JP3922089B2

JP3922089B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP3922089B2
Application number: JP2002140970A
Authority: JP
Inventors: 治通中西; 信一松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: JP2003331884A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、とくにガス流路断面積可変の燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３、図４に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。セパレータ１８にはアノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および／または冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
水素イオンが電解質膜中を移動して上記発電反応が行われるには電解質膜が適当に湿潤していることが必要であり、燃料ガスや酸化ガスは加湿してセルに供給される。
しかし、従来の燃料電池には、ＯＣ（オープンサーキットすなわち電気的無負荷）における耐久の問題があった。すなわち、ＯＣ時、電流０（自動車ではアイドル状態）において、▲１▼流速が０となり、水のもち出しが無くなり、含水率が高い状態となり、▲２▼含水率に比例して水素のクロスリーク（アノードからカソードに膜を通して水素が極く微量リークする現象）が増加し、▲３▼クロスリークした水素がカソード側で酸化ガス流路を流れる酸素と反応しカソード側の電極が発熱、かつ、カソード側での生成水が無いので、著しい温度増、を誘発する、という現象が連鎖的に起こり膜に穴が開き、耐久上問題となることがある。
その対策としては、▲１▼ＯＣ時膜を乾燥させる、▲２▼アノード内の水素をクロスリークさせないために、電力として消費する、▲３▼なるべくアノード電極に近いところで、水素をカットする、などが考えられるが、本発明ではＯＣ時、電極へのガス供給を最小限に抑える方法（ガス流路を閉塞する方法）を開発することとした。
ガス流路断面積可変に関しては、特開２０００−３０６５９１は、均一なガス分配を可能にするために（したがって、本発明の課題とは異なる課題）、燃料電池のセル面内流路断面積を可変とする弁を設けるもの（流路内温度に応じバイメタル弁等にて流路断面積を可変とするもの）を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来燃料電池でＯＣ時耐久を改善するために、セル面内流路断面積を小にする構造（特開２０００−３０６５９１のバイメタル弁）を採用して、ＯＣ時に電極へのガス供給を抑制しても、つぎの問題が生じる。
▲１▼ 従来構造ではセル内部の環境（たとえば、温度）に応じて流路断面積を変えるため、セル内部の環境と独立に、セル外部からの要求（たとえば、負荷）に応じて流路断面積を変えることができない。
また、流路断面積がセル内部の環境（たとえば、温度）によって決まる値となり、流路断面積をセル内環境とは独立に強制的に変えることができない。
▲２▼ 流路の１箇所にバイメタル弁を設ける構造では、弁で流路を閉塞しても流路溝全体にわたって弁を拡散層に押し付けることができないので、流路溝全体にわたって拡散層とセパレータ間の接触面積をとることができず、セパレータの電子通路断面積が増大せず、せっかくガス流路を閉塞してもセパレータとの熱伝導は向上しない。
本発明の目的は、ＯＣ時ガス流路を閉塞して燃料電池耐久を改善するに際し、セル外部からの要求に応じて流路断面積を変えることができるとともに、流路断面積をセル内環境とは独立に強制的に変えることができる燃料電池を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、ＯＣ時ガス流路を閉塞して燃料電池耐久を改善するに際し、セル外部からの要求に応じて流路断面積を変えることができるとともに、流路断面積をセル内環境とは独立に強制的に変えることができ、かつ、ＯＣ時でガス流路閉塞時にセパレータとの熱伝導性を向上できる燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）セル面内のガス流路の断面積が可変であり、セル外部からの要求に応じてガス流路断面積を変化させた燃料電池。
（２）セル面内のガス流路の断面積が可変であり、セル外部からの要求出力に応じてガス流路断面積を変化させた（１）記載の燃料電池。
（３）ＯＣ時は前記ガス流路を全閉とした（１）または（２）記載の燃料電池。
（４）セル面内のガス流路の断面積が可変であり、燃料電池負荷に応じてガス流路断面積を変化させ、ＯＣ時は前記ガス流路を全閉とした燃料電池。
（５）セル面に形成されるガス流路を有する燃料電池であって、前記ガス流路を、固定部と、該固定部とは別部品で固定部に対して可動の可動部から構成し、前記可動部を動かすことにより前記ガス流路を流路レスと流路有りの状態との間で変化させた燃料電池。
（６）前記ガス流路を、ＯＣ時には流路レスとし、出力時には流路断面積可変の流路有りとする（５）記載の燃料電池。
（７）出力時の流路有りにおいて、前記ガス流路を、要求出力が低い時には流路断面積を全開にし、要求出力が高い時には流路断面積を中開にする（６）記載の燃料電池。
【０００５】
上記（１）または（２）の燃料電池では、セル面内のガス流路の断面積が可変であるため、ＯＣ時に流路断面積を閉塞することが可能である。その際、外部からの要求（一例としてセル外部からの要求出力）に応じてガス流路断面積を変化させるので、セル内環境に応じて変化させるものではないため、セル内環境とは独立に強制的に変えることができ、制御応答性を高めることができる。
上記（３）または（４）の燃料電池では、ＯＣ時に流路断面積を閉塞することにより、水素のクロスリークを防止でき、ＯＣ時耐久を改善することができる。
