JP2011018525A - Fuel cell and fuel cell system - Google Patents

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晃一郎 池田
Shigeki Hasegawa
茂樹 長谷川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology capable of restraining the deterioration of power generation performance in a fuel cell under operation.SOLUTION: The fuel cell 100 has a membrane-electrode conjugate 5, and an anode plate 20 and a cathode plate 30 for sandwiching the membrane-electrode conjugate 5. An anode flow passage used for hydrogen is arranged between the anode plate 20 and an electrolyte membrane 1, and a cathode flow passage used for oxygen is arranged between the cathode plate 30 and the electrolyte membrane 1. Hydrogen and oxygen are supplied to the anode flow passage and the cathode flow passage so that mutual flow directions may be opposite to each other. A drying acceleration mechanism for accelerating the drying of the anode electrode 2 side electrolyte membrane 1 at an upstream side of the anode flow passage and increasing a moisture content moved from a downstream side of the cathode flow passage to an upstream side of the anode flow passage via the electrolyte membrane 1 is arranged in the fuel cell 100.

Description

この発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池は、通常、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を備えている。電解質膜としては湿潤状態で良好なイオン伝導性を示す膜が用いられる。そのため、燃料電池の運転の際には、燃料電池内部は適度な湿潤状態に保たれることが好ましい。一方、燃料電池内部に過剰な水分が存在する場合には、その水分によって反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)のための流路が閉塞されてしまう、いわゆるフラッディングが発生し、燃料電池の発電性能が著しく低下してしまう場合がある。そのため、燃料電池の発電性能の低下を抑制するためにも、燃料電池の排水性が向上されることが好ましい。これまで、こうした要求に対して種々の技術が提案されてきた(下記特許文献1等)。   A fuel cell normally includes a membrane electrode assembly that is a power generator in which electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane. As the electrolyte membrane, a membrane showing good ion conductivity in a wet state is used. For this reason, it is preferable that the inside of the fuel cell be kept in a moderately wet state during operation of the fuel cell. On the other hand, when excessive moisture exists in the fuel cell, so-called flooding occurs, which causes the flow path for the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) to be blocked by the moisture. Performance may be significantly reduced. Therefore, it is preferable that the drainage performance of the fuel cell is improved in order to suppress a decrease in the power generation performance of the fuel cell. Until now, various techniques have been proposed for such a demand (the following Patent Document 1 etc.).

ところで、燃料電池の運転中には、膜電極接合体の電極面に沿って反応ガスが流れ、電極面における反応ガスの下流側ほど、水分量が多くなる傾向にある。特に、発電反応によって水分が生成されるカソード電極側において、その傾向が強くなる。燃料電池内部における水分分布の不均一性が増大すると、燃料電池の一部領域において電解質膜の乾燥による発電不能に陥る、いわゆるドライアップや、上述したフラッディングが発生し、燃料電池の発電性能の低下が引き起こされる可能性がある。   By the way, during the operation of the fuel cell, the reaction gas flows along the electrode surface of the membrane electrode assembly, and the moisture content tends to increase toward the downstream side of the reaction gas on the electrode surface. In particular, the tendency becomes stronger on the cathode electrode side where moisture is generated by the power generation reaction. If the non-uniformity of moisture distribution inside the fuel cell increases, so-called dry-up or the above-mentioned flooding will occur, resulting in the inability to generate power due to drying of the electrolyte membrane in some areas of the fuel cell, resulting in reduced power generation performance of the fuel cell. May be caused.

特開2009−9724号公報JP 2009-9724 A 特開2008−100144号公報JP 2008-1000014 A 特開2008−270019号公報JP 2008-270019 A

本発明は、運転中の燃料電池における発電性能の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which suppresses the fall of the electric power generation performance in the fuel cell in operation.

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、以下の形態又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]
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応を利用して発電する燃料電池であって、電解質膜の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とが配置された発電領域を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持するアノードセパレータおよびカソードセパレータと、
を備え、前記アノードセパレータと前記電解質膜との間には、前記発電領域の第1の端部から、前記第1の端部に対向する第2の端部に向かって前記燃料ガスを流すためのアノード流路が設けられ、前記カソードセパレータと前記電解質膜との間には、前記第1の端部から前記第2の端部に向かって前記酸化剤ガスを流すためのカソード流路が設けられ、前記アノード流路のうちの前記第1の端部により近いアノード上流側部分に、前記アノード電極の側における前記電解質膜の乾燥を促進させて、前記カソード流路のうちの前記第1の端部により近いカソード下流側部分から前記アノード上流側部分へと、前記電解質膜を介して移動する水分量を増大させるための乾燥促進機構が設けられている、燃料電池。
この燃料電池によれば、アノード上流側部分に設けられた乾燥促進機構によって、カソード下流側部分の水分をアノード上流側部分へと誘導することができ、カソード下流側部分におけるフラッディングの発生を抑制することができる。そのため、運転中における燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。また、アノード電極側へ移動した水分がアノード流路の下流側へと誘導され、さらに、電解質膜を介して乾燥傾向にあるカソード流路の上流側へと移動することにより、膜電極接合体における水分布が改善されるため、燃料電池の発電性能が向上する。
[Application Example 1]
A fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, the membrane electrode assembly having a power generation region in which an anode electrode and a cathode electrode are respectively disposed on both surfaces of an electrolyte membrane, and the membrane An anode separator and a cathode separator sandwiching the electrode assembly;
The fuel gas flows between the anode separator and the electrolyte membrane from a first end of the power generation region toward a second end opposite to the first end. And a cathode channel for flowing the oxidant gas from the first end toward the second end between the cathode separator and the electrolyte membrane. And drying the electrolyte membrane on the anode electrode side in the anode upstream side portion closer to the first end portion of the anode flow path, thereby promoting the first of the cathode flow paths. A fuel cell provided with a drying acceleration mechanism for increasing the amount of water that moves through the electrolyte membrane from the cathode downstream portion closer to the end portion to the anode upstream portion.
According to this fuel cell, the moisture in the downstream portion of the cathode can be guided to the upstream portion of the anode by the drying promotion mechanism provided in the upstream portion of the anode, and the occurrence of flooding in the downstream portion of the cathode is suppressed. be able to. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell during operation. Further, the moisture that has moved to the anode electrode side is guided to the downstream side of the anode channel, and further moves to the upstream side of the cathode channel that tends to dry through the electrolyte membrane. Since the water distribution is improved, the power generation performance of the fuel cell is improved.

[適用例2]
適用例1記載の燃料電池であって、前記アノード流路は、前記アノードセパレータの前記アノード電極側の面に設けられたアノード流路溝と、前記アノード流路溝と前記アノード電極との間に配置されたガス拡散層とを含み、前記燃料電池は、前記発電領域の前記第1の端部側の外側の位置に設けられた燃料ガス供給マニホールドと、前記発電領域の前記第2の端部側の外側の位置に設けられた燃料ガス排出マニホールドとを有し、前記アノード流路溝は、前記燃料ガス供給マニホールドと接続する供給側アノード流路溝と、前記燃料ガス排出マニホールドと接続する排出側アノード流路溝とを含み、前記排出側アノード流路溝は、前記発電領域において、前記第1の端部側から前記第2の端部側へと延びる排出側発電領域流路溝を有し、前記供給側アノード流路溝と前記排出側アノード流路溝との間には、前記供給側アノード流路溝と前記排出側アノード流路溝とを離隔するための流路溝隔壁が設けられており、前記供給側アノード流路溝を流れる前記燃料ガスは、前記流路溝隔壁によって前記ガス拡散層内へと誘導され、前記ガス拡散層において加湿された上で、前記排出側アノード流路溝へと流れる、燃料電池。
この燃料電池によれば、アノード上流側部分において、流路溝隔壁によって誘導され、供給側アノード流路溝からガス拡散層へと流入する燃料ガス量を増加させることができ、その燃料ガスによって、アノード電極側における電解質膜の乾燥を促進させることができる。また、排出側アノード流路溝が、排出側発電領域流路溝を有することにより、アノード流路における排水性が向上するため、よりアノード電極側における電解質膜の乾燥が促進される。従って、カソード下流側部分におけるフラッディングの発生を抑制することができ、運転中における燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
[Application Example 2]
In the fuel cell according to Application Example 1, the anode flow path includes an anode flow path groove provided on a surface of the anode separator on the anode electrode side, and the anode flow path between the anode flow path groove and the anode electrode. A fuel gas supply manifold provided at a position outside the first end portion side of the power generation region; and the second end portion of the power generation region. A fuel gas discharge manifold provided at an outer position on the side, wherein the anode flow path groove is connected to the fuel gas supply manifold, and a discharge side connected to the fuel gas discharge manifold The discharge-side anode flow channel has a discharge-side power generation region flow channel extending from the first end side to the second end side in the power generation region. And before Between the supply side anode flow channel and the discharge side anode flow channel, a flow channel partition for separating the supply side anode flow channel and the discharge side anode flow channel is provided. The fuel gas flowing through the supply-side anode flow channel is guided into the gas diffusion layer by the flow channel partition wall, is humidified in the gas diffusion layer, and then flows into the discharge-side anode flow channel. Flowing fuel cell.
According to this fuel cell, it is possible to increase the amount of fuel gas that is induced by the channel groove partition wall and flows into the gas diffusion layer from the supply side anode channel groove in the upstream portion of the anode. Drying of the electrolyte membrane on the anode electrode side can be promoted. In addition, since the discharge-side anode flow channel has the discharge-side power generation region flow channel, drainage performance in the anode flow channel is improved, so that drying of the electrolyte membrane on the anode electrode side is further promoted. Therefore, the occurrence of flooding in the downstream portion of the cathode can be suppressed, and the decrease in power generation performance of the fuel cell during operation can be suppressed.

[適用例3]
適用例2記載の燃料電池であって、前記供給側アノード流路溝は、前記発電領域において、前記第1の端部側から前記第2の端部側へと延びる供給側発電領域流路溝を有し、前記供給側発電領域流路溝と前記排出側発電領域流路溝とは、前記流路溝隔壁を挟んで、互いに併走するように設けられており、前記供給側発電領域流路溝の流路断面積は、前記排出側発電領域流路溝の流路断面積より小さい、燃料電池。
この燃料電池によれば、アノード上流側部分における燃料ガスの流速を増大させることができ、供給側アノード流路溝からガス拡散層へと流入する燃料ガス量を増加させることができる。従って、燃料ガスによるアノード電極側の電解質膜の乾燥を、より促進させることができ、カソード下流側部分におけるフラッディングの発生を抑制し、運転中における燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
[Application Example 3]
The fuel cell according to Application Example 2, wherein the supply-side anode channel groove extends in the power generation region from the first end side to the second end side. The supply-side power generation region flow channel and the discharge-side power generation region flow channel are provided so as to run parallel to each other across the flow channel groove partition wall, and the supply-side power generation region flow channel The fuel cell, wherein a channel cross-sectional area of the groove is smaller than a channel cross-sectional area of the discharge-side power generation region channel groove.
According to this fuel cell, the flow rate of the fuel gas in the anode upstream portion can be increased, and the amount of fuel gas flowing from the supply-side anode flow channel into the gas diffusion layer can be increased. Therefore, drying of the electrolyte membrane on the anode electrode side by the fuel gas can be further promoted, generation of flooding in the downstream portion of the cathode can be suppressed, and deterioration in power generation performance of the fuel cell during operation can be suppressed. .

[適用例4]
適用例3記載の燃料電池であって、前記アノード流路は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/2の範囲内において上流側ほど燃料ガスの流速が増大するように構成されている、燃料電池。
燃料電池に無加湿の酸化剤ガスが供給される場合には、運転温度の上昇にともなって、カソードの下流側部分においてフラッディングが発生する可能性が高くなる。しかし、この燃料電池によれば、無加湿の酸化剤ガスが供給される場合であっても、フラッディングの発生を抑制することが可能である。
[Application Example 4]
The fuel cell according to Application Example 3, wherein the anode flow path is closer to the upstream side in a range of ½ of the upstream side of the entire range from the first end portion to the second end portion. A fuel cell configured to increase a flow rate of fuel gas.
When the non-humidified oxidant gas is supplied to the fuel cell, the possibility of flooding in the downstream portion of the cathode increases as the operating temperature increases. However, according to this fuel cell, it is possible to suppress the occurrence of flooding even when non-humidified oxidant gas is supplied.

[適用例5]
適用例4記載の燃料電池であって、前記アノード流路は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内において上流側ほど燃料ガスの流速が増大するように構成されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、無加湿の酸化剤ガスが供給される場合であっても、運転温度の上昇に伴うフラッディングの発生が、さらに抑制される。
[Application Example 5]
The fuel cell according to Application Example 4, wherein the anode flow path is closer to the upstream side in a range of 3/8 of the upstream side of the entire range from the first end portion to the second end portion. A fuel cell configured to increase a flow rate of fuel gas.
According to this fuel cell, even when non-humidified oxidant gas is supplied, the occurrence of flooding due to the increase in operating temperature is further suppressed.

[適用例6]
適用例1ないし適用例5のいずれか一つに記載の燃料電池であって、さらに、前記アノードプレートの外側には、前記アノード流路に併走する冷媒流路が設けられており、前記アノード上流側部分に隣接する前記冷媒流路内の前記アノードプレート側の流路壁面には、前記アノード流路から前記冷媒流路中の冷媒への熱の伝達を抑制するための熱伝達抑制部材が配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、アノードの上流側部分における冷媒による冷却効果が抑制され、熱伝達抑制部材が乾燥促進機構として機能する。そのため、アノード上流側部分における電解質膜の乾燥が促進され、カソード下流側部分におけるフラッディングの発生が抑制される。
[Application Example 6]
The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 5, and further, a refrigerant channel that runs alongside the anode channel is provided outside the anode plate, and the anode upstream A heat transfer suppressing member for suppressing heat transfer from the anode flow path to the refrigerant in the refrigerant flow path is disposed on the flow path wall surface on the anode plate side in the refrigerant flow path adjacent to the side portion. A fuel cell.
According to this fuel cell, the cooling effect by the refrigerant in the upstream portion of the anode is suppressed, and the heat transfer suppressing member functions as a drying promotion mechanism. Therefore, drying of the electrolyte membrane in the upstream portion of the anode is promoted, and generation of flooding in the downstream portion of the cathode is suppressed.

[適用例7]
適用例6記載の燃料電池であって、前記熱伝達抑制部材は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/2の範囲内に設けられている、燃料電池。
この燃料電池によれば、熱伝達抑制部材による冷却効果抑制によって、無加湿の酸化剤ガスが供給される場合に、特に、運転温度の上昇に伴うカソード下流側部分におけるフラッディングの発生が抑制される。
[Application Example 7]
The fuel cell according to Application Example 6, wherein the heat transfer suppressing member is provided in a range of ½ of the upstream side of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell.
According to this fuel cell, when the non-humidified oxidant gas is supplied by suppressing the cooling effect by the heat transfer suppressing member, in particular, the occurrence of flooding in the downstream portion of the cathode accompanying the increase in operating temperature is suppressed. .

[適用例8]
適用例7記載の燃料電池であって、前記熱伝達抑制部材は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内に設けられている、燃料電池。
この範囲に熱伝達抑制部材を設けることにより、無加湿の酸化剤ガスが燃料電池に供給される場合にも、運転温度の上昇に伴うカソード下流側部分におけるフラッディングの発生がさらに抑制される。
[Application Example 8]
The fuel cell according to Application Example 7, wherein the heat transfer suppressing member is provided in a range of 3/8 on the upstream side of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell.
By providing the heat transfer suppressing member in this range, even when non-humidified oxidant gas is supplied to the fuel cell, the occurrence of flooding in the downstream portion of the cathode accompanying the increase in operating temperature is further suppressed.

[適用例9]
適用例1ないし適用例8のいずれか一つに記載の燃料電池であって、前記アノード電極には、前記アノード流路の上流側における水の拡散係数が、前記アノード流路の下流側における水の拡散係数よりも高くなるように、水の拡散係数が異なる2以上の領域が設けられている、燃料電池。
一般に、アノード流路において、水の拡散係数が高い領域ほど水分が蒸発しやすい。従って、アノード流路の上流側に水の拡散係数が比較的高いアノードの領域を設けることにより、この領域が乾燥促進機構として機能する。従って、カソードの酸素下流側におけるフラッディングの発生が抑制される。
[Application Example 9]
9. The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 8, wherein the anode electrode has a water diffusion coefficient upstream of the anode flow channel, and a water diffusion coefficient downstream of the anode flow channel. A fuel cell in which two or more regions having different water diffusion coefficients are provided so as to be higher than the diffusion coefficient.
In general, in the anode channel, water is more likely to evaporate as the region has a higher water diffusion coefficient. Therefore, by providing an anode region having a relatively high water diffusion coefficient on the upstream side of the anode channel, this region functions as a drying promotion mechanism. Therefore, the occurrence of flooding on the oxygen downstream side of the cathode is suppressed.

[適用例10]
適用例9記載の燃料電池であって、前記アノード電極は、第1のアノード領域と、水の拡散係数が前記第1のアノード領域より小さい第2のアノード領域とを有し、前記第1のアノード領域は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内に設けられ、前記第2のアノード領域は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲より下流側の領域全体を含むように設けられている、燃料電池。
第1と第2のアノード領域を、上記の範囲で設けることにより、無加湿の酸化剤ガスが燃料電池に供給される場合に、特に、運転温度の上昇に伴うカソードの下流側部分におけるフラッディングの発生が抑制される。
[Application Example 10]
The fuel cell according to Application Example 9, wherein the anode electrode includes a first anode region and a second anode region having a water diffusion coefficient smaller than that of the first anode region. The anode region is provided in a range of 3/8 upstream of the entire range from the first end to the second end, and the second anode region is provided in the first end. The fuel cell is provided so as to include the entire region on the downstream side of the upstream 3/8 range of the entire range from the portion to the second end portion.
By providing the first and second anode regions in the above range, when non-humidified oxidant gas is supplied to the fuel cell, flooding particularly in the downstream portion of the cathode as the operating temperature rises. Occurrence is suppressed.

[適用例11]
適用例10記載の燃料電池であって、前記第1のアノード領域は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/8ないし3/8の範囲に設けられており、前記第2のアノード領域は、前記第1のアノード領域を除く領域に設けられている、燃料電池。
第1と第2のアノード領域を、上記の範囲で設けることにより、無加湿の酸化剤ガスが燃料電池に供給される場合における、運転温度の上昇に伴うカソードの下流側部分におけるフラッディングの発生がさらに抑制される。
[Application Example 11]
The fuel cell according to Application Example 10, wherein the first anode region is 1/8 to 3/8 of the upstream side of the entire range from the first end to the second end. The fuel cell is provided in a range, and the second anode region is provided in a region excluding the first anode region.
By providing the first and second anode regions in the above-described range, flooding occurs in the downstream portion of the cathode as the operating temperature rises when non-humidified oxidant gas is supplied to the fuel cell. It is further suppressed.

[適用例12]
適用例9ないし適用例11のいずれか一つに記載の燃料電池であって、前記水の拡散係数が異なる2以上の領域は、気孔率が異なる領域である、燃料電池。
この燃料電池によれば、アノード電極に水の拡散係数の異なる2以上の領域を容易に設けることが可能である。
[Application Example 12]
The fuel cell according to any one of Application Example 9 to Application Example 11, wherein the two or more regions having different water diffusion coefficients are regions having different porosity.
According to this fuel cell, it is possible to easily provide two or more regions having different water diffusion coefficients in the anode electrode.

[適用例13]
適用例9ないし適用例12のいずれか一つに記載の燃料電池であって、前記アノード電極は、電解質と、発電反応を促進するための触媒が担持された触媒担持カーボンとを含み、前記アノード電極における水の拡散係数は、前記アノード電極に含まれる前記電解質の質量に対する前記触媒担持カーボンの質量を変更することによって異なる値に設定されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、アノード電極に、水の拡散係数の異なる2以上の領域を、さらに容易に設けることが可能である。
[Application Example 13]
The fuel cell according to any one of Application Example 9 to Application Example 12, wherein the anode electrode includes an electrolyte and catalyst-supported carbon on which a catalyst for promoting a power generation reaction is supported, and the anode The fuel cell, wherein the diffusion coefficient of water in the electrode is set to a different value by changing the mass of the catalyst-supporting carbon with respect to the mass of the electrolyte contained in the anode electrode.
According to this fuel cell, it is possible to more easily provide two or more regions having different water diffusion coefficients in the anode electrode.

[適用例14]
適用例1ないし適用例13のいずれか一つに記載の燃料電池であって、さらに、前記アノードプレートの外側には、前記アノード流路の上流側を加熱するための加熱部が設けられている、燃料電池。
この燃料電池によれば、加熱部によって、アノードの上流側部分の乾燥を促進させることができ、カソードの下流側部分におけるフラッディングの発生を抑制できる。従って、運転中の燃料電池における発電性能の低下を抑制できる。
[Application Example 14]
14. The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 13, further comprising a heating unit for heating the upstream side of the anode flow path outside the anode plate. ,Fuel cell.
According to this fuel cell, drying of the upstream portion of the anode can be promoted by the heating unit, and generation of flooding in the downstream portion of the cathode can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation performance in the operating fuel cell.

[適用例15]
適用例14記載の燃料電池であって、前記加熱部は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/2の範囲内において、前記アノード電極上の領域を加熱可能なように配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、加熱部によって上記範囲のアノードの上流側部分を加熱することができるため、無加湿の酸化剤ガスが供給される場合に特に、運転温度の上昇に伴うフラッディングの発生を抑制することができる。
[Application Example 15]
15. The fuel cell according to application example 14, wherein the heating unit is configured such that the anode electrode is within a range of ½ of the upstream side of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell arranged to heat the upper region.
According to this fuel cell, the upstream portion of the anode in the above-mentioned range can be heated by the heating unit. Therefore, particularly when non-humidified oxidant gas is supplied, generation of flooding due to increase in operating temperature is prevented. Can be suppressed.

