JP2023074980A - Fuel battery employing medium temperature membrane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の構造に係り、より詳細には、中温膜(100℃以上で動作する膜電極接合体又は発電膜)を用いた燃料電池のセルに於けるガスの排出流路の構造に係る。 The present invention relates to the structure of a fuel cell, and more particularly, the structure of a gas discharge channel in a fuel cell using a medium temperature membrane (membrane electrode assembly or power generation membrane operating at 100° C. or higher). related to.
水素と酸素を反応させて電力を得る燃料電池に於いては、水が生成され排出されるところ、燃料電池のセル又はスタックに於いて、排出される水が燃料電池の動作に影響しないように種々の構造が提案されている。例えば、特許文献1に於いては、燃料電池の停止時に水を排出する内部マニホールドに滞留した凝縮水がガス流路へ吸い戻された状態で氷点下にて凍結してガス流路を閉塞することを防止するために、内部マニホールドの内壁面にその周方向に延びる溝が形成され、かかる溝に於ける毛管作用によって凝縮水が溝に保持され、ガス流路まで吸い戻されることを防止することが提案されている。特許文献2に於いては、燃料電池単セルのガス流路と、そのガス流路に連結するガスマニホールドとの連結部位に、ガスマニホールドの下部に溜まった液体の水がガス流路へ流出することを堰き止める突起状の水分流出阻止部を設け、ガス流路への水分の吸い戻しを防止する構成が提案されている。特許文献3では、反応ガスの供給路に於ける結露水によってガスの流れが妨げられることを防止するために、反応ガスの供給連通孔と排出連通孔とを連通する、絶縁シール部材で覆われたバイパス流路が形成され、反応ガスの供給路内の結露水を排出できるようになった構成が開示されている。更に、特許文献4に於いては、低温環境下で使用される燃料電池システムにおいて、運転停止後、燃料電池内部の水分を除去できるように、酸素が通過する空気経路又は水素が通過する水素経路を分岐して、吸着剤を備えた水分吸着部を設け、燃料電池の通常運転停止後に、経路内の流体が水分吸着部を循環するようにして、燃料電池内部の水分を水分吸着部に吸着させる構成が開示されている。
In a fuel cell that produces electricity by reacting hydrogen and oxygen, where water is produced and discharged, the cells or stacks of the fuel cell should be designed so that the discharged water does not affect the operation of the fuel cell. Various structures have been proposed. For example, in
ところで、近年、燃料電池セルのイオン交換が行われる膜電極接合体(発電膜)として、100℃以上にて動作する膜(「中温膜」と称する。)を採用した構成の開発が進められている。そのような中温膜としては、固体基質膜に液体の酸を含浸させたものが候補に挙げられている。かかる中温膜を採用した膜電極接合体の場合、通常の水性のイオン交換膜を用いたものと異なり、膜に液体の水を必要としないので、膜を加湿するための構成が不要となり、また、発電反応の生成物である水分子は、水蒸気として排出されるので、排出ガスの処理に於いて気液分離工程が不要となり、燃料電池の更なる小型化が容易となることが期待されている。 By the way, in recent years, as a membrane electrode assembly (power generation membrane) in which ion exchange is performed in a fuel cell, a configuration employing a membrane that operates at 100° C. or higher (referred to as a "medium temperature membrane") has been developed. there is As such a medium temperature membrane, a solid substrate membrane impregnated with a liquid acid is proposed as a candidate. In the case of a membrane electrode assembly employing such an intermediate temperature membrane, unlike the one using a normal aqueous ion exchange membrane, the membrane does not require liquid water, so a configuration for humidifying the membrane is not required. Since the water molecules, which are the products of the power generation reaction, are discharged as water vapor, there is no need for a gas-liquid separation process in the treatment of the exhaust gas, and further miniaturization of fuel cells is expected to be facilitated. there is
上記の如き中温膜を採用した膜電極接合体の場合、膜が液体の酸を含浸させた固体基質膜であり、液体の水と接触すると、膜を溶解してしまうなど、膜を損傷するおそれがある。この点に関し、中温膜を採用した燃料電池セルは、燃料電池の動作中は、100℃以上に保持され、水分子は水蒸気となっているので、問題はないところ、燃料電池を停止すると、温度が低下して、排出ガスのマニホールドや配管に於いて水蒸気が凝縮して液体の水となるので、そのような液体の水が膜電極接合体に接触しないようにすることが必要となる。従って、排出ガスのマニホールドや配管の液体の水が燃料電池セルに於ける膜電極接合体まで逆流しないようする構成が設けられることが好ましい。 In the case of a membrane electrode assembly employing a medium temperature membrane as described above, the membrane is a solid substrate membrane impregnated with liquid acid, and contact with liquid water may cause damage to the membrane, such as dissolution of the membrane. There is Regarding this point, the fuel cell adopting the intermediate temperature membrane is maintained at 100° C. or higher during the operation of the fuel cell, and the water molecules become water vapor, so there is no problem. is reduced and water vapor condenses into liquid water in the exhaust gas manifold and piping, and it is necessary to prevent such liquid water from contacting the membrane electrode assembly. Therefore, it is preferable to provide a structure that prevents the liquid water in the exhaust gas manifold or piping from flowing backward to the membrane electrode assembly in the fuel cell.
