JP2006310028A - Fuel cell device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To raise voltage, to suppress a heat generation rate, and to prevent the generation of drying, by decreasing current density in a module near to the inlet side of hydrogen gas in a fuel cell stack. <P>SOLUTION: A fuel cell device has a plurality of modules 10 formed by stacking a fuel cell interposing an electrolyte layer between a fuel electrode and an oxygen electrode, through a separator in which a fuel gas passage is formed along the fuel electrode, and the cell module 10 is a conductive, fuel gas passages in the cell module 10 are connected to each other so as to fold back for every module 10, and the current density of a cell module 10-1 positioned in a place where the probability of generating drying is high is made lower than that of other cell modules 10-2. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell device.

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。   Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses and trucks. The fuel cell may be an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but a solid polymer type fuel cell is generally used.

この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidizing agent is supplied to the surface thereof, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. . An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側のそれぞれに水を供給するようになっている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。   In the polymer electrolyte fuel cell, since both sides of the polymer electrolyte membrane need to be kept wet, water is supplied to the fuel electrode side and the oxygen electrode side, respectively. In this case, moisture moves as proton-entrained water from the fuel electrode side toward the oxygen electrode side, and moves as back diffusion water from the oxygen electrode side toward the fuel electrode side.

ところで、固体高分子型燃料電池では、燃料電池を起動する際に、燃料極側に残留していた空気と水素ガスとが混合して化学反応を起こすことによって、触媒が劣化することが知られている(例えば、特許文献1参照。)。また、燃料電池を停止する際にも、残留している水素ガスと空気とが混合して化学反応を起こすことによって、触媒が劣化する。   By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, it is known that when the fuel cell is started, the catalyst deteriorates due to mixing of air and hydrogen gas remaining on the fuel electrode side and causing a chemical reaction. (For example, refer to Patent Document 1). Further, when the fuel cell is stopped, the remaining hydrogen gas and air are mixed to cause a chemical reaction, thereby degrading the catalyst.

そこで、水素ガスの流れをセルモジュール毎に折り返すサーペンタイン状とすることによって、水素ガスと空気との混合速度を上げる技術が提案されている。水素ガスと空気とが混合する時間を短くすることによって、触媒の劣化を防止することができる。
特開2002−324564号公報
Thus, a technique has been proposed in which the mixing speed of hydrogen gas and air is increased by making the flow of hydrogen gas into a serpentine shape that turns back each cell module. By shortening the time during which hydrogen gas and air are mixed, deterioration of the catalyst can be prevented.
JP 2002-324564 A

しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池スタックにおける水素ガスの入口側に近いセルモジュールほど水素ガスの流速が高くなり、燃料極からの水分の蒸発量が増加してイオン伝導性が減少する現象であるドライアップが発生する。該ドライアップの発生によって燃料電池の性能低下が起き、燃料電池システムを長時間に亘(わた)って安定的に運転することができず、また、燃料電池自体が劣化してしまう。   However, in the conventional fuel cell device, the cell module closer to the hydrogen gas inlet side in the fuel cell stack has a higher hydrogen gas flow rate, and the amount of moisture evaporated from the fuel electrode increases, resulting in a decrease in ionic conductivity. Dry up, which is a phenomenon that occurs. Due to the occurrence of the dry-up, the performance of the fuel cell is lowered, the fuel cell system cannot be stably operated for a long time, and the fuel cell itself is deteriorated.

本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料電池スタックにおける水素ガスの入口側に近いセルモジュールにおける電流密度を減少させることによって、電圧を上昇させ、発熱量を抑制し、ドライアップの発生を防止することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the problems of the conventional fuel cell device and reduces the current density in the cell module near the hydrogen gas inlet side in the fuel cell stack, thereby increasing the voltage and suppressing the amount of heat generation. An object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of preventing the occurrence of dry-up.

そのために、本発明の燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、前記セルモジュールは、導電可能に、かつ、セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールの電流密度は、他のセルモジュールの電流密度より低い。   Therefore, in the fuel cell device of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell device having a plurality of cell modules, wherein the cell modules are connected to each other so as to be conductive and the fuel gas flow paths in the cell modules are folded back for each cell module. The current density of the cell module located at a high place is lower than the current density of the other cell modules.

本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールの燃料電池の面積は、他のセルモジュールの燃料電池の面積よりも大きい。   In another fuel cell device of the present invention, the area of the fuel cell of the cell module located at a place where the probability of occurrence of dry-up is high is larger than the area of the fuel cell of the other cell module.

本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールの燃料電池は波形状に形成されている。   In still another fuel cell device of the present invention, the fuel cell of the cell module located at a place where the dry-up occurrence probability is high is formed in a wave shape.

本発明によれば、燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、前記セルモジュールは、導電可能に、かつ、セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールの電流密度は、他のセルモジュールの電流密度より低い。   According to the present invention, in a fuel cell device, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell device having a plurality of cell modules, wherein the cell modules are connected to each other so as to be conductive and the fuel gas flow paths in the cell modules are folded back for each cell module. The current density of the cell module located at a high place is lower than the current density of the other cell modules.

この場合、水素ガスの入口側に近いセルモジュールにおける電流密度を減少させることによって、電圧を上昇させ、発熱量を抑制し、ドライアップの発生を防止することができる。   In this case, by reducing the current density in the cell module close to the inlet side of the hydrogen gas, the voltage can be increased, the amount of generated heat can be suppressed, and the occurrence of dry-up can be prevented.

