JP2013114899A - Fuel cell stack - Google Patents

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重幸 鵜木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack capable of improving stability of electric output by suppressing stay of water droplets in the vicinity of a connection part at the connection part of the inner wall surface of a manifold and a gas passage groove to suppress blocking of the gas passage groove by the water droplets, even in situation where the water droplets are produced in the manifold, or flows into the manifold.SOLUTION: A plurality of electrolyte membrane-electrode assembly each formed by holding a solid polymer electrolyte membrane between a pair of gas diffusion electrodes, and a plurality of separators each including a gas passage groove forming a gas passage by abutting on the gas diffusion electrodes are laminated to form this fuel cell stack. The stack includes the manifold connected to one end of the upstream side of the plurality of gas passage grooves, and hydrophilic improving treatment is applied to a portion adjacent to the connection part of the manifold and the gas passage groove in the inner wall surface of the manifold.

Description

本発明は、燃料電池用スタックに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell stack.

高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCという)は、MEA(Membrane−Electrode−Assembly:電解質膜−電極接合体)を有し、MEAの両側主面それぞれを、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとに曝露して、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる装置である。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) has a MEA (Membrane-Electrode-Assembly: electrolyte membrane-electrode assembly), and both main surfaces of the MEA are respectively provided with a fuel gas containing hydrogen and air. It is an apparatus that generates electric power and heat by exposing it to an oxidant gas containing oxygen and causing the fuel gas and oxidant gas to react electrochemically.

MEAに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するため、MEAは、ガス流路溝が形成されたセパレータと当接している。   In order to supply fuel gas and oxidant gas to the MEA, the MEA is in contact with a separator in which a gas flow channel groove is formed.

また、ガス流路溝の上流側の一端は、各セルへ供給するガス量の等配性を確保するため、マニホールドと接続されている。   In addition, one end on the upstream side of the gas flow channel groove is connected to a manifold in order to ensure equal distribution of the amount of gas supplied to each cell.

ところで、PEFC停止時において、燃料電池用スタックおよび燃料電池用システムが冷却されることから、燃料電池用スタックのガス供給側マニホールド内、および、燃料電池用システム内の燃料電池用スタックに接続されたガス供給配管内には、残留した加湿ガスが結露することによる水滴が生じることになる。   By the way, since the fuel cell stack and the fuel cell system are cooled when the PEFC is stopped, the fuel cell stack and the fuel cell stack are connected to each other in the gas supply side manifold of the fuel cell stack and in the fuel cell system. Water droplets are generated in the gas supply pipe due to condensation of the remaining humidified gas.

PEFC再運転時において、燃料電池用スタックのガス供給側マニホールド内には、停止時に発生した水滴、及び、停止時にガス供給配管内で発生しガス供給側マニホールドへ流入してくる水滴、が存在することになり、安定した出力を得るためには、これら水滴をマニホールド内で滞留させることなく、ガス流路溝へ送り出す必要がある。   During PEFC re-operation, the fuel cell stack gas supply side manifold contains water droplets that are generated at the time of stoppage and water droplets that are generated in the gas supply pipe at the time of stoppage and flow into the gas supply side manifold. Therefore, in order to obtain a stable output, it is necessary to send out these water droplets to the gas flow channel groove without staying in the manifold.

すなわち、ガス供給側マニホールド内に水滴が滞留した場合、マニホールドとガス流路溝との接続部を水滴が閉塞することにつながり、ガスの流れを阻害し、MEAにガスが供給されないことになる。その結果、フラッディング現象を起こし、電気出力が不安定化する等、燃料電池用スタックの性能を低下させることが知られている。   That is, when water droplets stay in the gas supply side manifold, the water droplets block the connection portion between the manifold and the gas flow channel groove, obstructing the gas flow, and no gas is supplied to the MEA. As a result, it is known that the performance of the fuel cell stack is degraded, such as causing a flooding phenomenon and destabilizing the electric output.

そこで、従来は、ガス供給側マニホールドと、ガス流路溝と、の間に導入部を設け、導入部の親水性を向上処理する方法が開示されている。(例えば、特許文献1参照)
また、導入部の疎水性を向上処理する方法が開示されている。(例えば、特許文献2参照)
Therefore, conventionally, a method has been disclosed in which an introduction portion is provided between the gas supply side manifold and the gas flow channel groove to improve the hydrophilicity of the introduction portion. (For example, see Patent Document 1)
Further, a method for improving the hydrophobicity of the introduction portion is disclosed. (For example, see Patent Document 2)

特開2007−141695号公報JP 2007-141695 A 特開2010−182488号公報JP 2010-182488 A

しかしながら、特許文献1および特許文献2の構成において、ガス供給側マニホールドの内壁面のうち、マニホールドとガス流路溝との接続部に隣接する部分に対し、水滴の滞留を抑制する処理はされておらず、ガス供給側マニホールド内の水滴が、マニホールド内壁面のガス流路溝との接続部を閉塞する可能性があった。そのため、PEFC起動時にお
いて、安定した電気出力を得ることは困難であった。
However, in the configurations of Patent Document 1 and Patent Document 2, a process for suppressing the retention of water droplets is performed on the portion of the inner wall surface of the gas supply side manifold adjacent to the connection portion between the manifold and the gas flow channel groove. In other words, there was a possibility that water droplets in the gas supply side manifold would block the connection with the gas flow channel groove on the inner wall surface of the manifold. Therefore, it has been difficult to obtain a stable electric output at the start of PEFC.

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、マニホールド内壁面のガス流路溝との接続部において、接続部近傍での水滴の滞留を抑制し、ガス流路溝が水滴により閉塞されることを抑制することで、電気出力の安定性を向上できる燃料電池用スタックを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and suppresses the retention of water droplets in the vicinity of the connection portion at the connection portion with the gas flow channel groove on the inner wall surface of the manifold, and the gas flow channel groove is blocked by the water droplet. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of improving the stability of electric output by suppressing the above.

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用スタックは、ガス供給側マニホールドの内壁面のうち、マニホールドとガス流路溝との接続部に隣接する部分に親水性向上処理を施すものである。   In order to solve the above-described conventional problems, the fuel cell stack according to the present invention performs hydrophilicity improving treatment on a portion of the inner wall surface of the gas supply side manifold adjacent to the connection portion between the manifold and the gas flow channel groove. Is.

これにより、マニホールド内壁面のガス流路溝との接続部において、接続部近傍での水滴の滞留を抑制し、ガス流路溝が水滴により閉塞されることを抑制することで、電気出力の安定性を向上できる。   As a result, at the connection portion of the manifold inner wall surface with the gas flow channel groove, the retention of water droplets in the vicinity of the connection portion is suppressed, and the gas flow channel groove is prevented from being blocked by water droplets, thereby stabilizing the electrical output. Can be improved.

