JP2005285694A - Solid polymer fuel cell and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池およびそれを用いた燃料電池システムに関する。特に、燃料電池システムをコンパクト化するための固体高分子型燃料電池の構成に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell system using the same. In particular, the present invention relates to a structure of a polymer electrolyte fuel cell for making a fuel cell system compact.
従来の燃料電池システムとして、熱回収系の凝縮熱交換器で電気生成系からの排流体を熱源とし、給水系からの給水を被熱源として熱交換して温水にし、その温水を熱利用部に供給する温水供給手段と、凝縮熱交換器で熱交換中に生成したドレン水を燃料改質系に供給する燃料に予混合する気水分離器と、電気生成系の電池本体に水を循環させて熱交換し、その温水を熱利用部に供給する循環路と、を備えたものが知られている。燃焼排ガスに含まれるドレン水を効果的かつ十分に回収し、回収したドレン水の有効利用を図っている(例えば、特許文献1、参照。)。
熱および水回収のシステムの目的は、燃料電池本体で生成された生成水および水を回収することである。生成水は液滴として存在する場合と排ガス中に混ざった水蒸気として存在する場合がある。液滴として存在する場合はガスとの密度差を利用して容易に分離できるが、水蒸気として存在する場合は凝縮させて水および熱を回収することになる。 The purpose of the heat and water recovery system is to recover the generated water and water generated in the fuel cell body. The generated water may exist as droplets or may exist as water vapor mixed in the exhaust gas. When it exists as a droplet, it can be easily separated by utilizing the difference in density from the gas, but when it exists as water vapor, it is condensed to recover water and heat.
上記背景技術においては、凝縮熱交換器において液水と排ガスの熱交換を行うとともに、熱交換に伴って生成されたドレン水を、凝縮熱交換器のバッファ部に回収し、システムに使用している。このような場合には、熱交換による凝縮でドレン水を十分に回収するのに必要な熱交換領域と、水の回収部であるバッファ部と、を有する凝縮熱交換器が必要となる。また、排ガスとの間で熱交換を行うための冷媒を凝縮熱交換器に循環させるための冷媒系が必要となる。そのため、燃料電池システムが複雑化するとともに、巨大化してしまうという問題があった。 In the above background art, liquid water and exhaust gas are heat-exchanged in the condensation heat exchanger, and the drain water generated by the heat exchange is recovered in the buffer part of the condensation heat exchanger and used in the system. Yes. In such a case, a condensation heat exchanger having a heat exchange area necessary for sufficiently recovering drain water by condensation by heat exchange and a buffer part as a water recovery part is required. Further, a refrigerant system for circulating a refrigerant for exchanging heat with the exhaust gas to the condensation heat exchanger is required. Therefore, there has been a problem that the fuel cell system becomes complicated and becomes enormous.
そこで、本発明は上記問題を鑑みて、システムの巨大化を抑制しつつ、燃料電池で生成された水を回収できる固体高分子型燃料電池および燃料電池システム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 polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell system that can recover water generated by a fuel cell while suppressing the enlarging of the system.
本発明は、電解質膜の両主面に設けたカソード電極層、アノード電極層と、それぞれの前記電極層との間に酸化剤ガスまたは燃料ガスを流通する反応ガス流路を有し、積層面が前記電極層より大きいセパレータと、を備える。前記セパレータ積層面の前記電極層に重なる以外の領域に、前記反応ガス流路流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を熱源とする凝縮熱交換部を備える。 The present invention includes a cathode electrode layer and an anode electrode layer provided on both main surfaces of an electrolyte membrane, and a reaction gas flow path for flowing an oxidant gas or a fuel gas between the electrode layers, and a laminated surface Comprising a separator larger than the electrode layer. A condensing heat exchanging portion having at least one of the oxidant gas and the fuel gas after circulation of the reaction gas flow path as a heat source is provided in a region other than the electrode layer on the separator lamination surface.
このように、セパレータ積層面の電極層に重なる以外の領域に、反応ガス流路流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガスを熱源とする凝縮熱交換部を備える燃料電池を用いることで、燃料電池本体の大きさが若干大きくなったとしても、凝縮熱交換器、凝縮熱交換用の冷媒系を必要とせず、システム全体として効率の向上およびコンパクト化を図ることができる。また、熱交換により反応ガス流路流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガス中の水が凝縮され易くなる。その結果、システムの巨大化を抑制しつつ、燃料電池で生成された水を回収することができる。 Thus, by using a fuel cell including a condensation heat exchanging section that uses the oxidant gas or fuel gas after circulation of the reaction gas flow path as a heat source in a region other than the electrode layer on the separator stacking surface, the fuel cell main body is used. Even if the size of the system becomes slightly larger, a condensing heat exchanger and a refrigerant system for condensing heat exchange are not required, and the entire system can be improved in efficiency and downsized. In addition, the water in the oxidant gas or the fuel gas after flowing through the reaction gas channel is easily condensed by heat exchange. As a result, water generated by the fuel cell can be recovered while suppressing the enlargement of the system.
