JP2004047175A - Fuel cell stack and its operating method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックおよびその運転方法に関し、一層詳細には、簡素な構成で定常運転温度まで略均一かつ迅速に昇温させることが可能な燃料電池スタックおよびその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的な燃料電池スタック1の概略全体斜視図を図7に示す。この燃料電池スタック1は、図示しない電解質層がアノード側電極2とカソード側電極3との間に介装されることにより構成された接合体4を有する単位セル5が所定数だけ矢印A方向に積層されるとともに、互いに電気的に直列接続されることにより構成された積層体6を具備する。
【0003】
接合体4は、額縁状シール部材7の開口部に収容保持されている。また、該接合体4を構成するアノード側電極2およびカソード側電極3は、ガスケット8、9の開口部にそれぞれ収容される。
【0004】
単位セル5は、この接合体4と、該接合体4を挟持するアノード側電極側セパレータ10およびカソード側電極側セパレータ11とを有する。このうち、アノード側電極側セパレータ10におけるアノード側電極2との当接面には、該アノード側電極2に水素含有ガスを供給・排出するための燃料ガス流路12が設けられている。同様に、カソード側電極側セパレータ11におけるカソード側電極3との当接面には、該カソード側電極3に酸素含有ガスを供給・排出するための酸素含有ガス流路13が設けられている。これら燃料ガス流路12および酸素含有ガス流路13は、各セパレータ10、11に導入されてから排出されるまで該セパレータ10、11内を2往復半するように蛇行して形成されている。
【0005】
積層体6内においては、単位セル5同士の間に冷却用プレート14が介装されている。各冷却用プレート14は、カソード側電極側セパレータ11との当接面に設けられた冷却水流路15を有する。
【0006】
また、燃料電池スタック1の図7における左下端部には燃料ガスを供給するための燃料ガス入口通路16が設けられており、かつその対角位置には、未反応の燃料ガスを排出するための燃料ガス出口通路17が設けられている。同様に、右下端部には酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス入口通路18が設けられており、その対角位置には、未反応の酸素含有ガスを排出するための酸素含有ガス出口通路19が設けられている。勿論、燃料ガス入口通路16および燃料ガス出口通路17は燃料ガス流路12に連通しており、酸素含有ガス入口通路18および酸素含有ガス出口通路19は酸素含有ガス流路13に連通している。
【0007】
そして、燃料ガス入口通路16と酸素含有ガス出口通路19との間には冷却水入口通路20が形成されており、かつ酸素含有ガス入口通路18と燃料ガス出口通路17との間には冷却水出口通路21が形成されている。これら冷却水入口通路20および冷却水出口通路21は、冷却水流路15に連通している。
【0008】
このように構成された単位セル5のうち、両端に位置する単位セルには、図7に示されるように集電用電極22、23がそれぞれ電気的に接続される。さらに、集電用電極22、23の外側に漏電防止用の絶縁シート(図示せず)を介してエンドプレート24、25が配置される。
【0009】
一方のエンドプレート24には、燃料ガス入口通路16および燃料ガス出口通路17にそれぞれ連通する燃料ガス導入口26および燃料ガス排出口27、酸素含有ガス入口通路18および酸素含有ガス出口通路19にそれぞれ連通する酸素含有ガス導入口28および酸素含有ガス排出口29、冷却水入口通路20および冷却水出口通路21にそれぞれ連通する冷却水導入口30および冷却水排出口31が設けられている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された燃料電池スタック1は、電解質が例えば炭化珪素多孔質体にリン酸が含浸されたものである場合、140℃〜190℃まで昇温された後に定常運転される。すなわち、まず、図示しないヒータ等の加熱手段によって100℃を超える程度まで燃料電池スタック1の温度を上昇させる。その後、燃料ガスおよび酸化剤含有ガスをアノード側電極2およびカソード側電極3にそれぞれ供給し、アノード側電極2で水素の電離反応を起こさせる一方、カソード側電極3で酸素、水素イオンおよび電子の結合反応を起こさせ、この際の反応熱をも利用して燃料電池スタック1を140℃〜190℃まで昇温させるようにしている。
【0011】
しかしながら、上記のようにして昇温させると、運転温度に到達するまで長時間が必要であるという不具合がある。すなわち、安定した定常運転が可能となるまでに長時間を要してしまうので、燃料電池スタック1を発電させたいときに即座に発電させることができないという実使用上の問題がある。
【0012】
これを解決する方策としては、発熱量が大きなヒータを使用することが想起される。しかしながら、このようなヒータは概して形状が大であり、したがって、燃料電池システム全体の大型化を引き起こし、体積および重量当たりのエネルギ効率を著しく低減させてしまうという不具合を招く。
【0013】
そこで、特開昭63−225477号公報および米国特許第6103410号公報に開示されているように、燃料ガスと酸素含有ガスとを同時にカソード側電極3に供給し、次の反応式(A)に示される反応を起こさせ、この際の反応熱を利用して燃料電池スタック1を昇温させる手法を採用することも想起される。
【0014】
2H2+O2→2H2O …(A)
しかしながら、燃料ガスと酸素含有ガスとを同時にカソード側電極3に供給した場合、反応式(A)に示される反応は、両ガスがカソード側電極3に接触する酸素含有ガス流路13の入口付近から活発に進行する。換言すれば、両ガスは、カソード側電極3に接触すると同時に消費され始める。したがって、酸素含有ガス流路13の出口付近では、反応式(A)に示される反応に関与するガス量が少なくなるので、発生熱量が小さくなってしまう。その結果、カソード側電極3、ひいては燃料電池スタック1の温度が、酸素含有ガス流路13の入口側(図7における左端側近傍)で高くなり、かつ該酸素含有ガス流路13の出口側(図7における右端側近傍)で低くなる。このため、燃料電池スタック1に温度分布が生じ、昇温速度が小さい右端側近傍が運転温度まで昇温するのに時間を要するという不具合が惹起される。
【0015】
結局、従来技術にかかる燃料電池スタック1には、燃料ガスと酸素含有ガスとを同時にカソード側電極3に供給した場合、温度分布が不均一なものとなり、運転温度までの昇温に長時間を要するという不具合がある。
【0016】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、全体に亘って均一かつ迅速に上昇させることが可能であり、しかも、設備を大型化させることもない燃料電池スタックおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池スタックは、電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第1カソード側電極側セパレータとを有する第1単位セルと、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第2カソード側電極側セパレータとを有する第2単位セルと、
