JP2004158237A - Fuel cell power generation system - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power generation system which can suppress drying of an electrolyte film in the upstream area of the flow of an oxidizing agent gas and which can suppress a flooding phenomenon in the downstream area of the flow of the gas. <P>SOLUTION: A main stack 100 is formed of sub-stacks 101-104 each obtained by assembling a plurality of cells. An oxidizing agent gas separator of each of the sub-stacks 101-104 has a porous property having many pores. An oxidizing gas main passage 300 for connecting the respective sub-stackes 101-104 is provided so that the gas flows in series through the adjacently provided sub-stacks 101-104. A pore size of the pores in the separator of each of the sub-stacks 101-104 is set relatively small in the sub-stacks 101, 102 disposed in the upstream area of the passage 300, and is set relatively large in the sub-stacks 103, 104 disposed in the downstream area of the passage 300. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【００１３】
数式１で示されるＫｅｌｖｉｎの式は、細孔における水蒸気分圧を示す。ここで、Ｐは細孔内における液体の平衡蒸気圧、Ｐｏはその温度における液体の飽和蒸気圧、σはその液体の表面張力、Ｍはその液体の分子モル質量、θはその液体の接触角、ρはその液体の密度、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度を示す。一般的には、親水性はθが０〜９０度以下とされ、疎水性はθが９０度越え〜１８０度とされる。
【００１４】
更に、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の内壁面が疎水性であれば、θが９０度越え〜１８０度とされるため、ｃｏｓθは負の値となり（ｃｏｓθ＜０）、ＰはＰｏよりも大きくなる（Ｐ＞Ｐｏ）。Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の内壁面が疎水性である場合には、細孔径ｒが小さければ小さいほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは大きくなる。これにより酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径について、上流領域における細孔径を相対的に小さく設定すると共に、下流領域における細孔径を相対的に大きく設定すれば、乾燥しがちの上流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができることを知見した。この知見によれば、酸化剤ガスセパレータにおける細孔の細孔径について、酸化剤ガス通路路の上流領域よりも下流領域が相対的に大きくなるように設定すれば、上流領域において水蒸気分圧を相対的に大きくできると共に、酸化剤ガスメイン通路の下流領域において水蒸気分圧を相対的に小さくでき、ひいては上流領域における加湿速度を相対的に増加させると共に、下流領域における加湿速度を相対的に減少させることができ、上流領域における過剰乾燥、下流領域におけるフラッディング現象を抑制できることを知見した。この知見に基づいて第１発明に係る燃料電池発電システムを開発した。
【００１５】
また、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の内壁面が親水性であれば、θが０〜９０度以下とされるため、ｃｏｓθは正の値となり（ｃｏｓθ≧０）、ＰはＰｏよりも小さくなる（Ｐ＜Ｐｏ）。そしてＫｅｌｖｉｎの式によれば、細孔径ｒが大きければ大きいほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは大きくなる。これにより親水性を有する酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する側における細孔の細孔径について、上流領域における細孔径を相対的に大きく設定し、下流領域における細孔径を相対的に小さく設定すれば、乾燥しがちの上流領域における加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域における加湿速度を減少させることができることを知見し、第２発明に係る燃料電池発電システムを開発した。
【００１６】
また、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、疎水性が強ければ、θが９０度越え〜１８０度とされるため、ｃｏｓθは負の値となり（ｃｏｓθ＜０）、平衡状態の水蒸気分圧Ｐはその温度における飽和蒸気圧Ｐｏよりも大きくなる（Ｐ＞Ｐｏ）。そしてＫｅｌｖｉｎの式によれば、疎水性が強ければ強いほど、ｃｏｓθの絶対値が大きくなり、細孔の水蒸気分圧Ｐは大きくなる。また親水性が強ければ強いほど、ｃｏｓθの絶対値が小さくなり、細孔の水蒸気分圧Ｐは小さくなる。これにより酸化剤ガスの流れの上流領域に位置するサブスタックの酸化剤ガスセパレータを相対的に強い疎水性に設定し、酸化剤ガスの流れの下流領域に位置するサブスタックの酸化剤ガスセパレータを相対的に弱い疎水性または親水性に設定すれば、乾燥しがちの上流領域の水蒸気分圧を相対的に増加させて、上流領域における加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域の水蒸気分圧を相対的に減少させて、下流領域における加湿速度を減少させることができることを知見し、第３発明に係る固定高分子型燃料電池を開発した。
【００１７】
（２）第１発明に係る燃料電池発電システムは、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の一方側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他方側に設けられた酸化剤極と、燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータと、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に背向する位置に通水路とを備えるセルを複数個組み付けたサブスタックを有し、
サブスタックを複数個並設した主スタックを具備する燃料電池発電システムであって、
各サブスタックの酸化剤ガスセパレータは、多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
隣設する各サブスタックを直列に酸化剤ガスが流れるように繋ぐと共に酸化剤ガス通路に連通している酸化剤ガスメイン通路が設けられ、
酸化剤ガスメイン通路の上流を上流領域とし、酸化剤ガスメイン通路の下流を下流領域としたとき、
各サブスタックの酸化剤ガスセパレータにおける細孔の細孔径は、
上流領域に位置するサブスタックでは相対的に小さく設定され、下流領域に位置するサブスタックでは相対的に大きく設定されていることを特徴とするものである。
【００１８】
第１発明に係る燃料電池発電システムによれば、複数個のサブスタックを直列に酸化剤ガスが流れるように、複数個のサブスタックを直列に繋ぐ酸化剤ガスメイン通路が設けられている。そして、酸化剤ガスセパレータにおける細孔の細孔径は、上流領域のサブスタックでは相対的に小さく設定され、下流領域のサブスタックでは相対的に大きくなるように設定されている。このため酸化剤ガスセパレータが疎水性を有すれば、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、乾燥しがちの上流領域の細孔の水蒸気分圧を相対的に増加させて、上流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域の水蒸気分圧を相対的に減少させて、下流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。
【００１９】
（３）第２発明に係る燃料電池発電システムは、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の一方側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他方側に設けられた酸化剤極と、燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータと、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に背向する位置に通水路とを備えるセルを複数個組み付けたサブスタックを有し、
サブスタックを複数個並設した主スタックを具備する燃料電池発電システムであって、
各サブスタックの酸化剤ガスセパレータは、多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、
隣設する各サブスタックを直列に酸化剤ガスが流れるように繋ぐと共に酸化剤ガス通路に連通している酸化剤ガスメイン通路が設けられ、
酸化剤ガスメイン通路の上流を上流領域とし、酸化剤ガスメイン通路の下流を下流領域としたとき、
各サブスタックの酸化剤ガスセパレータにおける細孔の細孔径は、
上流領域に位置するサブスタックでは相対的に大きく設定され、下流領域に位置するサブスタックでは相対的に小さく設定されていることを特徴とするものである。
【００２０】
第２発明に係る燃料電池発電システムによれば、複数個のサブスタックを直列に酸化剤ガスが流れるように複数個のサブスタックを直列に繋ぐ酸化剤ガスメイン通路が設けられている。そして、酸化剤ガスセパレータにおける細孔の細孔径は、上流領域では相対的に大きく設定されていると共に、下流領域では相対的に小さく設定されている。このため酸化剤ガスセパレータが親水性を有すれば、上記したＫｅｌｖｉｎの式によれば、乾燥しがちの上流領域の細孔の水蒸気分圧を相対的に増加させて、上流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域の細孔の水蒸気分圧を相対的に減少させて、下流領域の酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。
【００２１】
（４）第３発明に係る燃料電池発電システムは、イオン伝導性をもつ電解質膜と、電解質膜の厚み方向の一方側に設けられた燃料極と、電解質膜の厚み方向の他方側に設けられた酸化剤極と、燃料極に燃料を供給する燃料通路を形成する燃料セパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路を形成する酸化剤ガスセパレータと、酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に背向する位置に通水路とを備えるセルを複数個組み付けたサブスタックを有し、
サブスタックを複数個並設した主スタックを具備する燃料電池発電システムであって、
各サブスタックの酸化剤ガスセパレータは、多数の細孔をもつ多孔質性を有しており、且つ、隣設するサブスタックを直列に酸化剤ガスが流れるように繋ぐと共に酸化剤ガス通路に連通している酸化剤ガスメイン通路が設けられ、
酸化剤ガスメイン通路の上流を上流領域とし、酸化剤ガスメイン通路の下流を下流領域としたとき、
各サブスタックの酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対面する側は、上流領域に位置するサブスタックでは、下流領域に位置するサブスタックよりも疎水性が相対的に強く設定されており、
下流領域に位置するサブスタックでは、上流領域に位置するサブスタックよりも疎水性が相対的に弱く設定されているか親水性に設定されていることを特徴とするものである。
【００２２】
第３発明に係る燃料電池発電システムによれば、各サブスタックの酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対面する側は、上流領域では下流領域よりも疎水性が相対的に強く設定されており、且つ、下流領域では上流領域よりも疎水性が相対的に弱く設定されているか、あるいは、親水性に設定されている。このため上記したＫｅｌｖｉｎの式によれば、乾燥しがちの上流領域の細孔の水蒸気分圧を相対的に増加させて、酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域に位置する細孔の水蒸気分圧を相対的に減少させて、酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
第１発明〜第３発明に係る燃料電池発電システムによれば、次の形態のうちの少なくとも一つを採用することができる。
【００２４】
・好ましくは、各サブスタックにおける酸化剤ガスセパレータについては、細孔の細孔径は、一のサブスタックのそれぞれにおいて均質化されている形態を採用できる。この場合、細孔径、細孔径分布、気孔率等の細孔に関する物理量が一のサブスタックにおいて均質化されていることが好ましい。このように各サブスタックのそれぞれにおける酸化剤ガスセパレータについて細孔に関する物理量が均質化されていれば、酸化剤ガスセパレータを形成するのが容易となり、コストを低廉化させつつ酸化剤ガスセパレータを形成するのに有利となる。
【００２５】
『細孔に関する物理量が均質化されている』とは、一のサブスタックの酸化剤ガスセパレータのそれぞれにおいて細孔に関する物理量がその物理量の目標値に対してプラスマイナス３０％以内に設定されていることをいう。物理量が例えば細孔径であれば、一のサブスタックにおいて酸化剤ガスセパレータの細孔径は、一のサブスタックにおける酸化剤ガスセパレータの細孔径の目標値に対してプラスマイナス３０％以内（望ましくプラスマイナス２５％以内、更に望ましくプラスマイナス２０％以内）に設定されていることをいう。
【００２６】
・酸化剤ガスが流れる酸化剤ガスメイン通路は、隣設するサブスタックを直列に繋ぐ。酸化剤ガスメイン通路は、隣設するサブスタック同士を直列に繋いでおればよい。ここで、一のサブスタック内に設けられている複数の酸化剤ガス通路同士は並列に繋がれていても良い。あるいは、一のサブスタック内に設けられている複数の酸化剤ガス通路同士は直列に繋がれていても良い。
【００２７】
・好ましくは、各サブスタックは、互いに電気的に並列に接続されている形態を採用できる。酸化剤ガスメイン通路の上流領域では、発電反応による酸化剤消費があまり進行していないため、酸化剤ガスの酸化剤濃度が下流領域よりも高めとなる。また、酸化剤ガスメイン通路の下流領域では、発電反応による酸化剤消費が進行しているため、酸化剤ガスの酸化剤濃度が上流領域よりも低めとなる。
【００２８】
このように酸化剤の濃度が上流領域と下流領域とで異なるため、酸化剤ガスメイン通路の上流領域における発電条件と、酸化剤ガスメイン通路の下流領域における発電条件とは同一ではなく、酸化剤ガスメイン通路の流れ方向において発電電流量も均一ではない。この場合、酸化剤濃度が少ない下流領域のサブスタックは、発電条件は厳しい。このため、各サブスタックを電気的に直列に繋いで各サブスタックの発電電流量を同一とせんとすると、下流領域のサブスタックの負荷が大きくなり、下流領域のサブスタックの劣化が下流領域のサブスタックよりも進行するおそれがある。そこで各サブスタックを互いに電気的に並列に接続し、下流領域のサブスタックの劣化の進行をできるだけ抑え、燃料電池の運転の信頼性を更に向上させることにしている。劣化が支障ないとき等には、場合によっては、使用条件を考慮し、各サブスタックを互いに電気的に直列に接続することもできる。
【００２９】
・下流領域のサブスタックの酸化剤ガス通路の圧力をＰａ’とし、そのサブスタックにおいて当該部分に背向する通水路部分の圧力をＰｗ’とすると、Ｐａ’はＰｗ’よりも大きく設定されている形態を採用することができる（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。この場合、Ｐａ’＞Ｐｗ’であるため、下流領域に滞留している余剰水を酸化剤ガスセパレータの細孔を介してそのサブスタックの通水路に戻すことができ、下流領域におけるフラッディング現象の抑制に有利である。
【００３０】
・上記したように酸化剤ガスセパレータは細孔を有する。第１発明によれば、酸化剤ガスセパレータにおける細孔の細孔径としては、上流領域のサブスタックでは相対的に小さく、下流領域のサブスタックでは相対的に大きくなるように設定されている。また第２発明によれば、酸化剤ガスセパレータにおける細孔の細孔径としては、上流領域のサブスタックでは相対的に大きくされ、下流領域のサブスタックでは相対的に小さくなるように設定されている。また第３発明では、各サブスタックの酸化剤ガスセパレータの細孔径は、均質化されていることが好ましく、主スタックにおいて酸化剤ガスセパレータの細孔径はほぼ程度とすることができる。酸化剤ガスセパレータの細孔径としては適宜選択できるが、１〜２００μｍ、１〜１００μｍ、殊に２〜３０μｍ、２〜１５μｍ、更に３〜４μｍを例示することができる。これらの範囲を考慮し、サブスタックの酸化剤ガスセパレータの細孔径の大小関係を設定することができる。
【００３１】
酸化剤ガスセパレータの気孔率としては適宜選択できるが、体積比で１０〜９０％、１５〜６０％、殊に２０〜４０％とすることができる。但し細孔径、気孔率は上記した範囲に限定されるものではない。なお、燃料電池発電システムとしては、車載用、定置用、ポータブル用、家庭用、業務用等を問わない。
【００３２】
・第１発明〜第３発明に係る燃料電池によれば、各サブスタックの酸化剤ガスセパレータのうち少なくとも通水路に対向する対向面は、親水性を有している形態を採用することができる。当該対向面にサブスタックの通水路の水を浸透させることができ、当該対向面における細孔を水で封止してシールすることができ、酸化剤ガスがサブスタックの酸化剤ガスセパレータを介して通水路に漏れることを抑制できる。
【００３３】
・第１発明に係る燃料電池によれば、複数のサブスタックのうち、酸化剤ガスメイン通路の流れの中間点よりも少なくとも上流側のサブスタックについては、当該サブスタックに組み付けられている酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する対向面は、疎水性を有していることが好ましい。酸化剤ガスセパレータの細孔が疎水性を有すれば、細孔では水は液相よりも水蒸気として存在し易くなり、細孔の水蒸気による加湿に一層有利となる。ここで、全部のサブスタックについて、当該サブスタックに組み付けられている酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する対向面は、疎水性を有する形態を例示することができる。酸化剤ガスセパレータがカーボン材料を基材としておれば、一般的には疎水性をもつ。
【００３４】
・第２発明に係る燃料電池によれば、複数のサブスタックに組み付けられている酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対向する対向面は、親水性を有することが好ましい。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の第１実施例について図１〜図１０を参照して説明する。図１〜図３は本実施例に係る燃料電池発電システムの概念図を模式的に示す。図１に示すように、本実施例に係る燃料電池発電システムのＭＥＡ１は、プロトン伝導性を有する固体高分子型の電解質膜１１と、電解質膜１１の厚み方向の一方側に設けられアノードとも呼ばれる燃料極１２と、電解質膜１１の厚み方向の他方側に設けられカソードとも呼ばれる酸化剤極１５とを有する。
【００３６】
更に、図１に示すように、燃料電池発電システムのセルは、ＭＥＡ１の燃料極１２の外側に配置され燃料極１２にガス状の燃料を供給する溝状の燃料通路２１を形成する案内凸部２７を有する燃料配流板として機能できる燃料セパレータ２と、ＭＥＡ１の酸化剤極１５の外側に配置され酸化剤極１５に酸化剤ガス（一般的には空気）を供給する溝状の酸化剤ガス通路３１を形成する案内凸部３７を有する酸化剤ガス配流板として機能できる酸化剤ガスセパレータ３と、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤極１５に背向する位置に通水路４１を形成する通水板４とを有する。このようにセルを複数個その厚み方向に積層させて組み付けることにより、後述するサブスタック１０１〜１０４が形成されている。
【００３７】
図１において、酸化剤極１５は、多孔質性及び導電性をもつカーボン系の第１ガス拡散層１６と、触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第１触媒層１７とを有する。燃料極１２は、多孔質性及び導電性をもつカーボン系の第２ガス拡散層１３と、触媒を主要成分とする多孔質性及び導電性をもつ第２触媒層１４とを有する。触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、金、銀等のうちの少なくとも１種を例示できる。
【００３８】
燃料セパレータ２は燃料配流板とも呼ばれるものであり、導電性をもつ材料（カーボン系材料）で形成されており、封止用の樹脂を含浸させた緻密体とされている。従って燃料通路２１からの燃料リークは抑制される。
【００３９】
酸化剤ガスセパレータ３は、空気配流板とも呼ばれるものであり、これの厚み方向に連通する連通孔となりうる多数の細孔をもつ多孔質体で形成されており、多孔質性及び導電性を有し、一般的にはカーボン系材料を基材とする。酸化剤ガスセパレータ３は、水蒸気を利用した加湿機能を有する。
