JP5125455B2 - Fuel cell reaction water recovery structure - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池の触媒反応によって生成される生成水を回収する構造に関する。   The present invention relates to a structure for recovering produced water generated by a catalytic reaction of a fuel cell.

たとえば特許文献1の燃料電池は、触媒反応後のカソードガスが流れる反応後カソードガス流路を設け、その反応後カソードガス流路で液水を凝縮して反応水を回収するようにしていた。
特開2005−285694号公報
For example, the fuel cell of Patent Document 1 is provided with a post-reaction cathode gas flow path through which the cathode gas after the catalytic reaction flows, and after the reaction, liquid water is condensed in the cathode gas flow path to recover the reaction water.
JP 2005-285694 A

しかしながら、前述した従来の燃料電池では、反応領域以降のカソードガス流路の流路幅が反応領域におけるカソードガス流路の流路幅に比べて狭く、カソードガスが流れにくかった。反応後カソードガス流路の流路幅を拡幅しては大形化してしまう。   However, in the above-described conventional fuel cell, the cathode gas channel width after the reaction region is narrower than the cathode gas channel width in the reaction region, and the cathode gas is difficult to flow. If the channel width of the cathode gas channel is increased after the reaction, the cathode gas channel is enlarged.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、反応ガスがスムーズに流れ、反応水を効率よく回収できる反応水回収構造を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a reaction water recovery structure in which a reaction gas flows smoothly and reaction water can be recovered efficiently.

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。   The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.

本発明は、電解質膜(11a)の一方の面に設けられたアノード電極層(11b)と、前記電解質膜(11a)のもう一方の面に設けられたカソード電極層(11c)と、前記アノード電極層及びカソード電極層のうちの一方の電極層(11b)に重なり、その電極層(11b)に第1反応ガスを供給する第1ガス流路(12a)を有する第1のセパレータ(12)と、前記第1のセパレータ(12)に隣設され、冷媒が通流する冷却体(14)と、前記アノード電極層及びカソード電極層のうちの他方の電極層(11c)に重なり、その電極層(11c)に第2反応ガスを供給する第2ガス流路(13a)と、その第2ガス流路(13a)の下流に連続し前記冷却体(14)に重なり、第2ガス流路(13a)を流れた第2反応ガスに含まれる水分を凝縮可能な凝縮水生成流路(13c)と、を有する第2のセパレータ(13)と、を有することを特徴とする。   The present invention provides an anode electrode layer (11b) provided on one surface of an electrolyte membrane (11a), a cathode electrode layer (11c) provided on the other surface of the electrolyte membrane (11a), and the anode A first separator (12) having a first gas channel (12a) that overlaps one electrode layer (11b) of the electrode layer and the cathode electrode layer and supplies a first reaction gas to the electrode layer (11b). And a cooling body (14) adjacent to the first separator (12) through which a refrigerant flows, and the other electrode layer (11c) of the anode electrode layer and the cathode electrode layer. A second gas flow path (13a) for supplying a second reactive gas to the layer (11c), and a second gas flow path that is continuous downstream of the second gas flow path (13a) and overlaps the cooling body (14). A condensed water generation flow path (13c) capable of condensing moisture contained in the second reaction gas flowing through (13a); And a second separator (13).

本発明によれば、第2のセパレータの凝縮水生成流路に冷却体が重なるように形成されている。第2ガス流路を流れた第2反応ガスには、電極層の触媒反応によって生成された水分が含まれており、また高温になっている。本発明は、上述の構成であるので、第2反応ガスが凝縮水生成流路を流れるときに、冷却体を流れる冷媒によって冷却され、水分が凝縮し、純水流路に回収されることとなる。   According to this invention, it forms so that a cooling body may overlap with the condensed water production | generation flow path of a 2nd separator. The second reaction gas that has flowed through the second gas flow path contains moisture generated by the catalytic reaction of the electrode layer, and has a high temperature. Since the present invention has the above-described configuration, when the second reaction gas flows through the condensed water generation flow path, it is cooled by the refrigerant flowing through the cooling body, and moisture is condensed and collected in the pure water flow path. .

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明による燃料電池の反応水回収構造の第1実施形態を示す断面図である。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a reaction water recovery structure for a fuel cell according to the present invention.