[適用例16]
適用例15記載の燃料電池であって、前記加熱部は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内において、前記アノード電極上の領域を加熱可能なように配置されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、無加湿の酸化剤ガスが供給される場合における、運転温度の上昇に伴うフラッディングの発生を、さらに抑制することができる。
[Application Example 16]
The fuel cell according to Application Example 15, wherein the heating unit includes the anode electrode within a range of 3/8 on the upstream side of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell arranged to heat the upper region.
According to this fuel cell, it is possible to further suppress the occurrence of flooding accompanying an increase in operating temperature when non-humidified oxidant gas is supplied.

[適用例17]
燃料電池システムであって、適用例14ないし適用例16のいずれか一つに記載の燃料電池と、前記電解質膜の乾燥度に関連づけられた値を検出する乾燥度検出部と、前記加熱部の駆動状態を制御する制御部とを備え、前記燃料電池は、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとで狭持された前記膜電極接合体を有する複数の発電モジュールが積層された燃料電池スタックを含み、前記加熱部は、第1と第2の面を有し、前記第1の面側を加熱するとともに前記第2の面側を冷却することができるペルチェ素子を含み、前記加熱部は、前記複数の発電モジュールのそれぞれの間において、前記第1の面が前記アノードセパレータと対向するとともに、前記第2の面が前記カソードセパレータと対向するように配置され、前記制御部は、前記乾燥度検出部の検出値が閾値以上の場合に、前記ペルチェ素子を駆動させて、前記複数の発電モジュールのそれぞれにおいて、前記アノード上流側部分における水分の気化を促進させるとともに、前記カソード下流側部分における水分の液化を促進させて、前記カソード下流側部分から前記アノード上流側部分へと前記電解質膜を介して移動する水分量を増大させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、フラッディングの発生する可能性が高い場合に、ペルチェ素子によって、アノード上流側部分を加熱するとともに、カソード下流側部分を冷却するため、効果的にフラッディングの発生を抑制することができる。
[Application Example 17]
A fuel cell system comprising: the fuel cell according to any one of Application Examples 14 to 16, a dryness detection unit that detects a value related to the dryness of the electrolyte membrane, and the heating unit. A fuel cell stack including a plurality of power generation modules having the membrane electrode assembly sandwiched between the anode separator and the cathode separator. The heating unit includes first and second surfaces, includes a Peltier element capable of heating the first surface side and cooling the second surface side, and the heating unit includes the plurality of heating surfaces. Between the power generation modules, the first surface is opposed to the anode separator, and the second surface is opposed to the cathode separator, and the control unit When the detected value of the dryness detection unit is equal to or greater than a threshold value, the Peltier element is driven to promote moisture vaporization in the upstream portion of the anode in each of the plurality of power generation modules; A fuel cell system that promotes liquefaction of moisture in the side portion and increases the amount of moisture that moves through the electrolyte membrane from the cathode downstream portion to the anode upstream portion.
According to this fuel cell system, when the possibility of flooding is high, the Peltier element heats the upstream portion of the anode and cools the downstream portion of the cathode, thereby effectively suppressing the occurrence of flooding. be able to.

[適用例18]
適用例1ないし適用例16のいずれか一つに記載された燃料電池であって、前記乾燥促進機構は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/2の範囲内に設けられている、燃料電池。
この燃料電池によれば、無加湿の酸化剤ガスが供給される場合に、特に、運転温度の上昇に伴うフラッディングの発生を抑制することができる。
[Application Example 18]
The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 16, wherein the drying promotion mechanism is located upstream of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell provided in a range of 1/2 of the above.
According to this fuel cell, in particular, when non-humidified oxidant gas is supplied, it is possible to suppress the occurrence of flooding accompanying an increase in operating temperature.

[適用例19]
適用例18記載の燃料電池であって、前記乾燥促進機構は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内に設けられている、燃料電池。
この燃料電池によれば、無加湿の酸化剤ガスが供給される場合における、運転温度の上昇に伴うフラッディングの発生を、さらに抑制することができる。
[Application Example 19]
The fuel cell according to Application Example 18, wherein the drying promotion mechanism is provided in a range of 3/8 upstream of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell.
According to this fuel cell, it is possible to further suppress the occurrence of flooding accompanying an increase in operating temperature when non-humidified oxidant gas is supplied.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. .

第1実施形態における燃料電池の構成とシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell in 1st Embodiment, and the structure of a seal | sticker integrated membrane electrode assembly. 第1実施形態におけるアノードプレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the anode plate in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるアノードプレートに設けられたアノード流路の構成を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the structure of the anode flow path provided in the anode plate in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるカソードプレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the cathode plate in 1st Embodiment. 第1実施形態における中間プレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the intermediate | middle plate in 1st Embodiment. 比較例の燃料電池に用いられるアノードプレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the anode plate used for the fuel cell of a comparative example. 比較例の燃料電池における発電性能の低下を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the fall of the electric power generation performance in the fuel cell of a comparative example. 比較例の燃料電池における発電性能の低下を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the fall of the electric power generation performance in the fuel cell of a comparative example. 第1実施形態の燃料電池における発電性能を示す説明図。Explanatory drawing which shows the electric power generation performance in the fuel cell of 1st Embodiment. 実施例の燃料電池におけるアノード流路の構成を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the structure of the anode flow path in the fuel cell of an Example. 第2実施形態の燃料電池の構成を示す概略図と、アノードプレートに設けられた流路溝の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell of 2nd Embodiment, and the schematic which shows the structure of the flow-path groove | channel provided in the anode plate. 第3実施形態における燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell in 3rd Embodiment. 第3実施形態の燃料電池に用いられているアノードプレートおよびカソードプレートの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the anode plate and cathode plate which are used for the fuel cell of 3rd Embodiment. 第3実施形態におけるペルチェ素子による加熱領域を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the heating area | region by the Peltier device in 3rd Embodiment. 第3実施形態の燃料電池における発電性能を示す説明図。Explanatory drawing which shows the electric power generation performance in the fuel cell of 3rd Embodiment. 第3実施形態の燃料電池を用いた燃料電池システムの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell system using the fuel cell of 3rd Embodiment. 第3実施形態の燃料電池を用いた燃料電池システムにおける制御部の制御手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the control procedure of the control part in the fuel cell system using the fuel cell of 3rd Embodiment. 第4実施形態における各実施例ごとのシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the seal | sticker integrated membrane electrode assembly for every Example in 4th Embodiment. 第4実施形態における各比較例ごとのシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the seal | sticker integrated membrane electrode assembly for every comparative example in 4th Embodiment. 第4実施形態の燃料電池の発電性能を示す説明図。Explanatory drawing which shows the electric power generation performance of the fuel cell of 4th Embodiment. 第5実施形態における燃料電池の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the fuel cell in 5th Embodiment. 第5実施形態における燃料電池の冷媒流路の構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the refrigerant | coolant flow path of the fuel cell in 5th Embodiment. 第5実施形態における冷媒流路への熱の移動を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the movement of the heat | fever to the refrigerant | coolant flow path in 5th Embodiment. セパレータの熱伝導性の相違による発電性能の変化を説明するための参考図。The reference figure for demonstrating the change of the electric power generation performance by the difference in the thermal conductivity of a separator. 第5実施形態の燃料電池における発電性能を示す説明図。Explanatory drawing which shows the electric power generation performance in the fuel cell of 5th Embodiment. 第5実施形態における燃料電池の他の構成例を示す概略図。Schematic which shows the other structural example of the fuel cell in 5th Embodiment.

A.第1実施形態:
図1(A)は本発明の一実施形態としての燃料電池100の構成を示す概略図である。この燃料電池100は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池100は、シール一体型膜電極接合体10と、セパレータ15とが交互に積層されたスタック構造を有する。なお、燃料電池100の積層方向の両端部にはそれぞれ、インシュレータプレート、ターミナルプレート、エンドプレート等がさらに積層され、燃料電池100は、締結部材によって、その積層方向に沿って締結力が付与される。
A. First embodiment:
FIG. 1A is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100 as an embodiment of the present invention. The fuel cell 100 is a polymer electrolyte fuel cell that generates power by receiving supply of hydrogen and oxygen as reaction gases. The fuel cell 100 has a stack structure in which seal-integrated membrane electrode assemblies 10 and separators 15 are alternately stacked. In addition, an insulator plate, a terminal plate, an end plate, and the like are further stacked at both ends in the stacking direction of the fuel cell 100, and the fuel cell 100 is given a fastening force along the stacking direction by a fastening member. .

シール一体型膜電極接合体10は、電解質膜1の両側にアノード電極2およびカソード電極3が設けられた発電体である膜電極接合体5を有する。電解質膜1は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。アノード電極2およびカソード電極3は、触媒インクを電解質膜1の外表面に塗布・乾燥させることによって形成されている。ここで、「触媒インク」とは、発電反応を促進するための触媒(例えば白金(Pt)など)が担持された触媒担持カーボンと電解質溶液とを混合した混合溶液を意味する。膜電極接合体5の外周には、シール部9が一体的に形成されている。シール部9は、電解質膜1およびアノード電極2、カソード電極3の外周端を被覆するように熱硬化性の樹脂部材を射出成形することによって形成される。   The seal-integrated membrane / electrode assembly 10 includes a membrane / electrode assembly 5 which is a power generator in which an anode electrode 2 and a cathode electrode 3 are provided on both sides of an electrolyte membrane 1. The electrolyte membrane 1 is a solid polymer thin film that exhibits good proton conductivity in a wet state. The anode electrode 2 and the cathode electrode 3 are formed by applying and drying catalyst ink on the outer surface of the electrolyte membrane 1. Here, “catalyst ink” means a mixed solution obtained by mixing a catalyst-carrying carbon carrying a catalyst (for example, platinum (Pt)) for promoting a power generation reaction and an electrolyte solution. A seal portion 9 is integrally formed on the outer periphery of the membrane electrode assembly 5. The seal portion 9 is formed by injection molding a thermosetting resin member so as to cover the outer peripheral ends of the electrolyte membrane 1, the anode electrode 2, and the cathode electrode 3.

図1(B)は、シール一体型膜電極接合体10の構成を説明するための概略図である。図1(B)は、図1(A)における矢印Bの方向に沿って、シール一体型膜電極接合体10を見たときの概略図である。ここで、シール一体型膜電極接合体10において、シール部9によって囲まれ、反応ガスの供給を受けて発電を行う領域を「発電領域GA」と呼ぶ。シール部9の発電領域GAを挟んで対向する両側にはそれぞれ、反応ガスや冷媒のためのマニホールド61〜66が貫通孔として設けられている。具体的には、発電領域GAに対して、紙面左側において紙面上側から順に、水素供給用マニホールド61と、冷媒供給用マニホールド65と、酸素排出用マニホールド64とが一列に配列されている。また、発電領域GAに対して紙面右側において紙面上側から順に、酸素供給用マニホールド63と、冷媒排出用マニホールド66と、水素排出用マニホールド62とが一列に配列されている。   FIG. 1B is a schematic diagram for explaining the configuration of the seal-integrated membrane electrode assembly 10. FIG. 1B is a schematic view when the seal-integrated membrane electrode assembly 10 is viewed along the direction of arrow B in FIG. Here, in the seal-integrated membrane electrode assembly 10, a region surrounded by the seal portion 9 and generating power upon receiving the reaction gas is referred to as a “power generation region GA”. Manifolds 61 to 66 for reaction gas and refrigerant are provided as through holes on opposite sides of the seal portion 9 across the power generation area GA. Specifically, with respect to the power generation area GA, a hydrogen supply manifold 61, a refrigerant supply manifold 65, and an oxygen discharge manifold 64 are arranged in a line in order from the upper side of the drawing on the left side of the drawing. Further, an oxygen supply manifold 63, a refrigerant discharge manifold 66, and a hydrogen discharge manifold 62 are arranged in a row in order from the upper side of the drawing on the right side of the drawing with respect to the power generation area GA.

ここで、本明細書においては、反応ガスの供給用マニホールド61,63と排出用のマニホールド62,64とが互いに対向し合う方向(図1(B)の左右方向)を「マニホールド対向方向」と呼ぶ。また、発電領域GAの一辺に沿ってマニホールド61,65,64又はマニホールド63,66,62が配列された、マニホールド対向方向に対して垂直な方向(図1(B)の上下方向)を「マニホールド配列方向」と呼ぶ。この燃料電池100では、このマニホールド61〜64の配置構成によって、発電領域GAにおける水素の流れ方向と酸素の流れ方向とがそれぞれ、マニホールド配列方向に沿って見たときに、互いに対向し合うこととなる(図1(A))。   In this specification, the direction in which the reactant gas supply manifolds 61 and 63 and the discharge manifolds 62 and 64 face each other (the left-right direction in FIG. 1B) is referred to as the “manifold facing direction”. Call. Further, a direction (vertical direction in FIG. 1B) in which the manifolds 61, 65, 64 or the manifolds 63, 66, 62 are arranged along one side of the power generation area GA is perpendicular to the manifold facing direction. This is called “array direction”. In the fuel cell 100, the arrangement of the manifolds 61 to 64 causes the hydrogen flow direction and the oxygen flow direction in the power generation region GA to face each other when viewed along the manifold arrangement direction. (FIG. 1A).

また、本明細書においては、以後、発電領域GAのマニホールド対向方向における水素上流側の端部または酸素下流側の端部を「水素上流端」または「酸素下流端」と呼ぶ(図1(B))。一方、発電領域GAのマニホールド対向方向における水素下流側の端部または酸素上流側の端部を「水素下流端」または「酸素上流端」と呼ぶ。   Further, in the present specification, the hydrogen upstream end or the oxygen downstream end in the manifold facing direction of the power generation region GA is hereinafter referred to as “hydrogen upstream end” or “oxygen downstream end” (FIG. 1B )). On the other hand, the end portion on the hydrogen downstream side or the end portion on the oxygen upstream side in the manifold facing direction of the power generation region GA is referred to as “hydrogen downstream end” or “oxygen upstream end”.

セパレータ15は、アノードプレート20と、カソードプレート30と、2つのプレート20,30に狭持される中間プレート40とを備える、いわゆる三層式セパレータである。燃料電池100を構成する際には、アノードプレート20は、シール一体型膜電極接合体10のアノード電極2側に配置され、カソードプレート30は、カソード電極3側に配置される。なお、本明細書においては、シール一体型膜電極接合体10と、当該シール一体型膜電極接合体10を狭持する2つのプレート20,30とを少なくとも備える発電モジュールを「単セル」と呼ぶ。   The separator 15 is a so-called three-layer separator including an anode plate 20, a cathode plate 30, and an intermediate plate 40 sandwiched between the two plates 20 and 30. When configuring the fuel cell 100, the anode plate 20 is disposed on the anode electrode 2 side of the seal-integrated membrane electrode assembly 10, and the cathode plate 30 is disposed on the cathode electrode 3 side. In this specification, a power generation module including at least the seal-integrated membrane electrode assembly 10 and the two plates 20 and 30 sandwiching the seal-integrated membrane electrode assembly 10 is referred to as a “single cell”. .

ここで、アノードプレート20とアノード電極2の間、および、カソードプレート30とカソード電極3の間には、ガス流路部材7がそれぞれ配置される。ガス流路部材7は、導電性を有する多孔質部材によって構成され、アノード電極2およびカソード電極3の全体に反応ガスを行き渡らせるためのガス流路(ガス拡散層)として機能するとともに、膜電極接合体5とセパレータ15との間の導電パスとして機能する。ガス流路部材7は、カーボンペーパーや、いわゆるエキスパンドメタル、パンチングメタルによって構成することができる。   Here, the gas flow path members 7 are disposed between the anode plate 20 and the anode electrode 2 and between the cathode plate 30 and the cathode electrode 3, respectively. The gas flow path member 7 is composed of a conductive porous member, functions as a gas flow path (gas diffusion layer) for spreading the reaction gas over the entire anode electrode 2 and cathode electrode 3, and is a membrane electrode. It functions as a conductive path between the joined body 5 and the separator 15. The gas flow path member 7 can be made of carbon paper, so-called expanded metal, or punching metal.

セパレータ15の各プレート20〜40には、シール一体型膜電極接合体10と同様に、各マニホールド61〜66が貫通孔として設けられている。また、各プレート20〜40には、各マニホールド61〜66とシール一体型膜電極接合体10の発電領域GAとを接続するための流体流路が形成されている。以下に、各プレート20〜40に設けられた流体流路の構成を説明する。   Similar to the seal-integrated membrane electrode assembly 10, the manifolds 61 to 66 are provided as through holes in the plates 20 to 40 of the separator 15. Each plate 20 to 40 is formed with a fluid flow path for connecting each manifold 61 to 66 and the power generation area GA of the membrane electrode assembly 10 with an integrated seal. Below, the structure of the fluid flow path provided in each plate 20-40 is demonstrated.

図2は、アノードプレート20の構成を示す概略図である。図2は、アノードプレート20の面のうち、燃料電池100を構成したときに、シール一体型膜電極接合体10のアノード電極2と対向する面(以後、「アノード対向面」と呼ぶ)を示している。また、図2には、燃料電池100を積層方向に沿って見たときにシール一体型膜電極接合体10の発電領域GAと重なる領域の外形を一点鎖線によって図示してある。   FIG. 2 is a schematic view showing the configuration of the anode plate 20. FIG. 2 shows a surface (hereinafter referred to as “anode facing surface”) of the surface of the anode plate 20 facing the anode electrode 2 of the seal-integrated membrane electrode assembly 10 when the fuel cell 100 is configured. ing. In FIG. 2, the outer shape of a region overlapping the power generation region GA of the seal-integrated membrane electrode assembly 10 when the fuel cell 100 is viewed along the stacking direction is illustrated by a one-dot chain line.

アノードプレート20のアノード対向面には、水素の流路を構成する流路溝として、第1と第2の併走流路溝21a,21bと、第1と第2の連結流路溝22a,22bと、第1と第2のマニホールド連通用流路溝23a,23bとが設けられている。第1の併走流路溝21aは、発電領域GA内において、マニホールド対向方向に沿って並列に延びる複数の流路溝である。また、第2の併走流路溝21bも同様に、発電領域GA内において、マニホールド対向方向に沿って並列に延びる複数の流路溝である。第1と第2の併走流路溝21a,21bはそれぞれ、発電領域GA内において交互に配列されている。また、第1と第2の併走流路溝21a,21bは、隔壁26によって分断されている。   On the anode-facing surface of the anode plate 20, first and second parallel passage grooves 21a and 21b and first and second connection passage grooves 22a and 22b are provided as passage grooves constituting a hydrogen passage. And the 1st and 2nd manifold communication channel grooves 23a and 23b are provided. The first parallel flow channel grooves 21a are a plurality of flow channel grooves extending in parallel along the manifold facing direction in the power generation region GA. Similarly, the second parallel flow channel grooves 21b are a plurality of flow channel grooves extending in parallel along the manifold facing direction in the power generation region GA. The first and second parallel passage grooves 21a and 21b are alternately arranged in the power generation area GA. Further, the first and second parallel passage grooves 21 a and 21 b are divided by a partition wall 26.

第1と第2の連結流路溝22a,22bはそれぞれ、発電領域GAの水素上流端および水素下流端において、マニホールド配列方向に沿って走る流路溝である。第1の連結流路溝22aは、水素上流側に設けられており、全ての第1の併走流路溝21aの水素上流側の端部と連結されている。この第1の連結流路溝22aによって、発電領域GAのマニホールド配列方向に水素を行き渡らせることができる。一方、第2の連結流路溝22bは、水素下流側に設けられており、全ての第2の併走流路溝21bの水素下流側の端部と連結されている。   The first and second connection flow channel grooves 22a and 22b are flow channel grooves that run along the manifold arrangement direction at the hydrogen upstream end and the hydrogen downstream end of the power generation region GA, respectively. The first connection channel groove 22a is provided on the hydrogen upstream side, and is connected to the end portion on the hydrogen upstream side of all the first parallel channel grooves 21a. Hydrogen can be spread in the manifold arrangement direction of the power generation region GA by the first connection flow channel groove 22a. On the other hand, the second connection channel groove 22b is provided on the hydrogen downstream side, and is connected to the end portion on the hydrogen downstream side of all the second parallel channel grooves 21b.

第1のマニホールド連通用流路溝23aは、第1の連結流路溝22aと接続する流路溝であり、水素供給用マニホールド61と第1の連結流路溝22aとの間に設けられている。第1のマニホールド連通用流路溝23aには、中間プレート40に設けられた水素供給用流路溝44a(後述)と連通する貫通孔25aが設けられている。水素供給用マニホールド61の水素は、この第1のマニホールド連通用流路溝23aを介して発電領域GA内へと供給される。第2のマニホールド連通用流路溝23bは、第2の連結流路溝22bと接続する流路溝であり、水素排出用マニホールド62と第2の連結流路溝22bとの間に設けられている。第2のマニホールド連通用流路溝23bには、中間プレート40に設けられた水素排出用流路溝44b(後述)と連通する貫通孔25bが設けられている。発電反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスは、この第2のマニホールド連通用流路溝23bを介して発電領域GAの外部へと排出される。   The first manifold communication channel groove 23a is a channel groove connected to the first connection channel groove 22a, and is provided between the hydrogen supply manifold 61 and the first connection channel groove 22a. Yes. The first manifold communication channel groove 23 a is provided with a through hole 25 a that communicates with a hydrogen supply channel groove 44 a (described later) provided in the intermediate plate 40. The hydrogen in the hydrogen supply manifold 61 is supplied into the power generation area GA through the first manifold communication channel groove 23a. The second manifold communication channel groove 23b is a channel groove connected to the second connection channel groove 22b, and is provided between the hydrogen discharge manifold 62 and the second connection channel groove 22b. Yes. The second manifold communication channel groove 23b is provided with a through hole 25b communicating with a hydrogen discharge channel groove 44b (described later) provided in the intermediate plate 40. The anode exhaust gas containing hydrogen that has not been subjected to the power generation reaction is discharged to the outside of the power generation area GA through the second manifold communication channel groove 23b.

