JP3626480B2

JP3626480B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP3626480B2
Application number: JP2002266003A
Authority: JP
Inventors: 勝美林; 昌弘毛里; 英男加藤; 滋稲井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: JP2004103477A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体が一対のセパレータにより挟持された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、この種の燃料電池は、低温起動される際に発電効率が低下するため、所望の発電状態に至るまでに相当な時間がかかってしまう。特に、氷点下での始動では、外部への放熱によって結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池スタックに外部電気回路が接続可能に設けられており、前記燃料電池スタックを構成する電解質膜・電極構造体の少なくとも一部の温度が水の凝固温度を超過するように、前記燃料電池スタックから前記外部電気回路に電流を供給する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、燃料電池のカソード側に水素と空気との混合ガスを供給し、このカソード側の触媒により反応熱を生起させる技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特表２０００−５１２０６８号公報（図３）
【特許文献２】
米国特許第６，１０３，４１０号公報（ＦＩＧ．１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、自己発熱によって燃料電池スタックを低温から始動するため、始動に時間がかかり易く、特に氷点下での始動に長時間を要するという問題がある。また、上記の特許文献２では、発電用の水素の他に、始動時の自己発熱用の水素が必要である。これにより、水素タンクが大型化するとともに、付属機器が必要となって構造の複雑化およびコストの高騰が惹起されるという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ安価な構成で、低温始動を短時間で良好に行うことができ、発電性能の向上を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質膜・電極構造体が一対のセパレータにより挟持されるとともに、前記電解質膜・電極構造体を構成する電極の面内中央部分と前記セパレータとの接触部位における熱伝導性が、前記電極の前記面内中央部分以外の面内外周部分と前記セパレータとの接触部位における熱伝導性よりも低く設定されている。
【００１１】
このため、電極の面内中央部分から外部に熱が移動することを制限することができ、電解質膜・電極構造体を所望の温度まで迅速に加熱することが可能になる。これにより、特に氷点下始動時に、電極表面を速やかに０℃以上に加熱することができ、電圧低下を阻止して低温始動中に所定の負荷を確実に持続することが可能になる。
【００１２】
しかも、電極の面内中央部分では、前記電極の面内外周部分よりも放熱量が少ない。従って、低温始動時の放熱量がより一層低減され、負荷の持続がより確実に遂行される。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、セパレータには、電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝と、前記電極に接触する平坦部とが設けられるとともに、前記電極の面内中央部分に接触する前記平坦部の面積率が、前記電極の面内外周部分に接触する前記平坦部の面積率よりも低くなっている。
【００１４】
具体的には、電極の面内中央部分に接触する部位を、他の部位に比べて幅狭に形成し、あるいは、前記接触する部位に切り欠きを設けている。これにより、面内中央部分の熱伝導性が、面内外周部分の熱伝導性よりも低くなって前記面内中央部分からの熱の移動が制限される。従って、簡単かつ安価な構成で、低温始動を短時間で良好に行うことができ、発電性能の向上を図ることが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、セパレータには、電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝と、前記電極に接触する平坦部とが設けられるとともに、前記平坦部は、前記電極の面内中央部分に接触する表面部位に粗面化処理、例えば、凹凸形状に加工する処理が施されている。このため、簡単な構成で、電極の面内中央部分に接触する表面部位の熱伝達性を低下させることができる。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、電極の面内中央部分とセパレータとの接触部位には、断熱層が設けられている。従って、電極の面内中央部分とセパレータとの接触部位からの放熱を確実に阻止し、低温始動を効率的に行うことが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図である。
【００１８】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備える。電解質膜・電極構造体１２と第１および第２セパレータ１４、１６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材１８が介装されている。
【００１９】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える（図１および図２参照）。
【００２２】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。シール部材１８の中央部には、アノード側電極２８およびカソード側電極３０に対応して開口部３４が形成されている。
【００２３】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。図１および図３に示すように、酸化剤ガス流路３６は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）３８とカソード側電極３０との間に形成されており、各溝部３８間には、前記カソード側電極３０に接触する平坦部４０が設けられる。
【００２４】
第１の実施形態では、カソード側電極３０の面内中央部分に接触する平坦部４０の面積率が、前記カソード側電極３０の前記面内中央部分以外の面内外周部分に接触する前記平坦部４０の面積率よりも低く設定される。面積率とは、面１４ａの一定面積内における平坦部４０の面積割合をいう。
【００２５】
具体的には、第１セパレータ１４の面１４ａにおいて、カソード側電極３０の面内中央部分に対応する流路中央部Ｔ１では、図４に示すように、平坦部４０の矢印Ｂ方向に延在する側面４０ａ、４０ｂのうち、例えば、側面４０ｂを内方に切り欠いて側面４０ｃが形成される。側面４０ａ、４０ｃ間の幅寸法Ｈ２は、側面４０ａ、４０ｂ間の幅寸法Ｈ１に対して相当に小さな値に設定される。