燃料電池スタック1は、複数の発電セル10を積層し、その両側からエンドプレート40で挟持する構成である。   The fuel cell stack 1 has a configuration in which a plurality of power generation cells 10 are stacked and sandwiched between end plates 40 from both sides thereof.

発電セル10は、燃料電池の単位セルである。各発電セル10は、1ボルト(V)程度の起電圧を生じる。   The power generation cell 10 is a unit cell of a fuel cell. Each power generation cell 10 generates an electromotive voltage of about 1 volt (V).

発電セル10は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下「MEA」という)11の表裏面にアノードセパレータ12及びカソードセパレータ13が積層された構造である。   The power generation cell 10 has a structure in which an anode separator 12 and a cathode separator 13 are laminated on the front and back surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 11.

MEA11は、イオン交換膜からなる電解質膜11aの一方の面にアノード電極層11b(ガス拡散層を含む)が設けられ、もう一方の面にカソード電極層11c(ガス拡散層を含む)が設けられる。MEA11は、極薄であり数十ミクロン厚程度である。   The MEA 11 is provided with an anode electrode layer 11b (including a gas diffusion layer) on one surface of an electrolyte membrane 11a made of an ion exchange membrane, and a cathode electrode layer 11c (including a gas diffusion layer) on the other surface. . The MEA 11 is extremely thin and has a thickness of several tens of microns.

アノードセパレータ12は、アノード電極層11bに重なる。アノードセパレータ12には、アノード電極層11bへの対向面に、アノード電極層11bにアノードガスを供給するアノードガス流路12aが形成される。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部12bが形成される。アノードセパレータ12は多孔質体である。なおガス圧力が常に水圧力よりも高く設定されることが望ましい。また、液水を透過しやすくするために、多孔質体に親水処理をすることが望ましい。   The anode separator 12 overlaps the anode electrode layer 11b. In the anode separator 12, an anode gas flow path 12a for supplying an anode gas to the anode electrode layer 11b is formed on the surface facing the anode electrode layer 11b. A recess 12b through which pure water for humidifying the reaction gas flows is formed on the opposite surface. The anode separator 12 is a porous body. It is desirable that the gas pressure is always set higher than the water pressure. Further, it is desirable to subject the porous body to a hydrophilic treatment in order to facilitate the permeation of liquid water.

カソードセパレータ13は、カソード電極層11cに重なる。カソードセパレータ13には、カソード電極層11cへの対向面に、カソード電極層11cにカソードガスを供給するカソードガス流路13aが形成される。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部13bが形成される。カソードセパレータ13は、透水性の多孔質体で形成される。なおガス圧力が常に水圧力よりも高く設定されることが望ましい。アノードセパレータ12の凹部12b及びカソードセパレータ13の凹部13bによって、純水が流れる純水流路が形成される。   The cathode separator 13 overlaps the cathode electrode layer 11c. In the cathode separator 13, a cathode gas flow path 13a for supplying a cathode gas to the cathode electrode layer 11c is formed on the surface facing the cathode electrode layer 11c. On the opposite surface, a recess 13b through which pure water for humidifying the reaction gas flows is formed. The cathode separator 13 is formed of a water-permeable porous body. It is desirable that the gas pressure is always set higher than the water pressure. The recess 12b of the anode separator 12 and the recess 13b of the cathode separator 13 form a pure water channel through which pure water flows.

図2はアノードセパレータを示す図であり、図2(A)はアノード電極層への対向面、図2(B)はその裏面である。   FIG. 2 is a view showing an anode separator, FIG. 2 (A) is a surface facing the anode electrode layer, and FIG. 2 (B) is a back surface thereof.

アノードセパレータ12は、アノード電極層11bへの対向面に、アノードガス流路12aが形成されている。アノードガス流路12aは、アノード電極層11bに重なる。アノードガス入口マニホールド21aから流入したアノードガスは、アノードガス流路12aを流れてアノードガス出口マニホールド21bから流出する。   The anode separator 12 has an anode gas channel 12a formed on the surface facing the anode electrode layer 11b. The anode gas flow path 12a overlaps the anode electrode layer 11b. The anode gas flowing in from the anode gas inlet manifold 21a flows through the anode gas flow path 12a and flows out from the anode gas outlet manifold 21b.

