JP2005085477A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell not increasing the weight of a system, restraining carbon corrosion, capable of purging gas. <P>SOLUTION: In the fuel cell 1 comprising an anode gas passage 6 on one surface of an electrode layer including an electrolyte (MEA 2) and a cathode gas passage 5 on the other surface, a gas purging passage 7 for flowing the air for purging the gas in the anode gas passage 6 when stopping operation is provided. Further, a plurality of holes (communicating holes 8) for supplying the air nearly evenly from the gas purging passage 7 to the anode gas passage 6 in the passage axial direction are provided . <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池に関する。特に燃料電池停止時にアノード側を掃気するための燃料電池の構成に関する。   The present invention relates to a fuel cell. In particular, the present invention relates to a fuel cell configuration for scavenging the anode side when the fuel cell is stopped.

水素と酸素の電気化学反応から電気エネルギを取り出す燃料電池は、排出物が無害な水だけであること、高効率であることから、将来の自動車用の動力源として注目されている。   Fuel cells that extract electrical energy from the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen are attracting attention as a power source for future automobiles because they emit only harmless water and are highly efficient.

燃料電池は、運転停止時にアノード側流路内で水素領域と空気領域が混在すると、通常の発電状態よりも高い電圧が発生し、カーボンの腐食が促進されるという問題点があった。この問題に対し、定置用燃料電池では、停止運転時にガス流路を窒素により掃気することで、アノード側流路において水素と酸素が反応するのを防止する対策をとっている。しかしながら、移動体においては、窒素の供給源を搭載することは難しく、窒素による掃気に替わる対応策が必要であった。   The fuel cell has a problem in that, when the hydrogen region and the air region are mixed in the anode-side flow path when the operation is stopped, a voltage higher than that in a normal power generation state is generated and the corrosion of carbon is promoted. In order to solve this problem, in the stationary fuel cell, measures are taken to prevent hydrogen and oxygen from reacting in the anode side channel by scavenging the gas channel with nitrogen during the stop operation. However, it is difficult to mount a supply source of nitrogen in a moving body, and a countermeasure to replace scavenging with nitrogen is necessary.

この対応策として、従来の技術では、アノード側流路に対して空気による掃気を短時間で行うことで、過剰な電圧が発生する時間を短縮することにより、カーボン腐食を低減している(例えば、特許文献1、参照)。
米国特許出願公開2002/0076582号明細書
As a countermeasure, the conventional technology reduces carbon corrosion by shortening the time during which excessive voltage is generated by performing scavenging with air in a short time with respect to the anode side flow path (for example, , Patent Document 1).
US Patent Application Publication No. 2002/0076582

しかしながら、上記従来の技術に要求される空気の供給量は非常に多く、要求を満たすのに必要な空気供給装置を自動車に搭載すると重量の増大により車両の性能が低下する。あるいは、空気供給装置を能力の低い小型、軽量のものにすると、十分な効果が得られないという問題点があった。   However, the amount of air supply required for the above-described conventional technology is very large, and if an air supply device necessary for satisfying the requirement is mounted on an automobile, the performance of the vehicle decreases due to an increase in weight. Alternatively, if the air supply device is small and light with low capacity, there is a problem that a sufficient effect cannot be obtained.

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、システムの重量を増大することなく、かつ、カーボン腐食を抑制して掃気を行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can perform scavenging without increasing the weight of the system and suppressing carbon corrosion.

本発明は、電解質を含む電極層の一方の面にアノードガス流路を、他方の面にカソードガス流路を構成した燃料電池において、停止運転時に前記アノードガス流路を掃気するための酸素含有ガスを流通する掃気用流路を備える。さらに、前記掃気用流路から前記アノードガス流路に、流路軸方向に略均等に酸素含有ガスを供給する複数の孔を備える。   The present invention relates to a fuel cell in which an anode gas flow path is formed on one surface of an electrode layer containing an electrolyte and a cathode gas flow path is formed on the other surface, and contains oxygen for scavenging the anode gas flow path during stop operation. A scavenging flow path for circulating gas is provided. Furthermore, a plurality of holes for supplying an oxygen-containing gas from the scavenging flow path to the anode gas flow path substantially uniformly in the flow path axial direction are provided.

アノードガス流路に流路軸方向に略均等に酸素含有ガスを供給して、掃気を行うことができるので、アノードで水素領域と空気領域が混在するのを抑制することができる。その結果、システムの重量を増大することなく、かつ、カーボン腐食を抑制して掃気を行うことができる。   Since scavenging can be performed by supplying an oxygen-containing gas to the anode gas channel substantially evenly in the direction of the channel axis, it is possible to suppress a mixture of a hydrogen region and an air region at the anode. As a result, scavenging can be performed without increasing the weight of the system and suppressing carbon corrosion.