前記第1単位セルと前記第2単位セルとを有する積層体と、
を具備し、
かつ前記第1カソード側電極側セパレータおよび前記第2カソード側電極側セパレータには、酸素含有ガスが流通される第1酸素含有ガス流路および第2酸素含有ガス流路がそれぞれ設けられ、
前記第1酸素含有ガス流路には、前記第2酸素含有ガス流路におけるガスの流通方向と反対方向にガスが流通する箇所が存在することを特徴とする。
【0018】
このように構成することにより、定常運転に先立って燃料ガスと酸素含有ガスとを同時にカソード側電極に供給した際、例えば、第1単位セルでは右端部を、第2単位セルでは左端部を起点として昇温を開始させる等、第1単位セルにおける昇温開始箇所と第2単位セルにおける昇温開始箇所とを相違させることができる。この例の場合、燃料電池スタックの両端部から温度が上昇するので、該燃料電池スタックに温度分布が生じることを抑制することができる。すなわち、温度を略均一かつ迅速に上昇させることが可能となる。
【0019】
しかも、この場合、大型ヒータ等の付加設備を特に必要とすることなく燃料電池スタックを昇温させることができ、システム全体を簡素な構成とすることができる。
【0020】
なお、積層体中では、前記第1単位セルと前記第2単位セルとを交互に隣接して積層することが好ましい。これにより熱伝達が効率よく営まれるようになるので、燃料電池スタックの温度分布が一層均一となるからである。
【0021】
そして、第1単位セルと第2単位セルを上記したように異なる端部同士から昇温させるには、例えば、第1カソード側電極側セパレータの第1酸素含有ガス流路に連通するガス入口およびガス出口を該第1カソード側電極側セパレータの第1端部および第2端部の各近傍に設け、かつ第2カソード側電極側セパレータの第2酸素含有ガス流路に連通するガス出口およびガス入口を該第2カソード側電極側セパレータの第1端部および第2端部の各近傍に設け、積層体中で、第1カソード側電極側セパレータと第2カソード側電極側セパレータとの第1端部同士および第2端部同士を、アノード側電極側セパレータおよび接合体を介して重ね合わせるようにすればよい。
【0022】
また、本発明に係る燃料電池スタックの運転方法は、発電に先立ち燃料ガスおよび酸素含有ガスをカソード側電極に供給して、該カソード側電極で前記燃料ガス中の水素と前記酸素含有ガス中の酸素とを反応させることによって発生した反応熱で前記接合体を運転温度まで昇温させる燃料電池スタックの運転方法であって、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第1カソード側電極側セパレータとを有する第1単位セルを構成し、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第2カソード側電極側セパレータとを有する第2単位セルを構成し、
前記第1単位セルと前記第2単位セルとを有する積層体を構成して、
前記第1カソード側電極側セパレータおよび前記第2カソード側電極側セパレータに、酸素含有ガスを流通する第1酸素含有ガス流路および第2酸素含有ガス流路をそれぞれ設け、
前記第1酸素含有ガス流路および前記第2酸素含有ガス流路に燃料ガスおよび酸素含有ガスを同時に供給する際、該第1酸素含有ガス流路および該第2酸素含有ガス流路とで燃料ガスおよび酸素含有ガスの流通方向を互いに相違させることによって、前記第1単位セルの昇温開始箇所と前記第2単位セルの昇温開始箇所とを相違させることを特徴とする。
【0023】
本発明によれば、カソード側電極に燃料ガスと空気とを同時に供給し、両ガスが反応することに伴って発生する熱で積層体を昇温させる際、第1単位セルの昇温開始箇所と第2単位セルの昇温開始箇所とが相違するので、積層体に温度分布が生じることを抑制することができ、燃料電池スタックを略均一かつ迅速に定常運転温度まで昇温することができる。
【0024】
また、第1単位セルと第2単位セルとを隣接させて積層体を構成した上で燃料ガスおよび酸素含有ガスをカソード側電極に供給することが好ましい。これにより熱が効率的に伝達されるので、積層体に温度分布が生じることを一層抑制することができるからである。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池スタックおよびその運転方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、図7に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、場合によっては、その詳細な説明を省略する。
【0026】
本実施の形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図を図1に示す。この燃料電池スタック40は、図2に示す第1単位セル5aおよび第2単位セル5bが矢印A方向に所定数だけ交互に積層されるとともに、互いに電気的に直列接続されることにより構成された積層体42を有する。
【0027】
第1単位セル5aは、上記した従来技術に係る燃料電池スタック1における単位セル5と同様に構成されている。すなわち、燃料電池スタック40を構成する積層体42の要部拡大断面図である図3に示すように、第1単位セル5aにおいては、電解質層44aがアノード側電極2aとカソード側電極3aとの間に介装されることにより構成された接合体4aを備える。電解質層44aとしては、炭化珪素多孔質からなる母材(マトリックス)に濃厚リン酸を含浸させたものを例示することができるが、特にこれに限定されるものではなく、ポリベンズイミダゾール等の塩基性ポリマーに濃厚リン酸を含浸させたものであってもよいし、ポリテトラフルオロエチレンスルホン酸に水を含浸させたものであってもよい。
【0028】
一方、アノード側電極2aおよびカソード側電極3aは、カーボンクロス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積層されてなる電極触媒層(図示せず)とをそれぞれ有し、電極触媒層同士が電解質層44aを介して対向するように該電解質層44aに接合されている。
【0029】
接合体4a中、電解質層44aは、額縁状シール部材7の開口部に収容保持されている。また、アノード側電極2aおよびカソード側電極3aは、ガスケット8、9の開口部にそれぞれ収容される。
【0030】
そして、アノード側電極2aおよびカソード側電極3aの外側には、多孔質カーボンまたは金属からなるアノード側電極側セパレータ46aおよび第1カソード側電極側セパレータ48aがそれぞれ配置されている。
【0031】
これらアノード側電極側セパレータ46aまたは第1カソード側電極側セパレータ48aにおけるアノード側電極2aまたはカソード側電極3aとの当接面には、直線状の燃料ガス流路50または第1酸素含有ガス流路52aがそれぞれ設けられている。
【0032】
このように構成された第1単位セル5aに隣接した第2単位セル5bは、上記と同様に構成された電解質層44bがアノード側電極2bとカソード側電極3bとの間に介装されることにより構成された接合体4bを備える。なお、電解質層44b、アノード側電極2bおよびカソード側電極3bは、第1単位セル5aにおける電解質層44a、アノード側電極2aおよびカソード側電極3aと同一のものであるが、説明の便宜上、第2単位セル5bを構成する要素にはaに代替してbを付す。