図3(A),(B)は、発電領域GAにおける水素の流れを説明するための模式図である。図3(A)には、図2で説明した発電領域GA内に設けられた各流路溝21a,21b,22a,22bと、水素の流れを示す矢印とが模式的に図示されている。なお、図3(A)では、便宜上、供給側の流路溝(第1の併走流路溝21aおよび第1の連結流路溝22a)と、排出側の流路溝(第2の併走流路溝21bおよび第2の連結流路溝22b)とを、異なるハッチングを付すことにより区別して図示してある。図3(B)は、図3(A)に示すB−B切断に相当する部位における燃料電池100の一部概略断面を示しており、アノードプレート20と膜電極接合体5とガス流路部材7とが模式的に図示されている。   3A and 3B are schematic diagrams for explaining the flow of hydrogen in the power generation region GA. FIG. 3A schematically shows the flow channel grooves 21a, 21b, 22a, 22b provided in the power generation area GA described in FIG. 2, and arrows indicating the flow of hydrogen. In FIG. 3A, for convenience, the flow channel on the supply side (first parallel flow channel groove 21a and first connection flow channel groove 22a) and the flow channel on the discharge side (second parallel flow) The channel groove 21b and the second connection channel groove 22b) are shown separately by being given different hatchings. FIG. 3B shows a partial schematic cross section of the fuel cell 100 at a portion corresponding to BB cutting shown in FIG. 3A, and shows the anode plate 20, the membrane electrode assembly 5, and the gas flow path member. 7 is schematically illustrated.

発電領域GAへと流入した水素は、第1の連結流路溝22aを介して、全ての第1の併走流路溝21aへと分岐する。第1の併走流路溝21aの水素は、水素下流側へと流れるとともに、ガス流路部材7の内部へも流入し、アノード電極2において発電反応に供される。ここで、燃料電池100の運転中には、発電反応によってカソード電極3側において生成された水分の一部が電解質膜1を介してアノード電極2側へと移動する。アノード電極2において発電反応に供されることのなかった水素は、このアノード電極2側へと移動した水分によって加湿されるとともに、第2の併走流路溝21bへと流入し、さらに、第2の連結流路溝22bを介して発電領域GAの外部へと排出される。   Hydrogen that has flowed into the power generation region GA branches to all the first parallel flow channel grooves 21a via the first connection flow channel grooves 22a. The hydrogen in the first parallel flow channel groove 21a flows to the downstream side of the hydrogen and also flows into the gas flow channel member 7, and is supplied to the power generation reaction in the anode electrode 2. Here, during the operation of the fuel cell 100, a part of the water generated on the cathode electrode 3 side by the power generation reaction moves to the anode electrode 2 side through the electrolyte membrane 1. The hydrogen that has not been subjected to the power generation reaction in the anode electrode 2 is humidified by the moisture that has moved to the anode electrode 2 side, and flows into the second parallel passage groove 21b, and further, the second Is discharged to the outside of the power generation area GA through the connection flow channel groove 22b.

このように、アノードプレート20に設けられた水素のための流路溝は、水素供給用マニホールド61と連通する供給側の流路溝21a,22aと、水素排出用マニホールド62と連通する排出側の流路溝21b,22bとで構成される。前述したように、供給側の流路溝21a,22aと排出側の流路溝21b、22bとは、第1と第2の併走流路溝21a,21bの間の隔壁26(図2)によって分断されている。また、アノードプレート20では、この隔壁26によって、第1の併走流路溝21aの水素が、ガス流路部材7内部へと誘導されている。   As described above, the flow path groove for hydrogen provided in the anode plate 20 is provided on the supply side flow path grooves 21 a and 22 a communicating with the hydrogen supply manifold 61 and on the discharge side communicating with the hydrogen discharge manifold 62. It is comprised by the flow-path groove | channels 21b and 22b. As described above, the supply-side channel grooves 21a and 22a and the discharge-side channel grooves 21b and 22b are separated by the partition wall 26 (FIG. 2) between the first and second parallel channel grooves 21a and 21b. It is divided. Further, in the anode plate 20, the hydrogen in the first parallel passage groove 21 a is guided into the gas passage member 7 by the partition wall 26.

図4は、カソードプレート30の構成を示す概略図である。図4は、カソードプレート30の面のうち、燃料電池100を構成したときにシール一体型膜電極接合体10のカソード電極3と対向する面(以後、「カソード対向面」と呼ぶ)を示している。また、図4には、燃料電池100を積層方向に沿って見たときに、シール一体型膜電極接合体10の発電領域GAと重なる領域を一点鎖線で図示してある。   FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the cathode plate 30. FIG. 4 shows a surface (hereinafter referred to as “cathode facing surface”) of the surface of the cathode plate 30 facing the cathode electrode 3 of the seal-integrated membrane electrode assembly 10 when the fuel cell 100 is configured. Yes. In FIG. 4, a region that overlaps the power generation region GA of the seal-integrated membrane electrode assembly 10 when the fuel cell 100 is viewed in the stacking direction is indicated by a one-dot chain line.

カソードプレート30のカソード対向面には、複数の併走流路溝31と、第1と第2の連結流路溝32a,32bと、第1と第2のマニホールド連通用流路溝33a,33bとが設けられている。併走流路溝31は、発電領域GA内においてマニホールド対向方向に沿って延びる並列に設けられた複数の流路溝である。第1と第2の連結流路溝32a,32bはそれぞれ、発電領域GAの酸素上流端または酸素下流端において、マニホールド配列方向に沿って設けられた流路溝である。第1の連結流路溝22aは、酸素上流側において、併走流路溝31の端部と連結しており、第2の連結流路溝32bは、酸素下流側において併走流路溝31の端部と連結している。   The cathode facing surface of the cathode plate 30 includes a plurality of parallel flow channel grooves 31, first and second connection flow channel grooves 32a and 32b, and first and second manifold communication flow channel grooves 33a and 33b. Is provided. The parallel flow passage grooves 31 are a plurality of flow passage grooves provided in parallel extending in the manifold facing direction in the power generation region GA. The first and second connection channel grooves 32a and 32b are channel grooves provided along the manifold arrangement direction at the oxygen upstream end or oxygen downstream end of the power generation region GA, respectively. The first connecting channel groove 22a is connected to the end of the parallel channel groove 31 on the oxygen upstream side, and the second connecting channel groove 32b is the end of the parallel channel groove 31 on the oxygen downstream side. Connected to the department.

第1のマニホールド連通用流路溝33aは、第1の連結流路溝32aと接続する流路溝であり、酸素供給用マニホールド63と第1の連結流路溝32aとの間に設けられている。第1のマニホールド連通用流路溝33aには、中間プレート40に設けられた酸素供給用流路溝45a(後述)と連通する貫通孔35aが設けられている。第2のマニホールド連通用流路溝33bは、第2の連結流路溝32bと接続する流路溝であり、酸素排出用マニホールド64と第2の連結流路溝32bとの間に設けられている。第2のマニホールド連通用流路溝23bには、中間プレート40に設けられた酸素排出用流路溝45b(後述)と連通する貫通孔35bが設けられている。   The first manifold communication channel groove 33a is a channel groove connected to the first connection channel groove 32a, and is provided between the oxygen supply manifold 63 and the first connection channel groove 32a. Yes. The first manifold communication channel groove 33 a is provided with a through hole 35 a that communicates with an oxygen supply channel groove 45 a (described later) provided in the intermediate plate 40. The second manifold communication channel groove 33b is a channel groove connected to the second connection channel groove 32b, and is provided between the oxygen exhaust manifold 64 and the second connection channel groove 32b. Yes. The second manifold communication channel groove 23b is provided with a through hole 35b communicating with an oxygen discharge channel groove 45b (described later) provided in the intermediate plate 40.

酸素供給用マニホールド63の酸素は、第1のマニホールド連通用流路溝33aを介して第1の連結流路溝32aへと流入し、各併走流路溝31に分岐する。酸素は、発電領域GAにおいて、発電反応に供されつつ下流側へと流れる。発電反応に供されることのなかった酸素を含むカソード排ガスは、各併走流路溝31から第2の連結流路溝32bへと流入し、第2のマニホールド連通用流路溝33bを介して、発電領域GAの外部へと排出される。   Oxygen in the oxygen supply manifold 63 flows into the first connection channel groove 32 a via the first manifold communication channel groove 33 a and branches into the parallel channel grooves 31. In the power generation area GA, oxygen flows downstream while being subjected to a power generation reaction. The cathode exhaust gas containing oxygen that has not been subjected to the power generation reaction flows from each parallel flow channel groove 31 into the second connection flow channel groove 32b and passes through the second manifold communication flow channel groove 33b. And discharged outside the power generation area GA.

図5(A),(B)は、中間プレート40の構成を示す概略図である。図5(A)は、セパレータ15を構成したときに、アノードプレート20と接する面側を示しており、図5(B)は、カソードプレート30と接する面側を示している。なお、図5(A),(B)にはそれぞれ、燃料電池100を積層方向に沿って見たときに、シール一体型膜電極接合体10の発電領域GAと重なる領域の外形を一点鎖線で図示してある。   5A and 5B are schematic views showing the configuration of the intermediate plate 40. FIG. FIG. 5A shows the surface side in contact with the anode plate 20 when the separator 15 is configured, and FIG. 5B shows the surface side in contact with the cathode plate 30. 5A and 5B, the outer shape of the region overlapping the power generation region GA of the seal-integrated membrane electrode assembly 10 when the fuel cell 100 is viewed along the stacking direction is indicated by a one-dot chain line. It is shown.

中間プレート40は、発電領域GAに相当する領域に中空部42が設けられている。中空部42は、冷媒用のマニホールド65,66と連結されている。また、中空部42の内部には、マニホールド対向方向に沿って延びる複数の流路壁43が並列に配置されており、冷媒のための流路を形成している。即ち、燃料電池100では、その運転に際し、中間プレート40の中空部42に流れる冷媒によって発電領域GAが冷却される。   The intermediate plate 40 has a hollow portion 42 in a region corresponding to the power generation region GA. The hollow portion 42 is connected to refrigerant manifolds 65 and 66. A plurality of flow path walls 43 extending in the manifold facing direction are arranged in parallel inside the hollow portion 42 to form a flow path for the refrigerant. That is, in the fuel cell 100, the power generation area GA is cooled by the refrigerant flowing in the hollow portion 42 of the intermediate plate 40 during the operation.

また、中間プレート40のアノードプレート20と接する面側には、アノードプレート20の2つの貫通孔25a,25b(図2)と水素のためのマニホールド61,62とを接続するための流路溝44a,44bが設けられている(図5(A))。さらに、中間プレート40のカソードプレート30と接する面側には、カソードプレート30の2つの貫通孔35a,35b(図3)と酸素のためのマニホールド63,64とを接続するための流路溝45a,45bが設けられている(図5(B))。即ち、この中間プレート40に設けられた流路溝44a,44b,45a,45bを介して、水素用のマニホールド61,62または酸素用のマニホールド63,64と、アノードプレート20またはカソードプレート30に設けられた各流路溝とが連通する。   Further, on the surface side of the intermediate plate 40 in contact with the anode plate 20, a channel groove 44 a for connecting the two through holes 25 a and 25 b (FIG. 2) of the anode plate 20 and the manifolds 61 and 62 for hydrogen. , 44b are provided (FIG. 5A). Further, on the surface side of the intermediate plate 40 in contact with the cathode plate 30, a flow channel 45 a for connecting the two through holes 35 a and 35 b (FIG. 3) of the cathode plate 30 and the manifolds 63 and 64 for oxygen. , 45b (FIG. 5B). In other words, the manifolds 61 and 62 for hydrogen or the manifolds 63 and 64 for oxygen and the anode plate 20 or the cathode plate 30 are provided via the flow channel grooves 44a, 44b, 45a and 45b provided in the intermediate plate 40. The respective channel grooves thus formed communicate with each other.

このように、燃料電池100では、発電領域GAにおける水素の流れ方向と酸素の流れ方向とが互いに対向している。これによって、各単セルにおいて発電分布が水素上流側や酸素上流側に片寄ってしまうことを抑制することができる。しかし、このように反応ガスの流れ方向を構成した場合であっても、酸素を無加湿で供給した場合には、以下に説明する比較例の燃料電池のように、発電分布が不均一となってしまう場合がある。   Thus, in the fuel cell 100, the hydrogen flow direction and the oxygen flow direction in the power generation region GA are opposed to each other. Thereby, it is possible to suppress the power generation distribution in each single cell from being shifted to the hydrogen upstream side or the oxygen upstream side. However, even when the flow direction of the reaction gas is configured in this way, when oxygen is supplied without humidification, the power generation distribution becomes non-uniform as in the fuel cell of the comparative example described below. May end up.

図6は、本実施形態に対する比較例としての燃料電池100aに用いられるアノードプレート20aの構成を示す概略図である。図6は、第1と第2の併走流路溝21a,21bに換えて、併走流路溝24が形成されている点以外は、図2とほぼ同じである。なお、比較例の燃料電池100aの他の構成は、本実施形態の燃料電池100の構成と同じである。   FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of an anode plate 20a used in a fuel cell 100a as a comparative example with respect to the present embodiment. FIG. 6 is substantially the same as FIG. 2 except that a parallel flow channel groove 24 is formed instead of the first and second parallel flow channel grooves 21a and 21b. In addition, the other structure of the fuel cell 100a of a comparative example is the same as the structure of the fuel cell 100 of this embodiment.

アノードプレート20aの併走流路溝24は、マニホールド対向方向に沿って延びる複数の並列な流路溝であり、その両端がそれぞれ、第1と第2の連結流路22a,22bと連結している。即ち、アノードプレート20aは、カソードプレート30と同様な流路溝の構成を有している。なお、比較例の燃料電池100aでは、本実施形態の燃料電池100と同様に、発電領域GAにおける水素の流れ方向と酸素の流れ方向とは互いに対向し合う。   The parallel passage groove 24 of the anode plate 20a is a plurality of parallel passage grooves extending along the manifold facing direction, and both ends thereof are connected to the first and second connection passages 22a and 22b, respectively. . That is, the anode plate 20 a has the same channel groove configuration as the cathode plate 30. In the fuel cell 100a of the comparative example, the hydrogen flow direction and the oxygen flow direction in the power generation region GA are opposed to each other, as in the fuel cell 100 of the present embodiment.

図7(A),(B)および図8(A),(B)は、比較例の燃料電池100aにおける発電性能の低下を説明するための説明図である。図7(A),(B)および図8(A),(B)にはそれぞれ、運転温度ごとの燃料電池100aの単セルにおける発電領域GAの状態を示すグラフが示されている。これらのグラフには、発電領域GAの酸素上流端から酸素下流端までの間における位置を横軸とし、各単セルの発電領域GAにおける過電圧Ovや、電流密度I、酸素分圧PO2、膜電極接合体(MEA)の乾燥度合DMEAの代表値が示されている。なお、これらのグラフの横軸は、図6の矢印Uに相当する。 FIGS. 7A and 7B and FIGS. 8A and 8B are explanatory diagrams for explaining a decrease in power generation performance in the fuel cell 100a of the comparative example. FIGS. 7A and 7B and FIGS. 8A and 8B show graphs showing the state of the power generation region GA in the single cell of the fuel cell 100a for each operating temperature. In these graphs, the horizontal axis is the position between the oxygen upstream end and the oxygen downstream end of the power generation region GA, and the overvoltage Ov, current density I, oxygen partial pressure P O2 , film in the power generation region GA of each single cell are shown. A representative value of the degree of dryness D MEA of the electrode assembly (MEA) is shown. The horizontal axis of these graphs corresponds to the arrow U in FIG.

過電圧Ovは、単セルにおいて理論上出力可能な電圧と実際の出力電圧との差を表しており、この過電圧が著しく高い単セルは発電不能に陥る場合がある。各グラフには、単セルが発電不能に陥る可能性が高い過電圧Ovの領域をハッチングを付して示してある。電流密度Iは、単セルにおける発電量に相当し、この電流密度Iの変化から各単セルのカソード電極3において生成される水分量を推定することが可能である。酸素分圧PO2は、単セルのカソード電極3に供給されている酸素量に相当する。MEAの乾燥度合DMEAは、膜電極接合体5の乾燥度を示す指標であり、膜電極接合体5に含まれる水分量が多いほど低くなり、膜電極接合体5に含まれる水分量が少ないほど高くなる。 The overvoltage Ov represents the difference between the voltage that can be theoretically output in the single cell and the actual output voltage, and the single cell with extremely high overvoltage may be unable to generate power. In each graph, the region of the overvoltage Ov in which the single cell is likely to be unable to generate power is indicated by hatching. The current density I corresponds to the amount of power generation in the single cell, and the amount of water generated at the cathode electrode 3 of each single cell can be estimated from the change in the current density I. The oxygen partial pressure P O2 corresponds to the amount of oxygen supplied to the cathode electrode 3 of the single cell. MEA dryness degree D MEA is an index indicating the dryness of the membrane electrode assembly 5, and decreases as the amount of water contained in the membrane electrode assembly 5 increases, and the amount of water contained in the membrane electrode assembly 5 decreases. It gets higher.

図7(A)は、運転温度が常温(例えば60°以下)のときの状態を示している。なお、反応ガスとしては、無加湿の水素と酸素とが供給されている。この運転温度のときには、膜電極接合体5は、カソード電極3における生成水によって全体的に湿潤状態にあり、酸素の供給量に応じた発電量が得られている。また、発電領域GAのU方向における過電圧Ovは略均一な状態である。即ち、このグラフは、燃料電池100aが良好に運転している状態を示している。   FIG. 7A shows a state when the operating temperature is normal temperature (for example, 60 ° or less). Note that non-humidified hydrogen and oxygen are supplied as the reaction gas. At this operating temperature, the membrane / electrode assembly 5 is entirely wet by the generated water in the cathode electrode 3, and a power generation amount corresponding to the oxygen supply amount is obtained. Further, the overvoltage Ov in the U direction of the power generation area GA is in a substantially uniform state. That is, this graph shows a state in which the fuel cell 100a is operating satisfactorily.

図7(B)は、比較例の燃料電池100aの運転を継続し、その運転温度が平均運転温度付近の温度(例えば約80°程度)となったときの状態を示している。ここで、「平均運転温度」とは、燃料電池の運転を継続した場合における燃料電池全体の温度の時間平均を意味する。このとき、運転温度の上昇に伴って、供給される酸素の飽和水蒸気圧も上昇するため、酸素の上流端において膜電極接合体5の乾燥度合DMEAが上昇する。これに伴って発電反応が抑制され、酸素の上流側において酸素の消費量が低下するので酸素分圧PO2の変化が緩やかになり、その下流側において発電量(電流密度I)が局所的に増大してしまう領域が生じる。この局所的な発電量の増大に伴って、当該領域における生成水量も増大するため、その領域において、カソード電極3における酸素の流路である触媒層細孔の生成水分による閉塞(フラッディング)が生じ始め、過電圧Ovが上昇する。 FIG. 7B shows a state in which the operation of the fuel cell 100a of the comparative example is continued and the operation temperature becomes a temperature near the average operation temperature (for example, about 80 °). Here, the “average operation temperature” means a time average of the temperature of the entire fuel cell when the fuel cell is continuously operated. At this time, as the operating temperature rises, the saturated water vapor pressure of the supplied oxygen also rises, so that the degree of dryness D MEA of the membrane electrode assembly 5 rises at the upstream end of oxygen. Along with this, the power generation reaction is suppressed, and the oxygen consumption is reduced on the upstream side of oxygen, so that the change in the oxygen partial pressure P O2 becomes gradual, and the power generation amount (current density I) is locally reduced on the downstream side. An area that increases is generated. As the amount of power generated locally increases, the amount of water produced in the region also increases. In this region, the catalyst layer pores, which are oxygen channels in the cathode electrode 3, are clogged by the produced water (flooding). First, the overvoltage Ov increases.

図8(A)は、比較例の燃料電池100aの運転温度がさらに上昇し、例えば80°〜85°程度となったときの状態を示している。このときには、酸素上流側において膜電極接合体5の乾燥が進行するとともに、酸素の流れに従って下流側へと水分が移動するため、酸素の上流側と下流側との間におけるMEAの乾燥度合DMEAに大きな差が生じる。このように酸素下流側に局所的に水分が存在すると、酸素下流側のカソード電極3における酸素流路の閉塞がさらに促進されるため、酸素下流側のほぼ半分程度の領域における過電圧Ovが著しく上昇し始める。 FIG. 8A shows a state where the operating temperature of the fuel cell 100a of the comparative example further increases, for example, about 80 ° to 85 °. At this time, drying of the membrane electrode assembly 5 proceeds on the oxygen upstream side, and moisture moves to the downstream side according to the flow of oxygen. Therefore, the degree of drying of the MEA between the upstream side and the downstream side of the oxygen D MEA A big difference occurs. When water is locally present on the oxygen downstream side in this way, the oxygen channel blockage in the cathode electrode 3 on the oxygen downstream side is further promoted, so that the overvoltage Ov in the region about half of the oxygen downstream side is significantly increased. Begin to.