【００２６】
図１および図５に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路４２が形成される。この燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）４４とアノード側電極２８との間に形成されており、各溝部４４間には、前記アノード側電極２８に接触する平坦部４６が設けられる。
【００２７】
アノード側電極２８の面内中央部分に接触する平坦部４６の面積率は、前記アノード側電極２８の面内外周部分に接触する前記平坦部４６の面積率よりも低く設定される。第２セパレータ１６では、第１セパレータ１４と同様に、アノード側電極２８の面内中央部分に対応する流路中央部Ｔ２において、平坦部４６の幅寸法が他の部分の幅寸法に比べて幅狭に設定されている。
【００２８】
第２セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂには、図１に示すように、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される。この冷却媒体流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。
【００２９】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池１０内には、水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、および純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、酸化剤ガス供給連通孔２０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。
【００３１】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３２】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３３】
さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１６の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂから排出される。
【００３４】
この場合、第１の実施形態では、例えば、第１セパレータ１４の流路中央部Ｔ１において、図４に示すように、平坦部４０の側面４０ｂを切り欠いて側面４０ｃが形成されることにより、他の部分の幅寸法Ｈ１よりも相当に幅狭な幅寸法Ｈ２が設定されている。
【００３５】
このため、カソード側電極３０の面内中央部分に接触する平坦部４０の面積率が、前記カソード側電極３０の面内外周部分に接触する前記平坦部４０の面積率よりも低くなっている。換言すると、カソード側電極３０の面内中央部分と第１セパレータ１４との接触部位における熱伝導性が、前記カソード側電極３０の面内外周部分と前記第１セパレータ１４との接触部位における熱伝導性よりも低く設定されている。
【００３６】
これにより、燃料電池１０の運転時に、カソード側電極３０の面内中央部分から外部に熱が移動することを制限することができ、電解質膜・電極構造体１２を所望の温度まで迅速に加熱することが可能になる。従って、特に氷点下始動時にカソード側電極３０の電極表面を速やかに０℃以上に加熱することができ、電圧低下を阻止して低温始動中に所定の負荷を確実に持続することが可能になるという効果が得られる。
【００３７】
しかも、カソード側電極３０の面内中央部分では、このカソード側電極３０の面内外周部分よりも放熱量が少ない。このため、低温始動時の放熱量がより一層低減され、負荷の持続がより確実に遂行される。
【００３８】
なお、第２セパレータ１６では、アノード側電極２８の面内中央部分と前記第２セパレータ１６との接触部位における熱伝導性が、前記アノード側電極２８の面内外周部分と該第２セパレータ１６との接触部位における熱伝導性より低く設定され、第１セパレータ１４と同様の効果が得られる。これにより、簡単かつ安価な構成で、低温始動を短時間で良好に行うことができ、燃料電池１０の発電性能を有効に向上させることが可能になるという利点がある。
【００３９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ６０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
第１セパレータ６０は、蛇行する酸化剤ガス流路６２を設けるとともに、この酸化剤ガス流路６２の流路中央部Ｔ３では、他の部分に比べて熱伝導性が低く設定される。具体的には、図７に示すように、流路中央部Ｔ３では、平坦部４０が矢印Ｂ方向に所定の間隔毎に切り欠かれており、前記平坦部４０間には、空間部６４が形成される。
【００４１】
従って、第２の実施形態では、カソード側電極（図示せず）の面内中央部分に接触する平坦部４０の面積率が、前記カソード側電極の面内外周部分に接触する前記平坦部４０の面積率よりも低くなっている。
【００４２】
これにより、流路中央部Ｔ３から外部に熱が移動することを制限することができ、簡単かつ安価な構成で、低温始動を短時間で良好に行うことが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、平坦部４０を所定の間隔毎に切り欠く代わりに、流路中央部Ｔ３内をエンボス状に構成してもよい。
【００４３】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ７０の流路中央部Ｔ４の概略斜視説明図である。
【００４４】
流路中央部Ｔ４において、平坦部４０の表面には、粗面化処理が施されて凹凸面７２が形成される。従って、平坦部４０では、流路中央部Ｔ４における熱伝導性が、他の部分の熱伝導性よりも低く設定され、この流路中央部Ｔ４から外部への熱の移動を制限することが可能になる。これにより、低温始動を短時間で良好に行うことができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ８０の流路中央部Ｔ５の概略斜視説明図である。
【００４６】
この第１セパレータ８０では、流路中央部Ｔ５において、平坦部４０が部分的に所定の間隔毎に切り欠き部８２を設けており、各切り欠き部８２には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の断熱材８４が固着される。
【００４７】
これにより、流路中央部Ｔ５には、断熱材８４による断熱層が設けられ、カソード側電極（図示せず）の面内中央部分と第１セパレータ８０との接触部位（流路中央部Ｔ５に対応する部位）からの放熱を確実に阻止することができる。従って、第４の実施形態では、低温始動を効率的に行うことが可能になる等、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４８】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ９２およびカソード側電極９４の流路中央部Ｔ６における概略斜視説明図である。
