JP4742513B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関し、特に、セル内の余剰水を効果的に利用し得る燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell that can effectively use surplus water in a cell.
高分子電解質型燃料電池(以下において、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記述する。)は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であるとともに、50〜60%の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の最適な動力源として注目されている。このPEFCの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン導電性膜として使用するものである。この導電性膜は、分子中にプロトン(水素イオン(H+))交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能している。そして、この電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、PEFCの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) can be operated in a low temperature region among various fuel cells, and has a high value of 50 to 60%. It shows energy conversion efficiency, has a short start-up time, and has a small and light system, and has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles. This PEFC electrolyte uses a cation exchange resin membrane as a cation conductive membrane. This conductive film has a proton (hydrogen ion (H + )) exchange group in the molecule, and when it is saturated with water, it exhibits a specific resistance of 20 Ω · cm or less at room temperature. It functions as a functional electrolyte. And the saturation water content of this electrolyte membrane changes reversibly with temperature. That is, during operation of the PEFC, humidified water added in the form of water vapor in the fuel gas and oxidizing gas to prevent transpiration from the electrolyte membrane, and water generated by an electrochemical reaction on the cathode side By means of this, saturation is always maintained.
ところが、カソード側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガスおよび酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となって水が凝結して、水の供給が過剰となると、この電解質膜が水浸しとなり、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディング状態が発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、更にはカソードへの酸素ガスの供給が阻害されて、PEFCの発生電圧が低下する。この電圧低下は、PEFCの効率の低下に繋がるため、PEFCの高いエネルギー変換効率を維持するためには、フラッディング現象を抑制することが重要である。 However, if the water produced on the cathode side increases or the fuel gas and the oxidizing gas are consumed and the water vapor in the residual gas becomes supersaturated and the water condenses, the water supply becomes excessive. The membrane becomes soaked and enters a so-called “flooding” state. When this flooding state occurs, the gas contact area in the cell decreases, and further, the supply of oxygen gas to the cathode is hindered, and the generated voltage of PEFC decreases. Since this voltage drop leads to a decrease in the efficiency of PEFC, it is important to suppress the flooding phenomenon in order to maintain the high energy conversion efficiency of PEFC.
フラッディング現象を抑制するとともに、PEFCの効率を高めることを目的とした技術が、これまでにいくつか提案されてきている。例えば、特許文献1には、多孔質部を部分的に含むセパレータを使用し、この多孔質部を重力方向下方であり、かつ、酸化ガス流路出口近傍に設けることで、水分、酸素、及び水素を、燃料電池の反応領域へ均一に供給する技術が開示されている。
しかし、特許文献1に開示されている技術によれば、重力により下方に滞留した水分が多孔質部を通って乾燥空気側へと添加される前に、燃料電池のセル外へ排出されてしまうという問題があった。 However, according to the technique disclosed in Patent Document 1, moisture staying downward due to gravity is discharged out of the cell of the fuel cell before being added to the dry air side through the porous portion. There was a problem.
そこで本発明は、酸化ガスをセル内の余剰水により効果的に加湿することが可能であるとともに、セル内の排水性を向上させることによりフラッディングを抑制することが可能な、燃料電池を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention provides a fuel cell capable of effectively humidifying oxidizing gas with excess water in the cell and capable of suppressing flooding by improving drainage in the cell. This is the issue.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の発明は、電解質と、電解質の両側に配置されるカソード及びアノードと、を備えるMEAの両側に、一対のセパレータを配設してセルを構成し、カソード側に配設されているセパレータに多孔質材料で形成した多孔質部と該多孔質部以外の部位である非多孔質部とを設け、該多孔質部がカソードと対向する面に多孔質部と非多孔質部とに連通する第1ガス流路を設けるとともに、他方の面の多孔質部に第2ガス流路を設け、第2ガス流路の下流部と第1ガス流路の上流部とが通じている燃料電池であって、多孔質部を通過した第1ガス流路内のガスに含まれる水分を、第1ガス流路が形成されている面内にて捕集するとともに、捕集した水分を多孔質部へと供給する、捕集手段を有し、燃料電池の使用時において、多孔質部がセルの重力方向下方に配置されるとともに、捕集手段が、セパレータの第1ガス流路に備えられるガス流路Aであり、ガス流路Aは、多孔質部から重力方向上方へと流れるべきガスの流路であることを特徴とする、燃料電池である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、第1ガス流路が、さらに、重力方向上方から多孔質部へと流れるべきガスの流路Bを備えることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の燃料電池において、ガス流路Aに、ガスの流速を低下させる流速低下手段が備えられていることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の燃料電池において、流速低下手段が、ガス流路Bの流路よりも広幅の流路を有するガス流路Aであることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