上記（５）の燃料電池では、ガス流路を固定部と可動部から構成し、可動部を動かして流路レスとすることができるため、ＯＣ時に流路レスとして流路を閉塞することができる。また、可動部をセル外部からの要求に応じて動かすことにより、流路断面積をセル内環境とは独立に強制的に変えることができ、制御応答性を高めることができる。
また、可動部を流路レスとなるように動かすことができるので、ＯＣ時に流路レスとして可動部全体を拡散層に押し付けることができ、ＯＣ時のガス流路閉塞時のセパレータ熱伝導性を向上させることができる。
上記（６）の燃料電池では、ＯＣ時に流路レスとして水素の供給を断つことにより、水素のクロスリークを防止でき、ＯＣ時耐久を改善することができる。
上記（７）の燃料電池では、出力時の流路有りにおいて、ガス流路を、要求出力が低い時には流路断面積を全開にし、要求出力が高い時には流路断面積を中開にするので、要求出力が低い時には圧損を低減させて燃費向上をはかることができ、要求出力が高い時には流速を上げ生成水を吹き飛ばして燃料電池出力を上げることができる。その結果、出力時には、要求出力に応じて燃費向上と高出力の両立をはかることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図４を参照して説明する。図３、図４の従来の燃料電池の一般構成は、本発明では、セパレータ１８が固定部と固定部に対して可動な可動部からなる点を除き、本発明の燃料電池にも適用される。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図３、図４に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。セパレータ１８にはアノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８または冷媒を流すための冷媒流路２６が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
図１は、スタック２３のうち、１つのＭＥＡとその両側のセパレータ１８の、一部（ガス流路２７、２８のそれぞれの１流路とその流路底壁、流路側壁部分）を示している。
【０００８】
本発明の燃料電池では、図１に示すように、セル面内の（セルの発電部領域にある）ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）の流路断面積が可変とされており、セル外の要求、たとえば燃料電池負荷、に応じてガス流路断面積が変化される。
流路断面積が可変とされるガス流路は、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方であることが望ましいが、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の何れか一方のみでもＯＣ耐久向上に対しては効果があるので、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の何れか一方のみでもよい。以下の説明は、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の両方の場合を例にとる。
ガス流路断面積が変化される場合、図２に示すように、ＯＣ時はガス流路２７、２８が全閉とされる。
【０００９】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、セル面に形成されるガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）を有しており、ガス流路２７、２８は、それぞれ、固定部１８ａと、固定部１８ａとは別部品で固定部１８ａに対して可動の可動部１８ｂから構成されている。固定部１８ａと可動部１８ｂは、それぞれ、セパレータ１８の一部を構成している。可動部１８ｂを動かすことによりガス流路２７，２８は流路レスと流路有りの状態との間で変化される。
可動部１８ｂはセル外の要求、たとえば燃料電池負荷、に応じて動かされ、可動部１８ｂが動かされることによって、ガス流路断面積が変化される。
【００１０】
可動部１８ｂは、ガス流路２７、２８の流路溝深さ方向に動かされる。すなわち、固定部１８ａがセパレータのリブを構成しており可動部１８ｂがリブ間の谷底を構成していて、可動部１８ｂが動かされえることにより、固定のリブ間で可動の谷底が流路深さ方向に拡散層１３、１６に接近・離反する方向（流路溝の深さが深くなったり浅くなったりする方向）に動かされる。
可動部１８ｂの動きは、ガス流路２７、２８の流路長手方向の動きも伴ってもよいが、流路長手方向の動きを伴うと流路レス状態近傍で拡散層１３、１６をこするので、流路長手方向の動きは無い方がよい。
可動部１８ｂは、従来のバイメタル弁のようにガス流路２７、２８の１箇所に局所的に設けられるのではなく、ガス流路２７、２８の長手方向に長く設けられる。したがって、流路レスの状態では、可動部１８ｂは可動部１８ｂの全長にわたって拡散層１３、１６に押し付けられる。
【００１１】
上記の構造条件は、たとえば、固定部１８ａを平板に並行穴を形成したものから構成しておき、可動部１８ｂを平板の一面に該平板から直交する方向に突出する櫛歯状の多数の並行な流路底壁部を形成したものから構成しておき、可動部１８ｂの櫛歯を固定部１８ａの並行穴に差し込んで、並行穴の側面で流路側面を櫛歯の帳面で流路底面を形成して、ガス流路２７、２８を構成し、可動部１８ｂを固定部１８ａに対して平板厚み方向に動かして流路深さを変化させるようにした構造によって、達成される。ただし、この構造に流路構造が限定されるものではない。
【００１２】
図２に示すように、各ガス流路２７、２８は、ＯＣ時には流路レスとされ、出力時には流路断面積可変の流路有りとされるように、可動部１８ｂの動きが制御される。
また、出力時の流路有りにおいて、ガス流路２７、２８は、図２のＡのように要求出力が低い時（低負荷時）には流路断面積を全開にし、図２のＢのように要求出力が高い時（高負荷時）には流路断面積を中開（全開と流路レスの全閉との中間にある開度）にするように、可動部１８ｂの動きが制御される。