他の燃料電池装置においては、さらに、前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールの燃料電池の面積は、他のセルモジュールの燃料電池の面積よりも大きい。   In another fuel cell device, the area of the fuel cell of the cell module located at a place where the probability of occurrence of dry-up is high is larger than the area of the fuel cell of the other cell module.

この場合、ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールにおける電流密度を防止することができる。   In this case, it is possible to prevent the current density in the cell module located in a place where the dry-up occurrence probability is high.

更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールの燃料電池は波形状に形成されている。   In still another fuel cell device, the fuel cell of the cell module located at a place where the dry-up occurrence probability is high is formed in a wave shape.

この場合、ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールを大型化することなく、燃料電池の面積を大きくすることができる。   In this case, the area of the fuel cell can be increased without increasing the size of the cell module located at a place where the probability of dry-up is high.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図、図3は本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図、図4は本発明の第1の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。   FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the cell module of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention, and FIG. It is a schematic cross section which shows the structure of the unit cell of the fuel cell in the 1st Embodiment of invention.

図2において、20は燃料電池装置(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック20と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。   In FIG. 2, reference numeral 20 denotes a fuel cell stack as a fuel cell device (FC), which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. Here, the vehicle is equipped with a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as lighting devices, radios, and power windows, which are used even when the vehicle is stopped. Since the output range is extremely wide, it is desirable to use the fuel cell stack 20 as a power source and a secondary battery as a power storage means (not shown) in combination.

そして、燃料電池スタック20は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。   The fuel cell stack 20 is of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. However, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is desirable.

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。   More preferably, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) using hydrogen gas as fuel gas, that is, anode gas, and oxygen or air as oxidant, that is, cathode gas. ) Type fuel cell. Here, the PEM fuel cell is generally a fuel cell in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer that transmits ions such as protons. Are composed of a plurality of stacks connected in series.

本実施の形態において、燃料電池スタック20は、後述されるセルモジュール10を複数個、例えば、10個有する。そして、セルモジュール10は、図3に示されるように、燃料電池としての単位セル(MEA:Membrane Electrode Assembly)10Aと、該単位セル10A同士を電気的に接続するとともに、単位セル10Aに導入される水素ガスの流路と空気とを分離するセパレータ10Bと、単位セル10A及びセパレータ10Bを1セットとして、板厚方向に複数セット重ねて構成されている。セルモジュール10は、単位セル10A同士が所定の間隙(げき)を隔てて配置されるように、単位セル10Aとセパレータ10Bとが、多段に重ねられて積層されている。   In the present embodiment, the fuel cell stack 20 includes a plurality of, for example, ten cell modules 10 to be described later. Then, as shown in FIG. 3, the cell module 10 is electrically connected to a unit cell (MEA) 10A as a fuel cell and the unit cells 10A, and is introduced into the unit cell 10A. The separator 10B for separating the hydrogen gas flow path and the air, and the unit cell 10A and the separator 10B as one set are configured to overlap each other in the thickness direction. In the cell module 10, the unit cells 10 </ b> A and the separators 10 </ b> B are stacked and stacked in multiple stages so that the unit cells 10 </ b> A are arranged with a predetermined gap (gap) therebetween.

単位セル10Aは、電解質層としての固体高分子電解質膜11の側に設けられた酸素極としての空気極12及び他側に設けられた燃料極13で構成されている。前記空気極12は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜11と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル10Aの空気極12側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の集電体としての空気極側コレクタ14と、単位セル10Aの燃料極13側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網目状の集電体としての燃料極側コレクタ15とを有する。   The unit cell 10A includes an air electrode 12 as an oxygen electrode provided on the side of the solid polymer electrolyte membrane 11 as an electrolyte layer and a fuel electrode 13 provided on the other side. The air electrode 12 is composed of an electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst layer that is formed on the electrode diffusion layer and is supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane 11. Become. Further, the air electrode side as a mesh-like current collector in which a large number of openings are formed that are in contact with the electrode diffusion layer on the air electrode 12 side of the unit cell 10A and collect a mixed flow of air and water. It has a collector 14 and a fuel electrode side collector 15 as a mesh current collector for contacting the electrode diffusion layer on the fuel electrode 13 side of the unit cell 10A and similarly leading out current.

そして、単位セル10Aにおいては、図4に示されるように、水が移動する。図4において、48は燃料ガス流路としての燃料室であり、49は空気流路としての酸素室である。この場合、燃料極側コレクタ15の燃料室48内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜11を透過する。また、前記空気極12をカソード極とし、酸素室49内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜11を透過し、燃料極側コレクタ15の燃料室48内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室49において生成される水が固体高分子電解質膜11内に拡散し、該固体高分子電解質膜11内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室48にまで浸透したものである。   And in unit cell 10A, as FIG. 4 shows, water moves. In FIG. 4, 48 is a fuel chamber as a fuel gas flow path, and 49 is an oxygen chamber as an air flow path. In this case, when a fuel gas, that is, hydrogen gas as an anode gas is supplied into the fuel chamber 48 of the fuel electrode side collector 15, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions are accompanied by proton-entrained water. It passes through the solid polymer electrolyte membrane 11. Further, when the air electrode 12 is a cathode electrode and an oxidant, that is, air as a cathode gas is supplied into the oxygen chamber 49, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. Is done. Moisture permeates through the solid polymer electrolyte membrane 11 as reverse diffusion water and moves into the fuel chamber 48 of the fuel electrode side collector 15. Here, the reverse diffusion water means that the water generated in the oxygen chamber 49 diffuses into the solid polymer electrolyte membrane 11 and permeates through the solid polymer electrolyte membrane 11 in the direction opposite to the hydrogen ions. It penetrated up to 48.