本実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成を図1に示す。ここでは、燃料電池システムとして、移動体、例えば自動車の動力源として使用する燃料電池システムについて説明する。   A schematic configuration of a fuel cell system used in the present embodiment is shown in FIG. Here, as the fuel cell system, a fuel cell system used as a power source of a moving body, for example, an automobile will be described.

酸化剤ガスとしての空気と、燃料ガスとしての水素を用いて発電を行う燃料電池1を備える。燃料電池1には、後述するように空気が供給されるカソードガス流路5、水素が供給されるアノードガス流路6、冷却液または掃気用の空気が流通する掃気用流路7を備える。   A fuel cell 1 that generates power using air as an oxidant gas and hydrogen as a fuel gas is provided. As will be described later, the fuel cell 1 includes a cathode gas channel 5 to which air is supplied, an anode gas channel 6 to which hydrogen is supplied, and a scavenging channel 7 through which coolant or scavenging air flows.

また、カソードガス流路5の上流側には、カソード上流側バルブ9を、下流側にはカソード下流側バルブ10を備える。このカソード上流側バルブ9、カソード下流側バルブ10により、カソードガス流路5内を閉空間とするか否かを選択可能とする。また、カソード下流側バルブ10により、カソードガス流路5内の空気圧力を調整可能とする。カソード上流側バルブ9のさらに上流側には、カソードガス流路5に空気を供給する空気供給装置15を備える。空気供給装置15としては例えばコンプレッサ等を用い、圧縮空気をカソードガス流路5に供給する。   Further, a cathode upstream side valve 9 is provided on the upstream side of the cathode gas flow path 5, and a cathode downstream side valve 10 is provided on the downstream side. With the cathode upstream side valve 9 and the cathode downstream side valve 10, it is possible to select whether or not the inside of the cathode gas flow path 5 is closed. The cathode downstream side valve 10 can adjust the air pressure in the cathode gas flow path 5. An air supply device 15 for supplying air to the cathode gas flow path 5 is provided further upstream of the cathode upstream side valve 9. For example, a compressor or the like is used as the air supply device 15 to supply compressed air to the cathode gas flow path 5.

また、アノードガス流路6の上流側には、アノード上流側バルブ11を、下流側にはアノード下流側バルブ12を備える。このアノード上流側バルブ11、アノード下流側バルブ12により、アノードガス流路6内を閉空間とするか否かを選択可能とする。また、アノード下流側バルブ12により、アノードガス流路6内の水素圧力を調整可能とする。アノード上流側バルブ11のさらに上流には、アノードガス流路6に水素を供給する水素供給装置16を備える。水素供給装置16では、図示しない水素タンク等から供給された高圧水素の圧力を調整して、水素をアノードガス流路6に供給する。または、水素供給装置16として燃料改質システムを用いてもよい。   Further, an anode upstream side valve 11 is provided on the upstream side of the anode gas flow path 6, and an anode downstream side valve 12 is provided on the downstream side. With the anode upstream side valve 11 and the anode downstream side valve 12, it is possible to select whether or not the inside of the anode gas flow path 6 is closed. Further, the hydrogen pressure in the anode gas flow path 6 can be adjusted by the anode downstream side valve 12. A hydrogen supply device 16 for supplying hydrogen to the anode gas flow path 6 is provided further upstream of the anode upstream side valve 11. In the hydrogen supply device 16, the pressure of high-pressure hydrogen supplied from a hydrogen tank or the like (not shown) is adjusted, and hydrogen is supplied to the anode gas flow path 6. Alternatively, a fuel reforming system may be used as the hydrogen supply device 16.

掃気用流路7の上流側には、掃気上流側バルブ13を、下流側には掃気下流側バルブ14を備える。ここでは、掃気用流路7に通常運転時には冷却液を流通させ、停止運転時には掃気用空気を流通させる。そこで、掃気上流側バルブ13として、掃気用流路7に冷却液を流通させるか否かを選択する掃気上流側バルブ13wと、掃気用空気を流通させるか否かを選択する掃気上流側バルブ13aを備える。   A scavenging upstream valve 13 is provided upstream of the scavenging flow path 7, and a scavenging downstream valve 14 is provided downstream. Here, the coolant is circulated through the scavenging flow path 7 during normal operation, and the scavenging air is circulated during stop operation. Therefore, as the scavenging upstream valve 13, a scavenging upstream valve 13w that selects whether or not the coolant flows through the scavenging flow path 7, and a scavenging upstream valve 13a that selects whether or not the scavenging air flows. Is provided.