【0033】
この第2単位セル5bにおいても、電解質層44b、アノード側電極2bおよびカソード側電極3bは、額縁状シール部材7、ガスケット8、9の開口部にそれぞれ収容保持されている。
【0034】
そして、アノード側電極2bおよびカソード側電極3bの外側には、多孔質カーボンまたは金属からなるアノード側電極側セパレータ46bおよび第2カソード側電極側セパレータ48bがそれぞれ配置されている。
【0035】
ここで、図2および図3から諒解されるように、第2単位セル5bのアノード側電極側セパレータ46bは、第1単位セル5aの第1カソード側電極側セパレータ48aを兼ねている。すなわち、このセパレータ48a(46b)において、第1単位セル5aのカソード側電極3aとの当接面には第1酸素含有ガス流路52aが設けられており、かつ第2単位セル5bのアノード側電極2bとの当接面には燃料ガス流路50が設けられている。
【0036】
図2に示すように、積層体42の左端部には、冷却水入口通路20、燃料ガス入口通路16、第1酸素含有ガス入口通路18a、および第2酸素含有ガス出口通路19bが設けられている。その一方で、該積層体42の右端部には、第1酸素含有ガス出口通路19a、第2酸素含有ガス入口通路18b、冷却水出口通路21、および燃料ガス出口通路17が設けられている。すなわち、この積層体42においては、酸素含有ガスを流通させるための酸素含有ガス入口・出口通路が2箇所に存在する。
【0037】
図2および図4から諒解されるように、第1酸素含有ガス入口通路18aおよび第1酸素含有ガス出口通路19aは、第2単位セル5bを構成する第2カソード側電極側セパレータ48bにおける第2酸素含有ガス流路52bにのみ連通している。すなわち、後述するように、第1酸素含有ガス入口通路18aを介して導入された酸素含有ガスは、第2カソード側電極側セパレータ48bの第2酸素含有ガス流路52bにのみ流通して第1酸素含有ガス出口通路19aから排出される。
【0038】
図2および図5から同様に諒解されるように、第2酸素含有ガス入口通路18bおよび第2酸素含有ガス出口通路19bは、第1単位セル5aを構成する第1カソード側電極側セパレータ48aにおける第1酸素含有ガス流路52aにのみ連通している。したがって、第2酸素含有ガス入口通路18bを介して導入された酸素含有ガスは、第1カソード側電極側セパレータ48aの第1酸素含有ガス流路52aにのみ流通して第2酸素含有ガス出口通路19bから排出される。
【0039】
第2カソード側電極側セパレータ48bにおける平滑面には、冷却用プレート54が当接している(図2および図3参照)。この冷却用プレート54には冷却水流路56が設けられており、勿論、該冷却水流路56は、冷却水入口通路20および冷却水出口通路21に連通している(図2参照)。なお、第2カソード側電極側セパレータ48bと冷却用プレート54との間には、シール部材58が介装されている。
【0040】
積層体42は、上記した第1単位セル5a、第2単位セル5b、冷却用プレート54がこの順序で繰り返し積層されることによって構成されている。そして、積層体42の両端に集電用電極22、23がそれぞれ電気的に接続されるとともに、該集電用電極22、23の外側に漏電防止用の絶縁シート(図示せず)を介してエンドプレート60、25が配置される。
【0041】
一方のエンドプレート60の左端部には、冷却水導入口30、燃料ガス導入口26、第1酸素含有ガス導入口28aおよび第2酸素含有ガス排出口29bが下方からこの順序で設けられている。一方、右端部には、第1酸素含有ガス排出口29a、第2酸素含有ガス導入口28b、冷却水排出口31および燃料ガス排出口27が下方からこの順序で設けられている。勿論、冷却水導入口30、燃料ガス導入口26、第1酸素含有ガス導入口28a、第2酸素含有ガス排出口29b、第1酸素含有ガス排出口29a、第2酸素含有ガス導入口28b、冷却水排出口31および燃料ガス排出口27は、冷却水入口通路20、燃料ガス入口通路16、第1酸素含有ガス入口通路18a、第2酸素含有ガス出口通路19b、第1酸素含有ガス出口通路19a、第2酸素含有ガス入口通路18b、冷却水出口通路21および燃料ガス出口通路17にそれぞれ連通する。
【0042】
そして、燃料電池スタック40においては、一方のエンドプレート60から積層体42を貫いて他方のエンドプレート25まで至る貫通孔62に通された図示しないタイロッドと、積層体42の上端面および下端面の凹部64に挿入された別のタイロッド(図示せず)とによって、エンドプレート60、25や積層体42等が矢印A方向に締め付け保持されている。
【0043】
図6に、上記したような構成の燃料電池スタック40が組み込まれた燃料電池システム70の概略構成図を示す。この図6に示すように、燃料電池スタック40には、燃料ガスとしての水素ガスを供給・排出するための水素ガス供給経路72および水素ガス排出経路74と、酸素含有ガスとしての空気を供給・排出するための空気供給経路76および主空気排出経路78・分岐空気排出経路80とが接続される。また、燃料電池スタック40を構成する前記集電用電極22、23には、図示しないモータ等の負荷が接続されている。
【0044】
水素ガス供給経路72には、水素ガスを高圧で供給するための高圧水素貯蔵源82と、電磁弁84aと、減圧弁86aと、水素ガス流量制御器88aと、遮断弁90aと、逆止弁92aと、三方弁94aとが上流側からこの順序で配置されている。一方の空気供給経路76は、空気を供給するためのコンプレッサ95を有すること、ガス混合器96、逆火防止器98aが介装されていること、該供給経路76が第1供給経路76aと第2供給経路76bに分岐されていることを除いて水素ガス供給経路72と同様に構成されており、したがって、同一の構成要素には同一の参照数字を付し、かつaに代替してbを添え、その詳細な説明を省略する。
【0045】
なお、三方弁94aと三方弁94bとを橋架する送気管100には、遮断弁102および逆止弁104が設置されている。そして、該逆止弁104と三方弁94bとの間にも逆火防止器98bが介装されている。
【0046】
このように構成された燃料電池システム70は、以下のように運転される。
【0047】
まず、水素ガスおよび空気がカソード側電極3a、3bのみに導入されるように三方弁94a、94bを操作し、この状態で、所定流量の水素ガスおよび空気の供給を開始する。この際、安全のために水素ガスの割合を爆発範囲外とするべく、空気が過剰に供給される。
【0048】
供給された水素ガスおよび空気は、ガス混合器96にて混合されて混合ガスとなり、第1供給経路76a、第2供給経路76bに略均等に分岐される。
【0049】
第1供給経路76aの混合ガスは、燃料電池スタック40の第1酸素含有ガス導入口28a(図1参照)を経由した後、第1酸素含有ガス入口通路18a(図2参照)を介して第2単位セル5bの第2カソード側電極側セパレータ48bにおける第2酸素含有ガス流路52bに到達する。そして、第2単位セル5bのカソード側電極3bにおける電極触媒層と接触した混合ガス中の水素ガスと空気は、上記反応式(A)に示される反応を起こす。これに伴って発生する熱により、カソード側電極3b、ひいては第2単位セル5bの温度が第1酸素含有ガス入口通路18a側(図1および図2における左端側)から上昇する。一方、第1酸素含有ガス流路52aの出口付近(右端側)では、反応式(A)に示される反応に関与するガス量が少なくなるので、発生熱量が小さくなる。すなわち、第2単位セル5bの右端側では昇温速度が小さい。
