JP3123992B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte fuel cell

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JP3123992B2
JP3123992B2 JP10318748A JP31874898A JP3123992B2 JP 3123992 B2 JP3123992 B2 JP 3123992B2 JP 10318748 A JP10318748 A JP 10318748A JP 31874898 A JP31874898 A JP 31874898A JP 3123992 B2 JP3123992 B2 JP 3123992B2
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    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に関し、殊にガスの分配性能を向上させる技術に関
する。
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a technique for improving gas distribution performance.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜
の一方の側にカソードが配され他方の側にアノードが配
されたセルが、ガス流路が形成された一対のプレート部
材で挟持された基本構造であって、実用化されているも
のの多くは、このような基本構造の単位セルが多数積層
されて構成されている。そして、運転時には、カソード
側の流路に酸化剤としての空気を、アノード側の流路に
燃料ガスを供給し、電気化学的な反応により発電を行
う。
2. Description of the Related Art In a polymer electrolyte fuel cell, a cell in which a cathode is arranged on one side of a solid polymer membrane and an anode is arranged on the other side is composed of a pair of plate members in which gas channels are formed. Many of the sandwiched basic structures that are put into practical use are configured by stacking a large number of unit cells having such a basic structure. During operation, air as an oxidant is supplied to the flow path on the cathode side, and fuel gas is supplied to the flow path on the anode side, and power is generated by an electrochemical reaction.

【0003】ところで、固体高分子型燃料電池は、運転
中に固体高分子膜のイオン伝導性を確保するためにこれ
を保湿する必要があり、そのため、従来から空気や燃料
ガスを加湿して供給することにより固体高分子膜を保湿
する方式が多く用いられているが、これに代わって例え
ば、特開平5−41230号公報に開示されているよう
に、各々のアノード側の流路に燃料ガスと液体の水とを
分配して共に流通させることによって、アノードに対す
る燃料ガスの供給と固体高分子膜の保湿を効率よく行う
と共に電池の冷却も行うことのできる固体高分子型燃料
電池も開発されている。
[0003] In a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to keep the solid polymer membrane humidified during operation in order to secure the ionic conductivity. Therefore, conventionally, air or fuel gas is supplied by humidification. The method of moisturizing the solid polymer membrane by using a method is often used. Alternatively, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-41230, fuel gas is supplied to each anode-side flow path. A polymer electrolyte fuel cell has also been developed that can distribute fuel gas and liquid water and distribute them together, thereby efficiently supplying fuel gas to the anode, keeping the polymer membrane moist, and cooling the battery. ing.

【0004】また、燃料電池において優れた電池特性を
得るためにはアノード全体に渡って燃料ガスを行き渡ら
せることが必要である。そのため、この方式の固体高分
子型燃料電池においては、アノード側流路が水で閉塞し
て燃料ガスの流れが止まることがないようにすることが
望まれる。この点を考慮して、従来から、当該流路を鉛
直方向に向けて燃料ガス及び水を下方向に流通させた
後、電池下部の共通の配管を経由して電池の外部に排出
するような構成となっているが、それでもアノード側流
路の下流端は、気体である燃料排ガス、固体である流路
基板、液体である水の3相が接するため、毛細管現象に
より水のメニスカスが形成されて燃料ガスが流れなくな
りやすいという問題がある。
In order to obtain excellent cell characteristics in a fuel cell, it is necessary to distribute fuel gas over the entire anode. Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell of this type, it is desired that the anode-side flow path is not blocked by water and the flow of the fuel gas is not stopped. In consideration of this point, conventionally, the fuel gas and water are circulated downward with the flow path directed vertically, and then discharged to the outside of the battery via a common pipe below the battery. Nevertheless, the fuel gas exhaust gas, the solid flow channel substrate, and the liquid water phase are in contact with the downstream end of the anode-side flow channel, so that a meniscus of water is formed by capillary action. Therefore, there is a problem that the fuel gas does not easily flow.

【0005】図8は、アノード側流路の下端部でメニス
カスが形成され、ガスの流通が閉塞される様子を示す模
式図である。このようなメニスカス800が形成される
と、その流路801は閉塞されるので、アノードに対す
る燃料ガスの供給は不均一となってしまう。このような
水による流路の閉塞を防止する対策として、毛細管現象
が生じないように流路の幅をより拡く設定することも考
えられるが、流路幅を拡げるとそのぶん流路が形成され
た基板とセルとの接触面積が少なくなる結果、燃料電池
内の電気抵抗が大きくなるので望ましくない。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a state in which a meniscus is formed at the lower end of the anode-side flow path and the gas flow is blocked. When such a meniscus 800 is formed, the flow path 801 is closed, so that the supply of the fuel gas to the anode becomes uneven. As a measure to prevent the flow path from being blocked by water, it is conceivable to set the flow path width to be wider so that the capillary phenomenon does not occur. As a result, the electrical resistance in the fuel cell increases, which is not desirable.

【0006】また、燃料ガスを高圧で供給して流路内を
高速で流通させることも考えられるが、この場合、燃料
ガスの高圧供給及び回収のための装置が必要となり、携
帯用などのコンパクトなシステムを実現する上で望まし
くない。この課題を解決するために本出願人は先に、図
9に示したようにアノード側基板900の下流側に複数
本のアノード側流路901と対応させて溌水処理したカ
ーボンペーパ902を配し、ガスを当該カーボンペーパ
902から選択的に透過させ、残る水を更に下流側の排
出マニホールドに設けた吸水基材903で吸水させて排
出するという技術を提案した(特願平9−188572
号明細書及び図面)。
Further, it is conceivable to supply the fuel gas at a high pressure and to distribute the fuel gas at a high speed in the flow path. This is not desirable for realizing a simple system. In order to solve this problem, the present applicant has previously arranged, as shown in FIG. 9, a carbon paper 902 subjected to a water-repellent treatment on the downstream side of the anode-side substrate 900 in correspondence with the plurality of anode-side channels 901. Then, a technique has been proposed in which gas is selectively permeated from the carbon paper 902 and the remaining water is absorbed and discharged by a water-absorbing substrate 903 provided in a discharge manifold further downstream (Japanese Patent Application No. Hei 9-188572).
Specification and drawings).

【0007】これにより、上記メニスカスの形成による
ガス流路の閉塞といった問題は解消することができる。
[0007] Thus, the problem that the gas flow path is blocked due to the formation of the meniscus can be solved.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記明細書
の具体例に記載された構成は、安定した発電を実現する
ために、未反応ガスが水排出口から流れ出ることを防止
して、カーボンペーパ902の微細な孔のみから排出さ
れるようにすることでアノード側流路901一本、一本
におけるガス分配が均一に行われるようにしたものであ
る。すなわち、吸水基材903を流路の出口全体を覆う
ように配設し、流路の下端が水で封鎖(水封)されるよ
うにして、ガスの流出を防止してある。
By the way, in order to realize stable power generation, the configuration described in the specific example of the above specification prevents unreacted gas from flowing out from the water discharge port and reduces the carbon paper. By discharging the gas from only the fine holes 902, the gas distribution in one anode-side flow path 901 is uniformly performed. That is, the water-absorbing substrate 903 is disposed so as to cover the entire outlet of the flow channel, and the lower end of the flow channel is sealed (water-sealed) with water to prevent the outflow of gas.

【0009】この技術によればガスをセルに比較的、均
一に分配させられるという利点はある一方、吸水基材9
03が流路901の出口側においてアノード側流路90
1全体を横切って設けられているので、以下のような問
題がある。すなわち、通常、アノード側流路基板を形成
するのに用いられるカーボン多孔体は、一般に微細なカ
ーボン粉末を焼結して平板状に形成され、そして切削加
工により流路が形成されている。このため、水やガスを
供給することにより表面が剥離することもあり、排水マ
ニホールドに設けた吸水基材に剥離したカーボンが目詰
まりしてしまう可能性が高い。また、剥離が生じにくい
基板として例えば導電材料を樹脂で成形することにより
作製したもの、いわゆるモールド成型によるものを用い
る場合でも、水にゴミが浮遊しておれば、そのゴミによ
る目詰まりが生じ同様の結果を招く。
This technique has the advantage that the gas can be distributed relatively uniformly to the cells, while the water-absorbing substrate 9 has the advantage.
03 is the anode side flow path 90 at the outlet side of the flow path 901.
1 is provided across the entirety, so that there are the following problems. That is, the porous carbon material used to form the anode-side flow path substrate is generally formed into a flat plate by sintering fine carbon powder, and the flow path is formed by cutting. For this reason, the surface may be peeled off by supplying water or gas, and there is a high possibility that the peeled carbon is clogged on the water-absorbing substrate provided in the drainage manifold. Further, even when a substrate that is formed by molding a conductive material with a resin, for example, a so-called molded substrate is used as a substrate that is unlikely to be peeled, if dust is floating in water, clogging due to the dust occurs. Results.