上記の可動部１８ｂの動きの制御は、セル外の制御装置からの信号によって、可動部１８ｂの作動装置（たとえば、スタック２３の側部に設けておき、これをセルの可動部１８ｂに連結しておく）を作動させることにより行う。可動部１８ｂの動きの制御は、スタック２３の全セル、同時に行うことが望ましい。
【００１３】
つぎに、本発明の燃料電池の作用について説明する。
上記燃料電池１０では、セル面内のガス流路２７、２８の流路断面積が可変であるため、ＯＣ時にガス流路２７、２８を閉塞する（ガス流路２７、２８の流路断面積を０にする）ことが可能である。その際、負荷（外部からの要求の一例）に応じてガス流路断面積を変化させるので、従来のようにセル内環境に応じて変化させるものではないため、セル内環境とは独立に強制的に変えることができ、要求に応じて先手先手で制御でき、制御応答性を高めることができる。
【００１４】
また、ＯＣ時に流路断面積を閉塞するので、ＯＣ時に水素の供給を燃料ガス流路２７全長にわたってカットでき、水素のクロスリークを防止でき、ＯＣ時耐久を改善することができる。また、カソード側の流路断面積を閉塞すると、たとえ極く微小量の水素がカソード側にクロスリークしたとしても、酸素側での水素と酸素との反応およびそれによる発熱と膜１１の損傷を抑えることができ、ＯＣ時耐久を改善することができる。これに対し、従来のようなバイメタル弁によって水素の供給流量を止めた場合には、燃料ガス流路２７に残っている水素のクロスリークは必ず生じるので、効果的にＯＣ時耐久を改善することはできない。
【００１５】
本発明の燃料電池１０では、ガス流路を固定部１８ａと可動部１８ｂから構成し、可動部１８ｂを動かして流路レスとすることができるため、ＯＣ時に流路レスとして流路を閉塞することができる。また、可動部１８ｂをセル外部からの要求に応じて動かすことにより、従来のバイメタル弁のようにセル内環境条件によって一義的になりゆきで作動させるものではないので、流路断面積をセル内環境とは独立に、任意の値に、強制的に変えることができ、制御応答性を高めることができる。
【００１６】
また、ガス流路２７、２８が流路レスとなるように可動部１８ｂを動かすことができるので、ＯＣ時に流路レスとして可動部１８ｂ全体を拡散層１３、１６に押し付けることができ、したがって、セパレータ１８が、リブの部分も溝であった部分も含めて、全面で、拡散層１３、１６に押し付けられ、ＯＣ時のガス流路閉塞時のセパレータ１８の電子通路が増大し、セパレータ１８との熱伝導性および導電性を向上させることができる。従来のバイメタル弁方式では、供給ガス流量を少なくすることはできても、流路は依然溝状態にあって、その部分ではセパレータは拡散層に接触してできないので、せっかくガスの供給を止めてもその流路をセパレータの電子通路に有効に利用できない。これに対し、本発明では、流路レスとした時には、出力有り時に流路溝であった部分も可動部１８ｂで埋めてセパレータ１８の電子通路として有効に利用できる。また、バイメタル方式ではバイメタルの拡散層に対する接触圧が大きくならないので、接触抵抗が大となり、電子通路として有効に利用できない。
【００１７】
可動部１８ｂをもつ燃料電池１０では、可動部１８ｂを作動させて、ＯＣ時に流路レスとして水素、酸素の供給を断つことにより、水素のクロスリークを防止でき、かつクロスリークしてしまった水素と酸素との反応を防止して発熱を抑え、膜１１の損傷を防止でき、ＯＣ時耐久を改善することができる。これに対し、従来のようなバイメタル弁によって水素の供給流量を止めた場合には、燃料ガス流路２７に残っている水素のクロスリークは必ず生じるので、効果的にＯＣ時耐久を改善することはできない。
【００１８】
また、燃料電池１０の出力時（流路有りの状態）において、ガス流路を、図２に示すように、要求出力が低い時には流路断面積を全開にし、要求出力が高い時には流路断面積を中開にするので、要求出力が低い時には圧損を低減させて燃費の向上をはかることができ、要求出力が高い時には流速を上げ生成水を吹き飛ばし、酸化ガス下流域での出力密度を向上させて、燃料電池出力を上げることができる（ただし、中開では圧損が大になって、燃費は全開時に比べて低下する）。その結果、出力時には、要求出力に応じて燃費向上と高出力の両立をはかることができる。これに対し、従来のバイメタル弁方式では、温度に応じて一義的に弁開度が決まってしまい、要求出力に応じて燃費をとったり出力をとったりすることができないので、本発明のような燃費向上と高出力の両立をはかることはできない。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１または請求項２の燃料電池によれば、セル面内のガス流路の断面積が可変であるため、ＯＣ時に流路断面積を閉塞することが可能である。その際、外部からの要求（一例としてセル外部からの要求出力）に応じてガス流路断面積を変化させるので、セル内環境とは独立に強制的にガス流路断面積を変えることができ、制御応答性を高めることができる。
請求項３または請求項４の燃料電池によれば、ＯＣ時に流路断面積を閉塞することにより、水素のクロスリークを防止でき、ＯＣ時の燃料電池の耐久を改善することができる。
請求項５の燃料電池によれば、ガス流路を固定部と可動部から構成し、可動部を動かして流路レスとすることができるため、ＯＣ時に流路レスとして流路を閉塞することができる。また、可動部をセル外部からの要求に応じて動かすことにより、流路断面積をセル内環境とは独立に強制的に変えることができ、制御応答性を高めることができる。
また、可動部を流路レスとなるように動かすことができるので、ＯＣ時に流路レスとして可動部全体を拡散層に押し付けることができ、ＯＣ時のガス流路閉塞時のセパレータとの熱伝導性を向上させることができる。
請求項６の燃料電池によれば、ＯＣ時に流路レスとして水素の供給を断つことにより、水素のクロスリークを防止でき、ＯＣ時耐久を改善することができる。
請求項７の燃料電池によれば、出力時の流路有りにおいて、ガス流路を、要求出力が低い時には流路断面積を全開にし、要求出力が高い時には流路断面積を中開にするので、要求出力が低い時には圧損を低減させて燃費向上をはかることができ、要求出力が高い時には流速を上げ生成水を吹き飛ばして燃料電池出力を上げることができる。その結果、出力時において、燃費向上と高出力の両立をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の電圧／電流密度のグラフである。
【図３】一般の燃料電池（ガス流路部以外は本発明にも適用可能）の全体正面図である。
【図４】図３の燃料電池の一部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１８ａ固定部
１８ｂ可動部
１９モジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルト
２６冷媒流路（冷却水流路）
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell having a variable gas flow path cross-sectional area.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIGS. 3 and 4, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 is composed of a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 made up of a catalyst layer 12 arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a catalyst layer 15 arranged on the other surface of the electrolyte membrane. Electrode (cathode, air electrode) 17. Gas flow paths 27 and 28 (fuel gas flow path 27, oxidation gas flow path 28) for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidation gas (oxygen, usually air) to the anode 14 and cathode 17 to the separator 18 and A refrigerant flow path 26 for flowing a refrigerant (usually cooling water) is formed. Between the membrane-electrode assembly and the separator 18, diffusion layers 13 and 16 are provided on the anode side and the cathode side, respectively. The membrane-electrode assembly and the separator 18 are stacked to constitute a cell, a module is constituted by at least one cell, the module is laminated to form a cell laminated body, and a terminal 20 and an insulator 21 are formed at both ends of the cell laminated body in the cell lamination direction. The end plate 22 is arranged, the cell stack is clamped in the cell stacking direction, and is fixed by a fastening member (for example, a tension plate 24) extending in the cell stacking direction outside the cell stack, bolts and nuts 25, and stacked. 23.
In each cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons is performed on the anode side, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side. On the cathode side, oxygen, hydrogen ions, and electrons (neighboring MEA) Next, the following reaction is performed to generate water from electrons generated at the anode of the first electrode through the separator or electrons generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction through the external circuit to the cathode of the other cell.
Anode side: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
Cathode side: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
In order for the hydrogen ions to move through the electrolyte membrane and the power generation reaction to occur, the electrolyte membrane needs to be appropriately moistened, and the fuel gas and oxidizing gas are humidified and supplied to the cell.
