JP3971969B2

JP3971969B2 - Polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number: JP3971969B2
Application number: JP2002205574A
Authority: JP
Inventors: 昌弘毛里; 洋介藤井; 俊哉若穂囲; 成利杉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: JP2003323905A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを設けた固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質（電解質膜）・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００５】
この場合、所望の発電機能を維持するために、それぞれのセパレータの面内には、アノード側電極およびカソード側電極の発電面（反応面）全面にわたって燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する必要がある。このため、セパレータには、長尺な燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が蛇行するように設けられたり、多数本の流路溝からなる燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が設けられたりしている。
【０００６】
ところが、上記のように、セパレータの面内において、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が長尺であると、発電面内に燃料ガスや酸化剤ガスを均一に供給することができず、発電効率が低下するおそれがある。さらに、生成水がガス流れ方向に移動して燃料ガス流路や酸化剤ガス流路の下流側に滞留し、燃料ガスや酸化剤ガスの流れが阻止されることがある。さらにまた、燃料ガス流路や酸化剤ガス流路に折り返し部分や流路本数の変化があると、乱流の発生、流速の変動および滞留水の影響等を受け易く、発電環境の悪化が惹起されることがある。
【０００７】
そこで、この種の問題を解決するために、例えば、特開２００１−２５０５６８号公報に開示された固体高分子型燃料電池の集電板が知られている。この従来技術では、図１１に示すように、集電板１の陰極（図示せず）に対向する一方の積層面には、上下に２分割された燃料ガス通路２ａ、２ｂが設けられるとともに、この集電板１の陽極（図示せず）に対向する他方の積層面には、同様に、上下に２分割された酸化剤ガス通路（図示せず）が形成されている。
【０００８】
集電板１の一端部には、燃料ガス通路２ａ、２ｂに燃料ガスを供給する第１および第２吸気孔３ａ、３ｂと、図示しない酸化剤ガス通路から酸化剤ガスを排出するための第１および第２排気孔４ｃ、４ｄと、給水孔５ａとが形成されている。集電板１の他端部には、燃料ガス通路２ａ、２ｂから燃料ガスを排出するための第１および第２排気孔３ｃ、３ｄと、図示しない酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給するための第１および第２吸気孔４ａ、４ｂと、排水孔５ｂとが形成されている。
【０００９】
燃料ガス通路２ａ、２ｂは、第１および第２吸気孔３ａ、３ｂ側から水平方向に直線的に延在する複数本の平行溝６ａ、６ｂと、第１および第２排気孔３ｃ、３ｄ側に近接する格子溝７ａ、７ｂとにより所定の流路溝を構成している。
【００１０】
このように、燃料ガス通路２ａ、２ｂの下流側部分に、連通度合いが大きくなるように格子溝７ａ、７ｂを設けることにより、液化した水分による閉塞を抑えることができる。さらに、直線状の平行溝６ａ、６ｂを設けることにより、燃料ガス通路２ａ、２ｂの上流側で水分量が低下することを抑制し、良好な発電効率を維持するとともに、圧力損失を低減することが可能になる、としている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、分割されている燃料ガス通路２ａ、２ｂにおける燃料ガスの流れ方向が、同一方向（矢印Ｘ方向）でかつ水平方向に設定されている。このため、流れ方向下流側に生成水が滞留し易くなり、発電面内における反応分布を均一にすることができず、部分的に（特に、流れ方向上流側に）電流密度が集中し易いという問題が指摘されている。これにより、効率的な発電性能を維持することができないという不具合がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質・電極構造体に反応ガスを均一に供給するとともに、滞留水の発生を阻止することができ、しかも電流密度を均一化することが可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体高分子型燃料電池では、セパレータは長方形状に構成され、長辺方向が重力方向に配設されており、少なくとも一方のセパレータの電解質・電極構造体に対向する面には、酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガスを、該セパレータの前記長辺方向に延在する直線流路に沿って流すための複数の反応ガス流路ブロックが短辺方向に独立して設けられている。そして、一方のセパレータには、反応ガス流路ブロックとして酸化剤ガス流路ブロックが設けられるとともに、他方のセパレータには、前記反応ガス流路ブロックとして燃料ガス流路ブロックが設けられ、対向する前記酸化剤ガス流路ブロックの酸化剤ガス流れ方向と前記燃料ガス流路ブロックの燃料ガス流れ方向とは、共に前記重力方向の下方側から上方側に向かうように設定されている。
【００１４】
このため、反応ガス流路ブロックは、幅方向の寸法が比較的狭い範囲内に設定されており、反応ガスの流れが幅方向に対して不均一になるおそれが少ない。従って、電解質・電極接合体を構成する長方形状の反応面内において、反応分布を均一化することができる。
【００２０】
これにより、燃料電池は、長辺方向が上下方向に設定されるため、例えば、燃料電池スタックを構成して車載用として使用する際、車両のフロントボックス内に有効に組み込むことができる。しかも、生成水が重力によって下方側に移動するため、反応ガス流路ブロック内に滞留水が発生することを阻止することが可能になる。
【００２２】
そして、対向する酸化剤ガス流路ブロックの酸化剤ガス流れ方向と燃料ガス流路ブロックの燃料ガス流れ方向とは、共に下方側から上方側に向かうように設定されている。従って、特に酸化剤ガス流路ブロックの下流側、すなわち、上方側の生成水は、重力により下方側に移動して反応面内に均一に流れる。このため、電解質・電極接合体の含水量を均一に維持するとともに、生成水が燃料ガス流路ブロック側に逆拡散してアノード側電極を有効に加湿することができる。
【００２３】
また、電解質・電極接合体を冷却するための冷却媒体をセパレータの長辺方向に延在する直線流路に沿って流すために、複数の冷却媒体流路ブロックが短辺方向に独立して設けられるとともに、前記冷却媒体流路ブロックのそれぞれの冷却媒体流れ方向は、重力方向の下方側から上方側に向かうように設定されている。これにより、冷却媒体流路ブロック内に空気が滞留することがなく、冷却媒体を円滑かつ確実に流動させることが可能になる。
【００２４】
しかも、冷却媒体は、反応面の冷却を行うことにより、下方側から上方側に向かって、すなわち、酸化剤ガス流路ブロックの上流側から下流側に向かって温度が上昇する。従って、酸化剤ガス流路ブロックの下流側では、生成水により酸化剤ガスが高湿度になるものの、前記下流側が高温化されることによって、前記酸化剤ガスの相対湿度が低下する。このため、酸化剤ガス流路ブロックの下流側で水蒸気分圧が高くなって生成水の排出性が向上し、電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。
【００２５】
図１は、本発明に関連する第１の参考例に係る固体高分子型燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面図である。
【００２６】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。なお、電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、図示しないシールが介装されている。
【００２７】
それぞれ長方形状に構成される電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部（短辺側）には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための第１酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための第１燃料ガス排出連通孔２２ｂ、燃料ガスを供給するための第２燃料ガス供給連通孔２６ａ、および酸化剤ガスを排出するための第２酸化剤ガス排出連通孔２４ｂが設けられる。
【００２８】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺方向の他端縁部（短辺側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための第１燃料ガス供給連通孔２２ａ、酸化剤ガスを排出するための第１酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、酸化剤ガスを供給するための第２酸化剤ガス供給連通孔２４ａ、および燃料ガスを排出するための第２燃料ガス排出連通孔２６ｂが設けられる。
【００２９】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の下端縁部には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための第１および第２冷却媒体供給連通孔２８ａ、３０ａが設けられるとともに、上端縁部には、冷却媒体を排出するための第１および第２冷却媒体排出連通孔２８ｂ、３０ｂが設けられる。
