JP5531222B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池セルに関するものであり、詳しくは、固体高分子形燃料電池に採用される燃料電池セルに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell employed in a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池の一種として、フッ素系の高分子や炭化水素系の高分子からなる膜を電解質膜として用いた固体高分子形燃料電池が知られている。そのような固体高分子形燃料電池は、一般的に、カチオン(水素イオン)を選択的に透過するイオン交換膜からなる電解質膜と、その電解質膜の燃料ガス(水素ガス等)が導入される面に配置された触媒層およびガス拡散層からなる燃料電極(アノード電極)と、酸化剤ガス(空気等)が導入される面に配置される触媒層およびガス拡散層からなる酸化剤電極(カソード電極)とから構成される膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備えている。   As one type of fuel cell, a solid polymer fuel cell using a membrane made of a fluorine-based polymer or a hydrocarbon-based polymer as an electrolyte membrane is known. Such a polymer electrolyte fuel cell is generally introduced with an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane that selectively permeates cations (hydrogen ions) and a fuel gas (hydrogen gas or the like) of the electrolyte membrane. A fuel electrode (anode electrode) composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer disposed on the surface, and an oxidant electrode (cathode) composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer disposed on the surface into which the oxidant gas (air, etc.) is introduced Membrane Electrode Assembly (MEA) composed of an electrode).

上記したタイプの固体高分子形燃料電池においては、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、燃料電極側では、水素ガスを水素イオンと電子とに電離する反応(下式1)が起こり、電離した水素イオン(カチオン)が電解質膜中を酸化剤電極側に移動する。また、酸化剤電極側では、空気中の酸素、水素イオンおよび電子から水を生成する反応(下式2)が起こる。
→2H+2e ・・・式1
2H+2e+(1/2)O→HO・・・式2
In the polymer electrolyte fuel cell of the above-described type, when fuel gas and oxidant gas are supplied, on the fuel electrode side, a reaction that ionizes hydrogen gas into hydrogen ions and electrons occurs (the following formula 1), The ionized hydrogen ions (cations) move through the electrolyte membrane to the oxidant electrode side. On the oxidant electrode side, a reaction for generating water from oxygen, hydrogen ions and electrons in the air (Formula 2) occurs.
H 2 → 2H + + 2e Formula 1
2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O... Formula 2

上記反応が起こる際には、燃料電極側で電離される水素イオンは、酸化剤電極側に向かって電解質膜中を水とともに移動する(すなわち、電解質膜中に保水されている水と水和することにより、燃料電極側から酸化剤電極側に移動する)。そのため、上記反応の進行に伴って、燃料電極側における電解質膜の含水率が減少する現象(所謂、ドライアップ現象)が発生する。そして、ドライアップ現象が発生すると、水素イオンが移動するための水が不足し、水素イオンが電解質膜を透過するときの電気抵抗が大きくなり、燃料電池の発電効率が低下してしまう。   When the above reaction occurs, hydrogen ions ionized on the fuel electrode side move with water in the electrolyte membrane toward the oxidant electrode side (that is, hydrate with water retained in the electrolyte membrane). This moves from the fuel electrode side to the oxidant electrode side). Therefore, as the reaction proceeds, a phenomenon (so-called dry-up phenomenon) in which the water content of the electrolyte membrane on the fuel electrode side decreases occurs. When the dry-up phenomenon occurs, the water for moving the hydrogen ions is insufficient, the electric resistance when the hydrogen ions permeate the electrolyte membrane increases, and the power generation efficiency of the fuel cell decreases.