According to the first aspect of the present invention, a cell is configured by arranging a pair of separators on both sides of an MEA including an electrolyte, and a cathode and an anode arranged on both sides of the electrolyte, and arranged on the cathode side. and has a non-porous portion provided with a site other than the porous portion and said porous portion formed of a porous material to the separator, the porous part porous portion in the cathode surface opposed to the non-porous portion A first gas flow path communicating with the second gas flow path is provided in the porous portion on the other surface , and a downstream portion of the second gas flow path and an upstream portion of the first gas flow path communicate with each other. In the fuel cell, the moisture contained in the gas in the first gas passage that has passed through the porous portion is collected in the plane where the first gas passage is formed, and the collected moisture the supply to the porous portion, have a collecting means, in use of the fuel cell, the porous portion The gas passage A is disposed below the cell in the gravity direction, and the collecting means is provided in the first gas passage of the separator, and the gas passage A should flow upward from the porous portion in the gravity direction. The fuel cell is a gas flow path .
According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect , the first gas flow path further includes a gas flow path B that should flow from the upper side in the direction of gravity to the porous portion. To do.
According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect, the gas flow path A is provided with a flow rate lowering means for reducing the flow rate of the gas .
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the third aspect , the flow velocity reducing means is a gas flow path A having a flow path wider than the flow path of the gas flow path B. .
請求項1に記載の発明によれば、多孔質部へと供給される水分が、多孔質部を介して第2ガス流路内の酸化ガスを加湿し、この加湿された酸化ガスにより、第1ガス流路内の酸化ガスを加湿できる。したがって、本発明によれば、酸化ガスをセル内の余剰水により効果的に加湿することが可能な、燃料電池を提供できる。また、請求項1に記載の発明によれば、多孔質部を通過した第1ガス流路内の酸化ガスに含まれる水分が、重力によって、重力方向下方に位置する多孔質部に溜まりやすくなる。そのため、酸化ガスを余剰水により効果的に加湿することが可能になり、かつ、セル内の排水性を向上させることによりフラッディングを抑制することが可能な、燃料電池を提供できる。
According to the first aspect of the present invention, the moisture supplied to the porous portion humidifies the oxidizing gas in the second gas flow path through the porous portion, and the humidified oxidizing gas causes the first The oxidizing gas in one gas flow path can be humidified. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of effectively humidifying the oxidizing gas with the excess water in the cell. According to the first aspect of the present invention, moisture contained in the oxidizing gas in the first gas flow path that has passed through the porous portion is likely to accumulate in the porous portion located below the gravity direction due to gravity. . Therefore, it is possible to provide a fuel cell that can effectively humidify the oxidizing gas with excess water and that can suppress flooding by improving drainage in the cell.
請求項2に記載の発明によれば、セル内の電気化学反応により生成された水分を、ガス流路B内におけるガスの流れ及び重力により、重力方向下方に配置された多孔質部へと効果的に運ぶことが可能になるため、セル内の排水性をより一層向上させた燃料電池を提供できる。
According to the invention described in
請求項3に記載の発明によれば、セル外へと持ち出される水分量を低減することが可能になるため、セル内における余剰水の利用効率を向上させた燃料電池を提供できる。
According to the third aspect of the present invention, it is possible to reduce the amount of water taken out of the cell, so that it is possible to provide a fuel cell with improved utilization efficiency of excess water in the cell.
請求項4に記載の発明によれば、セル内における水の利用効率を向上させた燃料電池を容易に提供することができる。
According to the invention described in claim 4, it is possible to provide a fuel cell having improved efficiency of use of water in the cell easily.