【００４９】
カソード側電極９４は、ガス拡散層内に、この拡散層の中央部（流路中央部Ｔ６に対応する部位）にポリテトラフルオロエチレンやエポキシ樹脂等の複数の断熱材９６が、例えば、含浸等によって分散されている。
【００５０】
これにより、第５の実施形態では、カソード側電極９４に断熱材９６を設けることによって断熱層が形成され、このカソード側電極９４の面内中央部分とセパレータ９２の平坦部４０との接触部位からの放熱を確実に阻止することができる。このため、低温始動を効率的に行うことが可能になる等、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
なお、第２〜第５の実施形態では、第１セパレータ６０、７０、８０および９２について説明したが、第２セパレータ（図示せず）も同様に構成することができる。また、反応ガス流路（酸化剤ガス流路および燃料ガス流路）は、サーペンタインに限定されるものではなく、直線状流路であってもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、電解質膜・電極構造体を構成する電極の面内中央部分とセパレータとの接触部位における熱伝導性が、前記電極の面内外周部分と前記セパレータとの接触部位における熱伝導性よりも低く設定される。このため、電極の面内中央部分から外部に熱が移動することを制限することができ、電解質膜・電極構造体を所望の温度まで迅速に加熱することが可能になる。これにより、特に氷点下始動時に、電極表面を速やかに０℃以上に加熱することができ、電圧低下を阻止して低温始動中に所定の負荷を確実に持続することが可能になる。
【００５３】
しかも、電極の面内中央部分では、前記電極の面内外周部分よりも放熱が少ない。従って、低温始動時の放熱がより一層低減され、負荷の持続がより確実に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記第１セパレータの流路中央部の拡大説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図７】前記第１セパレータの流路中央部の概略拡大説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの流路中央部の概略斜視説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの流路中央部の概略斜視説明図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータおよびカソード側電極の流路中央部における概略斜視説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池１２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６０、７０、８０、９２…セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４ａ…燃料ガス供給連通孔２４ｂ…燃料ガス排出連通孔
２６…固体高分子電解質膜２８…アノード側電極
３０、９４…カソード側電極３６、６２…酸化剤ガス流路
３８、４４…溝部４０、４６…平坦部
４２…燃料ガス流路７２…凹凸面
８２…切り欠き部８４、９６…断熱材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane / electrode structure sandwiched between a pair of separators.
[0002]
[Prior art]
Generally, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are respectively provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). , And is sandwiched between separators. This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack by alternately stacking a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
[0003]
In this fuel cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on an electrode catalyst, and is cathoded through an electrolyte membrane. Move to the side electrode side. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen react to produce water.
[0004]
By the way, since this type of fuel cell has low power generation efficiency when it is started at a low temperature, it takes a considerable time to reach a desired power generation state. In particular, it has been pointed out that when starting at a temperature below freezing point, condensation is likely to occur due to heat radiation to the outside, resulting in a decrease in generated water discharge performance and power generation performance.
[0005]
Thus, for example, in Patent Document 1, an external electric circuit is provided so as to be connectable to the fuel cell stack, and the temperature of at least a part of the electrolyte membrane / electrode structure constituting the fuel cell stack is the water solidification temperature. A technique for supplying a current from the fuel cell stack to the external electric circuit so as to exceed the above is disclosed.