一方、固体高分子形燃料電池の運転中においては、MEAの周辺温度は、外気温とほぼ等しい温度から約80℃まで変化する。そのように、MEAの周辺温度が変化すると、水素ガスとともに供給される水蒸気(加湿水)のガス飽和蒸気圧が変化することによって、燃料電極近傍に凝縮した水(余剰水)が多量に生成することがある。そのように余剰水が多量発生すると、燃料電極側における高分子電解質膜の含水率は増加するものの、余剰水が燃料電極に付着した状態(所謂、フラッディング現象)が発生する。そして、フラッディング現象が発生すると、燃料電極を構成する触媒層の細孔中を導通路として気相拡散する水素ガスの供給が阻害されるため、燃料電極における電離反応が減退して、酸化剤電極側に移動する水素イオンおよび電子が減少し、ドライアップ現象が発生した場合と同様に、燃料電池の発電効率が低下してしまう。   On the other hand, during the operation of the polymer electrolyte fuel cell, the ambient temperature of the MEA changes from a temperature substantially equal to the outside air temperature to about 80 ° C. As such, when the ambient temperature of the MEA changes, the gas saturation vapor pressure of the water vapor (humidified water) supplied together with the hydrogen gas changes, so that a large amount of condensed water (surplus water) is generated in the vicinity of the fuel electrode. Sometimes. When a large amount of surplus water is generated in this manner, the water content of the polymer electrolyte membrane on the fuel electrode side increases, but a state where the surplus water adheres to the fuel electrode (so-called flooding phenomenon) occurs. When the flooding phenomenon occurs, the supply of hydrogen gas that diffuses in the gas phase using the pores of the catalyst layer constituting the fuel electrode as a conduction path is hindered, so that the ionization reaction in the fuel electrode is reduced and the oxidizer electrode The hydrogen ions and electrons that move to the side decrease, and the power generation efficiency of the fuel cell decreases as in the case where the dry-up phenomenon occurs.

上記の如く、固体高分子形燃料電池の発電効率を高く保持するためには、MEA、特に、電解質膜の含水率を適正に確保することが不可欠である。それゆえ、燃料電池の発電部分における湿度管理を適正化する方法として、特許文献1の如く、水素貯蔵合金を利用して燃料電極側の触媒層を形成することにより水素極側で生成水を発生させてドライアップによる水素イオン伝導性の低下を低減する方法や、特許文献2の如く、MEAの触媒層とガス拡散層との間に保水層を挿入して生成水を吸収することによりフラッディングの発生を低減する方法が提案されている。   As described above, in order to keep the power generation efficiency of the polymer electrolyte fuel cell high, it is indispensable to appropriately secure the water content of the MEA, particularly the electrolyte membrane. Therefore, as a method of optimizing the humidity control in the power generation part of the fuel cell, as in Patent Document 1, the water is generated on the hydrogen electrode side by forming a catalyst layer on the fuel electrode side using a hydrogen storage alloy. To reduce the decrease in hydrogen ion conductivity due to dry-up, or as disclosed in Patent Document 2, a water retention layer is inserted between the MEA catalyst layer and the gas diffusion layer to absorb the generated water. Methods for reducing the occurrence have been proposed.

特開2007−73252号公報JP 2007-73252 A 特開2004−158387号公報JP 2004-158387 A

しかしながら、特許文献1の如く、水素貯蔵合金を利用して燃料電極側の触媒層を形成する方法は、多くの水素貯蔵合金が必要とされるため、触媒層の厚みを大きくせざるを得ず、構造が複雑になる上、製造コストがきわめて高くなるという不具合がある。また、特許文献2の如く、触媒層とガス拡散層との間に保水層を挿入する方法は、保水層の厚みを大きくせざるを得ず、特許文献1の方法と同様に、構造が複雑になるとともに、製造コストがきわめて高くなってしまう。   However, the method of forming a catalyst layer on the fuel electrode side using a hydrogen storage alloy as in Patent Document 1 requires a large amount of hydrogen storage alloy, and thus the thickness of the catalyst layer must be increased. In addition, the structure is complicated and the manufacturing cost is extremely high. Further, as in Patent Document 2, the method of inserting the water retention layer between the catalyst layer and the gas diffusion layer has to increase the thickness of the water retention layer, and the structure is complicated as in the method of Patent Document 1. At the same time, the manufacturing cost becomes extremely high.

本発明の目的は、上記従来の燃料電池セルが有する問題点を解消し、構造がシンプルで安価に製造することができる上、フラッディング状態の発生およびドライアップ状態の発生による燃料電池の発電効率の低下を抑制することが可能で実用的な燃料電池セルを提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the conventional fuel cell, and to produce a simple structure at low cost, and to improve the power generation efficiency of the fuel cell due to the occurrence of a flooding state and the occurrence of a dry-up state. An object of the present invention is to provide a practical fuel cell capable of suppressing the decrease.