掃気用流路7に冷却液を循環させることにより燃料電池1の温度を調整する冷却系を、冷却液ポンプ17、冷却液タンク18、ラジエータ19から構成する。また、冷却液として純水を用いる。冷却液タンク18内に貯蔵された冷却液を冷却液ポンプ17により取り出し、掃気上流側バルブ13wを介して掃気用流路7に循環させる。燃料電池1内で、発電に伴って生じた熱を吸収することにより高温となった冷却液を、掃気下流側バルブ14を介してラジエータ19に流通させることにより温度調整し、再び冷却液タンク18に回収する。なお、冷却液タンク18を、タンク内圧力を調整可能なタンクとする。例えば、冷却液タンク18の上方に開放バルブ18aを備え、これを開とすることにより、冷却液タンク18内のガスを排出可能な構成とする。   A cooling system that adjusts the temperature of the fuel cell 1 by circulating the coolant through the scavenging flow path 7 includes a coolant pump 17, a coolant tank 18, and a radiator 19. Further, pure water is used as the cooling liquid. The coolant stored in the coolant tank 18 is taken out by the coolant pump 17 and circulated through the scavenging flow path 7 via the scavenging upstream valve 13w. In the fuel cell 1, the temperature of the coolant that has become high by absorbing heat generated by power generation is circulated to the radiator 19 through the scavenging downstream valve 14, and the coolant tank 18 is again adjusted. To recover. The coolant tank 18 is a tank capable of adjusting the tank internal pressure. For example, an opening valve 18a is provided above the coolant tank 18, and the gas in the coolant tank 18 can be discharged by opening the valve 18a.

一方、掃気用流路7に掃気用空気を流通させるために、掃気ガス配管20を備える。ここでは、掃気ガス配管20を、空気供給装置15からカソードガス流路5に接続される配管から分岐して、掃気用流路7に接続する配管とする。掃気ガス配管20には、掃気上流側バルブ13aを備える。なお、ここでは掃気用空気を供給する空気供給装置として、カソード上流側バルブ9の上流に配置した空気供給装置15を用いたがこの限りではなく、掃気用の空気供給装置を別に備えても良い。   On the other hand, a scavenging gas pipe 20 is provided to allow the scavenging air to flow through the scavenging flow path 7. Here, the scavenging gas pipe 20 is a pipe branched from the pipe connected to the cathode gas flow path 5 from the air supply device 15 and connected to the scavenging flow path 7. The scavenging gas pipe 20 includes a scavenging upstream valve 13a. Here, the air supply device 15 disposed upstream of the cathode upstream side valve 9 is used as the air supply device for supplying the scavenging air. However, the present invention is not limited to this, and a separate air supply device for scavenging may be provided. .

次に、このような燃料電池システムに用いる燃料電池1の概略を図2に示す。図2には、燃料電池1を単一の燃料電池セルで示しているが、必要とされる発電量に応じて複数の燃料電池セルを積層することにより構成してもよい。   Next, FIG. 2 shows an outline of the fuel cell 1 used in such a fuel cell system. In FIG. 2, the fuel cell 1 is shown as a single fuel cell, but may be configured by stacking a plurality of fuel cells depending on the required power generation amount.

燃料電池1を、電解質膜、触媒層、ガス拡散層からなるMEA2と、MEA2を狭持するカソード側セパレータ3、アノード側セパレータ4と、から構成する。カソード側セパレータ3とMEA2との間にカソードガス流路5を形成する。例えば、カソード側セパレータ3のMEA2に対峙する面に溝を形成することによりカソードガス流路5を形成する。カソードガス流路5に、空気供給装置15から供給された空気を流通させることにより、MEA2カソード側のガス拡散層および触媒層に空気を供給して電極反応を生じる。   The fuel cell 1 includes an MEA 2 composed of an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer, and a cathode side separator 3 and an anode side separator 4 that sandwich the MEA 2. A cathode gas flow path 5 is formed between the cathode side separator 3 and the MEA 2. For example, the cathode gas flow path 5 is formed by forming a groove on the surface facing the MEA 2 of the cathode side separator 3. By causing the air supplied from the air supply device 15 to flow through the cathode gas channel 5, air is supplied to the gas diffusion layer and the catalyst layer on the MEA2 cathode side to cause an electrode reaction.

一方、アノード側セパレータ4とMEA2との間にアノードガス流路6を形成する。例えば、アノード側セパレータ4のMEA2に対峙する面に溝を形成することによりアノードガス流路6を形成する。アノードガス流路6に、水素供給装置16から供給された水素を流通させることにより、MEA2のアノード側のガス拡散層および触媒層に水素を供給して電極反応を生じる。   On the other hand, an anode gas flow path 6 is formed between the anode side separator 4 and the MEA 2. For example, the anode gas flow path 6 is formed by forming a groove on the surface facing the MEA 2 of the anode side separator 4. By supplying the hydrogen supplied from the hydrogen supply device 16 to the anode gas flow path 6, hydrogen is supplied to the gas diffusion layer and the catalyst layer on the anode side of the MEA 2 to cause an electrode reaction.

