JP3147518B2 - Cell structure of solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Cell structure of solid polymer electrolyte fuel cell

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JP3147518B2 JP22052992A JP22052992A JP3147518B2 JP 3147518 B2 JP3147518 B2 JP 3147518B2 JP 22052992 A JP22052992 A JP 22052992A JP 22052992 A JP22052992 A JP 22052992A JP 3147518 B2 JP3147518 B2 JP 3147518B2
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子膜を電解
質膜として用いた固体高分子電解質型燃料電池スタッ
ク、ことに固体高分子膜を加湿するためのセル構造に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell stack using a solid polymer membrane as an electrolyte membrane, and more particularly to a cell structure for humidifying the solid polymer membrane.

【0002】[0002]

【従来の技術】図4は固体高分子電解質型燃料電池の単
セル構造を模式化して示す断面図であり、単セル1は、
イオン導電性を有する固体高分子膜2と、その両面に密
着するよう支持された燃料電極(アノ−ド電極)3およ
び酸化剤電極(カソ−ド電極)4とで構成される。ま
た、単セル1を挟持するバイポ−ラプレ−ト5は導電性
を有するガス不透過性板からなり、その燃料電極3に接
する面側に凹溝として形成された燃料ガス通路6に燃料
ガスとしての水素を、酸化剤電極4に接する面側に凹溝
として形成された酸化剤通路7に酸化剤としての酸素を
供給することにより、単セル1の一対の電極間で電気化
学反応に基づく発電が行われる。なお、このように構成
された単セル1の出力電圧は1V以下と低いので、単セ
ル1とバイポ−ラプレ−ト5を複数層積層してスタック
を構成することにより、所望の出力電圧の固体高分子電
解質型燃料電池が得られる。
2. Description of the Related Art FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a single cell structure of a solid polymer electrolyte fuel cell.
It is composed of a solid polymer membrane 2 having ionic conductivity, a fuel electrode (anode electrode) 3 and an oxidant electrode (cathode electrode) 4 supported in close contact with both surfaces thereof. The bipolar plate 5 sandwiching the unit cell 1 is formed of a gas-impermeable plate having conductivity, and is formed as a fuel gas in a fuel gas passage 6 formed as a concave groove on the surface in contact with the fuel electrode 3. By supplying hydrogen as an oxidant to the oxidant passage 7 formed as a concave groove on the surface in contact with the oxidant electrode 4, power is generated based on an electrochemical reaction between the pair of electrodes of the single cell 1. Is performed. Since the output voltage of the single cell 1 having such a configuration is as low as 1 V or less, a stack of a plurality of single cells 1 and bipolar plates 5 is formed to obtain a solid output of a desired output voltage. A polymer electrolyte fuel cell is obtained.

【0003】一方、イオン導電性を有する固体高分子膜
1としては、例えばプロトン交換膜であるパ−フロロカ
−ボンスルホン酸膜(米国,デュポン社,商品名ナフィ
オン)を電解質膜として用いたものが知られており、分
子中にプロトン(水素イオン)交換基を持ち、飽和含水
することにより常温で20Ω-cm 以下の比抵抗を示し、
プロトン導電性電解質として機能するとともに、燃料ガ
スと酸化剤ガスの混合を防ぐ隔膜としても機能する。す
なわち、アノ−ド電極(燃料電極)側では水素分子を水
素イオンと電子に分解するアノ−ド反応(H2 →2H+
+2e- )が、カソ−ド電極(酸化剤電極)側では酸素
と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応(2
+ +1/2 O2 +2e- →H2 O)なるカソ−ド反応が
それぞれ行われ、全体としてH2 +1/2 O2 →H2 Oな
る電気化学反応が行われ、アノ−ドからカソ−ドに向か
って外部回路を移動する電子により発電電力が負荷に供
給される。
On the other hand, as the solid polymer membrane 1 having ionic conductivity, for example, a membrane using a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (Dupont, USA, trade name: Nafion) as a proton exchange membrane is used as an electrolyte membrane. It is known, has a proton (hydrogen ion) exchange group in the molecule, and exhibits a specific resistance of 20 Ω-cm or less at room temperature by containing saturated water,
In addition to functioning as a proton conductive electrolyte, it also functions as a diaphragm that prevents mixing of a fuel gas and an oxidizing gas. That is, on the anode electrode (fuel electrode) side, an anodic reaction (H 2 → 2H + ) that decomposes hydrogen molecules into hydrogen ions and electrons.
+ 2e ) at the cathode electrode (oxidant electrode) side, an electrochemical reaction (2) that produces water from oxygen, hydrogen ions and electrons.
H + +1/2 O 2 + 2e → H 2 O), respectively, and an electrochemical reaction of H 2 +1/2 O 2 → H 2 O is carried out as a whole. The generated power is supplied to the load by the electrons moving through the external circuit toward the load.

