JP6068218B2 - Operation method of fuel cell - Google Patents
Operation method of fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP6068218B2 JP6068218B2 JP2013060765A JP2013060765A JP6068218B2 JP 6068218 B2 JP6068218 B2 JP 6068218B2 JP 2013060765 A JP2013060765 A JP 2013060765A JP 2013060765 A JP2013060765 A JP 2013060765A JP 6068218 B2 JP6068218 B2 JP 6068218B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reaction gas
- cooling medium
- flow path
- communication hole
- inlet
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池の運転方法に関する。
The present invention relates to a method of operating fuel cells in which the both sides in the electrode separator and the membrane electrode assembly provided in the electrolyte membrane is laminated.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の一方の側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セル（単位セル）を備えている。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an anode electrode is disposed on one side of a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, and a cathode electrode is disposed on the other side of the solid polymer electrolyte membrane. In addition, a power generation cell (unit cell) in which the electrolyte membrane / electrode structure (MEA) is sandwiched between separators is provided. In a fuel cell, several tens to several hundreds of power generation cells are usually stacked and used, for example, as an in-vehicle fuel cell stack.
燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。 In a fuel cell, a fuel gas flow path (hereinafter also referred to as a reaction gas flow path) for flowing a fuel gas to the anode electrode and an oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas to the cathode electrode in the plane of the separator (Hereinafter also referred to as a reaction gas channel). Furthermore, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator for each power generation cell or for each of the plurality of power generation cells.
この種の燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。その際、一般的に、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間には、前記反応ガス流路に反応ガスを均一に分散させて供給するために、バッファ部が設けられている。バッファ部は、例えば、複数個のエンボスや複数本の長尺状凸部間に設けられる複数本の流路溝等により構成されている。 This type of fuel cell may constitute a so-called internal manifold in which a reaction gas communication hole and a cooling medium communication hole penetrating in the stacking direction of the separator are provided inside the fuel cell. At this time, generally, a buffer portion is provided between the reaction gas communication hole and the reaction gas channel so as to uniformly distribute and supply the reaction gas to the reaction gas channel. The buffer unit is configured by, for example, a plurality of embossed grooves, a plurality of flow channel grooves provided between a plurality of long convex portions, and the like.
そこで、バッファ部の寸法を可及的に小型化するとともに、軽量且つコンパクトな構成で、所望の発電性能を確保することを目的として、例えば、特許文献１に開示された燃料電池が知られている。
Therefore, for example, a fuel cell disclosed in
この燃料電池では、セパレータは、反応ガス流路の入口側に位置する略三角形状の入口バッファ部と、前記反応ガス流路の出口側に位置し、略三角形状の出口バッファ部とを備えるとともに、前記入口バッファ部及び前記出口バッファ部の平均圧損は、前記反応ガス流路の平均圧損以下に設定されている。このため、反応ガス流路を流れる反応ガスの流量を均等化することができ、簡単な構成で、反応ガスを反応ガス連通孔から反応ガス流路全面に均一に供給することが可能になる、としている。 In this fuel cell, the separator includes a substantially triangular inlet buffer portion located on the inlet side of the reaction gas flow path, and a substantially triangular outlet buffer portion located on the outlet side of the reaction gas flow path. The average pressure loss of the inlet buffer portion and the outlet buffer portion is set to be equal to or lower than the average pressure loss of the reaction gas channel. For this reason, the flow rate of the reaction gas flowing through the reaction gas channel can be equalized, and the reaction gas can be uniformly supplied from the reaction gas communication hole to the entire reaction gas channel with a simple configuration. It is said.
ところで、この種のバッファ部では、低負荷時における反応ガスの分配を促進させるために、バッファ部流路の圧損を高くすることが考えられる。しかしながら、バッファ部流路の圧損が上昇すると、高負荷領域では、補機類の過剰な損失が発生してしまい、システム効率が低下するおそれがある。 By the way, in this kind of buffer part, in order to accelerate | stimulate distribution of the reaction gas at the time of low load, it is possible to raise the pressure loss of a buffer part flow path. However, when the pressure loss of the buffer section flow path increases, excessive loss of auxiliary machinery occurs in a high load region, and the system efficiency may be reduced.
さらに、発電領域内に生成水が滞留した際には、供給反応ガスを増量させたり、系外に反応ガスを排出させたりする必要がある。これにより、制御が煩雑化するとともに、構成が複雑化するおそれがある。 Furthermore, when the generated water stays in the power generation region, it is necessary to increase the amount of the supplied reaction gas or to discharge the reaction gas outside the system. As a result, the control becomes complicated and the configuration may be complicated.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、運転状況の変動に容易に対応することができ、反応ガスの流配性及び排水性を向上させて最適な運転状態を実現させることが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
The present invention solves this type of problem, and can easily cope with fluctuations in operating conditions with a simple configuration and process, and improves the flowability and drainage performance of the reaction gas and is optimal. and to provide a fuel cells operating method capable of realizing the operation state.
本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極面に沿って一方の反応ガスを流通させる第１反応ガス流路、他方の電極面に沿って他方の反応ガスを流通させる第２反応ガス流路、及び一対の隣接する前記セパレータ間に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、前記一方の反応ガスをセパレータ積層方向に沿って流通させる第１反応ガス連通孔、前記他方の反応ガスを前記セパレータ積層方向に沿って流通させる第２反応ガス連通孔、及び前記冷却媒体を前記セパレータ積層方向に沿って流通させる冷却媒体連通孔が形成される燃料電池の運転方法に関するものである。
In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane, and a separator are laminated, and a first reaction gas flow channel for allowing one reaction gas to flow along one electrode surface, the other electrode A second reaction gas flow path for flowing the other reaction gas along the surface, and a cooling medium flow path for flowing the cooling medium along a pair of adjacent separators; A first reaction gas communication hole that circulates along the separator stacking direction, a second reaction gas communication hole that circulates the other reaction gas along the separator stacking direction, and a coolant that flows along the separator stacking direction to a method of operating fuel cells which coolant hole is formed to be.
