JP5010811B2

JP5010811B2 - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP5010811B2
Application number: JP2005149595A
Authority: JP
Inventors: 幸司佐藤; 佳昭深津
Original assignee: Nissei Corp
Current assignee: Nissei Corp
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP2006331686A

Description

本発明は、発電効率に優れた燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack excellent in power generation efficiency.

固体高分子電解質型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と称する）の片面に、燃料ガス拡散層と触媒層とから構成されるアノードを配設し、他方の面に、酸化剤ガス拡散層と触媒層とから構成されるカソードを配設して構成される単位燃料電池セル（以下、単に「単位電池セル」と称する）を、導電性セパレータによって挟持して構成されるものである。 A solid polymer electrolyte fuel cell has an anode composed of a fuel gas diffusion layer and a catalyst layer on one side of a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter simply referred to as “electrolyte membrane”) made of a polymer ion exchange membrane. A unit fuel cell (hereinafter simply referred to as “unit battery cell”) having a cathode composed of an oxidant gas diffusion layer and a catalyst layer on the other surface is electrically conductive. It is constituted by being sandwiched by a sex separator.

この固体高分子電解質型燃料電池は、燃料ガスとして、少なくとも水素ガスを含むガスを用い、酸化剤ガスとして、空気などの少なくとも酸素ガスを含むガスを使用し、水素と酸素との酸化還元反応により生じる起電力を利用して直流の電気エネルギーを取り出すものである。 This solid polymer electrolyte fuel cell uses a gas containing at least hydrogen gas as a fuel gas, uses a gas containing at least oxygen gas such as air as an oxidant gas, and performs oxidation-reduction reaction between hydrogen and oxygen. The generated electromotive force is used to extract DC electric energy.

具体的には、固体高分子電解質型燃料電池では、アノードに供給された燃料ガス中の水素ガスがガス拡散層において拡散して触媒層においてプロトン化され、生じたプロトンが適度に加湿された電解質膜を介してカソード側へ移動すると共に、その間に生じた電子が外部回路を介してカソード側へ移動する。 Specifically, in a solid polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte in which hydrogen gas in a fuel gas supplied to an anode diffuses in a gas diffusion layer and is protonated in a catalyst layer, and the generated protons are appropriately humidified. While moving to the cathode side through the membrane, electrons generated during the movement move to the cathode side through an external circuit.

カソード側へ移動したプロトンは、カソードの触媒層において、そのカソードに供給された酸化剤ガス中の酸素ガスと、外部回路を介してアノード側からカソード側へ流れてきた電子と反応し、水を生成する。固体高分子電解質型燃料電池では、そのように水素と酸素とから水が生成される酸化還元反応の際に生じる起電力を利用して直流の電気エネルギーを取り出す。 The proton that has moved to the cathode side reacts with oxygen gas in the oxidant gas supplied to the cathode in the catalyst layer of the cathode and electrons that have flowed from the anode side to the cathode side via the external circuit, and water is removed. Generate. In a solid polymer electrolyte fuel cell, direct current electric energy is taken out by using an electromotive force generated in the oxidation-reduction reaction in which water is generated from hydrogen and oxygen.

ここで、単位電池セル及び導電性セパレータの一組から構成される固体高分子電解質型燃料電池の起電力は実用的レベルではないので、一般的には、固体高分子電解質型燃料電池は、十分な起電力を得るために、単位電池セル及び導電性セパレータの複数組をそれぞれ電気的に接続して組み合わせた燃料電池スタックとして用いられている。 Here, since the electromotive force of a solid polymer electrolyte fuel cell composed of a unit battery cell and a set of conductive separators is not practical, in general, a solid polymer electrolyte fuel cell is sufficient. In order to obtain a good electromotive force, it is used as a fuel cell stack in which a plurality of sets of unit battery cells and conductive separators are electrically connected and combined.

この燃料電池スタックの形態としては、単位電池セルにおけるカソード側の端面とアノード側の端面とを隣接させて積層し、導電性セパレータを介して直列に接続させた積層型燃料電池スタックや、単位電池セルを平面状に並べた上で各単位電池セルを配線などによって直列又は並列に接続させた平面型燃料電池スタックなどの形態がある。 As the form of this fuel cell stack, a stacked fuel cell stack in which the cathode side end face and the anode side end face of the unit battery cells are adjacently stacked and connected in series via a conductive separator, or a unit cell There is a form such as a planar fuel cell stack in which the unit battery cells are connected in series or in parallel by wiring or the like after the cells are arranged in a plane.

ところで、固体高分子電解質型燃料電池では、発電過程において、上記のようにカソードにおいて水が生成される。そのため、単位電池セル内における水蒸気分圧は、カソード側の方がアノード側に比べて高く、その水蒸気分圧差に起因して、カソード側から電解質膜を介してアノード側へ水分（水蒸気）が移動する。 By the way, in the solid polymer electrolyte fuel cell, water is generated at the cathode as described above during the power generation process. Therefore, the water vapor partial pressure in the unit battery cell is higher on the cathode side than on the anode side, and moisture (water vapor) moves from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane due to the difference in water vapor partial pressure. To do.

その一方で、発電過程におけるアノードからカソードへのプロトン移動に伴う電気浸透現象に起因して、アノード側から電解質膜を介してカソード側へ向かう水分（水蒸気）の移動も存在する。ここで、電気浸透現象に伴うアノード側からカソード側への水分の移動量の方が、上記した水蒸気分圧差によって生じるカソード側からアノード側への水分の移動量より少ない場合には、見かけ上、水分はカソード側からアノード側へ移動することになる。 On the other hand, due to the electroosmosis phenomenon accompanying proton transfer from the anode to the cathode during the power generation process, there is also movement of water (water vapor) from the anode side to the cathode side through the electrolyte membrane. Here, when the amount of moisture transferred from the anode side to the cathode side due to the electroosmosis phenomenon is smaller than the amount of moisture transferred from the cathode side to the anode side caused by the above-mentioned water vapor partial pressure difference, apparently, Moisture moves from the cathode side to the anode side.

このようなカソード側からアノード側への水分の移動によって、アノードが結露することがある。アノードに結露が生じると、水滴がアノードの触媒層を覆い、それによって触媒層の反応面積が減少するために、結果として、発電効率が急激に低下し、時には発電不能になるという事態が生じる。 Such movement of moisture from the cathode side to the anode side may cause condensation on the anode. When dew condensation occurs on the anode, water drops cover the catalyst layer of the anode, thereby reducing the reaction area of the catalyst layer. As a result, the power generation efficiency rapidly decreases, and sometimes power generation becomes impossible.

また、単位電池セルが直列に接続されて構成される燃料電池スタックにおいて、１の単位電池セルの発電効率が急激に低下した場合、燃料電池スタック全体から取り出される電圧（電気エネルギー）が突然低下して燃料電池スタックとしての機能が不十分となるだけでなく、発電効率の低下した単位電池セルが回路上における電気抵抗として作用した結果として、その単位電池セルの破損を招くことになる。 Further, in a fuel cell stack configured by connecting unit battery cells in series, when the power generation efficiency of one unit battery cell is drastically reduced, the voltage (electrical energy) extracted from the entire fuel cell stack is suddenly reduced. As a result, not only the function as a fuel cell stack becomes insufficient, but also the unit battery cell with reduced power generation efficiency acts as an electrical resistance on the circuit, resulting in damage to the unit battery cell.

特に、積層型燃料電池スタックの場合には、その積層体の積層方向の端部より中央の方が放熱性が悪いために、積層方向の端部より中央の方が温度が高いという温度分布を生じる。そのために、積層型燃料電池スタックにおけるマイナス極側、即ち、積層された単位電池セルにおけるアノード側の端面の側から数個の単位電池セルでは、アノード側の温度がカソード側の温度より低い状況が生じる。 In particular, in the case of a stacked fuel cell stack, the heat distribution is worse at the center than at the end in the stacking direction of the stack, so the temperature distribution is higher at the center than at the end in the stacking direction. Arise. Therefore, in the negative electrode side in the stacked fuel cell stack, that is, several unit battery cells from the anode side end surface of the stacked unit battery cells, the temperature on the anode side is lower than the temperature on the cathode side. Arise.

