JP4453426B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に関し、電解質膜へガスを供給する流路を備えた燃料電池に適用して好適である。   The present invention relates to a fuel cell, and is suitable for application to a fuel cell having a flow path for supplying gas to an electrolyte membrane.

燃料電池は、アノード側に供給した水素と、カソード側に供給した酸素を反応させて電力を発生するため、アノード側、カソード側にはそれぞれ水素、酸素の流路が設けられている。例えば、特開平１１−１６５９１号公報には、ガス供給用流路と、ガス供給用流路とは不連続に配設されたガス排出用流路とをセパレータに配設し、ガス供給用流路に供給されたガスが電極を通り抜けてガス排出用流路へ排出される構成が開示されている。   Since the fuel cell generates electric power by reacting hydrogen supplied to the anode side and oxygen supplied to the cathode side, hydrogen and oxygen flow paths are provided on the anode side and the cathode side, respectively. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-16591, a gas supply channel and a gas discharge channel disposed discontinuously with the gas supply channel are disposed in a separator, A configuration is disclosed in which a gas supplied to a passage passes through an electrode and is discharged to a gas discharge passage.

特開平１１−１６５９１号公報JP-A-11-16591 特開２００３−１００３２１号公報JP 2003-10031 A 特開２００２−３１３３６７号公報JP 2002-313367 A 特開平６−１６８７２８号公報JP-A-6-168728

しかしながら、特開平１１−１６５９１号公報に記載された技術では、ガス供給用流路に供給されたガスはあらゆる方向に拡散しながら電極を通過するため、拡散方向が触媒層の方向でないガスは、触媒層の手前で他の方向に拡散してしまい、触媒層に到達しない。このため、ガスの利用効率が低下し、燃料電池の効率が低下する虞がある。   However, in the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-16591, the gas supplied to the gas supply channel passes through the electrode while diffusing in all directions. Therefore, the gas whose diffusion direction is not the direction of the catalyst layer is It diffuses in the other direction before the catalyst layer and does not reach the catalyst layer. For this reason, there is a possibility that the utilization efficiency of the gas is lowered and the efficiency of the fuel cell is lowered.

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、電極に供給したガスの利用効率を高め、燃料電池の効率を向上させることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object thereof is to improve the utilization efficiency of gas supplied to an electrode and improve the efficiency of a fuel cell.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質と、電解質との接触面に触媒を有する電極と、前記電極に隣接して配設されたセパレータと、を備えた燃料電池であって、前記セパレータに配設され、ガス供給流路とのみ連通し、前記電極にガスを供給する第１のガス流路と、前記第１のガス流路と前記電極との間に連通して配設され、前記第１のガス流路の圧力が前記電極近傍よりも高圧となるように差圧を発生させる差圧発生手段と、を備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell comprising an electrolyte, an electrode having a catalyst on a contact surface with the electrolyte, and a separator disposed adjacent to the electrode. Disposed in the separator, communicated only with the gas supply channel, and communicated between the first gas channel for supplying gas to the electrode, and between the first gas channel and the electrode. And a differential pressure generating means for generating a differential pressure so that the pressure in the first gas flow path is higher than that in the vicinity of the electrode.

第２の発明は、第１の発明において、前記第１のガス流路は、前記電極と対向する面に沿って延在し、前記差圧発生手段は、前記第１のガス流路内のガスの流れ方向に連続的に設けられたことを特徴とする。   In a second aspect based on the first aspect, the first gas flow path extends along a surface facing the electrode, and the differential pressure generating means is provided in the first gas flow path. It is characterized by being continuously provided in the gas flow direction.

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記差圧発生手段は、ガスが透過可能な多孔質体からなることを特徴とする。   According to a third invention, in the first or second invention, the differential pressure generating means is made of a porous material through which gas can permeate.

第４の発明は、第３の発明において、前記第１のガス流路内のガスの流れ方向において、下流側に位置する前記多孔質体ほどガスの透過性を高くしたことを特徴とする。   The fourth invention is characterized in that, in the third invention, the porous body located on the downstream side in the gas flow direction in the first gas flow path has a higher gas permeability.

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記セパレータに配設され、ガス排出流路とのみ連通し、前記電極に供給されたガスを排出する第２のガス流路を備えたことを特徴とする。   According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, the second gas flow path is disposed in the separator, communicates only with the gas discharge flow path, and discharges the gas supplied to the electrode. It is provided with.

第６の発明は、第１〜第５の発明のいずれかにおいて、前記ガス排出流路から排出されるガスの流れを停止する運転モードを備えたことを特徴とする。   A sixth invention is characterized in that, in any one of the first to fifth inventions, an operation mode for stopping a flow of gas discharged from the gas discharge flow path is provided.