本発明の燃料電池用スタックによれば、マニホールド内に水滴が生成、または、流入する状態においても、マニホールド内壁面のガス流路溝との接続部において、接続部近傍での水滴の滞留を抑制し、ガス流路溝が水滴により閉塞されることを抑制するので、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。   According to the fuel cell stack of the present invention, even when water droplets are generated or flow into the manifold, the retention of water droplets in the vicinity of the connection portion is suppressed at the connection portion with the gas flow channel groove on the inner wall surface of the manifold. In addition, since the gas channel groove is prevented from being blocked by water droplets, the performance of the fuel cell can be stably secured.

本発明の実施の形態1に係る燃料電池用スタックの概略構成を示す模式図および斜視図1 is a schematic view and a perspective view showing a schematic configuration of a fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 本発明の実施の形態1に係る電池モジュールの概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the battery module which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るセパレータのガス流路パターンを示す平面図The top view which shows the gas flow path pattern of the separator which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る燃料電池用スタックの燃料ガス供給側マニホールドの断面図Sectional drawing of the fuel gas supply side manifold of the fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る燃料電池用スタックの燃料ガス供給側マニホールドの断面図Sectional drawing of the fuel gas supply side manifold of the stack for fuel cells which concerns on Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態3および比較例2に係るセパレータのガス流路パターンを示す平面図The top view which shows the gas flow path pattern of the separator which concerns on Embodiment 3 and Comparative Example 2 of this invention 本発明の実施の形態4および比較例3に係るセパレータのガス流路パターンを示す平面図The top view which shows the gas flow path pattern of the separator which concerns on Embodiment 4 and Comparative Example 3 of this invention 本発明の実施の形態1に係るマニホールドとガス流路溝との接続部における水滴の形態を示す模式図The schematic diagram which shows the form of the water droplet in the connection part of the manifold and gas flow path groove | channel which concerns on Embodiment 1 of this invention.

第1の発明は、固体高分子電解質膜を一対のガス拡散電極で挟んでなる電解質膜−電極接合体と、前記ガス拡散電極と当接することでガス流路を形成するガス流路溝を備えたセパレータと、をそれぞれ複数積層することで形成される燃料電池用スタックである。そして特に、前記スタックは、複数の前記ガス流路溝の上流側の一端と接続するマニホールドを備え、前記マニホールドの内壁面のうち、前記マニホールドと前記ガス流路溝との接続部に隣接する部分には、親水性向上処理が施されていることを特徴とする。   The first invention includes an electrolyte membrane-electrode assembly formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of gas diffusion electrodes, and a gas flow channel groove that forms a gas flow channel by contacting the gas diffusion electrode. The fuel cell stack is formed by stacking a plurality of separators. In particular, the stack includes a manifold connected to one end on the upstream side of the plurality of gas flow channel grooves, and a portion of the inner wall surface of the manifold adjacent to a connection portion between the manifold and the gas flow channel groove Is characterized in that a hydrophilicity improving treatment is applied.

この構成により、マニホールド内壁面とガス流路溝との接続部において、接続部近傍の水滴は、マニホールドとガス流路溝との接続部に隣接する部分への親水化向上処理により、接触角が小さくなり球形状の形成が困難になることから、マニホールド内壁面とガス流路溝との接続部近傍での水滴の滞留を抑制することができる。よって、マニホールド内壁
面と接続されたガス流路溝入口部が、水滴により閉塞されるのを抑制することができるので、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。
With this configuration, at the connection between the manifold inner wall surface and the gas flow channel groove, water droplets in the vicinity of the connection portion have a contact angle that is improved by hydrophilization improvement processing to a portion adjacent to the connection portion between the manifold and the gas flow channel groove. Since it becomes small and it becomes difficult to form a spherical shape, it is possible to suppress the retention of water droplets in the vicinity of the connection portion between the manifold inner wall surface and the gas flow channel groove. Therefore, the gas channel groove inlet connected to the inner wall surface of the manifold can be prevented from being blocked by water droplets, so that the performance of the fuel cell can be secured stably.

第2の発明は、第1の発明において、前記マニホールドの内壁面のうち、前記マニホールドと前記ガス流路溝との接続部に隣接する部分には、親水性材料が配設されていることを特徴とする。   According to a second invention, in the first invention, a hydrophilic material is disposed on a portion of the inner wall surface of the manifold adjacent to a connection portion between the manifold and the gas flow channel groove. Features.

この構成により、マニホールド内壁面のガス流路溝との接続部近傍に直接親水性向上処理をした場合と同じ効果が得られ、ガス流路溝の水滴による閉塞を抑制することができるので、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。   With this configuration, the same effect can be obtained as when the hydrophilicity improving process is performed directly in the vicinity of the connection portion with the gas flow channel groove on the inner wall surface of the manifold, and blockage of the gas flow channel groove by water droplets can be suppressed. The battery performance can be secured stably.

第3の発明は、第1乃至2いずれかの発明において、前記マニホールドは、前記ガス流路の鉛直上方に配置されたことを特徴とする。   According to a third invention, in any one of the first and second inventions, the manifold is arranged vertically above the gas flow path.

この構成により、マニホールド内壁面とガス流路溝との接続部において、接続部がマニホールド底面に近い位置に形成され、より水滴が滞留しやすい状態においても、マニホールド内壁面とガス流路溝との接続部での水滴の滞留を抑制することができる。よって、マニホールドと接続されたガス流路溝入口部が、水滴により閉塞されるのを抑制することができるので、マニホールドをセルの鉛直上方に配置することで、マニホールドを配置する外周部分のデットスペースを無くし、コンパクトに設計した燃料電池用スタックにおいても、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。   With this configuration, the connection portion between the manifold inner wall surface and the gas flow channel groove is formed at a position close to the bottom surface of the manifold, and even when water droplets are likely to stay, the connection between the manifold inner wall surface and the gas flow channel groove. It is possible to suppress the retention of water droplets at the connection portion. Therefore, the gas channel groove inlet connected to the manifold can be prevented from being blocked by water droplets, so that the dead space in the outer peripheral portion where the manifold is arranged can be obtained by arranging the manifold vertically above the cell. The fuel cell stack can be stably ensured even in a fuel cell stack that is compactly designed.

第4の発明は、第1乃至3いずれかの発明において、前記ガス流路溝は、前記マニホールドから鉛直下方向に延伸することを特徴とする。   According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the gas flow path groove extends vertically downward from the manifold.

