gas gas flow path, while the cathode-side separator forms an oxidizing gas gas flow path,
The cathode-side separator is provided with a movable rib for controlling the flow of oxidizing gas. During stable power generation, the rib is moved to a channel position that forms a gas channel including the central part of the separator, and the electrolyte membrane is dried. Corresponding to the required amount of water, sometimes the rib is moved to a flow path position that generates a drift in which the flow of the oxidizing gas in the center of the separator is reduced.
A polymer electrolyte fuel cell comprising:
前記電解質膜乾燥は、燃料電池の温度上昇、出力変化または生成水量変化を検出することにより検知する請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte membrane drying is detected by detecting a temperature rise, output change, or produced water amount change of the fuel cell. 前記リブ位置の温度変化に応じた可動機構として、形状記憶合金バネや前記温度上昇等のセンサ出力に応じて可動型のリブを駆動するモータを用いた請求項2に記載の固体高分子形燃料電池。 3. The polymer electrolyte fuel according to claim 2, wherein a motor that drives a movable rib according to a sensor output such as a shape memory alloy spring or the temperature rise is used as the movable mechanism according to the temperature change of the rib position. battery. 前記安定発電時の酸化ガスの流路は、サーペンタイン型の流路であり、かつ、前記電解質膜乾燥時の酸化ガスの流路は、前記カソード側セパレータ入口から流入した酸化ガスが、二分割してストレート状に出口に向かうストレート形の流路である請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。 The flow path of the oxidizing gas at the time of stable power generation is a serpentine type flow path, and the flow path of the oxidizing gas at the time of drying the electrolyte membrane is divided into two parts by the oxidizing gas flowing from the cathode side separator inlet. 2. The solid polymer fuel cell according to claim 1, wherein the solid polymer fuel cell is a straight flow path extending straight toward the outlet. 前記可動型のリブは、細長い壁状形状を有する一対構成であり、その長さ方向にも、幅方向にも移動可能に構成された請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein each of the movable ribs has a pair of configurations having an elongated wall shape, and is configured to be movable in both a length direction and a width direction.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019216085A (en) * 2018-06-06 2019-12-19 パナソニックIpマネジメント株式会社 Simulation method for phenomena with phase change

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001135324A (en) * 1999-11-04 2001-05-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd High molecular electrolyte fuel cell
JP2003346851A (en) * 2002-05-23 2003-12-05 Toyota Motor Corp Control device of fuel cell
JP2004253366A (en) * 2003-01-29 2004-09-09 Nissan Motor Co Ltd Polymer electrolyte fuel cell
JP2005050691A (en) * 2003-07-29 2005-02-24 Nissan Motor Co Ltd Gas flow rate control device for fuel cell
JP2007042496A (en) * 2005-08-04 2007-02-15 Toyota Motor Corp Fuel cell
JP2007207725A (en) * 2006-02-06 2007-08-16 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Fuel cell system and flooding testing method in diffusion layer

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001135324A (en) * 1999-11-04 2001-05-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd High molecular electrolyte fuel cell
JP2003346851A (en) * 2002-05-23 2003-12-05 Toyota Motor Corp Control device of fuel cell
JP2004253366A (en) * 2003-01-29 2004-09-09 Nissan Motor Co Ltd Polymer electrolyte fuel cell
JP2005050691A (en) * 2003-07-29 2005-02-24 Nissan Motor Co Ltd Gas flow rate control device for fuel cell
JP2007042496A (en) * 2005-08-04 2007-02-15 Toyota Motor Corp Fuel cell
JP2007207725A (en) * 2006-02-06 2007-08-16 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Fuel cell system and flooding testing method in diffusion layer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019216085A (en) * 2018-06-06 2019-12-19 パナソニックIpマネジメント株式会社 Simulation method for phenomena with phase change
JP7304537B2 (en) 2018-06-06 2023-07-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 Method and apparatus for simulating phenomenon involving phase change

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