よって、積層型燃料電池スタックにおけるマイナス極側におけるいくつかの単位電池セルは、カソード側より温度の低いアノード側において先に飽和水蒸気圧に達しやすく、その結果として、アノードの結露による発電効率の急激な低下が生じやすい。実際、積層型燃料電池スタックのマイナス極側から１，２番目の単位電池セルは、他の単位電池セルに比べて破損しやすい傾向にある。 Therefore, some unit battery cells on the negative electrode side in the stacked fuel cell stack are likely to reach the saturated water vapor pressure first on the anode side where the temperature is lower than that on the cathode side. As a result, the power generation efficiency rapidly increases due to condensation on the anode. Reduction is likely to occur. In fact, the first and second unit battery cells from the negative electrode side of the stacked fuel cell stack tend to be more easily damaged than other unit battery cells.

従来より、アノードへの結露を防止するために、例えば、特開２０００−２４３４１７号公報（特許文献１）に記載されるように、燃料ガスの流路（水素給排系）内の燃料ガスを外部へパージすることがしばしば行われる。 Conventionally, in order to prevent dew condensation on the anode, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-243417 (Patent Document 1), the fuel gas in the fuel gas flow path (hydrogen supply / exhaust system) is reduced. Often purging to the outside.

ここで、図７は、アノードの結露防止策である燃料ガスのパージを行わなかった場合における、燃料電池スタックの出力安定性を示すグラフである。図７のグラフにおける横軸は、燃料電池スタックの運転時間（単位：時間）を示し、縦軸は、出力電圧（単位：Ｖ）を示す。図７に示すように、燃料ガスのパージを行わなかった場合には、運転開始後１時間に満たないうちに電圧が急激に低下し、燃料電池スタックは発電不能状態に陥った。 Here, FIG. 7 is a graph showing the output stability of the fuel cell stack when the purge of fuel gas, which is a measure for preventing condensation on the anode, is not performed. The horizontal axis in the graph of FIG. 7 indicates the operation time (unit: time) of the fuel cell stack, and the vertical axis indicates the output voltage (unit: V). As shown in FIG. 7, when the purge of the fuel gas was not performed, the voltage suddenly dropped within 1 hour after the start of operation, and the fuel cell stack was in a power generation disabled state.

また、コードレス機器及び家庭向けの燃料電池スタックは、自動車用途ほどの大きな起電力が要求されない上に、長時間運転及び経済性の観点から、燃料ガスの流路が排気口側においてクローズされているものがある。このように燃料ガスの流路に一方がクローズされた積層型燃料電池スタックでは、水分を含む燃料ガスが外界へ排気されないので、特に、マイナス極側の単位電池セルにおけるアノードへの結露が生じやすくなる。 In addition, cordless devices and household fuel cell stacks do not require as much electromotive force as automotive applications, and the fuel gas flow path is closed on the exhaust side from the viewpoint of long-time operation and economy. There is something. In a stacked fuel cell stack in which one side is closed in the flow path of the fuel gas in this way, since the fuel gas containing moisture is not exhausted to the outside, condensation is particularly likely to occur on the anode in the unit battery cell on the negative electrode side. Become.

このような燃料ガスの流路が排気口側においてクローズされている場合にも、アノードへの結露を防止するために、上記のような燃料ガスのパージが行われている。この場合には、所定期間毎に、燃料ガスの流路におけるクローズを解除することにより、燃料ガスの流路内の燃料ガスが、その燃料ガスの供給圧力によって外部へパージされる。
特開２０００−２４３４１７号公報 Even when such a flow path of the fuel gas is closed on the exhaust port side, purging of the fuel gas as described above is performed in order to prevent condensation on the anode. In this case, the fuel gas in the flow path of the fuel gas is purged to the outside by the supply pressure of the fuel gas by releasing the close in the flow path of the fuel gas every predetermined period.
JP 2000-243417 A

しかしながら、アノードへの結露を防止するために燃料ガスのパージを行った場合は、燃料ガスの浪費量が必然的に増えるために運転時間が短縮されると共に、経済的ではないという問題点があった。長時間の運転が重要視されるコードレス機器向け燃料電池スタックの場合には、燃料ガスの浪費による運転時間の短縮は最も無視できない問題点の一つであり、ユーザの購買意欲を低下させるという問題点があった。同様に、燃費の良さが重要視される家庭向けの燃料電池スタックの場合においても、燃料ガスの浪費による不経済性は最も無視できない問題点の一つであり、その不経済性による購買意欲の低下を招くという問題点があった。 However, when purging the fuel gas to prevent condensation on the anode, the wasteful amount of fuel gas is inevitably increased, which shortens the operation time and is not economical. It was. In the case of fuel cell stacks for cordless devices where long-time operation is important, shortening the operation time due to waste of fuel gas is one of the most ignorable problems, and it reduces the user's willingness to purchase There was a point. Similarly, even in the case of fuel cell stacks for households where good fuel economy is important, the uneconomical effect due to the waste of fuel gas is one of the most ignorable problems. There was a problem of causing a drop.

また、燃料ガスが水素を含むガスであるために、そのような燃料ガスがパージされることに対し、ユーザが抱く安全性のイメージを低下させるという問題点があった。特に、燃料電池スタックが家庭向けの燃料電池スタックの場合には、安全性のイメージが低下した結果として、実際には十分な安全対策がとられているのにもかかわらず、購買意欲を低下させるという問題点があった。 Further, since the fuel gas is a gas containing hydrogen, there is a problem that the safety image of the user is lowered against the purging of such fuel gas. In particular, when the fuel cell stack is a household fuel cell stack, as a result of the decline in the safety image, the willingness to purchase is reduced even though sufficient safety measures are actually taken. There was a problem.

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、燃料ガスの浪費を抑制し、安全性の点においてユーザに与える不安を軽減した上で、発電効率に優れ、かつ寿命の長い燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and suppresses waste of fuel gas, reduces anxiety given to the user in terms of safety, and has excellent power generation efficiency and long life. The object is to provide a long fuel cell stack.

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池スタックは、高分子電解質膜と、その高分子電解質膜の片面に隣接してその内部に燃料ガスが流入されるアノードと、前記高分子電解質膜における前記アノードとは反対側の面に隣接してその内部に酸化剤ガスが流入されるカソードとから構成される単位電池セルの複数個を電気的に接続しつつ積層させて一組の電池集合体とし、その電池集合体における各単位電池セルにおける前記アノード及び前記カソードにそれぞれ前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給して起電力を得るものであって、当該燃料電池スタックから電圧を取り出すためのマイナス極及びプラス極を備え、前記電池集合体の二組が、各電池集合体におけるアノード側の端面を共通の前記マイナス極を介して対向させるように配置され、前記単位電池セルにおける前記アノード内におけるガス雰囲気の温度が、前記カソード内のガス雰囲気の温度より高くなるように構成されている。 In order to achieve this object, a fuel cell stack according to claim 1 includes a polymer electrolyte membrane, an anode adjacent to one surface of the polymer electrolyte membrane, into which fuel gas flows, and the polymer. A plurality of unit battery cells each composed of a cathode adjacent to a surface opposite to the anode in the electrolyte membrane and a cathode into which an oxidant gas flows are stacked while being electrically connected. A battery assembly is used to obtain an electromotive force by supplying the fuel gas and the oxidant gas to the anode and the cathode of each unit battery cell in the battery assembly, respectively. A negative electrode and a positive electrode for taking out are provided, and two sets of the battery assemblies face the anode side end face of each battery assembly through the common negative electrode. Is urchin arrangement, the temperature of the gas atmosphere in said anode in the unit battery cell is configured to be higher than the temperature of the gas atmosphere in the cathode.