However, the conventional fuel cell has a problem of durability in OC (open circuit, that is, no electrical load). That is, at the time of OC, when the current is 0 (in an idling state in an automobile), (1) the flow velocity is 0, water is not extracted, the water content is high, and (2) hydrogen is leaked in proportion to the water content. (Phenomenon in which a very small amount of hydrogen leaks through the membrane from the anode to the cathode), and (3) the cross-leaked hydrogen reacts with oxygen flowing through the oxidizing gas channel on the cathode side, and the cathode side electrode generates heat, and Since there is no water produced on the cathode side, a phenomenon of inducing a significant increase in temperature occurs in a chain, and a hole is opened in the membrane, which may cause a problem in durability.
Countermeasures include: (1) drying the membrane during OC, (2) consuming as power to prevent cross-leakage of hydrogen in the anode, (3) cutting hydrogen as close as possible to the anode electrode, etc. However, in the present invention, a method of minimizing the gas supply to the electrode during OC (a method of closing the gas flow path) was developed.
Regarding variable gas flow path cross-sectional area, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-306591 discloses a cross-sectional flow area in a cell plane of a fuel cell in order to enable uniform gas distribution (thus, a problem different from the problem of the present invention). Disclosed is a valve provided with a variable valve (the cross-sectional area of the flow path is variable by a bimetal valve or the like according to the temperature in the flow path).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In order to improve the endurance at the time of OC in a conventional fuel cell, a structure (bimetal valve of Japanese Patent Laid-Open No. 2000-306591) that reduces the cross-sectional area of the cell in-plane flow path is adopted to suppress gas supply to the electrode during OC. However, the following problems arise.
(1) In the conventional structure, since the cross-sectional area of the flow path is changed according to the environment (for example, temperature) inside the cell, the flow path is cut off according to a request (for example, load) from the outside of the cell independently of the environment inside the cell. The area cannot be changed.
Moreover, the flow path cross-sectional area becomes a value determined by the environment (for example, temperature) inside the cell, and the flow path cross-sectional area cannot be forcibly changed independently of the in-cell environment.
(2) In the structure in which a bimetal valve is provided at one location of the flow path, even if the flow path is closed by the valve, the valve cannot be pressed against the diffusion layer over the entire flow path groove. The contact area between them cannot be taken, the electron passage cross-sectional area of the separator does not increase, and even if the gas flow path is blocked, the heat conduction with the separator is not improved.
The object of the present invention is to improve the fuel cell durability by closing the OC gas flow path, and the flow path cross-sectional area can be changed according to a request from the outside of the cell. It is to provide a fuel cell that can be forced to change independently.
Another object of the present invention is to improve the fuel cell endurance by closing the OC gas flow path, and the flow path cross-sectional area can be changed according to the request from the outside of the cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be forcibly changed independently of the in-cell environment and that can improve the thermal conductivity with the separator when the gas flow path is closed at the time of OC.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A fuel cell in which the cross-sectional area of the gas flow path in the cell plane is variable and the cross-sectional area of the gas flow path is changed according to a request from the outside of the cell.
(2) The fuel cell according to (1), wherein the cross-sectional area of the gas flow path in the cell plane is variable, and the cross-sectional area of the gas flow path is changed according to the required output from the outside of the cell.
( 3 ) The fuel cell according to (1) or (2), wherein the gas flow path is fully closed during OC.
(4) A fuel cell in which the cross-sectional area of the gas flow path in the cell plane is variable, the cross-sectional area of the gas flow path is changed according to the fuel cell load, and the gas flow path is fully closed during OC.
( 5 ) A fuel cell having a gas flow path formed on a cell surface, wherein the gas flow path comprises a fixed part and a movable part that is separate from the fixed part and movable relative to the fixed part. A fuel cell in which the gas flow path is changed between a state without a flow path and a state with a flow path by moving the movable part.
( 6 ) The fuel cell according to ( 5 ), wherein the gas flow path has no flow path at the time of OC, and has a flow path having a variable flow path cross-sectional area at the time of output.
( 7 ) The fuel according to ( 6 ), wherein in the presence of a flow path at the time of output, the gas flow path is fully opened when the required output is low, and is opened when the required output is high. battery.
[0005]
In the fuel cell of the above (1) or (2) , since the cross-sectional area of the gas flow channel in the cell surface is variable, it is possible to close the flow channel cross-sectional area during OC. At that time, since changing the gas flow passage cross-sectional area in response to a request from the external (required output from the cell outside as an example), because it does not vary according to the cell environment, independent of the cell environment Therefore, the control response can be improved.
In the fuel cell of the above (3) or (4) , the cross-sectional area of the flow path is closed at the time of OC, so that hydrogen cross leak can be prevented and the durability at the time of OC can be improved.