また、図2には、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック20に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段73に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック20は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック20の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。   FIG. 2 shows an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant to the fuel cell stack 20. Although hydrogen gas, which is fuel taken out by reforming methanol, gasoline, or the like by a reformer (not shown), can be directly supplied to the fuel cell stack 20, it is stable and sufficient even during high-load operation of the vehicle. In order to be able to supply an amount of hydrogen gas, it is desirable to supply the hydrogen gas stored in the fuel storage means 73. Thereby, the hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell stack 20 can follow the fluctuation of the load of the vehicle and supply a necessary current. . In this case, the output impedance of the fuel cell stack 20 is extremely low and can be approximated to zero.

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段73から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、燃料貯蔵手段元開閉弁24、圧力センサ27、第1燃料圧力調整弁25a、第2燃料圧力調整弁25b及び燃料供給電磁弁26が配設される。また、前記第2燃料供給管路33には、安全弁33a及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ78が配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段73は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。   Hydrogen gas is stored in a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 73 such as a hydrogen gas cylinder, a first fuel supply line 21 as a fuel supply line, and The fuel is supplied to the inlet of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 through a second fuel supply pipe 33 as a fuel supply pipe connected to the first fuel supply pipe 21. The first fuel supply pipe 21 is provided with a fuel storage means on-off valve 24, a pressure sensor 27, a first fuel pressure adjustment valve 25a, a second fuel pressure adjustment valve 25b, and a fuel supply electromagnetic valve 26. The The second fuel supply pipe 33 is provided with a safety valve 33a and a pressure sensor 78 for detecting the pressure in the fuel gas passage. In this case, the fuel storage means 73 has a sufficiently large capacity and is capable of always supplying sufficiently high pressure hydrogen gas.

そして、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20の外部に排出される。前記燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク60が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク60には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路30が接続され、該燃料排出管路30にはポンプとしての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記燃料排出管路30には水素循環電磁弁34が配設されている。また、前記燃料排出管路30における水回収ドレインタンク60と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。   The hydrogen gas discharged as an unreacted component from the outlet of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is discharged to the outside of the fuel cell stack 20 through the fuel discharge pipe 31. A water recovery drain tank 60 as a recovery container is disposed in the fuel discharge line 31. The water recovery drain tank 60 is connected with a fuel discharge line 30 for discharging water and the separated hydrogen gas. The fuel discharge line 30 is provided with a suction circulation pump 36 as a pump. Yes. A hydrogen circulation electromagnetic valve 34 is disposed in the fuel discharge line 30. The end of the fuel discharge line 30 opposite to the water recovery drain tank 60 is connected to the second fuel supply line 33. Thereby, the hydrogen gas discharged to the outside of the fuel cell stack 20 can be recovered, supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20, and reused.

また、前記水回収ドレインタンク60には、起動用燃料排出管路56が接続され、該起動用燃料排出管路56には水素起動排気電磁弁62が配設され、燃料電池スタック20の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路56の出口端は排気マニホールド71に接続されている。また、起動用燃料排出管路56に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。   Further, a startup fuel discharge conduit 56 is connected to the water recovery drain tank 60, and a hydrogen startup exhaust solenoid valve 62 is disposed in the startup fuel discharge pipeline 56, so that the fuel cell stack 20 is started up. The hydrogen gas discharged from the fuel gas channel can be discharged into the atmosphere. The outlet end of the starting fuel discharge line 56 is connected to the exhaust manifold 71. In addition, a hydrogen combustor may be provided in the startup fuel discharge line 56 as necessary. The hydrogen gas discharged by the hydrogen combustor can be combusted to form water, and then discharged into the atmosphere.

ここで、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。   Here, the first fuel pressure regulating valve 25a and the second fuel pressure regulating valve 25b are those of a butterfly valve, a regulator valve, a diaphragm type valve, a mass flow controller, a sequence valve, etc., but the first fuel pressure regulating valve Any type of hydrogen gas may be used as long as the pressure of the hydrogen gas flowing out from the outlets of 25a and the second fuel pressure regulating valve 25b can be adjusted to a preset pressure. The pressure adjustment may be performed manually, but is preferably performed by an actuator including an electric motor, a pulse motor, an electromagnet, or the like.

また、前記燃料供給電磁弁26、水素循環電磁弁34及び水素起動排気電磁弁62は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁24は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。   The fuel supply solenoid valve 26, the hydrogen circulation solenoid valve 34, and the hydrogen activation exhaust solenoid valve 62 are so-called on-off types, and are operated by an actuator including an electric motor, a pulse motor, an electromagnet, and the like. The fuel storage means original opening / closing valve 24 is operated manually or automatically using an electromagnetic valve. Further, the suction circulation pump 36 may be of any type as long as it can forcibly discharge the reverse diffusion water together with the hydrogen gas and can bring the inside of the fuel gas passage into a negative pressure state. Good.