【００３０】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜（電解質）３２と、該固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード側電極３４およびカソード側電極３６とを備える。アノード側電極３４およびカソード側電極３６は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００３１】
図１および図３に示すように、第１セパレータ（一方のセパレータ）１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、短辺方向（矢印Ｃ方向）を複数に分割、例えば、２分割してそれぞれ第１および第２酸化剤ガス流路ブロック（反応ガス流路ブロック）３８ａ、３８ｂが独立して設けられる。第１および第２酸化剤ガス流路ブロック３８ａ、３８ｂは、それぞれ長辺方向（矢印Ｂ方向）に平行に延在する所定本数の直線流路４０ａ、４０ｂを備える。
【００３２】
直線流路４０ａの両端は、連通路４２ａ、４２ｂを介して第１酸化剤ガス供給連通孔２０ａと、第１酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する。連通路４２ａ、４２ｂは、第１酸化剤ガス供給連通孔２０ａおよび第１酸化剤ガス排出連通孔２０ｂから拡開して第１酸化剤ガス流路ブロック３８ａの両端部に連結されるとともに、それぞれエンボス部４４ａ、４４ｂを設けることによってディフューザ機能を備えている。
【００３３】
第２酸化剤ガス流路ブロック３８ｂの両端と、第２酸化剤ガス供給連通孔２４ａおよび第２酸化剤ガス排出連通孔２４ｂとは、同様にディフューザ機能を有する連通路４２ａ、４２ｂを介して連通している。第１および第２酸化剤ガス流路ブロック３８ａ、３８ｂは、それぞれの酸化剤ガス流れ方向が互いに逆方向に設定されている。
【００３４】
図４に示すように、第２セパレータ１８のアノード側電極３４に対向する面１８ａには、短手方向を複数に分割、例えば、２分割してそれぞれ第１および第２燃料ガス流路ブロック（反応ガス流路ブロック）４６ａ、４６ｂが設けられる。第１および第２燃料ガス流路ブロック４６ａ、４６ｂは、それぞれ矢印Ｂ方向に平行に延在する所定本数の直線流路４８ａ、４８ｂを備えるとともに、それぞれの燃料ガス流れ方向が互いに逆方向に設定されている。
【００３５】
第１燃料ガス流路ブロック４６ａの両端部と、第１燃料ガス供給連通孔２２ａおよび第１燃料ガス排出連通孔２２ｂとが、連通路５０ａ、５０ｂを介して連通する。連通路５０ａ、５０ｂは、それぞれ第１燃料ガス供給連通孔２２ａおよび第１燃料ガス排出連通孔２２ｂから第１燃料ガス流路ブロック４６ａの両端部に向かって拡開するとともに、エンボス部５２ａ、５２ｂを設けることによってディフューザ機能を備えている。
【００３６】
第２燃料ガス流路ブロック４６ｂの両端部と、第２燃料ガス供給連通孔２６ａおよび第２燃料ガス排出連通孔２６ｂとは、同様にディフューザ機能を有する連通路５０ａ、５０ｂを介して連通している。
【００３７】
図５に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、冷却媒体流路５４が設けられる。この冷却媒体流路５４は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に平行に延在する所定本数の直線流路５６を設けている。前記直線流路５６の両端は、第１および第２冷却媒体供給連通孔２８ａ、３０ａと、第１および第２冷却媒体排出連通孔２８ｂ、３０ｂとに連通している。
【００３８】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３９】
図１に示すように、燃料電池１０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。矢印Ａ方向に連通している第１酸化剤ガス供給連通孔２０ａに供給された酸化剤ガスは、図１および図３に示すように、第１セパレータ１６の第１酸化剤ガス流路ブロック３８ａに連通路４２ａを介して導入される。この第１酸化剤ガス流路ブロック３８ａでは、酸化剤ガスが直線流路４０ａを介して矢印Ｂ１方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３６に沿って移動する。
【００４０】
同様に、矢印Ａ方向に連通している第２酸化剤ガス供給連通孔２４ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ１６の第２酸化剤ガス流路ブロック３８ｂに連通路４２ａを介して導入される。この第２酸化剤ガス流路ブロック３８ｂでは、酸化剤ガスが直線流路４０ｂを介して矢印Ｂ２方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３６に沿って移動する。
【００４１】
一方、燃料ガスは、図１および図４に示すように、矢印Ａ方向に連通している第１および第２燃料ガス供給連通孔２２ａ、２６ａから第２セパレータ１８の第１および第２燃料ガス流路ブロック４６ａ、４６ｂに、それぞれ連通路５０ａを介して導入される。
【００４２】
第１燃料ガス流路ブロック４６ａでは、燃料ガスが直線流路４８ａを介して矢印Ｂ２方向に移動するとともに、第２燃料ガス流路ブロック４６ｂでは、燃料ガスが直線流路４８ｂを介して矢印Ｂ１方向に移動する。このため、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３４に沿って移動する。
【００４３】
従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。
【００４４】
次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、連通路４２ｂを介して第１および第２酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、２４ｂに排出される（図３参照）。同様に、アノード側電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、連通路５０ｂを介して第１および第２燃料ガス排出連通孔２２ｂ、２６ｂに排出される（図４参照）。
【００４５】
また、第１および第２冷却媒体供給連通孔２８ａ、３０ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１８の冷却媒体流路５４に導入される。この冷却媒体は、直線流路５６に沿って鉛直上方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、第１および第２冷却媒体排出連通孔２８ｂ、３０ｂに排出される（図１および図５参照）。
【００４６】
この場合、第１の参考例では、図３に示すように、第１セパレータ１６の面１６ａには、上下方向に２分割された第１および第２酸化剤ガス流路ブロック３８ａ、３８ｂが独立して設けられている。そして、第１酸化剤ガス流路ブロック３８ａの両端に、第１酸化剤ガス供給連通孔２０ａおよび第１酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが連通するとともに、第２酸化剤ガス流路ブロック３８ｂの両端に、第２酸化剤ガス供給連通孔２４ａおよび第２酸化剤ガス排出連通孔２４ｂが連通している。
【００４７】
同様に、図４に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａには、上下方向に２分割された第１および第２燃料ガス流路ブロック４６ａ、４６ｂが独立して設けられている。第１燃料ガス流路ブロック４６ａの両端が、第１燃料ガス供給連通孔２２ａおよび第１燃料ガス排出連通孔２２ｂに連通するとともに、第２燃料ガス流路ブロック４６ｂの両端が、第２燃料ガス供給連通孔２６ａおよび第２燃料ガス排出連通孔２６ｂに連通している。
【００４８】
その際、第１および第２酸化剤ガス流路ブロック３８ａ、３８ｂと、第１および第２燃料ガス流路ブロック４６ａ、４６ｂとは、それぞれ所定本数の直線流路４０ａ、４０ｂおよび４８ａ、４８ｂを介して幅方向（矢印Ｃ方向）の寸法が比較的狭い範囲内に設定された直線的な流路を構成している。
【００４９】
このため、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極３６およびアノード側電極３４の各電極面では、反応ガスである酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給量に変動が発生することを抑制し、反応分布を均一化することができるとともに、反応ガス流路の下流側に滞留水が発生することを有効に阻止することが可能になる。
【００５０】
また、燃料電池１０では、特に、連続発電時（高負荷発電時）において、反応ガス流路の上流側に電流密度が集中し易く、例えば、図３では、第１および第２酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、２４ａの近傍に高い電流密度が発生し易い。
【００５１】
ここで、第１の参考例では、図３に示すように、第１酸化剤ガス流路ブロック３８ａの酸化剤ガス流れ方向が、矢印Ｂ１方向に設定されるとともに、第２酸化剤ガス流路ブロック３８ｂの酸化剤ガス流れ方向が、前記矢印Ｂ１方向とは反対の矢印Ｂ２方向に設定されている。
【００５２】
従って、第１および第２酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、２４ａは、第１セパレータ１６の矢印Ｂ方向両端縁部（短辺側）に設けられており、カソード側電極３６内の電流密度を均一化することが可能になる。これにより、高負荷発電時においても、良好な発電状態を確実に維持することができるという効果が得られる。
【００５３】
さらに、第１および第２酸化剤ガス流路ブロック３８ａ、３８ｂでは、流路の折り返しや流路本数の変動がない。このため、冷却媒体による冷却効率の相違から異常加熱が発生したり、酸化剤ガスの乱流が発生したり、酸化剤ガスの流速の変動が発生したり、滞留水が発生したりすることがなく、これらの発電環境の相違による影響を回避することができる。なお、上記の第１の参考例では、酸化剤ガスのみを用いて説明しているが、燃料ガス側でも同様の効果が得られる。