この運転方法では、少なくとも第１反応ガス流路と第１反応ガス連通孔との間で且つ発電領域の外方に位置して、一方の反応ガスを均等に流通させるための通路を形成する反応ガスバッファ部が設けられるとともに、セパレータの前記反応ガスバッファ部の裏面側には、冷却媒体流路と冷却媒体連通孔とを連通する、又は、第２反応ガス流路と第２反応ガス連通孔とを連通する、流体バッファ部が設けられている。
In this operating method, to form a passage for located and outside of the power generation region between at least a first reactant gas channel and a first reactant gas passage, thereby evenly distribute one reactant gas A reaction gas buffer unit is provided, and a cooling medium flow path and a cooling medium communication hole are communicated with the back surface side of the reaction gas buffer part of the separator, or the second reaction gas flow path and the second reaction gas communication are provided. A fluid buffer is provided in communication with the hole.
そして、反応ガスバッファ部に供給される一方の反応ガスの供給圧と、流体バッファ部に供給される冷却媒体又は他方の反応ガスの供給圧とを調整している。これにより、反応ガスバッファ部に設けられた凸部の先端又は流体バッファ部に設けられた凸部の先端と、隣接するセパレータ又は電解質膜・電極構造体との間には、セパレータ積層方向に沿って隙間の大きさが調整される。 Then, the supply pressure of one reaction gas supplied to the reaction gas buffer unit and the supply pressure of the cooling medium supplied to the fluid buffer unit or the other reaction gas are adjusted. Thereby, between the tip of the convex part provided in the reaction gas buffer part or the tip of the convex part provided in the fluid buffer part and the adjacent separator or the electrolyte membrane / electrode structure, the separator is laminated. The size of the gap is adjusted.
さらにまた、この運転方法では、一方の反応ガスの供給圧を、冷却媒体又は他方の反応ガスの供給圧よりも高圧に設定する第１の工程と、前記冷却媒体又は前記他方の反応ガスの供給圧を、前記一方の反応ガスの供給圧よりも高圧に設定する第２の工程と、を有し、前記第１の工程と前記第２の工程とを、交互に行う。
Furthermore, in this operation method, the supply pressure of one reaction gas is set higher than the supply pressure of the cooling medium or the other reaction gas, and the supply of the cooling medium or the other reaction gas. the pressure, and a second step of setting the pressure higher than the supply pressure of the one of the reaction gas, and said first step and the second step, intends row alternately.
本発明によれば、反応ガスバッファ部に設けられた凸部の先端と、隣接するセパレータ又は電解質膜・電極構造体との間には、隙間が設けられている。このため、隙間を介して反応ガスの圧損を低減させることができる。 According to the present invention, a gap is provided between the tip of the convex portion provided in the reaction gas buffer portion and the adjacent separator or electrolyte membrane / electrode structure. For this reason, the pressure loss of the reaction gas can be reduced through the gap.
一方、反応ガスバッファ部の裏面側に供給される他方の反応ガス又は冷却媒体である流体の供給圧を、前記反応ガスバッファ部に供給される反応ガスの供給圧よりも相対的に高く設定する。従って、反応ガスバッファ部は、隣接するセパレータ又は電解質膜・電極構造体に接触し、前記反応ガスバッファ部の流路断面積が減少して前記反応ガスバッファ部の圧損が上昇する。 On the other hand, the supply pressure of the other reaction gas supplied to the back side of the reaction gas buffer unit or the fluid that is the cooling medium is set relatively higher than the supply pressure of the reaction gas supplied to the reaction gas buffer unit. . Accordingly, the reaction gas buffer unit comes into contact with the adjacent separator or the electrolyte membrane / electrode structure, and the flow path cross-sectional area of the reaction gas buffer unit decreases, and the pressure loss of the reaction gas buffer unit increases.
これにより、反応ガスバッファ部では、一方の反応ガスの流速変化や圧損変化が惹起され、簡単な構成及び工程で、運転状況の変動に容易に対応することが可能になる。このため、反応ガスの流配性及び排水性を向上させることができ、最適な運転状態を実現させることが可能になる。 As a result, in the reaction gas buffer unit, a change in flow rate or pressure loss of one reaction gas is caused, and it becomes possible to easily cope with fluctuations in operating conditions with a simple configuration and process. For this reason, it is possible to improve the flowability and drainage of the reaction gas, and to realize an optimum operating state.