また、アノード側セパレータ4の内部に、掃気用流路7を形成する。掃気用流路7は、アノードガス流路6に平行に、かつ、アノードガス流路6に対してMEA2と反対側に位置するように構成する。つまり、アノード側セパレータ4を、MEA2およびアノードガス流路6と掃気用流路7とに挟まれる領域4aと、掃気用流路7のさらに外側の領域4bと、から構成する。   Further, a scavenging flow path 7 is formed inside the anode side separator 4. The scavenging flow path 7 is configured to be parallel to the anode gas flow path 6 and on the opposite side of the MEA 2 with respect to the anode gas flow path 6. That is, the anode-side separator 4 is composed of a region 4 a sandwiched between the MEA 2 and the anode gas flow channel 6 and the scavenging flow channel 7 and a region 4 b further outside the scavenging flow channel 7.

アノード側セパレータ4の領域4aには、アノードガス流路6と掃気用流路7を連通する複数の孔8を構成する。ここでは、領域4aを、ガスを透過する多孔質体で形成することにより孔8を構成する。このとき、領域4bも同様に多孔質体により形成してもよい。つまり、アノード側セパレータ4を多孔質体により構成してもよい。   A plurality of holes 8 that communicate the anode gas flow path 6 and the scavenging flow path 7 are formed in the region 4 a of the anode side separator 4. Here, the holes 8 are formed by forming the region 4a with a porous body that allows gas to pass therethrough. At this time, the region 4b may be formed of a porous body as well. That is, you may comprise the anode side separator 4 with a porous body.

次に、このような燃料電池1の制御方法について説明する。   Next, a method for controlling the fuel cell 1 will be described.

起動・停止プロセス以外の運転時には、掃気用流路7に燃料電池1の温度を調整する冷却液を流通させる。つまり、掃気上流側バルブ13aを閉とし、掃気上流側バルブ13wを開とする。冷却液ポンプ17を駆動することにより冷却液タンク18内の冷却液を取り出し、燃料電池1の掃気用流路7に循環させる。   During operation other than the start / stop process, a coolant for adjusting the temperature of the fuel cell 1 is circulated through the scavenging flow path 7. That is, the scavenging upstream valve 13a is closed and the scavenging upstream valve 13w is opened. By driving the coolant pump 17, the coolant in the coolant tank 18 is taken out and circulated through the scavenging flow path 7 of the fuel cell 1.

また、要求負荷に応じてカソードガス流路5に空気を、アノードガス流路6に水素を供給する。この空気と水素を用いてMEA2において電気化学反応を生じることにより発電を行う。このとき発電に伴って熱が生じて燃料電池1の温度が上昇するが、掃気用流路7を流通する冷却液と熱交換を行うことにより、燃料電池1を運転に適した温度に維持することができる。熱交換により温度上昇した冷却液を、ラジエータ19において温度調整してから再び冷却液タンク18に回収する。なお、ここでは、領域4aを多孔質体により構成し、かつ、冷却液として純水を用いているので、冷却液圧力を調整することにより、アノードガス流路6を流通する水素を、掃気用流路7を流通する純水により加湿することができる。   Further, air is supplied to the cathode gas flow path 5 and hydrogen is supplied to the anode gas flow path 6 according to the required load. Electric power is generated by causing an electrochemical reaction in the MEA 2 using the air and hydrogen. At this time, heat is generated with power generation and the temperature of the fuel cell 1 rises. However, heat exchange with the coolant flowing through the scavenging flow path 7 maintains the fuel cell 1 at a temperature suitable for operation. be able to. The coolant whose temperature has been raised by heat exchange is adjusted in the radiator 19 and then collected again in the coolant tank 18. Here, since the region 4a is formed of a porous body and pure water is used as the cooling liquid, the hydrogen flowing through the anode gas flow path 6 is used for scavenging by adjusting the cooling liquid pressure. It can be humidified by pure water flowing through the flow path 7.