図8(B)は、比較例の燃料電池100aにおいて、図8(A)で説明した状態から運転温度がさらに上昇したときの状態を示している。図8(A)の状態のまま燃料電池100aの運転を継続すると、酸素下流側のほぼ半分程度の領域における過電圧Ovは上昇し続け、発電不能の領域にまで到達してしまう。即ち、燃料電池100aは、いわゆるフラッディングの発生により、その発電能力が著しく低下してしまう。このように、無加湿の酸素を燃料電池に供給して運転を継続する場合には、運転温度の上昇に伴って、酸素下流側に水分が集中してしまう可能性が高くなる。この場合には、カソード電極3側における排水性が低下してしまっているため、水分をアノード電極2側へと誘導するとともに、アノード電極2側における排水性を向上させることにより、フラッディングを解消することが好ましい。   FIG. 8B shows a state when the operating temperature further rises from the state described in FIG. 8A in the fuel cell 100a of the comparative example. If the operation of the fuel cell 100a is continued in the state shown in FIG. 8A, the overvoltage Ov in the approximately half region on the oxygen downstream side continues to increase and reaches a region where power generation is impossible. That is, the power generation capability of the fuel cell 100a is significantly reduced due to the occurrence of so-called flooding. Thus, in the case where the operation is continued by supplying non-humidified oxygen to the fuel cell, there is a high possibility that moisture will concentrate on the oxygen downstream side as the operation temperature rises. In this case, since the drainage performance on the cathode electrode 3 side has decreased, the flooding is eliminated by inducing moisture to the anode electrode 2 side and improving drainage performance on the anode electrode 2 side. It is preferable.

ここで、一般に、燃料電池の単セルのカソード電極側からアノード電極側への排水量Naは以下の式(1)によって表される。
a=Dc-a/δc-a・(Cc−Ca) … (1)
ここで、Dc-aは、電解質膜1とカソード電極3との境界面から、アノードプレート20(20a)とガス流路部材7との境界面までの間における水分の拡散係数である。δc-aは、電解質膜1とカソード電極3との境界面から、アノードプレート20とガス流路部材7との境界面までの間の距離である。Ccは電解質膜1とカソード電極3との境界面における水分濃度であり、Caはアノード電極2とアノードプレート20(20a)との間の水素の流路における水分濃度である。
Here, in general, wastewater N a from the cathode electrode side of the unit cell of the fuel cell to the anode electrode side is expressed by the following equation (1).
N a = D ca / δ ca · (C c −C a ) (1)
Here, D ca is a moisture diffusion coefficient between the boundary surface between the electrolyte membrane 1 and the cathode electrode 3 and the boundary surface between the anode plate 20 (20a) and the gas flow path member 7. δ ca is the distance from the boundary surface between the electrolyte membrane 1 and the cathode electrode 3 to the boundary surface between the anode plate 20 and the gas flow path member 7. C c is the water concentration at the interface between the electrolyte membrane 1 and the cathode electrode 3, is C a a water concentration in the channel of the hydrogen between the anode electrode 2 and the anode plate 20 (20a).

この式(1)から、2つの水分濃度Cc,Ca同士の差を大きくすることにより、アノード電極2側への水分の移動量を増大させることができることがわかる。即ち、アノード電極2側の電解質膜1の乾燥を促進させることにより、カソード電極3の酸素下流側部分に集中する水分をアノード電極2の水素上流端により近い水素上流側部分へと移動させ、アノード電極2側からの排水量を増大させることができる。また、アノード電極2側に水分を移動させることにより、さらに、その水分を水素の流れに従って水素下流側、即ち、乾燥傾向にある酸素上流側へと移動させることができるため、発電領域GAにおける水分分布の不均一性を改善することが可能である。これによって、酸素が無加湿で供給される場合であっても、燃料電池100の運転を良好に継続することが可能となる。 From this equation (1), it can be seen that the amount of moisture transferred to the anode electrode 2 can be increased by increasing the difference between the two moisture concentrations C c and C a . That is, by promoting the drying of the electrolyte membrane 1 on the anode electrode 2 side, moisture concentrated in the oxygen downstream side portion of the cathode electrode 3 is moved to the hydrogen upstream side portion closer to the hydrogen upstream end of the anode electrode 2, The amount of drainage from the electrode 2 side can be increased. Further, by moving the moisture to the anode electrode 2 side, the moisture can be further moved to the hydrogen downstream side, that is, the oxygen upstream side that tends to dry according to the flow of hydrogen. It is possible to improve the non-uniformity of the distribution. As a result, even when oxygen is supplied without humidification, the operation of the fuel cell 100 can be favorably continued.

ここで、本実施形態の燃料電池100では、アノードプレート20の供給側の流路溝21a,22aに流入した水素は、ガス流路部材7を一旦通過した後に、排出側の流路溝21b、22bへと流れる(図3)。即ち、このアノードプレート20の流路溝の構成によれば、ガス流路部材7へと流入する水素量を増加させることができるので、ガス流路部材7における水素流速が増大し、この大きな流速により乾燥を促進させることができる。すると、大きな水素流速によるアノード電極2側の乾燥に伴い、電解質膜1を介してカソード電極3側から移動する水分量が増加する。従って、カソード電極3側におけるフラッディングの発生を抑制することができる。また、アノードプレート20には、アノード排ガスの排出に用いられる排出側の流路溝21b、22bが設けられている。従って、この排出側の流路溝21b、22bによって、加湿された水素を含むアノード排ガスの排出が促進されるため、燃料電池100Bにおけるアノード電極2側からの排水性が向上し、フラッディングの発生が抑制される。   Here, in the fuel cell 100 of the present embodiment, the hydrogen that has flowed into the flow channel grooves 21a and 22a on the supply side of the anode plate 20 once passes through the gas flow channel member 7, and then the flow channel grooves 21b on the discharge side. It flows to 22b (FIG. 3). That is, according to the configuration of the flow channel groove of the anode plate 20, the amount of hydrogen flowing into the gas flow channel member 7 can be increased, so that the hydrogen flow rate in the gas flow channel member 7 increases, and this large flow rate is increased. By this, drying can be promoted. Then, the amount of moisture that moves from the cathode electrode 3 side through the electrolyte membrane 1 increases as the anode electrode 2 side is dried by a large hydrogen flow rate. Therefore, the occurrence of flooding on the cathode electrode 3 side can be suppressed. The anode plate 20 is provided with discharge-side flow channel grooves 21b and 22b used for discharging the anode exhaust gas. Accordingly, discharge of the anode exhaust gas containing humidified hydrogen is promoted by the flow path grooves 21b and 22b on the discharge side, so that drainage from the anode electrode 2 side in the fuel cell 100B is improved and flooding is generated. It is suppressed.

図9は、本実施形態の燃料電池100の構成による発電性能の向上を説明するための実験結果を示す説明図である。図9には、本実施形態の燃料電池100と同様な構成を有する燃料電池において測定されたセル温度とセル電圧と関係を実施例のグラフGeとして示してある。ここで、「セル電圧」とは、燃料電池において各単セルごとに計測された電圧の平均値を意味し、「セル温度」とは、燃料電池において各単セルごとに計測された温度の平均値を意味する。また、図9には、上述した比較例の燃料電池100aと同様な構成を有する燃料電池におけるセル温度とセル電圧との測定結果を比較例のグラフGcとして示してある。   FIG. 9 is an explanatory diagram showing experimental results for explaining the improvement in power generation performance by the configuration of the fuel cell 100 of the present embodiment. In FIG. 9, the relationship between the cell temperature and the cell voltage measured in the fuel cell having the same configuration as the fuel cell 100 of the present embodiment is shown as a graph Ge of the example. Here, “cell voltage” means the average value of the voltage measured for each single cell in the fuel cell, and “cell temperature” means the average of the temperature measured for each single cell in the fuel cell. Mean value. FIG. 9 shows a measurement result of the cell temperature and the cell voltage in a fuel cell having the same configuration as the fuel cell 100a of the comparative example described above as a graph Gc of the comparative example.

ここで、実施例および比較例の燃料電池の電解質膜1は、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体(イオン交換基容量約1.0meq/g)を水およびアルコール類を含む溶媒中に溶解した電解質溶液を塗布・乾燥させることにより得た。また、アノード電極2およびカソード電極3は、上記電解質溶液と、白金触媒の重量比が約0.5である触媒担持カーボンブラックとを混合した触媒インクにより形成した。なお、アノード用の触媒インクは、電解質と触媒担持カーボンブラックとの質量比を1.0:0.5とし、カソード用の触媒インクは、電解質と触媒担持カーボンブラックとの質量比を1.0:0.3とした。   Here, in the electrolyte membrane 1 of the fuel cell of Examples and Comparative Examples, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group (ion exchange group capacity: about 1.0 meq / g) was dissolved in a solvent containing water and alcohols. The electrolyte solution was obtained by applying and drying. The anode electrode 2 and the cathode electrode 3 were formed from a catalyst ink obtained by mixing the above electrolyte solution and catalyst-supported carbon black having a platinum catalyst weight ratio of about 0.5. The catalyst ink for the anode has a mass ratio of the electrolyte to the catalyst-carrying carbon black of 1.0: 0.5, and the catalyst ink for the cathode has a mass ratio of the electrolyte to the catalyst-carrying carbon black of 1.0. : 0.3.

さらに、セル電圧の測定にあたって、それぞれの燃料電池のカソード電極3側には、化学量論比の1.5倍の量の空気を、約50kPaGの圧力において、無加湿で供給した。一方、アノード電極2側には、化学量論比の1.2倍の量の水素を、約50kPaGの圧力において、無加湿で供給した。また、それぞれの燃料電池におけるセル温度は、70℃から次第に昇温させていき、各単セルの電流値は約1.0A/cm2でほぼ一定に保持した。 Further, in measuring the cell voltage, air of 1.5 times the stoichiometric ratio was supplied to the cathode 3 side of each fuel cell at a pressure of about 50 kPaG without humidification. On the other hand, 1.2 times the stoichiometric amount of hydrogen was supplied to the anode electrode 2 side at a pressure of about 50 kPaG without humidification. Further, the cell temperature in each fuel cell was gradually raised from 70 ° C., and the current value of each single cell was kept substantially constant at about 1.0 A / cm 2 .

図10(A),(B)は、実施例の燃料電池に設けられた流路溝の構成を説明するための説明図である。図10(A)は、実施例の燃料電池における第1と第2の併走流路溝21a,21bの断面形状を模式的に示す概略図である。実施例の燃料電池では、第1の併走流路溝21aの流路断面積が第2の併走流路溝21bの流路断面積より小さく構成されている。なお、図では、流路溝の深さを換えることにより、その流路断面積を変更しているが、流路溝の幅を変えることにより、その流路断面積を変更するものとしても良い。このように第1と第2の併走流路溝21a,21bを構成することにより、アノード電極2側における水素の流速が上流側ほど速くなるようにすることが可能である。   FIGS. 10A and 10B are explanatory views for explaining the configuration of the flow channel grooves provided in the fuel cell of the example. FIG. 10A is a schematic view schematically showing the cross-sectional shapes of the first and second parallel passage grooves 21a and 21b in the fuel cell of the example. In the fuel cell of the embodiment, the flow passage cross-sectional area of the first parallel flow passage groove 21a is configured to be smaller than the flow passage cross-sectional area of the second parallel flow passage groove 21b. In the figure, the channel cross-sectional area is changed by changing the depth of the channel groove, but the channel cross-sectional area may be changed by changing the width of the channel groove. . By configuring the first and second parallel passage grooves 21a and 21b as described above, the flow rate of hydrogen on the anode electrode 2 side can be increased toward the upstream side.

図10(B)は、実施例の燃料電池におけるアノード電極2側の水素の流速を流路溝の形状に基づき計算した結果を示すグラフである。このグラフでは、発電領域GAの水素上流端の位置を0とし、水素下流端の位置を1としたときの、マニホールド対向方向における位置X(「水素流路位置」と呼ぶ)を横軸としている。このグラフの横軸Xは、図2の矢印Xに対応している。なお、第2の併走流路溝21bの上流端の位置をd1とし、第1の併走流路溝21aの下流端の位置をd2として示してある。グラフHVが示すように、実施例の燃料電池における第1と第2の併走流路溝21a,21bは、水素流路位置Xが0〜3/8の間(ハッチングで図示)において、水素の流速が著しく低下し、水素流路位置Xが3/8以降は、水素の流速がほぼ一定となるように構成されている。 FIG. 10B is a graph showing a result of calculating the flow rate of hydrogen on the anode electrode 2 side in the fuel cell of the example based on the shape of the channel groove. In this graph, the horizontal axis represents a position X (referred to as a “hydrogen channel position”) in the manifold facing direction when the position of the hydrogen upstream end of the power generation region GA is 0 and the position of the hydrogen downstream end is 1. . The horizontal axis X of this graph corresponds to the arrow X in FIG. Incidentally, the position of the upstream end of the second adjacent parallel flow grooves 21b and d 1, there is shown the position of the downstream end of the first adjacent parallel flow grooves 21a as d 2. As shown in the graph HV, the first and second parallel flow channel grooves 21a and 21b in the fuel cell of the example have a hydrogen flow rate position between 0 and 3/8 (illustrated by hatching). The flow rate is remarkably lowered, and the hydrogen flow rate position X is 3/8 or later, so that the hydrogen flow rate is substantially constant.

図9のグラフから、実施例の燃料電池のセル電圧は、セル温度の全域に渡って、比較例の燃料電池よりも高くなっている。特に、セル温度が燃料電池の平均運転温度Tavg(例えば約80℃程度)より高くなったときに、その差が顕著となっている。このように、本実施形態のアノードプレート20(図2)における流路溝の形状は、比較例のアノードプレート20a(図6)における流路溝の形状より好ましいことがわかる。 From the graph of FIG. 9, the cell voltage of the fuel cell of the example is higher than that of the fuel cell of the comparative example over the entire cell temperature. In particular, when the cell temperature becomes higher than the average operating temperature T avg (for example, about 80 ° C.) of the fuel cell, the difference becomes remarkable. Thus, it can be seen that the shape of the flow channel in the anode plate 20 (FIG. 2) of the present embodiment is preferable to the shape of the flow channel in the anode plate 20a (FIG. 6) of the comparative example.

また、実施例の燃料電池では、アノード電極2側における水素の流速が上流側ほど速くなるように構成されている。そのため、水素上流側における電解質膜1の乾燥をより促進させることができるとともに、アノード電極2側における水素下流側への水分移動を促進させることができ、膜電極接合体5の水分布をより効果的に改善することができる。なお、アノードプレート20の流路溝は、水素流路位置Xが0〜1/2の範囲において上流側ほど水素流速が速い構成を有することが好ましく、0〜3/8の範囲においてそのような構成を有することが、より好ましい(図10(B))。   Further, the fuel cell of the embodiment is configured such that the hydrogen flow rate on the anode electrode 2 side becomes faster toward the upstream side. Therefore, drying of the electrolyte membrane 1 on the upstream side of hydrogen can be further promoted, and moisture movement on the downstream side of hydrogen on the anode electrode 2 side can be promoted, so that the water distribution of the membrane electrode assembly 5 can be more effective. Can be improved. In addition, it is preferable that the flow path groove of the anode plate 20 has a configuration in which the hydrogen flow rate is higher toward the upstream side in the range where the hydrogen flow position X is 0 to 1/2, and in such a range as 0 to 3/8. It is more preferable to have a structure (FIG. 10B).

このように、本実施形態の燃料電池100によれば、隔壁26によって分断された供給側併走流路溝21aと排出側併走流路溝21bとガス流路部材7とが、水素上流側の電解質膜1の乾燥を促進させる乾燥促進機構として機能する。この乾燥促進機構によって、カソード電極3側の酸素下流側からアノード電極2側の水素上流側への水分移動を促進させることができ、燃料電池100の運転に際し、フラッディングの発生による発電性能の低下を抑制できる。なお、この燃料電池100は、無加湿の酸素が供給される場合に、特にその効果を得ることが可能である。   Thus, according to the fuel cell 100 of the present embodiment, the supply side parallel flow channel groove 21a, the discharge side parallel flow channel groove 21b, and the gas flow channel member 7 separated by the partition wall 26 are used as the electrolyte upstream of the hydrogen. It functions as a drying promotion mechanism that promotes drying of the membrane 1. This drying promotion mechanism can promote the movement of moisture from the oxygen downstream side on the cathode electrode 3 side to the hydrogen upstream side on the anode electrode 2 side, and when the fuel cell 100 is operated, the power generation performance is reduced due to the occurrence of flooding. Can be suppressed. The fuel cell 100 can obtain the effect particularly when non-humidified oxygen is supplied.

B.第2実施形態:
図11は、本発明の第2実施形態としての燃料電池100Bの構成を示す概略図である。図11(A)は、アノードプレート20に換えてアノードプレート20Bが図示されている点と、ガス流路部材7中に水素の流れを示す矢印が追加されている点以外は、図1(A)とほぼ同じである。なお、この燃料電池100Bの構成は、アノードプレート20B以外は、第1実施形態の燃料電池100の構成とほぼ同じである。
B. Second embodiment:
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100B as a second embodiment of the present invention. FIG. 11A is the same as FIG. 1A except that the anode plate 20B is shown in place of the anode plate 20 and an arrow indicating the flow of hydrogen is added to the gas flow path member 7. FIG. ). The configuration of the fuel cell 100B is substantially the same as the configuration of the fuel cell 100 of the first embodiment except for the anode plate 20B.

図11(B)は、アノードプレート20Bの構成を示す概略図である。図11(B)は、第1の併走流路溝21aが省略され、第2の併走流路溝21bの長さが短縮されている点以外は、図2とほぼ同じである。このアノードプレート20Bでは、第1の連結流路溝22aと第2の併走流路溝21bとが隔壁27によって分断されている。   FIG. 11B is a schematic diagram showing the configuration of the anode plate 20B. FIG. 11B is substantially the same as FIG. 2 except that the first parallel flow channel groove 21a is omitted and the length of the second parallel flow channel groove 21b is shortened. In the anode plate 20B, the first connecting flow channel groove 22a and the second parallel flow channel groove 21b are divided by the partition wall 27.

中間プレート40を介して水素供給用マニホールド61から供給された水素は、第1の連結流路溝22aによって、発電領域GAのマニホールド配列方向に行き渡る。第1の連結流路溝22a中の水素は、2つの流路溝22a,21bの間の隔壁27の壁面に沿って、ガス流路部材7へと流入し、アノード電極2において発電反応に供されつつ、マニホールド対向方向に沿って流れる(図11(A)の矢印)。アノード電極2において反応に供されることのなかった水素は、アノード電極2の水分によって加湿された上で、第2の併走流路溝21bへと流れ、第2の連結流路溝22bおよび第2のマニホールド連通用流路溝23bを介して水素排出用マニホールド62へと排出される。   The hydrogen supplied from the hydrogen supply manifold 61 via the intermediate plate 40 is distributed in the manifold arrangement direction of the power generation area GA by the first connection flow channel groove 22a. Hydrogen in the first connecting channel groove 22a flows into the gas channel member 7 along the wall surface of the partition wall 27 between the two channel grooves 22a and 21b, and is supplied to the power generation reaction in the anode electrode 2. While flowing, it flows along the manifold facing direction (arrow in FIG. 11A). Hydrogen that has not been subjected to the reaction at the anode electrode 2 is humidified by the moisture of the anode electrode 2 and then flows into the second parallel flow channel groove 21b. 2 is discharged to the hydrogen discharge manifold 62 through the manifold communication channel groove 23b.

このように、このアノードプレート20Bによれば、第1の連結流路溝22aと第2の併走流路溝21bとの間の領域において、ガス流路部材7へ流入する水素量を第1実施形態のアノードプレート20よりも増加させることができる。また、第2の併走流路溝21bによって発電領域GAの下流側におけるアノード排ガスの排出性が向上するため、燃料電池100Bにおけるアノード電極2側からの排水性が向上し、フラッディングの発生が抑制される。即ち、第2実施形態の燃料電池100Bでは、アノードプレート20Bの第1の連結流路溝21aと、第2の併走流路溝22bと、隔壁27と、ガス流路部材7とがアノード電極2側における電解質膜1の乾燥を促進させる乾燥促進機構として機能する。   As described above, according to the anode plate 20B, the amount of hydrogen flowing into the gas flow path member 7 in the region between the first connection flow path groove 22a and the second parallel flow path groove 21b is reduced in the first implementation. The number of anode plates 20 can be increased. In addition, the second parallel running channel groove 21b improves the discharge performance of the anode exhaust gas on the downstream side of the power generation area GA, so that the drainage performance from the anode electrode 2 side in the fuel cell 100B is improved and the occurrence of flooding is suppressed. The That is, in the fuel cell 100B of the second embodiment, the first connecting channel groove 21a, the second parallel channel groove 22b, the partition wall 27, and the gas channel member 7 of the anode plate 20B are the anode electrode 2. It functions as a drying promotion mechanism that promotes drying of the electrolyte membrane 1 on the side.

なお、第1の連結流路溝22aと第2の併走流路溝21bの上流端との間の隔壁27は、水素上流端から水素下流端に至る全範囲のうちの上流側の1/2の範囲内に設けられていることが好ましく、上流側の3/8の範囲内に設けられていることがより好ましい。これによって、当該範囲に相当する領域においてアノード電極2の乾燥を促進させることができる。   The partition wall 27 between the first connecting channel groove 22a and the upstream end of the second parallel channel groove 21b is 1/2 of the upstream side of the entire range from the hydrogen upstream end to the hydrogen downstream end. Preferably, it is provided within the range of 3/8, and more preferably within the range of 3/8 on the upstream side. Thereby, drying of the anode electrode 2 can be promoted in a region corresponding to the range.

このように、第2実施形態の燃料電池100Bによれば、第1実施形態の燃料電池100と同様に、カソード電極3の酸素下流側からアノード電極2の水素上流側への水分移動を促進させることができ、フラッディングの発生を抑制することができる。   Thus, according to the fuel cell 100B of the second embodiment, the movement of moisture from the oxygen downstream side of the cathode electrode 3 to the hydrogen upstream side of the anode electrode 2 is promoted as in the fuel cell 100 of the first embodiment. And generation of flooding can be suppressed.