アノードセパレータ12は、アノード電極層11bへの対向面の反対面に、純水が流れる純水流路12bが形成される。本実施形態では純水流路12bは、直線流路である。   In the anode separator 12, a pure water flow path 12 b through which pure water flows is formed on the surface opposite to the surface facing the anode electrode layer 11 b. In the present embodiment, the pure water passage 12b is a straight passage.

アノードセパレータ12に隣設して冷却体14が設けられる。冷却体14は、後述のように、凝縮水生成流路13cに重なって凝縮水生成流路13cを流れるカソードガスを冷却する。冷却体14は高さ(図2の上下長)及び厚さ(図2の奥行長)がアノードセパレータ12と略同等である。冷却体14をアノードセパレータ12と一体成形してもよい。冷却水が流れる冷却水通路14aは、冷却体14に流路が形成されおり、シールキャリアとの間で構成されている。なお冷却水流路14aは、アノードガス流路12a及びカソード流路13aに冷却水が流出しない構成とすればよい。たとえば、冷却体14を燃料電池積層方向で2枚のセパレータを重ねることとし、セパレータ間で冷却水流路14aを構成してもよい。冷却水入口マニホールド22aから流入した冷却水は、冷却水流路14aを流れて冷却水出口マニホールド22bから流出する。冷却体14は緻密な材料で形成される。冷却体14はたとえば金属製である。なお、一方のセパレータの流路側表面外周に、通常のシリコン、またはゴム等の圧縮ガスケットを配置し、他方のセパレータで挟持することで、反応ガス、冷却水、純水の流路外への流出を防止できる。また、多孔質体で形成されたセパレータにおいては、セパレータ側方外周に液状ガスケットを使用することで、多孔質体から外部への流出を防止できる。   A cooling body 14 is provided adjacent to the anode separator 12. As will be described later, the cooling body 14 cools the cathode gas that flows through the condensed water generation flow path 13c so as to overlap the condensed water generation flow path 13c. The cooling body 14 has substantially the same height (upper and lower length in FIG. 2) and thickness (depth length in FIG. 2) as the anode separator 12. The cooling body 14 may be integrally formed with the anode separator 12. The cooling water passage 14a through which the cooling water flows is formed between the cooling body 14 and the seal carrier. The cooling water channel 14a may be configured so that the cooling water does not flow out to the anode gas channel 12a and the cathode channel 13a. For example, the cooling body 14 may be formed by stacking two separators in the fuel cell stacking direction, and the cooling water flow path 14a may be configured between the separators. The cooling water flowing in from the cooling water inlet manifold 22a flows through the cooling water flow path 14a and flows out from the cooling water outlet manifold 22b. The cooling body 14 is formed of a dense material. The cooling body 14 is made of metal, for example. In addition, by placing a compression gasket such as normal silicon or rubber around the flow path side surface of one separator and sandwiching it with the other separator, reaction gas, cooling water, or pure water flows out of the flow path. Can be prevented. Moreover, in the separator formed with the porous body, the outflow from the porous body to the outside can be prevented by using a liquid gasket on the outer periphery of the separator.

図3はカソードセパレータを示す図であり、図3(A)はカソード電極層への対向面、図3(B)はその裏面である。   FIG. 3 is a view showing a cathode separator, FIG. 3 (A) is a surface facing the cathode electrode layer, and FIG. 3 (B) is a back surface thereof.

カソードセパレータ13は、カソード電極層11cへの対向面に、カソードガス流路13aが形成されている。カソードガス流路13aは、カソード電極層11cに重なる。カソードガス流路13aには、カソードガス入口マニホールド23aからカソードガスが流入する。   The cathode separator 13 has a cathode gas channel 13a formed on the surface facing the cathode electrode layer 11c. The cathode gas flow path 13a overlaps the cathode electrode layer 11c. The cathode gas flows from the cathode gas inlet manifold 23a into the cathode gas flow path 13a.