請求項１記載の燃料電池スタックによれば、電池集合体の二組が、各電池集合体におけるアノード側の端面を対向させて配置して構成されるものであるので、各電池集合体において結露の生じやすいアノード側の端面を燃料電池スタックにおける内側に配置することができる。その結果として、二組の電池集合体の組み合わせによって構成される燃料電池スタックにおける温度分布を、各電池集合体を構成する各単位電池セルのアノード内のガス雰囲気の温度がカソード内のガス雰囲気の温度より高くなるように維持できる。これにより、燃料電池内の水蒸気分圧はカソードの水蒸気分圧で律されるが、アノード温度がカソード温度よりも高いために、アノードは飽和蒸気圧に達しない。よって、アノードの触媒表面に結露が生じ難くなる。 According to the fuel cell stack of claim 1, since the two sets of battery assemblies are configured with the end faces on the anode side of each battery assembly facing each other, dew condensation occurs in each battery assembly. It is possible to arrange the end face on the anode side that is likely to be formed inside the fuel cell stack. As a result, the temperature distribution in the fuel cell stack constituted by the combination of the two battery assemblies is represented by the temperature of the gas atmosphere in the anode of each unit battery cell constituting each battery assembly being the gas atmosphere in the cathode. It can be maintained above the temperature. Thereby, the water vapor partial pressure in the fuel cell is regulated by the water vapor partial pressure of the cathode, but since the anode temperature is higher than the cathode temperature, the anode does not reach the saturated vapor pressure. Therefore, condensation is less likely to occur on the anode catalyst surface.

請求項２記載の燃料電池スタックは、請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記単位電池セルのアノードに、前記燃料ガスを、互いに対向する方向から流入する少なくとも２つの燃料ガス供給路を備えている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the fuel cell stack according to the first aspect, further comprising at least two fuel gas supply paths through which the fuel gas flows from opposite directions to the anode of the unit battery cell. Yes.

一般に、燃料電池スタックでは、各単位電池セルに燃料ガスを供給する共通の流路が設けられ、この流路から各単位電池セルのアノード側流路に燃料ガスが導入されている。アノード側流路に供給された燃料ガスは、アノードの燃料ガス拡散層と触媒層を通じて発電に寄与する。一方、発電に寄与しない未反応ガスもあり、アノード側流路から排出用の共通通路に排出されるように流路が形成されている。しかしながら、運転状態によっては、この排出用の共通通路を通じて、燃料ガス圧の低いある特定の単位電池セルに、未反応ガスが集中するという現象が起こる。未反応ガスは水分を含んでおり、これが特定の単位電池セルのアノードに集中すると、結露の危険性を増大させることになる。 Generally, in the fuel cell stack, a common flow path for supplying fuel gas to each unit battery cell is provided, and the fuel gas is introduced from this flow path to the anode side flow path of each unit battery cell. The fuel gas supplied to the anode side flow path contributes to power generation through the fuel gas diffusion layer and the catalyst layer of the anode. On the other hand, there is unreacted gas that does not contribute to power generation, and the flow path is formed to be discharged from the anode side flow path to the discharge common passage. However, depending on the operation state, a phenomenon occurs in which unreacted gas concentrates on a specific unit battery cell having a low fuel gas pressure through the discharge common passage. The unreacted gas contains moisture, and when it concentrates on the anode of a specific unit battery cell, it increases the risk of condensation.

この請求項２記載の燃料電池スタックによれば、各単位電池セルに含まれる１のアノードに対し、少なくとも２つの燃料ガス供給路から、互いに対向する方向で燃料ガスが流入される。よって、水分を多く含んだ未反応ガスが他の単位電池セルに流れ込むことを抑制し、その結果として、アノードの触媒表面が結露で覆されることを抑制できる。 According to the fuel cell stack of the second aspect, the fuel gas flows into the one anode included in each unit battery cell from the at least two fuel gas supply paths in the opposite directions. Therefore, it can suppress that the unreacted gas containing much moisture flows into other unit battery cells, and as a result, it can suppress that the catalyst surface of an anode is covered with dew condensation.

本発明の燃料電池スタックによれば、アノードの触媒表面が結露で覆われる現象が生じ難くなるため、発電効率の突然の低下を防止し、単位電池セルの寿命が向上するという効果がある。また、アノードの結露防止のために燃料ガスをパージする回数やパージ量を低減でき、場合によっては全く必要としないので、経済的であると共に、機器の運転時間をより長くすることが可能となるという効果もある。さらに、パージに対してユーザが抱く安全性のイメージを向上できるという効果もある。 According to the fuel cell stack of the present invention, since the phenomenon that the catalyst surface of the anode is covered with condensation is less likely to occur, there is an effect that the sudden decrease in power generation efficiency is prevented and the life of the unit battery cell is improved. In addition, the number of purges of the fuel gas and the purge amount can be reduced to prevent dew condensation on the anode, and in some cases it is not necessary at all, so it is economical and it is possible to extend the operation time of the equipment. There is also an effect. In addition, there is an effect that the image of safety that the user has against purging can be improved.

以下、本発明の好ましい実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施例における燃料電池スタック１を説明するための図であり、図１（ａ）は、本発明における第１実施例の燃料電池スタック１の模式図であり、図１（ｂ）は、燃料電池スタック１における温度分布を示すグラフである。なお、図１（ｂ）において、縦軸は、温度を示し、一方で、横軸は、図１（ａ）に示す燃料電池スタック１における紙面左右方向の位置を示す。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining a fuel cell stack 1 according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a schematic diagram of the fuel cell stack 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a graph showing the temperature distribution in the fuel cell stack 1. In FIG. 1B, the vertical axis indicates the temperature, while the horizontal axis indicates the position in the left-right direction on the paper surface in the fuel cell stack 1 shown in FIG.

図１（ａ）に示すように、第１実施例の燃料電池スタック１は、積層型燃料電池スタックであり、８枚の単位電池セル２０がそれぞれ積層されて構成された二組の電池集合体２と、燃料電池スタック１における電圧取り出し端子であるマイナス極５０及びプラス極６０と、単位電池セル２０のそれぞれに燃料ガスとして水素ガスを供給する水素ガス供給路３０と、単位電池セル２０からそれぞれ排気された燃料ガス（排気燃料ガス）を流通する水素ガス排気路３１と、単位電池セル２０のそれぞれに酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給路４０と、単位電池セル２０からそれぞれ排気された酸化剤ガスを流通する空気排気路４１とを備えている。 As shown in FIG. 1 (a), the fuel cell stack 1 of the first embodiment is a stacked fuel cell stack, and two sets of battery assemblies configured by stacking eight unit battery cells 20 respectively. 2, a negative electrode 50 and a positive electrode 60 that are voltage extraction terminals in the fuel cell stack 1, a hydrogen gas supply path 30 that supplies hydrogen gas as a fuel gas to each of the unit battery cells 20, and the unit battery cell 20. The hydrogen gas exhaust passage 31 that circulates the exhausted fuel gas (exhaust fuel gas), the air supply passage 40 that supplies air as an oxidant gas to each of the unit battery cells 20, and the unit battery cells 20 are exhausted. And an air exhaust passage 41 through which an oxidant gas flows.

また、燃料電池スタック１は、図１（ａ）に示すように、水素ガス排気路３１は終端３１ａにおいて閉鎖（クローズ）されており、水素ガス供給路３０から供給された水素ガスを無駄なく使用できるように構成されている。なお、燃料電池スタック１には、ガスパッキンなど他の構成要素を有するが、それらは周知の構成であると共に、本発明の要旨ではないので図示及び説明を省略する。 In the fuel cell stack 1, as shown in FIG. 1A, the hydrogen gas exhaust path 31 is closed (closed) at the terminal end 31a, and the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas supply path 30 is used without waste. It is configured to be able to. Although the fuel cell stack 1 has other components such as gas packing, these are well-known configurations and are not the gist of the present invention, so illustration and description are omitted.

図１（ａ）において、一部の単位電池セル２０は、単位電池セルＸとして、その内部を模式的に図示している。単位電池セルＸ、即ち、単位電池セル２０は、イオン交換膜（例えば、デュポン社製のナフィオン（登録商標）などのフッ素系膜）によって構成される厚さ約６０μｍ以下の電解質膜２２と、燃料ガス拡散層２６と触媒層２４とから構成され電解質膜２２の片面側に隣接して配設されるアノード２１と、酸化剤ガス拡散層２７と触媒層２５とから構成され電解質膜２２における他方の面側に配設されるカソード２３とを備えている。アノード２１には、水素ガス供給路３０から水素ガス３０ａが供給され、カソード２３には空気供給路４０から空気４０ａが供給される。 In FIG. 1A, some unit battery cells 20 are schematically shown as unit battery cells X inside. The unit battery cell X, that is, the unit battery cell 20 includes an electrolyte membrane 22 having a thickness of about 60 μm or less constituted by an ion exchange membrane (for example, a fluorine-based membrane such as Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont), a fuel The anode 21 that is composed of the gas diffusion layer 26 and the catalyst layer 24 and is disposed adjacent to one side of the electrolyte membrane 22, the oxidant gas diffusion layer 27, and the catalyst layer 25, and the other of the electrolyte membranes 22. And a cathode 23 disposed on the surface side. Hydrogen gas 30 a is supplied from the hydrogen gas supply path 30 to the anode 21, and air 40 a is supplied from the air supply path 40 to the cathode 23.