【0050】
これに対し、第2供給経路76bの混合ガスは、第2酸素含有ガス導入口28b(図1参照)および第2酸素含有ガス入口通路18b(図2参照)を経由した後、第1単位セル5aを構成する第1カソード側電極側セパレータ48aの第1酸素含有ガス流路52aに到達する。そして、第1単位セル5aのカソード側電極3aにおける電極触媒層と接触した混合ガス中の水素ガスと空気も、上記と同様に、反応式(A)に示されるように反応する。その結果、カソード側電極3a、ひいては第1単位セル5aの温度が第2酸素含有ガス入口通路18b側(図1および図2における右端側)から上昇する。一方、第2酸素含有ガス流路52bの出口付近(左端側)では、発生熱量が小さいので昇温速度も小さい。
【0051】
すなわち、本実施の形態においては、第1単位セル5aでは右端側から昇温が始まり、混合ガスの流通方向である左端側に指向して温度が下降する。また、第2単位セル5bでは左端側から昇温が始まり、混合ガスの流通方向である右端側に指向して温度が下降する。
【0052】
そして、第1単位セル5aの高温部である右端側と第2単位セル5bの低温部である左端側とが積層されるとともに、第1単位セル5aの低温部である左端側と第2単位セル5bの高温部である右端側とが積層されている。このため、積層体42としては、両端の各昇温速度が略同等となる。換言すれば、第1単位セル5aの昇温開始箇所と第2単位セル5bの昇温開始箇所とを互いに相違させ、かつ昇温開始箇所同士が重なり合わないようにすることにより、積層体42を全体に亘って略均一かつ迅速に昇温させることができる。
【0053】
しかも、この場合、第1単位セル5aと第2単位セル5bとが互いに隣接するように交互に積層しているので、熱が効率よく伝達される。したがって、積層体42に温度分布が生じることを一層抑制することができる。
【0054】
また、水素ガスと空気との反応熱を利用して積層体42を昇温させるので、大型のヒータ等を特に必要としない。このため、簡素かつ経済的な構成で燃料電池システム70を運転温度まで昇温させることができる。
【0055】
なお、第1単位セル5aのカソード側電極3aにて生成したH2Oは、分岐空気排出経路80を経由した後、主空気排出経路78で第2単位セル5bのカソード側電極3bにて生成したH2Oと合流して系外へと排出される。
【0056】
以上のようにして接合体4a、4bが所定の温度(リン酸型燃料電池の場合は約140〜約190℃)まで昇温した後は、三方弁94a、94bを操作しかつ遮断弁102を閉止して両カソード側電極3a、3bへの水素ガスの供給を停止するとともに、両アノード側電極側セパレータ46a、46bの燃料ガス流路50に水素ガスが供給されるように設定する。その一方で、第1酸素含有ガス流路52a、第2酸素含有ガス流路52bに空気の供給を続行する。
【0057】
これに伴い、アノード側電極2a、2bでは、下記反応式(B)に示される反応によって電子が生じる。
【0058】
2H2→4H++4e …(B)
この電子(e)は、集電用電極22、23に電気的に接続されたモータ等の負荷を付勢する電気エネルギとして機能した後、カソード側電極3a、3bに到達して、下記反応式(C)に示される反応に関与する。
【0059】
O2+4H++4e→2H2O …(C)
燃料電池システム70がこのように発電することに追従して、負荷が付勢されるに至る。
【0060】
定常運転時には、冷却用プレート54の冷却水流路56に流通される冷却水により、燃料電池スタック40が冷却される。
【0061】
なお、上記した実施の形態においては、燃料ガスとして水素ガスを用いているが、特にこれに限定されるものではなく、水素を含有するガスであればどのようなガスであってもよい。同様に、酸素含有ガスとして空気を用いているが、酸素を含有するガスであればよく、酸素自体であってもよい。
【0062】
また、この実施の形態では、積層体42中に冷却用プレート54を挿入するようにしているが、冷却用プレート54を挿入することなく積層体を構成するようにしてもよい。この場合、第1単位セル5aを構成するアノード側電極側セパレータ46aにおける燃料ガス流路50が設けられた面とは逆の面に酸素含有ガス流路を設け、かつ第2単位セル5bを構成する第2カソード側電極側セパレータ48bにおける第2酸素含有ガス流路52bが設けられた面とは逆の面に燃料ガス流路を設ければよい。すなわち、第1単位セル5aを構成するアノード側電極側セパレータ46aおよび第2単位セル5bを構成する第2カソード側電極側セパレータ48bを、第2単位セル5bを構成するアノード側電極側セパレータ46bと同様の構成とすればよい。
【0063】
さらに、第1カソード側電極側セパレータ48aにおける第1酸素含有ガス流路52a、第2カソード側電極側セパレータ48bにおける第2酸素含有ガス流路52bの流路をともに直線状としているが、燃料電池スタック1におけるカソード側電極側セパレータ11の酸素含有ガス流路13のように蛇行させるようにしてもよい。この場合においても、第1酸素含有ガス流路52aと第2酸素含有ガス流路52bとで混合ガスの流通方向が反対方向となる箇所が存在するので、積層体に温度分布が生じることを抑制することができる。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第1単位セルおよび第2単位セルにおける酸素含有ガス流路において、互いに反対方向となる箇所が存在するようにガスを流通させるようにしている。このため、カソード側電極に燃料ガスと空気とを同時に供給し、両ガスが反応することに伴って発生する熱で積層体を昇温させる際、第1単位セルの昇温開始箇所と第2単位セルの昇温開始箇所とが相違するので、積層体に温度分布が生じることを抑制することができる。このため、燃料電池スタックを略均一かつ迅速に定常運転温度まで昇温することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図2】図1の燃料電池スタックを構成する積層体の概略斜視図である。
【図3】図1の燃料電池スタックを構成する積層体の要部拡大断面図である。
【図4】第2カソード側電極側セパレータの概略全体正面図である。
【図5】第1カソード側電極側セパレータの概略全体正面図である。
【図6】図1に示す燃料電池スタックが組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。
【図7】従来技術に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【符号の説明】
1、40…燃料電池スタック 2、2a、2b…アノード側電極
3、3a、3b…カソード側電極 4、4a、4b…接合体
5、5a、5b…単位セル 6、42…積層体
10、46a、46b…アノード側電極側セパレータ
11、48a、48b…カソード側電極側セパレータ
12、50…燃料ガス流路 13、52a、52b…酸素含有ガス流路