上記課題を解決するために、電解質膜、燃料電極および酸化剤電極からなる膜電極接合体の燃料電極面側に、複数の燃料ガス通路を設けたセパレータを配置し、膜電極接合体の酸化剤電極面側に、複数の酸化剤ガス通路を設けたセパレータを配置してなる燃料電池セルであって、 燃料ガス通路の先端に、それぞれ、相対的に湿度が高い燃料ガスを流入させるための第一流入路と、相対的に湿度が低い燃料ガスを流入させるための第二流入路とを備えると共に、 酸化剤ガス通路の先端に、それぞれ、相対的に湿度が高い酸化剤ガスを流入させるための第一流入路と、相対的に湿度が低い酸化剤ガスを流入させるための第二流入路とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a separator provided with a plurality of fuel gas passages is disposed on the fuel electrode surface side of a membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, a fuel electrode and an oxidant electrode, and an oxidant for the membrane electrode assembly A fuel cell in which a separator provided with a plurality of oxidant gas passages is disposed on the electrode surface side, and a fuel gas having a relatively high humidity flows into the tip of each fuel gas passage. a first inflow path, relatively humidity and a second inlet passage for introducing the low fuel gas Rutotomoni, the tip of each oxygen-containing gas channel, respectively, the relatively high humidity oxidizing gas a first inflow passage for flowing, the second inflow path and characterized in that e Bei the for relative humidity to flow into the low oxidizing gas.

本発明の燃料電池セルは、湿度の異なるガスのそれぞれの供給量を制御することによって、燃料電池セルスタックの湿度を容易に管理することができる。したがって、本発明の燃料電池セルによれば、燃料電池の発電効率を高く維持することができる。また、ドライアップが発生したときには、十分に加湿されたガスを燃料電池セルスタックに供給し、フラッディングが発生したときには、生成水を取り込む余裕のあるガスを燃料電池セルスタックに供給することにより、湿度状態を早急に適正な状態に戻すことができる。したがって、本発明の燃料電池セルによれば、燃料電池発電設備の寿命を長くすることができる。   The fuel cell of the present invention can easily manage the humidity of the fuel cell stack by controlling the supply amount of each gas having different humidity. Therefore, according to the fuel cell of the present invention, the power generation efficiency of the fuel cell can be maintained high. In addition, when dry-up occurs, a sufficiently humidified gas is supplied to the fuel cell stack, and when flooding occurs, a gas that can afford to take in the generated water is supplied to the fuel cell stack. The state can be quickly returned to an appropriate state. Therefore, according to the fuel cell of the present invention, the life of the fuel cell power generation facility can be extended.

以下、本発明に係る燃料電池セルの一実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

参考例Reference example

図1は、参考例の燃料電池セルの鉛直断面を示す説明図であり、燃料電池セル1aは、膜−電極接合体であるMEA(Membrane Electrode Assembly)2、燃料極側のセパレータ3、酸化剤極側のセパレータ4、シール部材5によって構成されている。MEA2は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる電解質膜6と、電解質膜6の水素ガスが導入される面に配置された触媒層およびガス拡散層からなる燃料電極(アノード電極)7と、酸化剤ガス(空気)が導入される面に配置される触媒層およびガス拡散層からなる酸化剤電極(カソード電極)8とによって構成されている。 FIG. 1 is an explanatory view showing a vertical cross section of a fuel cell of a reference example. A fuel cell 1a includes a membrane electrode assembly (MEA) 2, a fuel electrode side separator 3, and an oxidant. It is composed of a pole-side separator 4 and a seal member 5. The MEA 2 is a fuel electrode (anode electrode) comprising an electrolyte membrane 6 made of an ion exchange membrane that selectively permeates hydrogen ions, and a catalyst layer and a gas diffusion layer disposed on the surface of the electrolyte membrane 6 where hydrogen gas is introduced. 7 and an oxidant electrode (cathode electrode) 8 including a catalyst layer and a gas diffusion layer disposed on a surface into which the oxidant gas (air) is introduced.