単位電池セル２０（単位電池セルＸ）は、上記したとおり、アノード２１に供給された水素ガスと、カソード２３に供給された空気中の酸素との酸化還元反応に伴って起電力を得るものである。 As described above, the unit battery cell 20 (unit battery cell X) obtains an electromotive force in accordance with the oxidation-reduction reaction between the hydrogen gas supplied to the anode 21 and the oxygen in the air supplied to the cathode 23. is there.

ここで、本発明の燃料電池スタック１で使用される電解質膜２２について詳述する。一般的に、燃料電池に用いる電解質膜は、膜の含水率が高いほど膜のオーム損が低減されて発電効率が高くなる。また、周囲雰囲気の相対湿度が高いほど、膜の含水率は高くなる。しかしながら、発電に伴う電気浸透現象によりアノード２１からカソード２３へ多くの水分が移動するために、アノード２１の相対湿度は低下し、電解質膜２２のアノード寄りの含水率は著しく低下する。よって、一般的には、燃料ガスを外部にて充分に加湿して燃料電池スタックへ供給するシステムが多く見受けられる。 Here, the electrolyte membrane 22 used in the fuel cell stack 1 of the present invention will be described in detail. In general, in an electrolyte membrane used in a fuel cell, the higher the moisture content of the membrane, the lower the ohmic loss of the membrane and the higher the power generation efficiency. Also, the higher the relative humidity of the ambient atmosphere, the higher the moisture content of the membrane. However, since a large amount of moisture moves from the anode 21 to the cathode 23 due to the electroosmosis phenomenon accompanying power generation, the relative humidity of the anode 21 decreases, and the moisture content near the anode of the electrolyte membrane 22 decreases remarkably. Therefore, in general, there are many systems in which fuel gas is sufficiently humidified outside and supplied to the fuel cell stack.

ところが、本発明の燃料電池スタック１のように、燃料ガス（水素ガス３０ａ）を外部で充分に加湿することなく供給する場合には、カソード２３で生成した水分を積極的にアノード２１へ移動させ、電解質膜２２のアノード寄りの含水率を高めることが求められる。そのためには、水蒸気分圧差によるカソード２３からアノード２１への水分移動をより速めるために、電解質膜の厚さを可能な限り薄くすることが有効であり、これによって、効率の高い発電が可能となる。 However, when the fuel gas (hydrogen gas 30a) is supplied without being sufficiently humidified externally as in the fuel cell stack 1 of the present invention, the moisture generated at the cathode 23 is positively moved to the anode 21. Therefore, it is required to increase the water content near the anode of the electrolyte membrane 22. For this purpose, it is effective to reduce the thickness of the electrolyte membrane as much as possible in order to further accelerate the moisture transfer from the cathode 23 to the anode 21 due to the water vapor partial pressure difference, thereby enabling highly efficient power generation. Become.

また、水蒸気分圧差による水分移動が速いために、より高電流密度で発電しても電解質膜２２の著しい乾燥が起きない。従って、単位体積あたりの出力を高めることができ、さらなる小型化が可能となる。 In addition, since the moisture movement due to the water vapor partial pressure difference is fast, the electrolyte membrane 22 does not significantly dry even when power is generated at a higher current density. Therefore, the output per unit volume can be increased, and further miniaturization becomes possible.

これらの効果を可能にするためには、電解質膜２２の膜厚は、少なくとも６０μｍ以下の厚さであることが望ましい。さらには、電解質膜２２の膜厚を約１５〜３０μｍとすることにより、より高い効果が得られることが分かったので、電解質膜２２の膜厚は、約１５〜３０μｍの厚さであることがより望ましい。 In order to make these effects possible, the thickness of the electrolyte membrane 22 is desirably at least 60 μm or less. Furthermore, since it has been found that a higher effect can be obtained by setting the thickness of the electrolyte membrane 22 to about 15 to 30 μm, the thickness of the electrolyte membrane 22 may be about 15 to 30 μm. More desirable.

本実施例の燃料電池スタック１を構成する二組の電池集合体２は、それぞれの組において、１の単位電池セル２０（単位電池セルＸ）におけるアノード２１側の導電性セパレータ（非図示）と、別の単位電池セル２０（単位電池セルＸ）のカソード２３側の導電性セパレータ（非図示）とを隣接されて積層され、８枚の単位電池セル２０が直列に接続されたものである。 Two sets of battery assemblies 2 constituting the fuel cell stack 1 of this embodiment include a conductive separator (not shown) on the anode 21 side of one unit battery cell 20 (unit battery cell X) in each set. A conductive separator (not shown) on the cathode 23 side of another unit battery cell 20 (unit battery cell X) is laminated adjacent to each other, and eight unit battery cells 20 are connected in series.

本実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体２におけるマイナス極５０側、即ち、電池集合体２を構成する単位電池セル２０のアノード２１側が対向するように配置されている。即ち、図１（ａ）に示すように、紙面左側の電池集合体２におけるマイナス極５０側である右端の単位電池セル２０のアノード２１側の端面と、紙面右側の電池集合体２におけるマイナス極５０側である左端の単位電池セル２０のアノード２１側の端面とが対向するように配置されている。 The fuel cell stack 1 of the present embodiment is arranged so that the negative electrode 50 side of the two battery assemblies 2, that is, the anode 21 side of the unit battery cell 20 constituting the battery assembly 2 faces each other. That is, as shown in FIG. 1A, the end surface on the anode 21 side of the rightmost unit battery cell 20 on the negative electrode 50 side in the battery assembly 2 on the left side of the paper and the negative electrode in the battery assembly 2 on the right side of the paper. The left end unit battery cell 20 on the 50th side is disposed so as to face the end surface on the anode 21 side.

なお、本実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体２においてアノード２１側の端面が互いに対向されて配置された結果として、二組の電池集合体２が並列に接続されて１本のマイナス極５０と２本のプラス極６０とから電圧が取り出されることになる。 Note that the fuel cell stack 1 of the present embodiment is such that two sets of cell assemblies 2 are connected in parallel as a result of the two sets of cell assemblies 2 being arranged so that the end surfaces on the anode 21 side face each other. The voltage is taken out from the two negative poles 50 and the two positive poles 60.

積層型の燃料電池スタック１の温度分布は、積層方向（紙面左右方向）の端部と中央との放熱性に差があるために、中央付近が最も温度が高く、積層方向の端部の温度が最も低い。本実施例の燃料電池スタック１もまた、図１（ｂ）に示すように、温度分布は、中央に位置するマイナス極５０付近において最も高く、両端に位置する２つのプラス極６０に向かって低下している。 The temperature distribution of the stacked fuel cell stack 1 is the highest in the vicinity of the center because of the difference in heat dissipation between the end in the stacking direction (left-right direction on the paper) and the center, and the temperature at the end in the stacking direction. Is the lowest. In the fuel cell stack 1 of the present embodiment as well, as shown in FIG. 1B, the temperature distribution is highest near the negative pole 50 located at the center and decreases toward the two positive poles 60 located at both ends. is doing.

よって、図１（ｂ）から明らかなように、燃料電池スタック１における全ての単位電池セル２０（単位電子セルＸ）において、アノード２１内のガス（水素ガス３０ａ）雰囲気の温度が、カソード２３内のガス（空気４０ａ）雰囲気の温度よりも高くなる。 Therefore, as is clear from FIG. 1B, in all the unit battery cells 20 (unit electron cells X) in the fuel cell stack 1, the temperature of the gas (hydrogen gas 30a) atmosphere in the anode 21 The temperature of the gas (air 40a) atmosphere becomes higher.