かくして、本発明の一つの課題は、中温膜を採用した膜電極接合体を有する燃料電池に於いて、排出ガスのマニホールドや配管から液体の水がセルの膜電極接合体まで逆流することを阻止する構成を提供することである。 Thus, one object of the present invention is to prevent backflow of liquid water from the exhaust gas manifold or piping to the cell's membrane electrode assembly in a fuel cell having a membrane electrode assembly employing a medium temperature membrane. It is to provide a configuration that
本発明によれば、上記の課題は、中温膜を採用した膜電極接合体が一対のセパレータにより挟持され、前記膜電極接合体と前記一対のセパレータのそれぞれとの間に反応ガスが流通するガス流路が設けられ、前記ガス流路のそれぞれが供給側マニホールドと排出側マニホールドとに連通し、前記供給側マニホールドの各々から前記ガス流路の対応する各々を通って前記排出側マニホールドの対応する各々へ前記反応ガスが流通するよう構成された燃料電池セルであって、前記膜電極接合体の下流側の前記ガス流路と前記排出側マニホールドとの間に液体の水を保持することが可能なメッシュ部材が配置されている燃料電池セルによって達成される。 According to the present invention, the above problem is solved by sandwiching a membrane electrode assembly employing a medium-temperature membrane between a pair of separators, and reacting gas between the membrane electrode assembly and the pair of separators. Flow paths are provided, each of said gas flow paths communicating with a supply manifold and an exhaust manifold, and from each of said supply manifolds through corresponding respective ones of said gas flow paths to corresponding ones of said exhaust manifolds. A fuel cell configured to allow the reaction gas to flow through each of the fuel cells, wherein liquid water can be retained between the gas flow path on the downstream side of the membrane electrode assembly and the discharge side manifold. is achieved by a fuel cell in which a mesh member is arranged.
上記の構成に於いて、「中温膜を採用した膜電極接合体」とは、上記の如く、100℃以上にてイオン交換を行う膜と電極層との接合体であり、膜は、酸を含浸させた固体膜であってよい。かかる膜電極接合体は、通常の態様にて一対のセパレータに挟持され、セパレータと膜電極接合体との間に於いて、通常の態様にて反応ガスの流通するガス流路が形成される。反応ガスは、アノード側のガス流路に流通するガスが燃料ガス(水素ガス)であり、カソード側のガス流路に流通するガスが酸化剤ガス(空気)である。そして、これらのガスが流通するガス流路は、それぞれ、供給側マニホールドと排出側マニホールドとの連通しており、燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれ、供給側マニホールドからガス流路へ供給され、膜電極接合体にて発電反応に寄与し、排出側マニホールドへ排出される。発電反応は、一つの態様に於いては、アノード側にて水素分子が電子を電極に放出して水素イオンがカソード側へ向かって膜内を移動し、カソード側にて酸素分子が電極から電子を受け取ってイオン化し、アノード側から移動してきた水素イオンと結合して水を生成する反応であってよい。この場合、酸化剤ガスの排出側マニホールドに水蒸気が含まれることとなる。また、発電反応は、別の態様として、アノード側にて水素分子が電子を電極に放出してイオン化し、カソード側にて酸素分子が電極から電子を受け取り酸素イオンとなって、アノード側へ向かって膜内を移動し、アノード側にて水素イオンと結合して水を生成する反応であってもよい。この場合、燃料ガスの排出側マニホールドに水蒸気が含まれることとなる。なお、典型的には、燃料電池セルは、複数、互いに積層されたスタックを構成しており、各セルのガス流路が共通の供給側マニホールドと排出側マニホールドとに連通される。 In the above configuration, the "membrane electrode assembly employing a medium temperature membrane" is, as described above, an assembly of a membrane that performs ion exchange at 100°C or higher and an electrode layer. It may be an impregnated solid membrane. Such a membrane electrode assembly is sandwiched between a pair of separators in a normal manner, and a gas flow path through which reaction gas flows is formed between the separator and the membrane electrode assembly in a normal manner. As for the reactant gas, the gas