WO2006134867A1 - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell Download PDF

Info

Publication number
WO2006134867A1
WO2006134867A1 PCT/JP2006/311743 JP2006311743W WO2006134867A1 WO 2006134867 A1 WO2006134867 A1 WO 2006134867A1 JP 2006311743 W JP2006311743 W JP 2006311743W WO 2006134867 A1 WO2006134867 A1 WO 2006134867A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
grooves
cooling fluid
flow path
separator
fuel cell
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/311743
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Shinsuke Takeguchi
Kazuhito Hatoh
Hiroki Kusakabe
Yasuo Takebe
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. filed Critical Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Publication of WO2006134867A1 publication Critical patent/WO2006134867A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

A highly reliable polyelectrolyte fuel cell exhibiting excellent durability and heat recovery power by enhancing cooling effect more on the inlet side than on the outlet side of at least one of a fuel gas channel and an oxidizing agent gas channel without lowering the total cooling efficiency by cooling fluid. At least one of an anode side separator and a cathode side separator is provided with a cooling fluid channel constituted of two or more grooves. While gradually widening the interval between grooves from one inlet toward the outlet of at least one of the fuel gas channel and the oxidizing agent gas channel, the number of grooves is kept constant and the widths of two or more grooves are kept constant from the inlet to the outlet.

Description

明 細 書  Specification
燃料電池  Fuel cell
技術分野  Technical field
[0001] 本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源及び家庭内コージェネレーション システム等に使用される燃料電池に関する。  The present invention relates to a fuel cell used for a portable power source, a power source for electric vehicles, a domestic cogeneration system, and the like.
背景技術  Background art
[0002] 陽イオン (水素イオン)伝導性を有する高分子電解質を用いた従来の高分子電解 質型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガス とを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。 図 8は、従来の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池に含まれる膜電極接 合体 (MEA)の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図 9は、図 8に示す 膜電極接合体を用いた単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。  [0002] A conventional polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte having positive ion (hydrogen ion) conductivity electrically connects a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. By making it react chemically, electric power and heat are generated simultaneously. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a membrane electrode assembly (MEA) included in a unit cell mounted on a conventional polymer electrolyte fuel cell. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of a unit cell using the membrane electrode assembly shown in FIG.
[0003] 図 8に示すように、従来の高分子電解質型燃料電池の膜電極接合体 200において は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜 201の両面に、電極触媒 (例え ば白金金属)を担持した炭素粉末で構成された触媒体と、水素イオン伝導性を有す る高分子電解質との混合物からなる触媒層 202a、 202bが形成されている。  As shown in FIG. 8, in a membrane electrode assembly 200 of a conventional polymer electrolyte fuel cell, an electrode catalyst (for example, platinum) is formed on both sides of a polymer electrolyte membrane 201 that selectively transports hydrogen ions. Catalyst layers 202a and 202b made of a mixture of a catalyst body made of carbon powder supporting (metal) and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity are formed.
触媒層 202a、 202bの外側には、ガス拡散層 203a、 203bが配置されており、触媒 層 202aとガス拡散層 203aとがアノード 204aを構成し、触媒層 202bとガス拡散層 2 03bとが力ソード 204bを構成している。そして、アノード 204aの触媒層 202aでは、 式(1): H→2H++ 2e"で示される反応によってプロトンが生じ、力ソード 204bの触 Gas diffusion layers 203a and 203b are disposed outside the catalyst layers 202a and 202b. The catalyst layer 202a and the gas diffusion layer 203a constitute an anode 204a, and the catalyst layer 202b and the gas diffusion layer 203b are in force. Sword 204b is configured. Then, the catalyst layer 202a of the anode 204a, equation (1): H → reaction protons caused by represented by 2H + + 2e ", the force Sword 204b touch
2  2
媒層 202bでは、酸素とアノード 204aから移動してきたプロトンと力 式(2) : lZ20  In the medium layer 202b, oxygen and protons that have moved from the anode 204a and force (2): lZ20
2 2
+ 2H+ + 2e"→H Oで示される反応によって水が生成する。 Water is produced by the reaction represented by + 2H ++ 2e "→ HO.
2  2
[0004] 図 9に示すように、図 8に示す MEA200を用いた単電池 210においては、アノード 204aおよび力ソード 204bに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク 防止や、前記 2種類のガスの混合防止のため、アノード 204aおよび力ソード 204bの 周囲に、高分子電解質膜 201を挟んでガスケット 206a、 206bが配置されている。 なお、ガスケット 206a、 206bは、アノード 204aおよび力ソード 204bならびに高分 子電解質膜 201と一体ィ匕してあらカゝじめ組み立てられ、これらを一体化して得られた 構造体を MEAと呼ぶこともある。 As shown in FIG. 9, in the unit cell 210 using the MEA 200 shown in FIG. 8, the leakage of fuel gas and oxidant gas supplied to the anode 204a and the power sword 204b to the outside is prevented. Gaskets 206a and 206b are disposed around the anode 204a and the force sword 204b with the polymer electrolyte membrane 201 interposed therebetween to prevent mixing of various types of gases. Gaskets 206a and 206b are composed of anode 204a, force sword 204b, A structure obtained by assembling together with the subelectrolyte membrane 201 and combining them together may be referred to as MEA.
[0005] また、単電池 210は、隣接する単電池を機械的に固定しかつ電気的に接続するた めの、導電性を有する板状のセパレータ 205a、 205bを有する。そして、セパレータ 2 05a、 205bがアノード 204aおよび力ソード 204bに接触する部分には、それぞれァノ ード 204aまたは力ソード 204bに反応ガス (燃料ガスまたは酸化剤ガス)を供給し、生 成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路 207aおよび 207bが形成されている。  In addition, the unit cell 210 includes conductive plate-like separators 205a and 205b for mechanically fixing and electrically connecting adjacent unit cells. Then, the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) is supplied to the anode 204a or the power sword 204b to the part where the separators 205a and 205b are in contact with the anode 204a and the power sword 204b, respectively. Gas flow paths 207a and 207b for carrying away excess gas are formed.
[0006] 更に、発電が行われると MEA200は発熱するため、 MEA200の温度を許容され る動作温度に維持するために、冷却水等の冷却流体を流通させて余剰熱を取り除く ことが行われる。一般的には、セパレータ 205aおよびセパレータ 205bの少なくとも 一方において、ガス流路 207a、 207bが形成された面の反対側の面に、冷却水流路 208a, 208bを設け、ここに冷却水などの冷却流体を流通させている。  [0006] Further, since the MEA 200 generates heat when power generation is performed, in order to maintain the temperature of the MEA 200 at an allowable operating temperature, a surplus heat is removed by circulating a cooling fluid such as cooling water. Generally, in at least one of the separator 205a and the separator 205b, cooling water passages 208a and 208b are provided on the surface opposite to the surface on which the gas passages 207a and 207b are formed, and a cooling fluid such as cooling water is provided here. Is distributed.
[0007] そして、冷却水流路 208a、 208bとしては、複数の直線状の溝と、隣接する直線状 の溝の端を上流側から下流側へ連結するターン状の溝と、力 なるサーペンタイン形 の冷却水流路が良く用いられ、各溝は等間隔で形成されているのが一般的である。 また、冷却水流路 208a、 208bは、略平行な複数の直線状の溝によって構成される こともあるが、この場合も各溝は等間隔に形成されているのが一般的である。  [0007] The cooling water channels 208a and 208b include a plurality of linear grooves, a turn-shaped groove that connects the ends of the adjacent linear grooves from the upstream side to the downstream side, and a powerful serpentine type A cooling water flow path is often used, and the grooves are generally formed at equal intervals. The cooling water channels 208a and 208b may be constituted by a plurality of substantially parallel linear grooves, but in this case as well, the grooves are generally formed at equal intervals.
[0008] ここで、上述のような単電池 210の面内においては、供給される燃料ガスまたは酸 ィ匕剤ガスの入口部分、即ちガス流路 207a、 207bの上流側で発電および発熱が集 中することが経験的に認められることから、その結果、 MEA200およびセパレータ 20 5a、 205bにおいて当該入口部分に相当する部分の温度が上昇してしまうという問題 がある。そして、高分子電解質型燃料電池の耐久性の観点から、電極 (アノードおよ び力ソード)部分での反応ガスの相対湿度を全域にわたって 100%以上、即ち過飽 和状態にすることによって電池性能の劣化が抑制されることが知られている。  [0008] Here, in the plane of the unit cell 210 as described above, power generation and heat generation are collected at the inlet portion of the supplied fuel gas or oxidizing agent gas, that is, upstream of the gas flow paths 207a and 207b. As a result, there is a problem that the temperature of the MEA 200 and the separators 205a and 205b corresponding to the inlet portion increases. From the viewpoint of durability of the polymer electrolyte fuel cell, the cell performance is improved by setting the relative humidity of the reaction gas at the electrode (anode and force sword) part to 100% or more, that is, oversaturated over the entire area. It is known that the deterioration of is suppressed.
[0009] そこで、例えば特許文献 1にお!/、ては、冷却水流路の構成を工夫して、単電池の 面内での温度勾配を制御することによって、電池性能向上を図る取り組みが行われ ている。  [0009] Therefore, for example, in Patent Document 1! /, An effort was made to improve battery performance by devising the configuration of the cooling water flow path and controlling the temperature gradient in the plane of the unit cell. It has been broken.
具体的には、冷却流体の冷却能力を酸化剤ガス用流路および Zまたは燃料ガス 用流路の入口側よりも出口側の方がより低くなるように構成し、発熱量過多の入口側 の領域でより多くの熱量を除去するとともに、出口側における反応ガスの温度上昇に よって飽和水蒸気量を上昇させて水の排出性を高めることを意図した方法が提案さ れている。 Specifically, the cooling capacity of the cooling fluid is determined by the flow path for oxidant gas and Z or fuel gas. It is configured so that the outlet side is lower than the inlet side of the flow path, and more heat is removed in the region on the inlet side where the calorific value is excessive, and saturation occurs due to the temperature rise of the reaction gas on the outlet side. Methods have been proposed that are intended to increase the water vapor and increase the water discharge.
特許文献 1:特開 2004— 39540号公報  Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2004-39540
発明の開示  Disclosure of the invention
発明が解決しょうとする課題  Problems to be solved by the invention
[0010] しかしながら、上記特許文献 1に記載された方法では、燃料ガス用流路および Zま たは酸化剤ガス用流路の出口側よりも入口側における冷却効果を高めて単電池の 面内で所定の温度分布を形成することは可能であるものの、部分的にではあるが出 口側での冷却流体の冷却能力を低下させることから、全体として冷却効率が低下し てしまうという問題がある。  [0010] However, in the method described in Patent Document 1, the cooling effect on the inlet side is higher than that on the outlet side of the fuel gas flow path and the Z or oxidant gas flow path. Although it is possible to form a predetermined temperature distribution with this, the cooling efficiency of the cooling fluid on the outlet side will be reduced, but the cooling efficiency will be reduced as a whole. .