本発明の燃料電池は、電解質と、電解質の両側に配置されるカソード及びアノードと、を備えるMEAの両側に、一対のセパレータを配設してセルを構成し、カソード側に配設されているセパレータの一部に多孔質材料で形成した多孔質部を設け、該多孔質部がカソードと対向する面に第1ガス流路を設けるとともに、他方の面に第2ガス流路を設け、第2ガス流路の下流部と第1ガス流路の上流部とが通じている。本発明では、酸化ガス中に含まれる水分を多孔質部に滞留させ、当該多孔質部から、乾燥した酸化ガスが供給される第2ガス流路を介して第1ガス流路の上流部へと水分を移動させることにより、第1ガス流路へと供給される酸化ガスを加湿する。かかる構成とすることにより、燃料電池の酸化ガスを、セル(以下において、燃料電池内において電気化学反応が起こる部位を含む、一対のセパレータにより挟まれる部位を「セル」と記述し、当該セルを、「燃料電池」と記載することがある。)内の余剰水により効果的に加湿することが可能であり、かつ、セル内における排水性を向上させることが可能な燃料電池とすることができる。 The fuel cell of the present invention has a cell by arranging a pair of separators on both sides of an MEA including an electrolyte and a cathode and an anode arranged on both sides of the electrolyte, and is arranged on the cathode side. A porous portion formed of a porous material is provided in a part of the separator, the first gas flow path is provided on the surface of the porous portion facing the cathode, and the second gas flow path is provided on the other surface. The downstream part of the two gas flow paths communicates with the upstream part of the first gas flow path. In the present invention, moisture contained in the oxidizing gas is retained in the porous portion, and from the porous portion to the upstream portion of the first gas passage through the second gas passage to which the dried oxidizing gas is supplied. By moving the moisture, the oxidizing gas supplied to the first gas channel is humidified. With this configuration, the oxidizing gas of the fuel cell is described as a cell (hereinafter referred to as a “cell” including a portion where an electrochemical reaction occurs in the fuel cell, and the cell is defined as “cell”. In some cases, the fuel cell can be effectively humidified by the excess water in the cell and can improve drainage in the cell. .
図1に、本発明の燃料電池の断面図を概略的に示す。本発明の燃料電池100は、電解質膜1と、当該膜1の両側に配置されるカソード2及びアノード3と、を含むMEA5、並びに、MEA5の両側に配置される一対のセパレータ10、20を有している。カソード2側に配設されているセパレータ10は、その一部が多孔質部30により形成されている。セパレータ10のカソード2と対向する面11には第1ガス流路15が形成されるとともに、面11の裏側の面12には、多孔質部30にあっては第2ガス流路16、16が、多孔質部30以外の部位(以下において、「非多孔質部31」と記述する。)にあっては冷却水流路17、17、17が形成されている。そして、第2ガス流路16、16の下流部と第1ガス流路15の上流部とは通じている。非多孔質部31における第1ガス流路15は、重力方向と平行な方向に形成されている一方で、多孔質部30における流路15は、後述するように、重力方向に流れるガス流路Bの流れを反重力方向に流れるガス流路Aの流れの方向に変換する。
なお、図1において、紙面の左右方向がMEAの面の法線方向であるとともに、紙面の上から下への方向が、重力方向である。
燃料電池の使用時には、かかる構成の燃料電池100を、多孔質部30が重力方向下方となるように配置することで、第1ガス流路15内を流れる酸化ガス中に含まれる水分を、重力方向下方に配置される多孔質部30へと捕集しやすくなる。燃料電池100において、多孔質部30に捕集された水分は、面12側に形成されている第2ガス流路16、16へと移動して当該流路16、16内を流れる酸化ガスを加湿し、この加湿された酸化ガスが流路15の上流部へと移動することで、流路15内の酸化ガスを加湿することができる。
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of the fuel cell of the present invention. The
In FIG. 1, the left-right direction of the paper surface is the normal direction of the MEA surface, and the direction from the top to the bottom of the paper surface is the direction of gravity.