【００５４】
さらにまた、第１の参考例では、図３および図４に示すように、対向する第１酸化剤ガス流路ブロック３８ａと第１燃料ガス流路ブロック４６ａ、および第２酸化剤ガス流路ブロック３８ｂと第２燃料ガス流路ブロック４６ｂにおいて、酸化剤ガス流れ方向と燃料ガス流れ方向とが、互いに逆方向に設定されている。
【００５５】
従って、水分量の少ない第１および第２燃料ガス流路ブロック４６ａ、４６ｂの上流側と、水分量の多い第１および第２酸化剤ガス流路ブロック３８ａ、３８ｂの下流側とが対向しているため、電解質膜・電極構造体１４が部分的に乾燥したり、滞留水が発生したりすることがない。これにより、固体高分子電解質膜３２の水分量を全体的に均一に維持することが可能になり、前記電解質膜・電極構造体１４を介して良好な発電機能を確実に維持することができるという利点がある。
【００５６】
また、第１および第２酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、２４ａが、第１および第２酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、２４ｂよりも鉛直上方向に設定されており、第１燃料ガス供給連通孔２２ａ、２６ａが、第１および第２燃料ガス排出連通孔２２ｂ、２６ｂよりも鉛直上方向に設定されている。従って、反応ガスである酸化剤ガスおよび燃料ガスは、重力方向に沿って上方側から下方側に流れるため、特に生成水が滞留することがなく、良好な排水性を有するという効果がある。
【００５７】
さらに、第１の参考例では、長辺方向が水平方向（矢印Ｂ方向）に設定されているため、高さ方向の寸法が有効に短尺化されている。従って、燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層して燃料電池スタックを構成すると、特に、車載用として使用される際に車両の床下等に有効に組み込むことが可能になる。
【００５８】
図６は、本発明に関連する第２の参考例に係る燃料電池を構成する第１セパレータ６０の一部正面説明図である。なお、第１の参考例に係る燃料電池１０を構成する第１セパレータ１６と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５９】
この第１セパレータ６０は、第１酸化剤ガス流路ブロック３８ａと、第１酸化剤ガス供給連通孔２０ａとを連通する連通路６２を備えている。連通路６２は、連通路４２ａのエンボス部４４ａに代替して、所定本数のフィン部材６４を所定の位置に配置してディフューザを構成している。
【００６０】
これにより、フィン部材６４を備えた連通路６２では、エンボス部４４ａを備えた連通路４２ａと同様に、第１酸化剤ガス供給連通孔２０ａから第１酸化剤ガス流路ブロック３８ａに供給される酸化剤ガスを、ディフューザ機能を介して確実に分散供給することができ、カソード側電極３６の電極面に沿って前記酸化剤ガスを良好に供給することが可能になる。
【００６１】
図７は、本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池７０の要部分解斜視図である。なお、第１の参考例に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
燃料電池７０は、それぞれ長方形状に構成される電解質膜・電極構造体７２と、前記電解質膜・電極構造体７２を挟持する第１および第２セパレータ７４、７６とを備え、これらがそれぞれの長辺側を上下方向（矢印Ｃ方向）にして配設される。
【００６３】
電解質膜・電極構造体７２と第１および第２セパレータ７４、７６の長辺方向の一端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して第１酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、第１燃料ガス供給連通孔２２ａ、第２酸化剤ガス供給連通孔２４ａおよび第２燃料ガス供給連通孔２６ａが、矢印Ｂ２方向に沿って、順次、設けられる。
【００６４】
電解質膜・電極構造体７２と第１および第２セパレータ７４、７６の長辺方向の他端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して第１燃料ガス排出連通孔２２ｂ、第１酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、第２燃料ガス排出連通孔２６ｂおよび第２酸化剤ガス排出連通孔２４ｂが、矢印Ｂ２方向に向かって、順次、設けられる。
【００６５】
電解質膜・電極構造体７２と第１および第２セパレータ７４、７６の短辺方向両端縁部には、下部側に第１および第２冷却媒体供給連通孔２８ａ、３０ａが設けられるとともに、上部側に第１および第２冷却媒体排出連通孔２８ｂ、３０ｂが設けられる。
【００６６】
図７におよび図８に示すように、第１セパレータ７４のカソード側電極３６側の面７４ａには、短辺方向（矢印Ｂ方向）に、例えば、２分割してそれぞれ第１および第２酸化剤ガス流路ブロック（反応ガス流路ブロック）７８ａ、７８ｂが独立して設けられる。第１および第２酸化剤ガス流路ブロック７８ａ、７８ｂは、それぞれ長辺方向である上下方向（矢印Ｃ方向）に平行に延在する所定本数の直線流路８０ａ、８０ｂを備える。直線流路８０ａ、８０ｂの下端側は、連通路４２ａを介して第１および第２酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、２４ａに連通する一方、上端側は、連通路４２ｂを介して第１および第２酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、２４ｂに連通する。
【００６７】
図９に示すように、第２セパレータ７６のアノード側電極３４に対向する面７６ａには、第１および第２燃料ガス流路ブロック（反応ガス流路ブロック）８２ａ、８２ｂが設けられる。第１および第２燃料ガス流路ブロック８２ａ、８２ｂの下端側は、連通路５０ａを介して第１および第２燃料ガス供給連通孔２２ａ、２６ａに連通する一方、上端側は、連通路５０ｂを介して第１および第２燃料ガス排出連通孔２２ｂ、２６ｂに連通する。第１および第２燃料ガス流路ブロック８２ａ、８２ｂは、それぞれ上下方向に平行に延在する所定本数の直線流路８４ａ、８４ｂを備える。
【００６８】
図７および図１０に示すように、第２セパレータ７６の面７６ａとは反対の面７６ｂには、第１および第２冷却媒体流路ブロック８６ａ、８６ｂが設けられる。第１および第２冷却媒体流路ブロック８６ａ、８６ｂは、それぞれ鉛直方向に平行に延在する直線流路８８ａ、８８ｂを備えるとともに、前記直線流路８８ａ、８８ｂの下部側および上部側は、それぞれ第１および第２冷却媒体供給連通孔２８ａ、３０ａと第１および第２冷却媒体排出連通孔２８ｂ、３０ｂとに連通すべく水平方向に屈曲形成されている。
【００６９】
このように構成される燃料電池７０では、下部側に設けられている第１および第２酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、２４ａに酸化剤ガスが供給されるとともに、第１および第２燃料ガス供給連通孔２２ａ、２６ａに燃料ガスが供給される。第１および第２酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、２４ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ７４の第１および第２酸化剤ガス流路ブロック７８ａ、７８ｂに導入される。
【００７０】
図７および図８に示すように、第１および第２酸化剤ガス流路ブロック７８ａ、７８ｂでは、酸化剤ガスがそれぞれの直線流路８０ａ、８０ｂを介して鉛直上方向に移動する。この酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体７２を構成するカソード側電極３６に沿って上方に移動した後、第１および第２酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ、２４ｂから排出される。
【００７１】
一方、燃料ガスは、図９に示すように、第２セパレータ７６の第１および第２燃料ガス流路ブロック８２ａ、８２ｂの下部側に導入される。第１および第２燃料ガス流路ブロック８２ａ、８２ｂでは、それぞれ燃料ガスが直線流路８４ａ、８４ｂを介して鉛直上方向に移動する。このため、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体７２を構成するアノード側電極３４に沿って上方に移動した後、第１および第２燃料ガス排出連通孔２２ｂ、２６ｂから排出される（図７参照）。
【００７２】
従って、電解質膜・電極構造体７２では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとによって発電が行われる。その際、発電面（反応面）が冷却媒体により冷却される。
【００７３】
すなわち、図７および図１０に示すように、第１および第２冷却媒体供給連通孔２８ａ、３０ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ７６の第１および第２冷却媒体流路ブロック８６ａ、８６ｂの下部側に導入される。第１および第２冷却媒体流路ブロック８６ａ、８６ｂでは、冷却媒体が直線流路８８ａ、８８ｂを介して鉛直上方向に移動した後、水平方向に流動して第１および第２冷却媒体排出連通孔２８ｂ、３０ｂから排出される。
【００７４】
この場合、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体７２と第１および第２セパレータ７４、７６とが長方形状に構成されるとともに、長辺方向が上下方向に設定されている。このため、燃料電池７０を、例えば、矢印Ａ方向に所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成すれば、車載用として使用する際に車両のフロントボックス内に有効に組み込むことができる。
【００７５】