第1の実施形態について説明する。燃料電池1の断面を図1に示す。ここでは、燃料電池1を複数の単位セル1aを積層してなるスタックより構成したが、この限りではなく、一つの単位セル1aより構成してもよい。
A first embodiment will be described. A cross section of the fuel cell 1 is shown in FIG. Here, the fuel cell 1 is constituted by a stack formed by laminating a plurality of
単位セル1aを、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等の固体高分子電解質膜(以下、電解質膜)2を、一対の電極である酸化剤極3と燃料極4で狭持して成る膜電極複合体5と、さらにその外側から狭持する酸化剤ガスセパレータ6と燃料ガスセパレータ7とから構成する。酸化剤極3、燃料極4は発電反応を生じる反応領域であり、電解質膜2側に白金等の触媒を有するカーボンペーパ、カーボンクロス等より構成する。なお、触媒は電解質膜2側に塗布してもよい。
A membrane electrode assembly 5 in which a
酸化剤ガスセパレータ6と燃料ガスセパレータ7は、それぞれ緻密なカーボン材より構成する。酸化剤ガスセパレータ6の酸化剤極3に対峙する面6aに、溝状の酸化剤ガス流路8を構成し、ここに酸化剤ガスを流通させることにより、酸化剤極3へ酸化剤ガスを供給する。また、燃料ガスセパレータ7の燃料極4に対峙する面7aに、溝状の燃料ガス流路9を構成し、ここに燃料ガスを流通させることにより、燃料極4へ燃料ガスを供給する。さらに、燃料ガスセパレータ7の面7aの裏面7bに溝状の冷媒流路15(15b)を構成し、ここに冷媒を流通させることにより、単位セル1aの温度を調整する。このような単位セル1aを複数個積層することにより、燃料電池1を構成する。単位セル1aの積層時には、冷媒流路15(15b)を形成した燃料ガスセパレータ7の裏面7bは、隣接する酸化剤ガスセパレータ6の裏面6bに接触する。
The
また、燃料電池1の反応領域に重なる領域A以外の領域にマニホールドを設ける。後述するように、酸化剤ガス、燃料ガス、冷媒を積層方向に流通し、酸化剤ガス流路8、燃料ガス流路9、冷媒流路15へ分配・回収する酸化剤ガスマニホールド11、燃料ガスマニホールド12、冷媒マニホールド13を備える。図1には、冷媒マニホールド13のみを示す。
In addition, a manifold is provided in a region other than the region A that overlaps the reaction region of the fuel cell 1. As will be described later, the oxidant gas, the fuel gas, and the refrigerant are circulated in the stacking direction, and are distributed and recovered to the oxidant
次に、酸化剤ガスセパレータ6、燃料ガスセパレータ7の詳細を、図2、図3の平面図を用いて説明する。図2は、酸化剤ガスセパレータ6の酸化剤極3に対峙する面6aの平面図である。図3(a)は、燃料ガスセパレータ7の燃料極4に対峙する面7aの平面図、図3(b)はその裏面7bの平面図である。
Next, details of the
図2に示すように、酸化剤ガスセパレータ6の面6aの、反応領域(酸化剤極3)に重なる領域Aに酸化剤ガス流路8を構成する。また、図3(a)に示すように、燃料ガスセパレータ7の面7aの、反応領域(燃料極4)に重なる領域Aに燃料ガス流路9を構成する。酸化剤ガス流路8、燃料ガス流路9をそれぞれ複数の並列した直線形状の溝により構成するが、この限りではない。さらに、図3(b)に示すように、燃料ガスセパレータ7の裏面7bの反応領域に重なる領域Aに、反応領域の温度調整を行うための冷媒を流通する第二冷媒流路15bを設ける。ここでは領域Aにおいて、酸化剤ガスおよび燃料ガスと、冷媒との流通方向を略直交としたがこの限りではない。
As shown in FIG. 2, an oxidant
また、図2に示すように、酸化剤ガスセパレータ6の面6a側の領域A外部に、発電反応後の高温・高湿となった酸化剤ガスを流通する反応後酸化剤ガス流路16を設ける。ここでは、反応後酸化剤ガス流路16を、底面に複数の熱交換用のフィンを有する溝により構成する。また、燃料ガスセパレータ7の面7aの反応後酸化剤ガス流路16に重なる領域に、図3(a)に示すように、反応領域の温度調整を行う以前の冷媒が流通する第一冷媒流路15aを設ける。この反応後酸化剤ガス流路16と第一冷媒流路15aにより凝縮熱交換部14を構成する。
Further, as shown in FIG. 2, a post-reaction oxidant
ここで、酸化剤ガスセパレータ6と燃料ガスセパレータ7とは、裏面6a、7a同士が直に接している。そのため、反応後の酸化剤ガスと外部から導入された冷媒との間で、反応後酸化剤ガス流路16の底面と第一冷媒流路15aの底面を介して熱交換が行われる。なお、酸化剤ガスセパレータ6の裏面6bの構成は図示しないが、例えば平面とする。また、反応後酸化剤ガス流路16と第一冷媒流路15aをそれぞれ構成する溝の開口部により狭持される電解質膜2を介して熱交換が行われる。
Here, the
さらに、領域Aの外部に酸化剤ガスマニホールド11、燃料ガスマニホールド12、冷媒マニホールド13を設ける。酸化剤ガスマニホールド11としては、燃料電池1外部と酸化剤ガス流路8の上流端に接続する第一酸化剤ガスマニホールド11a、酸化剤ガス流路8の下流端と反応後酸化剤ガス流路16の上流端に接続する第二酸化剤ガスマニホールド11b、反応後酸化剤ガス流路16の下流端と燃料電池1外部に接続する第三酸化剤ガスマニホールド11cを設ける。また、燃料ガスマニホールド12としては、燃料電池1外部と燃料ガス流路9の上流端に接続する第一燃料ガスマニホールド12a、燃料ガス流路9の下流端と燃料電池1の外部に接続する第二燃料ガスマニホールド12bを設ける。さらに、冷媒マニホールド13としては、燃料電池1外部と第一冷媒流路15aの上流端に接続する第一冷媒マニホールド13a、第一冷媒流路15aの下流端と第二冷媒流路15bの上流端に接続する第二冷媒マニホールド13b、第二冷媒流路15bの下流端と燃料電池1の外部に接続する第三冷媒マニホールド13cを設ける。
Further, an oxidant gas manifold 11, a fuel gas manifold 12, and a refrigerant manifold 13 are provided outside the region A. The oxidant gas manifold 11 includes a first
第一冷媒マニホールド13aと第二冷媒マニホールド13bにより、反応後酸化剤ガス流路16を挟むように構成する。ここでは、反応後酸化剤ガス流路16の流路軸方向に沿って、一方側に第一冷媒マニホールド13aを、もう一方側に第二冷媒マニホールド13bを配置する。このとき、反応後酸化剤ガス流路16内の反応後の酸化剤ガスに対して、第一冷媒流路15a内を冷媒が略垂直方向に流れる。このように、ここでは反応後酸化剤ガス流路16、第一冷媒流路15a内の流れを略垂直としているが、この限りではない。また、第一冷媒マニホールド13a、第二冷媒マニホールド13bをそれぞれ複数(ここでは三つ)の貫通孔により構成するが、この限りではない。
The first
なお、第二酸化剤ガスマニホールド11bは必ずしも貫通孔である必要はない。酸化剤ガスセパレータ6の表面に設けた溝により構成してもよい。また、各流路8、9、15やマニホールド11、12、13を流通する流体をシールする図示しないガスケット等を設け、流体間で混合が生じるのを防止する。
Note that the second dioxide
次に、このような燃料電池1を用いる燃料電池システムの構成を図4を用いて説明する。 Next, the configuration of a fuel cell system using such a fuel cell 1 will be described with reference to FIG.
燃料電池システムとして、燃料電池1に冷媒を導入するための循環路である冷媒ループ21を備える。冷媒ループ21には、冷媒を循環させるポンプ22と、冷媒を放熱させるためのラジエータ23、冷媒を蓄積するための冷媒蓄積部24を備える。ここでは、冷媒として例えば純水を用いる。
The fuel cell system includes a
また、酸化剤ガス、燃料ガスを燃料電池1に導入するための酸化剤入口配管25i、燃料入口配管26iと、燃料電池1から排出するための酸化剤出口配管25o、燃料出口配管26oを備える。酸化剤出口配管25oには、酸化剤排ガス中の水分を分離回収するバッファ部27と、バッファ部27から水を取出す凝縮水配管28を備える。ここでは図示しないが、取出した水は電解質膜2の加湿や燃料電池1の冷媒に用いることができる。
Further, an
次に、このような燃料電池システムにおける酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷媒の流通状態について説明する。 Next, the flow state of oxidant gas, fuel gas and refrigerant in such a fuel cell system will be described.