さらにカソードセパレータ13は、カソード電極層11cへの対向面のカソードガス流路13aの下流に凝縮水生成流路13cが連続する。凝縮水生成流路13cは、冷却体14に重なる。凝縮水生成流路13cは、カソードガス流路13aを流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮するための流路である。凝縮水生成流路13cを流れるカソードガスが、冷却体14で冷却されると、カソードガス中に含まれる反応水が凝縮する。本実施形態の凝縮水生成流路13cは、図3(A)に示されているように、カソードガスの流れ方向を面方向で変更するようになっている。すなわち図3(A)ではカソードガス流路13aから流れてきたカソードガスが一旦図3(A)の上方へ流れてから下方に流れ、再び上方へ流れてカソードガス出口マニホールド23bから流出するようになっている。このように凝縮水生成流路13cは、蛇行流路で形成される。さらに凝縮水生成流路13cは、カソードガス流路13aよりも流路断面積を小さくした。このような構成とすることで、凝縮水生成流路13cのガス流速が速くなり、凝縮成長した液滴が蛇行流路による流路方向変更によって、分離されやすくなる。また蛇行流路を複数備えることでカソードセパレータ13に液滴が衝突する回数を増加させることができ、液滴とカソードセパレータ13と接触効率を向上させ、液水回収効率を向上させることができる。カソードセパレータ13の透過係数は、カソードガス流路13a(より詳しくは、電気化学反応面(反応領域)に対向するガス流路部分)の部分よりも凝縮水生成流路13cの部分が大きく、より液滴の吸収を促進させる部材とすることが望ましい。このようにすれば、一層、液水回収効率が向上し、燃料電池を小形化できるからである。   Further, in the cathode separator 13, a condensed water generation flow path 13c continues downstream of the cathode gas flow path 13a on the surface facing the cathode electrode layer 11c. The condensed water generation flow path 13 c overlaps the cooling body 14. The condensed water generation flow path 13c is a flow path for condensing moisture contained in the cathode gas flowing through the cathode gas flow path 13a. When the cathode gas flowing through the condensed water generation flow path 13c is cooled by the cooling body 14, the reaction water contained in the cathode gas is condensed. The condensed water production | generation flow path 13c of this embodiment changes the flow direction of cathode gas by a surface direction, as FIG. 3 (A) shows. That is, in FIG. 3A, the cathode gas flowing from the cathode gas flow path 13a once flows upward in FIG. 3A, then flows downward, flows upward again, and flows out from the cathode gas outlet manifold 23b. It has become. Thus, the condensed water production | generation flow path 13c is formed by a meandering flow path. Further, the condensed water generation channel 13c has a channel cross-sectional area smaller than that of the cathode gas channel 13a. With such a configuration, the gas flow rate of the condensed water generation flow path 13c is increased, and the condensed and grown droplets are easily separated by changing the flow path direction using the meandering flow path. Further, by providing a plurality of meandering channels, the number of times the droplet collides with the cathode separator 13 can be increased, the contact efficiency between the droplet and the cathode separator 13 can be improved, and the liquid water recovery efficiency can be improved. The permeation coefficient of the cathode separator 13 is larger in the portion of the condensed water generation passage 13c than in the portion of the cathode gas passage 13a (more specifically, the gas passage portion facing the electrochemical reaction surface (reaction region)). It is desirable to use a member that promotes the absorption of droplets. This is because the liquid water recovery efficiency is further improved and the fuel cell can be miniaturized.

カソードセパレータ13は、カソード電極層11cへの対向面の反対面に、純水が流れる純水流路13bが形成される。本実施形態では純水流路13bは、直線流路である。純水入口マニホールド24aから流入した純水は、純水流路13bを流れて純水出口マニホールド24bから流出する。   The cathode separator 13 is formed with a pure water flow path 13b through which pure water flows on the surface opposite to the surface facing the cathode electrode layer 11c. In the present embodiment, the pure water channel 13b is a straight channel. The pure water that has flowed in from the pure water inlet manifold 24a flows through the pure water passage 13b and flows out of the pure water outlet manifold 24b.

図4は第1実施形態の効果を説明する図であり、図1のIV-IV断面に相当する図である。   FIG. 4 is a diagram for explaining the effect of the first embodiment, and corresponds to the IV-IV cross section of FIG.

