JP2005158430A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、反応ガスの調湿に好適な燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system suitable for conditioning a reaction gas.
従来から電池反応によって生じる水がガス拡散層やガス流路を閉塞する「フラッディング現象」を防止するため、反応ガス流路を形成するセパレータをポーラス体により形成し、その毛細管現象を利用して生成水を自然に濡れている方から乾いている方に移動させる燃料電池が提案されている(特許文献1参照)。
しかしながら、上記従来例では、毛細管現象による多孔質内の水の移動・均一化するものであるため、多孔質内の水の移動速度よりも水の生成速度の方が速い場合に、充分な除水が行われない不具合があった。 However, in the above-mentioned conventional example, water is moved and uniformized in the porous due to the capillary phenomenon, so that sufficient removal is required when the water generation rate is faster than the water moving rate in the porous. There was a problem that water was not used.
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、充分な除水を行うに好適な燃料電池システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system suitable for performing sufficient water removal.
本発明は、セパレータの表面側に燃料電池のガス拡散電極に反応ガスを供給する反応ガス流路と、反応ガス流路に反応ガスを流通させる反応ガス供給手段とを備え、セパレータの反応ガス流路の少なくとも下流側に臨む領域をポーラス体で形成し、反応ガス流路の少なくとも下流側領域のセパレータ裏面側に回収ガスを流通させるよう形成した回収ガス流路と、回収ガス流路に回収ガスを流通させる回収ガス供給手段とを備えるようにした。 The present invention comprises a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to a gas diffusion electrode of a fuel cell on the surface side of the separator, and a reaction gas supply means for circulating the reaction gas in the reaction gas flow path. A region that faces at least the downstream side of the channel is formed of a porous body, and a recovery gas channel that is formed so as to distribute the recovery gas to the back side of the separator in at least the downstream region of the reaction gas channel, and the recovery gas in the recovery gas channel And a recovered gas supply means for circulating the gas.
したがって、本発明では、セパレータの表面側に燃料電池のガス拡散電極に反応ガスを供給する反応ガス流路と、反応ガス流路に反応ガスを流通させる反応ガス供給手段とを備え、セパレータの反応ガス流路の少なくとも下流側に臨む領域をポーラス体で形成し、反応ガス流路の少なくとも下流側領域のセパレータ裏面側に回収ガスを流通させるよう形成した回収ガス流路と、回収ガス流路に回収ガスを流通させる回収ガス供給手段とを備えるため、反応ガス流路で凝縮してセパレータのポーラス体内に吸収された水が裏側の回収ガス中に蒸発するので、反応ガス流路から液水を除去できる。また、ポーラス体に吸収された水が回収ガス中に蒸発する時の蒸発潜熱により反応ガス流路の下流域が冷却されるので、反応ガス流路を通過した排ガス中に含まれる水分量は減少させることができ、凝縮器等に経由させて排ガス中から水を回収する必要がない。 Therefore, the present invention comprises a reaction gas channel for supplying a reaction gas to the gas diffusion electrode of the fuel cell on the surface side of the separator, and a reaction gas supply means for circulating the reaction gas in the reaction gas channel. A recovery gas channel formed so that a region facing at least the downstream side of the gas channel is formed of a porous body, and a recovery gas is circulated to the back side of the separator in at least the downstream region of the reaction gas channel, and a recovery gas channel Since the recovery gas supply means for circulating the recovery gas is provided, the water condensed in the reaction gas channel and absorbed in the porous body of the separator evaporates into the recovery gas on the back side. Can be removed. In addition, since the downstream area of the reaction gas channel is cooled by the latent heat of vaporization when the water absorbed by the porous body evaporates into the recovered gas, the amount of water contained in the exhaust gas that has passed through the reaction gas channel is reduced. It is not necessary to recover water from the exhaust gas via a condenser or the like.
以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the fuel cell system of the present invention will be described based on each embodiment.