酸化剤入口配管25iから燃料電池1に導入された酸化剤ガスは、第一酸化剤マニホールド11aを通って、各単位セル1aの酸化剤ガス流路8に分配される。また、燃料入口配管26iから燃料電池1に導入された燃料ガスは、第一燃料ガスマニホールド12aを通って、各単位セル1aの燃料ガス流路9に分配される。酸化剤ガス流路8を流れる酸化剤ガスは酸化剤極3内に拡散し、また、燃料ガス流路9を流れる燃料ガスは燃料極4内に拡散し、電解質膜2付近で以下のような発電反応を生じる。
The oxidant gas introduced into the fuel cell 1 from the
酸化剤極3側:1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
燃料極4側 :H2 → 2H+ + 2e-
この発電反応は発熱反応であり、これに伴い酸化剤ガスおよび燃料ガスの温度が上昇する。また、酸化剤極3側では生成物として水が生じるため、酸化剤ガスの湿度が上昇する。さらに、電解質膜2からの蒸発等により燃料ガスの湿度も上昇する。
Fuel electrode 4 side: H 2 → 2H + + 2e −
This power generation reaction is an exothermic reaction, and accordingly, the temperatures of the oxidant gas and the fuel gas rise. Moreover, since water is generated as a product on the
燃料極4で発電に用いられなかった高温状態の燃料ガスは、第二燃料ガスマニホールド12bに回収されて燃料電池1から燃料出口配管26oに排出され、例えば図示しない燃焼器等により燃焼処理された後、燃料電池システムから排出される。一方、酸化剤極3で発電に用いられなかった高温・高湿状態の酸化剤ガスは、第二酸化剤ガスマニホールド11bに回収され、反応後酸化剤ガス流路16に再分配される。
The high-temperature fuel gas that was not used for power generation at the fuel electrode 4 was collected in the second
凝縮熱交換部14を構成する反応後酸化剤ガス流路16を流通する際に、反応後の酸化剤ガスと、第一冷媒流路15aを流通する冷媒との間で熱交換が行われる。これにより、酸化剤ガス温度が低下して、反応後の酸化剤ガス中に含まれる水の凝縮が生じる。ここで、熱交換を行う冷媒は反応領域との熱交換を行う以前の比較的低温状態の冷媒であるため、反応後の酸化剤ガス中の凝縮が促進される。
When flowing through the post-reaction oxidant
反応後酸化剤ガス流路16で凝縮を生じた反応後の酸化剤ガスは、第三酸化剤ガスマニホールド11cに回収され、燃料電池1から酸化剤出口配管25oに排出される。排出された酸化剤排ガスは、バッファ部27において凝縮された水分を分離・回収された後、例えば図示しない燃焼器等を介して燃料電池システムから排出される。一方、バッファ部27で回収された水は、凝縮水配管28を通って、電解質膜2の加湿や冷媒に用いられる。
The post-reaction oxidant gas that has undergone condensation in the post-reaction oxidant
一方、燃料電池1の温度を調整する冷媒は、ポンプ22により冷媒ループ21から燃料電池1に導入され、第一冷媒マニホールド13aを通って単位セル1aの燃料ガスセパレータ7の表面7aに設けた第一冷媒流路15aに分配される。冷媒は、凝縮熱交換部14を構成する第一冷媒流路15aを流通する際に、セル積層方向に隣接する反応後酸化剤ガス流路16から熱を受け取り、冷媒温度が上昇する。このとき、反応後酸化剤ガス流路16では凝縮が生じているので、冷媒は高温の酸化剤ガスからの熱に加えて凝縮に伴う潜熱も受ける。
On the other hand, the refrigerant for adjusting the temperature of the fuel cell 1 is introduced into the fuel cell 1 from the
温度上昇した冷媒は、第二冷媒マニホールド13bに回収され、燃料ガスセパレータ7の裏面7bに構成された第二冷媒流路15bに分配される。ここで、冷媒と反応領域との間の温度差が必要以上に大きいと、第二冷媒流路15b入口近傍に重なる反応領域で過冷却となり発電効率が低下してしまう。しかしながら、ここでは凝縮熱交換部14で冷媒温度を上昇させてから反応領域に導入するので、過冷却による発電効率の低下は抑制される。
The refrigerant whose temperature has risen is collected in the second
冷媒は、第二冷媒流路15bを流通する際に、発電反応に伴って生じた熱をさらに吸収し、高温状態となって第3冷媒マニホールド13cに回収され、燃料電池1から冷媒ループ21に排出される。
When the refrigerant flows through the second
このように、凝縮熱交換部14で、発電反応により高温・高湿となった既反応ガス(反応後の酸化剤ガス)と、比較的低温の冷媒との間で熱交換を行うので、既反応ガス中の水の凝縮を行うための凝縮熱交換器およびそのための冷媒系が不要となる。また、凝縮熱交換部14で熱交換を行った後の冷媒を用いて反応領域の温度調整を行うので、局所的な過冷却による発電効率の低下が抑制される。
In this way, in the condensation
なお、ここでは反応後の酸化剤ガスを凝縮熱交換部14に導入したが、反応後の燃料ガスを導入してもよい。凝縮熱交換部14において、反応後に高温となり、比較的含水量が多くなった燃料ガスと、燃料電池1の冷却に用いる冷媒との間で熱交換を行うことにより、同様の効果を得ることができる。
Here, the oxidant gas after the reaction is introduced into the condensation
さらに、反応後酸化剤ガス流路16と第一冷媒流路15aの両方をそれぞれのセパレータ6、7の膜電極複合体5に対峙する側の表面6a、7aに設けたがこの限りではなく、どちらか一方をその裏面6b、7b側に形成してもよい。
Further, both the post-reaction oxidant
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.
電解質膜2の両主面に設けた酸化剤極3、燃料極4と、それぞれの電極3、4との間に酸化剤ガスまたは燃料ガスを流通する反応ガス流路8、9を有し、積層面が電極3、4より大きいセパレータ6、7を備える。セパレータ6、7の積層面の電極3、4に重なる以外の領域(領域A以外の領域)に、反応ガス流路8または9流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を熱源とする凝縮熱交換部14を備える。ここでは、熱源として、酸化剤ガス流路8流通後の反応後酸化剤ガスを用いる。これにより、燃料電池1本体の大きさが若干大きくなったとしても、凝縮熱交換器、凝縮熱交換用の冷媒系を必要とせず、システム全体として効率の向上およびコンパクト化を図ることができる。また、反応後酸化剤ガス中の水蒸気分の水の回収も可能となり水回収効率が向上する。その結果、システムの巨大化を抑制しつつ、燃料電池1で生成された水を回収することができる。その結果、システムの巨大化を抑制しつつ、燃料電池1で生成された水を回収することができる。
Between the
凝縮熱交換部14として、酸化剤極3と酸化剤ガスセパレータ6との間に設けられた酸化剤ガス流路8流通後の酸化剤ガスを流通する反応後酸化剤ガス流路16と、反応後酸化剤ガス流路16と積層方向に重なる領域に設けられ、燃料電池1の温度を調整するための冷媒を流通する第一冷媒流路15aと、を備える。これにより、燃料電池1内部で、反応により高温・高湿となった酸化剤ガスと冷媒との間で熱交換を行って、酸化剤ガスに含有される水を凝縮して回収することができる。
A post-reaction oxidant
第一冷媒流路15aを、燃料電池1内での冷媒経路の上流部分に設ける。これにより、発電反応に伴う熱を吸収して高温となる以前の比較的低温の冷媒と、反応後の酸化剤ガスとの熱交換が行われるので、凝縮を促進することができる。また、冷媒による過冷却を抑制することができ、発電効率を維持することができる。
The first
このような燃料電池1を燃料電池システムに用いることで、システムのコンパクト化を図りつつ、水マネージメントを向上することができる。 By using such a fuel cell 1 for a fuel cell system, water management can be improved while achieving a compact system.
