JP2004185938A

JP2004185938A - Fuel cell and fuel cell system

Info

Publication number: JP2004185938A
Application number: JP2002350546A
Authority: JP
Inventors: Takamasa Matsubayashi; 孝昌松林
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-07-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell and a fuel cell system coping with the condensed water without modifying a reaction gas flow passage and capable of effectively utilizing the heat of a thermal medium (cooling water) to be discharged from the fuel cell. <P>SOLUTION: An air humidifier 5, a fuel humidifier 6 and a heat exchanger 7 are connected to a thermal medium discharge opening 4a of the fuel cell 4 in series to each other, and the heat exchanger 7 is connected to a thermal medium supply opening 4b of the fuel cell 4 to form a water circulation route 8. A fuel reforming device 11 is connected to the fuel humidifier 6. A total enthalpy heat exchanger 9 is connected to an oxidant discharge opening 4c of the fuel cell 4, and the air humidifier 5 is connected to the total enthalpy heat exchanger 9 to form an air supply route 10 to the fuel cell 4. In a plate inside the fuel cell 4, at least one reacting gas inlet range is heated by the thermal medium. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池特に固体高分子形燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合してなる膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称す）と、反応ガス（燃料ガスと酸化剤）を流通させるプレートと、冷却水等の熱媒体を流通させるプレートとを組み合わせてこれらを複数枚積層一体化することにより電池スタックが構成される。そして、膜電極接合体のアノード電極側には燃料ガスを、カソード電極側には空気等の酸化剤を供給し、電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることで直流電力を発電するようにしてある。
【０００３】
上記固体高分子形燃料電池において、電解質膜は発電中にプロトン透過性を充分発揮させるために湿潤していることが要求される。このため、従来は反応ガスを加湿器で加湿した後に燃料電池に供給し、反応ガス中に含まれている水蒸気により電解質膜を濡らして湿潤状態を維持するようにしている。
【０００４】
ところが、加湿した反応ガスを電池スタックのプレートに供給すると、プレートのガス入口付近で冷やされて反応ガスの露点が低下し、反応ガス中の水蒸気がガス流路内で凝縮して付着する現象が生じる。ガス流路に凝縮水が付着すると、反応ガスの流通が阻まれて複数の流路へのガス分配が不均一になったり、電極へのガス供給が不足したりして発電性能の低下を招くことになる。このような凝縮水に起因する発電性能の低下を防止する手段としては、例えばガス流路に吸水材を設けたり、或はガス流路の中間部から未加湿ガスを供給して凝縮水を除去する等の先行技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
又、固体高分子形燃料電池は、正常運転を続行するために運転温度が約８０℃に設定されているが、電気化学反応は発熱反応であるため電池スタックの温度が昇温される。このため、従来は電池スタックのプレートに冷却水等の熱媒体を供給して冷却し、電池スタックを適正運転温度に保持するようにしている。熱媒体としての冷却水供給手段としては、燃料電池と水タンクとを連結した冷却水の循環経路を構成し、水タンクからポンプを介して燃料電池に供給するのが一般的である（例えば、特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−８９７３０号公報
【特許文献２】
特開平１０−５５８１２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の凝縮水除去手段によると、ガス流路に関連させて吸水材を取り付けたり、或はガス流路の中間部に未加湿ガスの供給孔を設けたりする必要があり、その取付作業や孔加工等に手間が掛かる問題がある。又、上記従来の冷却水供給手段によると、構成は簡単であるが高温（７８〜８０℃）となって燃料電池から排出される冷却水の熱を有効利用できない問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来技術における問題を解決するためになされ、ガス流路に何ら加工を施すことなく凝縮水対策が可能であり、又燃料電池から排出される熱媒体の熱を有効利用できるようにした燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するための手段として、本発明の請求項１は、電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合してなる膜電極接合体と、反応ガス流路及び／又は熱媒体流路を設けたプレートを組み合わせて複数枚積層一体化して構成した燃料電池において、前記反応ガスの少なくとも一方の反応ガス入口領域を熱媒体で加温することを特徴とする。
【００１０】
又、本発明の請求項２は、電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合してなる膜電極接合体と、一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤流路を設けたバイポーラプレートと、一方の面に燃料流路、他方の面に熱媒体流路を設けたアノード冷却プレートと、一方の面に酸化剤流路、他方の面に熱媒体流路を設けたカソード冷却プレートとを組み合わせて積層一体化した燃料電池を備え、前記アノード冷却プレートの熱媒体流路に前記燃料電池から排出される熱媒体を供給することにより、アノード冷却プレート及び／又はカソード冷却プレートの反応ガス入口領域を加温することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
更に、本発明の請求項３は、請求項２の燃料電池システムにおいて、燃料ガスと酸化剤は並行流であって重力方向の上から下に流れ、熱媒体は反応ガスと並行流又は対向流であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４は、請求項２又は請求項３の燃料電池システムにおいて、反応ガス流路入口部に流路抵抗発生部を設けたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５は、請求項２乃至請求項４いずれか１項の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスの入口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以下、反応ガスの出口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以上に設定したことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項６は、請求項２乃至請求項５いずれか１項の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に空気加湿器及び燃料加湿器を連結し、燃料電池から排出される熱媒体をこれら加湿器に導入して熱交換させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項７は、前記燃料電池に全熱交換器を連結し、燃料電池から排出される空気と前記空気加湿器に供給する前の反応ガスとの間で全熱交換させることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１６】
本発明の請求項８は、請求項２乃至請求項７いずれか１項の燃料電池システムにおいて、燃料電池に空気加湿器及び燃料加湿器と熱交換器を連結して水循環経路を形成し、前記燃料加湿器には燃料改質装置を連結し、且つ前記燃料電池に全熱交換器を連結し、この全熱交換器に前記空気加湿器を連結して反応空気供給経路を形成したことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、燃料電池スタックの一部の構成要素を示す概略断面図である。図１において、１はバイポーラプレートであり、一方の面に凹溝状の燃料流路１ａがストレートに並設され、他方の面には同じく凹溝状の酸化剤流路１ｂがストレートに並設されている。
【００１８】
図２（ａ）は、バイポーラプレート１の燃料流路側の平面図であり、燃料流路１ａの入口には各燃料流路１ａに連通する凹部状の入口ヘッダ部１ｃが設けられ、この入口ヘッダ部１ｃは燃料供給用マニホールド１ｄに連結している。又、燃料流路１ａの出口には各燃料流路１ａに連通する凹部状の出口ヘッダ部１ｅが設けられ、この出口ヘッダ部１ｅは燃料排出用マニホールド１ｆに連結している。更に、燃料流路１ａの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部１ｇが取り付けられて各燃料流路１ａの断面積が縮小されている。これにより、燃料ガスは燃料供給用マニホールド１ｄから入口ヘッダ部１ｃに流入し、流路抵抗発生部１ｇにより加速されて各燃料流路１ａに流れ込み、燃料流路１ａの出口から出口ヘッダ部１ｅに排出されて合流すると共に、燃料排出用マニホールド１ｆに排出される。
【００１９】
図２（ｂ）は、バイポーラプレート１の酸化剤流路側の平面図であり、酸化剤流路１ｂの入口には各酸化剤流路１ｂに連通する凹部状の入口ヘッダ部１ｈが設けられ、酸化剤流路１ｂの出口には各酸化剤流路１ｂに連通する凹部状の出口ヘッダ部１ｉが設けられている。酸化剤流路１ｂの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部１ｊが取り付けられて各酸化剤流路１ｂの断面積が縮小されている。これにより、酸化剤としての空気が入口ヘッダ部１ｈに流れ込み、流路抵抗発生部１ｊにより加速されて各酸化剤流路１ｂに流れ込み、酸化剤流路１ｂの出口から出口ヘッダ部１ｉに排出されて外部に排気される。尚、図２（ａ）、（ｂ）において、１ｋは水供給用マニホールドであり、１ｍは水排出用マニホールドである。
【００２０】
図１において、２はアノード冷却プレートであり、一方の面に凹溝状の燃料流路２ａがストレートに並設され、他方の面には同じく凹溝状の熱媒体流路２ｂがストレートに並設されている。
【００２１】
図３（ａ）は、アノード冷却プレート２の燃料流路側の平面図であり、燃料流路２ａの入口には各燃料流路２ａに連通する凹部状の入口ヘッダ部２ｃが設けられ、この入口ヘッダ部２ｃは燃料供給用マニホールド２ｄに連結している。又、燃料流路２ａの出口には各燃料流路２ａに連通する凹部状の出口ヘッダ部２ｅが設けられ、この出口ヘッダ部２ｅは燃料排出用マニホールド２ｆに連結している。更に、燃料流路２ａの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部２ｇが取り付けられて各燃料流路２ａの断面積が縮小されている。これにより、燃料ガスは燃料供給用マニホールド２ｄから入口ヘッダ部２ｃに流入し、流路抵抗発生部２ｇにより加速されて各燃料流路２ａに流れ込み、燃料流路２ａの出口から出口ヘッダ部２ｅに排出されて合流すると共に、燃料排出用マニホールド２ｆに排出される。
【００２２】
図３（ｂ）は、アノード冷却プレート２の熱媒体流路側の平面図であり、熱媒体流路２ｂの入口には各熱媒体流路２ｂに連通する凹部状の入口ヘッダ部２ｈが設けられ、この入口ヘッダ部２ｈは熱媒体供給用マニホールド２ｋに連結している。又、熱媒体流路２ｂの出口には各熱媒体流路２ｂに連通する凹部状の出口ヘッダ部２ｉが設けられ、この出口ヘッダ部２ｉは熱媒体排出用マニホールド２ｍに連結している。これにより、熱媒体としての水は熱媒体供給用マニホールド２ｋから入口ヘッダ部２ｈに流入し、各熱媒体流路２ｂに流れ込み、熱媒体流路２ｂの出口から出口ヘッダ部２ｉに排出されて合流すると共に、熱媒体排出用マニホールド２ｍに排出される。
【００２３】
このように構成されたアノード冷却プレート２は、燃料流路２ａ側の面を前記バイポーラプレート１の酸化剤流路１ｂ側の面に対向させ、その間にＭＥＡを挟んで位置付けられる。このＭＥＡの外周部を取り囲むようにしてガスケットＧが配設される。
【００２４】
図１において、３はカソード冷却プレートであり、一方の面に凹溝状の酸化剤通路３ｂがストレートに並設されている。
【００２５】
図４（ａ）は、カソード冷却プレート３の酸化剤流路３ｂ側の平面図であり、酸化剤流路３ｂの入口には各酸化剤流路３ｂに連通する凹部状の入口ヘッダ部３ｈが設けられ、酸化剤流路３ｂの出口には各酸化剤流路３ｂに連通する凹部状の出口ヘッダ部３ｉが設けられている。酸化剤流路３ｂの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部３ｇが取り付けられて各酸化剤流路３ｂの断面積が縮小されている。これにより、酸化剤としての空気が入口ヘッダ部３ｈに流れ込み、流路抵抗発生部３ｇにより加速されて各酸化剤流路３ｂに流れ込み、酸化剤流路３ｂの出口から出口ヘッダ部３ｉに排出されて外部に排気される。図４（ｂ）はカソード冷却プレート３の酸化剤流路３ｂが形成されていない側の平面図である。尚、図４（ａ）、（ｂ）において、３ｄは燃料供給用マニホールド、３ｆは燃料排出用マニホールド、３ｋは熱媒体供給用マニホールド、３ｍは熱媒体排出用マニホールドである。
【００２６】
このカソード冷却プレート３は、酸化剤流路３ｂの形成されていない面側を前記アノード冷却プレート２の熱媒体流路２ｂ側の面に対向させて位置付けられる。更に、このカソード冷却プレート３に対して、酸化剤流路３ｂ側の面に前記バイポーラプレート１と同じ構成のバイポーラプレート１の燃料流路１ａ側の面を対向させると共に、その間にＭＥＡを挟みこんで当該バイポーラプレート１が位置付けられる。この場合もＭＥＡの外周部を取り囲むようにしてガスケットＧが取り付けられる。
【００２７】
このような順番で各プレートを組み合わせて複数枚積層し、両端部にはエンドプレート（図略）を配置し、これらをロッド等で締め付け一体化することにより電池スタックが構成される。そして、前記各プレートにおける燃料供給用マニホールド、燃料排出用マニホールド、熱媒体供給用マニホールド、熱媒体排出用マニホールドは、いずれも電池スタックの積層方向に連通した連通孔を構成する。
【００２８】
図５は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す構成図であり、燃料電池４の熱媒体排出口４ａに空気加湿器５を連結し、この空気加湿器５に燃料加湿器６を連結し、この燃料加湿器６に熱交換器７を連結すると共に、この熱交換器７に燃料電池４の熱媒体供給口４ｂを連結することにより熱媒体としての水の水循環経路８を構成する。
【００２９】
又、燃料電池４の酸化剤排出口４ｃに全熱交換器９を連結し、この全熱交換器９に前記空気加湿器５を連結し、この空気加湿器５に燃料電池４の酸化剤供給口４ｄを連結することにより酸化剤としての空気の空気供給経路１０を構成する。尚、酸化剤供給口４ｄは電池スタックの上部に取り付けた酸化剤供給用の外部マニホールド（図略）に設け、この外部マニホールドから各プレートの酸化剤流路に酸化剤としての空気を分配供給し、酸化剤排出口４ｃは電池スタックの下部に取り付けた酸化剤排出用の外部マニホールド（図略）に設け、各プレートの酸化剤流路から排出される酸化剤としての空気を合流させて酸化剤排出口４ｃから排出するように構成する。
【００３０】
更に、前記燃料加湿器６には燃料改質装置１１が連結され、都市ガス等の原燃料を燃料改質装置１１で水素主体の改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料加湿器６で加湿した後、燃料電池４の燃料供給口４ｅに供給するように構成する。燃料加湿器６の内部には水が溜められており、この水に改質ガスをバブリングすることで改質ガスを加湿する。燃料電池４の燃料供給口４ｅに供給された加湿燃料ガスは、燃料供給用マニホールドにより電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れ、各プレートの燃料入口ヘッダ部に分配供給されて各燃料流路に沿って流通し、燃料流路から排出される燃料ガス（未反応に終わった燃料ガス）は出口ヘッダ部で合流し、電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れて外部に排出される。外部に排出される未反応燃料ガスは、燃料排出口４ｆから前記燃料改質装置の改質器バーナに送り込んで燃焼するのが一般的である。
【００３１】
酸化剤として外部から取り込んだ空気は、前記全熱交換器９で熱と水分を交換した後、燃料電池の酸化剤供給口４ｄ（詳しくは外部マニホールドの酸化剤供給口）に供給する。空気加湿器５の内部には水が溜められており、この水に空気をバブリングすることで空気を加湿する。燃料電池４の酸化剤供給口４ｄに供給された加湿空気は、各プレートの入口ヘッダ部に分配供給されて各酸化剤流路に沿って流通し、酸化剤流路から排出される空気（未反応に終わった空気）は出口ヘッダ部で合流し、燃料電池４の酸化剤排出口４ｃ（詳しくは外部マニホールドの酸化剤排出口）から排出される。この排出された未反応空気は、前記全熱交換器７を通って外部に排気される。
【００３２】
このようにして、燃料電池４に燃料ガスと酸化剤とが供給され、前記ＭＥＡの電解質膜を介して電気化学反応が生じることで直流電力が発電される。一方、前記水循環経路８内の水は、燃料電池４の熱媒体供給口４ｂに供給され、電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れて各アノード冷却プレート２の入口ヘッダ部に分配供給されて各熱媒体流路に沿って流通し、熱媒体流路から排出される水は出口ヘッダ部で合流し、電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れて熱媒体排出口４ａから排出される。
【００３３】
アノード冷却プレート２は、前記のように熱媒体流路２ｂが燃料流路２ａと背中合わせ状態に設けられているため、このアノード冷却プレート２を冷却することができる。又、アノード冷却プレート２の熱媒体流路２ｂは、前記のようにカソード冷却プレート３の酸化剤流路が形成されていない面側に面接しているため、このカソード冷却プレート３も冷却することができる。これにより、発電中における燃料電池４を冷却して正常な運転温度（約８０℃）に保持する。
【００３４】
ところで、燃料電池４から排出される熱媒体としての水の温度は７８℃程度にまで昇温されており、この高温水を前記空気加湿器５に導入すると内部の水の温度を高めることができる。空気加湿器５を通過した水温は７６℃程度に下がり、この中温水を前記燃料加湿器６に導入する。前記のように燃料加湿器６には燃料改質装置１１からの高温（１００〜１５０℃）の改質ガスが導入されてバブリングされるため、蒸発熱を奪われるが内部の水は７５〜７６℃に維持される。
【００３５】
燃料加湿器６を通過した高温水は、前記熱交換器７に導入され、ここで貯湯タンク（図略）からの水との間で熱交換され、この水は温水となって貯湯タンクに戻される。熱交換器７を通過した水温は７４℃程度に下がり、この低温水は前記燃料電池４の熱媒体供給口４ｂに供給される。従って、燃料電池４から排出される水を水循環経路８に沿って循環させることにより、熱媒体としての水の熱を有効利用することができる。
【００３６】
本発明では、前記反応ガスの入口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以下、反応ガスの出口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以上に設定する。
【００３７】
反応ガスの入口領域において、反応ガスの露点は熱媒体の温度より低く設定すると、反応ガスが入口領域で熱媒体により加温されることになり、これにより入口領域で加湿反応ガス中の水蒸気が凝縮するのを防ぐことができる。従って、反応ガスの入口領域で凝縮水が流路に付着することはなく、反応ガスは円滑に流れ始めることになる。
【００３８】
反応ガスの出口領域において、反応ガスの露点は熱媒体の温度より高くなるように設定すると、反応ガスが出口領域で熱媒体により冷やされて反応ガス中の水蒸気が凝縮することがある。しかしながら、出口領域で凝縮水が熱媒体流路に付着した場合には、各熱媒体流路に均一に圧力が掛かって水滴を飛ばし易くなるため、短時間にて凝縮水を出口ヘッダ部に排除することができる。従来のように一部の流路に凝縮水が付着して詰まると、各流路でのガス分配に不均一が生じて発電性能が不安定になると共に、他の流路に反応ガスが逃げて水滴を飛ばし難くなる。本発明では、上記のように反応ガス出口領域の各流路内で強制的に結露させることにより、圧力損失を平準化してガス分配を均一化することができる。
【００３９】
上記実施形態では、燃料ガスと酸化剤は並行流であって重力方向の上から下に流れ、熱媒体は反応ガスと対向流であったが、熱媒体は反応ガスと並行流で実施することも可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る請求項１の発明によれば、電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合してなる膜電極接合体と、反応ガス流路及び／又は熱媒体流路を設けたプレートを組み合わせて複数枚積層一体化して構成した燃料電池において、前記反応ガスの少なくとも一方の反応ガス入口領域を熱媒体で加温するので、反応ガスの入口領域で加湿反応ガス中の水蒸気が凝縮するのを防ぐことができる。これにより、反応ガスの流通を良好にすると共にガス分配を均一にし、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００４１】
又、本発明に係る請求項２の発明によれば、電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合してなる膜電極接合体と、一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤流路を設けたバイポーラプレートと、一方の面に燃料流路、他方の面に熱媒体流路を設けたアノード冷却プレートと、一方の面に酸化剤流路、他方の面に熱媒体流路を設けたカソード冷却プレートとを組み合わせて積層一体化した燃料電池を備え、前記アノード冷却プレートの熱媒体流路に前記燃料電池から排出される熱媒体を供給することにより、アノード冷却プレート及び／又はカソード冷却プレートの反応ガス入口領域を加温することを特徴とする燃料電池システムであるから、反応ガス流路に何ら加工を施すことなく凝縮水対策が可能
となる。
【００４２】
更に、本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項２の燃料電池システムにおいて、燃料ガスと酸化剤は並行流であって重力方向の上から下に流れ、熱媒体は反応ガスと並行流又は対向流であることを特徴とし、これにより電池スタックのプレート構成の自由度を高めることができる。
【００４３】
本発明に係る請求項４の発明によれば、請求項２又は請求項３の燃料電池システムにおいて、反応ガス流路入口部に流路抵抗発生部を設けたので、反応ガスの流れを調整して各流路に反応ガスを均一に分配するとができると共に、ガス流路内に凝縮水が付着したとしても吹き飛ばして排除することができる。
【００４４】
本発明に係る請求項５の発明によれば、請求項２乃至請求項４いずれか１項の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスの入口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以下、反応ガスの出口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以上に設定したので、入口領域では反応ガスの結露を防止すると共に、出口領域では反応ガスの結露を強制的に行うことで圧力損失を平準化してガス分配を均一化することができる。
【００４５】
本発明に係る請求項６の発明によれば、請求項２乃至請求項５いずれか１項の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に空気加湿器及び燃料加湿器を連結し、燃料電池から排出される熱媒体をこれら加湿器に導入して熱交換させるので、燃料電池から排出される熱媒体の熱を有効利用することができる。
【００４６】
本発明に係る請求項７の発明によれば、前記燃料電池に全熱交換器を連結し、燃料電池から排出される空気と前記空気加湿器に供給する前の反応ガスとの間で全熱交換させることを特徴とする燃料電池システムであるから、燃料電池から排出される未反応酸化剤（空気）の熱を有効利用することができる。
【００４７】
本発明に係る請求項８の発明によれば、請求項２乃至請求項７いずれか１項の燃料電池システムにおいて、燃料電池に空気加湿器及び燃料加湿器と熱交換器を連結して水循環経路を形成し、前記燃料加湿器には燃料改質装置を連結し、且つ前記燃料電池に全熱交換器を連結し、この全熱交換器に前記空気加湿器を連結して反応空気供給経路を形成したので、燃料電池から排出される熱媒体としての水熱を有効利用できると共に、燃料電池から排出される未反応酸化剤ガスとしての空気の熱も有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムにおける電池スタックの一部の構成要素を示す概略断面図である。
【図２】電池スタックに組み込まれたバイポーラプレートを示すもので、（ａ）は燃料流路側の平面図、（ｂ）は酸化剤流路側の平面図である。
【図３】電池スタックに組み込まれたアノード冷却プレートを示すもので、（ａ）は燃料流路側の平面図、（ｂ）は水流路側の平面図である。
【図４】電池スタックに組み込まれたカソード冷却プレートを示すもので、（ａ）は酸化剤流路側の平面図、（ｂ）は流路が形成されていない側の平面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１…バイポーラプレート
１ａ…燃料流路
１ｂ…酸化剤流路
２…アノード冷却プレート
２ａ…燃料流路
２ｂ…熱媒体流路
３…カソード冷却プレート
３ｂ…酸化剤流路
４…燃料電池
５…空気加湿器
６…燃料加湿器
７…熱交換器
８…水循環経路
９…全熱交換器
１０…空気供給経路
１１…燃料改質装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell, has a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) in which an anode electrode is joined to one surface of an electrolyte membrane and a cathode electrode is joined to the other surface, and a reaction gas (fuel gas). And an oxidizing agent), and a plate for passing a heat medium such as cooling water, and a plurality of these are laminated and integrated to form a battery stack. Then, a fuel gas is supplied to the anode electrode side of the membrane electrode assembly, and an oxidizing agent such as air is supplied to the cathode electrode side, and an electrochemical reaction is caused through the electrolyte membrane to generate DC power. It is.
[0003]
In the above-mentioned polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane is required to be wet in order to sufficiently exhibit proton permeability during power generation. For this reason, conventionally, the reaction gas is humidified by a humidifier and then supplied to the fuel cell, and the electrolyte membrane is wetted by water vapor contained in the reaction gas to maintain a wet state.
[0004]
However, when the humidified reaction gas is supplied to the plate of the battery stack, it is cooled near the gas inlet of the plate, the dew point of the reaction gas decreases, and the water vapor in the reaction gas condenses and adheres in the gas flow path. Occurs. When the condensed water adheres to the gas flow path, the flow of the reaction gas is hindered and the gas distribution to the plurality of flow paths becomes uneven, or the gas supply to the electrodes becomes insufficient, thereby lowering the power generation performance. Will be. As means for preventing the deterioration of the power generation performance caused by such condensed water, for example, a water absorbing material is provided in the gas passage, or the unhumidified gas is supplied from an intermediate portion of the gas passage to remove the condensed water. Prior arts, such as, for example, are disclosed (for example, Patent Document 1).
[0005]
The operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is set to about 80 ° C. in order to continue normal operation, but the temperature of the cell stack is raised because the electrochemical reaction is an exothermic reaction. For this reason, conventionally, a heating medium such as cooling water is supplied to the plates of the battery stack to cool the plates, thereby maintaining the battery stack at an appropriate operating temperature. As a cooling water supply unit as a heat medium, a cooling water circulation path connecting a fuel cell and a water tank is configured, and the cooling water is generally supplied from the water tank to the fuel cell via a pump (for example, Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-6-89730 [Patent Document 2]
JP 10-55812 A
[Problems to be solved by the invention]
According to the above-mentioned conventional condensed water removing means, it is necessary to attach a water absorbing material in relation to the gas flow path, or to provide a supply hole for unhumidified gas in the middle of the gas flow path. There is a problem that it takes time to form holes. Further, according to the above-mentioned conventional cooling water supply means, the structure is simple, but there is a problem that the heat of the cooling water discharged from the fuel cell at a high temperature (78 to 80 ° C.) cannot be effectively used.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the prior art, and it is possible to take measures against condensed water without performing any processing on a gas flow path, and to make effective use of heat of a heat medium discharged from a fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell and a fuel cell system which have been described.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a means for solving the above object, a first aspect of the present invention is a membrane electrode assembly in which an anode electrode is joined to one surface of an electrolyte membrane and a cathode electrode is joined to the other surface; And / or a fuel cell configured by laminating and integrating a plurality of plates provided with a heat medium flow path, wherein at least one reaction gas inlet region of the reaction gas is heated with a heat medium.
[0010]
A second aspect of the present invention relates to a membrane electrode assembly in which an anode electrode is joined to one side of an electrolyte membrane and a cathode electrode is joined to the other side, a fuel flow path is provided on one side, and an oxidized side is provided on the other side. A bipolar plate having an agent flow path, a fuel flow path on one side, an anode cooling plate having a heat medium flow path on the other side, an oxidant flow path on one side, and a heat medium flow on the other side. A fuel cell integrated and stacked with a cathode cooling plate provided with a passage; and supplying a heat medium discharged from the fuel cell to a heat medium flow path of the anode cooling plate, thereby forming the anode cooling plate and / or Alternatively, the fuel cell system is characterized in that a reaction gas inlet region of the cathode cooling plate is heated.
[0011]
Further, according to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the second aspect, the fuel gas and the oxidant flow in a parallel flow from the top to the bottom in the direction of gravity, and the heat medium flows in the parallel or counter flow with the reaction gas. It is characterized by being.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the second or third aspect, a flow path resistance generating section is provided at a reaction gas flow path inlet.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the second to fourth aspects, a dew point of the reaction gas is equal to or lower than a temperature of the heat medium in an inlet region of the reaction gas, and an outlet region of the reaction gas. Is characterized in that the dew point of the reaction gas is set to be equal to or higher than the temperature of the heat medium.
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the second to fifth aspects, an air humidifier and a fuel humidifier are connected to the fuel cell, and the heat medium discharged from the fuel cell is connected to the air humidifier and the fuel humidifier. It is characterized by being introduced into a humidifier for heat exchange.
[0015]
According to a seventh aspect of the present invention, a total heat exchanger is connected to the fuel cell, and a total heat exchange is performed between air discharged from the fuel cell and a reaction gas before being supplied to the air humidifier. Is a fuel cell system.
[0016]
According to an eighth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the second to seventh aspects, the air humidifier and the fuel humidifier and the heat exchanger are connected to the fuel cell to form a water circulation path, A fuel reformer is connected to the fuel humidifier, a total heat exchanger is connected to the fuel cell, and the air humidifier is connected to the total heat exchanger to form a reaction air supply path. And
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing some components of the fuel cell stack. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a bipolar plate, in which a groove-shaped fuel flow path 1a is provided in a straight line on one surface, and a groove-shaped oxidant flow path 1b is also provided in a straight line on the other surface. Have been.
[0018]
FIG. 2A is a plan view of the bipolar plate 1 on the fuel flow path side, and a recessed inlet header 1c communicating with each fuel flow path 1a is provided at the inlet of the fuel flow path 1a. The section 1c is connected to the fuel supply manifold 1d. The outlet of the fuel passage 1a is provided with a recessed outlet header 1e communicating with each fuel passage 1a, and the outlet header 1e is connected to the fuel discharge manifold 1f. Further, a nozzle-shaped flow path resistance generating portion 1g is attached to an inlet area of the fuel flow path 1a, so that the cross-sectional area of each fuel flow path 1a is reduced. As a result, the fuel gas flows from the fuel supply manifold 1d into the inlet header 1c, is accelerated by the flow path resistance generator 1g, flows into each fuel flow path 1a, and flows from the outlet of the fuel flow path 1a to the outlet header 1e. The fuel is discharged and merged, and discharged to the fuel discharge manifold 1f.
[0019]
FIG. 2B is a plan view of the bipolar plate 1 on the oxidant flow path side, and a concave-shaped inlet header 1h communicating with each oxidant flow path 1b is provided at the inlet of the oxidant flow path 1b. The outlet of the oxidizing agent channel 1b is provided with a concave outlet header portion 1i communicating with each oxidizing agent channel 1b. A nozzle-shaped flow path resistance generating portion 1j is attached to the inlet region of the oxidant flow path 1b, and the cross-sectional area of each oxidant flow path 1b is reduced. As a result, air as an oxidant flows into the inlet header 1h, is accelerated by the flow resistance generator 1j, flows into each oxidant flow path 1b, and is discharged from the outlet of the oxidant flow path 1b to the outlet header 1i. Exhaust to the outside. In FIGS. 2A and 2B, 1k is a water supply manifold, and 1m is a water discharge manifold.
[0020]
In FIG. 1, reference numeral 2 denotes an anode cooling plate in which a groove-shaped fuel flow path 2a is straightly arranged on one surface, and a groove-shaped heat medium flow path 2b is also straightly arranged on the other surface. Has been established.
[0021]
FIG. 3A is a plan view of the anode cooling plate 2 on the fuel flow path side, and a recessed inlet header 2c communicating with each fuel flow path 2a is provided at the inlet of the fuel flow path 2a. The header 2c is connected to the fuel supply manifold 2d. At the outlet of the fuel passage 2a, a recessed outlet header 2e communicating with each fuel passage 2a is provided, and the outlet header 2e is connected to a fuel discharge manifold 2f. Further, a nozzle-shaped flow path resistance generating portion 2g is attached to the inlet area of the fuel flow path 2a, so that the cross-sectional area of each fuel flow path 2a is reduced. As a result, the fuel gas flows from the fuel supply manifold 2d into the inlet header 2c, is accelerated by the flow resistance generator 2g, flows into each fuel flow passage 2a, and flows from the outlet of the fuel flow passage 2a to the outlet header 2e. The fuel is discharged and merged, and discharged to the fuel discharge manifold 2f.
[0022]
FIG. 3B is a plan view of the anode cooling plate 2 on the side of the heat medium flow path. At the inlet of the heat medium flow path 2b, a concave-shaped inlet header 2h communicating with each heat medium flow path 2b is provided. The inlet header 2h is connected to the heat medium supply manifold 2k. The outlet of the heat medium flow passage 2b is provided with a recessed outlet header 2i communicating with each heat medium flow passage 2b, and the outlet header 2i is connected to the heat medium discharge manifold 2m. As a result, water as a heat medium flows from the heat medium supply manifold 2k into the inlet header 2h, flows into each heat medium flow path 2b, is discharged from the outlet of the heat medium flow path 2b to the outlet header 2i, and merges. At the same time, the heat medium is discharged to the heat medium discharge manifold 2m.
[0023]
The anode cooling plate 2 configured as described above has the surface on the fuel flow path 2a side facing the surface on the oxidant flow path 1b side of the bipolar plate 1, and is positioned with the MEA therebetween. A gasket G is provided so as to surround the outer periphery of the MEA.
[0024]
In FIG. 1, reference numeral 3 denotes a cathode cooling plate, and a groove-shaped oxidizing agent passage 3b is provided on one surface in a straight line.
[0025]
FIG. 4A is a plan view of the cathode cooling plate 3 on the oxidant channel 3b side, and a concave inlet header portion 3h communicating with each oxidant channel 3b is provided at the entrance of the oxidant channel 3b. At the outlet of the oxidizing agent passage 3b, a concave outlet header portion 3i communicating with each oxidizing agent passage 3b is provided. A nozzle-shaped flow path resistance generating portion 3g is attached to the entrance region of the oxidant flow path 3b, and the cross-sectional area of each oxidant flow path 3b is reduced. As a result, air as an oxidant flows into the inlet header 3h, is accelerated by the flow resistance generator 3g, flows into each oxidant flow passage 3b, and is discharged from the outlet of the oxidant flow passage 3b to the outlet header 3i. Exhaust to the outside. FIG. 4B is a plan view of the cathode cooling plate 3 on the side where the oxidizing agent channel 3b is not formed. 4 (a) and 4 (b), 3d is a fuel supply manifold, 3f is a fuel discharge manifold, 3k is a heat medium supply manifold, and 3m is a heat medium discharge manifold.
[0026]
The cathode cooling plate 3 is positioned such that the surface on which the oxidizing agent channel 3b is not formed faces the surface of the anode cooling plate 2 on the side of the heat medium channel 2b. Further, with respect to the cathode cooling plate 3, the surface on the fuel flow path 1a side of the bipolar plate 1 having the same configuration as the bipolar plate 1 is opposed to the surface on the oxidant flow path 3b side, and the MEA is inserted therebetween. , The bipolar plate 1 is positioned. Also in this case, the gasket G is attached so as to surround the outer peripheral portion of the MEA.
[0027]
A battery stack is formed by combining and stacking a plurality of plates in such an order, arranging end plates (not shown) at both ends, and tightening and integrating them with rods or the like. Each of the fuel supply manifold, the fuel discharge manifold, the heat medium supply manifold, and the heat medium discharge manifold in each plate constitutes a communication hole that communicates in the stacking direction of the battery stack.
[0028]
FIG. 5 is a configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. An air humidifier 5 is connected to a heat medium outlet 4 a of a fuel cell 4, and a fuel humidifier 6 is connected to the air humidifier 5. By connecting the heat exchanger 7 to the fuel humidifier 6 and the heat medium supply port 4b of the fuel cell 4 to the heat exchanger 7, a water circulation path 8 of water as a heat medium is formed. .
[0029]
Further, the total heat exchanger 9 is connected to the oxidant discharge port 4c of the fuel cell 4, the air humidifier 5 is connected to the total heat exchanger 9, and the oxidant supply of the fuel cell 4 is supplied to the air humidifier 5. By connecting the ports 4d, an air supply path 10 for air as an oxidizing agent is formed. The oxidant supply port 4d is provided in an oxidant supply external manifold (not shown) attached to the upper portion of the battery stack, and distributes and supplies air as the oxidant from the external manifold to the oxidant flow path of each plate. The oxidizing agent discharge port 4c is provided in an external manifold (not shown) for discharging the oxidizing agent attached to the lower part of the battery stack, and the air as the oxidizing agent discharged from the oxidizing agent passage of each plate is joined to the oxidizing agent. It is configured to discharge from the discharge port 4c.
[0030]
Further, a fuel reformer 11 is connected to the fuel humidifier 6 to generate a reformed gas mainly composed of hydrogen from the raw fuel such as city gas by the fuel reformer 11. After humidification, the fuel is supplied to the fuel supply port 4e of the fuel cell 4. Water is stored inside the fuel humidifier 6, and the reformed gas is humidified by bubbling the reformed gas into the water. The humidified fuel gas supplied to the fuel supply port 4e of the fuel cell 4 flows through the communication hole formed in the stacking direction in the cell stack by the fuel supply manifold, and is distributed and supplied to the fuel inlet header of each plate. The fuel gas (unreacted fuel gas) that flows along each fuel flow path and is discharged from the fuel flow path merges at the outlet header portion and passes through the communication hole formed in the stacking direction in the cell stack. It flows and is discharged outside. The unreacted fuel gas discharged to the outside is generally sent from a fuel outlet 4f to a reformer burner of the fuel reformer and burned.
[0031]
The air taken in from the outside as an oxidant exchanges heat and moisture in the total heat exchanger 9, and then is supplied to an oxidant supply port 4d of the fuel cell (specifically, an oxidant supply port of an external manifold). Water is stored inside the air humidifier 5, and the air is humidified by bubbling air into the water. The humidified air supplied to the oxidant supply port 4d of the fuel cell 4 is distributed and supplied to the inlet header of each plate, flows along each oxidant flow path, and is discharged from the oxidant flow path (not yet discharged). The air that has completed the reaction merges at the outlet header and is discharged from the oxidant discharge port 4c of the fuel cell 4 (specifically, the oxidant discharge port of the external manifold). The discharged unreacted air passes through the total heat exchanger 7 and is exhausted to the outside.
[0032]
In this way, the fuel gas and the oxidant are supplied to the fuel cell 4 and an electrochemical reaction occurs through the electrolyte membrane of the MEA to generate DC power. On the other hand, the water in the water circulation path 8 is supplied to the heat medium supply port 4 b of the fuel cell 4, flows through the communication holes formed in the stacking direction in the cell stack, and flows into the inlet header of each anode cooling plate 2. The water that is distributed and supplied flows along each heat medium flow path, and the water discharged from the heat medium flow path merges at the outlet header portion, flows through the communication holes formed in the stacking direction in the battery stack, and flows through the heat medium. It is discharged from the discharge port 4a.
[0033]
The anode cooling plate 2 can cool the anode cooling plate 2 because the heat medium flow passage 2b is provided in a back-to-back state with the fuel flow passage 2a as described above. Further, since the heat medium passage 2b of the anode cooling plate 2 is in contact with the surface of the cathode cooling plate 3 where the oxidizing agent passage is not formed as described above, the cathode cooling plate 3 is also cooled. Can be. As a result, the fuel cell 4 during power generation is cooled to maintain a normal operating temperature (about 80 ° C.).
[0034]
By the way, the temperature of water as a heat medium discharged from the fuel cell 4 is raised to about 78 ° C., and when this high-temperature water is introduced into the air humidifier 5, the temperature of the water inside can be increased. . The temperature of the water passing through the air humidifier 5 drops to about 76 ° C., and the medium-temperature water is introduced into the fuel humidifier 6. As described above, since the high-temperature (100 to 150 ° C.) reformed gas from the fuel reformer 11 is introduced into the fuel humidifier 6 and bubbled, the heat of evaporation is deprived, but the water inside is reduced to 75 to 76. C. is maintained.
[0035]
The high-temperature water that has passed through the fuel humidifier 6 is introduced into the heat exchanger 7, where it is exchanged with water from a hot water storage tank (not shown), and this water is returned to the hot water storage tank as hot water. It is. The temperature of the water passing through the heat exchanger 7 drops to about 74 ° C., and the low-temperature water is supplied to the heat medium supply port 4 b of the fuel cell 4. Therefore, by circulating the water discharged from the fuel cell 4 along the water circulation path 8, the heat of the water as the heat medium can be effectively used.
[0036]
In the present invention, the dew point of the reaction gas is set to be equal to or lower than the temperature of the heat medium in the reaction gas inlet region, and the dew point of the reaction gas is set to be equal to or higher than the temperature of the heat medium in the reaction gas outlet region.
[0037]
If the dew point of the reaction gas is set lower than the temperature of the heating medium in the inlet area of the reaction gas, the reaction gas is heated by the heating medium in the inlet area. Condensation can be prevented. Therefore, the condensed water does not adhere to the flow path in the inlet region of the reaction gas, and the reaction gas starts to flow smoothly.
[0038]
If the dew point of the reaction gas is set to be higher than the temperature of the heat medium in the outlet region of the reaction gas, the reaction gas may be cooled by the heat medium in the outlet region and water vapor in the reaction gas may condense. However, if condensed water adheres to the heat medium flow path in the outlet area, the pressure is uniformly applied to each heat medium flow path, which makes it easy to fly water droplets. can do. If condensed water adheres and clogs some channels as in the past, the gas distribution in each channel will be uneven, causing unstable power generation performance and the reaction gas escaping to other channels. Makes it difficult to splash water drops. In the present invention, the pressure loss is leveled and the gas distribution can be made uniform by forcibly dew condensation in each flow path in the reaction gas outlet region as described above.
[0039]
In the above embodiment, the fuel gas and the oxidizing agent flow in parallel and flow from the top to the bottom in the direction of gravity, and the heat medium is a counter flow with the reaction gas. Is also possible.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, a membrane electrode assembly in which an anode electrode is joined to one surface of an electrolyte membrane and a cathode electrode is joined to the other surface, a reaction gas flow path, In a fuel cell in which a plurality of plates provided with a heat medium flow path are combined and stacked and integrated, at least one of the reaction gas inlet regions of the reaction gas is heated with a heat medium, so that the reaction gas inlet region This can prevent water vapor in the humidified reaction gas from condensing. As a result, the flow of the reaction gas can be improved, the gas distribution can be made uniform, and the power generation performance of the fuel cell can be improved.
[0041]
According to the invention of claim 2 of the present invention, a membrane electrode assembly in which an anode electrode is joined to one surface of an electrolyte membrane and a cathode electrode is joined to the other surface, and a fuel flow path is provided on one surface A bipolar plate having an oxidant channel on the other surface, a fuel channel on one surface, an anode cooling plate having a heat medium channel on the other surface, an oxidant channel on one surface, and the other A fuel cell integrated and combined with a cathode cooling plate provided with a heat medium flow path on the surface is provided.By supplying a heat medium discharged from the fuel cell to the heat medium flow path of the anode cooling plate, Since the fuel cell system is characterized in that the reaction gas inlet region of the anode cooling plate and / or the cathode cooling plate is heated, countermeasures against condensed water can be performed without any processing on the reaction gas flow path.
[0042]
Further, according to the third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the second aspect, the fuel gas and the oxidizing agent flow in a parallel flow from the top to the bottom in the direction of gravity, and the heat medium is mixed with the reaction gas. It is characterized by a parallel flow or a counter flow, whereby the degree of freedom of the plate configuration of the battery stack can be increased.
[0043]
According to the fourth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the second or third aspect, the flow resistance generating section is provided at the inlet of the reaction gas flow path, so that the flow of the reaction gas is adjusted. Thus, the reaction gas can be uniformly distributed to each flow path, and even if condensed water adheres in the gas flow path, it can be blown off and eliminated.
[0044]
According to the invention of claim 5 according to the present invention, in the fuel cell system according to any one of claims 2 to 4, in the inlet region of the reaction gas, the dew point of the reaction gas is equal to or lower than the temperature of the heat medium, In the reaction gas outlet area, the dew point of the reaction gas was set to be equal to or higher than the temperature of the heating medium.Therefore, the reaction gas dew condensation was prevented in the inlet area and the reaction gas dew point was forcibly formed in the outlet area. Loss can be leveled and gas distribution can be uniformed.
[0045]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the second to fifth aspects, an air humidifier and a fuel humidifier are connected to the fuel cell, and the fuel cell is discharged from the fuel cell. Since the heat medium is introduced into these humidifiers for heat exchange, the heat of the heat medium discharged from the fuel cell can be effectively used.
[0046]
According to the invention of claim 7 of the present invention, a total heat exchanger is connected to the fuel cell, and the total heat exchange between the air exhausted from the fuel cell and the reaction gas before being supplied to the air humidifier. Since the fuel cell system is characterized by being replaced, the heat of the unreacted oxidant (air) discharged from the fuel cell can be effectively used.
[0047]
According to an eighth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the second to seventh aspects, an air humidifier, a fuel humidifier, and a heat exchanger are connected to the fuel cell, and a water circulation path is provided. A fuel reformer is connected to the fuel humidifier, a total heat exchanger is connected to the fuel cell, and the air humidifier is connected to the total heat exchanger to form a reaction air supply path. Since it is formed, the water heat as the heat medium discharged from the fuel cell can be effectively used, and the heat of the air as the unreacted oxidant gas discharged from the fuel cell can be also effectively used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing some components of a cell stack in a fuel cell system according to the present invention.
FIGS. 2A and 2B show a bipolar plate incorporated in a battery stack, wherein FIG. 2A is a plan view on a fuel flow path side, and FIG. 2B is a plan view on an oxidant flow path side.
3A and 3B show an anode cooling plate incorporated in a battery stack, wherein FIG. 3A is a plan view on a fuel flow path side, and FIG. 3B is a plan view on a water flow path side.
4A and 4B show a cathode cooling plate incorporated in a battery stack, in which FIG. 4A is a plan view of an oxidant flow path side, and FIG. 4B is a plan view of a side where no flow path is formed.
FIG. 5 is a configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Bipolar plate 1a ... Fuel passage 1b ... Oxidant passage 2 ... Anode cooling plate 2a ... Fuel passage 2b ... Heat medium passage 3 ... Cathode cooling plate 3b ... Oxidant passage 4 ... Fuel cell 5 ... Air humidification Unit 6: fuel humidifier 7: heat exchanger 8: water circulation path 9: total heat exchanger 10: air supply path 11: fuel reformer

Claims

A membrane electrode assembly in which an anode electrode is joined to one surface of the electrolyte membrane and a cathode electrode is joined to the other surface, and a plate provided with a reaction gas flow path and / or a heat medium flow path are combined and laminated into a plurality of sheets. The fuel cell according to claim 1, wherein at least one of the reaction gas inlet regions of the reaction gas is heated with a heat medium.

An anode electrode on one side of the electrolyte membrane, a membrane electrode assembly formed by joining a cathode electrode to the other side, a fuel flow path on one side, and a bipolar plate having an oxidant flow path on the other side; Combining an anode cooling plate with a fuel flow path on one side and a heat medium flow path on the other side, and a cathode cooling plate with an oxidant flow path on one side and a heat medium flow path on the other side A fuel cell integrated and stacked is provided, and a heat medium discharged from the fuel cell is supplied to a heat medium flow path of the anode cooling plate, thereby forming a reaction gas inlet region of the anode cooling plate and / or the cathode cooling plate. A fuel cell system characterized by heating.

3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel gas and the oxidant flow in a parallel flow from the top to the bottom in the direction of gravity, and the heat medium flows in a parallel flow or a counter flow with the reaction gas.

4. The fuel cell system according to claim 2, wherein a flow path resistance generating section is provided at an inlet of the reaction gas flow path.

The dew point of the reaction gas is set to be lower than the temperature of the heat medium in the inlet region of the reaction gas, and the dew point of the reaction gas is set to be higher than the temperature of the heat medium in the outlet region of the reaction gas. The fuel cell system according to claim 4.

6. The air humidifier and the fuel humidifier are connected to the fuel cell, and a heat medium discharged from the fuel cell is introduced into the humidifier for heat exchange. A fuel cell system as described.

A fuel cell system, wherein a total heat exchanger is connected to the fuel cell, and a total heat exchange is performed between air discharged from the fuel cell and a reaction gas before being supplied to the air humidifier.

An air humidifier, a fuel humidifier and a heat exchanger are connected to the fuel cell to form a water circulation path, a fuel reformer is connected to the fuel humidifier, and a total heat exchanger is connected to the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 7, wherein a reaction air supply path is formed by connecting the air humidifier to the total heat exchanger.