flowing through the gas passage on the anode side is the fuel gas (hydrogen gas), and the gas flowing through the gas passage on the cathode side is the oxidant gas (air). The gas passages through which these gases flow communicate with the supply-side manifold and the discharge-side manifold, respectively, and the fuel gas and the oxidant gas are supplied from the supply-side manifold to the gas passages, It contributes to the power generation reaction in the membrane electrode assembly and is discharged to the discharge side manifold. In one embodiment of the power generation reaction, hydrogen molecules release electrons to the electrode on the anode side, hydrogen ions move toward the cathode side in the film, and oxygen molecules release electrons from the electrode on the cathode side. is received, ionized, and combined with hydrogen ions that have migrated from the anode side to produce water. In this case, water vapor is contained in the oxidizing gas discharge side manifold. In another aspect of the power generation reaction, hydrogen molecules release electrons to the electrode on the anode side and become ionized, and on the cathode side, oxygen molecules receive electrons from the electrode and become oxygen ions, which travel toward the anode side. It may also be a reaction in which hydrogen ions migrate through the membrane and combine with hydrogen ions on the anode side to produce water. In this case, water vapor is contained in the manifold on the fuel gas discharge side. Note that, typically, a plurality of fuel cells form a stack, and the gas flow path of each cell communicates with a common supply-side manifold and discharge-side manifold.
上記の如き燃料電池セルに於いて、燃料電池の動作中には、膜電極接合体が100℃以上に加熱されるので、発電反応で生成した水は、水蒸気の状態でガス流路から排出側マニホールドへ流出されるところ、燃料電池の動作が停止すると、温度が低下し、排出側マニホールドに於いて水蒸気が凝縮して液体の水となり、かかる液体の水がガス流路を逆流して膜電極接合体まで到達すると、中温膜を損傷してしまうことがある。そこで、本発明の場合には、上記の如く、膜電極接合体の下流側のガス流路、即ち、発電反応後のガスが流通するガス流路と排出側マニホールドとの間に液体の水を保持することが可能なメッシュ部材が配置される。かかる構成により、発電反応後のガスに含まれる水蒸気が、燃料電池の停止後に排出側マニホールドにて凝縮して液体になってガス流路を逆流したとしても、かかる液体の水がメッシュ部材に保持されて膜電極接合体に到達することが阻止されることとなる。なお、メッシュ部材が配置されるガス流路は、そこを流通するガスに水蒸気が含まれる側だけでよい。発電反応に於いて、水素イオンがアノード側からカソード側へ膜内を移動してカソード側で水が生成する場合には、メッシュ部材は、カソード側のガス流路と排出側マニホールドとの間に配置され、発電反応に於いて、酸素イオンがカソード側からアノード側へ膜内を移動してアノード側で水が生成する場合には、メッシュ部材は、アノード側のガス流路と排出側マニホールドとの間に配置されてよい。メッシュ部材としては、燃料電池の動作温度に於いて十分に耐用できる任意の材料にて構成され、気体は透過させるが、液体の水を毛管作用及び吸着作用にて保持する多孔質又は網状の部材であってよい。メッシュ部材は、好適には、表面が親水性の材料にて形成されてよい。 