この構成により、マニホールド内壁面とガス流路溝との接続部において、ガス流路溝がマニホールドから鉛直方向に延伸することで、ガス流路溝がマニホールドから水平方向に延伸する場合と比較し、ガス流路溝入口部が水滴により閉塞しやすいガス流路溝パターンにおいても、マニホールド内壁面とガス流路溝との接続部での水滴の滞留を抑制することができる。よって、マニホールドと接続されたガス流路溝入口部が、水滴により閉塞されるのを抑制することができるので、マニホールドからセルへ迂回することなくガス流路溝パターンを形成した燃料電池用スタックにおいても、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。   With this configuration, in the connection portion between the inner wall surface of the manifold and the gas flow channel groove, the gas flow channel groove extends in the vertical direction from the manifold, so that the gas flow channel groove extends in the horizontal direction from the manifold. Even in the gas channel groove pattern in which the gas channel groove inlet is easily closed by water droplets, the retention of water droplets at the connecting portion between the manifold inner wall surface and the gas channel groove can be suppressed. Therefore, the gas channel groove inlet connected to the manifold can be prevented from being blocked by water droplets, so in the fuel cell stack in which the gas channel groove pattern is formed without detouring from the manifold to the cell. In addition, the performance of the fuel cell can be secured stably.

第5の発明は、第1乃至4いずれかの発明において、前記マニホールドのうち、少なくとも燃料ガス供給側マニホールドの前記ガス流路溝との接続部に隣接する部分に対し、親水性向上処理が施されていることを特徴とする。   According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, at least a portion of the manifold adjacent to the connecting portion with the gas flow channel groove of the fuel gas supply side manifold is subjected to hydrophilicity improving treatment. It is characterized by being.

この構成により、ガス供給量が酸化剤ガスと比較して少なく、マニホールド内の水滴を排出する能力が低い、燃料ガス供給側マニホールドに、親水性向上処理が施されることから、マニホールド内壁面とガス流路溝との接続部での水滴の滞留を抑制することができ、よって、マニホールドと接続されたガス流路溝入口部が、水滴により閉塞されるのを抑制することができるので、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。   With this configuration, since the gas supply amount is small compared to the oxidant gas and the ability to discharge water droplets in the manifold is low, the fuel gas supply side manifold is subjected to hydrophilicity improvement processing. Since it is possible to suppress the retention of water droplets at the connection portion with the gas flow channel groove, and therefore, it is possible to suppress the gas flow channel groove inlet portion connected to the manifold from being blocked by water droplets, the fuel The battery performance can be secured stably.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the same components as those of the above-described embodiments will be denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
[燃料電池の構成]
次に、本実施の形態1に係る燃料電池スタック101の構成について、図1を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
[Configuration of fuel cell]
Next, the configuration of the fuel cell stack 101 according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

ここで、一般的な構成として、内部マニホールド型スタックを例に説明するが、内部マニホールド型スタックに限定されるものではなく、外部マニホールド型スタックでも同様の効果がある。   Here, an internal manifold type stack will be described as an example of a general configuration, but the present invention is not limited to the internal manifold type stack, and the same effect can be obtained with an external manifold type stack.

図1(a)は、燃料電池スタック101の概略構成を示す模式図、図1(b)は斜視図、である。   FIG. 1A is a schematic diagram showing a schematic configuration of the fuel cell stack 101, and FIG. 1B is a perspective view.

図1(a)に示すように、燃料電池スタック101は、複数のセル10がその厚み方向に積層されたセル積層体80と、セル積層体80の両端に配置された端板81、82と、セル積層体80と端板81、82をセル10の積層方向において締結する締結具(図示せず)と、を有する。また、端板81とセル積層体80の間には、絶縁板83及び集電板85が配置されていて、端板82とセル積層体80との間には、絶縁板84及び集電板86が配置されている。   As shown in FIG. 1A, the fuel cell stack 101 includes a cell stack 80 in which a plurality of cells 10 are stacked in the thickness direction, and end plates 81 and 82 disposed at both ends of the cell stack 80. And a fastener (not shown) for fastening the cell stack 80 and the end plates 81 and 82 in the stacking direction of the cells 10. In addition, an insulating plate 83 and a current collector plate 85 are disposed between the end plate 81 and the cell stack 80, and an insulating plate 84 and a current collector plate are disposed between the end plate 82 and the cell stack 80. 86 is arranged.

図1(b)に示すように、セル積層体80には、セル10の積層方向に延びるように、燃料ガス供給側マニホールド31、酸化剤ガス供給側マニホールド33、熱媒体供給側マニホールド(図示せず)、が構成されており、それぞれ、燃料ガス供給口41、酸化剤ガス供給口51、熱媒体供給口(図示せず)と接続されている。更に、燃料ガス排出側マニホールド32、酸化剤ガス排出側マニホールド34、熱媒体排出側マニホールド(図示せず)、が構成されており、それぞれ、燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口、熱媒体排出口(いずれも図示せず)と接続されている。   As shown in FIG. 1B, the cell stack 80 includes a fuel gas supply side manifold 31, an oxidant gas supply side manifold 33, and a heat medium supply side manifold (not shown) so as to extend in the stacking direction of the cells 10. And are connected to a fuel gas supply port 41, an oxidant gas supply port 51, and a heat medium supply port (not shown), respectively. Further, a fuel gas discharge side manifold 32, an oxidant gas discharge side manifold 34, and a heat medium discharge side manifold (not shown) are configured, respectively, and a fuel gas discharge port, an oxidant gas discharge port, a heat medium discharge port, and the like. It is connected to an outlet (both not shown).

ここで、燃料電池用スタックを出来るだけコンパクトに設計するためには、マニホールドを配置する外周部分のデットスペースをなくすことが望ましい。このため、燃料ガス供給側マニホールド、酸化剤ガス供給側マニホールド、熱媒体供給側マニホールドと、燃料ガス排出側マニホールド、酸化剤ガス排出側マニホールド、熱媒体排出側マニホールドと、を対向する2面に集中させ、スペースの有効利用を図ることが一般的である。   Here, in order to design the fuel cell stack as compactly as possible, it is desirable to eliminate the dead space in the outer peripheral portion where the manifold is arranged. For this reason, the fuel gas supply side manifold, the oxidant gas supply side manifold, the heat medium supply side manifold, and the fuel gas discharge side manifold, the oxidant gas discharge side manifold, and the heat medium discharge side manifold are concentrated on two opposing surfaces. In general, the space is effectively used.

[セルの構成]
次に、本実施の形態1に係る燃料電池スタック101のセル10について、図2、および、図3を参照しながら説明する。
[Cell structure]
Next, the cell 10 of the fuel cell stack 101 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

図2は、図1に示す燃料電池スタック101におけるセル10の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図2においては、一部を省略している。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the cell 10 in the fuel cell stack 101 shown in FIG. In FIG. 2, a part is omitted.

図2に示すように、セル10は、MEA18(Membrane−Electrode−Assembly:膜−電極接合体)と、ガスケット19と、アノードセパレータ16と、カソードセパレータ17と、を備えている。   As shown in FIG. 2, the cell 10 includes an MEA 18 (Membrane-Electrode-Assembly: membrane-electrode assembly), a gasket 19, an anode separator 16, and a cathode separator 17.