次に、第2の実施形態について説明する。図5に、酸化剤ガスセパレータ6の表面6aの平面図を示す。図6(a)に、燃料ガスセパレータ7の表面7aの平面図を、図6(b)にその裏面7bの平面図を示す。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
Next, a second embodiment will be described. FIG. 5 shows a plan view of the
酸化剤ガスセパレータ6、燃料ガスセパレータ7それぞれを、例えば、耐食性の金属材料より構成する。また、冷媒として純水を用いる。さらに、燃料電池1は運転時には単位セル1aの積層方向が略鉛直方向となるように設置する。
Each of the
第1の実施形態と同様に、酸化剤ガス流路8や燃料ガス流路9を設けた反応領域に重なる領域Aと、反応後酸化剤ガス流路16と第一冷媒流路15aを設けた凝縮熱交換部14を設ける。ここでは、燃料ガスセパレータ7の裏面7bに第二冷媒流路15bを設けないが、この限りではない。
Similar to the first embodiment, a region A overlapping the reaction region provided with the oxidant
さらに、領域Aの外側に加湿部34を設ける。ここでは、凝縮熱交換部14と加湿部34で領域Aを挟むように構成する。加湿部34を、図5に示すように酸化剤ガスセパレータ6の表面6aに設けた反応前酸化剤ガス流路36と、図6(a)に示すように燃料ガスセパレータ7の表面7aに設けた第三冷媒流路15cにより構成する。反応前酸化剤ガス流路36、酸化剤ガス流路8、反応後酸化剤ガス流路16の流路軸方向を略同一とするがこの限りではない。
Further, the
また、領域Aの外部に、酸化剤ガスマニホールド31、燃料ガスマニホールド32、冷媒マニホールド33を設ける。 Further, an oxidant gas manifold 31, a fuel gas manifold 32, and a refrigerant manifold 33 are provided outside the region A.
酸化剤ガスマニホールド31としては、酸化剤入口配管25iと反応前酸化剤ガス流路36の上流端に接続する第一酸化剤ガスマニホールド31aと、反応前酸化剤ガス流路36の下流端と酸化剤ガス流路8の上流端を接続する第二酸化剤ガスマニホールド31bを設ける。また、酸化剤ガス流路8の下流端と反応後酸化剤ガス流路16の上流端に接続する第三酸化剤ガスマニホールド31cと、反応後酸化剤ガス流路16の下流端と酸化剤出口配管25oに接続する第四酸化剤ガスマニホールド31dを備える。燃料ガスマニホールド32としては、第1の実施形態と同様に、燃料入口配管26iと燃料ガス流路9の上流端に接続する第一燃料ガスマニホールド32aと、燃料ガス流路9の下流端と燃料出口配管26oに接続する第二燃料ガスマニホールド32bを備える。さらに、冷媒マニホールド33としては、冷媒ループ21と第一冷媒流路15aの上流端に接続する第一冷媒マニホールド33aと、第一冷媒流路15aの下流端と図示しない外部流路に連通する第二冷媒マニホールド33bを設ける。また、図示しない外部流路と第三冷媒流路15cの上流端に接続する第三冷媒マニホールド33cと、第三冷媒流路15cの下流端と冷媒ループ21に接続する第四冷媒マニホールド33dを設ける。
The oxidant gas manifold 31 includes a first
第三冷媒マニホールド33cと第四冷媒マニホールド33dを、複数の貫通孔より構成する。ここでは、反応前酸化剤ガス流路36の一方の側面に沿って第三冷媒マニホールド33cを配置し、もう一方の側面に沿って第四冷媒マニホールド33dを配置する。このように、ここでは、加湿部34を構成する反応前酸化剤ガス流路36内の酸化剤ガスの流通方向と、第三、第四冷媒マニホールド33c、33dに接続される第三冷媒流路15c内の冷媒の流通方向を略直交とするが、この限りではない。
The third
さらに、図5に示すように、反応前酸化剤ガス流路36の上流領域において、反応前酸化剤ガス流路36を構成する溝底面に微小孔37を設ける。微小孔37は、裏面6b、7bで接触する酸化剤ガスマニホールド6と燃料ガスマニホールド7を貫通する孔とする。つまり、微小孔37により、反応前酸化剤ガス流路36と第三冷媒流路15c内とが連通するように構成する。ここでは、反応前酸化剤ガス流路36の上流側に複数の微小孔37を均等に設けるが、この限りではない。微小孔37を、例えばエッチング等により設けた直径を50μm程度の孔とする。
Further, as shown in FIG. 5, in the upstream region of the pre-reaction oxidant
さらに、反応前酸化剤ガス流路36の下流側を、酸化剤ガス中の液滴が滞留し易い形状とする。ここでは、反応前酸化剤ガス流路36を構成する溝の側面を構成するリブ38の積層面に沿った断面が、連続した山型形状となるように構成する。つまり、酸化剤ガスの流通方向に対して側面が凸凹となるように構成する。なお、ここでは反応前酸化剤ガス流路36の一方の側面を構成するリブ38のみを山型形状としたが、この限りではない。両側面について山型形状を有するように構成してもよいし、溝底面に三角形状の凹凸を設けても良い。
Further, the downstream side of the pre-reaction oxidant
次に、このような燃料電池1を用いる燃料電池システムの構成を、図7を用いて説明する。なお、ここでは図4と異なる部分を中心に説明する。 Next, the configuration of a fuel cell system using such a fuel cell 1 will be described with reference to FIG. Here, the description will focus on parts different from FIG.
ここでは、冷媒ループ21に設けた冷媒蓄積部24に、内部に蓄積した冷媒の一部を選択的に排出する排出ライン41およびバルブ42を設ける。また、バッファ部27で分離・回収した水を、さらに冷媒蓄積部24に回収する凝縮水配管43を設ける。
Here, the
次に、酸化剤ガス、燃料ガス、冷媒の流通状態を説明する。 Next, the flow state of the oxidant gas, fuel gas, and refrigerant will be described.