14、54…冷却用プレート 15、56…冷却水流路
16…燃料ガス入口通路 17…燃料ガス出口通路
18、18a、18b…酸素含有ガス入口通路
19、19a、19b…酸素含有ガス出口通路
20…冷却水入口通路 21…冷却水出口通路
26…燃料ガス導入口 27…燃料ガス排出口
28、28a、28b…酸素含有ガス導入口
29、29a、29b…酸素含有ガス排出口
44a、44b…電解質層 70…燃料電池システム
72…水素ガス供給経路 74…水素ガス排出経路
76、76a、76b…空気供給経路
78…主空気排出経路 80…分岐空気排出経路
82…高圧水素貯蔵源 95…コンプレッサ
100…送気管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell stack and a method of operating the fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack and a method of operating the fuel cell stack that can be heated to a steady operating temperature substantially uniformly and quickly with a simple configuration.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 shows a schematic overall perspective view of a general
[0003]
The joined
[0004]
The
[0005]
In the
[0006]
Further, a fuel
[0007]
A cooling
[0008]
As shown in FIG. 7, the
[0009]
One
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
When the electrolyte is, for example, a porous silicon carbide body impregnated with phosphoric acid, the
[0011]
However, when the temperature is increased as described above, there is a problem that it takes a long time to reach the operating temperature. That is, since it takes a long time until stable steady operation becomes possible, there is a problem in actual use that the
[0012]
As a measure to solve this, it is recalled to use a heater that generates a large amount of heat. However, such a heater is generally large in size, and therefore, causes an increase in the size of the entire fuel cell system, resulting in a problem that energy efficiency per volume and weight is significantly reduced.
[0013]
Therefore, as disclosed in JP-A-63-225577 and U.S. Pat. No. 6,103,410, a fuel gas and an oxygen-containing gas are simultaneously supplied to the cathode 3 and the following reaction formula (A) is obtained. It is also conceivable to employ a method of causing the reaction shown and causing the reaction heat at this time to raise the temperature of the
[0014]
2H 2 + O 2 → 2H 2 O ... (A)
However, when the fuel gas and the oxygen-containing gas are simultaneously supplied to the cathode 3, the reaction represented by the reaction formula (A) occurs in the vicinity of the inlet of the oxygen-containing gas channel 13 where both gases come into contact with the cathode 3. Actively progresses from. In other words, both gases start to be consumed as soon as they come into contact with the cathode electrode 3. Therefore, in the vicinity of the outlet of the oxygen-containing gas flow path 13, the amount of gas involved in the reaction represented by the reaction formula (A) decreases, and the amount of generated heat decreases. As a result, the temperature of the cathode-side electrode 3 and, consequently, the temperature of the
[0015]
As a result, when the fuel gas and the oxygen-containing gas are simultaneously supplied to the cathode 3 in the
[0016]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problem, and provides a fuel cell stack and a method of operating the fuel cell stack, which can be uniformly and quickly raised over the whole, and do not increase the size of equipment. The purpose is to provide.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell stack according to the present invention is provided with a joined body formed by sandwiching an electrolyte between an anode and a cathode, and disposed on the anode side of the joined body. A first unit cell including an anode-side electrode-side separator, and a first cathode-side electrode-side separator provided on the cathode-side electrode side of the joined body;