In the fuel cell as described above, since the membrane electrode assembly is heated to 100° C. or more during the operation of the fuel cell, the water generated by the power generation reaction is discharged from the gas flow path in the form of water vapor. When the operation of the fuel cell stops at the point where it flows out to the manifold, the temperature drops and the water vapor condenses in the discharge side manifold to become liquid water. If it reaches the zygote, it may damage the mesophilic membrane. Therefore, in the case of the present invention, as described above, liquid water is introduced between the gas flow path on the downstream side of the membrane electrode assembly, that is, the gas flow path through which the gas after the power generation reaction flows and the discharge side manifold. A retainable mesh member is positioned. With such a configuration, even if the water vapor contained in the gas after the power generation reaction condenses in the discharge side manifold after the fuel cell is stopped and turns into a liquid and flows back through the gas flow path, the liquid water is retained in the mesh member. Therefore, it is blocked from reaching the membrane electrode assembly. It should be noted that the gas flow path in which the mesh member is arranged may be only on the side where water vapor is contained in the gas flowing therethrough. In the power generation reaction, when hydrogen ions move through the membrane from the anode side to the cathode side and water is produced on the cathode side, the mesh member is placed between the gas flow path on the cathode side and the discharge side manifold. In a power generation reaction, when oxygen ions move through the membrane from the cathode side to the anode side and water is produced on the anode side, the mesh member is formed between the gas flow path on the anode side and the discharge side manifold. may be placed between The mesh member is a porous or net-like member made of any material that can withstand the operating temperature of the fuel cell, and is permeable to gas but retains liquid water by capillary action and adsorption action. can be The mesh member may preferably be made of a material having a hydrophilic surface.
上記の構成に於いては、メッシュ部材は、種々の形態に配置されてよい。一つの態様に於いては、ガス流路と排出側マニホールドとの間の領域の断面の略全域を覆うようにメッシュ部材が配置されてよい。また、膜電極接合体とセパレータとの間にガス流路が形成される場合、典型的には、セパレータにガスの流通方向に沿って串状に複数のリブが形成されてリブの間のそれぞれにガス流路が画定され、それらが合流して、排出側マニホールドへ連通される。その場合には、メッシュ部材は、各リブに沿って串状に配列されるか、ガス流路に沿って串状に配列されてよい。或いは、各リブ間のガス流路のそれぞれが合流する出口のそれぞれにメッシュ部材が配置されてもよい。更に、別の態様に於いては、リブで画定されたガス流路が合流して排出側マニホールドへ連通する部位に於いて幅細な部位が形成され、その幅細な部位にメッシュ部材が配置されてよい。この場合、毛管作用によって幅細な部位に液体の水が集められ、そこに於いてメッシュ部材により、液体の水が保持されることとなる。或いは又、セルがその面方向が鉛直方向に沿って配置される場合には、液体の水は、ガス流路と排出側マニホールドとの間の領域の底部に溜まることになるので、かかる液体の水が溜まる部位にメッシュ部材が配置されてよい。なお、燃料電池セルに於いて、より詳細には、膜電極接合体とセパレータとの間にはガス拡散層が挟持されるところ、ガス拡散層は、メッシュ構造に形成されている。従って、かかるメッシュ構造のガス拡散層がガス流路と排出側マニホールドとの間の領域まで延在するように形成され、排出側マニホールドからガス流路へ逆流する液体の水を排出側マニホールド付近にて保持できるようになっていてもよい。 