図１〜図４に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３金属セパレータ２０を設ける。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した横長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、セパレータとしては、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０に代えて、カーボンセパレータを使用することができる。
The
図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、具体的には、第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の長辺方向の一端縁部には、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入口連通孔２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。
As shown in FIG. 1, specifically, the length of the
発電ユニット１２の長辺方向（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入口連通孔２４ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。
The other end edge of the
発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ側に近接し、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔２５ａが設けられる。発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ側に近接し、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂが設けられる。
A pair of cooling media for supplying a cooling medium in close proximity to the oxidant gas
図５に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとに連通する第１酸化剤ガス流路２６が形成される。
As shown in FIG. 5, the
第１酸化剤ガス流路２６は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）２６ａを有するとともに、前記第１酸化剤ガス流路２６の入口近傍及び出口近傍には、発電領域の外方に位置して、それぞれ入口バッファ部（反応ガスバッファ部）２８ａ及び出口バッファ部（反応ガスバッファ部）２８ｂが設けられる。入口バッファ部２８ａと出口バッファ部２８ｂとは、それぞれ酸化剤ガスを複数本の波状流路溝部２６ａに対して均等に流通させるための通路を形成しＭＥＡ側に突出する複数のエンボス部２９ａと複数のエンボス部２９ｂとを有する。エンボス部２９ａ、２９ｂは、平面形状で円形、長円形又は直線状等の種々の形状に設定することができる。また、樹脂枠部材側も同様である。
The first oxidant
入口バッファ部２８ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝３０ａが形成される。出口バッファ部２８ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝３０ｂが形成される。
Between the
図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂには、一対の冷却媒体入口連通孔２５ａと一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂとを連通する冷却媒体流路３２が形成される。冷却媒体流路３２は、第１酸化剤ガス流路２６の裏面形状と後述する第２燃料ガス流路４２の裏面形状とが重なり合って形成される。
As shown in FIG. 1, a cooling
冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、発電領域の外方に位置して、それぞれ入口バッファ部（流体バッファ部）３３ａ及び出口バッファ部（流体バッファ部）３３ｂが設けられる。入口バッファ部３３ａ及び出口バッファ部３３ｂは、酸化剤ガス側の入口バッファ部２８ａと出口バッファ部２８ｂの裏面形状である。入口バッファ部３３ａと出口バッファ部３３ｂとには、複数のエンボス部２９ｃと複数のエンボス部２９ｄとが設けられる。エンボス部２９ｃとエンボス部２９ｄとは、互いに反対方向に突出する。
An inlet buffer part (fluid buffer part) 33a and an outlet buffer part (fluid buffer part) 33b are provided near the inlet and outlet of the cooling
図６に示すように、第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路３４が形成される。第１燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３４ａを有する。
As shown in FIG. 6, the first fuel gas that communicates the fuel gas
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部３６ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部３６ｂが形成される。第１燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部３７ａ及び３７ｂが設けられる。
A plurality of
図１及び図６に示すように、第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路３８が形成される。第２酸化剤ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）３８ａを有する。
As shown in FIGS. 1 and 6, an oxidant gas
第２酸化剤ガス流路３８の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部３９ａ及び３９ｂが設けられる。平坦部３９ａ及び３９ｂは、平坦部３７ｂ及び３７ａの裏面形状である。平坦部３９ａと酸化剤ガス入口連通孔２２ａとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝（図示せず）が形成される。平坦部３９ｂと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝（図示せず）が形成される。
図１に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する第２燃料ガス流路４２が形成される。第２燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の波状流路溝部（直線状流路溝部でもよい）４２ａを有する。
As shown in FIG. 1, the second fuel gas flow communicating with the fuel gas
燃料ガス入口連通孔２４ａの近傍には、複数の供給孔部４４ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２４ｂの近傍には、複数の排出孔部４４ｂが形成される。図３に示すように、供給孔部４４ａは、第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。図１に示すように、排出孔部４４ｂは、前記第２金属セパレータ１８の排出孔部３６ｂよりも内側（燃料ガス流路側）に配置される。第２燃料ガス流路４２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部４５ａ及び４５ｂが設けられる。
A plurality of
図７に示すように、第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、第２燃料ガス流路４２の裏面形状である冷却媒体流路３２の一部が形成される。第３金属セパレータ２０の面２０ｂには、前記第３金属セパレータ２０に隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂが積層されることにより、冷却媒体流路３２が一体に設けられる。
As shown in FIG. 7, a part of the cooling
冷却媒体流路３２の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ平坦部４７ａ及び４７ｂが設けられる。平坦部４７ｂ及び４７ａは、平坦部４５ａ及び４５ｂの裏面形状である。