停止信号が検知されたら、アノードガス流路6への水素の供給を停止する。また、燃料電池1を図示しない放電用負荷に接続する。さらにアノードの掃気を要求する信号が検知されたら、アノード上流側バルブ11とアノード下流側バルブ12を閉とする。つまり、アノードガス流路6を閉空間とする。一方、カソードガス流路5への空気の供給は継続しておく。このとき、カソードガス流路5内の圧力を、アノードガス流路6内の圧力と略同じに維持されるように空気供給装置15およびカソード下流側バルブ10を制御する。   When the stop signal is detected, the supply of hydrogen to the anode gas flow path 6 is stopped. Further, the fuel cell 1 is connected to a discharge load (not shown). Further, when a signal requesting scavenging of the anode is detected, the anode upstream side valve 11 and the anode downstream side valve 12 are closed. That is, the anode gas flow path 6 is a closed space. On the other hand, the supply of air to the cathode gas channel 5 is continued. At this time, the air supply device 15 and the cathode downstream side valve 10 are controlled so that the pressure in the cathode gas passage 5 is maintained substantially the same as the pressure in the anode gas passage 6.

次に、掃気用流路7内の冷却液を空気により掃気する。ここでは、掃気上流側バルブ13wを閉とし、掃気上流側バルブ13aを開とすることにより、冷却液の循環を停止して掃気用空気の供給を開始する。また、掃気下流側バルブ14を開とする。これにより、空気供給装置16により掃気用流路7内の冷却液を冷却液タンク18内に回収する。このとき、冷却液タンク18内の圧力が過剰に上昇しないように、開放バルブ部18aを開としておく。   Next, the coolant in the scavenging flow path 7 is scavenged with air. Here, the scavenging upstream valve 13w is closed and the scavenging upstream valve 13a is opened, thereby stopping the circulation of the coolant and starting the supply of scavenging air. Further, the scavenging downstream valve 14 is opened. Thus, the coolant in the scavenging flow path 7 is collected in the coolant tank 18 by the air supply device 16. At this time, the open valve portion 18a is opened so that the pressure in the coolant tank 18 does not increase excessively.

掃気用流路7から冷却液が掃気されたら掃気下流側バルブ14を閉じる。掃気上流側バルブ13aを介して供給される空気の圧力が、アノードガス流路6内の水素の圧力と同程度となるように調整する。これにより、アノードガス流路6内の水素がカソードガス流路5側の酸素と電気化学反応を生じることにより消費され、アノードガス流路6内は孔8を通って領域4aを透過した空気に置換される。このとき、空気は発電面に沿って略均一にアノードガス流路6内に供給される。そのため、置換開始時には、アノードガス流路6内は、アノード側セパレータ4側に空気、MEA2側に燃料ガスが存在する。つまり、アノードガス流路6内で、反応面に沿った水素の層と空気の層が形成される。水素が消費されるに従って、徐々に空気が占める空間が広がる。このとき、アノードガス流路6内の水素濃度は小さくなり、水素と空気の境界がぼやけて水素・空気の境界は存在しなくなる。このため、MEA2内で水素と空気との界面が存在することによりアノード側の反応領域内で電池が形成されるのを避けることができる。   When the coolant is scavenged from the scavenging flow path 7, the scavenging downstream valve 14 is closed. The pressure of the air supplied through the scavenging upstream valve 13a is adjusted to be approximately the same as the pressure of hydrogen in the anode gas flow path 6. As a result, hydrogen in the anode gas flow path 6 is consumed by causing an electrochemical reaction with oxygen on the cathode gas flow path 5 side, and the anode gas flow path 6 is converted into air that has passed through the region 4a through the holes 8. Replaced. At this time, air is supplied into the anode gas flow path 6 substantially uniformly along the power generation surface. Therefore, at the start of replacement, air is present on the anode separator 4 side and fuel gas is present on the MEA 2 side in the anode gas flow path 6. That is, a hydrogen layer and an air layer are formed in the anode gas flow path 6 along the reaction surface. As hydrogen is consumed, the space occupied by air gradually expands. At this time, the hydrogen concentration in the anode gas flow path 6 decreases, the boundary between hydrogen and air blurs, and the boundary between hydrogen and air does not exist. For this reason, it can be avoided that a battery is formed in the reaction region on the anode side due to the presence of an interface between hydrogen and air in the MEA 2.

なお、掃気用流路7に供給する空気を、水素の消費量以上に設定してもよい。この場合には、アノードガス流路6内は短時間の間に水素と空気の混合気に置換されるため、MEA2のアノード側の触媒上で水素と酸素が直接反応する。そのため、アノード側の反応領域内に電池が形成されるのを防ぐことができ、カーボン腐食を抑制することができる。なお、このときアノードガス流路6内の水素量が、水素と空気の混合気が燃料リーンの状態となる程度まで水素が低減されてから空気の供給量を増大して混合気を生成するのが望ましい。   Note that the air supplied to the scavenging flow path 7 may be set to be equal to or greater than the hydrogen consumption. In this case, since the inside of the anode gas flow path 6 is replaced with a mixture of hydrogen and air in a short time, hydrogen and oxygen react directly on the catalyst on the anode side of the MEA 2. Therefore, it is possible to prevent a battery from being formed in the reaction region on the anode side, and to suppress carbon corrosion. At this time, the amount of hydrogen in the anode gas passage 6 is reduced to such an extent that the mixture of hydrogen and air is in a fuel lean state, and then the amount of hydrogen supplied is increased to generate the mixture. Is desirable.