C.第3実施形態:
図12は、本発明の第3実施形態としての燃料電池100Cの構成を示す概略図である。燃料電池100Cは、発電モジュールである単セル110と、温度制御プレート210とを備えており、単セル110と温度制御プレート210とが交互に積層されたスタック構造を有する。単セル110は、シール一体型膜電極接合体10と、アノードプレート20Cと、カソードプレート30Cと、ガス流路部材7とを備える。シール一体型膜電極接合体10およびガス流路部材7は、第1実施形態で説明したものと同じである。アノードプレート20Cおよびカソードプレート30Cは、シール一体型膜電極接合体10を両側から狭持するセパレータとして機能する。
C. Third embodiment:
FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell 100C as the third embodiment of the present invention. The fuel cell 100C includes a single cell 110 that is a power generation module and a temperature control plate 210, and has a stack structure in which the single cells 110 and the temperature control plate 210 are alternately stacked. The single cell 110 includes a seal-integrated membrane electrode assembly 10, an anode plate 20C, a cathode plate 30C, and a gas flow path member 7. The seal-integrated membrane electrode assembly 10 and the gas flow path member 7 are the same as those described in the first embodiment. The anode plate 20C and the cathode plate 30C function as a separator that holds the seal-integrated membrane electrode assembly 10 from both sides.

図13(A),(B)はそれぞれ、アノードプレート20Cおよびカソードプレート30Cの構成を示す概略図である。図13(A)は、アノードプレート20Cのアノード対向面を示しており、第1と第2のマニホールド連通用流路溝23a,23bと2つの貫通孔25a,25bとが設けられていない点以外は、図6とほぼ同じである。なお、アノードプレート20Cには、第1と第2の連結流路溝22a,22bのそれぞれと、水素用のマニホールド61,62のそれぞれとを連通する連通流路が設けられているが、その図示は省略されている。   FIGS. 13A and 13B are schematic views showing the configurations of the anode plate 20C and the cathode plate 30C, respectively. FIG. 13A shows the anode facing surface of the anode plate 20C, except that the first and second manifold communication channel grooves 23a and 23b and the two through holes 25a and 25b are not provided. Is substantially the same as FIG. The anode plate 20C is provided with a communication channel that connects the first and second connection channel grooves 22a and 22b and the hydrogen manifolds 61 and 62, respectively. Is omitted.

図13(B)は、カソードプレート30Cのカソード対向面を示しており、第1と第2のマニホールド連通用流路溝33a,33bと2つの貫通孔35a,35bとが設けられていない点以外は、図4とほぼ同じである。なお、カソードプレート30Cには、第1と第2の連結流路溝32a,32bのそれぞれと、酸素用のマニホールド63,64のそれぞれとを連通する連通流路が設けられているが、図示は省略されている。   FIG. 13B shows the cathode facing surface of the cathode plate 30C, except that the first and second manifold communication channel grooves 33a and 33b and the two through holes 35a and 35b are not provided. Is substantially the same as FIG. The cathode plate 30C is provided with a communication channel that communicates the first and second connection channel grooves 32a and 32b with the oxygen manifolds 63 and 64, respectively. It is omitted.

ここで、図13(A),(B)にはそれぞれ、燃料電池100Cの運転する際のアノードプレート20Cおよびカソードプレート30Cにおける水素と酸素の流れを矢印によって示してある。なお、上述した図示されていない連通流路における水素および酸素の流れは破線矢印で示してある。このように、第3実施形態の燃料電池100Cでは、上述の第2実施形態の燃料電池100Bと同様に、発電領域GAにおいて、水素と酸素の流れ方向が互いに対向し合っている。なお、図12のガス流路部材7中には、各単セル110における水素と酸素の流れ方向をそれぞれ白矢印と黒矢印とで図示してある。   Here, in FIGS. 13A and 13B, the flow of hydrogen and oxygen in the anode plate 20C and the cathode plate 30C when the fuel cell 100C is operated is indicated by arrows, respectively. Note that the flow of hydrogen and oxygen in the communication channel (not shown) described above is indicated by broken-line arrows. Thus, in the fuel cell 100C of the third embodiment, the flow directions of hydrogen and oxygen are opposed to each other in the power generation region GA, similarly to the fuel cell 100B of the second embodiment described above. In the gas flow path member 7 of FIG. 12, the flow directions of hydrogen and oxygen in each single cell 110 are shown by white arrows and black arrows, respectively.

温度制御プレート210(図12)は、単セル110とほぼ同じサイズの導電性の板状部材であり、内部にペルチェ素子211を収容している。ペルチェ素子211は、第1と第2の面201,202を有しており、外部電源(図示せず)からの電力供給を受けることにより、第1の面201が加熱部として機能し、第2の面202が冷却部として機能する。ペルチェ素子211は、第1の面201がアノードプレート20Cと対向し、第2の面202がカソードプレート30Cと対向するように配置されている。なお、ペルチェ素子211は、電力の供給を受けていない状態において、第1の面201と第2の面202との間に温度差が生じているときには、その温度差によって発電することが可能である。   The temperature control plate 210 (FIG. 12) is a conductive plate-like member having almost the same size as the single cell 110, and houses the Peltier element 211 therein. The Peltier element 211 has first and second surfaces 201 and 202. By receiving power from an external power source (not shown), the first surface 201 functions as a heating unit. The second surface 202 functions as a cooling unit. The Peltier element 211 is disposed such that the first surface 201 faces the anode plate 20C and the second surface 202 faces the cathode plate 30C. Note that the Peltier element 211 can generate electric power by the temperature difference when there is a temperature difference between the first surface 201 and the second surface 202 in a state where power is not supplied. is there.

図14は、シール一体型膜電極接合体10に対するペルチェ素子211の配置位置を説明するための説明図である。図14は、発電領域GA内の水素上流側に、領域haを示すハッチングが付されている点以外は、図1(B)とほぼ同じである。ペルチェ素子211は領域haを加熱可能なように、温度制御プレート210内に1個または複数個が配置される。   FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining an arrangement position of the Peltier element 211 with respect to the seal-integrated membrane electrode assembly 10. FIG. 14 is substantially the same as FIG. 1B except that hatching indicating the region ha is added to the hydrogen upstream side in the power generation region GA. One or a plurality of Peltier elements 211 are arranged in the temperature control plate 210 so that the region ha can be heated.

ここで、発電領域GAの水素上流端を0とし、水素下流端を1とするマニホールド対向方向に沿った仮想数直線NLを想定する。このとき、領域haは、仮想数直線NLの0〜1/2の範囲に相当する範囲で設けられた領域であることが好ましく、仮想数直線NL上の0〜3/8の範囲に相当する範囲で設けられた領域であることがより好ましい。この領域haにおけるアノード電極2側の水素の流路をペルチェ素子211で加熱することにより、領域haにおける膜電極接合体5の乾燥を促進させて、カソード電極3の酸素下流側からアノード電極2の水素上流側へと移動する水分量を増加させることができる。即ち、この燃料電池100Cでは、ペルチェ素子211の第1の面201が、アノード電極2側において水素上流側の電解質膜1の乾燥を促進する乾燥促進機構として機能する。   Here, an imaginary number straight line NL is assumed along the manifold facing direction where the hydrogen upstream end of the power generation region GA is 0 and the hydrogen downstream end is 1. At this time, the region ha is preferably a region provided in a range corresponding to a range of 0 to 1/2 of the virtual number line NL, and corresponds to a range of 0 to 3/8 on the virtual number line NL. A region provided in a range is more preferable. By heating the hydrogen flow path on the anode electrode 2 side in the region ha by the Peltier element 211, drying of the membrane electrode assembly 5 in the region ha is promoted, and the anode electrode 2 from the oxygen downstream side of the cathode electrode 3 is promoted. The amount of moisture that moves to the upstream side of hydrogen can be increased. That is, in this fuel cell 100C, the first surface 201 of the Peltier element 211 functions as a drying promotion mechanism that promotes drying of the electrolyte membrane 1 on the hydrogen upstream side on the anode electrode 2 side.

ところで、ペルチェ素子211によれば、アノード電極2の水素上流側を加熱するとともに、カソード電極3の酸素下流側を冷却することが可能である。これによって、カソード電極3の酸素下流側における水蒸気の液化が促進され、水分濃度勾配に従ったアノード電極2側への水分移動をさらに促進させることが可能である。   By the way, according to the Peltier element 211, it is possible to heat the upstream side of hydrogen of the anode electrode 2 and cool the downstream side of oxygen of the cathode electrode 3. As a result, the liquefaction of water vapor on the oxygen downstream side of the cathode electrode 3 is promoted, and the moisture movement toward the anode electrode 2 according to the moisture concentration gradient can be further promoted.

なお、温度制御プレート210(図12)には、シール一体型膜電極接合体10と同様に、マニホールド61〜66が設けられている。また、温度制御プレート210には、冷媒用のマニホールド65,66を連結する冷媒のための流路が、ペルチェ素子211の配置位置を避けて設けられているが、その図示は省略する。温度制御プレート210は、導電性の部材で構成されることが好ましい。これによって、アノードプレート20Cとカソードプレート30Cとの間の導電パスを形成することができる。   The temperature control plate 210 (FIG. 12) is provided with manifolds 61 to 66 like the seal-integrated membrane electrode assembly 10. Further, although the temperature control plate 210 is provided with a flow path for the refrigerant connecting the refrigerant manifolds 65 and 66 so as to avoid the arrangement position of the Peltier element 211, the illustration thereof is omitted. The temperature control plate 210 is preferably composed of a conductive member. Thereby, a conductive path between the anode plate 20C and the cathode plate 30C can be formed.

図15は、ペルチェ素子211による燃料電池100Cの発電性能の変化を説明するための説明図である。図15のグラフには、ペルチェ素子211によってアノード電極2の上流側を加熱しつつ燃料電池100Cを運転したときのセル温度に対するセル電圧の変化をグラフGhにより示してある。また、図15のグラフには、比較例として、ペルチェ素子211による加熱を停止したままで燃料電池100Cを運転したときのセル温度に対するセル電圧の変化をグラフGuhによって示してある。なお、燃料電池100Cは、ペルチェ素子211によって上述した仮想数直線NL上の0〜3/8の範囲に相当する範囲で設けられた領域haを加熱した。また、燃料電池100Cには水素および酸素を無加湿で供給し、各単セル110には一定の電流を出力させた。 FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining a change in the power generation performance of the fuel cell 100 </ b> C by the Peltier element 211. In the graph of FIG. 15, a change in the cell voltage with respect to the cell temperature when the fuel cell 100 </ b> C is operated while the upstream side of the anode electrode 2 is heated by the Peltier element 211 is shown by a graph G h . Further, in the graph of FIG. 15, as a comparative example, a graph Guh shows a change in the cell voltage with respect to the cell temperature when the fuel cell 100 </ b> C is operated while the heating by the Peltier element 211 is stopped. In addition, the fuel cell 100C heated the region ha provided in the range corresponding to the range of 0 to 3/8 on the virtual number line NL described above by the Peltier element 211. Further, hydrogen and oxygen were supplied to the fuel cell 100C without humidification, and a constant current was output to each unit cell 110.

これらのグラフGh,Guhが示すように、燃料電池100Cでは、ペルチェ素子211による加熱を実行した場合の方が、比較的高いセル温度T(例えば70℃程度)においてセル電圧が高くなっている。これは、上述したように、ペルチェ素子211による加熱または冷却によってアノード電極2の水素上流側においてカソード電極3からの水分移動が促進されているためであると推察できる。 As shown in these graphs G h and G uh , in the fuel cell 100C, the cell voltage becomes higher at a relatively high cell temperature T (for example, about 70 ° C.) when heating by the Peltier element 211 is performed. Yes. As described above, it can be inferred that moisture movement from the cathode electrode 3 is promoted on the hydrogen upstream side of the anode electrode 2 by heating or cooling by the Peltier element 211.

ところで、比較的低いセル温度Tより低い場合には、燃料電池100Cにおけるセル電圧は、ペルチェ素子211を駆動せずに発電した場合の方が高い。これは、このセル温度以下の場合には、各単セル110における水分分布が比較的均一な状態であるためであると推察される(図7)。従って、このセル温度以下の温度では、燃料電池100Cは、ペルチェ素子211の駆動を停止させて運転することが好ましい。そこで、この燃料電池100Cを以下に説明する燃料電池システム200において適切に運転制御することにより、より効果的に発電させることが可能である。   By the way, when the temperature is lower than the relatively low cell temperature T, the cell voltage in the fuel cell 100C is higher when power is generated without driving the Peltier element 211. This is presumed to be because the moisture distribution in each single cell 110 is relatively uniform when the temperature is below this cell temperature (FIG. 7). Therefore, at a temperature equal to or lower than the cell temperature, the fuel cell 100C is preferably operated with the driving of the Peltier element 211 stopped. Therefore, it is possible to generate power more effectively by appropriately controlling the operation of the fuel cell 100C in the fuel cell system 200 described below.

図16は、燃料電池100Cを用いた燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム200は、燃料電池100Cと、ペルチェ素子制御部220と、外部蓄電池230と、セル抵抗モニタ240と、制御部250とを備える。なお、この燃料電池システム200では、燃料電池100Cに水素とともに、無加湿の酸素を供給して発電させる。   FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system using the fuel cell 100C. The fuel cell system 200 includes a fuel cell 100C, a Peltier element control unit 220, an external storage battery 230, a cell resistance monitor 240, and a control unit 250. In the fuel cell system 200, non-humidified oxygen is supplied to the fuel cell 100C together with hydrogen to generate power.

制御部250は、例えば、マイクロコンピュータによって構成することができ、外部負荷(図示せず)の要求に応じて反応ガスを供給するなど、燃料電池100Cの運転に関する制御を実行する。外部蓄電池230は充放電が可能な外部電源であり、ペルチェ素子制御部220を介して、燃料電池100Cに設けられた各ペルチェ素子211と接続されている。ペルチェ素子制御部220は、例えば、DC/DCコンバータを備えており、外部蓄電池230からのペルチェ素子211への電力供給や、ペルチェ素子211において発電された電気の外部蓄電池230への充電を制御する。セル抵抗モニタ240は、各単セル110の抵抗値(セル抵抗)を検出し、制御部250に送信する。制御部250は、セル抵抗モニタ240が検出したセル抵抗の値に基づいた制御を実行する。   The control unit 250 can be configured by, for example, a microcomputer, and executes control related to the operation of the fuel cell 100C, such as supplying a reactive gas in response to a request from an external load (not shown). The external storage battery 230 is an external power source that can be charged and discharged, and is connected to each Peltier element 211 provided in the fuel cell 100 </ b> C via the Peltier element control unit 220. The Peltier element control unit 220 includes, for example, a DC / DC converter, and controls power supply from the external storage battery 230 to the Peltier element 211 and charging of the electricity generated by the Peltier element 211 to the external storage battery 230. . The cell resistance monitor 240 detects the resistance value (cell resistance) of each single cell 110 and transmits it to the control unit 250. The control unit 250 executes control based on the value of the cell resistance detected by the cell resistance monitor 240.

図17は、燃料電池システム200における制御部250による制御手順を示すフローチャートである。この制御手順は、燃料電池100Cの運転継続中に制御部250が定期的に実行する。ステップS10では、制御部250は、セル抵抗モニタ240によって、各単セル110のセル抵抗Rを検出する。   FIG. 17 is a flowchart showing a control procedure by the control unit 250 in the fuel cell system 200. This control procedure is periodically executed by the control unit 250 while the operation of the fuel cell 100C is continued. In step S <b> 10, the control unit 250 detects the cell resistance R of each single cell 110 using the cell resistance monitor 240.

ここで、無加湿の酸素が供給される燃料電池においては、運転温度が上昇すると、酸素の下流側で局所的なフラッディングが発生する場合があり、この場合には、膜電極接合体の酸素上流側における乾燥度が高くなる(図8)。一般に、セル抵抗は、単セルに含まれる膜電極接合体において乾燥度が高い領域が多くなると高くなる傾向にある。従って、この燃料電池システム200では、セル抵抗Rの値が大きい単セル110ほど、カソード電極3の下流側においてフラッディングが発生している可能性が高くなる。即ち、この燃料電池システム200では、セル抵抗Rを膜電極接合体5の乾燥度に関連づけられた値として検出している。   Here, in a fuel cell supplied with non-humidified oxygen, when the operating temperature rises, local flooding may occur on the downstream side of oxygen, and in this case, oxygen upstream of the membrane electrode assembly may occur. The dryness on the side increases (FIG. 8). In general, cell resistance tends to increase as the number of regions with high dryness increases in a membrane electrode assembly included in a single cell. Therefore, in this fuel cell system 200, the possibility of flooding occurring on the downstream side of the cathode electrode 3 increases as the unit cell 110 has a larger cell resistance R value. That is, in the fuel cell system 200, the cell resistance R is detected as a value related to the dryness of the membrane electrode assembly 5.

ステップS20では、制御部250は、各単セル110のセル抵抗Rと予め設定された閾値Rupperとを比較する。制御部250は、各単セル110のセル抵抗Rのうち1つでも閾値Rupper以上であった場合には、燃料電池100Cにおいてフラッディングが発生している可能性が高いと判定する。この場合には、制御部250は、ペルチェ素子制御部220によって外部蓄電池230に放電させ、ペルチェ素子211によるアノード電極2側の加熱(カソード電極3側の冷却)を開始させる(ステップS30)。 In step S20, the controller 250 compares the cell resistance R of each single cell 110 with a preset threshold value Rupper . When at least one of the cell resistances R of each single cell 110 is equal to or higher than the threshold value R upper , the control unit 250 determines that there is a high possibility that flooding has occurred in the fuel cell 100C. In this case, the control unit 250 causes the Peltier element control unit 220 to discharge the external storage battery 230, and starts heating of the anode electrode 2 side (cooling of the cathode electrode 3 side) by the Peltier element 211 (step S30).

一方、各単セル110のセル抵抗Rがいずれも閾値Rupperより低い値であった場合には、制御部250は、ペルチェ素子211への外部蓄電池230からの電力の供給を開始することなく、燃料電池100Cの運転を継続する(ステップS40)。あるいは、ペルチェ素子211に外部蓄電池230からの電力供給が既に開始されている場合には、制御部250は、その電力供給を停止させ、ペルチェ素子211による加熱/冷却処理を停止させる。なお、このとき、ペルチェ素子制御部220は、ペルチェ素子211に発電させるものとしても良く、この場合には、その発電された電気を外部蓄電池230に充電するものとしても良い。 On the other hand, when the cell resistance R of each single cell 110 is a value lower than the threshold value R upper , the control unit 250 does not start supplying power from the external storage battery 230 to the Peltier element 211. The operation of the fuel cell 100C is continued (step S40). Alternatively, when power supply from the external storage battery 230 has already been started to the Peltier element 211, the control unit 250 stops the power supply and stops the heating / cooling process by the Peltier element 211. At this time, the Peltier element control unit 220 may cause the Peltier element 211 to generate power, and in this case, the generated electricity may be charged to the external storage battery 230.

このように、この燃料電池システム200では、膜電極接合体の乾燥度合いに関連づけられた値としてセル抵抗を検出することにより、燃料電池100Cにおけるフラッディングの発生の可能性を検出する。そして、フラッディングの発生している可能性が高いと判定した場合には、燃料電池100Cの発電性能の低下を抑制するために、ペルチェ素子211による温度制御を開始する。なお、閾値Rupperとしては、予め実験によって得られたフラッディングの発生している可能性が高いときのセル抵抗に相当する値が設定されていることが好ましい。また、閾値Rupperとしては、予め実験等によって得られた、セル温度が温度T(図15)や燃料電池の平均運転温度より高いときのセル抵抗に相当する値が設定されているものとしても良い。 Thus, in this fuel cell system 200, the possibility of occurrence of flooding in the fuel cell 100C is detected by detecting the cell resistance as a value associated with the degree of drying of the membrane electrode assembly. When it is determined that there is a high possibility that flooding has occurred, temperature control by the Peltier element 211 is started in order to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell 100C. The threshold value R upper is preferably set to a value corresponding to the cell resistance when there is a high possibility of occurrence of flooding obtained in advance by experiments. Further, as the threshold value R upper , a value corresponding to the cell resistance obtained when the cell temperature is higher than the temperature T (FIG. 15) or the average operating temperature of the fuel cell, which is obtained in advance through experiments or the like, is set good.

このように、第3実施形態の燃料電池100Cによれば、ペルチェ素子211による単セル110の温度制御により、各単セル110における水分分布を改善することができ、運転中の燃料電池100Cの発電性能の低下を抑制できる。また、この燃料電池100Cを用いた燃料電池システム200によれば、フラッディングが発生している可能性が高い場合に、ペルチェ素子211による温度制御を開始するため、燃料電池100Cに効率よく発電させることが可能である。   Thus, according to the fuel cell 100C of the third embodiment, the temperature distribution of each single cell 110 can be improved by the temperature control of the single cell 110 by the Peltier element 211, and the power generation of the operating fuel cell 100C can be achieved. A decrease in performance can be suppressed. In addition, according to the fuel cell system 200 using the fuel cell 100C, when the possibility of flooding is high, temperature control by the Peltier element 211 is started, so that the fuel cell 100C can efficiently generate power. Is possible.