冷媒ループ21から燃料電池1内に導入された冷媒は、第一冷媒マニホールド33aから凝縮熱交換部14に設けた第一冷媒流路15aに導入され、反応後の酸化剤ガスと熱交換を行った後、第二冷媒マニホールド33bに回収される。第二冷媒マニホールド33bは積層方向に反応領域に略沿って構成されており、冷媒が流通することにより発電反応に伴って生じる熱を除去する。第二冷媒マニホールド33bを流通した冷媒は、図示しない外部流路を通って、第三冷媒マニホールド33cに導入される。第三冷媒マニホールド33cも、積層方向に反応領域に略沿って構成されており、冷媒がここを流通することにより、反応領域の冷却が行われる。冷媒は、第三冷媒マニホールド33cから第三冷媒流路15cに分配され、一部が溝底面に構成された微小孔37を通って反応前酸化剤ガス流路36側に供給される。冷媒は反応前酸化剤ガス流路36に供給する以前に反応領域の冷却を行っているので、反応前酸化剤ガス流路36には比較的高温の水が供給される。反応前酸化剤ガス流路36側に供給されなかった冷媒は、第四冷媒マニホールド33dに回収されて、冷媒ループ21側に排出される。
The refrigerant introduced into the fuel cell 1 from the
一方、酸化剤ガスは、酸化剤入口配管25iから第一酸化剤ガスマニホールド31aを通って、加湿部34を構成する反応前酸化剤ガス流路36に分配される。反応前酸化剤ガス流路36の上流側では、微小孔37を介して流路内に混入された水(冷媒)の一部が蒸発し、流通する酸化剤ガスの加湿が行われる。前述したように、ここでは比較的高温の水が混入されるため、酸化剤ガスへの水の蒸発が促進される。微小孔37から水が供給された後、酸化剤ガスは、反応前酸化剤ガス流路36の下流側の山型形状のリブ38に沿って流通する。この際に、酸化剤ガスに混入された水の余剰分はリブ38により構成される側面に滞留する。
On the other hand, the oxidant gas is distributed from the
反応前酸化剤ガス流路36を流通した酸化剤ガスは第二酸化剤ガスマニホールド31bに回収され、酸化剤ガス流路8に分配される。このとき、単位セル1aの積層方向を略鉛直方向としているので、液滴状の余剰水分は第二酸化剤ガスマニホールド31bの下方に分離され、気相のみが酸化剤ガス流路8に分配される。
The oxidant gas that has flowed through the pre-reaction oxidant
第1の実施形態と同様に、酸化剤ガス流路8を流通する酸化剤ガスを酸化剤極3における反応に用い、反応後の比較的高温・高湿の酸化剤ガスを第三酸化剤ガスマニホールド31cを介して凝縮熱交換部14を構成する反応後酸化剤ガス流路16に供給する。反応後酸化剤ガス流路16で、第一冷媒流路15aを流通する冷媒との熱交換を行った後、第四酸化剤ガスマニホールド31dを介して酸化剤出口配管25oに排出する。さらにバッファ部27で気液分離した後、酸化剤排ガスは図示しない燃焼器等を介して排出され、凝縮水は、凝縮水配管43を介して冷媒蓄積部24に回収される。このように、冷媒は、微小孔37を介して酸化剤ガス内に混入されるが、凝縮熱交換部14で凝縮し、バッファ部27を介して再度冷媒系に回収されるため、冷媒の流量を維持することができる。
As in the first embodiment, the oxidant gas flowing through the oxidant
なお、燃料ガスについては、第1の実施形態と同様とする。 The fuel gas is the same as in the first embodiment.
このように、加湿部34を設け、反応領域冷却後の比較的高温の冷媒を、反応領域に導入される以前の酸化剤ガス内に効率的に蒸発させることにより、酸化剤ガスの加湿を行う。このとき、凝縮熱交換部14で凝縮した水分を冷媒系に回収して冷媒の流量を維持する。
As described above, the
なお、ここでは酸化剤ガスセパレータ6と燃料ガスセパレータ7を別々に構成したが、一体化して一つのセパレータにより構成してもよい。この場合には、微小孔37はセパレータを積層方向に貫通する貫通孔となる。
Although the
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1の実施形態と異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
電極3、4に導入される以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を加湿する加湿部34を備える。加湿部34として、電極3または4とセパレータ6または7との間に設けられた反応ガス流路8または9を流通する以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を流通する反応前ガス流路(36)と、反応前ガス流路(36)に積層方向に重なる領域に設けられ、燃料電池1の温度を調整するための冷媒を流通する第三冷媒流路15cと、を備える。ここでは、酸化剤ガス流路8を流通する以前の酸化剤ガスを流通する反応前酸化剤ガス流路36と第三冷媒流路15cとを備える。このように、加湿部34を積層面内部に構成することにより、酸化剤極3に供給される酸化剤ガスを加湿して供給でき、乾燥による電解質膜2の劣化を抑制することができる。また、各セパレータ(6)に設けた流路に分配されてからの加湿となるために、分配前の加湿に比べてガス配流が良好となる。
A
このとき、反応前酸化剤ガス流路36の少なくとも上流領域に、第三冷媒流路15aに連通する微小孔37を設ける。これにより、第三冷媒流路15cを流通する冷媒を用いて、反応前酸化剤ガス流路36を流れる酸化剤ガスの加湿を行うことができる。
At this time, the
特に、第三冷媒流路15cを、燃料電池1内での冷媒経路の下流部分に設ける。これにより、反応前の酸化剤ガスに混入される冷媒が比較的高温となるので、酸化剤ガス内への蒸発を促進することができる。
In particular, the third
次に、第3の実施形態について説明する。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a third embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
ここでは、酸化剤ガスセパレータ6と燃料ガスセパレータ7を一体化して一つのセパレータ59により構成する。図8(a)に、セパレータ59の酸化剤極3に接触する側の面59cの平面図を、図8(b)に燃料極4に接触する側の面59aの平面図を示す。またセパレータ59を、熱伝導率の高い緻密なカーボン材より構成する。ただし、後述するように、加湿兼凝縮熱交換部54、凝縮熱交換部14となる領域は多孔質材となっている複合材を用いる。冷媒としては、例えばエチレングリコール水溶液を用いる。
Here, the
第2の実施形態と同様に、反応領域に重なる領域A、凝縮熱交換部14を備える。また、領域Aの外部に加湿兼凝縮熱交換部54を設ける。ここでは、凝縮熱交換部14と加湿兼凝縮熱交換部54で領域Aを挟むように構成する。図8に示すように、加湿兼凝縮熱交換部54として、ガスセパレータ59の面59cに設けた反応前酸化剤ガス流路56と、面59aの反応前酸化剤ガス流路56に重なる領域に設けた反応後燃料ガス流路55と、を備える。反応前酸化剤ガス流路56、酸化剤ガス流路8、反応後酸化剤ガス流路16の流路軸を略同一方向とし、燃料ガス流路9、反応後燃料ガス流路55の流路軸方向を略同一とするが、この限りではない。
Similar to the second embodiment, a region A overlapping the reaction region and the condensation
また、第一〜第四酸化剤ガスマニホールド51a〜51dを、第2の実施形態の第一〜第四酸化剤ガスマニホールド31a〜31dと同様に構成する。また、燃料ガスマニホールド52として、燃料入口配管26iと燃料ガス流路9の上流端に接続する第一燃料ガスマニホールド52a、燃料ガス流路9の下流端と反応後燃料ガス流路55の上流端に接続する第二燃料ガスマニホールド52b、反応後燃料ガス流路55の下流端と燃料出口配管26oに接続する第三燃料ガスマニホールド52cを設ける。さらに、冷媒マニホールド53として、冷媒ループ21と第一冷媒流路15a上流端に接続する第一冷媒マニホールド53a、第一冷媒流路15aと図示しない外部流路に接続する第二冷媒マニホールド53b、図示しない外部流路と冷媒ループ21に接続する第三冷媒マニホールド53cを設ける。ここでは第三冷媒マニホールド53cを加湿兼凝縮熱交換部54のさらに外側に設け、第二冷媒マニホールド53bと第三冷媒マニホールド53cとで領域Aおよび加湿兼凝縮熱交換部54を狭持するように構成するが、この限りではない。
The first to fourth
加湿兼凝縮熱交換部54を構成する反応前酸化剤ガス流路56、反応後燃料ガス流路55を、それぞれの底面に熱交換用のフィンを有する溝により構成する。前述したように、セパレータ59の反応前酸化剤ガス流路56の底面と反応後燃料ガス流路55の底面に挟まれた領域を、多孔質材により構成し、反応前酸化剤ガス流路56と反応後燃料ガス流路55間で水の移動を可能とする。
The pre-reaction oxidant
このようなセパレータ59と酸化剤極3、電解質膜2、燃料極4を、順々に積層することにより燃料電池1を構成し、第2の実施形態と同様の燃料電池システムに用いる。
The
次に、酸化剤ガス、燃料ガス、冷媒の流通状態について説明する。 Next, the flow state of oxidant gas, fuel gas, and refrigerant will be described.
冷媒は、冷媒ループ21から燃料電池1に導入され、第一冷媒マニホールド53aを通って第一冷媒流路15aに分配される。第一冷媒流路15aで、反応後の酸化剤ガスと熱交換を行ってから、第二冷媒マニホールド53bを積層方向に流通し、燃料電池1の冷却を行う。その後、図示しない外部流路を介して第三冷媒マニホールド53cに導入され、第三冷媒マニホールド53c内を積層方向に流通しつつ燃料電池1の冷却を行う。
The refrigerant is introduced into the fuel cell 1 from the
一方、燃料ガスは、燃料入口配管26iより第一燃料ガスマニホールド52aを介して燃料ガス流路9に供給され、発電反応に用いられる。燃料ガス流路9を流通する際に、燃料ガス中に電解質膜2に含有された水分の一部が蒸発する。これにより比較的高温・高湿となった燃料ガスが第二燃料ガスマニホールド52bを介して、加湿兼凝縮熱交換部54を構成する反応後燃料ガス流路55に導入される。また、比較的低温・低湿の酸化剤ガスが、酸化剤入口配管25iから第一酸化剤ガスマニホールド51aを介して、加湿兼凝縮熱交換部54を構成する反応前酸化剤ガス流路56に導入される。
On the other hand, the fuel gas is supplied from the
加湿兼凝縮熱交換部54では、反応前酸化剤ガス流路56と反応後燃料ガス流路55それぞれを構成する溝の開口側で狭持される電解質膜2を介して水および熱の移動が生じる。また、反応前酸化剤ガス流路56と反応後燃料ガス流路55それぞれの底面を構成する多孔質材を介して水及び熱の移動が生じる。反応後燃料ガス流路55内の比較的高湿の燃料ガスから、反応前酸化剤ガス流路56内の比較的低湿の酸化剤ガスへ水が移動する。そのときの駆動力は、燃料ガス中と酸化剤ガス中の水蒸気分圧差となる。また、反応後燃料ガス流路55内の比較的高温の燃料ガスから、反応前酸化剤ガス流路56内の比較的低温の酸化剤ガスへ熱が移動する。この熱の移動に伴い、酸化剤ガスが加熱されるとともに、燃料ガス内での凝縮が促進される。
In the humidification / condensation
このように水及び熱の交換を行った後、燃料ガスは第三燃料ガスマニホールド52cから燃料出口配管56oに排出される。一方、加湿された酸化剤ガスは、第二酸化剤ガスマニホールド51bを介して酸化剤ガス流路8に分配され、反応に伴って高温・高湿となった状態で、第三酸化剤マニホールド51cを介して、凝縮熱交換部14を構成する反応後酸化剤ガス流路16に導入される。ここで、裏面59aに構成した第一冷媒流路15aを流れる冷媒との熱交換が行われ、反応後の酸化剤ガス中の水が凝縮する。前述したように、セパレータ59の凝縮熱交換部14を構成する領域を多孔質材により構成しているため、反応後酸化剤ガス流路16で液滴として存在する水は、底面を介して隣接する第一冷媒流路15a側に回収される。また水の一部は酸化剤ガスとともに、第四酸化剤ガスマニホールド51dを介して酸化剤出口配管25oに排出され、バッファ部27で回収される。
After the water and heat are exchanged in this way, the fuel gas is discharged from the third
なお、セパレータ59はその一部が多孔質材となっているので、燃料電池1運転時には予めその部分を含水させておくことが好ましい。
Since a part of the
このように、加湿兼凝縮熱交換部54において、未反応ガス(反応前の酸化剤ガス)と既反応ガス(反応後の燃料ガス)との間で、水および熱交換を行う。水および熱交換を、セパレータ59を構成する多孔質材または電解質膜2の少なくとも一方を介して行う。このとき、多孔質材に水分が含まれているので、ガスのウェットシール作用が確保される。
In this way, in the humidification / condensation
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1、第2の実施形態とは異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first and second embodiments will be described below.
反応ガス流路8または9に導入される以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスのうち一方を加湿し、反応ガス流路8または9を流通した後の酸化剤ガスまたは燃料ガスのうちもう一方に含まれる水を凝縮する加湿兼凝縮熱交換部54を備える。ここでは、酸化剤ガス流路8に導入される以前の酸化剤ガスを加湿し、燃料ガス流路9を流通した後の燃料ガス中に含まれる水を凝縮する加湿兼凝縮熱交換部54を備える。加湿兼凝縮熱交換部54として、酸化剤ガス流路8を流通する以前の酸化剤ガスを流通する反応前酸化剤ガス流路56と、燃料ガス流路9を流通した後の燃料ガスを流通する反応後燃料ガス流路55と、を備える。積層方向ついて、反応前酸化剤ガス流路56と反応後燃料ガス流路55とを隔てる隔壁として、電解質膜2または多孔質材のうち少なくとも一方を用いる。ここでは、電解質膜2と、セパレータ59の一部を構成する多孔質材を隔壁として用いる。これにより、加湿兼凝縮熱交換部54において、反応前の酸化剤ガスの加湿を行うとともに、反応後の燃料ガスに含まれる水を凝縮することができる。
One of the oxidant gas or fuel gas before being introduced into the
セパレータ59の少なくとも凝縮熱交換部14を設ける領域を、多孔質材により構成する。また、セパレータ59の少なくと加湿兼凝縮熱交換部54を設ける領域を、多孔質材により構成する。これにより、駆動力が発生した場合に、凝縮熱交換により発生した凝縮水が多孔質材の内部を移動できる。
The area | region which provides the condensation
さらに、冷媒として不凍液成分を含む水溶液を用いる。これにより、氷点以下の環境での凍結を防ぐことができる。 Furthermore, an aqueous solution containing an antifreeze component is used as a refrigerant. Thereby, freezing in an environment below the freezing point can be prevented.
次に、第4の実施形態について説明する。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a fourth embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the second embodiment.
酸化剤ガスセパレータ6と燃料ガスセパレータ7を一体化して一つのセパレータ69を構成する。図9(a)に、セパレータ69の酸化剤極3に接触する側の面59cの平面図を、図9(b)に燃料極4に接触する側の面69aの平面図を示す。またセパレータ69を、親水性の多孔質カーボン樹脂複合材から構成する。例えば、多孔質材の平均気孔径を50μm程度とする。酸化剤は加圧された状態で燃料電池1に導入される。冷媒として純水を用いる。後述するように、冷媒を、少なくとも燃料電池1内で大気圧に対して負圧となるように調整する。
The
第2の実施形態と同様に、領域A、凝縮熱交換部14を構成する。また、加湿部64を、第2の実施形態と同様に、反応前酸化剤ガス流路66と第三冷媒流路15cとから構成する。ただし、反応前酸化剤ガス流路66には微小孔37および山型形状のリブ38を設けず、底面に熱交換用のフィンを設けた溝により構成する。
Similarly to the second embodiment, the region A and the condensation
また、酸化剤ガスマニホールド31、燃料ガスマニホールド32、冷媒マニホールド33は、第2の実施形態と同様とする。このようなセパレータ69と酸化剤極3、電解質膜2、燃料極4を、順々に積層することにより燃料電池1を構成する。燃料電池1運転時には、予め多孔質材を含水させておくことが好ましい。
The oxidant gas manifold 31, the fuel gas manifold 32, and the refrigerant manifold 33 are the same as those in the second embodiment. The
このような燃料電池1を用いた燃料電池システムを図10に示す。 A fuel cell system using such a fuel cell 1 is shown in FIG.
燃料電池1に冷媒を導入するための冷媒ループ71備える。更に冷媒を循環するための動力源となるポンプ72、冷媒を放熱させるためのラジエータ73、冷媒を蓄積させるための冷媒蓄積部74を備える。ポンプ72は冷媒ループ71において燃料電池1の下流側に配置する。また、冷媒蓄積部74を、ポンプ72の吐出口と燃料電池1の入口との間に配置する。さらに、冷媒蓄積部74の上部が大気開放されるように構成する。これにより、冷媒ループ71は概略大気圧に対して負圧のループとなる。とりわけ、燃料電池1においては負圧となる。
A
また、冷媒蓄積部74にはその内部に蓄積した冷媒の一部を排出するためのU字トラップ状の排出ライン79を備える。さらに、酸化剤ガス、燃料ガスを燃料電池1に導入する酸化剤入口配管75i、燃料入口配管76i、および燃料電池1から排出する酸化剤出口配管75o、燃料出口配管76oを備える。酸化剤出口配管75o、燃料出口配管76o側には、燃料電池1内の酸化剤ガス、燃料ガスを加圧するための手段として絞り80を備える。ここで、後述するように、凝縮水が燃料電池1内部で冷媒系に回収されるため、第1の実施形態等に記載したバッファ部27を省略する。
The
次に、酸化剤ガス、燃料ガスガス、冷媒の流通状態について第2の実施形態と異なる点を説明する。 Next, differences from the second embodiment regarding the flow of oxidant gas, fuel gas, and refrigerant will be described.
加湿部64では、燃料電池1の外部から低温・低湿の状態で導入された酸化剤ガスが、第一酸化剤ガスマニホールド31aを介して反応前酸化剤ガス流路66に導入される。また、第二冷媒マニホールド33b、第三冷媒マニホールド33cを通る際に熱交換を行い比較的高温となった冷媒が、第三冷媒流路15cに導入される。加湿部64では、濃度差を駆動力として、冷媒の一部が多孔質材の内部を通って反応前酸化剤ガス流路66側に移動し、その一部が酸化剤ガス内に蒸発する。このとき、比較的高温の冷媒が反応前酸化剤ガス流路66内に移動するので、酸化剤ガス内への蒸発が促進される。また、反応領域に導入される以前の酸化剤ガスが加熱されるので、反応領域に導入された際に適切な反応温度を維持し易くなる。
In the
一方、凝縮熱交換部14では、燃料電池1の外部から、第一冷媒マニホールド33aを介して比較的低温の冷媒が、第一冷媒流路15aに導入される。また、発電反応により高温・高湿となった酸化剤ガスが、第三酸化剤ガスマニホールド31cを介して、反応後酸化剤ガス流路16に導入される。高温となる以前の冷媒と反応後の冷媒とが熱交換を行うことにより、酸化剤ガス内で水の凝縮が生じる。ここで、前述したように、冷媒は少なくとも燃料電池1内で、大気圧に対して負圧となっている。そのため、反応後酸化剤ガス流路16内で凝縮した水は、酸化剤ガスの圧力と冷媒の圧力差を駆動力として、多孔質材内を移動して冷媒系に回収される。また、酸化剤ガスにより冷媒の温度が上昇するので、反応領域を局所的に過冷却するのを避けることができる。
On the other hand, in the condensation
このように、凝縮熱交換部14及び加湿部64には多孔質材を使用し、加えて冷媒の圧力を反応ガス圧力よりも低くする。凝縮熱交換部14においては凝縮水が選択的に多孔質材を介して冷媒に吸収される。加湿部66においては蒸発により生じた濃度差に応じて多孔質材内部を円滑に冷媒が移動する。また、反応前酸化剤ガス流路66おいては多孔質材の裏面69a側に冷媒が流れているので、反応領域に供給される酸化剤ガスの乾燥が防止される。
Thus, a porous material is used for the condensation
また、多孔質材の平均気孔径を0.5μmとしていることから、多孔質材内部における冷媒によるガスのウェットシール作用を確保することができる。図11に平均気孔径とバブルプレッシャーの関係を示す。バブルプレッシャーとは、気孔内に入っている水が表面張力により気孔内に留まろうとする力が、ガスの圧力(ガスと水との圧力差)により破られるときの圧力である。平均気孔径を0.5μm以下とすることにより、大気圧以下の冷媒と加圧されたガスの差圧が80kPaであっても、上記のバブルプレッシャーが向上してウェットシール作用が働く。 Moreover, since the average pore diameter of the porous material is 0.5 μm, it is possible to ensure the wet seal action of the gas by the refrigerant inside the porous material. FIG. 11 shows the relationship between the average pore diameter and bubble pressure. The bubble pressure is a pressure at which the force that the water contained in the pores stays in the pores due to surface tension is broken by the pressure of the gas (pressure difference between the gas and water). By setting the average pore size to 0.5 μm or less, the above bubble pressure is improved and the wet seal function works even if the differential pressure between the refrigerant below atmospheric pressure and the pressurized gas is 80 kPa.
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1〜第3の実施形態の効果とは異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, only effects different from the effects of the first to third embodiments will be described.
セパレータ69の少なくとも凝縮熱交換部14を設ける領域を、多孔質材により構成する。これにより、凝縮熱交換により発生した凝縮水が多孔質材の内部を移動できる。また、セパレータ69の少なくと加湿部64を設ける領域を、多孔質材により構成する。これにより、加湿に用いる水を多孔質材の内部で移動することができる。
The area | region which provides the condensation
ここでは、多孔質材の平均孔径を、0.5μm以下とする。これにより、冷媒と反応ガスの差圧が大きい条件下においても、多孔質材量を貫通するガスリークを冷媒の表面張力によるウェットシール作用で防ぐことができるので、圧力変化に対して耐久性を向上することができる。 Here, the average pore diameter of the porous material is 0.5 μm or less. This makes it possible to prevent gas leaks penetrating through the porous material volume with the wet seal action due to the surface tension of the refrigerant, even under conditions where the differential pressure between the refrigerant and the reaction gas is large, improving durability against pressure changes. can do.