図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材５０が一体成形される。
As shown in FIG. 1, the
第１シール部材４６、第２シール部材４８及び第３シール部材５０としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
Examples of the
図５に示すように、第１シール部材４６は、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第１酸化剤ガス流路２６との外周を連通する第１凸状シール部４６ａを有する。第１シール部材４６は、図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を連通する第２凸状シール部４６ｂを有する。
As shown in FIG. 5, the
図６に示すように、第２シール部材４８は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、供給孔部３６ａ及び排出孔部３６ｂと、第１燃料ガス流路３４とを囲繞してこれらを連通させる第１凸状シール部４８ａを有する。
As shown in FIG. 6, the
図１に示すように、第２シール部材４８は、面１８ｂにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと、第２酸化剤ガス流路３８との外周を連通する第２凸状シール部４８ｂを有する。
As shown in FIG. 1, the
第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ａにおいて、供給孔部４４ａ及び排出孔部４４ｂと、第２燃料ガス流路４２とを囲繞してこれらを連通する第１凸状シール部５０ａを有する。
The
図７に示すように、第３シール部材５０は、第３金属セパレータ２０の面２０ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び冷却媒体出口連通孔２５ｂと冷却媒体流路３２との外周を連通する第２凸状シール部５０ｂを有する。
As shown in FIG. 7, the
図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂ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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。
As shown in FIG. 2, the first electrolyte membrane /
カソード電極５４は、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。なお、カソード電極５４、アノード電極５６及び固体高分子電解質膜５２は、同一の表面積に設定してもよく、また、前記アノード電極５６は、前記カソード電極５４及び前記固体高分子電解質膜５２の表面積よりも小さな表面積を有してもよい。
The
カソード電極５４及びアノード電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。
The
図１〜図４に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第１樹脂枠部材（樹脂製枠部材）５８が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。
As shown in FIGS. 1 to 4, the first electrolyte membrane /
第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、カソード電極５４の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜５２の外周縁部に第２樹脂枠部材（樹脂製枠部材）６０が、例えば、射出成形等により一体成形される。なお、予め製造された樹脂製枠部材を接合してもよい。
The second electrolyte membrane /
第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０を構成する樹脂材としては、例えば、電気的絶縁性を有する汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。第１樹脂枠部材５８及び第２樹脂枠部材６０は、例えば、フィルム等により構成してもよい。
As a resin material constituting the first
第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、図８に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第１酸化剤ガス流路２６の入口側との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、入口バッファ部（反応ガスバッファ部）６２ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第１酸化剤ガス流路２６の出口側との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、出口バッファ部（反応ガスバッファ部）６２ｂが設けられる。ここで、発電領域とは、固体高分子電解質膜を挟んで両極に電極触媒層が設けられた領域をいう。
As shown in FIG. 8, the surface of the first
入口バッファ部６２ａは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ａを有し、前記凸部６４ａ間には、入口ガイド流路６６ａが形成される。出口バッファ部６２ｂは、第１樹脂枠部材５８に一体成形される複数本のライン状凸部６４ｂを有し、前記凸部６４ｂ間には、出口ガイド流路６６ｂが形成される。入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂには、それぞれ複数のエンボス部６３ａ、６３ｂが形成される。なお、入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂは、ライン状凸部又はエンボスのみで構成してもよい。
The
図９に示すように、第１樹脂枠部材５８のアノード電極５６側の面には、燃料ガス入口連通孔２４ａと第１燃料ガス流路３４との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、入口バッファ部（反応ガスバッファ部）（流体バッファ部）６８ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第１燃料ガス流路３４との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、出口バッファ部（反応ガスバッファ部）（流体バッファ部）６８ｂが設けられる。
As shown in FIG. 9, the surface of the first
入口バッファ部６８ａは、複数本のライン状凸部７０ａを有するとともに、前記凸部７０ａ間には、入口ガイド流路７２ａが形成される。出口バッファ部６８ｂは、複数本のライン状凸部７０ｂを有するとともに、前記凸部７０ｂ間には、出口ガイド流路７２ｂが形成される。入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂには、それぞれ複数のエンボス部６９ａ、６９ｂが形成される。
The
第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、図１０に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、入口バッファ部（反応ガスバッファ部）７４ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと第２酸化剤ガス流路３８との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、出口バッファ部（反応ガスバッファ部）７４ｂが形成される。
As shown in FIG. 10, the surface of the second
入口バッファ部７４ａは、複数本のライン状凸部７６ａを有し、前記凸部７６ａ間には、入口ガイド流路７８ａが形成される。出口バッファ部７４ｂは、複数本のライン状凸部７６ｂを有し、前記凸部７６ｂ間には、出口ガイド流路７８ｂが形成される。入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂには、それぞれ複数のエンボス部７５ａ、７５ｂが形成される。
The
第２樹脂枠部材６０のアノード電極５６側の面には、図１１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａと第２燃料ガス流路４２との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、入口バッファ部（反応ガスバッファ部）（流体バッファ部）８０ａが設けられる。燃料ガス出口連通孔２４ｂと第２燃料ガス流路４２との間に位置して（発電領域の外方に位置して）、出口バッファ部（反応ガスバッファ部）（流体バッファ部）８０ｂが設けられる。