A joined body comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, an anode-side electrode separator provided on the anode-side electrode side of the joined body, and a cathode-side electrode provided on the joined body A second unit cell having a second cathode-side electrode-side separator,
A laminate having the first unit cell and the second unit cell;
With
The first cathode-side electrode-side separator and the second cathode-side electrode-side separator are provided with a first oxygen-containing gas flow path and a second oxygen-containing gas flow path through which an oxygen-containing gas flows, respectively.
The first oxygen-containing gas flow path has a location where a gas flows in a direction opposite to a gas flow direction in the second oxygen-containing gas flow path.
[0018]
With this configuration, when the fuel gas and the oxygen-containing gas are simultaneously supplied to the cathode side electrode prior to the steady operation, for example, the first unit cell starts at the right end and the second unit cell starts at the left end. For example, the temperature rise start point in the first unit cell may be different from the temperature rise start point in the second unit cell. In the case of this example, since the temperature rises from both ends of the fuel cell stack, it is possible to suppress the occurrence of temperature distribution in the fuel cell stack. That is, the temperature can be increased substantially uniformly and quickly.
[0019]
Moreover, in this case, the temperature of the fuel cell stack can be raised without particularly requiring additional equipment such as a large heater or the like, and the entire system can have a simple configuration.
[0020]
In the laminate, it is preferable that the first unit cells and the second unit cells are alternately stacked adjacent to each other. Thereby, heat transfer can be efficiently performed, and the temperature distribution of the fuel cell stack becomes more uniform.
[0021]
To raise the temperature of the first unit cell and the second unit cell from different ends as described above, for example, a gas inlet communicating with the first oxygen-containing gas flow path of the first cathode-side electrode-side separator and A gas outlet and a gas outlet are provided near each of the first end and the second end of the first cathode-side electrode separator, and communicate with the second oxygen-containing gas flow path of the second cathode-side electrode separator. An inlet is provided near each of the first end and the second end of the second cathode-side electrode-side separator, and the first cathode-side separator and the second cathode-side electrode-side separator in the laminate are connected to each other. The end portions and the second end portion may be overlapped via the anode-side electrode-side separator and the joined body.