また、ここでは、領域4aを多孔質体に形成し、冷却液として純水を用いるので、掃気用流路7からアノードガス流路6に空気が透過するに先立って、領域4a内に残留していた純水がアノードガス流路6に押し出される。このとき、MEA2における反応は継続して行われているので、発電反応に伴う熱を用いて純水が蒸発し、燃料ガスと空気との間に水蒸気層が形成される。これにより、水素と空気の界面がMEA2上に存在する頻度をさらに低減して、アノード側の反応領域内に電池が形成されてカーボンが腐食するのを防ぐことができる。   Here, since the region 4a is formed in a porous body and pure water is used as the cooling liquid, the air remains in the region 4a prior to the permeation of air from the scavenging flow path 7 to the anode gas flow path 6. The pure water that has been pushed out is pushed out into the anode gas flow path 6. At this time, since the reaction in the MEA 2 is continuously performed, pure water evaporates using heat accompanying the power generation reaction, and a water vapor layer is formed between the fuel gas and the air. As a result, the frequency at which the interface between hydrogen and air is present on the MEA 2 can be further reduced, and the formation of a battery in the reaction region on the anode side can prevent carbon from corroding.

次に、本実施形態の効果について説明する。   Next, the effect of this embodiment will be described.

電解質を含む電極層(MEA2)の一方の面にアノードガス流路6を、他方の面にカソードガス流路5を構成した燃料電池1において、停止運転時にアノードガス流路6を掃気するための空気を流通する掃気用流路7を備える。さらに、掃気用流路7からアノードガス流路6に、流路軸方向に略均等に空気を供給する複数の連通孔(孔8)を備える。これにより、アノードガス流路6の軸方向に略均等に空気を供給することができるので、アノード側の反応領域内に水素領域と酸素領域が形成されるのを防いで電池が形成されるのを防ぐことができる。その結果、システムの重量を増大することなく、かつ、カーボンの腐食を抑制しつつ掃気を行うことができる。   In the fuel cell 1 in which the anode gas channel 6 is configured on one surface of the electrode layer (MEA2) containing the electrolyte and the cathode gas channel 5 is configured on the other surface, the anode gas channel 6 is scavenged during the stop operation. A scavenging flow path 7 for circulating air is provided. Furthermore, a plurality of communication holes (holes 8) are provided from the scavenging flow path 7 to the anode gas flow path 6 for supplying air substantially uniformly in the flow path axial direction. As a result, air can be supplied substantially evenly in the axial direction of the anode gas flow path 6, thereby preventing the formation of a hydrogen region and an oxygen region in the reaction region on the anode side, thereby forming a battery. Can be prevented. As a result, scavenging can be performed without increasing the weight of the system and suppressing corrosion of carbon.

特に孔8を軸方向に複数備え、総断面積が大きくなっている連通孔から水素の消費量よりも多量の空気を供給する。これにより、アノードガス流路6内の水素を短時間に水素と空気の混合気に置換することにより、アノード側の反応領域内に電池が形成されるのを防止して、カーボンの腐食を抑制することができる。   In particular, a larger amount of air than the amount of hydrogen consumed is supplied from a communicating hole having a plurality of holes 8 in the axial direction and having a large total cross-sectional area. As a result, the hydrogen in the anode gas passage 6 is replaced with a mixture of hydrogen and air in a short time, thereby preventing the formation of a battery in the reaction region on the anode side and suppressing the corrosion of carbon. can do.

また、掃気用流路7を、アノードガス流路6に対してMEA2の反対側に位置するように構成する。これにより、反応面上に水素と空気が界面を形成して存在することなくアノードガス流路6内の水素を空気に置換することができる。その結果、アノード側の反応領域において電池が形成されるのを防止して、カーボンの腐食を抑制することができる。   Further, the scavenging flow path 7 is configured to be located on the opposite side of the MEA 2 with respect to the anode gas flow path 6. Thereby, hydrogen in the anode gas channel 6 can be replaced with air without hydrogen and air forming an interface on the reaction surface. As a result, the formation of a battery in the reaction region on the anode side can be prevented, and the corrosion of carbon can be suppressed.

また、アノードガス流路6に略沿って掃気用流路7を形成し、少なくとも掃気用流路7とアノードガス流路6を隔てる部材を多孔質部材により構成する。これにより、掃気のための空気を供給する連通孔の配置が緻密になるため、より均等に流路軸に沿って空気を供給することができるので、さらにMEA2のアノード側の反応領域において水素領域と酸素領域が形成されるのを防ぐことができる。   Further, a scavenging flow path 7 is formed substantially along the anode gas flow path 6, and at least a member separating the scavenging flow path 7 and the anode gas flow path 6 is formed of a porous member. As a result, the arrangement of the communication holes for supplying the air for scavenging becomes dense, so that the air can be supplied more evenly along the flow path axis. Therefore, the hydrogen region in the reaction region on the anode side of the MEA 2 And oxygen region can be prevented from being formed.

アノードガス流路6の導入口および導出口を選択的に閉鎖するアノード上流側バルブ11、アノード下流側バルブ12を備える。停止運転時に、掃気用流路7からアノードガス流路6への空気の供給を開始する前に、アノードガス流路6の導入口および導出口を閉鎖する。これにより、アノードガス流路6に残存する水素が掃気のために供給される空気によって反応面(MEA2)に向かって押されながら、反応面で発電により消費される。その結果、水素と空気が界面を形成した状態でアノード側の反応領域に混在することを防止し、カーボン腐食を抑制することができる。   An anode upstream valve 11 and an anode downstream valve 12 that selectively close the inlet and outlet of the anode gas flow path 6 are provided. During the stop operation, before the supply of air from the scavenging flow path 7 to the anode gas flow path 6 is started, the inlet and outlet of the anode gas flow path 6 are closed. Thereby, hydrogen remaining in the anode gas flow path 6 is consumed by power generation on the reaction surface while being pushed toward the reaction surface (MEA2) by the air supplied for scavenging. As a result, it is possible to prevent hydrogen and air from being mixed in the reaction region on the anode side while forming an interface, thereby suppressing carbon corrosion.

掃気用流路7からアノードガス流路6に空気を供給する際に、カソードガス流路5にも空気を供給することにより、アノードガス流路6とカソードガス流路5の圧力を略同じに調整する。このように、両極の流路5、6内の圧力を同等に保つことが可能となるため、電解質層が損傷することを防止することができる。   When air is supplied from the scavenging flow path 7 to the anode gas flow path 6, air is also supplied to the cathode gas flow path 5 so that the pressures of the anode gas flow path 6 and the cathode gas flow path 5 are substantially the same. adjust. As described above, the pressures in the flow paths 5 and 6 of both electrodes can be kept equal to each other, so that the electrolyte layer can be prevented from being damaged.

運転時には、掃気用流路7に冷却液を流通させる。掃気用の空気の流路と冷却液の流路が一体化されるため、燃料電池1を大型化することなくカーボン腐食を抑制しつつ掃気を行うことができる。   During operation, the coolant is circulated through the scavenging flow path 7. Since the scavenging air flow path and the coolant flow path are integrated, scavenging can be performed while suppressing carbon corrosion without increasing the size of the fuel cell 1.

さらに、掃気用流路7からアノードガス流路6への酸素含有ガスの供給を開始する前に、掃気用流路7を酸素含有ガスにより掃気する。これにより、掃気用流路7からアノードガス流路6に空気が供給されるに先立って、孔8、ここでは多孔質体の孔8に残留していた水による水蒸気層が形成される。その結果、MEA2で水素領域と酸素領域が形成されるのをさらに抑制することができるので、カーボン腐食を抑制することができる。   Furthermore, before the supply of the oxygen-containing gas from the scavenging flow path 7 to the anode gas flow path 6 is started, the scavenging flow path 7 is scavenged with the oxygen-containing gas. As a result, before air is supplied from the scavenging flow path 7 to the anode gas flow path 6, a water vapor layer is formed of water remaining in the holes 8, here, the holes 8 of the porous body. As a result, the formation of a hydrogen region and an oxygen region in MEA 2 can be further suppressed, so that carbon corrosion can be suppressed.

なお、上記実施形態においては、燃料電池1内の冷却液の流路と、掃気用空気の流路を同一の流路(掃気用流路7)としたがこの限りではない。掃気用空気の流通する流路を独自に形成してもよい。この場合には、孔8をアノードガス流路6に沿って均等に設けた、掃気用空気の流路とアノードガス流路6を連通する複数の孔としてもよい。なお、掃気用流路6に冷却液を流通させない場合にも、掃気用流路7からアノードガス流路6へ空気の供給を開始する前に、掃気用流路7を空気により掃気するのが好ましい。これにより、孔8を介して掃気用流路7に混入した水素を排出することができる。その結果、掃気用流路7からアノードガス流路6に軸方向により均等に空気を供給することができる。   In the above-described embodiment, the flow path of the coolant in the fuel cell 1 and the flow path of the scavenging air are the same flow path (the scavenging flow path 7), but this is not restrictive. You may form the flow path through which scavenging air distribute | circulates uniquely. In this case, a plurality of holes may be provided in which the holes 8 are provided uniformly along the anode gas flow path 6 and the scavenging air flow path and the anode gas flow path 6 communicate with each other. Even when the coolant is not circulated through the scavenging flow path 6, the scavenging flow path 7 is scavenged with air before the supply of air from the scavenging flow path 7 to the anode gas flow path 6 is started. preferable. Thereby, hydrogen mixed in the scavenging flow path 7 can be discharged through the holes 8. As a result, air can be supplied from the scavenging flow path 7 to the anode gas flow path 6 more evenly in the axial direction.

このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。   Thus, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.

小型化、軽量化が望まれる燃料電池、例えば、駆動源として移動体に搭載する燃料電池に適用することができる。   The present invention can be applied to a fuel cell that is desired to be reduced in size and weight, for example, a fuel cell mounted on a moving body as a drive source.

本実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system used for this embodiment. 本実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell used for this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
2 MEA(電極層)
5 カソードガス流路
6 アノードガス流路
7 掃気用流路
8 連通孔(孔)
11 アノード上流側バルブ(閉鎖手段)
12 アノード下流側バルブ(閉鎖手段)
1 Fuel Cell 2 MEA (Electrode Layer)
5 Cathode gas flow path 6 Anode gas flow path 7 Scavenging flow path 8 Communication hole (hole)
11 Anode upstream valve (closing means)
12 Anode downstream valve (closing means)

Claims (7)

電解質を含む電極層の一方の面にアノードガス流路を、他方の面にカソードガス流路を構成した燃料電池において、
停止運転時に前記アノードガス流路を掃気するための酸素含有ガスを流通する掃気用流路を備え、
さらに、前記掃気用流路から前記アノードガス流路に、流路軸方向に略均等に酸素含有ガスを供給する複数の孔を備えることを特徴とする燃料電池。
In a fuel cell in which an anode gas flow path is formed on one surface of an electrode layer containing an electrolyte and a cathode gas flow path is formed on the other surface,
A scavenging flow path for circulating an oxygen-containing gas for scavenging the anode gas flow path during a stop operation;
The fuel cell further comprises a plurality of holes for supplying an oxygen-containing gas from the scavenging flow path to the anode gas flow path substantially uniformly in the flow path axial direction.
前記掃気用流路を、前記アノードガス流路に対して前記電極層の反対側に位置するように構成する請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the scavenging flow path is configured to be positioned on an opposite side of the electrode layer with respect to the anode gas flow path. 前記アノードガス流路に略沿って前記掃気用流路を形成し、
少なくとも前記掃気用流路と前記アノードガス流路を隔てる部材を多孔質部材により構成する請求項1に記載の燃料電池。
Forming the scavenging flow path substantially along the anode gas flow path;
The fuel cell according to claim 1, wherein at least a member that separates the scavenging flow path from the anode gas flow path is formed of a porous member.
前記アノードガス流路の導入口および導出口を選択的に閉鎖する閉鎖手段を備え、
停止運転時に、前記掃気用流路から前記アノードガス流路への酸素含有ガスの供給を開始する前に、前記アノードガス流路の導入口および導出口を閉鎖する請求項1に記載の燃料電池。
A closing means for selectively closing the inlet and outlet of the anode gas flow path;
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the inlet and the outlet of the anode gas channel are closed before the supply of the oxygen-containing gas from the scavenging channel to the anode gas channel is started during the stop operation. .
前記掃気用流路から前記アノードガス流路への酸素含有ガスの供給を開始する前に、前記掃気用流路を酸素含有ガスにより掃気する請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the scavenging flow path is scavenged with an oxygen-containing gas before the supply of the oxygen-containing gas from the scavenging flow path to the anode gas flow path is started. 前記掃気用流路から前記アノードガス流路に酸素含有ガスを供給する際に、前記カソードガス流路にも酸素含有ガスを供給することにより、前記アノードガス流路と前記カソードガス流路の圧力を略同じに調整する請求項1に記載の燃料電池。   When the oxygen-containing gas is supplied from the scavenging flow path to the anode gas flow path, the pressure of the anode gas flow path and the cathode gas flow path is also increased by supplying the oxygen-containing gas also to the cathode gas flow path. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is adjusted to be substantially the same. 運転時には、前記掃気用流路に冷却液を流通させる請求項1から6のいずれか一つに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a coolant is circulated through the scavenging flow path during operation.
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