JPH1064562A - Solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
- ️Fri Mar 06 1998
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子膜を電
解質層として用いる固体高分子電解質型燃料電池に係わ
り、特にセパレータに備えられる冷却水通路の構成に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte layer, and more particularly to a structure of a cooling water passage provided in a separator.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図４は、従来の固体高分子電解質型燃料
電池の単電池の基本構成を模式的に示す断面図である。
固体高分子膜１の両面に、触媒層２を電極基材３に担持
してなる電極４を密着して配し、さらにその両外面に配
したガス不透過性材料よりなる一組のセパレータ５で挟
持し、ガスケット８により気密に保持されている。各セ
パレータ５には、電極４に相対する面にガス通流溝６
が、また背面側に冷却水通流溝７が備えられている。冷
却水通流溝７に冷却水を通流して所定温度に保持し、一
方のセパレータ５のガス通流溝６に燃料ガスを、また他
方のセパレータ５のガス通流溝６に酸化剤ガスを通流さ
せることによって、電気化学反応を生じさせ発電する。2. Description of the Related Art FIG. 4 is a sectional view schematically showing a basic structure of a unit cell of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell.
Electrodes 4 each having a catalyst layer 2 supported on an electrode substrate 3 are arranged on both surfaces of a solid polymer membrane 1 in close contact with each other, and a pair of separators 5 made of a gas-impermeable material are arranged on both outer surfaces thereof. And held airtight by a gasket 8. Each separator 5 has a gas flow groove 6 on a surface facing the electrode 4.
However, a cooling water flow groove 7 is provided on the back side. Cooling water is passed through the cooling water flow groove 7 to maintain a predetermined temperature, and fuel gas is supplied to the gas flow groove 6 of one separator 5 and oxidizing gas is supplied to the gas flow groove 6 of the other separator 5. The flow causes an electrochemical reaction to generate electricity.
【０００３】図５は、セパレータに形成されたガス通流
溝の代表例を示す平面図である。燃料ガスあるいは酸化
剤ガスは、ガス入口１１よりガス入口側マニホールド１
２へと導かれたのち、複数の平行に配されたガス通流溝
６を通流して電気化学反応に寄与し、残余のガスはガス
出口側マニホールド１３へ送られ、ガス出口１４より外
部へ排出されるよう構成されている。FIG. 5 is a plan view showing a typical example of a gas flow groove formed in a separator. The fuel gas or the oxidizing gas is supplied from the gas inlet 11 to the gas inlet side manifold 1.
After being led to 2, it flows through a plurality of gas flow grooves 6 arranged in parallel to contribute to the electrochemical reaction, and the remaining gas is sent to the gas outlet side manifold 13, and is sent to the outside from the gas outlet 14. It is configured to be discharged.
【０００４】図６は、セパレータに形成された冷却水通
流溝の代表例を示す模式図で、（ａ）は冷却水通流溝側
より見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ面における断
面図である。冷却水は、冷却水入口２１より導入され、
ガス通流溝６のガス通流方向と直交する方向に配された
冷却水通流溝７を直列に通流し、冷却水出口２２より外
部へ排出される。冷却水は、冷却水通流溝７において電
気化学反応に伴う反応熱を吸収し、単電池の温度上昇を
抑えて所定温度に保持し、吸収した反応熱により温度上
昇して排出される。FIGS. 6A and 6B are schematic views showing typical examples of cooling water flow grooves formed in a separator. FIG. 6A is a plan view as viewed from the cooling water flow groove side, and FIG. It is sectional drawing in the XX plane. Cooling water is introduced from a cooling water inlet 21,
The cooling water flow grooves 7 arranged in a direction perpendicular to the gas flow direction of the gas flow grooves 6 flow in series, and are discharged from the cooling water outlet 22 to the outside. The cooling water absorbs the reaction heat accompanying the electrochemical reaction in the cooling water flow groove 7, suppresses the temperature rise of the unit cell, keeps the temperature at a predetermined temperature, and is discharged with the temperature rise by the absorbed reaction heat.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ところで、固体高分子
電解質型燃料電池に用いられる固体高分子膜１は、分子
中にプロトン（水素イオン）交換基を備えており、飽和
に含水させることにより比抵抗が小さくなり、プロトン
導電性電解質として機能する。したがって、発電効率を
維持するためには、固体高分子膜１の含水状態を飽和に
維持することが必要である。このため、固体高分子電解
質型燃料電池では、反応ガスに水分を含ませて湿度を高
めて供給し、膜からの水の蒸発を抑えて膜の乾燥を防止
する方法が採られている。Incidentally, the solid polymer membrane 1 used in the solid polymer electrolyte fuel cell has a proton (hydrogen ion) exchange group in the molecule, and is made to have a specific capacity by being saturated with water. The resistance is reduced, and functions as a proton conductive electrolyte. Therefore, in order to maintain the power generation efficiency, it is necessary to keep the water-containing state of the solid polymer membrane 1 saturated. For this reason, in the solid polymer electrolyte fuel cell, a method is employed in which the reaction gas is supplied with moisture to increase the humidity and the evaporation of water from the membrane is suppressed to prevent the membrane from drying.