[0006]
Patent Document 2 discloses a technique for supplying a mixed gas of hydrogen and air to the cathode side of a fuel cell and generating reaction heat by the catalyst on the cathode side.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2000-512068A (FIG. 3)
[Patent Document 2]
US Pat. No. 6,103,410 (FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned Patent Document 1, since the fuel cell stack is started from a low temperature by self-heating, there is a problem that it takes a long time to start, and in particular, it takes a long time to start below freezing. Moreover, in said patent document 2, in addition to hydrogen for electric power generation, hydrogen for self-heating at the time of start-up is required. As a result, there is a problem that the hydrogen tank is increased in size and an additional device is required, resulting in a complicated structure and an increase in cost.
[0009]
The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell that can perform a low-temperature start well in a short time with a simple and inexpensive configuration and can improve power generation performance. With the goal.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to claim 1 of the present invention, the electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between a pair of separators, and the in-plane center portion of the electrode constituting the electrolyte membrane / electrode structure is in contact with the separator. The thermal conductivity in the part is set lower than the thermal conductivity in the contact part between the in-plane outer peripheral part other than the in-plane center part of the electrode and the separator.
[0011]
For this reason, it can restrict | limit that heat transfers to the exterior from the in-plane center part of an electrode, and it becomes possible to heat an electrolyte membrane and electrode structure to desired temperature rapidly. This makes it possible to quickly heat the electrode surface to 0 ° C. or more, particularly during sub-freezing startup, and to prevent a voltage drop and reliably maintain a predetermined load during low-temperature startup.
[0012]
Moreover, the amount of heat radiation is less in the in-plane center portion of the electrode than in the in-plane outer peripheral portion of the electrode. Therefore, the heat radiation amount at the time of cold start is further reduced, and the sustaining of the load is more reliably performed.
[0013]
In the fuel cell according to claim 2 of the present invention, the separator is provided with a reaction gas flow channel for supplying a reaction gas to the electrode and a flat portion in contact with the electrode. The area ratio of the flat portion in contact with the in-plane center portion is lower than the area ratio of the flat portion in contact with the in-plane outer peripheral portion of the electrode.
[0014]
Specifically, the portion that contacts the central portion of the surface of the electrode is formed narrower than the other portions, or a notch is provided in the contacting portion. As a result, the thermal conductivity of the in-plane center portion becomes lower than the thermal conductivity of the in-plane outer peripheral portion, and the movement of heat from the in-plane center portion is limited. Therefore, with a simple and inexpensive configuration, the low-temperature start can be performed well in a short time, and the power generation performance can be improved.
[0015]
Furthermore, in the fuel cell according to claim 3 of the present invention, the separator is provided with a reaction gas flow channel for supplying a reaction gas to the electrode, and a flat portion in contact with the electrode, and the flat portion. Is subjected to a surface roughening treatment, for example, a processing to form a concavo-convex shape, on a surface portion in contact with an in-plane central portion of the electrode. For this reason, it is possible to reduce the heat transfer performance of the surface portion that contacts the in-plane center portion of the electrode with a simple configuration.
[0016]
Furthermore, in the fuel cell according to claim 4 of the present invention, a heat insulating layer is provided at a contact portion between the in-plane center portion of the electrode and the separator. Therefore, heat radiation from the contact portion between the in-plane center portion of the electrode and the separator can be reliably prevented, and low-temperature starting can be performed efficiently.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention.
[0018]
The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure 12 and first and second separators 14 and 16 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 12. Between the electrolyte membrane / electrode structure 12 and the first and second separators 14, 16, a seal member 18 such as a gasket is interposed so as to cover the periphery of a communication hole described later and the outer periphery of the electrode surface (power generation surface). It is disguised.
[0019]
One end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and an oxidant gas supply communication hole 20a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. A cooling medium discharge communication hole 22b for discharging the medium and a fuel gas discharge communication hole 24b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).
[0020]
The other end edge of the fuel cell 10 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas supply communication hole 24a for supplying fuel gas, and a cooling medium supply communication hole for supplying a cooling medium. 22a and an oxidant gas discharge communication hole 20b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.
[0021]
The electrolyte membrane / electrode structure 12 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 26 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 28 and a cathode side electrode 30 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 26. (See FIG. 1 and FIG. 2).
[0022]
The anode side electrode 28 and the cathode side electrode 30 include a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. Respectively. The electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 26 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 26 interposed therebetween. An opening 34 is formed at the center of the seal member 18 corresponding to the anode side electrode 28 and the cathode side electrode 30.
[0023]
An oxidant gas flow path 36 communicating with the oxidant gas supply communication hole 20a and the oxidant gas discharge communication hole 20b is provided on the surface 14a of the first separator 14 on the electrolyte membrane / electrode structure 12 side. As shown in FIGS. 1 and 3, the oxidant gas flow path 36 includes, for example, a plurality of grooves (serpentine grooves) 38 extending in the direction of the arrow C while meandering in the direction of the arrow B, and the cathode side electrode 30. A flat portion 40 that is in contact with the cathode-side electrode 30 is provided between the groove portions 38.
[0024]
In the first embodiment, the area ratio of the flat portion 40 in contact with the in-plane center portion of the cathode side electrode 30 is the flat portion in contact with the in-plane outer peripheral portion other than the in-plane center portion of the cathode side electrode 30. The area ratio is set lower than 40. The area ratio refers to the area ratio of the flat portion 40 within a certain area of the surface 14a.
[0025]
Specifically, on the surface 14 a of the first separator 14, the flow path center portion T 1 corresponding to the in-plane center portion of the cathode side electrode 30 extends in the arrow B direction of the flat portion 40 as shown in FIG. Of the side surfaces 40a and 40b to be performed, for example, the side surface 40b is cut inward to form the side surface 40c. The width dimension H2 between the side surfaces 40a and 40c is set to a value considerably smaller than the width dimension H1 between the side surfaces 40a and 40b.
[0026]
As shown in FIGS. 1 and 5, the fuel gas flow path communicating with the fuel gas supply communication hole 24 a and the fuel gas discharge communication hole 24 b is formed on the surface 16 a of the second separator 16 on the electrolyte membrane / electrode structure 12 side. 42 is formed. The fuel gas channel 42 is formed between, for example, a plurality of grooves (serpentine grooves) 44 that meander in the direction of arrow B and extend in the direction of arrow C, and the anode side electrode 28. A flat portion 46 that contacts the anode side electrode 28 is provided therebetween.
[0027]
The area ratio of the flat portion 46 contacting the in-plane center portion of the anode side electrode 28 is set lower than the area ratio of the flat portion 46 contacting the in-plane outer peripheral portion of the anode side electrode 28. In the second separator 16, as in the first separator 14, the width dimension of the flat part 46 is wider than the width dimension of the other part in the flow path center part T <b> 2 corresponding to the in-plane center part of the anode side electrode 28. It is set narrowly.
[0028]
As shown in FIG. 1, a cooling medium flow path 48 communicating with the cooling medium supply communication hole 22 a and the cooling medium discharge communication hole 22 b is formed on the surface 16 b opposite to the surface 16 a of the second separator 16. The cooling medium flow path 48 is constituted by, for example, a plurality of straight flow path grooves extending in the arrow B direction.
[0029]
The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.
[0030]
As shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas, an oxidant gas that is an oxygen-containing gas such as air, and a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil are supplied into the fuel cell 10. . Therefore, an oxidant gas is introduced from the oxidant gas supply communication hole 20 a into the oxidant gas flow path 36 of the first separator 14, and this oxidant gas is applied to the cathode side electrode 30 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 12. Move along. Further, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 42 of the second separator 16 from the fuel gas supply communication hole 24 a and moves along the anode side electrode 28 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 12.
[0031]
Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 12, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 30 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 28 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.
[0032]
Next, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 28 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas discharge communication hole 24b. Similarly, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 30 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas discharge communication hole 20b.
[0033]
Further, the cooling medium supplied to the cooling medium supply communication hole 22a is introduced into the cooling medium flow channel 48 of the second separator 16 and then circulates along the arrow B direction. The cooling medium is discharged from the cooling medium discharge communication hole 22b after the electrolyte membrane / electrode structure 12 is cooled.
[0034]
In this case, in the first embodiment, for example, in the central portion T1 of the flow path of the first separator 14, the side surface 40c is formed by cutting out the side surface 40b of the flat portion 40 as shown in FIG. A width dimension H2 that is considerably narrower than the width dimension H1 of other portions is set.
[0035]
For this reason, the area ratio of the flat portion 40 that contacts the central portion in the surface of the cathode side electrode 30 is lower than the area ratio of the flat portion 40 that contacts the in-plane outer peripheral portion of the cathode side electrode 30. In other words, the thermal conductivity at the contact portion between the in-plane central portion of the cathode side electrode 30 and the first separator 14 is the heat conduction at the contact portion between the in-plane outer peripheral portion of the cathode side electrode 30 and the first separator 14. It is set lower than gender.
[0036]
Thereby, during the operation of the fuel cell 10, it is possible to restrict the heat transfer from the central portion of the cathode side electrode 30 to the outside, and the electrolyte membrane / electrode structure 12 is rapidly heated to a desired temperature. It becomes possible. Accordingly, the electrode surface of the cathode-side electrode 30 can be quickly heated to 0 ° C. or more at the time of starting below freezing, and the predetermined load can be reliably maintained during the low-temperature starting by preventing the voltage drop. An effect is obtained.
[0037]
In addition, the in-plane central portion of the cathode-side electrode 30 has less heat radiation than the in-plane outer peripheral portion of the cathode-side electrode 30. For this reason, the heat radiation amount at the time of low temperature start is further reduced, and the sustaining of the load is more reliably performed.
[0038]
In the second separator 16, the thermal conductivity at the contact portion between the in-plane central portion of the anode side electrode 28 and the second separator 16 is such that the in-plane outer peripheral portion of the anode side electrode 28 and the second separator 16 It is set to be lower than the thermal conductivity at the contact portion, and the same effect as the first separator 14 is obtained. Accordingly, there is an advantage that the low-temperature start can be favorably performed in a short time with a simple and inexpensive configuration, and the power generation performance of the fuel cell 10 can be effectively improved.
[0039]
FIG. 6 is an explanatory front view of the first separator 60 constituting the fuel cell according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third to fifth embodiments described below, detailed description thereof is omitted.
[0040]
The first separator 60 is provided with a meandering oxidant gas flow path 62, and the heat conductivity is set lower in the flow path center portion T <b> 3 of the oxidant gas flow path 62 than in other portions. Specifically, as shown in FIG. 7, in the flow path center portion T <b> 3, the flat portion 40 is notched at predetermined intervals in the direction of the arrow B, and the space portion 64 is between the flat portions 40. It is formed.
[0041]
Therefore, in the second embodiment, the area ratio of the flat portion 40 that contacts the in-plane center portion of the cathode side electrode (not shown) is the same as that of the flat portion 40 that contacts the in-plane outer peripheral portion of the cathode side electrode. It is lower than the area ratio.
[0042]
As a result, it is possible to limit the movement of heat from the flow path center portion T3 to the outside, and it is possible to perform a low temperature start in a short time with a simple and inexpensive configuration. The same effect as the form can be obtained. Instead of notching the flat portion 40 at every predetermined interval, the inside of the flow path central portion T3 may be formed in an embossed shape.
[0043]
FIG. 8 is a schematic perspective explanatory view of the flow path central portion T4 of the first separator 70 constituting the fuel cell according to the third embodiment of the present invention.
[0044]
In the flow path center portion T4, the surface of the flat portion 40 is subjected to a roughening process to form an uneven surface 72. Therefore, in the flat part 40, the heat conductivity in the flow path center part T4 is set lower than the heat conductivity of other parts, and it is possible to limit the movement of heat from the flow path center part T4 to the outside. become. Thereby, the effect similar to 1st and 2nd embodiment is acquired, such as being able to perform low temperature start favorably in a short time.
[0045]
FIG. 9 is a schematic perspective explanatory view of the flow path central portion T5 of the first separator 80 constituting the fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention.
[0046]
In the first separator 80, the flat portion 40 is partially provided with a notch 82 at a predetermined interval in the flow path central portion T5, and each notch 82 has, for example, polytetrafluoroethylene ( A heat insulating material 84 such as PTFE is fixed.
[0047]
As a result, a heat insulating layer of the heat insulating material 84 is provided in the flow path center portion T5, and a contact portion between the in-plane center portion of the cathode side electrode (not shown) and the first separator 80 (in the flow path center portion T5). Heat dissipation from the corresponding part) can be reliably prevented. Therefore, in the fourth embodiment, the same effects as those in the first to third embodiments can be obtained, such as enabling efficient low-temperature starting.