【0010】このようにカーボン粉末などのゴミが目詰
まりすると、水が上流側に押し上げてきて、ガスを選択
的に排出するカーボンペーパ902を覆ってしまう可能
性があり、仮にこのようになれば、ガスを効果的に排出
できなくなってしまう。そこで、本発明は、かかる課題
に鑑みてなされたものであって、ガスを効果的に排出し
ながら、排水も効率よく行える固体高分子型燃料電池を
提供することを目的としている。
When dust such as carbon powder is clogged in this way, water may be pushed up to the upstream side and may cover the carbon paper 902 that selectively discharges gas. Gas cannot be discharged effectively. Therefore, the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of efficiently discharging gas and efficiently discharging water.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、固体高分子膜にカソード及びアノードを
配したセルが、前記アノードに対向してアノード側流路
が形成された第1のプレートと、前記カソードに対向し
てカソード側流路が形成された第2のプレートとで挟持
されてなり、前記アノード側流路に燃料ガス及び水が供
給されると共に前記カソード側流路に酸化剤ガスが供給
されて発電する固体高分子型燃料電池であって、前記第
1のプレートは、燃料ガス流れ方向の前記アノードの終
端よりも下流側に前記アノード側流路から延設された延
設流路を有し、延設流路の底面と対応する位置には、表
面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の接触角
と同等若しくは大きい部材が配され、当該部材の下流側
には、ガス排出口が開設されており、更に、前記ガス排
出口の下流側において、延設流路の底面と対応する位置
には、表面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水
の接触角と同等若しくは小さい部材が配され、当該部材
の下流側には、延設流路と連通する水排出口が開設され
ている。
In order to achieve the above object, the present invention provides a cell comprising a solid polymer membrane having a cathode and an anode, wherein the cell has an anode-side flow path formed opposite to the anode. 1 plate and a second plate having a cathode-side flow path formed opposite to the cathode, so that fuel gas and water are supplied to the anode-side flow path and the cathode-side flow path is provided. A fuel cell, wherein the oxidizing gas is supplied to the polymer electrolyte fuel cell to generate power, wherein the first plate extends from the anode-side flow path downstream of a terminal end of the anode in a fuel gas flow direction. A member having a contact angle of water on the surface equal to or greater than the contact angle of water on the inner wall of the plate of the extended flow passage, at a position corresponding to the bottom surface of the extended flow passage, Downstream of the member, a gas outlet The contact angle of water on the surface is equal to the contact angle of water on the inner wall of the plate of the extension flow path at a position corresponding to the bottom surface of the extension flow path on the downstream side of the gas discharge port. Alternatively, a small member is provided, and a water outlet communicating with the extension flow path is opened downstream of the member.

【0012】或いは、前記第2のプレートは、酸化剤ガ
ス流れ方向の前記カソードの終端よりも下流側に前記カ
ソード側流路から延設された延設流路を有し、延設流路
の底面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流
路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは大きい部
材が配され、当該部材の下流側には、ガス排出口が開設
されており、更に、前記ガス排出口の下流側において、
延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触角
が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは
小さい部材が配され、当該部材の下流側には、延設流路
と連通する水排出口が開設されている。
Alternatively, the second plate has an extension passage extending from the cathode-side passage downstream of an end of the cathode in a flow direction of the oxidizing gas, and the second plate has an extension passage. At a position corresponding to the bottom surface, a member whose surface contact angle with water is equal to or greater than the contact angle of water with the inner wall of the plate of the extension flow path is arranged, and a gas outlet is opened downstream of the member. And further, on the downstream side of the gas outlet,
At a position corresponding to the bottom surface of the extension flow path, a member having a contact angle of water on the surface equal to or smaller than a contact angle of water on the inner wall of the plate of the extension flow path is arranged. A water outlet communicating with the installation channel is established.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】[実施の形態]以下に本発明の実施
の形態に係る固体高分子型燃料電池について図面を参照
しながら具体的に説明する。図1は、本実施の形態に係
る固体高分子型燃料電池1(以下、単に「燃料電池1」と
いう。)を構成するセルユニット100の組み立て図で
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [Embodiment] A polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 is an assembly diagram of a cell unit 100 constituting a polymer electrolyte fuel cell 1 (hereinafter, simply referred to as “fuel cell 1”) according to the present embodiment.

【0014】本図に示すように、セルユニット100
は、長方形状の枠体10の片面側(図1では上面側)
に、固体高分子膜21にカソード22及びアノード23
を配してなるセル20と、複数のカソード側流路311
…が平行に形成されたカソード側流路基板30とが嵌め
込まれ、枠体10の他面側(図1では、下面側)に、複
数のアノード側流路400…が平行に形成されたアノー
ド側流路基板40と仕切板50とが嵌め込まれて構成さ
れている。なお、図1においては、アノード23は、固
体高分子膜21の背面側にあるので破線で示している。
As shown in FIG.
Is one side of the rectangular frame 10 (the top side in FIG. 1)
The cathode 22 and the anode 23 are formed on the solid polymer film 21.
And a plurality of cathode-side flow paths 311
Are fitted in parallel with the cathode-side flow path substrate 30 in which a plurality of anode-side flow paths 400 are formed in parallel on the other surface side (the lower surface side in FIG. 1) of the frame 10. The side flow path substrate 40 and the partition plate 50 are fitted. In FIG. 1, the anode 23 is indicated by a broken line because it is located on the back side of the solid polymer film 21.

【0015】セル20は、カソード側流路基板30とア
ノード側流路基板40とで挟持された状態で保持されて
おり、アノード側流路400…には、図1の白抜き矢印
で示す方向に燃料ガスが流れ、カソード側流路311…
には、図1の太矢印で示す方向に空気が流れ、セル20
で発電がなされるようになっている。燃料ガスとして
は、水素ガス或いは水素を主成分とする天然ガス、プロ
パン、ブタン、メタノールなどの改質ガスを用いること
ができる。
The cell 20 is held in a state of being sandwiched between the cathode-side flow path substrate 30 and the anode-side flow path substrate 40, and the anode-side flow paths 400 are arranged in a direction indicated by a white arrow in FIG. The fuel gas flows to the cathode side flow paths 311.
Air flows in the direction indicated by the thick arrow in FIG.
The power is generated by. As the fuel gas, hydrogen gas or a natural gas containing hydrogen as a main component, or a reformed gas such as propane, butane, or methanol can be used.

【0016】燃料電池1は、このセルユニット100が
所定数積層され、その両端が一対の端板71、72(図
1では不図示、図3参照)で挟持されて構成されてい
る。枠体10は、長方形状の板体に対して、その片面側
(図1で上面側)の燃料ガス流通方向の中央部に、上記
のセル20及びカソード側流路基板30を嵌め込むため
切欠部101が形成され、他面側(図1で下面側)に
は、アノード側流路基板40及び仕切板50を嵌め込む
凹部103が形成され、更に切欠部101の中央部に
は、アノード側流路基板40とアノード23とが接触で
きるように窓102が開設された形状であって、プラス
チック材料を射出成型することにより作製されたもので
ある。
The fuel cell 1 has a structure in which a predetermined number of the cell units 100 are stacked, and both ends thereof are sandwiched between a pair of end plates 71 and 72 (not shown in FIG. 1, see FIG. 3). The frame body 10 has a notch for fitting the cell 20 and the cathode-side flow path substrate 30 into the center of the rectangular plate body in the fuel gas flow direction on one surface side (the upper surface side in FIG. 1). On the other side (lower side in FIG. 1), a concave portion 103 is formed to fit the anode-side flow path substrate 40 and the partition plate 50. A window 102 is formed so that the flow path substrate 40 and the anode 23 can come into contact with each other, and is formed by injection molding a plastic material.