上述のように、アノードセパレータ12のアノードガス流路12aは、MEA11のアノード電極層11bに重なる。そして冷却体14がアノードセパレータ12に隣設される。カソードセパレータ13は、カソードガス流路13aがMEA11のカソード電極層11cに重なり、カソードガス流路13aの下流に凝縮水生成流路13cが連続する。カソードセパレータ13の凝縮水生成流路13cは、冷却体14に重なる。   As described above, the anode gas flow path 12a of the anode separator 12 overlaps the anode electrode layer 11b of the MEA 11. A cooling body 14 is provided next to the anode separator 12. In the cathode separator 13, the cathode gas flow path 13a overlaps the cathode electrode layer 11c of the MEA 11, and the condensed water generation flow path 13c continues downstream of the cathode gas flow path 13a. The condensed water generation flow path 13 c of the cathode separator 13 overlaps the cooling body 14.

カソードガス流路13aを流れたカソードガスには、カソード電極層11cの触媒反応によって生成された水分が含まれており、また高温になっている。本実施形態は上述の構成であるので、カソードガスが凝縮水生成流路13cを流れるときに、冷却体14を流れる冷却水(冷媒)によって冷却され、水分が凝縮する。特に本実施形態の凝縮水生成流路13cは、上述の通り、カソードガスの流れ方向を面方向で変更するようになっている。そこで、凝縮水生成流路13cを流れるカソードガスは、流れ方向が変更されるたびに凝縮水生成流路13cの壁面に衝突し、その壁面に液水となって付着しやすくなる。そしてカソードセパレータ13は、透水性の多孔質体で形成されているので、壁面に付着した液水が、凝縮水生成流路13cの裏面に形成されている純水流路13bに移動し、純水流路13bに回収される。   The cathode gas that has flowed through the cathode gas flow path 13a contains moisture generated by the catalytic reaction of the cathode electrode layer 11c, and has a high temperature. Since the present embodiment has the above-described configuration, when the cathode gas flows through the condensed water generation flow path 13c, the cathode water is cooled by the cooling water (refrigerant) flowing through the cooling body 14, and moisture is condensed. In particular, the condensed water generation flow path 13c of the present embodiment changes the flow direction of the cathode gas in the plane direction as described above. Therefore, the cathode gas flowing through the condensed water generation flow path 13c collides with the wall surface of the condensed water generation flow path 13c every time the flow direction is changed, and is liable to adhere to the wall surface as liquid water. Since the cathode separator 13 is formed of a water-permeable porous body, the liquid water adhering to the wall surface moves to the pure water flow path 13b formed on the back surface of the condensed water generation flow path 13c, and the pure water flow It is collected in the path 13b.

また本実施形態では、冷却体14を流れる冷却水の流れ方向は、カソードガス流路13aを流れるカソードガスの流れ方向と逆方向である。したがって冷却水は、一層効率的にカソードガスを冷却することができ、液水を凝縮させやすい。この場合、反応ガスは、MEA11において触媒上に設けられているガス拡散層を通して、カソードガス出口マニホールド23bに排気される。   In the present embodiment, the flow direction of the cooling water flowing through the cooling body 14 is opposite to the flow direction of the cathode gas flowing through the cathode gas flow path 13a. Therefore, the cooling water can cool the cathode gas more efficiently and easily condense the liquid water. In this case, the reaction gas is exhausted to the cathode gas outlet manifold 23b through the gas diffusion layer provided on the catalyst in the MEA 11.

(第2実施形態)
図5は、本発明による燃料電池の反応水回収構造の第2実施形態を示すカソードセパレータの平面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a plan view of a cathode separator showing a second embodiment of a reaction water recovery structure for a fuel cell according to the present invention.

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。   In the following description, parts having the same functions as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as appropriate.

本実施形態のカソードセパレータ13の凝縮水生成流路13cは、直線流路である。そして凝縮水生成流路13cの下流側に、凝縮水生成流路13cを閉塞する流路閉塞部材31を設けた。流路閉塞部材31は、表面が親水性の多孔質体で形成される。   The condensed water generation flow path 13c of the cathode separator 13 of this embodiment is a straight flow path. And the flow-path obstruction | occlusion member 31 which obstruct | occludes the condensed water production | generation flow path 13c was provided in the downstream of the condensed water production | generation flow path 13c. The flow path closing member 31 is formed of a porous body having a hydrophilic surface.