In the fuel cell of the above ( 5 ), the gas flow path is composed of a fixed part and a movable part, and the movable part can be moved to make the flow path-less. it can. Further, by moving the movable part in response to a request from the outside of the cell, the flow path cross-sectional area can be forcibly changed independently of the in-cell environment, and the control response can be enhanced.
In addition, since the movable part can be moved so as to be free of the flow path, the entire movable part can be pressed against the diffusion layer without the flow path during OC, and the separator thermal conductivity when the gas flow path is closed during OC Can be improved.
In the fuel cell of the above ( 6 ), it is possible to prevent hydrogen cross-leakage and improve durability at the time of OC by cutting off the supply of hydrogen without a flow path at the time of OC.
In the fuel cell of ( 7 ), when there is a flow path at the time of output, the gas flow path is fully opened when the required output is low, and the flow path cross-sectional area is opened when the required output is high. When the required output is low, the pressure loss can be reduced to improve fuel efficiency. When the required output is high, the flow rate can be increased and the generated water can be blown off to increase the fuel cell output. As a result, at the time of output, both improvement in fuel consumption and high output can be achieved according to the required output.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Below, the fuel cell of this invention is demonstrated with reference to FIGS. The general structure of the conventional fuel cell shown in FIGS. 3 and 4 is also applied to the fuel cell of the present invention except that the separator 18 includes a fixed part and a movable part movable with respect to the fixed part. .
The fuel cell of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
[0007]
The solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18 as shown in FIGS. 1, 3, and 4. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 made of a catalyst layer 12 placed on one surface of the electrolyte membrane, and a catalyst placed on the other surface of the electrolyte membrane 11. An electrode (cathode, air electrode) 17 composed of the layer 15 is formed. The separator 18 is formed with gas passages 27 and 28 for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) to the anode and cathode, or a refrigerant passage 26 for flowing a refrigerant. Between the membrane-electrode assembly and the separator 18, diffusion layers 13 and 16 are provided on the anode side and the cathode side, respectively.
FIG. 1 shows a part (one flow path of each of the gas flow paths 27 and 28 and the flow path bottom wall and flow path side wall) of one MEA and the separators 18 on both sides thereof in the stack 23. Yes.
[0008]
In the fuel cell of the present invention, as shown in FIG. 1, the gas flow paths 27 and 28 (the fuel gas flow path 27 and the oxidant gas flow path 28) in the cell plane (in the power generation area of the cell) are disconnected. The area is variable, and the gas flow path cross-sectional area is changed according to a request outside the cell, for example, a fuel cell load.
The gas flow paths whose flow path cross-sectional area is variable are preferably both the fuel gas flow path 27 and the oxidizing gas flow path 28, but only one of the fuel gas flow path 27 and the oxidizing gas flow path 28 is used. However, since it is effective for improving the OC durability, only one of the fuel gas channel 27 and the oxidizing gas channel 28 may be used. The following description takes the case of both the fuel gas channel 27 and the oxidizing gas channel 28 as an example.
When the gas channel cross-sectional area is changed, as shown in FIG. 2, the gas channels 27 and 28 are fully closed during OC.
[0009]
As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present invention has gas flow paths 27 and 28 (fuel gas flow path 27 and oxidant gas flow path 28) formed on the cell surface. Reference numeral 28 denotes a fixed portion 18a and a movable portion 18b which is a separate component from the fixed portion 18a and is movable with respect to the fixed portion 18a. Each of the fixed portion 18a and the movable portion 18b constitutes a part of the separator 18. By moving the movable portion 18b, the gas flow paths 27 and 28 are changed between a flow path-less state and a state where a flow path is present.
The movable portion 18b is moved in response to a request outside the cell, for example, a fuel cell load, and the gas flow passage cross-sectional area is changed by moving the movable portion 18b.
[0010]
The movable portion 18b is moved in the flow channel depth direction of the gas flow channels 27 and 28. That is, the fixed portion 18a constitutes a rib of the separator, the movable portion 18b constitutes a valley bottom between the ribs, and the movable portion 18b can be moved, so that the movable valley bottom is fixed between the fixed ribs. It is moved in the direction in which the diffusion layers 13 and 16 are approached / separated in the vertical direction (the direction in which the depth of the flow channel becomes deeper or shallower).
The movement of the movable portion 18b may be accompanied by movement of the gas flow paths 27 and 28 in the longitudinal direction of the gas flow path, but if accompanied by movement in the longitudinal direction of the flow path, the diffusion layers 13 and 16 are rubbed near the flow path-less state. Therefore, it is better that there is no movement in the flow channel longitudinal direction.