即ち、本実施例の燃料電池スタック１は、２組の電池集合体２が、それぞれのマイナス極５０側の端面（アノード２１側の端面）が対向するように配置された結果として、全ての単位電池セル２０（単位電池セルＸ）におけるアノード２１内のガス（水素ガス３０ａ）雰囲気の温度を、カソード２３内のガス（空気４０ａ）雰囲気の温度よりも高くすることができるのである。 That is, in the fuel cell stack 1 of this embodiment, as a result of the two battery assemblies 2 being arranged so that the end surfaces on the negative electrode 50 side (end surfaces on the anode 21 side) face each other, The temperature of the gas (hydrogen gas 30a) atmosphere in the anode 21 in the battery cell 20 (unit battery cell X) can be made higher than the temperature of the gas (air 40a) atmosphere in the cathode 23.

アノード２１内のガス雰囲気の温度を、カソード２３内のガス雰囲気の温度よりも高くすることによって、アノード２１における結露の発生を防止できる。その結果、燃料電池スタック１における発電効率の突然の低下を防止でき、安定した電気エネルギーを提供することができる。また、発電効率の低下に伴う単位電池セル２０の電気抵抗化が抑制され、単位電池セル２０の破損を防止できるので、燃料電池スタック１の寿命を向上することができる。 By making the temperature of the gas atmosphere in the anode 21 higher than the temperature of the gas atmosphere in the cathode 23, it is possible to prevent the condensation on the anode 21. As a result, it is possible to prevent a sudden decrease in power generation efficiency in the fuel cell stack 1 and to provide stable electric energy. Moreover, since the electrical resistance of the unit battery cell 20 due to the decrease in power generation efficiency is suppressed and damage to the unit battery cell 20 can be prevented, the life of the fuel cell stack 1 can be improved.

なお、アノード２１のガス雰囲気の温度と、カソード２３のガス雰囲気の温度との温度差は、１℃以上であることが好ましく、２℃以上であれば温度制御がより容易となるのでより好ましい。この温度差を少なくとも１℃以上とすることによって、アノード２１における結露の発生を有効に防止することができるのである。 The temperature difference between the temperature of the gas atmosphere of the anode 21 and the temperature of the gas atmosphere of the cathode 23 is preferably 1 ° C. or more, and more preferably 2 ° C. or more because temperature control becomes easier. By setting this temperature difference to at least 1 ° C. or more, the occurrence of condensation on the anode 21 can be effectively prevented.

また、アノード２１のガス雰囲気の温度と、カソード２３のガス雰囲気の温度との温度差は、５℃以下であることが好ましい。アノード２１のガス雰囲気の温度と、カソード２３のガス雰囲気の温度との温度差が高すぎる場合には、電解質膜２２が過渡的に乾燥し易く、電解質膜２２の乾燥は発電不能の原因となる。よって、この温度差を５℃以下とすることによって、電解質膜２２の乾燥を確実に防止し、結果として、アノード２１の結露の防止による発電効率の向上及び破損の防止をより有効に実現することができるのである。 The temperature difference between the gas atmosphere temperature of the anode 21 and the gas atmosphere temperature of the cathode 23 is preferably 5 ° C. or less. If the temperature difference between the temperature of the gas atmosphere of the anode 21 and the temperature of the gas atmosphere of the cathode 23 is too high, the electrolyte membrane 22 tends to dry transiently, and the drying of the electrolyte membrane 22 causes the inability to generate power. . Therefore, by setting this temperature difference to 5 ° C. or less, drying of the electrolyte membrane 22 is surely prevented, and as a result, improvement of power generation efficiency and prevention of breakage by preventing condensation of the anode 21 are more effectively realized. Can do it.

図２は、上記構成を有する第１実施例の燃料電池スタック１において、水素パージを行わなかった場合における出力安定性を示すグラフである。図２のグラフにおける横軸は、燃料電池スタック１の運転時間（単位：時間）を示し、縦軸は、出力電圧（単位：Ｖ）を示す。 FIG. 2 is a graph showing the output stability when the hydrogen purge is not performed in the fuel cell stack 1 of the first embodiment having the above-described configuration. The horizontal axis in the graph of FIG. 2 indicates the operation time (unit: time) of the fuel cell stack 1, and the vertical axis indicates the output voltage (unit: V).

図２に示すように、この第１実施例の燃料電池スタック１は、低負荷運転及び高負荷運転のいずれにおいても、少なくとも２４時間に渡って、急激な発電効率の低下や発電不能状態に陥ることはなかった。 As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 1 of the first embodiment falls into a state where power generation efficiency is suddenly lowered or power generation is disabled for at least 24 hours in both low load operation and high load operation. It never happened.

以上説明したように、本実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体におけるそれぞれのアノード２１側の端面を対向させて配置して構成されるものであるので、各電池集合体において結露の生じやすいアノード２１側の端面を燃料電池スタック１における内側を向くように配置することができる。 As described above, the fuel cell stack 1 of the present embodiment is configured by disposing the end faces on the anode 21 side of the two sets of battery assemblies so as to face each other. The end surface on the anode 21 side where condensation easily occurs can be disposed so as to face the inside of the fuel cell stack 1.

その結果として、その二組の電池集合体２の組み合わせによって構成される燃料電池スタック１における温度分布を、各電池集合体２を構成する各単位電池セル２０のアノード２１内の水素ガス３０ａの温度（ガス雰囲気の温度）がカソード２３内の空気４０ａの温度（ガス雰囲気の温度）より高くなるようにすることができるのである。 As a result, the temperature distribution in the fuel cell stack 1 constituted by the combination of the two battery assemblies 2 is represented by the temperature of the hydrogen gas 30 a in the anode 21 of each unit battery cell 20 constituting each battery assembly 2. (The temperature of the gas atmosphere) can be made higher than the temperature of the air 40a in the cathode 23 (the temperature of the gas atmosphere).

よって、アノード２１に発生する結露を防止でき、発電効率の突然の低下を防止できると共に、単位電池セル２０の破損が生じ難くなり、寿命を向上させることができる。また、図２から明らかなように、アノード２１の結露防止のために従来行われていた燃料ガスのパージ回数やパージ量を低減できる、場合によっては全く必要としないので、燃料ガスとしての水素ガス３０ａの浪費が抑制され、経済的であるだけでなく、ユーザが抱く安全性のイメージを向上させることもできる。 Therefore, the dew condensation generated on the anode 21 can be prevented, the sudden decrease in power generation efficiency can be prevented, the unit battery cell 20 is hardly damaged, and the life can be improved. Further, as is clear from FIG. 2, the number of purges and the purge amount of the fuel gas conventionally performed for preventing the condensation of the anode 21 can be reduced. In some cases, it is not necessary at all. The waste of 30a is suppressed and not only economical, but also the image of safety held by the user can be improved.

次に、図３を参照して、本発明における第２実施例について説明する。図３（ａ）は、本発明の第２実施例における燃料電池スタック１の模式図である。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a schematic diagram of the fuel cell stack 1 in the second embodiment of the present invention.

上記した第１実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体２におけるそれぞれのアノード２１側の端面を対向させて配置して構成させることによって、各単位電池セル２０のアノード２１内のガス雰囲気の温度を、カソード２３内のガス雰囲気の温度より高くなるようにした。 The fuel cell stack 1 according to the first embodiment described above is configured such that the end faces on the anode 21 side of the two battery assemblies 2 are arranged to face each other, so that the inside of the anode 21 of each unit battery cell 20 is provided. The temperature of the gas atmosphere was made higher than the temperature of the gas atmosphere in the cathode 23.