さらに、燃料電池７０では、第１セパレータ７４の面７４ａにおいて、第１および第２酸化剤ガス流路ブロック７８ａ、７８ｂを構成する直線流路８０ａ、８０ｂが上下方向に向かって設けられており、酸化剤ガスが上下方向に、具体的には、下方側から上方側に向かって流れている。
【００７６】
従って、第１および第２酸化剤ガス流路ブロック７８ａ、７８ｂでは、下流側となる上方側で生成水が発生し易いが、この生成水は重力によって下方側に確実に移動し、電解質膜・電極構造体７２の反応面内に均一に流れることができる。これにより、電解質膜・電極構造体７２の含水量を均一に維持するとともに、生成水が第１および第２酸化剤ガス流路ブロック７８ａ、７８ｂから第１および第２燃料ガス流路ブロック８２ａ、８２ｂ側に逆拡散し、アノード側電極３４を有効に加湿することが可能になるという効果が得られる。
【００７７】
さらにまた、第２セパレータ７６の面７６ｂに設けられる第１および第２冷却媒体流路ブロック８６ａ、８６ｂは、酸化剤ガスおよび燃料ガスと同様に、下方側から上方側に向かって冷却媒体の流れ方向が設定されている。このため、第１および第２冷却媒体流路ブロック８６ａ、８６ｂ内に空気が滞留することがなく、冷却媒体を円滑かつ確実に流動させることができる。
【００７８】
しかも、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体７２の反応面の冷却を行うことにより温度が上昇し、第１および第２冷却媒体流路ブロック８６ａ、８６ｂの上流側（下方側）から下流側（上方側）に向かって温度が上昇する。これにより、第１および第２酸化剤ガス流路ブロック７８ａ、７８ｂでは、下流側である上方側において生成水により酸化剤ガスが高湿度になるものの、この上方側が高温化されることによって前記酸化剤ガスの相対湿度が低下する。従って、第１および第２酸化剤ガス流路ブロック７８ａ、７８ｂの上方側で水蒸気分圧が高くなるため、生成水の排出性が向上し、電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になるという利点が得られる。
【００７９】
なお、第１の実施形態では、第１および第２セパレータ７４、７６に、２分割された第１および第２酸化剤ガス流路ブロック７８ａ、７８ｂと第１および第２燃料ガス流路ブロック８２ａ、８２ｂとが独立して設けられているが、これに限定されるものではない。この種の反応ガス流路ブロックを、例えば、３分割、４分割または５分割以上に独立して構成してもよい。その際、特に偶数の分割に設定すると、電極面内の反応が容易に均一化されて好ましい。
【００８０】
また、アノード側電極３４およびカソード側電極３６は、それぞれ単一に構成されているが、反応ガス流路ブロックに対応して複数に分割して構成してもよい。これにより、電極材料を節約することができ、経済的なものとなる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明に係る固体高分子型燃料電池では、少なくとも一方のセパレータに長辺方向に沿って設けられた反応ガス流路ブロックが、幅方向の寸法を比較的狭い範囲内に設定された直線状流路に構成されるため、幅方向に対して反応ガスの流れが均一になり、長方形状の反応面内において反応分布を均一化することができる。
【００８３】
また、本発明では、長方形状に構成されたセパレータに長辺方向に延在する直線流路に沿って反応ガスを流すために、複数の反応ガス流路ブロックを短辺方向に独立して設けるとともに、前記反応ガス流路ブロックの反応ガス流れ方向を上下方向に設定している。従って、燃料電池は長辺方向が上下方向に設定され、例えば、燃料電池スタックを構成して車載用として使用する際に、車両のフロントボックス内に有効に組み込むことができる。
【００８４】
しかも、反応ガス流れ方向が上下方向に設定されるため、生成水が重力によって下方側に円滑に排出され、反応ガス流路ブロック内に滞留水が発生することを確実に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連する第１の参考例に係る固体高分子型燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図５】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図６】本発明に関連する第２の参考例に係る燃料電池を構成する第１セパレータの一部正面説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図８】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図９】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図１０】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図１１】従来技術に係る集電板の正面説明図である。
【符号の説明】
１０、７０…燃料電池１４、７２…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６０、７４、７６…セパレータ
２０ａ、２４ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２０ｂ、２４ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２２ａ、２６ａ…燃料ガス供給連通孔２２ｂ、２６ｂ…燃料ガス排出連通孔
２８ａ、３０ａ…冷却媒体供給連通孔２８ｂ、３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３２…固体高分子電解質膜３４…アノード側電極
３６…カソード側電極
３８ａ、３８ｂ、７８ａ、７８ｂ…酸化剤ガス流路ブロック
４０ａ、４０ｂ、４８ａ、４８ｂ、５６、８０ａ、８０ｂ、８４ａ、８４ｂ、８８ａ、８８ｂ…直線流路
４２ａ、４２ｂ、５０ａ、５０ｂ、６２…連通路
４４ａ、４４ｂ、５２ａ、５２ｂ…エンボス部
４６ａ、４６ｂ、８２ａ、８２ｂ…燃料ガス流路ブロック
５４…冷却媒体流路
６４…フィン部材
８６ａ、８６ｂ…冷却媒体流路ブロック[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell provided with an electrolyte / electrode assembly in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte, and a pair of separators that sandwich the electrolyte / electrode assembly.
[0002]
[Prior art]
Generally, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are respectively provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). , And is sandwiched between separators. This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolytes (electrolyte membranes) / electrode structures and separators.
[0003]
In this type of fuel cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on the electrode catalyst, and passes through an electrolyte membrane. Move to the cathode side electrode side. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen react to produce water.
[0004]
In the above fuel cell, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing a fuel gas opposite to the anode side electrode and an oxidant gas for flowing the cathode gas facing the cathode side electrode in the plane of the separator. The oxidant gas flow path (reaction gas flow path) is provided. Further, between the separators, a coolant flow path for allowing a coolant to flow as needed is provided along the surface direction of the separator.
[0005]
In this case, in order to maintain a desired power generation function, it is necessary to supply fuel gas and oxidant gas over the entire power generation surface (reaction surface) of the anode side electrode and the cathode side electrode in the plane of each separator. . For this reason, the separator is provided with a long fuel gas flow path and an oxidant gas flow path meandering, or a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path comprising a large number of flow path grooves. It is.