【0004】上述のように、固体高分子電解質型燃料電
池ては、電解質膜を飽和含水させることにより、膜はプ
ロトン交換膜として機能するものであるから、固体高分
子電解質型燃料電池の発電効率を高く維持するためには
固体高分子膜2中を飽和含水状態に維持するとともに、
固体高分子電解質型燃料電池の運転温度を50〜100
°C 程度に保持して固体高分子膜の比抵抗を低く保つ必
要がある。このため、各単セル1の固体高分子電解質膜
2はあらかじめ飽和量の水を含水させた状態でスタック
の組立作業が行われる。ところが、運転温度を上記温度
範囲に高めて発電を行うと、下記に示す固体高分子膜2
の乾燥作用が発生し、固体高分子膜2を飽和含水状態に
維持できず固体高分子電解質型燃料電池の発電効率が低
下するという問題が発生する。すなわち、燃料ガスおよ
び酸化剤ガスにより電気化学反応で生成した水が系外に
持ち出されるとともに、アノ−ド反応において生成した
プロトン2H+ が固体高分子膜中をアノ−ドからカソ−
ドに向けて移動する際、プロトンに数分子の水が配向し
て一緒に移動し、燃料ガス,酸化剤とともに系外に持ち
出されることにより、固体高分子膜の乾燥が進行する。
As described above, in a solid polymer electrolyte fuel cell, since the membrane functions as a proton exchange membrane by saturating the electrolyte membrane with water, the power generation efficiency of the solid polymer electrolyte fuel cell is increased. In order to maintain a high level, the solid polymer membrane 2 is maintained in a saturated water-containing state,
Operating temperature of the solid polymer electrolyte fuel cell is 50-100
It is necessary to keep the specific resistance of the solid polymer membrane low by keeping it at about ° C. For this reason, the assembly operation of the stack is performed in a state where the solid polymer electrolyte membrane 2 of each single cell 1 has been saturated with water in advance. However, when power is generated by raising the operating temperature to the above temperature range, the solid polymer membrane 2 shown below
This causes a problem that the solid polymer membrane 2 cannot be maintained in a saturated water-containing state and the power generation efficiency of the solid polymer electrolyte fuel cell decreases. That is, while the water generated by the electrochemical reaction by the fuel gas and the oxidizing gas is taken out of the system, the proton 2H + generated by the anodic reaction is converted from the anodic to cathodic by the proton 2H + generated in the anodic reaction.
When moving toward the proton, several molecules of water are oriented to the protons and move together, and are taken out of the system together with the fuel gas and the oxidizing agent, whereby the drying of the solid polymer membrane proceeds.

【0005】そこで、このような事態を回避するため
に、反応ガス通路6および7に供給する反応ガス(燃料
ガスおよび酸化剤)に水を添加して反応ガス中の水蒸気
濃度(水蒸気分圧)を高め、固体高分子膜2からの水分
の蒸発を抑えるよう構成したものが知られている。反応
ガスの加湿方法としては、燃料電池の外部に温湯を溜め
たタンクを用意し、この湯の中に反応ガスをバブリンク
して加湿し、加湿した反応ガスを固体高分子電解質型燃
料電池の各単セルに供給する外部加湿法が知られてい
る。また、固体高分子電解質型燃料電池に隣接して加湿
部を設け、ここで加湿した反応ガスを各単セルに供給す
る内部加湿法も知られている。
In order to avoid such a situation, water is added to the reaction gas (fuel gas and oxidizing agent) supplied to the reaction gas passages 6 and 7 so that the water vapor concentration (water vapor partial pressure) in the reaction gas is increased. Is known so that the evaporation of water from the solid polymer film 2 is suppressed. As a method for humidifying the reaction gas, a tank containing hot water is prepared outside the fuel cell, and the reaction gas is bubbled and humidified in the hot water, and the humidified reaction gas is supplied to each of the solid polymer electrolyte fuel cells. An external humidification method for supplying a single cell is known. There is also known an internal humidification method in which a humidification unit is provided adjacent to a solid polymer electrolyte fuel cell, and the reaction gas humidified here is supplied to each unit cell.