The movable portion 18b is not provided locally at one location of the gas flow paths 27 and 28 as in the conventional bimetal valve, but is provided long in the longitudinal direction of the gas flow paths 27 and 28. Therefore, in a state where there is no flow path, the movable portion 18b is pressed against the diffusion layers 13 and 16 over the entire length of the movable portion 18b.
[0011]
The above structural condition is, for example, that the fixed portion 18a is formed of a flat plate formed with parallel holes, and the movable portion 18b is formed on one surface of the flat plate in a plurality of comb-like parallel shapes protruding in a direction perpendicular to the flat plate. The flow path bottom wall portion is formed, the comb teeth of the movable portion 18b are inserted into the parallel holes of the fixed portion 18a, and the flow channel side surface is the bottom surface of the flow channel with the side surfaces of the parallel holes. And the gas flow paths 27 and 28 are formed, and the movable section 18b is moved in the flat plate thickness direction with respect to the fixed section 18a to change the flow path depth. However, the channel structure is not limited to this structure.
[0012]
As shown in FIG. 2, the movement of the movable part 18b is controlled so that each gas flow path 27, 28 is flow path-less during OC and has a flow path with a variable cross-sectional area during output. .
In addition, when there is a flow path at the time of output, the gas flow paths 27 and 28 are fully opened when the required output is low as shown in FIG. Thus, when the required output is high (when the load is high), the movement of the movable portion 18b is controlled so that the cross-sectional area of the flow path is in the middle open position (an opening between the fully open state and the fully closed state without the flow path). Is done.
The movement of the movable portion 18b is controlled by a signal from a control device outside the cell. The moving device 18b is operated on the actuator (for example, provided on the side of the stack 23 and connected to the movable portion 18b of the cell). ) Is activated. It is desirable to control the movement of the movable portion 18b for all the cells of the stack 23 simultaneously.
[0013]
Next, the operation of the fuel cell of the present invention will be described.
In the fuel cell 10, since the cross-sectional area of the gas flow paths 27, 28 in the cell plane is variable, the gas flow paths 27, 28 are closed during OC (the cross-sectional area of the gas flow paths 27, 28). Can be set to 0). At that time, since the gas flow path cross-sectional area is changed according to the load (an example of an external request), it is not changed according to the environment in the cell as in the conventional case. It can be changed automatically, and it can be controlled by the front-and-rear hand according to the request, and the control responsiveness can be improved.
[0014]
Further, since the channel cross-sectional area is closed during OC, the supply of hydrogen during OC can be cut over the entire length of the fuel gas channel 27, hydrogen cross-leakage can be prevented, and OC durability can be improved. Further, if the cross-sectional area on the cathode side is closed, even if a very small amount of hydrogen cross-leaks to the cathode side, the reaction between hydrogen and oxygen on the oxygen side, the heat generated thereby, and damage to the membrane 11 are prevented. It is possible to suppress the durability at the time of OC. On the other hand, when the hydrogen supply flow rate is stopped by a conventional bimetal valve , the hydrogen cross-leak remaining in the fuel gas passage 27 always occurs, so that the durability during OC is effectively improved. I can't.
[0015]
In the fuel cell 10 of the present invention, the gas flow path is configured by the fixed portion 18a and the movable portion 18b, and the movable portion 18b can be moved to make the flow path-less. be able to. In addition, by moving the movable part 18b in response to a request from the outside of the cell, it is not uniquely operated depending on the environmental conditions in the cell as in the conventional bimetal valve. Independent of the environment, it can be forcibly changed to an arbitrary value, and the control responsiveness can be improved.
[0016]
Moreover, since the movable part 18b can be moved so that the gas flow paths 27 and 28 are flow path-less, the entire movable part 18b can be pressed against the diffusion layers 13 and 16 as a flow path-less during OC. The separator 18 is pressed against the diffusion layers 13 and 16 over the entire surface, including the rib portion and the groove portion, and the electron path of the separator 18 when the gas flow passage is closed during OC is increased. The thermal conductivity and electrical conductivity of can be improved. In the conventional bimetal valve system, the flow rate of the supply gas can be reduced, but the flow path is still in the groove state, and the separator cannot contact the diffusion layer at that part. However, the channel cannot be effectively used for the electronic passage of the separator. On the other hand, in the present invention, when the flow path is not used, the portion that was the flow path groove when the output is present can be filled with the movable portion 18b and effectively used as the electronic path of the separator 18. Further, in the bimetal method, the contact pressure of the bimetal diffusion layer does not increase, so the contact resistance increases and cannot be effectively used as an electron path.