このような構成になっているので、凝縮水生成流路13cを流れて凝縮した液水は、流路閉塞部材31に衝突する。そして流路閉塞部材31が親水性多孔質体であるので、液水をトラップする効率が向上し、かつ多孔質体に液水が留まらない。そして流路閉塞部材31からカソードセパレータ13に導かれ、凝縮水生成流路13cの裏面に形成されている純水流路13bに移動し、純水流路13bに回収される。   Since it has such a configuration, the liquid water that has condensed through the condensed water generation flow path 13 c collides with the flow path closing member 31. And since the flow-path obstruction | occlusion member 31 is a hydrophilic porous body, the efficiency which traps liquid water improves and liquid water does not remain in a porous body. And it is guide | induced to the cathode separator 13 from the flow-path obstruction | occlusion member 31, moves to the pure water flow path 13b formed in the back surface of the condensed water production | generation flow path 13c, and is collect | recovered by the pure water flow path 13b.

(第3実施形態)
図6は、本発明による燃料電池の反応水回収構造の第3実施形態を示す図であり、図6(A)はカソードセパレータのカソード電極層への対向面側を示す平面図、図6(B)は積層状態を示す断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a view showing a third embodiment of the reaction water recovery structure for a fuel cell according to the present invention. FIG. 6 (A) is a plan view showing the side of the cathode separator facing the cathode electrode layer, and FIG. B) is a sectional view showing a laminated state.

本実施形態のカソードセパレータ13の凝縮水生成流路13cは、直線流路である。そして凝縮水生成流路13cの下流側に流路閉塞部材32を設けた。また凝縮水生成流路13cの下流側は、リブ高さが低められており、この低部分に表面が疎水性の多孔質体33が設けられている。   The condensed water generation flow path 13c of the cathode separator 13 of this embodiment is a straight flow path. And the flow-path obstruction | occlusion member 32 was provided in the downstream of the condensed water production | generation flow path 13c. Further, the rib height is lowered on the downstream side of the condensed water generation flow path 13c, and a porous body 33 having a hydrophobic surface is provided in this low portion.

このような構成になっているので、凝縮水生成流路13cを流れて凝縮した液水は、疎水性多孔質体33に衝突して気液分離する。このように多孔質体33を疎水性にしておくことで液水をフィルタリングしやすく、より液水回収効率を向上できる。そして、流路閉塞部材32に衝突するので、カソードガスとともに流出していく液水を一層回収しやすくなる。このように簡単な構成で、より体積効率、コスト効率を向上できるのである。   Since it has such a structure, the liquid water which flowed through the condensed water production | generation flow path 13c and condensed collides with the hydrophobic porous body 33, and carries out gas-liquid separation. Thus, by making the porous body 33 hydrophobic, liquid water can be easily filtered, and liquid water recovery efficiency can be further improved. And since it collides with the flow-path obstruction | occlusion member 32, it becomes easier to collect | recover the liquid water which flows out with cathode gas. Thus, volumetric efficiency and cost efficiency can be improved with a simple configuration.

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。   Without being limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are also included in the technical scope of the present invention.

たとえば、上記実施形態では、カソードガス中に含まれる水分を回収する構造を例示したが、カソード側/アノード側の構成を逆にすれば、同様の構成でアノードガス中に含まれる水分を回収できる。   For example, in the above embodiment, the structure for recovering the moisture contained in the cathode gas is exemplified. However, if the cathode side / anode side configuration is reversed, the moisture contained in the anode gas can be recovered with the same configuration. .

また第1実施形態においては、凝縮水生成流路13cを蛇行流路として例示したが、直線流路であってもよい。また第2実施形態や第3実施形態においては、凝縮水生成流路13cを直線流路として例示したが、第1実施形態のような蛇行流路であってもよい。   In the first embodiment, the condensed water generation flow path 13c is exemplified as a meandering flow path, but may be a straight flow path. Moreover, in 2nd Embodiment or 3rd Embodiment, although the condensed water production | generation flow path 13c was illustrated as a linear flow path, the meandering flow path like 1st Embodiment may be sufficient.

さらに凝縮水生成流路13cの少なくとも一部の流路断面積を、カソードガス流路13aの流路断面積よりも小さくすれば、凝縮水生成流路13cを流れるガス流速が上がり、凝縮成長した液滴をより分離しやすくすることができる。   Further, if the cross-sectional area of at least a part of the condensed water generation flow path 13c is made smaller than the cross-sectional area of the cathode gas flow path 13a, the flow velocity of the gas flowing through the condensed water generation flow path 13c increases, and the condensed growth occurs. Droplets can be more easily separated.