【0006】図5は内部加湿方式の従来の固体高分子電
解質型燃料電池を示す模式図、図6は従来の内部加湿方
式における加湿部を示す模式図である。図において、固
体高分子電解質型燃料電池10はその側壁に隣接して反
応ガスの加湿部11を備え、加湿した燃料ガスおよび酸
化剤を各単セルの燃料ガス通路6および酸化剤通路7に
それぞれ供給する。加湿部11は図6に示すように、電
子導電性を持たない固体高分子膜(メンブランフィルタ
−)を加湿用水透過膜12A,12Bとし、それぞれ一
方の面側が加湿水通路13に対向し、他方の面が燃料ガ
ス加湿室16または酸化剤加湿室17に対向するよう構
成され、燃料電池の排熱により加熱された水により湿潤
した加湿用水透過膜12表面から水蒸気が発生し、この
水蒸気により加湿された燃料ガスおよび酸化剤が固体高
分子電解質型燃料電池10の各単セルの燃料ガス通路6
および酸化剤通路7にそれぞれ供給される。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a conventional solid polymer electrolyte fuel cell of the internal humidification system, and FIG. 6 is a schematic diagram showing a humidification unit in the conventional internal humidification system. In the figure, a solid polymer electrolyte fuel cell 10 is provided with a humidifying portion 11 for a reaction gas adjacent to a side wall thereof, and a humidified fuel gas and an oxidant are respectively supplied to a fuel gas passage 6 and an oxidant passage 7 of each unit cell. Supply. As shown in FIG. 6, the humidifying unit 11 is formed of a solid polymer membrane (membrane filter) having no electronic conductivity as humidifying water permeable membranes 12A and 12B. Is formed so as to face the fuel gas humidifying chamber 16 or the oxidizing agent humidifying chamber 17, and water vapor is generated from the surface of the humidifying water permeable membrane 12 moistened by the water heated by the exhaust heat of the fuel cell. The fuel gas and the oxidant are supplied to the fuel gas passage 6 of each unit cell of the polymer electrolyte fuel cell 10.
And the oxidant passage 7.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述の外部加湿方式に
おいては、タンクで加湿した反応ガスが燃料電池との間
の配管中で凝縮するのを防ぐために、配管の断熱および
加熱を必要とし、かつタンクの加熱用熱源を必要とする
ため、固体高分子電解質型燃料電池の熱効率の低下を招
くという問題があり、かつ装置も大掛かりになるという
欠点がある。
The above-mentioned external humidification system requires heat insulation and heating of the piping in order to prevent the reaction gas humidified in the tank from condensing in the piping between the fuel cell and Since a heat source for heating the tank is required, there is a problem that the thermal efficiency of the solid polymer electrolyte fuel cell is reduced, and there is a drawback that the device becomes large-scale.

【0008】一方上述の内部加湿方式においては、加湿
部を燃料電池スタックに隣接して配置するので、水蒸気
発生の熱源としての燃料電池の排熱の利用が容易であ
り、かつ加湿部と燃料電池の間のガス配管も簡単化でき
る利点がある。しかしながら、燃料電池とは別体のイオ
ン導電性を持たない高分子膜を水分透過膜として使用し
た独立した装置であり、その部品点数も多く,組立作業
が煩雑になるという問題がある。また、加湿部を単セル
の層間に積層できれば、加湿用の補給水の蒸発潜熱を燃
料電池の冷却に利用することが可能であり、加湿部を冷
却板に兼用できると期待されるが、加湿用水透過膜が電
子導電性を持たないため、単セルの層間に積層するとス
タックの導電性が失われるため、加湿部を燃料電池の冷
却板として兼用できないという問題も存在する。
On the other hand, in the internal humidification method described above, the humidification unit is disposed adjacent to the fuel cell stack, so that the waste heat of the fuel cell as a heat source for generating steam can be easily used, and the humidification unit and the fuel cell There is an advantage that the gas piping between them can be simplified. However, since it is an independent device using a polymer membrane having no ionic conductivity as a water permeable membrane separately from the fuel cell, the number of parts is large, and there is a problem that the assembling work becomes complicated. Also, if the humidifying section can be laminated between the layers of the single cell, the latent heat of evaporation of the humidifying makeup water can be used for cooling the fuel cell, and the humidifying section is expected to be able to serve also as a cooling plate. Since the water-permeable membrane does not have electronic conductivity, stacking between layers of a single cell loses the conductivity of the stack, and there is also a problem that the humidifying portion cannot be used also as a cooling plate of a fuel cell.

【0009】この発明の目的は、燃料電池スタックと一
体化することにより、組立作業が容易で、加湿性能がよ
く、燃料電池の冷却にも寄与できる加湿部を備えた固体
高分子電解質型燃料電池のセル構造を得ることにある。
An object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte type fuel cell having a humidifying section which is easy to assemble, has good humidifying performance and can contribute to cooling of the fuel cell by being integrated with the fuel cell stack. To obtain the cell structure of

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、イオン導電性を有する固体高分
子膜と、その両面に密着して配された燃料電極および酸
化剤電極とからなる単セルが、前記燃料電極および酸化
剤電極それぞれに対向する部分に凹溝からなる燃料ガス
通路または酸化剤通路を有するガス不透過性板を介して
複数層積層された固体高分子電解質型燃料電池におい
て、固体高分子膜周縁部を挟持する一方のガス不透過性
板に前記燃料ガス通路または酸化剤通路に連通する凹溝
として形成されたガス加湿通路と、他方のガス不透過性
板の前記ガス加湿通路に対向する部分に独立した凹溝と
して形成された水補給通路とからなる加湿部を設けてな
り、前記ガス加湿通路で加湿された燃料ガスまたは酸化
剤が、燃料ガス通路または酸化剤通路に供給されるよう
構成することとする。
According to the present invention, there is provided a solid polymer membrane having ionic conductivity and a fuel electrode and an oxidant electrode which are disposed in close contact with both surfaces thereof. Solid polymer electrolyte type in which a plurality of single cells are laminated via a gas impermeable plate having a fuel gas passage or an oxidant passage formed of a concave groove in a portion facing each of the fuel electrode and the oxidant electrode. In a fuel cell, a gas humidifying passage formed as a concave groove communicating with the fuel gas passage or the oxidizing agent passage in one gas impermeable plate sandwiching a peripheral portion of the solid polymer membrane, and the other gas impermeable plate And a water supply passage formed as an independent concave groove at a portion facing the gas humidification passage. The fuel gas or the oxidant humidified by the gas humidification passage is supplied to the fuel gas passage. Others and be configured to be supplied to the oxidant passage.

【0011】さらにまた、前記加湿部の配置が、固体高
分子膜に対して互いに対称な位置に配されて、一方が燃
料ガスの加湿部を、他方が酸化剤の加湿部を形成してな
ることとする。
Further, the humidifying sections are arranged at positions symmetrical to each other with respect to the solid polymer membrane, one of which forms a humidifying section for fuel gas and the other forms a humidifying section for oxidizing agent. It shall be.

【0012】[0012]

【0013】[0013]

【作用】上記のごとく構成すれば、固体高分子電解質型
燃料電池の積層構造を殆ど変えることなく一体化された
反応ガスの加湿部を単セル毎に備えた固体高分子電解質
型燃料電池を構成できるので、部品点数および組立工数
の増加を回避する機能が得られる。また、各単セル毎に
加湿部備えるので固体高分子膜の加湿性能に優れ、かつ
固体高分子膜周縁部分から本体部分への水分の移行も期
待できるので固体高分子膜の高い乾燥防止機能が得られ
る。さらに、単セルの両サイドに一体化した加湿部が、
単セルの発電生成熱を水蒸気の蒸発潜熱として奪うの
で、加湿部が応答速度の速い冷却板を兼ね、固体高分子
電解質型燃料電池の温度分布を改善する機能が得られ
る。
With the above configuration, a solid polymer electrolyte fuel cell having a unitary cell humidifying unit for a reaction gas integrated with little change in the laminated structure of the solid polymer electrolyte fuel cell is constructed. Therefore, a function of avoiding an increase in the number of parts and the number of assembly steps can be obtained. In addition, the humidifying section is provided for each single cell, so the humidifying performance of the solid polymer membrane is excellent, and the transfer of moisture from the periphery of the solid polymer membrane to the main body can be expected. can get. In addition, the humidifying parts integrated on both sides of the single cell,
Since the heat generated by power generation of the single cell is taken as latent heat of vaporization of steam, the humidifying portion also serves as a cooling plate having a high response speed, and a function of improving the temperature distribution of the polymer electrolyte fuel cell is obtained.

【0014】さらに、固体高分子膜の2つの延長部分に
おけるガス供給通路および水補給通路の配置を、固体高
分子膜に対して互いに対称な位置とするよう構成すれ
ば、一方の延長部分に燃料ガスの加湿部を、他方の延長
部分に酸化剤の加湿部を、固体高分子電解質型燃料電池
の構成に影響を及ぼさずに形成することができる。さら
にまた、前記ガス加湿通路で加湿された燃料ガスまたは
酸化剤が、燃料ガス通路または酸化剤通路に供給される
よう構成したことにより、加湿部の所要面積を必要最小
限に縮小できるとともに、加湿部で加湿した反応ガスを
燃料ガス通路または酸化剤通路に供給するまでの間に水
分を凝縮させることがなく、固体高分子膜を効率よく加
湿する機能が得られる。
Further, if the gas supply passage and the water supply passage in the two extended portions of the solid polymer membrane are arranged so as to be symmetrical to each other with respect to the solid polymer membrane, the fuel can be added to one of the extended portions. The humidifying portion of the gas and the humidifying portion of the oxidizing agent on the other extension portion can be formed without affecting the structure of the solid polymer electrolyte fuel cell. Furthermore, the fuel gas or the oxidant humidified in the gas humidifying passage is configured to be supplied to the fuel gas passage or the oxidizing agent passage, so that the required area of the humidifying unit can be reduced to a necessary minimum and the humidifying unit can be humidified. The function of efficiently humidifying the solid polymer membrane can be obtained without condensing water before the reaction gas humidified in the section is supplied to the fuel gas passage or the oxidizing agent passage.

【0015】[0015]

【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図1はこの発明の実施例になる固体高分子電解質型
燃料電池のセル構造を模式化して示す断面図、図2は実
施例におけるバイポ−ラプレ−トを燃料ガス通路側から
見た平面図、図3は実施例におけるバイポ−ラプレ−ト
を酸化剤通路側から見た平面図であり、従来技術と同じ
構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した
説明を省略する。図において、単セルを構成するイオン
導電性を有する固体高分子膜22が、これを介して互い
に対向する燃料電極3および酸化剤電極4の両側方に所
定の長さ延長され、この延長部分を水分の透過膜22
A,22Bとして一方の延長部分に燃料ガスの加湿部3
6,他方の延長部分に酸化剤の加湿部37が形成され
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below based on embodiments. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a cell structure of a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of a bipolar plate in the embodiment as viewed from a fuel gas passage side. FIG. 3 is a plan view of the bipolar plate in the embodiment as viewed from the oxidizing agent passage side. The same components as those in the prior art are denoted by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. In the figure, a solid polymer membrane 22 having ionic conductivity constituting a single cell is extended by a predetermined length to both sides of a fuel electrode 3 and an oxidant electrode 4 opposed to each other via this, and this extended portion is Water permeable membrane 22
A, 22B, a fuel gas humidifying part 3
6, a humidifying portion 37 of an oxidizing agent is formed on the other extension.

【0016】燃料ガスの加湿部36は、固体高分子膜2
2の延長部分22Bを水分の透過膜とし、これを挟持す
る一方のバイポ−ラプレ−ト25Aに燃料ガス通路6に
連通する凹溝としての燃料ガス加湿通路26を形成し、
他方のバイポ−ラプレ−ト25Bの燃料ガス加湿通路2
6に対向する部分に独立した凹溝からなる水補給通路2
4を形成することにより、各単セルと一体化した燃料ガ
スの加湿部36を備えた固体高分子電解質型燃料電池が
構成される。また、酸化剤の加湿部37としては、固体
高分子膜22の延長部分22Aを水分の透過膜とし、こ
れを挟持する一方のバイポ−ラプレ−ト25Bに酸化剤
通路7に連通する凹溝としての酸化剤加湿通路27を形
成し、他方のバイポ−ラプレ−ト25Aの酸化剤加湿通
路27に対向する部分に独立した凹溝からなる水補給通
路23を形成することにより、各単セルと一体化した燃
料ガスの加湿部37を備えた固体高分子電解質型燃料電
池が構成される。
The humidifying section 36 of the fuel gas is
A fuel gas humidifying passage 26 as a groove communicating with the fuel gas passage 6 is formed in one of the bipolar plates 25A sandwiching the extended portion 22B of the second member 22 as a moisture permeable membrane.
Fuel gas humidifying passage 2 of the other bipolar plate 25B
Water supply passage 2 consisting of an independent concave groove at the portion facing 6
By forming the fuel cell 4, a solid polymer electrolyte fuel cell including the fuel gas humidifier 36 integrated with each unit cell is formed. As the oxidizing agent humidifying portion 37, the extended portion 22A of the solid polymer film 22 is used as a moisture permeable film, and is formed as a concave groove communicating with the oxidizing agent passage 7 to one of the bipolar plates 25B sandwiching the extended portion. The oxidizing agent humidifying passage 27 is formed, and the water replenishing passage 23 formed of an independent concave groove is formed in a portion of the other bipolar plate 25A facing the oxidizing humidifying passage 27, so that it is integrated with each single cell. A solid polymer electrolyte fuel cell including the humidified portion 37 of the converted fuel gas is configured.

【0017】また、1つの単セルにおける燃料ガスの加
湿部36および酸化剤の加湿部37は、固体高分子膜の
2つの延長部分におけるガス加湿通路26,27と、水
補給通路23,24との配置を、固体高分子膜に対して
互いに対称な位置とすることにより、燃料ガス通路6に
連通した燃料ガス加湿通路26と、酸化剤通路7に連通
した酸化剤加湿通路27とを1枚の固体高分子膜22の
延長部分を利用する形で形成することができる。
The fuel gas humidifying portion 36 and the oxidizing agent humidifying portion 37 in one single cell are provided with gas humidifying passages 26 and 27 and water replenishing passages 23 and 24 in two extended portions of the solid polymer membrane. Are arranged symmetrically to each other with respect to the solid polymer membrane, so that one fuel gas humidifying passage 26 communicating with the fuel gas passage 6 and one oxidizing humidifying passage 27 communicating with the oxidizing agent passage 7 are provided. The solid polymer film 22 can be formed by using an extended portion of the solid polymer film 22.

【0018】さらに、図2または図3に示すように、水
補給通路23,24はバイポ−ラプレ−ト25A,25
B外周側のシ−ル部28に連結して形成されたリブ28
Bにより、ガス通路6,7と画成され、シ−ル部28を
貫通する補給水の入口23A,24Aと、出口23B,
24Bを介して補給水の給排水がそれぞれ行われる。ま
た、燃料ガスの加湿通路26,または酸化剤の加湿通路
27は、燃料ガス通路6,酸化剤通路7との間にリブ2
8Aを備え、加湿通路を通った燃料ガスまたは酸化剤が
Uタ−ンして燃料ガス通路6または酸化剤通路7に流入
するよう形成され、加湿通路で加湿された反応ガス中の
水分を凝縮させることなく燃料ガス通路または酸化剤通
路に供給できるとともに、加湿部が占める面積を最小限
度に縮小することができる。
Further, as shown in FIG. 2 or FIG. 3, the water supply passages 23, 24 are provided with bipolar plates 25A, 25A.
Rib 28 formed by connecting to seal portion 28 on the outer peripheral side of B
B, the gas passages 6 and 7 are defined and the inlets 23A and 24A of the makeup water penetrating the seal portion 28, and the outlets 23B and 23B.
Supply / drainage of makeup water is performed via 24B. The humidifying passage 26 for the fuel gas or the humidifying passage 27 for the oxidizing agent is provided between the fuel gas passage 6 and the oxidizing agent passage 7 by the rib 2.
8A, the fuel gas or the oxidizing agent passing through the humidifying passage is formed so as to make a U-turn and flow into the fuel gas passage 6 or the oxidizing agent passage 7 to condense the moisture in the reaction gas humidified in the humidifying passage. It is possible to supply the fuel gas to the fuel gas passage or the oxidant passage without causing the humidifying portion to occupy the minimum area.

【0019】実施例になるセル構造を有する単セルは、
加湿部36および37中の補給水が、単セルの発電生成
熱を単セルから直接,あるいは図示しない冷却板の延長
部分から受けて加熱され、湿潤した水分透過膜22A,
22Bの表面で水蒸気が発生し、この水蒸気により加湿
通路26,27内の反応ガスが加湿され、これに連通し
た燃料ガス通路6および酸化剤通路7に加湿された燃料
ガスまたは酸化剤が供給される。
The single cell having the cell structure according to the embodiment is as follows.
The replenishing water in the humidifiers 36 and 37 is heated by receiving the power generation heat of the single cell directly from the single cell or from an extension of a cooling plate (not shown), and is heated and wet.
Water vapor is generated on the surface of 22B, and the water vapor humidifies the reaction gas in the humidification passages 26 and 27, and the humidified fuel gas or oxidant is supplied to the fuel gas passage 6 and the oxidant passage 7 communicating therewith. You.

【0020】このように構成されたセル構造を有する単
セルの積層体として構成される固体高分子電解質型燃料
電池においては、バイポ−ラプレ−トにあらかじめ形成
する凹溝の形状をガス加湿通路,水補給通路に対応して
形成しておくことにより、固体高分子電解質型燃料電池
の積層構造を殆ど変えることなく一体化された反応ガス
の加湿部を単セル毎に備えた固体高分子電解質型燃料電
池を構成できるので、部品点数および組立工数の増加が
回避されて製造コストの低減が可能になるとともに、各
単セル毎に加湿部が設けられて反応ガスの加湿性能がよ
く、かつ湿潤した延長部分から直接水分が固体高分子膜
の本体部分に移行して乾燥を防止する機能が加わるの
で、高度の乾燥防止性能を有するセル構造を備えた固体
高分子電解質型燃料電池を経済的にも有利に得ることが
できる。
In the solid polymer electrolyte fuel cell constructed as a single cell laminate having the above-structured cell structure, the shape of the groove formed in the bipolar plate in advance is defined by the gas humidification passage, The solid polymer electrolyte fuel cell is provided with a humidifying part for the reaction gas integrated in each single cell without changing the layered structure of the solid polymer electrolyte fuel cell. Since the fuel cell can be configured, an increase in the number of parts and the number of assembly steps can be avoided, thereby reducing the manufacturing cost.In addition, a humidifying section is provided for each single cell, so that the humidifying performance of the reaction gas is good and wet. A solid polymer electrolyte fuel with a cell structure with a high degree of anti-drying performance, since moisture is transferred directly from the extension to the main body of the solid polymer membrane to prevent drying. It is possible to obtain pond advantageous in economical.

【0021】また、単セルの両サイドに一体化した加湿
部が、単セルの発電生成熱を水蒸気の蒸発潜熱として奪
うので、加湿部が応答速度の速い冷却板の機能を兼ね、
固体高分子電解質型燃料電池の温度分布を改善できる利
点が得られる。
Further, since the humidifying portions integrated on both sides of the single cell deprive the power generation heat of the single cell as latent heat of vaporization of water vapor, the humidifying portion also functions as a cooling plate having a high response speed.
The advantage that the temperature distribution of the solid polymer electrolyte fuel cell can be improved can be obtained.

【0022】[0022]

【発明の効果】この発明は前述のような構成とした結
果、外部加湿方式の固体高分子電解質型燃料電池に比
べ、加湿部が燃料電池と一体化されることにより加湿タ
ンクおよびガス配管を必要とせず装置の構成を簡素化で
きるとともに、燃料電池の生成熱を水蒸気発生用熱源と
して直接利用できるので熱効率が高く、かつ加湿部を各
単セルが備えることにより加湿性能の高いセル構造を備
えた固体高分子電解質型燃料電池を経済的にも有利に提
供することができる。
According to the present invention, as described above, the humidifying part is integrated with the fuel cell compared with the external humidifying solid polymer electrolyte fuel cell, so that the humidifying tank and the gas pipe are required. In addition to simplifying the configuration of the device, the heat generated by the fuel cell can be directly used as a heat source for generating steam, so that the thermal efficiency is high, and the humidifying unit is provided in each unit cell to provide a high humidifying cell structure. A solid polymer electrolyte fuel cell can be provided economically and advantageously.

【0023】また、燃料電池に加湿部を併設した従来の
内部加湿方式の固体高分子電解質型燃料電池に比べ、燃
料電池本体と一体化した加湿部を各単セル毎に備え、か
つ燃料電池の生成熱を水蒸気発生用熱源として直接利用
できるため、単セル温度の変化に対する加湿量の応答速
度高く、固体高分子膜の延長部分から本体部分への水分
の直接補給も期待できるので、優れた固体高分子膜の乾
燥防止効果が得られる。また、一体化されることにより
部品点数およびその組立工数を低減できるので、製造コ
ストを大幅に低減できる経済効果が得られる。さらに、
加湿部に供給される補給水が冷却水としても機能するの
で、各単セルに冷却板を設けたと同様の冷却効果が得ら
れ、単セルの面方向および固体高分子電解質型燃料電池
の積層方向の温度分布を改善してセル特性を向上する波
及効果も期待できる。
Further, as compared with the conventional solid polymer electrolyte type fuel cell of the internal humidification system in which a humidifying section is provided in the fuel cell, a humidifying section integrated with the fuel cell body is provided for each single cell, and the Since the generated heat can be used directly as a heat source for generating steam, the response speed of the humidification amount to changes in the temperature of the single cell is high, and it is expected that water can be directly replenished from the extension of the solid polymer membrane to the main body. An effect of preventing drying of the polymer film can be obtained. In addition, since the number of components and the number of assembling steps can be reduced by being integrated, an economic effect of significantly reducing manufacturing costs can be obtained. further,
Since the replenishing water supplied to the humidifying section also functions as cooling water, the same cooling effect as when a cooling plate is provided in each unit cell is obtained, and the surface direction of the unit cell and the stacking direction of the solid polymer electrolyte fuel cell Can also be expected to have a ripple effect of improving the temperature distribution and improving the cell characteristics.

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

【図1】この発明の実施例になる固体高分子電解質型燃
料電池のセル構造を模式化して示す断面図
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a cell structure of a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図2】実施例におけるバイポ−ラプレ−トを燃料ガス
通路側から見た平面図
FIG. 2 is a plan view of the bipolar plate in the embodiment as viewed from a fuel gas passage side.

【図3】実施例におけるバイポ−ラプレ−トを酸化剤通
路側から見た平面図
FIG. 3 is a plan view of the bipolar plate in the embodiment as viewed from the oxidizing agent passage side.

【図4】固体高分子電解質型燃料電池の単セル構造を模
式化して示す断面図
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically illustrating a single cell structure of a solid polymer electrolyte fuel cell.

【図5】内部加湿方式の従来の固体高分子電解質型燃料
電池を示す模式図
FIG. 5 is a schematic view showing a conventional solid polymer electrolyte fuel cell of the internal humidification type.

【図6】従来の内部加湿方式における加湿部を示す模式
FIG. 6 is a schematic view showing a humidifying unit in a conventional internal humidifying method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 単セル 2 固体高分子膜 3 燃料電極 4 酸化剤電極 5 バイポ−ラプレ−ト 6 燃料ガス通路 7 酸化剤通路 8 ガスシ−ル部(リブ) 10 固体高分子電解質型燃料電池(スタック) 11 加湿部 12 加湿用水透過膜 13 加湿水通路 16 燃料ガス加湿室 17 酸化剤加湿室 22 固体高分子膜 22A 固体高分子膜の延長部分(水分透過膜) 22B 固体高分子膜の延長部分(水分透過膜) 23 水補給通路 24 水補給通路 25A バイポ−ラプレ−ト 25B バイポ−ラプレ−ト 26 燃料ガス加湿通路 27 酸化剤加湿通路 28 シ−ル部 28A リブ(ガスUタ−ン用) 28B リブ(水補給通路の画成用) 36 燃料ガス加湿部 37 酸化剤加湿部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single cell 2 Solid polymer membrane 3 Fuel electrode 4 Oxidant electrode 5 Bipolar plate 6 Fuel gas passage 7 Oxidant passage 8 Gas seal part (rib) 10 Solid polymer electrolyte fuel cell (stack) 11 Humidification Unit 12 Humidification water permeable membrane 13 Humidification water passage 16 Fuel gas humidification chamber 17 Oxidizer humidification chamber 22 Solid polymer membrane 22A Extension of solid polymer membrane (moisture permeable membrane) 22B Extension of solid polymer membrane (moisture permeable membrane) 23) Water supply passage 24 Water supply passage 25A Bipolar plate 25B Bipolar plate 26 Fuel gas humidification passage 27 Oxidant humidification passage 28 Seal 28A Rib (for gas U-turn) 28B Rib (water (For defining the supply passage) 36 Fuel gas humidifier 37 Oxidizer humidifier

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】イオン導電性を有する固体高分子膜と、そ
の両面に密着して配された燃料電極および酸化剤電極と
からなる単セルが、前記燃料電極および酸化剤電極それ
ぞれに対向する部分に凹溝からなる燃料ガス通路または
酸化剤通路を有するガス不透過性板を介して複数層積層
された固体高分子電解質型燃料電池において、 固体高分子膜周縁部を挟持する一方のガス不透過性板に
前記燃料ガス通路または酸化剤通路に連通する凹溝とし
て形成されたガス加湿通路と、他方のガス不透過性板の
前記ガス加湿通路に対向する部分に独立した凹溝として
形成された水補給通路とからなる加湿部を設けてなり、 前記ガス加湿通路で加湿された燃料ガスまたは酸化剤
が、燃料ガス通路または酸化剤通路に供給されることを
特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
1. A single cell comprising a solid polymer membrane having ionic conductivity and a fuel electrode and an oxidant electrode which are disposed in close contact with both surfaces of the solid polymer membrane is opposed to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively. In a solid polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of layers are stacked via a gas impermeable plate having a fuel gas passage or an oxidant passage formed of a concave groove, one of the gas impermeable members sandwiching the periphery of the solid polymer membrane A gas humidification passage formed as a groove communicating with the fuel gas passage or the oxidizing agent passage in the permeable plate, and an independent groove formed in a portion of the other gas impermeable plate opposed to the gas humidification passage. A humidifying section comprising a water supply passage, wherein the fuel gas or the oxidant humidified in the gas humidification passage is supplied to the fuel gas passage or the oxidant passage. Type fuel cell.
【請求項2】前記加湿部の配置が、固体高分子膜に対し
て互いに対称な位置に配されて、一方が燃料ガスの加湿
部を、他方が酸化剤の加湿部を形成してなることを特徴
とする請求項1記載の固体高分子電解質型燃料電池。
2. The humidifying section is arranged at positions symmetrical to each other with respect to the solid polymer film, one of which forms a humidifying section for fuel gas and the other forms a humidifying section for oxidizing agent. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein:
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