When the fuel cell is used, the
図2に、本発明の燃料電池100におけるセパレータ10を、面11側から見た正面図を概略的に示す。図2において、紙面に垂直な方向がMEAの面の法線方向であるとともに、紙面の上から下への方向が、重力方向である。
セパレータ10の面11には、重力方向上方から下方へと流れるべきガスの流路Bと、多孔質部30において重力方向に流れるガス流路Bの流れを反重力方向に流れるガス流路Aの流れの方向に変換する流路14と、重力方向下方から上方へと流れるべきガスの流路Aとが形成され、これらのガス流路B、流路14、及び、ガス流路Aにより、U字形の流路形状を有する第1ガス流路15が構成される。ここで、第1ガス流路15を流れるガスは、酸化ガス流路入口18より流路15へと導入され、流路B、流路14、及び流路Aを経た後、ガスは、酸化ガス流路出口19からセル外へと導かれる。なお、図2における第1ガス流路15内の矢印は、当該流路15内におけるガスの流れ方向を表している。
本発明の燃料電池100は、第1ガス流路15をかかる形態とすることで、後述するように、セル内において生成された余剰水を効果的に活用することができる。
In FIG. 2, the front view which looked at the
On the
The
本発明の燃料電池における第1ガス流路15に関する説明を容易にするため、従来の燃料電池のセパレータに形成される一般的な流路を、図3に概略的に示す。
従来の燃料電池では、図3に示すいわゆるサーペンタイン型の流路が、一般的に使用されている。ところが、このように複数の曲部を有する流路をセパレータに形成すると、流路の曲部において酸化ガスのよどみ点が生じる。そのため、セル内の反応において当該部位に生成された水は、酸化ガスにより持ち去られ難く、特に、酸化ガスが低流速である場合には、排水性が低下する。そのため、当該曲部に水溜り50、50、50、50、50が発生し、燃料電池の性能低下を引き起こすという問題があった。
また、従来の燃料電池では、セル内において生成された余剰水を、酸化ガス加湿用として効果的に活用できておらず、セル内の電解質膜を湿潤させるために、加湿器を用いて酸化ガスを加湿する必要があった。
In order to facilitate the description of the first
In a conventional fuel cell, a so-called serpentine type flow path shown in FIG. 3 is generally used. However, when a channel having a plurality of curved portions is formed in the separator as described above, a stagnation point of oxidizing gas occurs in the curved portion of the channel. For this reason, the water generated at the site in the reaction in the cell is difficult to be taken away by the oxidizing gas, and particularly when the oxidizing gas has a low flow rate, the drainage is reduced. For this reason, there is a problem that water pools 50, 50, 50, 50, 50 are generated in the curved portion, and the performance of the fuel cell is deteriorated.
In addition, in the conventional fuel cell, the surplus water generated in the cell cannot be effectively used for humidifying the oxidizing gas, and the humidifying device is used to oxidize the oxidizing gas in order to wet the electrolyte membrane in the cell. Needed to be humidified.
そこで、本発明の燃料電池は、図2に示すように、第1のガス流路15の曲部を、2箇所のみとする。かかる形態とすることにより、上記よどみ点の発生を低減することが可能になる。また、本発明では、当該曲部が位置する部位を、多孔質部30により構成する。かかる形態とすることにより、よどみ点が位置する多孔質部30において強制的に水溜りを発生させることができる。さらに、本発明では、多孔質部30を重力方向下方に配置することにより、流路A及びBの方向を重力方向と平行な方向にすることができるため、重力により、これらの流路内のガスに含まれる水分を当該多孔質部30において捕集することが容易になり、流路15内のガスが低流速であっても、流路15内の排水性を向上させることができる。
このようにして多孔質部30に水を捕集すれば、当該多孔質部30を介して、面11側の余剰水を面11の裏側へと移動させることができる。そして、当該面11の裏側に形成されている第2ガス流路は、その下流部が第1ガス流路の上流部と通じているため、第2ガス流路へと移動された水分が当該流路内の酸化ガスを加湿し、この加湿された酸化ガスが、第1ガス流路15の上流部において、流路15へと供給される酸化ガスを加湿する。したがって、本発明の燃料電池における第1ガス流路15を図2のような形態とすることにより、セル内において生成された余剰水を効果的に活用して酸化ガスを加湿することができるため、従来の燃料電池において必要とされていた加湿器を小型化、もしくは不要にすることができるという利点を得ることができる。
Therefore, in the fuel cell according to the present invention, as shown in FIG. With this configuration, it is possible to reduce the occurrence of the stagnation point. In the present invention, the portion where the curved portion is located is constituted by the
If water is collected in the