(第1実施形態)
図1は、本発明を適用した第1実施形態の燃料電池システムを示す概略構成図であり、固体高分子膜の一方に積層されるカソード側ガス拡散電極に反応ガス(空気)を供給するセパレータを含む反応ガス供給系統を図示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment to which the present invention is applied, and a separator for supplying a reaction gas (air) to a cathode side gas diffusion electrode laminated on one side of a solid polymer membrane. The reaction gas supply system containing is shown.
図1において、燃料電池システム1は、高分子膜の一方に積層されるカソード側ガス拡散電極に反応ガスを供給する反応ガス流路6をセパレータ4の表面側に備える反応ガス供給系統2(反応ガス供給手段)と、反応ガス供給系統2の反応ガス流路6と部分的に沿う回収ガス流路7をセパレータ4の裏面側に備える水回収ガス系統3(回収ガス供給手段)と、を有する。
In FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a reaction gas supply system 2 (reaction) provided with a
前記反応ガス供給系統2は、セパレータ4の表面側、即ち、高分子膜の一方に積層されるカソード側ガス拡散電極と接する面側に設けた反応ガス流路6にブロア10若しくはコンプレッサから反応ガス入口マニホールド12を経由して反応ガスを供給し、反応ガス流路6から反応ガス出口マニホールド14および反応ガス圧力調整バルブ16を経由して排出されるよう構成している。反応ガス流路6を流れる反応ガスの流量は、ブロア10の供給流量により調整され、反応ガスの圧力は反応ガス圧力調整バルブ16により調整される。
The reaction
セパレータ4は、マニホールド類を有する枠状部分4Aと、ガス拡散電極と接触し且つ反応ガス流路6を有するガス流路部分4Bとを備える。反応ガスは、図示例では、セパレータ4の左下隅部に設けた入口マニホールド12から反応ガス流路6に流入し、曲折された反応ガス流路6に沿って上流側から下流側に流れつつガス拡散電極に拡散して発電反応に消費され、下流側に到達した反応ガスはセパレータ4の右上隅部に設けた出口マニホールド14から排出される。
The
前記水回収ガス系統3は、セパレータ4の裏面側、即ち、ガス拡散電極と接する表面に対して裏側となる面側に設けた裏側ガス流路7(破線図示参照)と、裏側ガス流路7に裏側ガス入口マニホールド18を経由して回収ガスを供給するブロア20若しくはコンプレッサと、裏側ガス流路7から裏側出口マニホールド22を経由してガスを排出する裏側ガス圧力調整バルブ24とを備える。裏側ガス流路7のガスの流量は、ブロア20の供給流量により調整され、裏側ガスの圧力は裏側ガス圧力調整バルブ24により調整される。裏側ガスの入口マニホールド18および出口マニホールド22はセパレータ4の枠状部分に配置され、裏側ガス流路7は反応ガス流路6の下流側が存在する領域のセパレータ4の裏面側に配置されている。
The water
前記セパレータ4は、ガス流路部分4Bの少なくとも裏側ガス流路7と反応ガス流路6とがセパレータ4を挟んで隣接している領域では、多孔質のポーラス体に形成され、その他のガス流路領域では、ポーラス体若しくは緻密質のいずれかに形成されている。このため、下流側の反応ガス流路6に水が存在する場合には、ポーラス体となったセパレータ4に吸収されて除水される。
The
以上の構成になる燃料電池システムの動作について以下に説明する。 The operation of the fuel cell system configured as described above will be described below.