In the above configurations, the mesh members may be arranged in various forms. In one aspect, the mesh member may be arranged so as to cover substantially the entire cross section of the region between the gas flow path and the discharge side manifold. Further, when a gas flow path is formed between the membrane electrode assembly and the separator, typically, a plurality of skewed ribs are formed in the separator along the direction of gas flow, and each of the ribs is spaced between the ribs. A gas flow path is defined in the , which joins and communicates with the discharge side manifold. In that case, the mesh members may be arranged in a spit-like arrangement along each rib, or arranged in a spit-like arrangement along the gas flow path. Alternatively, a mesh member may be arranged at each of the outlets where the gas flow paths between the ribs join together. Furthermore, in another aspect, a narrow portion is formed at the portion where the gas flow paths defined by the ribs merge and communicate with the discharge side manifold, and the mesh member is arranged at the narrow portion. may be In this case, liquid water is collected in the narrow portion by capillary action, where the liquid water is retained by the mesh member. Alternatively, if the cell is arranged with its surface direction along the vertical direction, the liquid water will accumulate at the bottom of the region between the gas flow path and the discharge side manifold. A mesh member may be arranged at a site where water is accumulated. In the fuel cell, more specifically, the gas diffusion layer is sandwiched between the membrane electrode assembly and the separator, and the gas diffusion layer is formed in a mesh structure. Therefore, the gas diffusion layer having such a mesh structure is formed to extend to the region between the gas flow path and the discharge side manifold, and the liquid water flowing back from the discharge side manifold to the gas flow path is diverted to the vicinity of the discharge side manifold. It may be possible to hold the
上記の本発明の構成によれば、中温膜を用いた燃料電池セルに於いて、動作停止中に排出側マニホールドに生じた液体の水がガス流路を逆流して膜電極接合体まで到達することが阻止され、中温膜の損傷を回避することが可能となる。本発明の構成に於いては、ガス流路と排出側マニホールドとの間にメッシュ部材を配置するだけでよいので、廉価に中温膜を液体の水から保護することができ、有利である。燃料電池の再稼動時には、メッシュ部材に保持された液体の水は、ガス流路を流通するガスによって排出側マニホールドへ押し流されて排出されることとなる。 According to the above configuration of the present invention, in a fuel cell using a medium temperature membrane, liquid water generated in the discharge side manifold flows back through the gas flow path and reaches the membrane electrode assembly while the operation is stopped. is prevented and damage to the mesophilic membrane can be avoided. In the construction of the present invention, it is only necessary to dispose a mesh member between the gas flow path and the discharge side manifold, so it is possible to inexpensively protect the intermediate temperature membrane from liquid water, which is advantageous. When the fuel cell is restarted, the liquid water held in the mesh member is pushed to the discharge side manifold by the gas flowing through the gas flow path and discharged.