MEA18は、水素イオンを選択的に輸送する電解質層(高分子電解質膜)11と、アノード12と、カソード13と、を有している。電解質層11は、略4角形の形状を有しており、電解質層11の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード12とカソード13がそれぞれ設けられている。なお、電解質層11の周縁部には、燃料ガス供給側マニホールド孔、酸化剤ガス供給側マニホールド孔、熱媒体供給側マニホールド孔、および、燃料ガス排出側マニホールド孔、酸化剤ガス排出側マニホールド孔、熱媒体排出側マニホールド孔、(いずれも図示せず)が厚み方向に貫通するように設けられている。   The MEA 18 includes an electrolyte layer (polymer electrolyte membrane) 11 that selectively transports hydrogen ions, an anode 12, and a cathode 13. The electrolyte layer 11 has a substantially quadrangular shape, and an anode 12 and a cathode 13 are provided on both surfaces of the electrolyte layer 11 so as to be located inward from the peripheral edge thereof. The peripheral edge of the electrolyte layer 11 includes a fuel gas supply side manifold hole, an oxidant gas supply side manifold hole, a heat medium supply side manifold hole, a fuel gas discharge side manifold hole, an oxidant gas discharge side manifold hole, A heat medium discharge side manifold hole (both not shown) is provided so as to penetrate in the thickness direction.

アノード12は、電解質層11の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒(電極触媒)を担持したカーボン粉末(導電性炭素粒子)からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層と、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層(いずれも図示せず)と、を有している。アノード触媒層は、一方の主面が電解質層11と接触するように配置されていて、アノード触媒層の他方の主面には、アノードガス拡散層が配置されている。同様に、カソード13は、電解質層11の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒(電極触媒)を担持したカーボン粉末(導電性炭素粒子)からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層と、カソード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層(いずれも図示せず)と、を有している。   The anode 12 is provided on one main surface of the electrolyte layer 11, and is a catalyst-supported carbon made of carbon powder (conductive carbon particles) supporting a platinum-based metal catalyst (electrode catalyst) and a polymer attached to the catalyst-supported carbon. It has an anode catalyst layer containing an electrolyte and an anode gas diffusion layer (none of which is shown) having both gas permeability and conductivity. The anode catalyst layer is disposed so that one main surface is in contact with the electrolyte layer 11, and an anode gas diffusion layer is disposed on the other main surface of the anode catalyst layer. Similarly, the cathode 13 is provided on the other main surface of the electrolyte layer 11, and adheres to the catalyst-supporting carbon and the catalyst-supporting carbon made of carbon powder (conductive carbon particles) supporting the platinum-based metal catalyst (electrode catalyst). A cathode catalyst layer containing the polymer electrolyte, and a cathode gas diffusion layer (both not shown) provided on the cathode catalyst layer and having both gas permeability and conductivity.

また、MEA18のアノード12、および、カソード13の周囲には、電解質層11を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット19が配設されている。これにより、燃料ガス、酸化剤ガス、熱媒体が電池外にリークされることが防止され、また、セル10内でこれらが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット19の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給側マニホールド孔、酸化剤ガス供給側マニホールド孔、熱媒体供給側マニホールド孔、および、燃料ガス排出側マニホールド孔、酸化剤ガス排出側マニホールド孔、熱媒体排出側マニホールド孔(いずれも図示せず)が設けられている。   A pair of fluorine rubber doughnut-shaped gaskets 19 are disposed around the anode 12 and the cathode 13 of the MEA 18 with the electrolyte layer 11 interposed therebetween. This prevents the fuel gas, oxidant gas, and heat medium from leaking out of the battery, and prevents them from being mixed with each other in the cell 10. Note that the peripheral portion of the gasket 19 includes a fuel gas supply side manifold hole, an oxidant gas supply side manifold hole, a heat medium supply side manifold hole, a fuel gas discharge side manifold hole, and an oxidant, which are through holes in the thickness direction. A gas discharge side manifold hole and a heat medium discharge side manifold hole (both not shown) are provided.

また、MEA18とガスケット19を挟むように、導電性のアノードセパレータ16とカソードセパレータ17が配設されている。これにより、MEA18が機械的に固定され、複数のセル10をその厚み方向に積層したときには、MEA18が電気的に接続される。なお、アノードセパレータ16及びカソードセパレータ17は、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー(溶剤)との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。   Further, a conductive anode separator 16 and a cathode separator 17 are disposed so as to sandwich the MEA 18 and the gasket 19. Thereby, MEA 18 is mechanically fixed, and when a plurality of cells 10 are stacked in the thickness direction, MEA 18 is electrically connected. The anode separator 16 and the cathode separator 17 can be a metal having excellent thermal conductivity and conductivity, graphite, or a mixture of graphite and a resin, such as carbon powder and a binder (solvent). A mixture prepared by injection molding or a plate of titanium or stainless steel plated with gold can be used.

アノードセパレータ16のアノード12と接触する一方の主面(以下、内面という)には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路溝14が設けられており、他方の面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路溝22が設けられている。同様に、カソードセパレータ17のカソード13と接触する一方の主面(以下、内面という)には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路溝15が設けられており、他方の面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路溝23が設けられている。   A groove-like fuel gas passage groove 14 through which fuel gas flows is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the anode separator 16 that contacts the anode 12, and the other surface is provided on the other surface. A groove-like heat medium flow path groove 22 is provided for the heat medium to flow therethrough. Similarly, a groove-like oxidant gas flow channel 15 for allowing the oxidant gas to flow is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the cathode separator 17 that contacts the cathode 13. On the other surface, a groove-like heat medium flow path groove 23 through which the heat medium flows is provided.

図3(a)は、図1に示す燃料電池スタック101におけるアノードセパレータ16、図3(b)は、カソードセパレータ17、それぞれのガス流路側の平面図である。   3A is a plan view of the anode separator 16 in the fuel cell stack 101 shown in FIG. 1, and FIG. 3B is a plan view of the cathode separator 17 on the gas flow path side.

アノードセパレータ16、および、カソードセパレータ17のそれぞれの周縁部には、燃料ガスを供給するカソード入口マニホールド111、酸化剤ガスを供給するアノード入口マニホールド113、熱媒体を供給する熱媒体入口マニホールド112、および、燃料ガスを排出するマニホールド孔114、酸化剤ガス排出側マニホールド孔116、熱媒体排出側マニホールド115、が厚み方向に貫通するように設けられている。また、燃料ガス流路溝14、および、酸化剤ガス流路溝15、の形状は任意であり、例えば、セル10の厚み方向から見て、サーペンタイン状に形成されていても良く、ストレート形状に形成されていても良い。   At the periphery of each of the anode separator 16 and the cathode separator 17, a cathode inlet manifold 111 that supplies a fuel gas, an anode inlet manifold 113 that supplies an oxidant gas, a heat medium inlet manifold 112 that supplies a heat medium, and A manifold hole 114 for discharging fuel gas, an oxidant gas discharge side manifold hole 116, and a heat medium discharge side manifold 115 are provided so as to penetrate in the thickness direction. Further, the shape of the fuel gas channel groove 14 and the oxidant gas channel groove 15 is arbitrary. For example, the fuel gas channel groove 14 and the oxidant gas channel groove 15 may be formed in a serpentine shape as viewed from the thickness direction of the cell 10. It may be formed.