As shown in FIG. 11, the surface of the second
入口バッファ部８０ａは、複数本のライン状凸部８２ａを有し、前記凸部８２ａ間には、入口ガイド流路８４ａが形成される。出口バッファ部８０ｂは、複数本のライン状凸部８２ｂを有し、前記凸部８２ｂ間には、出口ガイド流路８４ｂが設けられる。入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂには、それぞれ複数のエンボス部８１ａ、８１ｂが形成される。
The
発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１金属セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３金属セパレータ２０との間には、冷却媒体流路３２が形成される。
When the
第１実施形態では、図８及び図９に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａの第１樹脂枠部材５８のカソード電極５４側の面には、入口バッファ部６２ａ及び出口バッファ部６２ｂが設けられるとともに、アノード電極５６側の面には、入口バッファ部６８ａ及び出口バッファ部６８ｂが設けられる。
In the first embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, on the surface of the first electrolyte frame /
発電ユニット１２が組み付けられた状態で、図４に示すように、第１樹脂枠部材５８のエンボス部６３ａの先端と、隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ａとの間には、セパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に沿って隙間Ｓ１が設けられる。図示しないが、出口側のエンボス部６３ｂにおいても同様である。
In the state where the
図３に示すように、第１樹脂枠部材５８のエンボス部６９ａの先端と、隣接する第２金属セパレータ１８の面１８ａとの間には、セパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に沿って隙間Ｓ２が設けられる。出口側のエンボス部６９ｂにおいても、図示しないが、同様である。
As shown in FIG. 3, there is a gap S2 between the tip of the embossed
図１０及び図１１に示すように、第２電解質膜・電極構造体１６ｂの第２樹脂枠部材６０のカソード電極５４側の面には、入口バッファ部７４ａ及び出口バッファ部７４ｂが形成されるとともに、アノード電極５６側の面には、入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂが設けられる。
As shown in FIGS. 10 and 11, an
図４に示すように、第２樹脂枠部材６０のエンボス部７５ａの先端と、隣接する第２金属セパレータ１８の面１８ｂとの間には、セパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に沿って隙間Ｓ３が設けられる。なお、出口のエンボス部７５ｂも同様である。
As shown in FIG. 4, there is a gap S3 between the tip of the embossed
図３に示すように、第２樹脂枠部材６０の入口側のエンボス部８１ａの先端と、隣接する第３金属セパレータ２０の面２０ａとの間には、セパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に沿って隙間Ｓ４が設けられる。なお、出口側のエンボス部８１ｂも同様である。
As shown in FIG. 3, between the tip of the embossed
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。
The operation of the
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２５ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから入口バッファ部６２ａを通って第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路２６に供給される。酸化剤ガスの一部は、酸化剤ガス入口連通孔２２ａから第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路３８に導入される。
Therefore, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas
酸化剤ガスは、図１及び図５に示すように、第１酸化剤ガス流路２６に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード電極５４に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード電極５４に供給される。
As shown in FIGS. 1 and 5, the oxidant gas moves in the direction of arrow B (horizontal direction) along the first oxidant
一方、燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の供給孔部３６ａを通って入口バッファ部６８ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部６８ａを通って第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路３４に供給される。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the fuel gas is supplied from the fuel gas
燃料ガスの一部は、燃料ガス入口連通孔２４ａから第３金属セパレータ２０の供給孔部４４ａを通って入口バッファ部８０ａに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部８０ａを通って第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路４２に供給される。
A part of the fuel gas is supplied from the fuel gas
燃料ガスは、図１及び図６に示すように、第１燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード電極５６に供給されるとともに、第２燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極５６に供給される。
As shown in FIGS. 1 and 6, the fuel gas moves in the direction of arrow B along the first fuel
従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、各カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極５６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て発電が行われる。
Therefore, in the first electrolyte membrane /
次いで、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂの各カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部６２ｂ、７４ｂから酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the
第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード電極５６に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部６８ｂ、８０ｂに導入される。燃料ガスは、排出孔部３６ｂ、４４ｂを通って燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
The fuel gas supplied to and consumed by the
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２５ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体流路３２に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔２５ａから冷却媒体流路３２に供給され、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔２５ｂに排出される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the pair of left and right cooling medium