一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源75から、酸化剤供給管路77及び吸気マニホールド74を通って、燃料電池スタック20の空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド71、凝縮器72、出口側排気マニホールド22及び排気口22aを通って大気中へ排出される。   On the other hand, air as an oxidant is supplied from an oxidant supply source 75 such as an air supply fan, an air cylinder, or an air tank to an air flow path of the fuel cell stack 20 through an oxidant supply line 77 and an intake manifold 74. Supplied. In this case, the pressure of the supplied air is a normal pressure of about atmospheric pressure. Note that oxygen can be used as the oxidizing agent instead of air. And the air discharged | emitted from an air flow path is discharged | emitted in air | atmosphere through the exhaust manifold 71 as a manifold, the condenser 72, the exit side exhaust manifold 22, and the exhaust port 22a.

また、前記酸化剤供給管路77には、水をスプレーして、燃料電池スタック20の空気極12を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル76が配設される。また、スプレーされた水によって前記空気極12及び燃料極13を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド71の端部に配設された凝縮器72は、前記燃料電池スタック20から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器72によって凝縮された水は凝縮水排出管路79を通って水タンク52に回収される。なお、前記凝縮水排出管路79には排水ポンプ51が配設され、前記水タンク52にはレベルゲージ(水位計)52aが配設されている。   The oxidant supply pipe 77 is provided with a water supply nozzle 76 for spraying water to maintain the air electrode 12 of the fuel cell stack 20 in a wet state. Further, the air electrode 12 and the fuel electrode 13 can be cooled by the sprayed water. Further, the condenser 72 disposed at the end of the exhaust manifold 71 is for condensing and removing moisture contained in the air discharged from the fuel cell stack 20, and is condensed by the condenser 72. The water thus collected is collected in the water tank 52 through the condensed water discharge pipe 79. A drainage pump 51 is disposed in the condensed water discharge conduit 79, and a level gauge (water level gauge) 52a is disposed in the water tank 52.

さらに、前記水タンク52内の水は、給水管路53を通って水供給ノズル76に供給される。なお、前記給水管路53には、給水ポンプ54及び水フィルタ55が配設されている。ここで、前記排水ポンプ51及び給水ポンプ54は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ55は、水に含まれる塵埃(じんあい)、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。   Further, the water in the water tank 52 is supplied to the water supply nozzle 76 through the water supply pipe 53. A water supply pump 54 and a water filter 55 are disposed in the water supply line 53. Here, the drainage pump 51 and the water supply pump 54 may be of any kind as long as they can suck and discharge water. The water filter 55 may be of any kind as long as it removes dust, impurities, etc. contained in water.

そして、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。   The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are generally used. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.

また、前記燃料電池スタック20は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック20又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。   The fuel cell stack 20 is connected to a load (not shown) and supplies the generated current to the load. Here, the load is generally an inverter device that is a drive control device, and converts a direct current from the fuel cell stack 20 or the power storage means into an alternating current to rotate a vehicle wheel. To supply. Here, the drive motor also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current when the vehicle is decelerated. In this case, since the drive motor is rotated by the wheel to generate electric power, the wheel is braked, that is, functions as a vehicle braking device (brake). Then, the regenerative current is supplied to the power storage means, and the power storage means is charged.

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないFCコントロールECU(Electronic Control Unit)を有する。前記制御装置は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、図示されない水素濃度検出器を含む各種のセンサから燃料電池スタック20の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源75、第1燃料圧力調整弁25a、第2燃料圧力調整弁25b、燃料供給電磁弁26、水素循環電磁弁34、吸引循環ポンプ36、排水ポンプ51、給水ポンプ54、水素起動排気電磁弁62等の動作を制御する。さらに、前記FCコントロールECUは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないEV(Electric Vehicle)コントロールECUと連携して、燃料電池スタック20に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。   In the present embodiment, the fuel cell system has an FC control ECU (Electronic Control Unit) (not shown) as a control device. The control device includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a magnetic disk and semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and the fuel gas flow of the fuel cell stack 20 from various sensors including a hydrogen concentration detector (not shown). The oxidant supply source 75, the first fuel pressure adjustment valve 25a, and the second fuel pressure adjustment valve 25b are detected by detecting the flow rate, temperature, output voltage and the like of hydrogen, oxygen, air, etc. supplied to the passage and the air passage. The operation of the fuel supply solenoid valve 26, the hydrogen circulation solenoid valve 34, the suction circulation pump 36, the drainage pump 51, the feed water pump 54, the hydrogen activation exhaust solenoid valve 62, and the like is controlled. Further, the FC control ECU cooperates with other sensors provided in the vehicle and an EV (Electric Vehicle) control ECU (not shown) as a vehicle control means to supply fuel and oxidant to the fuel cell stack 20. Centrally control the operation of all equipment supplied.

次に、従来の燃料電池装置におけるドライアップの発生について説明する。   Next, the occurrence of dry-up in a conventional fuel cell device will be described.