燃料電池システム1の運転時においては、反応ガス供給系統2では、ブロア10によりセパレータ4の入口マニホールド12を経由して反応ガス流路6に供給され、出口マニホールド14を経由して反応ガス圧力調整バルブ16から排出され、水回収ガス系統3では、ブロア20によりセパレータ4の裏側ガス入口マニホールド18を経由して裏側ガス流路7に供給され、出口マニホールド22を経由して裏側ガス圧力調整バルブ24から排出される。
During operation of the fuel cell system 1, in the reaction
反応ガス流路6に供給された反応ガスは、反応ガス流路6に沿って下流側に向かって流れつつガス拡散電極に拡散して発電反応に利用される。発電反応によって生成された水は反応熱により水蒸気となって反応ガスと混合して反応ガスと共に反応ガス流路6を下流に向かって流れる。反応ガスに含まれる水蒸気量は反応ガス流路6の下流に向かうに連れて多くなり、反応ガス温度も下流側へ向かうに連れて上昇するためその飽和水蒸気量も増加する。
The reaction gas supplied to the
反応ガス流路6の下流側において、反応ガスに含まれる水蒸気量が反応ガスのその時点の温度上昇に対応した飽和水蒸気量を超過すると、反応ガス流路6の壁面に水滴となって凝縮する。凝縮した水滴はセパレータ4のポーラス体に吸収されて除水される。ポーラス体に吸収された水は、裏側ガス通路7を流通している回収ガスに蒸発され、回収ガスにより搬送されるため、反応ガス流路6側で連続して凝縮される水滴を吸収・除水してゆくことができる。
If the amount of water vapor contained in the reaction gas exceeds the amount of saturated water vapor corresponding to the temperature rise of the reaction gas at that time point, water droplets are condensed on the wall surface of the
また、ポーラス体に吸収・除水された水の回収ガスへの蒸発時の気化熱により、ポーラス体が冷却されるので、反応ガス流路6の下流側における反応ガスの温度が低下され、反応ガスの飽和水蒸気量が減少し、水滴として凝縮させ、同様にしてポーラス体に吸収・除水させ、上記要領で回収ガスにより回収される。このため、出口マニホールド14に排出される反応ガスに含まれる水蒸気量を減少させることができる。即ち、反応ガスの加湿に必要な水をポーラス体および回収ガスにより回収することができ、反応ガスにより持ち出される水を少なくすることができる。
In addition, since the porous body is cooled by the heat of vaporization when the water absorbed and removed by the porous body is evaporated to the recovered gas, the temperature of the reaction gas on the downstream side of the reaction
図2は、本実施形態と冷却水の流れ方向を反応ガス流路に沿って形成する所謂「コフロータイプ」の比較例との反応ガス流路6でのガス温度の変化を示したグラフである。図2において、破線で示した比較例においては、単純に入口から出口に反応ガス流路を進むに連れて温度が上昇し、出口付近でもっとも高温になる。このため、比較例においては、反応ガス流路6の下流域でのフラッディングはある程度抑制することができるが、燃料電池の外部に水(水蒸気)を多量に持ち出すことになり、その水を反応ガスの加湿に利用するためには、高温となった反応ガスを冷却して水を凝縮させる凝縮器を設ける必要がある。
FIG. 2 is a graph showing a change in gas temperature in the
一方、本実施形態では、図2に実線図示したように、反応ガス流路6の途中までは、反応ガスの温度が上昇するが、裏側に裏側ガス流路7が配置されたポーラス体からなる反応ガス流路6に達すると、ポーラス体内部の水が裏側ガス流路7へ蒸発するときの気化潜熱によりポーラス体が冷却されるため、反応ガス温度が下がり、水(水蒸気)の燃料電池の外部への持ち出しを少なくすることができる。
On the other hand, in the present embodiment, as shown by the solid line in FIG. 2, the temperature of the reaction gas rises up to the middle of the reaction
なお、上記実施形態では、反応ガス流路6の出口マニホールド14に隣接するように回収ガスの入口マニホールド18を設けたものについて説明しているが、図示しないが、例えば、回収ガスの出口マニホールドを反応ガスの出口マニホールドに隣接させて配置する構成としてもよい。
In the above embodiment, the recovery
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, the following effects can be achieved.
