JP3509180B2 - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JP3509180B2
JP3509180B2 JP10229394A JP10229394A JP3509180B2 JP 3509180 B2 JP3509180 B2 JP 3509180B2 JP 10229394 A JP10229394 A JP 10229394A JP 10229394 A JP10229394 A JP 10229394A JP 3509180 B2 JP3509180 B2 JP 3509180B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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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、燃料電池に関し、詳
しくは、単電池とセパレータとの境に設けられるガス流
路の構造に関するもので、さらには、燃料電池の燃料ガ
ス供給方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a structure of a gas flow path provided at a boundary between a unit cell and a separator, and further to a fuel gas of the fuel cell.
Concerning the supply method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、燃料の有しているエネルギを直接
電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られ
ている。この燃料電池は、通常、電解質を挟んで一対の
電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等の
燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含
有する酸化ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反
応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すよう
にしている。燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスが供給さ
れている限り高い効率で電気エネルギを取り出すことが
できる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell is known as a device for directly converting the energy of fuel into electrical energy. In this fuel cell, usually, a pair of electrodes are arranged with an electrolyte in between, and a fuel gas such as hydrogen is brought into contact with the surface of one electrode, and an oxidizing gas containing oxygen is brought into contact with the surface of the other electrode. By utilizing the electrochemical reaction that occurs at this time, electric energy is taken out from between the electrodes. The fuel cell can extract electric energy with high efficiency as long as the fuel gas and the oxidizing gas are supplied.

【0003】燃料電池は、前述した電解質と両電極とか
らなる単電池をセパレータを介して複数個積層すること
で構成されており、燃料ガスおよび酸化ガスは、そのセ
パレータに形成された流路溝を流すことで、各電極表面
との接触が可能となっている。
A fuel cell is constructed by stacking a plurality of unit cells each having the above-mentioned electrolyte and both electrodes with a separator interposed therebetween, and the fuel gas and the oxidizing gas are flow channel grooves formed in the separator. It is possible to make contact with the surface of each electrode by flowing.

【0004】ところで、燃料ガスに含まれる水素と酸化
ガスに含まれる酸素は、前記流路溝を通過中に、電気化
学反応により連続的に消費されることから、流路溝の入
口付近では、分圧が高くなり、流路溝の出口に近づくに
つれて分圧が小さくなった。そこで、こうした不具合を
解消する燃料電池として、流路溝を入口側から出口側に
わたって漸次狭くした構成が提案されていた(例えば、
特開昭61−256568号公報)。流路溝の出口側を
狭くすることにより、その出口側の流速を高めてガス拡
散性の向上を図ることができ、この結果、電極面内での
発電反応のバラツキが軽減され、ガスの流れ方向に沿っ
て電流密度が均一化された。
By the way, the hydrogen contained in the fuel gas and the oxygen contained in the oxidizing gas are continuously consumed by the electrochemical reaction while passing through the flow channel, so that near the inlet of the flow channel, The partial pressure increased, and the partial pressure decreased as it approached the outlet of the flow channel. Therefore, as a fuel cell that eliminates these problems, a configuration has been proposed in which the flow channel groove is gradually narrowed from the inlet side to the outlet side (for example,
JP-A-61-256568). By narrowing the outlet side of the flow channel groove, it is possible to increase the flow velocity on the outlet side and improve gas diffusivity.As a result, variations in power generation reaction within the electrode surface are reduced, and gas flow The current density was homogenized along the direction.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た従来の燃料電池では、高負荷が掛かると、その負荷増
に充分に対応しきれなかった。というのは、高負荷が掛
かると、流路溝の入口側でガス中の水素や酸素が多量に
消費されるため、出口側には充分に水素や酸素が到達せ
ず、出口側部分での反応が低下するためで、従来技術の
ように、出口側の流速をいかに高めても、出口側に到達
する水素や酸素は充分でなく、ガスの流れ方向に沿って
電流密度を均一化することができないといった問題が生
じた。
However, in such a conventional fuel cell, when a high load is applied, it is not possible to sufficiently cope with the increase in the load. This is because when a high load is applied, a large amount of hydrogen and oxygen in the gas are consumed at the inlet side of the flow channel, so hydrogen and oxygen do not reach the outlet side sufficiently, and Because the reaction decreases, no matter how high the flow rate on the outlet side is, as in the prior art, hydrogen and oxygen reaching the outlet side are not sufficient, and the current density should be made uniform along the gas flow direction. There was a problem that I could not do it.

【0006】この発明の燃料電池は、こうした問題点に
鑑みてなされたもので、高負荷時においても、電流密度
分布をガスの流れ方向に沿って均一にすることを目的と
している。
The fuel cell of the present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to make the current density distribution uniform along the gas flow direction even under high load.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。
In order to achieve such an object, the following constitution is adopted as a means for solving the above problems.

【0008】即ち、本発明の燃料電池は、電解質を2つ
の電極で挟持する単電池と、複数の単電池の間に挿入さ
れ、それら単電池を直列接続するセパレータと、前記単
電池とセパレータとの境に設けられ、電気化学反応を発
生させる反応ガスを前記単電池の面方向に流すガス流路
とを備えた燃料電池において、前記ガス流路は、一連の
溝として単電池に対するガス入口部およびガス出口部と
接続される構成であり、前記ガス流路内に、前記ガス流
路の入口部から中途部に至る範囲、前記単電池の表面
側の所定の領域を隔てる側路を形成した構成をとった。
That is, the fuel cell of the present invention includes a unit cell in which an electrolyte is sandwiched between two electrodes, a separator inserted between a plurality of unit cells and connected in series, and the unit cell and the separator. In a fuel cell provided with a gas flow path that is provided at the boundary of the gas flow path for causing an electrochemical reaction to flow in the surface direction of the unit cell, the gas flow path is a series of
As a groove with a gas inlet and gas outlet for the unit cell
A connection Configurations, to the gas flow path, in a range extending to the intermediate portion from the inlet portion of the gas flow path, the surface of the single cell
A side path separating a predetermined area on the side is formed.

【0009】こうした燃料電池において、好ましくは、
前記ガス流路は、当該ガス流路の断面が入口部から出
口部にわたって漸次狭くなるように構成してもよい。本
発明の燃料電池の燃料ガス供給方法は、電解質を2つの
電極で挟持する単電池を備えた燃料電池の電極上に、単
電池に沿わした一連の溝から構成され該単電池に対する
ガス入口部およびガス出口部と接続されるガス流路によ
り水素の燃料ガスを供給する燃料電池の燃料ガス供給方
法において、記ガス流路における出口部側の前記単電
池と接する所定の領域に対する燃料ガスの供給は、前記
ガス流路とは独立した第2のガス流路により、水素分圧
の高い新たな燃料ガスが送られるように構成されたこと
を特徴とする。
In such a fuel cell, preferably,
The gas flow channel groove may be configured such that a cross section of the gas flow channel is gradually narrowed from an inlet portion to an outlet portion. A fuel gas supply method for a fuel cell according to the present invention comprises a series of grooves extending along the cell on an electrode of a fuel cell having a cell sandwiching an electrolyte between two electrodes .
The fuel gas supply method of a fuel cell for supplying hydrogen fuel gas by the gas flow path connected to the gas inlet and gas outlet, the single electric outlet side before SL gas channel
The supply of the fuel gas to the predetermined region in contact with the pond is configured such that new fuel gas having a high hydrogen partial pressure is sent by the second gas passage independent of the gas passage. To do.

【0010】[0010]

【作用】以上のように構成された本発明の燃料電池によ
れば、一連の溝から構成されたガス流路内に形成された
側路により、反応ガスはガス流路の入口部から中途部ま
で複数の流れに分岐し、その分岐した側の反応ガスは単
電池の表面側の所定の領域から隔たってその表面部分に
触れることがない。したがって、高負荷時においてガス
流路の入口側で反応ガス中の有効成分が多量に消費され
るような場合にも、側路により出口側にも新たな反応ガ
スが送られることから、その出口側でも充分な量の有効
成分を受けることができ、電極面内での発電反応のバラ
ツキが軽減される。
According to the fuel cell of the present invention constructed as described above, the reaction gas is allowed to flow from the inlet portion of the gas passage to the midway portion due to the side passage formed in the gas passage formed of the series of grooves. Up to a plurality of flows, and the reaction gas on the branched side does not touch the surface portion apart from a predetermined region on the surface side of the unit cell. Therefore, even when a large amount of the effective component in the reaction gas is consumed at the inlet side of the gas flow path at the time of high load, a new reaction gas is sent to the outlet side by the side passage. The side can also receive a sufficient amount of the active ingredient, and variation in the power generation reaction within the electrode surface is reduced.

【0011】さらに、ガス流路の断面が入口部から出口
部にわたって漸次狭くなるように構成されることで、出
口側の流速を高めて、より一層の反応ガスの供給効率の
向上を図ることが可能である。発明の燃料電池の燃料
ガス供給方法によれば、一連の溝から構成されたガス流
路の出口部側の単電池と接する所定の領域においても、
水素分圧の高い燃料ガスを供給することができ、電極の
表面での発電反応のバラツキを軽減して、電流密度分布
をガスの流れ方向に沿って均一にすることができる。こ
のために、高負荷時においても、電流密度分布をガスの
流れ方向に沿って均一にすることができる。
Further, since the cross section of the gas flow passage is constructed to be gradually narrowed from the inlet portion to the outlet portion, the flow velocity on the outlet side can be increased and the supply efficiency of the reaction gas can be further improved. It is possible. According to the fuel gas supply method of the fuel cell of the present invention, even in a predetermined region in contact with the unit cell on the outlet side of the gas flow path formed of a series of grooves ,
Fuel gas having a high hydrogen partial pressure can be supplied, variation in power generation reaction on the surface of the electrode can be reduced, and the current density distribution can be made uniform along the gas flow direction. Therefore, even under a high load, the current density distribution can be made uniform along the gas flow direction.

【0012】[0012]

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。
Preferred embodiments of the present invention will be described below in order to further clarify the structure and operation of the present invention described above.

【0013】図1は、本発明の一実施例を適用した固体
高分子型の燃料電池1のセル構造の模式図である。この
図に示すように、燃料電池1は、そのセル構造として、
電解質膜10と、この電解質膜10を両側から挟んでサ
ンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのアノード2
0およびカソード30と、このサンドイッチ構造を両側
から挟みつつ燃料ガスの流路溝40および酸化ガス(酸
素含有ガス)の流路溝50を形成するセパレータ60と
を備える。なお、図1には、電解質膜10,アノード2
0およびカソード30からなる単電池を1つだけ示した
が、実際は、セパレータ60,アノード20,電解質膜
10,カソード30,セパレータ60の順に単電池を複
数個積層して固体高分子型燃料電池を構成する。
FIG. 1 is a schematic view of a cell structure of a solid polymer fuel cell 1 to which an embodiment of the present invention is applied. As shown in this figure, the fuel cell 1 has, as its cell structure,
An electrolyte membrane 10 and an anode 2 as a gas diffusion electrode having a sandwich structure in which the electrolyte membrane 10 is sandwiched from both sides.
0 and the cathode 30, and a separator 60 that forms a fuel gas flow channel 40 and an oxidizing gas (oxygen-containing gas) flow channel 50 while sandwiching the sandwich structure from both sides. In FIG. 1, the electrolyte membrane 10 and the anode 2 are shown.
Although only one unit cell including 0 and the cathode 30 is shown, actually, a plurality of unit cells are stacked in the order of the separator 60, the anode 20, the electrolyte membrane 10, the cathode 30, and the separator 60 to form a polymer electrolyte fuel cell. Constitute.

【0014】電解質膜10は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。アノード20およびカソ
ード30は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンク
ロスにより形成されており、このカーボンクロスには、
触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等
を担持したカーボン粉がクロスの隙間に練り込まれてい
る。
The electrolyte membrane 10 is an ion exchange membrane made of a polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good electric conductivity in a wet state. The anode 20 and the cathode 30 are formed of a carbon cloth woven with a yarn made of carbon fiber.
Carbon powder carrying platinum or an alloy of platinum and another metal as a catalyst is kneaded into the gap of the cloth.

【0015】セパレータ60は、カーボンを圧縮して不
透過としたガス不透過カーボンにより形成されている。
セパレータ60には、その一方面にリブ62が形成され
ており、このリブ62とアノード20の表面とで前記燃
料ガスの流路溝40を形成している。また、セパレータ
60の他方面にリブ64が形成されており、このリブ6
4とカソード30の表面とで前記酸化ガスの流路溝50
を形成している。なお、これら燃料ガス流路溝40と酸
化ガス流路溝50とは、その向きが直交する方向に形成
されている。
The separator 60 is formed of gas-impermeable carbon which is made impermeable by compressing carbon.
A rib 62 is formed on one side of the separator 60, and the rib 62 and the surface of the anode 20 form the flow channel 40 of the fuel gas. A rib 64 is formed on the other surface of the separator 60.
4 and the surface of the cathode 30 flow path groove 50 for the oxidizing gas
Is formed. The fuel gas flow channel groove 40 and the oxidizing gas flow channel groove 50 are formed in directions orthogonal to each other.

【0016】セパレータ60の構成について図2および
図3を用いてさらに詳しく説明する。これら図に示すよ
うに、セパレータ60は、その両面に前述した燃料ガス
流路溝40および酸化ガス流路溝50を備える。燃料ガ
ス流路溝40は、その溝の深さが入口部40iから出口
部40eにわたって漸次浅くなるように形成されてお
り、その溝内に整流板42が設けられている。整流板4
2は、断面コの字形の樋状の形状をした樹脂製の板であ
り、その深さDは、燃料ガス流路溝40の入口部40i
の溝の深さdのほぼ2分の1で、その長手方向の長さL
は燃料ガス流路溝40の長さlのほぼ2分の1である。
整流板42は、コの字の開口部を燃料ガス流路溝40の
深さ方向に向けて、その端部42aが燃料ガス流路溝4
0の入口部40iに位置するように燃料ガス流路溝40
内に固着されており、燃料ガス流路溝40内を2つのガ
ス流路40a,ガス流路40bに分割している。なお、
整流板42は、樹脂製に換えて、耐腐食性がある材質、
例えば、カーボン,セラミック等から形成されたものと
しても良い。
The structure of the separator 60 will be described in more detail with reference to FIGS. As shown in these drawings, the separator 60 includes the fuel gas flow channel 40 and the oxidizing gas flow channel 50 described above on both surfaces thereof. The fuel gas passage groove 40 is formed such that the depth of the groove gradually decreases from the inlet portion 40i to the outlet portion 40e, and the current plate 42 is provided in the groove. Baffle plate 4
Reference numeral 2 denotes a resin plate having a trough shape with a U-shaped cross section, the depth D of which is the inlet portion 40i of the fuel gas passage groove 40.
Is about half the depth d of the groove, and its longitudinal length L
Is approximately one half of the length l of the fuel gas flow channel 40.
In the current plate 42, the U-shaped opening is directed toward the depth direction of the fuel gas passage groove 40, and the end portion 42 a is formed in the fuel gas passage groove 4.
Fuel gas flow channel groove 40 so that it is located at the inlet 40i of 0.
It is fixed inside and divides the inside of the fuel gas passage groove 40 into two gas passages 40a and 40b. In addition,
The rectifying plate 42 is made of a material having corrosion resistance instead of the resin,
For example, it may be formed of carbon, ceramic, or the like.

【0017】また、酸化ガス流路溝50も、燃料ガス流
路溝40と同様に、その溝の深さが入口部50iから出
口部(図示せず)にわたって漸次浅くなるように形成さ
れており、その溝内には、前記整流板42と同じ整流板
52が同様に設けられて、整流板52により酸化ガス流
路溝50内は2つのガス流路50a,50bに分割され
ている。
The oxidizing gas passage groove 50 is also formed so that the depth of the groove becomes gradually shallower from the inlet portion 50i to the outlet portion (not shown) like the fuel gas passage groove 40. The same rectifying plate 52 as the rectifying plate 42 is provided in the groove, and the rectifying plate 52 divides the oxidizing gas passage groove 50 into two gas passages 50a and 50b.

【0018】こうした燃料電池1のガスの流れについ
て、次に説明する。図示しない燃料ガス源からアノード
20側の燃料ガス流路溝40に燃料ガスが送られると、
この燃料ガスは、図3に示すように、燃料ガス流路溝4
0の入口部40iで整流板42により分岐され、2つの
ガス流路40a,40bを流れる。図4にはアノード2
0の表面Sを一点鎖線で示したが、この図に示すよう
に、よりアノード20に近い側のガス流路40aを流れ
る燃料ガスG1は、アノード20の表面S内を燃料ガス
流路溝40の方向に2つの領域S1,S2に分割した際
の入口側に位置する領域S1に向かって送られ、他方側
のガス流路40bを流れる燃料ガスG2は、その出口側
に位置する領域S2に向かって送られる。
The flow of gas in the fuel cell 1 will be described below. When the fuel gas is sent from the fuel gas source (not shown) to the fuel gas passage groove 40 on the anode 20 side,
This fuel gas, as shown in FIG.
It is branched by the straightening vane 42 at the inlet 40i of 0 and flows through the two gas flow paths 40a and 40b. In FIG. 4, the anode 2
Although the surface S of No. 0 is shown by a one-dot chain line, as shown in this figure, the fuel gas G1 flowing through the gas flow passage 40a closer to the anode 20 is in the surface S of the anode 20 inside the fuel gas flow passage groove The fuel gas G2 that is sent toward the region S1 located on the inlet side when divided into two regions S1 and S2 in the direction of and flows through the gas passage 40b on the other side to the region S2 located on the outlet side. Sent to you.

【0019】一方、図示しない酸化ガス源からカソード
30側の酸化ガス流路溝50に酸化ガスが送られると、
この燃料ガスは、燃料ガス流路溝40内の燃料ガスの流
れと同様に、酸化ガス流路溝50内を2つのガス流路5
0a,50bに分岐されて、カソード30の表面内の酸
化ガス流路溝50方向に並列した2つの領域に向かって
それぞれ送られる。
On the other hand, when the oxidizing gas is sent from the oxidizing gas source (not shown) to the oxidizing gas passage groove 50 on the cathode 30 side,
This fuel gas flows through the two gas flow paths 5 in the oxidizing gas flow path groove 50 similarly to the flow of the fuel gas in the fuel gas flow path groove 40.
0a and 50b are branched and sent to two regions in the surface of the cathode 30 which are arranged in parallel in the oxidizing gas flow channel groove 50 direction.

【0020】以上詳述した、この実施例の燃料電池1に
よれば、高負荷時に、燃料ガス流路溝40の入口側に位
置するアノード20上の領域S1で燃料ガス中の水素が
多量に消費されても、領域S1に燃料ガスG1を送るガ
ス流路40aとは独立したガス流路40bから新たな燃
料ガスG2が、燃料ガス流路溝40の出口側に位置する
領域S2に送られることから、その領域S2に水素成分
の分圧の高い、まだ水素が消費されていない燃料ガスを
供給することができる。このため、アノード20の表面
Sでの発電反応のバラツキを軽減することができ、この
結果、電流密度分布をガスの流れ方向に沿って均一にす
ることができる。また、同様な理由で、カソード30の
表面での発電反応のバラツキを軽減することができ、カ
ソード側においても電流密度分布をガスの流れ方向に沿
って均一にすることができる。これらの結果、ガスの流
れ方向の温度分布を均一にできることから、燃料電池1
の局部的な劣化を抑制し、延いては燃料電池1の長寿命
化を図ることができる。また、高電流密度域においても
安定した出力特性を維持できることから、電池性能の向
上を図ることができる。
According to the fuel cell 1 of this embodiment described in detail above, when the load is high, a large amount of hydrogen in the fuel gas is generated in the region S1 on the anode 20 located on the inlet side of the fuel gas passage groove 40. Even if consumed, new fuel gas G2 is sent to the region S2 located on the outlet side of the fuel gas flow channel groove 40 from the gas flow channel 40b that is independent of the gas flow channel 40a that sends the fuel gas G1 to the region S1. Therefore, it is possible to supply the fuel gas in which the partial pressure of the hydrogen component is high and hydrogen is not yet consumed to the region S2. Therefore, it is possible to reduce variations in the power generation reaction on the surface S of the anode 20, and as a result, it is possible to make the current density distribution uniform along the gas flow direction. Further, for the same reason, it is possible to reduce variations in the power generation reaction on the surface of the cathode 30, and to make the current density distribution uniform on the cathode side along the gas flow direction. As a result, since the temperature distribution in the gas flow direction can be made uniform, the fuel cell 1
The local deterioration of the fuel cell 1 can be suppressed, and the life of the fuel cell 1 can be extended. Further, since the stable output characteristic can be maintained even in the high current density region, the battery performance can be improved.

【0021】前記燃料電池1の性能を確かめるために行
なった実験について、次に説明する。この実験に用いた
燃料電池1の諸元からまず説明する。燃料電池1として
積層された単電池は1つで、各部の寸法は次のようなも
のである。アノード20およびカソード30は、1辺の
長さ100mmで、面積100cm2 であり、両面に触
媒として白金を0.5mg/cm2 担持したものであ
る。アノード20に形成した燃料ガス流路溝40は、溝
幅1mm、溝と溝の間隔1mm、溝の入口部40iでの
深さ3mm、出口部40eでの深さ1mmである。カソ
ード30に形成した酸化ガス流路溝50は、溝の出口部
50eの深さは2mmで、それ以外の溝幅、溝間隔、溝
の入口部50iでの深さについては燃料ガス流路溝40
と同じ寸法である。
An experiment conducted to confirm the performance of the fuel cell 1 will be described below. The specifications of the fuel cell 1 used in this experiment will be described first. There is one unit cell stacked as the fuel cell 1, and the dimensions of each part are as follows. Each of the anode 20 and the cathode 30 has a side length of 100 mm and an area of 100 cm 2 , and platinum is supported on both surfaces at 0.5 mg / cm 2 as a catalyst. The fuel gas passage groove 40 formed in the anode 20 has a groove width of 1 mm, a groove-to-groove spacing of 1 mm, a groove inlet 40i depth of 3 mm, and an outlet 40e depth of 1 mm. The oxidizing gas passage groove 50 formed in the cathode 30 has a depth of 2 mm at the outlet portion 50e of the groove, and other widths, groove intervals, and depths at the inlet portion 50i of the groove are the fuel gas passage grooves. 40
It has the same dimensions as.

【0022】この実験の内容は、次のようなものであ
る。前記単電池を75℃に温調し、燃料ガス流路溝40
には、水温80℃でバブラによって加湿した、H2:C
2の比が3:1のメタノール改質ガスを供給し、酸化
ガス流路溝50には、水温60℃でバブラによって加湿
した空気を供給する。そうして、この燃料電池1につい
て放電試験を行なった。なお、このときのガス圧は、両
電極側共、絶対圧3at(3×9.80665×104
Pa)に設定し、流量は各電流密度に対し反応ガスが理
論消費量の1.5倍になるように設定した。この実験結
果を以下の表に示した。
The contents of this experiment are as follows. The temperature of the unit cell was adjusted to 75 ° C., and the fuel gas flow channel groove 40
Is H 2 : C moistened with a bubbler at a water temperature of 80 ° C.
A reformed gas of methanol having an O 2 ratio of 3: 1 is supplied, and air humidified by a bubbler at a water temperature of 60 ° C. is supplied to the oxidizing gas channel groove 50. Then, a discharge test was conducted on this fuel cell 1. The gas pressure at this time is 3 at absolute pressure (3 × 9.80665 × 10 4) on both electrodes.
Pa) and the flow rate was set so that the reaction gas became 1.5 times the theoretical consumption amount for each current density. The results of this experiment are shown in the table below.

【0023】[0023]

【表1】 [Table 1]

【0024】上記表には、比較例として、整流板42,
52を設けず、それ以外は全く同一の条件で行なった場
合の実験結果も示した。なお、表中の値は、放電により
検出された端子間電圧を、整流板有で、電流密度0.5
A/cm2 の時の端子間電圧を1としたときの相対値で
示した。
In the above table, as a comparative example, the straightening plates 42,
Experimental results are also shown in the case where 52 is not provided and the other conditions are the same. The values in the table are the inter-terminal voltage detected by discharge, with a rectifying plate, and a current density of 0.5.
It is shown as a relative value when the terminal voltage at A / cm 2 is 1.

【0025】上記表から、燃料電池1は、整流板42,
52を設けることで、整流板42,52が無いものに比
較して、電流密度を変化させても安定した端子間電圧を
得ることができ、電池性能に優れていることがわかる。
From the above table, the fuel cell 1 is
By providing 52, it can be seen that a stable inter-terminal voltage can be obtained even when the current density is changed, and battery performance is excellent, as compared with the case where the rectifying plates 42 and 52 are not provided.

【0026】また、上記実施例の燃料電池1では、通
常、実験で行なったように、電解質の湿潤状態を保つた
めに反応ガスの加湿を行なうが、こうした場合に、従
来、ガス流路の入口側から出口側へ反応ガス中の水蒸気
分圧に差が生じ、電極面内の含水率にバラツキが発生し
た。これに対して、この燃料電池1では、電極面内の含
水率のバラツキを軽減して、電解質膜10の導電性の均
一化を図ることができ、局部的なドライアップを防止す
ることができる。
Further, in the fuel cell 1 of the above-mentioned embodiment, the reaction gas is usually humidified in order to maintain the wet state of the electrolyte as in the experiment. The partial pressure of water vapor in the reaction gas varied from the side to the side of the outlet, and the water content in the electrode surface varied. On the other hand, in this fuel cell 1, it is possible to reduce the variation in the water content in the electrode surface, make the conductivity of the electrolyte membrane 10 uniform, and prevent local dry-up. .

【0027】なお、前記実施例の燃料電池1では、燃料
ガス流路溝40に1枚の整流板42を設けていたが、こ
れに換えて、図5に示すように、2枚の整流板101,
102を設ける構成としてもよい。整流板101,10
2は、前記実施例の整流板42と同様に、断面コの字形
の樋状の形状をした樹脂性の板であり、両者が燃料ガス
流路溝40内に積層される。こうした構成により、燃料
ガス流路溝40内は、3つのガス流路111,112,
113に分岐される。従って、アノード20の表面内の
燃料ガス流路溝40方向に並列した3つの領域に向かっ
て、独立した新たな燃料ガスを供給することができる。
このため、燃料ガス流路溝40の方向の位置に関わら
ず、アノード20の表面に水素分圧の高い燃料ガスを供
給することができ、アノード20の表面での発電反応の
バラツキを軽減して、電流密度分布をガスの流れ方向に
沿って均一にすることができる。なお、カソード30側
の酸化ガス流路溝50も同様に、2枚の整流板を用いて
3つのガス流路を設ける構成としてもよい。
In the fuel cell 1 of the above-described embodiment, one flow straightening plate 42 was provided in the fuel gas flow channel groove 40. Instead of this, as shown in FIG. 5, two flow straightening plates are provided . 101,
The configuration may be such that 102 is provided. Baffle plate 101, 10
Similar to the flow straightening plate 42 of the above-mentioned embodiment, 2 is a resin plate having a trough shape with a U-shaped cross section, and both are laminated in the fuel gas flow channel groove 40. With this configuration, the inside of the fuel gas flow channel groove 40 has three gas flow channels 111, 112,
It branches to 113. Therefore, independent new fuel gas can be supplied toward the three regions in the surface of the anode 20 that are arranged in parallel in the direction of the fuel gas flow channel 40.
Therefore, the fuel gas having a high hydrogen partial pressure can be supplied to the surface of the anode 20 irrespective of the position in the direction of the fuel gas passage groove 40, and variation in the power generation reaction on the surface of the anode 20 can be reduced. The current density distribution can be made uniform along the gas flow direction. The oxidizing gas flow channel groove 50 on the cathode 30 side may also be configured to have three gas flow channels by using two flow straightening plates.

【0028】また、整流板を3枚以上として、燃料ガス
流路溝40および酸化ガス流路溝50内をより多くのガ
ス流路に分割するように構成すれば、電流密度分布をガ
スの流れ方向に沿ってより均一化することができる。
Further, if three or more rectifying plates are used and the insides of the fuel gas passage groove 40 and the oxidizing gas passage groove 50 are divided into a larger number of gas passages, the current density distribution becomes a gas flow. More uniform along the direction.

【0029】さらに、前記実施例の燃料電池は、セパレ
ータ60にリブ62,64を設けて燃料ガスおよび酸化
ガスの流路溝40,50を形成する、いわゆるリブ付セ
パレータ型のものであるが、これに換えて、アノード2
0およびカソード30にリブを設けて燃料ガスおよび酸
化ガスの流路溝を形成する、いわゆるリブ付電極型のも
のとしてもよい。この構成においても、同様に、整流板
を用いて流路溝を複数に分岐することで、前述した実施
例と同様な効果を奏することができる。
Further, the fuel cell of the above-mentioned embodiment is a so-called ribbed separator type in which ribs 62 and 64 are provided in the separator 60 to form the flow channels 40 and 50 of the fuel gas and the oxidizing gas. Instead, the anode 2
0 and cathode 30 may be provided with ribs to form passage grooves for fuel gas and oxidizing gas, so-called electrode type with ribs. In this configuration as well, by similarly using the flow straightening plate to branch the flow path groove into a plurality of pieces, it is possible to obtain the same effect as that of the above-described embodiment.

【0030】さらにまた、前記実施例に換えて、燃料ガ
ス流路溝40を、入口部から出口部にわたって断面が変
わらない形状とし、その入口部から中途部に至る範囲
に、その溝の深さ方向を2分割する仕切板を設けるよう
に構成してもよい。この構成によれば、最も簡単な構成
でありながら、電流密度分布をガスの流れ方向に沿って
均一化することが可能となる。
Further, in place of the above embodiment, the fuel gas passage groove 40 has a shape in which the cross section does not change from the inlet portion to the outlet portion, and the depth of the groove is in the range from the inlet portion to the midway portion. You may comprise so that the partition plate which divides a direction into two may be provided. According to this configuration, it is possible to make the current density distribution uniform along the gas flow direction, even though it is the simplest configuration.

【0031】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば、固体高分子型の燃料電池に換えて、りん酸
型のもの、あるいは溶融炭酸塩型のものとした構成等、
本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態
様で実施し得ることは勿論である。
The embodiment of the present invention has been described above.
The present invention is not limited to these examples, for example, instead of the polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid type, or a molten carbonate type, etc.,
Needless to say, the present invention can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように本発明の燃料電池で
は、高負荷時においても低負荷時同様に、反応ガスの流
れ方向に沿って電流密度を均一化することができる。こ
の結果、反応ガスの流れ方向の温度分布を均一にできる
ことから、電池の局部的な劣化を抑制し、延いては電池
の長寿命化を図ることができる。また、高電流密度域に
おいても安定した出力特性を維持できることから、電池
性能の向上を図ることができる。
As described above, in the fuel cell of the present invention, the current density can be made uniform along the flow direction of the reaction gas even when the load is high, as in the case where the load is low. As a result, since the temperature distribution in the flow direction of the reaction gas can be made uniform, the local deterioration of the battery can be suppressed, and the life of the battery can be extended. Further, since the stable output characteristic can be maintained even in the high current density region, the battery performance can be improved.

【0033】また、燃料電池では、通常、電解質の湿潤
状態を保つために反応ガスの加湿を行なうが、こうした
場合に、従来、ガス流路の入口側から出口側へ反応ガス
中の水蒸気分圧に差が生じ、電極面内の含水率にバラツ
キが発生した。これに対して、本発明の燃料電池では、
電極面内の含水率のバラツキを軽減して、電解質の導電
性の均一化を図ることができる。
Further, in a fuel cell, the reaction gas is usually humidified in order to keep the electrolyte wet, but in such a case, conventionally, the partial pressure of water vapor in the reaction gas is changed from the inlet side to the outlet side of the gas passage. Difference occurred, and the water content in the electrode surface varied. On the other hand, in the fuel cell of the present invention,
It is possible to reduce the variation of the water content in the electrode surface and make the conductivity of the electrolyte uniform.

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

【図1】本発明の実施例を適用した燃料電池1のセル構
造の模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a cell structure of a fuel cell 1 to which an embodiment of the present invention is applied.

【図2】燃料電池1のセパレータ60の分解斜視図であ
る。
FIG. 2 is an exploded perspective view of a separator 60 of the fuel cell 1.

【図3】図2のA−A′線方向の断面図である。3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.

【図4】燃料ガス流路溝40で分岐された燃料ガスG
1,G2と接触するアノード20の表面Sを示す説明図
である。
FIG. 4 is a fuel gas G branched at a fuel gas flow channel groove 40.
It is explanatory drawing which shows the surface S of the anode 20 which contacts 1 and G2.

【図5】前記実施例の変形例を示すセパレータの断面図
である。
FIG. 5 is a sectional view of a separator showing a modified example of the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…燃料電池 10…電解質膜 20…アノード 30…カソード 40…燃料ガス流路溝 40a,40b…ガス流路 40e…出口部 40i…入口部 42…整流板 50…酸化ガス流路溝 50a,50b…ガス流路 50e…出口部 50i…入口部 52…整流板 60…セパレータ 62…リブ 64…リブ 101,102…整流板 111,112,113…ガス流路 1 ... Fuel cell 10 ... Electrolyte membrane 20 ... Anode 30 ... Cathode 40 ... Fuel gas passage groove 40a, 40b ... Gas flow path 40e ... Exit 40i ... Entrance 42 ... Current plate 50 ... Oxidizing gas flow channel groove 50a, 50b ... Gas flow path 50e ... Exit 50i ... Entrance 52 ... Rectifier plate 60 ... Separator 62 ... rib 64 ... rib 101, 102 ... Rectifier plate 111, 112, 113 ... Gas flow path

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 電解質を2つの電極で挟持する単電池
と、 複数の単電池の間に挿入され、それら単電池を直列接続
するセパレータと、 前記単電池とセパレータとの境に設けられ、電気化学反
応を発生させる反応ガスを前記単電池の面方向に流すガ
ス流路とを備えた燃料電池において、前記ガス流路は、一連の溝として単電池に対するガス入
口部およびガス出口部と接続される構成であり、 前記ガス流路内に、 前記ガス流路の入口部から中途部に至る範囲、前記単
電池の表面側の所定の領域を隔てる側路を形成したこと
を特徴とする燃料電池。
1. A unit cell that holds an electrolyte between two electrodes, a separator that is inserted between a plurality of unit cells and that connects the unit cells in series, and a separator that is provided at the boundary between the unit cell and the separator. In a fuel cell provided with a gas flow path for causing a reaction gas that causes a chemical reaction to flow in a plane direction of the unit cell, the gas flow path is a series of grooves for introducing gas into the unit cell.
Is configured to be connected to the mouth portion and a gas outlet, the gas flow path, in a range extending to the intermediate portion from the inlet portion of the gas flow path, the bypass separating the predetermined region of the surface side of the single cell A fuel cell characterized by being formed.
【請求項2】 前記ガス流路は、当該ガス流路の断面が
入口部から出口部にわたって漸次狭くなるように構成さ
れた請求項1記載の燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas flow passage is configured such that a cross section of the gas flow passage is gradually narrowed from an inlet portion to an outlet portion.
【請求項3】 電解質を2つの電極で挟持する単電池を
備えた燃料電池の電極上に、単電池に沿わした一連の溝
から構成され該単電池に対するガス入口部およびガス出
口部と接続されるガス流路により水素の燃料ガスを供給
する燃料電池の燃料ガス供給方法において、 記ガス流路における出口部側の前記単電池と接する所
定の領域に対する燃料ガスの供給は、前記ガス流路とは
独立した第2のガス流路により、水素分圧の高い新たな
燃料ガスが送られるように構成されたことを特徴とする
燃料電池の燃料ガス供給方法。
3. A series of grooves extending along a unit cell on an electrode of a fuel cell including a unit cell in which an electrolyte is sandwiched between two electrodes.
A gas inlet and a gas outlet for the unit cell.
The fuel gas supply method of a fuel cell for supplying hydrogen fuel gas by the gas flow path which is connected to the mouth, where contact with the unit cell at the outlet side before SL gas channel
The fuel cell is characterized in that the supply of the fuel gas to the constant region is configured such that a new fuel gas having a high hydrogen partial pressure is sent by a second gas passage independent of the gas passage. Fuel gas supply method.
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US6376117B1 (en) * 2000-07-18 2002-04-23 Sofco L.P. Internal fuel staging for improved fuel cell performance
US6551736B1 (en) * 2000-10-30 2003-04-22 Teledyne Energy Systems, Inc. Fuel cell collector plates with improved mass transfer channels
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JP4507971B2 (en) * 2005-04-27 2010-07-21 株式会社エクォス・リサーチ Fuel cell device
JP5056637B2 (en) * 2008-07-16 2012-10-24 パナソニック株式会社 Fuel cell separator
DE102015215231A1 (en) * 2015-08-10 2017-02-16 Volkswagen Ag Bipolar plate and fuel cell system with such
DE102020113354A1 (en) * 2020-05-18 2021-11-18 Audi Aktiengesellschaft Fuel cell structure, fuel cell stack and motor vehicle with a fuel cell device

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