[0011] また、上記特許文献 1に記載の発明においては、セパレータの冷却水流路のうち冷 却能力を低下させている下流側の領域において、溝を隔てるリブ部の数が減らされ ることによって溝の数が減らされ、溝の幅 {即ち流路間のピッチ }が極端に広く構成さ れている。そのため、下流側の冷却水流路の断面積が大きくなり、下流側ないし出口 側で冷却水が単位面積当たりに流れるスピードが低下し、冷却水への熱交換量が低 下してしまう。したがって、単電池の面内で所定の除去熱量を達成するために余剰の 冷却水を流す必要があり、冷却水を供給するポンプの仕事量が増加してしまい、燃 料電池をシステム化した場合にシステム全体の総合効率を低下させてしまうという問 題がある。  [0011] Further, in the invention described in Patent Document 1, the number of rib portions separating the grooves is reduced in the downstream region of the cooling water flow path of the separator where the cooling capacity is reduced. The number of grooves is reduced, and the width of the grooves {that is, the pitch between the channels} is extremely wide. For this reason, the cross-sectional area of the cooling water flow path on the downstream side increases, the speed at which the cooling water flows per unit area on the downstream side or the outlet side decreases, and the heat exchange amount to the cooling water decreases. Therefore, it is necessary to flow excess cooling water in order to achieve a predetermined amount of heat removal in the plane of the cell, and the work of the pump that supplies the cooling water increases, and the fuel cell is systemized. Another problem is that it reduces the overall efficiency of the entire system.
[0012] 更にまた、上記特許文献 1に記載のセパレータは、上述のように、下流側の領域に ぉ 、て、溝を隔てるリブ部の数が減らされることによって溝の数が減らされて 、ること から、機械的強度に劣り、当該セパレータを用いた単電池を積層して燃料電池用の スタックを作製して締結した際に、セパレータの機械的疲労による割れやクラック発生 が懸念されるという問題や、また、セパレータとアノードまたは力ソードとの接触面積 が少なく、電気的抵抗の増大によって効率低下を招くと 、う問題もある。  [0012] Furthermore, as described above, in the separator described in Patent Document 1, the number of grooves is reduced by reducing the number of rib portions separating the grooves in the downstream region. Therefore, it is inferior in mechanical strength, and when a single cell using the separator is laminated and a stack for a fuel cell is manufactured and fastened, there is a concern that the separator may be cracked or cracked due to mechanical fatigue. There is also a problem that the contact area between the separator and the anode or the force sword is small and the efficiency is lowered due to an increase in electrical resistance.
[0013] そこで、本発明は以上のような問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池全体に おける冷却流体による冷却効率を低下させずに、燃料ガス用流路および酸化剤ガス 用流路のうち少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の 面内で好適な温度分布の実現を可能とし、更に、冷却効率を高めることによって不必 要に冷却水を供給する必要がなくなるために、ポンプの消費電力量を増大させること なく冷却流体を流通させることができ、セパレータの機械的疲労による割れやクラック の発生や電気的抵抗の増大の起こりにくい、耐久性および熱回収能に優れた信頼 性の高い高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。更には、本発明は 、上記のような高分子電解質型燃料電池を容易かつ確実に実現することのできるセ ノルータを提供することも目的とする。 [0013] Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and is applied to the entire fuel cell. Without reducing the cooling efficiency due to the cooling fluid, the cooling effect on the inlet side of the flow path for fuel gas and the flow path for oxidant gas is higher than that on the outlet side. Since the temperature distribution can be realized and the cooling efficiency is increased, it becomes unnecessary to supply the cooling water unnecessarily, so that the cooling fluid can be circulated without increasing the power consumption of the pump. It is an object of the present invention to provide a highly reliable polymer electrolyte fuel cell with excellent durability and heat recovery capability, which is less prone to cracks and cracks due to mechanical fatigue and increases in electrical resistance. Furthermore, another object of the present invention is to provide a cell router capable of easily and surely realizing the polymer electrolyte fuel cell as described above.
課題を解決するための手段  Means for solving the problem
[0014] 本発明者らは、上記のような目的を達成すべく鋭意検討したところ、冷却流体用流 路を 2本以上の溝で構成し、燃料ガス用流路および酸化剤ガス用流路のうち少なくと も一方の入口から出口へと向かって、上記冷却流体用流路を構成する溝と溝との間 隔を広げ、かつ溝の本数を上記の入口から出口まで同一とし、上記 2本以上の溝の 幅をそれぞれ上記の入口から出口まで一定となる構成をとることによって、先に述べ た問題を解消することができることを見出し、本発明を完成するに至った。  [0014] The present inventors diligently studied to achieve the above-described object, and as a result, the cooling fluid channel is composed of two or more grooves, and the fuel gas channel and the oxidant gas channel. The gap between the grooves constituting the cooling fluid flow path is widened from at least one of the inlets to the outlet, and the number of grooves is the same from the inlet to the outlet. The present inventors have found that the above-described problems can be solved by adopting a configuration in which the widths of the grooves equal to or larger than the above are constant from the above-mentioned inlet to the outlet, and the present invention has been completed.
[0015] 即ち、上記課題を解決すベぐ本発明者は、  [0015] That is, the inventor who should solve the above problems
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟むアノードお よび力ソードと、アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含 む導電性を有するアノード側セパレータと、力ソードに酸化剤ガスを供給及び排出す るための酸化剤ガス用流路を含む導電性を有する力ソード側セパレータと、を具備す る単電池を含んでおり、  Conductive anode side including a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity, an anode and a force sword sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a fuel gas passage for supplying and discharging fuel gas to and from the anode A unit cell comprising a separator and a conductive power sword side separator including a flow path for an oxidant gas for supplying and discharging an oxidant gas to the power sword;
アノード側セパレータおよび力ソード側セパレータのうちの少なくとも一方力 2本以 上の溝で構成された冷却流体用流路を有し、  A cooling fluid flow path including at least one groove of at least one of the anode side separator and the force sword side separator;
アノード側セパレータおよび力ソード側セパレータのうちの冷却流体用流路が形成 されている主面上において、 2本以上の溝のうちの隣り合う溝同士の間隔が、燃料ガ ス用流路および酸化剤ガス用流路のうち少なくとも一方の入口から出口へいくにした 力 Sつて広がっており、 2本以上の溝の本数が入口から出口まで同一であり、 2本以上の溝の幅がそれぞれ入口力 前記出口まで一定であること、を特徴とする 燃料電池を提供する。 On the main surface of the anode side separator and the force sword side separator on which the cooling fluid flow path is formed, the distance between adjacent grooves of the two or more grooves is determined by the fuel gas flow path and the oxidation flow path. The force S that extends from at least one of the agent gas flow paths to the outlet spreads, and the number of two or more grooves is the same from the inlet to the outlet. Provided is a fuel cell characterized in that the width of each of the two or more grooves is constant up to the inlet force and the outlet.
[0016] 上記のような構成をとることによって、燃料電池全体における冷却流体による冷却 効率を低下させずに、燃料ガス用流路および酸化剤ガス用流路のうち少なくとも一 方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布を 実現することができ、更に、圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分布を実 現するために、仕事量 (ポンプ効率)を低減させることなく冷却流体を流通させること ができ、セパレータの機械的疲労による割れやクラックの発生や電気的抵抗の増大 の起こりにく ヽ、耐久性および熱回収能に優れた信頼性の高 ヽ高分子電解質型燃 料電池を提供することができる。  [0016] By adopting the configuration as described above, the cooling efficiency by the cooling fluid in the entire fuel cell is not lowered, and the outlet side of at least one of the fuel gas channel and the oxidant gas channel is reduced. It is possible to increase the cooling effect on the inlet side to realize a preferable temperature distribution in the plane of the unit cell, and to realize such a preferable temperature distribution without increasing the pressure loss. Cooling fluid can be circulated without reducing the volume (pump efficiency), and it is difficult to cause cracks and cracks due to mechanical fatigue of the separator and increase in electrical resistance.Excellent durability and heat recovery In addition, a highly reliable polymer electrolyte fuel cell can be provided.
[0017] なお、上記のような本発明の構成は上記特許文献 1においては開示も示唆もされて おらず、上記特許文献 1に記載の構成によっては、燃料ガス用流路および酸化剤ガ ス用流路の出口よりも入口における冷却効果を高めて単電池の面内で温度分布を 形成することは可能であるものの、燃料電池全体における冷却効率の低下、圧力損 失の増大、仕事量 (ポンプ効率)の低減、及びセパレータの割れやクラックの発生や 電気的抵抗の増大を防止することは困難であった。特に、高分子電解質型燃料電池 をオンサイト型のコージェネレーションシステムに用いる場合を想定すると、熱回収が 非常に重要なファクタになる力 力かる観点から見ても、上記特許文献 1に記載の高 分子電解質型燃料電池は問題があった。  [0017] It should be noted that the configuration of the present invention as described above is neither disclosed nor suggested in Patent Document 1, and depending on the configuration described in Patent Document 1, a fuel gas flow path and an oxidant gas are used. Although it is possible to increase the cooling effect at the inlet rather than the outlet of the flow path to form a temperature distribution in the plane of the unit cell, the cooling efficiency of the entire fuel cell is reduced, the pressure loss is increased, the work load ( It has been difficult to reduce the pump efficiency) and to prevent the separator from cracking, cracking and electrical resistance. In particular, assuming that a polymer electrolyte fuel cell is used in an on-site type cogeneration system, from the viewpoint of heat recovery becoming a very important factor, the high power described in Patent Document 1 is described. The molecular electrolyte fuel cell has a problem.
[0018] 本発明は、このような従来の問題を解消し、燃料電池全体における冷却流体による 冷却効率を低下させずに、燃料ガス用流路および酸化剤ガス用流路のうち少なくと も一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分 布を実現することができ、圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分布を実現 するために、仕事量 (ポンプ効率)を低減させることなく冷却流体を流通させることが でき、セパレータの機械的疲労による割れやクラックの発生や電気的抵抗の増大の 起こりにく!/ヽ、耐久性および熱回収能に優れた信頼性の高 ヽ高分子電解質型燃料 電池を提供することを目的とするものである。  [0018] The present invention eliminates such a conventional problem and reduces at least one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path without reducing the cooling efficiency by the cooling fluid in the entire fuel cell. In order to realize such a suitable temperature distribution without increasing the pressure loss, the cooling effect on the inlet side can be enhanced rather than the outlet side of the cell, and a suitable temperature distribution can be realized in the plane of the unit cell. In addition, the cooling fluid can be circulated without reducing the amount of work (pump efficiency), and it is difficult for cracks and cracks to occur due to mechanical fatigue of the separator and increase in electrical resistance! An object of the present invention is to provide a highly reliable polymer electrolyte fuel cell with excellent heat recovery capability.