【0017】また、枠体10の燃料ガス流通方向に対す
る上流部には、水を外部から導入するための一対のマニ
ホールド孔111と、これと連通しアノード側流路40
0…に水を分配するための溝孔121並びに燃料ガスを
外部から導入するための一対のマニホールド孔112
と、これと連通しアノード側流路400…に燃料ガスを
分配するための溝孔122が開設されている。また、下
流部には、未反応の燃料ガスを外部に導出するための一
対のマニホールド孔113と、これと連通しアノード側
流路400…からの燃料ガスをマニホールド孔113に
排出するための溝孔123並びに水を外部に導出するた
めの一対のマニホールド孔114と、これと連通しアノ
ード側流路400…からの水をマニホールド孔114へ
排出するための溝孔124が開設されている。
A pair of manifold holes 111 for introducing water from the outside are provided in an upstream portion of the frame body 10 in the fuel gas flow direction, and an anode-side flow passage 40 communicating with the manifold holes 111.
, And a pair of manifold holes 112 for introducing fuel gas from outside.
, And a slot 122 for distributing the fuel gas to the anode-side flow paths 400... In the downstream portion, a pair of manifold holes 113 for leading out unreacted fuel gas to the outside, and a groove communicating with the manifold holes 113 and discharging fuel gas from the anode-side flow paths 400 to the manifold holes 113 are provided. A hole 123 and a pair of manifold holes 114 for leading water to the outside, and a slot 124 for communicating with the manifold holes 114 and discharging water from the anode-side flow paths 400 to the manifold holes 114 are formed.

【0018】なお、各溝孔121〜124は、アノード
側流路400…と直交する方向に形成され、その両端が
各マニホールド孔111〜114と対応している。固体
高分子膜21は、パーフルオロカーボンスルホン酸から
なる薄膜である。カソード22、アノード23は、白金
担持カーボンを材料とした所定の厚みの層であって、固
体高分子膜21の中央部にホットプレスにより密着成型
されている。
Each of the slots 121 to 124 is formed in a direction orthogonal to the anode-side flow paths 400, and both ends correspond to the manifold holes 111 to 114, respectively. The solid polymer film 21 is a thin film made of perfluorocarbon sulfonic acid. The cathode 22 and the anode 23 are layers each having a predetermined thickness made of platinum-supporting carbon, and are tightly formed at the center of the solid polymer film 21 by hot pressing.

【0019】カソード側流路基板30は、枠体300に
流路基板本体310が嵌め込まれて構成されている。流
路基板本体310は、カーボン多孔体からなる平板状の
部材であって、カソード22と対向する面(図1で下
面)に、空気を流通させる流路311…が形成されてい
る。
The cathode-side flow path substrate 30 is configured by fitting a flow path substrate body 310 into a frame 300. The flow path substrate body 310 is a plate-shaped member made of a porous carbon material, and has flow paths 311 through which air flows, on a surface (a lower surface in FIG. 1) facing the cathode 22.

【0020】枠体300は、長方形状の平板の中央に窓
303が開設された形状で、プラスチック材料からな
り、カソード22側とは反対側の面(図1で上面側)
に、空気を流路311…に導入するための流路301…
及び空気を流路311…から導出するための流路302
…が形成されている。なお、セル20とカソード側流路
基板30との間にはガスケット61が介在し、セル20
と切欠部101との間にはガスケット62が介在してい
る。
The frame body 300 has a shape in which a window 303 is opened in the center of a rectangular flat plate, is made of a plastic material, and has a surface opposite to the cathode 22 side (an upper surface side in FIG. 1).
The flow paths 301 for introducing air into the flow paths 311.
And a flow path 302 for extracting air from the flow paths 311.
... are formed. Note that a gasket 61 is interposed between the cell 20 and the cathode-side flow path substrate 30,
A gasket 62 is interposed between the gasket 62 and the notch 101.

【0021】アノード側流路基板40は、枠体10より
若干小サイズの長方形状のカーボン多孔体であって、複
数のアノード側流路400…が互いに平行に形成されて
いると共に流路400…間にはリブ401…が形成され
ている。このアノード側流路基板40は、燃料ガス流通
方向の中央に位置する中央部40aと、この中央部40
aから延設された上流部40b及び下流部40cからな
り、中央部40aでは上流部40b及び下流部40cよ
りもリブ401…の高さが高く設定されている。そし
て、このリブの高い部分401aが、上記の窓102に
嵌まり込んでアノード23と電気的に接触するようにな
っている。
The anode-side flow path substrate 40 is a rectangular carbon porous body slightly smaller in size than the frame body 10, and has a plurality of anode-side flow paths 400 formed in parallel with each other. Ribs 401 are formed between them. The anode-side flow path substrate 40 includes a central portion 40a located at the center in the fuel gas flow direction, and a central portion 40a.
a, the ribs 401... are set higher in the central portion 40a than in the upstream portion 40b and the downstream portion 40c. The high portion 401a of the rib fits into the window 102 to make electrical contact with the anode 23.

【0022】なお、図1では省略しているが、カソード
22とカソード側流路基板30の間並びにアノード23
とアノード側流路基板40との間には、溌水処理を施し
たカーボンペーパからなる集電体24、25が介挿され
ている(図5参照)。仕切板50は、アノード側流路基
板40と同等のサイズの気密性ガラス状カーボン板であ
って、カソード側流路基板30とアノード側流路基板4
0との間に介在されており、両者を電気的に導通させな
がらカソード側流路311…を流れる空気とアノード側
流路400…を流れる燃料ガスとが混流するのを防止す
る働きをなしている。
Although not shown in FIG. 1, the space between the cathode 22 and the cathode-side flow path substrate 30 and the anode 23
Current collectors 24 and 25 made of water-repellent carbon paper are interposed between the anode and the anode-side flow path substrate 40 (see FIG. 5). The partition plate 50 is an airtight glassy carbon plate having the same size as the anode-side flow path substrate 40, and includes the cathode-side flow path substrate 30 and the anode-side flow path substrate 4.
0, and serves to prevent the air flowing through the cathode side flow paths 311 and the fuel gas flowing through the anode side flow paths 400 from being mixed while electrically conducting the two. I have.

【0023】なお、図2において、135〜138はO
リングで、マニホールド孔111〜114及び溝孔12
1〜124を囲む状態で形成されたOリング用溝131
〜134に燃料電池の組み立て状態において、枠体10
同士の間に挟まってこの部分をシールする。図3は、燃
料電池1の全体的な構成並びに運転動作を示す斜視図で
ある。ここでは燃料ガスとして水素ガスを用いて運転す
る場合について説明する。
In FIG. 2, 135 to 138 are O
With the ring, the manifold holes 111 to 114 and the slot 12
O-ring groove 131 formed so as to surround 1-124
In the assembled state of the fuel cell, the frame 10
This part is sandwiched between them to seal this part. FIG. 3 is a perspective view showing the overall configuration and operation of the fuel cell 1. Here, the case of operating using hydrogen gas as fuel gas will be described.

【0024】本図に示すように、運転時には、燃料電池
1は、空気の流通路(カソード側流路)が水平に向くよ
うに配置する。そして、図示しないファンから、流路3
01…に空気を送り込む。この空気はカソード側流路3
11…を流通しながらカソード22に酸素を供給し、流
路302…から電池の外に排出される。
As shown in FIG. 1, during operation, the fuel cell 1 is arranged such that the air flow path (cathode side flow path) faces horizontally. Then, from a fan (not shown), the flow path 3
Send air to 01 ... This air is supplied to the cathode side channel 3
Oxygen is supplied to the cathode 22 while flowing through the cells 11 and discharged out of the battery from the channels 302.

【0025】一方、マニホールド孔112からなる内部
マニホールドには、水素ガスボンベ2から水素ガスを供
給し、マニホールド孔111からなる内部マニホールド
には、水ポンプ3から水を供給する。供給された水及び
水素ガスは、各セルユニット100に分配され、各セル
ユニット100において、溝孔121及び溝孔122か
らアノード側流路基板40の上流部40bに分配され
て、アノード側流路400…を下流側に流れ、アノード
23への水素ガスの供給と固体高分子膜21の保湿を行
う。
On the other hand, hydrogen gas is supplied from the hydrogen gas cylinder 2 to the internal manifold formed by the manifold holes 112, and water is supplied from the water pump 3 to the internal manifold formed by the manifold holes 111. The supplied water and hydrogen gas are distributed to each cell unit 100, and in each cell unit 100, distributed to the upstream portion 40 b of the anode-side flow path substrate 40 from the slot 121 and the slot 122, and 400 flows downstream to supply hydrogen gas to the anode 23 and keep the solid polymer film 21 moist.

