JP5912901B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte and a separator are laminated.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池が構成されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane with a separator.

上記の燃料電池では、所望の発電を確実に行うために、発電状況を正確に把握することが必要である。例えば、電解質膜は、発電性能を維持するために所望の湿潤状態に加湿しなければならず、この電解質膜が乾燥状態になると、発電性能が低下してしまう。   In the fuel cell described above, it is necessary to accurately grasp the power generation status in order to reliably perform desired power generation. For example, the electrolyte membrane must be moistened to a desired wet state in order to maintain the power generation performance. When the electrolyte membrane is in a dry state, the power generation performance is degraded.

一方、発電による生成水量が多く、水過剰状態になると、フラッディングが惹起され易い。このため、反応ガスを流通させる通路等が詰まり、発電性能が低下してしまう。また、燃料ガスの不足に起因して性能低下が発生する場合がある。   On the other hand, when the amount of water generated by power generation is large and the water becomes excessive, flooding is likely to occur. For this reason, the channel | path etc. which distribute | circulate reaction gas will be blocked, and electric power generation performance will fall. In addition, performance degradation may occur due to a shortage of fuel gas.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池の駆動装置が知られている。この燃料電池は、図13に示すように、固体高分子電解質膜1aを挟むようにしてアノード2aとカソード3aが接合されるとともに、その外側にそれぞれ燃料ガス流路5aと酸化ガス流路6aとを、予め形成されたセパレータ4aが、これらを両端から挟むようにして配置されている。   Therefore, for example, a fuel cell driving device disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, as shown in FIG. 13, an anode 2a and a cathode 3a are joined so as to sandwich a solid polymer electrolyte membrane 1a, and a fuel gas channel 5a and an oxidizing gas channel 6a are respectively formed on the outside thereof. Preliminarily formed separators 4a are arranged so as to sandwich them from both ends.

燃料電池のアノード2a側には、白金線7aの一方端が前記アノード2aに接触しない位置で、固体高分子電解質膜1aに接触するように保持されている。この接触部分は、基準電極のアノードとなっている。また、固体高分子電解質膜1aに触れると同時に、燃料ガスである水素ガスにも触れるように、白金線7aが配置されている。すなわち、この白金線7aは、基準電極の1つである標準水素電極のアノードとして機能する。   On the anode 2a side of the fuel cell, one end of the platinum wire 7a is held so as to contact the solid polymer electrolyte membrane 1a at a position where it does not contact the anode 2a. This contact portion is the anode of the reference electrode. Further, the platinum wire 7a is arranged so as to touch the solid polymer electrolyte membrane 1a and at the same time, the hydrogen gas as the fuel gas. That is, the platinum wire 7a functions as an anode of a standard hydrogen electrode that is one of the reference electrodes.

さらに、標準水素電極の他端は、燃料電池のアノード2a側のセパレータ4aとカソード3a側のセパレータ4aとに、それぞれ接続され、各セパレータ4aは、カソード8a、9aとなっている。また、燃料電池のアノード2a側とカソード3a側との間の電圧Vを計測するために、前記燃料電池の各電極のセパレータ4aは、それぞれ電圧計を介して導線により接続されている。 Further, the other end of the standard hydrogen electrode is connected to a separator 4a on the anode 2a side and a separator 4a on the cathode 3a side of the fuel cell, respectively, and each separator 4a serves as cathodes 8a and 9a. Further, in order to measure the voltage V 3 between the anode 2a side and the cathode 3a of the fuel cell, the separator 4a of each electrode of the fuel cell are connected by a conductive wire, respectively, via a voltmeter.

上記の構成により、燃料電池のアノード2a側が正常な(電気化学的にみて理想的挙動)状態における運転の場合、前記アノード2aの電位と白金線7aの電位は一致し、該アノード2aと白金線7aとの間の電圧Vはゼロとなり、電圧Vが電圧Vと等しくなっている。 With the above-described configuration, when the anode 2a side of the fuel cell is operating in a normal (ideal behavior in terms of electrochemical) state, the potential of the anode 2a matches the potential of the platinum wire 7a, and the anode 2a and the platinum wire voltages V 1 between 7a is zero, the voltage V 2 is equal to the voltage V 3.

また、特許文献2に開示されている燃料電池は、図14に示すように、電解質膜1bと、4分割されたアノード側触媒層・拡散層2bと、4分割されたカソード側触媒層・拡散層3bと、4分割されたアノード側セパレータ4bと、4分割されたカソード側セパレータ5bと、複数のアノード側セパレータ4b間及び複数のカソード側セパレータ5b間に配設されるそれぞれ複数の絶縁部材8b、9bとを備えている。   Further, as shown in FIG. 14, the fuel cell disclosed in Patent Document 2 includes an electrolyte membrane 1b, an anode side catalyst layer / diffusion layer 2b divided into four parts, and a cathode side catalyst layer / diffusion divided into four parts. A plurality of insulating members 8b disposed between the layer 3b, the four-divided anode-side separator 4b, the four-divided cathode-side separator 5b, and between the plurality of anode-side separators 4b and between the plurality of cathode-side separators 5b. , 9b.

各アノード側セパレータ4bと各アノード側触媒層・拡散層2bとの間には、アノードガス流路6bが形成される一方、各カソード側セパレータ5bと各カソード側触媒層・拡散層3bとの間には、カソードガス流路7bが形成されている。各アノード側セパレータ4b間には、絶縁部材8bが介装されるとともに、各カソード側セパレータ5b間には、絶縁部材9bが介装されている。   An anode gas flow path 6b is formed between each anode-side separator 4b and each anode-side catalyst layer / diffusion layer 2b, and between each cathode-side separator 5b and each cathode-side catalyst layer / diffusion layer 3b. Is formed with a cathode gas flow path 7b. An insulating member 8b is interposed between the anode separators 4b, and an insulating member 9b is interposed between the cathode separators 5b.

このため、燃料電池は、独立した4つの分割電池として動作することができるとともに、各分割電池のインピーダンスを測定することにより、燃料電池のインピーダンス分布を測定することが可能になる、としている。   For this reason, the fuel cell can operate as four independent divided cells, and the impedance distribution of the fuel cell can be measured by measuring the impedance of each divided cell.