これにより、アノード12、および、カソード13には、それぞれ、燃料ガス、および、酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。   Thereby, fuel gas and oxidant gas are supplied to the anode 12 and the cathode 13, respectively, and these gases react to generate electricity and heat.

そして、このように形成されたセル10が、その厚み方向に積層されることにより、セル積層体80が形成される。   And the cell laminated body 80 is formed by laminating | stacking the cell 10 formed in this way in the thickness direction.

実施の形態1として、燃料電池用スタックの燃料ガス供給側マニホールド31の断面図を図4に示す。   As Embodiment 1, FIG. 4 shows a cross-sectional view of the fuel gas supply side manifold 31 of the fuel cell stack.

実施の形態1にて作製したセル積層体80の、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14とのガス流路溝接続部24に隣接するガス流路溝隣接部25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性向上処理として、親水性エポキシ樹脂を塗布し、燃料電池用スタックを作製した。なお、親水性向上処理には、金属酸化物(アルミナ、シリカ、ゼオライト等)、または、親水性樹脂(エポキシ、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、アクリル酸等)の塗布または含浸、および、表面処理(酸化、酸、プラズマ、紫外線、界面活性剤などによる処理)などがあり、親水性が向上するいずれの手段でも用いることが可能である。   Gas channel groove adjacent portion 25 adjacent to gas flow channel groove connecting portion 24 between fuel gas supply side manifold 31 and fuel gas flow channel groove 14 of cell stack 80 produced in the first embodiment, and oxidation A hydrophilic epoxy resin was applied to the portion adjacent to the connecting portion between the agent gas supply side manifold 33 and the oxidant gas flow channel groove 15 as a hydrophilicity improving process, to produce a fuel cell stack. In addition, the hydrophilicity improving treatment includes application or impregnation of metal oxide (alumina, silica, zeolite, etc.) or hydrophilic resin (epoxy, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, acrylic acid, etc.), and surface treatment (oxidation). , Treatment with acid, plasma, ultraviolet light, surfactant, etc.), and any means that improves hydrophilicity can be used.

(実施の形態2)
実施の形態2として、燃料電池用スタックの燃料ガス供給側マニホールド31の断面図を図5に示す。
(Embodiment 2)
As a second embodiment, a cross-sectional view of a fuel gas supply side manifold 31 of a fuel cell stack is shown in FIG.

実施の形態1にて作製したセル積層体80の、燃料ガス供給側マニホールド31の内壁面に親水性樹脂管35を配設する。また、同様に、酸化剤ガス供給側マニホールド33の内壁面に親水性エポキシ樹脂管を配設し、燃料電池用スタックを作製した。なお、親水性材料には、親水性樹脂(エポキシ、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、アクリル酸等)、および、表面を親水性樹脂でコートしたもの、または、表面処理(酸化、酸、プラズマ、紫外線、界面活性剤などによる処理)を施したものなどがあり、親水性が向上しているいずれの材料でも用いることが可能である。   A hydrophilic resin tube 35 is disposed on the inner wall surface of the fuel gas supply side manifold 31 of the cell stack 80 manufactured in the first embodiment. Similarly, a hydrophilic epoxy resin tube was disposed on the inner wall surface of the oxidant gas supply side manifold 33 to produce a fuel cell stack. The hydrophilic material includes a hydrophilic resin (epoxy, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, acrylic acid, etc.) and a surface coated with a hydrophilic resin, or a surface treatment (oxidation, acid, plasma, ultraviolet light, Any material that has been treated with a surfactant or the like and that has improved hydrophilicity can be used.

(実施の形態3)
実施の形態3として、燃料電池用スタックのアノードセパレータ16a、および、カソードセパレータ17aのガス流路パターンを図6に示す。
(Embodiment 3)
As Embodiment 3, FIG. 6 shows gas flow path patterns of the anode separator 16a and the cathode separator 17a of the fuel cell stack.

アノードセパレータ16a、および、カソードセパレータ17a以外は、実施の形態1と同様に作製したセル積層体80の、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14とのガス流路溝接続部24に隣接するガス流路溝隣接部25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性エポキシ樹脂を塗布し、燃料電池用スタックを作製した。   Except for the anode separator 16a and the cathode separator 17a, in the gas channel groove connection portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas channel groove 14 of the cell stack 80 manufactured in the same manner as in the first embodiment. A hydrophilic epoxy resin is applied to the adjacent gas flow channel groove adjacent portion 25 and the portion adjacent to the connection portion between the oxidant gas supply side manifold 33 and the oxidant gas flow channel groove 15 to form a fuel cell stack. Produced.

(実施の形態4)
実施の形態4として、実施の形態1にて作製した燃料電池用スタックのアノードセパレータ16b、および、カソードセパレータ17bのガス流路パターンを図6に示す。
(Embodiment 4)
FIG. 6 shows a gas flow path pattern of the anode separator 16b and the cathode separator 17b of the fuel cell stack manufactured in the first embodiment as the fourth embodiment.

アノードセパレータ16b、および、カソードセパレータ17b以外は、実施の形態1と同様に作製したセル積層体80の、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14とのガス流路溝接続部24に隣接するガス流路溝隣接部25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性エポキシ樹脂を塗布し、燃料電池用スタックを作製した。   Except for the anode separator 16b and the cathode separator 17b, in the gas flow channel groove connecting portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 of the cell stack 80 manufactured in the same manner as in the first embodiment. A hydrophilic epoxy resin is applied to the adjacent gas flow channel groove adjacent portion 25 and the portion adjacent to the connection portion between the oxidant gas supply side manifold 33 and the oxidant gas flow channel groove 15 to form a fuel cell stack. Produced.

(実施の形態5)
実施の形態5として、実施の形態1にて作製したセル積層体80の、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14とのガス流路溝接続部24に隣接するガス流路溝隣
接部25に、親水性エポキシ樹脂を塗布し、燃料電池用スタックを作製した。
(Embodiment 5)
As the fifth embodiment, adjacent to the gas flow channel groove adjacent to the gas flow channel groove connecting portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 of the cell stack 80 manufactured in the first embodiment. The part 25 was coated with a hydrophilic epoxy resin to produce a fuel cell stack.