[0017]
In the fuel cell 10 having the movable portion 18b, the movable portion 18b is operated to cut off the supply of hydrogen and oxygen so that there is no flow path during OC, thereby preventing hydrogen cross-leakage and cross-leaked hydrogen. The reaction between oxygen and oxygen can be prevented to suppress heat generation, damage to the film 11 can be prevented, and durability during OC can be improved. On the other hand, when the hydrogen supply flow rate is stopped by a conventional bimetal valve , the hydrogen cross-leak remaining in the fuel gas passage 27 always occurs, so that the durability during OC is effectively improved. I can't.
[0018]
Further, at the time of output of the fuel cell 10 (with a flow path), as shown in FIG. 2, the gas flow path is fully opened when the required output is low, and the flow path is disconnected when the required output is high. Since the area is open, the pressure loss can be reduced to improve fuel efficiency when the required output is low, and when the required output is high, the flow rate is increased to blow off the generated water and improve the output density in the downstream area of the oxidizing gas. Thus, the output of the fuel cell can be increased (however, the pressure loss increases at the middle opening, and the fuel consumption decreases compared to the full opening). As a result, at the time of output, both improvement in fuel consumption and high output can be achieved according to the required output. On the other hand, in the conventional bimetal valve system, the valve opening is uniquely determined according to the temperature, and it is not possible to take fuel consumption or output according to the required output. And high output cannot be achieved.
[0019]
【The invention's effect】
According to the fuel cell of Claim 1 or Claim 2 , since the cross-sectional area of the gas flow path in the cell plane is variable, it is possible to close the flow path cross-sectional area during OC. At that time, since changing the gas flow passage cross-sectional area in response to a request from the external (required output from the cell outside as an example), forced independently of the cell environment can change the gas flow path cross-sectional area Control responsiveness can be improved.
According to the fuel cell of the third or fourth aspect , by closing the flow path cross-sectional area during OC, hydrogen cross leak can be prevented and the durability of the fuel cell during OC can be improved.
According to the fuel cell of claim 5 , since the gas flow path is configured by the fixed part and the movable part, and the movable part can be moved to make the flow path-less, the flow path is closed at the time of OC. Can do. Further, by moving the movable part in response to a request from the outside of the cell, the flow path cross-sectional area can be forcibly changed independently of the in-cell environment, and the control response can be enhanced.
In addition, since the movable part can be moved so as to be free of the flow path, the entire movable part can be pressed against the diffusion layer without the flow path during OC, and the heat conduction with the separator when the gas flow path is closed during OC. Can be improved.
According to the fuel cell of the sixth aspect of the present invention, it is possible to prevent hydrogen cross-leakage and improve the durability at the time of OC by cutting off the supply of hydrogen without a flow path at the time of OC.
According to the fuel cell of claim 7, in the presence of the flow path at the time of output, the gas flow path is fully opened when the required output is low, and is opened when the required output is high. Therefore, when the required output is low, pressure loss can be reduced to improve fuel efficiency, and when the required output is high, the flow rate can be increased and the generated water can be blown off to increase the fuel cell output. As a result, at the time of output, it is possible to achieve both improved fuel efficiency and high output.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a part of a fuel cell of the present invention.
FIG. 2 is a graph of voltage / current density of the fuel cell of the present invention.
FIG. 3 is an overall front view of a general fuel cell (except for the gas flow path portion, which can also be applied to the present invention).
4 is a partially enlarged cross-sectional view of the fuel cell of FIG. 3. FIG.
[Explanation of symbols]
10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membrane 12 catalyst layer 13 diffusion layer 14 electrode (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Separator 18a Fixed part 18b Movable part 19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Bolt 26 Refrigerant flow path (cooling water flow path)
27 Fuel Gas Channel 28 Oxidizing Gas Channel

Claims

A fuel cell in which the cross-sectional area of the gas flow path in the cell plane is variable, and the cross-sectional area of the gas flow path is changed according to a request from the outside of the cell.

The fuel cell according to claim 1, wherein the cross-sectional area of the gas flow path in the cell plane is variable, and the cross-sectional area of the gas flow path is changed according to a required output from the outside of the cell.

The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the gas flow path is fully closed during OC.

A fuel cell in which the cross-sectional area of the gas flow path in the cell surface is variable, the cross-sectional area of the gas flow path is changed according to the fuel cell load, and the gas flow path is fully closed during OC.

A fuel cell having a gas flow path formed on a cell surface, wherein the gas flow path includes a fixed portion and a movable portion that is separate from the fixed portion and movable relative to the fixed portion, and the movable A fuel cell in which the gas flow path is changed between a flow path-less state and a flow path presence state by moving a part.

6. The fuel cell according to claim 5 , wherein the gas flow path has no flow path at the time of OC and a flow path having a variable flow path cross-sectional area at the time of output.

7. The fuel cell according to claim 6 , wherein in the presence of a flow path at the time of output, the gas flow path is fully opened when the required output is low, and is opened when the required output is high.