図5は燃料電池スタック内の水素の流れを示す模式図、図6は各セルモジュールの平均セル電圧の変化を示す図、図7はドライアップに影響を与える因子を示す図である。   FIG. 5 is a schematic diagram showing the flow of hydrogen in the fuel cell stack, FIG. 6 is a diagram showing a change in the average cell voltage of each cell module, and FIG. 7 is a diagram showing factors affecting the dry-up.

ここでは、セルモジュールを10個積層して1つの燃料電池スタックを形成した、従来の燃料電池装置を例に採って説明する。この場合、燃料電池スタック内における水素ガスの流れは、図5において矢印で示されるように、セルモジュール毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇(だ)行状になっている。なお、図5において、1M〜10Mは、燃料電池スタックにおける水素ガスの入口側から出口側に向けてのセルモジュールの順番を示し、第1番目〜第10番目のセルモジュールであることを意味する。また、図5における矢印の太さは、水素ガスの流速及び圧力を示している。   Here, a conventional fuel cell device in which 10 cell modules are stacked to form one fuel cell stack will be described as an example. In this case, the flow of hydrogen gas in the fuel cell stack is in a serpentine shape that is folded back for each cell module, that is, in a serpentine shape, as indicated by arrows in FIG. In FIG. 5, 1M to 10M indicate the order of the cell modules from the hydrogen gas inlet side to the outlet side in the fuel cell stack, which means the first to the tenth cell modules. . Moreover, the thickness of the arrow in FIG. 5 has shown the flow velocity and pressure of hydrogen gas.

図5から、水素ガスの入口側のセルモジュールほど水素ガスの流速及び圧力が高く、出口側に近付くほど水素ガスの流速が低くなっていくことが分かる。そして、水素ガスの流速及び圧力が高いほど燃料極から水分を奪いやすいと考えられるので、水素ガスの入口側に近いセルモジュールほどドライアップを起こしやすいと考えることができる。   From FIG. 5, it can be seen that the flow rate and pressure of hydrogen gas are higher in the cell module on the inlet side of hydrogen gas, and the flow rate of hydrogen gas is lower as the cell module is closer to the outlet side. And, it can be considered that the higher the flow rate and pressure of the hydrogen gas, the more easily moisture is taken from the fuel electrode. Therefore, it can be considered that the cell module closer to the hydrogen gas inlet side is more likely to dry up.

そして、本発明の発明者が実験を行って、第1番目〜第10番目のセルモジュール1M〜10Mの各々における平均セル電圧の変化を測定したところ、図6に示されるような結果を得ることができた。なお、図6において、縦軸には平均セル電圧〔V〕が採ってあり、横軸には時間〔秒〕が採ってある。また、図6において、Aは第2番目〜第10番目のセルモジュール2M〜10Mの各々における平均セル電圧の変化を示す線であり、Bは第1番目のセルモジュール1Mにおける平均セル電圧の変化を示す線である。   And when the inventor of this invention experimented and measured the change of the average cell voltage in each of the 1st-10th cell modules 1M-10M, the result as shown in FIG. 6 was obtained. I was able to. In FIG. 6, the vertical axis represents the average cell voltage [V], and the horizontal axis represents time [seconds]. In FIG. 6, A is a line indicating changes in the average cell voltage in each of the second to tenth cell modules 2M to 10M, and B is a change in the average cell voltage in the first cell module 1M. It is a line which shows.

図6から、第2番目〜第10番目のセルモジュール2M〜10Mにおける平均セル電圧が時間が経過してもほぼ一定であるのに対し、第1番目のセルモジュール1Mにおける平均セル電圧は時間が経過するにつれて低下していくことが分かる。前記第1番目のセルモジュール1Mにおける平均セル電圧の低下は、ドライアップの発生による性能の低下を示している。このことから、水素ガスの入口側に最も近い第1番目のセルモジュール1Mにおいてドライアップが発生することが確認された。   From FIG. 6, the average cell voltage in the second to tenth cell modules 2M to 10M is almost constant over time, whereas the average cell voltage in the first cell module 1M is It turns out that it falls as time passes. The decrease in average cell voltage in the first cell module 1M indicates a decrease in performance due to the occurrence of dry-up. From this, it was confirmed that dry-up occurred in the first cell module 1M closest to the hydrogen gas inlet side.

ドライアップに影響を与える因子には、図7に示されるようなものが含まれる。まず、図7の左上に示される「電流密度」がある。燃料電池装置の負荷が上昇したりすることによって「電流密度」が増加すると、「セル温度」が上昇する。そして、「セル温度」が上昇すると「水分持ち出し量」が増加する。これにより、「ドライアップ」が発生する。   Factors that affect dry-up include those shown in FIG. First, there is a “current density” shown in the upper left of FIG. If the “current density” increases due to an increase in the load of the fuel cell device, the “cell temperature” increases. When the “cell temperature” rises, the “moisture take-out amount” increases. As a result, “dry-up” occurs.

また、他の因子としては「冷却量」がある。「冷却量」が低下すると「セル温度」が上昇する。そして、「セル温度」が上昇すると「水分持ち出し量」が増加し、「ドライアップ」が発生する。   Another factor is “cooling amount”. When the “cooling amount” decreases, the “cell temperature” increases. When the “cell temperature” rises, the “moisture removal amount” increases and “dry up” occurs.