(ア)セパレータ4の表面側に燃料電池のガス拡散電極に反応ガスを供給する反応ガス流路6を形成し、反応ガス流路6に反応ガスを流通させる反応ガス供給手段2を備え、セパレータ4の反応ガス流路6の少なくとも下流側に臨む領域をポーラス体で形成し、記反応ガス流路6の少なくとも下流側領域のセパレータ4裏面側に回収ガスを流通させるよう形成した回収ガス流路7と、回収ガス流路7に回収ガスを流通させる回収ガス供給手段3とを備えるため、反応ガス流路6で凝縮してセパレータ4のポーラス体内に吸収された水が裏側の回収ガス中に蒸発するので、反応ガス流路6から液水を除去できる。また、ポーラス体に吸収された水が回収ガス中に蒸発する時の蒸発潜熱により反応ガス流路6の下流域が冷却されるので、反応ガス流路6を通過した排ガス中に含まれる水分量は減少させることができ、凝縮器等に経由させて排ガス中から水を回収する必要がない。
(A) A reaction
(第2実施形態)
図3〜図9は、本発明を適用した燃料電池システムの第2実施形態を示し、図3は第2実施形態の第1実施例の燃料電池システムのシステム構成図、図4は第2実施形態の第2実施例の燃料電池システムのシステム構成図、図5は第2実施形態の第3実施例の燃料電池システムのシステム構成図、図6〜図8は第2実施形態の第4実施例の燃料電池システムのシステム構成図および制御特性図、図9は第2実施形態の第5実施例の燃料電池システムのシステム構成図である。本実施形態においては、回収ガスとして反応ガスを供給し、加湿された回収ガスとしての反応ガスを反応ガス流路へ流入させるようにしたものである。なお、図1と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Second Embodiment)
3 to 9 show a second embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied, FIG. 3 is a system configuration diagram of a fuel cell system of a first example of the second embodiment, and FIG. 4 is a second embodiment. 5 is a system configuration diagram of a fuel cell system according to a second example of the embodiment, FIG. 5 is a system configuration diagram of a fuel cell system according to a third example of the second embodiment, and FIGS. 6 to 8 are fourth examples of the second embodiment. FIG. 9 is a system configuration diagram of a fuel cell system according to a fifth example of the second embodiment. In the present embodiment, a reactive gas is supplied as a recovered gas, and the reactive gas as a humidified recovered gas is caused to flow into the reactive gas flow path. The same devices as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
図3に示す第2実施形態の第1実施例においては、水回収ガス系統3の裏側ガス圧力調整バルブ24の下流配管26を反応ガス供給系統2のブロア10の上流側に接続し、水回収ガス系統3に反応ガスを供給するようにしている。その他の構成については、第1実施形態と同様に構成している。
In the first example of the second embodiment shown in FIG. 3, the
この第1実施例においては、水回収ガス系統3の裏側ガス圧力調整バルブ24から排出される反応ガスは反応ガス供給系統2に新規に供給する反応ガスと混合されてブロア10により吸込まれて反応ガス供給系統2に供給される。水回収ガス系統3から還流される反応ガス中には、反応ガス流路6の下流側で凝縮された水が水蒸気として含まれており、新規に供給された反応ガスと混合されることにより反応ガスを加湿し、加湿した反応ガスが反応ガス流路6に供給することができる。
In this first embodiment, the reaction gas discharged from the back side gas
なお、上記実施例では、水回収反応ガスと新規に供給する反応ガスとを合流させて反応ガス供給系統2に供給するものについて説明しているが、新規な反応ガスを供給することなく、水回収反応ガスの全量を反応ガス供給系統2にそのまま供給するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the case where the water recovery reaction gas and the newly supplied reaction gas are merged and supplied to the reaction