[0019] 更にまた、本発明は、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率を低下させ ずに、燃料ガス用流路および酸化剤ガス用流路のうち少なくとも一方の出口側よりも 入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布を実現することがで き、圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分布を実現するため、仕事量 (ポ ンプ効率)を低減させることなく冷却流体を流通させることができ、耐久性および熱回 収能に優れた高分子電解質型燃料電池を容易かつ確実に実現することのできる、 機械的疲労による割れやクラックの発生や電気的抵抗の増大を起こしにくいセパレ ータを提供することを目的とするものである。 Furthermore, the present invention reduces the cooling efficiency by the cooling fluid in the entire fuel cell. In addition, the cooling effect on the inlet side of the fuel gas channel and the oxidant gas channel can be enhanced more than the outlet side of the fuel gas channel and the oxidant gas channel, and a suitable temperature distribution can be realized in the plane of the unit cell. In order to realize such a suitable temperature distribution without increasing the pressure loss, it is possible to circulate the cooling fluid without reducing the work (pump efficiency), and it has excellent durability and heat recovery capability. It is an object of the present invention to provide a separator that can easily and reliably realize a polymer electrolyte fuel cell that does not easily cause cracks due to mechanical fatigue, generation of cracks, or increase in electrical resistance. .
発明の効果  The invention's effect
[0020] 本発明によれば、上記のような構成をとることにより、燃料電池全体における冷却流 体による冷却効率を低下させずに、燃料ガス用流路および酸化剤ガス用流路のうち 少なくとも一方の出口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な 温度分布を実現することができ、圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分 布を実現するために、仕事量 (ポンプ効率)を低減させることなく冷却流体を流通させ ることができ、セパレータの機械的疲労による割れやクラックの発生や電気的抵抗の 増大の起こりにくい、耐久性および熱回収能に優れた高分子電解質型燃料電池を 提供することができる。更にまた、本発明によれば、上記のような高分子電解質型燃 料電池を容易かつ確実に実現することのできる、機械的疲労による割れやクラックの 発生や電気的抵抗の増大の起こりにく 、セパレータを提供することができる。  [0020] According to the present invention, by adopting the above-described configuration, at least one of the fuel gas channel and the oxidant gas channel without reducing the cooling efficiency by the cooling fluid in the entire fuel cell. The cooling effect on the inlet side can be enhanced rather than one outlet side to achieve a suitable temperature distribution in the plane of the unit cell, and such a suitable temperature distribution can be realized without increasing the pressure loss. Therefore, the cooling fluid can be circulated without reducing the work volume (pump efficiency), and it is difficult to cause cracks and cracks due to mechanical fatigue of the separator and increase in electrical resistance, durability and heat recovery. A polymer electrolyte fuel cell with excellent performance can be provided. Furthermore, according to the present invention, it is possible to easily and reliably realize the polymer electrolyte fuel cell as described above, and it is difficult to cause cracks or cracks due to mechanical fatigue or increase in electrical resistance. A separator can be provided.
図面の簡単な説明  Brief Description of Drawings
[0021] [図 1]本発明の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池に含まれる膜電極接 合体 (MEA)の基本構成の一例を示す概略断面図である。  FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of a membrane electrode assembly (MEA) included in a unit cell mounted on a polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
[図 2]図 1に示す膜電極接合体を用いた単電池の基本構成の一例を示す概略断面 図である。  2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a unit cell using the membrane electrode assembly shown in FIG.
[図 3]図 2に示した単電池 110におけるアノード 4a側のセパレータ 5aの冷却流体用流 路 8a側から見た正面図である。  3 is a front view of the separator 5a on the anode 4a side in the unit cell 110 shown in FIG. 2 as viewed from the cooling fluid flow path 8a side.
[図 4]図 3に示した単電池 110におけるアノード 4a側のセパレータ 5aの背面図、即ち 燃料ガス用流路 7a側から見た正面図である。  4 is a rear view of the separator 5a on the anode 4a side in the unit cell 110 shown in FIG. 3, that is, a front view seen from the fuel gas flow path 7a side.
[図 5]図 2に示した単電池 110における力ソード 4b側のセパレータ 5bの冷却流体用 流路 8b側から見た正面図である。 [Fig.5] Power sword in unit cell 110 shown in Fig. 2 Separator 5b for cooling fluid 5b It is the front view seen from the flow path 8b side.
[図 6]図 5に示した単電池 110における力ソード 4b側のセパレータ 5bの背面図、即ち 酸化剤ガス用流路 7b側力も見た正面図である。  6 is a rear view of the separator 5b on the side of the force sword 4b in the unit cell 110 shown in FIG. 5, that is, a front view of the side force of the oxidizing gas channel 7b.
[図 7]本発明の比較例で用いたアノード 4a側のセパレータ 5aの冷却流体用流路 8a 側から見た正面図である。  FIG. 7 is a front view of the separator 4a on the anode 4a side used in the comparative example of the present invention as viewed from the cooling fluid channel 8a side.
[図 8]従来の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池に含まれる膜電極接合 体 (MEA)の基本構成の一例を示す概略断面図である。  FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a membrane electrode assembly (MEA) included in a unit cell mounted on a conventional polymer electrolyte fuel cell.
[図 9]図 8に示す膜電極接合体を用いた単電池の基本構成の一例を示す概略断面 図である。  FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of a unit cell using the membrane electrode assembly shown in FIG.
発明を実施するための最良の形態  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0022] 以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以 下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略す ることちある。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions may be omitted.
図 1は、本発明の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池に含まれる膜電極 接合体 (MEA)の基本構成の一例を示す概略断面図である。また、図 2は、図 1に示 す膜電極接合体を用いた単電池の基本構成の一例を示す概略断面図である。  FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a basic configuration of a membrane electrode assembly (MEA) included in a unit cell mounted on a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the basic configuration of a unit cell using the membrane electrode assembly shown in FIG.
[0023] 図 1に示すように、本発明の高分子電解質型燃料電池の MEA100においては、 水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜 (例えば米国デュポン (株)製の Naf ion (商品名)) 1の両面に、電極触媒 (例えば白金などの貴金属)を担持した導電性 炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物力 なる触媒層 2a 、 2bが形成されている。  [0023] As shown in FIG. 1, in the polymer electrolyte fuel cell MEA100 of the present invention, a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions (for example, Naf ion (trade name, manufactured by DuPont, USA) )) On both sides of 1, catalyst layers 2a and 2b are formed which are a mixture force of conductive carbon particles carrying an electrode catalyst (for example, a noble metal such as platinum) and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity.
この触媒層 2a、 2bは、貴金属からなる電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、高 分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の 方法により形成することができる。  The catalyst layers 2a and 2b are formed by a method known in the art using a catalyst layer forming ink containing conductive carbon particles supporting a noble metal electrode catalyst, a high molecular electrolyte, and a dispersion medium. can do.
[0024] 触媒層 2a、 2bの外側には、ガス拡散層 3a、 3bが配置されており、触媒層 2aとガス 拡散層 3aとがアノード 4aを構成し、触媒層 2bとガス拡散層 3bとが力ソード 4bを構成 している。ガス拡散層 3a、 3bを構成する材料としては、特に限定されることなぐ当該 分野で公知のものを使用することができる。例えばカーボンクロスやカーボンぺーパ 一などの導電性多孔質基材を用いることができる。この導電性多孔質基材には、従 来公知の方法で撥水処理を施しても構わな ヽ。 [0024] Gas diffusion layers 3a and 3b are disposed outside the catalyst layers 2a and 2b. The catalyst layer 2a and the gas diffusion layer 3a constitute an anode 4a. The catalyst layer 2b and the gas diffusion layer 3b Constitutes power sword 4b. The material constituting the gas diffusion layers 3a and 3b is not particularly limited, and those known in the art can be used. For example, carbon cloth and carbon paper One such conductive porous substrate can be used. The conductive porous substrate may be subjected to a water repellent treatment by a conventionally known method.
さらに、 MEA100も、上記のような高分子電解質膜 1、触媒層 2a、 2bおよびガス拡 散層 3a、 3bから、当該分野で公知の技術によって作製することができる。  Furthermore, the MEA 100 can also be produced from the polymer electrolyte membrane 1, the catalyst layers 2a and 2b, and the gas diffusion layers 3a and 3b as described above by techniques known in the art.
[0025] 次に、図 2に示すように、図 1に示す MEA100を用いた単電池 110には、アノード 4 aおよび力ソード 4bに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの外部へのリーク防止や 、前記 2種類のガスの混合防止のため、アノード 4aおよび力ソード 4bの周囲に、高分 子電解質膜 1を挟んでガスケット 6a、 6bが配置される。当該ガスケット 6a、 6bとしても 従来公知のものを用いることができる。  Next, as shown in FIG. 2, in the unit cell 110 using the MEA 100 shown in FIG. 1, the fuel gas and the oxidant gas supplied to the anode 4 a and the power sword 4 b are prevented from leaking to the outside. In order to prevent mixing of the two kinds of gases, gaskets 6a and 6b are disposed around the anode 4a and the force sword 4b with the polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween. Conventionally known gaskets can be used as the gaskets 6a and 6b.
[0026] 本発明の高分子電解質型燃料電池は、上記のような単電池 110の 1個または複数 個カゝらなる。単電池 110の両側には、導電性を有する板状のセパレータ 5a、 5bが配 置されている。そして、セパレータ 5a、 5bがアノード 4aおよび力ソード 4bに接触する 部分には、それぞれアノード 4aまたは力ソード 4bに反応ガス (燃料ガスまたは酸化剤 ガス)を供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路 7aおよび 7bが形成 されている。このようなセパレータ 5a、 5bは、 2個以上の単電池 110を積層して用いる 場合に、隣接する単電池を機械的に固定しかつ電気的に接続する。  [0026] The polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises one or more unit cells 110 as described above. On both sides of the unit cell 110, conductive plate-like separators 5a and 5b are arranged. Then, the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) is supplied to the anode 4a or the power sword 4b to the part where the separators 5a and 5b are in contact with the anode 4a and the power sword 4b, respectively, and the generated gas and surplus gas are carried away. Gas flow paths 7a and 7b for the purpose are formed. Such separators 5a and 5b mechanically fix and electrically connect adjacent unit cells when two or more unit cells 110 are stacked and used.
