JP5115070B2 - Fuel cell - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

この発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

従来、例えば、特開2005−353303号公報に開示されているように、通常発電時に燃料ガスをアノード内に滞留させ、定期的にアノード内のパージを行う燃料電池が知られている。この従来の技術によれば、アノード内に燃料ガスを滞留させつつ発電を行うことにより、燃料ガスを効率よく利用することができる。   Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-353303, a fuel cell is known in which fuel gas is retained in an anode during normal power generation, and the anode is periodically purged. According to this conventional technique, the fuel gas can be efficiently used by generating power while retaining the fuel gas in the anode.

燃料電池のアノード側のガス流路内には、運転時間の経過と共に窒素や水分といった不純物質が蓄積されていく。このような不純物質の蓄積を防止すべくアノード内のパージを行う場合に、パージガスに燃料ガスが含まれると、かえって燃料の利用効率の低下を招いてしまう。そこで、上記従来の技術では、アノードのガス流路の下流に窒素吸着部材を設けるなどして、不純物質である窒素を選択的に除去しつつ燃料ガスの有効利用を図っている。   Impurities such as nitrogen and moisture accumulate in the gas flow path on the anode side of the fuel cell as the operation time elapses. When purging inside the anode to prevent such accumulation of impurities, if the purge gas contains fuel gas, the fuel utilization efficiency is reduced. Therefore, in the above conventional technique, a nitrogen adsorbing member is provided on the downstream side of the gas flow path of the anode, and the fuel gas is effectively utilized while selectively removing nitrogen as an impurity.

特開2005−353303号公報JP 2005-353303 A 特開2006−127770号公報JP 2006-127770 A 特開平9−312167号公報JP 9-31167 A 特開2005−353569号公報JP-A-2005-353569 特開2005−243477号公報JP 2005-243477 A 特開2006−164762号公報JP 2006-164762 A 特開2006−216426号公報JP 2006-216426 A

上記従来の技術では、アノード側のガス流路の最下流に窒素を集めている。このような場合、窒素除去のタイミングによっては窒素量が過大となって発電反応の低下を招いたり、窒素除去のための特別な部材が求められたりする。その結果、窒素除去タイミングを的確に行うため制御内容を複雑化せざるをえなくなったり、窒素除去専用部材を追加することで構造の複雑化を招いたりするおそれがあった。   In the above conventional technique, nitrogen is collected at the most downstream side of the gas flow path on the anode side. In such a case, depending on the timing of nitrogen removal, the amount of nitrogen becomes excessive, leading to a decrease in power generation reaction, or a special member for removing nitrogen is required. As a result, there is a risk that the control content must be complicated in order to accurately perform the nitrogen removal timing, or that the addition of a dedicated nitrogen removal member may lead to a complicated structure.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡素な構成で不純物質に起因する発電性能低下を防止しつつ発電を行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of generating power while preventing a decrease in power generation performance due to impurities with a simple configuration. To do.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜の両面に触媒層が形成され、前記両面の触媒層のうち一方の面側のアノード触媒層に水素を含む燃料ガスの供給を受け、前記両面の触媒層のうち他方の面側のカソード触媒層に酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する発電体と、
前記アノード触媒層と重なるように配置され、前記燃料ガスが流入するガス流入口と、該一方の面側の該触媒層を向く面に沿って延び、下流側が該面内で終端し上流側が該ガス流入口に合流する複数の溝流路とを備えるガス供給部材と、
を備える燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記ガス供給部材は前記アノード触媒層と重なるように配置される集電板を含み、
前記溝流路が、前記集電板の前記アノード該触媒層を向く面に形成され、
前記複数の溝流路が前記ガス供給部材の前記面内で合流し、該面内で枝分かれする溝を形成していて、
前記複数の溝流路のそれぞれの前記下流側の端部は、前記ガス供給部材の前記アノード触媒層を向く面の、前記アノード触媒層に重なる領域の全体に渡って配置されていて、
前記溝流路は、前記ガス流入口から見て下流側ほど前記燃料ガスの流通方向の流路断面積が小さくなるように形成されていて、
前記複数の溝流路は、
前記面内において前記集電板の中央付近に設けられた分岐部から伸び当該分岐部を中心に放射状に並べて設けられた複数の主溝流路と、
前記複数の主溝流路のそれぞれから複数本ずつ枝分かれし、それぞれの下流側の終端部が、前記ガス供給部材の前記アノード触媒層を向く面の前記アノード触媒層に重なる領域の全体に渡って配置された枝溝流路と、
を含むものであり、
前記複数の主溝流路は、
前記枝溝流路を有する複数の第1主溝流路と、
前記複数の第1主溝流路の間に設けられ、前記枝溝流路を有さない第2主溝流路と、
を含むものであり、
前記ガス供給部材は、前記触媒層からの燃料オフガスを排気するための排気流路を有さず、
前記ガス供給部材の前記ガス流入口に連通する燃料タンクをさらに備え、
前記アノード触媒層側の不純物質の分圧が前記カソード触媒層側の不純物質の分圧とつりあった状態で継続的に発電するデッドエンド運転を行うことを特徴とする燃料電池システム。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell,
Catalyst layer is formed on both surfaces of the electrolyte membrane, supplied with fuel gas containing hydrogen to the anode catalyst layer on one surface side of the both sides of the catalyst layer, the cathode of the other surface side of the both sides of the catalyst layer A power generator for generating electricity by receiving supply of oxidizing gas containing oxygen to the catalyst layer;
It is arranged so as to overlap the anode catalyst layer and extends along a gas inlet into which the fuel gas flows and a surface facing the catalyst layer on the one surface side, the downstream side terminates in the surface, and the upstream side A gas supply member comprising a plurality of groove flow paths that merge with the gas inlet;
A fuel cell system having a fuel cell Ru provided with,
The gas supply member includes a current collector plate disposed to overlap the anode catalyst layer,
The groove channel is formed on a surface of the current collector plate facing the catalyst layer;
The plurality of groove flow paths merge in the plane of the gas supply member to form a branching branch in the plane;
The downstream end of each of the plurality of groove channels is disposed over the entire area of the gas supply member facing the anode catalyst layer and overlapping the anode catalyst layer,
The groove channel is formed such that the channel cross-sectional area in the flow direction of the fuel gas decreases toward the downstream side when viewed from the gas inlet,
The plurality of groove channels are
A plurality of main groove passages extending from a branch portion provided in the vicinity of the center of the current collector plate in the plane and arranged radially around the branch portion;
A plurality of branches are formed from each of the plurality of main groove flow paths, and the downstream end portions of the gas supply members face the anode catalyst layer over the entire region overlapping the anode catalyst layer. An arranged branch channel,
Including
The plurality of main groove channels are
A plurality of first main groove channels having the branch channel;
A second main groove channel provided between the plurality of first main groove channels and not having the branch channel;
Including
The gas supply member does not have an exhaust passage for exhausting the fuel off gas from the catalyst layer,
A fuel tank communicating with the gas inlet of the gas supply member;
A fuel cell system characterized by performing a dead-end operation in which power generation is continuously performed in a state where the partial pressure of the impurity on the anode catalyst layer side is balanced with the partial pressure of the impurity on the cathode catalyst layer side.

また、第2の発明は、第1の発明であって、
前記第1主溝流路と前記第2主溝流路とが交互に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The second invention is the first invention, and
The fuel cell system according to claim 1, wherein the first main groove flow paths and the second main groove flow paths are alternately arranged.