[0022]
Further, in the method for operating the fuel cell stack according to the present invention, the fuel gas and the oxygen-containing gas are supplied to the cathode electrode prior to power generation, and the hydrogen in the fuel gas and the oxygen-containing gas in the oxygen-containing gas are supplied to the cathode electrode. A method of operating a fuel cell stack, wherein the temperature of the assembly is raised to an operating temperature by reaction heat generated by reacting with oxygen,
A joined body comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, an anode-side electrode separator provided on the anode-side electrode side of the joined body, and a cathode-side electrode provided on the joined body A first unit cell having a first cathode-side electrode-side separator,
A joined body comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, an anode-side electrode separator provided on the anode-side electrode side of the joined body, and a cathode-side electrode provided on the joined body A second unit cell having a second cathode-side electrode-side separator,
Forming a laminate having the first unit cell and the second unit cell,
The first cathode-side electrode-side separator and the second cathode-side electrode-side separator are provided with a first oxygen-containing gas flow path and a second oxygen-containing gas flow path for flowing an oxygen-containing gas, respectively.
When the fuel gas and the oxygen-containing gas are simultaneously supplied to the first oxygen-containing gas flow path and the second oxygen-containing gas flow path, the fuel flows through the first oxygen-containing gas flow path and the second oxygen-containing gas flow path. By making the flow directions of the gas and the oxygen-containing gas different from each other, the temperature rise start point of the first unit cell and the temperature rise start point of the second unit cell are made different.
[0023]
According to the present invention, when the fuel gas and the air are simultaneously supplied to the cathode electrode and the stack is heated by the heat generated by the reaction of the two gases, the temperature rise start point of the first unit cell Since the temperature rise starting point of the second unit cell is different from that of the second unit cell, it is possible to suppress the occurrence of temperature distribution in the stacked body, and it is possible to raise the temperature of the fuel cell stack to a steady operating temperature substantially uniformly and quickly. .
[0024]
Further, it is preferable that a fuel cell and an oxygen-containing gas be supplied to the cathode side electrode after forming a stacked body with the first unit cell and the second unit cell adjacent to each other. This is because heat is efficiently transmitted, so that the occurrence of temperature distribution in the laminate can be further suppressed.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell stack and a method of operating the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same components as those shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof may be omitted in some cases.
[0026]
FIG. 1 shows a schematic overall perspective view of the fuel cell stack according to the present embodiment. The
[0027]
The
[0028]
On the other hand, the anode-
[0029]
In the joined
[0030]
Outside the
[0031]
A straight fuel
[0032]
In the
[0033]
Also in the
[0034]
An anode-side electrode-
[0035]
Here, as will be understood from FIGS. 2 and 3, the anode-side electrode-
[0036]
As shown in FIG. 2, a cooling
[0037]
As can be understood from FIGS. 2 and 4, the first oxygen-containing
[0038]
As is similarly understood from FIGS. 2 and 5, the second oxygen-containing
[0039]
The cooling
[0040]
The
[0041]
At the left end of one
[0042]
In the
[0043]
FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of a
[0044]
The hydrogen
[0045]
Note that a
[0046]
The
[0047]
First, the three-
[0048]
The supplied hydrogen gas and air are mixed by a
[0049]
The mixed gas in the
[0050]
On the other hand, the mixed gas in the
[0051]
That is, in the present embodiment, in the
[0052]
The right end, which is the high temperature part of the
[0053]
Moreover, in this case, since the
[0054]
Further, since the temperature of the stacked
[0055]
Note that H generated at the cathode-
[0056]
After the joined
[0057]
Accordingly, electrons are generated at the anode-
[0058]
2H 2 → 4H + + 4e ... (B)
The electrons (e) function as electric energy for energizing loads such as motors electrically connected to the
[0059]
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O… (C)
Following the generation of power by the
[0060]
During the steady operation, the
[0061]
In the above-described embodiment, hydrogen gas is used as the fuel gas. However, the present invention is not limited to this, and any gas containing hydrogen may be used. Similarly, although air is used as the oxygen-containing gas, any gas containing oxygen may be used, and oxygen itself may be used.
[0062]
Further, in this embodiment, the cooling
[0063]
Further, the flow paths of the first oxygen-containing
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the gas is made to flow such that there are locations in the oxygen-containing gas flow path in the first unit cell and the second unit cell that are opposite to each other. For this reason, when the fuel gas and the air are simultaneously supplied to the cathode side electrode and the stack is heated by the heat generated by the reaction of the two gases, the temperature rise start point of the first unit cell and the second Since the temperature rise starting point of the unit cell is different, it is possible to suppress the occurrence of temperature distribution in the stacked body. For this reason, the effect that the temperature of the fuel cell stack can be substantially uniformly and quickly raised to the steady operation temperature is achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic overall perspective view of a fuel cell stack according to the present embodiment.
FIG. 2 is a schematic perspective view of a stack constituting the fuel cell stack of FIG.
FIG. 3 is an enlarged sectional view of a main part of a stack constituting the fuel cell stack of FIG. 1;
FIG. 4 is a schematic overall front view of a second cathode-side electrode-side separator.
FIG. 5 is a schematic overall front view of a first cathode-side electrode-side separator.
6 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system in which the fuel cell stack shown in FIG. 1 is incorporated.
FIG. 7 is a schematic overall perspective view of a fuel cell stack according to the related art.