【０００６】これに対して、上記の図４〜図６のごとき
従来の固体高分子電解質型燃料電池の単電池の構成にお
いては、ガス入口１１より導入した燃料ガスあるいは酸
化剤ガスは、ガス入口側マニホールド１２を経て、電極
に面して配されたガス通流溝６を通流するとき初めて電
気化学反応を生じることとなる。したがって、ガス入口
側マニホールド１２においては、電気化学反応を生じな
いで発熱がなく、またガス入口側マニホールド１２はセ
パレータ５の側端部に位置し端部からの放熱が大きいの
で、他の領域に比べて相対的に温度が低くなる。On the other hand, in the configuration of the conventional single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell as shown in FIGS. 4 to 6, the fuel gas or the oxidizing gas introduced from the gas inlet 11 is supplied to the gas inlet. An electrochemical reaction will occur only when the gas flows through the gas flow groove 6 arranged facing the electrode via the side manifold 12. Accordingly, the gas inlet side manifold 12 does not generate heat without generating an electrochemical reaction, and the gas inlet side manifold 12 is located at the side end of the separator 5 and has a large heat radiation from the end. The temperature is relatively lower than that.
【０００７】したがって、水分を含ませて湿度を高めた
燃料ガスあるいは酸化剤ガスをガス入口１１より導入す
ると、相対的に温度の低いガス入口側マニホールド１２
において冷却され、ガス中の水分が凝縮して結露し、ガ
ス通流溝６を閉塞して電池特性を低下させる恐れがあ
る。本発明の目的は、上記のごときガス入口側マニホー
ルドでのガス中の水分の凝縮、結露の危険性を排除し、
安定した電池特性を備える固体高分子電解質型燃料電池
を提供することにある。Therefore, when a fuel gas or an oxidizing gas whose humidity is increased by incorporating moisture is introduced from the gas inlet 11, the gas inlet side manifold 12 having a relatively low temperature is introduced.
, Water in the gas is condensed and condensed, and the gas flow groove 6 may be closed to lower the battery characteristics. The object of the present invention is to eliminate the danger of condensation and dew condensation of water in the gas at the gas inlet side manifold as described above,
An object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte fuel cell having stable cell characteristics.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、固体高分子膜を一組の電極で
挟持し、その外面に、電極に面してガス通流溝を備え、
相対する面に冷却水通流溝を備えた一組のガス不透過性
材料よりなるセパレータを配して形成される単電池を複
数積層し、冷却水通流溝に冷却水を通流して所定温度に
保持し、一方のセパレータのガス通流溝に燃料ガスを、
他方のセパレータのガス通流溝に酸化剤ガスを通流して
発電する固体高分子電解質型燃料電池において、 （１）セパレータの冷却水通流溝を備えた面のガス通流
溝の入口側に相対する側端部に、冷却水通流溝を通流し
て加熱された冷却水を通流する加熱水通流溝を備えるこ
ととする。In order to achieve the above object, in the present invention, a solid polymer membrane is sandwiched between a pair of electrodes, and a gas flow groove is formed on the outer surface thereof facing the electrodes. Prepared,
A plurality of cells formed by arranging a pair of separators made of a gas-impermeable material having cooling water flow grooves on opposing surfaces are stacked, and the cooling water flows through the cooling water flow grooves to a predetermined value. While maintaining the temperature, the fuel gas into the gas flow groove of one separator,
In a solid polymer electrolyte fuel cell that generates electricity by flowing an oxidizing gas through the gas flow groove of the other separator, (1) the separator having a cooling water flow groove on the inlet side of the gas flow groove; At the opposite side end, a heating water flow groove through which the cooling water flows through the cooling water flow groove is provided.