比較例1として、実施の形態1にて作製したセル積層体80の、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14との接続部24に隣接する部分25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性向上処理を施すこと無く、燃料電池用スタックを作製した。   As Comparative Example 1, a portion 25 adjacent to the connection portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 of the cell stack 80 manufactured in the first embodiment, and the oxidant gas supply side A fuel cell stack was produced without subjecting the portion adjacent to the connecting portion between the manifold 33 and the oxidant gas flow channel groove 15 to the hydrophilicity improving process.

比較例2として、燃料電池用スタックのアノードセパレータ16a、および、カソードセパレータ17aのガス流路パターンを図6に示す。   As Comparative Example 2, FIG. 6 shows gas flow path patterns of the anode separator 16a and the cathode separator 17a of the fuel cell stack.

アノードセパレータ16a、および、カソードセパレータ17a以外は、実施の形態1と同様に作製したセル積層体80の、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14との接続部24に隣接する部分25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性向上処理を施すこと無く、燃料電池用スタックを作製した。   Except for the anode separator 16a and the cathode separator 17a, a portion 25 adjacent to the connection portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 of the cell stack 80 manufactured in the same manner as in the first embodiment. And the stack for fuel cells was produced, without performing a hydrophilicity improvement process to the part adjacent to the connection part of the oxidizing agent gas supply side manifold 33 and the oxidizing agent gas flow path groove 15.

比較例3として、実施の形態1にて作製した燃料電池用スタックのアノードセパレータ16b、および、カソードセパレータ17bのガス流路パターンを図7に示す。   As Comparative Example 3, FIG. 7 shows gas flow path patterns of the anode separator 16b and the cathode separator 17b of the fuel cell stack manufactured in the first embodiment.

アノードセパレータ16b、および、カソードセパレータ17b以外は、実施の形態1と同様に作製したセル積層体80の、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14との接続部24に隣接する部分25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性向上処理を施すこと無く、燃料電池用スタックを作製した。   Except for the anode separator 16b and the cathode separator 17b, a portion 25 adjacent to the connection portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 of the cell stack 80 manufactured in the same manner as in the first embodiment. And the stack for fuel cells was produced, without performing a hydrophilicity improvement process to the part adjacent to the connection part of the oxidizing agent gas supply side manifold 33 and the oxidizing agent gas flow path groove 15.

比較例4として、実施の形態1にて作製したセル積層体80の、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性エポキシ樹脂を塗布し、燃料電池用スタックを作製した。   As Comparative Example 4, a hydrophilic epoxy resin is applied to a portion of the cell stack 80 manufactured in Embodiment 1 adjacent to the connecting portion between the oxidizing gas supply side manifold 33 and the oxidizing gas channel groove 15. Thus, a fuel cell stack was produced.

なお、比較例1〜5にて作製した燃料電池用スタックを24h発電後、5℃環境で24h停止し、その後、再起動した時のフラッディングの有無、および、再起動12h後から24h後まで間の各セル電圧の差にて電気出力安定性の評価とした。   The fuel cell stacks produced in Comparative Examples 1 to 5 were generated for 24 hours, stopped for 24 hours in an environment of 5 ° C., and then flooded when restarted, and after 12 hours to 24 hours after restart. The electrical output stability was evaluated based on the difference between the cell voltages.

上により、燃料電池用スタックの電気出力安定性を評価した結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of evaluating the electrical output stability of the fuel cell stack.

比較例1は、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14との接続部24に隣接する部分25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性向上処理が施されていない。実施の形態1の燃料電池用スタックは、表1より、比較例1と比較しても、フラッディングが無く、各セル電圧差が小さいことから、マニホールド内壁面のガス流路溝との接続部において、接続部近傍での水滴の滞留を抑制し、ガス流路溝が水滴により閉塞されるのを抑制する効果があると考えられる。   Comparative Example 1 includes a portion 25 adjacent to the connection portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 and a connection portion between the oxidant gas supply side manifold 33 and the oxidant gas flow channel groove 15. The hydrophilicity improving process is not performed to the part adjacent to. According to the fuel cell stack of the first embodiment, since there is no flooding and each cell voltage difference is small even when compared with Comparative Example 1, the fuel cell stack according to Embodiment 1 is connected to the gas flow channel groove on the inner wall surface of the manifold. It is considered that there is an effect of suppressing the retention of water droplets in the vicinity of the connection portion and suppressing the gas channel groove from being blocked by water droplets.

図8にマニホールドとガス流路溝との接続部における水滴の形態について示す。図8(a)はマニホールドとガス流路溝との接続部に隣接する部分に親水化向上処理が施された場合のマニホールド鉛直方向断面模式図である。図8(b)はマニホールドとガス流路溝との接続部に隣接する部分に親水化向上処理が施されていない場合のマニホールド鉛直方向断面模式図である。図8(c)はマニホールドとガス流路溝との接続部に隣接する部分に親水化向上処理が施された場合のマニホールド水平方向断面模式図である。図8(d)はマニホールドとガス流路溝との接続部に隣接する部分に親水化向上処理が施されていない場合のマニホールド水平方向断面模式図である。   FIG. 8 shows the form of water droplets at the connection between the manifold and the gas flow channel. FIG. 8A is a schematic cross-sectional view in the vertical direction of the manifold when the hydrophilization improving process is performed on a portion adjacent to the connection portion between the manifold and the gas flow channel groove. FIG. 8B is a schematic cross-sectional view in the vertical direction of the manifold when the portion adjacent to the connection portion between the manifold and the gas flow channel groove is not subjected to the hydrophilization improving process. FIG. 8C is a schematic cross-sectional view in the horizontal direction of the manifold in the case where the portion adjacent to the connecting portion between the manifold and the gas flow channel groove is subjected to the hydrophilization improving process. FIG. 8D is a schematic cross-sectional view in the horizontal direction of the manifold in the case where the portion adjacent to the connection portion between the manifold and the gas flow channel groove has not been subjected to the hydrophilization improving process.

図8より、マニホールド内壁とガス流路溝との接続部において、接続部に隣接する部分への親水化向上処理により、接続部近傍の水滴の接触角が小さくなり、球形状の形成が困難になるため、マニホールド内壁とガス流路溝との接続部での水滴の滞留が抑制され、電気出力安定性につながったものと考えられる。   From FIG. 8, it is difficult to form a spherical shape by reducing the contact angle of water droplets in the vicinity of the connecting portion due to the hydrophilization improving process at the connecting portion between the manifold inner wall and the gas flow channel groove adjacent to the connecting portion. Therefore, it is considered that the retention of water droplets at the connection portion between the manifold inner wall and the gas flow channel groove is suppressed, leading to the stability of the electric output.

表1より、実施の形態2の燃料電池用スタックは、比較例1と比較しても、フラッディングが無く、各セル電圧差が小さいことから、マニホールドと接続されたガス流路溝入口部が、水滴により閉塞されるのを抑制する効果があると考えられる。   From Table 1, the fuel cell stack of Embodiment 2 has no flooding and a small cell voltage difference even when compared with Comparative Example 1, so that the gas flow channel groove inlet connected to the manifold is It is thought that there exists an effect which suppresses obstruction | occlusion with a water droplet.