【００４０】
本実施例に係る燃料電池発電システムは、多孔質の酸化剤ガスセパレータ３の細孔を利用して、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスに積極的に水分を付与させるものである。
【００４１】
酸化剤ガスセパレータ３は溝状の酸化剤ガス通路３１を形成するものであり、導電性をもつ材料（カーボン材料等）を基材として形成されており、酸化剤ガスセパレータ３の厚み方向に連通する連通孔となる多数の細孔をもつ。酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４は疎水性とされている。また酸化剤ガスセパレータ３のうち通水路４１に対向する対向面３０は親水性とされている。
【００４２】
図６は酸化剤ガスセパレータ３を示す。図６に示すように、酸化剤ガスセパレータ３には、酸化剤ガスが流れる凹状の酸化剤ガス通路３１が案内凸部３７と共に形成されている。酸化剤ガスセパレータ３の一辺部３ａに、酸化剤ガス入口３５、酸化剤ガス出口３６が隣設して形成されている。酸化剤ガス通路３１は、上下方向に延設された仕切壁３８で仕切られている。酸化剤ガスセパレータ３のうち一辺部３ａに対向する他辺部３ｂには、中間口３９が形成されている。図６において、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口３５から酸化剤ガス通路３１に流入し、中間口３９を経て酸化剤ガス出口３６に至り、矢印Ｋ１方向に流れる。
【００４３】
図６、図７に示すように、酸化剤ガスセパレータ３において酸化剤ガス入口３５から導入された酸化剤ガスは、中間口３９に至るまでは一方向に流れ、中間口３９から酸化剤ガス出口３６までは逆方向に流れる。即ち、酸化剤ガスセパレータ３においては、酸化剤ガスは逆Ｕ字形状に流れる。
【００４４】
図６、図７に示すように、酸化剤ガスセパレータ３のうち一辺部３ａに隣設する隣設辺部３ｃには、燃料入口２５及び吐水口４４が隣設して形成されている。酸化剤ガスセパレータ３のうち他辺部３ｂに隣設する隣設辺部３ｄには、燃料出口２６及び給水口４３が隣設して形成されている。なお、図６に示すように、酸化剤ガス通路３１の通路幅は、仕切壁３８によって、上流側の通路幅Ｌ１と下流側の通路幅Ｌ２として仕切られ、且つ、Ｌ１＞Ｌ２（図６参照）に設定されているため、下流側を流れる酸化剤ガスの流速を増加させるのに寄与でき、余剰水を酸化剤ガス出口３６に排出させ易くなる効果を期待できる。
【００４５】
ここで、酸化剤ガスセパレータ３は多孔質であり、細孔をもつため、燃料入口２５及び燃料出口２６を流れるガス状の燃料が細孔を介して酸化剤ガス通路３１に混入するおそれがある。そこで本実施例によれば、図７に示すように、酸化剤ガスセパレータ３のうち燃料入口２５及び燃料出口２６の付近に緻密体部分３ｒ（図７においてハッチングで示す領域）を設けており、緻密体部分３ｒにより上記した燃料の混入が抑えられている。緻密体部分３ｒは樹脂を含浸させて、当該部分３ｒにおける細孔を封止してガスシール性を高めることにより形成できる。なお必要に応じて、仕切壁３８にも樹脂を含浸させて、仕切壁３８の細孔を封止させて緻密体とすることができる。
【００４６】
さて本実施例の要部構成について説明を加える。図２、図３に示すように、本実施例に係る主スタック１００は、複数個（例えば４個）サブスタック１０１、１０２、１０３、１０４を並設することにより形成されている。サブスタック１０１、１０２、１０３、１０４は、それぞれ、図１に示すＭＥＡ１を複数枚これの厚み方向に酸化剤ガスセパレータ３及び燃料セパレータ２と共に積層させることにより形成されている。
【００４７】
本実施例によれば、図２に示すように、サブスタック１０１、１０２、１０３、１０４の酸化剤ガス通路３１を直列に繋ぐ酸化剤ガスメイン通路３００が設けられている。酸化剤ガスメイン通路３００の上流を上流領域とし、酸化剤ガスメイン通路３００の下流を下流領域としたとき、酸化剤ガスメイン通路３００においてこれの上流領域の導入口３００ａから、下流領域の導出口３００ｃに向かうにつれて、サブスタック１０１、サブスタック１０２、サブスタック１０３、サブスタック１０４の順に直列的に配置されている。よって、酸化剤ガスの流れの最も上流側がサブスタック１０１とされている。酸化剤ガスの流れの最も下流側がサブスタック１０４とされている。
【００４８】
酸化剤ガスメイン通路３００は、隣設するサブスタック１０１〜１０４同士を直列に繋いでおればよい。ここで、一のサブスタック内に設けられている各セルの構成要素である複数の酸化剤ガス通路３１同士は、並列に繋がれているが、これに限らず、場合によっては、一のサブスタック内に設けられている複数の酸化剤ガス通路３１同士は、直列に繋がれていても良い。
【００４９】
更に図２に示すように、サブスタック１０１、１０２、１０３、１０４を直列に繋ぐ燃料メイン通路２００が燃料通路２１に連通するように設けられている。本実施例によれば、燃料メイン通路２００において燃料は、酸化剤ガスと逆に、サブスタック１０４、サブスタック１０３、サブスタック１０２、サブスタック１０１の順に直列に流れる。従って燃料の上流側がサブスタック１０４とされていると共に、下流側がサブスタック１０１とされている。
【００５０】
上記したように燃料を酸化剤ガスと逆向きに、サブスタック１０４、サブスタック１０３、サブスタック１０２、サブスタック１０１の順に直列に流せば、酸化剤ガスの下流側と燃料の上流側とが互いに背向する頻度が高くなり、次の利点が得られる。即ち、酸化剤ガスの下流はその上流よりも、生成水によって水蒸気が増して湿分が多い。このため酸化剤ガスの下流側と燃料の上流とが背向する位置にあれば、酸化剤ガスの下流側の多めの湿分を浸透させて燃料側の上流側に供給することができ、自立的に水蒸気バランスを採ることができる。
【００５１】
なお、本実施例によれば、燃料を酸化剤ガスと逆向きに流すことにしているが、これに限らず、燃料を酸化剤ガスの流れと同じように、サブスタック１０１、サブスタック１０２、サブスタック１０３、サブスタック１０４の順に直列に流すことにしても良いし、あるいは、各サブスタック１０１〜１０４に互いに並列に流すことにしても良い。
【００５２】
燃料電池発電システムを運転する際には、酸化剤ガス（一般的にはガス状の空気）が酸化剤ガスメイン通路３００の導入口３００ａに供給され、酸化剤ガスは、サブスタック１０１の各酸化剤ガス通路３１→サブスタック１０２の各酸化剤ガス通路３１→サブスタック１０３の各酸化剤ガス通路３１→サブスタック１０４の各酸化剤ガス通路３１、導出口３００ｃの順に流れる。このように各サブスタック１０１〜１０４に流入した酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路３１から酸化剤極１５の第１ガス拡散層１６、第１触媒層１７に向けて矢印Ｅ１方向（図１参照）に流入する。
【００５３】
更に、図２において、ガス状の燃料（純水素ガスや改質ガス等の水素含有ガス）は、燃料メイン通路２００の導入口２００ａに供給され、サブスタック１０４の各燃料通路２１→サブスタック１０３の各燃料通路２１、サブスタック１０２の各燃料通路２１→サブスタック１０１の各燃料通路２１→導出口２００ｃの順に流れる。
【００５４】
更にまた、各サブスタック１０１〜１０４を冷却する冷却通路４００（図２では一部省略）が設けられている。冷却通路４００は、水が供給される給水口４００ａ、水を吐出する吐出口４００ｃをもち、各サブスタック１０１〜１０４の通水路４１に連通してこれに給水するものである。冷却通路４００の水は、酸化剤ガスの流れと同様に、サブスタック１０１の各通水路４１、サブスタック１０２の各通水路４１、サブスタック１０３の各通水路４１、サブスタック１０４の各通水路４１の順に直列的に流れる。但し、冷却通路４００は、場合によってはサブスタック１０１〜１０４に対して逆向きに流しても良いし、あるいは、サブスタック１０１〜１０４に対して並列的に水を流すことにしても良い。
【００５５】
図１において、各サブスタック１０１〜１０４に供給された燃料は、燃料通路２１から燃料極１２の第２ガス拡散層１３、第２触媒層１４に向けて矢印Ｅ２方向に流入する。そして、第２触媒層１４の触媒作用により、燃料に含まれている水素からプロトン（水素イオン）と電子（ｅ⁻）とが生成される。生成されたプロトンは、電解質膜１１を厚み方向に透過して酸化剤極１５に至る。電子は導電経路を流れ、導電経路の負荷で電気的仕事を行った後に、酸化剤極１５に至る。そして酸化剤極１５では、酸化剤極１５の第１触媒層１７の触媒作用により、酸化剤極１５に供給された酸化剤ガス（一般的に空気）とプロトンと電子とが反応して水が生成される。このような発電反応により熱が発生するが、通水路４１の水により燃料電池発電システムは冷却される。
【００５６】
上記した発電反応に基づいてＭＥＡ１では水が生成され、その生成水が下流領域に移送される等の理由により、酸化剤ガスの上流領域よりも下流領域の方が生成水が相対的に多くなる傾向となる。上記したＭＥＡ１では、上流領域では、下流領域よりも湿度が低めとなり、乾燥が生じるおそれがあり、下流領域では余剰水が滞留するおそれがある。なお燃料電池発電システムの酸化剤ガス直列通路３００に供給される酸化剤ガスとしては、加湿されていないものでも良いし、加湿されているものでも良い。燃料電池発電システムの燃料直列通路２００に供給される燃料についても、同様に、加湿されていないものでも良いし、加湿されているものでも良い。
【００５７】
さて本実施例によれば、前述したように、主スタック１００を構成する各サブスタック１０１〜１０４について、酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径は、図１０から理解できるように、酸化剤ガスメイン通路３００の上流領域よりも酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域が大きくなるように設定されている。即ち、各サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径は、酸化剤ガスメイン通路３００上流領域から酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域に向かうにつれて段階的に次第に大きくなるように設定されている。ここで、上流側のサブスタック１０１の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径（目標値）をＤ１とする。次に上流側のサブスタック１０２の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径（目標値）をＤ２とする。最も下流側のサブスタック１０４の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径（目標値）をＤ４とする。次にサブスタック１０４よりも上流側のサブスタック１０３の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径（目標値）をＤ３とする。
【００５８】
図１０の横軸はサブスタック１０１〜１０４を示す。図１０の縦軸は各サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径（目標値）を示す。本実施例によれば、図１０に示すように、サブスタック１０〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３の細孔径（目標値）については、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４の関係に設定されている。
【００５９】
即ち、図１０に示すように、酸化剤ガスセパレータ３については、酸化剤ガスメイン通路３００の上流領域の細孔径が相対的に小さく設定されていると共に、酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域の細孔径が相対的に大きく設定されている。これにより前述したように、各サブスタック１０１〜１０４について、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４の細孔の内壁面が疎水性であり、θが９０度越え〜１８０度とされるため、上記したＫｅｌｖｉｎの式によれば、ｃｏｓθは負の値となり（ｃｏｓθ＜０）、細孔の水蒸気分圧Ｐはその温度における飽和蒸気圧Ｐｏよりも大きくなる（Ｐ＞Ｐｏ）。そして、上記したように各サブスタック１０１〜１０４について酸化剤ガスセパレータ３の対向面３４は疎水性に設定されているため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔径ｒが小さければ小さいほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは相対的に大きくなる。従って酸化剤ガスセパレータ３の細孔の水蒸気分圧Ｐとしては、サブスタック１０１＞サブスタック１０２＞サブスタック１０３＞サブスタック１０４の関係とされている。換言すれば、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の水蒸気分圧Ｐとしては、酸化剤ガスメイン通路３００の上流側のサブスタック１０１、１０２は、酸化剤ガスメイン通路３００の下流側のサブスタック１０３、１０４よりも大きくされている。
【００６０】
ここで、サブスタック１０１〜１０４のうちサブスタック１０１、１０２は酸化剤ガスの流れの上流側であるため、サブスタック１０１、１０２の酸化剤ガス通路３１は乾燥しがちである。殊に、最も上流側のサブスタック１０１の酸化剤ガス通路３１は乾燥しがちである。この点本実施例によれば、酸化剤ガスの流れの上流側であるサブスタック１０１、１０２について、図１０から理解できるように、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が相対的に小さく設定されているため、前述したように、上記したＫｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に高くできるため、乾燥しがちの上流領域における加湿速度を増加させることができる。特に、酸化剤ガスの流れの最も上流側であるサブスタック１０１について、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が最も小さく設定されているため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に最も高くできるため、乾燥しがちの上流領域における加湿速度を増加させることができる。
【００６１】
また、サブスタック１０１〜１０４のうちサブスタック１０３、１０４は酸化剤ガスの流れの下流側であるため、サブスタック１０３、１０４の酸化剤ガス通路３１は水が余剰になりがちである。殊に、最も下流側のサブスタック１０４の酸化剤ガス通路３１は水が余剰になりがちである。この点本実施例によれば、酸化剤ガスの流れの下流側であるサブスタック１０３、１０４について、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が相対的に大きく設定されているため、前述したように、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に低めにできるため、水が余剰になりがちの酸化剤ガス路印通路３００の下流領域における加湿速度を減少させることができ、酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域におけるフラッディング現象が防止するのに有利である。殊に、最も下流側のサブスタック１０４について、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が最も大きく設定されているため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に最も低めにできるため、水が余剰になりがちの下流領域における加湿速度を減少させることができ、下流領域におけるフラッディング現象が防止するのに有利である。
【００６２】
上記したように酸化剤ガスメイン通路３００の上流流域から下流領域にかけて、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が小→大に変化している。ここで一枚の酸化剤ガスセパレータを用意し、その酸化剤ガスセパレータの細孔の細孔径の分布を酸化剤ガスの流れに沿って小→大に変化させることも考えられる。しかしこのように１枚の酸化剤ガスセパレータにおいて細孔の細孔径の分布を酸化剤ガスの流れに沿って傾斜的に変化させることは、製造が容易ではなく、量産に適しにくく、コスト高となり易い。この点本実施例によれば、酸化剤ガスメイン通路３００の上流流域から下流領域にかけて酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が小→大に変化しているものの、各サブスタック１０１〜１０４ごとの酸化剤ガスセパレータ３の細孔径は均質化されている。即ち、サブスタック１０１の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径（目標値）はＤ１であり、均質化されている。サブスタック１０２の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径（目標値）はＤ２であり、均質化されている。サブスタック１０３の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径（目標値）はＤ３であり、均質化されている。サブスタック１０４の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径（目標値）はＤ４であり、均質化されている。
【００６３】
ここで、サブスタック１０１において実際の細孔径の平均値は、サブスタック１０１における酸化剤ガスセパレータ３の細孔径（目標値）Ｄ１に対してプラスマイナス３０％以内（望ましくプラスマイナス２５％以内、更に望ましくプラスマイナス２０％以内）に設定されている。別のサブスタック１０２において酸化剤ガスセパレータ３の実際の細孔径の平均値は、このサブスタック１０２における酸化剤ガスセパレータ３の細孔径（目標値）Ｄ２に対してプラスマイナス３０％以内（望ましくプラスマイナス２５％以内、更に望ましくプラスマイナス２０％以内）に設定されている。別のサブスタック１０３において酸化剤ガスセパレータ３の実際の細孔径の平均値は、このサブスタック１０３における酸化剤ガスセパレータ３の細孔径（目標値）Ｄ３に対してプラスマイナス３０％以内（望ましくプラスマイナス２５％以内、更に望ましくプラスマイナス２０％以内）に設定されている。細孔径Ｄ４についても同様に設定されている。
【００６４】
従って本実施例によれば、サブスタック１０１用の均質化された細孔径をもつ酸化剤ガスセパレータ３を形成し、サブスタック１０２用の均質化された細孔径をもつ酸化剤ガスセパレータ３を形成し、サブスタック１０３用の均質化された細孔径をもつ酸化剤ガスセパレータ３を形成し、サブスタック１０４用の均質化された細孔径をもつ酸化剤ガスセパレータ３を形成すればよい。
【００６５】
上記のように酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径、気孔率等の細孔に関する物理量は、サブスタック１０１〜１０４のそれぞれにおいて均質化されているため、１枚の酸化剤ガスセパレータにおいて細孔径の分布を傾斜的にせずとも良い。故に、各サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３の製造は簡便であり、生産性を高くすることができ、コスト低廉化、量産化に貢献できる。
【００６６】
本実施例によれば、図３に示すように、並設された各サブスタック１０１〜１０４の一端側にこれらを電気的に繋ぐ集電体５００を装備し、各サブスタック１０１〜１０４の他端側にこれらを電気的に繋ぐ集電体５１０を装備することにより、各サブスタック１０１〜１０４は互いに電気的に並列に接続されている。
【００６７】
酸化剤ガスメイン通路３００の上流領域では、発電反応による酸化剤消費があまり進行していないため、酸化剤ガスの酸化剤濃度（酸素濃度）が下流領域よりも高めとなる。また、酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域では、発電反応による酸化剤消費（酸素消費）が進行しているため、酸化剤ガスの酸化剤濃度が上流領域よりも低めとなる。このように酸化剤ガスメイン通路３００の酸化剤の濃度が上流領域と下流領域とで異なるため、酸化剤ガスメイン通路３００の上流領域における発電条件と、酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域における発電条件とは同一ではなく、酸化剤ガスメイン通路３００の流れ方向において発電電流量も同一ではない。この場合、酸化剤濃度（酸素濃度）が少ない下流領域のサブスタック１０４は、発電条件は厳しいため、各サブスタック１０１〜１０４を直列に繋いで各サブスタック１０１〜１０４の発電電流量を同一とせんとすると、下流領域のサブスタック１０４の負荷が大きくなり、下流領域のサブスタック１０４の劣化が進行するおそれがある。そこで本実施例によれば、前述したように、各サブスタック１０１〜１０４を互いに電気的に並列に接続し、下流領域のサブスタック１０１〜１０４の劣化の進行を抑え、燃料電池の運転の信頼性を更に向上させることにしている。
【００６８】
なお、図８、図９は、各サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３の細孔構造をモデル化して示す。本実施例によれば、酸化剤ガスセパレータ３のうち通水路４１に対面する対向面３０側は親水性領域Ｘ１を有するため、図８に示すように、通水路４１に存在する液相としての水を、毛細管圧により、酸化剤ガスセパレータ３において矢印Ａ１方向に向けて移動させて細孔に浸透させることができる。この結果、液相としての水を酸化剤ガスセパレータ３のうち通水路４１側の細孔に浸透させて細孔を封止できるため、酸化剤ガスセパレータ３の細孔のシールを図ることができ、酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスが通水路４１に洩れることが抑えられ、発電反応を良好に行うことができる。図８に示すように、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４は疎水性領域Ｘ２を有する。
【００６９】
