JP4177291B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池に関し、さらに詳しくは、生成水の気化熱を利用してセパレータを冷却することができ、且つ、生成水の排水をスムーズに行うことで反応流路でのフラッディング発生を防止できる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell. More specifically, the separator can be cooled using the heat of vaporization of generated water, and flooding in a reaction channel can be prevented by smoothly draining the generated water. The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、カルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用いる燃料電池であり、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、携帯用、移動体用電源として注目されている。
固体高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質膜の片面に燃料極、他面に酸化剤極を設けた膜−電極接合体のさらに両側を、集電体の役割を兼ねている2枚のセパレータで狭持して単セルを形成している。通常、燃料極側セパレータの燃料極と接する側には燃料ガス流路が形成され、酸化剤極側セパレータの酸化剤極と接する側には反応流路が形成されている。
A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, it is not subject to the Carnot cycle, so it exhibits high energy conversion efficiency. A solid polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for the body.
In a solid polymer electrolyte fuel cell, two sides of a membrane-electrode assembly having a fuel electrode on one side of the polymer electrolyte membrane and an oxidant electrode on the other side are also used as current collectors. A single cell is formed by being sandwiched by a separator. Usually, a fuel gas flow path is formed on the side of the fuel electrode side separator in contact with the fuel electrode, and a reaction flow path is formed on the side of the oxidant electrode side separator in contact with the oxidant electrode.

燃料ガスが供給される燃料極は、燃料極側ガス拡散層と燃料極側触媒層とからなっており、燃料ガスを水素とした場合、(1)式の反応が進行する。この時、(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、酸化剤極に到達する。
→ 2H + 2e …(1)
この(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、高分子電解質膜内を燃料極側から酸化剤極側に、電気浸透により移動する。
また、酸化剤ガスが供給される酸化剤極は、酸化剤極側ガス拡散層と酸化剤極側触媒層とからなっており、酸化剤ガスを酸素含有気体とした場合、(2)式の反応が進行する。
2H + (1/2)O + 2e → HO …(2)
酸化剤極で生成した水の一部は、濃度勾配によって、燃料極方向へ逆拡散するが、残りの多くは、燃料電池外部へと排出される。
The fuel electrode to which the fuel gas is supplied includes a fuel electrode side gas diffusion layer and a fuel electrode side catalyst layer. When hydrogen is used as the fuel gas, the reaction of the formula (1) proceeds. At this time, the electrons generated in the equation (1) reach the oxidant electrode after working with an external load via the external circuit.
H 2 → 2H + + 2e (1)
The proton generated in the formula (1) moves in the polymer electrolyte membrane from the fuel electrode side to the oxidant electrode side by electroosmosis in a state of being hydrated with water.
The oxidant electrode to which the oxidant gas is supplied includes an oxidant electrode side gas diffusion layer and an oxidant electrode side catalyst layer. When the oxidant gas is an oxygen-containing gas, the formula (2) The reaction proceeds.
2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
A part of the water generated at the oxidizer electrode is diffused back toward the fuel electrode due to the concentration gradient, but most of the remaining water is discharged outside the fuel cell.

一般に、酸化剤極では電気浸透による燃料極からの水の移動と電極反応による酸化剤極内での水の生成があるので、水が過剰に存在する傾向がある。あまりに水分量が過剰となると、水蒸気が多孔質の酸化剤極側ガス拡散層内で凝縮して空孔を塞いでしまう、いわゆるフラッディングが発生し、酸化剤極側ガス拡散層のガス透過に支障を来たし、酸化剤ガスが酸化剤極側触媒層に行き渡らなくなって、発電効率が低下してしまう。従って、酸化剤極側から効率よく水を排出する必要がある。   In general, in the oxidizer electrode, there is a tendency that water is excessively present because water is transferred from the fuel electrode by electroosmosis and water is generated in the oxidizer electrode by electrode reaction. If the amount of water becomes excessive, so-called flooding occurs in which water vapor condenses in the porous oxidant electrode side gas diffusion layer and closes the pores, hindering gas permeation of the oxidant electrode side gas diffusion layer. Therefore, the oxidant gas does not reach the oxidant electrode side catalyst layer, and the power generation efficiency decreases. Therefore, it is necessary to efficiently discharge water from the oxidant electrode side.

また、同じ酸化剤極側でも、ガス流路の上流と下流では、水の過不足状態が異なる。下流側の酸化剤ガスは、上流側で生成した水によって加湿されるため、上流側の酸化剤ガスよりも多く水分を含んでいる。そのため、酸化剤ガス流路でも上流側では水分量が不足することがある。従って、酸化剤ガス流路でも、下流側でのフラッディング発生を防止しながら、上流側での適度な加湿を行うことが重要である。   In addition, even on the same oxidizer electrode side, the excess / deficiency state of water differs between upstream and downstream of the gas flow path. Since the downstream oxidant gas is humidified by the water generated on the upstream side, it contains more water than the upstream oxidant gas. Therefore, the amount of moisture may be insufficient on the upstream side even in the oxidant gas flow path. Accordingly, it is important to perform appropriate humidification on the upstream side while preventing the occurrence of flooding on the downstream side even in the oxidant gas flow path.

生成水によるフラッディングを防止するための排水方法としては、特表平11−508726号公報に、酸化剤ガス流路と冷却水路の間に多孔質プレートを介在させ、酸化剤ガス流路内の生成水を圧力制御によって冷却水路へ排出する技術が記載されている。しかしながら、この技術は、生成水を発生させる酸化剤ガス流路の上流側を、生成水を用いて加湿することについては考慮していない。   As a drainage method for preventing flooding due to generated water, Japanese Patent Application Publication No. 11-508726 discloses that a porous plate is interposed between an oxidant gas flow path and a cooling water path to generate the oxidant gas flow path. A technique for discharging water into a cooling channel by pressure control is described. However, this technique does not consider humidifying the upstream side of the oxidant gas flow path for generating the generated water using the generated water.

特開平9−283157号公報には、多数の貫通孔を有する導電性薄板からなるセパレータに凹凸を設け、このセパレータにと単電池の間に形成される空間で、酸化剤ガス流路と燃料ガス流路を隣接して形成し、貫通孔を透水性で不透気性の樹脂で封孔することにより、酸化剤ガス流路内の生成水を、貫通孔を通じて燃料ガス流路へ排水する技術が記載されている。この技術は、排水と同時に燃料ガス流路への加湿を可能とするが、貫通孔からの気化速度が遅く、貫通孔を封孔した樹脂内に水分が滞留し、フラッディングが発生するおそれがある。また、この技術は、燃料ガス流路を加湿するものではあるが、生成水を発生させる酸化剤ガス流路の上流側を、生成水を用いて加湿することについては考慮していない。   In Japanese Patent Laid-Open No. 9-283157, a separator made of a conductive thin plate having a large number of through holes is provided with irregularities, and an oxidant gas flow path and a fuel gas are formed in a space formed between the separator and the unit cell. A technology for draining the generated water in the oxidant gas flow path to the fuel gas flow path through the through hole by forming the flow path adjacently and sealing the through hole with a water-permeable and air-impermeable resin. Are listed. Although this technology enables humidification of the fuel gas flow path at the same time as drainage, the vaporization rate from the through hole is slow, and moisture may accumulate in the resin sealing the through hole, causing flooding. . Further, although this technique humidifies the fuel gas flow path, it does not consider that the upstream side of the oxidant gas flow path that generates the generated water is humidified using the generated water.

特開平6−68884号公報には、冷却水流路を設けた冷却水配流板と、多孔質の加湿水透過板を合わせて冷却板を構成し、その加湿水透過板を介して、多孔質の燃料配流板に積層することにより、冷却水を用いて燃料ガス流路を加湿する技術が記載されている。しかしながら、この技術は、気化量が少なく、必ずしも充分な加湿を行えるとは限らない。
また、この技術は、冷却水を用いて加湿を行うものであり、生成水を発生させる酸化剤ガス流路の上流側を、生成水を用いて加湿することについては考慮していない。
In JP-A-6-68884, a cooling water distribution plate provided with a cooling water flow path and a porous humidified water transmission plate are combined to form a cooling plate, and the porous water is passed through the humidified water transmission plate. A technique for humidifying a fuel gas flow path using cooling water by laminating on a fuel flow plate is described. However, this technique has a small amount of vaporization and cannot always perform sufficient humidification.
Further, this technique performs humidification using cooling water, and does not take into consideration humidification using generated water on the upstream side of the oxidant gas flow path for generating generated water.

また、上記発電過程は、全体として発熱反応であり、しかも固体高分子電解質型燃料電池の作動温度は通常約70-80℃と限定されていることから、何らかの冷却手段を使って燃料電池を冷却することが必要である。
特表平11−508726号公報 特開平9−283157号公報 特開平6−68884号公報
The power generation process is an exothermic reaction as a whole, and the operating temperature of the solid polymer electrolyte fuel cell is normally limited to about 70-80 ° C. Therefore, the fuel cell is cooled by some cooling means. It is necessary to.
Japanese National Patent Publication No. 11-508726 JP-A-9-283157 JP-A-6-68884

本発明は、燃料電池の発電に伴う生成水を有効利用することで電池システムを冷却することができ、且つ、反応流路でのフラッディング発生を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can cool a battery system by effectively using generated water accompanying power generation of a fuel cell and can prevent flooding in a reaction channel. .

本発明者らは、生成水を発生させる電極側のセパレータの一部又は全体を多孔質体により形成し、当該電極側の反応ガス流路を上流側の冷却流路と下流側の反応流路とで構成し、冷却流路をセパレータの隣接セル側の面に配置し、反応流路をセパレータの電極側の面に配置し、冷却流路の下流端に反応流路の上流端を接続した燃料電池を作製し、電極又は反応流路内の生成水及び加湿水を、セパレータの多孔質体部分を通じて冷却流路へ透過させ、そこで気化させる実験を行った。この実験を通して明らかにしたところによると、上流側に冷却流路及び下流側に反応流路を有する反応ガス流路に単位時間当たり一定量の空気が流れる条件で前記燃料電池を作動させ、電気化学反応により電極から排出された生成水を、当該電極に隣接する多孔質体を通して冷却流路へ向けて透過させた場合、冷却流路の表面積とその冷却流路を流れる空気への生成水の蒸発量との関係は、おおよそ図1のようになった。また、冷却流路断面積と蒸発量との関係はおおよそ図2のようになり、多孔質体の密度と蒸発量との関係はおおよそ図3のようになった。   The inventors of the present invention form a part or the whole of the electrode-side separator that generates generated water with a porous body, and the reaction gas channel on the electrode side is divided into an upstream cooling channel and a downstream reaction channel. The cooling channel is arranged on the adjacent cell side surface of the separator, the reaction channel is arranged on the electrode side surface of the separator, and the upstream end of the reaction channel is connected to the downstream end of the cooling channel. A fuel cell was fabricated, and an experiment was conducted in which the generated water and humidified water in the electrode or the reaction channel are permeated to the cooling channel through the porous body portion of the separator and vaporized there. According to the results of this experiment, the fuel cell was operated under the condition that a constant amount of air per unit time flows through a reaction gas channel having a cooling channel on the upstream side and a reaction channel on the downstream side. When the generated water discharged from the electrode through the reaction is permeated toward the cooling channel through the porous body adjacent to the electrode, the surface area of the cooling channel and the evaporation of the generated water to the air flowing through the cooling channel The relationship with the quantity is roughly as shown in FIG. The relationship between the cross-sectional area of the cooling channel and the evaporation amount is approximately as shown in FIG. 2, and the relationship between the density of the porous body and the evaporation amount is approximately as shown in FIG.

以上の結果から、次の知見を得、本発明を成すにいたった。
(1)冷却流路の表面積が大きい方が、冷却流路内への蒸発量が多い。
(2)冷却流路の流路断面積が小さい方が、冷却流路内への蒸発量が多い、つまり、空気流速が速い方が蒸発量が多い。
(3)多孔質体の熱伝導度が高いと気化熱の供給が早く、冷却流路内への蒸発量が多い。
From the above results, the following knowledge was obtained and the present invention was completed.
(1) The larger the surface area of the cooling channel, the more the amount of evaporation into the cooling channel.
(2) The smaller the channel cross-sectional area of the cooling channel, the larger the amount of evaporation into the cooling channel, that is, the faster the air flow rate, the larger the amount of evaporation.
(3) When the thermal conductivity of the porous body is high, the vaporization heat is supplied quickly and the amount of evaporation into the cooling channel is large.

これらのことを踏まえ、上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、電解質の両側に配設された電極と、電極のさらに外側に配設されたセパレータと、を有するセルを少なくとも一つ備えてなる燃料電池システムであって、セパレータの一部が多孔質体で形成されていると共に、該多孔質体の電極に接する多孔質体表面部に配設され、電極に反応ガスを供給する反応流路と、該多孔質体内部に配設され、反応流路を流れる反応ガスに比べて湿度の低い冷却ガスを流通させる冷却流路とを備えることを特徴としている。   Based on these matters, in order to solve the above problems, a fuel cell system of the present invention includes a cell having electrodes disposed on both sides of an electrolyte, and a separator disposed further outside the electrode. A fuel cell system comprising at least one, wherein a part of the separator is formed of a porous body, and is disposed on a surface of the porous body in contact with the electrode of the porous body, and a reactive gas is supplied to the electrode. And a cooling channel that is disposed inside the porous body and allows a cooling gas having a lower humidity than the reaction gas flowing through the reaction channel to flow therethrough.

この燃料電池システムによれば、冷却流路の周囲が全て多孔質体であるので、電極から排出された生成水は、電極に隣接する多孔質体に浸透し、冷却流路に向けて移動し、冷却流路の周囲全ての方向から該冷却流路内に入り込め、水の気化に有効な冷却流路の表面積が増える。そのため、冷却流路内へ気化する水分量が増加し、気化熱を利用して燃料電池を冷却することができる。そして、生成水を反応流路の領域から効率良く排出するので、フラッディングを防止することができる。   According to this fuel cell system, since the entire periphery of the cooling flow path is a porous body, the generated water discharged from the electrode penetrates into the porous body adjacent to the electrode and moves toward the cooling flow path. The surface area of the cooling channel that can enter the cooling channel from all directions around the cooling channel and is effective in vaporizing water is increased. Therefore, the amount of water vaporized into the cooling channel increases, and the fuel cell can be cooled using the heat of vaporization. And since generated water is efficiently discharged | emitted from the area | region of a reaction flow path, flooding can be prevented.

冷却流路に流通させる冷却ガスと、冷却流路に隣接する反応ガスは同じガスであることが好ましい。この場合には、多孔質体を介して冷却ガスと反応ガスとの間の化学反応などの相互作用が起こる心配が無い。
また、上記気化により冷却流路内のガスは加湿される。そこで加湿された冷却ガスを反応ガスとして用いることによって、燃料電池自身の発電のために使用することもできる。特に、冷却ガスと反応ガスを同じ種類のガスとし、前記冷却ガスをそのまま加湿された反応ガスとして利用することが好ましい。
It is preferable that the cooling gas flowing through the cooling channel and the reaction gas adjacent to the cooling channel are the same gas. In this case, there is no concern that an interaction such as a chemical reaction between the cooling gas and the reaction gas occurs through the porous body.
Further, the gas in the cooling flow path is humidified by the vaporization. Therefore, by using the humidified cooling gas as the reaction gas, the fuel cell itself can be used for power generation. In particular, it is preferable that the cooling gas and the reaction gas are the same type of gas, and the cooling gas is used as a humidified reaction gas as it is.

さらに、上記発明に、以下の(a)〜(f)のいずれか1つ又は2つ以上の手段を組み合わせることによって、上記冷却効果及びフラッディング防止効果をさらに高めることができる。
(a)前記冷却流路の内面の少なくとも一領域を、流路内面積を増大させる起伏形状に形成することで、水の気化に有効な冷却流路の表面積を増加させる。
(b)前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材よりも熱伝導率が大きい材料を分散させた多孔質体により形成することで、多孔質体の熱伝導度を高める。
(c)前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、酸化剤ガス流の乱流を発生させる乱流発生手段を設けることで、水の気化を促す。
(d)前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材中に微細チューブ材料を分散させた多孔質体により形成することで、水の移動効率を高める。
(e)前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、周囲の多孔質体に侵入する切り込みを形成することで、水の移動効率を高める。
(f)前記冷却流路の底部と前記反応流路の底部が正面に向き合うように流路を配置することで、水の移動効率を高める。
Furthermore, the cooling effect and the flooding prevention effect can be further enhanced by combining any one or two or more of the following (a) to (f) with the above invention.
(A) By forming at least one region of the inner surface of the cooling flow path into an undulating shape that increases the area in the flow path, the surface area of the cooling flow path effective for water vaporization is increased.
(B) A region separating the cooling channel from the reaction channel and at least one region around the cooling channel are formed of a porous material in which a material having a higher thermal conductivity than the base material of the porous material is dispersed. By doing so, the thermal conductivity of the porous body is increased.
(C) By providing a turbulent flow generating means for generating a turbulent flow of the oxidant gas flow in at least one region of the inner surface of the cooling channel, vaporization of water is promoted.
(D) By forming a region separating the cooling channel from the reaction channel and at least one region around the cooling channel with a porous body in which a fine tube material is dispersed in a base material of the porous body. , Increase the water transfer efficiency.
(E) The movement efficiency of water is increased by forming a cut into the surrounding porous body in at least one region of the inner surface of the cooling flow path.
(F) The movement efficiency of water is increased by arranging the flow path so that the bottom of the cooling flow path and the bottom of the reaction flow path face each other.

そして、次の(g)の手段を組み合わせることで、電極を加湿し、電解質の湿潤を保つことができる。
(g)前記冷却流路の下流側に前記反応流路が接続されていることで、加湿した冷却ガスを反応ガスとして電極近傍へ導く。
By combining the following means (g), the electrode can be humidified and the electrolyte can be kept wet.
(G) Since the reaction channel is connected to the downstream side of the cooling channel, the humidified cooling gas is guided to the vicinity of the electrode as a reaction gas.

本発明の燃料電池システムでは、冷却流路の周囲が全て多孔質体であり、その多孔質体からなる冷却流路内面の面積が大きいことから、いずれかの電極側で生じた生成水が、冷却流路の表面に多量に、且つ、効率良く到達することになって、水の気化効率が高くなる。そのため水の気化量が多く、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きい。従って、セルを効率よく冷却することができる。 そして、水の気化率が高いため、多孔質体中の水の滞留が起こりにくくなり、生成水の多孔質体中への移動が促進される。従って、電極からの余分な水を効率よく排出できるようになり、生成水を発生させる電極側のガス流路の下流側(反応流路の出口付近)のフラッディングの発生が防止される。   In the fuel cell system of the present invention, the entire periphery of the cooling channel is a porous body, and the area of the inner surface of the cooling channel made of the porous body is large. A large amount and efficient arrival at the surface of the cooling flow path will increase the water vaporization efficiency. For this reason, the amount of water vaporization is large, and accordingly, the heat of vaporization taken away from the surroundings is large. Therefore, the cell can be efficiently cooled. And since the vaporization rate of water is high, the retention of the water in a porous body becomes difficult to occur, and the movement of the generated water into the porous body is promoted. Therefore, excess water from the electrode can be efficiently discharged, and flooding on the downstream side (near the outlet of the reaction flow path) of the gas flow path on the electrode side that generates generated water is prevented.

また、水が気化することで、冷却流路を流れる冷却ガスが充分に加湿される。この加湿された冷却ガスを反応流路内に流通させることにより電極及び/又は電解質を加湿したり、必要に応じて水蒸気改質反応や水性ガスシフト反応の改質器に流通させて反応水を供給したりすることで、生成水を有効に利用することができる。   Further, the water is vaporized, so that the cooling gas flowing through the cooling channel is sufficiently humidified. The humidified cooling gas is circulated in the reaction channel to humidify the electrode and / or electrolyte, or to the steam reforming reaction or water gas shift reaction reformer as necessary to supply reaction water. By doing so, the produced water can be used effectively.

さらに、前記冷却流路の下流側に前記反応流路を接続することにより、上記のように上流側の冷却流路で加湿された冷却ガスをそのまま下流側で反応ガスとして用いて電極及び電解質を加湿することもできる。   Further, by connecting the reaction channel to the downstream side of the cooling channel, the cooling gas humidified in the upstream cooling channel as described above is used as the reaction gas on the downstream side as it is, so that the electrode and the electrolyte can be used. It can also be humidified.

従って、燃料電池の発電に伴う生成水の気化熱によりセパレータを冷却することができ、且つ、生成水を発生させる電極側の反応流路でのフラッディング発生を防止できる燃料電池システムを提供することができる。   Accordingly, it is possible to provide a fuel cell system capable of cooling the separator by the heat of vaporization of the generated water accompanying the power generation of the fuel cell and preventing flooding in the reaction channel on the electrode side that generates the generated water. it can.

以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
(第1実施形態)
図4は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図である。
図5は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを適用したセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 4 is an exploded perspective view showing a configuration of a cell of the solid polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 5 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to the flow direction of the flow path of the cell to which the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is applied.

図4及び図5に示すように、本実施形態の固体高分子電解質型燃料電池のセル1は、膜−電極接合体2が燃料極側セパレータ3と、冷却ガス流路9と反応ガス流路10を備えた酸化剤極側セパレータ4とで狭持された構造をしている。
前記膜−電極接合体2は、ここでは図示しないが、中央の固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と酸化剤極とからなっている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the cell 1 of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment includes a membrane-electrode assembly 2, a fuel electrode side separator 3, a cooling gas channel 9, and a reactive gas channel. 10 is sandwiched between the oxidant electrode-side separator 4 provided with 10.
The membrane-electrode assembly 2 includes a central solid polymer electrolyte membrane, fuel electrodes on both sides thereof, and an oxidizer electrode, although not shown here.

固体高分子電解質膜は、燃料ガスと酸化剤ガスとを隔離しつつ、イオン伝導性の電解質として機能するもので、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等、公知のものが適用できる。
固体高分子電解質膜の両側に設けられる燃料極と酸化剤極は、電解質膜上に当該電解質膜を挟んで対峙する触媒層(燃料極側触媒層、酸化剤極側触媒層)とその触媒層上に設けられるガス拡散層(燃料極側ガス拡散層、酸化剤極側ガス拡散層)からなる。これら、触媒層とガス拡散層は、公知のものが適用できる。
The solid polymer electrolyte membrane functions as an ion conductive electrolyte while isolating the fuel gas and the oxidant gas. For example, a known polymer electrolyte membrane such as a perfluorocarbon sulfonic acid membrane can be applied.
The fuel electrode and the oxidant electrode provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane are a catalyst layer (fuel electrode side catalyst layer, oxidant electrode side catalyst layer) facing each other with the electrolyte membrane sandwiched between the electrolyte membrane and the catalyst layer. It consists of a gas diffusion layer (fuel electrode side gas diffusion layer, oxidant electrode side gas diffusion layer) provided on top. As these catalyst layer and gas diffusion layer, known ones can be applied.

図5に示すように、燃料極側セパレータ3には、その膜−電極接合体2と対向する面上に溝7が設けられており、その溝7と膜−電極接合体表面とで、燃料ガス流路8を形成している。発電時には、この燃料ガス流路8に、水素を含む又は水素を発生させる気体を流通させる。
また、燃料極側セパレータ3は、燃料ガスのガス漏れを防ぎ、また、セル1を積層して燃料電池スタックとした時に、各セル1間を電気的につなぐものである。
従って、燃料極側セパレータ3は、例えば高密度のカーボンシートや金属シートなどの導電性があり且つ緻密な材料から形成されている。 また、図5に示すように、酸化剤極側セパレータ4は、冷却流路9と反応流路10を備え、該反応流路10を通じて酸化剤ガスを膜−電解質接合体2に導く他、その酸化剤ガスのガス漏れを防ぎ、また、セル1を積層して燃料電池スタックとした時に、各セル1間を電気的につなぐものである。
As shown in FIG. 5, the fuel electrode side separator 3 is provided with a groove 7 on a surface facing the membrane-electrode assembly 2, and the fuel is formed between the groove 7 and the surface of the membrane-electrode assembly. A gas flow path 8 is formed. During power generation, a gas containing hydrogen or generating hydrogen is circulated through the fuel gas passage 8.
Further, the fuel electrode side separator 3 prevents gas leakage of the fuel gas, and electrically connects the cells 1 when the cells 1 are stacked to form a fuel cell stack.
Therefore, the fuel electrode side separator 3 is made of a conductive and dense material such as a high-density carbon sheet or metal sheet. As shown in FIG. 5, the oxidant electrode side separator 4 includes a cooling channel 9 and a reaction channel 10, and guides the oxidant gas to the membrane-electrolyte assembly 2 through the reaction channel 10. This prevents gas leakage of the oxidant gas and electrically connects the cells 1 when the cells 1 are stacked to form a fuel cell stack.

そして、酸化剤極側セパレータ4は、膜−電極接合体2に対向する側の多孔質体13、14を主成分とする多孔質層11と、その反対側の緻密な材料を主成分とする緻密層12からなっている。さらに、本実施形態では、多孔質層11は膜−電極接合体2に接して設けられ、前記冷却流路9と前記反応流路10とを隔てる領域となっている第1の多孔質体13と、該第1の多孔質体13と前記緻密層12との間に狭持される第2の多孔質体14とから形成されている。   The oxidant electrode side separator 4 is mainly composed of the porous layer 11 mainly composed of the porous bodies 13 and 14 on the side facing the membrane-electrode assembly 2 and the dense material on the opposite side. It consists of a dense layer 12. Furthermore, in this embodiment, the porous layer 11 is provided in contact with the membrane-electrode assembly 2, and the first porous body 13 is a region that separates the cooling flow path 9 and the reaction flow path 10. And a second porous body 14 sandwiched between the first porous body 13 and the dense layer 12.

前記緻密層12を形成する緻密な材料としては、高密度のカーボンシートや金属シートなどの導電性があり且つ緻密な材料が好適である。
前記第1及び第2の多孔質体13、14を形成する物質としては、導電性を有するものが好ましく、それぞれ独立に多孔質カーボンシート、多孔質カーボンフィルム、多孔質カーボンペーパーなどの多孔質カーボン、金属メッシュ、金属発泡体などの多孔質金属などの他、非導電性多孔質体中に導電性物質を分散させて導電性を持たせたもの等も適用できる。
As the dense material for forming the dense layer 12, a dense material having conductivity such as a high-density carbon sheet or metal sheet is suitable.
The substance forming the first and second porous bodies 13 and 14 is preferably a conductive substance, and is independently porous carbon such as a porous carbon sheet, a porous carbon film, and porous carbon paper. In addition to a porous metal such as a metal mesh or a metal foam, a conductive material dispersed in a non-conductive porous material can also be applied.

前記反応流路10は、酸化剤極側セパレータ4の膜−電極接合体2と対向する面上で、前記第1の多孔質体13に設けられた溝15と、膜−電極接合体表面とで形成されている。発電時には、この反応流路10に、酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させる気体)が流される。
前記冷却流路9は、前記第1の多孔質体13の第2の多孔質体14と接する表面に形成された溝16と、組み合わせた時にその溝16に位置が合うように第2の多孔質体14の表面に形成された溝17とで形成されている。従って、本実施形態の冷却流路9は、その全ての周囲が前記多孔質体13、14により形成されているものである。また、冷却流路9は、本実施形態のように、燃料電池単セルの生成水発生側のセパレータ4内に形成されていることが、その生成水を有効利用して、燃料電池を冷却することができるので好ましい。
The reaction channel 10 has a groove 15 provided in the first porous body 13 on the surface of the oxidant electrode-side separator 4 facing the membrane-electrode assembly 2, and the surface of the membrane-electrode assembly. It is formed with. During power generation, an oxidant gas (a gas containing oxygen or generating oxygen) is caused to flow through the reaction channel 10.
The cooling channel 9 has a groove 16 formed on the surface of the first porous body 13 in contact with the second porous body 14 and a second porous body so that the groove 16 is aligned with the groove 16 when combined. The grooves 17 are formed on the surface of the material 14. Therefore, the cooling flow path 9 of the present embodiment is formed by the porous bodies 13 and 14 all around it. Moreover, the cooling flow path 9 is formed in the separator 4 on the side of the generated water generation of the single fuel cell as in this embodiment, and the generated water is effectively used to cool the fuel cell. This is preferable.

この冷却流路9は、前記反応流路10が設けられている深さ(セパレータ4の厚み方向距離)に比べ比較的隣接セル寄りの深さを、セパレータ4の面方向に沿って延在するように設けられている。また、反応流路10は、前記冷却流路9が設けられている深さ(セパレータ4の厚み方向)に比べ比較的電極寄りの深さをセパレータ4の面方向に沿って延在するように設けられている。
すなわち本実施形態においては、「冷却流路9をセパレータ4内の比較的隣接セル寄りの深さに設ける」、及び「反応流路10をセパレータ4内の比較的電極寄りの深さに設ける」とは、冷却流路9と反応流路10の相対的位置関係の点で、「セパレータ4内において、冷却流路9を反応流路10よりも隣接セル寄りの位置に形成し、一方、反応流路8を冷却流路9よりも電極寄りの位置に形成する」ことを意味する。
The cooling flow path 9 extends along the surface direction of the separator 4 at a depth relatively closer to the adjacent cell than the depth (the distance in the thickness direction of the separator 4) where the reaction flow path 10 is provided. It is provided as follows. In addition, the reaction channel 10 extends along the surface direction of the separator 4 at a depth relatively closer to the electrode than the depth at which the cooling channel 9 is provided (the thickness direction of the separator 4). Is provided.
That is, in the present embodiment, “the cooling flow path 9 is provided at a depth closer to the adjacent cell in the separator 4” and “the reaction flow path 10 is provided at a depth closer to the electrode in the separator 4”. Is the relative positional relationship between the cooling flow path 9 and the reaction flow path 10, “in the separator 4, the cooling flow path 9 is formed at a position closer to the adjacent cell than the reaction flow path 10. It means that the channel 8 is formed at a position closer to the electrode than the cooling channel 9 ”.

なお、多孔質層11を単一の多孔質体から形成し、その層中に冷却流路9を貫通孔として形成してもよいが、本実施形態のように冷却流路9を第1の多孔質体13と第2の多孔質体14の表面に形成された溝16、17を位置合わせすることで形成する方が、冷却流路9を容易に形成することができるので好ましい。   The porous layer 11 may be formed from a single porous body, and the cooling flow path 9 may be formed as a through hole in the layer. However, the cooling flow path 9 is the first as in this embodiment. It is preferable that the grooves 16 and 17 formed on the surfaces of the porous body 13 and the second porous body 14 are aligned so that the cooling channel 9 can be easily formed.

冷却流路9を流れる冷却ガスには、反応流路10を流れる反応ガスに比べて、湿度のより低い気体を用いる。本発明においては、反応ガスよりも湿度の低い気体を冷却ガスとして用いることにより、冷却流路9内へ優先的に水分を気化させ、高い冷却効果を得る。さらに、本発明においては、冷却流路9の周囲が全て多孔質体13,14であるので、冷却流路9の全ての表面から生成水が気化でき、水の気化効率が高くなるので、冷却効果が高い。特に、セパレータ4内での反応流路10を設ける深さを酸化剤極寄りとして、膜−電解質接合体2に近い位置とし、セパレータ4内での冷却流路9を設ける深さを、このセル1に積層される隣接セル寄りとして、反応流路10よりも膜−電極接合体2から遠い位置とすることが、多孔質体内で水分を長い距離移動させて冷却効果を充分に得る観点から好ましい。   As the cooling gas flowing through the cooling flow path 9, a gas having a lower humidity than the reaction gas flowing through the reaction flow path 10 is used. In the present invention, by using a gas having a humidity lower than that of the reaction gas as the cooling gas, moisture is preferentially vaporized into the cooling flow path 9 to obtain a high cooling effect. Furthermore, in the present invention, since the entire periphery of the cooling flow path 9 is the porous bodies 13 and 14, the generated water can be vaporized from all the surfaces of the cooling flow path 9, and the water vaporization efficiency is increased. High effect. In particular, the depth at which the reaction flow path 10 in the separator 4 is provided is close to the oxidant electrode, the position close to the membrane-electrolyte assembly 2, and the depth at which the cooling flow path 9 is provided in the separator 4 is set to this cell. It is preferable from the viewpoint of obtaining a sufficient cooling effect by moving the moisture in the porous body for a long distance, so that it is closer to the adjacent cell stacked in 1 than the reaction channel 10 from the membrane-electrode assembly 2. .

本実施形態のように、冷却流路9を固体高分子電解質型燃料電池のカソード側に設けた場合、前記冷却ガスとしては、酸化剤ガス(酸素を含む又は酸素を発生させる気体)であることが好ましく、さらに空気であることが好ましい。特に、外部環境から導入される、即ち、自然環境からそのまま取り込まれる空気は、通常、発電中のセル1よりも低い温度なので、冷却流路9を形成する多孔質体13、14との熱交換により、多孔質体13、14を冷却し、さらにはセル1全体を冷却するので好ましい。逆に冷却流路をアノード側に設けた場合は、水素を含む又は水素を発生させる気体であることが好ましい。このように冷却流路9に流通させる冷却ガスと当該冷却流路9に隣接する反応流路10に流通させる反応ガスを同じ種類のガスとすれば、多孔質体13、14を介して冷却ガスと反応ガスが互いに流通しても、それらの間で化学反応などの相互作用が起こることが無いので好ましい。   When the cooling channel 9 is provided on the cathode side of the solid polymer electrolyte fuel cell as in the present embodiment, the cooling gas is an oxidant gas (a gas containing oxygen or generating oxygen). Is preferable, and air is more preferable. In particular, since air introduced from the outside environment, that is, air taken in directly from the natural environment is usually at a lower temperature than the cell 1 during power generation, heat exchange with the porous bodies 13 and 14 forming the cooling flow path 9 is performed. Therefore, the porous bodies 13 and 14 are cooled, and the entire cell 1 is further cooled. Conversely, when the cooling channel is provided on the anode side, it is preferable that the gas contains hydrogen or generates hydrogen. If the same kind of gas is used for the cooling gas that flows through the cooling flow path 9 and the reaction gas that flows through the reaction flow path 10 adjacent to the cooling flow path 9 in this way, the cooling gas passes through the porous bodies 13 and 14. Even if the reaction gas and the reaction gas are circulated, there is no interaction between them, such as a chemical reaction.

冷却ガスは、冷却流路9を流通する間に、冷却流路内への水分の気化によって加湿される。この加湿された冷却ガスは、燃料電池自身の発電のために利用されることが好ましい。例えば、本実施形態のように、本発明に係る燃料電池システムをカソード側に適用し、冷却ガスを酸素を含む又は酸素を発生させる気体とした場合、冷却流路9を流通し加湿された冷却ガスを、水蒸気改質反応や水性ガスシフト反応のための改質器などに送り水蒸気含有反応ガスとしたり、次の第2実施形態で説明するように冷却流路をその下流端で反応流路の上流端と接続部を介して接続しておくことで加湿した酸化剤ガスとして反応流路に供給したりして燃料電池の発電に利用することが、水分を改質器に送り込むための、又は、反応流路に供給する酸化剤ガスの加湿のための特別な装置類を小型化できたり、あるいは、省略できたりするので好ましい。特に、前記冷却ガスが前記反応流路に導かれ、そのまま加湿された反応ガスとして利用されることが好ましい。   The cooling gas is humidified by vaporization of moisture into the cooling channel while flowing through the cooling channel 9. This humidified cooling gas is preferably used for power generation of the fuel cell itself. For example, when the fuel cell system according to the present invention is applied to the cathode side as in the present embodiment and the cooling gas is a gas containing oxygen or generating oxygen, the cooling flowed through the cooling flow path 9 and humidified The gas is sent to a reformer for a steam reforming reaction or a water gas shift reaction or the like to make a steam-containing reaction gas, or as described in the next second embodiment, the cooling channel is formed at the downstream end of the reaction channel. It can be used for power generation of the fuel cell by supplying it to the reaction flow path as humidified oxidant gas by being connected to the upstream end via the connection portion, or to supply moisture to the reformer, or A special apparatus for humidifying the oxidant gas supplied to the reaction channel can be reduced in size or omitted, which is preferable. In particular, it is preferable that the cooling gas is led to the reaction channel and used as a humidified reaction gas as it is.

本実施形態のように冷却ガスを外部から導入される空気とした場合、膜−電極接合体2の酸化剤極側では、発電に伴って水が生成する。この生成水は、酸化剤極側セパレータ4の多孔質層11に到達し、その大部分は多孔質層11の空孔内を通って、前記冷却流路9に到達する。冷却流路9に到達した液体の水の一部は、液体状態のまま、冷却流路9を流れる空気流に乗って外部へ排出されるが、残りの一部は、そこを流れる空気流によって蒸発し、その空気と一体となってセル1外部へと排出される。この水の蒸発に伴い周囲から気化熱が奪われるため、冷却流路9の領域における冷却効率が向上する。   When the cooling gas is air introduced from the outside as in the present embodiment, water is generated with power generation on the oxidant electrode side of the membrane-electrode assembly 2. The generated water reaches the porous layer 11 of the oxidant electrode side separator 4, and most of the generated water passes through the pores of the porous layer 11 and reaches the cooling channel 9. A part of the liquid water that has reached the cooling channel 9 remains in a liquid state and is discharged to the outside by riding on the air flow that flows through the cooling channel 9. It evaporates and is discharged to the outside of the cell 1 together with the air. As the water evaporates, the heat of vaporization is taken away from the surroundings, so that the cooling efficiency in the region of the cooling flow path 9 is improved.

冷却流路9では、多孔質体13、14の表面から当該流路内へ水が気化するので、冷却流路表面において多孔質体13、14が占める表面積が大きいほど気化する水の量が増える。本実施形態の燃料電池システムでは、冷却流路9の全ての周囲が多孔質体13、14により形成されているので、冷却流路9の一部を緻密な材料により形成した場合(例えば、図5において、冷却流路9の隣接セル側を形成する多孔質体14の部分を緻密材料12で形成する場合など)と比べて、冷却流路表面において多孔質体13、14が占める表面積が大きい。   In the cooling channel 9, water vaporizes from the surface of the porous bodies 13 and 14 into the channel, so that the larger the surface area occupied by the porous bodies 13 and 14 on the cooling channel surface, the more water is vaporized. . In the fuel cell system of the present embodiment, since the entire periphery of the cooling flow path 9 is formed by the porous bodies 13 and 14, when a part of the cooling flow path 9 is formed of a dense material (for example, FIG. 5, the surface area occupied by the porous bodies 13 and 14 on the surface of the cooling flow path is larger than the case where the portion of the porous body 14 forming the adjacent cell side of the cooling flow path 9 is formed of the dense material 12. .

従って、本実施形態の燃料電池システムでは、冷却流路9内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きい。従って、空気を単純に流通させて冷却する場合と比べて、セル1を効率よく冷却することができる。   Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the amount of water vaporized in the cooling channel 9 increases, and the vaporization heat taken away from the surroundings increases accordingly. Therefore, the cell 1 can be efficiently cooled as compared with the case where air is simply circulated and cooled.

また、冷却流路の周囲を全て多孔質体で形成するのではなく、その一部を緻密な材料により形成する場合は、緻密材料で形成した部分で水の透過が妨げられ、その緻密材料で形成された領域の付近は、多孔質体で形成されていても水の滞留が発生しやすく、水の移動経路としては有効に働きにくい。そのため、水の有効な移動経路が緻密な材料から離れた空間に限定され、効率的な水の移動が制限されることとなり、水の気化が効率よく起こっていなかった。   In addition, when a part of the cooling flow path is not made of a porous material but is made of a dense material, the portion formed of the dense material prevents water from passing through the dense material. Even in the vicinity of the formed region, even if it is formed of a porous body, water is likely to stay, and it is difficult to work effectively as a water movement path. For this reason, the effective movement path of water is limited to a space away from the dense material, and the efficient movement of water is restricted, and the water is not efficiently vaporized.

しかし、本実施形態の燃料電池システムの場合は、隣接セルへのガス漏れを阻止する緻密層12と冷却流路9の間に多孔質体が介在しているので、その緻密層12と冷却流路9との間にも水が回り込むことができる。このため、多孔質層11中のほぼ全ての空間が、水の有効な移動経路となる。従って、膜−電極接合体2の酸化剤極側から透過して来る水が、冷却流路9の表面に効率良く到達することになって、水の気化効率が高くなる。従って、本実施形態の燃料電池システムでは、高い冷却効率を実現することができる。   However, in the case of the fuel cell system according to the present embodiment, since the porous body is interposed between the dense layer 12 that prevents gas leakage to the adjacent cells and the cooling flow path 9, the dense layer 12 and the cooling flow Water can also circulate between the road 9. For this reason, almost all the spaces in the porous layer 11 become effective movement paths of water. Therefore, the water that permeates from the oxidant electrode side of the membrane-electrode assembly 2 efficiently reaches the surface of the cooling flow path 9, thereby increasing the water vaporization efficiency. Therefore, high cooling efficiency can be realized in the fuel cell system of the present embodiment.

そして、冷却流路9での気化効率が良好で、且つ、多孔質層11内での水の有効な移動経路が増しているので、多孔質層11中の水の滞留が起こりにくくなり、生成水が多孔質層11中に浸入しやすくなる。従って、酸化剤極からの水の除去が効率的になり、反応流路10の出口付近でのフラッディングの発生が防止される。   And since the vaporization efficiency in the cooling flow path 9 is good and the effective movement route of the water in the porous layer 11 is increasing, the retention of the water in the porous layer 11 is less likely to occur. Water becomes easy to enter the porous layer 11. Therefore, the removal of water from the oxidizer electrode becomes efficient, and the occurrence of flooding near the outlet of the reaction channel 10 is prevented.

(第1変形例)
図6に第1実施形態の第1変形例を示す。
第1変形例の固体高分子電解質型燃料電池では、冷却流路9と反応流路10の空気の流れ方向と垂直な面での断面形状、及び、反応流路10の配置が第1実施形態の燃料電池とは異なり、冷却流路9の断面形状が楕円形状で、反応流路10の断面形状が円形状で、且つ、反応流路10の周囲が全て多孔質体で形成されている。
この変形例のように、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池では、冷却流路9と反応流路10の空気の流れ方向と垂直な面での断面形状には特に制限はない。
また、反応流路10はこの変形例のように、多孔質体13、14中に埋没した配置としてもよい。
(First modification)
FIG. 6 shows a first modification of the first embodiment.
In the solid polymer electrolyte fuel cell of the first modified example, the cross-sectional shape of the cooling channel 9 and the reaction channel 10 in the plane perpendicular to the air flow direction and the arrangement of the reaction channel 10 are the first embodiment. Unlike the fuel cell, the cross-sectional shape of the cooling channel 9 is elliptical, the cross-sectional shape of the reaction channel 10 is circular, and the entire periphery of the reaction channel 10 is formed of a porous body.
As in this modification, in the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, there is no particular limitation on the cross-sectional shape of the cooling channel 9 and the reaction channel 10 in the plane perpendicular to the air flow direction.
Moreover, the reaction flow path 10 is good also as the arrangement | positioning buried in the porous bodies 13 and 14 like this modification.

(第2実施形態)
図7は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図である。
図8は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを適用したセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第2実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態の好ましい形態であって、燃料電池システムにおいて、冷却流路がその下流端で反応流路の上流端と接続部を介して接続されているものである。従って、第1実施形態の燃料電池と類似点が多いものであり、以下では相違点のみ説明する。また、図7及び8においては、第1実施形態の燃料電池と同一構成要素であるものには同一符号を付けてある。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is an exploded perspective view showing a configuration of a cell of a solid polymer electrolyte fuel cell to which a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention is applied.
FIG. 8 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to the flow direction of the flow path of the cell to which the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention is applied.
The fuel cell system of the second embodiment is a preferred form of the first embodiment, and in the fuel cell system, the cooling flow path is connected at its downstream end to the upstream end of the reaction flow path via a connection portion. Is. Accordingly, there are many similarities to the fuel cell of the first embodiment, and only the differences will be described below. 7 and 8, the same components as those of the fuel cell of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

図7に示すように、第2実施形態の酸化剤極側セパレータ4は、上流側の冷却流路9が図示しない接続部分(通常は、セパレータの周縁部に設けられる)を介して下流部分の反応流路10に接続してなる酸化剤ガス流路6を備えている。
冷却流路9は、前記反応流路10が設けられている深さ(セパレータ4の厚み方向距離)に比べ比較的隣接セル寄りの深さを、セパレータ4の面方向に沿って延在するように設けられており、その下流端において接続部分に接続する。接続部分は、膜−電極接合体2に向かってセパレータ4内を垂直に進み、比較的電極寄りの深さで終了し、そこで反応流路10の上流端と接続する。反応流路10は、前記接続部分と接続した深さでセパレータ4の面方向に延在する。従って、冷却流路9、接続部分及び反応流路10を含む酸化剤ガス流路6全体としては、上流側流路9がセパレータ4内を水平方向に延在し、接続部分において垂直方向に折り返され、下流側流路10が上流側流路9の延在する深さとは異なる深さで、再びセパレータ4内を水平方向に延在する流路パターンとなっている。
As shown in FIG. 7, in the oxidant electrode side separator 4 of the second embodiment, the downstream side cooling channel 9 is connected to the downstream portion via a connecting portion (usually provided at the peripheral edge of the separator). An oxidant gas channel 6 connected to the reaction channel 10 is provided.
The cooling flow path 9 extends along the surface direction of the separator 4 at a depth relatively closer to the adjacent cell than the depth at which the reaction flow path 10 is provided (distance in the thickness direction of the separator 4). And is connected to the connecting portion at the downstream end thereof. The connecting portion proceeds vertically in the separator 4 toward the membrane-electrode assembly 2 and ends at a depth relatively close to the electrode, where it connects with the upstream end of the reaction channel 10. The reaction channel 10 extends in the surface direction of the separator 4 at a depth connected to the connection portion. Accordingly, as the oxidant gas flow path 6 as a whole including the cooling flow path 9, the connection portion, and the reaction flow path 10, the upstream flow path 9 extends in the horizontal direction in the separator 4 and is folded in the vertical direction at the connection portion. Thus, the downstream flow path 10 has a depth different from the depth of the upstream flow path 9 and a flow path pattern extending in the horizontal direction in the separator 4 again.

このように、セパレータ4内での反応流路10を設ける深さを酸化剤極寄りとして、膜−電解質接合体2に近い位置とし、セパレータ4内での冷却流路9を設ける深さを、このセル1に積層される隣接セル寄りとして、反応流路10よりも膜−電極接合体2から遠い位置としたのは、水分を多孔質体内で長い距離移動させて冷却効果を充分に得るためである。また、外部から供給した酸化剤ガスを先に冷却流路9に流通させて加温・加湿してから、酸化剤極に近接する反応流路10に流すことにより、酸化剤極での電気化学反応を促進するためでもある。   In this way, the depth at which the reaction channel 10 in the separator 4 is provided is close to the oxidizer electrode, the position near the membrane-electrolyte assembly 2, and the depth at which the cooling channel 9 is provided in the separator 4 is The reason why the position closer to the adjacent cell stacked on the cell 1 is farther from the membrane-electrode assembly 2 than the reaction channel 10 is to move the moisture within the porous body for a long distance to obtain a sufficient cooling effect. It is. In addition, the oxidant gas supplied from the outside is first circulated through the cooling flow path 9 to be heated and humidified, and then is flowed to the reaction flow path 10 adjacent to the oxidant electrode, whereby the oxidant electrode is subjected to electrochemistry. It is also to promote the reaction.

酸化剤ガス流路6に流通させる酸化剤ガスは、冷却流路9の領域では冷却ガスとして機能し、反応流路10の領域では酸素を酸化剤極に供給する反応ガスとして機能する。冷却流路9を流れることで加湿された酸化剤ガスが反応流路10に流入し、乾燥傾向にある反応流路上流側の酸化剤極に水分を供給するので、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐことができる。また、冷却流路9を流れる際に暖められた酸化剤ガスを反応ガスとして利用するので電極反応が促進される。このように、本実施形態の燃料電池加湿システムによれば、生成水を利用して燃料電池を冷却できることに加えて、電気化学反応で生成した生成水及び余分な加湿水を用いて、生成水が発生する電極側の上流領域の反応ガスを加湿することができ、固体高分子電解質膜を湿潤に保つことができる。従って、反応流路に供給する酸化剤ガスの加湿のための特別な装置類を小型化できたり、あるいは、省略したりすることができる。   The oxidant gas that flows through the oxidant gas channel 6 functions as a cooling gas in the region of the cooling channel 9 and functions as a reaction gas that supplies oxygen to the oxidant electrode in the region of the reaction channel 10. Since the oxidant gas humidified by flowing through the cooling channel 9 flows into the reaction channel 10 and supplies moisture to the oxidant electrode on the upstream side of the reaction channel that tends to dry, the local area of the solid polymer electrolyte membrane Dryness can be prevented. Further, since the oxidant gas warmed when flowing through the cooling flow path 9 is used as the reaction gas, the electrode reaction is promoted. Thus, according to the fuel cell humidification system of the present embodiment, in addition to being able to cool the fuel cell using the generated water, the generated water generated by the electrochemical reaction and the extra humidified water are used to generate the generated water. It is possible to humidify the reaction gas in the upstream region on the electrode side where the generation occurs, and to keep the solid polymer electrolyte membrane moist. Therefore, a special device for humidifying the oxidant gas supplied to the reaction channel can be reduced in size or omitted.

(第2変形例)
図9に第2実施形態の第2変形例を示す。なお、構成要素は第2の実施形態と同一であるので、同一の符号で示す。
本発明に係る燃料電池システムを適用した第2変形例の固体高分子電解質型燃料電池では、反応流路10に対する冷却流路9の配置が第1実施形態の燃料電池システムのものとは異なる。先ず、酸化剤極側セパレータ4の面方向(膜−電極接合体2に水平な方向)では、冷却流路9は、複数の反応流路10間に規則的に配置されている。また、酸化剤極側セパレータ4の厚み方向(膜−電極接合体2に垂直な方向)では、冷却流路9の最も膜−電極接合体2寄りの部分9a(冷却流路9の底部)が、反応流路10の最も隣接セル寄りの部分10a(反応流路10の底部)よりも膜−電極接合体2に接近している。
(Second modification)
FIG. 9 shows a second modification of the second embodiment. The constituent elements are the same as those in the second embodiment, and are therefore denoted by the same reference numerals.
In the solid polymer electrolyte fuel cell of the second modification to which the fuel cell system according to the present invention is applied, the arrangement of the cooling channel 9 with respect to the reaction channel 10 is different from that of the fuel cell system of the first embodiment. First, in the surface direction of the oxidant electrode side separator 4 (the direction horizontal to the membrane-electrode assembly 2), the cooling channel 9 is regularly arranged between the plurality of reaction channels 10. Further, in the thickness direction of the oxidant electrode side separator 4 (direction perpendicular to the membrane-electrode assembly 2), the portion 9a of the cooling channel 9 closest to the membrane-electrode assembly 2 (the bottom of the cooling channel 9) is The membrane-electrode assembly 2 is closer than the portion 10a of the reaction channel 10 closest to the adjacent cell (the bottom of the reaction channel 10).

この第2変形例では、以下の(1)及び(2)で示す両方の関係が成り立っている。
(1)冷却流路9の最も膜−電極接合体2寄りの部分9aは、反応流路10の最も膜−電極接合体2寄りの部分10bよりも、隣接セルに接近している。
(2)冷却流路9の最も隣接セル寄りの部分9bは、反応流路10の最も隣接セル寄りの部分10aよりも、隣接セルに接近している。
In the second modification, both of the relationships shown in the following (1) and (2) are established.
(1) The portion 9a closest to the membrane-electrode assembly 2 in the cooling channel 9 is closer to the adjacent cell than the portion 10b closest to the membrane-electrode assembly 2 in the reaction channel 10.
(2) The portion 9b closest to the adjacent cell of the cooling channel 9 is closer to the adjacent cell than the portion 10a closest to the adjacent cell of the reaction channel 10.

上記(1)、(2)の位置関係を守って両流路9、10が配置されていると、先ず、乾燥した外部からの空気が、先に冷却流路9に流れる時に、多孔質体13、14を経て到達した、従来排出していた生成水で加湿される。次にその加湿された空気が電極近くの反応流路10に流れ、固体高分子電解質膜を加湿する。この位置関係が逆になると、冷却流路9に流れる乾燥した空気が反応流路10の上流側の膜−電極接合体2から直接水を奪ってしまう恐れがある。   If both the flow paths 9 and 10 are arranged while keeping the positional relationship of (1) and (2) above, first, when the air from the outside that has been dried first flows into the cooling flow path 9, the porous body It is humidified with the generated water that has been discharged through 13 and 14 and has been discharged. Next, the humidified air flows into the reaction channel 10 near the electrode, and humidifies the solid polymer electrolyte membrane. If this positional relationship is reversed, the dried air flowing in the cooling flow path 9 may directly take water from the membrane-electrode assembly 2 on the upstream side of the reaction flow path 10.

この変形例のように、冷却流路がその下流端で反応流路の上流端と接続部を介して接続されている燃料電池システムでは、膜−電極接合体2の垂直方向における位置関係において、上記(1)及び(2)で示す両方の関係が成り立っていることが好ましい。   As in this modification, in the fuel cell system in which the cooling channel is connected to the upstream end of the reaction channel via the connecting portion at the downstream end thereof, in the positional relationship in the vertical direction of the membrane-electrode assembly 2, It is preferable that both the relationships shown in the above (1) and (2) are satisfied.

(第3実施形態)
図10は、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第3実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状が第1実施形態のものと異なるのみなので、それについてのみ説明し、同一構成要素には同一符号を付けてある。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to the flow direction of the cell flow path of the solid polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention is applied.
In the fuel cell system of the third embodiment, the shape of the cooling channel is only different from that of the first embodiment, so only that will be described, and the same components are assigned the same reference numerals.

図10に示した冷却流路19の空気の流れ方向と垂直な面での断面は、その膜−電極接合体2に対向する領域が細い長方形の凹凸形状18となっていて、流路内面積を増大させている。この凹凸形状18は、冷却流路19の空気の流れ方向に延びており、それぞれ細い溝を形成している。   The cross section of the cooling channel 19 shown in FIG. 10 in a plane perpendicular to the air flow direction has a thin rectangular uneven shape 18 in the region facing the membrane-electrode assembly 2, and the channel inner area. Is increasing. The uneven shape 18 extends in the air flow direction of the cooling flow path 19 and forms a narrow groove.

単位面積当たりの気化速度が一定の場合、その水の表面積が大きいほど単位時間あたりの気化量は大きい。また、冷却流路19では、水が多孔質体13、14の表面から気化するので、多孔質体13、14の表面積が大きいほど気化する水の量が増える。上述したように、第2実施形態の冷却流路19では、凹凸形状18からなる起伏形状によって流路内面積が増大しており、断面が矩形の冷却流路に比べて、その多孔質体13、14中の表面積が大きいので、そこから気化する水の量も多い。このように、本実施形態に係る冷却流路19では、冷却流路の内面の少なくとも一領域を起伏形状とすることによって、矩形の冷却流路と比べて水の気化量が増えるので、それに伴う気化熱も大きい。従って、セル1を効率よく冷却することができる。   When the vaporization rate per unit area is constant, the amount of vaporization per unit time increases as the surface area of the water increases. In the cooling channel 19, since water is vaporized from the surfaces of the porous bodies 13 and 14, the amount of water vaporized increases as the surface area of the porous bodies 13 and 14 increases. As described above, in the cooling flow path 19 of the second embodiment, the area in the flow path is increased due to the undulating shape composed of the concavo-convex shape 18, and the porous body 13 is larger than the cooling flow path having a rectangular cross section. , 14 has a large surface area, and the amount of water vaporized therefrom is large. As described above, in the cooling channel 19 according to the present embodiment, by forming at least one region of the inner surface of the cooling channel in an undulating shape, the amount of water vaporization increases as compared with the rectangular cooling channel, and accordingly, The heat of vaporization is also great. Therefore, the cell 1 can be efficiently cooled.

そして、冷却流路19で気化する水分量がより多いので、多孔質層11中の水の滞留がより起こりにくくなり、膜−電極接合体2で生成した水が多孔質層11中により浸透しやすくなる。従って、酸化剤極からの水の除去がより効率的になり、反応ガス流路10の下流側のフラッディングの発生を防止できる。
また、結果的に冷却流路19を流れる空気がより効率的に加湿されることとなる。この加湿された空気等の冷却ガスは、燃料電池の発電に有効利用することもできる。
Since the amount of water vaporized in the cooling flow path 19 is larger, the water stays in the porous layer 11 less easily, and the water generated in the membrane-electrode assembly 2 penetrates into the porous layer 11. It becomes easy. Therefore, the removal of water from the oxidant electrode becomes more efficient, and the occurrence of flooding on the downstream side of the reaction gas channel 10 can be prevented.
As a result, the air flowing through the cooling channel 19 is humidified more efficiently. This humidified cooling gas such as air can also be used effectively for power generation of the fuel cell.

(第3変形例)
図11は第3実施形態の変形例に係る燃料電池システムで、第3実施形態とは冷却流路20の断面形状のみ異なる。そして、図11において第3実施形態の構成要素と同一のものには同一の符号を付けた。
本変形例でも、冷却流路20の空気の流れ方向と垂直な面での断面の膜−電極接合体2に対向する領域が凹凸形状21となっているが、その凹凸形状21はサインカーブのような滑らかな曲線形状である。
このように流路内面積を増大させる起伏形状を曲面形状としてもよい。
(Third Modification)
FIG. 11 shows a fuel cell system according to a modification of the third embodiment, which differs from the third embodiment only in the cross-sectional shape of the cooling flow path 20. And in FIG. 11, the same code | symbol was attached | subjected to the same thing as the component of 3rd Embodiment.
Also in this modification, the region facing the membrane-electrode assembly 2 in the cross section in the plane perpendicular to the air flow direction of the cooling flow path 20 has the uneven shape 21, but the uneven shape 21 is a sine curve. Such a smooth curved shape.
Thus, the undulating shape that increases the area in the flow path may be a curved surface shape.

さらに、冷却流路形状は第3実施形態と第3変形例に示したものに限らず、例えば、空気の流れ方向と垂直な断面が凹凸形状を有する円形であったりしてもよい。また、第3実施形態と第3変形例では、冷却流路19、20の断面の凹凸形状18、21が膜−電極接合体2に対向する部分にのみ設けられているが、他の方向に向けて設けられていても良い。そして、起伏形状は必ずしも冷却流路19、20の流れ方向に沿って全体に設けられている必要はなく、その一部分にのみ設けられていてもよい。   Furthermore, the shape of the cooling channel is not limited to that shown in the third embodiment and the third modification, and for example, a cross section perpendicular to the air flow direction may be a circle having an uneven shape. Further, in the third embodiment and the third modification, the concave and convex shapes 18 and 21 of the cross sections of the cooling channels 19 and 20 are provided only in the portion facing the membrane-electrode assembly 2, but in other directions. It may be provided. And the undulation shape does not necessarily need to be provided in the whole along the flow direction of the cooling flow paths 19 and 20, and may be provided only in the part.

(第4実施形態)
図12は、本発明の第4実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。図12において、第1実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付けた。
(Fourth embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to the flow direction of the cell flow path of the solid polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention is applied. In FIG. 12, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

第4実施形態の燃料電池システムは、酸化剤側セパレータを形成する多孔質体が第1実施形態のものと異なり、前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域が、多孔質体の母材中に、当該母材よりも熱伝導率が大きい材料を分散させた多孔質体により形成されている。なお、冷却流路9の形状には特に制限がなく、矩形状、円形状、その他全ての形状が適用できる。   The fuel cell system of the fourth embodiment is different from that of the first embodiment in that the porous body forming the oxidant-side separator is different from that of the first embodiment, and at least the region that separates the cooling channel from the reaction channel and the periphery of the cooling channel. One region is formed by a porous body in which a material having a higher thermal conductivity than the base material is dispersed in the base material of the porous body. In addition, there is no restriction | limiting in particular in the shape of the cooling flow path 9, A rectangular shape, circular shape, and all other shapes are applicable.

そして、第4実施形態の多孔質体22、23は、その母材が多孔質カーボンであり、且つ、内部に分散された該母材より熱伝導度が大きい材料が金属粉25であるものである。
前記母材は多孔質カーボンに限られず、例えば、金属メッシュ、金属発泡体などの多孔質金属などでもよく、本実施形態のように、分散された該母材より熱伝導度が大きい材料が金属などの導電性材料である場合には、非導電性多孔質体であってもよい。
And the porous bodies 22 and 23 of 4th Embodiment are the metal powder 25 whose base material is porous carbon and whose material whose thermal conductivity is larger than this base material disperse | distributed inside. is there.
The base material is not limited to porous carbon, and may be, for example, a porous metal such as a metal mesh or a metal foam. A material having a higher thermal conductivity than the dispersed base material is a metal, as in this embodiment. In the case of a conductive material such as, a non-conductive porous body may be used.

分散された該母材より熱伝導度が大きい材料は、金属に限られず、特に制限されるものではない。金属材料を用いる場合は、耐蝕性に優れるものが好ましく、例えば、チタン、ステンレス等の耐腐食性の高いものなどが好適である。   The material having a higher thermal conductivity than the dispersed base material is not limited to metal, and is not particularly limited. In the case of using a metal material, those having excellent corrosion resistance are preferred, and for example, those having high corrosion resistance such as titanium and stainless steel are suitable.

そして、本実施形態では、分散する材料25の形状が粉体状であるが、細片状、又は棒状でもよく、大きさは、多孔質層24に収まるものであれば、特に制限されないが、分散性の点からは0.01mm〜1mm程度の大きさであることが好ましい。   And in this embodiment, although the shape of the material 25 to disperse is a powder form, it may be a strip or a rod, and the size is not particularly limited as long as it fits in the porous layer 24. From the viewpoint of dispersibility, the size is preferably about 0.01 mm to 1 mm.

特に好適に用いられる母材中に分散される材料は、金属粉、金属片、又は金属棒である。これは、一般に金属が高い導電性を有しており、これらが多孔質体22、23に分散されていると、セパレータの集電体としての機能が高まるからである。   The material dispersed in the base material used particularly preferably is a metal powder, a metal piece, or a metal bar. This is because the metal generally has high conductivity, and when these are dispersed in the porous bodies 22 and 23, the function of the separator as a current collector is enhanced.

本実施形態では、多孔質体22、23全体にほぼ均一に、前記金属粉25が分散されているが、一部の領域のみに分散されているものでもよい。ただし、セパレータ4の厚み方向にある幅をもって分散されていることが好ましい。   In the present embodiment, the metal powder 25 is dispersed substantially uniformly throughout the porous bodies 22 and 23, but may be dispersed only in a part of the region. However, the separator 4 is preferably dispersed with a certain width in the thickness direction.

このように、金属粉25などの熱伝導率が大きい材料が分散していることにより多孔質体22、23の熱伝導度が高まり、且つ、金属粉が多孔質体22、23とそこを通る水、又は多孔質体22、23からなる冷却流路表面とそこに到達した水との間の熱伝達率を増大させる。従って、液体状の水への気化熱の供給効率が高まり、水の気化効率が高まる。
このように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、水の気化効率が高いので、周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
As described above, the material having high thermal conductivity such as the metal powder 25 is dispersed, so that the thermal conductivity of the porous bodies 22 and 23 is increased, and the metal powder passes through the porous bodies 22 and 23. The heat transfer coefficient between the surface of the cooling flow path composed of water or the porous bodies 22 and 23 and the water reaching the water is increased. Therefore, the supply efficiency of the heat of vaporization to liquid water increases, and the vaporization efficiency of water increases.
As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, since the water vaporization efficiency is high, the heat of vaporization taken from the surroundings also increases. Therefore, the fuel cell system of this embodiment is excellent in cooling efficiency.

そして、冷却流路での気化効率が良好なので、多孔質層24中の水の滞留が起こりにくくなり、膜−電極接合体2で生成した水の多孔質層24中への移動が促進され、酸化剤極から水が効率的に除去され、フラッディングの発生が効果的に防止される。
また、水の気化量が多いので、冷却流路9を流れる空気を効率よく加湿することとなる。加湿されたその空気は、例えば、次に反応流路10に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこと等で有効利用することもできる。
And since the vaporization efficiency in the cooling flow path is good, the retention of water in the porous layer 24 is less likely to occur, and the movement of the water generated in the membrane-electrode assembly 2 into the porous layer 24 is promoted, Water is efficiently removed from the oxidizer electrode, and flooding is effectively prevented.
Moreover, since the amount of water vaporization is large, the air flowing through the cooling flow path 9 is efficiently humidified. The humidified air, for example, is then introduced into the reaction channel 10 to supply moisture to the oxidant electrode side located upstream thereof, and used to prevent local drying of the solid polymer electrolyte membrane. In addition, it can be used effectively by, for example, being used to supply reaction water for the reforming reaction by being introduced into the reformer.

(第5実施形態)
図13は、本発明の第5実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に沿った面での断面図である。
第5実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状が第1実施形態のものと異なり、冷却流路26の内面の少なくとも一領域に、酸化剤ガス流の乱流を発生させる乱流発生手段(例えば、矩形状凹凸27など)を設ける。以下、第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。なお、図13中、第1実施形態の構成要素と同一のものには同一符号を付けた。
(Fifth embodiment)
FIG. 13 is a cross-sectional view taken along a flow direction of a cell flow path of a solid polymer electrolyte fuel cell to which a fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention is applied.
The fuel cell system of the fifth embodiment differs from that of the first embodiment in the shape of the cooling flow path, and generates turbulent flow that generates turbulent flow of oxidant gas flow in at least one region of the inner surface of the cooling flow path 26. Means (for example, rectangular unevenness 27 and the like) are provided. Only differences from the first embodiment will be described below. In FIG. 13, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

図13に示した冷却流路26の空気の流れ方向に沿った面での断面は、膜−電極接合体2に対向する面側に流路26の上流から下流に向けて断続的に設けた矩形状凹凸27を有している。冷却流路26の内面に乱流発生手段となる矩形状凹凸27を形成したので、冷却流路内面の空気流の境界層が乱れ、乱流が発生する。この乱流により、冷却流路表面からの水の気化効率が増大する。
このように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、水の気化効率が高いので、水の気化量が多くなりまた、水の気化効率の増大によって、周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
The cross section of the cooling channel 26 shown in FIG. 13 on the surface along the air flow direction is provided intermittently from the upstream side to the downstream side of the channel 26 on the surface side facing the membrane-electrode assembly 2. A rectangular unevenness 27 is provided. Since the rectangular irregularities 27 serving as the turbulent flow generating means are formed on the inner surface of the cooling flow path 26, the boundary layer of the air flow on the inner surface of the cooling flow path is disturbed, and turbulence is generated. This turbulent flow increases the efficiency of water vaporization from the cooling channel surface.
Thus, in the fuel cell system according to the present embodiment, since the water vaporization efficiency is high, the amount of water vaporization increases, and the increase in water vaporization efficiency increases the heat of vaporization taken from the surroundings. Therefore, the fuel cell system of this embodiment is excellent in cooling efficiency.

そして、冷却流路26での気化効率が高いので、多孔質層11中の水の滞留が起こりにくくなり、膜−電極接合体2で生成した水の多孔質層11中への移動が促進され、酸化剤極から水が効率的に除去され、フラッディングの発生が防止される。
また、結果的に冷却流路26を流れる空気を効率よく加湿することとなる。この加湿された空気は、燃料電池の発電のために有効利用することもできる。
And since the vaporization efficiency in the cooling flow path 26 is high, the retention of water in the porous layer 11 hardly occurs, and the movement of the water generated in the membrane-electrode assembly 2 into the porous layer 11 is promoted. Water is efficiently removed from the oxidizer electrode, and flooding is prevented from occurring.
As a result, the air flowing through the cooling flow path 26 is efficiently humidified. This humidified air can be effectively used for power generation of the fuel cell.

本実施形態では、乱流を発生させる手段は、流路の上流から下流に向けて断続的に設けた矩形状凹凸27であるが、矩形以外の断続的な起伏を流路の上流から下流に向けて設けても良く、そのほかにも、冷却流路内面の空気流の境界層を乱し、層流から乱流へと変化させうる手段ならば他のものでもよい。例えば、冷却流路に高さ0.1mm程度の凹凸からなる面粗度を有する内面を設けたり、冷却流路の進行方向を角度をつけて多数回屈曲させたり、或いは、冷却流路内に空気の流れを妨げるような障害物を配置することでも良い。特に、加工が容易であることから、冷却流路に、流れ方向に沿って凹凸形状を形成したり、冷却流路内面にディンプル形状などの微細な凹凸形状をつけたりすることで、面粗度を大きくし、空気流に乱流を起こさせることが好ましい。   In this embodiment, the means for generating the turbulent flow is the rectangular unevenness 27 provided intermittently from the upstream to the downstream of the flow path, but intermittent undulations other than the rectangle are provided from the upstream to the downstream of the flow path. In addition, any other means may be used as long as it can disturb the boundary layer of the air flow on the inner surface of the cooling flow path and change the flow from laminar flow to turbulent flow. For example, the cooling channel is provided with an inner surface having a surface roughness composed of irregularities with a height of about 0.1 mm, the traveling direction of the cooling channel is bent many times at an angle, or in the cooling channel It is also possible to arrange an obstacle that obstructs the air flow. In particular, since the processing is easy, the surface roughness can be reduced by forming an uneven shape along the flow direction in the cooling channel or by providing a fine uneven shape such as a dimple shape on the inner surface of the cooling channel. It is preferable to increase the size and cause turbulence in the air flow.

(第6実施形態)
図14は、本発明の第6実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に垂直な面での断面図である。
第6実施形態の燃料電池システムは、酸化剤側セパレータを形成する多孔質層が第1実施形態のものと異なり、冷却流路9と反応流路10を隔てる領域及び冷却流路9の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材中に微細チューブ材料31を分散させた多孔質体により形成する。以下、第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。図14において、第1実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付けた。なお、冷却流路の形状には特に制限がなく、矩形状、円形状、その他全ての形状が適用できる。
(Sixth embodiment)
FIG. 14 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the flow direction of the cell flow path of the solid polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system according to the sixth embodiment of the present invention is applied.
In the fuel cell system of the sixth embodiment, the porous layer forming the oxidant side separator is different from that of the first embodiment. At least one region is formed by a porous body in which the fine tube material 31 is dispersed in the base material of the porous body. Only differences from the first embodiment will be described below. In FIG. 14, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. In addition, there is no restriction | limiting in particular in the shape of a cooling flow path, A rectangular shape, circular shape, and all other shapes are applicable.

第6実施形態の多孔質層28は、内部にチューブ材料31を含んでいる多孔質体29、30からできている。
チューブ材料31の材質は、特に制限されるものではなく、ガラス、樹脂、金属あるいは繊維などあらゆるものが適用できる。ただし、耐蝕性に優れるものが好ましく、例えば、ガラス、樹脂、チタン、ステンレス等の耐腐食性の高いものなどが好適である。
The porous layer 28 of the sixth embodiment is made up of porous bodies 29 and 30 containing a tube material 31 inside.
The material of the tube material 31 is not particularly limited, and any material such as glass, resin, metal, or fiber can be applied. However, those having excellent corrosion resistance are preferable, and for example, those having high corrosion resistance such as glass, resin, titanium, and stainless steel are preferable.

チューブ材料31の長さは多孔質層28に収まる範囲ならばよい。ただし、多孔質層28内において、含有されるすべてのチューブ状材料31が、膜−電極接合体2とほぼ平行であってはならない。これらのことから、チューブ材料31の長さは、0.05〜0.3mmの範囲であることが好ましく、さらに好ましくは0.1〜0.2mmである。また、チューブ材料31の太さは特に制限されるものではないが、0.3mm以下であることが好ましい。そして、チューブ材料31の有する孔の形状、口径は特に制限されるものではない。そして、チューブ材料31の外径も任意である。 これらチューブ材料31の孔は、水の効果的な移動経路となるので、膜−電極接合体2の酸化剤極で生成した水の一部が、多孔質層28中を、チューブ材料31の孔を通って移動することにより、より素早く冷却流路9に到達する。従って、酸化剤極から効果的に水を排出することができる。従って、酸化剤極から水が効率的に除去され、フラッディングの発生が防止される。   The length of the tube material 31 may be in a range that can be accommodated in the porous layer 28. However, all the tubular materials 31 contained in the porous layer 28 should not be substantially parallel to the membrane-electrode assembly 2. Therefore, the length of the tube material 31 is preferably in the range of 0.05 to 0.3 mm, more preferably 0.1 to 0.2 mm. Further, the thickness of the tube material 31 is not particularly limited, but is preferably 0.3 mm or less. And the shape of the hole which the tube material 31 has, and a diameter are not restrict | limited in particular. And the outer diameter of the tube material 31 is also arbitrary. Since the holes of the tube material 31 serve as an effective movement path of water, a part of the water generated at the oxidant electrode of the membrane-electrode assembly 2 passes through the porous layer 28 in the hole of the tube material 31. By moving through, the cooling flow path 9 is reached more quickly. Therefore, water can be effectively discharged from the oxidizer electrode. Accordingly, water is efficiently removed from the oxidizer electrode, and flooding is prevented from occurring.

また、単位時間当たり、多くの水を冷却流路9に到達させることになるので、冷却流路9内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池の加湿システムは冷却効率に優れている。   In addition, since a large amount of water is allowed to reach the cooling flow path 9 per unit time, the amount of water vaporization in the cooling flow path 9 increases, and the vaporization heat taken away from the surroundings increases accordingly. Therefore, the humidification system of the fuel cell of this embodiment is excellent in cooling efficiency.

また、本実施形態の燃料電池システムでは、上記のように冷却流路9を流れる空気中に、電極反応で生成した水が気化し、その空気を加湿する。加湿されたその空気は、例えば、次に反応流路10に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこともできる。   Moreover, in the fuel cell system of this embodiment, the water produced | generated by electrode reaction vaporizes in the air which flows through the cooling flow path 9 as mentioned above, and the air is humidified. The humidified air, for example, is then introduced into the reaction channel 10 to supply moisture to the oxidant electrode side located upstream thereof, and used to prevent local drying of the solid polymer electrolyte membrane. In addition, it can be used to supply reaction water for the reforming reaction by introducing it into the reformer.

(第7実施形態)
図15は、本発明の第7実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第7実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状が第1実施形態のものと異なり、冷却流路32の内面の少なくとも一領域に、周囲の多孔質体に侵入する切り込み33を形成する。以下、第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。なお、図15において、第1実施形態と同一の構成要素は同一の符号で示した。
(Seventh embodiment)
FIG. 15 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to the flow direction of the cell flow path of the solid polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system according to the seventh embodiment of the present invention is applied.
The fuel cell system of the seventh embodiment differs from that of the first embodiment in the shape of the cooling channel, and forms a notch 33 that enters the surrounding porous body in at least one region of the inner surface of the cooling channel 32. . Only differences from the first embodiment will be described below. In FIG. 15, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

本実施形態の冷却流路32は、その内面の一領域に膜−電極接合体2に向かって延びる複数の切り込み33を有している。この切り込み33は、冷却流路32の空気の流れ方向に延びてはおらず、線状に形成された孔である。
この切り込み33の長さ、孔形状、口径、及び設けられる数は特に制限されるものではない。また、設けられる方向についても特に制限はないが、本実施形態のように膜−電極接合体2に向けて設けられることが好ましい。
The cooling channel 32 of the present embodiment has a plurality of cuts 33 extending toward the membrane-electrode assembly 2 in a region of the inner surface. The cut 33 does not extend in the air flow direction of the cooling flow path 32 but is a hole formed in a linear shape.
The length, the hole shape, the diameter, and the number of the cuts 33 are not particularly limited. Moreover, there is no restriction | limiting in particular about the direction provided, However, It is preferable to provide toward the membrane-electrode assembly 2 like this embodiment.

これら切り込み33は、水の効果的な移動経路となる。膜−電極接合体2の酸化剤極で生成した水の一部が、多孔質層11中を、切り込み33を通って移動することにより、より素早く冷却流路32に到達する。従って、酸化剤極から水が効果的に排出され、フラッディングの発生が防止される。
また、単位時間当たり、多くの水を冷却流路32に到達させることになるので、冷却流路32内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
These notches 33 provide an effective movement path for water. A part of the water generated at the oxidant electrode of the membrane-electrode assembly 2 moves through the cut 33 in the porous layer 11, thereby reaching the cooling flow path 32 more quickly. Therefore, water is effectively discharged from the oxidizer electrode, and flooding is prevented from occurring.
Further, since a large amount of water reaches the cooling flow path 32 per unit time, the amount of water vaporization in the cooling flow path 32 increases, and accordingly, the heat of vaporization taken from the surroundings also increases. Therefore, the fuel cell system of this embodiment is excellent in cooling efficiency.

冷却流路32を流れる空気はより効果的に加湿される。加湿されたその空気は、例えば、次に反応流路10に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこともできる。   The air flowing through the cooling channel 32 is humidified more effectively. The humidified air, for example, is then introduced into the reaction channel 10 to supply moisture to the oxidant electrode side located upstream thereof, and used to prevent local drying of the solid polymer electrolyte membrane. In addition, it can be used to supply reaction water for the reforming reaction by introducing it into the reformer.

(第8実施形態)
図16は、本発明の第8実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図である。
第8実施形態の燃料電池システムは、冷却流路の形状及びそれを設ける位置が第1実施形態のものと異なり、冷却流路9の底部9aと反応流路10の底部10aとが正面に向き合うように流路を配置する。なお、図16において、第1実施形態と同一の構成要素は同一の符号で示してある。
(Eighth embodiment)
FIG. 16 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to the flow direction of the cell flow path of the solid polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system according to the eighth embodiment of the present invention is applied.
The fuel cell system of the eighth embodiment is different from that of the first embodiment in the shape of the cooling channel and the position where the cooling channel is provided, and the bottom 9a of the cooling channel 9 and the bottom 10a of the reaction channel 10 face the front. The flow path is arranged as follows. In FIG. 16, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

本実施形態での冷却流路9は、その空気の流れと垂直な断面の形状が矩形であり、且つ、その底部9aの幅が反応流路10の底部10aの幅とほぼ同じになっている。さらに、前記冷却流路の底部9aが、前記反応流路の底部10aと平行になるように設けられている。
このように、冷却流路の底部9aと反応流路の底部10aとを正面に向き合うように流路9、10を配置しているので、両流路間の距離が短くなり、反応流路10から冷却流路9への水の移動距離が短くなる。そのため、膜−電極接合体2の酸化剤極で生成した水は、より素早く冷却流路9に到達する。従って、酸化剤極から水が効果的に排出され、フラッディングの発生が防止される。
The cooling channel 9 in this embodiment has a rectangular cross-sectional shape perpendicular to the air flow, and the width of the bottom 9a is substantially the same as the width of the bottom 10a of the reaction channel 10. . Furthermore, the bottom 9a of the cooling channel is provided in parallel with the bottom 10a of the reaction channel.
Thus, since the flow paths 9 and 10 are arranged so that the bottom 9a of the cooling flow path and the bottom 10a of the reaction flow path face each other, the distance between both flow paths is shortened, and the reaction flow path 10 The movement distance of water from the cooling channel 9 to the cooling channel 9 is shortened. Therefore, the water generated at the oxidant electrode of the membrane-electrode assembly 2 reaches the cooling channel 9 more quickly. Therefore, water is effectively discharged from the oxidizer electrode, and flooding is prevented from occurring.

なお、冷却流路の底部9aの幅と、反応流路の底部10aの幅が異なる場合には、冷却流路の断面において底部9aの幅を2等分する中点と、反応流路の断面において底部10aの幅を2等分する中点とが正面に向き合うように流路9、10を配置する。   When the width of the bottom 9a of the cooling channel is different from the width of the bottom 10a of the reaction channel, the midpoint of dividing the width of the bottom 9a into two in the cross section of the cooling channel and the cross section of the reaction channel In FIG. 5, the flow paths 9 and 10 are arranged so that the midpoint that bisects the width of the bottom 10 a faces the front.

また、単位時間当たり、多くの水を冷却流路9に到達させることになるので、冷却流路9内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは冷却効率に優れている。
また、膜−電極接合体2で生成した水の除去がより効率的になり、反応ガス流路10の下流側(反応流路の出口付近)のフラッディングの発生が防止される。
冷却流路9を流れる空気は効率良く加湿される。加湿されたその空気は、次に反応流路10に導入することで、その上流に位置する酸化剤極側に水分を供給し、固体高分子電解質膜の局部的な乾燥を防ぐために使うことができる他、次に改質器に導入することで改質反応の反応水を供給するために使うこともできる。
In addition, since a large amount of water is allowed to reach the cooling flow path 9 per unit time, the amount of water vaporization in the cooling flow path 9 increases, and the vaporization heat taken away from the surroundings increases accordingly. Therefore, the fuel cell system of this embodiment is excellent in cooling efficiency.
Further, the water generated in the membrane-electrode assembly 2 is more efficiently removed, and flooding downstream of the reaction gas channel 10 (near the outlet of the reaction channel) is prevented.
The air flowing through the cooling channel 9 is efficiently humidified. The humidified air is then introduced into the reaction channel 10 to supply moisture to the oxidant electrode side located upstream thereof, and used to prevent local drying of the solid polymer electrolyte membrane. In addition, it can be used to supply reaction water for the reforming reaction by introducing it into the reformer.

以上に説明した全ての実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池への本発明に係る燃料電池システムの適用を示したが、他のタイプの燃料電池、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池などにおいても、適用できる。特に、それらの生成水を排出する側の反応ガス流路に本発明を適用することが好ましい。また、以上の説明では、第1実施形態に第2〜第8実施形態を個々に組み合わせた例を示したが、第1実施形態に第2〜第8実施形態のうち2つ以上の形態の特徴を組み合わせて、本発明の効果を更に向上させることが出来る。   In all the embodiments described above, the application of the fuel cell system according to the present invention to a solid polymer electrolyte fuel cell has been shown. However, other types of fuel cells, such as phosphoric acid fuel cells, molten carbon dioxide, The present invention can also be applied to a salt fuel cell, a solid oxide fuel cell, and the like. In particular, it is preferable to apply the present invention to the reaction gas channel on the side of discharging the generated water. Moreover, although the example which combined the 2nd-8th embodiment with 1st Embodiment was shown in the above description, two or more forms of 2nd-8th embodiment were shown to 1st Embodiment. The effects of the present invention can be further improved by combining features.

以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムによれば、冷却流路の周囲が全て多孔質体であり、その多孔質体からなる表面積が大きいこと、及び、多孔質体中のほぼ全ての空間が水の有効な移動経路となっていることから、膜−電極接合体の酸化剤極側からの水が、冷却流路の表面に多く、且つ、効率良く到達することになって、水の気化効率が高くなる。そのため、冷却流路内での水の気化量が多くなり、それに伴って周囲から奪う気化熱も大きくなる。従って、セルを効率よく冷却することができる。   As described above, according to the fuel cell system of the present invention, the entire periphery of the cooling flow path is a porous body, the surface area made of the porous body is large, and almost all of the porous body. Since the space is an effective movement path of water, a large amount of water from the oxidant electrode side of the membrane-electrode assembly reaches the surface of the cooling channel, and efficiently reaches the surface. Water vaporization efficiency increases. For this reason, the amount of water vaporized in the cooling channel increases, and the heat of vaporization taken away from the surroundings increases accordingly. Therefore, the cell can be efficiently cooled.

そして、多孔質体中の水の滞留が起こりにくくなり、生成水の多孔質体中への浸入が促進される。従って、酸化剤極からの水の除去が効率的になり、酸化剤ガス流路の下流側(反応流路の出口付近)のフラッディングの発生が防止される。
また、結果的に冷却流路を流れる空気を充分に加湿することができ、そのまま反応ガスとして利用し固体高分子電解質膜を湿潤に保ったり、水蒸気改質反応や水性ガスシフト反応の改質器に水蒸気を供給したりすることもできる。
And it becomes difficult for the stagnation of water in the porous body to occur, and the penetration of the generated water into the porous body is promoted. Therefore, the removal of water from the oxidant electrode becomes efficient, and the occurrence of flooding on the downstream side of the oxidant gas channel (near the outlet of the reaction channel) is prevented.
As a result, the air flowing through the cooling channel can be sufficiently humidified, and can be used as it is as a reaction gas to keep the solid polymer electrolyte membrane moist, or as a reformer for a steam reforming reaction or a water gas shift reaction. Water vapor can also be supplied.

冷却流路の表面積とその冷却流路を流れる空気への生成水の蒸発量との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the surface area of a cooling flow path, and the evaporation amount of the produced water to the air which flows through the cooling flow path. 冷却流路断面積とその冷却流路を流れる空気への生成水の蒸発量との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between a cooling channel cross-sectional area and the evaporation amount of the produced water to the air which flows through the cooling channel. 冷却流路を形成する多孔質体の密度とその冷却流路を流れる空気への生成水の蒸発量との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the density of the porous body which forms a cooling flow path, and the evaporation amount of the produced water to the air which flows through the cooling flow path. 本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図。1 is an exploded perspective view showing a configuration of a cell of a solid polymer electrolyte fuel cell to which a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention is applied. 本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。1 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to a flow direction of a cell flow path of a solid polymer electrolyte fuel cell to which a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention is applied. 第1実施形態の第1変形例に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。Sectional drawing in a surface perpendicular | vertical to the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on the 1st modification of 1st Embodiment is applied. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the structure of the cell of the solid polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention is applied. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。Sectional drawing in the surface perpendicular | vertical to the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention is applied. 第2実施形態の第2変形例に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。Sectional drawing in a surface perpendicular | vertical to the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on the 2nd modification of 2nd Embodiment is applied. 本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。Sectional drawing in the surface perpendicular | vertical to the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment of this invention is applied. 第3実施形態の第3変形例に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。Sectional drawing in the surface perpendicular | vertical to the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on the 3rd modification of 3rd Embodiment is applied. 本発明の第4実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。Sectional drawing in the surface perpendicular | vertical to the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment of this invention is applied. 本発明の第5実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に沿った面での断面図。Sectional drawing in the surface along the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment of this invention is applied. 本発明の第6実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に垂直な面での断面図。Sectional drawing in a surface perpendicular | vertical to the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on 6th Embodiment of this invention is applied. 本発明の第7実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向に垂直な面での断面図。Sectional drawing in a surface perpendicular | vertical to the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on 7th Embodiment of this invention is applied. 本発明の第8実施形態に係る燃料電池システムを適用した固体高分子電解質型燃料電池のセルの流路の流れ方向と垂直な面での断面図。Sectional drawing in a surface perpendicular | vertical to the flow direction of the flow path of the cell of the polymer electrolyte fuel cell to which the fuel cell system which concerns on 8th Embodiment of this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

1…セル
2…膜−電極接合体
3…燃料極側セパレータ
4…酸化剤極側セパレータ
6…酸化剤ガス流路
7…溝
8…燃料ガス流路
9…冷却流路
9a…冷却流路の底部
9b…冷却流路の最も隣接セル寄りの部分
10…反応流路
10a…反応流路の底部
10b…反応流路の最も隣接セル寄りの部分
11…多孔質層
12…緻密層
13…第1の多孔質体
14…第2の多孔質体
15…溝
16…溝
17…溝
18…凹凸形状
19…冷却流路
20…冷却流路
21…凹凸形状
22…第1の多孔質体
23…第2の多孔質体
24…多孔質層
25…金属粉
26…冷却流路
27…矩形状凹凸
28…多孔質層
29…第1の多孔質体
30…第2の多孔質体
31…チューブ材料
32…冷却流路
33…切り込み

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cell 2 ... Membrane-electrode assembly 3 ... Fuel electrode side separator 4 ... Oxidant electrode side separator 6 ... Oxidant gas channel 7 ... Groove 8 ... Fuel gas channel 9 ... Cooling channel 9a ... Cooling channel Bottom portion 9b: Portion of cooling channel closest to adjacent cell 10: Reaction channel 10a: Bottom portion of reaction channel 10b: Portion of reaction channel closest to adjacent cell 11 ... Porous layer 12 ... Dense layer 13: First Porous body 14 ... second porous body 15 ... groove 16 ... groove 17 ... groove 18 ... uneven shape 19 ... cooling channel 20 ... cooling channel 21 ... uneven shape 22 ... first porous body 23 ... first 2 porous body 24 ... porous layer 25 ... metal powder 26 ... cooling flow path 27 ... rectangular unevenness 28 ... porous layer 29 ... first porous body 30 ... second porous body 31 ... tube material 32 ... Cooling channel 33 ... Incision

Claims (8)

電解質の両側に配設された電極と、電極のさらに外側に配設されたセパレータと、を有するセルを少なくとも一つ備えてなる燃料電池システムであって、
セパレータの一部が多孔質体で形成されていると共に、該多孔質体の電極に接する多孔質体表面部に配設され、電極に反応ガスを供給する反応流路と、該多孔質体内部に配設され、反応流路を流れる反応ガスに比べて湿度の低い冷却ガスを流通させる冷却流路とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising at least one cell having electrodes disposed on both sides of an electrolyte, and a separator disposed further outside the electrode,
A part of the separator is formed of a porous body, and is disposed on the surface of the porous body that is in contact with the electrode of the porous body, and supplies a reaction gas to the electrode, and the interior of the porous body And a cooling channel that circulates a cooling gas having a humidity lower than that of the reaction gas flowing through the reaction channel.
前記冷却流路の内面の少なくとも一領域を、流路内面積を増大させる起伏形状にした、請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein at least one region of the inner surface of the cooling flow path is formed in an undulating shape that increases an area in the flow path. 前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材よりも熱伝導率が大きい材料を分散させた多孔質体により形成した、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   The region separating the cooling channel from the reaction channel and at least one region around the cooling channel are formed of a porous material in which a material having a higher thermal conductivity than the base material of the porous material is dispersed. Item 3. The fuel cell system according to Item 1 or 2. 前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、酸化剤ガス流の乱流を発生させる乱流発生手段を設けた、請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池システム。   4. The fuel cell system according to claim 1, wherein turbulent flow generating means for generating turbulent flow of an oxidant gas flow is provided in at least one region of the inner surface of the cooling flow path. 前記冷却流路と前記反応流路を隔てる領域及び冷却流路の周囲の少なくとも一領域を、多孔質体の母材中に微細チューブ材料を分散させた多孔質体により形成した、請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池システム。   The region separating the cooling channel from the reaction channel and at least one region around the cooling channel are formed of a porous body in which a fine tube material is dispersed in a base material of the porous body. 5. The fuel cell system according to any one of 4. 前記冷却流路の内面の少なくとも一領域に、周囲の多孔質体に侵入する切り込みを形成した、請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein a cut is formed in at least one region of the inner surface of the cooling channel to enter a surrounding porous body. 前記冷却流路の底部と前記反応流路の底部が正面に向き合うように流路を配置した、請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the flow path is disposed so that a bottom of the cooling flow path and a bottom of the reaction flow path face each other. 前記冷却流路の下流側に前記反応流路が接続されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein the reaction channel is connected to a downstream side of the cooling channel.
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