また、親水性向上処理として、親水性エポキシ樹脂を塗布した実施の形態1と比較し、同じ効果が得られている。   Moreover, the same effect is acquired compared with Embodiment 1 which apply | coated the hydrophilic epoxy resin as a hydrophilic improvement process.

このことは、マニホールドとガス流路溝との接続部に隣接する部分に親水性材料を配設した場合においても、隣接部に直接親水性向上処理をした場合と同じ効果が得られ、ガス
流路溝の水滴による閉塞を抑制することができ、電気出力安定性につながったものと考えられる。
This is because even when a hydrophilic material is disposed in a portion adjacent to the connecting portion between the manifold and the gas flow channel groove, the same effect as that obtained when the hydrophilicity improving treatment is directly applied to the adjacent portion can be obtained. It is thought that the blockage of the road groove by water droplets can be suppressed, which led to electrical output stability.

実施の形態3の燃料電池用スタックは、表1より、供給側マニホールドがMEAの鉛直上方に配置された実施の形態1と比較し、同等の電気出力安定性が得られている。   As shown in Table 1, the fuel cell stack according to the third embodiment has the same electrical output stability as compared with the first embodiment in which the supply-side manifold is arranged vertically above the MEA.

このことは、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14との接続部24に隣接する部分25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性向上処理が施されている場合、MEAに対するマニホールド位置にかかわらず、ガス流路溝の水滴による閉塞を抑制することができ、電気出力安定性につながったものと考えられる。   This is because the portion 25 adjacent to the connection portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 and the connection portion between the oxidant gas supply side manifold 33 and the oxidant gas flow channel groove 15 are connected. When hydrophilicity-improving treatment is applied to the adjacent part, it is considered that the gas channel groove can be prevented from being clogged with water droplets regardless of the position of the manifold with respect to the MEA, leading to electrical output stability. .

一方、表1より、マニホールドがMEAの鉛直上方に配置された比較例1と、マニホールドがMEAの水平横方向に配置された比較例2と比較すると、供給側マニホールドがMEAの鉛直上方に配置された比較例1の方が、各セル電圧差が大きいことから、電気出力安定性が低い結果が得られている。   On the other hand, from Table 1, when compared with Comparative Example 1 in which the manifold is disposed vertically above the MEA and Comparative Example 2 in which the manifold is disposed in the horizontal horizontal direction of the MEA, the supply-side manifold is disposed vertically above the MEA. Since Comparative Example 1 has a larger cell voltage difference, a result of low electrical output stability is obtained.

このことは、マニホールドを配置する外周部分のデットスペースを無くし、コンパクトに燃料電池用スタックを設計するため、供給側マニホールドをMEAの鉛直上方に配置した場合の方が、水平横方向に配置した場合よりも、より親水性向上処理の効果が得られ、ガス流路溝の水滴による閉塞を抑制することができ、電気出力安定性につながったものと考えられる。   This is because the dead space in the outer peripheral part where the manifold is arranged is eliminated, and the fuel cell stack is designed in a compact manner. In this case, the supply side manifold is arranged vertically above the MEA. It is considered that the effect of the hydrophilicity improvement treatment can be obtained more than that, and the blockage of the gas channel groove by the water droplets can be suppressed, leading to the stability of the electric output.

実施の形態4の燃料電池用スタックは、表1より、ガス流路溝が供給側マニホールドから鉛直方向に延伸している実施の形態1と比較し、同等の電気出力安定性が得られている。
このことは、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14との接続部24に隣接する部分25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性向上処理が施されている場合、ガス流路溝の延伸方向にかかわらず、ガス流路溝の水滴による閉塞を抑制することができ、電気出力安定性につながったものと考えられる。
According to the fuel cell stack of the fourth embodiment, as shown in Table 1, the same electric output stability is obtained as compared with the first embodiment in which the gas flow channel groove extends in the vertical direction from the supply side manifold. .
This is because the portion 25 adjacent to the connection portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 and the connection portion between the oxidant gas supply side manifold 33 and the oxidant gas flow channel groove 15 are connected. When the hydrophilicity improving treatment is applied to the adjacent part, it is possible to suppress the blockage of the gas flow channel groove by water droplets regardless of the extending direction of the gas flow channel groove, which leads to electrical output stability it is conceivable that.

比較例1は、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14との接続部24に隣接する部分25、および、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部に隣接する部分に、親水性向上処理が施されてなく、且つ、ガス流路溝が供給側マニホールドから鉛直方向に延伸している。表1より、比較例1と、ガス流路溝が供給側マニホールドから水平方向に延伸している比較例3を比較すると、ガス流路溝が鉛直方向に延伸された比較例1の方が、各セル電圧差が大きいことから、電気出力安定性が低い結果が得られている。   Comparative Example 1 includes a portion 25 adjacent to the connection portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 and a connection portion between the oxidant gas supply side manifold 33 and the oxidant gas flow channel groove 15. The portion adjacent to the surface is not subjected to the hydrophilicity improving process, and the gas flow path groove extends in the vertical direction from the supply side manifold. From Table 1, comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 3 in which the gas flow channel groove extends in the horizontal direction from the supply side manifold, Comparative Example 1 in which the gas flow channel groove is extended in the vertical direction Since each cell voltage difference is large, a result with low electrical output stability is obtained.

このことは、マニホールドを配置する外周部分のデットスペースを無くし、コンパクトに燃料電池用スタックを設計することを可能とする。また、供給側マニホールドをセルの鉛直上方に配置し、且つ、供給側マニホールドからセルまでの流路長を最短にするため、ガス流路溝が鉛直方向に延伸した場合の方が、水平方向に延伸した場合よりも、より親水性向上処理の効果が得られ、ガス流路溝の水滴による閉塞を抑制することができ、電気出力安定性につながったものと考えられる。   This eliminates the dead space in the outer peripheral portion where the manifold is arranged, and enables the fuel cell stack to be designed in a compact manner. In addition, when the supply manifold is arranged vertically above the cell and the flow path length from the supply manifold to the cell is minimized, the gas channel groove extends in the vertical direction. It is considered that the effect of the hydrophilicity improvement treatment is obtained more than in the case of stretching, the blockage of the gas flow channel groove by water droplets can be suppressed, and the electrical output stability is led.

実施の形態5の燃料電池用スタックは、表1より、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14との接続部24に隣接する部分25に対し、親水性向上処理が施されている。しかし、酸化剤ガス供給側マニホールド33と酸化剤ガス流路溝15との接続部
に隣接する部分に、親水性向上処理が施されていない比較例4と比較し、耐フラッディング性は同等であるため、各セル電圧差が小さい結果が得られている。
From Table 1, the fuel cell stack of the fifth embodiment is subjected to hydrophilicity improving processing on the portion 25 adjacent to the connection portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14. . However, compared with the comparative example 4 in which the hydrophilicity improving process is not performed on the portion adjacent to the connection portion between the oxidant gas supply side manifold 33 and the oxidant gas flow channel groove 15, the flooding resistance is the same. Therefore, a result in which each cell voltage difference is small is obtained.