図4に示す第2実施形態の第2実施例の燃料電池システム1では、水回収反応ガスをブロア10の下流に設けたエゼクタ28により反応ガス供給系統2の反応ガスと混合させるようにしたものである。エゼクタ28のエゼクタ効果を利用して混合させることで、コンプレッサやブロアは不要であり、裏側ガス圧力調整バルブ24が省略され、裏側ガス流路7へ供給する水回収反応ガスの流量を調整する流量調整弁30が裏側ガス入口マニホールド18の上流に配置されている。その他の構成は、第1実施例と同様に構成している。
In the fuel cell system 1 of the second example of the second embodiment shown in FIG. 4, the water recovery reaction gas is mixed with the reaction gas of the reaction
この実施例においては、エゼクタ28で吸引され且つ入口側の流量調整弁30で流量を調整するものであるため、裏側ガス流路7の水回収反応ガスの圧力は負圧状態となり、積極的にポーラス体からの水蒸発を促進させることができ、反応ガス供給系統2の反応ガスを加湿することができる。
In this embodiment, the suction is performed by the
図5に示す第2実施形態の第3実施例の燃料電池システム1では、反応ガス供給系統2へ供給する水回収反応ガスと新規に供給する反応ガスとの混合割合を調整可能としたものである。このため、水回収反応ガスと新規反応ガスとの合流部分に各々流量調整バルブ32、34が配置され、その下流に反応ガス供給手段2のブロア10が配置されている。その他の構成は、第2実施例と同様の構成となっている。
In the fuel cell system 1 of the third example of the second embodiment shown in FIG. 5, the mixing ratio of the water recovery reaction gas supplied to the reaction
この実施例においては、ブロア10が吸込み反応ガス供給系統2へ吐出する反応ガスを、各々の流量調整弁32、34の開度を調整することでその割合を調整でき、ブロア10の吸込み力により回収反応ガスを裏側ガス流路7に供給できる。この実施例においても、裏側ガス流路7の水回収反応ガスの圧力は負圧状態となり、積極的にポーラス体からの水蒸発を促進させることができ、反応ガス供給系統2の反応ガスを加湿することができる。
In this embodiment, the ratio of the reaction gas discharged from the
図6に示す第2実施形態の第4実施例の燃料電池システム1は、燃料電池の負荷に応じて裏側ガス流量を増加させるようにしたものである。即ち、反応ガス供給手段2および回収ガス供給手段3の構成は、図3に示す第1実施例と同様の構成とし、両系統のブロア10、20の供給流量およびガス圧力調整バルブ14、24の圧力調整値を、入力される燃料電池の負荷に応じてコントローラ9により調整するようにしている。
The fuel cell system 1 of the fourth example of the second embodiment shown in FIG. 6 is configured to increase the backside gas flow rate according to the load of the fuel cell. That is, the configuration of the reaction gas supply means 2 and the recovered gas supply means 3 is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 3, and the supply flow rates of the
図7は、コントローラ9によって実行される、燃料電池の負荷に対する裏側ガス流量の制御特性を示すグラフであり、燃料電池の負荷が増加するに連れて裏側ガス流量を増加させるよう裏側ガス供給手段3のブロア20回転数を増加させるようにしている。なお、現実的には、裏側ガス流量の設定は、単純に燃料電池負荷のみによって決定するのではなく、反応ガスの温度、裏側ガスの温度、生成水量(発電量)、ガスの圧力等を考慮して求めた流量値を裏側ガス流量の目標値として設定する。
FIG. 7 is a graph showing the control characteristic of the backside gas flow rate with respect to the load of the fuel cell, which is executed by the