図2は、燃料極側のセパレータ3の表面を示したものであり、セパレータ3は、ガス不透過性の材料によって形成されており、表面(燃料電極4との接合面)に、燃料ガスを流通させるための凹溝状の燃料ガス通路9を備えている。燃料ガス通路9は、相対的に湿度が高い燃料ガスを通過させるための複数の第一通路10,10と、相対的に湿度が低いガスを通過させるための複数の第二通路11,11とを有している。各第一通路10,10および各第二通路11,11は、左右方向に長尺な水平溝と、それらの水平溝同士を連結する鉛直溝とによって蛇行状に形成されており、左側の端縁際→右側の端縁際→左側の端縁際→右側の端縁際・・・の順に交互に折り返された状態になっている。各第一通路10,10および各第二通路11,11は、所定の間隔を隔てて、上下方向および左右方向とも平行に配置された状態になっている。   FIG. 2 shows the surface of the separator 3 on the fuel electrode side. The separator 3 is made of a gas-impermeable material, and the fuel gas is applied to the surface (joint surface with the fuel electrode 4). A concave groove-like fuel gas passage 9 is provided for circulation. The fuel gas passage 9 includes a plurality of first passages 10 and 10 for allowing a relatively high humidity fuel gas to pass therethrough, and a plurality of second passages 11 and 11 for allowing a relatively low humidity gas to pass therethrough. have. Each of the first passages 10 and 10 and each of the second passages 11 and 11 is formed in a meandering manner by a horizontal groove that is long in the left-right direction and a vertical groove that connects the horizontal grooves to each other. The edges are alternately folded in the order of the edge → the edge on the right side → the edge on the left side → the edge on the right side. The first passages 10 and 10 and the second passages 11 and 11 are in a state of being arranged in parallel in the vertical direction and the horizontal direction at a predetermined interval.

一方、酸化剤極側のセパレータ4も、燃料極側のセパレータ3と同様に、ガス不透過性の材料によって形成されており、酸化剤電極8と接合した面に、酸化剤ガスを流通させるための凹溝状の酸化剤ガス通路12を備えている。酸化剤ガス通路12は、相対的に湿度が高い燃料ガスを通過させるための複数の第一通路13,13と、相対的に湿度が低いガスを通過させるための複数の第二通路14,14とを有している。各第一通路13,13および各第二通路14,14は、セパレータ3の各第一通路10,10および各第二通路11,11と同様に、左右方向に長尺な水平溝と、それらの水平溝同士を連結する鉛直溝とによって蛇行状に形成されており、左側の端縁際→右側の端縁際→左側の端縁際→右側の端縁際・・・の順に交互に折り返された状態になっている。そして、所定の間隔を隔てて、上下方向および左右方向とも平行に配置された状態になっている。   On the other hand, the separator 4 on the oxidant electrode side is also made of a gas-impermeable material, like the separator 3 on the fuel electrode side, so that the oxidant gas can flow through the surface joined to the oxidant electrode 8. The grooved oxidant gas passage 12 is provided. The oxidant gas passage 12 includes a plurality of first passages 13 and 13 for allowing a fuel gas having a relatively high humidity to pass therethrough, and a plurality of second passages 14 and 14 for allowing a gas having a relatively low humidity to pass therethrough. And have. Each of the first passages 13 and 13 and each of the second passages 14 and 14 includes horizontal grooves that are long in the left-right direction, as well as the first passages 10 and 10 and the second passages 11 and 11 of the separator 3. Are formed in a meandering manner by vertical grooves that connect the horizontal grooves to each other, and are alternately folded in the order of the left edge, the right edge, the left edge, the right edge, and so on. It is in the state. And it has the state arrange | positioned in parallel with the up-down direction and the left-right direction at predetermined intervals.

燃料電池セル1aは、セパレータ3の燃料ガス通路9を燃料電極7側に対峙させるとともに、セパレータ4の酸化剤ガス通路12を酸化剤電極8側に対峙させ、燃料ガス通路9(第一通路10,10および第二通路11,11)および酸化剤ガス通路12(第一通路13,13および第二通路14,14)からのガスの漏洩を防止するシール部材5を、セパレータ3,4およびMEA2の周縁際に設けられた凹状部に嵌め込んだ状態で、セパレータ3,4を、それぞれ、MEA2の表裏両面に積層することによって形成されている。   In the fuel cell 1a, the fuel gas passage 9 of the separator 3 faces the fuel electrode 7 side, and the oxidant gas passage 12 of the separator 4 faces the oxidant electrode 8 side. , 10 and the second passages 11 and 11) and the oxidant gas passage 12 (the first passages 13 and 13 and the second passages 14 and 14), the seal member 5 is provided with the separators 3 and 4 and the MEA 2. Each of the separators 3 and 4 is formed by laminating the front and back surfaces of the MEA 2 in a state where the separators 3 and 4 are fitted in the recessed portions provided at the periphery of the MEA 2.