[0006]
However, as described above, if the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are long in the plane of the separator, the fuel gas and the oxidant gas cannot be uniformly supplied in the power generation plane. The power generation efficiency may be reduced. Furthermore, the generated water may move in the gas flow direction and stay on the downstream side of the fuel gas channel or the oxidant gas channel, and the flow of the fuel gas or the oxidant gas may be blocked. Furthermore, if the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path has a folded portion or a change in the number of flow paths, turbulent flow, fluctuations in flow velocity, and influence of stagnant water are likely to cause deterioration of the power generation environment. May be.
[0007]
In order to solve this type of problem, for example, a current collector plate for a polymer electrolyte fuel cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-250568 is known. In this prior art, as shown in FIG. 11, fuel gas passages 2 a and 2 b that are divided into upper and lower portions are provided on one laminated surface facing the cathode (not shown) of the current collector plate 1, Similarly, an oxidant gas passage (not shown) that is vertically divided into two is formed on the other laminated surface of the current collector plate 1 facing the anode (not shown).
[0008]
At one end of the current collector plate 1, first and second intake holes 3 a and 3 b for supplying fuel gas to the fuel gas passages 2 a and 2 b, and a first for discharging the oxidant gas from an oxidant gas passage (not shown). First and second exhaust holes 4c and 4d and a water supply hole 5a are formed. An oxidant gas is supplied to the other end portion of the current collector plate 1 through first and second exhaust holes 3c and 3d for discharging the fuel gas from the fuel gas passages 2a and 2b, and an oxidant gas passage (not shown). For this purpose, first and second intake holes 4a and 4b and a drain hole 5b are formed.
[0009]
The fuel gas passages 2a and 2b include a plurality of parallel grooves 6a and 6b extending linearly in the horizontal direction from the first and second intake holes 3a and 3b, and the first and second exhaust holes 3c and 3d. A predetermined flow path groove is formed by the lattice grooves 7a and 7b adjacent to each other.
[0010]
Thus, by providing the lattice grooves 7a and 7b in the downstream portions of the fuel gas passages 2a and 2b so as to increase the degree of communication, blockage due to liquefied water can be suppressed. Furthermore, by providing straight parallel grooves 6a and 6b, it is possible to suppress a decrease in the amount of water on the upstream side of the fuel gas passages 2a and 2b, maintain a good power generation efficiency, and reduce pressure loss. Will be possible.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above prior art, the flow direction of the fuel gas in the divided fuel gas passages 2a and 2b is set in the same direction (arrow X direction) and in the horizontal direction. For this reason, the generated water tends to stay on the downstream side in the flow direction, the reaction distribution in the power generation surface cannot be made uniform, and the current density tends to concentrate partially (particularly on the upstream side in the flow direction). Problems have been pointed out. Thereby, there exists a malfunction that an efficient electric power generation performance cannot be maintained.
[0012]
The present invention solves this type of problem, and with a simple configuration, the reaction gas can be uniformly supplied to the electrolyte / electrode structure, the generation of stagnant water can be prevented, and the current density can be uniform. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell that can be made into a fuel cell.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Main departure Clearly In such a polymer electrolyte fuel cell, The separator is configured in a rectangular shape, the long side direction is arranged in the direction of gravity, On the surface of at least one separator facing the electrolyte / electrode structure Is , Reactive gas that is oxidant gas or fuel gas , Of the separator Said A plurality of reaction gas channel blocks for flowing along a straight channel extending in the long side direction are provided independently in the short side direction. ing. One separator is provided with an oxidant gas channel block as a reaction gas channel block. And The other separator is provided with a fuel gas flow path block as the reaction gas flow path block, and faces the other separator. Said Oxidant Gas channel block Oxidant gas flow direction and fuel in the fuel gas flow path block Gas flow direction Both from the lower side of the gravity direction to the upper side Is set to
[0014]
For this reason, the reactive gas flow path block is set in a range in which the dimension in the width direction is relatively narrow, and there is little possibility that the flow of the reactive gas becomes nonuniform in the width direction. Therefore, the reaction distribution can be made uniform in the rectangular reaction surface constituting the electrolyte / electrode assembly.
[0020]
Thereby, since the long side direction is set to the up-down direction, the fuel cell can be effectively incorporated in the front box of the vehicle when the fuel cell stack is configured and used for in-vehicle use, for example. Moreover, since the generated water moves downward due to gravity, it is possible to prevent the stagnant water from being generated in the reaction gas channel block.
[0022]
The oxidant gas flow direction of the opposing oxidant gas flow channel block and the fuel gas flow direction of the fuel gas flow channel block are both set from the lower side to the upper side. Accordingly, the generated water on the downstream side of the oxidant gas flow path block, that is, on the upper side, moves downward due to gravity and flows uniformly in the reaction surface. Therefore, the water content of the electrolyte / electrode assembly can be maintained uniformly, and the generated water can be back-diffused to the fuel gas flow path block side to effectively humidify the anode side electrode.
[0023]
Also , Electric In order to flow the cooling medium for cooling the denatured / electrode assembly along the straight flow path extending in the long side direction of the separator, a plurality of cooling medium flow path blocks are provided independently in the short side direction. And each cooling medium flow direction of the cooling medium flow path block is: Gravity direction It is set to go from the lower side to the upper side. As a result, air does not stay in the cooling medium flow path block, and the cooling medium can flow smoothly and reliably.
[0024]
Moreover, the temperature of the cooling medium rises from the lower side to the upper side, that is, from the upstream side to the downstream side of the oxidant gas flow path block, by cooling the reaction surface. Therefore, although the oxidant gas becomes high humidity by the generated water on the downstream side of the oxidant gas flow path block, the relative humidity of the oxidant gas is lowered by increasing the temperature of the downstream side. For this reason, the partial pressure of water vapor is increased on the downstream side of the oxidant gas flow path block, the discharge of produced water is improved, the current density distribution is made uniform, and the concentration overvoltage can be reduced.
[0025]
FIG. 1 shows the present invention. is connected with First Reference example FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the fuel cell 10 according to the present invention.
[0026]
The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode assembly) 14 and first and second separators 16 and 18 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 14. A seal (not shown) is interposed between the electrolyte membrane / electrode structure 14 and the first and second separators 16 and 18 so as to cover the periphery of the communication holes and the outer periphery of the electrode surface, which will be described later.
[0027]
An arrow indicating the stacking direction is provided at one end edge (short side) in the long side direction (arrow B direction) of the electrolyte membrane / electrode structure 14 configured in a rectangular shape and the first and second separators 16 and 18. A first oxidant gas supply communication hole 20a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, and a first fuel gas discharge for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, communicated with each other in the direction A. A communication hole 22b, a second fuel gas supply communication hole 26a for supplying fuel gas, and a second oxidant gas discharge communication hole 24b for discharging oxidant gas are provided.
[0028]
The electrolyte membrane / electrode structure 14 and the first and second separators 16 and 18 are connected to the other edge (short side) in the long side direction so as to communicate with each other in the direction of arrow A and supply fuel gas. The first fuel gas supply communication hole 22a, the first oxidant gas discharge communication hole 20b for discharging the oxidant gas, the second oxidant gas supply communication hole 24a for supplying the oxidant gas, and the fuel gas are discharged. A second fuel gas discharge communication hole 26b is provided.
[0029]
First and second cooling medium supply communication holes for supplying a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil to the lower end edges of the electrolyte membrane / electrode structure 14 and the first and second separators 16 and 18. 28a and 30a are provided, and first and second cooling medium discharge communication holes 28b and 30b for discharging the cooling medium are provided at the upper edge.
[0030]
The electrolyte membrane / electrode structure 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane (electrolyte) 32 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, an anode-side electrode 34 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 32, and A cathode side electrode 36. The anode side electrode 34 and the cathode side electrode 36 are an electrode catalyst in which a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. Each with a layer.