次いで、第１の実施形態に係る運転方法について、以下に説明する。 Next, the operation method according to the first embodiment will be described below.
燃料電池１０を構成する各発電ユニット１２に供給される燃料ガスの供給圧Ｐan、酸化剤ガスの供給圧Ｐca及び冷却媒体の供給圧Ｐwaが運転状況等に応じて、種々変更される。例えば、燃料電池１０が低負荷運転である際には、燃料ガスの供給圧Ｐanは、酸化剤ガスの供給圧Ｐca及び冷却媒体の供給圧Ｐwaよりも高圧に設定される（第１圧力設定）。
The fuel gas supply pressure P an , the oxidant gas supply pressure P ca, and the cooling medium supply pressure P wa supplied to each
このため、図３に示すように、第２金属セパレータ１８は、弾性を有し、燃料ガスの入口バッファ部６８ａにおいて弾性変形して、燃料ガスの供給圧Ｐanにより第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に圧着される。従って、燃料ガスの入口バッファ部６８ａでは、エンボス部６９ａの先端と前記第２金属セパレータ１８の面１８ａとの間には、隙間Ｓ２が形成されている。これにより、入口バッファ部６８ａの流路断面積が増加し、圧損の上昇が抑制される。なお、発電部では、積層方向において隙間がない。
Therefore, as shown in FIG. 3, the
同様に、第３金属セパレータ２０は、燃料ガスの供給圧Ｐanにより、隣接する発電ユニット１２の第１金属セパレータ１４側に押圧される。このため、燃料ガスの入口バッファ部８０ａでは、エンボス部８１ａの先端と第３金属セパレータ２０の面２０ａとの間には、隙間Ｓ４が形成されている。従って、燃料ガスの入口バッファ部８０ａの流路断面積が増加し、圧損の上昇を抑制することができる。
Similarly, the
次いで、燃料ガスの供給圧Ｐanは、酸化剤ガスの供給圧Ｐca及び冷却媒体の供給圧Ｐwaよりも低圧に調整する（第２圧力設定）。これにより、図１２に示すように、第２金属セパレータ１８は、第１電解質膜・電極構造体１６ａ側に弾性変形し、入口バッファ部６８ａを構成するエンボス部６９ａに当接する。このため、入口バッファ部６８ａの流路断面積が減少する。
Next, the fuel gas supply pressure Pan is adjusted to be lower than the oxidant gas supply pressure Pca and the cooling medium supply pressure Pwa (second pressure setting). As a result, as shown in FIG. 12, the
同様に、第３金属セパレータ２０は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側に変形し、入口バッファ部８０ａを構成するエンボス部８１ａに当接する。従って、入口バッファ部８０ａの流路断面積が減少する。
Similarly, the
そして、上記の第１圧力設定と第２圧力設定とが交互に行われる。図１３に示すように、第１圧力設定により圧損が低下する一方、第２圧力設定により圧損が上昇し、これが交互に繰り返される。これにより、燃料ガス側の入口バッファ部６８ａ、８０ａでは、圧損（アノード圧損）を良好に抑制するとともに、良好な排水効果が得られ、燃料ガスを排出することなく排水効率の向上が図られるという効果が得られる。
And said 1st pressure setting and 2nd pressure setting are performed alternately. As shown in FIG. 13, the pressure loss decreases with the first pressure setting, while the pressure loss increases with the second pressure setting, and this is repeated alternately. Thereby, in the fuel gas side
また、第１の実施形態では、燃料電池１０が、例えば、高負荷運転している際には、酸化剤ガスの供給圧Ｐcaは、燃料ガスの供給圧Ｐan及び冷却媒体の供給圧Ｐwaよりも高圧に設定される（第３圧力設定）。このため、図４に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａでは、第１樹脂枠部材５８の入口バッファ部６２ａを構成するエンボス部６３ａの先端と、第１金属セパレータ１４の面１４ａとの間には、隙間Ｓ１が形成されている。
In the first embodiment, for example, when the
同様に、第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、第２樹脂枠部材６０の入口バッファ部７４ａを構成するエンボス部７５ａの先端と、第２金属セパレータ１８の面１８ｂとの間には、隙間Ｓ３が形成されている。従って、酸化剤ガスの入口バッファ部６２ａ、７４ａの流路断面積が増大し、酸化剤ガスの圧損上昇が抑制される。
Similarly, in the second electrolyte membrane /
次いで、酸化剤ガスの供給圧Ｐcaが、燃料ガスの供給圧Ｐan及び冷却媒体の供給圧Ｐwaよりも低圧に設定される（第４圧力設定）。これにより、図１４に示すように、入口バッファ部６２ａのエンボス部６３ａの先端が、第１金属セパレータ１４の面１４ａに接触するとともに、入口バッファ部７４ａのエンボス部７５ａの先端が、第２金属セパレータ１８の面１８ｂに当接する。このため、酸化剤ガスの入口バッファ部６２ａ、７４ａの流路断面積が減少し、圧損が増加するともに、排水効果が得られる。
Next, the supply pressure P ca of the oxidant gas is set lower than the supply pressure P an of the fuel gas and the supply pressure P wa of the cooling medium (fourth pressure setting). Thereby, as shown in FIG. 14, the tip of the embossed
図１５に示すように、第３圧力設定により圧損が低下する一方、第４圧力設定により圧損が上昇し、これが交互に繰り返される。これにより、酸化剤ガス側の入口バッファ部６２ａ、７４ａの圧損の上昇を抑制し、且つ、排水効率の向上が図られる。従って、図１６に示すように、第１の実施形態では、バッファ部流路断面積を変化させない従来例に比べ、ＦＣ出力が増加した際、カソード圧損（酸化剤ガス側の圧損）の増加を有効に低減するとともに、補機類の損失を抑制することが可能になるという利点がある。
As shown in FIG. 15, the pressure loss decreases with the third pressure setting, while the pressure loss increases with the fourth pressure setting, and this is repeated alternately. Thereby, an increase in the pressure loss of the
図１７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００を構成する発電ユニット１０２の要部分解斜視説明図である。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。
FIG. 17 is an exploded perspective view of a main part of the
燃料電池１００は、複数の発電ユニット１０２が矢印Ａ方向に積層される。発電ユニット１０２は、電解質膜・電極構造体１０４を第１金属セパレータ１０６及び第２金属セパレータ１０８で挟持する。
In the
発電ユニット１０２は、矢印Ｂ方向の一端縁部に酸化剤ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体入口連通孔２５ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。発電ユニット１０２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体出口連通孔２５ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。
The
第１金属セパレータ１０６の電解質膜・電極構造体１０４に向かう面１０６ａには、酸化剤ガス流路１１０が矢印Ｂ方向に沿って設けられる。酸化剤ガス流路１１０の入口側と出口側とには、入口バッファ部（反応ガスバッファ部）１１２ａと出口バッファ部（反応ガスバッファ部）１１２ｂとが設けられる。