また本実施例によれば、図９に示すように、この酸化剤ガスセパレータ３は、複数層構造とすることもできる。この場合、酸化剤ガスセパレータ３は、通水路４１に対向する対向面３０をもつと共に親水性領域Ｘ１をもつ第１層３２と、酸化剤ガス通路４１に対向する対向面３４をもつと共に疎水性領域Ｘ２をもつ第２層３３とで形成されている。
【００７０】
また本実施例によれば、図１〜図３に示すように、酸化剤ガスセパレータ３の酸化剤ガス通路３１が上面開放され、燃料セパレータ２の燃料通路２１が下面開放されるように、酸化剤ガスセパレータ３、ＭＥＡ１、燃料セパレータ２が水平方向に沿って配置されており、且つ、下から上に向けて（矢印Ｙ１方向）、通水路４１→酸化剤ガス通路３１を形成する酸化剤ガスセパレータ３→ＭＥＡ１→燃料通路２１を形成する燃料セパレータ２の順に位置するように上下方向に積層されている。
【００７１】
このため上流側のサブスタック１０１，１０２の酸化剤ガス通路３１では、通水路４１の水は、多孔質の酸化剤ガスセパレータ３の細孔による毛細管圧を利用して、酸化剤ガスセパレータ３をこれの厚み方向に沿って上向き（図４に示す矢印Ｙ２方向）に透過し、酸化剤ガス通路３１に供給される。このように通水路４１の水を酸化剤ガス通路３１に供給するにあたり、重力の反対方向へ水を持ち上げることにしている。このため図４に示すように、酸化剤ガス通路３１に供給された水８０は、酸化剤ガス通路３１の底面３１ｂに溜まり、その水８０の水面８１の上方に水蒸気空間８３が形成され、水蒸気空間８３の水蒸気を利用して酸化剤ガス通路３１の酸化剤ガスの加湿を行うことができる。
【００７２】
更に本実施例では、上流側のサブスタック１０１，１０２によれば、図４に示すように、酸化剤ガス通路３１に水８０が溜まったとき、その水８０は酸化剤ガス通路３１の底面３１ｂに溜まるため、酸化剤ガス通路３１内の水を持ち上げずとも、酸化剤ガス通路３１内の水８０の水面８１上の水蒸気と、酸化剤ガス通路３１内の酸化剤ガスひいてはＭＥＡ２とを効果的に接触させることができる。故に、酸化剤ガス通路３１に供給する酸化剤ガス（一般的には空気）の圧力を過剰に高圧化せずともよく、酸化剤ガス通路３１に供給する酸化剤ガスを大気圧近くに設定できる。このように酸化剤ガス通路３１に供給する酸化剤ガスの圧力を過剰に高圧化せずともよいため、酸化剤ガス通路３１に供給する酸化剤ガスの制御が容易化される。
【００７３】
また、図４から理解できるように、上流領域に位置するサブスタック１０１，１０２については、サブスタック１０１，１０２の酸化剤ガス通路３１の圧力をＰａとし、これに背向する通水路４１の通水路部分４１ｕの圧力をＰｗとし、水を浸透させる細孔の毛細管圧をαすると、水の圧力Ｐｗと毛細管圧αとの和は、Ｐａよりも大きく設定されている（Ｐｗ＋α＞Ｐａ）。ＰｗとＰａとの差圧はΔＰ１として示す（ΔＰ１＝Ｐｗ−Ｐａ）。このように本実施例によれば、上流領域では、差圧ΔＰ１の他に、多孔質の酸化剤ガスセパレータ３の細孔による毛細管圧αを利用して、通水路４１の水を酸化剤ガスセパレータ３にこれの厚み方向に沿って上向き（矢印Ｙ２方向）に透過させ、酸化剤ガスメイン通路３００に供給する。このように通水路４１の水を酸化剤ガス通路３１に供給するにあたり、差圧ΔＰ１及び細孔による毛細管圧を利用するものの、水に作用する重力の影響をできるだけ抑え得る。
【００７４】
ここで本実施例によれば、下流側のサブスタック１０４，１０３については、図５に示すように、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３１の圧力をＰａ’とし、これに背向する通水路４１の通水路部分４１ｄの圧力をＰｗ’とすると、Ｐａ’はＰｗ’よりも大きくなるように、通水条件、酸化剤ガスの供給条件等が設定されている（Ｐａ’＞Ｐｗ’）。Ｐａ’とＰｗ’との差圧はΔＰ２として示す（ΔＰ２＝Ｐａ’−Ｐｗ’）。従って、酸化剤ガスセパレータ３の厚み方向に沿った断面（図５参照）で視たとき、酸化剤ガス通路３１の下流領域の底面３１ｂに溜まっている水は、酸化剤ガスセパレータ３の厚みを下向き（図５に示す矢印Ｙ３方向）に通水路４１に向けて透過する。即ち、酸化剤ガス通路３１の下流領域に溜まっている水を、酸化剤ガスセパレータ３の下方に配置されている通水路４１に戻す際には、差圧ΔＰ２（ΔＰ２＝Ｐａ’−Ｐｗ’：Ｐａ’＞Ｐｗ’）を利用する他に、水に作用する重力を利用して戻すことができる。故に、下流側のサブスタック１０４，１０３では、余剰の水を矢印Ｙ３方向への戻すことを早期に行うことができる。このように余剰の水を通水路４１に戻すことを早期に行ない得るため、酸化剤ガス通路３１の下流領域におけるフラッディング現象を抑えるのに寄与できる。
【００７５】
（第２実施例）
図１１は第２実施例を示す。第２実施例は第１実施例と基本的には同様の構成を有し、同様の作用効果を奏するものであり、図１〜図９を準用する。本実施例においても、図４に示すように、サブスタック１０１、１０２、１０３、１０４の酸化剤ガス通路３１を直列に繋ぐ酸化剤ガスメイン通路３００が設けられている。酸化剤ガスメイン通路３００において上流から下流に向かうにつれてサブスタック１０１、サブスタック１０２、サブスタック１０３、サブスタック１０４とされており、上流側がサブスタック１０１とされていると共に、下流側がサブスタック１０４とされている。
【００７６】
更にサブスタック１０１、１０２、１０３、１０４の燃料通路２１を直列に繋ぐ燃料メイン通路２００が設けられている。燃料メイン通路２００の上流から下流に向かうにつれてサブスタック１０４、サブスタック１０３、サブスタック１０２、サブスタック１０１の順とされており、上流側がサブスタック１０４とされていると共に、下流側がサブスタック１０１とされている。
【００７７】
本実施例によれば、サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４は、親水性とされている。
【００７８】
更に本実施例によれば、図１１に示すように、各サブスタック１０１〜１０４について、酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径は、酸化剤ガスメイン通路３００の上流領域で相対的に大きく設定され、酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域が相対的に小さく設定されている。即ち、各サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径は、酸化剤ガスメイン通路３００上流領域から酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域に向かうにつれて次第に小さくなるように設定されている。
【００７９】
ここで、上流側のサブスタック１０１の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径（目標値）をＤ１０とする。次に上流側のサブスタック１０２の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径（目標値）をＤ２０とする。最も下流側のサブスタック１０４の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径を目標値をＤ４０とする。次に下流側に位置するもののサブスタック１０４よりも上流のサブスタック１０３の酸化剤ガスセパレータ３における細孔の細孔径（目標値）をＤ３０とする。
【００８０】
図１１の横軸はサブスタック１０１〜１０４を示す。図１１の縦軸は酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径を示す。本実施例によれば、図１１に示すように、各サブスタック１０１〜１０４の細孔径についてはＤ１０＞Ｄ２０＞Ｄ３０＞Ｄ４０の関係に設定されている。
【００８１】
即ち、図１１に示すように、酸化剤ガスセパレータ３については、酸化剤ガスメイン通路３００の上流領域の細孔径が相対的に大きく設定されていると共に、酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域の細孔径が相対的に小さく設定されている。これにより前述したように、各サブスタック１０１〜１０４について、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４は親水性とされており、θが０〜９０度未満とされるため、上記したＫｅｌｖｉｎの式によれば、ｃｏｓθは正の値となり（ｃｏｓθ≧０）、ＰはＰｏよりも大きくなる（Ｐ＞Ｐｏ）。そして親水性であれば、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔径ｒが大きければ大きいほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは大きくなる。従って酸化剤ガスセパレータ３の細孔の水蒸気分圧Ｐとしては、サブスタック１０１＞サブスタック１０２＞サブスタック１０３＞サブスタック１０４の関係とされている。
【００８２】
ここでサブスタック１０１〜１０４のうちサブスタック１０１、１０２は酸化剤ガスの流れの上流側であるため、サブスタック１０１、１０２の酸化剤ガス通路３１は乾燥しがちである。しかし本実施例によれば、酸化剤ガスの流れの上流側であるサブスタック１０１、１０２について、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が大きく設定されているため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に高くできるため、酸化剤ガスメイン通路３００の乾燥しがちの上流領域における加湿速度を増加させることができる。
【００８３】
特に、酸化剤ガスの流れの最も上流側であるサブスタック１０１について、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が最も大きく設定されているため、上記したＫｅｌｖｉｎの式によれば、水蒸気分圧を相対的に高くできるため、乾燥しがちの上流領域における加湿速度を増加させることができる。
【００８４】
また、サブスタック１０１〜１０４のうちサブスタック１０３、１０４は酸化剤ガスの流れの下流側であるため、サブスタック１０３、１０４の酸化剤ガス通路３１は水が余剰になりがちである。しかし本実施例によれば、酸化剤ガスの流れの上流側であるサブスタック１０３、１０４について、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が相対的に小さく設定されているため、上記したＫｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に低めにできるため、水が余剰になりがちの下流領域における加湿速度を減少させることができ、酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域におけるフラッディング現象が防止するのに有利である。
【００８５】
殊に、最も下流側のサブスタック１０について、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が最も小さく設定されているため、上記したＫｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に低めにできるため、酸化剤ガスメイン通路３００のうち水が余剰になりがちの下流領域における加湿速度を減少させることができ、下流領域におけるフラッディング現象が防止するのに有利である。
【００８６】
上記したように酸化剤ガスメイン通路３００の上流流域から下流領域にかけて、細孔の細孔径が大→小に変化している。ここで１枚の酸化剤ガスセパレータの細孔の細孔径の分布を酸化剤ガスの流れに沿って変化させることも考えられる。しかしこのように１枚の酸化剤ガスセパレータにおいて細孔の細孔径の分布を酸化剤ガスの流れに沿って変化させることは、製造が容易ではなく、コスト高となる。この点について本実施例によれば、酸化剤ガスメイン通路３００の上流流域から下流領域にかけて酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が大→小に変化しているものの、各サブスタック１０１〜１０４ごとの酸化剤ガスセパレータ３の細孔径は均質化されている。即ち、サブスタック１０１の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径（目標値）はＤ１０とされ、均質化されている。サブスタック１０２の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径（目標値）はＤ２０とされ、均質化されている。サブスタック１０３の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径（目標値）はＤ３０とされ、均質化されている。サブスタック１０４の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径（目標値）はＤ４０とされ、均質化されている。従って、サブスタック１０１用の均質化された細孔径をもつ酸化剤ガスセパレータ３を形成しサブスタック１０２用の均質化された細孔径をもつ酸化剤ガスセパレータ３を形成し、サブスタック１０３用の均質化された細孔径をもつ酸化剤ガスセパレータ３を形成し、サブスタック１０４用の均質化された細孔径をもつ酸化剤ガスセパレータ３を形成すればよい。このように酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径は、サブスタック１０１〜１０４のそれぞれにおいては均質化されているため、各サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３の製造は簡便であり、生産性を高くすることができ、コスト低廉化、量産化に貢献できる。
【００８７】
本実施例によれば、第１実施例と同様に、各サブスタック１０１〜１０４を互いに電気的に並列に接続しているため、下流領域のサブスタック１０１〜１０４の劣化の進行を抑え、燃料電池の運転の信頼性を更に向上させることにしている。
（第３実施例）
図１２は第３実施例（第３発明に相当）を示す。第３実施例は第１実施例と基本的には同様の構成を有し、基本的には同様の作用効果を奏するものであり、図１〜図９を準用する。本実施例においても、図４に示すように、サブスタック１０１、１０２、１０３、１０４の酸化剤ガス通路３１を直列に繋ぐ酸化剤ガスメイン通路３００が設けられている。酸化剤ガスメイン通路３００において上流から下流に向かうにつれてサブスタック１０１、サブスタック１０２、サブスタック１０３、サブスタック１０４とされており、上流側がサブスタック１０１とされていると共に、下流側がサブスタック１０４とされている。
【００８８】
更にサブスタック１０１、１０２、１０３、１０４の燃料通路２１を直列に繋ぐ燃料メイン通路２００が設けられている。燃料メイン通路２００において上流から下流に向かうにつれてサブスタック１０４、サブスタック１０３、サブスタック１０２、サブスタック１０１の順とされており、上流側がサブスタック１０４とされていると共に、下流側がサブスタック１０１とされている。
【００８９】
本実施例によれば、各サブスタック１０１〜１０４において、酸化剤ガスセパレータ３の細孔径は均質化されており、同程度とされている。各サブスタック１０１〜１０４において、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４における疎水性は、酸化剤ガスの下流から酸化剤ガスの上流に向かうにつれて相対的に強く設定されており、具体的には、下流領域のサブスタック１０３，１０４よりも、上流領域のサブスタック１０１，１０２で強くなるように設定されている。即ち、各サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３における疎水性は、最も上流側のサブスタック１０１で最も強く、酸化剤ガスメイン通路３００上流領域から酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域に向かうにつれて次第に弱くなるように設定されている。ここで、最も上流側のサブスタック１０１の酸化剤ガスセパレータ３の対向面３４における疎水性はＭ１とする。次に上流側のサブスタック１０２の酸化剤ガスセパレータ３の対向面３４における疎水性Ｍ２とする。ここで疎水性Ｍ１は疎水性Ｍ２よりも強く設定されている。
【００９０】
更に、最も下流側のサブスタック１０４の酸化剤ガスセパレータ３の対向面３４における細孔の親水性はＭ４とする。次に下流側のサブスタック１０３の酸化剤ガスセパレータ３の対向面３４における細孔の親水性はＭ３とする。親水性Ｍ４は親水性Ｍ３よりも強く設定されている。
【００９１】
換言によれば、酸化剤ガスセパレータ３の疎水性の強さについては、上流側のサブスタック１０１＞サブスタック１０２＞サブスタック１０３＞下流側のサブスタック１０４の関係に設定されている。これにより前述したように、各サブスタック１０１〜１０４について、酸化剤ガスセパレータ３のうち酸化剤ガス通路３１に対向する対向面３４は親水性とされており、θが０〜９０度未満とされるため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、各サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３の細孔径が同じであれば、疎水性が強ければ強いほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは大きくなり、親水性が強ければ強いほど、細孔の水蒸気分圧Ｐは小さくなる。従って酸化剤ガスセパレータ３の細孔の水蒸気分圧Ｐとしては、サブスタック１０１＞サブスタック１０２＞サブスタック１０３＞サブスタック１０４の関係とされている。
【００９２】
ここでサブスタック１０１〜１０４のうちサブスタック１０１、１０２は酸化剤ガスの流れの上流側であるため、サブスタック１０１、１０２の酸化剤ガス通路３１は乾燥しがちである。この点本実施例によれば、酸化剤ガスの流れの上流側であるサブスタック１０１、１０２の酸化剤ガスセパレータ３の対向面３４は疎水性に設定されているため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に高くできるため、乾燥しがちの上流領域における加湿速度を増加させることができる。特に、酸化剤ガスの流れの最も上流側であるサブスタック１０１について、酸化剤ガスセパレータ３の対向面３４の疎水性が最も強く設定されているため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に高くできるため、乾燥しがちの上流領域における加湿速度を増加させることができる。
【００９３】
また、サブスタック１０１〜１０４のうちサブスタック１０３、１０４は酸化剤ガスの流れの下流側であるため、サブスタック１０３、１０４の酸化剤ガス通路３１は余剰水が過剰になりがちである。この点本実施例によれば、酸化剤ガスの流れの上流側であるサブスタック１０３、１０４について、酸化剤ガスセパレータ３の対向面３４の親水性が相対的に強く設定されているため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に低めにできるため、水が余剰になりがちの下流領域における加湿速度を減少させることができ、酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域におけるフラッディング現象が防止するのに有利である。殊に、酸化剤ガスメイン通路３００のうち最も下流側のサブスタック１０４について、酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径が最も小さく設定されているため、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、細孔の水蒸気分圧を相対的に最も低めにでき、水が余剰になりがちの酸化剤ガスメイン通路３００の下流領域における加湿速度を減少させることができ、下流領域におけるフラッディング現象が防止するのに有利である。
【００９４】
本実施例によれば、サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３の細孔の細孔径はＤ５に設定されて均質化されている。従って各サブスタック１０１〜１０４の酸化剤ガスセパレータ３の製造は簡便であり、生産性を高くすることができ、コスト低廉化、量産化に貢献できる。
【００９５】
本実施例によれば、各サブスタック１０１〜１０４を互いに電気的に並列に接続しているため、第１実施例と同様に、サブスタック１０１〜１０４の劣化が進行を抑え、燃料電池の運転の信頼性を更に向上させることにしている。
【００９６】
（製造例）
上記した多孔質な酸化剤ガスセパレータ３は次のように形成できる。即ち、カーボン系材料（天然黒鉛、人造黒鉛等）とバインダ（熱硬化性樹脂、例えばフェノール樹脂）と消失可能な造孔材（セルロース系有機質材）とを混合した混合材料を用いる。この混合材料を成形型のキャビティ型面でプレス成形して成形体とし、その成形体を焼成温度（例えば５００〜６００℃）において焼成し、成形体の造孔材を消失させることにより、多数の細孔をもつ酸化剤ガスセパレータ３を形成することができる。サブスタック１０１〜１０４について酸化剤ガスセパレータ３の細孔径を酸化剤ガスメイン通路３００の上流領域から下流領域にかけて変化させるには、各サブスタック１０１〜サブスタック１０４毎に造孔材のサイズを変化させることにより行い得る。造孔材のサイズが大きいと、酸化剤ガスセパレータ３の細孔径が大きくなる。造孔材のサイズが小さいと、酸化剤ガスセパレータ３の細孔径が小さくなる。細孔径としては適宜選択でき、１〜１００μｍ、２〜３０μｍ、２〜１５μｍ、殊に３〜４μｍとすることができる。気孔率としては体積比で１０〜９０％、１５〜６０％、殊に２０〜４０％とすることができる。
【００９７】
上記した各実施例において、酸化剤ガスセパレータ３に疎水性を与えるにあたっては、酸化剤ガスセパレータ３に疎水性物質を付着させることにより行い得る。疎水性物質としては、フッ素原子、ＣＦ_２、ＣＦ_３基、ＣＨ_３基、ＣＨ_２基等を有するものが挙げられ、フッ素、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ等）、フッ化黒鉛、疎水性カーボン、シラン化合物、パラフィン等を例示できる。疎水処理を行う改質ガスとしては、フッ素ガス、あるいは、フッ素ガスと不活性ガス（窒素等）とを主要成分とするガスを用いることができる。酸化剤ガスセパレータ３に疎水性の強弱を付けるにあたっては、疎水性物質を付着させる疎水処理の時間の長短により行い得る。