さらに、他の因子としては「空気極圧力」及び「燃料極圧力」がある。該「空気極圧力」及び「燃料極圧力」が低いと水分が蒸発しやすくなるので、「水分持ち出し量」が増加する。これにより、「ドライアップ」が発生する。   Further, as other factors, there are “air electrode pressure” and “fuel electrode pressure”. When the “air electrode pressure” and the “fuel electrode pressure” are low, the moisture easily evaporates, so that the “moisture take-out amount” increases. As a result, “dry-up” occurs.

さらに、他の因子としては各セルモジュールに含まれる単位セルの数、すなわち、「1モジュール当たりのセル数」がある。「1モジュール当たりのセル数」が少ないと「水素流速」が上昇する。そして、「水素流速」が上昇すると「水分持ち出し量」が増加し、「ドライアップ」が発生する。   Another factor is the number of unit cells included in each cell module, that is, “number of cells per module”. If the “number of cells per module” is small, the “hydrogen flow rate” increases. When the “hydrogen flow rate” increases, the “moisture take-out amount” increases and “dry up” occurs.

そこで、本実施の形態においては、ドライアップが発生する確率の高いセルモジュールにおける電流密度を減少させることによって、ドライアップの発生を防止するようになっている。   Therefore, in the present embodiment, the occurrence of dry-up is prevented by reducing the current density in the cell module that has a high probability of dry-up.

図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図、図8は本発明の第1の実施の形態におけるセルモジュールのI−V特性を示す図である。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a diagram illustrating IV characteristics of the cell module according to the first embodiment of the present invention.

図1に示されるように、本実施の形態における燃料電池スタック20は、複数個のセルモジュール10を有する。この場合、燃料電池スタック20内における水素ガスの流れは、図1において矢印で示されるように、セルモジュール10毎に折り返すサーペンタイン状になっている。なお、図1において、水素ガスの入口に最も近い第1番目のセルモジュール10は10−1として示され、他のセルモジュール10は一括して10−2として示されている。また、セルモジュール10−1及び10−2を統括的に説明する場合には、セルモジュール10として説明する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 20 in the present embodiment has a plurality of cell modules 10. In this case, the flow of hydrogen gas in the fuel cell stack 20 has a serpentine shape that is folded back for each cell module 10 as indicated by arrows in FIG. In FIG. 1, the first cell module 10 closest to the hydrogen gas inlet is indicated as 10-1, and the other cell modules 10 are collectively indicated as 10-2. In the case where the cell modules 10-1 and 10-2 are collectively described, the cell modules 10 will be described.

そして、燃料電池スタック20は、水素ガスの入口側のエンドプレート81a、水素ガスの出口側のエンドプレート81b、水素ガスの入口側の絶縁板82a、水素ガスの出口側の絶縁板82b、水素ガスの入口側の集電板83a及び水素ガスの出口側の集電板83bを有する。なお、エンドプレート81a及び81b、絶縁板82a及び82b並びに集電板83a及び83bを統合的に説明する場合には、それぞれ、エンドプレート81、絶縁板82及び集電板83として説明する。セルモジュール10は、水素ガスの入口側と出口側から、絶縁板82a及び82b並びに集電板83a及び83bを介して、エンドプレート81a及び81bによって挟み込まれた状態になっている。なお、エンドプレート81a及び81bは、締め付け用シャフト86によって、セルモジュール10を締め付ける力を付与された状態で、相互に接続されている。   The fuel cell stack 20 includes an end plate 81a on the hydrogen gas inlet side, an end plate 81b on the hydrogen gas outlet side, an insulating plate 82a on the hydrogen gas inlet side, an insulating plate 82b on the hydrogen gas outlet side, a hydrogen gas Current collector plate 83a on the inlet side and a current collector plate 83b on the hydrogen gas outlet side. Note that when the end plates 81a and 81b, the insulating plates 82a and 82b, and the current collecting plates 83a and 83b are described in an integrated manner, the end plates 81a, 81b, and the current collecting plates 83 will be described. The cell module 10 is sandwiched between the end plates 81a and 81b from the hydrogen gas inlet and outlet sides via the insulating plates 82a and 82b and the current collector plates 83a and 83b. The end plates 81a and 81b are connected to each other in a state where a force for fastening the cell module 10 is applied by the fastening shaft 86.

ここで、第1番目のセルモジュール10−1は集電板83aに電気的に接続され、セルモジュール10−2の中で水素ガスの出口側に最も近いものは集電板83bに電気的に接続されている。さらに、隣接するセルモジュール10同士は相互に電気的に接続されている。なお、各セルモジュール10同士は電気伝導性が良好である。   Here, the first cell module 10-1 is electrically connected to the current collector plate 83a, and the cell module 10-2 that is closest to the hydrogen gas outlet side is electrically connected to the current collector plate 83b. It is connected. Further, adjacent cell modules 10 are electrically connected to each other. The cell modules 10 have good electrical conductivity.

本実施の形態において、第1番目のセルモジュール10−1は、他のセルモジュール10−2よりも大型であり、第1番目のセルモジュール10−1における各単位セル10A及びセパレータ10Bの面積は、他のセルモジュール10−2における各単位セル10A及びセパレータ10Bの面積よりも大きくなっている。なお、図1において、87は水素配管であり、大型の第1番目のセルモジュール10−1の端部から排出される水素ガスを隣接するセルモジュール10−2の端部に導入するために配設されているが、不要であれば適宜省略することもできる。   In the present embodiment, the first cell module 10-1 is larger than the other cell modules 10-2, and the area of each unit cell 10A and separator 10B in the first cell module 10-1 is as follows. The area of each unit cell 10A and separator 10B in the other cell module 10-2 is larger. In FIG. 1, reference numeral 87 denotes a hydrogen pipe, which is arranged to introduce hydrogen gas discharged from the end of the large first cell module 10-1 into the end of the adjacent cell module 10-2. However, if unnecessary, it can be omitted as appropriate.

ここで、図8には、燃料電池スタック20におけるセルモジュール10の電流と電圧との関係を表すI−V特性が示されている。なお、図8において、縦軸には平均セル電圧〔V〕が採ってあり、横軸には電流密度〔A/cm2 〕が採ってある。そして、図8において、Cはセルモジュール10のI−V特性を示す線であり、電流密度が増加するほど、平均セル電圧が低下することが示されている。また、線Dは熱損失が一切ないと仮定した場合におけるセル電圧、すなわち、セル電圧の理論値である1.48〔V〕を示している。さらに、C−1は線C上における第1番目のセルモジュール10−1に対応する点であり、C−2は線C上におけるセルモジュール10−2に対応する点である。なお、線Eは他のセルモジュール10−2における平均セル電圧を示している。 Here, FIG. 8 shows IV characteristics representing the relationship between the current and voltage of the cell module 10 in the fuel cell stack 20. In FIG. 8, the vertical axis represents the average cell voltage [V], and the horizontal axis represents the current density [A / cm 2 ]. In FIG. 8, C is a line indicating the IV characteristic of the cell module 10, and it is shown that the average cell voltage decreases as the current density increases. The line D indicates 1.48 [V], which is the cell voltage when it is assumed that there is no heat loss, that is, the theoretical value of the cell voltage. Further, C-1 is a point corresponding to the first cell module 10-1 on the line C, and C-2 is a point corresponding to the cell module 10-2 on the line C. The line E indicates the average cell voltage in the other cell module 10-2.

点C−1及びC−2から、第1番目のセルモジュール10−1における各単位セル10A及びセパレータ10Bの面積が、他のセルモジュール10−2における各単位セル10A及びセパレータ10Bの面積よりも大きいので、第1番目のセルモジュール10−1における電流密度が他のセルモジュール10−2における電流密度より小さくなっていること分かる。また、それに伴って、第1番目のセルモジュール10−1における平均セル電圧が他のセルモジュール10−2における平均セル電圧より高くなっていること分かる。なお、Gは第1番目のセルモジュール10−1における平均セル電圧と他のセルモジュール10−2における平均セル電圧との差を示している。   From the points C-1 and C-2, the area of each unit cell 10A and separator 10B in the first cell module 10-1 is larger than the area of each unit cell 10A and separator 10B in the other cell module 10-2. Since it is large, it can be seen that the current density in the first cell module 10-1 is smaller than the current density in the other cell module 10-2. Accordingly, it can be seen that the average cell voltage in the first cell module 10-1 is higher than the average cell voltage in the other cell modules 10-2. G represents the difference between the average cell voltage in the first cell module 10-1 and the average cell voltage in the other cell module 10-2.

そして、F−1は、第1番目のセルモジュール10−1における平均セル電圧と熱損失が一切ないと仮定した場合におけるセル電圧との差を示し、F−2は、他のセルモジュール10−2における平均セル電圧と熱損失が一切ないと仮定した場合におけるセル電圧との差を示している。F−1及びF−2から、第1番目のセルモジュール10−1における平均セル電圧は、他のセルモジュール10−2における平均セル電圧よりも、熱損失が一切ないと仮定した場合における平均セル電圧に近い値となっていることが分かる。これは、第1番目のセルモジュール10−1における発熱量が他のセルモジュール10−2における発熱量より小さいことを意味する。なお、F−1及びF−2は、第1番目のセルモジュール10−1における発熱による熱損失の大きさ、及び、他のセルモジュール10−2における発熱による熱損失の大きさを表している。すなわち、第1番目のセルモジュール10−1では、他のセルモジュール10−2よりもGで示される電圧に対応する分だけ発熱による熱損失が少なくなっている。なお、単位セル10A1つ当たりの発熱量は、熱損失が一切ないと仮定した場合におけるセル電圧と実際のセル電圧との差に電流量を乗じたものである。   F-1 indicates the difference between the average cell voltage in the first cell module 10-1 and the cell voltage when it is assumed that there is no heat loss. F-2 indicates the other cell module 10-. 2 shows the difference between the average cell voltage at 2 and the cell voltage assuming no heat loss. From F-1 and F-2, the average cell voltage in the first cell module 10-1 is assumed to have no heat loss compared to the average cell voltage in the other cell modules 10-2. It can be seen that the value is close to the voltage. This means that the amount of heat generated in the first cell module 10-1 is smaller than the amount of heat generated in the other cell module 10-2. F-1 and F-2 represent the magnitude of heat loss due to heat generation in the first cell module 10-1, and the magnitude of heat loss due to heat generation in the other cell modules 10-2. . That is, in the first cell module 10-1, heat loss due to heat generation is reduced by an amount corresponding to the voltage indicated by G, compared to the other cell modules 10-2. Note that the amount of heat generated per unit cell 10A is obtained by multiplying the difference between the cell voltage and the actual cell voltage when there is no heat loss by the amount of current.