このことは、ガス供給量が酸化剤ガスと比較して少なく、マニホールド内の水滴を排出する能力が低い、燃料ガス供給側マニホールド31と燃料ガス流路溝14との接続部24に隣接する部分25に対し、親水性向上処理を施すことにより、マニホールド内壁とガス流路溝との接続部での水滴の滞留を抑制することができ、電気出力安定性につながったものと考えられる。   This is a portion adjacent to the connecting portion 24 between the fuel gas supply side manifold 31 and the fuel gas flow channel groove 14 where the gas supply amount is small compared to the oxidant gas and the ability to discharge water droplets in the manifold is low. 25, it is considered that the hydrophilicity-improving treatment can suppress the retention of water droplets at the connecting portion between the manifold inner wall and the gas flow channel groove, leading to electrical output stability.

このように構成された本実施の形態1に係る燃料電池用スタックは、供給側マニホールド内壁とガス流路溝との接続部において、水滴の滞留が抑制され、電気出力安定性を向上させることができ、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。   In the fuel cell stack according to the first embodiment configured as described above, the retention of water droplets is suppressed at the connection portion between the supply side manifold inner wall and the gas flow channel groove, and the electrical output stability can be improved. It is possible to stably ensure the performance of the fuel cell.

以上のように、本発明に係る燃料電池用スタックは、供給側マニホールド内に水滴が生成、または、流入する状態においても、ガス流路溝の水滴による閉塞の抑制に有効である。また、供給側マニホールド内壁面とガス流路溝との接続部において水滴が滞留することによるフラッディングなどの影響を受け難い。これにより、電気出力安定性が要望される、高分子型固体電解質を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステム等の用途に適用できる。   As described above, the fuel cell stack according to the present invention is effective in suppressing the blockage of the gas channel groove by water droplets even in the state where water droplets are generated or flow into the supply-side manifold. In addition, it is difficult to be affected by flooding or the like caused by water droplets staying at the connection portion between the inner wall surface of the supply side manifold and the gas flow path groove. Thereby, it can apply to uses, such as a fuel cell using a polymer type solid electrolyte, a fuel cell device, and a stationary fuel cell cogeneration system, where electrical output stability is required.

10 セル
11 電解質層
12 アノード
13 カソード
14 燃料ガス流路溝
15 酸化剤ガス流路溝
16、16a、16b アノードセパレータ
17、17a、17b カソードセパレータ
18 膜−電極接合体
19 ガスケット
22、23 熱媒体流路溝
24 ガス流路溝接続部
25 ガス流路溝隣接部
31 燃料ガス供給側マニホールド
32 燃料ガス排出側マニホールド
33 酸化剤ガス供給側マニホールド
34 酸化剤ガス排出側マニホールド
35 親水性樹脂管
36 親水性向上処理済マニホールド
37 親水性向上未処理マニホールド
38、39 水滴
40 ガス流路溝
41 燃料ガス供給口
51 酸化剤ガス供給口
85、86 集電板
80 セル積層体
81、82 端板
83、84 絶縁板
101 燃料電池スタック
111 カソード入口マニホールド
112 熱媒体入口マニホールド
113 アノード入口マニホールド
114 マニホールド孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Cell 11 Electrolyte layer 12 Anode 13 Cathode 14 Fuel gas flow path groove 15 Oxidant gas flow path groove 16, 16a, 16b Anode separator 17, 17a, 17b Cathode separator 18 Membrane-electrode assembly 19 Gasket 22, 23 Heat medium flow Channel groove 24 Gas channel groove connection portion 25 Gas channel groove adjacent portion 31 Fuel gas supply side manifold 32 Fuel gas discharge side manifold 33 Oxidant gas supply side manifold 34 Oxidant gas discharge side manifold 35 Hydrophilic resin tube 36 Hydrophilic Improved processed manifold 37 Hydrophilic improved unprocessed manifold 38, 39 Water droplet 40 Gas channel groove 41 Fuel gas supply port 51 Oxidant gas supply port 85, 86 Current collector plate 80 Cell stack 81, 82 End plate 83, 84 Insulation Plate 101 Fuel cell stack 111 Cathode inlet manifold Rudo 112 heat medium inlet manifold 113 anode inlet manifold 114 manifold aperture

Claims (5)

固体高分子電解質膜を一対のガス拡散電極で挟んでなる電解質膜−電極接合体と、前記ガス拡散電極と当接することでガス流路を形成するガス流路溝を備えたセパレータと、をそれぞれ複数積層することで形成される燃料電池用スタックにおいて、
前記スタックは、複数の前記ガス流路溝の上流側の一端と接続するマニホールドを備え、
前記マニホールドの内壁面のうち、前記マニホールドと前記ガス流路溝との接続部に隣接する部分には、親水性向上処理が施されていることを特徴とする燃料電池用スタック。
An electrolyte membrane-electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of gas diffusion electrodes, and a separator having a gas flow channel groove that forms a gas flow channel by contacting the gas diffusion electrode, respectively. In a fuel cell stack formed by stacking a plurality of layers,
The stack includes a manifold connected to one end on the upstream side of the plurality of gas flow channel grooves,
A fuel cell stack, wherein a hydrophilicity-improving treatment is applied to a portion of the inner wall surface of the manifold adjacent to a connection portion between the manifold and the gas flow channel groove.
前記マニホールドの内壁面のうち、前記マニホールドと前記ガス流路溝との接続部に隣接する部分には、親水性材料が配設されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用スタック。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein a hydrophilic material is disposed on a portion of the inner wall surface of the manifold adjacent to a connection portion between the manifold and the gas flow path groove. stack. 前記マニホールドは、前記ガス流路の鉛直上方に配置されたことを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用スタック。   3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the manifold is disposed vertically above the gas flow path. 前記ガス流路溝は、前記マニホールドから鉛直下方向に延伸することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池用スタック。   The fuel cell stack according to claim 1, wherein the gas flow path groove extends vertically downward from the manifold. 前記マニホールドのうち、少なくとも燃料ガス供給側マニホールドの前記ガス流路溝との接続部に隣接する部分に対し、親水性向上処理が施されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用スタック。   The hydrophilicity improving process is performed to the part adjacent to the connection part with the said gas flow path groove | channel of the manifold of the fuel gas supply side among the said manifolds, The any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. A fuel cell stack according to claim 1.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10361448B2 (en) 2016-12-14 2019-07-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell stack
DE102020202061A1 (en) 2020-02-19 2021-08-19 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Surface structure for separating water in a fuel cell system

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