さらに、第一冷媒流路15aを流通する冷媒の圧力を調整する冷媒圧力調整手段を備える。ここでは、燃料電池1の下流側にポンプ71を備えるとともに、上部を大気に開放した冷媒貯蔵部74を備える。第一冷媒流路15aを流通する冷媒の圧力を、反応後酸化剤ガス流路16内の酸化剤ガス圧力よりも小さくする。これにより、圧力差により凝縮水が多孔質材の内部に移動することができる。
Furthermore, the refrigerant | coolant pressure adjustment means which adjusts the pressure of the refrigerant | coolant which distribute | circulates the 1st refrigerant |
なお、上記実施の形態において、燃料電池1内で、酸化剤ガスの経路と燃料ガスの経路を入れ替えて設計してもよい。この場合には、例えば、凝縮熱交換部14では、反応後の燃料ガス中の水の凝縮が行われる。
In the embodiment described above, the oxidant gas path and the fuel gas path may be interchanged in the fuel cell 1. In this case, for example, the condensation
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良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いうまでもない。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. Not too long.
本発明は固体高分子型燃料電池、およびそれを用いた燃料電池システムに適用することができる。特に、コンパクト化が要求される移動体等の動力源として使用される燃料電池システムに適用することができる。 The present invention can be applied to a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell system using the same. In particular, the present invention can be applied to a fuel cell system used as a power source for a mobile body or the like that is required to be compact.
1 燃料電池
2 電解質膜
3 酸化剤極(カソード電極層)
4 燃料極(アノード電極層)
6 酸化剤ガスセパレータ(セパレータ)
7 燃料ガスセパレータ(セパレータ)
8 酸化剤ガス流路(反応ガス流路)
9 燃料ガス流路(反応ガス流路)
14 凝縮熱交換部
15 冷媒流路
15a 第一冷媒流路
15c 第三冷媒流路(第二冷媒流路)
16 反応後酸化剤ガス流路(反応後ガス流路)
34 加湿部
54 加湿兼凝縮熱交換部
55 反応後燃料ガス流路(反応後ガス流路)
56 反応前酸化剤ガス流路(反応前ガス流路)
64 加湿部
66 反応前酸化剤ガス流路
72 ポンプ(冷媒圧力調整手段)
74 冷媒蓄積部
1
4 Fuel electrode (anode electrode layer)
6 Oxidant gas separator (separator)
7 Fuel gas separator (separator)
8 Oxidant gas channel (reactive gas channel)
9 Fuel gas channel (reactive gas channel)
14 Condensation heat exchanger 15
16 Post-reaction oxidant gas flow path (post-reaction gas flow path)
34
56 Pre-reaction oxidant gas flow path (pre-reaction gas flow path)
64
74 Refrigerant accumulation part
Claims (13)
それぞれの前記電極層との間に酸化剤ガスまたは燃料ガスを流通する反応ガス流路を有し、積層面が前記電極層より大きいセパレータと、を備え、
前記セパレータ積層面の前記電極層に重なる以外の領域に、前記反応ガス流路流通後の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を熱源とする凝縮熱交換部を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 A cathode electrode layer provided on both main surfaces of the electrolyte membrane, an anode electrode layer, and
A reaction gas flow path for flowing an oxidant gas or a fuel gas between each of the electrode layers, and a separator having a laminate surface larger than the electrode layer,
A solid polymer comprising a condensation heat exchanging portion having at least one of an oxidant gas and a fuel gas after flowing through the reaction gas flow path as a heat source in a region other than the electrode layer on the separator lamination surface Type fuel cell.
前記電極層と前記セパレータとの間に設けられた前記反応ガス流路流通後の反応ガスを流通する反応後ガス流路と、
前記反応後ガス流路と積層方向に重なる領域に設けられ、前記燃料電池の温度を調整するための冷媒を流通する第一冷媒流路と、を備える請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。 As the condensation heat exchange section,
A post-reaction gas flow path for flowing the reaction gas after flow of the reaction gas flow path provided between the electrode layer and the separator;
2. A solid polymer fuel according to claim 1, further comprising: a first refrigerant channel provided in a region overlapping with the post-reaction gas channel in a stacking direction and circulating a refrigerant for adjusting a temperature of the fuel cell. battery.
さらに、前記改質には、
前記電極層と前記セパレータとの間に設けられた前記反応ガス流路を流通する以前の酸化剤ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方を流通する反応前ガス流路と、
前記反応前ガス流路に積層方向に重なる領域に設けられ、前記燃料電池の温度を調整するための冷媒を流通する第二冷媒流路と、を備える請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。 A humidifying unit for humidifying at least one of the oxidant gas and the fuel gas before being introduced into the electrode layer;
Furthermore, the reforming includes
A pre-reaction gas flow path for flowing at least one of an oxidant gas or a fuel gas before flowing through the reaction gas flow path provided between the electrode layer and the separator;
2. A solid polymer fuel according to claim 1, further comprising: a second refrigerant channel provided in a region overlapping with the pre-reaction gas channel in a stacking direction and circulating a refrigerant for adjusting a temperature of the fuel cell. battery.
さらに、前記加湿兼凝縮熱交換部には、
前記電極層と前記セパレータとの間に設けられた前記反応ガス流路を流通する以前の、酸化剤ガスまたは燃料ガスのうち一方を流通する反応前ガス流路と、
前記反応ガス流路を流通した後の、酸化剤ガスまたは燃料ガスのうちもう一方を流通する反応後ガス流路と、を備え、
積層方向ついて、前記反応前ガス流路と前記反応後ガス流路とを隔てる隔壁として、前記電解質膜または多孔質材のうち少なくとも一方を用いる請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。 One of the oxidant gas or fuel gas before being introduced into the reaction gas flow path is humidified, and water contained in the other of the oxidant gas or fuel gas after flowing through the reaction gas flow path is condensed. A humidifying and condensing heat exchanger
Furthermore, in the humidification and condensation heat exchange part,
A pre-reaction gas flow path that circulates one of oxidant gas or fuel gas before flowing through the reaction gas flow path provided between the electrode layer and the separator;
A post-reaction gas flow channel that circulates the other of the oxidant gas or the fuel gas after flowing through the reaction gas flow channel,
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein at least one of the electrolyte membrane and the porous material is used as a partition wall separating the pre-reaction gas flow channel and the post-reaction gas flow channel in the stacking direction.
前記第一冷媒流路を流通する冷媒の圧力を調整する冷媒圧力調整手段を備え、
前記第一冷媒流路を流通する冷媒の圧力を、前記反応後ガス流路内の反応ガス圧力よりも小さくすることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system using the solid polymer fuel cell according to claim 5,
Comprising refrigerant pressure adjusting means for adjusting the pressure of the refrigerant flowing through the first refrigerant flow path;
A fuel cell system, wherein a pressure of a refrigerant flowing through the first refrigerant flow path is made smaller than a reaction gas pressure in the post-reaction gas flow path.
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