D.第4実施形態:
図18は、本発明の第4実施形態としてのシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図である。図18(A)〜(C)にはそれぞれ、実施例1〜3のシール一体型膜電極接合体10D1〜10D3が図示されている。各実施例1〜3のシール一体型膜電極接合体10D1〜10D3の構成は、構成の異なるアノード電極2Dを有する点以外は、図1で説明したシール一体型膜電極接合体10の構成とほぼ同じである。なお、図18では、紙面に向かって左側が水素上流側であり、紙面に向かって右側が水素下流側である。
D. Fourth embodiment:
FIG. 18 is a schematic view showing a configuration of a seal-integrated membrane electrode assembly as a fourth embodiment of the present invention. Each of the FIG. 18 (A) ~ (C) , the seal-integrated type membrane electrode assembly 10D 1 ~10D 3 of Examples 1 to 3 are shown. The configurations of the seal-integrated membrane electrode assemblies 10D 1 to 10D 3 in Examples 1 to 3 are the configurations of the seal-integrated membrane electrode assembly 10 described with reference to FIG. 1 except that the anode electrodes 2D have different configurations. Is almost the same. In FIG. 18, the left side toward the paper surface is the hydrogen upstream side, and the right side toward the paper surface is the hydrogen downstream side.

各実施例1〜3のシール一体型膜電極接合体10D1〜10D3のアノード電極2Dは、構成部材の比率が異なる2つのアノード領域2a,2bを有している。具体的には、2つのアノード領域2a,2bは以下の範囲に設けられる。なお、以下の説明においては、いずれの実施例および比較例においても、第1と第2のアノード領域2a,2bは、発電領域GAのマニホールド配列方向に渡って設けられているものとする。 The anode electrode 2D of the seal-integrated type membrane electrode assembly 10D 1 ~10D 3 of the Examples 1-3, two anode region 2a where the ratio of the components are different, and a 2b. Specifically, the two anode regions 2a and 2b are provided in the following ranges. In the following description, the first and second anode regions 2a and 2b are assumed to be provided in the manifold arrangement direction of the power generation region GA in any of the examples and comparative examples.

ここで、発電領域GAにおける水素上流端を0とし、水素下流端を1とするマニホールド対向方向に沿った仮想数直線NLを想定する。このとき、実施例1のシール一体型膜電極接合体10D1では、この仮想数直線上における3/8の位置に相当する位置を境界として、水素上流側に第1のアノード領域2aが設けられ、水素下流側に第2のアノード領域2bが設けられている(図18(A))。 Here, a hypothetical number line NL is assumed along the manifold facing direction in which the hydrogen upstream end in the power generation region GA is 0 and the hydrogen downstream end is 1. At this time, in the seal-integrated membrane electrode assembly 10D 1 of Example 1, the first anode region 2a is provided on the hydrogen upstream side with a position corresponding to the position of 3/8 on the imaginary number line as a boundary. The second anode region 2b is provided on the downstream side of hydrogen (FIG. 18A).

実施例2のシール一体型膜電極接合体10D2では、第1のアノード領域2aは、仮想数直線NL上の1/8の位置に相当する位置から、仮想数直線NL上の3/8の位置に相当する位置までの間に設けられている(図18(B))。また、実施例2のシール一体型膜電極接合体10D2では、第1のアノード領域2a以外の領域に、第2のアノード領域2bが設けられている。実施例3のシール一体型膜電極接合体10D3では、仮想数直線NL上の1/4の位置に相当する位置を境界として水素上流側に第1のアノード領域2aが設けられ、水素下流側に第2のアノード領域2bが設けられている(図18(C))。 In the seal-integrated membrane / electrode assembly 10D 2 of Example 2, the first anode region 2a is moved from the position corresponding to 1/8 on the virtual number line NL to 3/8 on the virtual number line NL. It is provided up to a position corresponding to the position (FIG. 18B). Further, the seal-integrated type membrane electrode assembly 10D 2 of Example 2, in a region other than the first anode region 2a, the second anode region 2b is provided. In the seal-integrated membrane electrode assembly 10D 3 of Example 3, the first anode region 2a is provided on the upstream side of hydrogen with a position corresponding to 1/4 position on the imaginary number line NL as a boundary, and the downstream side of hydrogen Is provided with a second anode region 2b (FIG. 18C).

ここで、各シール一体型膜電極接合体10D1〜10D3の電解質膜1は、次のように製造した。まず、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体(イオン交換基容量約1.0meq/g)を、水およびアルコール類を含む溶媒中に溶解させて、電解質溶液を準備した。そして、その電解質溶液を塗布・乾燥させることにより電解質膜1とした。 Here, the electrolyte membrane 1 of each of the seal-integrated membrane electrode assemblies 10D 1 to 10D 3 was manufactured as follows. First, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group (ion exchange group capacity of about 1.0 meq / g) was dissolved in a solvent containing water and alcohols to prepare an electrolyte solution. And the electrolyte membrane 1 was set by apply | coating and drying the electrolyte solution.

また、カソード電極3は、上記の電解質溶液と、白金触媒の重量比が約0.5である触媒担持カーボンブラックとを、電解質と触媒担持カーボンブラックとの質量比が1.0:0.3となるように混合して得た触媒インクにより形成した。なお、カソード電極3は、単位面積あたりの白金含有量が0.5mg/cm2となるように形成した。 In addition, the cathode electrode 3 includes the above electrolyte solution and a catalyst-carrying carbon black having a platinum catalyst weight ratio of about 0.5, and a mass ratio of the electrolyte to the catalyst-carrying carbon black of 1.0: 0.3. It was formed with a catalyst ink obtained by mixing so that The cathode electrode 3 was formed so that the platinum content per unit area was 0.5 mg / cm 2 .

さらに、第1のアノード領域2aを形成するための触媒インクは、上記電解質溶液と、白金触媒の重量比が約0.5である触媒担持カーボンブラックとを、電解質と触媒担持カーボンブラックとの質量比が1.0:0.5となるように混合して得た。第2のアノード領域2bを形成するための触媒インクは、上記電解質溶液と、白金触媒の重量比が約0.5である触媒担持カーボンブラックとを、電解質と触媒担持カーボンブラックとの質量比が1.0:0.2となるように混合して得た。アノード電極2Dは、これらの触媒インクをそれぞれ、電解質膜1の第1と第2のアノード領域2a,2bを形成する領域に塗布・乾燥させて形成した。なお、アノード電極2Dは、第1と第2のアノード領域2a,2bのいずれにおいても、単位面積あたりの白金含有量が0.2mg/cm2となるように形成した。 Further, the catalyst ink for forming the first anode region 2a includes the electrolyte solution and catalyst-supported carbon black having a platinum catalyst weight ratio of about 0.5, and the mass of the electrolyte and the catalyst-supported carbon black. It was obtained by mixing so that the ratio was 1.0: 0.5. The catalyst ink for forming the second anode region 2b includes the above electrolyte solution and a catalyst-supported carbon black having a platinum catalyst weight ratio of about 0.5, and a mass ratio of the electrolyte to the catalyst-supported carbon black. It was obtained by mixing so that 1.0: 0.2. The anode electrode 2D was formed by applying and drying these catalyst inks to the regions where the first and second anode regions 2a and 2b of the electrolyte membrane 1 were formed. The anode electrode 2D was formed so that the platinum content per unit area was 0.2 mg / cm 2 in both the first and second anode regions 2a and 2b.

ここで、水銀圧入法によってアノード電極2Dの空隙率を測定したところ、第1のアノード領域2aにおける空隙率が約60%であり、第2のアノード領域2bにおける空隙率が約30%であった。一般に、水の多孔体中における拡散係数は、多孔体の空隙率が大きいほど大きくなる(下記(2)式)。
po=ε1.5・Dgp …(2)
なお、Dpoは水の多孔体中における拡散係数であり、Dgpは水の気相中における拡散係数であり、εは多孔体の空隙率である。即ち、第1のアノード領域2aの方が、第2のアノード領域2bよりもよりも乾燥しやすい傾向にある。また、上記の第1実施形態で説明した式(1)において、第1のアノード領域2aにおけるDc-aは、第2のアノード領域2bにおけるDc-aより大きくなる。即ち、これらの実施例1〜3のシール一体型膜電極接合体10D1〜10D3では、第1のアノード領域2aの方が第2のアノード領域2bより、カソード電極3側からの排水量が多くなる。
Here, when the porosity of the anode electrode 2D was measured by mercury porosimetry, the porosity in the first anode region 2a was about 60%, and the porosity in the second anode region 2b was about 30%. . Generally, the diffusion coefficient in the porous body of water increases as the porosity of the porous body increases (the following formula (2)).
D po = ε 1.5 · D gp (2)
D po is the diffusion coefficient in the porous body of water, D gp is the diffusion coefficient in the gas phase of water, and ε is the porosity of the porous body. That is, the first anode region 2a tends to dry more easily than the second anode region 2b. Further, in the equation (1) described in the first embodiment, D ca in the first anode region 2a is larger than D ca in the second anode region 2b. That is, in these seal-integrated membrane electrode assemblies 10D 1 to 10D 3 of Examples 1 to 3 , the first anode region 2a has a larger drainage amount from the cathode electrode 3 side than the second anode region 2b. Become.

図19(A)〜(D)はそれぞれ、第4実施形態における比較例1〜4のシール一体型膜電極接合体10d1〜10d4の構成を示す概略図である。これらの比較例1〜4のシール一体型膜電極接合体10d1〜10d4は、第1と第2のアノード領域2a,2bの形成される位置が異なるアノード電極2Dを有している点以外は、実施例1〜3のシール一体型膜電極接合体10D1〜10D2と同様である。なお、図19(A)〜(D)には、図18で説明したのと同様な仮想数直線NLが図示されている。 Figure 19 (A) ~ (D) are each a schematic diagram showing the structure of a seal-integrated type membrane electrode assembly 10d 1 ~10d 4 of Comparative Examples 1 to 4 in the fourth embodiment. Seal-integrated type membrane electrode assembly 10d 1 ~10d 4 of these Comparative Examples 1 to 4, except that the first and second anode regions 2a, 2b position formed of have different anode electrode 2D These are the same as the seal-integrated membrane electrode assemblies 10D 1 to 10D 2 of Examples 1 to 3. Note that FIGS. 19A to 19D illustrate a virtual number line NL similar to that described in FIG.

比較例1のシール一体型膜電極接合体10d1のアノード電極2Dには、第2のアノード領域2bのみが設けられている(図19(A))。比較例2のシール一体型膜電極接合体10d2では、仮想数直線NL上の1/4〜1/2の範囲に相当する範囲の領域に第1のアノード領域2aが設けられている(図19(B))。また、比較例2のシール一体型膜電極接合体10d2では、第1のアノード領域2a以外の領域に、第2のアノード領域2bが設けられている。 The anode electrode 2D of the seal-integrated type membrane electrode assembly 10d 1 of Comparative Example 1, only the second anode region 2b is provided (FIG. 19 (A)). In seal-integrated type membrane electrode assembly 10d 2 of Comparative Example 2, the first anode region 2a is provided in the region of the range corresponding to the range of 1 / 4-1 / 2 of the number of virtual straight line NL (Fig. 19 (B)). Further, the seal-integrated type membrane electrode assembly 10d 2 of Comparative Example 2, in a region other than the first anode region 2a, the second anode region 2b is provided.

比較例3のシール一体型膜電極接合体10d3では、仮想数直線上の1/2の位置に相当する位置を境界として、発電領域GAの水素上流側に第1のアノード領域2aが設けられ、水素下流側に第2のアノード領域2bが設けられている(図19(C))。比較例4のシール一体型膜電極接合体10d4では、逆に、発電領域GAの水素上流側の半分の領域に第2のアノード領域2bが設けられ、水素下流側の半分の領域に第1のアノード領域2aが設けられている(図19(D))。 In the seal-integrated membrane electrode assembly 10d 3 of Comparative Example 3, the first anode region 2a is provided on the hydrogen upstream side of the power generation region GA with a position corresponding to a position corresponding to 1/2 of the imaginary number line as a boundary. The second anode region 2b is provided on the downstream side of hydrogen (FIG. 19C). In the seal-integrated membrane electrode assembly 10d 4 of Comparative Example 4, conversely, the second anode region 2b is provided in the half region on the hydrogen upstream side of the power generation region GA, and the first region in the half region on the downstream side of hydrogen. The anode region 2a is provided (FIG. 19D).

図20は、上記の実施例および比較例のシール一体型膜電極接合体10D1〜10D3,10d1〜10d4を用いた燃料電池におけるセル温度に対するセル電圧の測定結果を示すグラフである。この測定において、各シール一体型膜電極接合体10D1〜10D3,10d1〜10d4のアノード電極2Dおよびカソード電極3の外表面にはガス流路部材を配置した。ガス流路部材としては、厚さ300μm程度の撥水カーボンペーパーを用いた。なお、この撥水カーボンペーパーの細孔には、カーボンブラックとPTFEとを混合した撥水性カーボン粉末を目詰めした。このガス流路部材の透水開始圧は、150kPaであった。また、セパレータとしては、第3実施形態で説明したアノードプレート20Cおよびカソードプレート30Cと同様な流路溝を有するものを用いた(図13)。 FIG. 20 is a graph showing the measurement results of the cell voltage with respect to the cell temperature in the fuel cell using the seal-integrated membrane electrode assemblies 10D 1 to 10D 3 and 10d 1 to 10d 4 of the above examples and comparative examples. In this measurement, gas flow path members were arranged on the outer surfaces of the anode electrode 2D and the cathode electrode 3 of each of the seal-integrated membrane electrode assemblies 10D 1 to 10D 3 and 10d 1 to 10d 4 . As the gas flow path member, water repellent carbon paper having a thickness of about 300 μm was used. The water repellent carbon paper was packed with water repellent carbon powder mixed with carbon black and PTFE. The water permeation start pressure of this gas flow path member was 150 kPa. In addition, as the separator, a separator having flow channel grooves similar to those of the anode plate 20C and the cathode plate 30C described in the third embodiment was used (FIG. 13).

セル電圧の測定にあたっては、それぞれの燃料電池のカソード電極3側には、化学量論比の1.5倍の量の無加湿の空気を、約50kPaGの圧力で供給した。一方、アノード電極2D側には、化学量論比の1.8倍の量の無加湿の水素を、約50kPaGの圧力で供給した。さらに、それぞれの燃料電池におけるセル温度は、60℃から次第に昇温させていき、各単セルの出力電流を約1.0A/cm2でほぼ一定に保持した。 In measuring the cell voltage, non-humidified air in an amount 1.5 times the stoichiometric ratio was supplied to the cathode 3 side of each fuel cell at a pressure of about 50 kPaG. On the other hand, non-humidified hydrogen in an amount 1.8 times the stoichiometric ratio was supplied to the anode 2D side at a pressure of about 50 kPaG. Furthermore, the cell temperature in each fuel cell was gradually raised from 60 ° C., and the output current of each single cell was kept substantially constant at about 1.0 A / cm 2 .

この測定結果から、仮想数直線NL上の3/8の位置に相当する位置より水素下流側が第2のアノード領域2bによって構成されるとともに、その水素上流側の領域に、第1のアノード領域2aが含まれていることが好ましいことがわかる。特に、実施例2のように、仮想数直線NL上の1/8〜3/8の範囲に第1のアノード領域2aが設けられ、それ以外の領域に第2のアノード領域2bが設けられていることが好ましい。第1のアノード領域2aでは第2のアノード領域2bより水分が拡散しやすいため、第1のアノード領域2aはアノード電極2Dにおいて水素上流側の電解質膜1の乾燥を促進する乾燥促進機構として機能する。従って、上述の範囲に第1のアノード領域2aを形成することにより、カソード電極3の酸素下流側からの水分移動が促進され、フラッディングの発生が抑制される。   From this measurement result, the hydrogen downstream side is constituted by the second anode region 2b from the position corresponding to the position of 3/8 on the virtual number line NL, and the first anode region 2a is located in the hydrogen upstream region. It can be seen that it is preferable to contain. In particular, as in the second embodiment, the first anode region 2a is provided in the range of 1/8 to 3/8 on the virtual number line NL, and the second anode region 2b is provided in the other region. Preferably it is. In the first anode region 2a, moisture is more easily diffused than in the second anode region 2b. Therefore, the first anode region 2a functions as a drying promotion mechanism that promotes drying of the electrolyte membrane 1 on the upstream side of hydrogen in the anode electrode 2D. . Therefore, by forming the first anode region 2a in the above-described range, moisture movement from the oxygen downstream side of the cathode electrode 3 is promoted, and flooding is suppressed.

このように、水素上流側における水の拡散係数が、水素下流側における水の拡散係数よりも高くなるように、アノード電極2Dに水の拡散性の異なる第1と第2のアノード領域2a,2bを設けることにより、燃料電池におけるフラッディングの発生を抑制することが可能である。   As described above, the first and second anode regions 2a and 2b having different water diffusivities in the anode electrode 2D so that the diffusion coefficient of water on the upstream side of hydrogen is higher than the diffusion coefficient of water on the downstream side of hydrogen. By providing this, it is possible to suppress the occurrence of flooding in the fuel cell.

E.第5実施形態:
図21は、本発明の第5実施形態としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池100Eは、第1実施形態ないし第3実施形態で説明したのと同様なシール一体型膜電極接合体10と、シール一体型膜電極接合体10を狭持するためのセパレータ15Eとが交互に積層されたスタック構造を有する。なお、図21はマニホールド対向方向に沿って見たときの図であり、各マニホールド61〜66の図示は省略されている。
E. Fifth embodiment:
FIG. 21 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell as a fifth embodiment of the present invention. This fuel cell 100E includes a seal-integrated membrane electrode assembly 10 similar to that described in the first to third embodiments, and a separator 15E for sandwiching the seal-integrated membrane electrode assembly 10. It has a stack structure that is alternately stacked. FIG. 21 is a view when viewed in the manifold facing direction, and illustration of each of the manifolds 61 to 66 is omitted.

セパレータ15Eは、アノードプレート20Eと、カソードプレート30Eとで構成される、いわゆる2層式セパレータである。2つのプレート20E,30Eはそれぞれ、厚み方向に交互に凹凸するように波板状に折り曲げられることによって、発電領域GAにおいてマニホールド対向方向に沿って併走する複数の流路溝が形成されている。   The separator 15E is a so-called two-layer separator that includes an anode plate 20E and a cathode plate 30E. Each of the two plates 20E and 30E is bent into a corrugated plate shape so as to be alternately uneven in the thickness direction, thereby forming a plurality of flow channel grooves that run along the manifold facing direction in the power generation region GA.

2つのプレート20E,30Eは、互いの流路溝同士が対向し合うように接合されてセパレータ15Eを構成する。これによって、セパレータ15Eでは、アノードプレート20Eとカソードプレート30Eとの間に冷媒流路74が形成される。また、燃料電池100Eを構成した際には、アノードプレート20Eの外側の流路溝とアノード電極2の外表面とで水素流路71が構成され、カソードプレート30Eの外側の流路溝とカソード電極3の外表面とで酸素流路72が構成される。なお、図21では、水素流路71における水素の流れ方向は紙面奥行き方向であり、酸素流路72における酸素の流れ方向は紙面手前方向である。セパレータ15Eとアノード電極2およびカソード電極3との間にはガス流路部材が配置されるものとしても良い。   The two plates 20E and 30E are joined so that the flow channel grooves face each other to form the separator 15E. As a result, in the separator 15E, a coolant channel 74 is formed between the anode plate 20E and the cathode plate 30E. Further, when the fuel cell 100E is configured, the hydrogen flow channel 71 is configured by the flow channel groove outside the anode plate 20E and the outer surface of the anode electrode 2, and the flow channel groove and cathode electrode outside the cathode plate 30E. 3, an oxygen flow path 72 is formed. In FIG. 21, the hydrogen flow direction in the hydrogen flow path 71 is the depth direction in the drawing, and the oxygen flow direction in the oxygen flow path 72 is the front direction in the drawing. A gas flow path member may be disposed between the separator 15E and the anode electrode 2 and the cathode electrode 3.

図22は、図21のA−A切断におけるセパレータ15Eおよび膜電極接合体5の断面を示す概略断面図である。なお、図22には、発電領域GAにおける水素上流端から水素下流端までが図示されており、他の部位の図示は、便宜上省略されている。   22 is a schematic cross-sectional view showing a cross section of the separator 15E and the membrane electrode assembly 5 taken along the line AA of FIG. Note that FIG. 22 illustrates from the hydrogen upstream end to the hydrogen downstream end in the power generation region GA, and the illustration of other portions is omitted for the sake of convenience.

セパレータ15Eの冷媒流路74内には、熱伝達抑制部材76が配置されている。熱伝達抑制部材76は、2つのプレート20E,30Eの熱伝達係数よりも高い熱伝達係数を有するフィルム状の樹脂部材であり、水素上流側において、アノードプレート20Eによって構成される冷媒流路74の流路壁面に貼付されている。ここで、発電領域GAの水素上流端を0とし、水素下流端を1とするマニホールド対向方向に沿った仮想数直線NLを想定する。このとき、熱伝達抑制部材76は、仮想数直線NLの0〜1/2の範囲に相当する範囲に貼付されていることが好ましく、仮想数直線NL上の0〜3/8の範囲に相当する範囲に貼付されていることが、さらに好ましい。なお、熱伝達抑制部材76は、セパレータ15Eが、ステンレス(SUS)や、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)で構成されている場合には、シリコーンポリマーやポリイミドポリマーによって構成できる。   A heat transfer suppressing member 76 is disposed in the refrigerant flow path 74 of the separator 15E. The heat transfer suppressing member 76 is a film-like resin member having a heat transfer coefficient higher than the heat transfer coefficients of the two plates 20E and 30E, and the refrigerant flow path 74 constituted by the anode plate 20E is upstream of the hydrogen. Affixed to the channel wall. Here, an imaginary number straight line NL is assumed along the manifold facing direction where the hydrogen upstream end of the power generation region GA is 0 and the hydrogen downstream end is 1. At this time, the heat transfer suppressing member 76 is preferably attached to a range corresponding to a range of 0 to 1/2 of the virtual number line NL, and corresponds to a range of 0 to 3/8 on the virtual number line NL. More preferably, it is attached to the range. The heat transfer suppressing member 76 can be made of a silicone polymer or a polyimide polymer when the separator 15E is made of stainless steel (SUS), titanium (Ti), aluminum (Al), or copper (Cu). .