[0031]
As shown in FIGS. 1 and 3, the surface 16a of the first separator (one separator) 16 on the electrolyte membrane / electrode structure 14 side is divided into a plurality of short side directions (arrow C direction), for example, 2 The first and second oxidant gas flow path blocks (reaction gas flow path blocks) 38a and 38b are separately provided. Each of the first and second oxidant gas flow path blocks 38a and 38b includes a predetermined number of straight flow paths 40a and 40b extending in parallel to the long side direction (arrow B direction).
[0032]
Both ends of the straight flow path 40a communicate with the first oxidant gas supply communication hole 20a and the first oxidant gas discharge communication hole 20b via the communication paths 42a and 42b. The communication passages 42a and 42b are expanded from the first oxidant gas supply communication hole 20a and the first oxidant gas discharge communication hole 20b and are connected to both ends of the first oxidant gas flow path block 38a. A diffuser function is provided by providing the embossed portions 44a and 44b.
[0033]
Both ends of the second oxidant gas passage block 38b communicate with the second oxidant gas supply communication hole 24a and the second oxidant gas discharge communication hole 24b through communication passages 42a and 42b having a diffuser function. is doing. The first and second oxidant gas flow path blocks 38a and 38b have their oxidant gas flow directions set in opposite directions.
[0034]
As shown in FIG. 4, on the surface 18a of the second separator 18 facing the anode side electrode 34, the short direction is divided into a plurality of, for example, divided into two, and the first and second fuel gas flow path blocks ( Reaction gas flow path block) 46a, 46b are provided. The first and second fuel gas flow path blocks 46a and 46b each include a predetermined number of straight flow paths 48a and 48b extending in parallel with the arrow B direction, and the fuel gas flow directions are set in opposite directions. Has been.
[0035]
Both ends of the first fuel gas flow path block 46a communicate with the first fuel gas supply communication hole 22a and the first fuel gas discharge communication hole 22b through the communication paths 50a and 50b. The communication passages 50a and 50b expand from the first fuel gas supply communication hole 22a and the first fuel gas discharge communication hole 22b toward both ends of the first fuel gas flow path block 46a, respectively, and embossed parts 52a and 52b. By providing, the diffuser function is provided.
[0036]
Similarly, both ends of the second fuel gas flow path block 46b communicate with the second fuel gas supply communication hole 26a and the second fuel gas discharge communication hole 26b via communication passages 50a and 50b having a diffuser function. Yes.
[0037]
As shown in FIG. 5, a cooling medium flow path 54 is provided on the surface 18 b opposite to the surface 18 a of the second separator 18. The cooling medium flow path 54 is provided with a predetermined number of straight flow paths 56 extending in parallel to the vertical direction (arrow C direction). Both ends of the straight flow path 56 communicate with the first and second cooling medium supply communication holes 28a and 30a and the first and second cooling medium discharge communication holes 28b and 30b.
[0038]
The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.
[0039]
As shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas, an oxidant gas such as air that is an oxygen-containing gas, and a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil are supplied into the fuel cell 10. Is done. As shown in FIGS. 1 and 3, the oxidant gas supplied to the first oxidant gas supply communication hole 20 a communicating in the direction of arrow A is the first oxidant gas flow path block 38 a of the first separator 16. Is introduced through the communication passage 42a. In the first oxidant gas flow path block 38a, the oxidant gas moves in the direction of the arrow B1 through the straight flow path 40a and moves along the cathode side electrode 36 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14.
[0040]
Similarly, the oxidant gas supplied to the second oxidant gas supply communication hole 24a communicating in the direction of arrow A passes through the communication path 42a to the second oxidant gas flow path block 38b of the first separator 16. be introduced. In the second oxidant gas flow path block 38b, the oxidant gas moves in the direction of arrow B2 via the straight flow path 40b, and moves along the cathode side electrode 36 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14.
[0041]
On the other hand, as shown in FIGS. 1 and 4, the fuel gas passes through the first and second fuel gas supply communication holes 22 a and 26 a communicating in the direction of arrow A, and the first and second fuel gases of the second separator 18. The flow paths are introduced into the flow path blocks 46a and 46b through the communication path 50a.
[0042]
In the first fuel gas channel block 46a, the fuel gas moves in the direction of the arrow B2 via the straight channel 48a, and in the second fuel gas channel block 46b, the fuel gas passes through the linear channel 48b and moves to the arrow B1. Move in the direction. Therefore, the fuel gas moves along the anode-side electrode 34 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14.
[0043]
Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 14, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 36 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 34 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is performed (see FIG. 2).
[0044]
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 36 is discharged to the first and second oxidant gas discharge communication holes 20b and 24b through the communication passage 42b (see FIG. 3). Similarly, the fuel gas supplied to and consumed by the anode side electrode 34 is discharged to the first and second fuel gas discharge communication holes 22b and 26b through the communication passage 50b (see FIG. 4).
[0045]
Further, the cooling medium supplied to the first and second cooling medium supply communication holes 28 a and 30 a is introduced into the cooling medium flow path 54 of the second separator 18. The cooling medium moves vertically upward along the straight flow path 56, cools the electrolyte membrane / electrode structure 14, and then is discharged into the first and second cooling medium discharge communication holes 28b and 30b (FIG. 1 and FIG. 5).
[0046]
In this case, the first Reference example As shown in FIG. 3, first and second oxidant gas flow path blocks 38 a and 38 b that are divided into two in the vertical direction are independently provided on the surface 16 a of the first separator 16. The first oxidant gas supply passage 20a and the first oxidant gas discharge passage 20b communicate with both ends of the first oxidant gas passage block 38a, and both ends of the second oxidant gas passage block 38b. The second oxidant gas supply communication hole 24a and the second oxidant gas discharge communication hole 24b communicate with each other.
[0047]
Similarly, as shown in FIG. 4, the surface 18a of the second separator 18 is provided with first and second fuel gas flow path blocks 46a and 46b that are divided into two in the vertical direction. Both ends of the first fuel gas flow path block 46a communicate with the first fuel gas supply communication hole 22a and the first fuel gas discharge communication hole 22b, and both ends of the second fuel gas flow path block 46b are connected with the second fuel gas. It communicates with the supply communication hole 26a and the second fuel gas discharge communication hole 26b.
[0048]
At that time, the first and second oxidant gas flow path blocks 38a and 38b and the first and second fuel gas flow path blocks 46a and 46b respectively have a predetermined number of straight flow paths 40a, 40b and 48a, 48b. Thus, a linear flow path is set in which the dimension in the width direction (arrow C direction) is set within a relatively narrow range.
[0049]
For this reason, on each electrode surface of the cathode side electrode 36 and the anode side electrode 34 of the electrolyte membrane / electrode structure 14, it is possible to suppress the occurrence of fluctuations in the supply amounts of the oxidant gas and the fuel gas, which are the reaction gases. It is possible to make the distribution uniform and effectively prevent the stagnant water from being generated on the downstream side of the reaction gas flow path.
[0050]
Further, in the fuel cell 10, the current density tends to concentrate on the upstream side of the reaction gas flow path particularly during continuous power generation (high load power generation). For example, in FIG. 3, the first and second oxidant gas supply A high current density tends to occur in the vicinity of the communication holes 20a and 24a.
[0051]
Where the first Reference example Then, as shown in FIG. 3, the oxidant gas flow direction of the first oxidant gas flow path block 38a is set in the direction of arrow B1, and the oxidant gas flow direction of the second oxidant gas flow path block 38b. Is set in the direction of the arrow B2 opposite to the direction of the arrow B1.
[0052]
Accordingly, the first and second oxidant gas supply communication holes 20a and 24a are provided at both ends (short side) in the arrow B direction of the first separator 16, and the current density in the cathode side electrode 36 is made uniform. It becomes possible to become. Thereby, the effect that a favorable power generation state can be reliably maintained even at the time of high load power generation is obtained.