このように、燃料電池の負荷に応じて裏側ガス流量を増加させることで、負荷の増加に応じて反応ガス流路6の下流側で生成される凝縮水が多量となる場合においても、その全量をポーラス体に吸収・除水させるよう、裏側ガス流路7に蒸発させる水蒸気量を裏側ガス流量に応じて増加させることができる。
In this way, by increasing the backside gas flow rate according to the load of the fuel cell, even when the amount of condensed water generated on the downstream side of the reaction
即ち、燃料電池負荷が大きい時には多くの生成水が発生するので、より多くの水を反応ガス流路6から除去するために、裏側ガスの流量を多くし蒸発を促進させる。逆に、負荷が小さい時にはフラッディングが起こりにくいので、裏側ガスの流量を少なくし、裏側ガス供給コンプレッサ20に使用されるエネルギ消費量を少なくする。また、負荷が小さい時には生成水量が少ないので、裏側ガスの流量を少なくしてセパレータ4のポーラス体のドライアウトを防止する。従って、燃料電池負荷の増減によるスタック内での生成水量の変化に効率的に対応できる。
That is, since a large amount of generated water is generated when the fuel cell load is large, in order to remove more water from the reaction
図8は、コントローラ9によって実行される別の制御態様であり、燃料電池の負荷に対する反応ガスの圧力と裏側ガスの圧力の差圧特性を示すグラフであり、燃料電池の負荷が増加するに連れて反応ガス圧力と裏側ガス圧力との差圧が大きくなるように各圧力調整バルブ16、24の開度を調整するようにしている。具体的には、裏側ガス圧力を調整する裏側ガス圧力調整バルブ24の開度を反応ガス圧力調整バルブ16の開度に対して大きく設定して、反応ガス圧力が裏側ガス圧力より高くなるように設定し且つその圧力差が負荷に応じて大きくなるようにしている。
FIG. 8 is another control mode executed by the
このように設定することにより、反応ガス流路6で凝縮した水がポーラス体内部を移動するドライビングフォースが大きくなり、より多量の水を反応ガス流路6から除水することができる。即ち、負荷が大きい時には多くの水が発生するので、反応ガス流路6と裏側ガス流路7の圧力差を大きくすることにより、より多くの水をポーラス部内へ移動させることができ、逆に、負荷が小さい時には生成水量が少ないので、圧力差を小さくし、表側ガスが裏側に抜けてしまうのを防止することができる。従って、負荷の増減によるスタック内での生成水量の変化に効率的に対応できる。
By setting in this way, the driving force in which the water condensed in the
図9に示す第2実施形態の第5実施例の燃料電池システム1は、裏側ガス流路7の出口に液水セパレータ36を配置したものである。即ち、燃料電池の生成水量が反応ガスの加湿に必要な水量より多い場合には、この液水セパレータ36で液水を分離して除去するようにしたものである。
In the fuel cell system 1 of the fifth example of the second embodiment shown in FIG. 9, a
例えば、外気の湿度が高いときや起動直後で燃料電池の運転温度が低い時等では、燃料電池の生成水量がガスの加湿に必要な水量より多くなる状況が発生する。このような場合に、液水セパレータ36を作動させることで、反応ガスに裏側ガスを合流させた時に反応ガス中の液水成分(ミスト)によって反応ガス流路6を閉塞し反応ガスのガス拡散層への拡散を悪化させることを未然に防止することができる。また、前記液水セパレータ36は、高負荷運転のため生成水量が多いときに、スタック内で裏側ガス流路7に蒸発されないで液水として出てきてしまう液水を液水セパレータ36が分離・除去させることができる。
For example, when the humidity of the outside air is high, or when the operating temperature of the fuel cell is low immediately after startup, a situation occurs in which the amount of water generated by the fuel cell is greater than the amount of water required for gas humidification. In such a case, by operating the
本実施形態においては、第1実施形態における効果(ア)に加えて以下に記載した効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effect (a) in the first embodiment, the following effects can be achieved.