[0027] また、高分子電解質型燃料電池において発電が行われると MEA100が発熱する ため、 MEA100の温度を許容される動作温度に維持するために、冷却水等の冷却 流体を流通させて余剰熱を取り除くこと、即ち熱回収が行われる。そのため、本実施 形態におけるセパレータ 5a、 5bの両方においては、ガス流路 7a、 7bが形成された面 の反対側の面に、冷却水流路 8a、 8bが設けられており、ここに冷却水などの冷却流 体が流通される。  [0027] Further, when power is generated in the polymer electrolyte fuel cell, the MEA 100 generates heat. Therefore, in order to maintain the temperature of the MEA 100 at an allowable operating temperature, a surplus heat is generated by circulating a cooling fluid such as cooling water. Is removed, that is, heat recovery is performed. Therefore, in both the separators 5a and 5b in the present embodiment, the cooling water flow paths 8a and 8b are provided on the surface opposite to the surface where the gas flow paths 7a and 7b are formed. The cooling fluid is circulated.
[0028] 図 2においては、単電池 110の両側に冷却流体用流路 8a、 8bが形成されているが 、単電池 110を 2個以上積層してスタックとして用いる場合には、単電池 2〜3個毎に 冷却流体用流路を配置してもよ ヽ。単電池間に冷却流体用流路を形成しな ヽ場合 は、一方の面に燃料ガスの流路を設け、他方の面に酸化剤ガスの流路を設けた、ァ ノード側セパレータ板と力ソード側セパレータ板とを兼ねる単一のセパレータを使用 することも可會である。 [0029] また、セパレータ板の材質としては、金属製、カーボン製、黒鉛と榭脂を混合した熱 伝導性および電導性に優れた材料などがあり、これらを幅広く使用することができる。 例えばカーボン粉末とバインダーとの混合物を射出成形して得られるセパレータ板 や、チタンやステンレス鋼製セパレータ板の表面に金メッキを施したものなども使用 することができる。 In FIG. 2, the cooling fluid channels 8a and 8b are formed on both sides of the unit cell 110. However, when two or more unit cells 110 are stacked and used as a stack, the unit cells 2 to A cooling fluid flow path may be arranged for every three. When a cooling fluid flow path is not formed between the cells, a fuel gas flow path is provided on one side and an oxidant gas flow path is provided on the other side. It is also possible to use a single separator that also serves as the sword side separator plate. [0029] In addition, as a material of the separator plate, there are a metal, a carbon, a material excellent in thermal conductivity and conductivity obtained by mixing graphite and resin, and these can be widely used. For example, a separator plate obtained by injection molding a mixture of carbon powder and a binder, or a titanium or stainless steel separator plate whose surface is gold-plated can also be used.
[0030] ここで、上述のように、従来の高分子電解質型燃料電池にお!、ては、セパレータに おける冷却流体用流路の形状に起因して、燃料ガス用流路および酸化剤ガス用流 路の出口よりも入口における冷却効果を高めて単電池の面内で温度分布を形成す ることは可能であるものの、燃料電池全体における冷却効率の低下、仕事量 (ポンプ 効率)の低減、及びセパレータの割れやクラックの発生や電気的抵抗の増大という問 題があった。本発明においては、力かる問題を解消するため、従来と異なる形状を有 する冷却流体用流路を用い、全く新 、構成を有するセパレータを用いる。  [0030] Here, as described above, in the conventional polymer electrolyte fuel cell, the fuel gas flow path and the oxidant gas are caused by the shape of the cooling fluid flow path in the separator. Although it is possible to increase the cooling effect at the inlet rather than the outlet of the service flow path and form a temperature distribution in the plane of the unit cell, the cooling efficiency of the entire fuel cell is reduced and the work (pump efficiency) is reduced. In addition, there were problems such as cracking of the separator, generation of cracks, and increase in electrical resistance. In the present invention, in order to solve the problem, a cooling fluid passage having a shape different from the conventional one is used, and a separator having a completely new structure is used.
[0031] 以下においては、本発明の高分子電解質型燃料電池に搭載される単電池 110〖こ 用いられるセパレータ (本発明のセパレータの実施形態)について図面を参照しなが らさらに詳しく説明する。  [0031] In the following, a separator (an embodiment of the separator of the present invention) used for 110 cells of the unit cell mounted on the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図 3は、図 2に示した単電池 110におけるアノード 4a側のセパレータ 5aの冷却流体 用流路 8a側から見た正面図である。また、図 4は、図 3に示した単電池 110における アノード 4a側のセパレータ 5aの背面図、即ち燃料ガス用流路 7a側力 見た正面図 である。  FIG. 3 is a front view of the separator 5a on the anode 4a side of the unit cell 110 shown in FIG. 2 as viewed from the cooling fluid flow path 8a side. FIG. 4 is a rear view of the separator 5a on the anode 4a side in the unit cell 110 shown in FIG. 3, that is, a front view of the fuel gas channel 7a side force.
[0032] アノード 4a側のセパレータ 5aは、図 3および図 4に示すように、酸化剤ガスの入口 側マ-ホールド孔 11および酸化剤ガスの出口側マ-ホールド孔 12、燃料ガスの入 口側マ-ホールド孔 9および燃料ガスの出口側マ-ホールド孔 10、冷却流体の入口 側マ-ホールド孔 13および冷却流体の出口側マ-ホールド孔 14を有する。  [0032] As shown in Figs. 3 and 4, the separator 5a on the anode 4a side includes an oxidant gas inlet-side manifold hole 11, an oxidant gas outlet-side manifold hole 12, and a fuel gas inlet. It has a side hold hole 9 and a fuel gas outlet side hold hole 10, a cooling fluid inlet side hold hole 13, and a cooling fluid outlet side hold hole 14.
また、セパレータ 5aは、アノード 4aと対向する面に、燃料ガスのマ-ホールド孔 9と 10をつなぐ燃料ガス用流路 7aを有し、背面には、冷却流体のマ-ホールド孔 13と 1 4をつなぐ冷却流体用流路 8aを有する。  The separator 5a has a fuel gas flow path 7a for connecting the fuel gas hold holes 9 and 10 on the surface facing the anode 4a, and the cooling fluid merge holes 13 and 1 on the back surface. 4 has a cooling fluid flow path 8a connecting the four.
[0033] 図 3および図 4において、破線 15で囲まれた領域は、 MEA100のアノード 4aを含 む発電部が位置する領域と対応する。 そして、図 3に示すように、冷却流体用流路 8aは、いわゆるサーペンタイン形状を 有している。より具体的には、冷却流体用流路 8aは、 2本の並行する溝により構成さ れ、破線 15で囲まれた領域においては、各溝は 14本の水平方向に伸びる直線部と 、隣接する直線部同士をつないでサーペンタイン形状の一本の溝とするための 6個 のターン部と、力も構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定され るものではなぐ本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。 3 and 4, the region surrounded by the broken line 15 corresponds to the region where the power generation unit including the anode 4a of the MEA 100 is located. As shown in FIG. 3, the cooling fluid channel 8a has a so-called serpentine shape. More specifically, the cooling fluid flow path 8a is constituted by two parallel grooves, and in the area surrounded by the broken line 15, each groove is adjacent to 14 horizontal portions extending in the horizontal direction. There are also six turn sections and force to connect the straight sections to form a single serpentine groove. The number of grooves and the number of turn portions are not limited to these, and can be appropriately set within a range not impairing the effects of the present invention.
[0034] ここで、冷却流体用流路 8aを構成する 2本の並行する溝は、溝と溝との間隔が、概 略的に燃料ガス用流路 7aの入口(燃料ガスの入口側マ-ホールド孔 9)から出口(燃 料ガスの出口側マ-ホールド孔 10)にいくにしたがって、即ちターン部を経るにした 力 Sつて広がっており、かつ溝の本数が上記の入ロカ 出口まで同一となるように構成 されている。また、冷却流体用流路 8aを構成する各溝の幅は上記の入口から出口ま で一定である。 [0034] Here, the two parallel grooves constituting the cooling fluid flow path 8a have an interval between the grooves that is approximately the inlet of the fuel gas flow path 7a (the fuel gas inlet side mask). -As it goes from the hold hole 9) to the outlet (fuel gas outlet side hold hole 10), that is, with the force S passing through the turn part, the width increases and the number of grooves reaches the above inlet It is configured to be the same. Further, the width of each groove constituting the cooling fluid channel 8a is constant from the inlet to the outlet.
[0035] より具体的には、図 3に示すように、セパレータ 5aの冷却流体用流路 8aの形成され る主面上において、溝 8aと溝 8aとの水平方向(本実施形態においては、セパレータ  More specifically, as shown in FIG. 3, on the main surface of the separator 5a where the cooling fluid flow path 8a is formed, the horizontal direction of the grooves 8a and 8a (in this embodiment, Separator
1 2  1 2
5aの冷却流体用流路 8aの形成される側の主面 F5a上に、 XY直交座標を仮定した 場合に、 X軸方向に略平行となる方向であって、溝 8aおよび溝 8aの直線部に略平  On the main surface F5a on the side where the cooling fluid flow path 8a is formed on 5a, assuming the XY Cartesian coordinates, the direction is substantially parallel to the X-axis direction and is a straight portion of the groove 8a and the groove 8a. Almost flat
1 2  1 2
行となる方向)における間隔 H、並びに、溝 8aと溝 8aとの垂直方向(本実施形態に a 1 2  And the vertical direction between the groove 8a and the groove 8a (in this embodiment, a 1 2
おいては、セパレータ 5aの冷却流体用流路 8aの形成される側の主面 F5a上に、 XY 直交座標を仮定した場合に、 Y軸方向に略平行となる方向であって、溝 8a  In this case, on the main surface F5a of the separator 5a on the side where the cooling fluid flow path 8a is formed, assuming an XY orthogonal coordinate, the direction is substantially parallel to the Y-axis direction, and the groove 8a
1および溝 1 and groove
8aのターン部に略平行となる方向)における間隔 V力 冷却流体用流路 8aの入口(Distance in the direction that is substantially parallel to the turn part of 8a V force Cooling fluid channel 8a inlet (
2 a 2 a
冷却流体の入口側マ-ホールド孔 13)から出口(冷却流体の出口側マ-ホールド孔 14)にいくにしたがって、即ちターン部を経るにしたがって広がっており、溝 8aはセパ レータ 5a上において二次元的に広がっている。そして、溝 8aの本数は上記の入口か ら出口まで同一であり、溝 8a及び溝 8aそれぞれの幅は上記の入口から出口まで一  The groove 8a expands as it goes from the inlet side hold hole 13) of the cooling fluid to the outlet (outlet side hold hole 14 of the cooling fluid), that is, through the turn portion. Dimensionally spread. The number of grooves 8a is the same from the inlet to the outlet, and the width of each of the grooves 8a and 8a is the same from the inlet to the outlet.
1 2  1 2
定である。  It is constant.
