JP4285160B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池に関し、電解質膜の保水を良好にした燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and relates to a fuel cell in which water retention of an electrolyte membrane is improved.

固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体（ただし、積層方向は任意でよい）からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ A solid polymer electrolyte fuel cell is composed of a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (however, the lamination direction may be arbitrary). The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane, an electrode composed of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane (anode, fuel electrode), and an electrode composed of a catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane ( Cathode, air electrode). Between the membrane-electrode assembly and the separator, diffusion layers are provided on the anode side and the cathode side, respectively. In the separator, a fuel gas passage for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode is formed, and an oxidizing gas passage for supplying oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode. The separator is also formed with a refrigerant flow path for flowing a refrigerant (usually cooling water). A cell is formed by stacking a membrane-electrode assembly and a separator, a module is formed from at least one cell, a module is stacked to form a cell stack, and terminals, insulators, end plates are formed at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. The cell stack is clamped in the cell stacking direction and fixed with fastening members (for example, tension plates), bolts and nuts extending in the cell stacking direction, thereby forming a stack.
In each cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons is performed on the anode side, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side. On the cathode side, oxygen, hydrogen ions, and electrons (neighboring MEA) Next, the following reaction is performed to generate water from electrons generated at the anode of the first electrode through the separator or electrons generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction through the external circuit to the cathode of the other cell.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O

発電反応が円滑に起こるには、電解質膜が湿潤状態にあることが必要である。
カソード側で酸化ガス出口は生成水により膜は湿潤状態になるが、酸化ガス入口側は膜は乾きやすく、電池性能および膜の耐久性が低下しやすい。膜の乾燥を抑制するには、反応ガスを加湿（水滴で供給すると拡散層は撥水処理されているため膜への浸透が悪いので、加湿の状態で供給）して供給することが有効であるが、別に加湿水を入れる加湿タンクが必要になり、車両搭載用としては適さないという問題がある。
加湿タンクをもたずに膜の乾燥を防止するには、燃料ガスと酸化ガスを互いに対向流とし、酸化ガス出口の生成水を膜を浸透させて燃料ガスの入口に移行させ、燃料ガスとともに燃料ガスの出口側に流し、燃料ガスの出口で再び膜を浸透させて酸化ガスの入口に循環させることが有効である。しかし、生成水の自己循環は、反応ガスの流量の多い高電流密度領域では多量の生成水が循環して有効であるが、反応ガスの流量の少ない低電流密度領域では生成水の循環量が少なく、低電流密度領域での膜乾燥防止には効果が少ないという問題がある。 In order for the power generation reaction to occur smoothly, the electrolyte membrane needs to be in a wet state.
On the cathode side, the membrane is moistened by the generated water at the oxidizing gas outlet, but the membrane tends to dry on the oxidizing gas inlet side, and the battery performance and the durability of the membrane are likely to deteriorate. In order to suppress the drying of the membrane, it is effective to supply the reactant gas after it is humidified (if it is supplied with water droplets, the diffusion layer is treated with water repellency, so the penetration into the membrane is poor, so it is supplied in a humidified state). However, there is a problem that a humidifying tank for adding humidified water is required, which is not suitable for mounting on a vehicle.
In order to prevent the membrane from drying without having a humidification tank, the fuel gas and the oxidizing gas are made to flow opposite to each other, and the generated water at the outlet of the oxidizing gas is permeated through the membrane and transferred to the fuel gas inlet. It is effective to flow to the fuel gas outlet side, permeate the membrane again at the fuel gas outlet, and circulate it through the inlet of the oxidizing gas. However, self-circulation of product water is effective because a large amount of product water circulates in the high current density region where the flow rate of the reaction gas is large, but the circulation rate of product water is low in the low current density region where the flow rate of the reaction gas is small. There is a problem that it is less effective in preventing film drying in a low current density region.

特開平５−２８３０９４号公報は、燃料電池のカソード側の生成水をアノード側へ多孔質体を介して移行させることを開示している。その方法では、加湿タンクをもたずに、また低電流密度領域でも、多孔質体の表面張力により、カソードの生成水をアノードに移行させることができる。しかし、必要なのは電極の湿潤ではなく、電解質膜の湿潤であり、カソードからアノードへの生成水の移行による方法は、電解質膜の湿潤に直接寄与するものではないので、電池性能の維持および膜の耐久性の維持に果たす効果は少ない。
特開平５−２８３０９４号公報 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 5-28394 discloses that water produced on the cathode side of a fuel cell is transferred to the anode side through a porous body. In this method, the generated water of the cathode can be transferred to the anode by the surface tension of the porous body without having a humidifying tank and even in a low current density region. However, what is needed is not the electrode wetting, but the electrolyte membrane wetting, and the method of transferring water from the cathode to the anode does not directly contribute to the wetting of the electrolyte membrane. There is little effect in maintaining durability.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-28304

本発明が解決しようとする問題点は、従来の燃料電池における、電解質膜の湿潤に伴う問題、すなわち、加湿タンクを必要とする、低電流密度領域で膜が乾燥しやすい、多孔質体の利用における膜自体の湿潤の効果が少ない、等の問題である。   The problem to be solved by the present invention is the problem with the electrolyte membrane in a conventional fuel cell, that is, the use of a porous body that requires a humidification tank and the membrane is easily dried in a low current density region. There is a problem that the effect of wetting of the film itself is small.

本発明の目的は、加湿タンクを設ける必要がない（または設けても小型ですむ）、低電流密度領域でも膜（全域）を湿潤できる、膜自体の湿潤への寄与が大きい、燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell that does not require a humidification tank (or is small even if it is provided), can wet the membrane (entire region) even in a low current density region, and greatly contributes to wetting of the membrane itself. There is to do.

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１） セルを積層したセル積層体を有し、セルが、電解質膜、アノード、カソードを含むＭＥＡと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路と、セル積層方向に複数せルにわたって延び燃料ガス流路の入口側および出口側にそれぞれ接続される入口側燃料ガスマニホールドおよび出口側燃料ガスマニホールドと、セル積層方向に複数せルにわたって延び酸化ガス流路の入口側および出口側にそれぞれ接続される入口側酸化ガスマニホールドおよび出口側酸化ガスマニホールドとを有する燃料電池であって、前記電解質膜と、前記出口側酸化ガスマニホールドを含む流路部とを、前記電解質膜の一部を延ばして形成した、電解質膜自体からなる吸水体で連通した燃料電池。 The present invention for solving the above problems and achieving the above object is as follows.
(1) It has a cell stack in which cells are stacked, and the cell includes an MEA including an electrolyte membrane, an anode, and a cathode, a fuel gas channel that supplies fuel gas to the anode, and an oxidizing gas that supplies oxidizing gas to the cathode A flow path , an inlet side fuel gas manifold and an outlet side fuel gas manifold connected to the inlet side and the outlet side of the fuel gas flow path, respectively, extending in the cell stacking direction, and extending in the cell stacking direction. a fuel cell having an inlet side and an inlet side oxidizing gas manifold and an outlet side oxidizing gas manifold is connected to the outlet side of the oxidizing gas channel, wherein the electrolyte membrane, the flow path including the outlet side oxidizing gas manifold The fuel cell is formed by extending a part of the electrolyte membrane and communicating with a water absorbent formed of the electrolyte membrane itself .

上記（１）の燃料電池によれば、電解質膜と、出口側酸化ガスマニホールドを含む流路部とを吸水体で連通したので、生成水は流路部から吸水体を通して電解質膜に移行し電解質膜自体を直接湿潤する。したがって、膜自体の湿潤への寄与が大きい。また、生成水の利用であるため、加湿タンクを別に設ける必要がない（または設けても小型ですむ）。また、生成水の移行は水の吸水体中および膜中の浸透拡散によるため、反応ガスの流量、流速に影響されず、低電流密度領域でも膜全域を湿潤させることができる。 According to the fuel cell of (1) above, since the electrolyte membrane and the flow path portion including the outlet side oxidizing gas manifold are communicated by the water absorbent, the generated water is transferred from the flow path portion to the electrolyte membrane through the water absorbent. Wet the membrane itself directly. Therefore, the contribution to the wetness of the membrane itself is great. In addition, since the generated water is used, it is not necessary to provide a humidification tank separately (or even if it is provided, it is small). In addition, since the generated water is transferred by osmotic diffusion in the water absorber and in the membrane, the entire membrane can be wetted even in a low current density region without being affected by the flow rate and flow velocity of the reaction gas.

上記（１）の燃料電池によれば、吸水体が電解質膜自体であるため、吸水体の吸水作用、吸水体から膜への水分移行は円滑であり、膜の浸透拡散によって膜全域を円滑に湿潤することができる。 According to the fuel cell of ( 1 ), since the water absorbing body is the electrolyte membrane itself, the water absorbing action of the water absorbing body and the water transfer from the water absorbing body to the membrane are smooth, and the entire membrane is smoothly smoothed by the permeation diffusion of the membrane. Can be wet.

上記（１）の燃料電池によれば、流路部が出口側の酸化ガスマニホールドを含むので、出口側の酸化ガスマニホールドにある多量の生成水を吸水体を通して電解質膜に導き電解質膜の全域に浸透拡散させることができる。 According to the fuel cell of the above (1), since the flow path unit includes an oxidizing gas manifold outlet side, the whole area of the electrolyte membrane leads to a large amount of generated water in the oxidizing gas manifold on the outlet side to the electrolyte membrane through water-absorbent structure Can penetrate and diffuse.

以下に、本発明の燃料電池を図１〜図６を参照して説明する。ただし、図６は比較例で、本発明に含まれない。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。 Below, the fuel cell of this invention is demonstrated with reference to FIGS. However, FIG. 6 is a comparative example and is not included in the present invention.
The fuel cell of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.

固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、ガスを拡散する拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。 The solid polymer electrolyte fuel cell 10 is composed of a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18. The stacking direction is arbitrary. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 having a catalyst layer 12 disposed on one surface of the electrolyte membrane, and a catalyst disposed on the other surface of the electrolyte membrane 11. It comprises an electrode (cathode, air electrode) 17 having a layer 15. Between the membrane-electrode assembly and the separator 18, diffusion layers 13 and 16 for diffusing gas are provided on the anode side and the cathode side, respectively.
The membrane-electrode assembly and the separator 18 are overlapped to form a cell 19, a module is formed from at least one cell, the modules are stacked to form a cell stack, and terminals 20 and insulators are formed at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. 21, end plate 22 is arranged, the cell stack is clamped in the cell stacking direction, and is fixed with a fastening member (for example, tension plate 24) extending in the cell stacking direction outside the cell stack, bolts and nuts 25, The stack 23 is configured.

セパレータ１８は、カーボン、または金属、または金属と樹脂、または導電性を付与された樹脂、の何れか、またはその組み合わせ、からなる。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。冷媒流路はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられる。ガス流路２７には燃料ガス（水素）が流れ、ガス流路２８には酸化ガス（酸素含有ガス、通常は空気）が流れる。望ましくは、燃料ガスの流れと酸化ガスの流れが膜１１を隔てて対向流となるように、ガス流路２７、２８が形成される。 The separator 18 is made of carbon, metal, metal and resin, or resin imparted with conductivity, or a combination thereof.
The separator 18 is formed with a fuel gas flow path 27 for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode 14 and an oxidizing gas flow path 28 for supplying oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode 17. Is formed. In addition, a coolant channel 26 for flowing a coolant (usually cooling water) is formed on the surface of the separator 18 opposite to the gas channels 27 and 28. The refrigerant flow path is provided for each cell or for each of a plurality of cells (for example, for each module). A fuel gas (hydrogen) flows through the gas flow path 27, and an oxidizing gas (oxygen-containing gas, usually air) flows through the gas flow path 28. Desirably, the gas flow paths 27 and 28 are formed such that the flow of the fuel gas and the flow of the oxidizing gas are opposed to each other across the membrane 11.