本発明の燃料電池100は、第1ガス流路15のガス流路Aに、ガス流速低下手段が備えられていることが好ましい。かかる手段を備えることにより、第1ガス流路内の酸化ガスがセル内の余剰水をセル外へと持ち去ることを抑制することが可能になるため、セル内における余剰水の利用効率を向上させることができる。本発明の燃料電池100では、余剰水の利用効率が向上すれば、第1ガス流路へと導入される酸化ガスをより効率的に加湿することが可能になり、ひいては燃料電池セルの発電効率を向上させることが可能になる。
さらに、上記ガス流路Aの流路幅を、第1ガス流路15におけるガス流路Bの流路幅よりも広くすることにより、ガス流路Aにおけるガス流速を低下させることが好ましい。本発明の燃料電池100をかかる形態とすることにより、簡便な方法で、ガス流速低下手段を設けることが可能になる。なお、当該ガス流路Aの流路幅は、特定の流路幅に固定されていてもよいが、流路幅を変更することが可能な流路壁を備えるガス流路Aとすることが、さらに好ましい。ガス流路Aをかかる形態とすることにより、当該流路A内のガス流速に応じて流路Aの流路幅を適宜変更することが可能になり、流路A内の酸化ガスによる余剰水の持ち去りをより効果的に抑制することで、酸化ガスをより一層効果的に加湿することが可能になる。
In the
Furthermore, it is preferable to reduce the gas flow rate in the gas channel A by making the channel width of the gas channel A wider than the channel width of the gas channel B in the
本発明の燃料電池100において、少なくとも上記第1ガス流路15及び第2ガス流路16の一部に備えられる多孔質部30は、流路15から流路16へと水を通すことが可能であれば、その材質は特に限定されるものではないが、水を流路15内のガスよりも早く流路16側へ移動させることができる部材であることが好ましい。例えば、当該部材として、1μm〜2μm程度の気孔径の気孔からなる多孔質部材を用いることで、毛細管現象により、流路15から流路16側へと水を移動可能な多孔質部とすることができる。かかる形態とすることにより、多孔質部30の気孔が水により塞がれると、流路15内のガスは流路16側へと移動することが困難になるため、水を流路15内のガスよりも早く流路16側へ移動させることが可能な多孔質部材30とすることができる。
In the
1 電解質膜
2 カソード
3 アノード
5 MEA
10、20 セパレータ
11 カソードと対向する面
12 カソードと対向する面の裏面
15 第1ガス流路
16 第2ガス流路
30 多孔質部
100 セル(燃料電池)
1
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記カソード側に配設されている前記セパレータに多孔質材料で形成した多孔質部と前記多孔質部以外の部位である非多孔質部とを設け、該多孔質部が前記カソードと対向する面に前記多孔質部と前記非多孔質部とに連通する第1ガス流路を設けるとともに、他方の面の前記多孔質部に第2ガス流路を設け、
前記第2ガス流路の下流部と前記第1ガス流路の上流部とが通じている燃料電池であって、
前記多孔質部を通過した前記第1ガス流路内のガスに含まれる水分を、前記第1ガス流路が形成されている前記面内にて捕集するとともに、捕集した前記水分を前記多孔質部へと供給する、捕集手段を有し、
燃料電池の使用時において、前記多孔質部が前記セルの重力方向下方に配置されるとともに、
前記捕集手段が、前記セパレータの前記第1ガス流路に備えられるガス流路Aであり、
前記ガス流路Aは、前記多孔質部から重力方向上方へと流れるべきガスの流路であることを特徴とする、燃料電池。 A cell is configured by arranging a pair of separators on both sides of an MEA including an electrolyte, and a cathode and an anode arranged on both sides of the electrolyte,
Nonporous portion and a provided surface porous portion is the cathode and the counter, which is a portion between the cathode-side porous portion formed of a porous material to the separator is disposed in addition to the porous portion Provided with a first gas flow path communicating with the porous portion and the non-porous portion, and provided with a second gas flow path in the porous portion on the other surface,
A fuel cell in which a downstream portion of the second gas flow channel and an upstream portion of the first gas flow channel communicate with each other;
Moisture contained in the gas in the first gas flow path that has passed through the porous portion is collected in the plane where the first gas flow path is formed, and the collected water is supplied to the porous portion, it has a collecting means,
When the fuel cell is used, the porous portion is disposed below the cell in the gravitational direction,
The collecting means is a gas flow path A provided in the first gas flow path of the separator;
The fuel cell according to claim 1, wherein the gas channel A is a gas channel that should flow upward from the porous portion in the direction of gravity .
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