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention.
1…燃料電池スタック
2a…燃料ガス(水素ガス)供給側マニホールド
2b…酸化剤ガス(空気)供給側マニホールド
3a…燃料ガス(水素ガス)排出側マニホールド
3b…酸化剤ガス(空気)排出側マニホールド
5…単セル
10…アノード側セパレータ
10a…燃料ガス流路
11…カソード側セパレータ
11a…酸化剤ガス流路
11g…溝状流路
11r…リブ
12…膜電極接合体支持層
13…膜電極接合体(発電膜)
16…メッシュ部材
17…ガス拡散層(メッシュ構造)
20…冷媒流路
WL…水滴
16...
20...Refrigerant channel W L ...Water droplet
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。 The present invention will now be described in detail with respect to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals denote the same parts.
燃料電池セルの基本的な構成
図1(A)を参照して、本実施形態が適用される中温膜を採用した燃料電池に於いては、基本には、イオン交換膜を用いた固体高分子形燃料電池と同様に、複数の単セル5が積層されてスタック1を形成する。かかるスタック1には、燃料ガス供給側マニホールド2aと、酸化剤ガス供給側マニホールド2bとが接続されて、それぞれのマニホールドから、燃料ガスである水素ガス(H2)と、酸化剤ガスである酸素ガス(O2)を含む空気とが、それぞれ、アノードとカソードとに供給されて、発電反応を起こし、それぞれの電極層に於ける反応後のガスが、スタック1に接続された燃料ガス排出側マニホールド3aと、酸化剤ガス排出側マニホールド3bとから流出される。
Basic Configuration of Fuel Cell Referring to FIG. A plurality of
スタック1に於いて積層されている単セル5のそれぞれは、図1(B)に模式的に描かれている如く、アノード側セパレータ10とカソード側セパレータ11との間にて、絶縁性の樹脂等から形成された支持層12に支持された膜電極接合体13が挟持された構成に形成される(なお、実際には、各セパレータ10、11と膜電極接合体3との間には、ガス拡散層が介在され、膜電極接合体12に於いては、両面で電極層が外部へ導通する構成が設けられるが、図1(B)に於いては、説明の目的で省略されている。)。かかる構成に於いて、より詳細には、アノード側セパレータ10とカソード側セパレータ11との膜電極接合体12に面する側に、図2(A)に模式的に描かれている如く、串状のリブ11rと溝形状の流路11gから成るガス流路10a、11aが形成されており、また、アノード側セパレータ10、膜電極接合体支持層12及びカソード側セパレータ11が重ね合わされると、図1(B)の如く、それぞれの4角の開口部分2a、2b、3a、3bが整合し、更に、複数のセル5が積層することで、燃料ガス供給側マニホールド2a、酸化剤ガス供給側マニホールド2b、燃料ガス排出側マニホールド3a及び酸化剤ガス排出側マニホールド3bが形成される。そして、アノード側セパレータ10上のガス流路10aは、燃料ガス供給側マニホールド2aと燃料ガス排出側マニホールド3aとに連通し、これにより、燃料ガスは、燃料ガス供給側マニホールド2aからガス流路10aへ流入して膜電極接合体13上に通り、燃料ガス排出側マニホールド3aへ排出されることとなる。一方、カソード側セパレータ11上のガス流路11aは、酸化剤ガス供給側マニホールド2bと酸化剤ガス排出側マニホールド3bとに連通し、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給側マニホールド2aからガス流路11aへ流入して膜電極接合体13上に通り、酸化剤ガス排出側マニホールド3aへ排出されることとなる。なお、燃料ガス供給側マニホールド2aと酸化剤ガス排出側マニホールド3bとの間、並びに、酸化剤ガス供給側マニホールド2bと燃料ガス排出側マニホールド3aとの間に、燃料電池セルの温度を調節するための冷媒を流通する流路20が設けられていてよい。
Each of the
上記の燃料電池の作動に於いては、端的に述べれば、燃料ガスが燃料ガス供給側マニホールド2aからガス流路10aへ供給され、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給側マニホールド2bからガス流路11aへ供給されると、膜電極接合体13にて発電反応が惹起される。かかる発電反応に於いては、典型的には、アノードにて水素分子が電子を放出し、水素イオンとなり、イオン交換膜にてカソードまで移動し、カソードにて、酸素分子が(アノードから負荷を通ってカソードに到達した)電子を受容すると共に、水素イオンと結合して、水分子が形成される。そして、酸化剤ガスの残りのガスと水分子は、図2(B)に描かれている如く、カソード側の串状のリブ11rの間の溝状の流路11gから成るガス流路11aを通り、酸化剤ガス排出側マニホールド3bへ流出される。アノードに於いては、燃料ガスの残りのガス(反応しなかった水素ガスなど)がアノード側のガス流路10aを通り、燃料ガス排出側マニホールド3aへ流出される。なお、イオン交換膜の種類によっては、イオン交換膜にて酸素イオンが移動し、アノードにて水分子が形成されるようになっていてもよい。その場合には、発電反応で生じた水分子は、アノード側のガス流路10aを通り、燃料ガス排出側マニホールド3aへ流出される。
In the operation of the above fuel cell, to put it simply, the fuel gas is supplied from the fuel gas
中温膜の保護のための構成