さらにまたカソードセパレータ13の透過係数は、カソードガス流路13aの部分よりも、凝縮水生成流路13cの部分のほうで大きくすれば、一層、液水回収効率、熱伝達率が向上し、燃料電池を小形化できる。なお透過係数の大小は、多孔体セパレータがさらされるガス−純水最大差圧と、ガス−純水最低差圧と、の範囲から決定される細孔径範囲から決定することができる。   Furthermore, if the permeation coefficient of the cathode separator 13 is made larger in the condensed water generation flow path 13c than in the cathode gas flow path 13a, the liquid water recovery efficiency and heat transfer rate can be further improved. The battery can be miniaturized. The magnitude of the permeability coefficient can be determined from the pore diameter range determined from the range of the gas-pure water maximum differential pressure to which the porous separator is exposed and the gas-pure water minimum differential pressure.

また上記実施形態では、多孔体を挿入しているが、MEAのガス拡散層をこの多孔体に代用してもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the porous body is inserted, you may substitute the gas diffusion layer of MEA for this porous body.

さらにまた図7に示すように、冷却水の流れ方向が、カソードガスの流れ方向に直交するように、冷却水通路14aを形成してもよい。具体的には冷却水入口マニホールド22aの位置を変更すればよい。   Furthermore, as shown in FIG. 7, the cooling water passage 14a may be formed so that the flow direction of the cooling water is orthogonal to the flow direction of the cathode gas. Specifically, the position of the cooling water inlet manifold 22a may be changed.

また凝縮水生成流路13cに対する冷却体14の接触面積ができるだけ大きいことが望ましいので、積層した場合に、冷却水通路14aと凝縮水生成流路13cとが、できるだけ重なるような構造とすることが望ましい。   Moreover, since it is desirable that the contact area of the cooling body 14 with respect to the condensed water production | generation flow path 13c is as large as possible, when it laminates | stacks, it is set as the structure where the cooling water passage 14a and the condensed water production | generation flow path 13c overlap as much as possible. desirable.

さらに熱交換効率、反応水回収効率を向上させるには、ガス流路の表面積を大きくすることが望ましい。そのため、流路にフィン、凹凸、突起物等を設けるとよい。   In order to further improve the heat exchange efficiency and the reaction water recovery efficiency, it is desirable to increase the surface area of the gas flow path. Therefore, fins, unevenness, protrusions, and the like are preferably provided in the flow path.

さらにまた上記実施形態においては、冷却体14をカソードセパレータ13の凝縮水生成流路13cに直接重ねていたが、間に緩衝材を設けてもよい。このようにすれば、冷却体14とカソードセパレータ13との接触面積が向上し、熱伝導率が向上する。   Furthermore, in the above-described embodiment, the cooling body 14 is directly stacked on the condensed water generation flow path 13c of the cathode separator 13, but a buffer material may be provided therebetween. If it does in this way, the contact area of the cooling body 14 and the cathode separator 13 will improve, and thermal conductivity will improve.

本発明による燃料電池の反応水回収構造の第1実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of the reaction water collection | recovery structure of the fuel cell by this invention. アノードセパレータを示す図である。It is a figure which shows an anode separator. カソードセパレータを示す図である。It is a figure which shows a cathode separator. 第1実施形態の効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of a 1st embodiment. 本発明による燃料電池の反応水回収構造の第2実施形態を示すカソードセパレータの平面図である。It is a top view of the cathode separator which shows 2nd Embodiment of the reaction water collection | recovery structure of the fuel cell by this invention. 本発明による燃料電池の反応水回収構造の第3実施形態を示す図である。It is a figure which shows 3rd Embodiment of the reaction water collection | recovery structure of the fuel cell by this invention. 冷却水通路の変形形態を説明する図である。It is a figure explaining the modification of a cooling water channel.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
10 発電セル
11 MEA
11a 電解質膜
11b アノード電極層
11c カソード電極層
12 アノードセパレータ(第1のセパレータ)
12a アノードガス流路(第1ガス流路)
12b 純水流路
13 カソードセパレータ(第2のセパレータ)
13a カソードガス流路(第2ガス流路)
13b 純水流路
13c 凝縮水生成流路
14 冷却体
14a 冷却水通路
31 流路閉塞部材
32 流路閉塞部材
33 疎水性多孔質体(流れ方向変更部材)
1 Fuel cell stack 10 Power generation cell 11 MEA
11a Electrolyte membrane 11b Anode electrode layer 11c Cathode electrode layer 12 Anode separator (first separator)
12a Anode gas channel (first gas channel)
12b Pure water flow path 13 Cathode separator (second separator)
13a Cathode gas flow path (second gas flow path)
13b Pure water flow path 13c Condensate water generation flow path 14 Cooling body 14a Cooling water path 31 Flow path closing member 32 Flow path closing member 33 Hydrophobic porous body (flow direction changing member)