特開平7−282832号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-282832 特開2008−27808号公報JP 2008-27808 A

しかしながら、上記の特許文献1では、燃料電池全体のインピーダンスの計測が可能であるものの、燃料電池内部の電極面内環境分布(インピーダンス分布)を精度よく計測することが困難になる。このため、燃料電池を効率的に運転制御することができないという問題がある。   However, although Patent Document 1 described above can measure the impedance of the entire fuel cell, it is difficult to accurately measure the in-electrode environment distribution (impedance distribution) inside the fuel cell. For this reason, there is a problem that the fuel cell cannot be efficiently controlled.

また、上記の特許文献2の燃料電池では、4分割されたアノード側触媒層・拡散層2bと、4分割されたカソード側触媒層・拡散層3bとが設けられている。従って、この燃料電池を通常発電に使用すると、前記燃料電池全体の発電面積が小さくなってしまう。これにより、燃料電池全体の発電効率が低下し、前記燃料電池の小型化が容易に遂行されないという問題がある。   In the fuel cell of Patent Document 2, the anode side catalyst layer / diffusion layer 2b divided into four parts and the cathode side catalyst layer / diffusion layer 3b divided into four parts are provided. Therefore, when this fuel cell is used for normal power generation, the power generation area of the entire fuel cell is reduced. As a result, the power generation efficiency of the entire fuel cell is lowered, and there is a problem that the fuel cell cannot be easily downsized.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、発電効率の低下を抑制するとともに、燃料電池の電極反応面のインピーダンス分布を容易且つ正確に計測することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell capable of easily and accurately measuring the impedance distribution on the electrode reaction surface of the fuel cell while suppressing a decrease in power generation efficiency. With the goal.

本発明は、アノード側電極が電解質の一方面側に一体に連続して設けられるとともに、カソード側電極が前記電解質の他方面側に一体に連続して設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池に関するものである。
The invention, together with the anode-side electrodes are continuously formed integrally on one surface of the electrolyte, the cathode is the electrolyte of the other side electrolyte electrode continuously provided integrally on body and the separator The present invention relates to a fuel cell in which and are stacked.

この燃料電池では、セパレータは、外周部に前記セパレータの積層方向に貫通して燃料ガス連通孔、酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成される枠部材と、前記枠部材内に、互いに絶縁状態に維持されて電極反応面の領域内に設けられる複数個の導電性部材とを備えている。   In this fuel cell, the separator has a frame member in which a fuel gas communication hole, an oxidant gas communication hole, and a cooling medium communication hole are formed in the outer peripheral portion so as to penetrate in the stacking direction of the separator. And a plurality of conductive members that are provided in the region of the electrode reaction surface while being maintained in an insulating state.

そして、複数個の導電性部材には、燃料ガス又は酸化剤ガスを通させるガス流路が電極反応面に沿って形成され、アノード側電極に積層されるセパレータの前記複数個の導電性部材と、カソード側電極に積層されるセパレータの前記複数個の導電性部材とは、電解質・電極構造体を挟んで互いに対称位置に対向配置され、且つ互いに対向する前記導電性部材同士の間のインピーダンスを測定する測定手段に各々接続されている。
The plurality of conductive members include gas flow paths through which fuel gas or oxidant gas is passed along the electrode reaction surface, and the plurality of conductive members of the separator stacked on the anode side electrode; The plurality of conductive members of the separator laminated on the cathode side electrode are arranged opposite to each other at symmetrical positions across the electrolyte / electrode structure, and impedance between the conductive members facing each other is set. Each is connected to a measuring means for measuring .

また、この燃料電池では、導電性部材は、枠部材内に非導電性部材を介装して格子状に配列されることが好ましい。   In this fuel cell, it is preferable that the conductive members are arranged in a lattice shape with a non-conductive member interposed in the frame member.

本発明によれば、電解質・電極構造体の電極反応面に対向するセパレータ領域を複数の領域に分割して複数個の導電性部材が設けられるため、前記電極反応面内における各領域のインピーダンス分布を容易且つ正確に計測することができる。このため、電極面内の環境分布を精度よく計測することが可能になり、所望の発電状態を確実に維持することができる。   According to the present invention, since the separator region facing the electrode reaction surface of the electrolyte / electrode structure is divided into a plurality of regions and a plurality of conductive members are provided, the impedance distribution of each region in the electrode reaction surface Can be measured easily and accurately. For this reason, it becomes possible to measure the environmental distribution in the electrode surface with high accuracy, and the desired power generation state can be reliably maintained.

さらに、アノード側電極及びカソード側電極は、分割されることがなく、電解質の両側に連続して設けられている。しかも、導電性部材には、ガス流路が形成されている。従って、発電効率の低下を抑制するとともに、良好な発電を確実に行うことが可能になり、燃料電池として好適に使用することができる。   Furthermore, the anode side electrode and the cathode side electrode are not divided and are continuously provided on both sides of the electrolyte. Moreover, a gas flow path is formed in the conductive member. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency and reliably perform good power generation, and can be suitably used as a fuel cell.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池が組み込まれる燃料電池スタックの要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the fuel cell stack in which the fuel cell which concerns on the 1st Embodiment of this invention is integrated. 前記燃料電池の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the said fuel cell. 前記燃料電池の要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the said fuel cell. 前記燃料電池を構成する第2セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd separator which comprises the said fuel cell. 面内環境計測装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of an in-plane environment measuring device. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the fuel cell which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 前記燃料電池を構成する第1セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st separator which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池を構成する第2セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd separator which comprises the said fuel cell. 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the fuel cell which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 前記燃料電池を構成する第1セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st separator which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池を構成する第2セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd separator which comprises the said fuel cell. 特許文献1に開示されている駆動装置の一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory drawing of the drive device currently disclosed by patent document 1. FIG. 特許文献2に開示されている燃料電池の断面説明図である。4 is a cross-sectional explanatory view of a fuel cell disclosed in Patent Document 2. FIG.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、燃料電池スタック12に組み込まれる。燃料電池スタック12は、少なくとも1つの燃料電池10と、複数の燃料電池10aとが積層されるとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして構成される。燃料電池10と燃料電池10aとは、後述する連通孔の位置及び寸法並びに流路溝形状が同一であり、且つ、電極位置及び寸法も同一である。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention is incorporated in a fuel cell stack 12. The fuel cell stack 12 is configured by stacking at least one fuel cell 10 and a plurality of fuel cells 10a and, for example, as an in-vehicle fuel cell stack. The fuel cell 10 and the fuel cell 10a have the same position and size of communication holes, which will be described later, and the shape of the flow channel, and the same electrode position and size.

図1及び図2に示すように、燃料電池10は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)14と、前記電解質膜・電極構造体14を挟持する第1セパレータ16及び第2セパレータ18とを備える。燃料電池10の矢印C方向(図1中、鉛直方向)の一端縁部(上端縁部)には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔20aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔22aとが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) (MEA) 14, a first separator 16 that sandwiches the electrolyte membrane / electrode structure 14, and A second separator 18. One end edge (upper end edge) of the fuel cell 10 in the arrow C direction (vertical direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. An oxidant gas supply communication hole 20a for supplying and a fuel gas supply communication hole 22a for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in an arrow B direction (horizontal direction).

燃料電池10の矢印C方向の他端縁部(下端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔22bと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔20bとが、矢印B方向に配列して設けられる。   The other end edge (lower end edge) of the fuel cell 10 in the direction of arrow C communicates with each other in the direction of arrow A, and the fuel gas discharge communication hole 22b for discharging the fuel gas and the oxidant gas are discharged. The oxidant gas discharge communication holes 20b are arranged in the direction of the arrow B.

燃料電池10の矢印B方向の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔24aが設けられるとともに、前記燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔24bが設けられる。   A cooling medium supply communication hole 24a for supplying a cooling medium is provided at one edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B, and a cooling medium is provided at the other edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B. Is provided with a cooling medium discharge communication hole 24b.

電解質膜・電極構造体14は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜26と、前記固体高分子電解質膜26を挟持するカソード側電極28及びアノード側電極30とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 26 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side electrode 28 and an anode side electrode 30 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 26. With.

図3に示すように、カソード側電極28及びアノード側電極30は、固体高分子電解質膜26の両面に接合される電極触媒層28a、30aと、前記電極触媒層28a、30aに配設されるカーボンペーパ等からなるガス拡散層28b、30bとを有する。電極触媒層28a、30aは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を固体高分子電解質膜26の両面に一様に塗布して形成される。   As shown in FIG. 3, the cathode side electrode 28 and the anode side electrode 30 are disposed on the electrode catalyst layers 28a and 30a bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26 and the electrode catalyst layers 28a and 30a. Gas diffusion layers 28b and 30b made of carbon paper or the like. The electrode catalyst layers 28 a and 30 a are formed by uniformly applying porous carbon particles having a platinum alloy supported on the both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26.

図2に示すように、第1セパレータ16は、外周部に積層方向(矢印A方向)に貫通して酸化剤ガス供給連通孔20a、燃料ガス供給連通孔22a、冷却媒体供給連通孔24a、酸化剤ガス排出連通孔20b、燃料ガス排出連通孔22b及び冷却媒体排出連通孔24bが形成される絶縁性樹脂枠部材32を備える。   As shown in FIG. 2, the first separator 16 penetrates the outer peripheral portion in the stacking direction (arrow A direction), and the oxidizing gas supply communication hole 20a, the fuel gas supply communication hole 22a, the cooling medium supply communication hole 24a, the oxidation An insulating resin frame member 32 is provided in which the agent gas discharge communication hole 20b, the fuel gas discharge communication hole 22b, and the cooling medium discharge communication hole 24b are formed.

絶縁性樹脂枠部材32は、PP(ポリプロピレン)やABS樹脂(アクリロニトリル、ブタジエン及びスチレンの共重合樹脂)等の非導電性樹脂で形成される。   The insulating resin frame member 32 is formed of a non-conductive resin such as PP (polypropylene) or ABS resin (a copolymer resin of acrylonitrile, butadiene and styrene).

絶縁性樹脂枠部材32内には、電極反応面の領域内に互いに絶縁状態に維持されて複数個の導電性セグメント(導電性部材)34が設けられる。導電性セグメント34は、直方体や立方体形状を有するとともに、カーボン等を含んだ導電性樹脂により形成される。絶縁性樹脂枠部材32は、熱可逆性樹脂又は熱硬化性樹脂であってもよい。使用される樹脂は、分子量、分子構造により融点を調整することができる。   In the insulating resin frame member 32, a plurality of conductive segments (conductive members) 34 are provided in the region of the electrode reaction surface while being kept insulated from each other. The conductive segment 34 has a rectangular parallelepiped shape or a cubic shape, and is formed of a conductive resin containing carbon or the like. The insulating resin frame member 32 may be a thermoreversible resin or a thermosetting resin. The melting point of the resin used can be adjusted by the molecular weight and molecular structure.

各導電性セグメント34は、絶縁性樹脂枠部材32の中央領域にPPやABS樹脂等の熱可逆性の非導電性樹脂(非導電性部材)36を介装して格子状に配列される。非導電性樹脂36と絶縁性樹脂枠部材32とは、同種の樹脂が好ましい。界面が接合し易いからである。なお、非導電性樹脂36と絶縁性樹脂枠部材32とは、同一の樹脂で一体成形されてもよい。   Each conductive segment 34 is arranged in a lattice shape with a thermally reversible non-conductive resin (non-conductive member) 36 such as PP or ABS resin interposed in the central region of the insulating resin frame member 32. The non-conductive resin 36 and the insulating resin frame member 32 are preferably the same type of resin. This is because the interface is easy to join. The non-conductive resin 36 and the insulating resin frame member 32 may be integrally formed with the same resin.

第1セパレータ16には、電解質膜・電極構造体14に向かう面16aに酸化剤ガス流路38が設けられる。酸化剤ガス流路38は、導電性セグメント34及び非導電性樹脂36に形成されて矢印C方向に延在する複数の直線状(又はサーペンタイン状等の非直線状)流路溝を有しており、酸化剤ガス供給連通孔20aと酸化剤ガス排出連通孔20bとに連通する。   The first separator 16 is provided with an oxidant gas flow path 38 on a surface 16 a facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. The oxidant gas channel 38 has a plurality of linear (or non-linear, such as serpentine) channel grooves formed in the conductive segment 34 and the nonconductive resin 36 and extending in the direction of arrow C. The oxidant gas supply communication hole 20a and the oxidant gas discharge communication hole 20b communicate with each other.

流路溝は、各導電性セグメント34の面内に設けられており、非導電性樹脂36の矢印C方向に延在する部分を避けて形成される。なお、流路溝は、非導電性樹脂36の矢印C方向に延在する部分に設けてもよい。各導電性セグメント34は、MEA接触面積(電解質膜・電極構造体14との接触面積)が同一に設定される。   The flow channel is provided in the surface of each conductive segment 34 and is formed so as to avoid the portion of the nonconductive resin 36 extending in the direction of arrow C. The channel groove may be provided in a portion of the nonconductive resin 36 extending in the arrow C direction. Each conductive segment 34 has the same MEA contact area (contact area with the electrolyte membrane / electrode structure 14).

図4に示すように、第2セパレータ18は、外周部に積層方向(矢印A方向)に貫通して酸化剤ガス供給連通孔20a、燃料ガス供給連通孔22a、冷却媒体供給連通孔24a、酸化剤ガス排出連通孔20b、燃料ガス排出連通孔22b及び冷却媒体排出連通孔24bが形成される絶縁性樹脂枠部材40を備える。   As shown in FIG. 4, the second separator 18 penetrates the outer peripheral portion in the stacking direction (arrow A direction), and the oxidant gas supply communication hole 20a, the fuel gas supply communication hole 22a, the cooling medium supply communication hole 24a, the oxidation An insulating resin frame member 40 in which the agent gas discharge communication hole 20b, the fuel gas discharge communication hole 22b, and the cooling medium discharge communication hole 24b are formed is provided.

絶縁性樹脂枠部材40は、PPやABS樹脂等の非導電性樹脂で形成され、前記絶縁性樹脂枠部材40内には、電極反応面の領域内に互いに絶縁状態に維持されて複数個の導電性セグメント(導電性部材)42が設けられる。   The insulating resin frame member 40 is formed of a non-conductive resin such as PP or ABS resin, and a plurality of insulating resin frame members 40 are maintained in an insulated state in the region of the electrode reaction surface in the insulating resin frame member 40. A conductive segment (conductive member) 42 is provided.

各導電性セグメント42は、絶縁性樹脂枠部材40の中央領域にPPやABS樹脂等の非導電性樹脂(非導電性部材)44を介装して格子状に配列される。なお、非導電性樹脂44と絶縁性樹脂枠部材40とは、同一の樹脂で一体成形されてもよい。各導電性セグメント42は、MEA接触面積(電解質膜・電極構造体14との接触面積)が同一に設定される。   Each conductive segment 42 is arranged in a lattice shape with a non-conductive resin (non-conductive member) 44 such as PP or ABS resin interposed in the central region of the insulating resin frame member 40. The non-conductive resin 44 and the insulating resin frame member 40 may be integrally formed with the same resin. Each conductive segment 42 has the same MEA contact area (contact area with the electrolyte membrane / electrode structure 14).

第2セパレータ18には、電解質膜・電極構造体14に向かう面18aに燃料ガス流路46が設けられる。燃料ガス流路46は、導電性セグメント42及び非導電性樹脂44に形成されて矢印C方向に延在する複数の流路溝を有しており、燃料ガス供給連通孔22aと燃料ガス排出連通孔22bとに連通する。流路溝は、各導電性セグメント42の面内に設けられており、非導電性樹脂44の矢印C方向に延在する部分を避けて形成される。なお、流路溝は、非導電性樹脂44の矢印C方向に延在する部分に設けてもよい。   The second separator 18 is provided with a fuel gas flow path 46 on a surface 18 a facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. The fuel gas channel 46 has a plurality of channel grooves formed in the conductive segment 42 and the non-conductive resin 44 and extending in the direction of the arrow C, and communicates with the fuel gas supply communication hole 22a and the fuel gas discharge communication. It communicates with the hole 22b. The flow channel is provided in the surface of each conductive segment 42 and is formed so as to avoid a portion of the nonconductive resin 44 extending in the arrow C direction. The channel groove may be provided in a portion of the nonconductive resin 44 extending in the arrow C direction.

図3に示すように、各導電性セグメント34は、第1セパレータ16の両面に露出するとともに、各導電性セグメント42は、第2セパレータ18の両面に露出する。導電性セグメント34と導電性セグメント42とは、電解質膜・電極構造体14に対して互いに対向して(対称に)配置される。互いにずれると、検出精度が低下するからである。   As shown in FIG. 3, each conductive segment 34 is exposed on both surfaces of the first separator 16, and each conductive segment 42 is exposed on both surfaces of the second separator 18. The conductive segment 34 and the conductive segment 42 are disposed opposite to (symmetrically) the electrolyte membrane / electrode structure 14. This is because the detection accuracy decreases if they deviate from each other.

第1セパレータ16及び第2セパレータ18には、それぞれ燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をシールするために、第1シール部材48及び第2シール部材49が、一体的又は個別に設けられる。第1シール部材48及び第2シール部材49は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材を使用する。   The first separator 16 and the second separator 18 are provided with a first seal member 48 and a second seal member 49 integrally or individually to seal the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium, respectively. The first seal member 48 and the second seal member 49 are, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, or acrylic rubber, or a cushion material. Alternatively, an elastic seal member such as a packing material is used.

図1に示すように、燃料電池10aは、電解質膜・電極構造体14と、前記電解質膜・電極構造体14を挟持する第1セパレータ50及び第2セパレータ52とを備える。なお、燃料電池10aでは、燃料電池10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 a includes an electrolyte membrane / electrode structure 14, and a first separator 50 and a second separator 52 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 14. In the fuel cell 10a, the same components as those of the fuel cell 10 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

第1セパレータ50及び第2セパレータ52は、金属セパレータ又はカーボンセパレータが使用される。第1セパレータ50の電解質膜・電極構造体14とは反対側の面には、電極反応面の領域に沿って冷却媒体を矢印B方向に流通させる冷却媒体流路54が設けられる。第2セパレータ52の電解質膜・電極構造体14とは反対側の面には、同様に冷却媒体流路54が形成される。なお、第1セパレータ16の面16b及び第2セパレータ18の面18bにも、冷却媒体流路54を形成してもよい。   As the first separator 50 and the second separator 52, a metal separator or a carbon separator is used. On the surface of the first separator 50 on the side opposite to the electrolyte membrane / electrode structure 14, a cooling medium flow path 54 is provided for flowing the cooling medium in the direction of arrow B along the region of the electrode reaction surface. Similarly, a cooling medium flow path 54 is formed on the surface of the second separator 52 opposite to the electrolyte membrane / electrode structure 14. Note that the coolant flow path 54 may also be formed on the surface 16 b of the first separator 16 and the surface 18 b of the second separator 18.

図5に示すように、燃料電池スタック12は、面内環境計測装置60に接続される。面内環境計測装置60は、端部が第1セパレータ16の各導電性セグメント34に接続される配線62a、62b、62c、62d及び62eと、端部が第2セパレータ18の各導電性セグメント42に電気的に接続される配線63a、63b、63c、63d及び63eとを備える。配線62a〜62e及び配線63a〜63eには、それぞれ交流電圧を検出するための交流電圧測定器64a、64b、64c、64d及び64eが配設される。なお、配線数は、導電性セグメント34、42の分割数に応じて種々変更可能である。   As shown in FIG. 5, the fuel cell stack 12 is connected to the in-plane environment measuring device 60. The in-plane environment measuring device 60 includes wirings 62a, 62b, 62c, 62d and 62e whose ends are connected to the conductive segments 34 of the first separator 16, and the conductive segments 42 whose ends are the second separator 18. Wirings 63a, 63b, 63c, 63d and 63e electrically connected to each other. The wirings 62a to 62e and the wirings 63a to 63e are provided with AC voltage measuring devices 64a, 64b, 64c, 64d and 64e for detecting an AC voltage, respectively. Note that the number of wirings can be variously changed according to the number of divisions of the conductive segments 34 and 42.

燃料電池スタック12の積層方向両端には、配線66の両端が電気的に接続される。配線66には、外部負荷68と交流電流を検出するための交流電流測定器70とが配設される。外部負荷68は、燃料電池スタック12から直流電流を出力させるとともに、この直流電流に交流電流を重畳させる機能を有する。外部負荷68としては、例えば、電子負荷装置が使用されるが、これに代えて、例えば、電流アンプ等を流用することもできる。   Both ends of the wiring 66 are electrically connected to both ends of the fuel cell stack 12 in the stacking direction. The wiring 66 is provided with an external load 68 and an AC current measuring device 70 for detecting AC current. The external load 68 has a function of outputting a direct current from the fuel cell stack 12 and superimposing an alternating current on the direct current. For example, an electronic load device is used as the external load 68, but a current amplifier or the like can be used instead.

このように構成される燃料電池スタック12の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell stack 12 configured as described above will be described below.

図1に示すように、酸化剤ガス供給連通孔20aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔22aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔24aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。   As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas supply communication hole 20a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 22a. Further, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is supplied to the cooling medium supply communication hole 24a.

酸化剤ガスは、第1セパレータ16、50に設けられている各酸化剤ガス流路38に導入され、電解質膜・電極構造体14を構成するカソード側電極28に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔22aに供給された燃料ガスは、第2セパレータ18、52の各燃料ガス流路46に導入され、電解質膜・電極構造体14を構成するアノード側電極30に沿って移動する。   The oxidant gas is introduced into each oxidant gas flow path 38 provided in the first separator 16, 50 and moves along the cathode side electrode 28 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14. On the other hand, the fuel gas supplied to the fuel gas supply communication hole 22 a is introduced into the fuel gas flow paths 46 of the second separators 18 and 52, and along the anode side electrode 30 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14. Moving.

従って、各電解質膜・電極構造体14では、カソード側電極28に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極30に供給される燃料ガスとが、電極触媒層28a、30a内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 14, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 28 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 30 are electrochemically reacted in the electrode catalyst layers 28 a and 30 a. It is consumed and power is generated.

次いで、カソード側電極28に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔20bに排出される。同様に、アノード側電極30に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔22bに排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 28 is discharged to the oxidant gas discharge communication hole 20b. Similarly, the fuel gas supplied to and consumed by the anode side electrode 30 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 22b.

また、冷却媒体供給連通孔24aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ50及び第2セパレータ52の各冷却媒体流路54に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体14を冷却した後、冷却媒体排出連通孔24bに排出される。   Further, the cooling medium supplied to the cooling medium supply communication hole 24 a is introduced into each cooling medium flow path 54 of the first separator 50 and the second separator 52. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 14 and then is discharged into the cooling medium discharge communication hole 24b.

上記の発電時において、図5に示すように、面内環境計測装置60では、外部負荷68により燃料電池スタック12から直流電流を出力させるとともに、この直流電流に交流電流を重畳させている。   During the above power generation, as shown in FIG. 5, in the in-plane environment measuring device 60, a DC current is output from the fuel cell stack 12 by the external load 68, and an AC current is superimposed on this DC current.

このため、各交流電圧測定器64a〜64eは、交流電流に対する交流電圧を測定する一方、交流電流測定器70により交流電流が測定されている。従って、測定された交流電圧及び交流電流から、各導電性セグメント34、42間の交流インピーダンスが算出される。これにより、燃料電池10全体のインピーダンス分布が検出され、前記燃料電池10の電極面内の発電状況を検出することが可能になる。   For this reason, the AC voltage measuring devices 64 a to 64 e measure the AC voltage with respect to the AC current, while the AC current measuring device 70 measures the AC current. Accordingly, the AC impedance between the conductive segments 34 and 42 is calculated from the measured AC voltage and AC current. Thereby, the impedance distribution of the entire fuel cell 10 is detected, and the power generation state in the electrode surface of the fuel cell 10 can be detected.

この場合、第1の実施形態では、燃料電池10を構成する電解質膜・電極構造体14の電極反応面に対向するセパレータ領域を複数の領域に分割して複数個の導電性セグメント34、42が設けられている。このため、電極反応面内における各領域の交流インピーダンスを計測することができ、インピーダンス分布を容易且つ正確に検出することが可能になる。従って、燃料電池10の電極面内の環境分布を精度よく計測することができ、所望の発電状態を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。   In this case, in the first embodiment, the separator region facing the electrode reaction surface of the electrolyte membrane / electrode structure 14 constituting the fuel cell 10 is divided into a plurality of regions, and a plurality of conductive segments 34 and 42 are formed. Is provided. For this reason, the alternating current impedance of each area | region in an electrode reaction surface can be measured, and it becomes possible to detect an impedance distribution easily and correctly. Therefore, the environmental distribution in the electrode surface of the fuel cell 10 can be measured with high accuracy, and the desired power generation state can be reliably maintained.

さらに、燃料電池10では、カソード側電極28及びアノード側電極30は、分割されることがなく一体で、固体高分子電解質膜26の両面に連続して設けられている。しかも、複数個の導電性セグメント34の表面には、酸化剤ガス流路38が形成される一方、複数個の導電性セグメント42の表面には、燃料ガス流路46が形成されている。   Further, in the fuel cell 10, the cathode side electrode 28 and the anode side electrode 30 are integrated without being divided, and are continuously provided on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26. In addition, an oxidant gas flow path 38 is formed on the surface of the plurality of conductive segments 34, while a fuel gas flow path 46 is formed on the surface of the plurality of conductive segments 42.

これにより、燃料電池10は、発電面積の減少による発電効率の低下を抑制するとともに、良好な発電を確実に行うことが可能になり、燃料電池スタック12を構成する燃料電池10として、他の燃料電池10aと同様に好適に使用することができるという利点がある。   As a result, the fuel cell 10 can suppress a decrease in power generation efficiency due to a decrease in the power generation area and can reliably perform good power generation. As the fuel cell 10 constituting the fuel cell stack 12, another fuel can be used. There exists an advantage that it can be used conveniently like the battery 10a.

なお、第1の実施形態では、燃料電池10の内部抵抗を測定するために、交流インピーダンス法を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池10に一定電流を通電させておき、瞬間的に電流を遮断する際の電圧変化から内部抵抗を測定する電流遮断法を適用してもよい。また、燃料電池10に一定電流を通電させておき、ステップ状に電流を変化させる際の電圧変化から内部抵抗を測定するステップ法を適用することもできる。   In the first embodiment, the AC impedance method is employed to measure the internal resistance of the fuel cell 10, but the present invention is not limited to this. For example, a current interruption method may be applied in which a constant current is passed through the fuel cell 10 and the internal resistance is measured from a voltage change when the current is momentarily interrupted. It is also possible to apply a step method in which a constant current is passed through the fuel cell 10 and the internal resistance is measured from the voltage change when the current is changed stepwise.

図6に示すように、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池80は、複数の燃料電池10a(図1参照)と共に図示しない燃料電池スタックに組み込まれる。   As shown in FIG. 6, the fuel cell 80 according to the second embodiment of the present invention is incorporated in a fuel cell stack (not shown) together with a plurality of fuel cells 10a (see FIG. 1).

なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3及び第4の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third and fourth embodiments described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池80は、電解質膜・電極構造体14と、前記電解質膜・電極構造体14を挟持する第1セパレータ82及び第2セパレータ84とを備える。第1セパレータ82は、外周部に酸化剤ガス供給連通孔20a、燃料ガス供給連通孔22a、冷却媒体供給連通孔24a、酸化剤ガス排出連通孔20b、燃料ガス排出連通孔22b及び冷却媒体排出連通孔24bが形成される金属枠部材86を備える。金属枠部材86は、例えば、鉄やアルミニウム等で構成される。   The fuel cell 80 includes an electrolyte membrane / electrode structure 14, and a first separator 82 and a second separator 84 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 14. The first separator 82 has an oxidant gas supply communication hole 20a, a fuel gas supply communication hole 22a, a cooling medium supply communication hole 24a, an oxidant gas discharge communication hole 20b, a fuel gas discharge communication hole 22b, and a cooling medium discharge communication at the outer periphery. The metal frame member 86 in which the hole 24b is formed is provided. The metal frame member 86 is made of, for example, iron or aluminum.

金属枠部材86内には、格子状に形成されたPPやABS樹脂等の熱可逆性の非導電性樹脂(非導電性部材)88が一体化され、前記非導電性樹脂88を介して各導電性セグメント34が格子状に配列される。   In the metal frame member 86, a thermoreversible non-conductive resin (non-conductive member) 88 such as PP or ABS resin formed in a lattice shape is integrated, and each non-conductive resin 88 is interposed through the non-conductive resin 88. Conductive segments 34 are arranged in a grid.

第2セパレータ84は、外周部に酸化剤ガス供給連通孔20a、燃料ガス供給連通孔22a、冷却媒体供給連通孔24a、酸化剤ガス排出連通孔20b、燃料ガス排出連通孔22b及び冷却媒体排出連通孔24bが形成される金属枠部材90を備える。   The second separator 84 has an oxidant gas supply communication hole 20a, a fuel gas supply communication hole 22a, a cooling medium supply communication hole 24a, an oxidant gas discharge communication hole 20b, a fuel gas discharge communication hole 22b, and a cooling medium discharge communication at the outer periphery. The metal frame member 90 in which the hole 24b is formed is provided.

金属枠部材90内には、格子状に形成されたPPやABS樹脂等の熱可逆性の非導電性樹脂(非導電性部材)92が一体化され、前記非導電性樹脂92を介して各導電性セグメント42が格子状に配列される。   In the metal frame member 90, a thermoreversible non-conductive resin (non-conductive member) 92 such as PP or ABS resin formed in a lattice shape is integrated, and the non-conductive resin 92 is used for each. Conductive segments 42 are arranged in a grid pattern.

このように構成される第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second embodiment configured as described above, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

図7に示すように、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池100は、複数の燃料電池10a(図1参照)と共に図示しない燃料電池スタックに組み込まれる。   As shown in FIG. 7, the fuel cell 100 according to the third embodiment of the present invention is incorporated in a fuel cell stack (not shown) together with a plurality of fuel cells 10a (see FIG. 1).

燃料電池100は、電解質膜・電極構造体14と、前記電解質膜・電極構造体14を挟持する第1セパレータ102及び第2セパレータ104とを備える。第1セパレータ102では、図7及び図8に示すように、各導電性セグメント34が絶縁性樹脂枠部材32の中央領域に非導電性樹脂36を介装して格子状に配列される。   The fuel cell 100 includes an electrolyte membrane / electrode structure 14, and a first separator 102 and a second separator 104 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 14. In the first separator 102, as shown in FIGS. 7 and 8, the conductive segments 34 are arranged in a lattice shape with a non-conductive resin 36 interposed in the central region of the insulating resin frame member 32.

第1セパレータ102には、電解質膜・電極構造体14に向かう面102aに酸化剤ガス流路38aが設けられる。酸化剤ガス流路38aは、導電性セグメント34及び非導電性樹脂36に形成されて矢印C方向に延在する複数の波状流路溝を有する。波状流路溝は、波長(周期)λ1を有し、波長λ1×2が、導電性セグメント34の矢印C方向の配列間隔(ピッチ)P1と同一寸法に設定される(λ1×2=P1)。各導電性セグメント34は、電解質膜・電極構造体14との接触形状及び接触面積が同一に設定される。なお、波長λ1=配列間隔P1の関係に設定されてもよく、波長λ1×整数=配列間隔P1であればよい。   The first separator 102 is provided with an oxidant gas flow path 38 a on a surface 102 a facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. The oxidant gas flow path 38a has a plurality of wave-shaped flow path grooves formed in the conductive segments 34 and the non-conductive resin 36 and extending in the direction of arrow C. The wavy channel groove has a wavelength (period) λ1, and the wavelength λ1 × 2 is set to the same dimension as the arrangement interval (pitch) P1 of the conductive segments 34 in the arrow C direction (λ1 × 2 = P1). . Each conductive segment 34 has the same contact shape and contact area with the electrolyte membrane / electrode structure 14. Note that the relationship of wavelength λ1 = arrangement interval P1 may be set, and it is sufficient if wavelength λ1 × integer = arrangement interval P1.

図9に示すように、第2セパレータ104では、各導電性セグメント42が絶縁性樹脂枠部材40の中央領域に非導電性樹脂44を介装して格子状に配列される。第2セパレータ104には、電解質膜・電極構造体14に向かう面104aに燃料ガス流路46aが設けられる。燃料ガス流路46aは、導電性セグメント42及び非導電性樹脂44に形成されて矢印C方向に延在する複数の波状流路溝を有する。   As shown in FIG. 9, in the second separator 104, the conductive segments 42 are arranged in a lattice shape with a non-conductive resin 44 interposed in the central region of the insulating resin frame member 40. The second separator 104 is provided with a fuel gas channel 46 a on a surface 104 a facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. The fuel gas channel 46 a has a plurality of wave-shaped channel grooves formed in the conductive segments 42 and the non-conductive resin 44 and extending in the direction of arrow C.

波状流路溝は、波長(周期)λ2を有し、波長λ2×2が、導電性セグメント42の矢印C方向の配列間隔(ピッチ)P2と同一寸法に設定される(λ×2=P2)。各導電性セグメント42は、電解質膜・電極構造体14との接触形状及び接触面積が同一に設定される。また、波長λ2=配列間隔P2の関係に設定されてもよい。なお、波長λ1は、波長λ2と同一であり、配列間隔P1は、配列間隔P2と同一である。   The wavy channel groove has a wavelength (period) λ2, and the wavelength λ2 × 2 is set to the same dimension as the arrangement interval (pitch) P2 of the conductive segments 42 in the arrow C direction (λ × 2 = P2). . Each conductive segment 42 has the same contact shape and contact area with the electrolyte membrane / electrode structure 14. Further, the relationship of wavelength λ2 = arrangement interval P2 may be set. The wavelength λ1 is the same as the wavelength λ2, and the arrangement interval P1 is the same as the arrangement interval P2.

このように構成される第3の実施形態では、波形状の酸化剤ガス流路38a及び波形状の燃料ガス流路46aを有するとともに、各導電性セグメント34及び各導電性セグメント42は、それぞれ電解質膜・電極構造体14との接触形状及び接触面積が同一に設定されている。このため、燃料電池100の電極面内の環境分布を精度よく計測することができ、所望の発電状態を確実に維持することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   In the third embodiment configured as described above, each of the conductive segments 34 and each of the conductive segments 42 has an undulating oxidant gas flow path 38a and a undulated fuel gas flow path 46a. The contact shape and contact area with the membrane / electrode structure 14 are set to be the same. For this reason, the environment distribution in the electrode surface of the fuel cell 100 can be measured with high accuracy, and the desired power generation state can be reliably maintained. can get.

図10に示すように、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池120は、複数の燃料電池10a(図1参照)と共に図示しない燃料電池スタックに組み込まれる。   As shown in FIG. 10, the fuel cell 120 according to the fourth embodiment of the present invention is incorporated in a fuel cell stack (not shown) together with a plurality of fuel cells 10a (see FIG. 1).

燃料電池120は、電解質膜・電極構造体14と、前記電解質膜・電極構造体14を挟持する第1セパレータ122及び第2セパレータ124とを備える。第1セパレータ122では、図10及び図11に示すように、各導電性セグメント34aが絶縁性樹脂枠部材32の中央領域に非導電性樹脂36を介装して格子状に配列される。導電性セグメント34aは、正面視で正方形状を有する。   The fuel cell 120 includes an electrolyte membrane / electrode structure 14, and a first separator 122 and a second separator 124 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 14. In the first separator 122, as shown in FIGS. 10 and 11, the conductive segments 34 a are arranged in a lattice shape with the nonconductive resin 36 interposed in the central region of the insulating resin frame member 32. The conductive segment 34a has a square shape when viewed from the front.

第1セパレータ122には、電解質膜・電極構造体14に向かう面122aに酸化剤ガス流路38bが設けられる。酸化剤ガス流路38bは、導電性セグメント34a及び非導電性樹脂36に形成されて矢印C方向に延在する複数の波状流路溝を有する。波状流路溝は、波長(周期)λ3を有し、前記波長λ3が、導電性セグメント34aの矢印C方向の配列間隔(ピッチ)P3とは異なる寸法に設定される。各導電性セグメント34aは、電解質膜・電極構造体14との接触形状が異なり且つ接触面積が同一に設定される。   The first separator 122 is provided with an oxidant gas flow path 38 b on a surface 122 a facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. The oxidant gas flow path 38b has a plurality of wave-shaped flow path grooves formed in the conductive segment 34a and the non-conductive resin 36 and extending in the direction of arrow C. The wavy channel groove has a wavelength (period) λ3, and the wavelength λ3 is set to a size different from the arrangement interval (pitch) P3 of the conductive segments 34a in the arrow C direction. Each conductive segment 34a has a different contact shape with the electrolyte membrane / electrode structure 14 and has the same contact area.

図12に示すように、第2セパレータ124では、各導電性セグメント42aが絶縁性樹脂枠部材40の中央領域に非導電性樹脂44を介装して格子状に配列される。導電性セグメント42aは、正面視で正方形状を有する。   As shown in FIG. 12, in the second separator 124, the conductive segments 42 a are arranged in a lattice shape with a non-conductive resin 44 interposed in the central region of the insulating resin frame member 40. The conductive segment 42a has a square shape when viewed from the front.