上記の燃料電池の単セルに関して、「発明の概要」の欄に於いても記載されている如く、膜電極接合体13のイオン交換膜として、100℃以上の温度環境下で動作する中温膜を用いる場合、膜に液体の水を用いないので、供給されるガスや膜を加湿するための構成が不要となり、また、排出されるガスに液体の水が存在しないので、排出ガスの処理に於いて、気液分離処理などが不要となり、燃料電池のシステムをコンパクトに或いは小型化できることとなる。かかる中温膜を採用した燃料電池セルに於いて、中温膜としては、種々の形態の材質のうち、典型的には、酸を含浸させた膜状の部材の採用が検討されているところ、その場合、中温膜に液体の水が接触すると、中温膜を溶解するなどして損傷してしまうおそれがある。この点に関し、燃料電池の動作中に於いては、単セルは、100℃以上の温度環境下に置かれるので、水滴が膜電極接合体13に接触することはないが、燃料電池の動作が停止した後、排出側マニホールド3b(又は3a)にて排出された水分子が凝縮して液体となり、その液体の水がガス流路11a(又は10a)を逆流してしまうと、膜電極接合体13に水滴が接触することがあり得る。そこで、本実施形態では、中温膜を採用した燃料電池セルに於いて、排出側マニホールド3b(又は3a)からガス流路11a(又は10a)への液体の水或いは水滴の逆流を阻止し、中温膜を水滴から保護するための構成が設けられる。
Configuration for protection of the intermediate temperature membrane Regarding the single cell of the above fuel cell, as described in the "Summary of the Invention" column, the ion exchange membrane of the
具体的には、本実施形態に於いては、図2(B)を参照して、排出側マニホールド3b(又は3a)から中温膜を有する膜電極接合体13への液体の水の逆流を阻止するための構成として、ガス流路11a(又は10a)と排出側マニホールド3b(又は3a)との連結領域15に於いて、メッシュ部材16が配置される。かかるメッシュ部材16は、燃料電池の動作温度環境下にて安定で気体を通過させる多孔質又は網目状の構造(メッシュ構造)を有する材料であって、液体の水を毛管作用又は吸着作用によってメッシュ構造内に保持できる材料にて形成される。かかる構成によれば、燃料電池の動作中には、ガス流路から排出されるガスがメッシュ部材16を通過する一方、燃料電池の動作が停止した後に排出側マニホールド3b(又は3a)とセル5との温度が低下し、発電反応の生成物である水分子が凝縮して液体となった場合において、排出側マニホールド3b(又は3a)からガス流路11a(又は10a)を液体の水が逆流したとしても、かかる液体の水がメッシュ部材16によって捕集され、水滴が膜電極接合体13まで到達することが回避できることとなる。なお、メッシュ部材16は、水蒸気を含む排出ガスの流路に配置される。従って、発電反応に於いて、アノードで生じた水素イオンが中温膜を移動して、カソードで水分子が生成される場合には、メッシュ部材16は、酸化剤ガスのガス流路11aの膜電極接合体13の下流と排出側マニホールド3bとの間の領域に配置され、発電反応に於いて、カソードで生じた酸素イオンが中温膜を移動して、アノードで水分子が生成される場合には、メッシュ部材16は、燃料ガスのガス流路10aの膜電極接合体13の下流と排出側マニホールド3aとの間の領域に配置される。
Specifically, in this embodiment, referring to FIG. 2(B), backflow of liquid water from the
メッシュ部材の配置の種々の態様
上記のガス流路11a(又は10a)と排出側マニホールド3b(又は3a)との連結領域15に配置されるメッシュ部材16は、排出側マニホールド3b(又は3a)から膜電極接合体13へ向かって流れてきた液体の水を捕捉できれば、以下にいくつか例示される如く、任意の態様にて配置されてよい。なお、以下の例は、酸化剤ガス排出側マニホールド3bに於ける構成について説明されるところ、燃料ガスの排出ガスに水分が含まれる場合には、燃料ガス排出側マニホールド3aの近傍に同様の構成が設けられてよく、その場合も本実施形態の範囲に属する。
Various Aspects of Mesh Member Arrangement The
具体的には、先ず、図3(A)に示されている如く、ガス流路11aと排出側マニホールド3bとの間の領域15の全域を覆うようにメッシュ部材16が配置されてよい。かかる構成により、より確実に、液体の水を捕集できることとなる。
Specifically, first, as shown in FIG. 3A, a
また、図3(B)の如く、メッシュ部材16は、ガス流路11aのリブ部分11rに沿って配置されてよい。この場合、ガスが流れる溝状流路11gにメッシュ部材が配置されていないので、燃料電池作動時のガスの圧損がより低く抑えられることとなる。
Also, as shown in FIG. 3B, the
或いは、図3(C)の如く、メッシュ部材16は、ガス流路11aの溝状流路11gに沿って配置されてよい。この場合、溝状流路11gに進入しようとする水滴をより確実に捕集できるとともに、リブ部分11rの延長線上にメッシュ部材が置かれていない分、図3(A)の場合よりも、燃料電池作動時のガスの圧損がより低く抑えられることとなる。
Alternatively, as shown in FIG. 3(C), the
更に、図4(A)の如く、メッシュ部材16は、ガス流路11aの溝状流路11gの延在方向に対して傾斜して配置されてもよい。この場合、排出側マニホールド3bから直線的に溝状流路11gへ進入経路がなくなるので、水滴をよりよく捕集できるともに、メッシュ部材の配置されていない経路が存在するので、燃料電池作動時のガスの圧損がより低く抑えられることとなる。
Furthermore, as shown in FIG. 4(A), the
また更に、図4(B)の如く、メッシュ部材16は、ガス流路11aの溝状流路11gの出口に進入するように配置されてもよい。この場合、溝状流路11gに浸入する水滴をより確実に捕集できるとともに、ガス流路11aと排出側マニホールド3bとの間にメッシュ部材を配置するスペースを節約することが可能となり、セルをより小型化できることとなる。
Furthermore, as shown in FIG. 4(B), the
或いはまた、図4(C)を参照して、ガス流路11aと排出側マニホールド3bとの間の領域15の一部に於いて、同図右の如く、セパレータ11と支持層12との一部が互いに近接する形状を構成して、周囲より幅が狭くなる部位を形成し、同図左の如く、かかる部位にメッシュ部材16が配置されてよい。この場合、液体の水WLは、図示の如く毛管作用により、周囲より幅が狭くなった部位に集められ、そこに於いて、メッシュ部材に捕集され、かくして、より確実に水滴WLを捕集できることとなる。また、メッシュ部材16が配置されている部分は、領域15の一部になるので、ガスの流路は確保され、燃料電池作動時のガスの圧損がより低く抑えられることとなる。