上記の如く構成された燃料電池セル1aを使用する場合には、燃料ガス通路9の第一通路10,10に湿度が高い燃料ガスを通過させ、第二通路11,11に湿度が低い燃料ガスを通過させる一方、酸化剤ガス通路12の第一通路13,13に湿度が高い酸化剤ガスを通過させ、第二通路14,14に湿度が低い酸化剤ガスを通過させる。そうすることにより、供給ガス内の水分や生成水が相対的に乾燥している部分に移動するので、フラッディングやドライアップの発生を低減させることが可能となる。   When the fuel cell 1a configured as described above is used, a fuel gas having a high humidity is passed through the first passages 10 and 10 of the fuel gas passage 9, and a fuel gas having a low humidity is passed through the second passages 11 and 11. The oxidant gas having a high humidity is passed through the first passages 13 and 13 of the oxidant gas passage 12, and the oxidant gas having a low humidity is passed through the second passages 14 and 14. By doing so, the moisture and generated water in the supply gas move to a relatively dry portion, so that the occurrence of flooding and dry-up can be reduced.

燃料電池セル1aは、上記の如く、燃料ガス通路9が、ガスを流下させるための第一通路10,10と、それらの第一通路10,10を流下するガスと湿度が異なるガスを流下させるための第二通路11,11とから構成されているとともに、酸化剤ガス通路12が、ガスを流下させるための第一通路13,13と、それらの第一通路13,13を流下するガスと湿度が異なるガスを流下させるための第二通路14,14とから構成されている。それゆえ、燃料電池セル1aによれば、湿度の異なるガスのそれぞれの供給量を制御することによって、燃料電池セルスタックの湿度を容易に管理することができる。したがって、燃料電池セル1aによれば、燃料電池の発電効率を高く維持することができる。また、ドライアップが発生したときには、十分に加湿されたガスを燃料電池セルスタックに供給し、フラッディングが発生したときには、生成水を取り込む余裕のあるガスを燃料電池セルスタックに供給することにより、湿度状態を早急に適正な状態に戻すことができる。したがって、燃料電池セル1aによれば、燃料電池発電設備の寿命を長くすることができる。   In the fuel cell 1a, as described above, the fuel gas passage 9 causes the first passages 10 and 10 to flow down the gas and the gas having a humidity different from that of the gas flowing down the first passages 10 and 10 down. The first passages 13 and 13 for flowing down the gas, and the gas flowing down the first passages 13 and 13, and the second passages 11 and 11. It is comprised from the 2nd channel | paths 14 and 14 for flowing down the gas from which humidity differs. Therefore, according to the fuel cell 1a, the humidity of the fuel cell stack can be easily managed by controlling the supply amount of each gas having different humidity. Therefore, according to the fuel cell 1a, the power generation efficiency of the fuel cell can be maintained high. In addition, when dry-up occurs, a sufficiently humidified gas is supplied to the fuel cell stack, and when flooding occurs, a gas that can afford to take in the generated water is supplied to the fuel cell stack. The state can be quickly returned to an appropriate state. Therefore, according to the fuel cell 1a, the life of the fuel cell power generation facility can be extended.

実施例の燃料電池セル1bの構造は、参考例の燃料電池セル1aの構造と略同一であるが、燃料極側のセパレータおよび酸化剤極側のセパレータの形状が、燃料電池セル1aのものと異なっている。図3は、実施例の燃料電池セル1bのセパレータの表面を示したものであり、燃料極側のセパレータ21は、表面(燃料電極4との接合面)に、燃料ガスを流通させるための複数の燃料ガス通路23a,23b,23c・・を備えている。各燃料ガス通路23a,23b,23c・・は、左右方向に長尺な凹溝状に形成されており、上下に平行に配置されている。図4は、各燃料ガス通路23a,23b,23c・・の先端部分を概念的に示したものであり、各燃料ガス通路23a,23b,23c・・の先端には、それぞれ、相対的に湿度が高い燃料ガスを流入させるための第一流入路24と、相対的に湿度が低いガスを流入させるための第二流入路25とが設けられている。 The structure of the fuel cell 1b of the example is substantially the same as the structure of the fuel cell 1a of the reference example , but the shape of the separator on the fuel electrode side and the separator on the oxidant electrode side is the same as that of the fuel cell 1a. Is different. FIG. 3 shows the surface of the separator of the fuel battery cell 1b of the embodiment. The separator 21 on the fuel electrode side has a plurality of fuel gases to circulate on the surface (joint surface with the fuel electrode 4). The fuel gas passages 23a, 23b, 23c. Each of the fuel gas passages 23a, 23b, 23c,... Is formed in a groove shape that is long in the left-right direction, and is arranged in parallel in the vertical direction. 4 conceptually shows the tip portions of the fuel gas passages 23a, 23b, 23c,..., And each fuel gas passage 23a, 23b, 23c,. Are provided with a first inflow passage 24 for injecting a high-fuel gas and a second inflow passage 25 for injecting a gas with relatively low humidity.