[Explanation of symbols]
1, 40:
3, 3a, 3b ...
5, 5a, 5b ...
10, 46a, 46b ... anode side electrode side separator
11, 48a, 48b ... cathode side electrode side separator
12, 50 ... fuel
14, 54: cooling plate 15, 56: cooling water passage
16: fuel gas inlet passage 17: fuel gas outlet passage
18, 18a, 18b ... oxygen-containing gas inlet passage
19, 19a, 19b ... oxygen-containing gas outlet passage
20: cooling water inlet passage 21: cooling water outlet passage
26:
28, 28a, 28b ... oxygen-containing gas inlet
29, 29a, 29b ... oxygen-containing gas outlet
44a, 44b: electrolyte layer 70: fuel cell system
72: hydrogen gas supply path 74: hydrogen gas discharge path
76, 76a, 76b ... air supply path
78: Main air discharge path 80: Branch air discharge path
82: High pressure hydrogen storage source 95: Compressor
100 ... air pipe
Claims (5)
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第2カソード側電極側セパレータとを有する第2単位セルと、
前記第1単位セルと前記第2単位セルとを有する積層体と、
を具備し、
かつ前記第1カソード側電極側セパレータおよび前記第2カソード側電極側セパレータには、酸素含有ガスが流通される第1酸素含有ガス流路および第2酸素含有ガス流路がそれぞれ設けられ、
前記第1酸素含有ガス流路には、前記第2酸素含有ガス流路におけるガスの流通方向と反対方向にガスが流通する箇所が存在することを特徴とする燃料電池スタック。A joined body comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, an anode-side electrode separator provided on the anode-side electrode side of the joined body, and a cathode-side electrode provided on the joined body A first unit cell having a first cathode-side electrode-side separator,
A joined body comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, an anode-side electrode separator provided on the anode-side electrode side of the joined body, and a cathode-side electrode provided on the joined body A second unit cell having a second cathode-side electrode-side separator,
A laminate having the first unit cell and the second unit cell;
With
The first cathode-side electrode-side separator and the second cathode-side electrode-side separator are provided with a first oxygen-containing gas flow path and a second oxygen-containing gas flow path through which an oxygen-containing gas flows, respectively.
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first oxygen-containing gas flow path has a location where a gas flows in a direction opposite to a gas flow direction in the second oxygen-containing gas flow path.
前記積層体中では、前記第1カソード側電極側セパレータと前記第2カソード側電極側セパレータとの前記第1端部同士および前記第2端部同士が、前記アノード側電極側セパレータおよび前記接合体を介して重なり合っていることを特徴とする燃料電池スタック。3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a gas inlet and a gas outlet communicating with a first oxygen-containing gas flow path of the first cathode-side electrode-side separator are a first end of the first cathode-side electrode-side separator. 4. And a gas outlet and a gas inlet provided near each of the second end portions and communicating with the second oxygen-containing gas flow path of the second cathode side electrode side separator. A portion and a second end are provided in the vicinity of each of the
In the laminate, the first end portions and the second end portions of the first cathode side electrode side separator and the second cathode side electrode side separator are connected to the anode side electrode side separator and the joined body. A fuel cell stack, wherein the fuel cell stacks overlap each other.
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第1カソード側電極側セパレータとを有する第1単位セルを構成し、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第2カソード側電極側セパレータとを有する第2単位セルを構成し、
前記第1単位セルと前記第2単位セルとを有する積層体を構成して、
前記第1カソード側電極側セパレータおよび前記第2カソード側電極側セパレータに、酸素含有ガスを流通する第1酸素含有ガス流路および第2酸素含有ガス流路をそれぞれ設け、
前記第1酸素含有ガス流路および前記第2酸素含有ガス流路に燃料ガスおよび酸素含有ガスを同時に供給する際、該第1酸素含有ガス流路および該第2酸素含有ガス流路とで燃料ガスおよび酸素含有ガスの流通方向を互いに相違させることによって、前記第1単位セルの昇温開始箇所と前記第2単位セルの昇温開始箇所とを相違させることを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。Prior to power generation, a fuel gas and an oxygen-containing gas are supplied to a cathode-side electrode, and the bonding by the reaction heat generated by reacting hydrogen in the fuel gas with oxygen in the oxygen-containing gas at the cathode-side electrode. A method of operating a fuel cell stack that heats a body to an operating temperature,
A joined body comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, an anode-side electrode separator provided on the anode-side electrode side of the joined body, and a cathode-side electrode provided on the joined body A first unit cell having a first cathode-side electrode-side separator,
A joined body comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, an anode-side electrode separator provided on the anode-side electrode side of the joined body, and a cathode-side electrode provided on the joined body A second unit cell having a second cathode-side electrode-side separator,
Forming a laminate having the first unit cell and the second unit cell,
The first cathode-side electrode-side separator and the second cathode-side electrode-side separator are provided with a first oxygen-containing gas flow path and a second oxygen-containing gas flow path for flowing an oxygen-containing gas, respectively.
When the fuel gas and the oxygen-containing gas are simultaneously supplied to the first oxygen-containing gas flow path and the second oxygen-containing gas flow path, the fuel flows through the first oxygen-containing gas flow path and the second oxygen-containing gas flow path. An operation of a fuel cell stack, characterized in that the flow directions of a gas and an oxygen-containing gas are made different from each other, so that a temperature rise start point of the first unit cell and a temperature rise start point of the second unit cell are made different. Method.
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