第1の発明によれば、ガス流入口から流入した燃料ガスを複数の溝流路に分岐して流しつつ、燃料ガスを燃料電池のアノード内に止めて発電を行うことができる。不純物質に起因する電圧低下は、不純物質が燃料電池のアノード面内に局所的に濃縮してしまうことがその要因となっている。第1の発明によれば、燃料ガスが複数の溝流路に分岐して流れることにより溝流路内の不純物質が複数の溝流路に分散されるので、不純物質が一箇所に集中的に濃縮される事態を回避することができる。これにより、集電板に形成する溝流路の構造の工夫により不純物質の濃縮を緩和でき、構成部材の追加や複雑な制御動作を必須としない簡素な構成で、不純物質に起因する発電性能低下を防止することができる。
また、集電板の構造の工夫により、構成部材の追加や複雑な制御動作を必須としない簡素な構成で、不純物質に起因する発電性能低下を防止することができる。
また、複数の溝流路が、燃料電池の面内で枝分かれして延びる溝を形成しているので、1つのガス流入口から燃料ガスを流入させるだけで、面内の全体に渡って燃料ガスをバランスよく供給できる。
また、不純物質濃度が最も高い部位である溝流路の下流端部が、燃料電池の面内にバランスよく分散される。燃料電池の面内で不純物質の濃度勾配が生じている場合、不純物質の濃度勾配が平滑化するような拡散が生ずる。このような濃度勾配を効率よく進めて、濃度の平滑化を速やかに進めることができる。
さらに
According to the first invention, it is possible to generate power by stopping the fuel gas in the anode of the fuel cell while branching and flowing the fuel gas flowing in from the gas inlet into the plurality of groove flow paths. The voltage drop due to the impurity is caused by the local concentration of the impurity in the anode surface of the fuel cell. According to the first aspect of the invention, since the fuel gas branches and flows into the plurality of groove channels, the impurity in the groove channel is dispersed in the plurality of groove channels, so that the impurity is concentrated in one place. It is possible to avoid the situation of being concentrated. This makes it possible to alleviate the concentration of impurities by devising the structure of the groove channel formed in the current collector plate, and with a simple configuration that does not require the addition of components or complicated control operations, the power generation performance resulting from the impurities A decrease can be prevented.
In addition, by devising the structure of the current collector plate, it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to impurities with a simple configuration that does not require the addition of components or complicated control operations.
In addition, since the plurality of groove flow paths form grooves that extend in a branched manner in the plane of the fuel cell, the fuel gas can be introduced throughout the entire plane simply by injecting the fuel gas from one gas inlet. Can be supplied in a well-balanced manner.
Further, the downstream end portion of the groove channel, which is the portion having the highest impurity concentration, is dispersed in a well-balanced manner in the plane of the fuel cell. When an impurity concentration gradient occurs in the plane of the fuel cell, diffusion occurs such that the impurity concentration gradient is smoothed. Such concentration gradient can be advanced efficiently, and concentration smoothing can be promptly advanced.
further

第2の発明によれば、よりバランスよく水素を供給し、不純物質の濃縮を更に効果的に抑制できる。 According to the second aspect of the present invention, hydrogen can be supplied in a more balanced manner and impurity concentration can be more effectively suppressed.

実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
実施の形態1の燃料電池は、電解質膜の両面に電極触媒層が積層された膜電極接合体を有している。そして、膜電極接合体を挟み込むようにガス拡散層、集電板が順次位置して、膜電極接合体の一方の面側がアノード、他方の面側がカソードとして機能する構造となっている。膜電極接合体やガス拡散層などの構成は既に多くの文献が開示されており、新規な構成ではないため、その詳細な説明は省略する。以下、実施の形態1の燃料電池の特徴であるアノード側の集電板の構成について説明する。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
The fuel cell of Embodiment 1 has a membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers are laminated on both surfaces of an electrolyte membrane. A gas diffusion layer and a current collector are sequentially positioned so as to sandwich the membrane electrode assembly, and one surface side of the membrane electrode assembly functions as an anode and the other surface side functions as a cathode. Many configurations of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer have already been disclosed and are not new configurations, and thus detailed description thereof is omitted. Hereinafter, the configuration of the anode-side current collector plate, which is a feature of the fuel cell of Embodiment 1, will be described.

図1は、実施の形態1の燃料電池がアノード側に備える集電板10の構成を示す図である。図1は、集電板10のアノード側を向く面を示している。つまり、図1に示す面が膜電極接合体のアノード側の構造を向くようにして、集電板10と膜電極接合体とが積層される。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a current collector plate 10 provided on the anode side of the fuel cell of the first embodiment. FIG. 1 shows a surface of the current collector plate 10 facing the anode side. That is, the current collector plate 10 and the membrane electrode assembly are laminated so that the surface shown in FIG. 1 faces the structure on the anode side of the membrane electrode assembly.

図1に符号12、14、16、18を付して示す線は、それぞれ、集電板10に形成される溝流路を示している。図1に示すように、溝流路12、14、16、18は、集電板10の面内の全体に渡って、面方向に延びるように形成される溝である。なお、溝流路のガス流通方向に見た断面積は、実施の形態1では一定とする。溝流路12、14、16、18は、例えば、切削加工やプレス加工により形成できる。   Lines denoted by reference numerals 12, 14, 16, and 18 in FIG. 1 indicate groove channels formed in the current collector plate 10, respectively. As shown in FIG. 1, the groove flow paths 12, 14, 16, and 18 are grooves formed to extend in the surface direction over the entire surface of the current collector plate 10. Note that the cross-sectional area of the groove channel viewed in the gas flow direction is constant in the first embodiment. The groove channels 12, 14, 16, and 18 can be formed by, for example, cutting or pressing.

溝流路12から複数の溝流路14が分岐し、この溝流路14が集電板10の面内を延びて更に溝流路16に分岐している。そして溝流路16からさらに複数の溝流路18が枝分かれしている。ここで、「溝流路」とは、集電板10の面内を延びる連続した1本の溝を意味するものとする。   A plurality of groove flow paths 14 branch from the groove flow path 12, and the groove flow paths 14 extend in the plane of the current collector plate 10 and further branch to the groove flow paths 16. A plurality of groove channels 18 are further branched from the groove channel 16. Here, the “groove flow path” means a single continuous groove extending in the plane of the current collector plate 10.

つまり、図1においては、1つの溝流路16に溝流路18が3つづつ接続(合流)し、溝流路群を形成している。そして、この溝流路群が5つづつ、1つの溝流路14に接続(合流)しているということができる。換言すれば、溝流路12から6本の溝流路14が分岐し、各溝流路14から5本づつ溝流路16が分岐し、各溝流路16から3本づつ溝流路18が分岐しているということができる。   That is, in FIG. 1, three groove channels 18 are connected (joined) to each groove channel 16 to form a groove channel group. And it can be said that this groove channel group is connected (joined) to one groove channel 14 by five. In other words, six groove channels 14 branch from the groove channel 12, five groove channels 16 branch from each groove channel 14, and three groove channels 18 from each groove channel 16. Can be said to be branched.

溝流路18は集電板10の面内の途中まで延び、末端が終端されている。すなわち、溝流路18は、その下流側端部が面内で行き止まりとなるように形成されている。その結果、図1に示すように、溝流路12、14、16、18が一体となって、面内に多数の行き止まりを有する溝を形成することになる。   The groove channel 18 extends partway in the plane of the current collector plate 10 and has a terminal end. That is, the groove channel 18 is formed such that its downstream end is dead end in the plane. As a result, as shown in FIG. 1, the groove flow paths 12, 14, 16, and 18 are integrated to form a groove having a number of dead ends in the surface.

集電板10は、図1の紙面左方を向く面に向かって開口する水素流入口20を備えている。この水素流入口20は、発電を行う際、図示しない燃料タンクと接続される。溝流路12は、集電板10の左下の部位まで延びて水素流入口20と接続している。   The current collector plate 10 is provided with a hydrogen inlet 20 that opens toward a surface facing the left side of FIG. The hydrogen inlet 20 is connected to a fuel tank (not shown) when generating power. The groove channel 12 extends to the lower left part of the current collector plate 10 and is connected to the hydrogen inlet 20.

実施の形態1の燃料電池は、図示しないカソードの構造を有している。カソードにも、アノードと同様に、電極触媒層、ガス拡散層、集電板が位置している。カソードの集電板には空気を流通させるガス流路が形成されている。本実施形態の燃料電池は、従来公知となっている種々の燃料電池と同様、カソードが開放系とされている。   The fuel cell of Embodiment 1 has a cathode structure (not shown). Similarly to the anode, an electrode catalyst layer, a gas diffusion layer, and a current collector plate are located on the cathode. A gas flow path for circulating air is formed in the cathode current collector plate. In the fuel cell of this embodiment, the cathode is an open system, as in various conventionally known fuel cells.

つまり、カソードには空気の入口と出口とが設けられ、当該入口から出口に向かって空気が流れる過程で、カソードのガス流路からガス拡散層、電極触媒層へと、空気が供給される構成となっている。このような開放系のカソードの具体的な構造については、既に公知となっている種々の構造と同様であるため、その詳細な説明は省略する。   That is, the cathode is provided with an air inlet and outlet, and air is supplied from the cathode gas flow path to the gas diffusion layer and the electrode catalyst layer in the process of air flowing from the inlet to the outlet. It has become. Since the specific structure of such an open cathode is the same as various structures already known, detailed description thereof is omitted.

発電時には、水素を含む燃料ガスが水素流入口20から溝流路12に流入し、その後、溝流路14、16、18へと流れ込む。燃料ガスは、溝流路を流通する過程で、ガス拡散層内へと拡散して電極触媒層に至る。アノード側の電極触媒層に水素が、カソード側の電極触媒層の酸素が、それぞれ到達して電気化学的反応を生じ、発電が行われる。   At the time of power generation, a fuel gas containing hydrogen flows into the groove channel 12 from the hydrogen inlet 20 and then flows into the groove channels 14, 16, and 18. The fuel gas diffuses into the gas diffusion layer and reaches the electrode catalyst layer in the course of flowing through the groove channel. Hydrogen arrives at the electrode catalyst layer on the anode side and oxygen in the electrode catalyst layer on the cathode side causes an electrochemical reaction to generate electric power.