[0053]
Further, in the first and second oxidant gas flow path blocks 38a and 38b, there is no flow back of the flow path or fluctuation in the number of flow paths. For this reason, abnormal heating may occur due to a difference in cooling efficiency depending on the cooling medium, turbulence of the oxidant gas may occur, fluctuations in the flow rate of the oxidant gas may occur, and stagnant water may occur. Therefore, it is possible to avoid the influence due to the difference in the power generation environment. Note that the above first Reference example In the above description, only the oxidant gas is used, but the same effect can be obtained on the fuel gas side.
[0054]
Furthermore, the first Reference example Then, as shown in FIGS. 3 and 4, the first oxidant gas flow path block 38a and the first fuel gas flow path block 46a, the second oxidant gas flow path block 38b and the second fuel gas flow path that face each other. In the block 46b, the oxidant gas flow direction and the fuel gas flow direction are set in opposite directions.
[0055]
Therefore, the upstream side of the first and second fuel gas flow path blocks 46a and 46b with a small amount of water faces the downstream side of the first and second oxidant gas flow path blocks 38a and 38b with a large amount of water. Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure 14 is not partially dried and stagnant water is not generated. As a result, the water content of the solid polymer electrolyte membrane 32 can be maintained uniformly throughout, and a good power generation function can be reliably maintained via the electrolyte membrane / electrode structure 14. There are advantages.
[0056]
Further, the first and second oxidant gas supply communication holes 20a and 24a are set vertically upward with respect to the first and second oxidant gas discharge communication holes 20b and 24b, and the first fuel gas supply communication holes are formed. 22a and 26a are set vertically upward from the first and second fuel gas discharge communication holes 22b and 26b. Therefore, the oxidizing gas and the fuel gas, which are the reaction gases, flow from the upper side to the lower side along the direction of gravity, so that there is an effect that the generated water does not particularly stay and has good drainage.
[0057]
In addition, the first Reference example Since the long side direction is set in the horizontal direction (arrow B direction), the dimension in the height direction is effectively shortened. Therefore, when the fuel cell stack is configured by stacking the fuel cells 10 in the direction of the arrow A, it can be effectively incorporated under the floor of the vehicle, particularly when used for in-vehicle use.
[0058]
FIG. 6 shows the present invention. is connected with Second Reference example It is a partial front explanatory view of the 1st separator 60 which constitutes the fuel cell concerning. The first Reference example The same components as those of the first separator 16 constituting the fuel cell 10 according to the above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0059]
The first separator 60 includes a communication path 62 that communicates the first oxidant gas flow path block 38a and the first oxidant gas supply communication hole 20a. Instead of the embossed portion 44a of the communication passage 42a, the communication passage 62 constitutes a diffuser by arranging a predetermined number of fin members 64 at predetermined positions.
[0060]
Thereby, in the communication path 62 provided with the fin member 64, the first oxidant gas supply passage 20a is supplied to the first oxidant gas flow path block 38a in the same manner as the communication path 42a provided with the embossed portion 44a. The oxidant gas can be reliably distributed and supplied through the diffuser function, and the oxidant gas can be satisfactorily supplied along the electrode surface of the cathode side electrode 36.
[0061]
FIG. 7 shows the first aspect of the present invention. 1 It is a principal part disassembled perspective view of the polymer electrolyte fuel cell 70 which concerns on this embodiment. The first Reference example The same components as those of the fuel cell 10 according to the above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0062]
The fuel cell 70 includes an electrolyte membrane / electrode structure 72 each having a rectangular shape, and first and second separators 74 and 76 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 72, and each of which has a respective length. The side is arranged with the vertical direction (arrow C direction).
[0063]
The electrolyte membrane / electrode structure 72 and the first and second separators 74 and 76 have one end edge (lower end edge) in the long side direction that communicates with each other in the direction of arrow A, and the first oxidant gas supply communication hole 20a. The first fuel gas supply communication hole 22a, the second oxidant gas supply communication hole 24a, and the second fuel gas supply communication hole 26a are sequentially provided along the arrow B2 direction.
[0064]
The electrolyte membrane / electrode structure 72 and the first and second separators 74 and 76 are connected to the other end edges (upper end edges) in the long side direction in the direction of arrow A and communicate with each other in the first fuel gas discharge communication hole 22b. The first oxidant gas discharge communication hole 20b, the second fuel gas discharge communication hole 26b, and the second oxidant gas discharge communication hole 24b are sequentially provided in the direction of the arrow B2.
[0065]
First and second cooling medium supply communication holes 28a and 30a are provided on the lower side at both ends of the electrolyte membrane / electrode structure 72 and the first and second separators 74 and 76 in the short side direction. Are provided with first and second cooling medium discharge communication holes 28b and 30b.
[0066]
As shown in FIG. 7 and FIG. 8, the surface 74a of the first separator 74 on the cathode side electrode 36 side is divided into, for example, two parts in the short side direction (arrow B direction). Agent gas channel blocks (reactive gas channel blocks) 78a and 78b are provided independently. The first and second oxidant gas flow path blocks 78a and 78b each include a predetermined number of straight flow paths 80a and 80b extending in parallel with the vertical direction (arrow C direction) that is the long side direction. The lower ends of the straight flow paths 80a and 80b communicate with the first and second oxidant gas supply communication holes 20a and 24a through the communication passage 42a, while the upper ends of the first and second oxidant gas supply communication holes 20a and 24a communicate with the first and second through the communication passage 42b. The oxidant gas discharge communication holes 20b and 24b communicate with each other.
[0067]
As shown in FIG. 9, first and second fuel gas flow path blocks (reactive gas flow path blocks) 82 a and 82 b are provided on a surface 76 a facing the anode side electrode 34 of the second separator 76. The lower end sides of the first and second fuel gas flow path blocks 82a and 82b communicate with the first and second fuel gas supply communication holes 22a and 26a via the communication passage 50a, while the upper end side communicates with the communication passage 50b. The first and second fuel gas discharge communication holes 22b and 26b communicate with each other. The first and second fuel gas flow path blocks 82a and 82b each include a predetermined number of straight flow paths 84a and 84b extending in parallel in the vertical direction.
[0068]
As shown in FIGS. 7 and 10, first and second cooling medium flow path blocks 86 a and 86 b are provided on a surface 76 b opposite to the surface 76 a of the second separator 76. The first and second cooling medium flow path blocks 86a and 86b respectively include straight flow paths 88a and 88b extending in parallel to the vertical direction, and the lower and upper sides of the straight flow paths 88a and 88b are respectively The first and second cooling medium supply communication holes 28a and 30a and the first and second cooling medium discharge communication holes 28b and 30b are bent in the horizontal direction so as to communicate with each other.
[0069]
In the fuel cell 70 configured as described above, the oxidant gas is supplied to the first and second oxidant gas supply communication holes 20a and 24a provided on the lower side, and the first and second fuel gas supplies are supplied. Fuel gas is supplied to the communication holes 22a and 26a. The oxidant gas supplied to the first and second oxidant gas supply communication holes 20 a and 24 a is introduced into the first and second oxidant gas flow path blocks 78 a and 78 b of the first separator 74.
[0070]
As shown in FIGS. 7 and 8, in the first and second oxidant gas flow channel blocks 78a and 78b, the oxidant gas moves vertically upward through the respective linear flow channels 80a and 80b. The oxidant gas moves upward along the cathode side electrode 36 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 72 and is then discharged from the first and second oxidant gas discharge communication holes 20b and 24b.
[0071]
On the other hand, as shown in FIG. 9, the fuel gas is introduced to the lower side of the first and second fuel gas flow path blocks 82a and 82b of the second separator 76. In the first and second fuel gas flow path blocks 82a and 82b, the fuel gas moves vertically upward via the straight flow paths 84a and 84b, respectively. For this reason, the fuel gas moves upward along the anode side electrode 34 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 72 and is then discharged from the first and second fuel gas discharge communication holes 22b and 26b (FIG. 7). reference).