Alternatively, referring to FIG. 4(C), in part of the
更にまた、セルが、その面方向が鉛直方向に配置される構成の場合には、図5(A)の如く、ガス流路11aと排出側マニホールド3bとの間の領域15に於いて、液体の水WLは、重力により領域15の底部に滞留して流れるので、メッシュ部材16が領域15の底部に配置されてよい。この場合、液体の水は、メッシュ部材16に捕集されると共に、メッシュ部材16が配置されている部分は、領域15の一部になるので、ガスの流路は確保され、燃料電池作動時のガスの圧損がより低く抑えられることとなる。
Furthermore, in the case of a structure in which the surface direction of the cell is arranged in the vertical direction, as shown in FIG. Since the water WL stays and flows at the bottom of the
ところで、単セルに於いて、既に触れた如く、膜電極接合体とセパレータとの間には、ガス拡散層が挟持されるところ、ガス拡散層は、メッシュ素材にて形成されている。そこで、図5(B)に模式的に描かれている如く、ガス拡散層17が排出側マニホールド3bまで延長されて、ガス流路11aと排出側マニホールド3bとの間の領域15を覆うように形成されていてよい。かかる構成によれば、ガス拡散層17が上記のメッシュ部材16と同様に機能し、排出側マニホールド3bからの液体の水を捕捉し、中温膜を液体の水から保護できることとなる。また、この場合、メッシュ部材16を別途設ける必要がなく、部品点数の増大を抑えることが可能となる。
By the way, in the single cell, as already mentioned, the gas diffusion layer is sandwiched between the membrane electrode assembly and the separator, and the gas diffusion layer is formed of a mesh material. Therefore, as schematically depicted in FIG. 5B, the
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。 Although the above description has been given with reference to the embodiments of the present invention, many modifications and changes will readily occur to those skilled in the art, and the present invention is limited only to the above-exemplified embodiments. It will be clear that the invention is non-limiting and can be applied to a variety of devices without departing from the concept of the invention.
Claims (1)
前記膜電極接合体の下流側の前記ガス流路と前記排出側マニホールドとの間に液体の水を保持することが可能なメッシュ部材が配置されている燃料電池セル。
A membrane electrode assembly employing a medium-temperature membrane is sandwiched between a pair of separators, and a gas flow path through which a reactant gas flows is provided between the membrane electrode assembly and the pair of separators, and the gas flow path includes: Each of them communicates with a supply side manifold and a discharge side manifold, and is configured such that the reaction gas flows from each of the supply side manifolds through corresponding ones of the gas flow paths to corresponding respective discharge side manifolds. a fuel cell comprising:
A fuel cell in which a mesh member capable of retaining liquid water is arranged between the gas flow path on the downstream side of the membrane electrode assembly and the discharge side manifold.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2021188215A JP2023074980A (en) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | Fuel battery employing medium temperature membrane |
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- 2021-11-18 JP JP2021188215A patent/JP2023074980A/en active Pending
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