(イ)セパレータ4の表面側に燃料電池のガス拡散電極に反応ガスを供給する反応ガス流路6を形成し、反応ガス流路6に反応ガスを流通させる反応ガス供給手段2を備え、セパレータ4の反応ガス流路6の少なくとも下流側に臨む領域をポーラス体で形成し、記反応ガス流路6の少なくとも下流側領域のセパレータ4裏面側に回収ガスを流通させるよう形成した回収ガス流路7と、回収ガス流路7に回収ガスを流通させる回収ガス供給手段3とを備える燃料電池システム1において、回収ガス供給手段3は、回収ガス流路7に反応ガスを供給し、回収ガス流路7を経由した反応ガスを、反応ガス供給手段2により反応ガス流路6に供給する反応ガスの一部または全部とするため、裏側の回収ガス流路7で加湿された反応ガスを反応ガス流路6に供給でき、反応ガス流路6に加湿された反応ガスを供給することができる。
(A) A
(ウ)第4実施例のように、回収ガス流路7を流通する回収ガスの流量を、燃料電池の負荷に応じて回収ガス供給手段3により増減制御すると、負荷の増減によるスタック内での生成水量の増減に効率的に対応できる。
(C) As in the fourth embodiment, when the flow rate of the recovery gas flowing through the
(エ)また、第4実施例の図8では、回収ガス流路7を流通する回収ガスの圧力を、燃料電池の負荷に応じて回収ガス供給手段3により増減制御するため、負荷の増減によるスタック内での生成水量の増減に効率的に対応でき、しかも、生成水量が少ない負荷が小さい時には圧力差を小さくし、表側ガスが裏側に抜けてしまうのを防止することができる。
(D) In FIG. 8 of the fourth embodiment, since the pressure of the recovered gas flowing through the recovered
(オ)第5実施例では、回収ガス供給手段3は、回収ガス流路7の出口に液水を除去するセパレータ36を備えるため、高負荷運転のために生成水量が多く、スタック内で裏側ガス流路7に蒸発されないで液水として出てきてしまう液水を液水セパレータ36で除去することができる。
(E) In the fifth embodiment, the recovered gas supply means 3 includes a
(第3実施形態)
図10は、本発明を適用した燃料電池システムの第3実施形態を示すシステム構成図である。本実施形態においては、セパレータのポーラス体で構成した領域以外の部分を水不透過な緻密質に形成して、反応ガス流路の裏面側に冷却水を流通させる冷却水流路を設けるようにしたものである。なお、第1、2実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a system configuration diagram showing a third embodiment of the fuel cell system to which the present invention is applied. In the present embodiment, a portion other than the region constituted by the porous body of the separator is formed into a water-impermeable dense material, and a cooling water passage for circulating cooling water is provided on the back side of the reaction gas passage. Is. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same apparatus as 1st, 2 embodiment, and the description is abbreviate | omitted or simplified.
図10において、セパレータ4は、反応ガス流路6の下流側に臨ませてポーラス体で形成した領域Aと、反応ガス流路6の上中流側に臨ませて水不透過な緻密質に形成した領域Bとで形成される。水不透過な緻密質に形成した領域Bの裏面側には、冷却水流路41(破線図示参照)が形成され、枠状部分4Aに冷却水流路41の冷却水入口マニホールド42と冷却水出口マニホールド44が形成されている。冷却水は、冷却水タンク46からポンプ48により冷却水入口マニホールド42に供給し、冷却水出口マニホールド44から冷却水タンク46に戻す冷却水循環系統40により循環供給される。その他の構成は、第2実施形態と同様の構成としている。
In FIG. 10, the
このように、セパレータ4の緻密質の領域Bを設けて、反応ガス流路6の裏面側に冷却水流路41を形成することにより、冷却水を流すための新たな冷却水流路を備えた冷却プレートを設ける必要がなく、裏側のガス流路7と冷却水流路41を同一平面上に形成することができて、燃料電池スタックのセルピッチを小さくできて積層度を高めることができ、部品点数も低減できる。なお、セパレータ4の冷却水流路41が配置されていないポーラス体A部分は、前述したように蒸発潜熱により冷却され、冷却水により冷却する必要がない。
Thus, by providing the dense region B of the
また、図10に示すように、冷却水流路41の入口マニホールド42に近い上流部は、反応ガス流路6の上流部に隣接して設けるようにすると、反応ガス流路6の入口(上流部)付近の温度を下げることができ、図11に示すように、同じ水分量でも温度が低下した分だけ飽和水蒸気量が減少して相対湿度が上昇し、高分子膜の乾燥を防止することができる。従って、反応ガス流路6の上流部を最も低温とすることができ、反応ガス流路6の入口付近の湿度低下による高分子膜のドライアウトを防止できる。
As shown in FIG. 10, when the upstream portion of the cooling
また、図10に示すように、冷却水流路41を反応ガス流路6とはセパレータ4の表裏で並行して上流から下流に向かって流れるよう構成している。このように構成することで反応ガス温度は下流に進むに連れて上昇される。これによって、反応ガスは下流に進むに連れて飽和蒸気圧が上昇し、生成水がガスに蒸発していくので、緻密質の領域Bでのフラッディングが発生するのを防止することができる。
Further, as shown in FIG. 10, the cooling
本実施形態においては、第1実施形態における効果(ア)および第2実施形態における効果(イ)〜(エ)に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。 In the present embodiment, in addition to the effects (a) in the first embodiment and the effects (a) to (d) in the second embodiment, the following effects can be achieved.
