JP4738979B2 - Polymer electrolyte fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜をガス拡散電極で挟持した膜電極複合体と、ガス流通路が形成されたセパレータとの繰り返しからなる起電部を備えた固体高分子型燃料電池スタックに関するものであり、特に、固体高分子電解質膜を均一に加湿するための技術に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell stack having an electromotive portion formed by repetition of a membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between gas diffusion electrodes and a separator in which a gas flow passage is formed. In particular, the present invention relates to a technique for uniformly humidifying a solid polymer electrolyte membrane.

燃料電池システムは、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを供給して発電を行うシステムである。燃料電池システムのうち、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの起電部は、固体高分子電解質膜を燃料極・酸化剤極となるガス拡散電極で挟持した膜電極複合体と、ガス流通路が形成されたセパレータとの繰り返しから構成される。   The fuel cell system is a system for generating power by supplying a fuel gas containing hydrogen to a fuel electrode and supplying an oxidant gas containing oxygen to an oxidant electrode. Among fuel cell systems, in a fuel cell system using a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity as an electrolyte, the electromotive part of the fuel cell stack is a gas that uses the solid polymer electrolyte membrane as a fuel electrode and an oxidizer electrode. The membrane electrode assembly is sandwiched between diffusion electrodes and a separator having a gas flow passage is repeatedly formed.

この場合、膜電極複合体の燃料極と酸化剤極に対し、燃料ガスと酸化剤ガスは、導電性材料の平板の表面に設けられたガス流通路に沿って垂直方向から供給される。ガス流通路は、起電部の側面に配置されたガス供給マニホールドおよびガス排出マニホールドと連通しており、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、ガス供給マニホールドを介して起電部のガス流通路に供給され、ガス流通路の上流から下流へと流れた後、ガス排出マニホールドから外部へ排出される。   In this case, the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode of the membrane electrode assembly from the vertical direction along the gas flow passage provided on the surface of the flat plate of the conductive material. The gas flow passage communicates with a gas supply manifold and a gas discharge manifold arranged on the side surface of the electromotive portion, and fuel gas and oxidant gas are supplied to the gas flow passage of the electromotive portion through the gas supply manifold. After flowing from upstream to downstream of the gas flow passage, the gas is discharged from the gas discharge manifold to the outside.

一方、固体高分子電解質膜は、平衡する水蒸気圧により膜の含水率が変化し、電解質膜の抵抗が変化する特性がある。このことから、電解質膜の抵抗を小さくし、十分な発電性能を得るためには、固体高分子電解質膜に水分を加えること、すなわち、加湿が必要になる。固体高分子電解質膜を加湿する方法としては、燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式と、セパレータを介して水を直接添加する内部加湿方式がある。   On the other hand, the solid polymer electrolyte membrane has a characteristic that the moisture content of the membrane changes due to the equilibrium water vapor pressure, and the resistance of the electrolyte membrane changes. For this reason, in order to reduce the resistance of the electrolyte membrane and obtain sufficient power generation performance, it is necessary to add moisture to the solid polymer electrolyte membrane, that is, humidification. As a method for humidifying the solid polymer electrolyte membrane, there are an external humidification method in which water vapor is previously added to a fuel gas and an oxidant gas, and an internal humidification method in which water is directly added via a separator.

また、電池温度を適切な範囲内に維持するためには、電池反応の発熱を取り除いて冷却することが必要であるが、そのための冷却方法としては、起電部の複数セル毎に冷却板を挿入し、冷却板に水または空気を流して冷却する冷却板方式や、内部加湿により供給した水の蒸発潜熱により冷却する内部加湿・潜熱冷却方式などがある。   Moreover, in order to maintain the battery temperature within an appropriate range, it is necessary to remove the heat generated by the battery reaction and cool the battery. There are a cooling plate system that is inserted and cooled by flowing water or air through the cooling plate, and an internal humidification / latent heat cooling system that cools by evaporation latent heat of water supplied by internal humidification.

以上のような加湿方法と冷却方法には、密接な関係がある。例えば、外部加湿方式では、運転条件の発熱状態に応じて、数セルおきに冷却水流通路が挿入される。この外部加湿方式において、セパレータには緻密な導電性材料が使われ、燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路と冷却水流通路を形成するとともに、リークを防ぐようになっている。セパレータの両面に流通路を設ける場合、セパレータの枚数は1セル当り1〜2枚となる。   There is a close relationship between the humidification method and the cooling method as described above. For example, in the external humidification method, a cooling water flow passage is inserted every several cells according to the heat generation state of the operating conditions. In this external humidification system, a dense conductive material is used for the separator to form a fuel gas flow path, an oxidant gas flow path and a cooling water flow path, and to prevent leakage. When the flow paths are provided on both sides of the separator, the number of separators is 1 to 2 per cell.

また、内部加湿・潜熱冷却方式では、ガス流通路と同じセパレータ面に設けた加湿水をガス流通路に直接供給し、加湿水の蒸発潜熱により冷却を行う。この内部加湿・潜熱冷却方式において、セパレータには緻密な導電性材料が使われ、リークを防ぐようになっている。この方式の場合、冷却板が省略でき、セパレータの枚数は1セル当たり1枚である。   In the internal humidification / latent heat cooling system, humidified water provided on the same separator surface as the gas flow passage is directly supplied to the gas flow passage, and cooling is performed by the latent heat of vaporization of the humidified water. In this internal humidification / latent heat cooling system, a dense conductive material is used for the separator to prevent leakage. In this system, the cooling plate can be omitted, and the number of separators is one per cell.

ところで、上記のような外部加湿方式および内部加湿・潜熱冷却方式のいずれにおいても、反応による生成水は水蒸気として回収され、未反応のガスとともに排出される。電解質膜の抵抗を小さく保つため、ガス流通路の水蒸気圧は高くなり、セパレータとして緻密な材料を用いるため、水分の凝縮が起こって燃料極・酸化剤極内のガス拡散層を閉塞することにより、ガスの拡散が妨げられる。この現象は「フラッディング」と呼ばれ、固体高分子型燃料電池の性能劣化要因の1つである。   By the way, in any of the above external humidification method and internal humidification / latent heat cooling method, the water produced by the reaction is recovered as water vapor and discharged together with the unreacted gas. In order to keep the resistance of the electrolyte membrane small, the water vapor pressure in the gas flow passage becomes high, and a dense material is used as the separator, so that moisture condensation occurs and the gas diffusion layer in the fuel electrode / oxidant electrode is blocked. Gas diffusion is hindered. This phenomenon is called “flooding” and is one of the factors that degrade the performance of polymer electrolyte fuel cells.

以上のように、従来の加湿・冷却方法では、セパレータ枚数を1セル当り1〜2枚と少なく構成できるものの、フラッディングし易いという課題があった。   As described above, in the conventional humidification / cooling method, although the number of separators can be reduced to 1 to 2 per cell, there is a problem that flooding is easy.

一方、特許文献1では、セパレータとして微孔を有する導電性多孔質板を使用し、各セルに冷却水流通路を設けることにより、導電性多孔質板を介して冷却水をガス流通路に供給して加湿するとともに、生成水や凝縮した水分を導電性多孔質板を介して除去する加湿・冷却方法が開示されている。この加湿・冷却方法は、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を冷却水の圧力よりも高くしてガスのリークを防ぐとともに、セルの反応面内での均一な加湿と冷却を実現するものである。
特表平11−508726
On the other hand, in Patent Document 1, a conductive porous plate having micropores is used as a separator, and a cooling water flow passage is provided in each cell, whereby cooling water is supplied to the gas flow passage through the conductive porous plate. And a humidifying / cooling method for removing generated water and condensed water through a conductive porous plate. In this humidification / cooling method, the pressure of the fuel gas and the oxidant gas is made higher than the pressure of the cooling water to prevent gas leakage and to achieve uniform humidification and cooling in the reaction surface of the cell. .
Special table flat 11-508726

しかしながら、特許文献1による加湿・冷却方法では、全てのセルを加湿・冷却するために、セル1枚につき1個の冷却水流通路が必要になる。その結果、セパレータもセル1枚につき2枚必要となり、コストアップになるという問題がある。   However, in the humidification / cooling method according to Patent Document 1, one cooling water flow passage is required for each cell in order to humidify / cool all the cells. As a result, two separators are required for each cell, which increases the cost.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、セルの反応面内での均一な加湿と冷却を実現可能で、かつ、セパレータのコストを削減可能な固体高分子型燃料電池スタックを提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to achieve uniform humidification and cooling in the reaction surface of the cell and to reduce the cost of the separator. It is to provide a molecular fuel cell stack.