図23は、膜電極接合体5から冷媒流路74への熱の移動を説明するための模式図である。図23は、図21と同様な燃料電池100Eの断面図であり、熱伝達抑制部材76が配置された部位の一部を示している。なお、図23では、熱伝達抑制部材76を破線で図示してある。燃料電池100Eの運転中には、アノード電極2側またはカソード電極3側から冷媒流路74内の冷媒に発電反応によって生じた熱が移動する。しかし、アノード電極2側には熱伝達抑制部材76が配置されているため、カソード電極3側に比較して、アノード電極2側から冷媒流路74の冷媒への熱の移動が抑制される。   FIG. 23 is a schematic diagram for explaining heat transfer from the membrane electrode assembly 5 to the refrigerant flow path 74. FIG. 23 is a cross-sectional view of the fuel cell 100E similar to that of FIG. 21, and shows a part of the portion where the heat transfer suppressing member 76 is disposed. In FIG. 23, the heat transfer suppressing member 76 is indicated by a broken line. During the operation of the fuel cell 100E, heat generated by the power generation reaction is transferred from the anode electrode 2 side or the cathode electrode 3 side to the refrigerant in the refrigerant flow path 74. However, since the heat transfer suppressing member 76 is disposed on the anode electrode 2 side, heat transfer from the anode electrode 2 side to the refrigerant in the refrigerant flow path 74 is suppressed as compared with the cathode electrode 3 side.

図24は、セパレータを構成する部材の熱伝達係数の相違による燃料電池の発電性能の変化を説明するための参考図である。図24のグラフは、セパレータの構成部材が異なる2種類の燃料電池についてのセル温度に対するセル電圧およびセル抵抗の変化の測定結果を示している。ここで、グラフV1とグラフR1は、耐腐食コーティングされたSUSによってセパレータが構成された燃料電池(「第1の燃料電池」と呼ぶ)におけるセル電圧とセル抵抗の変化を示している。一方、グラフV2とグラフR2は、耐腐食コーティングされたCuによってセパレータが構成された燃料電池(「第2の燃料電池」と呼ぶ)のセル電圧とセル抵抗の変化を示している。なお、SUSの熱伝達係数は16W/m・Kであり、Cuの熱伝達係数は390W/m・kである。また、測定対象とした燃料電池の他の構成は、第5実施形態の燃料電池と同じである。   FIG. 24 is a reference diagram for explaining a change in the power generation performance of the fuel cell due to a difference in heat transfer coefficients of members constituting the separator. The graph of FIG. 24 shows the measurement results of changes in cell voltage and cell resistance with respect to cell temperature for two types of fuel cells having different separator components. Here, graph V1 and graph R1 show changes in cell voltage and cell resistance in a fuel cell (referred to as a “first fuel cell”) in which a separator is made of SUS coated with corrosion resistance. On the other hand, graph V2 and graph R2 show changes in cell voltage and cell resistance of a fuel cell (referred to as a “second fuel cell”) in which a separator is formed of Cu coated with corrosion resistance. Note that the heat transfer coefficient of SUS is 16 W / m · K, and the heat transfer coefficient of Cu is 390 W / m · k. Moreover, the other structure of the fuel cell made into the measurement object is the same as the fuel cell of 5th Embodiment.

ここで、第1の燃料電池ではセル温度がT1より高くなったときに、セル抵抗R1が著しく増加するとともにセル電圧V1が著しく低下している。一方、第2の燃料電池ではセル温度がT2より高くなったときにセル抵抗R2が著しく増加するとともにセル電圧V2が著しく低下している。第1と第2の燃料電池ではそれぞれ、温度T1,T2よりセル温度が高くなると、電解質膜の乾燥領域の増加により、アノードとカソードとの間の抵抗が増大し、プロトン伝導性の低下による発電性能の低下が始まる。この発電性能の低下が始まる温度は、セパレータの構成部材の熱伝達係数が高い第2の燃料電池の方が著しく高い(T1<T2)。これは、熱伝達係数の高いセパレータを用いた燃料電池の方が、冷媒による冷却効果が高くなるためである。このように、一般に、セパレータの熱伝達係数が低い方が高温における燃料電池の発電性能を向上させることが可能である。   Here, in the first fuel cell, when the cell temperature becomes higher than T1, the cell resistance R1 increases remarkably and the cell voltage V1 decreases remarkably. On the other hand, in the second fuel cell, when the cell temperature becomes higher than T2, the cell resistance R2 increases remarkably and the cell voltage V2 decreases remarkably. In each of the first and second fuel cells, when the cell temperature becomes higher than the temperatures T1 and T2, the resistance between the anode and the cathode increases due to an increase in the drying region of the electrolyte membrane, and power generation due to a decrease in proton conductivity. Performance begins to decline. The temperature at which the power generation performance starts to decrease is significantly higher in the second fuel cell in which the heat transfer coefficient of the constituent members of the separator is higher (T1 <T2). This is because a fuel cell using a separator having a high heat transfer coefficient has a higher cooling effect by the refrigerant. Thus, generally, the lower the heat transfer coefficient of the separator, the better the power generation performance of the fuel cell at a high temperature.

しかし、第5実施形態の燃料電池100Eでは、熱伝達抑制部材76によって、フラッディングの発生する可能性が高い領域におけるセパレータ15Eの熱伝達係数を局所的に高くしている。これは、図8で説明したように、水素の流れ方向と酸素の流れ方向とが互いに対向し合う燃料電池において無加湿の酸素を供給した場合には、運転温度の上昇に伴い、カソードの下流側においてフラッディングが発生する可能性が高くなるためである。即ち、燃料電池100Eでは、熱伝達抑制部材76を、アノード電極2の水素上流側における水分の蒸発を促進させる乾燥促進機構として機能させることにより、カソード電極3の酸素下流側からアノード電極2への水分移動を促進させている。これによって、このセパレータ15Eを用いた燃料電池100Eでは、フラッディングの発生が抑制されている。   However, in the fuel cell 100E of the fifth embodiment, the heat transfer suppression member 76 locally increases the heat transfer coefficient of the separator 15E in a region where flooding is likely to occur. As described with reference to FIG. 8, when unhumidified oxygen is supplied in a fuel cell in which the flow direction of hydrogen and the flow direction of oxygen are opposed to each other, the downstream of the cathode increases as the operating temperature increases. This is because the possibility of occurrence of flooding on the side increases. In other words, in the fuel cell 100E, the heat transfer suppressing member 76 functions as a drying acceleration mechanism that promotes evaporation of moisture on the hydrogen upstream side of the anode electrode 2, so that the oxygen downstream side of the cathode electrode 3 is transferred to the anode electrode 2. Promotes moisture movement. Thereby, in the fuel cell 100E using the separator 15E, the occurrence of flooding is suppressed.

図25は、燃料電池100Eによる発電性能の向上を説明するための説明図である。図25には、燃料電池100Eと同様な構成を有する燃料電池においてカソード電極3側に供給するガスのストイキ比を変化させたときのセル電圧の変化を実施例のグラフGeとして示してある。ここで、「ストイキ比」とは、燃料電池の発電量に対して最低限必要なガス量と、実際に燃料電池に供給したガス量との比を意味する。また、図25には、比較例として熱伝達抑制部材76を省略した燃料電池において同様な測定を行った結果を比較例のグラフGcとして示してある。   FIG. 25 is an explanatory diagram for explaining improvement in power generation performance by the fuel cell 100E. FIG. 25 shows the change in cell voltage when the stoichiometric ratio of the gas supplied to the cathode electrode 3 side in the fuel cell having the same configuration as the fuel cell 100E is changed, as graph Ge of the example. Here, the “stoichiometric ratio” means the ratio between the minimum gas amount required for the power generation amount of the fuel cell and the gas amount actually supplied to the fuel cell. FIG. 25 shows a graph Gc of a comparative example in which the same measurement was performed in a fuel cell in which the heat transfer suppressing member 76 was omitted as a comparative example.

ここで、実施例および比較例の燃料電池のセパレータ15Eとしては、Cuに耐腐食処理を施したものを用いた。また、実施例の燃料電池において、熱伝達抑制部材76として、厚さ175μmのポリイミドフィルム(熱伝達係数0.26W/m・K)を用いた。なお、熱伝達抑制部材76は、図22で説明した仮想数直線NL上における0〜3/8の範囲に相当する範囲に配置した。   Here, as the separator 15E of the fuel cell of the example and the comparative example, a material obtained by subjecting Cu to corrosion resistance treatment was used. In the fuel cell of the example, a polyimide film (heat transfer coefficient 0.26 W / m · K) having a thickness of 175 μm was used as the heat transfer suppressing member 76. In addition, the heat transfer suppression member 76 was arrange | positioned in the range corresponded to the range of 0-3 / 8 on the virtual number straight line NL demonstrated in FIG.

測定にあたり、実施例および比較例の燃料電池にはそれぞれ、アノード電極2側に無加湿の水素を一定流量で供給し、カソード電極3側に加湿処理により湿度を80%〜100%に調整した酸素含有ガスを、約60℃の一定温度で、流量を徐々に低下させつつ供給した。測定中、燃料電池の出力電流はほぼ一定値に維持した。なお、燃料電池に供給される冷媒の流速は、燃料電池の運転中において、冷媒供給用マニホールド65における冷媒の温度と冷媒排出用マニホールド66における冷媒の温度との差が、ほぼゼロとなるように調整した。即ち、各単セルにおいて、冷媒の上流側と下流側とで、冷媒による冷却効果に差がほとんど生じていない状態で測定を行った。   In the measurement, each of the fuel cells of the example and the comparative example was supplied with non-humidified hydrogen at a constant flow rate on the anode electrode 2 side, and oxygen with humidity adjusted to 80% to 100% by humidification treatment on the cathode electrode 3 side. The contained gas was supplied at a constant temperature of about 60 ° C. while gradually decreasing the flow rate. During the measurement, the output current of the fuel cell was maintained at a substantially constant value. Note that the flow rate of the refrigerant supplied to the fuel cell is such that the difference between the refrigerant temperature in the refrigerant supply manifold 65 and the refrigerant temperature in the refrigerant discharge manifold 66 is substantially zero during operation of the fuel cell. It was adjusted. That is, in each single cell, the measurement was performed in a state where there was almost no difference in the cooling effect by the refrigerant between the upstream side and the downstream side of the refrigerant.

ここで、一般に、ストイキ比が低いほど、カソード電極3側におけるガス流量は少なくなり、カソード電極3側におけるガス流による排水性が低下してしまうため、フラッディングにより発電性能が低下しやすい状態となる。即ち、このストイキ比が低い状態における発電性能が高いほど、フラッディングの発生による発電性能の低下が抑制されていることを示している。従って、これらのグラフGe,Gcから、熱伝達抑制部材76を冷媒流路74に配置した方が、フラッディングによる発電性能の低下が抑制されていることがわかる。   Here, generally, the lower the stoichiometric ratio, the smaller the gas flow rate on the cathode electrode 3 side and the lowering of the drainage due to the gas flow on the cathode electrode 3 side. . That is, the higher the power generation performance in the state where the stoichiometric ratio is lower, the lower the power generation performance is reduced due to the occurrence of flooding. Therefore, it can be seen from these graphs Ge and Gc that the reduction in power generation performance due to flooding is suppressed when the heat transfer suppression member 76 is arranged in the refrigerant flow path 74.

また、上記の実施例の燃料電池と比較例の燃料電池に対してそれぞれ、水素と酸素とを無加湿で供給し、徐々に冷媒の温度を上昇させていくことにより、運転を継続できなくなる限界温度を測定した。すると、熱伝達抑制部材76が配置された実施例の燃料電池の方が、比較例の燃料電池より高い温度まで発電を継続することが可能であった。   In addition, the hydrogen and oxygen are supplied to each of the fuel cells of the above embodiment and the comparative example without humidification, and the temperature of the refrigerant is gradually increased, so that the operation cannot be continued. The temperature was measured. Then, it was possible for the fuel cell of the example in which the heat transfer suppressing member 76 is arranged to continue power generation to a temperature higher than that of the fuel cell of the comparative example.

このように、第5実施形態の燃料電池100Eによれば、熱伝達抑制部材76を冷媒流路74内に配置することにより、フラディングの発生による発電性能の低下を抑制できる。また、燃料電池100Eの運転を継続することが可能な限界温度を向上させることができる。   Thus, according to the fuel cell 100E of the fifth embodiment, by disposing the heat transfer suppression member 76 in the refrigerant flow path 74, it is possible to suppress a decrease in power generation performance due to occurrence of flooding. Further, it is possible to improve the limit temperature at which the operation of the fuel cell 100E can be continued.

図26は、第5実施形態における他の構成例としての燃料電池100E2の構成を示す概略図である。図26は、カソード側の酸素下流側に第2の熱伝達抑制部材77が追加されている点以外は、図22とほぼ同じである。第2の熱伝達抑制部材77は、発電領域GAと酸素排出用マニホールド64とを連通する連通流路の近傍に設けられることが好ましい。具体的には、第2の熱伝達抑制部材77は、仮想数直線NL上の4/5〜1の範囲に相当する範囲の領域に設けられていることが好ましい。これによって、カソード電極3側における生成水分によって、カソード電極3側における発電領域GAからの排ガスの出口が閉塞されてしまうことを抑制できる。従って、燃料電池100E2におけるフラッディングの発生を抑制できる。 FIG. 26 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 100E 2 as another configuration example in the fifth embodiment. FIG. 26 is substantially the same as FIG. 22 except that a second heat transfer suppressing member 77 is added on the oxygen downstream side on the cathode side. The second heat transfer suppression member 77 is preferably provided in the vicinity of the communication flow path that connects the power generation region GA and the oxygen exhaust manifold 64. Specifically, it is preferable that the second heat transfer suppressing member 77 is provided in a region in a range corresponding to a range of 4/5 to 1 on the virtual number line NL. Thereby, it is possible to suppress the exhaust of the exhaust gas from the power generation region GA on the cathode electrode 3 side from being blocked by the generated water on the cathode electrode 3 side. Therefore, the occurrence of flooding in the fuel cell 100E 2 can be suppressed.

このように、第5実施形態における燃料電池100E,100E2では、セパレータ15Eの冷媒流路74に、熱伝達抑制部材76,77を設けることにより、冷媒による冷却効果を、マニホールド対向方向において不均一化している。これによって、カソード電極3側からアノード電極2側へと移動する水分量を増加させたり、カソード電極3側における生成水分によるガス流路の閉塞を抑制することができ、燃料電池100E,100E2の発電性能の低下が抑制される。 Thus, the fuel cell 100E of the fifth embodiment, the 100E 2, the refrigerant passage 74 of the separator 15E, by providing the heat transfer suppressing member 76 and 77, the cooling effect by the refrigerant, uneven in the manifold opposite direction It has become. As a result, the amount of moisture that moves from the cathode electrode 3 side to the anode electrode 2 side can be increased, and the blockage of the gas flow path due to the generated moisture on the cathode electrode 3 side can be suppressed, and the fuel cells 100E and 100E 2 Reduction in power generation performance is suppressed.

F.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、上記の実施形態同士を組み合わせて実施することも可能である。例えば、第1実施形態のセパレータ15を第4実施形態のシール一体型膜電極接合体10D1〜10D3と組み合わせるものとしても良いい。また、第3実施形態の燃料電池100Cに第4実施形態のシール一体型膜電極接合体10D1〜10D3を用いるものとしても良い。さらに、本発明は、例えば次のような変形例によっても実施することが可能である。
F. Variation:
Note that the present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be carried out in various modes without departing from the gist thereof, and may be carried out by combining the above-described embodiments. Is possible. For example, the separator 15 of the first embodiment may be combined with the seal-integrated membrane electrode assemblies 10D 1 to 10D 3 of the fourth embodiment. Further, the seal-integrated membrane electrode assembly 10D 1 to 10D 3 of the fourth embodiment may be used for the fuel cell 100C of the third embodiment. Furthermore, the present invention can be implemented by the following modifications, for example.

F1.変形例1:
上記の各実施形態において、燃料電池100等には無加湿の水素と酸素とが供給されていたが、水素と酸素とは加湿された上で供給されるものとしても良い。ただし、図7および図8で説明したように、特に酸素が無加湿で供給される場合に、水素上流側における電解質膜1の乾燥を促進する乾燥促進機構を設けることにより、より高い発電性能低下の抑制効果を得ることが可能である。
F1. Modification 1:
In each of the above embodiments, unhumidified hydrogen and oxygen are supplied to the fuel cell 100 and the like. However, hydrogen and oxygen may be supplied after being humidified. However, as described with reference to FIGS. 7 and 8, particularly when oxygen is supplied without humidification, by providing a drying acceleration mechanism that promotes drying of the electrolyte membrane 1 on the upstream side of hydrogen, higher power generation performance is reduced. It is possible to obtain an inhibitory effect.

F2.変形例2:
上記第5実施形態を除く各実施形態において、ガス流路部材7は省略されるものとしても良い。この場合には、セパレータに設けられた流路溝とアノード電極2またはカソード電極3とが直接的に接触するものとしても良い。なお、このような構成であっても、アノード電極2とカソード電極3とを、ガス拡散層として機能させることができ、反応ガスを発電領域GAに行き渡らせることができる。
F2. Modification 2:
In each embodiment excluding the fifth embodiment, the gas flow path member 7 may be omitted. In this case, the flow path groove provided in the separator and the anode electrode 2 or the cathode electrode 3 may be in direct contact with each other. Even in such a configuration, the anode electrode 2 and the cathode electrode 3 can function as a gas diffusion layer, and the reaction gas can be distributed to the power generation region GA.

F3.変形例3:
上記第1実施形態において、第1の併走流路溝21aの流路断面積は、第2の併走流路溝21bの流路断面積より小さく構成されていた。しかし、第1の併走流路溝21aの流路断面積は、第2の併走流路溝21bの流路断面積と同じであるとしても良く、あるいは、大きく構成されているものとしても良い。ただし、第1の併走流路溝21aの流路断面積を第2の併走流路溝21bの流路断面積より小さく構成することにより、上流側の水素の流速を速くすることができるため好ましい。
F3. Modification 3:
In the first embodiment, the channel cross-sectional area of the first parallel flow channel groove 21a is configured to be smaller than the flow channel cross-sectional area of the second parallel flow channel groove 21b. However, the flow path cross-sectional area of the first parallel flow path groove 21a may be the same as the flow path cross-sectional area of the second parallel flow path groove 21b or may be configured to be large. However, it is preferable to configure the flow passage cross-sectional area of the first parallel flow passage groove 21a to be smaller than the flow passage cross-sectional area of the second parallel flow passage groove 21b because the flow rate of the upstream hydrogen can be increased. .

F4.変形例4:
上記第3実施形態において、温度制御プレート210は、アノード電極2の水素上流側を加熱するための加熱手段としてペルチェ素子211を備えていたが、ペルチェ素子211に換えて他の加熱手段を備えるものとしても良い。例えば、領域haに電熱線や電熱板が配置されるものとしても良い。
F4. Modification 4:
In the third embodiment, the temperature control plate 210 includes the Peltier element 211 as a heating means for heating the hydrogen upstream side of the anode electrode 2. However, the temperature control plate 210 includes other heating means instead of the Peltier element 211. It is also good. For example, a heating wire or a heating plate may be arranged in the area ha.

F5.変形例5:
上記第3実施形態の燃料電池システム200において、制御部250は、少なくとも1つの単セル110のセル抵抗Rが閾値Rupper以上であった場合に、全てのペルチェ素子211によって全ての単セル110に対して加熱/冷却処理(温度制御)を実行していた。しかし、制御部250は、セル抵抗Rが閾値Rupper以上となった単セル110に対してのみ、ペルチェ素子211による温度制御を実行するものとしても良い。即ち、制御部250は、単セル110ごとにペルチェ素子211を制御するものとしても良い。
F5. Modification 5:
In the fuel cell system 200 of the third embodiment, when the cell resistance R of at least one single cell 110 is greater than or equal to the threshold value R upper , the control unit 250 controls all the single cells 110 by all the Peltier elements 211. On the other hand, heating / cooling processing (temperature control) was performed. However, the control unit 250 may perform temperature control by the Peltier element 211 only for the single cell 110 whose cell resistance R is equal to or greater than the threshold value R upper . That is, the control unit 250 may control the Peltier element 211 for each single cell 110.

F6.変形例6:
上記第3実施形態の燃料電池システム200において、制御部250は単セル110ごとに検出したセル抵抗Rに応じて、ペルチェ素子211の制御を実行していた。しかし、制御部250は、セル抵抗R以外の検出値に応じて、ペルチェ素子211を制御するものとしても良い。制御部250は、燃料電池100Cにおける膜電極接合体5の乾燥度に関連づけられる値に応じてペルチェ素子211を制御することが好ましい。例えば、制御部250は、単セル110ごとのセル温度や、燃料電池100C全体の運転温度を検出して、当該温度が、実験的に膜電極接合体5の乾燥度が比較的高くなると示された所定の値となったときに、ペルチェ素子211の駆動を開始するものとしても良い。
F6. Modification 6:
In the fuel cell system 200 of the third embodiment, the control unit 250 controls the Peltier element 211 in accordance with the cell resistance R detected for each single cell 110. However, the control unit 250 may control the Peltier element 211 according to a detection value other than the cell resistance R. The controller 250 preferably controls the Peltier element 211 according to a value associated with the dryness of the membrane electrode assembly 5 in the fuel cell 100C. For example, the control unit 250 detects the cell temperature for each single cell 110 and the operation temperature of the entire fuel cell 100C, and the temperature is experimentally indicated that the dryness of the membrane electrode assembly 5 is relatively high. The driving of the Peltier element 211 may be started when the predetermined value is reached.