(カ)セパレータ4は、反応ガス流路6の少なくとも下流側に臨む領域を除いて水不透過な緻密質に形成され、反応ガス流路6の上中流部が形成されたセパレータ4裏面側に冷却水を流通させる冷却水流路41を形成し、冷却水流路41に冷却水供給手段40により冷却水を流通させるため、裏側の回収ガス流路7と冷却水流路41を同一平面上に形成することができ、結果として、セルピッチを小さくすることができる。なお、ポーラス部は水の蒸発潜熱により冷却されるので冷却水による冷却の必要がない。
(F) The
(キ)冷却水流路41の上流部は、反応ガス流路6の上流部側にセパレータ4裏面側から隣接して配置されているため、反応ガス流路6の上流部を最も低温とでき、入口付近の湿度低下による高分子膜のドライアウトを防止できる。
(G) Since the upstream part of the cooling
(ク)冷却水流路41は、セパレータ4の表と裏とで反応ガス流路6と互いに隣接して上流から下流に向かって同方向に流れるよう配置されているため、反応ガス温度が上流から下流に進むに連れて高くでき、フラッディングを抑制することができる。
(H) Since the cooling
なお、上記実施形態において、対象とするセパレータ4として、ガス拡散電極に空気を供給する反応ガス流路6を備えるセパレータ4を想定したものについて説明したが、図示はしないが、ガス拡散電極に水素を供給する反応ガス流路を備えるセパレータを対象としたものに適用するものであってもよい。
In the above embodiment, the
1 燃料電池システム
2 反応ガス供給系統、反応ガス供給手段
3 回収ガス供給系統、回収ガス供給手段
4 セパレータ
6 反応ガス流路
7 回収ガス流路、裏側ガス流路
9 コントローラ
10、20 ブロア、コンプレッサ
12 反応ガス入口マニホールド
14 反応ガス出口マニホールド
16、24 圧力調整バルブ
18 回収ガス入口マニホールド、裏側ガス入口マニホールド
22 回収ガス出口マニホールド、裏側ガス出口マニホールド
28 エゼクタ
30、32、34 流量調整バルブ
36 液水セパレータ
40 冷却水供給手段
41 冷却水流路
42 冷却水入口マニホールド
44 冷却水出口マニホールド
46 冷却水タンク
48 ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
前記セパレータの反応ガス流路の少なくとも下流側に臨む領域をポーラス体で形成し、
前記反応ガス流路の少なくとも下流側領域のセパレータ裏面側に回収ガスを流通させるよう形成した回収ガス流路と、
前記回収ガス流路に回収ガスを流通させる回収ガス供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system comprising a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the gas diffusion electrode of the fuel cell on the surface side of the separator, and a reaction gas supply means for flowing the reaction gas through the reaction gas flow path,
A region facing at least the downstream side of the reaction gas flow path of the separator is formed of a porous body,
A recovery gas channel formed to circulate the recovery gas on the separator back side of at least the downstream region of the reaction gas channel;
And a recovery gas supply means for circulating the recovery gas in the recovery gas flow path.
前記燃料電池システムは、前記冷却水流路に冷却水を流通させる冷却水供給手段を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 The separator is formed in a dense water-impermeable manner excluding a region facing at least the downstream side of the reaction gas flow path, and cooling water is circulated on the back side of the separator where the upper middle flow portion is formed. Forming a water channel,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell system includes a cooling water supply means for circulating cooling water through the cooling water flow path.
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- 2003-11-25 JP JP2003394146A patent/JP2005158430A/en active Pending
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