この第２実施例の燃料電池スタック１では、図３（ａ）に示すように、一組の電池集合体２と、電圧取り出し端子であるマイナス極５０及びプラス極６０とから主に構成されるものである。なお、この第２実施例の燃料電池スタック１を説明する上で、上記の第１実施例の燃料電池スタック１と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。 As shown in FIG. 3A, the fuel cell stack 1 according to the second embodiment is mainly composed of a set of battery assemblies 2 and a negative electrode 50 and a positive electrode 60 that are voltage extraction terminals. Is. In the description of the fuel cell stack 1 of the second embodiment, the same parts as those of the fuel cell stack 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図３（ａ）に示すように、第２実施例の燃料電池スタック１におけるマイナス極５０には、電池集合体２におけるアノード２１側の端部を加熱するためのヒータ７０がマイナス極５０側に設けられている。なお、このヒータ７０としては、種々の形態のヒータを使用できるが、燃料電池スタック１の小型化及び製造コストの観点から、フィルムヒータ（例えば、シリコンヒータ）などの薄型で安価なヒータが好ましい。 As shown in FIG. 3A, the negative electrode 50 in the fuel cell stack 1 of the second embodiment has a heater 70 for heating the end portion on the anode 21 side in the battery assembly 2 on the negative electrode 50 side. Is provided. Although various types of heaters can be used as the heater 70, a thin and inexpensive heater such as a film heater (for example, a silicon heater) is preferable from the viewpoint of miniaturization of the fuel cell stack 1 and manufacturing cost.

図３（ｂ）は、第２実施例の燃料電池スタック１における温度分布を示すグラフである。なお、図３（ｂ）において、縦軸は、温度を示し、一方で、横軸は、図３（ａ）に示す第２実施例の燃料電池スタック１における紙面左右方向の位置を示す。 FIG. 3B is a graph showing the temperature distribution in the fuel cell stack 1 of the second embodiment. In FIG. 3B, the vertical axis indicates the temperature, while the horizontal axis indicates the position in the horizontal direction of the paper in the fuel cell stack 1 of the second embodiment shown in FIG. 3A.

この図３（ｂ）における実線が、本実施例における燃料電池スタック１の温度分布を示すものであり、比較として、ヒータ７０の設けられていない従来の燃料電池スタックにおけるマイナス極５０側の温度分布を点線で示す。 The solid line in FIG. 3B shows the temperature distribution of the fuel cell stack 1 in the present embodiment. For comparison, the temperature distribution on the negative electrode 50 side in a conventional fuel cell stack in which the heater 70 is not provided. Is indicated by a dotted line.

図３（ｂ）から明らかなように、ヒータ７０をマイナス極５０に取り付けることによって、従来の燃料電池スタックにおいて中央付近より温度が低く、アノードへの結露の原因であったマイナス側５０の温度分布が、各単位電池セル２０において、アノード２１内の水素ガス３０ａの温度（ガス雰囲気の温度）がカソード２３内の空気４０ａの温度（ガス雰囲気の温度）より高くなった。 As apparent from FIG. 3B, by attaching the heater 70 to the negative electrode 50, the temperature distribution on the negative side 50, which is lower than the temperature in the vicinity of the center in the conventional fuel cell stack and causes condensation on the anode, is clear. However, in each unit battery cell 20, the temperature of the hydrogen gas 30a in the anode 21 (temperature of the gas atmosphere) was higher than the temperature of the air 40a in the cathode 23 (temperature of the gas atmosphere).

従って、第２実施例の燃料電池スタック１によれば、マイナス極５０側にヒータ７０を設けることによって、燃料電池スタック１における電池集合体２を構成する各単位電池セル２０のアノード２１側の端部を加熱し、それによって、アノード２１内のガス雰囲気の温度がカソード２３内のガス雰囲気の温度より高くなるようにすることができる。 Therefore, according to the fuel cell stack 1 of the second embodiment, by providing the heater 70 on the negative electrode 50 side, the end on the anode 21 side of each unit battery cell 20 constituting the battery assembly 2 in the fuel cell stack 1 is provided. The portion can be heated so that the temperature of the gas atmosphere in the anode 21 is higher than the temperature of the gas atmosphere in the cathode 23.

よって、アノード２１に発生する結露を防止でき、発電効率の突然の低下を防止できると共に、単位電池セル２０の破損が生じ難くなり、寿命を向上させることができる。その結果として、アノード２１の結露防止のために従来行われていた燃料ガスのパージ回数やパージ量を低減できる、場合によっては全く必要としないので、燃料ガスとしての水素ガス３０ａの浪費が抑制され、経済的であるだけでなく、ユーザが抱く安全性のイメージを向上させることもできる。 Therefore, the dew condensation generated on the anode 21 can be prevented, the sudden decrease in power generation efficiency can be prevented, the unit battery cell 20 is hardly damaged, and the life can be improved. As a result, it is possible to reduce the number of purges and the purge amount of the fuel gas that has been conventionally performed to prevent dew condensation on the anode 21, and in some cases it is not necessary at all, so that waste of the hydrogen gas 30 a as the fuel gas is suppressed. In addition to being economical, it is possible to improve the safety image of the user.

次に、図４を参照して、本発明の第３実施例について説明する。図４は、本発明の第３実施例における燃料電池スタック１の模式図である。なお、この第３実施例の燃料電池スタック１を説明する上で、上記の第１実施例の燃料電池スタック１と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram of the fuel cell stack 1 in the third embodiment of the present invention. In the description of the fuel cell stack 1 of the third embodiment, the same parts as those of the fuel cell stack 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

上記した第２実施例の燃料電池スタック１は、マイナス極５０側を加熱するためのヒータ７０を設けることによって、単位電池セル２０のアノード２１内のガス雰囲気の温度を、カソード２３内のガス雰囲気の温度より高くなるようにするようにした。この第３実施例の燃料電池スタック１では、図４に示すように、ヒータ７０に換えて、水素ガス供給路３０における電池集合体２への流入側にヒータ８０を設ける。 In the fuel cell stack 1 of the second embodiment described above, the heater 70 for heating the negative electrode 50 side is provided, so that the temperature of the gas atmosphere in the anode 21 of the unit battery cell 20 is changed to the gas atmosphere in the cathode 23. It was made to become higher than the temperature of. In the fuel cell stack 1 of the third embodiment, as shown in FIG. 4, a heater 80 is provided on the inflow side to the battery assembly 2 in the hydrogen gas supply path 30 instead of the heater 70.

水素ガス供給路３０における電池集合体２への流入側にヒータ８０を設けた結果として、ヒータ８０によって加熱された水素ガス３０ａが各アノード２１へ流入し、各アノード２１の温度を効果的に上げることができる。 As a result of providing the heater 80 on the inflow side to the battery assembly 2 in the hydrogen gas supply path 30, the hydrogen gas 30a heated by the heater 80 flows into each anode 21 and effectively raises the temperature of each anode 21. be able to.

このようにヒータ８０が設置された第３実施例の燃料電池スタック１は、図３（ｂ）と同様の温度分布を示す。即ち、燃料電池スタック１における電池集合体２を構成する各単位電池セル２０のアノード２１内のガス雰囲気の温度がカソード２３内のガス雰囲気の温度より高くなるようにすることができる。 Thus, the fuel cell stack 1 of the third embodiment in which the heater 80 is installed exhibits a temperature distribution similar to that shown in FIG. That is, the temperature of the gas atmosphere in the anode 21 of each unit battery cell 20 constituting the battery assembly 2 in the fuel cell stack 1 can be made higher than the temperature of the gas atmosphere in the cathode 23.

よって、この第３実施例の燃料電池スタック１もまた、アノード２１に発生する結露を防止でき、発電効率の突然の低下を防止できると共に、単位電池セル２０の破損が生じ難くなり、寿命を向上させることができる。その結果として、アノード２１の結露防止のために従来行われていた燃料ガスのパージ回数やパージ量を低減できる、場合によっては全く必要としないので、燃料ガスとしての水素ガス３０ａの浪費が抑制され、経済的であるだけでなく、ユーザが抱く安全性のイメージを向上させることもできる。 Therefore, the fuel cell stack 1 of the third embodiment can also prevent dew condensation generated at the anode 21, prevent a sudden decrease in power generation efficiency, and prevent the unit battery cell 20 from being damaged, thereby improving the life. Can be made. As a result, it is possible to reduce the number of purges and the purge amount of the fuel gas that has been conventionally performed to prevent dew condensation on the anode 21, and in some cases it is not necessary at all, so that waste of the hydrogen gas 30 a as the fuel gas is suppressed. In addition to being economical, it is possible to improve the safety image of the user.

なお、ヒータ８０としては、種々の形態のヒータを使用できるが、水素ガス供給路３０の周囲を取り囲むように装着できるフィルムヒータ（例えば、シリコンヒータ）などの可撓性のあるヒータが好ましい。ヒータ８０が水素ガス供給路３０の周囲を取り囲むように装着されることによって、水素ガス３０ａを均一に加熱することができるので、アノード２１内のガス雰囲気の温度を、カソード２３内のガス雰囲気の温度より確実に高くすることができる。 Although various types of heaters can be used as the heater 80, a flexible heater such as a film heater (for example, a silicon heater) that can be mounted so as to surround the hydrogen gas supply path 30 is preferable. Since the heater 80 is mounted so as to surround the periphery of the hydrogen gas supply path 30, the hydrogen gas 30 a can be heated uniformly, so that the temperature of the gas atmosphere in the anode 21 is adjusted to the temperature of the gas atmosphere in the cathode 23. It can surely be higher than the temperature.

次に、図５を参照して、本発明の第４実施例について説明する。図５は、本発明の第４実施例における燃料電池スタック１の模式図である。なお、この第４実施例の燃料電池スタック１を説明する上で、上記の第１実施例の燃料電池スタック１と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic view of the fuel cell stack 1 in the fourth embodiment of the present invention. In the description of the fuel cell stack 1 of the fourth embodiment, the same parts as those of the fuel cell stack 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

上記した第１実施例の燃料電池スタック１は、各単位電池セル２０のアノード２１に、１系統の水素ガス供給路３０から水素ガス３０ａが供給されるように構成したが、この第４実施例では、第１の水素ガス供給路３０における水素ガス３０ａの流入方向に対向する方向から水素ガス９０ａを流入するための別系統の第２の水素ガス供給路９０を更に設け、２系統の水素ガス供給路３０，９０からアノード２１に水素ガス３０ａ，９０ａを供給する。 The fuel cell stack 1 according to the first embodiment described above is configured such that the hydrogen gas 30a is supplied from the single hydrogen gas supply path 30 to the anode 21 of each unit battery cell 20. The fourth embodiment Then, the second hydrogen gas supply path 90 of another system for flowing in the hydrogen gas 90a from the direction opposite to the inflow direction of the hydrogen gas 30a in the first hydrogen gas supply path 30 is further provided. Hydrogen gas 30 a and 90 a are supplied from the supply paths 30 and 90 to the anode 21.

第２の水素ガス供給路９０には、燃料である水素ガス９０を供給したり遮断したりする開閉バルブ１１０が設けられている。さらに、この開閉バルブ１１０に対して燃料電池スタック１の側に、燃料ガス供給路９０から分岐し、開閉バルブ１１１を介した排気用の経路９１が設けられている。 The second hydrogen gas supply path 90 is provided with an opening / closing valve 110 that supplies or shuts off the hydrogen gas 90 that is fuel. Further, an exhaust path 91 is provided on the side of the fuel cell stack 1 with respect to the opening / closing valve 110, branching from the fuel gas supply path 90 and passing through the opening / closing valve 111.

通常運転時は、第２の水素ガス供給路９０の開閉バルブ１１０を開き、排気用の開閉バルブ１１１を閉じたまま運転される。また、水素ガス供給路３０の水素ガス３０ａ及び水素ガス供給路９０の水素ガス９０ａのガス圧は等しく、これらの水素ガス３０ａ，９０ａは、各単位電池セル２０のアノード２１に対してそれぞれ対向する流入方向から供給される。水素ガス３０ａ，９０ａの流れは、共通の流路である水素ガス供給路３０，９０からアノードに向かって流れる流れであり、アノード２１付近で水分を多く含んだ未反応ガスが、共通の流路を通じて他の特定の単位電池セル２０に集中することを防止できる。 During normal operation, the opening / closing valve 110 of the second hydrogen gas supply path 90 is opened and the exhaust opening / closing valve 111 is closed. Moreover, the gas pressures of the hydrogen gas 30a in the hydrogen gas supply path 30 and the hydrogen gas 90a in the hydrogen gas supply path 90 are equal, and these hydrogen gases 30a and 90a face the anode 21 of each unit battery cell 20, respectively. Supplied from the inflow direction. The flow of the hydrogen gas 30a, 90a is a flow that flows from the hydrogen gas supply path 30, 90, which is a common flow path, toward the anode, and the unreacted gas containing a large amount of moisture near the anode 21 is a common flow path. Thus, it is possible to prevent concentration on other specific unit battery cells 20.

また、第１の水素ガス供給路３０から水素ガス３０ａが供給された状態で、第２の水素ガス供給路９０の開閉バルブ１１０を閉じ、さらに排気用の開閉バルブ１１１を開くことにより、第１の水素ガス供給路３０からの水素ガス３０ａの流入によって、単位電池セル２０内の水分や不純物を含んだ水素ガスを燃料電池スタック１外へ放出（パージ）することができる。 Further, in a state where the hydrogen gas 30a is supplied from the first hydrogen gas supply path 30, the first hydrogen gas supply path 90 is closed by closing the opening / closing valve 110 and further opening the exhaust opening / closing valve 111. By the inflow of the hydrogen gas 30 a from the hydrogen gas supply path 30, the hydrogen gas containing moisture and impurities in the unit battery cell 20 can be discharged (purged) out of the fuel cell stack 1.

次に、図６を参照して、本発明の第５実施例について説明する。図６は、本発明の第５実施例における燃料電池スタックである燃料スタック１００の模式図である。なお、この第５実施例の燃料電池スタック１００を説明する上で、上記の第１実施例の燃料電池スタック１と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic view of a fuel stack 100 that is a fuel cell stack according to a fifth embodiment of the present invention. In the description of the fuel cell stack 100 of the fifth embodiment, the same parts as those of the fuel cell stack 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

上記した第１から第４実施例では、積層型燃料電池スタック１について説明したが、この第５実施例では、単位電池セル２０が平面上に配置された平面型燃料電池スタック１００について説明する。 In the first to fourth embodiments described above, the stacked fuel cell stack 1 has been described. In the fifth embodiment, a planar fuel cell stack 100 in which the unit battery cells 20 are arranged on a plane will be described.

図６に示すように、第５実施例の燃料電池スタック１００は、３枚の単位電池セル２０がそれぞれ平面上に配置されて構成された二組の電池集合体２と、単位電池セル２０のそれぞれに燃料ガスとして水素ガスを供給する水素ガス供給路３０と、単位電池セル２０のそれぞれに酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給路４０とを備えている。 As shown in FIG. 6, the fuel cell stack 100 of the fifth embodiment includes two battery assemblies 2 each including three unit battery cells 20 arranged on a plane, and unit battery cells 20. A hydrogen gas supply path 30 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to each unit and an air supply path 40 for supplying air as an oxidant gas to each of the unit battery cells 20 are provided.

なお、図６において、図面の複雑化を防ぐために詳細な構成は省略したが、この第５実施例の燃料電池スタック１００は、水素ガス供給路３０から供給された水素ガス３０ａが外界に排気されないように、水素ガス３０ａの流路が非図示の終端においてクローズされており、供給された水素ガス３０ａを無駄なく使用できるように構成されている。 In FIG. 6, the detailed configuration is omitted in order to prevent the drawing from becoming complicated. However, in the fuel cell stack 100 of the fifth embodiment, the hydrogen gas 30a supplied from the hydrogen gas supply path 30 is not exhausted to the outside. As described above, the flow path of the hydrogen gas 30a is closed at the end (not shown), and the supplied hydrogen gas 30a can be used without waste.

電池集合体２において、各単位電池セル２０は非図示の配線によって直列に接続されている。そして、各単位電池セル２０に、水素ガス供給路３０及び空気供給路４０からそれぞれ供給される水素ガス３０ａ及び空気４０ａとによって生じる酸化還元反応によって得られた起電力は、非図示のプラス極及びマイナス極から取り出される燃料電池スタック１００における電圧取り出し端子であるマイナス極及びプラス極（いずれも非図示）から取り出される。 In the battery assembly 2, the unit battery cells 20 are connected in series by a wiring (not shown). The electromotive force obtained by the oxidation-reduction reaction generated by the hydrogen gas 30a and the air 40a supplied to the unit battery cells 20 from the hydrogen gas supply path 30 and the air supply path 40, respectively, is a positive electrode (not shown) and It is taken out from a negative pole and a positive pole (both not shown) which are voltage take-out terminals in the fuel cell stack 100 taken out from the negative pole.

図６に示すように、２組の電池集合体２は、それぞれ、アノード２１側が対向するように配置されている。よって、燃料電池スタック１００における放熱性が悪く、温度が最も高くなる紙面上下方向の中心側に各単位電池セル２０のアノード２１側が配置されるので、全ての単位電池セル２０におけるアノード２１内のガス（水素ガス３０ａ）雰囲気の温度を、カソード２３内のガス（空気４０ａ）雰囲気の温度よりも高くすることができる。 As shown in FIG. 6, the two battery assemblies 2 are arranged so that the anodes 21 face each other. Therefore, since the heat dissipation in the fuel cell stack 100 is poor and the anode 21 side of each unit battery cell 20 is arranged at the center side in the vertical direction of the drawing where the temperature is highest, the gas in the anode 21 in all the unit battery cells 20 is disposed. The temperature of the (hydrogen gas 30a) atmosphere can be made higher than the temperature of the gas (air 40a) atmosphere in the cathode 23.

以上、実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能であることは容易に推察できるものである。 The present invention has been described above based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be easily made without departing from the spirit of the present invention. Can be inferred.

例えば、上記実施例では、各単位電池セル２０に供給された水素ガス３０ａ，９０ａが外界へ排気されないように水素ガス３０ａ，９０ａの流路の終端（終端３１ａ）が閉鎖されている燃料電池スタック１，１００を例示して説明したが、水素ガス３０ａが外界へ排気される構成の燃料電池スタックであってもよい。 For example, in the above embodiment, the fuel cell stack in which the end (end 31a) of the flow path of the hydrogen gas 30a, 90a is closed so that the hydrogen gas 30a, 90a supplied to each unit battery cell 20 is not exhausted to the outside. Although described with reference to 1,100, a fuel cell stack having a configuration in which the hydrogen gas 30a is exhausted to the outside may be used.

また、上記第１実施例の燃料電池スタック１は、二組の電池集合体２における互いに対向されたアノード２１側の端面されて配置された結果として、二組の電池集合体２が並列に接続されて１本のマイナス極５０と２本のプラス極６０とから電圧が取り出されるものとして説明したが、二組の電池集合体２のそれぞれのアノード２１側の端面から独立して２本のマイナス極を互いに絶縁された状態で隣接して設け、２本のプラス極６０と直列接続して電圧を取り出すように構成してもよい。 In addition, as a result of the fuel cell stack 1 of the first embodiment being disposed on the end surface facing the anode 21 facing each other in the two battery assemblies 2, the two battery assemblies 2 are connected in parallel. In the above description, the voltage is taken out from one negative electrode 50 and two positive electrodes 60. However, two negative electrodes are independently provided from the end surfaces of the two battery assemblies 2 on the anode 21 side. The poles may be provided adjacent to each other in a state of being insulated from each other, and may be configured to be connected in series with the two positive poles 60 to extract the voltage.

また、上記第４実施例の燃料電池スタック１は、２系統の水素ガス供給路３０，９０を設けることによって、１のアノード２１に２経路から対向する方向で流入される水素ガス３０ａ,９０ａが供給できるように構成した。このことは、燃料の水素ガス貯蔵体が必ずしも２つ必要であることを意味するものではなく、例えば、１つの水素ガス貯蔵体から分岐して２系統の水素ガス供給路３０，９０となるように構成してもよい。 Further, in the fuel cell stack 1 of the fourth embodiment, by providing the two systems of hydrogen gas supply paths 30 and 90, the hydrogen gas 30a and 90a flowing into the one anode 21 from the two paths in the opposite direction is provided. It was configured to supply. This does not mean that two hydrogen gas storage bodies are required for the fuel. For example, two hydrogen gas supply paths 30 and 90 are branched from one hydrogen gas storage body. You may comprise.

また、本発明は、各単位電池セル２０におけるアノード２１内におけるガス雰囲気の温度が、カソード２３内のガス雰囲気の温度より高くすることによって達成されるので、上記実施例において例示した水素ガス３０ａ及び空気４０ａは、これらに限定されるものではなく、従来より燃料ガス及び酸化剤ガスとして使用される種々のガスを使用可能であることは容易に推察可能である。 In addition, the present invention is achieved by making the temperature of the gas atmosphere in the anode 21 in each unit battery cell 20 higher than the temperature of the gas atmosphere in the cathode 23, so that the hydrogen gas 30a exemplified in the above embodiment and The air 40a is not limited to these, and it can be easily guessed that various gases conventionally used as fuel gas and oxidant gas can be used.

（ａ）は、本発明の第１実施例における燃料電池スタックの模式図であり、（ｂ）は、第１実施例の燃料電池スタックにおける温度分布を示すグラフである。(A) is a schematic diagram of the fuel cell stack in the first embodiment of the present invention, and (b) is a graph showing the temperature distribution in the fuel cell stack of the first embodiment. 第１実施例の燃料電池スタックにおいて、水素パージを行わなかった場合における出力安定性を示すグラフである。4 is a graph showing output stability when hydrogen purge is not performed in the fuel cell stack of the first embodiment. （ａ）は、本発明の第２実施例における燃料電池スタックの模式図であり、（ｂ）は、第２実施例の燃料電池スタックにおける温度分布を示すグラフである。(A) is a schematic diagram of the fuel cell stack in the second embodiment of the present invention, and (b) is a graph showing the temperature distribution in the fuel cell stack of the second embodiment. 本発明の第３実施例における燃料電池スタックの模式図である。It is a schematic diagram of the fuel cell stack in 3rd Example of this invention. 本発明の第４実施例における燃料電池スタックの模式図である。It is a schematic diagram of the fuel cell stack in 4th Example of this invention. 本発明の第５実施例における燃料電池スタックの模式図である。It is a schematic diagram of the fuel cell stack in 5th Example of this invention. アノードの結露防止策である燃料ガスのパージを行わなかった場合における、燃料電池スタックの出力安定性を示すグラフである。It is a graph which shows the output stability of a fuel cell stack when not purging the fuel gas which is a dew condensation prevention measure of an anode.

１，１００燃料電池スタック
２電池集合体
２０単位電池セル
２１アノード
２２電解質膜（高分子電解質膜）
２３カソード
３０，９０水素ガス供給路（燃料ガス供給路）
３０ａ，９０ａ水素ガス（燃料ガス）
４０ａ空気（酸化剤ガス）
７０ヒータ（アノード側加熱手段）
８０ヒータ（燃料ガス供給路加熱手段） 1,100 Fuel cell stack 2 Battery assembly 20 Unit battery cell 21 Anode 22 Electrolyte membrane (polymer electrolyte membrane)
23 Cathode 30,90 Hydrogen gas supply path (fuel gas supply path)
30a, 90a Hydrogen gas (fuel gas)
40a Air (oxidant gas)
70 Heater (Anode side heating means)
80 Heater (fuel gas supply path heating means)

Claims

A polymer electrolyte membrane, an anode adjacent to one side of the polymer electrolyte membrane, into which fuel gas flows, and an inner side adjacent to the surface of the polymer electrolyte membrane opposite to the anode A plurality of unit battery cells each composed of a cathode into which an oxidant gas is introduced are stacked while being electrically connected to form a set of battery assemblies, and the anode and each of the unit battery cells in the battery assembly and In the fuel cell stack for obtaining an electromotive force by supplying the fuel gas and the oxidant gas to the cathode, respectively.
Provided with a negative electrode and a positive electrode for extracting voltage from the fuel cell stack,
Two sets of the battery assemblies are arranged so that the anode side end faces of each battery assembly face each other through the common negative electrode,
The fuel cell stack, wherein the temperature of the gas atmosphere in the anode of the unit battery cell is higher than the temperature of the gas atmosphere in the cathode.

2. The fuel cell stack according to claim 1, further comprising at least two fuel gas supply paths through which the fuel gas flows from opposite directions to the anode of the unit battery cell.