【００９８】
また酸化剤ガスセパレータ３に親水性を付けるに当たっては、親水性物質を液状媒体（水、アルコール等）に溶解または分散させた溶液を用い、その溶液に酸化剤ガスセパレータ３の下流領域から浸漬させることにより行い得る。親水性の強弱を付けるには、酸化剤ガスセパレータ３のうち親水性を強くする部分の浸漬時間を長くし、酸化剤ガスセパレータ３のうち親水性を弱くする部分の浸漬時間を短くすることにより行い得る。親水性物質としては、過酸化水素水、二酸化珪素の粉末、酸化アルミニウムの粉末等を例示することができ、その表面に水酸基やカルボキシル基等の親水性の官能基を多量に含むものを例示することができる。更に、吸水性の樹脂である、デンプン・アクリル酸共重合体、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール等を用いることもできる。また、イオン交換樹脂、吸水性多糖類を親水性物質として例示できる。いずれもその構造内に、水酸基、カルボキシル基、アルデヒド基、アミノ基、スルホ基等の親水性の官能基のうちの少なくとも１種を有するものを例示することができる。
【００９９】
（その他）
上記した実施例によれば、主スタック１００は４個のサブスタック１０１〜１０４で形成されているが、主スタック１００を構成するサブスタックの数としてはこれに限らず、２個でも、３個でも、５個でも、６個でも、それ以上でも良く、要するに複数個であれば良い。上記した実施例によれば、冷却通路４００は各サブスタック１０１〜１０４において互いに独立するように並列関係で設けられているが、これに限らず、冷却通路４００は各サブスタック１０１〜１０４を直列に流れることにしても良い。
【０１００】
上記した実施例によれば、燃料セパレータ２は緻密体とされているが、これに限らず、細孔をもつ多孔質体とすることもでき、その細孔を水で封止してシールすることができる。第１触媒層１７及び第２触媒層１４は電解質膜１１の表裏に直接的に被覆されていても良い。上記した実施例によれば、酸化剤ガスは逆Ｕ字形状に流れるが、これに限らず、Ｕ字形状に流れても良いし、横Ｕ字形状に流れても良い。
【０１０１】
第３実施例において、サブスタック１０１の酸化剤ガスセパレータ３の細孔径は、サブスタック１０２の酸化剤ガスセパレータ３の細孔径よりも相対的に小さく設定することができる。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように第１発明に係る燃料電池発電システムによれば、複数個のサブスタックを直列に酸化剤ガスが流れるように、複数個のサブスタックを繋ぐ酸化剤ガスメイン通路が設けられている。そして酸化剤ガスセパレータにおける細孔の細孔径は、上流領域のサブスタックでは相対的に小さく設定され、下流領域のサブスタックでは相対的に大きく設定されている。このため酸化剤ガスセパレータが疎水性を有すれば、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、乾燥しがちの上流領域のサブスタックでは、酸化剤ガスセパレータが酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域のサブスタックでは、酸化剤ガスセパレータが酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。
【０１０３】
第２発明に係る燃料電池発電システムによれば、複数個のサブスタックの酸化剤ガス通路を直列に酸化剤ガスが流れるように、複数個のサブスタックを繋ぐ酸化剤ガスメイン通路が設けられている。そして酸化剤ガスセパレータにおける細孔の細孔径は、上流領域のサブスタックでは相対的に大きく設定され、下流領域のサブスタックでは相対的に小さくように設定されている。このため酸化剤ガスセパレータが親水性を有すれば、Ｋｅｌｖｉｎの式によれば、乾燥しがちの上流領域のサブスタックでは、酸化剤ガスセパレータが酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域のサブスタックでは、酸化剤ガスセパレータが酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。
【０１０４】
第３発明に係る燃料電池発電システムによれば、各サブスタックの酸化剤ガスセパレータのうち酸化剤ガス通路に対面する側は、上流領域のサブスタックでは下流領域のサブスタックよりも疎水性が相対的に強く設定されており、且つ、下流領域のサブスタックでは上流領域のサブスタックよりも疎水性が相対的に弱く設定されているか、あるいは、親水性に設定されている。このためＫｅｌｖｉｎの式によれば、乾燥しがちの上流領域のサブスタックでは、酸化剤ガスセパレータが酸化剤ガスを加湿する加湿速度を増加させることができると共に、フラッディング現象が生じるおそれがある下流領域のサブスタックでは、酸化剤ガスセパレータが酸化剤ガスを加湿する加湿速度を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係り、燃料電池発電システムのサブスタックの概念を模式的に示す断面図である。
【図２】並設したサブスタックに酸化剤ガスメイン通路及び燃料メイン通路を装備した状態の概念を模式的に示す斜視図である。
【図３】並設したサブスタックで形成した主スタックの概念を模式的に示す斜視図である。
【図４】第１実施例に係り、上流側のサブスタックの要部を模式的に示す断面図である。
【図５】第１実施例に係り、下流側のサブスタックの要部を模式的に示す断面図である。
【図６】酸化剤ガス通路をもつ酸化剤ガスセパレータの平面図である。
【図７】シール用の緻密体部分を有する酸化剤ガスセパレータの平面図である。
【図８】酸化剤ガスセパレータの断面における細孔構造をモデル化して示す断面図である。
【図９】酸化剤ガスセパレータの断面における細孔構造をモデル化して示す断面図である。
【図１０】第１実施例に係り、酸化剤ガスセパレータの細孔の細孔径とサブスタックとの関係を示すグラフである。
【図１１】第２実施例に係り、酸化剤ガスセパレータの細孔の細孔径とサブスタックとの関係を示すグラフである。
【図１２】第３実施例に係り、酸化剤ガスセパレータの疎水性及び親水性とサブスタックとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
図中、１はＭＥＡ、１１は電解質膜、１２は燃料極、１５は酸化剤極、２は燃料セパレータ、２１は燃料通路、３は酸化剤ガスセパレータ、３１は酸化剤ガス通路、４は通水板、４１は通水路、１００は主スタック、１０１はサブスタック、１０２はサブスタック、１０３はサブスタック、１０４はサブスタック、２００は燃料メイン通路、３００は酸化剤ガスメイン通路を示す。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system of a type equipped with a porous oxidant gas separator having pores.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, attention has been paid to fuel cell power generation systems in terms of environmental protection, energy, and the like. Generally, a fuel cell power generation system generates power based on an oxidant and a fuel. The cell of the fuel cell power generation system has an electrolyte membrane having ion conductivity, a fuel electrode provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane, and an oxidizer electrode provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane, The fuel cell system includes a fuel separator forming a fuel passage for supplying fuel to the fuel electrode, and an oxidizing gas separator forming an oxidizing gas passage for supplying oxidizing gas to the oxidizing electrode. The MEA is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode. The fuel cell power generation system is formed by stacking cells in which the above MEA is sandwiched between a fuel separator and an oxidizing gas separator. Generally, the oxidant gas separator and the fuel separator are formed of a dense body so that gas leakage does not occur.
[0003]
According to the above-described fuel cell power generation system, when the electrolyte membrane having ion conductivity is excessively dried, the ion conductivity of the electrolyte membrane decreases. Therefore, it is necessary to suppress excessive drying of the electrolyte membrane. According to the above-described conventional fuel cell power generation system, oxidizing gas and fuel supplied to the fuel cell power generation system are humidified.
[0004]
In recent years, a fuel cell power generation system in which an oxidizing gas separator and a fuel separator are formed of a porous body having pores has also been developed. According to this, water as a liquid phase can be permeated into the pores and supplied to the MEA, and water can be permeated into the pores of the oxidizing gas separator and the fuel separator to seal the pores.
[0005]
As a fuel cell power generation system having a porous body having pores as described above, Patent Document 1 discloses that a fuel separator is formed of a porous body, an oxidizing gas separator is formed of a porous body, It discloses that a water passage is formed on the back side of the separator and a water passage is formed on the back side of the oxidant gas separator. According to this, the water in each water passage can be supplied to the MEA side through the pores of the porous fuel separator and the pores of the oxidant gas separator, thereby suppressing excessive drying of the electrolyte membrane. it can.
[0006]
Further, Patent Document 2 discloses that a fuel separator having a hydrophilic property is formed by a conductive porous body having a large number of pores, and a water-repellent material is provided on the back side of the fuel separator at a position facing away from the MEA. There is disclosed a fuel cell power generation system in which a humidified water permeable body formed of a conductive porous body is arranged. According to this, water as a liquid phase retained in the humidified water permeable body moves to the MEA side through the pores of the fuel separator formed of the conductive porous body, and suppresses excessive drying of the electrolyte. . According to this, since the fuel separator has hydrophilicity, water as a liquid phase permeates into the pores of the fuel separator, and the pores can be sealed.
[0007]
Further, Patent Documents 3 and 4 disclose a fuel cell in which an anode-side fuel separator is formed of a porous body.
[0008]
[Patent Document 1] JP-A-6-338338
[Patent Document 2] Japanese Patent No. 2922132 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-250130)
[Patent Document 3] US Patent Publication 5,853,909
[Patent Document 4] US Patent Publication 5,700,595
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
According to the above-described fuel cell power generation system, in the downstream region of the flow of the oxidizing gas (generally, oxygen-containing air), water generated based on the power generation reaction accumulates. Is unlikely to occur. However, in the upstream region of the flow of the oxidizing gas, water generated based on the power generation reaction is unlikely to accumulate. Therefore, even though water is supplied to the electrolyte membrane through the pores of the porous material, the oxidizing gas is not supplied. In the upstream region of the flow of the electrolyte, a problem that the electrolyte membrane dries may occur depending on the operating conditions. On the other hand, in a downstream region of the flow of the oxidizing gas, the generated water may stay excessively, and a flooding phenomenon may occur. The flooding phenomenon means that the supply of the oxidizing gas and the fuel to the MEA is restricted because the water closes the flow path of the oxidizing gas and the fuel.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can effectively contribute to suppressing the problem of drying of the electrolyte membrane in the upstream region of the flow of the oxidizing gas. An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that can contribute to suppressing a flooding phenomenon in a downstream region of a fuel cell.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
(1) The inventor has been keenly developing a fuel cell power generation system incorporating a porous oxidizing gas separator having pores. The inventor of the present invention has found Kelvin's equation relating to the water vapor partial pressure of the pores, and by adjusting the factors in the Kelvin's equation, the water vapor partial pressure in the pores of the oxidant gas separator in the upstream region and the downstream region where the oxidant gas flows. The pressure can be adjusted, whereby the partial pressure of water vapor in the pores on the side of the oxidizing gas separator facing the oxidizing gas passage can be set so that the upstream region is relatively larger than the downstream region. Further, the inventors have found that the humidification rate in the upstream area can be relatively increased, and the humidification rate in the downstream area can be relatively reduced, so that drying in the upstream area and flooding in the downstream area can be suppressed.
[0012]
(Equation 1)

[0013]
Kelvin's equation shown in Equation 1 indicates the partial pressure of water vapor in the pores. Here, P is the equilibrium vapor pressure of the liquid in the pores, Po is the saturated vapor pressure of the liquid at that temperature, σ is the surface tension of the liquid, M is the molecular molar mass of the liquid, θ is the contact angle of the liquid , Ρ is the density of the liquid, R is the gas constant, and T is the absolute temperature. In general, θ is 0 to 90 degrees or less for the hydrophilicity, and θ is more than 90 degrees to 180 degrees for the hydrophobicity.