[0072]
Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 72, power generation is performed by the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 36 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 34. At that time, the power generation surface (reaction surface) is cooled by the cooling medium.
[0073]
That is, as shown in FIGS. 7 and 10, the cooling medium supplied to the first and second cooling medium supply communication holes 28 a and 30 a is the first and second cooling medium flow path blocks 86 a of the second separator 76. It is introduced into the lower side of 86b. In the first and second cooling medium flow path blocks 86a and 86b, after the cooling medium moves vertically upward through the straight flow paths 88a and 88b, the first and second cooling medium discharge communication is performed by flowing in the horizontal direction. It is discharged from the holes 28b and 30b.
[0074]
In this case, 1 In the embodiment, the electrolyte membrane / electrode structure 72 and the first and second separators 74 and 76 are formed in a rectangular shape, and the long side direction is set in the vertical direction. Therefore, for example, if a predetermined number of fuel cells 70 are stacked in the direction of arrow A to form a fuel cell stack, the fuel cell 70 can be effectively incorporated into the front box of the vehicle when used for in-vehicle use.
[0075]
Further, in the fuel cell 70, on the surface 74a of the first separator 74, linear flow paths 80a and 80b constituting the first and second oxidant gas flow path blocks 78a and 78b are provided in the vertical direction. The oxidant gas flows in the vertical direction, specifically, from the lower side to the upper side.
[0076]
Therefore, in the first and second oxidant gas flow path blocks 78a and 78b, generated water is likely to be generated on the upper side which is the downstream side, but this generated water is surely moved downward by gravity, and the electrolyte membrane / It can flow uniformly in the reaction surface of the electrode structure 72. Thus, the water content of the electrolyte membrane / electrode structure 72 is maintained uniformly, and the generated water is changed from the first and second oxidant gas flow channel blocks 78a and 78b to the first and second fuel gas flow channel blocks 82a, The effect of reverse diffusion to the 82b side and effective humidification of the anode side electrode 34 is obtained.
[0077]
Furthermore, the first and second cooling medium flow path blocks 86a and 86b provided on the surface 76b of the second separator 76 flow the cooling medium from the lower side to the upper side, like the oxidant gas and the fuel gas. Direction is set. For this reason, air does not stay in the first and second cooling medium flow path blocks 86a and 86b, and the cooling medium can flow smoothly and reliably.
[0078]
In addition, the temperature of the cooling medium rises by cooling the reaction surface of the electrolyte membrane / electrode structure 72, and the downstream side from the upstream side (lower side) of the first and second cooling medium flow path blocks 86 a and 86 b. The temperature rises (upward). As a result, in the first and second oxidant gas flow path blocks 78a and 78b, the oxidant gas becomes high humidity due to the generated water on the upper side, which is the downstream side. The relative humidity of the agent gas decreases. Accordingly, since the water vapor partial pressure is increased above the first and second oxidant gas flow path blocks 78a and 78b, the discharge of produced water is improved, the current density distribution is made uniform, and the concentration overvoltage is reduced. Can be obtained.
[0079]
The first 1's In the embodiment, the first and second separators 74, 76 First and second oxidant gas flow path blocks divided into two 78a, 78b And first and second fuel gas flow path blocks 82a, 82b Are provided independently, but are not limited thereto. This type of reactive gas flow path block may be configured independently, for example, in three divisions, four divisions, or five divisions or more. In that case, it is particularly preferable to set an even number of divisions because the reaction within the electrode surface is easily uniformized.
[0080]
In addition, the anode side electrode 34 and the cathode side electrode 36 are each configured as a single unit. However, the anode side electrode 34 and the cathode side electrode 36 may be configured to be divided into a plurality of parts corresponding to the reaction gas flow path block. This saves electrode material and is economical.
[0081]
【The invention's effect】
In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the reaction gas flow path block provided in at least one separator along the long side direction has a linear flow in which the dimension in the width direction is set within a relatively narrow range. Since it is configured in a path, the flow of the reaction gas becomes uniform in the width direction, and the reaction distribution can be made uniform in the rectangular reaction surface.
[0083]
Further, in the present invention, a plurality of reaction gas flow path blocks are provided independently in the short side direction in order to flow the reaction gas along a straight flow path extending in the long side direction to a rectangular separator. At the same time, the reaction gas flow direction of the reaction gas channel block is set in the vertical direction. Therefore, the long side direction of the fuel cell is set in the vertical direction. For example, when the fuel cell stack is configured and used for in-vehicle use, the fuel cell can be effectively incorporated in the front box of the vehicle.
[0084]
In addition, since the reaction gas flow direction is set in the vertical direction, the generated water can be smoothly discharged downward due to gravity, and the generation of stagnant water in the reaction gas channel block can be reliably prevented. Become.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the present invention. is connected with First Reference example It is a principal part disassembled perspective view of the polymer electrolyte fuel cell concerning.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the fuel cell.
FIG. 3 is an explanatory front view of a first separator constituting the fuel cell.
FIG. 4 is a front explanatory view of one surface of a second separator constituting the fuel cell.
FIG. 5 is a front explanatory view of the other surface of the second separator.
FIG. 6 is connected with Second Reference example It is a partial front explanatory view of the 1st separator which constitutes the fuel cell concerning.
FIG. 7 shows the first of the present invention. 1 It is a principal part disassembled perspective view of the fuel cell concerning this embodiment.
FIG. 8 is an explanatory front view of a first separator constituting the fuel cell.
FIG. 9 is an explanatory front view of one surface of a second separator constituting the fuel cell.
FIG. 10 is a front explanatory view of the other surface of the second separator.
FIG. 11 is a front explanatory view of a current collector plate according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,70 ... Fuel cell 14,72 ... Electrolyte membrane and electrode structure
16, 18, 60, 74, 76 ... separator
20a, 24a ... Oxidant gas supply communication hole
20b, 24b ... Oxidant gas discharge communication hole
22a, 26a ... fuel gas supply communication hole 22b, 26b ... fuel gas discharge communication hole
28a, 30a ... Cooling medium supply communication hole 28b, 30b ... Cooling medium discharge communication hole
32 ... Solid polymer electrolyte membrane 34 ... Anode side electrode
36 ... Cathode side electrode
38a, 38b, 78a, 78b ... Oxidant gas flow path block
40a, 40b, 48a, 48b, 56, 80a, 80b, 84a, 84b, 88a, 88b ... linear flow path
42a, 42b, 50a, 50b, 62 ... communication path
44a, 44b, 52a, 52b ... embossed part
46a, 46b, 82a, 82b ... fuel gas flow path block
54 ... Cooling medium flow path
64 ... Fin member
86a, 86b ... Cooling medium flow path block

Claims

A polymer electrolyte fuel cell comprising an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte, and a pair of separators sandwiching the electrolyte / electrode structure,
The separator is formed in a rectangular shape , the long side direction is arranged in the direction of gravity , and a reaction gas that is an oxidant gas or a fuel gas is provided on the surface of at least one separator facing the electrolyte / electrode structure. a plurality of reaction gas passages block for passing the long side direction along a straight channel extending in the separator is provided independently in the short side direction,
Wherein the one of the separator, Rutotomoni oxidizing gas channel block is provided as the reaction gas flow path block,
The other separator is provided with a fuel gas channel block as the reaction gas channel block,
The oxidant gas flow direction of the opposed oxidant gas flow channel block and the fuel gas flow direction of the fuel gas flow channel block are both set from the lower side to the upper side in the gravity direction. Solid polymer fuel cell.

In the solid polymer fuel cell according to claim 1, wherein the cooling medium for cooling the electrolyte electrode assembly, a plurality of cooling to flow along a straight channel extending in the long side direction of the separator While the medium flow path block is provided independently in the short side direction,
A solid polymer fuel cell, wherein a flow direction of each cooling medium in the cooling medium flow path block is set from a lower side to an upper side in the gravity direction .