An oxidant
入口バッファ部１１２ａ及び出口バッファ部１１２ｂは、それぞれ複数のエンボス部１１４ａ、１１４ｂを有する。第１金属セパレータ１０６の面１０６ｂには、矢印Ｂ方向に沿って、冷却媒体流路１１６が形成される。
The
冷却媒体流路１１６の入口側と出口側とには、入口バッファ部（流体バッファ部）１１８ａと出口バッファ部（流体バッファ部）１１８ｂとが設けられる。入口バッファ部１１８ａと出口バッファ部１１８ｂとは、それぞれ複数のエンボス部１２０ａ、１２０ｂを有する。
An inlet buffer portion (fluid buffer portion) 118 a and an outlet buffer portion (fluid buffer portion) 118 b are provided on the inlet side and outlet side of the cooling
第２金属セパレータ１０８の電解質膜・電極構造体１０４に向かう面１０８ａには、矢印Ｂ方向に延在して燃料ガス流路１２２が設けられる。燃料ガス流路１２２の入口側と出口側とには、入口バッファ部（反応ガスバッファ部）１２４ａと出口バッファ部（反応ガスバッファ部）１２４ｂとが設けられる。入口バッファ部１２４ａ及び出口バッファ部１２４ｂは、それぞれ複数のエンボス部１２６ａ、１２６ｂを有する。
A
第２金属セパレータ１０８の面１０８ｂには、矢印Ｂ方向に沿って冷却媒体流路１１６が形成される。冷却媒体流路１１６の入口側と出口側とには、入口バッファ部（流体バッファ部）１２８ａ及び出口バッファ部（流体バッファ部）１２８ｂが設けられる。入口バッファ部１２８ａ及び出口バッファ部１２８ｂは、それぞれ複数のエンボス部１３０ａ、１３０ｂを有する。
A cooling
第１金属セパレータ１０６の面１０６ａ、１０６ｂには、シール部材１３２が一体化される。第２金属セパレータ１０８の面１０８ａ、１０８ｂには、第２シール部材１３４が一体化される。
A
電解質膜・電極構造体１０４は、酸化剤ガス側の入口バッファ部１１２ａの一部の領域を構成する突出部１０４ａ及び前記酸化剤ガス側の出口バッファ部１１２ｂの一部の領域を構成する突出部１０４ｂを、必要に応じて設ける。電解質膜・電極構造体１０４は、エンボス部１１４ａ、１１４ｂ、１２６ａ及び１２６ｂが当接する面を平坦形状に設定する。
The electrolyte membrane /
入口バッファ部１１２ａ及び出口バッファ部１１２ｂは、電解質膜・電極構造体１０４の発電領域ＧＦの外方に設けられる。燃料ガス側の入口バッファ部１２４ａ及び出口バッファ部１２４ｂも、同様に、発電領域ＧＦの外方に設けられる。
The
アノード電極５６は、カソード電極５４及び固体高分子電解質膜５２の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成する。図１８に示すように、燃料電池１００は、複数の発電ユニット１０２が積層された状態では、第１金属セパレータ１０６とこれに隣接する第２金属セパレータ１０８との間には、エンボス部１２０ａ、１３０ａの先端間に隙間Ｓ５が形成される。
The
このように構成される第２の実施形態では、先ず、燃料ガスの供給圧Ｐanが、酸化剤ガスの供給圧Ｐca及び冷却媒体の供給圧Ｐwaよりも高圧に設定される。このため、図１９に示すように、第２金属セパレータ１０８は、入口バッファ部１２４ａ及び出口バッファ部１２４ｂが弾性変形して電解質膜・電極構造体１０４から隙間Ｓ５に対応して離間し、エンボス部１３０ａの先端とエンボス部１２０ａの先端とが接触する。従って、燃料ガス側の入口バッファ部１２４ａ及び出口バッファ部１２４ｂの流路断面積が増加し、燃料ガス側の圧損の上昇が抑制される。
In the second embodiment configured as described above, first, the fuel gas supply pressure P an is set to be higher than the oxidant gas supply pressure P ca and the cooling medium supply pressure P wa . For this reason, as shown in FIG. 19, the
次いで、冷却媒体の供給圧Ｐwaが、燃料ガスの供給圧Ｐan及び酸化剤ガスの供給圧Ｐcaよりも高圧に設定される。これにより、図１８に示すように、第１金属セパレータ１０６及び第２金属セパレータ１０８は、それぞれ電解質膜・電極構造体１０４に接することにより、燃料ガス側の流路断面積が減少する。このため、燃料ガス側では、圧損が上昇するとともに、排水効率の向上が図られる。
Next, the coolant supply pressure Pwa is set to be higher than the fuel gas supply pressure Pan and the oxidant gas supply pressure Pca . As a result, as shown in FIG. 18, the
そして、上記の設定圧力の変更が繰り返し行われることにより、実質的に、図１３に示すように、アノード側の圧損上昇の抑制及び排出効率の向上が図られる。特に、低負荷時における良好な運転状態が実現されるという利点がある。 Then, by repeatedly changing the set pressure, the increase in the pressure loss on the anode side and the improvement of the discharge efficiency can be substantially achieved as shown in FIG. In particular, there is an advantage that a good operating state at low load is realized.
一方、例えば、高負荷運転時には、酸化剤ガスの供給圧Ｐcaが、燃料ガスの供給圧Ｐan及び冷却媒体の供給圧Ｐwaよりも高圧に設定される。従って、図２０に示すように、酸化剤ガス側の入口バッファ部１１２ａの流路断面積が増加し、前記入口バッファ部１１２ａの圧損の上昇が抑制される。
On the other hand, for example, during a high load operation, the supply pressure P ca of the oxidant gas is set higher than the supply pressure P an of the fuel gas and the supply pressure P wa of the cooling medium. Therefore, as shown in FIG. 20, the flow path cross-sectional area of the
次に、冷却媒体の供給圧Ｐwaが、酸化剤ガスの供給圧Ｐca及び燃料ガスの供給圧Ｐanよりも高圧に設定される。これにより、図１８に示すように、カソード側の入口バッファ部１１２ａの流路断面積が減少し、排水効率が向上する。そして、上記の設定圧力の変化を交互に行うことにより、実質的に、図１５に示すような効果が得られる。
Then, the supply pressure P wa of the cooling medium is set to a pressure higher than the supply pressure P an, the supply pressure P ca and the fuel gas of the oxidizing gas. As a result, as shown in FIG. 18, the flow path cross-sectional area of the cathode-side
１０、１００…燃料電池 １２、１０２…発電ユニット
１４、１８、２０、１０６、１０８…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ、１０４…電解質膜・電極構造体
２２ａ、１１０…酸化剤ガス入口連通孔
２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２５ａ…冷却媒体入口連通孔
２５ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２６、３８…酸化剤ガス流路
２８ａ、３３ａ、６２ａ、６８ａ、７４ａ、８０ａ、１１２ａ、１１８ａ、１２４ａ、１２８ａ…入口バッファ部
２８ｂ、３３ｂ、６２ｂ、６８ｂ、７４ｂ、８０ｂ、１１２ｂ、１１８ｂ、１２４ｂ、１２８ｂ…出口バッファ部
２９ａ〜２９ｄ、６３ａ、６３ｂ、６９ａ、６９ｂ、７５ａ、７５ｂ、８１ａ、８１ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１２０ａ、１２０ｂ、１２６ａ、１２６ｂ、１３０ａ、１３０ｂ…エンボス部
３２、１１６…冷却媒体流路 ３４、４２、１２２…燃料ガス流路
３６ａ、４４ａ…供給孔部 ３６ｂ、４４ｂ…排出孔部
４６、４８、５０、１３２、１３４…シール部材
５２…固体高分子電解質膜 ５４…カソード電極
５６…アノード電極 ５８、６０…樹脂枠部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 ...