Claims (8)

電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極層と、
前記電解質膜のもう一方の面に設けられたカソード電極層と、
前記アノード電極層及びカソード電極層のうちの一方の電極層に重なり、その電極層に第1反応ガスを供給する第1ガス流路を有する第1のセパレータと、
前記第1のセパレータに隣設され、冷媒が通流する冷却体と、
前記アノード電極層及びカソード電極層のうちの他方の電極層に重なり、その電極層に第2反応ガスを供給する第2ガス流路と、その第2ガス流路の下流に連続し前記冷却体に重なり、第2ガス流路を流れた第2反応ガスに含まれる水分を凝縮可能な凝縮水生成流路と、を有する第2のセパレータと、
を有する燃料電池の反応水回収構造。
An anode electrode layer provided on one surface of the electrolyte membrane;
A cathode electrode layer provided on the other surface of the electrolyte membrane;
A first separator having a first gas flow path that overlaps one of the anode electrode layer and the cathode electrode layer and supplies a first reaction gas to the electrode layer;
A cooling body adjacent to the first separator and through which a refrigerant flows;
A second gas channel that overlaps the other electrode layer of the anode electrode layer and the cathode electrode layer and supplies a second reactive gas to the electrode layer; and the cooling body that is continuous downstream of the second gas channel. A second separator having a condensed water generation channel that can condense water contained in the second reaction gas that has flowed through the second gas channel;
A reaction water recovery structure for a fuel cell.
前記凝縮水生成流路は、前記第2反応ガスの流れ方向を面方向で変更する流路である、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の反応水回収構造。
The condensed water generation flow path is a flow path that changes a flow direction of the second reaction gas in a plane direction.
The reaction water recovery structure for a fuel cell according to claim 1.
前記凝縮水生成流路内に形成され、少なくとも凝縮水生成流路の一部を閉塞する流路閉塞部材を備える、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池の反応水回収構造。
A flow path closing member formed in the condensed water generation flow path and closing at least a part of the condensed water generation flow path;
3. The reaction water recovery structure for a fuel cell according to claim 1, wherein the reaction water is recovered.
前記流路閉塞部材は、表面が親水性の多孔質体で形成される、
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池の反応水回収構造。
The flow path blocking member is formed of a porous body having a hydrophilic surface.
The reaction water recovery structure for a fuel cell according to claim 3.
前記凝縮水生成流路内に形成され、前記第2反応ガスの流れ方向を積層方向で変更する流れ方向変更部材を備える、
ことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の燃料電池の反応水回収構造。
A flow direction changing member that is formed in the condensed water generation flow path and changes the flow direction of the second reaction gas in the stacking direction;
The reaction water recovery structure for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
前記流れ方向変更部材は、表面が疎水性の多孔質体で形成される、
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池の反応水回収構造。
The flow direction changing member is formed of a hydrophobic porous body.
The reaction water recovery structure for a fuel cell according to claim 5.
前記凝縮水生成流路の少なくとも一部の流路断面積は、前記第2ガス流路の流路断面積よりも小さい、
ことを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の燃料電池の反応水回収構造。
A flow path cross-sectional area of at least a part of the condensed water generation flow path is smaller than a flow path cross-sectional area of the second gas flow path,
The reaction water recovery structure for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein
前記第2のセパレータの透過係数は、第2ガス流路部分よりも凝縮水生成流路部分が大きい、
ことを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の燃料電池の反応水回収構造。
The permeation coefficient of the second separator is larger in the condensed water generation flow path than in the second gas flow path.
The reaction water recovery structure for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein
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