[0014]
Furthermore, according to Kelvin's equation, if the inner wall surface of the pore is hydrophobic, θ is more than 90 degrees to 180 degrees, so that cos θ is a negative value (cos θ <0), and P is larger than Po. (P> Po). According to Kelvin's equation, when the inner wall surface of the pore is hydrophobic, the smaller the pore diameter r, the larger the water vapor partial pressure P of the pore. Thereby, regarding the pore diameter of the pores on the side of the oxidant gas separator facing the oxidant gas passage, the pore diameter in the upstream region is set relatively small, and the pore diameter in the downstream region is set relatively large. For example, it is possible to increase the humidification rate for humidifying the oxidant gas in the upstream area that tends to dry, and to reduce the humidification rate for humidifying the oxidant gas in the downstream area where the flooding phenomenon may occur. I learned. According to this finding, if the pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator is set to be relatively larger in the downstream region than in the upstream region of the oxidizing gas passage, the partial pressure of water vapor in the upstream region is relatively reduced. And the water vapor partial pressure can be relatively reduced in the downstream area of the oxidizing gas main passage, and thus the humidification rate in the upstream area can be relatively increased and the humidification rate in the downstream area can be relatively reduced. It was found that excessive drying in the upstream region and flooding in the downstream region could be suppressed. Based on this knowledge, the fuel cell power generation system according to the first invention was developed.
[0015]
Further, according to the Kelvin's formula, if the inner wall surface of the pore is hydrophilic, θ is set to 0 to 90 ° or less, so that cos θ is a positive value (cos θ ≧ 0), and P is larger than Po. (P <Po). According to Kelvin's formula, the larger the pore diameter r, the larger the water vapor partial pressure P of the pores. Thereby, regarding the pore diameter of the pores on the side facing the oxidant gas passage of the oxidant gas separator having hydrophilicity, the pore diameter in the upstream region is set to be relatively large, and the pore diameter in the downstream region is relatively set. It has been found that by setting a small value, it is possible to increase the humidification rate in the upstream area that tends to dry and to decrease the humidification rate in the downstream area where the flooding phenomenon may occur. A battery power generation system was developed.
[0016]
According to Kelvin's equation, if the hydrophobicity is strong, θ is over 90 degrees to 180 degrees, so that cos θ is a negative value (cos θ <0), and the water vapor partial pressure P in the equilibrium state is the temperature. (P> Po). According to Kelvin's formula, as the hydrophobicity increases, the absolute value of cos θ increases, and the water vapor partial pressure P of the pores increases. Further, the stronger the hydrophilicity, the smaller the absolute value of cos θ and the smaller the water vapor partial pressure P of the pores. Thus, the oxidant gas separator of the sub-stack located in the upstream region of the oxidant gas flow is set to be relatively strongly hydrophobic, and the oxidant gas separator of the sub-stack located in the downstream region of the oxidant gas flow is set. If relatively weak hydrophobicity or hydrophilicity is set, the partial pressure of water vapor in the upstream region, which tends to dry, can be relatively increased to increase the humidification rate in the upstream region, and a flooding phenomenon may occur. The present inventor has found that the partial pressure of water vapor in a certain downstream region can be relatively reduced to reduce the humidification rate in the downstream region, and the fixed polymer fuel cell according to the third invention has been developed.
[0017]
(2) The fuel cell power generation system according to the first invention is provided with an electrolyte membrane having ion conductivity, a fuel electrode provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane, and a fuel electrode provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane. An oxidant electrode, a fuel separator forming a fuel passage for supplying fuel to the fuel electrode, an oxidant gas separator forming an oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, and an oxidant gas separator. Of which, there is a sub-stack in which a plurality of cells having a water passage and a water passage at a position opposite to the oxidizing gas passage are assembled,
A fuel cell power generation system including a main stack in which a plurality of sub-stacks are arranged side by side,
The oxidant gas separator of each sub-stack has porosity with many pores,
An oxidizing gas main passage communicating with the oxidizing gas passage is provided while connecting the adjacent sub-stacks so that the oxidizing gas flows in series,
When the upstream of the oxidizing gas main passage is defined as an upstream region and the downstream of the oxidizing gas main passage is defined as a downstream region,
The pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator of each sub-stack is
The sub-stack located in the upstream area is set relatively small, and the sub-stack located in the downstream area is set relatively large.
[0018]
According to the fuel cell power generation system of the first aspect, the oxidizing gas main passage connecting the plurality of sub-stacks in series is provided so that the oxidizing gas flows in series through the plurality of sub-stacks. The pore diameter of the pores in the oxidant gas separator is set to be relatively small in the sub-stack in the upstream region and to be relatively large in the sub-stack in the downstream region. For this reason, if the oxidizing gas separator has hydrophobicity, according to Kelvin's formula, the partial pressure of water vapor in the pores of the upstream region that tends to dry is relatively increased, and the oxidizing gas in the upstream region is humidified. The humidification rate for humidifying the oxidizing gas in the downstream area can be reduced by relatively reducing the partial pressure of water vapor in the downstream area where the flooding phenomenon may occur.
[0019]
(3) The fuel cell power generation system according to the second invention is provided with an electrolyte membrane having ion conductivity, a fuel electrode provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane, and a fuel electrode provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane. An oxidant electrode, a fuel separator forming a fuel passage for supplying fuel to the fuel electrode, an oxidant gas separator forming an oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, and an oxidant gas separator. Of which, a sub-stack in which a plurality of cells having a water passage and a water passage at a position opposite to the oxidizing gas passage are assembled,
A fuel cell power generation system including a main stack in which a plurality of sub-stacks are arranged side by side,
The oxidant gas separator of each sub-stack has porosity with a large number of pores,
An oxidizing gas main passage communicating with the oxidizing gas passage is provided while connecting the adjacent sub-stacks so that the oxidizing gas flows in series,
When the upstream of the oxidizing gas main passage is defined as an upstream region and the downstream of the oxidizing gas main passage is defined as a downstream region,
The pore diameter of the pores in the oxidant gas separator of each sub-stack is
The sub-stack located in the upstream area is set relatively large, and the sub-stack located in the downstream area is set relatively small.
[0020]
According to the fuel cell power generation system of the second invention, the oxidizing gas main passage connecting the plurality of sub-stacks in series is provided so that the oxidizing gas flows in the plurality of sub-stacks in series. The pore diameter of the pores in the oxidant gas separator is set to be relatively large in the upstream region and relatively small in the downstream region. For this reason, if the oxidizing gas separator has hydrophilicity, according to the above-mentioned Kelvin's formula, the water vapor partial pressure of the pores in the upstream region that tends to dry is relatively increased, and the oxidizing gas in the upstream region is increased. The humidification rate for humidifying the oxidant gas in the downstream area can be reduced by relatively reducing the water vapor partial pressure in the pores in the downstream area where the flooding phenomenon may occur, as well as increasing the humidification rate for humidifying the oxidizing gas. Can be done.
[0021]
(4) The fuel cell power generation system according to the third invention is provided with an electrolyte membrane having ion conductivity, a fuel electrode provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane, and a fuel electrode provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane. An oxidant electrode, a fuel separator forming a fuel passage for supplying fuel to the fuel electrode, an oxidant gas separator forming an oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, and an oxidant gas separator. Of which, a sub-stack in which a plurality of cells having a water passage and a water passage at a position opposite to the oxidizing gas passage are assembled,
A fuel cell power generation system including a main stack in which a plurality of sub-stacks are arranged side by side,
The oxidizing gas separator of each sub-stack has porosity having a large number of pores, and connects adjacent sub-stacks so that the oxidizing gas flows in series and communicates with the oxidizing gas passage. Oxidizing gas main passage is provided,
When the upstream of the oxidizing gas main passage is defined as an upstream region and the downstream of the oxidizing gas main passage is defined as a downstream region,
On the side facing the oxidizing gas passage of the oxidizing gas separator of each sub-stack, in the sub-stack located in the upstream region, the hydrophobicity is set relatively stronger than the sub-stack located in the downstream region,
The sub-stack located in the downstream region is characterized in that the hydrophobicity is set relatively weaker or hydrophilic than the sub-stack located in the upstream region.
[0022]
According to the fuel cell power generation system of the third aspect, the side facing the oxidizing gas passage of the oxidizing gas separator of each sub-stack is set to have a relatively higher hydrophobicity in the upstream region than in the downstream region. In addition, the downstream region is set to be relatively less hydrophobic than the upstream region, or is set to be hydrophilic. For this reason, according to the above-mentioned Kelvin's equation, it is possible to increase the humidification rate for humidifying the oxidizing gas by relatively increasing the water vapor partial pressure of the pores in the upstream region that tends to dry, and to reduce the flooding phenomenon. It is possible to relatively reduce the partial pressure of water vapor in the pores located in the downstream region where the oxidizing gas may be generated, thereby reducing the humidification rate for humidifying the oxidizing gas.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the fuel cell power generation systems according to the first to third inventions, at least one of the following modes can be adopted.
[0024]
-Preferably, with respect to the oxidant gas separator in each sub-stack, the form in which the pore diameter of the pores is homogenized in each of the one sub-stack can be adopted. In this case, it is preferable that physical quantities related to the pores such as the pore diameter, the pore diameter distribution, and the porosity are homogenized in one sub-stack. If the physical quantities related to the pores of the oxidant gas separator in each of the sub-stacks are homogenized in this way, it becomes easy to form the oxidant gas separator, and the oxidant gas separator is formed while reducing the cost. It is advantageous to do so.
[0025]
“The physical quantity relating to the pores is homogenized” means that the physical quantity relating to the pores is set within ± 30% of the target value of the physical quantity in each of the oxidizing gas separators of one sub-stack. That means. If the physical quantity is, for example, the pore diameter, the pore diameter of the oxidizing gas separator in one sub-stack is within ± 30% of the target value of the pore diameter of the oxidizing gas separator in one sub-stack (preferably ± min. 25%, more preferably ± 20%).
[0026]
The oxidizing gas main passage through which the oxidizing gas flows connects adjacent sub-stacks in series. The oxidizing gas main passage may connect adjacent sub-stacks in series. Here, a plurality of oxidizing gas passages provided in one sub-stack may be connected in parallel. Alternatively, a plurality of oxidizing gas passages provided in one sub-stack may be connected in series.
[0027]
-Preferably, the form in which each sub stack is electrically connected to each other in parallel can be adopted. In the upstream region of the oxidizing gas main passage, the oxidizing agent consumption by the power generation reaction has not progressed much, so that the oxidizing agent concentration of the oxidizing gas is higher than that in the downstream region. In the downstream region of the oxidizing gas main passage, the oxidizing agent is consumed by the power generation reaction, so that the oxidizing agent concentration of the oxidizing gas is lower than that in the upstream region.
[0028]
As described above, since the concentration of the oxidizing agent is different between the upstream region and the downstream region, the power generation condition in the upstream region of the oxidizing gas main passage is not the same as the power generation condition in the downstream region of the oxidizing gas main passage. The amount of generated current is not uniform in the flow direction of the gas main passage. In this case, the power generation conditions for the sub-stack in the downstream region where the oxidant concentration is low are severe. For this reason, if the sub-stacks are electrically connected in series and the amount of generated current of each sub-stack is not the same, the load on the sub-stack in the downstream area increases, and the deterioration of the sub-stack in the downstream area decreases in the downstream area. There is a risk of progressing more than the sub stack. Therefore, the sub-stacks are electrically connected in parallel with each other, so that the progress of the deterioration of the sub-stacks in the downstream region is suppressed as much as possible, and the reliability of the operation of the fuel cell is further improved. When the deterioration does not hinder, etc., in some cases, the sub-stacks may be electrically connected to each other in series in consideration of use conditions.
[0029]
If the pressure of the oxidizing gas passage of the sub-stack in the downstream region is Pa ′, and the pressure of the water passage portion facing the portion in the sub-stack is Pw ′, Pa ′ is set to be larger than Pw ′. (Pa ′> Pw ′). In this case, since Pa ′> Pw ′, surplus water staying in the downstream region can be returned to the water passage of the sub-stack through the pores of the oxidizing gas separator, and the flooding phenomenon in the downstream region can be reduced. It is advantageous for suppression.
[0030]
-As described above, the oxidizing gas separator has pores. According to the first invention, the pore diameter of the pores in the oxidant gas separator is set to be relatively small in the sub-stack in the upstream region and relatively large in the sub-stack in the downstream region. According to the second invention, the pore diameter of the pores in the oxidant gas separator is set to be relatively large in the sub-stack in the upstream region and to be relatively small in the sub-stack in the downstream region. . In the third invention, the pore diameter of the oxidant gas separator of each sub-stack is preferably uniform, and the pore diameter of the oxidant gas separator in the main stack can be made approximately the same. The pore diameter of the oxidant gas separator can be appropriately selected, and examples thereof include 1 to 200 μm, 1 to 100 μm, particularly 2 to 30 μm, 2 to 15 μm, and further 3 to 4 μm. In consideration of these ranges, it is possible to set the size relationship of the pore diameters of the oxidant gas separator of the sub-stack.
[0031]
The porosity of the oxidizing gas separator can be appropriately selected, but can be 10 to 90%, 15 to 60%, particularly 20 to 40% by volume. However, the pore diameter and the porosity are not limited to the above ranges. The fuel cell power generation system is not limited to a vehicle-mounted system, a stationary system, a portable system, a home system, a business system, and the like.
[0032]
According to the fuel cells of the first to third inventions, at least the opposing surface of the oxidizing gas separator of each sub-stack that faces the water passage can have a hydrophilic property. . The water of the water passage of the sub-stack can penetrate into the opposing surface, the pores in the opposing surface can be sealed and sealed with water, and the oxidizing gas can pass through the oxidizing gas separator of the sub-stack. Leakage to the water channel.
[0033]
According to the fuel cell of the first invention, of the plurality of sub-stacks, the sub-stack at least upstream of the middle point of the flow of the oxidant gas main passage is the oxidizing agent assembled to the sub-stack. It is preferable that the surface of the gas separator facing the oxidizing gas passage has hydrophobicity. If the pores of the oxidant gas separator have hydrophobicity, water is more likely to be present as water vapor in the pores than in the liquid phase, which is more advantageous for humidification of the pores with water vapor. Here, with respect to all the sub-stacks, a form in which the opposing surface of the oxidizing gas separator that is assembled to the sub-stack faces the oxidizing gas passage has hydrophobicity. If the oxidant gas separator is made of a carbon material as a base material, it generally has hydrophobicity.
[0034]
-According to the fuel cell of the second invention, it is preferable that, of the oxidizing gas separators assembled in the plurality of sub-stacks, a surface facing the oxidizing gas passage has hydrophilicity.
[0035]
【Example】
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3 schematically show conceptual diagrams of a fuel cell power generation system according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the MEA 1 of the fuel cell power generation system according to the present embodiment includes a solid polymer electrolyte membrane 11 having proton conductivity, and is provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane 11 and is also called an anode. It has a fuel electrode 12 and an oxidant electrode 15 provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane 11 and also called a cathode.
[0036]
Further, as shown in FIG. 1, the cells of the fuel cell power generation system have guide protrusions which are arranged outside the fuel electrode 12 of the MEA 1 and form a groove-shaped fuel passage 21 for supplying gaseous fuel to the fuel electrode 12. A fuel separator 2 having a function as a fuel distribution plate 27 and a groove-shaped oxidant gas passage disposed outside the oxidant electrode 15 of the MEA 1 and supplying an oxidant gas (generally air) to the oxidant electrode 15 An oxidant gas separator 3 having a guide convex portion 37 forming the oxidant gas distribution plate 31 and functioning as an oxidant gas distribution plate, and a water passage forming a water passage 41 at a position of the oxidant gas separator 3 opposite to the oxidant electrode 15. And a plate 4. By stacking a plurality of cells in the thickness direction in this way and assembling them, sub-stacks 101 to 104 described later are formed.
[0037]
In FIG. 1, an oxidizer electrode 15 is composed of a porous and conductive carbon-based first gas diffusion layer 16 and a porous and conductive first catalyst layer 17 mainly composed of a catalyst. Have. The fuel electrode 12 has a porous and conductive carbon-based second gas diffusion layer 13 and a porous and conductive second catalyst layer 14 mainly composed of a catalyst. Examples of the catalyst include at least one of platinum, palladium, ruthenium, rhodium, gold, silver and the like.
[0038]
The fuel separator 2 is also called a fuel distribution plate, is made of a conductive material (carbon-based material), and is a dense body impregnated with a sealing resin. Therefore, fuel leak from the fuel passage 21 is suppressed.
[0039]
The oxidizing gas separator 3 is also called an air distribution plate, and is formed of a porous body having a large number of pores which can be communication holes communicating in the thickness direction thereof, and has porosity and conductivity. Generally, a carbon-based material is used as a base material. The oxidizing gas separator 3 has a humidifying function using steam.
[0040]
In the fuel cell power generation system according to the present embodiment, water is positively applied to the oxidizing gas in the oxidizing gas passage 31 by utilizing the pores of the porous oxidizing gas separator 3.
[0041]
The oxidizing gas separator 3 forms a groove-shaped oxidizing gas passage 31 and is formed using a conductive material (such as a carbon material) as a base material and communicates in the thickness direction of the oxidizing gas separator 3. It has a large number of pores that serve as communication holes. The facing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 that faces the oxidizing gas passage 31 is hydrophobic. The opposing surface 30 of the oxidant gas separator 3 that faces the water passage 41 is hydrophilic.
[0042]
FIG. 6 shows the oxidizing gas separator 3. As shown in FIG. 6, the oxidizing gas separator 3 is formed with a concave oxidizing gas passage 31 through which the oxidizing gas flows, together with the guide projection 37. An oxidizing gas inlet 35 and an oxidizing gas outlet 36 are formed adjacent to one side 3 a of the oxidizing gas separator 3. The oxidizing gas passage 31 is partitioned by a partition wall 38 extending in a vertical direction. An intermediate port 39 is formed in the other side 3b of the oxidant gas separator 3 opposite to the side 3a. In FIG. 6, the oxidizing gas flows from the oxidizing gas inlet 35 into the oxidizing gas passage 31, reaches the oxidizing gas outlet 36 via the intermediate port 39, and flows in the direction of arrow K1.
[0043]
As shown in FIGS. 6 and 7, the oxidizing gas introduced from the oxidizing gas inlet 35 in the oxidizing gas separator 3 flows in one direction until reaching the intermediate port 39, and from the intermediate port 39 to the oxidizing gas outlet Up to 36 flows in the opposite direction. That is, in the oxidizing gas separator 3, the oxidizing gas flows in an inverted U-shape.
[0044]
As shown in FIGS. 6 and 7, a fuel inlet 25 and a water discharge port 44 are formed adjacent to an adjacent side 3 c of the oxidizing gas separator 3 adjacent to the side 3 a. A fuel outlet 26 and a water supply port 43 are formed adjacent to an adjacent side 3d of the oxidizing gas separator 3 adjacent to the other side 3b. As shown in FIG. 6, the passage width of the oxidizing gas passage 31 is partitioned by a partition wall 38 into an upstream passage width L1 and a downstream passage width L2, and L1> L2 (see FIG. 6). ), It is possible to contribute to increase the flow rate of the oxidizing gas flowing on the downstream side, and it can be expected that surplus water is easily discharged to the oxidizing gas outlet 36.
[0045]
Here, since the oxidizing gas separator 3 is porous and has pores, gaseous fuel flowing through the fuel inlet 25 and the fuel outlet 26 may enter the oxidizing gas passage 31 through the pores. . Therefore, according to the present embodiment, as shown in FIG. 7, the dense body portion 3r (the area shown by hatching in FIG. 7) is provided near the fuel inlet 25 and the fuel outlet 26 in the oxidizing gas separator 3. The above-mentioned mixing of the fuel is suppressed by the dense body portion 3r. The dense portion 3r can be formed by impregnating a resin, sealing the pores in the portion 3r, and improving the gas sealing property. If necessary, the partition wall 38 can be impregnated with a resin to seal the pores of the partition wall 38 to form a dense body.
[0046]
Now, the configuration of the main part of this embodiment will be described. As shown in FIGS. 2 and 3, the main stack 100 according to the present embodiment is formed by arranging a plurality of (for example, four) substacks 101, 102, 103, and 104 in parallel. Each of the sub-stacks 101, 102, 103, and 104 is formed by laminating a plurality of MEAs 1 shown in FIG. 1 together with the oxidizing gas separator 3 and the fuel separator 2 in the thickness direction.
[0047]
According to the present embodiment, as shown in FIG. 2, the oxidizing gas main passage 300 that connects the oxidizing gas passages 31 of the substacks 101, 102, 103, and 104 in series is provided. When the upstream of the oxidizing gas main passage 300 is defined as an upstream region and the downstream of the oxidizing gas main passage 300 is defined as a downstream region, the inlet of the upstream region of the oxidizing gas main passage 300 is connected to the outlet of the downstream region. The sub-stack 101, the sub-stack 102, the sub-stack 103, and the sub-stack 104 are arranged in series in this order toward 300c. Therefore, the most upstream side of the flow of the oxidizing gas is the sub-stack 101. The sub-stack 104 is the most downstream side of the flow of the oxidizing gas.
[0048]
The oxidizing gas main passage 300 may connect the adjacent sub-stacks 101 to 104 in series. Here, the plurality of oxidizing gas passages 31, which are constituent elements of each cell provided in one sub-stack, are connected in parallel. However, the present invention is not limited thereto. The plurality of oxidizing gas passages 31 provided in the stack may be connected in series.
[0049]
Further, as shown in FIG. 2, a fuel main passage 200 connecting the sub-stacks 101, 102, 103, 104 in series is provided so as to communicate with the fuel passage 21. According to the present embodiment, in the fuel main passage 200, the fuel flows in series in the order of the sub-stack 104, the sub-stack 103, the sub-stack 102, and the sub-stack 101, contrary to the oxidizing gas. Accordingly, the upstream side of the fuel is the sub-stack 104, and the downstream side is the sub-stack 101.
[0050]
As described above, by flowing the fuel in the reverse direction of the oxidizing gas in the order of the sub-stack 104, the sub-stack 103, the sub-stack 102, and the sub-stack 101, the downstream side of the oxidizing gas and the upstream side of the fuel are mutually separated. The frequency of turning back increases, and the following advantages are obtained. That is, water vapor increases due to the generated water and the moisture content is higher in the downstream of the oxidizing gas than in the upstream thereof. Therefore, if the downstream side of the oxidizing gas and the upstream side of the fuel are located at the opposite positions, a large amount of moisture on the downstream side of the oxidizing gas can be permeated and supplied to the upstream side of the fuel side. The water vapor balance can be obtained in a proper manner.
[0051]
According to the present embodiment, the fuel is caused to flow in the opposite direction to the oxidizing gas. However, the present invention is not limited to this, and the fuel is flowed in the same manner as the flow of the oxidizing gas. The sub-stack 103 and the sub-stack 104 may flow in series in this order, or the sub-stacks 101 to 104 may flow in parallel to each other.
[0052]
When operating the fuel cell power generation system, an oxidizing gas (generally gaseous air) is supplied to the inlet 300 a of the oxidizing gas main passage 300, and the oxidizing gas is supplied to each of the sub-stacks 101. The oxidizing gas passages 31 → the respective oxidizing gas passages 31 of the sub-stack 102 → the respective oxidizing gas passages 31 of the sub-stack 103 → the respective oxidizing gas passages 31 of the sub-stack 104, and the outlet 300c. The oxidizing gas that has flowed into each of the sub-stacks 101 to 104 as described above flows from the oxidizing gas passage 31 toward the first gas diffusion layer 16 and the first catalyst layer 17 of the oxidizing electrode 15 in the direction of arrow E1 (see FIG. 1). ).
[0053]
Further, in FIG. 2, gaseous fuel (hydrogen-containing gas such as pure hydrogen gas or reformed gas) is supplied to the inlet 200a of the fuel main passage 200, and the fuel passage 21 of the sub-stack 104 → the sub-stack 103 , The fuel passages 21 of the sub-stack 102 → the fuel passages 21 of the sub-stack 101 → the outlets 200c.
[0054]
Further, a cooling passage 400 (partially omitted in FIG. 2) for cooling each of the sub-stacks 101 to 104 is provided. The cooling passage 400 has a water supply port 400a to which water is supplied and a discharge port 400c to discharge water, and communicates with the water passage 41 of each of the sub-stacks 101 to 104 to supply water thereto. Similarly to the flow of the oxidizing gas, the water in the cooling passage 400 is supplied to each water passage 41 of the sub-stack 101, each water passage 41 of the sub-stack 102, each water passage 41 of the sub-stack 103, and each water passage of the sub-stack 104. It flows in series in the order of 41. However, the cooling passage 400 may flow in the opposite direction to the sub-stacks 101 to 104 depending on circumstances, or may flow water in parallel to the sub-stacks 101 to 104.
[0055]
In FIG. 1, the fuel supplied to each of the sub-stacks 101 to 104 flows from the fuel passage 21 toward the second gas diffusion layer 13 and the second catalyst layer 14 of the fuel electrode 12 in the direction of arrow E2. Then, by the catalytic action of the second catalyst layer 14, protons (hydrogen ions) and electrons (e) are converted from hydrogen contained in the fuel. ⁻ ) Is generated. The generated protons pass through the electrolyte membrane 11 in the thickness direction and reach the oxidant electrode 15. The electrons flow through the conductive path, perform electric work under the load of the conductive path, and then reach the oxidant electrode 15. In the oxidant electrode 15, the catalytic action of the first catalyst layer 17 of the oxidant electrode 15 causes the oxidant gas (generally air) supplied to the oxidant electrode 15 to react with protons and electrons to form water. Generated. Although heat is generated by such a power generation reaction, the water in the water passage 41 cools the fuel cell power generation system.
[0056]
Water is generated in the MEA 1 based on the above-described power generation reaction, and the generated water is relatively larger in the downstream region than in the upstream region of the oxidizing gas because the generated water is transferred to the downstream region. It becomes a tendency. In the MEA 1 described above, the humidity is lower in the upstream region than in the downstream region, and there is a possibility that drying occurs. In the downstream region, surplus water may accumulate. The oxidizing gas supplied to the oxidizing gas series passage 300 of the fuel cell power generation system may be unhumidified gas or humidified gas. Similarly, the fuel supplied to the fuel series passage 200 of the fuel cell power generation system may be unhumidified or may be humidified.
[0057]
According to the present embodiment, as described above, for each of the sub-stacks 101 to 104 constituting the main stack 100, as can be understood from FIG. The downstream region of the oxidizing gas main passage 300 is set to be larger than the upstream region of the gas main passage 300. That is, the pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator 3 of each of the sub-stacks 101 to 104 gradually increases from the upstream region of the oxidizing gas main passage 300 to the downstream region of the oxidizing gas main passage 300. Is set to Here, the pore diameter (target value) of the pores in the oxidizing gas separator 3 of the upstream sub-stack 101 is D1. Next, the pore diameter (target value) of the pores in the oxidizing gas separator 3 of the upstream sub-stack 102 is set to D2. The pore diameter (target value) of the pores in the oxidant gas separator 3 of the most downstream sub-stack 104 is D4. Next, the pore diameter (target value) of the pores in the oxidizing gas separator 3 of the sub stack 103 on the upstream side of the sub stack 104 is set to D3.
[0058]
The horizontal axis in FIG. 10 indicates the sub-stacks 101 to 104. The vertical axis in FIG. 10 indicates the pore diameter (target value) of the pores of the oxidizing gas separator 3 of each of the sub-stacks 101 to 104. According to the present embodiment, as shown in FIG. 10, the pore diameters (target values) of the oxidizing gas separators 3 of the sub-stacks 10 to 104 are set in a relationship of D1 <D2 <D3 <D4.
[0059]
That is, as shown in FIG. 10, in the oxidizing gas separator 3, the pore diameter in the upstream region of the oxidizing gas main passage 300 is set to be relatively small, and the pore size in the downstream region of the oxidizing gas main passage 300 is reduced. The pore diameter is set relatively large. Thereby, as described above, for each of the sub-stacks 101 to 104, the inner wall surfaces of the pores of the opposing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 facing the oxidizing gas passage 31 are hydrophobic, and θ exceeds 90 degrees. Therefore, according to the Kelvin equation described above, cos θ is a negative value (cos θ <0), and the water vapor partial pressure P of the pores is larger than the saturated vapor pressure Po at that temperature (P > Po). As described above, the opposing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 for each of the sub-stacks 101 to 104 is set to be hydrophobic. Therefore, according to Kelvin's formula, the smaller the pore diameter r, the smaller the pore size. Is relatively large. Therefore, the relationship of the sub-stack 101> the sub-stack 102> the sub-stack 103> the sub-stack 104 is set as the water vapor partial pressure P of the pores of the oxidizing gas separator 3. In other words, as the water vapor partial pressure P of the pores of the oxidizing gas separator 3, the sub-stacks 101 and 102 on the upstream side of the oxidizing gas main passage 300 are the sub-stacks 103 on the downstream side of the oxidizing gas main passage 300. , 104.
[0060]
Here, among the sub-stacks 101 to 104, since the sub-stacks 101 and 102 are on the upstream side of the flow of the oxidizing gas, the oxidizing gas passage 31 of the sub-stacks 101 and 102 tends to dry. In particular, the oxidizing gas passage 31 of the most upstream sub-stack 101 tends to dry. In this respect, according to the present embodiment, as can be understood from FIG. 10, the pore diameter of the pores of the oxidant gas separator 3 is relatively small for the sub-stacks 101 and 102 on the upstream side of the flow of the oxidant gas. Since it is set, as described above, according to the above-described Kelvin's formula, the water vapor partial pressure of the pores can be relatively increased, so that the humidification rate in the upstream region that tends to dry can be increased. In particular, regarding the sub-stack 101, which is the most upstream side of the flow of the oxidizing gas, the pore diameter of the pores of the oxidizing gas separator 3 is set to be the smallest. Since the pressure can be made relatively highest, the humidification rate in the upstream region that tends to dry can be increased.
[0061]
Further, among the sub-stacks 101 to 104, since the sub-stacks 103 and 104 are on the downstream side of the flow of the oxidizing gas, the oxidizing gas passage 31 of the sub-stacks 103 and 104 tends to have excess water. In particular, water tends to be excessive in the oxidizing gas passage 31 of the sub-stack 104 on the most downstream side. In this regard, according to the present embodiment, the pore diameters of the pores of the oxidant gas separator 3 are set relatively large for the sub-stacks 103 and 104 on the downstream side of the flow of the oxidant gas. As described above, according to the Kelvin's equation, since the water vapor partial pressure of the pores can be relatively reduced, it is possible to reduce the humidification rate in the downstream region of the oxidizing gas passage mark passage 300 where water tends to be excessive. This is advantageous for preventing a flooding phenomenon in a downstream region of the oxidizing gas main passage 300. In particular, since the pore diameter of the pores of the oxidizing gas separator 3 is set to be the largest for the sub-stack 104 on the most downstream side, the partial pressure of water vapor in the pores is relatively most reduced according to Kelvin's equation. Since it can be made lower, the humidification rate in the downstream area where water tends to be excessive can be reduced, which is advantageous in preventing the flooding phenomenon in the downstream area.
[0062]
As described above, the pore diameter of the pores of the oxidant gas separator 3 changes from small to large from the upstream flow area to the downstream area of the oxidant gas main passage 300. Here, it is conceivable to prepare one oxidant gas separator and change the distribution of the pore diameter of the pores of the oxidant gas separator from small to large along the flow of the oxidant gas. However, changing the distribution of the pore diameters of the pores in one oxidant gas separator obliquely along the flow of the oxidant gas in this manner is not easy to manufacture, is not suitable for mass production, and increases the cost. easy. In this respect, according to the present embodiment, although the pore diameter of the pores of the oxidant gas separator 3 changes from small to large from the upstream flow area to the downstream area of the oxidant gas main passage 300, each of the sub-stacks 101 to 104 The pore diameter of the oxidizing gas separator 3 is made uniform. That is, the pore diameter (target value) of the pores of the oxidant gas separator 3 of the substack 101 is D1, and the pores are homogenized. The pore diameter (target value) of the pores of the oxidant gas separator 3 of the substack 102 is D2, and the pores are homogenized. The pore diameter (target value) of the pores of the oxidant gas separator 3 of the sub-stack 103 is D3, which is homogenized. The pore diameter (target value) of the pores of the oxidant gas separator 3 of the sub-stack 104 is D4, and the pores are homogenized.
[0063]
Here, the average value of the actual pore diameter in the sub-stack 101 is within ± 30% (preferably ± 25%, more preferably ± 30%) of the pore diameter (target value) D1 of the oxidizing gas separator 3 in the sub-stack 101. (Preferably within ± 20%). The average value of the actual pore diameter of the oxidant gas separator 3 in another sub-stack 102 is within ± 30% (preferably plus) of the pore diameter (target value) D2 of the oxidant gas separator 3 in this sub-stack 102. (Within −25%, more preferably ± 20%). The average value of the actual pore diameter of the oxidizing gas separator 3 in another sub-stack 103 is within ± 30% (preferably plus) of the pore diameter (target value) D3 of the oxidizing gas separator 3 in this sub-stack 103. (Within −25%, more preferably ± 20%). The pore diameter D4 is similarly set.
[0064]
Therefore, according to the present embodiment, the oxidizing gas separator 3 having the uniformized pore diameter for the sub-stack 101 is formed, and the oxidizing gas separator 3 having the uniformed pore diameter for the sub-stack 102 is formed. Then, an oxidizing gas separator 3 having a uniformized pore diameter for the substack 103 may be formed, and an oxidizing gas separator 3 having a uniformized pore diameter for the substack 104 may be formed.
[0065]
As described above, since the physical quantities related to the pores such as the pore diameter and the porosity of the pores of the oxidizing gas separator 3 are homogenized in each of the sub-stacks 101 to 104, the physical quantity is small in one oxidizing gas separator. The distribution of the pore diameters does not have to be inclined. Therefore, the production of the oxidizing gas separator 3 of each of the sub-stacks 101 to 104 is simple, the productivity can be increased, and the cost can be reduced and the mass production can be contributed.
[0066]
According to the present embodiment, as shown in FIG. 3, one end of each of the sub-stacks 101 to 104 arranged side by side is provided with a current collector 500 for electrically connecting them to each other. By equipping the end side with a current collector 510 that electrically connects them, the sub-stacks 101 to 104 are electrically connected to each other in parallel.
[0067]
In the upstream area of the oxidizing gas main passage 300, the oxidizing agent consumption (oxygen concentration) of the oxidizing gas becomes higher than in the downstream area because the oxidizing agent consumption by the power generation reaction has not progressed much. Further, in the downstream region of the oxidant gas main passage 300, the oxidant consumption (oxygen consumption) due to the power generation reaction is progressing, so that the oxidant concentration of the oxidant gas is lower than that in the upstream region. As described above, since the concentration of the oxidizing agent in the oxidizing gas main passage 300 differs between the upstream region and the downstream region, the power generation condition in the upstream region of the oxidizing gas main passage 300 and the power generation in the downstream region of the oxidizing gas main passage 300 The conditions are not the same, and the amount of generated current in the flow direction of the oxidizing gas main passage 300 is not the same. In this case, since the power generation condition is severe in the sub-stack 104 in the downstream region where the oxidant concentration (oxygen concentration) is small, the sub-stacks 101 to 104 are connected in series so that the generated current amount of each of the sub-stacks 101 to 104 is the same. If this is done, the load on the sub-stack 104 in the downstream area increases, and the deterioration of the sub-stack 104 in the downstream area may progress. Therefore, according to the present embodiment, as described above, the sub-stacks 101 to 104 are electrically connected in parallel to each other to suppress the progress of deterioration of the sub-stacks 101 to 104 in the downstream region, and to improve the reliability of the operation of the fuel cell. To further improve the performance.
[0068]
8 and 9 show a model of the pore structure of the oxidizing gas separator 3 of each of the sub-stacks 101 to 104. According to the present embodiment, since the oxidizing gas separator 3 has the hydrophilic region X1 on the facing surface 30 facing the water passage 41, as shown in FIG. Water can be moved in the oxidant gas separator 3 in the direction of the arrow A1 by the capillary pressure to penetrate the pores. As a result, water as a liquid phase can be permeated into the pores on the water passage 41 side of the oxidant gas separator 3 to seal the pores, so that the pores of the oxidant gas separator 3 can be sealed. In addition, the oxidizing gas in the oxidizing gas passage 31 is prevented from leaking into the water passage 41, and the power generation reaction can be performed satisfactorily. As shown in FIG. 8, the opposing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 that faces the oxidizing gas passage 31 has a hydrophobic region X2.
[0069]
According to the present embodiment, as shown in FIG. 9, the oxidizing gas separator 3 may have a multi-layer structure. In this case, the oxidizing gas separator 3 has a first layer 32 having a facing surface 30 facing the water passage 41 and having the hydrophilic region X1, a facing surface 34 facing the oxidizing gas passage 41, and a hydrophobic layer. The second layer 33 having the region X2 is formed.
[0070]
According to the present embodiment, as shown in FIGS. 1 to 3, the oxidizing gas passage 31 of the oxidizing gas separator 3 is opened at the upper surface, and the oxidizing gas passage 21 of the fuel separator 2 is opened at the lower surface. The oxidizing gas in which the oxidizing gas separator 3, the MEA 1, and the fuel separator 2 are arranged along the horizontal direction, and which forms the water passage 41 → the oxidizing gas passage 31 from bottom to top (in the direction of arrow Y <b> 1) The separators 3 are stacked vertically so as to be located in the order of the MEA 1 → the fuel separator 2 forming the fuel passage 21.
[0071]
For this reason, in the oxidizing gas passage 31 of the upstream sub-stacks 101 and 102, the water in the water passage 41 is supplied to the oxidizing gas separator 3 by utilizing the capillary pressure generated by the pores of the porous oxidizing gas separator 3. The light is transmitted upward along the thickness direction (in the direction of arrow Y2 shown in FIG. 4) and supplied to the oxidizing gas passage 31. In supplying the water in the water passage 41 to the oxidizing gas passage 31, the water is lifted in the direction opposite to the gravity. Therefore, as shown in FIG. 4, the water 80 supplied to the oxidizing gas passage 31 accumulates on the bottom surface 31 b of the oxidizing gas passage 31, and a water vapor space 83 is formed above the water surface 81 of the water 80. The oxidizing gas in the oxidizing gas passage 31 can be humidified by using the water vapor in the space 83.
[0072]
Further, in this embodiment, according to the sub-stacks 101 and 102 on the upstream side, when water 80 accumulates in the oxidizing gas passage 31 as shown in FIG. Therefore, the water vapor on the water surface 81 of the water 80 in the oxidizing gas passage 31 and the oxidizing gas in the oxidizing gas passage 31 and thus the MEA 2 can be effectively formed without lifting the water in the oxidizing gas passage 31. Can be contacted. Therefore, the pressure of the oxidizing gas (generally, air) supplied to the oxidizing gas passage 31 does not need to be excessively increased, and the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas passage 31 can be set to near the atmospheric pressure. . Since the pressure of the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas passage 31 does not need to be excessively increased, control of the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas passage 31 is facilitated.
[0073]
Further, as can be understood from FIG. 4, for the sub-stacks 101 and 102 located in the upstream region, the pressure of the oxidizing gas passage 31 of the sub-stacks 101 and 102 is set to Pa, and the flow of the water passage 41 opposed thereto is set. When the pressure of the channel 41u is Pw and the capillary pressure of the pores through which water permeates is α, the sum of the water pressure Pw and the capillary pressure α is set to be larger than Pa (Pw + α> Pa). The pressure difference between Pw and Pa is shown as ΔP1 (ΔP1 = Pw−Pa). As described above, according to the present embodiment, in the upstream region, in addition to the differential pressure ΔP1, the water in the water passage 41 is oxidized by utilizing the capillary pressure α due to the pores of the porous oxidant gas separator 3. The separator 3 is transmitted upward (along arrow Y2) along the thickness direction of the separator 3 and supplied to the oxidizing gas main passage 300. As described above, when the water in the water passage 41 is supplied to the oxidizing gas passage 31, the pressure difference ΔP1 and the capillary pressure due to the pores are used, but the effect of gravity acting on the water can be suppressed as much as possible.
[0074]
Here, according to the present embodiment, for the downstream sub-stacks 104 and 103, as shown in FIG. 5, the pressure of the oxidizing gas passage 31 through which the oxidizing gas flows is set to Pa ′, Assuming that the pressure of the water passage portion 41d of the water passage 41 is Pw ', water passage conditions, oxidant gas supply conditions, and the like are set so that Pa' is larger than Pw '(Pa'> Pw '). . The pressure difference between Pa ′ and Pw ′ is shown as ΔP2 (ΔP2 = Pa′−Pw ′). Accordingly, when viewed in a cross section along the thickness direction of the oxidizing gas separator 3 (see FIG. 5), the water accumulated on the bottom surface 31b in the downstream region of the oxidizing gas passage 31 reduces the thickness of the oxidizing gas separator 3. The light is transmitted downward (to the direction of the arrow Y3 shown in FIG. 5) toward the water passage 41. That is, when returning the water accumulated in the downstream region of the oxidizing gas passage 31 to the water passage 41 disposed below the oxidizing gas separator 3, the differential pressure ΔP2 (ΔP2 = Pa′−Pw ′: In addition to using Pa ′> Pw ′), it can be returned using gravity acting on water. Therefore, in the sub-stacks 104 and 103 on the downstream side, it is possible to return the surplus water in the direction of the arrow Y3 at an early stage. As described above, since excess water can be returned to the water passage 41 at an early stage, it is possible to contribute to suppressing a flooding phenomenon in a downstream region of the oxidizing gas passage 31.
[0075]
(Second embodiment)
FIG. 11 shows a second embodiment. The second embodiment has basically the same configuration as the first embodiment and has the same operation and effect, and FIGS. 1 to 9 are applied mutatis mutandis. Also in this embodiment, as shown in FIG. 4, an oxidizing gas main passage 300 that connects the oxidizing gas passages 31 of the substacks 101, 102, 103, and 104 in series is provided. The sub-stack 101, the sub-stack 102, the sub-stack 103, and the sub-stack 104 are formed from the upstream to the downstream in the oxidizing gas main passage 300. The sub-stack 101 is provided on the upstream side, and the sub-stack 104 is provided on the downstream side. Have been.
[0076]
Further, a fuel main passage 200 that connects the fuel passages 21 of the sub-stacks 101, 102, 103, and 104 in series is provided. The sub-stack 104, the sub-stack 103, the sub-stack 102, and the sub-stack 101 are arranged in the order from the upstream to the downstream of the fuel main passage 200, and the upstream is the sub-stack 104, and the downstream is the sub-stack 101. Have been.
[0077]
According to the present embodiment, the opposing surface 34 of the oxidant gas separator 3 of the sub-stacks 101 to 104 that faces the oxidant gas passage 31 is hydrophilic.
[0078]
Further, according to the present embodiment, as shown in FIG. 11, for each of the sub-stacks 101 to 104, the pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator 3 is relatively large in the upstream region of the oxidizing gas main passage 300. The downstream area of the oxidizing gas main passage 300 is set relatively small. That is, the pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator 3 of each of the sub-stacks 101 to 104 is set so as to gradually decrease from the upstream region of the oxidizing gas main passage 300 to the downstream region of the oxidizing gas main passage 300. ing.
[0079]
Here, the pore diameter (target value) of the pores in the oxidizing gas separator 3 of the sub-stack 101 on the upstream side is D10. Next, the pore diameter (target value) of the pores in the oxidant gas separator 3 of the upstream sub-stack 102 is set to D20. The target value of the pore diameter of the pores in the oxidant gas separator 3 of the most downstream sub-stack 104 is set to D40. Next, the pore diameter (target value) of the pores in the oxidizing gas separator 3 of the sub-stack 103 upstream of the sub-stack 104 but located downstream of the sub-stack 104 is defined as D30.
[0080]
The horizontal axis in FIG. 11 indicates the sub-stacks 101 to 104. The vertical axis in FIG. 11 indicates the pore diameter of the pores of the oxidant gas separator 3. According to the present embodiment, as shown in FIG. 11, the pore diameters of the sub-stacks 101 to 104 are set to have a relationship of D10>D20>D30> D40.
[0081]
That is, as shown in FIG. 11, in the oxidizing gas separator 3, the pore diameter of the upstream region of the oxidizing gas main passage 300 is set to be relatively large, and the pore diameter of the downstream region of the oxidizing gas main passage 300 is set. The pore diameter is set relatively small. Accordingly, as described above, for each of the sub-stacks 101 to 104, the facing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 that faces the oxidizing gas passage 31 is hydrophilic, and θ is 0 to less than 90 degrees. Therefore, according to the above Kelvin's equation, cos θ is a positive value (cos θ ≧ 0), and P is larger than Po (P> Po). And if it is hydrophilic, according to Kelvin's formula, the larger the pore diameter r, the larger the water vapor partial pressure P of the pores. Therefore, the relationship of the sub-stack 101> the sub-stack 102> the sub-stack 103> the sub-stack 104 is set as the water vapor partial pressure P of the pores of the oxidizing gas separator 3.
[0082]
Here, among the sub-stacks 101 to 104, since the sub-stacks 101 and 102 are on the upstream side of the flow of the oxidizing gas, the oxidizing gas passage 31 of the sub-stacks 101 and 102 tends to dry. However, according to the present embodiment, the pore diameters of the pores of the oxidant gas separator 3 are set large for the sub-stacks 101 and 102 on the upstream side of the flow of the oxidant gas. Since the partial pressure of water vapor in the pores can be relatively increased, the humidification rate in the upstream region of the oxidizing gas main passage 300 that tends to dry can be increased.
[0083]
In particular, regarding the sub-stack 101 which is the most upstream side of the flow of the oxidizing gas, the pore diameter of the fine pores of the oxidizing gas separator 3 is set to be the largest. Can be relatively high, so that the humidification rate in the upstream region that tends to dry can be increased.
[0084]
Further, among the sub-stacks 101 to 104, since the sub-stacks 103 and 104 are on the downstream side of the flow of the oxidizing gas, the oxidizing gas passage 31 of the sub-stacks 103 and 104 tends to have excess water. However, according to this embodiment, the sub-stacks 103 and 104 on the upstream side of the flow of the oxidizing gas have a relatively small pore diameter of the fine pores of the oxidizing gas separator 3. According to the formula, since the water vapor partial pressure of the pores can be relatively reduced, the humidification rate in the downstream area where water tends to be excessive can be reduced, and the humidification rate in the downstream area of the oxidizing gas main passage 300 can be reduced. This is advantageous for preventing the flooding phenomenon.
[0085]
In particular, since the pore diameter of the pores of the oxidizing gas separator 3 is set to be the smallest for the sub-stack 10 on the most downstream side, the partial pressure of water vapor in the pores is relatively reduced according to the above-mentioned Kelvin equation. Therefore, the humidification rate in the downstream region of the oxidizing gas main passage 300 where water tends to be excessive can be reduced, which is advantageous in preventing the flooding phenomenon in the downstream region.
[0086]
As described above, the pore diameter of the pores changes from large to small from the upstream flow area to the downstream area of the oxidizing gas main passage 300. Here, it is conceivable to change the distribution of the pore diameter of the pores of one oxidant gas separator along the flow of the oxidant gas. However, changing the distribution of the pore diameters of the pores in one oxidant gas separator along the flow of the oxidant gas in this manner is not easy to manufacture and increases the cost. In this regard, according to the present embodiment, although the pore diameter of the pores of the oxidant gas separator 3 changes from large to small from the upstream flow area to the downstream area of the oxidant gas main passage 300, each sub-stack 101 to The pore diameter of the oxidizing gas separator 3 for each 104 is homogenized. That is, the pore diameter (target value) of the pores of the oxidizing gas separator 3 of the sub-stack 101 is set to D10, and is homogenized. The pore diameter (target value) of the pores of the oxidant gas separator 3 of the sub-stack 102 is set to D20, and is homogenized. The pore diameter (target value) of the pores of the oxidant gas separator 3 of the sub-stack 103 is set to D30, and is homogenized. The pore diameter (target value) of the pores of the oxidant gas separator 3 of the sub-stack 104 is set to D40 and is homogenized. Therefore, an oxidizing gas separator 3 having a homogenized pore diameter for the substack 101 is formed, and an oxidizing gas separator 3 having a homogenized pore diameter for the substack 102 is formed. The oxidant gas separator 3 having a homogenized pore diameter may be formed, and the oxidant gas separator 3 having a homogenized pore diameter for the substack 104 may be formed. As described above, since the pore diameter of the pores of the oxidizing gas separator 3 is homogenized in each of the sub-stacks 101 to 104, the production of the oxidizing gas separator 3 of each of the sub-stacks 101 to 104 is simple. Therefore, productivity can be increased, and cost can be reduced and mass production can be contributed.
[0087]
According to the present embodiment, as in the first embodiment, since the sub-stacks 101 to 104 are electrically connected to each other in parallel, the progress of deterioration of the sub-stacks 101 to 104 in the downstream region is suppressed, and the fuel The reliability of battery operation is to be further improved.
(Third embodiment)
FIG. 12 shows a third embodiment (corresponding to the third invention). The third embodiment has basically the same configuration as the first embodiment, and basically has the same function and effect. FIGS. 1 to 9 are applied mutatis mutandis. Also in this embodiment, as shown in FIG. 4, an oxidizing gas main passage 300 that connects the oxidizing gas passages 31 of the substacks 101, 102, 103, and 104 in series is provided. The sub-stack 101, the sub-stack 102, the sub-stack 103, and the sub-stack 104 are formed from the upstream to the downstream in the oxidizing gas main passage 300. The sub-stack 101 is provided on the upstream side, and the sub-stack 104 is provided on the downstream side. Have been.
[0088]
Further, a fuel main passage 200 that connects the fuel passages 21 of the sub-stacks 101, 102, 103, and 104 in series is provided. The sub-stack 104, the sub-stack 103, the sub-stack 102, and the sub-stack 101 are arranged in the order from the upstream to the downstream in the fuel main passage 200, and the upstream side is the sub-stack 104, and the downstream side is the sub-stack 101. Have been.
[0089]
According to the present embodiment, in each of the sub-stacks 101 to 104, the pore diameter of the oxidizing gas separator 3 is homogenized and substantially the same. In each of the sub-stacks 101 to 104, the hydrophobicity of the opposing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 that faces the oxidizing gas passage 31 is set relatively stronger from the downstream of the oxidizing gas to the upstream of the oxidizing gas. Specifically, the sub-stacks 103 and 104 in the upstream area are set to be stronger than the sub-stacks 103 and 104 in the downstream area. That is, the hydrophobicity of the sub-stacks 101 to 104 in the oxidizing gas separator 3 is the strongest in the sub-stack 101 on the most upstream side, and goes from the upstream region of the oxidizing gas main passage 300 to the downstream region of the oxidizing gas main passage 300. It is set to gradually become weaker as time goes on. Here, the hydrophobicity of the opposing surface 34 of the oxidant gas separator 3 of the sub-stack 101 on the most upstream side is defined as M1. Next, hydrophobicity M2 is set on the facing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 of the sub-stack 102 on the upstream side. Here, the hydrophobicity M1 is set stronger than the hydrophobicity M2.
[0090]
Further, the hydrophilicity of the pores on the opposing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 of the most downstream sub-stack 104 is M4. Next, the hydrophilicity of the pores on the opposing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 of the downstream sub-stack 103 is set to M3. The hydrophilicity M4 is set stronger than the hydrophilicity M3.
[0091]
In other words, the degree of hydrophobicity of the oxidizing gas separator 3 is set so as to satisfy the relationship of the upstream sub-stack 101> sub-stack 102> sub-stack 103> downstream sub-stack 104. Accordingly, as described above, for each of the sub-stacks 101 to 104, the facing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 that faces the oxidizing gas passage 31 is hydrophilic, and θ is 0 to less than 90 degrees. Therefore, according to Kelvin's formula, if the pore diameter of the oxidizing gas separator 3 of each of the sub-stacks 101 to 104 is the same, the stronger the hydrophobicity, the larger the water vapor partial pressure P of the pores, The higher the hydrophilicity, the lower the water vapor partial pressure P of the pores. Therefore, the relationship of the sub-stack 101> the sub-stack 102> the sub-stack 103> the sub-stack 104 is set as the water vapor partial pressure P of the pores of the oxidizing gas separator 3.
[0092]
Here, among the sub-stacks 101 to 104, since the sub-stacks 101 and 102 are on the upstream side of the flow of the oxidizing gas, the oxidizing gas passage 31 of the sub-stacks 101 and 102 tends to dry. In this regard, according to the present embodiment, the opposing surfaces 34 of the oxidant gas separators 3 of the sub-stacks 101 and 102 on the upstream side of the flow of the oxidant gas are set to be hydrophobic. Since the water vapor partial pressure of the pores can be relatively increased, the humidification rate in the upstream region that tends to dry can be increased. In particular, for the sub-stack 101 which is the most upstream side of the flow of the oxidizing gas, the hydrophobicity of the opposing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 is set to be the strongest. Since the partial pressure can be relatively increased, the humidification rate in the upstream region that tends to dry can be increased.
[0093]
Since the sub-stacks 103 and 104 of the sub-stacks 101 to 104 are on the downstream side of the flow of the oxidizing gas, the oxidizing gas passage 31 of the sub-stacks 103 and 104 tends to have excess water. In this respect, according to the present embodiment, the hydrophilicity of the opposing surface 34 of the oxidizing gas separator 3 is set relatively strong for the sub-stacks 103 and 104 on the upstream side of the flow of the oxidizing gas, so that Kelvin is used. According to the formula, since the water vapor partial pressure of the pores can be relatively reduced, the humidification rate in the downstream area where water tends to be excessive can be reduced, and the humidification rate in the downstream area of the oxidizing gas main passage 300 can be reduced. This is advantageous for preventing the flooding phenomenon. In particular, since the pore diameter of the pores of the oxidant gas separator 3 is set to be the smallest for the sub-stack 104 at the most downstream side in the oxidant gas main passage 300, according to Kelvin's formula, The water vapor partial pressure can be made relatively lowest, and the humidification rate in the downstream area of the oxidizing gas main passage 300 where water tends to be excessive can be reduced, which is advantageous in preventing the flooding phenomenon in the downstream area. is there.
[0094]
According to the present embodiment, the pore diameter of the pores of the oxidizing gas separator 3 of the sub-stacks 101 to 104 is set to D5 and homogenized. Therefore, the manufacture of the oxidizing gas separator 3 of each of the sub-stacks 101 to 104 is simple, the productivity can be increased, and the cost can be reduced and the mass production can be contributed.
[0095]
According to the present embodiment, the sub-stacks 101 to 104 are electrically connected in parallel with each other, so that the deterioration of the sub-stacks 101 to 104 is suppressed as in the first embodiment, and the operation of the fuel cell is stopped. Has been further improved.
[0096]
(Production example)
The porous oxidant gas separator 3 described above can be formed as follows. That is, a mixed material obtained by mixing a carbon-based material (natural graphite, artificial graphite, or the like), a binder (a thermosetting resin, for example, a phenol resin), and a pore-forming material (cellulose-based organic material) that can be eliminated is used. This mixed material is press-molded on a cavity mold surface of a molding die to form a molded body, and the molded body is fired at a firing temperature (for example, 500 to 600 ° C.) to eliminate a pore forming material of the molded body, thereby producing a large number of molded bodies. The oxidant gas separator 3 having pores can be formed. To change the pore diameter of the oxidizing gas separator 3 for the sub-stacks 101 to 104 from the upstream region to the downstream region of the oxidizing gas main passage 300, the size of the pore-forming material is changed for each of the sub-stacks 101 to 104. Can be performed. When the size of the pore forming material is large, the pore diameter of the oxidizing gas separator 3 becomes large. When the size of the pore former is small, the pore diameter of the oxidizing gas separator 3 becomes small. The pore diameter can be appropriately selected, and can be 1 to 100 μm, 2 to 30 μm, 2 to 15 μm, particularly 3 to 4 μm. The porosity can be 10 to 90%, 15 to 60%, especially 20 to 40% by volume.
[0097]
In each of the above-mentioned embodiments, the hydrophobicity can be imparted to the oxidizing gas separator 3 by attaching a hydrophobic substance to the oxidizing gas separator 3. As the hydrophobic substance, a fluorine atom, CF ₂ , CF ₃ Group, CH ₃ Group, CH ₂ Examples thereof include those having a group and the like, and examples thereof include fluorine, fluororesin (PTFE, FEP, PFA, PVDF, etc.), fluorinated graphite, hydrophobic carbon, silane compound, paraffin and the like. As the reforming gas for performing the hydrophobic treatment, a fluorine gas or a gas mainly containing a fluorine gas and an inert gas (such as nitrogen) can be used. The degree of hydrophobicity of the oxidant gas separator 3 can be adjusted depending on the length of time of the hydrophobic treatment for attaching a hydrophobic substance.
[0098]
In order to impart hydrophilicity to the oxidizing gas separator 3, a solution in which a hydrophilic substance is dissolved or dispersed in a liquid medium (water, alcohol, or the like) is used, and the solution is immersed in the solution from the downstream region of the oxidizing gas separator 3. This can be done by: To increase or decrease the hydrophilicity, the immersion time of the portion of the oxidant gas separator 3 where the hydrophilicity is increased is increased, and the immersion time of the portion of the oxidant gas separator 3 where the hydrophilicity is reduced is shortened. Can do. Examples of the hydrophilic substance include aqueous hydrogen peroxide, silicon dioxide powder, aluminum oxide powder and the like, and examples thereof include those containing a large amount of a hydrophilic functional group such as a hydroxyl group or a carboxyl group on the surface thereof. be able to. Further, a starch-acrylic acid copolymer, polyacrylate, polyvinyl alcohol, or the like, which is a water-absorbing resin, can also be used. In addition, ion exchange resins and water-absorbing polysaccharides can be exemplified as hydrophilic substances. In each case, those having at least one of hydrophilic functional groups such as a hydroxyl group, a carboxyl group, an aldehyde group, an amino group and a sulfo group in the structure can be exemplified.
[0099]
(Other)
According to the above-described embodiment, the main stack 100 is formed of four sub-stacks 101 to 104, but the number of sub-stacks constituting the main stack 100 is not limited to this, and two or three However, the number may be five, six, or more. According to the above-described embodiment, the cooling passages 400 are provided in a parallel relationship so as to be independent of each other in the respective sub-stacks 101 to 104. However, the present invention is not limited to this. It may be made to flow to.
[0100]
According to the above-described embodiment, the fuel separator 2 is a dense body. However, the present invention is not limited to this, and the fuel separator 2 may be a porous body having pores, and the pores are sealed with water and sealed. be able to. The first catalyst layer 17 and the second catalyst layer 14 may be directly coated on the front and back of the electrolyte membrane 11. According to the above-described embodiment, the oxidizing gas flows in an inverted U-shape, but is not limited thereto, and may flow in a U-shape or a horizontal U-shape.
[0101]
In the third embodiment, the pore diameter of the oxidant gas separator 3 of the sub-stack 101 can be set relatively smaller than the pore diameter of the oxidant gas separator 3 of the sub-stack 102. In addition, the present invention is not limited to only the above-described embodiments, and can be implemented with appropriate modifications without departing from the gist.
[0102]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell power generation system of the first aspect, the oxidizing gas main passage connecting the plurality of sub-stacks is provided so that the oxidizing gas flows in series through the plurality of sub-stacks. I have. The pore diameter of the pores in the oxidant gas separator is set relatively small in the sub-stack in the upstream region, and set relatively large in the sub-stack in the downstream region. For this reason, if the oxidizing gas separator has hydrophobicity, according to Kelvin's formula, in the sub-stack in the upstream region that tends to dry, the humidifying rate at which the oxidizing gas separator humidifies the oxidizing gas can be increased. In addition, the humidification rate at which the oxidizing gas separator humidifies the oxidizing gas can be reduced in the sub-stack in the downstream region where the flooding phenomenon may occur.
[0103]
According to the fuel cell power generation system of the second aspect, the oxidizing gas main passage connecting the plurality of sub-stacks is provided so that the oxidizing gas flows in series through the oxidizing gas passages of the plurality of sub-stacks. I have. The pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator is set to be relatively large in the sub-stack in the upstream region and to be relatively small in the sub-stack in the downstream region. For this reason, if the oxidizing gas separator has hydrophilicity, according to Kelvin's formula, in the sub-stack in the upstream region that tends to dry, the humidifying rate at which the oxidizing gas separator humidifies the oxidizing gas can be increased. In addition, the humidification rate at which the oxidizing gas separator humidifies the oxidizing gas can be reduced in the sub-stack in the downstream region where the flooding phenomenon may occur.
[0104]
According to the fuel cell power generation system of the third aspect, the side of the oxidizing gas separator of each sub-stack facing the oxidizing gas passage has a relatively higher hydrophobicity in the upstream sub-stack than in the downstream sub-stack. The sub-stack in the downstream region is set to be relatively weaker in hydrophobicity than the sub-stack in the upstream region, or is set to be hydrophilic. Therefore, according to Kelvin's formula, in the sub-stack in the upstream region that tends to dry, the humidification rate at which the oxidizing gas separator humidifies the oxidizing gas can be increased, and the downstream region where the flooding phenomenon may occur can be obtained. In the sub-stack, the humidifying rate at which the oxidizing gas separator humidifies the oxidizing gas can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a concept of a sub stack of a fuel cell power generation system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the concept of a state in which an oxidizing gas main passage and a fuel main passage are provided in sub-stacks arranged in parallel.
FIG. 3 is a perspective view schematically showing a concept of a main stack formed by juxtaposed sub-stacks.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a main part of an upstream sub-stack according to the first embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a main part of a downstream sub-stack according to the first embodiment.
FIG. 6 is a plan view of an oxidizing gas separator having an oxidizing gas passage.
FIG. 7 is a plan view of an oxidizing gas separator having a dense body portion for sealing.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a model of a pore structure in a cross section of the oxidizing gas separator.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a model of a pore structure in a cross section of the oxidizing gas separator.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the pore diameter of the pores of the oxidizing gas separator and the sub-stack according to the first embodiment.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the pore diameter of the pores of the oxidizing gas separator and the sub-stack according to the second embodiment.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the hydrophobicity and hydrophilicity of the oxidizing gas separator and the sub-stack according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
In the figure, 1 is an MEA, 11 is an electrolyte membrane, 12 is a fuel electrode, 15 is an oxidant electrode, 2 is a fuel separator, 21 is a fuel passage, 3 is an oxidant gas separator, 31 is an oxidant gas passage, and 4 is a passage. A water plate, 41 is a water passage, 100 is a main stack, 101 is a sub stack, 102 is a sub stack, 103 is a sub stack, 104 is a sub stack, 200 is a fuel main passage, and 300 is an oxidant gas main passage.

Claims (8)

An electrolyte membrane having ion conductivity, a fuel electrode provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane, an oxidizer electrode provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane, and fuel on the fuel electrode. A fuel separator that forms a fuel passage for supply, an oxidant gas separator that forms an oxidant gas passage that supplies an oxidant gas to the oxidant electrode, and a back of the oxidant gas separator facing the oxidant gas passage. Having a sub-stack in which a plurality of cells each having a water passage at the position where
A fuel cell power generation system including a main stack in which a plurality of the sub stacks are arranged side by side,
The oxidant gas separator of each of the sub-stacks has porosity having a large number of pores,
An oxidizing gas main passage is provided, which connects the adjacent sub-stacks so that the oxidizing gas flows in series, and communicates with the oxidizing gas passage.
When the upstream of the oxidizing gas main passage is an upstream region and the downstream of the oxidizing gas main passage is a downstream region,
The pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator of each sub-stack,
The fuel cell power generation system, wherein the sub-stack located in the upstream area is set relatively small, and the sub-stack located in the downstream area is set relatively large. 2. The oxidizing gas separator according to claim 1, wherein the pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator of each of the sub-stacks increases stepwise from the upstream region of the oxidizing gas main passage toward the downstream region of the oxidizing gas main passage. A fuel cell power generation system characterized by being set to be large. An electrolyte membrane having ion conductivity, a fuel electrode provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane, an oxidizer electrode provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane, and fuel on the fuel electrode. A fuel separator that forms a fuel passage for supply, an oxidant gas separator that forms an oxidant gas passage that supplies an oxidant gas to the oxidant electrode, and a back of the oxidant gas separator facing the oxidant gas passage. Having a sub-stack in which a plurality of cells each having a water passage at the position where
A fuel cell power generation system including a main stack in which a plurality of the sub stacks are arranged side by side,
The oxidant gas separator of each of the sub-stacks has porosity having a large number of pores,
An oxidizing gas main passage is provided, which connects the adjacent sub-stacks so that the oxidizing gas flows in series, and communicates with the oxidizing gas passage.
When the upstream of the oxidizing gas main passage is an upstream region and the downstream of the oxidizing gas main passage is a downstream region,
The pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator of each sub-stack,
The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the sub-stack located in the upstream region is set relatively large, and the sub-stack located in the downstream region is set relatively small. 4. The oxidizing gas separator according to claim 3, wherein the pore diameter of the pores in the oxidizing gas separator of each of the sub-stacks increases stepwise from the upstream region of the oxidizing gas main passage toward the downstream region of the oxidizing gas main passage. A fuel cell power generation system set to be small. An electrolyte membrane having ion conductivity, a fuel electrode provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane, an oxidizer electrode provided on the other side in the thickness direction of the electrolyte membrane, and fuel on the fuel electrode. A fuel separator that forms a fuel passage for supply, an oxidant gas separator that forms an oxidant gas passage that supplies an oxidant gas to the oxidant electrode, and a back of the oxidant gas separator facing the oxidant gas passage. Having a sub-stack in which a plurality of cells each having a water passage at the position where
A fuel cell power generation system including a main stack in which a plurality of the sub stacks are arranged side by side,
The oxidizing gas separator of each of the sub-stacks has a porosity having a large number of pores, and connects adjacent sub-stacks so that an oxidizing gas flows in series, and performs the oxidizing process. An oxidizing gas main passage communicating with the oxidizing gas passage;
When the upstream of the oxidizing gas main passage is an upstream region and the downstream of the oxidizing gas main passage is a downstream region,
At least the side of the oxidizing gas separator of each of the sub-stacks that faces the oxidizing gas passage,
In the sub-stack located in the upstream area, the hydrophobicity is set relatively stronger than in the downstream area,
A fuel cell, wherein the sub-stack located in the downstream area has a relatively lower or higher hydrophobicity than the sub-stack of the sub-stack located in the upstream area. Power generation system. The fuel cell power generation system according to claim 5, wherein pore diameters of pores in the oxidizing gas separator of each of the sub-stacks are homogenized in the main stack. 7. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the pore diameter of the pores of the oxidizing gas separator is homogenized in one of the sub-stacks. 8. The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 7, wherein the plurality of sub-stacks are electrically connected in parallel.

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