本発明は、上記のような目的を達成するために、セパレータの側面に冷却水を接触させるように冷却水マニホールドを配置して、冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面から内部に流し込み、セパレータ主表面から膜電極複合体に供給して固体高分子電解質膜を加湿することにより、セル1枚について1枚のセパレータのみを使用しながら、セルの反応面内での均一な加湿と冷却を実現したものである。   In order to achieve the above object, the present invention arranges a cooling water manifold so that the cooling water contacts the side surface of the separator, and flows the cooling water flowing through the cooling water manifold from the side surface of the separator to the inside. By supplying the membrane electrode assembly from the main surface of the separator and humidifying the solid polymer electrolyte membrane, uniform humidification and cooling within the reaction surface of the cell can be achieved while using only one separator per cell. It has been realized.

すなわち、本発明の固体高分子型燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟持した膜電極複合体と、導電性多孔質板の対向する主表面にガス拡散電極に接して配置される燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路がそれぞれ形成されたセパレータとで構成される基本構成要素の繰り返しからなる起電部を備えた固体高分子型燃料電池スタックにおいて、セパレータの側面に冷却水を接触させるように側面冷却水マニホールドが配置され、これらの側面冷却水マニホールドおよびセパレータにより、加湿手段が構成されたことを特徴としている。ここで、加湿手段は、側面冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面からセパレータ内部に流し込み、セパレータ主表面から膜電極複合体に供給して固体高分子電解質膜を加湿する手段である。   That is, the polymer electrolyte fuel cell stack according to the present invention includes a membrane electrode composite in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes, and a gas diffusion electrode on the opposing main surface of the conductive porous plate. In a polymer electrolyte fuel cell stack having an electromotive unit composed of a repetition of basic components composed of a fuel gas flow passage and a separator each having an oxidant gas flow passage formed in contact with each other, A side cooling water manifold is arranged so that the cooling water is brought into contact with the side surface, and the humidification means is constituted by the side cooling water manifold and the separator. Here, the humidifying means is means for flowing the cooling water flowing through the side surface cooling water manifold into the inside of the separator from the side surface of the separator and supplying the membrane electrode assembly from the main surface of the separator to humidify the solid polymer electrolyte membrane.

このような本発明の固体高分子型燃料電池スタックにおいては、側面冷却水マニホールドを流れる冷却水は、セパレータ側面からセパレータ内部に流れ込み、セパレータ主表面で蒸発してガス拡散電極に供給され、固体高分子電解質膜を均一に加湿する。また、膜電極複合体で発生した反応熱は、膜電極複合体主表面からセパレータ主表面に熱伝達し、セパレータ側面に向かって伝導した後、セパレータ側面から冷却水中へ熱伝達するため、膜電極複合体を均一に冷却できる。さらに、一枚のセパレータにより、燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路に加えて、冷却水流通路もまた提供されるため、セパレータの数は、セル1枚につき1枚のみとすることができる。   In such a polymer electrolyte fuel cell stack of the present invention, the cooling water flowing through the side cooling water manifold flows into the separator from the side of the separator, evaporates on the main surface of the separator, and is supplied to the gas diffusion electrode. The molecular electrolyte membrane is uniformly humidified. In addition, the reaction heat generated in the membrane electrode composite is transferred from the main surface of the membrane electrode composite to the separator main surface, conducted to the side of the separator, and then transferred from the side of the separator to the cooling water. The composite can be cooled uniformly. Further, since one separator provides a cooling water flow passage in addition to the fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage, the number of separators can be only one per cell.

本発明によれば、セルの反応面内での均一な加湿と冷却を実現可能で、かつ、セパレータのコストを削減可能な固体高分子型燃料電池スタックを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell stack that can realize uniform humidification and cooling in the reaction surface of the cell and can reduce the cost of the separator.

以下には、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの複数の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明中および図面中では、固体高分子型燃料電池スタックを「燃料電池スタック」と適宜略称する。   Hereinafter, a plurality of embodiments of a polymer electrolyte fuel cell stack according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the following description and drawings, the polymer electrolyte fuel cell stack is abbreviated as “fuel cell stack” as appropriate.

[第1の実施形態]
[構成]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタック100の構成を示す分解斜視図である。この図1に示すように、燃料電池スタック100は、電池反応を行う起電部100aが中央に配置され、その周囲に、第1、第2のガスマニホールド110,120、上下の側面冷却水マニホールド130,140、および、第1、第2のエンドプレート150,160が配置されている。ここで、起電部100aは、図中矢印で示すように、その積層方向が水平方向となるように配置されており、積層方向両端面に配置された第1、第2のエンドプレート150,160により締め付けられている。
[First Embodiment]
[Constitution]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack 100 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 100 includes an electromotive unit 100 a that performs a cell reaction in the center, and first and second gas manifolds 110 and 120 and upper and lower side surface cooling water manifolds around the electromotive unit 100 a. 130 and 140, and first and second end plates 150 and 160 are arranged. Here, the electromotive unit 100a is disposed so that the stacking direction is horizontal as indicated by the arrows in the drawing, and the first and second end plates 150, It is tightened by 160.

この場合、起電部100aの反応面(積層方向と直交する平面、エンドプレートと平行な平面)方向の形状は、一対の長辺と一対の短辺からなる長方形であり、この起電部100a反応面の短辺をなす各側面に沿って、第1、第2のガスマニホールド110,120がそれぞれ配置されている。ここで、第1のガスマニホールド110は、下部に配置された燃料入口マニホールド171と上部に配置された空気入口マニホールド181から構成されており、第2のガスマニホールド120は、上部に配置された燃料出口マニホールド172と下部に配置された空気出口マニホールド182とから構成されている。なお、図中171a,172aは燃料入口と燃料出口、図中181a,182aは空気入口と空気出口である。   In this case, the shape of the reaction surface (a plane orthogonal to the stacking direction, a plane parallel to the end plate) of the electromotive unit 100a is a rectangle including a pair of long sides and a pair of short sides, and the electromotive unit 100a. First and second gas manifolds 110 and 120 are arranged along the side surfaces forming the short side of the reaction surface. Here, the first gas manifold 110 includes a fuel inlet manifold 171 disposed at a lower portion and an air inlet manifold 181 disposed at an upper portion, and the second gas manifold 120 is a fuel disposed at an upper portion. It consists of an outlet manifold 172 and an air outlet manifold 182 disposed in the lower part. In the figure, reference numerals 171a and 172a denote a fuel inlet and a fuel outlet, and reference numerals 181a and 182a denote an air inlet and an air outlet.

また、起電部100a反応面の長辺をなす各側面であるところの、起電部100aの上下側面に沿って、上側面冷却水マニホールド130と下側面冷却水マニホールド140がそれぞれ配置されている。なお、図中201,202は、冷却水入口と冷却水出口であり、冷却水入口201から供給された冷却水は、上側面冷却水マニホールド130を介して、第1、第2のエンドプレート150,160にそれぞれ供給され、これらのエンドプレート150,160の上端から下端に向かって垂直方向に流れた後、下側面冷却水マニホールド140を介して冷却水出口202から排出されるようになっている。   Further, an upper side cooling water manifold 130 and a lower side cooling water manifold 140 are arranged along the upper and lower side surfaces of the electromotive unit 100a, which are the side surfaces forming the long side of the electromotive unit 100a reaction surface. . In the figure, reference numerals 201 and 202 denote a cooling water inlet and a cooling water outlet. The cooling water supplied from the cooling water inlet 201 passes through the upper side cooling water manifold 130 and the first and second end plates 150. , 160, and flows vertically from the upper end to the lower end of these end plates 150, 160, and then is discharged from the cooling water outlet 202 via the lower side cooling water manifold 140. .

図2は、図1に示す燃料電池スタック100内のガスの流れを示す模式図である。この図2に示すように、第1、第2のガスマニホールド110,120は、起電部100aのガス流通路と連通している。また、燃料入口マニホールド171と空気入口マニホールド181が同じ側(第1のガスマニホールド110)にあり、燃料出口マニホールド172と空気出口マニホールド182が同じ側(第2のガスマニホールド120)にあるため、燃料ガスと空気は、第1のガスマニホールド110から第2のガスマニホールド120に向かう同方向に流れる。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a gas flow in the fuel cell stack 100 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the first and second gas manifolds 110 and 120 communicate with the gas flow passage of the electromotive unit 100a. Further, since the fuel inlet manifold 171 and the air inlet manifold 181 are on the same side (first gas manifold 110) and the fuel outlet manifold 172 and the air outlet manifold 182 are on the same side (second gas manifold 120), the fuel Gas and air flow in the same direction from the first gas manifold 110 to the second gas manifold 120.

すなわち、第1のガスマニホールド110の燃料入口マニホールド171と空気入口マニホールド181は、起電部100aの点線および破線で示した燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路とそれぞれ連通していて、燃料ガス流通路に燃料ガスを供給し、酸化剤ガス流通路に空気を供給する。また、第2のガスマニホールド120の燃料出口マニホールド172と空気出口マニホールド182は、起電部100aの燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路とそれぞれ連通していて、起電部100aで未反応の燃料ガスと空気をそれぞれ排出する。   That is, the fuel inlet manifold 171 and the air inlet manifold 181 of the first gas manifold 110 communicate with the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path indicated by the dotted line and the broken line of the electromotive unit 100a, respectively. Fuel gas is supplied to the flow passage and air is supplied to the oxidant gas flow passage. The fuel outlet manifold 172 and the air outlet manifold 182 of the second gas manifold 120 communicate with the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path of the electromotive unit 100a, respectively, and are unreacted in the electromotive unit 100a. Fuel gas and air are discharged respectively.

図3は、図2に示す燃料電池スタック100のA−A’断面を部分的に示す模式図である。この図3に示すように、起電部100aは、複数積層した単位電池(セル)101から構成されている。個々の単位電池101は、固体高分子電解質膜102をアノードガス拡散電極(アノード)103およびカソードガス拡散電極(カソード)104で挟持した膜電極複合体(MEA)105と、この膜電極複合体(MEA)105に接する燃料ガス流通路103cと酸化剤ガス流通路104cをそれぞれ形成するセパレータ106から構成されている。   FIG. 3 is a schematic view partially showing an A-A ′ cross section of the fuel cell stack 100 shown in FIG. 2. As shown in FIG. 3, the electromotive unit 100 a is composed of a plurality of unit batteries (cells) 101 that are stacked. Each unit cell 101 includes a membrane electrode assembly (MEA) 105 in which a solid polymer electrolyte membrane 102 is sandwiched between an anode gas diffusion electrode (anode) 103 and a cathode gas diffusion electrode (cathode) 104, and the membrane electrode assembly ( The fuel gas flow passage 103c and the oxidant gas flow passage 104c in contact with the (MEA) 105 are respectively formed of separators 106.

この場合、隣接する膜電極複合体(MEA)105の間には、1枚のガス流通路付セパレータ106が挟持されているため、個々の単位電池101は、実質的に、図3に破線で示すように、膜電極複合体(MEA)105とその両側のセパレータ106の各半分により構成されることとなる。   In this case, since one separator 106 with a gas flow passage is sandwiched between adjacent membrane electrode assemblies (MEAs) 105, each unit cell 101 is substantially shown by a broken line in FIG. As shown, the membrane electrode assembly (MEA) 105 and the halves of the separators 106 on both sides thereof are constituted.

また、膜電極複合体(MEA)105のアノードガス拡散電極103およびカソードガス拡散電極104における固体高分子電解質膜102の挟持面には、アノード触媒層103aおよびカソード触媒層104aがそれぞれ設けられており、膜電極複合体(MEA)105は、この構成により燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素を電気化学反応させて発電を行う。   An anode catalyst layer 103a and a cathode catalyst layer 104a are provided on the sandwiching surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 102 in the anode gas diffusion electrode 103 and the cathode gas diffusion electrode 104 of the membrane electrode assembly (MEA) 105, respectively. With this configuration, the membrane electrode assembly (MEA) 105 generates electricity by causing an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas.

一方、セパレータ106は、導電性多孔質カーボン板の対向する主表面に流路溝を有する部材であり、ガス拡散電極103,104に接して配置されることにより、両側の主表面の流路溝が、燃料ガス流通路103cおよび酸化剤ガス流通路104cをそれぞれ形成する。   On the other hand, the separator 106 is a member having a channel groove on the opposing main surface of the conductive porous carbon plate, and is disposed in contact with the gas diffusion electrodes 103 and 104 so that the channel grooves on the main surfaces on both sides are disposed. However, the fuel gas flow passage 103c and the oxidant gas flow passage 104c are respectively formed.

ここで、前述したように、起電部100aの反応面の形状は、一対の長辺と一対の短辺からなる長方形であり、起電部100aの長辺をなす各側面すなわち起電部100aの上下側面に沿って、上側面冷却水マニホールド130と下側面冷却水マニホールド140がそれぞれ配置されている。そのため、この起電部100aを構成するセパレータ106の主表面形状もまた、一対の長辺と一対の短辺からなる長方形であり、その長辺をなすセパレータ側面は、上下の側面冷却水マニホールド130,140内に形成された冷却水流通路107cに接しており、したがって、この冷却水流通路107cを流れる冷却水に接触する。   Here, as described above, the shape of the reaction surface of the electromotive unit 100a is a rectangle including a pair of long sides and a pair of short sides, and each side surface forming the long side of the electromotive unit 100a, that is, the electromotive unit 100a. The upper side cooling water manifold 130 and the lower side cooling water manifold 140 are respectively arranged along the upper and lower side surfaces. Therefore, the main surface shape of the separator 106 constituting the electromotive unit 100a is also a rectangle composed of a pair of long sides and a pair of short sides, and the side surfaces of the separators forming the long sides are the upper and lower side surface cooling water manifolds 130. , 140 is in contact with the cooling water flow passage 107c formed in the cooling water flow passage 107c.

すなわち、これら上下の側面冷却水マニホールド130,140およびセパレータ106により、上下の側面冷却水マニホールド130,140を流れる冷却水を、セパレータ106側面から膜電極複合体(MEA)105に供給して固体高分子電解質膜102を加湿する加湿手段が構成されている。   That is, the upper and lower side surface cooling water manifolds 130 and 140 and the separator 106 supply the cooling water flowing through the upper and lower side surface cooling water manifolds 130 and 140 to the membrane electrode assembly (MEA) 105 from the side surface of the separator 106, A humidifying means for humidifying the molecular electrolyte membrane 102 is configured.

[作用]
以下には、図3中の矢印を参照しながら、第1の実施形態の固体高分子型燃料電池スタック100における熱と水の流れについて説明する。
[Action]
Hereinafter, the flow of heat and water in the polymer electrolyte fuel cell stack 100 of the first embodiment will be described with reference to the arrows in FIG.

まず、膜電極複合体(MEA)105で発生した反応熱は、図3中に黒塗りの矢印で示すように、ガス拡散電極103,104主表面からセパレータ106主表面に熱伝達し、セパレータ106側面に向かって伝導した後、セパレータ106側面から冷却水流通路107cを流れる冷却水中へ熱伝達する。この場合、膜電極複合体(MEA)105の反応熱は、その主表面からセパレータ106主表面に対して連続的に均一に熱伝達し、また、セパレータ106側面から冷却水中への熱伝達は、上下の側面冷却水マニホールド130,140内における冷却水の流れに伴い、連続的に効率よく行われる。したがって、膜電極複合体(MEA)105を均一に冷却できる。   First, the reaction heat generated in the membrane electrode assembly (MEA) 105 is transferred from the main surfaces of the gas diffusion electrodes 103 and 104 to the main surface of the separator 106 as shown by the black arrows in FIG. After conducting toward the side surface, heat is transferred from the side surface of the separator 106 to the cooling water flowing through the cooling water flow passage 107c. In this case, the reaction heat of the membrane electrode assembly (MEA) 105 is continuously and uniformly transferred from the main surface to the separator 106 main surface, and the heat transfer from the side surface of the separator 106 to the cooling water is As the cooling water flows in the upper and lower side surface cooling water manifolds 130 and 140, the operation is continuously and efficiently performed. Therefore, the membrane electrode assembly (MEA) 105 can be cooled uniformly.

一方、上下の側面冷却水マニホールド130,140を流れる冷却水は、セパレータ106側面から流れ込み、セパレータ106内部を流れた後、セパレータ106主表面で均一に蒸発してガス拡散電極103,104に供給され、固体高分子電解質膜102を均一に加湿する。すなわち、冷却水は連続的に流れており、セパレータ106側面から連続的に流れ込むため、導電性多孔質カーボン板で構成されたセパレータ106の細孔内は、冷却水で常時満たされており、その結果、冷却水はセパレータ106主表面で均一に蒸発してガス拡散電極103,104主表面に均一に供給され、これらの拡散電極103,104を介して固体高分子電解質膜102を均一に加湿する。   On the other hand, the cooling water flowing through the upper and lower side surface cooling water manifolds 130 and 140 flows from the side surface of the separator 106, flows inside the separator 106, and then uniformly evaporates on the main surface of the separator 106 and is supplied to the gas diffusion electrodes 103 and 104. Then, the solid polymer electrolyte membrane 102 is uniformly humidified. That is, since the cooling water continuously flows and flows continuously from the side surface of the separator 106, the pores of the separator 106 made of the conductive porous carbon plate are always filled with the cooling water. As a result, the cooling water is uniformly evaporated on the main surface of the separator 106 and supplied uniformly to the main surfaces of the gas diffusion electrodes 103 and 104, and the solid polymer electrolyte membrane 102 is uniformly humidified through these diffusion electrodes 103 and 104. .

この場合、加湿によって消費される水は、セパレータ106側面を介して連続的に補給されるが、冷却水の圧力を燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力に比べて低く保つことにより、セパレータ106の細孔内の水が染み出してガス流通路103c,104cを閉塞するといった問題の発生を防止することができる。また、セパレータ106の細孔の径を、毛細管力により細孔内の水が保持される範囲とすることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスのリークを防止することができる。   In this case, the water consumed by humidification is continuously replenished via the side surface of the separator 106. However, by keeping the cooling water pressure lower than the pressures of the fuel gas and the oxidant gas, It is possible to prevent a problem that water in the hole oozes out and closes the gas flow passages 103c and 104c. Further, by setting the pore diameter of the separator 106 within a range in which water in the pore is retained by capillary force, leakage of the fuel gas and the oxidant gas can be prevented.

[効果]
以上のような第1の実施形態によれば、セパレータ側面に冷却水を接触させる側面冷却水マニホールドを配置することにより、これらの側面冷却水マニホールドおよびセパレータを加湿手段として機能させることができるため、側面冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面からセパレータ内部に流し込み、セパレータ主表面で蒸発させて膜電極複合体に供給し、固体高分子電解質膜を均一に加湿できる。
[effect]
According to the first embodiment as described above, by arranging the side surface cooling water manifold for bringing the cooling water into contact with the side surface of the separator, these side surface cooling water manifold and the separator can function as humidifying means. Cooling water flowing through the side cooling water manifold flows into the separator from the side of the separator, evaporates on the main surface of the separator and is supplied to the membrane electrode assembly, so that the solid polymer electrolyte membrane can be uniformly humidified.

また、膜電極複合体で発生した反応熱は、膜電極複合体主表面からセパレータ主表面に熱伝達し、セパレータ側面に向かって伝導した後、セパレータ側面から冷却水中へ熱伝達するため、膜電極複合体を均一に冷却できる。   In addition, the reaction heat generated in the membrane electrode composite is transferred from the main surface of the membrane electrode composite to the separator main surface, conducted to the side of the separator, and then transferred from the side of the separator to the cooling water. The composite can be cooled uniformly.

さらに、一枚のセパレータにより、燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路に加えて、冷却水流通路もまた提供されるため、セパレータの数は、セル1枚につき1枚のみとすることができる。したがって、燃料電池スタック単位でのセパレータのコストを削減することができる。   Further, since one separator provides a cooling water flow passage in addition to the fuel gas flow passage and the oxidant gas flow passage, the number of separators can be only one per cell. Therefore, the cost of the separator for each fuel cell stack can be reduced.

[実施例]
以上のような第1の実施形態の効果を検証するための実施例として、図3に示す単位電池(有効面積100cm2)を100枚積層して燃料電池スタックを製作した。この燃料電池スタックに、燃料として水素を含む乾燥ガス、酸化剤として乾燥空気をそれぞれ供給し、また、燃料および空気の圧力よりも40kPa低い圧力の冷却水を供給して発電試験を行ったところ、電流密度0.3A/cm2(30A)まで安定して発電できることが確認された。
[Example]
As an example for verifying the effects of the first embodiment as described above, a fuel cell stack was manufactured by stacking 100 unit cells (effective area 100 cm 2 ) shown in FIG. The fuel cell stack was supplied with a dry gas containing hydrogen as a fuel and dry air as an oxidant, and a power generation test was conducted by supplying cooling water having a pressure 40 kPa lower than the pressure of the fuel and air. It was confirmed that stable power generation was possible up to a current density of 0.3 A / cm 2 (30 A).

[第2の実施形態]
[構成]
図4は、本発明の第2の実施形態に係る固体高分子燃料電池スタック100内のガスの流れを示す模式図である。この図4に示すように、本実施形態において、第1、第2のガスマニホールド110,120が起電部100aのガス流通路と連通している点は、第1の実施形態と同様であるが、燃料ガスと空気の流れる方向は互いに対向する方向となっている。
[Second Embodiment]
[Constitution]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a gas flow in the polymer electrolyte fuel cell stack 100 according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the first and second gas manifolds 110 and 120 are in communication with the gas flow path of the electromotive unit 100a, as in the first embodiment. However, the flow direction of the fuel gas and air is opposite to each other.

すなわち、第1のガスマニホールド110は、下部に配置された燃料出口マニホールド172と上部に配置された空気入口マニホールド181から構成されており、第2のガスマニホールド120は、上部に配置された燃料入口マニホールド171と下部に配置された空気出口マニホールド182とから構成されている。この構成により、空気は、第1の実施形態と同様に、第1のガスマニホールド110から第2のガスマニホールド120に向かって流れるが、燃料ガスは、それとは逆方向の、第2のガスマニホールド120から第1のガスマニホールド110に向かう方向に流れる。   That is, the first gas manifold 110 includes a fuel outlet manifold 172 disposed at the lower portion and an air inlet manifold 181 disposed at the upper portion, and the second gas manifold 120 is a fuel inlet disposed at the upper portion. It consists of a manifold 171 and an air outlet manifold 182 disposed at the lower part. With this configuration, air flows from the first gas manifold 110 toward the second gas manifold 120 as in the first embodiment, but the fuel gas flows in the opposite direction to the second gas manifold. It flows in the direction from 120 to the first gas manifold 110.

なお、以上のような第1、第2のガスマニホールド110,120の構成とそれによるガスの流れ方向以外の部分は、第1の実施形態と全く同様に構成されている。すなわち、図4における起電部100aのA−A’断面の構成は、図3に示した通りである。   The configuration of the first and second gas manifolds 110 and 120 as described above and the portions other than the gas flow direction thereby are configured in the same manner as in the first embodiment. That is, the configuration of the cross section A-A ′ of the electromotive unit 100 a in FIG. 4 is as shown in FIG. 3.

[作用]
以上のような第2の実施形態において、固体高分子型燃料電池スタック100のA−A’断面における熱と水の流れは、第1の実施形態と同様であるが、本実施形態においては、さらに次のような作用が得られる。
[Action]
In the second embodiment as described above, the flow of heat and water in the AA ′ cross section of the polymer electrolyte fuel cell stack 100 is the same as that in the first embodiment, but in this embodiment, Further, the following effects can be obtained.

すなわち、本実施形態においては、燃料ガスと空気の流れる方向を互いに対向する方向としたことにより、図5に示すように、ガスの流れ方向におけるセパレータ端部付近においてセパレータ106の積層方向(セパレータ106主平面に対する垂直方向)内外の実質的な水移動量が抑制される。なお、図5においては、セパレータ内外の実質的な水移動量を、セパレータへの水移動量(=吸収量−蒸発量)として示している。   That is, in this embodiment, the flow direction of the fuel gas and the air is opposite to each other, so that as shown in FIG. A substantial amount of water movement in and out of the main plane is suppressed. In FIG. 5, the substantial amount of water movement inside and outside the separator is shown as the amount of water movement to the separator (= absorption amount−evaporation amount).

図5に示すように、セパレータ106における燃料上流側(燃料入口マニホールド171側)端部付近および空気上流側(空気入口マニホールド181側)端部付近では、膜電極複合体(MEA)105からセパレータ106への水の移動量がマイナスになる、つまりセパレータからMEAへの蒸発量が多くなるが、中央部分では膜電極複合体(MEA)105からセパレータ106に安定して水が吸収されていることが分る。   As shown in FIG. 5, in the vicinity of the fuel upstream side (fuel inlet manifold 171 side) end portion and the air upstream side (air inlet manifold 181 side) end portion of the separator 106, the membrane electrode assembly (MEA) 105 to the separator 106. The amount of water transferred to the water becomes negative, that is, the amount of evaporation from the separator to the MEA increases, but water is stably absorbed by the separator 106 from the membrane electrode assembly (MEA) 105 in the central portion. I understand.

すなわち、セパレータ106における燃料上流側端部付近では、図中破線で示すように、アノードからセパレータへの水移動量はマイナスであり、セパレータ106から膜電極複合体(MEA)105のアノード103側に水が蒸発する。これに対して、セパレータ106の積層方向において燃料上流側端部付近と重なる空気下流側(空気出口マニホールド182側)端部付近では、図中点線で示すように、カソードからセパレータへの水移動量はプラスであり、セパレータ106から膜電極複合体(MEA)105のカソード104側へ蒸発する水の蒸発量よりも、カソード104からセパレータ106側に吸収される水の吸収量の方が多くなっている。   That is, in the vicinity of the upstream end of the fuel in the separator 106, the water transfer amount from the anode to the separator is negative, as indicated by the broken line in the figure, and from the separator 106 to the anode 103 side of the membrane electrode assembly (MEA) 105. Water evaporates. On the other hand, in the vicinity of the end of the downstream side of the air (on the side of the air outlet manifold 182) that overlaps with the vicinity of the end of the upstream side of the fuel in the stacking direction of the separator 106, as shown by the dotted line in the figure, Is positive, and the amount of water absorbed from the cathode 104 to the separator 106 side is larger than the amount of water evaporated from the separator 106 to the cathode 104 side of the membrane electrode assembly (MEA) 105. Yes.

そのため、セパレータ106の燃料上流側端部付近、空気下流側端部付近での、セパレータ106の積層方向内外における水移動量の収支(吸収量と蒸発量)が打ち消し合い、図中実線で示すように、この部分におけるセパレータ内外の実質的な水移動量(吸収量と蒸発量の差)は抑制されている。   For this reason, the balance (absorption amount and evaporation amount) of the amount of water movement inside and outside the separator 106 in the vicinity of the fuel upstream end and the air downstream end of the separator 106 cancels each other, as shown by the solid line in the figure. In addition, the substantial amount of water movement inside and outside the separator in this portion (the difference between the absorption amount and the evaporation amount) is suppressed.

また、セパレータ106における空気上流側端部付近では、カソードからセパレータへの水移動量はマイナスであり、セパレータ106から膜電極複合体(MEA)105のカソード104に水が蒸発する。これに対して、セパレータ106の積層方向において空気上流側端部付近と重なる燃料下流側(燃料出口マニホールド172側)端部付近では、アノードからセパレータへの水移動量は、マイナスであり、セパレータ106から膜電極複合体(MEA)105のアノード103側へ蒸発する水の蒸発量と、アノード103からセパレータ106側に吸収される水の吸収量とがほぼ等しくなっている。   Further, in the vicinity of the air upstream end portion of the separator 106, the amount of water movement from the cathode to the separator is negative, and water evaporates from the separator 106 to the cathode 104 of the membrane electrode assembly (MEA) 105. On the other hand, the amount of water movement from the anode to the separator is negative in the vicinity of the fuel downstream side (fuel outlet manifold 172 side) end portion that overlaps with the vicinity of the air upstream end portion in the stacking direction of the separator 106. The amount of water evaporated from the anode 103 to the anode 103 side of the membrane electrode assembly (MEA) 105 is substantially equal to the amount of water absorbed from the anode 103 to the separator 106 side.

そのため、セパレータ106の空気上流側端部付近、燃料下流側端部付近での、セパレータ106の積層方向内外におけるトータルの水移動量の収支(吸収量と蒸発量)が打ち消し合い、図中実線で示すように、この部分におけるセパレータ内外の実質的な水移動量(吸収量と蒸発量の差)は抑制されている。   For this reason, the balance (absorption amount and evaporation amount) of the total amount of water movement in and around the stacking direction of the separator 106 near the upstream end of the separator 106 and the downstream end of the fuel cancels each other, and is shown by a solid line in the figure. As shown, the substantial amount of water movement inside and outside the separator (the difference between the absorption amount and the evaporation amount) in this portion is suppressed.

[効果]
以上のような第2の実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、ガスの流れ方向におけるセパレータ端部において、セパレータの積層方向内外における水移動量の収支(吸収量と蒸発量)が打ち消し合い、結果的に、セパレータ全体における積層方向内外の実質的な水移動量(吸収量と蒸発量の差)を抑制してセパレータ内の水の局所的な消費を抑制できるため、セパレータ側面からの水の補給量を低減して、燃料電池スタックを安定に運転することが可能となる。
[effect]
According to the second embodiment as described above, the following effects can be obtained in addition to the effects of the first embodiment. That is, the balance of the amount of water movement (absorption amount and evaporation amount) inside and outside the separator in the stacking direction cancels out at the end of the separator in the gas flow direction. Since the local consumption of water in the separator can be suppressed by suppressing the amount (difference between absorption and evaporation), the amount of water replenished from the side of the separator can be reduced and the fuel cell stack can be operated stably. Is possible.

[第3の実施形態]
[構成]
図6は、本発明の第3の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタック100の構成を示す分解斜視図である。また、図7は、図6の燃料電池スタック100における冷却水流通路を示す斜視図である。
[Third Embodiment]
[Constitution]
FIG. 6 is an exploded perspective view showing the configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack 100 according to the third embodiment of the present invention. FIG. 7 is a perspective view showing a cooling water flow passage in the fuel cell stack 100 of FIG.

これらの図6、図7に示すように、燃料電池スタック100が、起電部100aと、第1、第2のガスマニホールド110,120、上下の側面冷却水マニホールド130,140、第1、第2のエンドプレート150,160から構成されている点、および、燃料入口・出口マニホールド171,172と空気入口・出口マニホールド181,182の位置関係は、第1の実施形態と同様である。   As shown in FIGS. 6 and 7, the fuel cell stack 100 includes an electromotive unit 100a, first and second gas manifolds 110 and 120, upper and lower side surface cooling water manifolds 130 and 140, first and first. The two end plates 150 and 160 and the positional relationship between the fuel inlet / outlet manifolds 171 and 172 and the air inlet / outlet manifolds 181 and 182 are the same as those in the first embodiment.

本実施形態において、第1の実施形態と異なる点は、上下の側面冷却水マニホールド130,140と、第1、第2のエンドプレート150,160が、それぞれ複数の冷却水流通路を備えており、図7に示すように、各流通路が順次連通されることで、起電部100aの周囲に冷却水が螺旋状に流れる螺旋状流通路200が構成されている点である。   In the present embodiment, the difference from the first embodiment is that the upper and lower side surface cooling water manifolds 130 and 140 and the first and second end plates 150 and 160 each have a plurality of cooling water flow passages, As shown in FIG. 7, each flow passage is sequentially communicated to form a spiral flow passage 200 in which cooling water flows spirally around the electromotive unit 100 a.

まず、図6に示すように、上側面冷却水マニホールド130には、第1のガスマニホールド110と平行に伸びる複数の冷却水流通路211,212,…,21nが設けられており、第1のガスマニホールド110から第2のガスマニホールド120の方向、すなわち、空気の流れ方向に向かって順次並べられている。このうち、第1のガスマニホールド110側端部の冷却水流通路211は、冷却水入口201に連通している。   First, as shown in FIG. 6, the upper side cooling water manifold 130 is provided with a plurality of cooling water flow passages 211, 212,..., 21 n extending in parallel with the first gas manifold 110. They are sequentially arranged from the manifold 110 to the second gas manifold 120, that is, in the air flow direction. Among these, the cooling water flow passage 211 at the first gas manifold 110 side end portion communicates with the cooling water inlet 201.

また、第2のエンドプレート160には、垂直方向に伸びる複数の冷却水流通路221,222,…,22nが設けられ、空気の流れ方向に向かって順次並べられている。これらの冷却水流通路221,222,…,22nは、図7に示すように、その上端で、上側面冷却水マニホールド130の冷却水流通路211,212,…,21nの一端にそれぞれ連通している。   Further, the second end plate 160 is provided with a plurality of cooling water flow passages 221, 222,..., 22n extending in the vertical direction, and they are sequentially arranged in the air flow direction. As shown in FIG. 7, these cooling water flow passages 221, 222,..., 22n communicate with one ends of the cooling water flow passages 211, 212,. .

また、下側面冷却水マニホールド140には、上側面冷却水マニホールド130の複数の冷却水流通路211,212,…,21nと対向する複数の冷却水流通路231,232,…,23nが設けられており、これらの冷却水流通路231,232,…,23nは、図7に示すように、その一端で、第2のエンドプレート160の冷却水流通路221,222,…,22nの下端にそれぞれ連通している。また、第2のガスマニホールド120側端部の冷却水流通路23nは、冷却水出口202に連通している。   The lower side cooling water manifold 140 is provided with a plurality of cooling water flow passages 231, 232,..., 23 n facing the plurality of cooling water flow passages 211, 212,. These cooling water flow passages 231, 232,..., 23 n communicate with the lower ends of the cooling water flow passages 221, 222,. Yes. Further, the cooling water flow passage 23 n at the end portion on the second gas manifold 120 side communicates with the cooling water outlet 202.

また、第1のエンドプレート150には、斜め垂直方向に伸びる複数の冷却水流通路241,242,…,24n−1が設けられており、これらの冷却水流通路241,242,…,24n−1は、図7に示すように、その下端で、下側面冷却水マニホールド140の冷却水流通路231,232,…,23n−1の一端にそれぞれ連通すると共に、その上端で、上側面冷却水マニホールド130の冷却水流通路211,212,…,21n−1の一端にそれぞれ連通している。   In addition, the first end plate 150 is provided with a plurality of cooling water flow passages 241, 242,..., 24n-1 extending in an obliquely vertical direction, and these cooling water flow passages 241, 242,. As shown in FIG. 7, the lower end communicates with one end of the cooling water flow passages 231, 232,..., 23 n-1 of the lower side cooling water manifold 140 and the upper side cooling water manifold 130 at the upper end. , 21n-1 are respectively communicated with one end of the cooling water flow passages 211, 212, ..., 21n-1.

以上のように、上側面冷却水マニホールド130の冷却水流通路211,212,…,21nと、第2のエンドプレート160の冷却水流通路221,222,…,22nと、下側面冷却水マニホールド140の冷却水流通路231,232,…,23nと、第1のエンドプレート150の冷却水流通路241,242,…,24n−1が、各流通路の並び順に応じて順次連通され、冷却水入口201から冷却水出口202に至る螺旋状流通路200が構成されている。   As described above, the cooling water flow passages 211, 212,..., 21 n of the upper side cooling water manifold 130, the cooling water flow passages 221, 222,. The cooling water flow passages 231, 232,..., 23n and the cooling water flow passages 241, 242,..., 24n-1 of the first end plate 150 are sequentially communicated according to the arrangement order of the respective flow passages. A spiral flow passage 200 reaching the cooling water outlet 202 is formed.

この場合、図7に大形の矢印で示すように、起電部100aに対して螺旋状流通路200に冷却水の流れる方向(螺旋の中心軸方向)と、起電部100a内の酸化剤ガス流通路104cに空気の流れる方向は、同じ方向となっている。   In this case, as indicated by a large arrow in FIG. 7, the direction of cooling water flowing in the spiral flow passage 200 (in the direction of the central axis of the spiral) with respect to the electromotive unit 100 a and the oxidizing agent in the electromotive unit 100 a The air flows in the gas flow passage 104c in the same direction.

[作用]
以上のような第3の実施形態において、固体高分子型燃料電池スタック100のA−A’断面における熱の流れは、第1の実施形態と同様であるが、本実施形態においては、図7に示すように、水の流れが異なる。
[Action]
In the third embodiment as described above, the heat flow in the AA ′ cross section of the polymer electrolyte fuel cell stack 100 is the same as that in the first embodiment, but in this embodiment, FIG. As shown, the water flow is different.

すなわち、図7に示すように、起電部100aの周囲に、冷却水が螺旋状に流れる螺旋状流通路200が構成されているため、第2のエンドプレート160では、第1の実施形態と同様、冷却水は上から下に向かって流れるが、第1のエンドプレート150では、冷却水は下から上に向かって流れることになる。なお、上下の側面冷却水マニホールド130,140を流れる冷却水が、個々のセパレータ106に対してその側面から流れ込み、セパレータ106内部を流れて膜電極複合体(MEA)105に供給され、固体高分子電解質膜102を加湿する点については、第1の実施形態と同様である。   That is, as shown in FIG. 7, since the spiral flow passage 200 in which the cooling water flows spirally around the electromotive unit 100a, the second end plate 160 is the same as that of the first embodiment. Similarly, the cooling water flows from the top to the bottom, but in the first end plate 150, the cooling water flows from the bottom to the top. In addition, the cooling water flowing through the upper and lower side surface cooling water manifolds 130 and 140 flows into the individual separators 106 from the side surfaces thereof, flows through the inside of the separators 106, and is supplied to the membrane electrode assembly (MEA) 105. The point of humidifying the electrolyte membrane 102 is the same as in the first embodiment.

本実施形態においては、特に、起電部100aの周囲の螺旋状流通路200に冷却水の流れる方向(螺旋の中心軸方向)と、起電部100a内の酸化剤ガス流通路104cに空気の流れる方向が同じ方向であるため、起電部100aのセパレータ106から熱伝達される反応熱により、螺旋状流通路200を流れる冷却水は、螺旋状流通路200の下流に向かってその温度が上昇することになる。   In the present embodiment, in particular, the direction of cooling water flowing in the spiral flow passage 200 around the electromotive unit 100a (in the direction of the central axis of the spiral) and the oxidant gas flow passage 104c in the electromotive unit 100a Since the flowing direction is the same direction, the temperature of the cooling water flowing through the spiral flow passage 200 increases toward the downstream of the spiral flow passage 200 due to reaction heat transferred from the separator 106 of the electromotive unit 100a. Will do.

したがって、セパレータ106においては、酸化剤ガス流通路の下流側、すなわち、空気下流側に向かって冷却水の温度が上昇することになり、その結果、図8に示すように、空気下流部分でのセパレータへの水の吸収量が低減され、この部分でのセパレータ内外の実質的な水移動量(吸収量と蒸発量の差)が抑制される。   Therefore, in the separator 106, the temperature of the cooling water increases toward the downstream side of the oxidant gas flow passage, that is, the downstream side of the air. As a result, as shown in FIG. The amount of water absorbed by the separator is reduced, and the substantial amount of water movement inside and outside the separator (the difference between the amount of absorption and the amount of evaporation) at this portion is suppressed.

なお、図8においては、本実施形態におけるセパレータへのトータルの水移動量を実線の曲線で示すと共に、第2の実施形態におけるセパレータへのトータルの水移動量(図5と同じデータ)を破線の曲線で示している。この2つの曲線を比較すれば明らかなように、本実施形態においては、空気下流部分から中央部分でのセパレータ内外の実質的な水移動量(吸収量と蒸発量の差)が、第2の実施形態に比べてさらに抑制されている。   In FIG. 8, the total water movement amount to the separator in the present embodiment is indicated by a solid curve, and the total water movement amount to the separator in the second embodiment (the same data as FIG. 5) is indicated by a broken line. It is shown by the curve. As is clear from the comparison of these two curves, in this embodiment, the substantial amount of water movement inside and outside the separator (difference between the absorption amount and the evaporation amount) from the air downstream portion to the central portion is the second amount. It is further suppressed compared to the embodiment.

[効果]
以上のような第3の実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、セパレータにおいては、空気下流側に向かって冷却水の温度が上昇する結果、空気下流部分近でのセパレータ内外の実質的な水移動量(吸収量と蒸発量の差)を抑制してセパレータ内の水の局所的な消費を抑制できるため、セパレータ側面からの水の補給量を低減して、燃料電池スタックを安定に運転することが可能となる。
[effect]
According to the third embodiment as described above, the following effects can be obtained in addition to the effects of the first embodiment. That is, in the separator, the temperature of the cooling water rises toward the downstream side of the air, and as a result, a substantial amount of water movement inside and outside the separator (difference between absorption amount and evaporation amount) near the downstream portion of the air is suppressed. Since local water consumption can be suppressed, the amount of water replenished from the side of the separator can be reduced, and the fuel cell stack can be stably operated.

[第4の実施形態]
[構成]
図9は、本発明の第4の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタック100のセパレータ106の断面における寸法関係を示す模式図である。
[Fourth Embodiment]
[Constitution]
FIG. 9 is a schematic diagram showing a dimensional relationship in cross section of the separator 106 of the polymer electrolyte fuel cell stack 100 according to the fourth embodiment of the present invention.

この図9に示すように、本実施形態のセパレータ106は、セパレータ106全体の厚さ(全厚)L1と、セパレータの両側の主表面に形成された燃料ガス流通路103cおよび酸化剤ガス流通路104cの深さを除いた残肉部106aの厚さ(残肉厚)L2との残肉厚L2/全厚L1比が50%以上、すなわち、L2/L1≧50%であることを特徴としている。なお、本実施形態の燃料電池スタック100において、このようなセパレータ106の断面における寸法関係の限定以外は、第1の実施形態と同様に構成されている。   As shown in FIG. 9, the separator 106 of this embodiment includes a total thickness L1 of the separator 106, a fuel gas flow passage 103 c and an oxidant gas flow passage formed on the main surfaces on both sides of the separator. The ratio of the remaining thickness L2 / total thickness L1 to the thickness (remaining thickness) L2 of the remaining portion 106a excluding the depth of 104c is 50% or more, that is, L2 / L1 ≧ 50% Yes. The fuel cell stack 100 of the present embodiment is configured in the same manner as in the first embodiment, except for the limitation of the dimensional relationship in the cross section of the separator 106.

[作用・効果]
以上のような第4の実施形態においては、セパレータ106の全厚L1と残肉厚L2との関係を、残肉厚/全厚比が50%以上、すなわち、L2/L1≧50%、に限定したことにより、セパレータ106における熱伝導および水の流れを適切に設定できる。その結果、起電部100a内の中央部分の最高温度を、固体高分子型燃料電池の作動上限温度以下に抑制することができると共に、上下の側面冷却水マニホールド130,140と接触するセパレータ106側面部分での水透過量を十分に確保でき、電池反応による生成水を適切に処理できるため、燃料電池スタック100を安定に運転することが可能となる。
[Action / Effect]
In the fourth embodiment as described above, the relationship between the total thickness L1 and the remaining thickness L2 of the separator 106 is such that the remaining thickness / total thickness ratio is 50% or more, that is, L2 / L1 ≧ 50%. By limiting, heat conduction and water flow in the separator 106 can be set appropriately. As a result, the maximum temperature of the central portion in the electromotive unit 100a can be suppressed to be equal to or lower than the upper limit temperature of the polymer electrolyte fuel cell, and the side surfaces of the separator 106 that are in contact with the upper and lower side cooling water manifolds 130 and 140 A sufficient amount of water permeation at the portion can be secured, and water generated by the cell reaction can be appropriately treated, so that the fuel cell stack 100 can be stably operated.

[実施例]
以上のような第4の実施形態の効果を検証するための実施例として、以下の表1に示すように、残肉厚/全厚比が、それぞれ49%、66%、75%となる3種のセパレータを使用して、図3に示す単位電池(有効面積100cm2)を100枚積層し、セパレータの各部の寸法のみが異なる3種の燃料電池スタックを製作した。すなわち、実施例1,2は、本実施形態に係る条件「L2/L1≧50%」を満足するセパレータを使用した例であり、比較例1は、本実施形態とは異なり、同条件を満足しないセパレータを使用した例である。
[Example]
As an example for verifying the effects of the fourth embodiment as described above, as shown in Table 1 below, the remaining thickness / total thickness ratios are 49%, 66%, and 75%, respectively. Three types of fuel cell stacks were manufactured by stacking 100 unit cells (effective area 100 cm 2 ) shown in FIG. 3 using different types of separators, and differing only in the dimensions of each part of the separators. That is, Examples 1 and 2 are examples using a separator that satisfies the condition “L2 / L1 ≧ 50%” according to the present embodiment, and Comparative Example 1 satisfies the same condition unlike the present embodiment. This is an example using a separator that does not.

Figure 0004738979
Figure 0004738979

そして、これらの比較例1、実施例1,2について、燃料電池スタック内の温度分布とセパレータ側面の水透過量を計測したところ、図10、図11に示すような結果が得られた。   And about these comparative examples 1 and Examples 1 and 2, when the temperature distribution in the fuel cell stack and the water permeation amount on the side surface of the separator were measured, the results shown in FIGS. 10 and 11 were obtained.

このうち、図10は、燃料電池スタックのセパレータ主表面方向(水平方向)における電極中央から側面冷却水マニホールドまでの距離とセパレータ温度の関係を示す。この図10に示すように、電極中央の温度が最も高く、側面冷却水マニホールドに向かって温度が傾斜的に低くなっているが、この理由は、図3中に黒塗りの矢印で示すように、燃料電池の反応熱が、セパレータ内の中央から側面に向かう熱伝導によって冷却されるためである。   Among these, FIG. 10 shows the relationship between the distance from the electrode center to the side surface coolant manifold and the separator temperature in the separator main surface direction (horizontal direction) of the fuel cell stack. As shown in FIG. 10, the temperature at the center of the electrode is the highest, and the temperature gradually decreases toward the side cooling water manifold. The reason for this is as shown by the black arrows in FIG. This is because the reaction heat of the fuel cell is cooled by heat conduction from the center to the side surface in the separator.

ここで、冷却水の温度を60℃、燃料電池スタックの電流密度を0.3A/cm2(30A)と仮定すると、セパレータの残肉厚/全厚比:49%の比較例においては、電極中央の最高温度が90℃を超えてしまい、したがって、固体高分子型燃料電池の作動上限である80℃を超えてしまう。これに対して、セパレータの残肉厚/全厚比:66%の実施例1においては、最高温度が78℃であり、また、セパレータの残肉厚/全厚比:75%の実施例2においては、最高温度が72℃となり、いずれも、作動上限である80℃以下に抑えることができる。 Here, assuming that the temperature of the cooling water is 60 ° C. and the current density of the fuel cell stack is 0.3 A / cm 2 (30 A), in the comparative example in which the remaining thickness / total thickness ratio of the separator is 49%, The central maximum temperature exceeds 90 ° C., and thus exceeds 80 ° C., which is the upper limit of operation of the polymer electrolyte fuel cell. On the other hand, in Example 1 where the remaining thickness / total thickness ratio of the separator is 66%, the maximum temperature is 78 ° C., and the remaining thickness / total thickness ratio of the separator is 75%. In this case, the maximum temperature is 72 ° C., and both can be suppressed to 80 ° C. or less which is the upper limit of operation.

また、図11は、側面冷却水マニホールドに接触するセパレータ側面の水透過量を示す。この図11に示すように、セパレータの残肉厚/全厚比が増えるにしたがって水が透過する断面積が増加するため、水透過量が増加する。ここで、セパレータの残肉厚/全厚比:49%の比較例においては、水透過量が0.44であり、反応による生成水量(0.5)を下回るため、十分な水透過量が確保できない。これに対して、セパレータの残肉厚/全厚比:66%の実施例1においては、水透過量が0.89であり、また、セパレータの残肉厚/全厚比:75%の実施例2においては、水透過量が1.33となり、いずれも、反応生成水量を上回るため、生成水を適切に処理できる。   Moreover, FIG. 11 shows the water permeation amount on the side surface of the separator in contact with the side surface cooling water manifold. As shown in FIG. 11, since the cross-sectional area through which water permeates increases as the remaining thickness / total thickness ratio of the separator increases, the amount of water permeation increases. Here, in the comparative example of the remaining thickness / total thickness ratio of the separator: 49%, the amount of water permeation is 0.44, which is less than the amount of water produced by the reaction (0.5). It cannot be secured. On the other hand, in Example 1 where the remaining thickness / total thickness ratio of the separator was 66%, the water permeation amount was 0.89, and the remaining thickness / total thickness ratio of the separator was 75%. In Example 2, the water permeation amount is 1.33, and both exceed the reaction product water amount, so that the product water can be appropriately treated.

[他の実施形態]
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。まず、実施形態において示した燃料電池スタックの構成や各部の寸法および形状は一例にすぎず、具体的な構成や各部の寸法および形状は適宜選択可能である。例えば、ガスマニホールドや冷却水マニホールドの具体的な寸法および形状、単位電池の積層枚数等は、燃料電池スタックの定格や用途に応じて自由に選択可能である。
[Other Embodiments]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other variations can be implemented within the scope of the present invention. First, the configuration of the fuel cell stack and the size and shape of each part shown in the embodiment are merely examples, and the specific configuration and size and shape of each part can be selected as appropriate. For example, the specific dimensions and shape of the gas manifold and the cooling water manifold, the number of unit cells stacked, and the like can be freely selected according to the rating and application of the fuel cell stack.

すなわち、本発明は、セパレータの側面に冷却水を接触させるように冷却水マニホールドを配置して、冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面から内部に流し込み、セパレータ主表面から膜電極複合体に供給して固体高分子電解質膜を加湿するものである限り、その具体的な実施形態は自由に選択可能である。   That is, according to the present invention, a cooling water manifold is arranged so that the cooling water contacts the side surface of the separator, and the cooling water flowing through the cooling water manifold is poured into the inside from the side surface of the separator, and from the main surface of the separator to the membrane electrode assembly. As long as it supplies and humidifies a solid polymer electrolyte membrane, the specific embodiment can be freely selected.

本発明の第1の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図。1 is an exploded perspective view showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 第1の実施形態に係る燃料電池スタック内のガスの流れを示す模式図。The schematic diagram which shows the flow of the gas in the fuel cell stack which concerns on 1st Embodiment. 図2のA−A’断面を部分的に示す模式図。The schematic diagram which shows the A-A 'cross section of FIG. 2 partially. 本発明の第2の実施形態に係る固体高分子燃料電池スタック内のガスの流れを示す模式図。The schematic diagram which shows the flow of the gas in the polymer electrolyte fuel cell stack concerning the 2nd Embodiment of this invention. 第2の実施形態に係る燃料電池スタックにおいて、ガスの流れ方向各部におけるセパレータへの水移動量を示すグラフ。The fuel cell stack which concerns on 2nd Embodiment, The graph which shows the amount of water movement to the separator in each part of the gas flow direction. 本発明の第3の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図。The disassembled perspective view which shows the structure of the polymer electrolyte fuel cell stack concerning the 3rd Embodiment of this invention. 第3の実施形態に係る燃料電池スタックにおける冷却水流通路を示す斜視図。The perspective view which shows the cooling water flow path in the fuel cell stack which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る燃料電池スタックにおけるガスの流れ方向各部におけるセパレータへの水移動量を、第2の実施形態と比較して示すグラフ。The graph which shows the water movement amount to the separator in each part of the gas flow direction in the fuel cell stack according to the third embodiment in comparison with the second embodiment. 本発明の第4の実施形態に係る固体高分子型燃料電池スタックのセパレータの断面における寸法関係を示す模式図。The schematic diagram which shows the dimensional relationship in the cross section of the separator of the polymer electrolyte fuel cell stack which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 第3の実施形態に係る燃料電池スタックの実施例と比較例について、電極中央から側面冷却水マニホールドまでの距離とセパレータ温度の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the distance from the electrode center to a side surface cooling water manifold, and separator temperature about the Example and comparative example of the fuel cell stack which concern on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る燃料電池スタックの実施例と比較例について、側面冷却水マニホールドに接触するセパレータ側面の水透過量を示すグラフ。The graph which shows the water permeation amount of the separator side surface which contacts a side surface cooling water manifold about the Example and comparative example of the fuel cell stack which concern on 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

100…固体高分子型燃料電池スタック(燃料電池スタック)
100a…起電部
101…単位電池
102…固体高分子電解質膜
103…アノードガス拡散電極(アノード)
103c…燃料ガス流通路
104…カソードガス拡散電極(カソード)
104c…酸化剤ガス流通路
105…膜電極複合体(MEA)
106…セパレータ
107c…冷却水流通路
110…第1のガスマニホールド
120…第2のガスマニホールド
130…上側面冷却水マニホールド
140…下側面冷却水マニホールド
150…第1のエンドプレート
160…第2のエンドプレート
171…燃料入口マニホールド
171a…燃料入口
172…燃料出口マニホールド
172a…燃料出口
181…空気入口マニホールド
181a…空気入口
182…空気出口マニホールド
182a…空気出口
200…螺旋状流通路
201…冷却水入口
202…冷却水出口
211〜21n…上側面冷却水マニホールドの冷却水流通路
221〜22n…第2のエンドプレートの冷却水流通路
231〜23n…下側面冷却水マニホールドの冷却水流通路
241〜24n−1…第1のエンドプレートの冷却水流通路
100: Solid polymer fuel cell stack (fuel cell stack)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100a ... Electromotive part 101 ... Unit battery 102 ... Solid polymer electrolyte membrane 103 ... Anode gas diffusion electrode (anode)
103c ... Fuel gas flow passage 104 ... Cathode gas diffusion electrode (cathode)
104c ... Oxidant gas flow passage 105 ... Membrane electrode assembly (MEA)
106 ... Separator 107c ... cooling water flow passage 110 ... first gas manifold 120 ... second gas manifold 130 ... upper side cooling water manifold 140 ... lower side cooling water manifold 150 ... first end plate 160 ... second end plate 171 ... Fuel inlet manifold 171a ... Fuel inlet 172 ... Fuel outlet manifold 172a ... Fuel outlet 181 ... Air inlet manifold 181a ... Air inlet 182 ... Air outlet manifold 182a ... Air outlet 200 ... Spiral flow passage 201 ... Cooling water inlet 202 ... Cooling Water outlets 211 to 21n ... Cooling water flow passages 221 to 22n of the upper side cooling water manifold ... Cooling water flow passages 231 to 23n of the second end plate ... Cooling water flow passages 241 to 24n-1 of the lower side cooling water manifold ... End plate cooling water Passage

Claims (6)

固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟持した膜電極複合体と、導電性多孔質板の対向する主表面に前記ガス拡散電極に接して配置される燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路がそれぞれ形成されたセパレータとで構成される基本構成要素の繰り返しからなる起電部を備えた固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータの側面に冷却水を接触させるように側面冷却水マニホールドが配置され、これらの側面冷却水マニホールドおよびセパレータにより、側面冷却水マニホールドを流れる冷却水を、セパレータ側面からセパレータ内部に流し込み、セパレータ主表面から前記膜電極複合体に供給して前記固体高分子電解質膜を加湿する加湿手段が構成された
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
A membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes, and a fuel gas flow path and an oxidant gas disposed on the opposing main surface of the conductive porous plate in contact with the gas diffusion electrode In the polymer electrolyte fuel cell stack provided with an electromotive unit composed of repetition of basic components composed of separators each having a flow path formed therein,
A side cooling water manifold is disposed so that the cooling water contacts the side surface of the separator, and the cooling water flowing through the side cooling water manifold is caused to flow into the separator from the side of the separator by the side cooling water manifold and the separator. A solid polymer fuel cell stack comprising a humidifying means for supplying the membrane electrode assembly from the surface to humidify the solid polymer electrolyte membrane.
前記セパレータの主表面の形状は、一対の長辺と一対の短辺からなる長方形であり、セパレータの各長辺に沿って前記側面冷却水マニホールドが配置され、セパレータの各短辺に沿ってガスマニホールドが配置された
ことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
The shape of the main surface of the separator is a rectangle composed of a pair of long sides and a pair of short sides, the side cooling water manifold is disposed along each long side of the separator, and a gas is formed along each short side of the separator. 2. The polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 1, further comprising a manifold.
前記燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路は、燃料ガスの流れる方向と酸化剤ガスの流れる方向が互いに対向するように配置された
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
3. The solid according to claim 1, wherein the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are arranged so that a flow direction of the fuel gas and a flow direction of the oxidant gas are opposed to each other. Polymer fuel cell stack.
前記側面冷却水マニホールドは、水平方向に並べられた複数の流通路を備え、当該複数の流通路は各流通路の並び順に応じた順序で冷却水が流れるように直列に連通され、
前記複数の流通路に冷却水が流れる順序の並び順方向と、前記酸化剤ガス流通路に酸化剤ガスの流れる方向が同じ方向となるように構成された
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
The side cooling water manifold includes a plurality of flow passages arranged in a horizontal direction, and the plurality of flow passages are communicated in series so that the cooling water flows in an order corresponding to the arrangement order of the respective flow passages,
2. The structure according to claim 1, wherein the forward flow direction of the cooling water flows through the plurality of flow passages and the flow direction of the oxidant gas through the oxidant gas flow passages are the same direction. Item 4. The polymer electrolyte fuel cell stack according to any one of items 3 to 4.
前記起電部は、積層方向が水平方向となるように配置され、当該起電部をその積層方向両端面から締め付ける一対のエンドプレートが設けられ、これらのエンドプレートはそれぞれ、垂直方向または垂直斜め方向に冷却水を流す流通路を水平方向に並べてなる複数の流通路を備え、
前記起電部の対向する上下の側面に上下の前記側面冷却水マニホールドがそれぞれ配置され、これら上下の側面冷却水マニホールドはそれぞれ、水平方向に冷却水を流す流通路を水平方向に並べてなる複数の流通路を備え、
前記上下の側面冷却水マニホールドの流通路と前記一対のエンドプレートの流通路が各流通路の並び順に応じて順次連通されることで、前記起電部の周囲に冷却水が螺旋状に流れる螺旋状流通路が構成され、
前記螺旋状流通路に冷却水の流れる方向と、前記酸化剤ガス流通路に酸化剤ガスの流れる方向が同じ方向となるように構成された
ことを特徴とする請求項4に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
The electromotive unit is disposed such that the stacking direction is a horizontal direction, and a pair of end plates are provided to clamp the electromotive unit from both end surfaces in the stacking direction. A plurality of flow passages arranged in a horizontal direction through which the cooling water flows in the direction,
The upper and lower side surface cooling water manifolds are respectively disposed on the upper and lower side surfaces of the electromotive unit opposed to each other, and each of the upper and lower side surface cooling water manifolds has a plurality of horizontal passages arranged in the horizontal direction. With a flow path,
The flow passages of the upper and lower side cooling water manifolds and the flow passages of the pair of end plates are sequentially communicated according to the arrangement order of the respective flow passages, so that the cooling water flows spirally around the electromotive unit. A flow path is formed,
5. The solid polymer according to claim 4, wherein the direction in which the cooling water flows in the spiral flow path is the same as the direction in which the oxidant gas flows in the oxidant gas flow path. Type fuel cell stack.
前記セパレータにおいて、前記一対の主表面に形成された前記燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路の深さを除いた残肉部の厚さは、セパレータ全体の厚さの50%以上である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
In the separator, the thickness of the remaining portion excluding the depth of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path formed on the pair of main surfaces is 50% or more of the total thickness of the separator. 6. The polymer electrolyte fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5, wherein:
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