[0036] このように、冷却流体用流路 8aがサーペンタイン状の場合、溝 8a及び溝 8aの流  [0036] Thus, when the cooling fluid flow path 8a is serpentine, the flow of the grooves 8a and 8a
1 2 路長をほぼ一致させることができ、したがって、溝 8aと溝 8aとの間における圧損差を  1 2 The path lengths can be made almost the same, so the pressure loss difference between groove 8a and groove 8a
1 2  1 2
低減することができ、冷却流体の分配性を均一な状態により近くなるように高めること ができる。また、冷却効率を低下させずに冷却流体用流路の流路長を短くすることが できるため圧損を低くすることができ、システム効率の低下を抑制することができる。 即ち、本実施形態においては、複数の溝 8a、 8a力 上記入口側のマ-ホールド Can be reduced and increase the distribution of cooling fluid closer to a uniform state Can do. In addition, since the channel length of the cooling fluid channel can be shortened without reducing the cooling efficiency, the pressure loss can be reduced, and the reduction in system efficiency can be suppressed. That is, in this embodiment, the plurality of grooves 8a, 8a force
1 2  1 2
孔 13及び出口側のマ-ホールド孔 14とに接続され、上記のようにセパレータ 5a上に おいて二次元的に広がっており、かつ溝 8a及び溝 8aそれぞれの幅は上記の入口  Are connected to the hole 13 and the outlet-side hold hole 14 and spread two-dimensionally on the separator 5a as described above, and the width of each of the grooves 8a and 8a is the same as that of the inlet.
1 2  1 2
側から出口側まで一定であることにより、従来に対して冷却流体用流路の圧損を低 減及びシステム効率低下を抑制という効果を得ることができる。  By being constant from the side to the outlet side, it is possible to obtain the effects of reducing the pressure loss of the cooling fluid flow path and suppressing the reduction of the system efficiency as compared with the prior art.
[0037] また、燃料ガス用流路 7aは、 2本の並行する溝力もなり、破線 15で囲まれた領域に おいては、各溝は 22本の水平方向に伸びる直線部と、隣接する直線部をつなぐ 10 個のターン部から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定される ものではなぐ本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。  [0037] Further, the fuel gas flow path 7a also has two parallel groove forces, and in the region surrounded by the broken line 15, each groove is adjacent to 22 horizontal portions extending in the horizontal direction. It consists of 10 turn sections that connect the straight sections. The number of grooves and the number of turn portions are not limited to these, and can be appropriately set within a range not impairing the effects of the present invention.
[0038] 一方、図 5は、図 2に示した単電池 110における力ソード 4b側のセパレータ 5bの冷 却流体用流路 8b側から見た正面図である。また、図 6は、図 5に示した単電池 110に おける力ソード 4b側のセパレータ 5bの背面図、即ち酸化剤ガス用流路 7b側力も見 た正面図である。  On the other hand, FIG. 5 is a front view of the separator 5b on the force sword 4b side of the unit cell 110 shown in FIG. 2 as viewed from the cooling fluid flow path 8b side. FIG. 6 is a rear view of the separator 5b on the side of the force sword 4b in the unit cell 110 shown in FIG. 5, that is, a front view of the oxidant gas channel 7b side force.
力ソード 4b側のセパレータ 5bは、図 5および図 6に示すように、酸化剤ガスの入口 側マ-ホールド孔 11および酸化剤ガスの出口側マ-ホールド孔 12、燃料ガスの入 口側マ-ホールド孔 9および燃料ガスの出口側マ-ホールド孔 10、冷却流体の入口 側マ-ホールド孔 13および冷却流体の出口側マ-ホールド孔 14を有する。  As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the separator 5b on the side of the force sword 4b includes an oxidant gas inlet-side hold hole 11, an oxidant gas outlet-side hold hole 12, and a fuel gas inlet-side hold. -It has a hold hole 9, a fuel gas outlet side hold hole 10, a cooling fluid inlet side hold hole 13, and a cooling fluid outlet side hold hole 14.
また、セパレータ 5bは、力ソード 4bと対向する面に、酸化剤ガスのマ-ホールド孔 1 1と 12をつなぐ酸化剤ガス用流路 7bを有し、背面には、冷却流体のマ-ホールド孔 1 3と 14をつなぐ冷却流体用流路 8bを有する。  Further, the separator 5b has an oxidant gas flow path 7b connecting the oxidant gas merge holes 11 and 12 on the surface facing the force sword 4b, and a cooling fluid hold on the back surface. A cooling fluid flow path 8b connecting the holes 13 and 14 is provided.
[0039] 図 5および図 6において、破線 15で囲まれた領域は、 MEA100の力ソード 4bを含 む発電部が位置する領域と対応する。 5 and 6, the region surrounded by the broken line 15 corresponds to the region where the power generation unit including the force sword 4b of the MEA 100 is located.
そして、図 5に示すように、冷却流体用流路 8bは、いわゆるサーペンタイン形状を 有している。より具体的には、冷却流体用流路 8bは 2本の並行する溝により構成され 、破線 15で囲まれた領域においては、各溝は 14本の水平方向に伸びる直線部と、 隣接する直線部同士をつないでサーペンタイン形状の一本の溝とするための 6個の ターン部と、力 構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるも のではなぐ本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。 As shown in FIG. 5, the cooling fluid channel 8b has a so-called serpentine shape. More specifically, the cooling fluid flow path 8b is composed of two parallel grooves, and in the region surrounded by the broken line 15, each groove has 14 straight portions extending in the horizontal direction and adjacent straight lines. 6 pieces to connect the parts to form a single serpentine groove It consists of a turn part and a force. The number of grooves and the number of turn portions are not limited to these, and can be appropriately set within a range not impairing the effects of the present invention.
[0040] ここで、冷却流体用流路 8bを構成する 2本の並行する溝は、溝と溝との間隔が、概 略的に酸化剤ガス用流路 7bの入口(酸化剤ガスの入口側マ-ホールド孔 11)から出 口(酸化剤ガスの出口側マ-ホールド孔 12)にいくにしたがって、即ちターン部を経 るにしたがって広がっており、かつ溝の本数が上記の入口から出口まで同一となるよ うに構成されている。また、冷却流体用流路 bを構成する各溝の幅は上記の入口から 出口まで一定である。  [0040] Here, the two parallel grooves constituting the cooling fluid flow path 8b are such that the distance between the grooves is substantially the inlet of the oxidizing gas flow path 7b (oxidant gas inlet). From the side hold hole 11) to the exit (oxidant gas outlet side hold hole 12), that is, as it passes through the turn portion, and the number of grooves increases from the above-mentioned entrance to the exit. Up to the same. The width of each groove constituting the cooling fluid flow path b is constant from the inlet to the outlet.
[0041] より具体的には、図 5に示すように、溝 8bと溝 8bとの水平方向(本実施形態にお  More specifically, as shown in FIG. 5, the horizontal direction of the groove 8b and the groove 8b (in this embodiment,
1 2  1 2
いては、セパレータ 5bの冷却流体用流路 8bの形成される側の主面 F5b上に、 XY直 交座標を仮定した場合に、 X軸方向に略平行となる方向であって、溝 8bおよび溝 8b  On the main surface F5b of the separator 5b on the side where the cooling fluid flow path 8b is formed, assuming an XY orthogonal coordinate, the direction is substantially parallel to the X-axis direction, and the grooves 8b and Groove 8b
1 の直線部に略平行となる方向)における間隔 H、並びに、溝 8bと溝 8bとの垂直方 1 in a direction substantially parallel to the straight line portion 1) and the vertical direction of the grooves 8b and 8b.
2 b 1 2 2 b 1 2
向(本実施形態においては、セパレータ 5bの冷却流体用流路 8bの形成される側の 主面 F5b上に、 XY直交座標を仮定した場合に、 Y軸方向に略平行となる方向であつ て、溝 8bおよび溝 8bのターン部に略平行となる方向)における間隔 V 1S 冷却流  Direction (in this embodiment, on the main surface F5b of the separator 5b on the side where the cooling fluid flow path 8b is formed, assuming XY orthogonal coordinates, the direction is substantially parallel to the Y-axis direction. , Groove 8b and spacing in the direction substantially parallel to the turn part of groove 8b) V 1S cooling flow
1 2 b  1 2 b
体用流路 8bの入口(冷却流体の入口側マ二ホールド孔 13)から出口(冷却流体の出 口側マ-ホールド孔 14)にいくにしたがって、即ちターン部を経るにしたがって広が つており、溝 8bはセパレータ 5b上において二次元的に広がっている。そして、溝 8b の本数は上記の入口から出口まで同一であり、溝 8b及び溝 8bそれぞれの幅は上  The body channel 8b becomes wider as it goes from the inlet (cooling fluid inlet-side manifold hole 13) to the outlet (cooling fluid outlet-side manifold hole 14), that is, through the turn section. The groove 8b extends two-dimensionally on the separator 5b. The number of grooves 8b is the same from the inlet to the outlet, and the width of each of the grooves 8b and 8b is
1 2  1 2
記の入口から出口まで一定である。  It is constant from the entrance to the exit.
[0042] このように、冷却流体用流路 8bがサーペンタイン状の場合、溝 8b及び溝 8bの流  [0042] As described above, when the cooling fluid flow path 8b has a serpentine shape, the flow of the grooves 8b and 8b
1 2 路長をほぼ一致させることができ、したがって、溝 8bと溝 8bとの間における圧損差  1 2 The path length can be almost matched, so the pressure loss difference between groove 8b and groove 8b
1 2  1 2
を低減することができ、冷却流体の分配性を均一な状態により近くなるように高めるこ とができる。また、冷却効率を低下させずに冷却流体用流路の流路長を短くすること ができるため圧損を低くすることができ、システム効率の低下を抑制することができる 即ち、本実施形態においては、複数の溝 8b、 8b力 上記入口側のマ-ホールド  And the distribution of the cooling fluid can be improved to be closer to a uniform state. Further, since the flow path length of the cooling fluid flow path can be shortened without reducing the cooling efficiency, the pressure loss can be reduced, and the reduction in system efficiency can be suppressed. , Multiple grooves 8b, 8b force
1 2  1 2
孔 13及び出口側のマ-ホールド孔 14とに接続され、上記のようにセパレータ 5b上に おいて二次元的に広がっており、かつ溝 8b及び溝 8bそれぞれの幅は上記の入口 Connected to the hole 13 and the outlet hold hole 14 and on the separator 5b as described above. And the width of each of the grooves 8b and 8b is
1 2  1 2
側から出口側まで一定であることにより、従来に対して冷却流体用流路の圧損を低 減及びシステム効率低下を抑制という効果を得ることができる。  By being constant from the side to the outlet side, it is possible to obtain the effects of reducing the pressure loss of the cooling fluid flow path and suppressing the reduction of the system efficiency as compared with the prior art.