また、一方、酸化剤極側のセパレータ22も、セパレータ21と同様に、ガス不透過性の材料によって形成されており、酸化剤電極8と接合した面に、酸化剤ガスを流通させるための凹溝状の複数の酸化剤ガス通路26a,26b,26c・・を備えている。各酸化剤ガス通路26a,26b,26c・・は、セパレータ21の各燃料ガス通路23a,23b,23c・・と同様に、左右方向に長尺な凹溝状に形成されており、それぞれ、相対的に湿度が高い酸化剤ガスを流入させるための第一流入路27と、相対的に湿度が低い酸化剤ガスを流入させるための第二流入路28とが設けられている。なお、燃料電池セル1bのその他の構造は、参考例の燃料電池セル1aの構造と同一である。 On the other hand, the separator 22 on the oxidant electrode side is also made of a gas-impermeable material, like the separator 21, and has a recess for circulating the oxidant gas on the surface joined to the oxidant electrode 8. A plurality of grooved oxidant gas passages 26a, 26b, 26c... Are provided. Like the fuel gas passages 23a, 23b, 23c,... Of the separator 21, the oxidant gas passages 26a, 26b, 26c,. In particular, a first inflow passage 27 for flowing in an oxidant gas having a relatively high humidity and a second inflow passage 28 for flowing in an oxidant gas having a relatively low humidity are provided. The other structure of the fuel cell 1b is the same as the structure of the fuel cell 1a of the reference example .

上記の如く構成された燃料電池セル1bを使用する場合には、発電電流量に応じて、十分に加湿したガスを流すガス通路の個数、および、生成水を取り込む余裕のあるガスを流すガス通路の個数を調整する。すなわち、発電電流が少ないときには、十分に加湿したガスを流すガス通路の個数を、生成水を取り込む余裕のあるガスを流すガス通路の個数よりも多くして、ドライアップを防止する。たとえば、燃料ガス通路23b,23c,23e,23f,23h,23i,23k,23l,23nにおいては、第一流入路24から相対的に湿度の高い燃料ガスを供給し、燃料ガス通路23a,23d,23g,23j,23mにおいては、第二流入路25から相対的に湿度の低い燃料ガスを供給する。反対に、発電電流が多いときには、生成水を取り込む余裕のあるガスを流すガス通路の個数を、十分に加湿したガスを流すガス通路の個数よりも多くして、フラッディングを防止する。たとえば、燃料ガス通路23b,23c,23e,23f,23h,23i,23k,23l,23nにおいては、第二流入路25から相対的に湿度の低い燃料ガスを供給し、燃料ガス通路23a,23d,23g,23j,23mにおいては、第一流入路24から相対的に湿度の高い燃料ガスを供給する。そうすることにより、供給ガス内の水分や生成水が相対的に乾燥している部分に移動するので、フラッディングやドライアップの発生を低減させることが可能となる。   When the fuel battery cell 1b configured as described above is used, the number of gas passages through which sufficiently humidified gas flows according to the amount of generated current, and gas passages through which gas that can afford to take in generated water is passed. Adjust the number of. That is, when the generated current is small, the number of gas passages through which sufficiently humidified gas flows is larger than the number of gas passages through which there is room for taking in generated water to prevent dry-up. For example, in the fuel gas passages 23b, 23c, 23e, 23f, 23h, 23i, 23k, 231 and 23n, fuel gas with relatively high humidity is supplied from the first inflow passage 24, and the fuel gas passages 23a, 23d, In 23g, 23j, and 23m, fuel gas with relatively low humidity is supplied from the second inflow passage 25. On the other hand, when the generated current is large, flooding is prevented by increasing the number of gas passages through which gas that can afford to take in the generated water flows through more than the number of gas passages through which sufficiently humidified gas flows. For example, in the fuel gas passages 23b, 23c, 23e, 23f, 23h, 23i, 23k, 231 and 23n, fuel gas having a relatively low humidity is supplied from the second inflow passage 25, and the fuel gas passages 23a, 23d, In 23g, 23j, and 23m, fuel gas with relatively high humidity is supplied from the first inflow passage 24. By doing so, the moisture and generated water in the supply gas move to a relatively dry portion, so that the occurrence of flooding and dry-up can be reduced.