Claims (1)
少なくとも前記第１反応ガス流路と前記第１反応ガス連通孔との間で且つ発電領域の外方に位置して、前記一方の反応ガスを均等に流通させるための通路を形成する反応ガスバッファ部が設けられるとともに、前記セパレータの前記反応ガスバッファ部の裏面側には、前記冷却媒体流路と前記冷却媒体連通孔とを連通する、又は、前記第２反応ガス流路と前記第２反応ガス連通孔とを連通する、流体バッファ部が設けられ、
前記反応ガスバッファ部に供給される前記一方の反応ガスの供給圧と、前記流体バッファ部に供給される前記冷却媒体又は前記他方の反応ガスの供給圧とを調整することにより、前記反応ガスバッファ部に設けられた凸部の先端又は前記流体バッファ部に設けられた凸部の先端と、隣接する前記セパレータ又は前記電解質膜・電極構造体との間に、前記セパレータ積層方向に沿って隙間の大きさが調整され、
前記一方の反応ガスの供給圧を、前記冷却媒体又は前記他方の反応ガスの供給圧よりも高圧に設定する第１の工程と、
前記冷却媒体又は前記他方の反応ガスの供給圧を、前記一方の反応ガスの供給圧よりも高圧に設定する第２の工程と、
を有し、前記第１の工程と前記第２の工程とを、交互に行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。 An electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of the electrolyte membrane and a separator are laminated, and a first reaction gas flow path for allowing one reaction gas to flow along one electrode surface, along the other electrode surface A second reaction gas flow path for flowing the other reaction gas and a cooling medium flow path for flowing a cooling medium along a pair of adjacent separators are formed, and the one reaction gas is placed in the separator stacking direction. A first reaction gas communication hole that circulates along, a second reaction gas communication hole that circulates the other reaction gas along the separator stacking direction, and a cooling medium communication that distributes the cooling medium along the separator stacking direction. A method of operating a fuel cell in which holes are formed,
A reaction gas buffer which is located at least between the first reaction gas flow path and the first reaction gas communication hole and outside the power generation region and forms a passage for evenly flowing the one reaction gas. And a cooling medium flow path and the cooling medium communication hole communicate with the back surface side of the reaction gas buffer section of the separator, or the second reaction gas flow path and the second reaction. A fluid buffer unit is provided to communicate with the gas communication hole,
The reaction gas buffer is adjusted by adjusting a supply pressure of the one reaction gas supplied to the reaction gas buffer unit and a supply pressure of the cooling medium or the other reaction gas supplied to the fluid buffer unit. A gap is formed along the separator stacking direction between the tip of the protrusion provided in the portion or the tip of the protrusion provided in the fluid buffer portion and the adjacent separator or the electrolyte membrane / electrode structure. The size is adjusted ,
A first step of setting the supply pressure of the one reaction gas to be higher than the supply pressure of the cooling medium or the other reaction gas;
A second step of setting the supply pressure of the cooling medium or the other reaction gas to be higher than the supply pressure of the one reaction gas;
The fuel cell operating method is characterized in that the first step and the second step are alternately performed .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013060765A JP6068218B2 (en) | 2013-03-22 | 2013-03-22 | Operation method of fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013060765A JP6068218B2 (en) | 2013-03-22 | 2013-03-22 | Operation method of fuel cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014186858A JP2014186858A (en) | 2014-10-02 |
| JP6068218B2 true JP6068218B2 (en) | 2017-01-25 |
Family
ID=51834259
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013060765A Active JP6068218B2 (en) | 2013-03-22 | 2013-03-22 | Operation method of fuel cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6068218B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6581156B2 (en) * | 2017-08-04 | 2019-09-25 | 本田技研工業株式会社 | Power generation cell |
| US20240006625A1 (en) * | 2020-11-30 | 2024-01-04 | Petroliam Nasional Berhad (Petronas) | Flow-field plate for polymer electrolyte membrane device |
| JP7212090B2 (en) * | 2021-03-22 | 2023-01-24 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4151314B2 (en) * | 2001-06-18 | 2008-09-17 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell |
| JP5336220B2 (en) * | 2009-02-10 | 2013-11-06 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell |
| WO2011033745A1 (en) * | 2009-09-16 | 2011-03-24 | パナソニック株式会社 | Solid polymer fuel cell |
| KR101155925B1 (en) * | 2010-06-11 | 2012-06-20 | 삼성에스디아이 주식회사 | Fuel cell stack |
| US8999597B2 (en) * | 2010-06-15 | 2015-04-07 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
| JP5790083B2 (en) * | 2011-03-31 | 2015-10-07 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell |
| JP5422700B2 (en) * | 2011-06-16 | 2014-02-19 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell |
| JP5967219B2 (en) * | 2012-12-14 | 2016-08-10 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
-
2013
- 2013-03-22 JP JP2013060765A patent/JP6068218B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2014186858A (en) | 2014-10-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7531265B2 (en) | Fuel cell | |
| US7759014B2 (en) | Fuel cell having a seal member | |
| JP5824575B2 (en) | Fuel cell | |
| US20080166608A1 (en) | Fuel Cell and Fuel Cell Separator | |
| JP5334469B2 (en) | Fuel cell stack | |
| JP5178673B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
| US7846613B2 (en) | Fuel cell with separator having a ridge member | |
| JP4634737B2 (en) | Fuel cell stack | |
| JP4189345B2 (en) | Fuel cell | |
| JP2006147466A (en) | Fuel cell and separator for fuel cell | |
| JP5918037B2 (en) | Fuel cell | |
| JP6068218B2 (en) | Operation method of fuel cell | |
| JP6125903B2 (en) | Fuel cell | |
| JP5809092B2 (en) | Fuel cell | |
| JP5766916B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
| JP6117736B2 (en) | Fuel cell | |
| JP5122865B2 (en) | Fuel cell | |
| JP6170317B2 (en) | Fuel cell | |
| JP6150528B2 (en) | Fuel cell stack | |
| JP6177212B2 (en) | Fuel cell | |
| JP6170868B2 (en) | Fuel cell | |
| JP5993622B2 (en) | Fuel cell | |
| JP5809594B2 (en) | Fuel cell | |
| JP5443254B2 (en) | Fuel cell | |
| JP5810023B2 (en) | Fuel cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20151127 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160923 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160927 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161125 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20161220 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20161222 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6068218 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |