JP3555178B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、電解質を2つの電極で挟持する単電池に燃料ガス通路を沿わした固体高分子型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、燃料電池の一つである固体高分子型燃料電池では、次式に示すように、アノードでは水素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行なわれる。
アノード反応:H2→2H++2e−
カソード反応:2H++2e−+(1/2)O2→H2O
【0003】
アノードで発生した水素イオンは、水和状態(H+・xH2O)となって電解質膜中をカソードに移動する。この反応を連続して行なうには、電解質膜を飽和含水させる必要があり、含水率が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機能しなくなり、場合によっては、電極反応を停止させてしまう。そこで、一般的には、アノードもしくはカソードに供給する反応ガス(水素ガスまたは酸素ガス)を加湿することにより、電解質膜の含水率を高める構成がとられていた。
【0004】
ところで、こうした燃料電池では、通常、電解質膜とアノードおよびカソードとからなる単電池の表面に沿わして冷却媒体の通路が設けられていることから、単電池の表面に、冷却媒体の通路の入口側で低く、出口側で高いといった温度勾配が発生した。電解質膜が飽和含水状態で保持する水の飽和水蒸気圧には温度依存性があることから、単電池の面内の湿度がその温度勾配に依存して不均一になるという不具合が生じた。そこで、この不具合を解消する燃料電池として、単電池の表面の温度分布の低い部分側から反応ガスを流入し、面内の温度分布の高い部分側から反応ガスを排出するように、反応ガス通路方向を定めた構成が提案されていた(特開平5−144451号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池では、カソード側においては水が生成されることから、単電池の面内の湿度を確かに均一に保つことができるが、これに対して、アノード側において上述した構成をとっても、単電池面内の湿度を均一に保つことができない。というのは、アノード側では、電極反応により水が吸収されるのみで、前述したような生成水による作用がないためであり、この結果、単電池面内の湿度を均一に保つことができず、電解質膜の加湿状態にアンバランスを生じさせていた。そのため、加湿不足領域では電池反応が低下し、加湿が良好な領域では電池反応が集中化してしまい、結果的に出力が低下してしまうという問題があった。
【0006】
この発明の固体高分子型燃料電池は、こうした問題点に鑑みてなされたもので、単電池の面内の湿度をより確実に均一に保つことで、電池性能の向上を図ることを目的としている。
【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。
【0008】
即ち、本発明の固体高分子型燃料電池は、
電解質を2つの電極で挟持する単電池と、
前記単電池の片側の表面に接して設けられ、前記2つの電極の内の一方の電極に燃料ガスを与える燃料ガス通路を有するセパレータと
を備え、前記燃料ガスに含まれる湿度によって前記電解質への加湿がなされる固体高分子型燃料電池において、
前記セパレータの前記単電池のある側と反対側の面に冷却水通路を備えるとともに、
前記燃料ガス通路は、
前記冷却水通路によって前記単電池の前記表面に発生する温度勾配の高温部から低温部に向かう方向に流路を定めた構成
であることを、その要旨としている。
【0009】
こうした固体高分子型燃料電池において、さらに、前記単電池の他方側の表面に接して設けられ、前記燃料ガス通路の流れ方向と対向する方向に流路を定めつつ他方の電極に酸化ガスを与える酸化ガス通路を備えるように構成してもよい。また、前記燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧を検出する検出手段と、該検出手段で検出された水蒸気分圧が所定値を下回ったときに、前記冷却水通路の流量を増大して前記単電池の温度を低下させる制御手段とを備えるように構成してもよい。さらに、前記冷却水通路は、前記燃料ガスの流れ方向に対して直交する方向に流路を定めた構成としてもよい。
【0010】
【作用】
燃料ガス通路を流れる燃料ガス中の相対湿度は、電解質膜への水蒸気の消費によって燃料ガス通路の出口側に向かうにつれ徐々に低下するが、請求項1記載の発明のように、単電池の表面の高温部から低温部に向かう方向に燃料ガスを流すことにより、その温度の低下に則して飽和水蒸気量を減少させることができ、これにより、相対湿度を燃料ガスの流れ方向に対して均一にできる。この結果、上記電解質膜への水蒸気の消費による相対湿度の低下が抑えられ、単電池の燃料極側の表面における相対湿度は均一となる。
【0011】
請求項2記載の発明のように、酸化ガス通路を、燃料ガス通路の流れ方向と対向する方向に流路を定めた構成とすることで、酸化ガスは単電池の表面の低温部から高温部に向かう方向に流れる。このため、酸化ガス通路を流れる酸化ガスは電気反応による生成水を吸収していくことによって徐々に水蒸気分圧が高まっていくが、それに合わせて単電池の温度も上がるため、相対湿度の上昇は抑制される。この結果、電池反応によって発生した生成水は酸化ガスによってスムーズに排出され、フラッデイング等による反応低下が抑制できる。
【0012】
請求項3記載の固体高分子型燃料電池によれば、検出手段により検出された燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧が所定値を下回ったときに、制御手段により冷却水通路の流量が増大されて単電池の温度が低下する。このため、何らかの原因で電解質が急激に乾燥状態となり、燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧が低下した場合に、その水蒸気分圧の低下に応じて単電池の温度の低下が可能となり、電解質が湿潤状態に復帰される。
【0013】
【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。
【0014】
図1は、本発明の第1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、図2は、その分解斜視図である。これらの図に示すように、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20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60,70とを備える。なお、図1には、電解質膜10,アノード20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70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。
【0015】
また、燃料電池1は、積層した単電池間、詳細には一方側のセパレータ70と他方側のセパレータ60との間に、冷却水(温調水)の流路溝80を形成する冷却板90が介装されている。なお、この実施例では、単電池間に必ず一個の冷却板90が設けられているが、これに換えて、単電池を複数個(例えば、3〜8個)積み重ねるごとに一個の冷却板90を設けた構成としてもよい。
【0016】
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。
【0017】
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、その一方面にリブが形成されており、このリブとアノード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70の一方面にもリブが形成されており、このリブとカソード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、互いに平行となっている。
【0018】
燃料ガスおよび酸化ガスの流れについて次に説明する。図2に示すように、燃料ガス源(図示せず)から供給された燃料ガスG1は、セパレータ60の外郭フレームに形成された吸気マニホールド(図示せず)を介して燃料ガス流路溝40の各流路方向に分岐され、燃料ガス流路溝40の各流路を図中、y方向に流される。その後、燃料ガスG1は排気マニホールドを介して一旦集められて装置外部に排出される。一方、酸化ガス源(図示せず)から供給された酸化ガスG2は、セパレータ70の外郭フレームに形成された吸気マニホールド(図示せず)を介して酸化ガス流路溝50の各流路方向に分岐され、酸化ガス流路溝50の各流路を図中、−y方向に流される。その後、酸化ガスG2は排気マニホールドを介して一旦集められて装置外部に排出される。
【0019】
冷却板90は、セパレータ60と同じ素材により形成されている。冷却板90には、セパレータ60,70と同様に、その一方面にリブが形成されており、このリブとセパレータ70の表面(酸化ガス流路溝50が形成されている面と反対側の面)とで温調水の流路溝80を形成している。この流路溝80は、複数本の流路から構成され、その方向は燃料ガス流路溝40と酸化ガス流路溝50に対して直交する方向である。これら流路の間隔は両端ほど狭く中央部に向かって徐々に大きくなるように形成されている。複数本の流路は、2系統の流路80a,80bに区別することができ、片側半分に位置する流路80aには、第1の温度T1の温調水W1(図2)が流され、他方側半分に位置する流路80bには、第1の温度T1より低い第2の温度T2の温調水W2(図2)が流される。第1の温度T1は、燃料電池1の最適作動温度に近い値であり、例えば80[℃]である。第2の温度T2は、例えば70[℃]である。
【0020】
こうした構成の冷却板90では、前記温調水W1,W2の温度差と流路溝80の溝間隔の差から、片側端部90aで最も高い温度T1、即ち、燃料電池の作動温度にほぼ等しい温度となり、その後、図中y方向に移行するにつれ徐々に小さくなり、他方側端部90bで最も低い温度T2となる。なお、冷却板90により単電池に過度な温度勾配を設けると、触媒反応速度の不均一を招くため、単電池内の温度差は、20[℃]以下が望ましいことから、本実施例では、第1の温度T1と第2の温度T2との温度差は20[℃]以下、具体的には10[℃]となっている。
【0021】
以上のように構成された燃料電池1では、冷却板90により、電解質膜10,アノード20およびカソード30からなる単電池の表面に、図3のグラフに示すように、温度T1から温度T2まで徐々に低下する温度勾配が発生する。燃料ガス流路溝40は、温度T1である高温部側にその入口が、温度T2である低温部側にその出口が位置している。このため、燃料電池1では、燃料ガス流路溝40を流れる燃料ガスについて、その温度の低下に則して飽和水蒸気量を減少させることができ、これにより、相対湿度を燃料ガスの流れ方向に対して均一にできる。燃料ガス通路を流れる燃料ガス中の相対湿度は、電解質膜10への水蒸気の消費によって燃料ガス通路の出口側に向かうにつれ徐々に低下するはずであるが、上述したように均一にすることができることから、電解質膜10への水蒸気の消費による相対湿度の低下を抑えて、図3の2点鎖線に示すように、アノード20の表面における相対湿度を均一とすることができる。従って、電解質膜10への加湿を均一に行なうことができ、その結果、単電池での電気化学反応は安定したものなり、電池性能の向上を図ることができる。
【0022】
また、前記燃料電池1では、酸化ガス流路溝50中の酸化ガスは、燃料ガス流路溝40中の燃料ガスと対向する方向に流されていることから、酸化ガスは単電池の表面の低温部から高温部に向かう方向に流れることになる。このため、酸化ガス流路溝50を流れる酸化ガスは電気反応による生成水を吸収していくことによって徐々に水蒸気分圧が高まっていくが、それに合わせて単電池の温度も上がるため、相対湿度の上昇は抑制される。この結果、電池反応によって発生した生成水は酸化ガスによってスムーズに排出され、フラッデイング等による反応低下が抑制でき、単電池の出力を安定化させることができる。
【0023】
なお、前記第1実施例の燃料電池1では、温度の相違する2系統の温調水を用い、冷却板90の流路溝80の間隔を中央部程広くする構成としたが、これに換えて、一の温調水を用いて、冷却板90の流路溝を片側端部90aから他方側端部90bに向かって徐々に広くするように構成してもよい。この構成により、第1実施例と同様に、冷却板90の表面に温度勾配を発生させることができ、ひいては、単電池表面に温度勾配を発生させることができる。また、前記第1実施例では、セパレータ60と冷却板90とは別体のものを固着して使用していたが、これに換えて、両者を一体化して構成してもよい。
【0024】
また、前記第1実施例の燃料電池1では、冷却板90の流路溝80の間隔を中央部程広くする構成としたが、これに換えて、2系統の温調水を、燃料電池1の最適作動温度よりも低いもの(冷却水)とした場合、次のように構成することもできる。温調水が60[℃]および50[℃]といった最適作動温度よりも低い温度の場合、冷却板90の流路溝80の間隔が密な部分ほど温度が下がる傾向になるため、第1実施例と同様な図3に示した温度勾配を発生させるには、第1系統の流路80aを、第2系統の流路80bと同様に、図2においてはy軸の正の方向に流路溝80の間隔が狭くなるようにした方がよい。
【0025】
次に、本発明の第2実施例を説明する。この実施例は、第1実施例と同じ構成の燃料電池(本体)1を備えた上で、冷却板90の流路溝80に供給する第1および第2の温調水W1,W2の温度を調節可能としたものである。詳しくは、図4の概略構成図に示すように、冷却板90の流路溝80の片側流路80aに第1の循環流路100を接続し、流路溝80の他方側流路80bに第2の循環路200を接続し、両循環路100,200の途中に、ファン110,210を備えたラジエター120,220と循環ポンプ130,230とをそれぞれ設けた。循環ポンプ130,230は、外部からの制御信号を受けて循環量を制御可能なタイプである。さらに、この実施例では、燃料ガス流路溝40の出口側のマニホールド内に設けられ、その出口側の水蒸気分圧を検出する湿度センサ300が設けられている。この湿度センサ300と循環ポンプ130,230は電子制御ユニット(ECU)400に接続される。
【0026】
ECU400は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算等を実行するCPU410、CPU410で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROM420、同じくCPU410で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAM430、湿度センサ300からの出力信号を入力する入力回路440と、CPU410での演算結果に応じて循環ポンプ130,230に制御信号を出力する出力回路450等を備えている。
【0027】
こうした構成のECU400のCPU410よって、湿度センサ300で検出された水蒸気分圧に応じて、循環ポンプ130,230が制御されることにより、冷却板90を流れる温調水の温度が調整される。
【0028】
次に、CPU410により実行される温調水温制御処理について、図5のフローチャートに沿って説明する。この制御処理は、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。CPU410は、まず、湿度センサ300から燃料ガス流路溝40の出口側の水蒸気分圧PRを読み込む(ステップS500)。次いで、その水蒸気分圧PRが所定の圧力P0(ガス流量、または要求出力値に応じて設定される値である)より低い値か否かを判定し(ステップS510)、ここで、肯定判定されると、第1および第2の循環ポンプ130,230の回転数を上昇する処理を行なう(ステップS520)。第1および第2の循環ポンプ130,230は、燃料電池1の定常運転時には、所定の回転数n1,n2(n1,n2は正の値)でそれぞれ運転されるが、ステップS520では、この回転数をn1+n0,n2+n0(n0は正の値)にそれぞれ上昇する。
【0029】
ステップS520の実行後、または、ステップS520で、否定判定、即ち、水蒸気分圧PRが所定の圧力P0以上であると判定された場合には、処理はステップS530に進む。ステップS530では、水蒸気分圧PRが圧力P0よち高い所定の圧力P1を越えたか否かを判定する。ここで、肯定判定されると、第1および第2の循環ポンプ130,230の回転数を定常運転時の回転数n1,n1に復帰する処理を行なう(ステップS540)。その後、「リターン」に進み、このルーチンの処理を一旦終了する。一方、ステップS520で、否定判定、即ち、水蒸気分圧PRが所定の圧力P1に達していないと判定された場合にも、「リターン」に進み、このルーチンの処理を一旦終了する。
【0030】
こうして構成された温調水温制御ルーチンによれば、燃料ガス流路溝40の出口側の水蒸気分圧PRが所定の圧力P0より低下すると、第1および第2の循環ポンプ130,230の回転数が定常運転時の回転数n1,n2から所定回転数n0だけそれぞれ高められる。このため、冷却板90の流路溝80を流れる温調水の温度は第1系統,第2系統共、それぞれ低下することになり、この結果、燃料ガス流路溝40および酸化ガス流路溝50を流れる各ガス中の飽和水蒸気量が減少して、ガス中の湿度が高くなる。従って、この第2実施例では、何らかの原因で電解質膜10が急激に乾燥状態となり、湿度センサ300で検出された燃料ガス流路溝40の出口側の水蒸気分圧が所定値P1以下に低下した場合に、燃料ガス流路溝40を流れる燃料ガスおよび酸化ガス流路溝50を流れる酸化ガス中の湿度を高めることができ、その結果、電解質膜10を湿潤状態に確実に復帰させることができる。よって、電池性能の向上を図ることができる。
【0031】
なお、循環路中に電気式ヒータを配し、水蒸気分圧PRが大きくなりすぎ、即ち、余剰に加湿されているような場合には、その電気式ヒータを作動させ、逆に相対湿度を下げるように制御することを可能である。また、その場合、その電気式ヒータを始動時に作動させ、燃料電池の始動特性を向上させるようにしてもよい。
【0032】
前述した循環ポンプ130,230の制御では、両循環ポンプ130,230を共に制御したが、燃料ガスの出口側のポンプ230のみ制御するようにしてもよい。また、湿度センサを入口側にも追加し、両循環ポンプ130,230を個別に制御してもよい。さらには、ファン110,210の回転数を制御することによって温度制御することも可能である。
【0033】
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、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。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体高分子型燃料電池では、単電池の表面の高温部から低温部に向かう方向に燃料ガスを流すことにより、単電池の電解質への加湿を均一なものとすることができる。その結果、単電池での電気化学反応は安定したものとなり、電池性能の向上を図ることができる。
【0035】
また、酸化ガスの流れ方向を燃料ガスの流れ方向に対向させることにより、酸化ガスの電極側からも単電池の電解質への加湿の均一化を図ることができる。その結果、単電池での電気化学反応は安定したものとなり、より一層の電池性能の向上を図ることができる。
【0036】
さらに、燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧が低下した場合に単電池の温度を低下することにより、不足の事態における単電池の急激な乾燥を抑えることができ、電池性能の向上をより一層図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1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。
【図2】そのセル構造の分解斜視図である。
【図3】燃料ガス流路溝40の位置に対する単電池表面の温度勾配と電解質膜10の相対湿度との変化を示すグラフである。
【図4】本発明の第2実施例の全体構成を示す概略構成図である。
【図5】電子制御ユニット400で実行される温調水温制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
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
50…酸化ガス流路溝
60…セパレータ
70…セパレータ
80…流路溝
90…冷却板
100…第1の循環流路
110…ファン
120…ラジエター
130…第1の循環ポンプ
200…第2の循環路
210…ファン
220…ラジエター
230…第2の循環ポンプ
300…湿度センサ
400…電子制御ユニット
410…CPU
420…ROM
430…RAM
440…入力回路
450…出力回路
G1…燃料ガス
G2…酸化ガス
PR…水蒸気分圧
T1…第1の温度
T2…第2の温度
W1…第1の温調水
W2…第2の温調水[0001]
[Industrial applications]
This invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell along the fuel gas passage unit cells which sandwich the electrolyte two electrodes.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, which is one type of fuel cell, as shown in the following formula, a reaction that converts hydrogen gas into hydrogen ions and electrons at the anode, and water from oxygen gas, hydrogen ions, and electrons at the cathode, as shown in the following equation: The resulting reaction takes place.
Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
[0003]
The hydrogen ions generated at the anode are in a hydrated state (H + .xH 2 O) and move to the cathode through the electrolyte membrane. To carry out this reaction continuously, it is necessary to saturate the electrolyte membrane with water, and when the water content decreases, the electrical resistance of the electrolyte membrane increases and the electrolyte membrane does not function sufficiently. Stop it. Therefore, in general, a configuration is adopted in which a reaction gas (hydrogen gas or oxygen gas) supplied to the anode or the cathode is humidified to increase the water content of the electrolyte membrane.
[0004]
By the way, in such a fuel cell, since the passage of the cooling medium is usually provided along the surface of the unit cell including the electrolyte membrane, the anode and the cathode, the inlet of the passage of the cooling medium is provided on the surface of the unit cell. The temperature gradient was low on the side and high on the exit side. Since the saturated water vapor pressure of the water held by the electrolyte membrane in the saturated water-containing state has temperature dependence, there has been a problem that the in-plane humidity of the unit cell becomes non-uniform depending on the temperature gradient. Therefore, as a fuel cell that solves this problem, the reaction gas passage is formed such that the reaction gas flows in from the part of the unit cell surface where the temperature distribution is low and the reaction gas is discharged from the part where the temperature distribution in the plane is high. A configuration in which the direction is determined has been proposed (JP-A-5-144451).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fuel cell, since water is generated on the cathode side, the in-plane humidity of the unit cell can be surely kept uniform. However, it is not possible to keep the humidity in the unit cell uniform. This is because, on the anode side, water is only absorbed by the electrode reaction, and there is no effect of the generated water as described above. As a result, it is not possible to keep the humidity in the unit cell surface uniform. In addition, an unbalance occurs in the humidified state of the electrolyte membrane. For this reason, there is a problem that the battery reaction is reduced in the insufficient humidification region, and the battery reaction is concentrated in the region with good humidification, resulting in a decrease in output.
[0006]
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has been made in view of these problems, and has as its object to improve the cell performance by more reliably keeping the in-plane humidity of the unit cell uniform. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the following configuration is adopted as means for solving the above-mentioned problems.
[0008]
That is, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention,
A cell in which the electrolyte is sandwiched between two electrodes,
Wherein provided in contact with one surface of the cell, and a separator having a fuel gas passage providing a fuel gas to one electrode of said two electrodes, into the electrolyte by humidity contained in the fuel gas In a polymer electrolyte fuel cell that is humidified ,
A cooling water passage is provided on the surface of the separator opposite to the side where the unit cell is located ,
The fuel gas passage,
The gist is that the cooling water passage defines a flow path in a direction from a high temperature portion to a low temperature portion of a temperature gradient generated on the surface of the unit cell .
[0009]
In such a polymer electrolyte fuel cell, an oxidizing gas is provided to the other electrode while being provided in contact with the other surface of the unit cell and defining a flow path in a direction opposite to a flow direction of the fuel gas passage. An oxidizing gas passage may be provided. Detecting means for detecting a partial pressure of water vapor on the outlet side of the fuel gas passage; and increasing the flow rate of the cooling water passage when the partial pressure of water vapor detected by the detecting means falls below a predetermined value. Control means for lowering the temperature of the unit cell may be provided. Further, the cooling water passage may have a configuration in which a flow path is defined in a direction orthogonal to a flow direction of the fuel gas.
[0010]
[Action]
The relative humidity in the fuel gas flowing through the fuel gas passage gradually decreases toward the outlet side of the fuel gas passage due to the consumption of water vapor to the electrolyte membrane. By flowing the fuel gas in the direction from the high-temperature part to the low-temperature part, the amount of saturated steam can be reduced in accordance with the decrease in the temperature, thereby making the relative humidity uniform in the flow direction of the fuel gas. Can be. As a result, the decrease in relative humidity due to the consumption of water vapor to the electrolyte membrane is suppressed, and the relative humidity on the fuel electrode side surface of the unit cell becomes uniform.
[0011]
According to the second aspect of the present invention, the oxidizing gas passage has a configuration in which the flow path is defined in a direction opposite to the flow direction of the fuel gas passage, so that the oxidizing gas flows from a low temperature portion to a high temperature portion on the surface of the unit cell. Flows in the direction toward. For this reason, the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas passage gradually increases the partial pressure of water vapor by absorbing the water generated by the electric reaction, but the temperature of the cell also increases accordingly, so that the relative humidity increases. Be suppressed. As a result, the generated water generated by the battery reaction is smoothly discharged by the oxidizing gas, and a reduction in reaction due to flooding or the like can be suppressed.
[0012]
According to the polymer electrolyte fuel cell of the third aspect , when the partial pressure of water vapor on the outlet side of the fuel gas passage detected by the detection means falls below a predetermined value, the flow rate of the cooling water passage is increased by the control means. As a result, the temperature of the cell decreases . For this reason, the electrolyte for some reason and rapidly dry, if the water vapor partial pressure of the outlet side of the fuel gas passage is decreased, it is possible to decrease the temperature of the unit cells with a decrease of the water vapor partial pressure, the electrolyte Is returned to the wet state.
[0013]
【Example】
Preferred embodiments of the present invention will be described below to further clarify the configuration and operation of the present invention described above.
[0014]
FIG. 1 is a schematic view of a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell 1 to which a first embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is an exploded perspective view thereof. As shown in these figures, the fuel cell 1 has, as its cell structure, an
[0015]
The fuel cell 1 has a
[0016]
The
[0017]
The
[0018]
Next, the flows of the fuel gas and the oxidizing gas will be described. As shown in FIG. 2, the fuel gas G1 supplied from the fuel gas source (not shown) is supplied to the fuel
[0019]
The cooling
[0020]
In the
[0021]
In the fuel cell 1 configured as described above, the cooling
[0022]
Further, in the fuel cell 1, the oxidizing gas in the oxidizing gas
[0023]
In the fuel cell 1 of the first embodiment, the temperature control water of two systems having different temperatures is used, and the interval between the
[0024]
Further, in the fuel cell 1 of the first embodiment, the interval between the
[0025]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment includes a fuel cell (main body) 1 having the same configuration as that of the first embodiment, and furthermore, the temperature of first and second temperature-regulated water W1, W2 supplied to the
[0026]
The
[0027]
By controlling the circulation pumps 130 and 230 according to the partial pressure of water vapor detected by the
[0028]
Next, the temperature control water temperature control process executed by the
[0029]
After execution of step S520 or in step S520, if the determination is negative, that is, if it is determined that the water vapor partial pressure PR is equal to or higher than the predetermined pressure P0, the process proceeds to step S530. In step S530, it is determined whether or not the steam partial pressure PR has exceeded a predetermined pressure P1 higher than the pressure P0. Here, if an affirmative determination is made, a process of returning the rotation speeds of the first and second circulation pumps 130 and 230 to the rotation speeds n1 and n1 in the steady operation is performed (step S540). Thereafter, the process proceeds to “return”, and the processing of this routine is temporarily ended. On the other hand, in step S520, also when a negative determination is made, that is, when it is determined that the water vapor partial pressure PR has not reached the predetermined pressure P1, the process proceeds to "return", and the process of this routine is temporarily ended.
[0030]
According to the temperature control water temperature control routine configured as described above, when the water vapor partial pressure PR on the outlet side of the fuel
[0031]
In addition, an electric heater is disposed in the circulation path, and when the water vapor partial pressure PR becomes too large, that is, when the water vapor is excessively humidified, the electric heater is operated to conversely lower the relative humidity. It is possible to control as follows. In that case, the electric heater may be operated at the time of starting to improve the starting characteristics of the fuel cell.
[0032]
In the control of the circulation pumps 130 and 230 described above, both the circulation pumps 130 and 230 are controlled, but only the
[0033]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. For example, it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. is there.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the fuel gas is caused to flow in a direction from the high-temperature portion to the low-temperature portion on the surface of the unit cell, so that the electrolyte of the unit cell is uniformly humidified. be able to. As a result, the electrochemical reaction in the unit cell becomes stable, and the battery performance can be improved.
[0035]
In addition, by making the flow direction of the oxidizing gas oppose the flow direction of the fuel gas, the humidification of the oxidizing gas to the electrolyte of the unit cell from the electrode side can be made uniform. As a result, the electrochemical reaction in the single cell becomes stable, and the battery performance can be further improved.
[0036]
Further, by lowering the temperature of the unit cell when the partial pressure of water vapor on the outlet side of the fuel gas passage is reduced, it is possible to suppress rapid drying of the unit cell in a shortage situation, and to further improve the cell performance. Can be planned.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a cell structure of a fuel cell 1 to which a first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the cell structure.
FIG. 3 is a graph showing a change in a temperature gradient of a unit cell surface and a relative humidity of an
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an overall configuration of a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing a temperature control water temperature control routine executed by an
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
420 ... ROM
430 ... RAM
440
Claims (4)
前記単電池の片側の表面に接して設けられ、前記2つの電極の内の一方の電極に燃料ガスを与える燃料ガス通路を有するセパレータと
を備え、前記燃料ガスに含まれる湿度によって前記電解質への加湿がなされる固体高分子型燃料電池において、
前記セパレータの前記単電池のある側と反対側の面に冷却水通路を備えるとともに、
前記燃料ガス通路は、
前記冷却水通路によって前記単電池の前記表面に発生する温度勾配の高温部から低温部に向かう方向に流路を定めた構成
であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。A cell in which the electrolyte is sandwiched between two electrodes,
Wherein provided in contact with one surface of the cell, and a separator having a fuel gas passage providing a fuel gas to one electrode of said two electrodes, into the electrolyte by humidity contained in the fuel gas In a polymer electrolyte fuel cell that is humidified ,
A cooling water passage is provided on the surface of the separator opposite to the side where the unit cell is located ,
The fuel gas passage,
A polymer electrolyte fuel cell, wherein a flow path is defined in a direction from a high-temperature portion to a low-temperature portion of a temperature gradient generated on the surface of the unit cell by the cooling water passage .
さらに、
前記単電池の他方側の表面に接して設けられ、前記燃料ガス通路の流れ方向と対向する方向に流路を定めつつ他方の電極に酸化ガスを与える酸化ガス通路を備える固体高分子型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1,
further,
A polymer electrolyte fuel cell provided with an oxidizing gas passage provided in contact with the surface on the other side of the unit cell and providing an oxidizing gas to the other electrode while defining a flow path in a direction opposite to a flow direction of the fuel gas passage .
さらに、
前記燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧を検出する検出手段と、
該検出手段で検出された水蒸気分圧が所定値を下回ったときに、前記冷却水通路の流量を増大して前記単電池の温度を低下させる制御手段と
を備える固体高分子型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2,
further,
Detecting means for detecting the partial pressure of water vapor on the outlet side of the fuel gas passage;
A polymer electrolyte fuel cell comprising: control means for increasing the flow rate of the cooling water passage to lower the temperature of the unit cell when the water vapor partial pressure detected by the detection means falls below a predetermined value .
前記冷却水通路は、前記燃料ガスの流れ方向に対して直交する方向に流路を定めた構成である固体高分子型燃料電池。A polymer electrolyte fuel cell, wherein the cooling water passage has a configuration in which a flow path is defined in a direction orthogonal to a flow direction of the fuel gas.
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