第2セパレータ124には、電解質膜・電極構造体14に向かう面124aに燃料ガス流路46bが設けられる。燃料ガス流路46bは、導電性セグメント42a及び非導電性樹脂44に形成されて矢印C方向に延在する複数の波状流路溝を有する。波状流路溝は、波長(周期)λ4を有し、前記波長λ4が、導電性セグメント42aの矢印C方向の配列間隔(ピッチ)P4とは異なる寸法に設定される。各導電性セグメント42aは、電解質膜・電極構造体14との接触形状が異なり且つ接触面積が同一に設定される。   The second separator 124 is provided with a fuel gas channel 46 b on a surface 124 a facing the electrolyte membrane / electrode structure 14. The fuel gas channel 46b has a plurality of wave-shaped channel grooves formed in the conductive segment 42a and the non-conductive resin 44 and extending in the direction of arrow C. The wavy channel groove has a wavelength (period) λ4, and the wavelength λ4 is set to a dimension different from the arrangement interval (pitch) P4 in the direction of arrow C of the conductive segments 42a. Each conductive segment 42a has a different contact shape with the electrolyte membrane / electrode structure 14 and has the same contact area.

このように構成される第4の実施形態では、波形状の酸化剤ガス流路38b及び波形状の燃料ガス流路46bを有するとともに、各導電性セグメント34a及び各導電性セグメント42aは、それぞれ電解質膜・電極構造体14との接触面積が同一に設定されている。従って、燃料電池120の電極面内の環境分布を精度よく計測することができ、所望の発電状態を確実に維持することが可能になる等、上記の第1及び第3の実施形態と同様の効果が得られる。   In the fourth embodiment configured as described above, each of the conductive segments 34a and each of the conductive segments 42a includes an undulating oxidant gas channel 38b and a undulated fuel gas channel 46b. The contact area with the membrane / electrode structure 14 is set to be the same. Accordingly, the environmental distribution in the electrode surface of the fuel cell 120 can be accurately measured, and the desired power generation state can be reliably maintained, and the same as in the first and third embodiments described above. An effect is obtained.

10、10a、80、100、120…燃料電池
12…燃料電池スタック 14…電解質膜・電極構造体
16、18、50、52、82、84、102、104、122、124…セパレータ
20a…酸化剤ガス供給連通孔 20b…酸化剤ガス排出連通孔
22a…燃料ガス供給連通孔 22b…燃料ガス排出連通孔
24a…冷却媒体供給連通孔 24b…冷却媒体排出連通孔
26…固体高分子電解質膜 28…カソード側電極
28a、30a…電極触媒層 28b、30b…ガス拡散層
30…アノード側電極 32、40…絶縁性樹脂枠部材
34、34a、42、42a…導電性セグメント
36、44、88、92…非導電性樹脂
38、38a、38b…酸化剤ガス流路
46、46a、46b…燃料ガス流路 48、49…シール部材
54…冷却媒体流路 60…面内環境計測装置
62a〜62e、63a〜63e、66…配線
64a〜64e…交流電圧測定器 68…外部負荷
70…交流電流測定器
10, 10a, 80, 100, 120 ... Fuel cell 12 ... Fuel cell stack 14 ... Electrolyte membrane / electrode structure 16, 18, 50, 52, 82, 84, 102, 104, 122, 124 ... Separator 20a ... Oxidant Gas supply communication hole 20b ... Oxidant gas discharge communication hole 22a ... Fuel gas supply communication hole 22b ... Fuel gas discharge communication hole 24a ... Cooling medium supply communication hole 24b ... Cooling medium discharge communication hole 26 ... Solid polymer electrolyte membrane 28 ... Cathode Side electrode 28a, 30a ... Electrode catalyst layer 28b, 30b ... Gas diffusion layer 30 ... Anode side electrode 32, 40 ... Insulating resin frame members 34, 34a, 42, 42a ... Conductive segments 36, 44, 88, 92 ... Non Conductive resins 38, 38a, 38b ... Oxidant gas channels 46, 46a, 46b ... Fuel gas channels 48, 49 ... Seal members 54 ... Cooling medium Road 60 ... plane environment measuring device 62a to 62e, 63 a to 63 e, 66 ... wiring 64A~64e ... AC voltmeter 68 ... external load 70 ... AC current measuring device

Claims (2)

アノード側電極が電解質の一方面側に一体に連続して設けられるとともに、カソード側電極が前記電解質の他方面側に一体に連続して設けられた電解質・電極構造体とセパレータとが積層された燃料電池であって、
前記セパレータは、外周部に該セパレータの積層方向に貫通して燃料ガス連通孔、酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成される枠部材と、
前記枠部材内に、互いに絶縁状態に維持されて電極反応面の領域内に設けられる複数個の導電性部材と、
を備えるとともに、
前記複数個の導電性部材には、燃料ガス又は酸化剤ガスを通させるガス流路が前記電極反応面に沿って形成され
前記アノード側電極に積層される前記セパレータの前記複数個の導電性部材と、前記カソード側電極に積層される前記セパレータの前記複数個の導電性部材とは、前記電解質・電極構造体を挟んで互いに対称位置に対向配置され、且つ互いに対向する前記導電性部材同士の間のインピーダンスを測定する測定手段に各々接続されてい
ことを特徴とする燃料電池。
With the anode electrodes are continuously formed integrally on one surface of the electrolyte, and the electrolyte electrode assembly and separators disposed cathode is continuously integrated with the other surface of the electrolyte is laminated Fuel cell,
The separator has a frame member that has a fuel gas communication hole, an oxidant gas communication hole, and a cooling medium communication hole formed in the outer peripheral portion in the stacking direction of the separator;
In the frame member, a plurality of conductive members that are maintained in an insulated state and provided in the region of the electrode reaction surface;
With
A gas flow path through which the fuel gas or oxidant gas passes is formed along the electrode reaction surface in the plurality of conductive members ,
The plurality of conductive members of the separator stacked on the anode side electrode and the plurality of conductive members of the separator stacked on the cathode side electrode sandwich the electrolyte / electrode structure. It is opposed to the symmetrical positions to each other, and a fuel cell, characterized in that that are respectively connected to the measuring means for measuring the impedance between the conductive member with each other to face each other.
請求項1記載の燃料電池において、前記導電性部材は、前記枠部材内に非導電性部材を介装して格子状に配列されることを特徴とする燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the conductive member is arranged in a lattice shape with a nonconductive member interposed in the frame member.
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