【0026】水ポンプ3の出力は、水供給用の溝孔12
1における水圧を計測して、この値が所定の水圧値とな
るように調整する。水素ガスの供給圧力はレギュレータ
5で調整する。この圧力は、通常、10〜10万mmH
2O、特に100〜800mmH2O程度が適当である。
一方、排出される未反応水素の圧力はレギュレータ6に
よって調整する。この排出圧力は、燃料電池1における
燃料利用率が90%以上となるように調整することが好
ましい。
The output of the water pump 3 is supplied to the water supply slot 12.
The water pressure at 1 is measured and adjusted so that this value becomes a predetermined water pressure value. The supply pressure of the hydrogen gas is adjusted by the regulator 5. This pressure is usually 100,000 to 100,000 mmH
2 O, especially about 100 to 800 mmH 2 O, is suitable.
On the other hand, the pressure of the unreacted hydrogen discharged is adjusted by the regulator 6. This discharge pressure is preferably adjusted so that the fuel utilization rate in the fuel cell 1 is 90% or more.

【0027】アノード側流路400…を通過した未反応
水素ガスは、溝孔123からマニホールド孔113を通
って電池の外に排出され、アノード側流路400…を通
過した水は、溝孔124からマニホールド孔114を通
って電池の外に排出される。このように、燃料ガスは液
体の水と分離された状態で排出される。このため、排出
されたガスを分離タンク4を経由することなくそのまま
回収して再利用することも可能である。
The unreacted hydrogen gas that has passed through the anode side flow paths 400 is discharged from the battery through the slot 123 through the manifold hole 113, and the water that has passed through the anode side flow path 400 is drawn into the slot 124. From the battery through the manifold hole 114. Thus, the fuel gas is discharged in a state separated from the liquid water. Therefore, the discharged gas can be collected and reused without passing through the separation tank 4.

【0028】燃料電池1から排出されるた水と、排気中
に含まれた水蒸気が凝縮した水とは分離タンク4で回収
される。回収された水は、冷却器7で冷却されて再び水
ポンプ3から燃料電池1に供給される。 〔アノード側流路の上流から下流部までの詳細構成及び
効果について〕図1に戻って上流部では、上記の水供給
用の溝孔121に水分配基板11が、燃料ガス供給用の
溝孔122にガス分配基板12が、Oリング(不図示)
を介して嵌め込まれている。
The water discharged from the fuel cell 1 and the water condensed with the water vapor contained in the exhaust gas are collected in the separation tank 4. The recovered water is cooled by the cooler 7 and supplied again from the water pump 3 to the fuel cell 1. [Detailed configuration and effect from upstream to downstream of anode-side flow path] Returning to FIG. 1, in the upstream, the water distribution board 11 is provided with the water supply slot 121 and the fuel gas supply slot. The gas distribution substrate 12 has an O-ring (not shown) at 122.
It is fitted through.

【0029】この水分配基板11及びガス分配基板12
は、どちらも長尺状の薄板に細孔11a及び細孔12a
が開設されたものであって、アノード側流路基板40の
上流部40bに接して配置されおり、すべてのアノード
側流路400…に対応して細孔11a、12aが開設さ
れている。水分散基板11及びガス分配基板12の具体
例としては、金属製(SUS304、SUS316等の
ステンレス鋼、Ti鋼)の薄板やセラミック製(AL2
3等)の薄板にエッチングで細孔を開設したもの、或い
はプラスチック製(ポリエステル系、ABS系、パーフ
ェニルオキサイド系、PPE系、PPS系等)の薄板に
細孔を開設したものを挙げることができる。
The water distribution substrate 11 and the gas distribution substrate 12
Are pores 11a and pores 12a in a long thin plate.
Are arranged in contact with the upstream portion 40b of the anode-side flow path substrate 40, and the pores 11a and 12a are opened corresponding to all the anode-side flow paths 400. Specific examples of the water dispersion substrate 11 and the gas distribution substrate 12 include a thin plate made of metal (stainless steel such as SUS304 and SUS316, Ti steel) and a ceramic plate (AL 2 O).
3 ), etc., which have pores opened by etching, or plastic (polyester, ABS, perphenyl oxide, PPE, PPS, etc.) with pores opened. it can.

【0030】各細孔11a、12aは、同一形状(例え
ば、円形、楕円形、多角形)、同一の大きさで、個数も
同一である(例えば、流路毎に1個づつ、2個づつ、或
いは3個づつ形成されている。) 水分配基板11の厚さや細孔11aの孔径は、細孔11
aを水が通過するときに適度な抵抗(圧損)が生ずるよ
うに設定することが望ましく、実用的には、基板の厚さ
を120μm〜5mm、細孔11aの孔径を20μm〜
3mmの範囲内で設定することが望ましい。
Each of the pores 11a and 12a has the same shape (for example, a circle, an ellipse, and a polygon), the same size, and the same number (for example, one for each flow channel and two for each flow channel). Or three by three.) The thickness of the water distribution substrate 11 and the pore diameter of the pores 11 a
It is desirable to set such that an appropriate resistance (pressure loss) is generated when water passes through a. In practice, the thickness of the substrate is 120 μm to 5 mm, and the diameter of the pores 11 a is 20 μm to 20 μm.
It is desirable to set within the range of 3 mm.

【0031】枠体10の表面においてガス排出通路であ
る溝孔123の上流側の流路400…の底面400a…
に対応する位置には、アノード側流路基板40を形成す
る材質よりも、つまりアノード側流路400…の基板壁
面よりも水の接触角が大きい溌水領域13がアノード側
流路400…と対応するように形成されている(図4、
図5参照)。これにより、後述のようにガスの流れを円
滑なものとする。
On the surface of the frame 10, the bottom surface 400a of the flow path 400 on the upstream side of the slot 123 which is a gas discharge path.
The water-repellent regions 13 having a larger contact angle of water than the material forming the anode-side flow path substrate 40, that is, the substrate wall surfaces of the anode-side flow paths 400, It is formed to correspond (FIG. 4,
(See FIG. 5). This makes the flow of gas smooth as described later.

【0032】この溌水領域13は、もともとは、アノー
ド側流路400…の基板壁面よりも水の接触角が大きい
ものでもなくてもよい。すなわち、本来は同等であって
も、電池作動時に水が繰返し接触したとき接触角があま
り低下せず、アノード側流路基板40の水の接触角との
間に差を生じるものであればよい。これは、燃料電池作
動時において水が繰返し接触したときに、カーボン多孔
体であるアノード側基板40の水の接触角(濡れ性)は
次第に小さくなり(大きくなって)安定すると思われる
ので、このときに水の接触角に差が生じる領域であれば
後述の気層と液層との分離流を生成することができるか
らである。
The water-repellent region 13 may not necessarily have a water contact angle larger than the substrate wall surface of the anode-side flow paths 400. In other words, even if the contact angles are originally the same, the contact angle does not decrease so much when water is repeatedly contacted during the operation of the battery, and any difference may be generated between the contact angle and the water contact angle of the anode-side flow path substrate 40. . This is because, when water is repeatedly contacted during the operation of the fuel cell, the contact angle (wetability) of the water on the anode-side substrate 40, which is a porous carbon material, is considered to gradually decrease (increase) and stabilize. This is because a separate flow of a gas layer and a liquid layer, which will be described later, can be generated in a region where the contact angle of water sometimes differs.

【0033】溌水領域13は、枠体10の壁面に溌水性
の部材である樹脂シートを敷設したり、樹脂自体を塗布
して層状に形成する。なお、枠体10自体を溌水性のあ
る材料で作製することもできる。溌水性の樹脂として
は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラ
フルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニル共重合
体(PFA)、シリコーン(silicone)、ポリフェニ
レンスルファイド(PPS)、テトラフルオロエチレン
・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等を挙
げることができる。
The water-repellent region 13 is formed in a layer by laying a resin sheet, which is a water-repellent member, on the wall surface of the frame 10 or by coating the resin itself. The frame 10 itself can be made of a water-repellent material. Examples of the water-repellent resin include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkylvinyl copolymer (PFA), silicone (silicone), polyphenylene sulfide (PPS), and tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene. Polymer (FEP) and the like can be mentioned.