なお、アノード側において例えば窒素分圧がある程度まで上昇すると、アノードとカソードの窒素分圧が等しくなり、アノード側の窒素分圧はそれ以上上昇しなくなる。窒素以外のガスにおいても同様である。本実施形態に係る燃料電池は、この点を利用し、窒素分圧が平衡した状態で発電を行う。このとき、発電時のアノードの圧力は、カソードにおける窒素分圧よりも高く保っておく。   For example, when the nitrogen partial pressure rises to some extent on the anode side, the nitrogen partial pressures of the anode and the cathode become equal, and the nitrogen partial pressure on the anode side no longer rises. The same applies to gases other than nitrogen. The fuel cell according to the present embodiment uses this point to generate power in a state where the nitrogen partial pressure is balanced. At this time, the pressure of the anode during power generation is kept higher than the nitrogen partial pressure at the cathode.

[反応非関与ガス溜りが発電に及ぼす影響]
燃料電池の発電は、アノードの水素とカソードの空気中の酸素とが電解質膜を介した電気化学的反応を生ずることにより行われる。アノード内に水素を滞留させつつ発電を行う燃料電池においては、発電による水素消費に合わせて、継続的に水素供給が行われている。よって、発電時には、水素の供給口から、アノード内部へと、水素が継続的に流れ込んできている。
[Effect of non-reactive gas pool on power generation]
The power generation of the fuel cell is performed by causing an electrochemical reaction between hydrogen at the anode and oxygen in the air at the cathode via the electrolyte membrane. In a fuel cell that generates power while retaining hydrogen in the anode, hydrogen is continuously supplied in accordance with hydrogen consumption by power generation. Thus, during power generation, hydrogen continuously flows from the hydrogen supply port into the anode.

電解質膜は、ガスを透過する性質を有している。このため、発電中には、カソードの空気中の酸素が発電に消費されるとともに、カソードから電解質膜を透過して、窒素や水蒸気などの発電反応に関与しない不純物質がアノードへと移動してきている。この不純物質は、水素がアノードに流れ込んでくるのに付随して、その下流側に押し流される。   The electrolyte membrane has a property of transmitting gas. For this reason, during power generation, oxygen in the cathode air is consumed for power generation, and impurities that do not participate in the power generation reaction such as nitrogen and water vapor pass through the electrolyte membrane from the cathode and move to the anode. Yes. This impurity is swept down downstream as hydrogen flows into the anode.

図2は、不純物質が押し流され、濃縮する現象を説明するための模式図である。空気には窒素以外にも水蒸気や二酸化炭素等の発電に供されない不純物質が含まれているが、それらの空気中における濃度は窒素に比較すれば極微小であるので、以下は不純物質として窒素にのみ着目して述べる。ただし、本発明が想定する不純物質から窒素以外の物質を除外することを意味するものではない。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a phenomenon in which impurities are swept away and concentrated. In addition to nitrogen, air contains impurities such as water vapor and carbon dioxide that are not used for power generation, but their concentrations in the air are extremely small compared to nitrogen. We will focus on and describe. However, it does not mean that substances other than nitrogen are excluded from the impurity assumed by the present invention.

例えば図2のようなS字形状の流路に矢印方向に沿って燃料ガスが流れる場合、燃料ガスによりガス流路内の不純物質が下流側に向かって押し流され、下流側から窒素が濃縮する(ハッチングを付した領域30で窒素濃縮領域を示す)。不純物質が過度に濃縮すると、当該濃縮した領域が発電不能領域となり、電圧低下による発電性能の低下や、内部構造(具体的には触媒層)への好ましくない影響といった種々の弊害を招いてしまう。   For example, when the fuel gas flows in the S-shaped channel as shown in FIG. 2 along the direction of the arrow, the impurity in the gas channel is pushed downstream by the fuel gas, and nitrogen is concentrated from the downstream side. (The hatched area 30 indicates the nitrogen enriched area). If the impurity is excessively concentrated, the concentrated region becomes a power generation impossible region, which causes various adverse effects such as a decrease in power generation performance due to a voltage drop and an undesirable effect on the internal structure (specifically, the catalyst layer). .

[実施の形態1の作用、効果]
これに対し、実施の形態1では、アノードに存在する窒素がアノード面内で分岐する各溝流路へと分配されるため、不純物質が各溝流路を通ってアノード面内に搬送され、一箇所への窒素の濃縮が防止される。各溝流路によってアノード面内に分散された窒素は、ガス拡散層内における拡散などによりさらに面内で分散される。その後、既述したように、カソードとの窒素分圧差との関係で窒素が電解質膜を介してカソードへと戻り、バランスする。このように、本実施形態によれば、窒素などの不純物質による電圧低下を、集電板10の溝流路の構造の工夫によって防止することが出来る。従って、構成部材の追加や複雑な制御動作を必須としないという利点がある。
[Operation and Effect of Embodiment 1]
On the other hand, in Embodiment 1, since nitrogen present in the anode is distributed to each groove channel branched in the anode surface, the impurity is transferred into the anode surface through each groove channel, Concentration of nitrogen in one place is prevented. Nitrogen dispersed in the anode surface by each groove channel is further dispersed in the surface by diffusion or the like in the gas diffusion layer. Thereafter, as described above, nitrogen returns to the cathode through the electrolyte membrane and balances in relation to the nitrogen partial pressure difference with the cathode. Thus, according to this embodiment, a voltage drop due to impurities such as nitrogen can be prevented by devising the structure of the groove channel of the current collector plate 10. Therefore, there is an advantage that the addition of components and complicated control operations are not essential.

また、本実施形態では、溝流路12、14、16、18が、アノード面内に多数枝分かれするように連続した溝を形成している。このような構成によれば、1つの水素流入口20から水素を流入させるだけで、アノード面内の全体に渡って水素をバランスよく供給できる。また、立体的に貫通穴を設けたりする手法に比して、製造も容易である。   In the present embodiment, the groove channels 12, 14, 16, and 18 form continuous grooves so as to be branched in a large number in the anode surface. According to such a configuration, it is possible to supply hydrogen in a well-balanced manner throughout the anode surface only by flowing hydrogen from one hydrogen inlet 20. In addition, it is easier to manufacture as compared to a method of three-dimensionally providing through holes.

また、本実施形態では、溝流路18の下流端部がアノード面内の全体に渡って分散して位置している。アノード面内で濃度勾配が生じている場合、ガス拡散層などアノードの内部の層で、窒素の濃度勾配が平滑化するようなガス拡散が生ずる。本実施形態によれば、窒素濃度が最も高い部位である溝流路18の下流端部が多くの領域にバランスよく分散されるので、このような濃度勾配を効率よく進めて、濃度の平滑化を速やかに進めることができる。   Moreover, in this embodiment, the downstream end part of the groove flow path 18 is disperse | distributed and located over the whole anode surface. When a concentration gradient is generated in the anode plane, gas diffusion occurs such that the nitrogen concentration gradient is smoothed in a layer inside the anode such as a gas diffusion layer. According to the present embodiment, the downstream end portion of the groove channel 18 that is the portion having the highest nitrogen concentration is distributed in a balanced manner in many regions. Therefore, such a concentration gradient can be efficiently advanced to smooth the concentration. Can be advanced promptly.

また、溝流路内に存在する窒素は、拡散により、下流側から上流側へ向かって(つまり、溝流路18から、溝流路16、14、12を経て水素流入口20へと向かう方向)移動しようとする。そして、溝流路内における水素流速が遅いほど、窒素が溝流路の上流側に拡散していく。本実施形態では、溝流路12、14、16、18の流路断面積を一定にしている。これにより、水素が溝流路内部を流通する過程で発電に消費され、結果的に水素の流通速度が遅くなる。従って、水素の流通速度を抑えて窒素の濃度拡散を促進し、窒素が濃縮するのを抑制することができる。   Further, the nitrogen existing in the groove channel is diffused from the downstream side toward the upstream side (that is, from the groove channel 18 to the hydrogen inlet 20 through the groove channels 16, 14, 12). ) Try to move. Then, the slower the hydrogen flow rate in the groove channel, the more nitrogen diffuses upstream of the groove channel. In this embodiment, the channel cross-sectional areas of the groove channels 12, 14, 16, 18 are made constant. As a result, hydrogen is consumed in power generation in the process of flowing through the inside of the groove channel, and as a result, the flow rate of hydrogen is reduced. Therefore, it is possible to suppress the concentration of nitrogen by suppressing the flow rate of hydrogen and promoting the concentration diffusion of nitrogen.

なお、上述した実施の形態1では、図示しない膜電極接合体が前記第1の発明における「発電体」に、集電板10が前記第1の発明における「ガス供給部材」に、溝流路18が前記第1の発明における「溝流路」に、水素流入口20が前記第1の発明における「ガス流入口」に、それぞれ相当している。また、集電板10は前記第の発明における「集電板」に相当している。また、集電板10の面内で複数の溝流路18が溝流路16、14、12に合流することにより形成された枝分かれ状の溝が、前記第の発明の「該面内で枝分かれする溝」に相当している。
In the first embodiment described above, a membrane electrode assembly (not shown) is used as the “power generator” in the first invention, and the current collector plate 10 is used as the “gas supply member” in the first invention. Reference numeral 18 corresponds to the “groove channel” in the first invention, and the hydrogen inlet 20 corresponds to the “gas inlet” in the first invention. The current collecting plate 10 corresponds to the “current collecting plate” in the first invention. A branched groove formed by joining a plurality of groove flow paths 18 to the groove flow paths 16, 14, 12 in the surface of the current collector plate 10 is “in the plane” of the first invention. This corresponds to a “branching groove”.

[実施の形態1の変形例]
なお、本発明にかかる溝流路のパターンは、実施の形態1のパターンに何ら限定されるものではない。たとえば、各溝流路は、必ずしも図に示したように集電板10の面内を直線的に延びていなくともよく、集電板10の面内で曲線を描いてもよい。また、図1のうち、溝流路18を備えず、溝流路16までで下流側が終端するような構成であってもよい。或いは、溝流路12、14のみを備え、溝流路14の下流側端部を行き止まりとしてもよい。これらの構成によっても水素流入口20から流入した水素を分岐させて流し、窒素濃縮を全体に分散させることができるからである。
[Modification of Embodiment 1]
The groove channel pattern according to the present invention is not limited to the pattern of the first embodiment. For example, each groove flow path does not necessarily extend linearly in the surface of the current collector plate 10 as shown in the drawing, and may draw a curve in the surface of the current collector plate 10. In FIG. 1, the groove channel 18 may not be provided, and the downstream side may be terminated up to the groove channel 16. Alternatively, only the groove channels 12 and 14 may be provided, and the downstream end of the groove channel 14 may be a dead end. This is because the hydrogen flowing in from the hydrogen inlet 20 can be branched and flowed by these configurations, and the nitrogen concentration can be dispersed throughout.

また、例えば、変形例として、図3、4、5のような溝流路のバリエーションが考えられる。図3の集電板50は、実施の形態1と同様のパターンの溝流路において、各位置で流路断面積を変化させたものである。集電板50では、溝流路52、54、更にその下流側に向かって、段階的に流路断面積を小さくしている(図3の線幅が溝流路の幅に相当している)。集電板50にかかる構成によれば、水素の流量が多い上流側ほど水素流速を遅くすることができる。なお、流路断面積の変化は、段階的なものでも連続的なものでもどちらでもよい。例えば、各溝流路を、下流側ほど流路断面積が連続的に小さくなるように形成してもよい。   For example, as a modification, variations of the groove flow paths as shown in FIGS. The current collecting plate 50 in FIG. 3 is obtained by changing the channel cross-sectional area at each position in the groove channel having the same pattern as that of the first embodiment. In the current collector plate 50, the channel cross-sectional area is gradually reduced toward the groove channels 52 and 54 and further downstream thereof (the line width in FIG. 3 corresponds to the width of the groove channel). ). According to the structure concerning the current collector plate 50, the hydrogen flow rate can be made slower toward the upstream side where the flow rate of hydrogen is larger. Note that the flow path cross-sectional area may be changed stepwise or continuously. For example, each groove channel may be formed such that the channel cross-sectional area continuously decreases toward the downstream side.

また、図4のように、1つの集電板60に複数の水素流入口68を設け、各水素流入口68にそれぞれ溝流路を形成してもよい。また、図5の集電板70のように、水素流入口78から溝流路72が面内の中央側に向かって伸び、中央の分岐部73から放射状に複数の溝流路74が延びるという構成としてもよい。   Further, as shown in FIG. 4, a plurality of hydrogen inlets 68 may be provided in one current collector plate 60, and a groove channel may be formed in each hydrogen inlet 68. Further, like the current collector plate 70 of FIG. 5, the groove flow path 72 extends from the hydrogen inlet 78 toward the center side in the plane, and the plurality of groove flow paths 74 extend radially from the central branch portion 73. It is good also as a structure.

実施の形態2.
[実施の形態2の構成]
実施の形態2の燃料電池は、実施の形態1と同様に、膜電極接合体、ガス拡散層および集電板を構成要素として含んでいる。但し、実施の形態2の燃料電池は、ガス拡散層と集電板との間に多孔質体層を挿入するタイプの燃料電池である。また、実施の形態2の燃料電池は、実施の形態1と同様に、アノード内に燃料ガス(水素)を滞留させつつ発電を行う。また、実施の形態1と同様、カソードは開放系とされる。
Embodiment 2. FIG.
[Configuration of Embodiment 2]
Similar to the first embodiment, the fuel cell of the second embodiment includes a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, and a current collector plate as constituent elements. However, the fuel cell of Embodiment 2 is a type of fuel cell in which a porous body layer is inserted between the gas diffusion layer and the current collector plate. Further, the fuel cell of the second embodiment performs power generation while retaining the fuel gas (hydrogen) in the anode, as in the first embodiment. Further, as in the first embodiment, the cathode is an open system.

なお、内部に多孔質体層を備えるタイプの燃料電池は、既に多くの文献において開示され公知となっている。従って、その詳細な説明は省略する。以下の説明では、実施の形態2の特徴であるアノード側の集電板の構成について説明する。   In addition, the fuel cell of a type provided with a porous body layer therein has already been disclosed and publicly known in many documents. Therefore, the detailed description is abbreviate | omitted. In the following description, the structure of the current collector plate on the anode side, which is a feature of the second embodiment, will be described.

図6は、実施の形態2の燃料電池のアノード側に備えられる集電板の構成を説明するための図である。本実施形態のアノード側の集電板は、図6(a)のプレート100と、図6(b)の中間プレート120と、図6(c)のプレート140とが順次積層されて一体とされたものである。   FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of a current collector plate provided on the anode side of the fuel cell of the second embodiment. The anode-side current collector plate of this embodiment includes a plate 100 shown in FIG. 6A, an intermediate plate 120 shown in FIG. 6B, and a plate 140 shown in FIG. It is a thing.

なお、このように3枚のプレートを重ねて一体として集電板を形成する思想自体は、例えば、特開2006−164762号公報、特開2006−216426号公報に開示されているように、既に公知である。従って、以下の説明では、本実施形態の特徴的な構成について述べ、その他上記文献等公知技術と同様の点(例えば、シーリング手法など)は、その説明を省略する。   Note that the idea of forming the current collector plate as a single body by stacking three plates in this way has already been disclosed in, for example, JP-A-2006-164762 and JP-A-2006-216426. It is known. Therefore, in the following description, the characteristic configuration of the present embodiment will be described, and the description of other points similar to the known techniques such as the above-described documents (for example, a sealing method) will be omitted.

図6(a)は、本実施形態にかかる集電板を構成するプレート100の平面図である。プレート100はアノード側の多孔質体層に接触する。図6(a)のプレート100の面内で破線で囲まれた領域は、アノード側の多孔質体層と接触する領域を示している。プレート100は、水素供給用貫通穴102、104、空気供給用貫通穴106、空気排出用貫通孔108、冷却液供給用貫通穴110、冷却液排出用貫通穴112を備えている。図6(a)でそれぞれハッチングを付した領域が、上記各貫通穴として紙面奥側に貫通している。プレート100は、スリット状の貫通穴103、105を備えている。   FIG. 6A is a plan view of the plate 100 constituting the current collector plate according to the present embodiment. The plate 100 is in contact with the porous body layer on the anode side. A region surrounded by a broken line in the plane of the plate 100 in FIG. 6A indicates a region in contact with the porous body layer on the anode side. The plate 100 includes hydrogen supply through holes 102 and 104, an air supply through hole 106, an air discharge through hole 108, a coolant supply through hole 110, and a coolant discharge through hole 112. The hatched regions in FIG. 6A penetrate through the back side of the page as the above-mentioned through holes. The plate 100 includes slit-like through holes 103 and 105.

図6(b)は、本実施形態にかかる集電板を構成する中間プレート120の平面図である。プレート120は、水素供給用貫通穴122、124、空気供給用貫通穴126、空気排出用貫通孔128、冷却液供給用貫通穴130(130a、130b)、冷却液排出用貫通穴132(132a、132b)を備えている。図6(b)でそれぞれハッチングを付した領域は、それぞれ上記各貫通穴として紙面奥側に貫通している。水素供給用貫通穴122は、中間プレート120の面内を延びる分配部122aと分配部122bを備えている。   FIG. 6B is a plan view of the intermediate plate 120 constituting the current collector plate according to the present embodiment. The plate 120 includes hydrogen supply through holes 122, 124, air supply through holes 126, air discharge through holes 128, coolant supply through holes 130 (130a, 130b), and coolant discharge through holes 132 (132a, 132b). The hatched regions in FIG. 6B penetrate through the back side of the paper as the respective through holes. The hydrogen supply through hole 122 includes a distribution part 122 a and a distribution part 122 b extending in the plane of the intermediate plate 120.

冷却液供給用貫通穴130と冷却液排出用貫通穴は132は、中間プレート120の中央側を延びる複数の線状の貫通穴によって接続している。冷却液供給用貫通穴130は、水素供給用貫通穴122の分配部122bによって、二つの部分(冷却液供給用貫通穴130a、130b)に分断されている。また、冷却液排出用貫通穴132も、分配部124bによって二つの部分に分断されている。   The coolant supply through hole 130 and the coolant discharge through hole 132 are connected by a plurality of linear through holes extending in the center of the intermediate plate 120. The coolant supply through hole 130 is divided into two parts (coolant supply through holes 130 a and 130 b) by the distribution part 122 b of the hydrogen supply through hole 122. The coolant discharge through-hole 132 is also divided into two parts by the distribution part 124b.

図6(c)は、本実施形態にかかる集電板を構成するプレート140の平面図である。プレート140はカソード側の多孔質体層に接触する。図6(c)のプレート140の面内で破線で囲まれた領域は、カソード側の多孔質体層と接触する領域を示している。プレート140は、水素供給用貫通穴142、144、空気供給用貫通穴146、空気排出用貫通孔148、冷却液供給用貫通穴150、冷却液排出用貫通穴152を備えている。図6(c)でそれぞれハッチングを付した領域が、上記各貫通穴として紙面奥側に貫通している。プレート140は、スリット状の貫通穴147、149を備えている。   FIG.6 (c) is a top view of the plate 140 which comprises the current collecting plate concerning this embodiment. The plate 140 is in contact with the porous body layer on the cathode side. A region surrounded by a broken line in the plane of the plate 140 in FIG. 6C indicates a region in contact with the porous body layer on the cathode side. The plate 140 includes hydrogen supply through holes 142 and 144, an air supply through hole 146, an air discharge through hole 148, a coolant supply through hole 150, and a coolant discharge through hole 152. The hatched regions in FIG. 6C penetrate through the back side of the paper as the through holes. The plate 140 includes slit-shaped through holes 147 and 149.

図6(a)〜(c)にそれぞれ図示した3枚のプレートが積層された場合、対応する位置にある貫通穴が連通する。具体的には、水素供給用貫通穴102、122、142が接続し、水素供給用貫通穴104、124、144が接続する。また、貫通穴103は水素供給用貫通穴122の分配部122a、122bにそれぞれ接続し、貫通穴105は水素供給用貫通穴124の分配部124a、124bにそれぞれ接続する。   When the three plates illustrated in FIGS. 6A to 6C are stacked, the through holes at the corresponding positions communicate with each other. Specifically, the hydrogen supply through holes 102, 122, and 142 are connected, and the hydrogen supply through holes 104, 124, and 144 are connected. Further, the through hole 103 is connected to the distribution parts 122a and 122b of the hydrogen supply through hole 122, and the through hole 105 is connected to the distribution parts 124a and 124b of the hydrogen supply through hole 124, respectively.

また、空気供給用貫通穴106、126、146が、空気排出用貫通孔108、128、48が、それぞれ接続する。また、冷却液供給用貫通穴110、130、150が、冷却液排出用貫通穴112、132、152が、それぞれ接続する。集電板や膜電極接合体などを交互に積層して燃料電池スタックを形成する際には、各集電板の水素供給用貫通穴を接続してアノードガス供給マニホールドを形成できる。また、各集電板の冷却液供給用貫通穴および冷却液排出用貫通穴をそれぞれ接続して冷却液供給マニホールドおよび冷却液排出マニホールドを形成することができる。   The air supply through holes 106, 126, and 146 are connected to the air discharge through holes 108, 128, and 48, respectively. The coolant supply through holes 110, 130, and 150 are connected to the coolant discharge through holes 112, 132, and 152, respectively. When forming a fuel cell stack by alternately stacking current collector plates, membrane electrode assemblies, etc., anode gas supply manifolds can be formed by connecting the hydrogen supply through holes of each current collector plate. Further, the coolant supply manifold and the coolant discharge manifold can be formed by connecting the coolant supply through hole and the coolant discharge through hole of each current collector plate, respectively.

図7は、図6(a)〜(c)にそれぞれ図示した3枚のプレートが積層された状態におけるA−A線に沿う断面図である。3枚のプレートが積層された結果、1枚の集電板が形成されている。図7は複数の燃料電池が積層されて燃料電池スタックとされた状態を想定しており、この場合には集電板がセパレータとしても機能している。   FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line AA in a state where the three plates illustrated in FIGS. 6A to 6C are stacked. As a result of stacking the three plates, one current collector plate is formed. FIG. 7 assumes a state in which a plurality of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack. In this case, the current collector plate also functions as a separator.

図7には、1つの燃料電池のアノード側の多孔質体層と、集電板を挟んで位置する他の燃料電池のカソード側の多孔質体層とが、それぞれ破線で示されている。実際には、膜電極接合体、ガス拡散層および多孔質体層が順次積層した積層体と、集電板とが、交互に複数重ねあわされる。図7では、説明の便宜上、本実施形態にかかる集電板及びその近傍の様子を部分的に図示している。   In FIG. 7, the porous body layer on the anode side of one fuel cell and the porous body layer on the cathode side of another fuel cell located across the current collector plate are indicated by broken lines. In practice, a plurality of laminated bodies in which a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer and a porous body layer are sequentially laminated and a current collector plate are alternately laminated. In FIG. 7, for convenience of explanation, the current collector plate according to the present embodiment and the state of the vicinity thereof are partially illustrated.

図7に示すように、3枚のプレートを重ねた場合、貫通穴103と分配部122a、122bが接続し、貫通穴105と分配部124a、124bが接続する。そして、分配部122a、122b、124a、124bは、プレート140によってアノード側から蓋をされる。その結果、集電板のアノード側の面に沿って(図7では紙面を貫通する方向へ)、貫通穴103、105がそれぞれ溝流路を形成することになる。そして、貫通穴103により形成される2つの溝流路は水素供給用貫通穴122に、貫通穴105により形成される2つの溝流路は水素供給用貫通穴124に、それぞれ合流する。   As shown in FIG. 7, when three plates are stacked, the through hole 103 and the distribution parts 122a and 122b are connected, and the through hole 105 and the distribution parts 124a and 124b are connected. The distributors 122a, 122b, 124a, and 124b are covered from the anode side by the plate 140. As a result, the through holes 103 and 105 each form a groove flow path along the surface on the anode side of the current collector (in a direction penetrating the paper surface in FIG. 7). The two groove flow paths formed by the through holes 103 merge with the hydrogen supply through holes 122, and the two groove flow paths formed by the through holes 105 merge with the hydrogen supply through holes 124, respectively.

既述したように、分配部122a、122bは水素供給用貫通穴122に、分配部124a、124bは水素供給用貫通穴124に、それぞれ接続している。従って、水素供給用貫通穴122、124に水素を流入させることにより、図7に矢印で示すように、貫通穴103、105から水素を多孔質体層へと供給することができる。カソード側では、図7に矢印に示すように、貫通穴147から多孔質体層へと空気が流れ込む。多孔質体層に流入した水素および空気は、ガス拡散層を経て膜電極接合体における発電反応に供する。なお、カソード側では、その後、多孔質体層から貫通穴149を通って空気(カソードオフガス)が流れ出す。このカソードオフガスは、通常、図示しないカソードの排気系へと排出される。   As described above, the distributors 122a and 122b are connected to the hydrogen supply through hole 122, and the distributors 124a and 124b are connected to the hydrogen supply through hole 124, respectively. Therefore, by flowing hydrogen into the hydrogen supply through holes 122 and 124, hydrogen can be supplied to the porous body layer from the through holes 103 and 105 as shown by arrows in FIG. On the cathode side, air flows from the through hole 147 into the porous body layer as indicated by an arrow in FIG. Hydrogen and air flowing into the porous body layer are subjected to a power generation reaction in the membrane electrode assembly through the gas diffusion layer. On the cathode side, thereafter, air (cathode off-gas) flows out from the porous body layer through the through hole 149. This cathode off gas is normally discharged to a cathode exhaust system (not shown).

[実施の形態2の作用、効果]
実施の形態2によれば、集電板の面方向に沿って複数の溝流路が延び、一つの水素供給用貫通穴に2つづつ溝流路が接続されている。このため、実施の形態1で水素流入口20から複数の溝流路に水素が流れる場合と同様に、水素供給用貫通穴から各溝流路に水素を流すことで溝流路内部の窒素を各溝流路へと分配し、窒素濃縮を緩和することができる。このように、本実施形態によれば、実施の形態1と同様に、集電板の構造の工夫によりアノード面内の一箇所への窒素の濃縮を効果的に防止することが出来る。
[Operation and Effect of Embodiment 2]
According to the second embodiment, the plurality of groove channels extend along the surface direction of the current collector plate, and two groove channels are connected to one hydrogen supply through hole. For this reason, in the same way as in the case where hydrogen flows from the hydrogen inlet 20 to the plurality of groove channels in the first embodiment, the nitrogen inside the groove channel is reduced by flowing hydrogen from the hydrogen supply through hole to each groove channel. Distributing to each groove channel, nitrogen concentration can be mitigated. Thus, according to the present embodiment, as in the first embodiment, it is possible to effectively prevent the concentration of nitrogen to one place in the anode surface by devising the structure of the current collector plate.

また、本実施形態によれば、次のような効果も得られる。図8は、実施の形態2の燃料電池の作用、効果を説明するための図である。図8には、図6(a)にも示したプレート100の平面図が示されている。上述したように、水素供給用貫通穴122、124から水素を流入させると、当該水素は貫通穴103、105から流出する。   Moreover, according to this embodiment, the following effects are also acquired. FIG. 8 is a diagram for explaining the operation and effect of the fuel cell of the second embodiment. FIG. 8 shows a plan view of the plate 100 also shown in FIG. As described above, when hydrogen is introduced from the hydrogen supply through holes 122 and 124, the hydrogen flows out of the through holes 103 and 105.

図7でも述べたように、プレート100が多孔質体層に接触しているときには、貫通穴103、105から流出した水素は多孔質体層内へと流れ込む。多孔質体層内へと流れ込んだ水素は、図8の矢印に示すように、プレート100の面方向に沿って上下方向へ流れる。その結果、多孔質体層内に水素が行き渡り易くなり、これに応じて、窒素濃縮による発電不可能領域の発生を防止できるという利点がある。   As described in FIG. 7, when the plate 100 is in contact with the porous body layer, the hydrogen flowing out from the through holes 103 and 105 flows into the porous body layer. The hydrogen that has flowed into the porous body layer flows in the vertical direction along the surface direction of the plate 100 as indicated by arrows in FIG. As a result, hydrogen easily spreads in the porous body layer, and according to this, there is an advantage that it is possible to prevent generation of a region where power generation is impossible due to nitrogen concentration.

図9は、実施の形態2に対する比較例であるプレート200の構造を示す図である。プレート200は、プレート100と異なり、多孔質体層が接する領域内の上方端と下方端に、貫通穴203、205をそれぞれ有している。その他の点は、プレート100と同様とする。図9のように多孔質体層の端側から水素を流入させる場合と図8の本実施形態の場合とで水素の流れる距離(矢印方向の距離)を比較すると、図8の本実施形態のように多孔質体層の面内から水素を流入させるほうが、水素の流通距離を短く出来ることがわかる。   FIG. 9 is a diagram showing a structure of a plate 200 that is a comparative example with respect to the second embodiment. Unlike the plate 100, the plate 200 has through holes 203 and 205 at an upper end and a lower end in a region where the porous body layer is in contact, respectively. The other points are the same as those of the plate 100. When comparing the hydrogen flow distance (distance in the direction of the arrow) between the case where hydrogen is introduced from the end side of the porous body layer as shown in FIG. 9 and the case of this embodiment of FIG. Thus, it can be seen that the flow distance of hydrogen can be shortened by flowing hydrogen from the plane of the porous body layer.

また、実施の形態2の構成によれば、冷却液供給用貫通穴や冷却液排出用貫通穴が、プレート140の面内で水素供給用貫通穴によって分断されている。これにより、集電板の面内で冷却液が流通するスペースを確保して冷却性能を維持しつつ、水素供給用貫通穴の分岐部を集電板の面内の中央側(つまり多孔質体層の中央側)へと導くことができる。また、中間プレート120の平面方向に見たレイアウトの工夫により、面内のスペースを有効に利用しつつ、水素供給用の貫通穴を多孔質体層の面内の領域へと導くことが可能になるということもできる。   Further, according to the configuration of the second embodiment, the coolant supply through hole and the coolant discharge through hole are divided by the hydrogen supply through hole in the plane of the plate 140. As a result, while maintaining the cooling performance by securing a space for the coolant to flow in the plane of the current collector plate, the branch portion of the through hole for supplying hydrogen is arranged at the center side in the plane of the current collector plate (that is, the porous body). To the middle side of the layer). In addition, the layout of the intermediate plate 120 as viewed in the plane direction makes it possible to guide the through holes for supplying hydrogen to the in-plane region of the porous body layer while effectively using the in-plane space. It can also be said.

なお、上述した実施の形態2では、図示しない膜電極接合体が前記第1の発明における「発電体」に、プレート100、中間プレート120、プレート140が積層されてなる集電板およびこれに重なって位置する多孔質体層が、前記第1の発明における「ガス供給部材」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態2では、貫通穴103と分配部122a、122bとが、貫通穴105と分配部124a、124bとがそれぞれ接続することにより、前記第1の発明における「溝流路」が形成されている。また、水素供給用貫通穴102、104が、前記第1の発明における「ガス流入口」に相当している。   In the second embodiment described above, a membrane electrode assembly (not shown) overlaps the current collector plate in which the plate 100, the intermediate plate 120, and the plate 140 are stacked on the “power generator” in the first invention. The porous body layers positioned respectively correspond to the “gas supply member” in the first invention. In the second embodiment, the through hole 103 and the distribution parts 122a and 122b are connected to each other, and the through hole 105 and the distribution parts 124a and 124b are connected to each other. Is formed. Further, the through holes 102 and 104 for supplying hydrogen correspond to the “gas inlet” in the first invention.

なお、次のようにして、実施の形態2に実施の形態1の思想を組み合わせることができる。例えば、プレート100の貫通穴103、105の面方向の形状を、複数枝分かれして延びるような形状(図1、3、4、5に記載した溝流路のようなパターン)としてもよい。下流側端部の位置を、多孔質体層との接触領域(図6において破線で矩形に囲った領域)の全体に分散されるように、貫通穴を配置しても良い。また、連続的または段階的に貫通穴の幅を変化させて、下流側ほど流路断面積が小さくなるようにしてもよい。   In addition, the idea of Embodiment 1 can be combined with Embodiment 2 as follows. For example, the shape in the surface direction of the through holes 103 and 105 of the plate 100 may be a shape (a pattern like the groove channel described in FIGS. 1, 3, 4, and 5) extending in a plurality of branches. You may arrange | position a through-hole so that the position of a downstream edge part may be disperse | distributed to the whole contact area | region (area | region enclosed in the rectangle with the broken line in FIG. 6) with a porous body layer. Further, the width of the through hole may be changed continuously or stepwise so that the channel cross-sectional area becomes smaller toward the downstream side.

なお、実施の形態2では3枚のプレートを重ねて1つの集電板を構成する態様について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られない。2、4、5枚その他の複数枚のプレートを適宜重ねて集電板を構成する態様はもちろん、1つの板状部材に3次元的に貫通穴を形成するなどの手法を利用して、適宜、溝流路を備えるガス供給部材を形成すればよい。   In the second embodiment, the mode in which three current plates are formed by stacking three plates has been described. However, the present invention is not limited to this. Of course, the current collector plate is constructed by appropriately stacking two, four, five, or other plural plates as appropriate, using a method such as three-dimensionally forming a through hole in one plate-like member. A gas supply member having a groove channel may be formed.

実施の形態3.
[実施の形態3の構成、動作]
実施の形態3は、実施の形態2と同様に、ガス拡散層と集電板との間に多孔質体層が挿入されるタイプの燃料電池である。しかしながら、実施の形態3の燃料電池は、集電板ではなく多孔質体層に溝流路を形成する点で、実施の形態2と相違する。なお、集電板は、例えば、特開2006−164762号公報、特開2006−216426号公報に開示されているような公知の構成を用いても良い。但し、集電板には、多孔質体層に形成した溝流路を合流させるための水素流入口を、溝や貫通穴として形成しておく。この水素流入口を利用して外部から溝流路への水素の供給を可能とするためである。
Embodiment 3 FIG.
[Configuration and Operation of Embodiment 3]
The third embodiment is a type of fuel cell in which a porous body layer is inserted between a gas diffusion layer and a current collector plate, as in the second embodiment. However, the fuel cell of the third embodiment is different from the second embodiment in that the groove channel is formed not in the current collector plate but in the porous body layer. The current collecting plate may have a known configuration as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2006-164762 and 2006-216426. However, in the current collector plate, a hydrogen inlet for joining the groove flow path formed in the porous body layer is formed as a groove or a through hole. This is because hydrogen can be supplied from the outside to the groove channel by using this hydrogen inlet.

多孔質体層には、多孔質体層の膜電極接合体と接する側の面に、その面方向に沿って、実施の形態1と同様に溝流路を形成する。そして、当該溝流路がさらに多孔質体層の厚み方向に延びて、水素流入口に合流する構成とする。その他、膜電極接合体やガス拡散層、カソード側の構成などは、実施の形態2と同様とする。多孔質体層よりも圧損の小さいこの溝流路に水素が流れることにより、上記の各実施形態と同様に窒素濃縮緩和の効果が得られる。   In the porous body layer, a groove channel is formed on the surface of the porous body layer on the side in contact with the membrane electrode assembly along the surface direction in the same manner as in the first embodiment. The groove channel further extends in the thickness direction of the porous body layer and joins the hydrogen inlet. In addition, the configuration of the membrane electrode assembly, the gas diffusion layer, the cathode side, and the like are the same as those in the second embodiment. By flowing hydrogen into the groove channel having a pressure loss smaller than that of the porous body layer, the effect of mitigating nitrogen concentration can be obtained as in the above embodiments.

上述した実施の形態3では、図示しない膜電極接合体が、前記第1の発明における「発電体」に、図示しない集電板と多孔質体層が、前記第1の発明における「ガス供給部材」に、当該多孔質体層に形成された溝流路が前記第1の発明における「溝流路」に、当該集電板に形成された水素流入口が前記第1の発明における「ガス流入口」に、それぞれ相当している。   In the above-described third embodiment, the membrane electrode assembly (not shown) is the “power generation body” in the first invention, and the current collector plate and the porous body layer (not shown) are the “gas supply member” in the first invention. The groove channel formed in the porous body layer is the “groove channel” in the first invention, and the hydrogen inlet formed in the current collector plate is the “gas flow” in the first invention. Each corresponds to an “entrance”.

実施の形態4.
実施の形態3では、多孔質体層の膜電極接合体と接する側の面に溝流路を形成した。これに対し、実施の形態4では、多孔質体層の集電板と接する側の面に溝流路を設けることとする。その他の構成は、実施の形態3と同様とすることができる。複数の溝流路を水素が流れることによって窒素が燃料電池の面内に分散し、実施の形態1乃至3と同様に窒素濃縮緩和の効果が得られる。
Embodiment 4 FIG.
In the third embodiment, the groove channel is formed on the surface of the porous body layer in contact with the membrane electrode assembly. On the other hand, in Embodiment 4, the groove flow path is provided on the surface of the porous body layer on the side in contact with the current collector plate. Other configurations can be the same as those in the third embodiment. By flowing hydrogen through the plurality of groove channels, nitrogen is dispersed in the plane of the fuel cell, and the effect of mitigating nitrogen concentration can be obtained as in the first to third embodiments.

なお、実施の形態4の変形例として、多孔質体層の層内を貫通して延びるように管状流路を複数形成してもよい。ここで、「管状流路」とは、多孔質体層の内部に面方向に貫通する管状の空間を形成することにより得られる流路である。但し、多孔質体層自体が本来備える微細な孔は管状流路には含まれていない。つまり、管状流路は、少なくとも多孔質体層の細孔径に比して十分に大きな径を有している。   As a modification of the fourth embodiment, a plurality of tubular channels may be formed so as to extend through the inside of the porous body layer. Here, the “tubular flow path” is a flow path obtained by forming a tubular space penetrating in the surface direction inside the porous body layer. However, the fine pores inherent to the porous body layer itself are not included in the tubular flow path. That is, the tubular flow path has a sufficiently large diameter at least as compared with the pore diameter of the porous body layer.

管状流路の下流側端部は、実施の形態1乃至3の溝流路と同様に、多孔質体層の面内で終端させる。そして、各管状流路の上流側は、集電板の水素流入口に合流させる。その結果、多孔質体層の面方向に枝分かれしながら延び、面内に多数の行き止まりを有する管状流路が形成されることになる。多孔質体層よりも圧損の小さいこの管状流路に水素が流れ、窒素が面内に分散されることにより、上記の各実施形態と同様に窒素濃縮緩和の効果が得られる。   The downstream end of the tubular flow channel is terminated in the plane of the porous body layer in the same manner as the groove flow channel of the first to third embodiments. Then, the upstream side of each tubular channel is joined to the hydrogen inlet of the current collector plate. As a result, a tubular flow path that extends while branching in the plane direction of the porous body layer and has a number of dead ends in the plane is formed. Hydrogen flows through this tubular flow path having a pressure loss smaller than that of the porous body layer, and nitrogen is dispersed in the plane, so that the effect of mitigating nitrogen concentration can be obtained as in the above embodiments.

実施の形態5.
以下、本発明の実施の形態5について説明する。実施の形態5は、上述した実施の形態1乃至4にかかる燃料電池のいずれかを用いて燃料電池システムを構成することにより提供される。
Embodiment 5 FIG.
The fifth embodiment of the present invention will be described below. The fifth embodiment is provided by configuring a fuel cell system using any of the fuel cells according to the first to fourth embodiments described above.

実施の形態5にかかる燃料電池システムは、供給されたほぼ全ての燃料ガスをアノードの触媒層(アノード反応部)で消費する態様(以下、この態様を「デッドエンド運転」とも呼称する)を含む燃料電池システムである(以下、このようなシステムを「デッドエンドシステム」とも呼称する)。「ほぼ全ての燃料ガス」とは、いわゆるクロスリークにより電解質膜をカソード側に移動してアノードから減少した燃料ガスを除き、発電に伴って消費される全ての燃料ガスを意味している。   The fuel cell system according to Embodiment 5 includes a mode in which almost all of the supplied fuel gas is consumed by the catalyst layer (anode reaction portion) of the anode (hereinafter, this mode is also referred to as “dead end operation”). A fuel cell system (hereinafter, such a system is also referred to as a “dead end system”). The term “almost all fuel gas” means all fuel gas consumed with power generation except for the fuel gas that has moved from the anode to the cathode side by so-called cross leak and decreased from the anode.

換言すれば、デッドエンドシステムとは、アノード極内のガスを排気することなく、連続的に発電する燃料電池システムである。デッドエンドシステムは、アノード極の不純物質(具体的には、例えば、窒素)の分圧が、カソード極の不純物質(具体的には、例えば、窒素)の分圧とつりあった状態で、継続的に発電を行う燃料電池システムである。   In other words, the dead-end system is a fuel cell system that continuously generates power without exhausting the gas in the anode electrode. The dead-end system is continued in a state where the partial pressure of the impurity (specifically, for example, nitrogen) at the anode electrode is balanced with the partial pressure of the impurity (specifically, for example, nitrogen) at the cathode electrode. It is a fuel cell system that generates electricity automatically.

具体的には、実施の形態5では、先ず、実施の形態1乃至3のいずれかの燃料電池を複数重ねて燃料電池スタックを構成する。当該燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向に貫通して伸びるアノードガス供給マニホールドを備える。アノードガス供給マニホールドは、例えば、実施の形態2で述べたように、集電板の厚み方向に貫通穴を形成してこの貫通穴と溝流路とを接続しておき、燃料電池スタックとした際に集電板の各々の貫通穴を連通させることで形成することができる。   Specifically, in the fifth embodiment, first, a fuel cell stack is configured by stacking a plurality of the fuel cells of any of the first to third embodiments. The fuel cell stack includes an anode gas supply manifold that extends through the fuel cell in the stacking direction. For example, as described in the second embodiment, the anode gas supply manifold is formed as a fuel cell stack by forming a through hole in the thickness direction of the current collector plate and connecting the through hole and the groove flow path. At this time, it can be formed by communicating each through hole of the current collector plate.

また、上記構成した燃料電池スタックは、カソードガス供給マニホールド、カソードガス排出マニホールド、冷却液流通マニホールドなど各種マニホールドも備えている。これらのマニホールドも、実施の形態2と同様に、または従来の公知の技術を用いて、適宜、燃料電池スタックに設けておく。   The fuel cell stack configured as described above also includes various manifolds such as a cathode gas supply manifold, a cathode gas discharge manifold, and a coolant distribution manifold. These manifolds are also provided in the fuel cell stack as appropriate in the same manner as in the second embodiment or using a conventional known technique.

このような燃料電池スタックに対し、アノード側の系とカソード側の系をそれぞれ構成する。アノード側の系は、既述したアノードガス供給マニホールドを、インジェクタやバルブなどの燃料供給制御弁を介して水素タンクに接続することで構成できる。また、カソード側の系は、従来の技術と同様に、エアコンプレッサ等を含む開放系として構成することが出来る。   For such a fuel cell stack, an anode side system and a cathode side system are respectively configured. The system on the anode side can be configured by connecting the above-described anode gas supply manifold to a hydrogen tank via a fuel supply control valve such as an injector or a valve. Moreover, the system on the cathode side can be configured as an open system including an air compressor or the like, as in the prior art.