燃料電池セル1bは、上記の如く、燃料ガス通路23a,23b,23c・・が、ガスを流入させるための第一流入路24と、その第一流入路24から流入されるガスと湿度が異なるガスを流入させるための第二流入路25とを備えているとともに、酸化剤ガス通路26が、ガスを流入させるための第一流入路27と、その第一流入路27から流入されるガスと湿度が異なるガスを流入させるための第二流入路28とを備えている。それゆえ、燃料電池セル1bによれば、参考例の燃料電池セル1aと同様に、湿度の異なるガスのそれぞれの供給量を制御することによって、燃料電池セルスタックの湿度を容易に管理することができ、燃料電池の発電効率を高く維持することができる。加えて、参考例の燃料電池セル1aと同様に、湿度状態を早急に適正な状態に戻すことができるので、燃料電池発電設備の寿命を長くすることができる。 In the fuel cell 1b, as described above, the fuel gas passages 23a, 23b, 23c,... Have a humidity different from that of the first inflow passage 24 for allowing the gas to flow in and the gas flowing in from the first inflow passage 24. A second inflow passage 25 for inflowing gas, and an oxidant gas passage 26 having a first inflow passage 27 for inflowing gas and a gas flowing in from the first inflow passage 27 And a second inflow passage 28 for allowing gases having different humidity to flow in. Therefore, according to the fuel cell 1b, as in the fuel cell 1a of the reference example , the humidity of the fuel cell stack can be easily managed by controlling the supply amount of each gas having different humidity. The power generation efficiency of the fuel cell can be maintained high. In addition, as with the fuel cell 1a of the reference example , the humidity state can be quickly returned to an appropriate state, so that the life of the fuel cell power generation facility can be extended.

なお、本発明に係る燃料電池セルの構成は、上記各実施例の態様に何ら限定されるものではなく、MEA、電解質膜、燃料電極、酸化剤電極、セパレータ、燃料ガス通路(第一通路、第二通路、第一流入路、第二流入路)、酸化剤ガス通路(第一通路、第二通路、第一流入路、第二流入路)等の形状、構造、材質等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更できる。   In addition, the structure of the fuel cell according to the present invention is not limited to the above-described embodiments. The MEA, the electrolyte membrane, the fuel electrode, the oxidant electrode, the separator, the fuel gas passage (the first passage, (Second passage, first inflow passage, second inflow passage), oxidant gas passage (first passage, second passage, first inflow passage, second inflow passage) etc. As long as it does not deviate from the gist of the present invention, it can change suitably if needed.

たとえば、本発明の燃料電池セルを、上記参考例の如く構成する構成する場合には、燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路を構成する第一通路、第二通路の個数は、2個に限定されず、1個でも良いし、3個以上でも良い。また、本発明の燃料電池セルは、燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路を構成する第一通路の個数と第二通路の個数とが同一であるものに限定されず、第一通路の個数と第二通路の個数とが異なるものでも良い。加えて、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との両方に、第一通路と第二通路とを設けたものに限定されず、燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路のいずれかに、第一通路と第二通路とを設けたものでも良い。 For example, when the fuel cell of the present invention is configured as in the above reference example , the number of first and second passages constituting the fuel gas passage or the oxidant gas passage is limited to two. 1 may be sufficient and 3 or more may be sufficient. The fuel cell of the present invention is not limited to the number of first passages and the number of second passages constituting the fuel gas passage or the oxidant gas passage, and the number of first passages and the number of first passages are the same. The number of the two passages may be different. In addition, both the fuel gas passage and the oxidant gas passage are not limited to those provided with the first passage and the second passage, either the fuel gas passage or the oxidant gas passage, What provided the 2nd channel | path may be used.

一方、本発明の燃料電池セルを、上記実施の如く構成する構成する場合には、全ての燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路に第一流入路、第二流入路を設ける必要はなく、一部の燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路に第一流入路、第二流入路を設けることも可能である。また、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との両方に、第一流入路と第二流入路とを設けたものに限定されず、燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路のいずれかに、第一流入路と第二流入路とを設けたものでも良い。 On the other hand, the fuel cell of the present invention, when configured for configured as the above embodiment, the first inflow path for all the fuel gas passage or oxidizing gas passage, it is not necessary to provide a second inlet passage, one It is also possible to provide the first inflow passage and the second inflow passage in the fuel gas passage or the oxidant gas passage of the part. In addition, the fuel gas passage and the oxidant gas passage are not limited to those provided with the first inflow passage and the second inflow passage, and the first inflow into either the fuel gas passage or the oxidant gas passage. A road and a second inflow path may be provided.

本発明の燃料電池セルは、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、各種の燃料電池用のセルとして好適に用いることができる。  Since the fuel cell of the present invention exhibits excellent effects as described above, it can be suitably used as a cell for various fuel cells.

燃料電池セルの鉛直断面を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the vertical cross section of a fuel cell. 参考例のセパレータの表面の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of the surface of the separator of a reference example . 実施例のセパレータの表面の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of the surface of the separator of an Example . 燃料ガス通路と酸化剤ガス通路の先端部分を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the front-end | tip part of a fuel gas channel and an oxidant gas channel.

1a,1b・・燃料電池セル
2・・MEA
3・・セパレータ(燃料極側)
4・・セパレータ(酸化剤極側)
6・・電解質膜
7・・燃料電極
8・・酸化剤電極
9・・燃料ガス通路
10・・第一通路
11・・第二通路
12・・酸化剤ガス通路
13・・第一通路
14・・第二通路
21・・セパレータ(燃料極側)
22・・セパレータ(酸化剤極側)
23・・燃料ガス通路
24・・第一流入路
25・・第二流入路
26・・酸化剤ガス通路
27・・第一流入路
28・・第二流入路
1a, 1b ... Fuel cell 2. MEA
3. ・ Separator (fuel electrode side)
4. ・ Separator (oxidizer electrode side)
6. Electrolyte membrane 7. Fuel electrode 8. Oxidant electrode 9. Fuel gas passage 10. First passage 11. Second passage 12. Oxidant gas passage 13. First passage 14. Second passage 21 ... Separator (fuel electrode side)
22. ・ Separator (oxidizer electrode side)
23 ·· Fuel gas passage 24 · · First inflow passage 25 · · Second inflow passage 26 · · Oxidant gas passage 27 · · First inflow passage 28 · · Second inflow passage

Claims (1)

電解質膜、燃料電極および酸化剤電極からなる膜電極接合体の燃料電極面側に、複数の燃料ガス通路を設けたセパレータを配置し、前記膜電極接合体の酸化剤電極面側に、複数の酸化剤ガス通路を設けたセパレータを配置してなる燃料電池セルであって、
前記燃料ガス通路の先端に、それぞれ、相対的に湿度が高い燃料ガスを流入させるための第一流入路と、相対的に湿度が低い燃料ガスを流入させるための第二流入路とを備えると共に、
前記酸化剤ガス通路の先端に、それぞれ、相対的に湿度が高い酸化剤ガスを流入させるための第一流入路と、相対的に湿度が低い酸化剤ガスを流入させるための第二流入路とを備えたことを特徴とする燃料電池セル。
A separator provided with a plurality of fuel gas passages is disposed on the fuel electrode surface side of a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, a fuel electrode, and an oxidant electrode, and a plurality of separators are provided on the oxidant electrode surface side of the membrane electrode assembly. A fuel cell comprising a separator provided with an oxidant gas passage,
At the tip of each of the fuel gas passages, a first inflow passage for injecting a fuel gas having a relatively high humidity and a second inflow passage for injecting a fuel gas having a relatively low humidity are provided. And
A first inflow passage for allowing an oxidant gas having a relatively high humidity to flow into the tip of each of the oxidant gas passages , and a second inflow passage for allowing an oxidant gas having a relatively low humidity to flow in, respectively. fuel cell, characterized in that example Bei and.
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