【0034】また、枠体10の表面において上記の溝孔
124直上流で、アノード側チャネル400…の底面4
00a…と対応する位置には、アノード側流路400…
の基板壁面よりも水の接触角が小さい親水領域14が形
成されている(図4、図5参照)。この親水領域14
は、もともと、アノード側流路400…の基板壁面より
も水の接触角が小さいものでもなくても、本来は同等で
あっても、電池作動時に水が繰返し接触したとき接触角
が低下し、アノード側流路基板40の水の接触角との間
に差を生じるものであればよい。これは、燃料電池作動
時には水が繰り返し接触することになるので、水の接触
角(濡れ性)が次第に低下する(大きくなる)と思われ
る。従って、このときに、アノード側流路基板40の水
の接触角との間に差が生じるような領域であれば後述の
液層を引き付けることが可能だからである。
On the surface of the frame 10, immediately upstream of the above-mentioned slot 124, the bottom surface 4 of the anode-side channels 400.
00a ... are located at the anode side flow paths 400 ...
A hydrophilic region 14 having a smaller water contact angle than the substrate wall surface is formed (see FIGS. 4 and 5). This hydrophilic area 14
Originally, even if the contact angle of water was not smaller than the substrate wall surface of the anode-side flow paths 400, and was originally the same, the contact angle was reduced when water was repeatedly contacted during battery operation, What is necessary is just to produce a difference between the contact angle of water and the anode-side flow path substrate 40. This is thought to be due to the fact that the water comes into contact repeatedly during the operation of the fuel cell, so that the contact angle (wettability) of the water gradually decreases (increases). Therefore, at this time, a liquid layer described later can be attracted in a region where a difference occurs between the contact angle of water and the anode-side flow path substrate 40.

【0035】この親水領域14は、枠体10の壁面に親
水性の部材である樹脂シートを敷設したり、樹脂を層状
に塗布して形成する。この領域の親水性は高いほど好ま
しく、吸水性の素材で構成することが好ましい。具体的
な素材としては、ポリエステル、レーヨン、ナイロン、
ポリエステル/レーヨン、ポリエステル/アクリル、レ
ーヨン/ポリクラール等を主成分とする織布、不織布、
フェルトを挙げることができる。
The hydrophilic region 14 is formed by laying a resin sheet, which is a hydrophilic member, on the wall surface of the frame 10 or by applying a resin in a layer. The higher the hydrophilicity of this region, the better, and it is preferable that the region is made of a water-absorbing material. Specific materials include polyester, rayon, nylon,
Woven and non-woven fabrics mainly composed of polyester / rayon, polyester / acrylic, rayon / polychloral, etc.
Felt can be mentioned.

【0036】なお、特許請求の範囲において記載した
「延設流路」とはアノード側流路下流部40cをいい、
「延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触
角が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しく
は大きい部材が配され」という文言における部材とは、
溌水領域13を備えた枠体10をいい、「延設流路の底
面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流路の
プレート内壁の水の接触角と同等若しくは小さい部材が
配され」という文言における部材とは親水領域14を備
えた枠体10をいう。
The "extended flow path" described in the claims refers to the downstream portion 40c of the anode-side flow path.
In the position corresponding to the bottom surface of the extended flow path, a member having a contact angle of water on the surface equal to or larger than the contact angle of water on the inner wall of the plate of the extended flow path is disposed,
Refers to the frame body 10 provided with the water repellent region 13, "at a position corresponding to the bottom surface of the extension flow path, the contact angle of water on the surface is equal to or smaller than the contact angle of water on the inner wall of the plate of the extension flow path. The member in the phrase “a member is disposed” refers to the frame body 10 having the hydrophilic region 14.

【0037】図4は、燃料電池1を水供給チャネルに沿
って切断した断面図であって、流路内での気液混合物の
生成、流れ、排出の様子を模式的に示している。図5
(a)、(b)は、燃料電池1の運転動作を示すもので
あって、図5(a)はセルユニット100の上面を模式
的に示す図であり、図5(b)はそのA−A’断面を模
式的に示す図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell 1 taken along the water supply channel, and schematically shows the generation, flow, and discharge of the gas-liquid mixture in the flow channel. FIG.
5A and 5B show the operation of the fuel cell 1, FIG. 5A is a diagram schematically showing the upper surface of the cell unit 100, and FIG. It is a figure which shows the -A 'cross section typically.

【0038】細孔11aから水が、細孔12aから燃料
ガスが各アノード側流路400…に供給されて、気液混
合物が生成される。そして、この気液混合物が各アノー
ド側流路400…を流れることにより、アノードへの燃
料ガスの供給と固体高分子膜の保湿を行うと共に、電池
を冷却する冷媒としての働きも果たす。アノード側流路
基板40はカーボン多孔体で形成されているのに対し
て、アノード23上に配されている集電体25は溌水処
理が施されているので、アノード側流路基板40の表面
に対する水の接触角は、集電体25の表面における水の
接触角よりも小さい。更に、電極と対向する位置の下流
側でも、上記したとおり、アノード側流路基板40の表
面に対する水の接触角は、溌水領域13の水の接触角よ
りも小さい。
Water is supplied from the fine pores 11a and fuel gas is supplied from the fine pores 12a to the respective anode-side flow paths 400 to generate a gas-liquid mixture. The gas-liquid mixture flows through each of the anode-side flow paths 400 to supply fuel gas to the anodes and keep the solid polymer membrane moist, and also function as a refrigerant for cooling the battery. The anode-side flow path substrate 40 is formed of a porous carbon material, whereas the current collector 25 disposed on the anode 23 is subjected to a water-repellent treatment. The contact angle of water on the surface is smaller than the contact angle of water on the surface of the current collector 25. Further, also on the downstream side of the position facing the electrode, the contact angle of water with respect to the surface of the anode-side flow path substrate 40 is smaller than the contact angle of water in the water-repellent region 13 as described above.

【0039】従って、アノード側流路400…の上流部
40bで生成された気液混合物は、まず、セルと対応す
る部分を通過するときに、液層と気層とが分離される傾
向がある。すなわち、水が基板40側に引き付けられ
て、アノード側流路基板40側には主に水からなる液層
が存在し、アノード23(集電体25)側には主に燃料
ガスと水蒸気とからなる気層が存在した状態で流れるの
で、アノード23に対して燃料ガスの供給が効率よく行
われる。
Accordingly, when the gas-liquid mixture generated in the upstream portion 40b of the anode-side flow paths 400 passes through the portion corresponding to the cell, the liquid layer and the gas layer tend to be separated. . That is, the water is attracted to the substrate 40 side, and a liquid layer mainly composed of water exists on the anode-side flow path substrate 40 side, and mainly the fuel gas and the water vapor are formed on the anode 23 (current collector 25) side. Since the gas flows in a state in which the gas layer composed of is present, the fuel gas is efficiently supplied to the anode 23.

【0040】次に、セルと対応する部分から更に下流側
でも、同様にしてこの分離した状態が維持されることに
なる。したがって、溝孔123側には、液側の水は臨ま
ず、気層が臨むことになるので、溝孔123からガスの
選択的な排出が効率よく行われる。このガスの排出は、
溌水領域13とアノード側基板40との水の接触角の差
が大きいほど効率が向上するのでそのように設計してお
くことが好ましい。また、溝孔123を形成する壁面1
23aを溌水性の素材で被覆しておく方が、ここに水が
浸入しにくくなるので好ましい。もっとも、枠体10自
体を溌水性の素材で構成すれば、そのような必要はな
い。
Next, the separated state is similarly maintained downstream from the portion corresponding to the cell. Therefore, the water on the liquid side does not come into contact with the slot 123, and the gas layer comes into contact, so that the gas can be selectively discharged from the slot 123 efficiently. The emission of this gas is
The greater the difference in the contact angle of water between the water-repellent region 13 and the anode-side substrate 40, the higher the efficiency is. Also, the wall surface 1 forming the slot 123
It is preferable to coat 23a with a water-repellent material because water hardly penetrates here. However, if the frame body 10 itself is made of a water-repellent material, there is no need for such a case.