発電時には、燃料電池スタックの端に位置するアノードガス供給マニホールドの端部(導入口)から、既述した燃料供給制御弁を制御して、所望の量の水素を供給する。供給された燃料ガスが消費される過程で、上述したように、アノード極の窒素分圧等がカソード極の窒素分圧等とつりあった状態となり、その後発電が継続される。   During power generation, a desired amount of hydrogen is supplied by controlling the fuel supply control valve described above from the end (introduction port) of the anode gas supply manifold located at the end of the fuel cell stack. In the process of consuming the supplied fuel gas, as described above, the nitrogen partial pressure of the anode electrode is balanced with the nitrogen partial pressure of the cathode electrode, and then power generation is continued.

以上説明した実施の形態5によれば、本発明は、実施の形態1乃至4とは異なる観点から、「供給されたほぼ全ての燃料ガスをアノードで消費する態様を含む燃料電池システムであって、燃料電池(発電セル)内に燃料ガス(アノードガス)を導入する導入口(マニホールド連通部)と、前記導入口から供給されたアノードガスを燃料電池の面内方向に導くための互いに分岐した複数の溝流路と、を有し、前記分岐した複数の溝流路の端部は前記燃料電池の前記面内に分散するように配置されていることを特徴とする燃料電池システム」としても提供される。   According to the fifth embodiment described above, the present invention is a fuel cell system including a mode in which almost all the supplied fuel gas is consumed at the anode from a different viewpoint from the first to fourth embodiments. An inlet (manifold communication portion) for introducing fuel gas (anode gas) into the fuel cell (power generation cell) and an anode gas supplied from the inlet are branched from each other to guide the fuel gas in the in-plane direction of the fuel cell. A plurality of groove flow paths, and the ends of the branched groove flow paths are arranged so as to be dispersed in the plane of the fuel cell. Provided.

本発明の実施の形態1の燃料電池にかかる集電板の平面図である。It is a top view of the current collection board concerning the fuel cell of Embodiment 1 of the present invention. 不純物質が濃縮する現象を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the phenomenon that an impurity is concentrated. 実施の形態1の変形例を示す図である。6 is a diagram showing a modification of the first embodiment. FIG. 実施の形態1の変形例を示す図である。6 is a diagram showing a modification of the first embodiment. FIG. 実施の形態1の変形例を示す図である。6 is a diagram showing a modification of the first embodiment. FIG. 本発明の実施の形態2の燃料電池にかかる集電板を構成する3枚のプレートのそれぞれの平面図である。It is each top view of the three plates which comprise the current collecting plate concerning the fuel cell of Embodiment 2 of this invention. 実施の形態2にかかる集電板の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a current collector plate according to a second exemplary embodiment. 実施の形態2の燃料電池にかかる集電板の平面図である。6 is a plan view of a current collector plate according to a fuel cell of Embodiment 2. FIG. 実施の形態2に対する比較例を示す図である。10 is a diagram illustrating a comparative example with respect to Embodiment 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 集電板
12、14、16、18、52、72、74 溝流路
20、68、78 水素流入口
50、60、70 集電板
73 分岐部
100、140 プレート
102、104、142、144 水素供給用貫通穴
103、105、147、149 貫通穴
106、126、146 空気供給用貫通穴
108、128、148 空気排出用貫通孔
110、130、150 冷却液供給用貫通穴
112、132、152 冷却液排出用貫通穴
120 中間プレート
122 水素供給用貫通穴
122a、122b 分配部
124 水素供給用貫通穴
124a、124b 分配部
10 Current collecting plate 12, 14, 16, 18, 52, 72, 74 Groove flow path 20, 68, 78 Hydrogen inlet 50, 60, 70 Current collecting plate 73 Branch part 100, 140 Plate 102, 104, 142, 144 Through hole for hydrogen supply 103, 105, 147, 149 Through hole 106, 126, 146 Through hole for air supply 108, 128, 148 Through hole for air discharge 110, 130, 150 Through hole for cooling liquid supply 112, 132, 152 Through hole 120 for cooling liquid discharge Intermediate plate 122 Through holes 122a and 122b for supplying hydrogen Distributing part 124 Through holes 124a and 124b for supplying hydrogen Distributing part

Claims (2)

電解質膜の両面に触媒層が形成され、前記両面の触媒層のうち一方の面側のアノード触媒層に水素を含む燃料ガスの供給を受け、前記両面の触媒層のうち他方の面側のカソード触媒層に酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する発電体と、
前記アノード触媒層と重なるように配置され、前記燃料ガスが流入するガス流入口と、該一方の面側の該触媒層を向く面に沿って延び、下流側が該面内で終端し上流側が該ガス流入口に合流する複数の溝流路とを備えるガス供給部材と、
を備える燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記ガス供給部材は前記アノード触媒層と重なるように配置される集電板を含み、
前記溝流路が、前記集電板の前記アノード該触媒層を向く面に形成され、
前記複数の溝流路が前記ガス供給部材の前記面内で合流し、該面内で枝分かれする溝を形成していて、
前記複数の溝流路のそれぞれの前記下流側の端部は、前記ガス供給部材の前記アノード触媒層を向く面の、前記アノード触媒層に重なる領域の全体に渡って配置されていて、
前記溝流路は、前記ガス流入口から見て下流側ほど前記燃料ガスの流通方向の流路断面積が小さくなるように形成されていて、
前記複数の溝流路は、
前記面内において前記集電板の中央付近に設けられた分岐部から伸び当該分岐部を中心に放射状に並べて設けられた複数の主溝流路と、
前記複数の主溝流路のそれぞれから複数本ずつ枝分かれし、それぞれの下流側の終端部が、前記ガス供給部材の前記アノード触媒層を向く面の前記アノード触媒層に重なる領域の全体に渡って配置された枝溝流路と、
を含むものであり、
前記複数の主溝流路は、
前記枝溝流路を有する複数の第1主溝流路と、
前記複数の第1主溝流路の間に設けられ、前記枝溝流路を有さない第2主溝流路と、
を含むものであり、
前記ガス供給部材は、前記触媒層からの燃料オフガスを排気するための排気流路を有さず、
前記ガス供給部材の前記ガス流入口に連通する燃料タンクをさらに備え、
前記アノード触媒層側の不純物質の分圧が前記カソード触媒層側の不純物質の分圧とつりあった状態で継続的に発電するデッドエンド運転を行うことを特徴とする燃料電池システム。
Catalyst layer is formed on both surfaces of the electrolyte membrane, supplied with fuel gas containing hydrogen to the anode catalyst layer on one surface side of the both sides of the catalyst layer, the cathode of the other surface side of the both sides of the catalyst layer A power generator for generating electricity by receiving supply of oxidizing gas containing oxygen to the catalyst layer;
It is arranged so as to overlap the anode catalyst layer and extends along a gas inlet into which the fuel gas flows and a surface facing the catalyst layer on the one surface side, the downstream side terminates in the surface, and the upstream side A gas supply member comprising a plurality of groove flow paths that merge with the gas inlet;
A fuel cell system having a fuel cell Ru provided with,
The gas supply member includes a current collector plate disposed to overlap the anode catalyst layer,
The groove channel is formed on a surface of the current collector plate facing the catalyst layer;
The plurality of groove flow paths merge in the plane of the gas supply member to form a branching branch in the plane;
The downstream end of each of the plurality of groove channels is disposed over the entire area of the gas supply member facing the anode catalyst layer and overlapping the anode catalyst layer,
The groove channel is formed such that the channel cross-sectional area in the flow direction of the fuel gas decreases toward the downstream side when viewed from the gas inlet,
The plurality of groove channels are
A plurality of main groove passages extending from a branch portion provided in the vicinity of the center of the current collector plate in the plane and arranged radially around the branch portion;
A plurality of branches are formed from each of the plurality of main groove flow paths, and the downstream end portions of the gas supply members face the anode catalyst layer over the entire region overlapping the anode catalyst layer. An arranged branch channel,
Including
The plurality of main groove channels are
A plurality of first main groove channels having the branch channel;
A second main groove channel provided between the plurality of first main groove channels and not having the branch channel;
Including
The gas supply member does not have an exhaust passage for exhausting the fuel off gas from the catalyst layer,
A fuel tank communicating with the gas inlet of the gas supply member;
A fuel cell system characterized by performing a dead-end operation in which power generation is continuously performed in a state where the partial pressure of the impurity on the anode catalyst layer side is balanced with the partial pressure of the impurity on the cathode catalyst layer side.
前記第1主溝流路と前記第2主溝流路とが交互に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, wherein the first main groove flow paths and the second main groove flow paths are alternately arranged.
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