このことから、第1番目のセルモジュール10−1においては、各単位セル10Aの面積が他のセルモジュール10−2における各単位セル10Aの面積よりも大きく、電流密度が低いので、発熱量が低くなっていることが分かる。そして、発熱量が低いので各単位セル10Aの温度を低く抑えることができるために、ドライアップの発生を防止することができる。   Thus, in the first cell module 10-1, the area of each unit cell 10A is larger than the area of each unit cell 10A in the other cell module 10-2, and the current density is low, so the amount of heat generated is You can see that it is lower. Since the calorific value is low, the temperature of each unit cell 10A can be kept low, so that the occurrence of dry-up can be prevented.

このように、本実施の形態においては、ドライアップが発生する確率の高いセルモジュール10である第1番目のセルモジュール10−1における電流密度を減少させるようになっている。そのため、第1番目のセルモジュール10−1における電流密度を低下させて発熱量を低くすることができるので、ドライアップの発生を防止することができる。   Thus, in the present embodiment, the current density in the first cell module 10-1, which is the cell module 10 with a high probability of occurrence of dry-up, is reduced. As a result, the current density in the first cell module 10-1 can be reduced to reduce the amount of heat generated, so that the occurrence of dry-up can be prevented.

これにより、燃料電池スタック20を高負荷で長時間に亘って運転させてもドライアップが発生しなくなるので、高速道路、上り坂等を走行する場合において、燃料電池スタック20を動力源とする車両の走行性能が向上する。   Accordingly, even when the fuel cell stack 20 is operated at a high load for a long time, dry-up does not occur. Therefore, a vehicle using the fuel cell stack 20 as a power source when traveling on an expressway, an uphill or the like. Driving performance is improved.

次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. The description of the same operation and the same effect as those of the first embodiment is also omitted.

図9は本発明の第2の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す模式断面図である。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the cell module of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention.

本実施の形態においては、ドライアップが発生する確率の高いセルモジュール10である第1番目のセルモジュール10−1における各単位セル10Aが、図9に示されるように、波形状に形成されている。そのため、単位セル10Aの面積を、前記第1の実施の形態のような平板状に形成されたものよりも、大きくすることができる。なお、セパレータ10Bは、前記第1の実施の形態と同様に、平板状に形成されている。   In the present embodiment, each unit cell 10A in the first cell module 10-1, which is a cell module 10 with a high probability of dry-up, is formed in a wave shape as shown in FIG. Yes. Therefore, the area of the unit cell 10A can be made larger than that formed in a flat plate shape as in the first embodiment. The separator 10B is formed in a flat plate shape as in the first embodiment.

このように、本実施の形態においては、第1番目のセルモジュール10−1における各単位セル10Aが波形状に形成されているので、第1番目のセルモジュール10−1を大型化することなく、第1番目のセルモジュール10−1における各単位セル10Aの面積を他のセルモジュール10−2における各単位セル10Aの面積よりも大きくすることができる。   Thus, in this Embodiment, since each unit cell 10A in the 1st cell module 10-1 is formed in the waveform, without enlarging the 1st cell module 10-1. The area of each unit cell 10A in the first cell module 10-1 can be made larger than the area of each unit cell 10A in the other cell module 10-2.

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cell module of the fuel cell in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the unit cell of the fuel cell in the 1st Embodiment of this invention. 燃料電池スタック内の水素の流れを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the flow of hydrogen in a fuel cell stack. 各セルモジュールの平均セル電圧の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the average cell voltage of each cell module. ドライアップに影響を与える因子を示す図である。It is a figure which shows the factor which affects dry-up. 本発明の第1の実施の形態におけるセルモジュールのI−V特性を示す図である。It is a figure which shows the IV characteristic of the cell module in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structure of the cell module of the fuel cell in the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10、10−1、10−2 セルモジュール
10A 単位セル
10B セパレータ
11 固体高分子電解質膜
12 空気極
13 燃料極
20 燃料電池スタック
48 燃料室
10, 10-1, 10-2 Cell module 10A Unit cell 10B Separator 11 Polymer electrolyte membrane 12 Air electrode 13 Fuel electrode 20 Fuel cell stack 48 Fuel chamber

Claims (3)

電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、
前記セルモジュールは、導電可能に、かつ、セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、
ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールの電流密度は、他のセルモジュールの電流密度より低いことを特徴とする燃料電池装置。
A fuel cell device having a plurality of cell modules in which a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode,
The cell modules are connected to each other so that they can conduct electricity and the fuel gas flow paths in the cell modules are folded back for each cell module,
A fuel cell device, wherein a current density of a cell module located in a place where a dry-up occurrence probability is high is lower than a current density of another cell module.
前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールの燃料電池の面積は、他のセルモジュールの燃料電池の面積よりも大きい請求項1に記載の燃料電池装置。   2. The fuel cell device according to claim 1, wherein an area of the fuel cell of the cell module located in a place where the probability of occurrence of dry-up is high is larger than the areas of the fuel cells of other cell modules. 前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールの燃料電池は波形状に形成されている請求項2に記載の燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 2, wherein the fuel cell of the cell module located in a place where the probability of occurrence of dry-up is high is formed in a wave shape.
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