[0048]
FIG. 10 is a schematic perspective explanatory view of the first separator 92 and the cathode side electrode 94 constituting the fuel cell according to the fifth embodiment of the present invention at the flow path central portion T6.
[0049]
The cathode side electrode 94 includes a plurality of heat insulating materials 96 such as polytetrafluoroethylene and epoxy resin in the central portion of the gas diffusion layer (corresponding to the flow channel central portion T6). Are distributed by.
[0050]
As a result, in the fifth embodiment, a heat insulating layer 96 is formed by providing a heat insulating material 96 on the cathode side electrode 94, and from the contact portion between the in-plane center portion of the cathode side electrode 94 and the flat portion 40 of the separator 92. Can be reliably prevented. For this reason, the same effects as those of the first to fourth embodiments can be obtained, such as enabling efficient low-temperature starting.
[0051]
In the second to fifth embodiments, the first separators 60, 70, 80, and 92 have been described. However, a second separator (not shown) can be configured similarly. Further, the reaction gas channel (oxidant gas channel and fuel gas channel) is not limited to serpentine, but may be a linear channel.
[0052]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, the thermal conductivity at the contact portion between the in-plane central portion of the electrode constituting the electrolyte membrane / electrode structure and the separator is at the contact portion between the in-plane outer peripheral portion of the electrode and the separator. It is set lower than the thermal conductivity. For this reason, it can restrict | limit that heat transfers to the exterior from the in-plane center part of an electrode, and it becomes possible to heat an electrolyte membrane and electrode structure to desired temperature rapidly. This makes it possible to quickly heat the electrode surface to 0 ° C. or more, particularly during sub-freezing startup, and to prevent a voltage drop and reliably maintain a predetermined load during low-temperature startup.
[0053]
Moreover, heat is less radiated in the in-plane center portion of the electrode than in the in-plane outer peripheral portion of the electrode. Therefore, the heat radiation at the time of cold start is further reduced, and the load is maintained more reliably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional explanatory view of the fuel cell.
FIG. 3 is a front explanatory view of a first separator constituting the fuel cell.
FIG. 4 is an enlarged explanatory view of a central portion of a flow path of the first separator.
FIG. 5 is a front explanatory view of a second separator constituting the fuel cell.
FIG. 6 is a front explanatory view of a first separator constituting a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic enlarged explanatory view of a central portion of a flow path of the first separator.
FIG. 8 is an explanatory schematic perspective view of a central portion of a flow path of a first separator constituting a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic perspective explanatory view of a flow path central portion of a first separator constituting a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic perspective explanatory view of a central portion of a flow path of a first separator and a cathode side electrode constituting a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Electrolyte membrane electrode assembly 14, 16, 60, 70, 80, 92 ... Separator 20a ... Oxidant gas supply communication hole 20b ... Oxidant gas discharge communication hole 22a ... Cooling medium supply communication hole 22b ... Cooling medium discharge communication hole 24a ... Fuel gas supply communication hole 24b ... Fuel gas discharge communication hole 26 ... Solid polymer electrolyte membrane 28 ... Anode side electrode 30, 94 ... Cathode side electrode 36, 62 ... Oxidant gas flow path 38, 44 ... Groove part 40, 46 ... Flat part 42 ... Fuel gas flow path 72 ... Uneven surface 82 ... Notch part 84, 96 ... Insulating material

Claims

A fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, wherein the electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between a pair of separators,
The thermal conductivity at the contact portion between the in-plane center portion of the electrode and the separator is set lower than the thermal conductivity at the contact portion between the in-plane outer peripheral portion other than the in-plane center portion of the electrode and the separator. The fuel cell characterized by the above-mentioned.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the separator is provided with a reaction gas flow channel for supplying a reaction gas to the electrode, and a flat portion in contact with the electrode,
The fuel cell according to claim 1, wherein an area ratio of the flat portion in contact with an in-plane center portion of the electrode is set lower than an area ratio of the flat portion in contact with an in-plane outer peripheral portion of the electrode.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the separator is provided with a reaction gas flow channel for supplying a reaction gas to the electrode, and a flat portion in contact with the electrode,
In the fuel cell, the flat portion is subjected to a surface roughening treatment on a surface portion in contact with an in-plane center portion of the electrode.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein a heat insulating layer is provided at a contact portion between an in-plane center portion of the electrode and the separator.