【０００９】（２）あるいは、セパレータの冷却水通流
溝を、相対する面に設けられたガス通流溝の出口側に偏
して配することとする。上記の（１）のごとくに構成す
れば、冷却水通流溝を通流し電気化学反応による反応熱
を吸収して温度上昇した冷却水が加熱水通流溝を通流す
ることにより、セパレータが加熱され、加熱水通流溝の
背面に位置するガス通流溝の入口側のガス入口側マニホ
ールドの温度が上昇する。したがって、従来の構成にお
いて生じていたガス入口側マニホールドにおける燃料ガ
スあるいは酸化剤ガスの冷却による温度低下が防止され
るので、ガス中の水分の凝縮、結露による電池特性の低
下が回避されることとなる。(2) Alternatively, the cooling water flow grooves of the separator are arranged so as to be biased toward the outlet side of the gas flow grooves provided on the opposing surfaces. When configured as in the above (1), the cooling water that flows through the cooling water flow groove, absorbs the heat of reaction by the electrochemical reaction and rises in temperature, flows through the heating water flow groove, and the separator is formed. The gas is heated, and the temperature of the gas inlet side manifold on the inlet side of the gas flow groove located on the back side of the heated water flow groove rises. Therefore, since the temperature drop due to the cooling of the fuel gas or the oxidizing gas in the gas inlet side manifold which occurs in the conventional configuration is prevented, the deterioration of the battery characteristics due to the condensation of water in the gas and the condensation is avoided. Become.
【００１０】また、上記の（２）のごとく、冷却水通流
溝をガス通流溝の出口側に偏して配するに構成すれば、
電気化学反応に伴う発熱はガス通流溝の全域にわたり生
じるのに対して、ガス通流溝の出口側の冷却性能が向上
し、入口側の冷却性能が低下するので、入口側の温度が
相対的に上昇することとなる。したがって、本構成を用
いても、ガス入口側マニホールドにおけるガスの冷却が
防止され、水分の凝縮、結露による電池特性の低下が回
避される。Further, as described in the above (2), if the cooling water flow groove is arranged so as to be biased toward the outlet side of the gas flow groove,
The heat generated by the electrochemical reaction is generated over the entire area of the gas flow channel, whereas the cooling performance at the outlet side of the gas flow channel is improved and the cooling performance at the inlet side is reduced. Will rise. Therefore, even with this configuration, cooling of the gas in the gas inlet side manifold is prevented, and deterioration of battery characteristics due to condensation of water and condensation is avoided.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】図１は、本発明の固体高分子電解
質型燃料電池の第１の実施例におけるセパレータの構成
を示す模式図で、（ａ）は冷却水通流溝側より見た平面
図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ面における断面図である。
本構成のセパレータ５Ａに形成された反応ガスの通路お
よび冷却水の通路は従来例と同様に構成されており、ガ
ス入口１１より導入された反応ガスは、ガス入口側マニ
ホールド１２へと導かれ、複数の平行に配されたガス通
流溝６を通流させて電気化学反応に供したのち、ガス出
口側マニホールド１３を経てガス出口１４より外部へと
排出される。また、冷却水は、冷却水入口２１より導入
され、冷却水通流溝７を通流させ電気化学反応に伴う発
熱を吸収させたのち冷却水出口２２より排出される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a schematic view showing the structure of a separator in a first embodiment of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, wherein (a) is viewed from a cooling water flow groove side. FIG. 3B is a plan view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
The passage of the reaction gas and the passage of the cooling water formed in the separator 5A of this configuration are configured in the same manner as in the conventional example, and the reaction gas introduced from the gas inlet 11 is guided to the gas inlet side manifold 12, After flowing through a plurality of gas flow grooves 6 arranged in parallel and subjected to an electrochemical reaction, the gas is discharged to the outside from a gas outlet 14 through a gas outlet side manifold 13. The cooling water is introduced from the cooling water inlet 21 and flows through the cooling water flow groove 7 to absorb heat generated by the electrochemical reaction, and then discharged from the cooling water outlet 22.
【００１２】本構成の特徴は、冷却水通流溝７を形成し
た面の、ガス入口側マニホールド１２に相対する位置の
近傍の側端部に、加熱水通流溝２５が備えられている点
にある。加熱水通流溝２５の加熱水入口２４は、セパレ
ータ５Ａの外側の空間に配した連通管２３を介して冷却
水出口２２に連結されており、冷却水通流溝７を通流し
て反応熱を吸収し、加熱されて温度の上昇した冷却水
が、連通管２３を通って加熱水入口２４より加熱水通流
溝２５へと導かれ、加熱水出口２４より外部へと排出さ
れるよう構成されている。The feature of this configuration is that a heating water flow groove 25 is provided at a side end near a position facing the gas inlet side manifold 12 on a surface on which the cooling water flow groove 7 is formed. It is in. The heating water inlet 24 of the heating water flow groove 25 is connected to the cooling water outlet 22 via a communication pipe 23 disposed in a space outside the separator 5A, and flows through the cooling water flow groove 7 to generate reaction heat. The cooling water, which has been heated and has been heated to a higher temperature, is guided from the heating water inlet 24 to the heating water flow groove 25 through the communication pipe 23 and discharged to the outside from the heating water outlet 24. Have been.