[0043] また、酸化剤ガス用流路 7bは、 2本の並行する溝力もなり、破線 15で囲まれた領域 においては、各溝は 22本の水平方向に伸びる直線部と、隣接する直線部をつなぐ 1 0個のターン部から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定され るものではなぐ本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。  [0043] Further, the oxidant gas flow path 7b also has two parallel groove forces, and in the region surrounded by the broken line 15, each groove has 22 straight portions extending in the horizontal direction and adjacent straight lines. It consists of 10 turn parts that connect the parts. The number of grooves and the number of turn portions are not limited to these, and can be appropriately set within a range not impairing the effects of the present invention.
[0044] 上記に説明したように、本実施形態によるセパレータ 5a、 5bにおいては、冷却流体 用流路 8a、 8bを構成する溝の本数を、燃料ガス用流路 7aの入口(燃料ガスの入口 側マ-ホールド孔 9)力も出口(燃料ガスの出口側マ-ホールド孔 10)にいくにしたが つて、かつ、酸化剤ガス用流路 7bの入口(酸化剤ガスの入口側マ-ホールド孔 11) 力も出口(酸化剤ガスの出口側マ-ホールド孔 12)にいくにしたがって、同一とし、さ らに、溝と溝との間隔が次第に広がっているという構成を有している。  [0044] As described above, in the separators 5a and 5b according to the present embodiment, the number of grooves constituting the cooling fluid channels 8a and 8b is set to the inlet of the fuel gas channel 7a (the inlet of the fuel gas). As the side-male hole 9) also goes to the outlet (fuel gas outlet-side hold hole 10), the inlet of the oxidant gas flow path 7b (oxidant gas inlet-side hold hole 10) 11) The force is the same as it goes to the outlet (oxidant gas outlet side hold hole 12), and the gap between the grooves gradually increases.
[0045] このような構成を有することによって、本発明におけるセパレータ 5a、 5bにおける反 応ガスの流路の入口(燃料ガスの入口側マ-ホールド孔 9および酸化剤ガスの入口 側マ-ホールド孔 11)側、即ち上流側においては、セパレータ 5a、 5bの単位容積当 たりで、熱交換に寄与する冷却流体の量が多くなる。一方、セパレータ 5a、 5bにおけ る反応ガスの流路の出口(燃料ガスの出口側マ-ホールド孔 10および酸化剤ガスの 出口側マ-ホールド孔 12)側、即ち下流側においては、セパレータ 5a、 5bの単位容 積当たりで、熱交換に寄与する冷却流体の量が少なくなる。そのため、より発熱量の 多い上流側でより高い冷却効果を発揮することができる。また、冷却流体用流路 8a、 8bの溝形状がセパレータ 5a、 5bの面内で同一であるため、冷却流体そのものの冷 却能力が低下することもない。  [0045] By having such a configuration, the reaction gas flow path inlets in the separators 5a and 5b in the present invention (the fuel gas inlet side hold hole 9 and the oxidant gas inlet side hold hole) On the 11) side, that is, on the upstream side, the amount of cooling fluid contributing to heat exchange increases per unit volume of the separators 5a and 5b. On the other hand, on the outlet side of the reaction gas flow path in the separators 5a and 5b (the fuel gas outlet side hold hole 10 and the oxidant gas outlet side hold hole 12), that is, on the downstream side, the separator 5a The amount of cooling fluid that contributes to heat exchange is reduced per unit volume of 5b. Therefore, a higher cooling effect can be exhibited on the upstream side where more heat is generated. Further, since the groove shapes of the cooling fluid flow paths 8a and 8b are the same in the plane of the separators 5a and 5b, the cooling capacity of the cooling fluid itself is not lowered.
[0046] また、セパレータ 5a、 5bとして熱伝導性に優れた材料を使用することにより、反応ガ スの流路の出口(燃料ガスの出口側マ-ホールド孔 10および酸化剤ガスの出口側 マ-ホールド孔 12)側、即ち下流側で溝と溝との間隔を広げても、セパレータ 5a、 5b 内での温度分布が発生しにくい。もしくは、発生した温度分布が消滅し易い。  [0046] In addition, by using a material having excellent thermal conductivity as the separators 5a and 5b, the outlet of the reaction gas channel (the fuel gas outlet side manifold hole 10 and the oxidant gas outlet side matrix). -Even if the gap between the grooves is widened on the hold hole 12) side, that is, on the downstream side, the temperature distribution in the separators 5a and 5b hardly occurs. Or, the generated temperature distribution tends to disappear.
さらに、冷却流体用流路 8a、 8bを構成する溝の本数を変化させないため、溝の本 数を増やした場合の冷却流体の分配性の低下と ヽつた問題も生じることはな 、。 Furthermore, in order not to change the number of grooves constituting the cooling fluid channels 8a and 8b, If the number is increased, there will be no problem with lowering the distribution of the cooling fluid.
[0047] なお、本発明の高分子電解質型燃料電池にお!ヽては、等間隔で形成された複数 の溝からなる従来の冷却流体用流路と比べて、冷却流体用流路とセパレータとの接 触面積が減少してしまうが、冷却流体用流路の総長が短くなり、同じ流量の冷却流体 を流通させた場合に圧力損失が低下するというメリットがある。そのため、従来の圧力 損失を維持することを考慮すれば、冷却流体の流量を増加させることができ、従来の 冷却流体用流路の入口側で除去される熱量に対して、相対的に多くの熱量を除去 することができる。 [0047] It should be noted that the polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a cooling fluid channel and a separator as compared with a conventional cooling fluid channel comprising a plurality of grooves formed at equal intervals. However, the total length of the cooling fluid flow path is shortened, and there is an advantage that pressure loss is reduced when the same amount of cooling fluid is circulated. Therefore, considering the maintenance of the conventional pressure loss, the flow rate of the cooling fluid can be increased, and a relatively large amount of heat is removed from the inlet side of the conventional cooling fluid channel. The amount of heat can be removed.
[0048] 以上のように、本発明によれば、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率 を低下させずに、燃料ガス用流路および酸化剤ガス用流路のうち少なくとも一方の出 口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布の実現が 可能となる。また、圧力損失を増大させることなくそのような好適な温度分布を実現す るために、仕事量 (ポンプ効率)を低減させることなく冷却流体を流通させることができ 、セパレータの機械的疲労による割れやクラックの発生や電気的抵抗の増大の起こり にく ヽ、耐久性および熱回収能に優れた信頼性の高 ヽ高分子電解質型燃料電池を 提供することができる。更に本発明によれば、上記のような高分子電解質型燃料電 池を容易かつ確実に実現することのできるセパレータを提供することができる。  [0048] As described above, according to the present invention, the cooling efficiency by the cooling fluid in the entire fuel cell is not lowered, and at least one outlet side of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path is provided. In addition, the cooling effect on the inlet side can be enhanced and a suitable temperature distribution can be realized in the plane of the unit cell. In addition, in order to achieve such a suitable temperature distribution without increasing the pressure loss, the cooling fluid can be circulated without reducing the work amount (pump efficiency), and the separator is cracked due to mechanical fatigue. In addition, it is possible to provide a highly reliable polymer electrolyte fuel cell with excellent durability and heat recovery ability, which is less likely to cause cracks and electrical resistance. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a separator capable of easily and reliably realizing the polymer electrolyte fuel cell as described above.
[0049] ここで、水の排出性を低減させずにフラッデイングを防止すると!/、う観点から、燃料 ガスの入口側マ-ホールド孔 9および燃料ガスの出口側マ-ホールド孔 10、酸化剤 ガスの入口側マ二ホールド孔 11および酸化剤ガスの出口側マ二ホールド孔 12、なら びに冷却流体の入口側マ-ホールド孔 13および冷却流体の出口側マ-ホールド孔 14は、図 3〜6に示した位置に設けるのが好ましい。  [0049] From this point of view, if flooding is prevented without reducing the water discharge performance, the fuel gas inlet side hold hole 9 and the fuel gas outlet side hold hole 10 are oxidized. Figure 3 shows the inlet gas manifold hole 11 and the oxidizing gas outlet manifold hole 12, and the cooling fluid inlet hole 13 and cooling fluid outlet hole 14. It is preferable to provide at the positions shown in -6.
[0050] 即ち、図 3に示すように、セパレータ 5aの主面を垂直に設置した場合に、上半分の 位置に燃料ガスの入口側マ-ホールド孔 9、酸化剤ガスの入口側マ-ホールド孔 11 および冷却流体の入口側マ-ホールド孔 13を設け、下半分の位置に燃料ガスの出 口側マ-ホールド孔 10、酸化剤ガスの出口側マ-ホールド孔 12および冷却流体の 出口側マ-ホールド孔 14を設けるのが好ましい。これによれば、冷却流体用流路 8a 、 8bの流れに沿って上流側に燃料ガスの入口側マ-ホールド孔 9および酸化剤ガス の入口側マ-ホールド孔 11が存在し、下流側に燃料ガスの出口側マ-ホールド孔 1 0および酸化剤ガスの出口側マ-ホールド孔 12が存在し、フラッデイングが発生しに くい。 That is, as shown in FIG. 3, when the main surface of the separator 5a is installed vertically, the fuel gas inlet side hold hole 9 and the oxidant gas inlet side hold are located in the upper half position. Hole 11 and cooling fluid inlet side hold hole 13 are provided, fuel gas outlet side hold hole 10 in the lower half position, oxidant gas outlet side hold hole 12 and cooling fluid outlet side It is preferable to provide the mar-hold hole 14. According to this, along the flow of the cooling fluid flow paths 8a, 8b, the upstream side of the fuel gas inlet hole 9 and the oxidant gas are provided upstream. Of the fuel gas, the fuel gas outlet side hole 10 and the oxidant gas outlet side hole 12 are present on the downstream side, and flooding is unlikely to occur.
[0051] また、電池の耐久性向上という観点から、上半分の位置においては、酸化剤ガスの 入口側マ-ホールド孔 11、また燃料ガスの入口側マ-ホールド孔 9と冷却流体の入 口側マ-ホールド孔 13とは近くに設けるのが好ましぐ酸化剤ガスの入口マ-ホール ド孔 11がより効果的である。下半分の位置においては、燃料ガスの出口側マ-ホー ルド孔 10、酸化剤ガスの出口側マ-ホールド孔 12および冷却流体の出口側マ-ホ 一ルド孔 14は、下半分の位置にあれば、互いに近くに設けても離して設けても構わ ない。  [0051] Further, from the viewpoint of improving the durability of the battery, in the upper half position, the oxidant gas inlet side hold hole 11, the fuel gas inlet side hold hole 9 and the cooling fluid inlet port are provided. An inlet gas hold hole 11 for the oxidant gas, which is preferably provided close to the side hold hole 13, is more effective. In the lower half position, the fuel gas outlet side hole 10, the oxidant gas outlet side hole 12, and the cooling fluid outlet side hole 14 are in the lower half position. If so, they may be provided close to each other or separated from each other.
[0052] 以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に 限定されるものではない。  [0052] While the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment.