【0041】一方、水はガス排出口(溝孔123)直下
を通過して、さらに下流に流れる。このとき、アノード
側流路下流部40cのみならず親水領域14も水に対す
る親和性が高いので(なぜなら、アノード側流路基板4
0は、カーボン多孔体で作製されているからであ
る。)、水が親水領域14に接触し流路空間全体を覆い
下流部40cは水封される。このように燃料電池1で
は、上記した従来の技術のようにアノード側流路の水排
出口への出口全体を吸水材のような固形物で覆うことに
より、水排出口へのガスの流入を防止するものではな
く、出口側は水排出口(溝孔124)に連通する出口を
強制的に水封することによって、これを実現するもので
ある。
On the other hand, the water passes just below the gas outlet (slot 123) and flows further downstream. At this time, not only the anode-side flow path downstream portion 40c but also the hydrophilic region 14 has high affinity for water (because the anode-side flow path substrate 4
0 is made of a porous carbon material. ), The water contacts the hydrophilic region 14 and covers the entire flow path space, and the downstream portion 40c is sealed with water. As described above, in the fuel cell 1, by covering the entire outlet of the anode-side flow path to the water discharge port with a solid substance such as a water absorbing material as in the above-described conventional technique, the inflow of gas into the water discharge port is prevented. Instead of preventing this, the outlet side achieves this by forcibly sealing off the outlet communicating with the water discharge port (slot 124).

【0042】このようにアノード側流路400…下端側
を水封することにより、ガスを均一に分配するととも
に、未反応ガスが水排出口から流れ出ることを防止し、
未反応ガスの溝孔123からの排出を促進させることが
できる。また、上記のように親水領域14を設ければ、
流路基板の素材が剥離して生じるゴミや、もともと水や
ガス中に存在するゴミが親水領域14を覆ってしまい、
この領域の吸水性を低下するのを防止することができ
る。これは、上記したようにアノード側流路400…が
終端(出口側)で溝孔124と連通し、終端が開放され
た状態となるように、親水領域14を設けてあるからで
ある。
By sealing the anode-side flow path 400 at the lower end in this manner, the gas is uniformly distributed and unreacted gas is prevented from flowing out from the water discharge port.
The discharge of the unreacted gas from the slot 123 can be promoted. If the hydrophilic region 14 is provided as described above,
The dust generated when the material of the flow path substrate is peeled off, or the dust originally existing in water or gas covers the hydrophilic region 14,
It is possible to prevent the water absorption in this region from being lowered. This is because the hydrophilic region 14 is provided so that the anode-side flow paths 400 communicate with the slots 124 at the terminal end (outlet side) and the terminal end is opened as described above.

【0043】なお、上記のようにアノード側流路が鉛直
方向に走るように配置されて運転しているので、アノー
ド側流路400…終端側を水封しながら溜まった水は、
自重により適宜水排出口(溝孔124)に落下する。そ
のため、水が上流側に上昇してきてガス排出口である溝
孔123内に侵入する可能性は極めて低い。更に、ガス
排出口123の壁面123aを上記のように溌水性の素
材で被覆しておけば、水が仮に上流側に上昇してきても
溝孔123内に壁面123aを伝って水が侵入し、開口
部分に滞留するようなことはない。従って、そのような
意味でも溝孔123の形成壁面123aは溌水性の素材
で被覆しておくことが好ましい。
Since the anode-side flow path is arranged to run in the vertical direction as described above, the water accumulated while sealing the anode-side flow path 400.
It falls to a water discharge port (slot 124) by its own weight. Therefore, there is a very low possibility that the water will rise to the upstream side and enter the slot 123 which is the gas outlet. Furthermore, if the wall surface 123a of the gas outlet 123 is covered with the water-repellent material as described above, even if the water rises to the upstream side, the water infiltrates through the wall surface 123a into the slot 123, It does not stay at the opening. Therefore, in such a sense, it is preferable that the wall surface 123a on which the slot 123 is formed is covered with a water-repellent material.

【0044】上記説明では、カーボン多孔体をアノード
側流路基板40に用い、これの表面を何ら処理しないも
のであったが、例えば、アノード側流路400…の内壁
面を親水領域14を形成した素材と同じものを敷設、或
いは塗布すれば、流路壁面の水の接触角がカーボン多孔
体自体の場合に比べてより小さくでき、これによって、
気層と液層との分離効率が向上するのでガスの選択的な
排出をより効率よく行うことができる。このような処理
を施すことにより、基板表面の親水性を高める手法は、
膨張黒鉛、黒鉛、フォーネスブラックなどのカーボンと
フェノール系などの樹脂と混合物を用いたモールド成型
により作製した基板を用いる場合に特に有効である。な
ぜなら、モールド成型による基板は、一般に親水性が低
い(水の接触角が多孔性カーボンに比べて大きい)から
である。
In the above description, the porous carbon material is used for the anode-side flow path substrate 40 and the surface thereof is not treated at all. For example, the inner wall surfaces of the anode-side flow paths 400 are formed with the hydrophilic regions 14. If the same material is laid or applied, the contact angle of water on the channel wall can be smaller than that of the porous carbon itself,
Since the separation efficiency between the gas layer and the liquid layer is improved, the gas can be selectively discharged more efficiently. The method of increasing the hydrophilicity of the substrate surface by performing such treatment is as follows.
This is particularly effective when a substrate produced by molding using a mixture of carbon such as expanded graphite, graphite, and fornes black and a resin such as phenol is used. This is because a substrate formed by molding generally has low hydrophilicity (the contact angle of water is larger than that of porous carbon).

【0045】また、アノード側流路400…壁面の表面
粗さを大きくすることによっても、水の接触角を小さく
することもできる。表面粗さを大きくする方法として、
カーボン多孔体の表面をサンドペーパで研磨したり、流
路底面に、微細な溝を形成する方法がある(出願番号P
CT/JP98/01707の明細書を参照)。なお、
上記説明では、水と燃料ガスとを燃料電池内に供給し燃
料電池内で気液混合物を生成するいわゆる内部加湿につ
いて説明したが、燃料ガスを燃料電池本体に供給する前
に水蒸気発生装置を用いて加湿する外部加湿を採用する
場合にも上記したガスの選択的な透過及び水の排出の技
術は適用することができる。ただし、内部加湿に適応す
る方が、水量が多いので有効である。また、アノード側
についてのみ加湿する場合について説明したが、カソー
ドに供給する酸化剤ガスである空気を加湿して供給する
場合にも、同様に上記ガスの選択的な透過及び水の排出
の技術は適用することができる。
The contact angle of water can also be reduced by increasing the surface roughness of the anode-side flow path 400... As a method of increasing the surface roughness,
There is a method of polishing the surface of a porous carbon body with sandpaper or forming a fine groove on the bottom of the flow path (application number P
CT / JP98 / 01707). In addition,
In the above description, the so-called internal humidification in which water and the fuel gas are supplied into the fuel cell to generate a gas-liquid mixture in the fuel cell has been described, but before the fuel gas is supplied to the fuel cell body, a steam generator is used. In the case of employing external humidification, the above-described techniques of selective permeation of gas and discharge of water can be applied. However, adapting to internal humidification is more effective because of the large amount of water. Although the case where only the anode side is humidified has been described, the technique of selectively permeating the gas and discharging water as described above also applies to the case where the oxidizing gas supplied to the cathode is humidified and supplied. Can be applied.

【0046】[実施例]上記した構成の燃料電池を以下の
条件にて作製した。アノード側流路基板40は、水の接
触角が10度のカーボン多孔体で形成し、アノードに対
応する部分には、水の接触角が140度の集電体を配し
た。これにより、気液混合物はアノードと対応する流路
を流れるときには、アノード側は気層、流路底部側は液
層をなす分離流となる。
Example A fuel cell having the above-described structure was manufactured under the following conditions. The anode-side flow path substrate 40 was formed of a carbon porous material having a contact angle of water of 10 degrees, and a current collector having a contact angle of 140 degrees of water was disposed at a portion corresponding to the anode. Thus, when the gas-liquid mixture flows through the flow path corresponding to the anode, the separated flow forms a gas layer on the anode side and a liquid layer on the bottom side of the flow path.

【0047】アノードと対応する領域を通過した気液混
合物は、アノード側流路基板の下流部40cに流入す
る。前記溌水領域13はPTFE(ポリテトラフルオロ
エチレン)テープを枠体に貼り付けて構成した。このP
TFEテープ表面の水の接触角は、アノード側流路より
も大きい90度である。従って、この溌水領域13に対
応する領域を流れる気液混合物は、溌水領域13側は気
層、流路底部側は液層をなす分離流となる親水領域14
は、水の接触角が0度の吸水性を有するナイロン不織布
からなる吸水基材で構成した。従って、アノード側流路
よりも水の接触角は小さいので、この親水領域14に対
応する領域を流れる水は、親水領域14側に引き込まれ
流路の出口全体を覆うことになる。
The gas-liquid mixture that has passed through the area corresponding to the anode flows into the downstream portion 40c of the anode-side flow path substrate. The water-repellent region 13 was formed by attaching a PTFE (polytetrafluoroethylene) tape to a frame. This P
The contact angle of water on the surface of the TFE tape is 90 degrees, which is larger than that of the anode-side flow path. Accordingly, the gas-liquid mixture flowing in the area corresponding to the water repellent area 13 is separated into a hydrophilic area 14 serving as a separated flow forming a gas layer on the water repellent area 13 side and a liquid layer on the channel bottom side.
Was made of a water-absorbing substrate made of a nonwoven nylon nonwoven fabric having a water contact angle of 0 degree. Therefore, since the contact angle of water is smaller than that of the anode-side flow path, the water flowing in the area corresponding to the hydrophilic area 14 is drawn into the hydrophilic area 14 and covers the entire outlet of the flow path.

【0048】このようにアノード側流路の終端が水封さ
れることで、上記したように、ガスは溝孔123から効
率よく排出されるとともに、ガスをセルに均一に分配さ
せることができる。なお、ここでの水の接触角は、以下
の方法で、図6に示す水滴と測定対象物の表面とがなす
角度Θを測定したものである。
As described above, the end of the anode-side flow path is water-sealed, so that the gas can be efficiently discharged from the slot 123 and the gas can be uniformly distributed to the cells as described above. Here, the contact angle of water is obtained by measuring the angle Θ between the water droplet shown in FIG. 6 and the surface of the measurement object by the following method.

【0049】・測定装置:協和界面科学株式会社製 接
触角計 CA−D型 ・温度条件:水及び測定対象物ともに常温 ・測定対象物:常温乾燥状態 ・測定時間:液滴下後30秒後に測定 次に、以下の条件にて燃料電池を作製し電池特性につい
て検討した。
Measuring device: Contact angle meter CA-D manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd. Temperature condition: Both water and the object to be measured are at room temperature. Object to be measured: Dry state at room temperature. Measurement time: Measured 30 seconds after dropping. Next, a fuel cell was manufactured under the following conditions, and the cell characteristics were examined.

【0050】・電極面積:100cm2 ・固体高分子膜:パーフルオロカーボンスルホン酸膜 ・アノード:Pt−Ru担持カーボン ・カソード:Pt担持カーボン ・セル積層数:60枚 [比較例]上記した従来構成(図8に示した構成)の燃料
電池であり、作製条件は上記実施例の条件と同様であ
る。
Electrode area: 100 cm 2 Solid polymer membrane: Perfluorocarbon sulfonic acid membrane Anode: Pt-Ru supported carbon Cathode: Pt supported carbon Cell stacking number: 60 [Comparative example] Conventional structure described above ( This is a fuel cell having the configuration shown in FIG. 8), and the manufacturing conditions are the same as those in the above embodiment.

【0051】[実験]実施例の燃料電池と比較例の燃料電
池とを以下の条件で作動させたときのセル電池を経時的
に測定し、その性能を比較検討した。 ・電流密度 :0.4A/cm2 ・燃料ガス利用率:70% ・酸化剤利用率 :20% ・燃料ガス :メタンを水蒸気改質した改質ガス
(H2:38.3%,N2:43%,CO2:17%,C
4:0.7%) ・酸化剤:空気 この結果を図7に示した。
[Experiment] When the fuel cell of the example and the fuel cell of the comparative example were operated under the following conditions, cell cells were measured with time, and their performances were compared and examined.・ Current density: 0.4 A / cm 2・ Fuel gas utilization rate: 70% ・ Oxidant utilization rate: 20% ・ Fuel gas: Reformed gas obtained by steam reforming methane (H 2 : 38.3%, N 2) : 43%, CO 2 : 17%, C
H 4: 0.7%) · oxidants: showed air results in FIG.

【0052】この図7から明らかなように、比較例の電
池においては、経時的にセル電圧の低下が認められ、2
0分程度しか安定した運転ができなかった。一方、実施
例の電池においては、長時間に渡って安定した発電が可
能であった。なお、図9にて示したガスを選択的に透過
する構成を備えた燃料電池でもここで行った100分程
度の連続運転であれば、安定した特性が得られるが、更
に長時間運転すると次第に吸水基材にゴミが詰まり、吸
水性能が低下するため、特性が低下してくる。実施例の
燃料電池ではこのようなことがないことから、その点優
れている。
As is apparent from FIG. 7, in the battery of the comparative example, the cell voltage decreased over time,
Stable operation was possible only for about 0 minutes. On the other hand, in the battery of the example, stable power generation was possible for a long time. It should be noted that, even in the fuel cell having the configuration shown in FIG. 9 which selectively permeates the gas, if the continuous operation is performed for about 100 minutes, stable characteristics can be obtained. Since the water-absorbing substrate is clogged with dust and the water-absorbing performance is reduced, the characteristics are reduced. The fuel cell of the embodiment is excellent in that there is no such a thing.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上説明してきたように本発明の固体高
分子型燃料電池によれば、第1のプレート(アノード側
流路基板)は、燃料ガス流れ方向の前記アノードの終端
よりも下流側に前記アノード側流路から延設された延設
流路を有し、延設流路の底面と対応する位置には、表面
の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の接触角と
同等若しくは大きい部材が配され、当該部材の下流側に
は、ガス排出口が開設されており、更に、前記ガス排出
口の下流側において、延設流路の底面と対応する位置に
は、表面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の
接触角と同等若しくは小さい部材が配され、当該部材の
下流側には、延設流路と連通する水排出口が開設されて
いるので、ガスを効果的に排出しながら、排水も効率よ
く行うことができる。
As described above, according to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the first plate (anode-side flow path substrate) is located downstream of the end of the anode in the fuel gas flow direction. An extended flow path extending from the anode-side flow path, and at a position corresponding to the bottom surface of the extended flow path, the contact angle of water on the surface is in contact with water on the inner wall of the plate of the extended flow path. A member equivalent to or larger than the corner is arranged, and a gas outlet is opened on the downstream side of the member, and further, on the downstream side of the gas outlet, at a position corresponding to the bottom surface of the extension flow path. A member whose surface contact angle is equal to or smaller than the contact angle of water on the inner wall of the plate of the extension flow path is provided, and a water outlet communicating with the extension flow path is opened downstream of the member. So that gas can be discharged efficiently while draining efficiently. .

【0054】「また、第2のプレート(カソード側流路
基板)に同様の技術を適すれば、カソード側において
もガスを効果的に排出しながら、排水も効率よく行うこ
とができる。これは特に、酸化剤ガスを加湿する場合に
有効である。
[0054] "Further, if applied similar techniques to the second plate (cathode-side channel substrate), while also effectively discharge the gas at the cathode side, waste water can be performed efficiently. This Is particularly effective when humidifying an oxidizing gas.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の基本
構成要素のセルユニットの構成を示す組立図である。
FIG. 1 is an assembly diagram showing a configuration of a cell unit as a basic component of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment.

【図2】上記セルユニットの組み立て後の概観図であ
る。
FIG. 2 is a schematic view after assembling the cell unit.

【図3】上記固体高分子型燃料電池の全体的な構成並び
に運転動作を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing the overall configuration and operation of the polymer electrolyte fuel cell.

【図4】上記固体高分子型燃料電池の要部断面図であ
る。
FIG. 4 is a sectional view of a main part of the polymer electrolyte fuel cell.

【図5】上記固体高分子型燃料電池の運転動作を示すも
のであって、図5(a)はセルユニットの上面を模式的
に示す図であり、図5(b)はそのA−A’断面を模式
的に示す図である。
5A and 5B show an operation of the polymer electrolyte fuel cell. FIG. 5A is a diagram schematically showing an upper surface of a cell unit, and FIG. It is a figure which shows a cross section typically.

【図6】水の接触角の定義を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a definition of a contact angle of water.

【図7】実験結果を示す電池の特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram of a battery showing experimental results.

【図8】従来の固体高分子型燃料電池の構成を示す図で
ある。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a conventional polymer electrolyte fuel cell.

【図9】更に、別な従来の固体高分子型燃料電池の構成
を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of another conventional polymer electrolyte fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体高分子型燃料電池 10 枠体 11 水分散基板 11a 細孔 12 ガス分配基板 12a 細孔 13 溌水領域 14 親水領域 20 セル 21 固体高分子膜 22 カソード 23 アノード 24、25集電体 30 カソード側流路基板 40 アノード側流路基板 40a 中央部(アノード側基板) 40b 上流部(アノード側基板) 40c 下流部(アノード側基板) 50 仕切板 61、62ガスケット 71、72端板 100 セルユニット 101 切欠部 102 窓 103 凹部 111 マニホールド孔(水供給用) 112 マニホールド孔(ガス供給用) 113 マニホールド孔(ガス排出用) 114 マニホールド孔(水排出用) 121、122、123、124溝孔 123a溝孔形成壁面 131、132、133、134Oリング用溝 135、136、137、138Oリング 300 枠体 301 流路(カソード側) 302 流路(カソード側) 303 窓 310 流路基板本体 311 流路(カソード側) 400 アノード側流路 400aアノード側流路底部 401 リブ Reference Signs List 1 solid polymer fuel cell 10 frame 11 water dispersion substrate 11a pore 12 gas distribution substrate 12a pore 13 water-repellent region 14 hydrophilic region 20 cell 21 solid polymer film 22 cathode 23 anode 24, 25 current collector 30 cathode Side flow path substrate 40 Anode side flow path substrate 40a Central part (anode side substrate) 40b Upstream part (anode side substrate) 40c Downstream part (anode side substrate) 50 Partition plate 61, 62 gasket 71, 72 end plate 100 Cell unit 101 Notch 102 Window 103 Recess 111 Manifold hole (for water supply) 112 Manifold hole (for gas supply) 113 Manifold hole (for gas discharge) 114 Manifold hole (for water discharge) 121, 122, 123, 124 groove hole 123a groove hole Forming wall surface 131, 132, 133, 134 O-ring groove 135 136, 137, 138 O-ring 300 Frame 301 Flow path (cathode side) 302 Flow path (cathode side) 303 Window 310 Flow path substrate body 311 Flow path (cathode side) 400 Anode side flow path 400a Anode side flow path bottom 401 rib

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱田 陽 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 米津 育郎 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平9−283153(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/00 - 8/24 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yo Hamada 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Inside Sanyo Electric Co., Ltd. No. 5 Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Inventor Koji Nishio 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd. (56) References JP-A-9-283153 (JP, A) (58) ) Surveyed field (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/00-8/24

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 固体高分子膜にカソード及びアノードを
配したセルが、前記アノードに対向してアノード側流路
が形成された第1のプレートと、前記カソードに対向し
てカソード側流路が形成された第2のプレートとで挟持
されてなり、前記アノード側流路に燃料ガス及び水が供
給されると共に前記カソード側流路に酸化剤ガスが供給
されて発電する固体高分子型燃料電池であって、 前記第1のプレートは、 燃料ガス流れ方向の前記アノードの終端よりも下流側に
前記アノード側流路から延設された延設流路を有し、 延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触角
が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは
大きい部材が配され、当該部材の下流側には、ガス排出
口が開設されており、 更に、前記ガス排出口の下流側において、延設流路の底
面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流路の
プレート内壁の水の接触角と同等若しくは小さい部材が
配され、当該部材の下流側には、延設流路と連通する水
排出口が開設されていることを特徴とする固体高分子型
燃料電池。
1. A cell comprising a solid polymer membrane provided with a cathode and an anode, a first plate having an anode side channel formed opposite the anode, and a cathode side channel formed opposite the cathode. A polymer electrolyte fuel cell sandwiched between the formed second plate and generating electricity by supplying fuel gas and water to the anode side flow path and supplying oxidant gas to the cathode side flow path Wherein the first plate has an extension passage extending from the anode-side passage downstream of the end of the anode in the fuel gas flow direction, and a bottom surface of the extension passage. At the corresponding position, a member whose surface contact angle with water is equal to or greater than the contact angle of water on the inner wall of the plate of the extension flow path is arranged, and a gas outlet is opened downstream of the member. Further, on the downstream side of the gas outlet, And, at a position corresponding to the bottom surface of the extension flow path, a member having a contact angle of water on the surface equal to or smaller than a contact angle of water on the inner wall of the plate of the extension flow path is disposed, and on the downstream side of the member. A solid polymer fuel cell, wherein a water outlet communicating with the extension flow path is provided.
【請求項2】 固体高分子膜にカソード及びアノードを
配したセルが、前記アノードに対向してアノード側流路
が形成された第1のプレートと、前記カソードに対向し
てカソード側流路が形成された第2のプレートとで挟持
されてなり、前記アノード側流路に燃料ガス及び水が供
給されると共に前記カソード側流路に酸化剤ガスが供給
されて発電する固体高分子型燃料電池であって、 前記第2のプレートは、 酸化剤ガス流れ方向の前記カソードの終端よりも下流側
に前記カソード側流路から延設された延設流路を有し、 延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触角
が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは
大きい部材が配され、当該部材の下流側には、ガス排出
口が開設されており、 更に、前記ガス排出口の下流側において、延設流路の底
面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流路の
プレート内壁の水の接触角と同等若しくは小さい部材が
配され、当該部材の下流側には、延設流路と連通する水
排出口が開設されていることを特徴とする固体高分子型
燃料電池。
2. A cell in which a cathode and an anode are arranged on a solid polymer membrane, a first plate having an anode-side channel formed opposite to the anode, and a cathode-side channel formed opposite the cathode. A polymer electrolyte fuel cell sandwiched between the formed second plate and generating electricity by supplying fuel gas and water to the anode side flow path and supplying oxidant gas to the cathode side flow path Wherein the second plate has an extended flow path extending from the cathode-side flow path downstream of an end of the cathode in the oxidant gas flow direction, and a bottom surface of the extended flow path In a position corresponding to the above, a member whose surface contact angle of water is equal to or greater than the contact angle of water on the inner wall of the plate of the extension flow path is arranged, and a gas outlet is opened on the downstream side of the member. And further downstream of the gas outlet. In the position corresponding to the bottom surface of the extension flow path, a member whose surface contact angle is equal to or smaller than the contact angle of water on the inner wall of the plate of the extension flow path is disposed, and on the downstream side of the member. Is a polymer electrolyte fuel cell characterized in that a water outlet communicating with the extension flow path is opened.
【請求項3】 前記第2のプレートは、 酸化剤ガス流れ方向の前記カソードの終端よりも下流側
に前記カソード側流路から延設された延設流路を有し、 延設流路の底面と対応する位置には、表面の水の接触角
が延設流路のプレート内壁の水の接触角と同等若しくは
大きい部材が配され、当該部材の下流側には、ガス排出
口が開設されており、 更に、前記ガス排出口の下流側において、延設流路の底
面と対応する位置には、表面の水の接触角が延設流路の
プレート内壁の水の接触角と同等若しくは小さい部材が
配され、当該部材の下流側には、延設流路と連通する水
排出口が開設されていることを特徴とする請求項1記載
の固体高分子型燃料電池。
3. The second plate has an extension passage extending from the cathode-side passage downstream of an end of the cathode in the oxidant gas flow direction, and At a position corresponding to the bottom surface, a member whose surface contact angle with water is equal to or greater than the contact angle of water with the inner wall of the plate of the extension flow path is arranged, and a gas outlet is opened downstream of the member. Further, on the downstream side of the gas discharge port, at a position corresponding to the bottom surface of the extension passage, the contact angle of water on the surface is equal to or smaller than the contact angle of water on the plate inner wall of the extension passage. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a member is disposed, and a water outlet communicating with the extension flow path is opened downstream of the member.
【請求項4】 前記延設流路の底面に対応して配され
た、表面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の
接触角と同等若しくは大きい部材は、 溌水性の素材で構成されていることを特徴とする請求項
1から3の何れかに記載の固体高分子型燃料電池。
4. A member, which is disposed corresponding to the bottom surface of the extending flow path and has a contact angle of water on the surface equal to or larger than a contact angle of water on the inner wall of the plate of the extending flow path, is a water-repellent material. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein:
【請求項5】 前記延設流路の底面に対応して配され
た、表面の水の接触角が延設流路のプレート内壁の水の
接触角と同等若しくは小さい部材は、 吸水性の素材で構成されていることを特徴とする請求項
1から4の何れかに記載の固体高分子型燃料電池。
5. A member provided with a contact angle of water on the surface thereof, which is equal to or smaller than a contact angle of water on the inner wall of the plate of the extension flow path, which is arranged corresponding to the bottom surface of the extension flow path, is a water-absorbing material. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein:
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