セパレータ１８には、燃料ガスマニホールド３０（入口側３０ａ、出口側３０ｂ）、酸化ガスマニホールド３１（入口側３１ａ、出口側３１ｂ）、冷媒マニホールド２９（入口側２９ａ、出口側２９ｂ）が形成され、それぞれ、セパレータ１８をセル積層方向に貫通している。
セル１９においてセパレータ１８間、および電解質膜１１とセパレータ１８との間は、接着材兼シール材３２によりシールされている。また、セル１９間はゴムガスケット３３によりシールされている。ただし、ゴムガスケット３３は接着材兼シール材３２であってもよい。３４はマニホールド出入り口部に設けられるシーリングプレートである。 The separator 18 is formed with a fuel gas manifold 30 (inlet side 30a, outlet side 30b), an oxidizing gas manifold 31 (inlet side 31a, outlet side 31b), and a refrigerant manifold 29 (inlet side 29a, outlet side 29b), respectively. The separator 18 penetrates in the cell stacking direction.
In the cell 19, the separator 18 and the electrolyte membrane 11 and the separator 18 are sealed with an adhesive / sealant 32. The space between the cells 19 is sealed with a rubber gasket 33. However, the rubber gasket 33 may be an adhesive and seal material 32. Reference numeral 34 denotes a sealing plate provided at the manifold entrance / exit.

燃料ガスは燃料ガスマニホールド３０（入口側３０ａ）からセルの燃料ガス流路２７に流入し、発電で消費され、残りがセルの燃料ガス流路２７から燃料ガスマニホールド３０（出口側３０ｂ）に流出する。酸化ガスは酸化ガスマニホールド３１（入口側３１ａ）からセルの酸化ガス流路２８に流入し、酸素の一部が発電で消費され、残りがセルの酸化ガス流路２８から酸化ガスマニホールド３１（出口側３１ｂ）に流出する。
酸化ガス流路２８の下流部および出口側酸化ガスマニホールド３１ｂは、生成水が多く、湿潤過多の状態になりやすく、その近傍の膜１１は十分に湿潤されている。
反応ガス（燃料ガスおよび／または酸化ガス）は加湿されないで供給される（ただし、加湿されて供給されてもよい）。加湿されないで供給された場合、酸化ガス流路２８の上流部および入口側酸化ガスマニホールド３１ａは乾いた状態になりやすく、その近傍の膜１１は乾燥しやすい。とくに、乾燥した空気が多量に供給される高電流密度領域では、膜１１が乾燥しやすい。 The fuel gas flows from the fuel gas manifold 30 (inlet side 30a) into the fuel gas flow path 27 of the cell, is consumed by power generation, and the rest flows out from the fuel gas flow path 27 of the cell to the fuel gas manifold 30 (outlet side 30b). To do. The oxidizing gas flows from the oxidizing gas manifold 31 (inlet side 31a) into the oxidizing gas channel 28 of the cell, a part of oxygen is consumed by power generation, and the rest from the oxidizing gas channel 28 of the cell to the oxidizing gas manifold 31 (outlet). To the side 31b).
The downstream portion of the oxidizing gas flow path 28 and the outlet side oxidizing gas manifold 31b have a large amount of produced water and are likely to be excessively wet, and the membrane 11 in the vicinity thereof is sufficiently wetted.
The reactive gas (fuel gas and / or oxidizing gas) is supplied without being humidified (however, it may be supplied after being humidified). When supplied without being humidified, the upstream portion of the oxidizing gas passage 28 and the inlet side oxidizing gas manifold 31a are likely to be in a dry state, and the membrane 11 in the vicinity thereof is easily dried. In particular, in a high current density region where a large amount of dry air is supplied, the film 11 is easily dried.

膜１１が乾燥すると、その部分でプロトンが膜１１中を移行しにくくなり発電性能が低下し、耐久性も低下するので、本発明では、つぎの膜乾燥防止対策がとられている。
電解質膜１１、アノード１４、カソード１７を含むＭＥＡと、アノード１４に燃料ガスを供給する燃料ガス流路２７と、カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路２８とを有する燃料電池１０において、電解質膜１１と生成水の多い流路部とが、吸水体３５で連通されている。 When the membrane 11 is dried, protons are less likely to migrate through the membrane 11 and the power generation performance is lowered and the durability is also lowered. Therefore, in the present invention, the following measures for preventing membrane drying are taken.
In the fuel cell 10 having the MEA including the electrolyte membrane 11, the anode 14, and the cathode 17, the fuel gas passage 27 that supplies fuel gas to the anode 14, and the oxidizing gas passage 28 that supplies oxidizing gas to the cathode. The membrane 11 and the flow path portion with a large amount of generated water are communicated with each other through a water absorbing body 35.

吸水体３５は、吸水するとともに吸った水をそれ自体の中において移行させる。
吸水体３５は、たとえば、電解質膜自体である。すなわち、電解質膜１１の一部を、１本以上、所定幅で所定長、帯状に、延ばし、その延ばした部分（耳部）１１ａを吸水体３５として使用する。 The water absorbing body 35 absorbs water and transfers the sucked water in itself.
The water absorbing body 35 is, for example, the electrolyte membrane itself. That is, a portion of the electrolyte membrane 11, one or more, predetermined length at a predetermined width, the strip, to use extension bridges, the extension if portions (ear portions) 11a as absorbent core 35.

吸水体３５の一部が晒される、生成水の多い流路部は、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂを含む。また、生成水の多い流路部は、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂのみであってもよいし、あるいは出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂとそれに接続する酸化ガス流路２８のガス出口部であってもよい。 Some of the water-absorbent structure 35 is exposed, a lot of product water flow path unit includes an oxidizing gas manifold 31b of the exit side. Further, the flow path portion with a large amount of generated water may be only the outlet side oxidizing gas manifold 31b, or the outlet side oxidizing gas manifold 31b and the gas outlet portion of the oxidizing gas channel 28 connected thereto. Also good .

生成水の多い流路部が、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂとそれに接続する酸化ガス流路２８のガス出口部である場合は、図１に示すように、電解質膜１１の一部の延ばした部分１１ａを接着材兼シール材３２を挿通させて出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂ中に臨ませ、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂ中で曲げ、酸化ガス流路２８のガス出口部に進入させる構造とする。出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂから酸化ガス流路２８のガス出口部に進入する部位において、電解質膜１１の一部の延ばした部分１１ａがセパレータ１８の凸部やリブと干渉する場合は、セパレータ１８の凸部やリブにトンネルを形成しておき、そこを、電解質膜１１の一部の延ばした部分１１ａを通すようにする。このようにすることによって、吸水体３５である電解質膜１１の一部の延ばした部分１１ａは、酸化ガス流路２８のガス出口部の水を吸水するとともに、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂ中を流れる水を吸水して、吸水体３５中を通して、電解質膜１１全域に浸透拡散させ、電解質膜１１の最も乾きやすい部分である、入口側の酸化ガスマニホールド３１ａ近傍の電解質膜部分をも湿潤させる。 Often flow path unit of product water, if a gas outlet portion of the outlet side of the oxidizing gas manifold 31b and oxidizing gas passage 28 connected to it, as shown in FIG. 1, if a part of the extending of the electrolyte membrane 11 A structure in which the portion 11a is inserted through the adhesive / sealant 32, is exposed to the oxidizing gas manifold 31b on the outlet side, is bent in the oxidizing gas manifold 31b on the outlet side, and enters the gas outlet portion of the oxidizing gas flow path 28. And In part entering from the oxidizing gas manifold 31b on the outlet side to the gas outlet of the oxidizing gas channel 28, when a portion of the extending Invite portion 11a of the electrolyte membrane 11 interfere with the convex portion and the rib of the separator 18, the separator 18 previously formed a tunnel protrusions or ribs, therefrom, to pass a part of the extending Invite portion 11a of the electrolyte membrane 11. By doing so, the portion 11a where if a part of the extending the electrolyte membrane 11 is a water-absorbent structure 35, as well as water water gas outlet portion of the oxidizing gas channel 28, the oxidizing gas manifold 31b in the outlet Is absorbed and diffused throughout the electrolyte membrane 11 through the water absorbing body 35, and the electrolyte membrane portion near the oxidizing gas manifold 31a on the inlet side, which is the most dry portion of the electrolyte membrane 11, is also wetted. .

図６は、比較例（従来例）を示す。比較例では、電解質膜１１には、一部の延ばした部分１１ａは無く、また、電解質膜１１は、酸化ガスマニホールド３１ｂの手前で、接着材兼シール材３２中で止まっており、酸化ガスマニホールド３１ｂ中に臨んでいない。 FIG. 6 shows a comparative example (conventional example). In the comparative example, the electrolyte membrane 11, rather than part 11a that if part of the casting and also the electrolyte membrane 11, before the oxidizing gas manifold 31b, and stops in the adhesive and sealing material 32, the oxidizing gas It does not face the manifold 31b.

図５は、本発明の場合と、比較例の場合における、燃料電池の出力電圧と燃料電池の電流密度との関係の傾向を示している。従来に比べて、本発明の膜はみだし構造（膜１１の耳部１１ａを生成水の多い流路部分にはみ出させた構造）では、低および中電流密度領域における出力電圧が増加している。
低電流密度域では、従来は、燃料ガスと酸化ガスとを対向流としても、低電流密度域でガス流速が低下して生成水が自己循環しにくくなるので、電解質膜の全域が乾きやすく、出力電圧の低下が生じていた。それに対し、本発明では、低電流密度域でガス流速が低下しても、それと無関係に生成水は吸水体３５で吸水され、電解質膜１１に水分移行し、電解質膜１１に到ると電解質膜１１中を浸透拡散して、膜１１全域が湿潤される。その結果、本発明では、従来に比べて、低電流密度領域における出力電圧が増加する。
高電流密度域では、従来も、本発明の場合でも、生成水の生成量が多く、燃料ガスと酸化ガスとを対向流として酸化ガス下流部の生成水を自己循環させることにより、膜１１の「ほぼ」全域を湿潤できる。「ほぼ」全域である理由は、従来は、燃料ガスと酸化ガスとを対向流としても、なお酸化ガス流路入口部は若干乾き気味になるからである。それに対して、本発明では、電解質膜１１の浸透拡散により、従来の酸化ガス流路入口部の若干乾き気味現象も改善される。
また、電解質膜１１の湿潤は、電解質膜１１の耐久性をも、当然に向上させる。 FIG. 5 shows the tendency of the relationship between the output voltage of the fuel cell and the current density of the fuel cell in the case of the present invention and the comparative example. Compared with the conventional case, the output voltage in the low and medium current density regions is increased in the protruding structure of the present invention (the structure in which the ear portion 11a of the film 11 is protruded from the flow path portion where much generated water is present).
In the low current density region, conventionally, even if the fuel gas and the oxidizing gas are counterflowed, the gas flow rate decreases in the low current density region and the generated water is less likely to self-circulate. The output voltage was reduced. On the other hand, in the present invention, even if the gas flow rate is lowered in the low current density region, the generated water is absorbed by the water absorbing body 35 regardless of the gas flow rate, moves to the electrolyte membrane 11, and reaches the electrolyte membrane 11. The entire area of the membrane 11 is wetted by osmosis and diffusion in the area 11. As a result, in the present invention, the output voltage in the low current density region increases as compared with the conventional case.
In the high current density region, both in the case of the present invention and in the case of the present invention, the amount of generated water is large, and the generated water in the downstream portion of the oxidizing gas is self-circulated by using the fuel gas and the oxidizing gas as counterflows. “Almost” the entire area can be moistened. The reason for “substantially” the entire region is that, conventionally, even if the fuel gas and the oxidizing gas are made to flow in opposite directions, the oxidizing gas passage inlet is slightly dry. On the other hand, in the present invention, the slightly dry taste phenomenon at the inlet portion of the conventional oxidizing gas channel is improved by the permeation and diffusion of the electrolyte membrane 11.
In addition, the wetness of the electrolyte membrane 11 naturally improves the durability of the electrolyte membrane 11.

つぎに、本発明の作用、効果を説明する。   Next, functions and effects of the present invention will be described.

本発明の燃料電池１０では、電解質膜１１と出口側酸化ガスマニホールドを含む流路部とを吸水体３５で連通したので、生成水は、出口側酸化ガスマニホールドを含む流路部から吸水体を通して電解質膜１１に移行し、さらに電解質膜１１中を浸透拡散し、電解質膜１１自体を、直接かつ効果的に、湿潤する。 In the fuel cell 10 of the present invention, since the electrolyte membrane 11 and the flow path portion including the outlet side oxidizing gas manifold are communicated with each other through the water absorbent 35, the generated water passes through the water absorbent from the flow path portion including the outlet side oxidizing gas manifold. It moves to the electrolyte membrane 11, further permeates and diffuses through the electrolyte membrane 11, and wets the electrolyte membrane 11 itself directly and effectively.

生成水を利用して膜１１を湿潤する方式であるため、加湿タンクを別に設ける必要がない（設けても小型ですむ）。また、吸水体３５中の生成水の移行は水の吸水体中の浸透拡散によるため、水分移行が反応ガスの流量、流速に影響されず（反応ガスの流速が「０」である場合においても水分移行は進行する）、低電流密度領域でも膜１１が乾燥しない（またはしにくい）。
吸水体３５中を通しての水分移行であるため、反応ガスの加湿の場合や電極間の水分移行のような間接的な膜の湿潤ではなく、直接的で効率のよい膜１１の湿潤となる。
従来の、反応ガスを介しての湿潤の場合は、反応ガスの流れの中の水分は、撥水処理を施した拡散層によって遮られて膜湿潤への寄与が少ない。また、従来の、電極間の水分移行の場合は、水分移行体と電極との間の水分移行、および電極と膜全体との間の水分移行を円滑にするための対策が必要になるという問題が生じる。本発明では、これらの問題が生じない。 Since the membrane 11 is moistened using the generated water, it is not necessary to provide a humidification tank separately (there is a small size). Further, since the generated water in the water absorbent 35 is transferred by osmotic diffusion in the water absorbent, the moisture transfer is not affected by the flow rate and flow rate of the reaction gas (even when the flow rate of the reaction gas is “0”). Moisture transfer proceeds), and the film 11 does not dry (or hardly) even in a low current density region.
Since moisture is transferred through the water-absorbing body 35, the film 11 is directly and efficiently wetted, not in the case of humidification of the reaction gas or indirect wettability of the film as in the case of moisture transfer between the electrodes.
In the case of conventional wetting via a reaction gas, moisture in the flow of the reaction gas is blocked by the diffusion layer subjected to the water repellent treatment and contributes little to the film wetting. In addition, in the case of conventional moisture transfer between electrodes, there is a need for measures to facilitate moisture transfer between the moisture transfer body and the electrode and between the electrode and the entire membrane. Occurs. In the present invention, these problems do not occur.

吸水体３５が電解質膜自体（膜自体に形成された耳部１１ａ）であるので、吸水体３５の吸水作用、および吸水体３５から膜１１本体への水分移動が円滑であり、膜１１の全域を、円滑にかつ効果的に湿潤することができる。 Since water absorber 35 is an electrolyte membrane itself (ear portions 11a formed in the membrane itself), water action of the water-absorbent structure 35, and it is a smooth water movement from the water absorber 35 film 11 to the main body, the entire region of the film 11 Can be moistened smoothly and effectively.

吸水体３５の一部が晒される、流路部が、出口側の酸化ガスマニホールド３１ｂを含むので、生成水を多量に吸水体３５を通して電解質膜１１に導き、電解質膜１１中を電解質膜１１全域に浸透拡散させることができる。 Partially exposed of the absorbent core 35, the flow path section, since an oxidizing gas manifold 31b on the outlet side, generating water large amount of lead to the electrolyte membrane 11 through the water-absorbent structure 35, the electrolyte membrane 11 throughout the middle electrolyte membrane 11 Can penetrate and diffuse.

本発明の燃料電池の、吸水体とその近傍の、断面図（図２のＡ−Ａ断面図）である。It is sectional drawing (AA sectional drawing of FIG. 2) of the water absorption body and its vicinity of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池のセル面の正面図である。It is a front view of the cell surface of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の全体側面図である。1 is an overall side view of a fuel cell according to the present invention. 本発明の燃料電池の一部の断面図（図２のＢ−Ｂ断面図）である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view (cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 2) of the fuel cell of the present invention. 本発明の燃料電池と、比較例の燃料電池の、出力電圧／電流密度のグラフである。It is a graph of output voltage / current density of the fuel cell of the present invention and the fuel cell of the comparative example. 従来の燃料電池の、図１と同じ部分に対応する部分の、断面図である。It is sectional drawing of the part corresponding to the same part as FIG. 1 of the conventional fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１１ａ 電解質膜を一部延ばした部分（「耳部」ともいう）
１２、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
２９ａ 入口側冷媒マニホールド
２９ｂ 出口側冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３０ａ 入口側燃料ガスマニホールド
３０ｂ 出口側燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３１ａ 入口側酸化ガスマニホールド
３１ｂ 出口側酸化ガスマニホールド
３２ 接着材兼シール材
３３ ゴムガスケット
３４ シーリングプレート
３５ 吸水体 10 (solid polymer electrolyte) fuel cells 11 the electrolyte membrane 11a membrane part and if extended portions (also referred to as "ears")
12, 15 Catalyst layer 13, 16 Diffusion layer 14 Electrode (anode, fuel electrode)
17 electrodes (cathode, air electrode)
18 Separator 19 Cell 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Bolt 26 Refrigerant channel 27 Fuel gas channel 28 Oxidizing gas channel 29 Refrigerant manifold 29a Inlet side refrigerant manifold 29b Outlet side refrigerant manifold 30 Fuel gas manifold 30a Inlet side fuel gas manifold 30b Outlet side fuel gas manifold 31 Oxidizing gas manifold 31a Inlet side oxidizing gas manifold 31b Outlet side oxidizing gas manifold 32 Adhesive material / sealant 33 Rubber gasket 34 Sealing plate 35 Water absorbent

Claims (1)

セルを積層したセル積層体を有し、セルが、電解質膜、アノード、カソードを含むＭＥＡと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路と、セル積層方向に複数せルにわたって延び燃料ガス流路の入口側および出口側にそれぞれ接続される入口側燃料ガスマニホールドおよび出口側燃料ガスマニホールドと、セル積層方向に複数せルにわたって延び酸化ガス流路の入口側および出口側にそれぞれ接続される入口側酸化ガスマニホールドおよび出口側酸化ガスマニホールドとを有する燃料電池であって、前記電解質膜と、前記出口側酸化ガスマニホールドを含む流路部とを、前記電解質膜の一部を延ばして形成した、電解質膜自体からなる吸水体で連通した燃料電池。 A cell stack including cells stacked, the cell including an MEA including an electrolyte membrane, an anode, and a cathode, a fuel gas channel that supplies fuel gas to the anode, and an oxidizing gas channel that supplies oxidizing gas to the cathode An inlet-side fuel gas manifold and an outlet-side fuel gas manifold connected to the inlet side and the outlet side of the fuel gas flow path, respectively, extending in the cell stacking direction, and an oxidizing gas flow extending in the cell stacking direction A fuel cell having an inlet side oxidizing gas manifold and an outlet side oxidizing gas manifold respectively connected to an inlet side and an outlet side of a path , wherein the electrolyte membrane and a flow path portion including the outlet side oxidizing gas manifold A fuel cell which is formed by extending a part of the electrolyte membrane and communicated with a water absorbent made of the electrolyte membrane itself .
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