【００１３】したがって、本構成においては、温度の上
昇した冷却水が加熱水通流溝２５を通流することによっ
てセパレータ５Ａが加熱され、背面に位置するガス入口
側マニホールド１２の部分の温度も高くなるので、従来
例のように反応ガスがガス入口側マニホールド１２で冷
却されてガス中の水分が凝縮、結露する危険性が回避さ
れる。Accordingly, in this configuration, the separator 5A is heated by the cooling water having the increased temperature flowing through the heating water flow groove 25, and the temperature of the gas inlet side manifold 12 located on the back surface is also increased. Therefore, the risk that the reaction gas is cooled in the gas inlet side manifold 12 and the moisture in the gas is condensed and condensed as in the conventional example is avoided.
【００１４】図２は、本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の第２の実施例におけるセパレータの構成を示す模
式図で、（ａ）は冷却水通流溝側より見た平面図、
（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ面における断面図である。本構
成のセパレータ５Ｂも、従来と同様の反応ガスの通路お
よび冷却水の通路を備え、かつ第１の実施例と同様に、
冷却水通流溝７を形成した面の、ガス入口側マニホール
ド１２に相対する位置の近傍の側端部に、加熱水通流溝
２５を備えたものであり、第１の実施例との差異は、第
１の実施例のセパレータ５Ａの外側の空間に配した連通
管２３に代わって、冷却水通流溝７を形成した面の側端
部に連通溝２７を形成し、冷却水通流溝７の出口側と加
熱水通流溝２５の入口側を連結した点にある。FIG. 2 is a schematic view showing the structure of a separator in a second embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. FIG. 2 (a) is a plan view seen from the cooling water flow groove side.
(B) is sectional drawing in the XX plane of (a). The separator 5B of this configuration also includes a reaction gas passage and a cooling water passage similar to those of the related art, and, like the first embodiment,
A heating water flow groove 25 is provided at a side end near a position facing the gas inlet side manifold 12 on a surface on which the cooling water flow groove 7 is formed, which is different from the first embodiment. Is formed with a communication groove 27 at the side end of the surface on which the cooling water flow groove 7 is formed, instead of the communication pipe 23 arranged in the space outside the separator 5A of the first embodiment. The point is that the outlet side of the groove 7 and the inlet side of the heated water flow groove 25 are connected.
【００１５】したがって、本構成においても、第１の実
施例と同様に、ガス入口側マニホールド１２の温度が高
くなるので、反応ガス中の水分がこの部分で凝縮、結露
する危険性が回避される。図３は、本発明の固体高分子
電解質型燃料電池の第３の実施例におけるセパレータの
構成を示す模式図で、（ａ）は冷却水通流溝側より見た
平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ面における断面図であ
る。Therefore, also in this configuration, as in the first embodiment, the temperature of the gas inlet side manifold 12 becomes high, so that the danger of the water in the reaction gas condensing and condensing at this portion is avoided. . FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams showing a configuration of a separator in a solid polymer electrolyte fuel cell according to a third embodiment of the present invention. FIG. 3A is a plan view as viewed from a cooling water flow groove side, and FIG. It is sectional drawing in the XX plane of (a).
【００１６】本構成のセパレータ５Ｃの特徴は、反応ガ
スの通路が従来と同様に配されているのに対して、冷却
水の通路の冷却水通流溝７が、ガス通流溝６の出口側に
偏した位置に配されていることにある。すなわち、ガス
入口側マニホールド１２と直近の冷却水通流溝７との面
内距離ｄ1 が、ガス出口側マニホールド１３と直近の冷
却水通流溝７との面内距離ｄ2 に比べて大きくなるよう
に冷却水通流溝７を配置し形成している。したがって、
本構成においては、ガス入口側の冷却性能がガス出口側
に比べて低下するので、ガス入口側の温度が相対的に高
くなり、ガス入口側マニホールド１２に導かれた反応ガ
スが冷却されて水分が凝縮、結露する危険性が回避され
ることとなる。The feature of the separator 5C of this configuration is that the passage of the reaction gas is arranged in the same manner as in the prior art, while the cooling water passage 7 of the cooling water passage is provided at the outlet of the gas passage 6. It is located at a position offset to the side. That is, the in-plane distance d 1 between the gas inlet side manifold 12 and the nearest cooling water flow groove 7 is larger than the in-plane distance d 2 between the gas outlet side manifold 13 and the nearest cooling water flow groove 7. The cooling water flow grooves 7 are arranged and formed in such a manner as to be formed. Therefore,
In this configuration, since the cooling performance on the gas inlet side is lower than that on the gas outlet side, the temperature on the gas inlet side becomes relatively high, and the reaction gas led to the gas inlet side manifold 12 is cooled to remove water. The risk of condensation and condensation is avoided.
【００１７】[0017]
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、固体高
分子膜を一組の電極で挟持し、その外面に、電極に面し
てガス通流溝を備え、相対する面に冷却水通流溝を備え
た一組のガス不透過性材料よりなるセパレータを配して
形成される単電池を複数積層して用いる固体高分子電解
質型燃料電池において、 （１）セパレータの冷却水通流溝を備えた面のガス通流
溝の入口側に相対する側端部に、冷却水通流溝を通流し
て加熱された冷却水を通流する加熱水通流溝を備えるこ
ととしたので、セパレータのガス入口側でのガス中の水
分の凝縮、結露の危険性がなく、安定した電池特性を備
える固体高分子電解質型燃料電池が得られることとなっ
た。As described above, according to the present invention, the solid polymer membrane is sandwiched between a pair of electrodes, and the outer surface thereof is provided with a gas flow groove facing the electrode, and the opposite surface is cooled. In a solid polymer electrolyte fuel cell using a plurality of unit cells formed by arranging a pair of separators made of a gas-impermeable material provided with water flow grooves, (1) cooling water passage of the separators At the side end of the surface provided with the flow grooves, which faces the inlet side of the gas flow grooves, a heating water flow groove through which the heated cooling water flows through the cooling water flow groove is provided. As a result, a solid polymer electrolyte fuel cell having stable cell characteristics without the risk of condensation and dew condensation of water in the gas at the gas inlet side of the separator can be obtained.
【００１８】（２）また、セパレータの冷却水通流溝
を、相対する面に設けられたガス通流溝の出口側に偏し
て配することしても、同様にセパレータのガス入口側で
のガス中の水分の凝縮、結露が生じる恐れがなく、安定
した電池特性を備える固体高分子電解質型燃料電池とし
て好適である。(2) Even if the cooling water flow grooves of the separator are arranged so as to be deviated to the outlet side of the gas flow grooves provided on the opposing surfaces, similarly, the cooling water flow grooves at the gas inlet side of the separator can be formed. It is suitable as a solid polymer electrolyte fuel cell having stable cell characteristics without the risk of condensation or dew condensation of water in the gas.
【図１】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第１の
実施例におけるセパレータの構成を示す模式図FIG. 1 is a schematic view showing a structure of a separator in a first embodiment of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
【図２】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第２の
実施例におけるセパレータの構成を示す模式図FIG. 2 is a schematic view showing a configuration of a separator in a second embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
【図３】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第３の
実施例におけるセパレータの構成を示す模式図FIG. 3 is a schematic view showing a configuration of a separator in a solid polymer electrolyte fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
【図４】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単電池の
基本構成を示す断面図FIG. 4 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a unit cell of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell.
【図５】固体高分子電解質型燃料電池のセパレータのガ
ス通流溝の構成を示す平面図FIG. 5 is a plan view showing a configuration of a gas flow groove of a separator of the polymer electrolyte fuel cell.
【図６】従来の固体高分子電解質型燃料電池のセパレー
タの冷却水通流溝の構成を示す模式図FIG. 6 is a schematic view showing a configuration of a cooling water flow groove of a separator of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell.
１ 固体高分子膜 ４ 電極 ５ セパレータ ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ セパレータ ６ ガス通流溝 ７ 冷却水通流溝 １１ ガス入口 １２ ガス入口側マニホールド １３ ガス出口側マニホールド １４ ガス出口 ２１ 冷却水入口 ２２ 冷却水出口 ２３ 連通管 ２４ 加熱水入口 ２５ 加熱水通流溝 ２６ 加熱水出口 ２７ 連通溝 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer membrane 4 Electrode 5 Separator 5A, 5B, 5C Separator 6 Gas flow groove 7 Cooling water flow groove 11 Gas inlet 12 Gas inlet side manifold 13 Gas outlet side manifold 14 Gas outlet 21 Cooling water inlet 22 Cooling water outlet 23 Communication Pipe 24 Heating Water Inlet 25 Heating Water Flow Groove 26 Heating Water Outlet 27 Communication Groove