例えば、上述の実施形態においては、アノード側セパレータおよび力ソード側セパ レータの両方に冷却流体用流路を設けた力 本発明においてはアノード側セパレー タおよび力ソード側セパレータのうち少なくとも一方に設けられていればよい。  For example, in the above-described embodiment, the cooling fluid flow path is provided in both the anode side separator and the force sword side separator. In the present invention, the cooling fluid flow path is provided in at least one of the anode side separator and the force sword side separator. It only has to be.
また、複数の単電池を積層して用いる場合には、例えば単電池 2〜3個に 1つの割 合で上記冷却流体用流路を設けてもよぐ冷却流体用流路をカソード側セパレータと アノード側セパレータの双方に溝を設けて 1組の流路を形成したり、一方のセパレー タのみに溝を設けこれによつて両セパレータ間に冷却流体用流路を形成してもよい。 なお、セパレータ板の構造以外の構成要素については、特に制限はなぐ本発明 の効果を損なわなヽ範囲で適宜選択することができる。  When a plurality of unit cells are used in a stacked manner, for example, the cooling fluid channel may be provided as a cathode-side separator. A pair of channels may be formed by providing grooves on both anode side separators, or a channel for cooling fluid may be formed between both separators by providing grooves on only one separator. The constituent elements other than the structure of the separator plate can be appropriately selected within a range that does not impair the effects of the present invention.
以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに 限定されるものではない。  Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例 1  Example 1
[0053] 導電性炭素粒子であるアセチレンブラック (電気化学工業 (株)製のデンカブラック 、粒径 35nm)を、ポリテトラフルォロエチレン(PTFE)の水性デイスパージヨン(ダイ キン工業 (株)製の D1)と混合し、乾燥質量として PTFEを 20質量%含む撥水インク を調製した。なお、乾燥質量は、 PTFEが分解せず、かつ分散媒が十分に除去され る条件下で実験的に求めた。この撥水インクを、ガス拡散層を構成する導電性多孔 質基材であるカーボンペーパー(東レ (株)製の TGPH060H)の上に塗布して含浸 させ、熱風乾燥機を用いて 300°Cで熱処理し、ガス拡散層(約 200 μ m)を形成した [0053] Acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., particle size: 35 nm), which is a conductive carbon particle, was added to a polytetrafluoroethylene (PTFE) aqueous disperse rayon (Daikin Industries, Ltd.). A water repellent ink containing 20% by mass of PTFE as a dry mass was prepared by mixing with D1). The dry mass is such that PTFE is not decomposed and the dispersion medium is sufficiently removed. Obtained experimentally under the following conditions. This water-repellent ink is applied and impregnated on carbon paper (TGPH060H manufactured by Toray Industries, Inc.), which is a conductive porous substrate that constitutes the gas diffusion layer, and is heated at 300 ° C using a hot air dryer. Heat-treated to form a gas diffusion layer (about 200 μm)
[0054] 一方、導電性炭素粒子であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショ ナル (株)製の Ketjen Black EC、粒径 30nm)上に、白金粒子を担持させて得ら れた触媒体 (50質量%が Pt) 66質量部を、水素イオン伝導性を有する結着剤である パーフルォロカーボンスルホン酸アイオノマー(米国 Aldrich社製の 5質量0 /oNafion 分散液) 33質量部 (高分子乾燥質量)と混合した。得られた混合物を成形して触媒 層 (厚さ 10〜20 ;ζ ΐη)を形成した。なお、乾燥質量は、高分子電解質が分解せず、 かつ分散媒が十分に除去される条件下で実験的に求めて行った。 [0054] On the other hand, a catalyst obtained by supporting platinum particles on Ketjen Black (Ketjen Black EC, particle size 30 nm) manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd., which is conductive carbon particles ( Perfluorocarbon sulfonate ionomer (a 5 mass 0 / oNafion dispersion manufactured by Aldrich, USA), 33 parts by mass (polymer) Dry mass). The obtained mixture was molded to form a catalyst layer (thickness 10 to 20; ζ ΐη). The dry mass was experimentally determined under conditions where the polymer electrolyte was not decomposed and the dispersion medium was sufficiently removed.
[0055] 上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを組み合わせてアノードおよび力ソード とし、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜 (米国デュポン (株)製の Nafionl 1 2膜 (商品名))の両面に、触媒層が高分子電解質膜に面するようにホットプレスで接 合し、図 1に示す構造を有する MEAを作製した。  [0055] The gas diffusion layer obtained as described above and the catalyst layer are combined into an anode and a force sword, and a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity (Nafionl 1 2 membrane manufactured by DuPont Co., Ltd. (product) Name)) was hot-pressed so that the catalyst layer faces the polymer electrolyte membrane, and an MEA having the structure shown in Fig. 1 was produced.
つぎに、上記 MEAを用いて図 2に示す構造を有する単電池を作製した。まず、 30 cm X 32cm X 2. 5mmの外寸を有するフエノール榭脂を含浸させた黒鉛板を用い、 図 3および 4に示す構造を有するアノード側セパレータ 5aならびに図 5および 6に示 す構造を有する力ソード側セパレータ 5bを用意した。  Next, a unit cell having the structure shown in FIG. 2 was produced using the MEA. First, the anode side separator 5a having the structure shown in FIGS. 3 and 4 and the structure shown in FIGS. 5 and 6 were used, using a graphite plate impregnated with phenol resin having an outer size of 30 cm × 32 cm × 2.5 mm. A force sword side separator 5b having was prepared.
[0056] そして、セパレータ 5a、 5bに、酸化剤ガスの入口側マ-ホールド孔 11および酸化 剤ガスの出口側マ-ホールド孔 12、燃料ガスの入口側マ-ホールド孔 9および燃料 ガスの出口側マ-ホールド孔 10、冷却流体の入口側マ-ホールド孔 13および冷却 流体の出口側マ-ホールド孔 14をエンドミルを用いた切削加工により形成した。 また、上記 MEA100における高分子電解質膜 1の外周部分において、図 3〜6の 破線 15に相当する部分に、ゴム製の板状のガスケット 6a、 6bを配置し接合した。  [0056] Then, the separator 5a, 5b is provided with an oxidant gas inlet hole 11 and an oxidant gas outlet hole 12, a fuel gas inlet hole 9 and a fuel gas outlet. The side mar- hold hole 10, the cooling fluid inlet-side mar- mal hole 13, and the cooling fluid outlet-side mar- mal hole 14 were formed by cutting using an end mill. In addition, rubber plate-like gaskets 6a and 6b were disposed and joined to the outer peripheral portion of the polymer electrolyte membrane 1 in the MEA 100 at a portion corresponding to the broken line 15 in FIGS.
[0057] ついで、上記 MEA100をセパレータ 5a、 5bで挟持して固定して単電池を得、この 単電池を 50個積層して積層体を得た後、表面に金メッキした銅板カゝらなる集電板と、 ポリフエ-レンサルファイド製の絶縁板とを介して、上記の積層体の両側をステンレス 鋼製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで締結し、本発明の高分子電解質型燃料 電池 (燃料電池 1)を作製した。なお、このときの締結圧はアノード 4aおよび力ソード 4 bの単位面積当たり lOkgfZcm2とした。 [0057] Next, the MEA 100 is sandwiched and fixed by the separators 5a and 5b to obtain a unit cell, and after stacking 50 unit cells to obtain a laminate, a collection of copper plates with gold plating on the surface is obtained. Stainless steel is attached to both sides of the above laminate through an electric plate and an insulating plate made of poly-sulfur sulfide. A polymer electrolyte fuel cell (fuel cell 1) of the present invention was produced by sandwiching the steel plate with steel end plates and fastening both end plates with fastening rods. The fastening pressure at this time was lOkgfZcm 2 per unit area of the anode 4a and the force sword 4b.
比較例 1  Comparative Example 1
[0058] 本比較例においては、アノード 4a側のセパレータ 5aにおける冷却流体用流路の形 状を、図 7に示すように 2本の並行する溝で構成し、破線 15で囲まれた領域において は、各溝を 22本の水平方向に伸びる直線部と、隣接する直線部をつなぐ 10個のタ ーン部で構成した。また、力ソード 4b側のセパレータ 5bにおける冷却水流路の形状 も、上記と同様に、 2本の並行する溝で構成し、破線 15で囲まれた領域においては、 各溝を 22本の水平方向に伸びる直線部と、隣接する直線部をつなぐ 10個のターン 部で構成した。その他は、実施例 1と同様にして、比較用の高分子電解質型燃料電 池 (燃料電池 2)を作製した。  [0058] In this comparative example, the shape of the cooling fluid flow path in the separator 5a on the anode 4a side is constituted by two parallel grooves as shown in FIG. Each groove consists of 22 straight lines extending in the horizontal direction and 10 turn sections connecting adjacent straight lines. In addition, the shape of the cooling water flow path in the separator 5b on the side of the force sword 4b is also composed of two parallel grooves, and in the region surrounded by the broken line 15, each groove is divided into 22 horizontal directions. It consists of 10 straight turns that connect the adjacent straight parts. Other than that, a polymer electrolyte fuel cell for comparison (fuel cell 2) was produced in the same manner as in Example 1.
[0059] [評価試験]  [0059] [Evaluation test]
上記のようにして作製した燃料電池 1および 2につ 、て、耐久試験を行った。  Durability tests were conducted on the fuel cells 1 and 2 produced as described above.
燃料ガスとして水素 80%、二酸化炭素 20%、一酸ィ匕炭素 20ppmの混合ガスをカロ 湿して供給した。この際、混合ガスの露点が 70°Cになるように加湿した。一方、酸ィ匕 剤ガスとしては空気を加湿して供給した。空気は、露点が 70°Cになるように加湿した 。燃料電池に供給する冷却流体である冷却水の温度は 70°Cとし、電流密度 0. 3A /cm2,燃料利用率 70%、酸素利用率 40%の条件で運転した。 As a fuel gas, a mixed gas of 80% hydrogen, 20% carbon dioxide, and 20ppm carbon monoxide was supplied after being moistened. At this time, it was humidified so that the dew point of the mixed gas was 70 ° C. On the other hand, as the oxidizing agent gas, air was humidified and supplied. The air was humidified so that the dew point was 70 ° C. The temperature of the cooling water, which is the cooling fluid supplied to the fuel cell, was 70 ° C, the current density was 0.3 A / cm 2 , the fuel utilization rate was 70%, and the oxygen utilization rate was 40%.