F7.変形例7:
上記第4実施形態では、シール一体型膜電極接合体10D1〜10D3のアノード電極2Dはは、水の拡散係数が異なる第1と第2のアノード領域2a,2bを有していた。しかし、アノード電極2Dは、さらに複数の水の拡散係数が異なる領域を有するものとしても良い。上記第4実施形態では、触媒担持カーボンと電解質の質量比の異なる2種類の触媒インクを、2つの領域に塗り分けることにより、気孔率および水の拡散係数を異ならせた第1と第2のアノード領域2a,2bを設けていた。しかし、第1と第2のアノード領域2a,2bは他の方法によって、水の拡散係数が異なるように形成されるものとしても良い。例えば、第1と第2のアノード領域2a,2bをそれぞれ異なる圧力でプレスして気孔率を変えるものとしても良い。
F7. Modification 7:
In the fourth embodiment, the anode electrode 2D of the seal-integrated membrane electrode assemblies 10D 1 to 10D 3 has the first and second anode regions 2a and 2b having different water diffusion coefficients. However, the anode electrode 2D may further include a plurality of regions having different water diffusion coefficients. In the fourth embodiment, two types of catalyst inks having different mass ratios between the catalyst-carrying carbon and the electrolyte are separately applied to the two regions, whereby the first and second types having different porosity and water diffusion coefficient are used. Anode regions 2a and 2b were provided. However, the first and second anode regions 2a and 2b may be formed by different methods so that the diffusion coefficient of water is different. For example, the porosity may be changed by pressing the first and second anode regions 2a and 2b with different pressures.

F8.変形例8:
上記第5実施形態においてセパレータ15Eは、2層式セパレータであったが、さらに複数のプレートを有する多層式セパレータとして構成されるものとしても良い。例えば、第1実施形態のセパレータ15の冷媒流路に、第5実施形態で説明した熱伝達抑制部材76,77が配置されるものとしても良い。
F8. Modification 8:
In the fifth embodiment, the separator 15E is a two-layer separator. However, the separator 15E may be configured as a multilayer separator having a plurality of plates. For example, the heat transfer suppression members 76 and 77 described in the fifth embodiment may be disposed in the refrigerant flow path of the separator 15 of the first embodiment.

F9.変形例9:
上記実施形態において、冷媒流路は、マニホールド配列方向に沿ってみたときに、冷媒が水素上流側から水素下流側に向かって流れるように構成されていたが、冷媒流路は、冷媒が水素とは逆の流れ方向で流れるように構成されても良い。
F9. Modification 9:
In the above embodiment, the refrigerant flow path is configured so that the refrigerant flows from the hydrogen upstream side toward the hydrogen downstream side when viewed in the manifold arrangement direction. May be configured to flow in the opposite flow direction.

F10.変形例10:
上記の各実施形態の燃料電池100等では、水素のための流路溝の形状や、ペルチェ素子211、アノード電極2Dの構成、熱伝達抑制部材76,77によって、アノード電極2側の水素上流側における電解質膜1の乾燥を促進させていた。しかし、燃料電池は、他の乾燥促進機構によって、アノード電極2側の水素上流側における乾燥を促進させて、カソード電極3側の酸素下流側からアノード電極2側の水素上流側へと電解質膜1を介して移動する水分量を増大させるものとしてもとしても良い。例えば、ガス流路部材7の気孔率を水素上流側より水素下流側の方が小さくなる構成としても良いし、冷媒流路とアノード電極2とが対向する面積が水素上流側ほど小さくなる構成とするものとしても良い。なお、この乾燥促進機構は、上記実施形態で説明した仮想数直線NL上の0〜1/2の範囲に相当する範囲に設けられていることが好ましく、仮想数直線NL上の0〜3/8の範囲に相当する範囲に設けられていることがさらに好ましい。
F10. Modification 10:
In the fuel cell 100 or the like of each of the above embodiments, the hydrogen upstream side on the anode electrode 2 side is formed by the shape of the flow channel for hydrogen, the configuration of the Peltier element 211 and the anode electrode 2D, and the heat transfer suppressing members 76 and 77. The drying of the electrolyte membrane 1 was promoted. However, the fuel cell promotes drying on the upstream side of hydrogen on the anode electrode 2 side by another drying promotion mechanism, and the electrolyte membrane 1 from the oxygen downstream side on the cathode electrode 3 side to the hydrogen upstream side on the anode electrode 2 side. It is also possible to increase the amount of moisture that moves through the substrate. For example, the porosity of the gas flow path member 7 may be configured to be smaller on the hydrogen downstream side than on the hydrogen upstream side, or the area where the refrigerant flow path and the anode electrode 2 face each other may be smaller on the hydrogen upstream side. It is good to do. In addition, it is preferable that this drying promotion mechanism is provided in the range equivalent to the range of 0-1 / 2 on the virtual number line NL demonstrated in the said embodiment, and 0-3 / on the virtual number line NL. More preferably, it is provided in a range corresponding to the range of 8.

1…電解質膜
2…アノード電極
2D…アノード電極
2a…第1のアノード領域
2b…第2のアノード領域
3…カソード電極
5…膜電極接合体
7…ガス流路部材
9…シール部
10…シール一体型膜電極接合体
10D1〜10D3…シール一体型膜電極接合体(実施例1〜3)
10d1〜10d4…シール一体型膜電極接合体(比較例1〜4)
15…セパレータ
15E…セパレータ
20…アノードプレート
20B…アノードプレート
20C…アノードプレート
20E…アノードプレート
20a…アノードプレート
21a…第1の併走流路溝
21b…第2の併走流路溝
22a…第1の連結流路溝
22b…第2の連結流路溝
23a…第1のマニホールド連通用流路溝
23b…第2のマニホールド連通用流路溝
24…併走流路溝
25a,25b…貫通孔
26,27…隔壁
30…カソードプレート
30C…カソードプレート
30E…カソードプレート
31…併走流路溝
32a…第1の連結流路溝
32b…第2の連結流路溝
33a…第1のマニホールド連通用流路溝
33b…第2のマニホールド連通用流路溝
35a,35b…貫通孔
40…中間プレート
42…中空部
43…流路壁
44a…水素供給用流路溝
44b…水素排出用流路溝
45a…酸素供給用流路溝
45b…酸素排出用流路溝
61…水素供給用マニホールド
62…水素排出用マニホールド
63…酸素供給用マニホールド
64…酸素排出用マニホールド
65…冷媒供給用マニホールド
66…冷媒排出用マニホールド
71…水素流路
72…酸素流路
74…冷媒流路
76…熱伝達抑制部材
77…第2の熱伝達抑制部材
100…燃料電池
100B…燃料電池
100C…燃料電池
100E,100E2…燃料電池
100a…燃料電池
110…単セル
200…燃料電池システム
201…第1の面
202…第2の面
210…温度制御プレート
211…ペルチェ素子
220…ペルチェ素子制御部
230…外部蓄電池
240…セル抵抗モニタ
250…制御部
NL…仮想数直線
ha…領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2 ... Anode electrode 2D ... Anode electrode 2a ... 1st anode area | region 2b ... 2nd anode area | region 3 ... Cathode electrode 5 ... Membrane electrode assembly 7 ... Gas flow path member 9 ... Seal part 10 ... Seal one Body type membrane electrode assembly 10D 1 to 10D 3 ... Integrated seal type membrane electrode assembly (Examples 1 to 3)
10d 1 to 10d 4 ... Seal-integrated membrane electrode assembly (Comparative Examples 1 to 4)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Separator 15E ... Separator 20 ... Anode plate 20B ... Anode plate 20C ... Anode plate 20E ... Anode plate 20a ... Anode plate 21a ... 1st parallel flow channel groove 21b ... 2nd parallel flow channel groove 22a ... 1st connection Channel groove 22b ... Second connection channel groove 23a ... First manifold communication channel groove 23b ... Second manifold communication channel groove 24 ... Parallel channel grooves 25a, 25b ... Through holes 26, 27 ... Partition 30 ... Cathode plate 30C ... Cathode plate 30E ... Cathode plate 31 ... Parallel flow channel 32a ... First connection channel groove 32b ... Second connection channel groove 33a ... First manifold communication channel groove 33b ... Second manifold communication channel groove 35a, 35b ... through hole 40 ... intermediate plate 42 ... hollow portion 43 ... flow Wall 44a ... Hydrogen supply flow channel 44b ... Hydrogen discharge flow channel 45a ... Oxygen supply flow channel 45b ... Oxygen discharge flow channel 61 ... Hydrogen supply manifold 62 ... Hydrogen discharge manifold 63 ... Oxygen supply Manifold 64 ... Oxygen discharge manifold 65 ... Refrigerant supply manifold 66 ... Refrigerant discharge manifold 71 ... Hydrogen flow path 72 ... Oxygen flow path 74 ... Refrigerant flow path 76 ... Heat transfer suppression member 77 ... Second heat transfer suppression member 100 ... Fuel cell 100B ... Fuel cell 100C ... Fuel cell 100E, 100E 2 ... Fuel cell 100a ... Fuel cell 110 ... Single cell 200 ... Fuel cell system 201 ... First surface 202 ... Second surface 210 ... Temperature control plate 211 ... Peltier element 220 ... Peltier element control unit 230 ... External storage battery 240 ... Cell resistance monitor 250 ... Control Department NL ... the number of virtual straight line ha ... area

Claims (19)

燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応を利用して発電する燃料電池であって、
電解質膜の両面にそれぞれアノード電極とカソード電極とが配置された発電領域を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持するアノードセパレータおよびカソードセパレータと、
を備え、
前記アノードセパレータと前記電解質膜との間には、前記発電領域の第1の端部から、前記第1の端部に対向する第2の端部に向かって前記燃料ガスを流すためのアノード流路が設けられ、
前記カソードセパレータと前記電解質膜との間には、前記第1の端部から前記第2の端部に向かって前記酸化剤ガスを流すためのカソード流路が設けられ、
前記アノード流路のうちの前記第1の端部により近いアノード上流側部分に、前記アノード電極の側における前記電解質膜の乾燥を促進させて、前記カソード流路のうちの前記第1の端部により近いカソード下流側部分から前記アノード上流側部分へと、前記電解質膜を介して移動する水分量を増大させるための乾燥促進機構が設けられている、燃料電池。
A fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas,
A membrane electrode assembly having a power generation region in which an anode electrode and a cathode electrode are respectively disposed on both surfaces of the electrolyte membrane;
An anode separator and a cathode separator that sandwich the membrane electrode assembly;
With
Between the anode separator and the electrolyte membrane, an anode flow for flowing the fuel gas from a first end of the power generation region toward a second end opposite to the first end. There is a road,
Between the cathode separator and the electrolyte membrane, a cathode flow path for flowing the oxidant gas from the first end toward the second end is provided,
The anode upstream side portion closer to the first end portion of the anode channel promotes drying of the electrolyte membrane on the anode electrode side, and the first end portion of the cathode channel is promoted. A fuel cell is provided with a drying acceleration mechanism for increasing the amount of water that moves through the electrolyte membrane from the cathode downstream portion closer to the anode upstream portion.
請求項1記載の燃料電池であって、
前記アノード流路は、前記アノードセパレータの前記アノード電極側の面に設けられたアノード流路溝と、前記アノード流路溝と前記アノード電極との間に配置されたガス拡散層とを含み、
前記燃料電池は、前記発電領域の前記第1の端部側の外側の位置に設けられた燃料ガス供給マニホールドと、前記発電領域の前記第2の端部側の外側の位置に設けられた燃料ガス排出マニホールドとを有し、
前記アノード流路溝は、前記燃料ガス供給マニホールドと接続する供給側アノード流路溝と、前記燃料ガス排出マニホールドと接続する排出側アノード流路溝とを含み、
前記排出側アノード流路溝は、前記発電領域において、前記第1の端部側から前記第2の端部側へと延びる排出側発電領域流路溝を有し、
前記供給側アノード流路溝と前記排出側アノード流路溝との間には、前記供給側アノード流路溝と前記排出側アノード流路溝とを離隔するための流路溝隔壁が設けられており、
前記供給側アノード流路溝を流れる前記燃料ガスは、前記流路溝隔壁によって前記ガス拡散層内へと誘導され、前記ガス拡散層において加湿された上で、前記排出側アノード流路溝へと流れる、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The anode flow path includes an anode flow path groove provided on a surface of the anode separator on the anode electrode side, and a gas diffusion layer disposed between the anode flow path groove and the anode electrode,
The fuel cell includes a fuel gas supply manifold provided at a position outside the first end portion side of the power generation region, and a fuel provided at a position outside the second end portion side of the power generation region. A gas exhaust manifold,
The anode channel groove includes a supply side anode channel groove connected to the fuel gas supply manifold, and a discharge side anode channel groove connected to the fuel gas discharge manifold,
The discharge-side anode flow channel groove has a discharge-side power generation region flow channel groove extending from the first end side to the second end side in the power generation region,
Between the supply side anode flow channel and the discharge side anode flow channel, a flow channel partition for separating the supply side anode flow channel and the discharge side anode flow channel is provided. And
The fuel gas flowing through the supply-side anode flow channel is guided into the gas diffusion layer by the flow channel partition wall, is humidified in the gas diffusion layer, and then into the discharge-side anode flow channel. Flowing fuel cell.
請求項2記載の燃料電池であって、
前記供給側アノード流路溝は、前記発電領域において、前記第1の端部側から前記第2の端部側へと延びる供給側発電領域流路溝を有し、
前記供給側発電領域流路溝と前記排出側発電領域流路溝とは、前記流路溝隔壁を挟んで、互いに併走するように設けられており、
前記供給側発電領域流路溝の流路断面積は、前記排出側発電領域流路溝の流路断面積より小さい、燃料電池。
The fuel cell according to claim 2, wherein
The supply-side anode channel groove has a supply-side power generation region channel groove extending from the first end side to the second end side in the power generation region,
The supply-side power generation region flow channel groove and the discharge-side power generation region flow channel groove are provided so as to run side by side across the flow channel groove partition wall,
The fuel cell, wherein a flow path cross-sectional area of the supply side power generation region flow channel is smaller than a flow path cross sectional area of the discharge side power generation region flow channel.
請求項3記載の燃料電池であって、
前記アノード流路は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/2の範囲内において上流側ほど燃料ガスの流速が増大するように構成されている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 3, wherein
The anode flow path is configured such that the flow rate of the fuel gas increases toward the upstream side within a range of ½ of the upstream side of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell.
請求項4記載の燃料電池であって、
前記アノード流路は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内において上流側ほど燃料ガスの流速が増大するように構成されている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 4, wherein
The anode flow path is configured such that the flow rate of the fuel gas increases toward the upstream side within a range of 3/8 on the upstream side of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell.
請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池であって、さらに、
前記アノードプレートの外側には、前記アノード流路に併走する冷媒流路が設けられており、
前記アノード上流側部分に隣接する前記冷媒流路内の前記アノードプレート側の流路壁面には、前記アノード流路から前記冷媒流路中の冷媒への熱の伝達を抑制するための熱伝達抑制部材が配置されている、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
On the outside of the anode plate, a coolant channel that runs parallel to the anode channel is provided,
Heat transfer suppression for suppressing heat transfer from the anode channel to the refrigerant in the refrigerant channel on the channel wall surface on the anode plate side in the refrigerant channel adjacent to the anode upstream side part A fuel cell in which members are disposed.
請求項6記載の燃料電池であって、
前記熱伝達抑制部材は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/2の範囲内に設けられている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 6, wherein
The heat transfer suppressing member is a fuel cell provided in a range of ½ of the upstream side of the entire range from the first end to the second end.
請求項7記載の燃料電池であって、
前記熱伝達抑制部材は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内に設けられている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 7, wherein
The heat transfer suppressing member is a fuel cell provided in an upstream 3/8 of the entire range from the first end to the second end.
請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記アノード電極には、前記アノード流路の上流側における水の拡散係数が、前記アノード流路の下流側における水の拡散係数よりも高くなるように、水の拡散係数が異なる2以上の領域が設けられている、燃料電池。
A fuel cell according to any one of claims 1 to 8,
The anode electrode has two or more regions having different water diffusion coefficients such that the water diffusion coefficient upstream of the anode flow path is higher than the water diffusion coefficient downstream of the anode flow path. A fuel cell is provided.
請求項9記載の燃料電池であって、
前記アノード電極は、第1のアノード領域と、水の拡散係数が前記第1のアノード領域より小さい第2のアノード領域とを有し、
前記第1のアノード領域は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内に設けられ、
前記第2のアノード領域は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲より下流側の領域全体を含むように設けられている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 9, wherein
The anode electrode has a first anode region and a second anode region having a water diffusion coefficient smaller than the first anode region;
The first anode region is provided within a range of 3/8 on the upstream side of the entire range from the first end to the second end,
The second anode region is provided so as to include the entire region downstream from the upstream 3/8 range of the entire range from the first end to the second end. ,Fuel cell.
請求項10記載の燃料電池であって、
前記第1のアノード領域は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/8ないし3/8の範囲に設けられており、
前記第2のアノード領域は、前記第1のアノード領域を除く領域に設けられている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 10, wherein
The first anode region is provided in a range of 1/8 to 3/8 on the upstream side of the entire range from the first end to the second end,
The fuel cell, wherein the second anode region is provided in a region excluding the first anode region.
請求項9ないし請求項11のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記水の拡散係数が異なる2以上の領域は、気孔率が異なる領域である、燃料電池。
A fuel cell according to any one of claims 9 to 11, comprising:
The fuel cell, wherein the two or more regions having different water diffusion coefficients are regions having different porosity.
請求項9ないし請求項12のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記アノード電極は、電解質と、発電反応を促進するための触媒が担持された触媒担持カーボンとを含み、
前記アノード電極における水の拡散係数は、前記アノード電極に含まれる前記電解質の質量に対する前記触媒担持カーボンの質量を変更することによって異なる値に設定されている、燃料電池。
A fuel cell according to any one of claims 9 to 12,
The anode electrode includes an electrolyte and catalyst-supported carbon on which a catalyst for promoting a power generation reaction is supported,
The fuel cell, wherein a diffusion coefficient of water in the anode electrode is set to a different value by changing a mass of the catalyst-supporting carbon with respect to a mass of the electrolyte contained in the anode electrode.
請求項1ないし請求項13のいずれか一項に記載の燃料電池であって、さらに、
前記アノードプレートの外側には、前記アノード流路の上流側を加熱するための加熱部が設けられている、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 13, further comprising:
A fuel cell, wherein a heating unit for heating the upstream side of the anode flow path is provided outside the anode plate.
請求項14記載の燃料電池であって、
前記加熱部は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/2の範囲内において、前記アノード電極上の領域を加熱可能なように配置されている、燃料電池。
15. The fuel cell according to claim 14, wherein
The heating unit is arranged so as to heat a region on the anode electrode within a range of 1/2 of the upstream side of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell.
請求項15記載の燃料電池であって、
前記加熱部は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内において、前記アノード電極上の領域を加熱可能なように配置されている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 15, wherein
The heating unit is arranged to heat a region on the anode electrode within a range of 3/8 on the upstream side of the entire range from the first end to the second end. A fuel cell.
燃料電池システムであって、
請求項14ないし請求項16のいずれか一項に記載の燃料電池と、
前記電解質膜の乾燥度に関連づけられた値を検出する乾燥度検出部と、
前記加熱部の駆動状態を制御する制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータとで狭持された前記膜電極接合体を有する複数の発電モジュールが積層された燃料電池スタックを含み、
前記加熱部は、第1と第2の面を有し、前記第1の面側を加熱するとともに前記第2の面側を冷却することができるペルチェ素子を含み、
前記加熱部は、前記複数の発電モジュールのそれぞれの間において、前記第1の面が前記アノードセパレータと対向するとともに、前記第2の面が前記カソードセパレータと対向するように配置され、
前記制御部は、前記乾燥度検出部の検出値が閾値以上の場合に、前記ペルチェ素子を駆動させて、前記複数の発電モジュールのそれぞれにおいて、前記アノード上流側部分における水分の気化を促進させるとともに、前記カソード下流側部分における水分の液化を促進させて、前記カソード下流側部分から前記アノード上流側部分へと前記電解質膜を介して移動する水分量を増大させる、燃料電池システム。
A fuel cell system,
A fuel cell according to any one of claims 14 to 16, and
A dryness detection unit for detecting a value associated with the dryness of the electrolyte membrane;
A control unit for controlling the driving state of the heating unit;
With
The fuel cell includes a fuel cell stack in which a plurality of power generation modules having the membrane electrode assembly sandwiched between the anode separator and the cathode separator are stacked,
The heating unit includes first and second surfaces, and includes a Peltier element capable of heating the first surface side and cooling the second surface side,
The heating unit is disposed between each of the plurality of power generation modules such that the first surface faces the anode separator and the second surface faces the cathode separator,
The control unit drives the Peltier element when the detection value of the dryness detection unit is greater than or equal to a threshold value, and promotes vaporization of moisture in the anode upstream portion of each of the plurality of power generation modules. A fuel cell system that promotes liquefaction of moisture in the cathode downstream portion and increases the amount of moisture that moves from the cathode downstream portion to the anode upstream portion via the electrolyte membrane.
請求項1ないし請求項16のいずれか一項に記載された燃料電池であって、
前記乾燥促進機構は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の1/2の範囲内に設けられている、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 16, comprising:
The drying promotion mechanism is a fuel cell provided in a range of ½ of the upstream side of the entire range from the first end to the second end.
請求項18記載の燃料電池であって、
前記乾燥促進機構は、前記第1の端部から前記第2の端部に至る全範囲のうちの上流側の3/8の範囲内に設けられている、燃料電池。
The fuel cell according to claim 18, wherein
The drying promotion mechanism is a fuel cell provided in an upstream 3/8 of the entire range from the first end to the second end.
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