第１の発明によれば、第１のガス流路の圧力が電極近傍よりも高圧となるように差圧を発生させるため、電極の手前でガスが拡散してしまうことを抑止でき、ガスを電極に確実に到達させることが可能となる。従って、より多くのガスを電極に供給することが可能となり、ガスの利用効率の低下を抑止することができる。   According to the first invention, since the differential pressure is generated so that the pressure in the first gas flow path is higher than that in the vicinity of the electrode, it is possible to prevent the gas from diffusing before the electrode. It is possible to reliably reach the electrode. Accordingly, it becomes possible to supply more gas to the electrode, and it is possible to suppress a decrease in gas utilization efficiency.

第２の発明によれば、差圧発生手段をガスの流れ方向に連続的に設けたため、差圧発生手段の平面的なスペースを広くすることができ、電極により多くのガスを到達させることができる。   According to the second invention, since the differential pressure generating means is continuously provided in the gas flow direction, the planar space of the differential pressure generating means can be widened, and more gas can reach the electrodes. it can.

第３の発明によれば、差圧発生手段をガスが透過可能な多孔質体から構成したため、第１のガス流路の圧力が電極近傍よりも高圧となるように差圧を発生させることが可能となる。   According to the third invention, since the differential pressure generating means is composed of a porous body through which gas can permeate, the differential pressure can be generated so that the pressure in the first gas flow path is higher than that in the vicinity of the electrode. It becomes possible.

第４の発明によれば、第１のガス流路内のガスの流れ方向において、下流側に位置する多孔質体ほどガスの透過性を高くしたため、第１のガス流路における圧力損失の影響を排除することができ、第１のガス流路の上流側と下流側で圧力を均一にすることができる。これにより、電極に対して均一にガスを供給することが可能となる。   According to the fourth invention, in the gas flow direction in the first gas flow path, the porous body located on the downstream side has higher gas permeability, so the influence of the pressure loss in the first gas flow path. The pressure can be made uniform on the upstream side and the downstream side of the first gas flow path. Thereby, it becomes possible to supply gas uniformly with respect to an electrode.

第５の発明によれば、電極に供給されたガスを排出する第２のガス流路を設けたため、電極に供給したガスを第２のガス流路から排出することが可能となる。また、第２のガス流はガス排出流路とのみ連通し、ガス供給流路と連通していないため、ガス供給流路を流れるガスは、電極に到達した後、第２のガス流路から排出されることとなる。従って、ガス供給流路に供給したガスを確実に電極に供給することが可能となる。   According to the fifth aspect, since the second gas flow path for discharging the gas supplied to the electrode is provided, the gas supplied to the electrode can be discharged from the second gas flow path. In addition, since the second gas flow communicates only with the gas discharge flow channel and does not communicate with the gas supply flow channel, the gas flowing through the gas supply flow channel reaches the electrode and then passes through the second gas flow channel. Will be discharged. Accordingly, the gas supplied to the gas supply channel can be reliably supplied to the electrode.

第６の発明によれば、ガス排出流路から排出されるガスの流れを停止する運転モードを備えるため、燃料電池に供給したガスを燃料電池内部に留めることができ、燃料電池内の反応を促進することができる。   According to the sixth aspect of the invention, since the operation mode for stopping the flow of the gas discharged from the gas discharge passage is provided, the gas supplied to the fuel cell can be kept inside the fuel cell, and the reaction in the fuel cell can be performed. Can be promoted.

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池１０とその周辺の構成を示す模式図である。燃料電池１０は、例えば固体高分子型分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、複数の単位セルを積層して構成されている。各単位セルは、電解質膜（分離膜）、アノード電極、カソード電極、およびセパレータを有して構成されている。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention and its periphery. The fuel cell 10 is, for example, a fuel cell (PEMFC) provided with a solid polymer separation membrane, and is configured by stacking a plurality of unit cells. Each unit cell includes an electrolyte membrane (separation membrane), an anode electrode, a cathode electrode, and a separator.

燃料電池１０のアノード電極には水素を含むアノードガスが送られ、カソード電極には酸素を含む酸化ガスが送られる。アノード電極では、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソード電極は、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１０内では電力が発生する。また、これと同時にカソード電極において、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１０内で発生する熱を吸収して水蒸気として生成される。 An anode gas containing hydrogen is sent to the anode electrode of the fuel cell 10, and an oxidizing gas containing oxygen is sent to the cathode electrode. In the anode electrode, when the anode gas is sent in, hydrogen ions are generated from hydrogen in the anode gas (H 2 → 2H + + 2e − ), and in the cathode electrode, when the cathode gas is sent in, oxygen in the cathode gas is generated. Oxygen ions are generated from the fuel and electric power is generated in the fuel cell 10. At the same time, water is generated from the hydrogen ions and oxygen ions at the cathode electrode ((1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O). Most of the water is generated as water vapor by absorbing heat generated in the fuel cell 10.

図１に示すように、アノード側から排出されたアノードオフガスの流路には、制御弁１１が設けられている。本実施形態の燃料電池１０は、アノードガス中の水素の利用効率を高めるため、制御弁１１によってアノードオフガスの流れを適宜停止させる運転（デッドエンド運転）を行う。これにより、アノードガス中の水素が燃料電池１０外に排出される量を少なくすることができ、アノードガス中の水素が反応に使われる割合をより高めることができる。   As shown in FIG. 1, a control valve 11 is provided in the flow path of the anode off gas discharged from the anode side. The fuel cell 10 of the present embodiment performs an operation (dead end operation) in which the flow of the anode off gas is appropriately stopped by the control valve 11 in order to increase the utilization efficiency of hydrogen in the anode gas. As a result, the amount of hydrogen in the anode gas discharged outside the fuel cell 10 can be reduced, and the proportion of hydrogen in the anode gas used for the reaction can be further increased.

図２は、積層方向のアノード側から単位セルを見た状態を示す模式図であって、主にアノード側に配置されたセパレータ１８の構成を示している。また、図３は、図２の一点鎖線I−I’に沿った断面を示す模式図であって、主として電解質膜１２よりもアノード側の断面を示している。図３に示すように、燃料電池１０のアノード電極は、電解質膜１２上に積層された触媒層１４、拡散層１６を有しており、拡散層１６上にはセパレータ１８が積層されている。電解質膜１２は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。触媒層１４は、例えば白金（Ｐｔ）を担持したカーボンペーストを電解質膜１２の表面に塗布することで構成されている。拡散層１６は、カーボン繊維を織成したカーボンクロス等により構成されている。セパレータ１８は、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a state in which the unit cell is viewed from the anode side in the stacking direction, and shows the configuration of the separator 18 arranged mainly on the anode side. FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross section taken along the alternate long and short dash line I-I ′ of FIG. 2, and mainly shows a cross section on the anode side of the electrolyte membrane 12. As shown in FIG. 3, the anode electrode of the fuel cell 10 has a catalyst layer 14 and a diffusion layer 16 laminated on the electrolyte membrane 12, and a separator 18 is laminated on the diffusion layer 16. The electrolyte membrane 12 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine-based resin. The catalyst layer 14 is configured by, for example, applying a carbon paste carrying platinum (Pt) to the surface of the electrolyte membrane 12. The diffusion layer 16 is made of carbon cloth or the like woven from carbon fibers. The separator 18 is formed of a gas-impermeable conductive member such as dense carbon which is compressed by carbon and impermeable to gas.

図２に示すように、単位セルの平面領域の端部には、アノードガスを供給するアノードガス供給流路２０が設けられている。アノードガス供給流路２０には複数の流路２２が接続されており、アノードガス供給流路２０に供給されたアノードガスは、流路２２を通って単位セルの平面領域のほぼ全域に送られる。   As shown in FIG. 2, an anode gas supply channel 20 for supplying an anode gas is provided at the end of the planar region of the unit cell. A plurality of flow paths 22 are connected to the anode gas supply flow path 20, and the anode gas supplied to the anode gas supply flow path 20 is sent through the flow path 22 to almost the entire planar area of the unit cell. .

図３に示すように、単位セルの積層方向においては、流路２２は拡散層１６から離れた位置に設けられている。そして、セパレータ１８の拡散層１６と対向する面には、隣接する流路２２の間に流路２４が設けられている。   As shown in FIG. 3, the flow path 22 is provided at a position away from the diffusion layer 16 in the stacking direction of the unit cells. A flow path 24 is provided between the adjacent flow paths 22 on the surface of the separator 18 facing the diffusion layer 16.

図２に示すように、流路２４はアノードガス排出流路２５と接続されている。流路２２から供給されたアノードガスは拡散層１６、触媒層１４へ送られ、その後、流路２４を経由してアノードガス排出流路２５に送られ、排出される。   As shown in FIG. 2, the flow path 24 is connected to the anode gas discharge flow path 25. The anode gas supplied from the flow path 22 is sent to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14, and then sent to the anode gas discharge flow path 25 via the flow path 24 and discharged.

図２に示すように、流路２２の端部とアノードガス排出流路２５は接続されておらず、また流路２４の端部とアノードガス供給流路２０も接続されていない。従って、流路２２に送られたアノードガスは、必ずアノード側の拡散層１６、触媒層１４に送られ、その後、流路２４を経由してアノードガス排出流路２５から排出される。従って、アノードガスが電極に供給されずに排出されることを抑止でき、反応を促進することができる。   As shown in FIG. 2, the end of the flow path 22 and the anode gas discharge flow path 25 are not connected, and the end of the flow path 24 and the anode gas supply flow path 20 are not connected. Accordingly, the anode gas sent to the flow path 22 is always sent to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 on the anode side, and then discharged from the anode gas discharge flow path 25 via the flow path 24. Therefore, the anode gas can be prevented from being discharged without being supplied to the electrode, and the reaction can be promoted.

図３に示すように、流路２２と拡散層１６の間には溝状の差圧発生部２６が設けられている。図２に示すように、差圧発生部２６は、流路２２よりも狭い幅で流路２２に沿って設けられている。そして、流路２２に供給されたアノードガスは、差圧発生部２６を通って拡散層１６、触媒層１４へ送られる。   As shown in FIG. 3, a groove-shaped differential pressure generator 26 is provided between the flow path 22 and the diffusion layer 16. As shown in FIG. 2, the differential pressure generating section 26 is provided along the flow path 22 with a narrower width than the flow path 22. The anode gas supplied to the flow path 22 is sent to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 through the differential pressure generator 26.

差圧発生部２６は流路２２よりも幅が狭く形成されているため、流路２２を流れるガスと差圧発生部２６を流れるガスの間に差圧が発生し、流路２２側のガスの圧力が拡散層１６側よりも高くなる。   Since the differential pressure generating section 26 is formed to be narrower than the flow path 22, a differential pressure is generated between the gas flowing through the flow path 22 and the gas flowing through the differential pressure generating section 26, and the gas on the flow path 22 side. Is higher than that on the diffusion layer 16 side.

従って、流路２２を流れるガスは圧力差によってアノード電極の触媒層１４に向かって流れることとなり、アノード電極に向かうガスの流れを強制的に発生させることができる。これにより、拡散層１６、触媒層１４の表面に対して垂直な方向にアノードガスを流すことができ、アノードガスが拡散層１６内で他の方向に拡散してしまうことを抑止することができる。従って、アノードガスを確実に触媒層１４に到達させることが可能となり、触媒層１４におけるガスの攪拌効果により反応の活性化を高めることができる。これにより、アノードガスの利用効率を高めることができ、燃料電池１０の効率を大幅に向上させることが可能となる。   Accordingly, the gas flowing through the flow path 22 flows toward the catalyst layer 14 of the anode electrode due to the pressure difference, and the gas flow toward the anode electrode can be forcibly generated. Thereby, the anode gas can flow in a direction perpendicular to the surfaces of the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14, and the anode gas can be prevented from diffusing in the other direction in the diffusion layer 16. . Therefore, the anode gas can surely reach the catalyst layer 14, and the activation of the reaction can be enhanced by the gas stirring effect in the catalyst layer 14. Thereby, the utilization efficiency of anode gas can be improved and the efficiency of the fuel cell 10 can be significantly improved.

特に、アノード側でデッドエンド運転が行われる燃料電池１０では、制御弁１１を適宜に開いて燃料電池１０内にアノードガスの流れを生じさせる必要があるが、本実施形態によれば、差圧発生部２６によって触媒層１４へ向かうアノードガスの流れを確実に生じさせることができるため、制御弁１１を開く時間をより短くすることができる。従って、未反応の水素が燃料電池１０から排出されることを抑えることができ、アノードガス供給流路２０から供給したアノードガスの殆どを燃料電池１０内の反応に用いることが可能となる。   In particular, in the fuel cell 10 in which the dead end operation is performed on the anode side, it is necessary to appropriately open the control valve 11 to generate a flow of anode gas in the fuel cell 10. Since the flow of the anode gas toward the catalyst layer 14 can be reliably generated by the generator 26, the time for opening the control valve 11 can be further shortened. Therefore, discharge of unreacted hydrogen from the fuel cell 10 can be suppressed, and most of the anode gas supplied from the anode gas supply channel 20 can be used for the reaction in the fuel cell 10.

また、燃料電池１０のカソード側では、上述したように反応により水分が生成されるが、この水分の一部はカソードガスに含まれる窒素とともにアノード側に透過し、アノード側の触媒層１４に吸収される場合がある。特に、アノード側でデッドエンド運転を行う場合、アノードガスの流れが少ないために触媒層１４に水分、窒素が含まれ易い状況となり、触媒層１４に水分、窒素が含まれると発電反応が阻害される場合がある。しかし、本実施形態によれば、流路２２から触媒層１４に向かうアノードガスの流れを強制的に作ることができるため、触媒層１４に流れ込んだアノードガスによって触媒層１４中に含まれる水分、窒素を押し出して排除することができる。   In addition, on the cathode side of the fuel cell 10, moisture is generated by the reaction as described above. A part of this moisture permeates to the anode side together with nitrogen contained in the cathode gas and is absorbed by the catalyst layer 14 on the anode side. May be. In particular, when the dead end operation is performed on the anode side, the flow of the anode gas is small, so that the catalyst layer 14 is likely to contain moisture and nitrogen. If the catalyst layer 14 contains moisture and nitrogen, the power generation reaction is hindered. There is a case. However, according to the present embodiment, since the flow of the anode gas from the flow path 22 toward the catalyst layer 14 can be forcibly created, the moisture contained in the catalyst layer 14 by the anode gas flowing into the catalyst layer 14, Nitrogen can be pushed out and eliminated.

従って、触媒層１４に水分、窒素が含まれて反応が抑制されてしまうことがなく、燃料電池１０の効率を高めることが可能となる。なお、触媒層１４から取り除かれた水分、窒素は、流路２４からアノードガス排出流路２５へ流れるが、流路２４またはアノードガス排出流路２５に水分、窒素等の不純物が多く蓄積された場合は、制御弁１１を開いてこれらの不純物を外部に排出する。   Therefore, moisture and nitrogen are not contained in the catalyst layer 14 and the reaction is not suppressed, and the efficiency of the fuel cell 10 can be increased. The moisture and nitrogen removed from the catalyst layer 14 flow from the flow path 24 to the anode gas discharge flow path 25, but a large amount of impurities such as moisture and nitrogen accumulated in the flow path 24 or the anode gas discharge flow path 25. In such a case, the control valve 11 is opened to discharge these impurities to the outside.

また、本実施形態の燃料電池１０では、図３に示すように、単位セルの積層方向において流路２２と拡散層１６とを離間させたため、流路２２と流路２４の単位セルの積層方向における位置が相違することとなり、流路２２と流路２４を同一階層位置に設けた場合と比べると、流路２２と流路２４をより近接させることが可能となる。従って、流路２２と流路２４を配置する平面的なスペースを縮小することができ、燃料電池１０の小型化を図ることが可能となる。   Further, in the fuel cell 10 of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the flow path 22 and the diffusion layer 16 are separated from each other in the stacking direction of the unit cells. Therefore, the flow path 22 and the flow path 24 can be brought closer to each other as compared with the case where the flow path 22 and the flow path 24 are provided at the same layer position. Therefore, the planar space in which the flow path 22 and the flow path 24 are arranged can be reduced, and the fuel cell 10 can be downsized.

図４は、本実施形態の他の例を示す模式図であって、図２と同様に積層方向から単位セルを見た状態を示している。図４の例では、差圧発生部２６を流路２２内に分割して設けている。このように、差圧発生部２６は流路２２内の一部の領域のみに設けても良い。差圧発生部２６の形状は、差圧を生じさせて流路２２を流れるガスの圧力を高めることのできる形状であれば、様々な形状を採用することができる。   FIG. 4 is a schematic diagram showing another example of the present embodiment, and shows a state in which the unit cell is viewed from the stacking direction as in FIG. In the example of FIG. 4, the differential pressure generating unit 26 is divided and provided in the flow path 22. As described above, the differential pressure generating unit 26 may be provided only in a partial region in the flow path 22. Various shapes can be adopted as the shape of the differential pressure generating portion 26 as long as the pressure of the gas flowing through the flow path 22 can be increased by generating a differential pressure.

図５は、カソードガスの供給側にも差圧発生部を設けた例を示している。図５において、カソードガスは流路２８から差圧発生部３０を通ってカソード側の拡散層１６、触媒層１４へ供給される。そして、拡散層１６、触媒層１４に供給されたカソードガスは、流路３２から排出される。このように、カソード側においても差圧発生部３０を設けることで、アノード側と同様に、触媒層１４へカソードガスを確実に到達させることができ、カソードガスの利用効率を高めることが可能となる。   FIG. 5 shows an example in which a differential pressure generator is provided also on the cathode gas supply side. In FIG. 5, the cathode gas is supplied from the flow path 28 to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 on the cathode side through the differential pressure generating unit 30. The cathode gas supplied to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 is discharged from the flow path 32. As described above, by providing the differential pressure generating section 30 also on the cathode side, the cathode gas can surely reach the catalyst layer 14 similarly to the anode side, and the utilization efficiency of the cathode gas can be improved. Become.

以上説明したように実施の形態１によれば、アノードガスを供給する流路２２とアノード電極（拡散層１６、触媒層１４）を離間させ、流路２２とアノード電極の間に差圧発生部２６を設けたため、流路２２から拡散層１６、触媒層１４に向かって確実にアノードガスを送ることが可能となる。これにより、拡散層１６内においてアノードガスが他の方向へ拡散してしまうことを抑止することができ、アノードガスを確実に触媒層１４へ到達させることが可能となる。従って、アノードガスの利用効率を高めることができ、燃料電池１０の効率を向上させることが可能となる。   As described above, according to the first embodiment, the flow path 22 for supplying the anode gas and the anode electrode (diffusion layer 16, catalyst layer 14) are separated from each other, and a differential pressure generating section is provided between the flow path 22 and the anode electrode. 26 is provided, the anode gas can be reliably sent from the flow path 22 toward the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14. As a result, the anode gas can be prevented from diffusing in the other direction in the diffusion layer 16, and the anode gas can surely reach the catalyst layer 14. Accordingly, the utilization efficiency of the anode gas can be increased, and the efficiency of the fuel cell 10 can be improved.

また、アノードガスを確実に触媒層１４に送ることができるため、カソード側からアノード側へ透過してアノード側の触媒層１４に含まれた水分、窒素を、アノードガスによって除去することが可能となる。従って、触媒層１４に水分、窒素が含まれることによる発電の阻害要因を排除することができ、燃料電池１０における反応を促進することができ、燃料電池１０の効率を高めることが可能となる。   In addition, since the anode gas can be reliably sent to the catalyst layer 14, moisture and nitrogen that permeate from the cathode side to the anode side and are contained in the catalyst layer 14 on the anode side can be removed by the anode gas. Become. Accordingly, it is possible to eliminate the power generation inhibiting factor due to the moisture and nitrogen contained in the catalyst layer 14, promote the reaction in the fuel cell 10, and increase the efficiency of the fuel cell 10.

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図６及び図７は、実施の形態２の構成を示す模式図である。図６は、実施の形態２に係る燃料電池１０の単位セルの平面構成を示す模式図であって、積層方向のアノード側から単位セルを見た状態を示している。また、図７は、図６の一点鎖線I−I’に沿った断面を示す断面図であって、主として電解質膜１２よりもアノード側の断面を示している。 Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 6 and 7 are schematic diagrams showing the configuration of the second embodiment. FIG. 6 is a schematic diagram showing a planar configuration of a unit cell of the fuel cell 10 according to Embodiment 2, and shows a state in which the unit cell is viewed from the anode side in the stacking direction. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the alternate long and short dash line II ′ of FIG. 6, and mainly shows a cross section on the anode side of the electrolyte membrane 12.

実施の形態２では、流路２２と拡散層１６の間に多孔質部３４を配設している。多孔質部３４は、例えば図２の差圧発生部２６に多孔質材料（ポーラス材料）を埋め込むことで構成され、図６に示すように流路２２よりも狭い幅で流路２２に沿って設けられている。流路２２に供給されたアノードガスは、多孔質部３４の微細な孔を通って拡散層１６、触媒層１４へ送られる。   In the second embodiment, the porous portion 34 is disposed between the flow path 22 and the diffusion layer 16. The porous portion 34 is configured by, for example, embedding a porous material (porous material) in the differential pressure generating portion 26 of FIG. 2, and has a narrower width than the flow channel 22 along the flow channel 22 as shown in FIG. Is provided. The anode gas supplied to the flow path 22 is sent to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 through fine holes in the porous portion 34.

このように、多孔質材料からなる多孔質部３４を構成することで、流路２２を流れるガスと多孔質部３４を流れるガスの間に差圧が発生し、流路２２側のガスの圧力が拡散層１６側よりも高くなる。   Thus, by forming the porous portion 34 made of a porous material, a differential pressure is generated between the gas flowing in the flow path 22 and the gas flowing in the porous portion 34, and the pressure of the gas on the flow path 22 side. Becomes higher than the diffusion layer 16 side.

従って、流路２２を流れるガスは圧力差によってアノード電極の触媒層１４に向かって流れることとなり、アノード電極に向かうガスの流れを強制的に発生させることができる。これにより、拡散層１６、触媒層１４の表面に対して垂直な方向にアノードガスを流すことができ、アノードガスが拡散層１６内で他の方向に拡散してしまうことを抑止することができる。従って、アノードガスを確実に触媒層１４に到達させることが可能となり、アノードガスの利用効率を高めることができる。   Accordingly, the gas flowing through the flow path 22 flows toward the catalyst layer 14 of the anode electrode due to the pressure difference, and the gas flow toward the anode electrode can be forcibly generated. Thereby, the anode gas can flow in a direction perpendicular to the surfaces of the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14, and the anode gas can be prevented from diffusing in the other direction in the diffusion layer 16. . Therefore, the anode gas can surely reach the catalyst layer 14 and the utilization efficiency of the anode gas can be improved.

また、多孔質部３４を設けることで、図２のように溝状に差圧発生部２６を形成した場合であっても、セパレータ１８の強度を高めることができる。   Further, by providing the porous portion 34, the strength of the separator 18 can be increased even when the differential pressure generating portion 26 is formed in a groove shape as shown in FIG.

セパレータ１８をカーボンから構成した場合、多孔質部３４も多孔質のカーボンから構成することが好適である。この場合、図２の差圧発生部２６に多孔質のカーボンを埋め込むことで多孔質部３４を配設することができる。セパレータ１８を金属から構成した場合も、金属セパレータに多孔質材料を組み合わせることで多孔質部３４を配設することができる。   When the separator 18 is made of carbon, the porous portion 34 is also preferably made of porous carbon. In this case, the porous portion 34 can be disposed by embedding porous carbon in the differential pressure generating portion 26 of FIG. Even when the separator 18 is made of metal, the porous portion 34 can be disposed by combining a porous material with the metal separator.

以上説明したように実施の形態２によれば、流路２２とアノード電極との間に多孔質部３４を設けたため、流路２２から拡散層１６、触媒層１４に向けて確実にアノードガスを送ることが可能となる。これにより、拡散層１６内においてアノードガスが他の方向へ拡散してしまうことを抑止することができ、アノードガスを確実に触媒層１４へ到達させることが可能となる。従って、アノードガスの利用効率を高めることができ、燃料電池１０の効率を向上させることが可能となる。   As described above, according to the second embodiment, since the porous portion 34 is provided between the flow path 22 and the anode electrode, the anode gas is reliably supplied from the flow path 22 toward the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14. It becomes possible to send. As a result, the anode gas can be prevented from diffusing in the other direction in the diffusion layer 16, and the anode gas can surely reach the catalyst layer 14. Accordingly, the utilization efficiency of the anode gas can be increased, and the efficiency of the fuel cell 10 can be improved.

また、アノードガスを確実に触媒層１４に送ることができるため、カソード側からアノード側へ透過してアノード側の触媒層１４に含まれた水分、窒素を、アノードガスによって除去することが可能となる。従って、触媒層１４に水分、窒素が含まれることによる発電の阻害要因を排除することができ、燃料電池１０における反応を促進することができ、燃料電池１０の効率を高めることが可能となる。   In addition, since the anode gas can be reliably sent to the catalyst layer 14, moisture and nitrogen that permeate from the cathode side to the anode side and are contained in the catalyst layer 14 on the anode side can be removed by the anode gas. Become. Accordingly, it is possible to eliminate the power generation inhibiting factor due to the moisture and nitrogen contained in the catalyst layer 14, promote the reaction in the fuel cell 10, and increase the efficiency of the fuel cell 10.

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図８は、実施の形態３の構成を示す模式図である。実施の形態３では、実施の形態２と同様に、流路２２と拡散層１６との間に多孔質部３４を設けることで差圧を生じさせている。図８は、図６と同様に積層方向のアノード側から単位セルを見た状態を示しており、説明の便宜上、アノードガス供給流路２０、流路２２、及び多孔質部３４のみを示している。 Embodiment 3 FIG.
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the third embodiment. In the third embodiment, as in the second embodiment, the differential pressure is generated by providing the porous portion 34 between the flow path 22 and the diffusion layer 16. FIG. 8 shows a state where the unit cell is viewed from the anode side in the stacking direction as in FIG. 6, and only the anode gas supply channel 20, the channel 22, and the porous portion 34 are shown for convenience of explanation. Yes.

実施の形態１で説明したように、アノードガスは流路２２を通って拡散層１６、触媒層１４へ供給される。この際、流路２２を通る間に圧力損失が生じるため、流路２２におけるアノードガスの圧力は、アノードガス供給流路２０から離れるほど小さくなる。従って、アノードガス供給流路２０から離れた位置ほど、拡散層１６、触媒層１４へ送られるアノードガスの圧力は低くなる。   As described in the first embodiment, the anode gas is supplied to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 through the flow path 22. At this time, since a pressure loss occurs while passing through the flow path 22, the pressure of the anode gas in the flow path 22 decreases as the distance from the anode gas supply flow path 20 increases. Therefore, the pressure of the anode gas sent to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 becomes lower as the position is farther from the anode gas supply channel 20.

実施の形態３では、多孔質部３４における微細孔の分布（密度）を流路２２の長手方向で可変して、アノードガス供給流路２０から離れるほど多孔質部３４におけるガスの透過性を高くしている。これにより、流路２２の下流側に位置する多孔質部３４ほどガスが抜け易くなり、アノードガス供給流路２０から離れた位置においても、拡散層１６、触媒層１４へ確実にアノードガスを供給することが可能となる。従って、流路２２の延在する方向の全域において、拡散層１６、触媒層１４に均一にアノードガスを供給することができる。   In Embodiment 3, the distribution (density) of micropores in the porous portion 34 is varied in the longitudinal direction of the flow path 22, and the gas permeability in the porous section 34 increases as the distance from the anode gas supply flow path 20 increases. is doing. As a result, the porous portion 34 located on the downstream side of the flow path 22 is more likely to escape the gas, and the anode gas is reliably supplied to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 even at a position away from the anode gas supply flow path 20. It becomes possible to do. Therefore, the anode gas can be uniformly supplied to the diffusion layer 16 and the catalyst layer 14 in the entire region in the extending direction of the flow path 22.

なお、流路２２の長手方向で多孔質部３４のガスの透過性を可変するため、多孔質部３４の微細孔の径の分布、微細孔の屈曲度、などを可変しても良い。また、流路２２の長手方向に沿って、多孔質部３４の幅を可変しても良い。   In addition, in order to vary the gas permeability of the porous portion 34 in the longitudinal direction of the flow path 22, the diameter distribution of the micropores of the porous portion 34, the degree of bending of the micropores, and the like may be varied. Further, the width of the porous portion 34 may be varied along the longitudinal direction of the flow path 22.

以上説明したように実施の形態３によれば、アノードガス供給流路２０から離れるほど多孔質部３４におけるガスの透過性を高くしたため、流路２２における圧力損失の影響を排除することができる。従って、流路２２の長手方向の全域において、アノード電極へ均一にアノードガスを供給することが可能となる。これにより、アノード電極での反応を均一に行うことができ、燃料電池１０の効率を高めることが可能となる。   As described above, according to the third embodiment, the gas permeability in the porous portion 34 is increased as the distance from the anode gas supply flow path 20 increases, so that the influence of the pressure loss in the flow path 22 can be eliminated. Therefore, the anode gas can be uniformly supplied to the anode electrode in the entire longitudinal direction of the flow path 22. Thereby, the reaction at the anode electrode can be performed uniformly, and the efficiency of the fuel cell 10 can be increased.

本発明の実施の形態１にかかる燃料電池とその周辺の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell concerning Embodiment 1 of this invention, and its periphery. 本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell concerning Embodiment 1 of this invention. 図２の一点鎖線I−I’に沿った断面を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a cross section taken along the alternate long and short dash line I-I ′ of FIG. 2. 実施の形態１の他の例を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of the first embodiment. カソード側にも差圧発生部を設けた例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example which provided the differential pressure generation part also in the cathode side. 本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell concerning Embodiment 2 of this invention. 図６の一点鎖線I−I’に沿った断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section along the dashed-dotted line I-I 'of FIG. 本発明の実施の形態３の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池
１２ 電解質膜
１４ 触媒層
１６ 拡散層
１８ セパレータ
２０ アノードガス供給流路
２２ 流路
２４ 流路
２５ アノードガス排出流路
２６ 差圧発生部
３４ 多孔質部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 12 Electrolyte membrane 14 Catalyst layer 16 Diffusion layer 18 Separator 20 Anode gas supply flow path 22 Flow path 24 Flow path 25 Anode gas discharge flow path 26 Differential pressure generation part 34 Porous part

Claims (6)

電解質と、電解質との接触面に触媒を有する電極と、前記電極に隣接して配設されたセパレータと、を備えた燃料電池であって、
前記セパレータに配設され、ガス供給流路とのみ連通し、前記電極にガスを供給する第１のガス流路と、
前記第１のガス流路と前記電極との間に連通して配設され、前記第１のガス流路の圧力が前記電極近傍よりも高圧となるように差圧を発生させる差圧発生手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising an electrolyte, an electrode having a catalyst on a contact surface with the electrolyte, and a separator disposed adjacent to the electrode,
A first gas flow path disposed in the separator, communicating only with a gas supply flow path and supplying gas to the electrode;
A differential pressure generating means that is disposed in communication between the first gas flow path and the electrode and generates a differential pressure so that the pressure of the first gas flow path is higher than the vicinity of the electrode. When,
A fuel cell comprising: 前記第１のガス流路は、前記電極と対向する面に沿って延在し、前記差圧発生手段は、前記第１のガス流路内のガスの流れ方向に連続的に設けられたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。   The first gas flow path extends along a surface facing the electrode, and the differential pressure generating means is continuously provided in the gas flow direction in the first gas flow path. The fuel cell according to claim 1. 前記差圧発生手段は、ガスが透過可能な多孔質体からなることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the differential pressure generating means is made of a porous material that allows gas to pass therethrough. 前記第１のガス流路内のガスの流れ方向において、下流側に位置する前記多孔質体ほどガスの透過性を高くしたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 3, wherein in the gas flow direction in the first gas flow path, the gas permeability is higher in the porous body located downstream. 5. 前記セパレータに配設され、ガス排出流路とのみ連通し、前記電極に供給されたガスを排出する第２のガス流路を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。   The second gas flow path disposed in the separator, communicating only with the gas discharge flow path and discharging the gas supplied to the electrode, is provided. Fuel cell. 前記ガス排出流路から排出されるガスの流れを停止する運転モードを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。   6. The fuel cell according to claim 1, further comprising an operation mode for stopping a flow of gas discharged from the gas discharge passage.
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