[0060] このような条件で燃料電池 1および 2の電圧の経時変化を測定した。これによれば、 本発明の燃料電池 1に対して、比較用の燃料電池 2の電池電圧の低下傾向が大き かった。これは、燃料ガス用流路と酸化剤ガス用流路の入口側での発電集中による 発熱を、燃料電池 1の方がよりたくさん除去することができ、 MEAの温度上昇を低減 させることができ、入口側における MEA100の劣化が抑制されたためであると考えら れる。  [0060] Under these conditions, the change with time of the voltage of the fuel cells 1 and 2 was measured. According to this, the tendency of the battery voltage of the comparative fuel cell 2 to decrease was larger than that of the fuel cell 1 of the present invention. This is because the fuel cell 1 can remove more of the heat generated by power generation concentration at the inlet side of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path, and the temperature rise of the MEA can be reduced. This is thought to be because the deterioration of MEA100 on the inlet side was suppressed.
[0061] また、本発明の燃料電池 1の冷却流体用流路の総長は、比較用の燃料電池 2より 短いため、冷却水を流通させる際の圧力損失が、ほぼ冷却流体用流路の長さの減 少割合に相当する分だけ減少し、燃料電池 1をシステムに搭載した際の 30%の補機 電力の低減が達成された。 [0061] Further, since the total length of the cooling fluid channel of the fuel cell 1 of the present invention is shorter than that of the comparative fuel cell 2, the pressure loss when circulating the cooling water is approximately the length of the cooling fluid channel. 30% of the auxiliary equipment when the fuel cell 1 is installed in the system. A reduction in power was achieved.
産業上の利用可能性  Industrial applicability
[0062] 以上のように、本発明によれば、燃料電池全体における冷却流体による冷却効率 を低下させずに、燃料ガス用流路および酸化剤ガス用流路のうち少なくとも一方の出 口側よりも入口側での冷却効果を高めて単電池の面内で好適な温度分布を実現す ることができ、圧力損失を増大させずにそのような好適な温度分布を実現するために 、仕事量 (ポンプ効率)を低減させることなく冷却流体を流通させることができ、セパレ ータの機械的疲労による割れやクラックの発生や電気的抵抗の増大の起こりにくい、 耐久性および熱回収能に優れた高分子電解質型燃料電池を提供することができる。  [0062] As described above, according to the present invention, the cooling efficiency by the cooling fluid in the entire fuel cell is not reduced, and the outlet side of at least one of the fuel gas channel and the oxidant gas channel is reduced. In addition, the cooling effect on the inlet side can be enhanced to achieve a suitable temperature distribution in the plane of the unit cell, and in order to realize such a suitable temperature distribution without increasing the pressure loss, the work load Cooling fluid can be circulated without reducing (pump efficiency), cracking due to mechanical fatigue of the separator, occurrence of cracks, and increase in electrical resistance, excellent durability and heat recovery capability A polymer electrolyte fuel cell can be provided.
[0063] したがって、本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル用燃料電池、自動 車用燃料電池およびコージェネレーションシステム用の燃料電池として好適である。 また、本発明の高分子電解質型燃料電池においては、冷却流体の冷却効果に優れ ることから、冷却流体を用いて反応熱を除去することなどによって温度を一定に制御 する必要のあるタイプの燃料電池、例えばダイレクトメタノール型燃料電池などにも好 適に用いることができる。  Accordingly, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is suitable as a portable fuel cell, a fuel cell for automobiles, and a fuel cell for cogeneration systems. In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, since the cooling effect of the cooling fluid is excellent, it is a type of fuel that needs to be controlled at a constant temperature by removing heat of reaction using the cooling fluid. It can also be suitably used for batteries such as direct methanol fuel cells.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
[1] 水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、  [1] a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity;
前記高分子電解質膜を挟むアノードおよび力ソードと、  An anode and a force sword sandwiching the polymer electrolyte membrane;
前記アノードに燃料ガスを供給及び排出するための燃料ガス用流路を含む導電性 を有するアノード側セパレータと、  A conductive anode-side separator including a fuel gas flow path for supplying and discharging fuel gas to and from the anode;
前記力ソードに酸化剤ガスを供給及び排出するための酸化剤ガス用流路を含む導 電性を有する力ソード側セパレータと、  A force sword side separator having conductivity, including an oxidant gas flow path for supplying and discharging oxidant gas to and from the force sword;
を具備する単電池を含んでおり、  A single cell comprising:
前記アノード側セパレータおよび前記力ソード側セパレータのうちの少なくとも一方 力 2本以上の溝で構成された冷却流体用流路を有し、  A cooling fluid flow path comprising at least one of two grooves of the anode side separator and the force sword side separator;
前記アノード側セパレータおよび前記力ソード側セパレータのうちの前記冷却流体 用流路が形成されている主面上において、前記 2本以上の溝のうちの隣り合う溝同 士の間隔が、前記燃料ガス用流路および前記酸化剤ガス用流路のうち少なくとも一 方の入ロカら出口ヘ 、くにしたがって広がっており、  On the main surface of the anode separator and the force sword side separator on which the cooling fluid flow path is formed, an interval between adjacent grooves of the two or more grooves is the fuel gas. And at least one of the flow path for the oxidant gas and the flow path for the oxidant gas.
前記 2本以上の溝の本数が前記入口から前記出口まで同一であり、  The number of the two or more grooves is the same from the inlet to the outlet;
前記 2本以上の溝の幅がそれぞれ前記入口から前記出口まで一定であること、 を特徴とする燃料電池。  The fuel cell according to claim 1, wherein the width of each of the two or more grooves is constant from the inlet to the outlet.
[2] 前記 2本以上の溝で構成された前記冷却流体用流路がサ一ペンタイン状であるこ と、 [2] The cooling fluid flow path constituted by the two or more grooves is a serpentine shape,
を特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。  The fuel cell according to claim 1, wherein:
[3] 前記主面上において、前記 2本以上の溝のうちの隣り合う溝同士の間隔が、前記燃 料ガス用流路および前記酸化剤ガス用流路のうち少なくとも一方の入口から出口へ[3] On the main surface, an interval between adjacent grooves of the two or more grooves is from at least one of the fuel gas channel and the oxidant gas channel to the outlet.
V、くにしたがって二次元的に広がって!/、ること、 V, it expands two-dimensionally according to!
を特徴とする請求項 1または 2に記載の燃料電池。  The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein:
[4] 前記二次元的に広がっていることとは、 [4] The two-dimensional spreading means
前記主面上に、 XY直交座標を仮定した場合に、前記溝同士の間隔が X軸方向お よび Y軸方向の両方において、広がっていることであること、  When assuming XY rectangular coordinates on the main surface, the gap between the grooves is wide in both the X-axis direction and the Y-axis direction.
を特徴とする請求項 3に記載の燃料電池。 [5] 前記冷却流体流路が直線部とターン部とを有するサーペンタイン形状を呈しており 前記 X軸方向および前記 Y軸方向のうちの一方が前記直線部に略平行であること を特徴とする請求項 4に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 3. [5] The cooling fluid channel has a serpentine shape having a straight portion and a turn portion, and one of the X-axis direction and the Y-axis direction is substantially parallel to the straight portion. The fuel cell according to claim 4.
PCT/JP2006/311743 2005-06-13 2006-06-12 Fuel cell WO2006134867A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005-172755 2005-06-13
JP2005172755 2005-06-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006134867A1 true WO2006134867A1 (en) 2006-12-21

Family

ID=37532229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2006/311743 WO2006134867A1 (en) 2005-06-13 2006-06-12 Fuel cell

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2006134867A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3033667A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-16 Snecma IMPROVED STACK FOR FUEL CELL FOR ESTABLISHING HOMOGENEOUS FLOW

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59149658A (en) * 1983-02-02 1984-08-27 Toshiba Corp Fuel cell
JPS6273568A (en) * 1985-09-26 1987-04-04 Toshiba Corp Fuel cell
JPS63155561A (en) * 1986-12-18 1988-06-28 Toshiba Corp Fuel cell
JPH0329271A (en) * 1989-06-26 1991-02-07 Hitachi Ltd Fuel cell cooler
JPH05144451A (en) * 1991-11-20 1993-06-11 Fuji Electric Co Ltd Reaction gas/cooling medium flowing structure of fuel cell with solid highpolymer electrolyte
JPH08306370A (en) * 1995-04-28 1996-11-22 Fuji Electric Co Ltd Laminated phosphoric acid type fuel cell
JPH09245809A (en) * 1996-03-07 1997-09-19 Mitsubishi Electric Corp Cooling apparatus for fuel cell
JP2004247289A (en) * 2003-01-20 2004-09-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell and its operation method

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59149658A (en) * 1983-02-02 1984-08-27 Toshiba Corp Fuel cell
JPS6273568A (en) * 1985-09-26 1987-04-04 Toshiba Corp Fuel cell
JPS63155561A (en) * 1986-12-18 1988-06-28 Toshiba Corp Fuel cell
JPH0329271A (en) * 1989-06-26 1991-02-07 Hitachi Ltd Fuel cell cooler
JPH05144451A (en) * 1991-11-20 1993-06-11 Fuji Electric Co Ltd Reaction gas/cooling medium flowing structure of fuel cell with solid highpolymer electrolyte
JPH08306370A (en) * 1995-04-28 1996-11-22 Fuji Electric Co Ltd Laminated phosphoric acid type fuel cell
JPH09245809A (en) * 1996-03-07 1997-09-19 Mitsubishi Electric Corp Cooling apparatus for fuel cell
JP2004247289A (en) * 2003-01-20 2004-09-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell and its operation method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3033667A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-16 Snecma IMPROVED STACK FOR FUEL CELL FOR ESTABLISHING HOMOGENEOUS FLOW

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6303245B1 (en) Fuel cell channeled distribution of hydration water
JP4923319B2 (en) Fuel cell
CN101636867B (en) Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack having the same
JP4585737B2 (en) Fuel cell
EP2362470B1 (en) Fuel cell
JP4056550B2 (en) Fuel cell
JP2005340173A (en) Fuel cell stack
JP5095601B2 (en) Membrane catalyst layer assembly, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell
EP2330668B1 (en) Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack provided with same
US7638227B2 (en) Fuel cell having stack structure
WO2009141990A1 (en) Fuel cell separator and fuel cell comprising said separator
JP4875223B2 (en) Fuel cell separator and fuel cell comprising the same
JP2006156411A (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP5425092B2 (en) FUEL CELL, FUEL CELL SYSTEM, AND FUEL CELL OPERATING METHOD
JP4726186B2 (en) Fuel cell stack
JP2004158369A (en) Fuel cell
WO2006134867A1 (en) Fuel cell
JP2005038845A (en) Polyelectrolyte fuel cell
JP5518721B2 (en) FUEL CELL AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME
US8568941B2 (en) Fuel cell separator and fuel cell including same
JP2003282099A (en) Polymerelectrolyte type fuel cell
JP2002270197A (en) High molecular electrolyte type fuel cull
JP7189504B2 (en) fuel cell device
JP4032633B2 (en) Fuel cell
JP2008159319A (en) Fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06766605

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP