JP2006318678A - Fuel cell system and operation method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池の耐久性を向上させるのに有利な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system advantageous for improving the durability of a fuel cell and a method for operating the fuel cell system.
燃料電池は、電解質を挟む燃料極および酸化剤極とを有する膜電極接合体(以下、MEAともいう)と、酸化剤ガスを酸化剤極に流す酸化剤流路と、燃料を燃料極に流す燃料流路とを有する。特許文献1には、電解質膜を構成するリン酸成分が燃料電池の運転時間の経過により飛散消失して燃料電池の性能が低下すると共に、リン酸成分が廃棄物として発生することに着目し、計測手段により燃料電池の運転時間を計測し、運転時間が所定値になったとき、燃料流路および酸化剤流路の流れを切り替える技術が開示されている。このものによれば、飛散消失するリン酸成分の消失がガス流れ方向において均一化されると記載されている。また特許文献2には、水が流路を狭くするフラッディング現象が燃料電池に生じているかを検出し、フラッディング現象が発生していると、ガス流れ方向を切り替える技術が開示されている。
産業界では、燃料電池の耐久性を向上させることが要請されている。また、上記した技術によれば、発電量が相対的に大きい高発電領域と、発電量が相対的に小さい低発電領域とで、ガス流れの向きを切り替えるものではない。 There is a demand in the industry to improve the durability of fuel cells. Further, according to the above-described technique, the direction of gas flow is not switched between a high power generation region where the power generation amount is relatively large and a low power generation region where the power generation amount is relatively small.
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の耐久性を向上させるのに有利な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system and a fuel cell system operating method that are advantageous in improving the durability of the fuel cell.
(1)本発明者は、上記した課題のもとに燃料電池システムについて長年にわたり鋭意研究を進めている。そして本発明者は研究により次の事項(a)(b)を発見し、かかる発見に基づいて本発明を完成させた。燃料の流れの基本的方向と酸化剤の基本的方向を対向させる対向流形態を採用するときには、燃料電池における発電分布の均一性が向上する利点が得られる。その理由としては次のように推察されている。対向流形態(図1参照)によれば、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域(酸化剤濃度が高い領域)と、燃料流路を流れる燃料の下流域(燃料濃度が低い領域)とが電解質膜を介して対向すると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域(酸化剤濃度が低い領域)と、燃料流路を流れる燃料の上流域(燃料濃度が高い領域)とが電解質膜を介して対向する。このため、酸化剤濃度が高い領域と燃料濃度が高い領域とが電解質膜を介して対向すると共に、酸化剤濃度が低い領域と燃料濃度が低い領域とが電解質膜を介して対向する形態に比較して、対向流形態を採用したときには流れ方向における発電分布の均一性が向上する利点が得られる。 (1) The present inventor has been diligently researching the fuel cell system for many years based on the above-described problems. The present inventor discovered the following items (a) and (b) through research, and completed the present invention based on the findings. When adopting a counter flow configuration in which the basic direction of the fuel flow and the basic direction of the oxidant are opposed, there is an advantage that the uniformity of the power generation distribution in the fuel cell is improved. The reason is presumed as follows. According to the counterflow configuration (see FIG. 1), the upstream region of the oxidant flowing through the oxidant flow path (region where the oxidant concentration is high) and the downstream region of the fuel flowing through the fuel flow channel (region where the fuel concentration is low) Are opposed to each other through the electrolyte membrane, and the downstream area of the oxidant flowing through the oxidant flow path (the area where the oxidant concentration is low) and the upstream area of the fuel flowing through the fuel flow path (the area where the fuel concentration is high) are the electrolyte. Opposing through the membrane. For this reason, the region where the oxidant concentration is high and the region where the fuel concentration is high are opposed to each other through the electrolyte membrane, and the region where the oxidant concentration is low and the region where the fuel concentration is low are opposed to each other via the electrolyte membrane. Thus, when the counterflow mode is adopted, there is an advantage that the uniformity of the power generation distribution in the flow direction is improved.
(a)ところで、燃料電池の発電運転では、一般的には、発電反応で生成した水が、酸化剤流路を流れる酸化剤ガスと共に酸化剤流路の下流域に移行する影響で、酸化剤流路の下流域において水がガス流路を狭くすることが多い。このため、酸化剤流路の下流域では、発電反応が制約され易い。このため、酸化剤流路の下流域に電解質膜を介して対向する燃料流路の上流域では、発電反応が起こりにくい。結果として、前記した対向流形態を採用したときには、燃料流路の上流域では、燃料の消費が少なくなり、燃料濃度(燃料分圧)が高くなる。故に、燃料流路の上流域に存在する濃度が高い燃料成分(燃料がガス状の場合にはガス状態のまま)が、電解質膜を透過し、酸化剤極側に移行するおそれがある。 (A) By the way, in the power generation operation of the fuel cell, in general, the water generated by the power generation reaction is transferred to the downstream region of the oxidant flow path together with the oxidant gas flowing through the oxidant flow path. Water often narrows the gas flow path in the downstream area of the flow path. For this reason, the power generation reaction is easily restricted in the downstream region of the oxidant flow path. For this reason, the power generation reaction is unlikely to occur in the upstream region of the fuel flow channel facing the downstream region of the oxidant flow channel via the electrolyte membrane. As a result, when the above-described counterflow mode is employed, fuel consumption is reduced and fuel concentration (fuel partial pressure) is increased in the upstream region of the fuel flow path. Therefore, a fuel component having a high concentration existing in the upstream region of the fuel flow path (in a gaseous state when the fuel is in a gaseous state) may permeate the electrolyte membrane and move to the oxidant electrode side.
(b)更に、本発明者は、上記した研究により、図3の特性線W1に示すように、燃料極側の燃料が電解質膜を介して酸化剤極側に移行する移行量(燃料がガス状の場合にはガス状態の移行量)は、発電量が相対的に大きい高発電領域(電流密度が相対的に高い領域)においては少ないものの、発電量が相対的に小さい低発電領域(電流密度が相対的に低い領域)においては、大きくなる傾向があることを、最近、新たに発見した。なお、この高発電領域および低発電領域は、燃料電池の電流密度−出力特性(IV特性)における電流密度の大きさによって区別される領域である。 (B) Further, the present inventor has found that the amount of transition (fuel is gas) that the fuel on the fuel electrode side moves to the oxidant electrode side through the electrolyte membrane as shown by the characteristic line W1 in FIG. The amount of gas state transition is small in the high power generation region where the power generation amount is relatively large (region where the current density is relatively high), but low in the power generation region where the power generation amount is relatively small (current). Recently, it has been newly discovered that there is a tendency to increase in areas where the density is relatively low. The high power generation region and the low power generation region are regions that are distinguished by the magnitude of the current density in the current density-output characteristics (IV characteristics) of the fuel cell.
そこで、発電量が相対的に大きい領域において対向流形態を採用してガス流れ方向における発電分布の均一性を高めつつ、発電量が相対的に小さい低発電領域においては並行流形態(図2参照)を採用すれば良いことを知見した。即ち、並行流形態は、燃料の流れの基本的方向と酸化剤の基本的方向と同じ向きとするものである。並行流形態によれば、図2から理解できるように、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域(酸化剤濃度が高い領域)と、燃料流路を流れる燃料の上流域(燃料濃度が高い領域)とが電解質膜を介して対向すると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域(酸化剤濃度が低い領域)と、燃料流路を流れる燃料の下流域(燃料濃度が低い領域)とが電解質膜を介して対向する。このような並行流形態によれば、燃料流路の上流域において燃料が発電反応に良好に消費されるので、燃料流路の上流域の燃料が電解質膜を介して酸化剤極側に移行することが抑制される。このように燃料極側の燃料が電解質膜を介して酸化剤極側に移行することが抑制されると、燃料電池を長期にわたり使用したときであっても、電解質膜の性質が変化することが良好に抑制され、電解質膜の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。かかる発見に基づいて本発明は開発されたものである。 Therefore, a counter flow mode is adopted in a region where the power generation amount is relatively large to improve the uniformity of power generation distribution in the gas flow direction, while a parallel flow mode is used in a low power generation region where the power generation amount is relatively small (see FIG. 2). ) Was adopted. That is, the parallel flow mode is the same direction as the basic direction of the fuel flow and the basic direction of the oxidant. According to the parallel flow mode, as can be understood from FIG. 2, the upstream region of the oxidant flowing through the oxidant flow channel (region where the oxidant concentration is high) and the upstream region of fuel flowing through the fuel flow channel (the fuel concentration is high). Region) through the electrolyte membrane, the downstream region of the oxidant flowing through the oxidant flow path (region where the oxidant concentration is low), and the downstream region of fuel flowing through the fuel flow channel (region where the fuel concentration is low) Are opposed to each other through the electrolyte membrane. According to such a parallel flow mode, the fuel is favorably consumed in the power generation reaction in the upstream region of the fuel flow path, so that the fuel in the upstream region of the fuel flow path moves to the oxidant electrode side through the electrolyte membrane. It is suppressed. In this way, if the fuel on the fuel electrode side is suppressed from moving to the oxidant electrode side through the electrolyte membrane, the properties of the electrolyte membrane may change even when the fuel cell is used over a long period of time. It is suppressed well, and the lifetime of the electrolyte membrane can be improved and the durability can be improved. The present invention has been developed based on such findings.
(2)即ち、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟む燃料極および酸化剤極とを有する膜電極接合体と、酸化剤を酸化剤極に流す酸化剤流路と、燃料を燃料極に流す燃料流路とを有する燃料電池を具備する燃料電池システムにおいて、燃料流路を流れる燃料および酸化剤流路を流れる酸化剤の流れ方向の関係を、第1形態と第2形態とに切替可能とする切替手段を具備しており、切替手段は、第1形態において、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを電解質膜を介して対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを電解質膜を介して対向させ、
第2形態において、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを電解質膜を介して対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを電解質膜を介して対向させ、且つ、切替手段は、発電量が相対的に大きい高発電領域では第2形態で運転し、発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では第1形態で運転するように切替えることを特徴とするものである。
(2) That is, a fuel cell system according to the present invention includes a membrane electrode assembly having a fuel electrode and an oxidant electrode sandwiching an electrolyte membrane, an oxidant flow path for flowing an oxidant to the oxidant electrode, and fuel as fuel. In the fuel cell system including a fuel cell having a fuel flow channel that flows to the pole, the relationship between the flow direction of the fuel that flows through the fuel flow channel and the oxidant that flows through the oxidant flow channel is the first mode and the second mode. In the first embodiment, the switching means opposes the upstream area of the oxidant flowing through the oxidant flow path and the upstream area of the fuel flowing through the fuel flow path through the electrolyte membrane. And making the downstream area of the oxidant flowing through the oxidant flow path and the downstream area of the fuel flowing through the fuel flow path face each other through the electrolyte membrane,
In the second embodiment, the upstream region of the oxidant flowing through the oxidant flow channel and the downstream region of the fuel flowing through the fuel flow channel are opposed to each other through the electrolyte membrane, and the downstream region of the oxidant flowing through the oxidant flow channel and the fuel The upstream portion of the fuel flowing through the flow path is opposed to the fuel through the electrolyte membrane, and the switching unit operates in the second form in the high power generation region where the power generation amount is relatively large, and the power generation amount is higher than that in the high power generation region. In a relatively small low power generation region, switching is performed so as to operate in the first mode.
(3)本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、電解質膜を挟む燃料極および酸化剤極とを有する膜電極接合体と、酸化剤を酸化剤極に流す酸化剤流路と、燃料を燃料極に流す燃料流路とを有する燃料電池を用意すると共に、燃料流路における燃料の流れおよび酸化剤流路における酸化剤の流れの関係を切替可能とする切替手段とを用意する工程と、
酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させる形態で発電運転する工程とを実施する燃料電池シテスムの運転方法において、
発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域に変化するとき、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させる形態で発電運転するように切替えることを特徴とするものである。
(3) A method of operating a fuel cell system according to the present invention comprises a membrane electrode assembly having a fuel electrode and an oxidant electrode sandwiching an electrolyte membrane, an oxidant channel for flowing an oxidant to the oxidant electrode, and a fuel Preparing a fuel cell having a fuel flow path that flows to the fuel electrode, and preparing a switching means that can switch a relationship between a fuel flow in the fuel flow path and an oxidant flow in the oxidant flow path;
The upstream area of the oxidant flowing through the oxidant flow path is opposed to the downstream area of the fuel flowing through the fuel flow path, and the downstream area of the oxidant flowing through the oxidant flow path and the upstream area of the fuel flowing through the fuel flow path are In the operation method of the fuel cell system for carrying out the step of performing the power generation operation in the form of facing,
When the power generation amount changes to a low power generation region that is relatively smaller than the high power generation region, the upstream region of the oxidant that flows through the oxidant flow channel and the upstream region of the fuel that flows through the fuel flow channel face each other. The power generation operation is switched in such a manner that the downstream region of the oxidant flowing through the passage and the downstream region of the fuel flowing through the fuel flow channel are opposed to each other.
(4)本発明によれば、発電量が相対的に大きい高発電領域では、切替手段は、燃料と酸化剤との流れ方向の関係を第2形態に切り替える。第2形態(対向流形態に相当する)によれば、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させる。このため発電量が相対的に大きい高発電領域では、前述したように、流れ方向における発電分布の均一性が向上する。これに対して、発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、切替手段は、燃料と酸化剤との流れを第1形態(並行流形態に相当する)に切り替える。第1形態によれば、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させる。この結果、燃料流路の上流域において燃料が発電反応に良好に消費される。故に、燃料流路の上流域の燃料が電解質膜を介して酸化剤極側に移行する移行量が抑制される。これにより電解質膜の性質の変化を抑制でき、電解質膜の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。 (4) According to the present invention, in the high power generation region where the power generation amount is relatively large, the switching unit switches the relationship between the flow direction of the fuel and the oxidant to the second mode. According to the second form (corresponding to the counter flow form), the upstream area of the oxidant flowing through the oxidant flow path and the downstream area of the fuel flowing through the fuel flow path are opposed to each other, and the oxidant flowing through the oxidant flow path And the upstream region of the fuel flowing through the fuel flow path are opposed to each other. For this reason, in the high power generation region where the power generation amount is relatively large, the uniformity of the power generation distribution in the flow direction is improved as described above. In contrast, in the low power generation region where the power generation amount is relatively smaller than the high power generation region, the switching unit switches the flow of the fuel and the oxidant to the first mode (corresponding to the parallel flow mode). According to the first aspect, the upstream region of the oxidant flowing through the oxidant flow channel is opposed to the upstream region of the fuel flowing through the fuel flow channel, and the downstream region of the oxidant flowing through the oxidant flow channel and the fuel flow channel are It faces the downstream area of the flowing fuel. As a result, the fuel is favorably consumed for the power generation reaction in the upstream region of the fuel flow path. Therefore, the amount of transition of the fuel in the upstream region of the fuel flow path to the oxidant electrode side through the electrolyte membrane is suppressed. Thereby, the change in the properties of the electrolyte membrane can be suppressed, and the lifetime of the electrolyte membrane can be extended and the durability can be improved.
本発明によれば、燃料電池の長寿命化、耐久性を向上させるのに有利な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system and an operation method of the fuel cell system that are advantageous for extending the life and durability of the fuel cell.
本発明によれば、切替手段は、発電量が相対的に大きい高発電領域では第2形態に切替えられ、発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では第1形態に切替えられる。本発明によれば、第1形態としては、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが同じ向きである並行流形態を採用できる。第2形態としては、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが逆向きである対向流形態を採用できる。高発電領域における発電量および低発電領域における発電量は、相対的なものである。従って、高発電領域は、発電面積の単位面積当たりの発電量(電流密度)が低発電領域よりも相対的に大きい領域を意味する。高発電領域は一般的には燃料電池で作動される電力負荷が大きい領域となる。高発電領域は中発電領域を含むことができる。低発電領域は、発電面積の単位面積当たりの発電量(電流密度)が高発電領域よりも相対的に小さい領域を意味する。従って低発電領域は一般的には燃料電池で作動される電力負荷が小さい領域となる。 According to the present invention, the switching means is switched to the second form in the high power generation region where the power generation amount is relatively large, and is switched to the first form in the low power generation region where the power generation amount is relatively smaller than the high power generation region. . According to the present invention, a parallel flow configuration in which the basic flow direction of the fuel and the basic flow direction of the oxidant are in the same direction can be adopted as the first mode. As the second mode, a counter flow mode in which the basic flow direction of the fuel and the basic flow direction of the oxidant are opposite to each other can be adopted. The amount of power generation in the high power generation region and the amount of power generation in the low power generation region are relative. Therefore, the high power generation region means a region where the power generation amount (current density) per unit area of the power generation area is relatively larger than that of the low power generation region. The high power generation region is generally a region where the power load operated by the fuel cell is large. The high power generation region can include a medium power generation region. The low power generation region means a region where the power generation amount (current density) per unit area of the power generation area is relatively smaller than that of the high power generation region. Therefore, the low power generation region is generally a region where the power load operated by the fuel cell is small.
本発明によれば、第1形態(並行流形態に相当する)は、燃料電池の発電面積において、酸化剤の基本的流れ方向と燃料の基本的流れ方向とが同じ向きとなる割合が、第2形態(対向流形態に相当する)よりも高い形態を意味する。第2形態(対向流形態に相当する)は、燃料電池の発電面積において、酸化剤の基本的流れ方向と燃料の基本的流れ方向とが逆となる割合が、第1形態(並行流形態に相当する)よりも高い形態を意味する。従って、第1形態(並行流形態に相当する)は、発電領域を100%としたとき、面積比で、酸化剤の基本的流れ方向と燃料の基本的流れ方向とが同じ向きとなる発電面積を55%以上または60%以上(または70%以上)占めることができる。また、第2形態(対向流形態に相当する)は、燃料電池の発電面積を100%としたとき、面積比で、酸化剤の基本的流れ方向と燃料の基本的流れ方向とが逆の向きとなる発電面積を55%以上または60%以上(または70%以上)占めることができる。 According to the present invention, in the first mode (corresponding to the parallel flow mode), the ratio of the basic flow direction of the oxidant and the basic flow direction of the fuel is the same in the power generation area of the fuel cell. It means a form higher than two forms (corresponding to the counterflow form). In the second mode (corresponding to the counter flow mode), the ratio of the basic flow direction of the oxidant and the basic flow direction of the fuel in the power generation area of the fuel cell is the first mode (parallel flow mode). Higher form). Therefore, the first form (corresponding to the parallel flow form) is a power generation area in which the basic flow direction of the oxidant and the basic flow direction of the fuel are in the same direction by the area ratio when the power generation region is 100%. Can account for 55% or more or 60% or more (or 70% or more). Further, in the second mode (corresponding to the counter flow mode), when the power generation area of the fuel cell is 100%, the basic flow direction of the oxidant and the basic flow direction of the fuel are opposite in the area ratio. It is possible to occupy 55% or more or 60% or more (or 70% or more).
本発明によれば、切替手段は、酸化剤流路を流れる酸化剤の流れの向きを維持しつつ、燃料流路を流れる燃料の流れの向きを逆に切替えることにより、第1形態と第2形態とを切替可能とする形態を例示することができる。酸化剤流路を流れる酸化剤の流れの基本的な向きとしては、下向きに維持しておくことが好ましい。酸化剤極では発電反応により水が生成するため、酸化剤流路における水を重力を利用して排出させるためである。本発明によれば、燃料流路は、燃料が供給される入口および燃料オフ流体が吐出される出口のうちの一方に切替可能な燃料用第1開口と、燃料が供給される入口および燃料オフ流体が吐出される出口のうちの他方に切替可能な燃料用第2開口とを備えている形態を例示することができる。この場合、切替手段は、好ましくは、燃料用第1開口に繋がる燃料供給用の第1供給バルブおよび燃料オフ流体排出用の第1排出バルブと、燃料用第2開口に繋がる燃料供給用の第2供給バルブおよび燃料オフ流体排出用の第2排出バルブとを備えている。上記した各バルブとしては、オンオフ式の開閉弁でも良いし、開口面積可変型の開閉弁でも良いし、三方弁でも良いし、公知のバルブを採用できる。 According to the present invention, the switching means switches the direction of the flow of the fuel flowing through the fuel flow path while maintaining the direction of the flow of the oxidant flowing through the oxidant flow path. The form which can switch a form can be illustrated. The basic direction of the oxidant flow that flows through the oxidant flow path is preferably maintained downward. This is because water is generated by a power generation reaction at the oxidant electrode, and thus water in the oxidant flow path is discharged using gravity. According to the present invention, the fuel flow path includes a first fuel opening that can be switched to one of an inlet through which fuel is supplied and an outlet through which fuel off fluid is discharged, and the inlet through which fuel is supplied and the fuel off. The form which is provided with the 2nd opening for fuel which can be switched to the other of the outlets from which fluid is discharged can be illustrated. In this case, the switching means preferably has a first supply valve for supplying fuel connected to the first opening for fuel and a first discharge valve for discharging fuel off fluid, and a first supply valve for supplying fuel connected to the second opening for fuel. 2 supply valves and a second discharge valve for discharging the fuel-off fluid. Each of the above-described valves may be an on-off type on-off valve, a variable opening area on-off valve, a three-way valve, or a known valve.
また本発明によれば、酸化剤流路は、酸化剤が供給される入口および酸化剤オフ流体が吐出される出口のうちの一方に切替可能な酸化剤用第1開口と、酸化剤が供給される入口および酸化剤オフ流体が吐出される出口のうちの他方に切替可能な酸化剤用第2開口とを備えている形態を例示することができる。この場合、切替手段は、好ましくは、酸化剤用第1開口に繋がる酸化剤供給用の第1供給バルブおよび酸化剤オフ流体排出用の第1排出バルブと、酸化剤用第2開口に繋がる酸化剤供給用の第2供給バルブおよび酸化剤オフ流体排出用の第2排出バルブとを備えている。 Further, according to the present invention, the oxidant flow path includes a first oxidant opening that can be switched to one of an inlet through which the oxidant is supplied and an outlet through which the oxidant-off fluid is discharged. The form which is provided with the 2nd opening for oxidizers which can be switched to the other of the entrance which is discharged, and the outlet from which oxidant off fluid is discharged can be illustrated. In this case, the switching means preferably has a first supply valve for supplying oxidant connected to the first opening for oxidant, a first discharge valve for discharging oxidant-off fluid, and an oxidation connected to the second opening for oxidant. A second supply valve for supplying the agent and a second discharge valve for discharging the oxidant-off fluid.
本発明によれば、高発電領域と低発電領域とを仕切る境界値としては、つまり、第1形態(並行流形態に相当する)と第2形態(対向流形態に相当する)とを切り替える境界値としては、燃料電池システムの種類、燃料電池システムの用途(例えば定置用、車両用、携帯用、電気機器用、電子機器用等)、発電最大出力値、燃料の種類、酸化剤の種類等の要因に応じて定まるものである。この境界値としては、高発電領域と低発電領域とを仕切る相対値であるため、一義的に決定できるものではない。定格運転時における燃料電池の電流密度をImaxとすると、この境界値としては、Imaxの例えば3%〜80%の範囲内(例えば3%、10%、20%、40%、50%、60%、80%)、5%〜70%の範囲内、10%〜60%の範囲内で適宜選択できる。なお、一般的には定格運転時の電流密度は最大電流密度に対応する。燃料電池の仕様によっては、定格運転時の電流密度より大きな最大電流密度を設定する場合があるので、この場合にはImaxは最大電流密度としても良い。この境界値としては、燃料電池システムが定置用の場合には、例えば、0.01〜0.5アンペア/cm2の範囲内(例えば0.01アンペア/cm2,0.1アンペア/cm2,0.2アンペア/cm2,0.3アンペア/cm2,0.4アンペア/cm2,0.5アンペア/cm2)で適宜選択することができるが、これに限定されるものではない。また、燃料電池システムが車両用の場合には、例えば、0.02〜1.5アンペア/cm2の範囲内で適宜選択することができるが、これに限定されるものではない。また、燃料電池システムが電子機器用、電気機器用の場合には、例えば、0.005〜2.5アンペア/cm2の範囲内で適宜選択することができるが、これに限定されるものではない。 According to the present invention, as a boundary value for partitioning the high power generation region and the low power generation region, that is, a boundary for switching between the first form (corresponding to the parallel flow form) and the second form (corresponding to the counter flow form). Values include the type of fuel cell system, the use of the fuel cell system (for example, stationary, vehicle, portable, electrical equipment, electronic equipment, etc.), maximum power output value, fuel type, oxidizer type, etc. It depends on the factors. Since this boundary value is a relative value that partitions the high power generation region and the low power generation region, it cannot be uniquely determined. Assuming that the current density of the fuel cell during rated operation is Imax, this boundary value is within the range of 3% to 80% of Imax (for example, 3%, 10%, 20%, 40%, 50%, 60%). 80%) within the range of 5% to 70%, and within the range of 10% to 60%. In general, the current density during rated operation corresponds to the maximum current density. Depending on the specifications of the fuel cell, a maximum current density larger than the current density during rated operation may be set. In this case, Imax may be the maximum current density. As the boundary value, when the fuel cell system is stationary, for example, within the range of 0.01 to 0.5 ampere / cm 2 (for example, 0.01 ampere / cm 2 , 0.1 ampere / cm 2). , 0.2 ampere / cm 2 , 0.3 ampere / cm 2 , 0.4 ampere / cm 2 , 0.5 ampere / cm 2 ), but not limited thereto. . Further, when the fuel cell system is used for a vehicle, for example, the fuel cell system can be appropriately selected within the range of 0.02 to 1.5 amperes / cm 2 , but is not limited thereto. Further, when the fuel cell system is for an electronic device or an electric device, it can be appropriately selected within a range of 0.005 to 2.5 amperes / cm 2 , for example, but is not limited thereto. Absent.
以下、本発明の実施例を図1〜図5を参照して説明する。図4は燃料電池の概念を示す。図4に示すように、燃料電池の膜電極接合体1は、イオン伝導体(プロトン伝導体)である高分子型の電解質膜10を挟む燃料極11および酸化剤極12とを有する。燃料電池は、酸化剤ガス(一般的には空気または酸素ガス)を酸化剤極12に流す酸化剤流路32と、ガス状の燃料(一般的には水素ガスまたは水素含有ガス)を燃料極11に流す燃料流路42とを有する。酸化剤流路32および燃料流路42は配流板2により形成される。燃料極11は、集電性およびガス拡散性を有するように炭素系の多孔質体(例えば炭素繊維の集合体)で形成されたガス拡散層11eを有する。酸化剤極12は、集電性およびガス拡散性を有するように炭素系の多孔質体(例えば炭素繊維の集合体)で形成されたガス拡散層12eを有する。図4に示すように、燃料極11は、ガス拡散層11eと発電反応を促進させるための燃料用の触媒層13とをもつ。酸化剤極12は、ガス拡散層12eと発電反応を促進させるための酸化剤用の触媒層14とをもつ。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 4 shows the concept of the fuel cell. As shown in FIG. 4, the membrane electrode assembly 1 of the fuel cell includes a
図5に示すように、燃料電池の酸化剤流路32は、発電反応前の酸化剤ガスが供給される入口となる酸化剤用第1開口171と、発電反応後の酸化剤オフガスが吐出される出口となる酸化剤用第2開口172とを備えている。酸化剤用第1開口171は酸化剤供給主流路191に繋がる。酸化剤供給主流路191には酸化剤供給バルブ181および加湿器183が設けられている。酸化剤用第2開口172は酸化剤排出主流路192に繋がる。酸化剤排出主流路192には酸化剤排出バルブ182が設けられている。図5に示すように、燃料電池の燃料流路42は、燃料用第1開口71と、燃料用第2開口72とを備えている。燃料用第1開口71は、発電反応前の燃料が供給される入口および発電反応後の燃料オフガスが吐出される出口のうちの一方になる。燃料用第2開口72は、発電反応前の燃料が供給される入口および発電反応後の燃料オフガスが吐出される出口のうちの他方になる。
As shown in FIG. 5, the
図5に示す切替手段8は、燃料電池における燃料流路42および酸化剤流路32のガス流れの関係を並行流形態と対向流形態とに切替可能とするものである。本実施例では、燃料電池の内部における酸化剤ガスの流れの向きを下向きに維持しつつ、燃料電池の内部における燃料の流れの向きを上向きまたは下向きに変えるものである。図5に示すように、切替手段8は、燃料用第1開口71に繋がる燃料供給用の第1供給バルブ81と、燃料用第1開口71に繋がる燃料オフガス排出用の第1排出バルブ83と、燃料用第2開口72に繋がる燃料供給用の第2供給バルブ82と、燃料用第2開口72に繋がる燃料オフガス排出用の第2排出バルブ84とを備えている。第1供給バルブ81および第2供給バルブ82は燃料供給主流路91を介して燃料源95に繋がる。第1排出バルブ83および第2排出バルブ84は燃料オフガス排出主流路92を介して燃料排出部に繋がる。本実施例によれば、電力負荷が大きく発電量が相対的に大きい高発電領域では、制御装置200は、対向流形態で燃料電池を運転するように切替手段8を切り替える。また、電力負荷が小さく発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、制御装置200は、並行流形態で燃料電池を運転するように切替手段8を切替える。以下、更に説明を加える。
The switching means 8 shown in FIG. 5 makes it possible to switch the gas flow relationship between the
燃料電池の発電運転時には、バルブ181および182が開放するので、加湿器183で加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤用第1開口171から燃料電池の酸化剤流路32に供給され、酸化剤流路32を下向きに流れ、発電反応に使用される。燃料電池の内部で発電反応を経た後の酸化剤オフガスは、出口となる酸化剤用第2開口172から酸化剤排出主流路192に排出される。燃料電池の発電運転時には、発電量が相対的に大きい高発電領域(発電量が相対的に中間の中発電領域を含む)では、制御装置200は、燃料電池の内部における燃料と酸化剤とのガス流れの関係が対向流となる対向流形態で運転されるように切替手段8を制御する。このような対向流形態によれば、図1に模式的に示すように、酸化剤流路32を流れる酸化剤の上流域と燃料流路42を流れる燃料の下流域とを対向させると共に、酸化剤流路32を流れる酸化剤の下流域と燃料流路42を流れる燃料の上流域とを対向させる。
During the power generation operation of the fuel cell, the
この対向流形態によれば、具体的には、図5において、第1供給バルブ81を開放すると共に第1排出バルブ83を閉鎖する。更に、第2排出バルブ84を開放すると共に第2供給バルブ82を閉鎖する。この結果、ガス状の燃料は、燃料供給主流路91→第1供給バルブ81→第1分岐部101→燃料用第1開口71→燃料電池内部の燃料流路42を矢印Y2方向(上向き)に流れる→燃料用第2開口72→第2排出バルブ84→燃料オフガス排出主流路92に排出される。
Specifically, according to this counterflow mode, in FIG. 5, the
これに対して、発電量が相対的に小さい低発電領域では、制御装置200は、燃料電池の内部における燃料と酸化剤との流れの関係が並行流となる並行流形態で運転されるように切替手段8を制御する。このような並行流形態によれば、図2に模式的に示すように、燃料電池の酸化剤流路32を流れる酸化剤の上流域と燃料電池の燃料流路42を流れる燃料の上流域とを電解質膜10を介して対向させると共に、燃料電池の酸化剤流路32を流れる酸化剤の下流域と燃料電池の燃料流路42を流れる燃料の下流域とを電解質膜10を介して対向させる。この並行流形態によれば、具体的には、図5において、第2供給バルブ82を開放すると共に第2排出バルブ84を閉鎖する。更に、第1排出バルブ83を開放すると共に第1供給バルブ81を閉鎖する。この結果、ガス状の燃料は、燃料供給主流路91→第2供給バルブ82→第2分岐部102→燃料用第2開口72→燃料電池内部の燃料流路42を矢印Y1方向に流れる→燃料用第1開口71→第1分岐部101→第1排出バルブ83→燃料オフガス排出主流路92に排出される。
On the other hand, in the low power generation region where the power generation amount is relatively small, the
以上説明したように本実施例によれば、発電量が相対的に大きい高発電領域では、制御装置200は、対向流形態で運転するように切替手段8を切替える。これにより高発電量を確保しつつ、燃料電池の内部における発電分布の均一化を図り得る。これに対して発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、制御装置200は、並行流形態で運転するように切替手段8を切替える。この結果、低発電領域において、燃料電池の燃料極11側の燃料が燃料電池の酸化剤極12に移行することが抑制される。この結果、電解質膜10の性質の変化が抑制され、電解質膜10の長寿命化および耐久性の向上を図り得、燃料電池の耐久性を向上させるのに有利である。
As described above, according to the present embodiment, in the high power generation region where the power generation amount is relatively large, the
図6は実施例2を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。但し、燃料の流れの向きを上向きに維持しつつ、酸化剤ガスの流れの向きを下向きまたは上向きに変えるものである。図6に示すように、燃料電池の燃料流路42は、燃料供給バルブ181xに繋がる燃料用第1開口171xと、燃料排出バルブ182xに繋がる燃料用第2開口172xとを備えている。燃料電池の酸化剤流路32は、酸化剤用第1開口71xと、酸化剤用第2開口72xとを備えている。酸化剤用第1開口71xは、発電反応前の酸化剤ガスが供給される入口および発電反応後の酸化剤オフガスが吐出される出口のうちの一方になる。また、酸化剤用第2開口72xは、発電反応前の酸化剤ガスが供給される入口および発電反応後の酸化剤オフガスが吐出される出口のうちの他方になる。
FIG. 6 shows a second embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and operational effects as the first embodiment. However, the flow direction of the oxidant gas is changed downward or upward while maintaining the flow direction of the fuel upward. As shown in FIG. 6, the
図6に示すように、切替手段8xは、酸化剤用第1開口71xに繋がる酸化剤供給用の第1供給バルブ81xと、酸化剤用第1開口71xに繋がる酸化剤オフガス排出用の第1排出バルブ83xと、酸化剤用第2開口72xに繋がる酸化剤供給用の第2供給バルブ82xと、酸化剤用第2開口72xに繋がる酸化剤オフガス排出用の第2排出バルブ84xとを備えている。第1供給バルブ81xおよび第2供給バルブ82xは、酸化剤供給主流路91xおよび加湿器183を介して酸化剤搬送源95x(例えばブロア、ファン等)に繋がる。第1排出バルブ83xおよび第2排出バルブ84xは酸化剤オフガス排出主流路92xを介して酸化剤排出部(外気など)に繋がる。本実施例においても、電力負荷が大きく発電量が相対的に大きい高発電領域では、対向流形態で燃料電池を運転するように切替手段8xを切り替える。また、電力負荷が小さく発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、並行流形態で燃料電池を運転するように切替手段8xを切替える。
As shown in FIG. 6, the switching means 8x includes a
以下、更に説明を加える。発電運転時には、燃料供給バルブ181xおよび燃料排出バルブ182xが開放される。すると、燃料供給主流路91の燃料は、燃料電池の燃料用第1開口171xから燃料電池の燃料流路42に供給され、燃料流路42を上向きに流れ、発電反応に使用される。燃料電池の内部で発電反応を経た後の燃料オフガスは、出口となる燃料用第2開口172xから燃料オフガス排出主流路92に排出される。
Further explanation will be given below. During the power generation operation, the
さて、発電量が相対的に大きい高発電領域では、制御装置200は、燃料と酸化剤ガスとの流れの関係が対向流となる対向流形態で運転されるように切替手段8xを制御する。具体的には、図6において、第2供給バルブ82xを開放すると共に第2排出バルブ84xを閉鎖する。更に、第1排出バルブ83xを開放すると共に第1供給バルブ81xを閉鎖する。従って、酸化剤ガスは、酸化剤供給主流路91x→第2供給バルブ82x→第2分岐部102→酸化剤用第2開口72x→燃料電池の内部の酸化剤流路32を矢印Y1方向(下向き)に流れる→酸化剤用第1開口71x→第1分岐部101→第1排出バルブ83x→酸化剤オフガス排出主流路92xに排出される。これに対して、発電量が相対的に小さい低発電領域では、制御装置200は、燃料と酸化剤ガスとの流れの関係が並行流となる並行流形態で運転されるように切替手段8xを制御する。このような並行流形態によれば、具体的には、図6において、第1供給バルブ81xを開放すると共に第1排出バルブ83xを閉鎖する。更に、第2排出バルブ84xを開放すると共に第2供給バルブ82xを閉鎖する。この結果、酸化剤ガスは、酸化剤供給主流路91x→第1供給バルブ81x→第1分岐部101→酸化剤用第1開口71x→燃料電池内部の酸化剤流路32を矢印Y2方向(上向き)に流れる→酸化剤用第2開口72x→第2排出バルブ84x→酸化剤オフガス排出主流路92xに排出される。
Now, in the high power generation region where the power generation amount is relatively large, the
以上説明したように本実施例によれば、発電量が相対的に大きい高発電領域では、制御装置200は、対向流形態で運転するように切替手段8xを切替える。これにより高発電量を確保しつつ、燃料電池の内部における発電分布の均一化を図り得る。これに対して発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、制御装置200は、並行流形態で運転するように切替手段8xを切替える。この結果、低発電領域において、燃料電池の燃料極11側の燃料が燃料電池の酸化剤極12に移行することが抑制される。この結果、電解質膜10の長寿命化、耐久性の向上を図り得、燃料電池の耐久性を向上させるのに有利である。
As described above, according to the present embodiment, in the high power generation region where the power generation amount is relatively large, the
実施例3は、本発明の実施例1を適用したものである。この例について図7および図8を参照しつつ説明する。配流板2は導電性を有する材料、例えばカーボン材料または耐食性が良好な金属材料で形成されており、セパレータとも呼ばれる。配流板2は、一面側に酸化剤流路32をもち、他面側に燃料流路42をもつ。図7に示すように、配流板2は、縦長の四角形状をなしており、互いに対向する上辺部20及び下辺部21と、互いに対向する2つの側辺部22,23とを有する。配流板2は突起27を有する。配流板2の突起27は燃料極11や酸化剤極12に接触して電子伝導性を確保するものであり、発電反応で生成した電子を配流板2と酸化剤極12との間で伝導させることができる。
The third embodiment is an application of the first embodiment of the present invention. This example will be described with reference to FIGS. The
図7に示すように、酸化剤入口30は、酸化剤ガス(一般的には空気あるいは酸素ガス)を流すものであり、配流板2の上辺部20側に横長形状に設けられている。酸化剤出口31(酸化剤出口)は配流板2の下辺部21側に横長形状に設けられている。酸化剤流路32は、酸化剤入口30から酸化剤出口31にかけて断続的に直状に延設された多数の仕切用の突起27により形成された直状とされている。従って、配流板2において、酸化剤ガスは、酸化剤入口30、酸化剤流路32、酸化剤出口31の順に、上から下に向けて下向き(矢印Y1方向)に流れる。よって、配流板2を流れる酸化剤ガスは、配流板2の一面側において上から下に向けて、基本的には下向きに流れる。
As shown in FIG. 7, the
また、上記したように酸化剤流路32は直状に延設されており、しかも酸化剤出口31は配流板2の下辺部21側に設けられているため、酸化剤流路32に生成水が存在するときであっても、重力を利用してその生成水を下方に排出させる排出性を高めることができる。図7に示すように、突起27は切欠部28を介して長さ方向に断続されており、上下方向に配置されている。切欠部28が形成されているため、仮に、生成水の詰まりが酸化剤流路32に生じたとしても、生成水が詰まった部分を避けるように、酸化剤ガスは切欠部28を介して生成水の詰まり部分を迂回することができ、酸化剤ガスの流れ性が確保されている。
In addition, as described above, the
次に燃料の流れについて説明を加える。図8に示すように、一方の燃料出入口40は燃料(一般的には水素ガス、水素ガス)を流すものであり、配流板2の一方の側辺部22の下側に縦長に設けられている。他方の燃料出入口41は、配流板2の他方の側辺部22の上側に縦長に設けられている。燃料流路42は、酸化剤流路32と表裏の関係となるように酸化剤流路32に対向するように、配流板2の他面側に設けられている。燃料流路42は、燃料出入口40から燃料出入口41に向けて複数本並行に延設されている。
Next, the fuel flow will be described. As shown in FIG. 8, one fuel inlet /
上記した対向流形態によれば、燃料の流れは、酸化剤ガスの流れ方向と逆であり、基本的には上向き(矢印Y2方向)であるため、燃料流路42の下部(上流)側に存在する生成水を上向きに運び、燃料流路42の上部(下流)に移送させることができる。そして、生成水は電解質膜10を透過して酸化剤極12及び燃料極11との間で往来するため、燃料電池を構成する酸化剤極12及び燃料極11について、上部と下部との間における湿分ムラが低減され、ひいては配流板2の上部と下部との間における発電ムラが低減され易い。このように発電ムラを低減させるためには、燃料流路42の上下方向に沿った縦流路(後述する第2流路42b)の長さを長く設定することが好ましい。以下述べるように本実施例はこのような構造に設定されている。
According to the above-described counter flow configuration, the fuel flow is opposite to the flow direction of the oxidant gas, and is basically upward (in the direction of arrow Y2). The existing generated water can be conveyed upward and transferred to the upper part (downstream) of the
図8に示すように、燃料流路42は、燃料出入口40から横方向に沿って(つまり下辺部21に沿って)延設された第1流路42aと、第1流路42aの終部に連通すると共に縦方向に沿って(つまり側辺部22,23に沿って)延設された第2流路42bと、第2流路42bの上部に連通すると共に横方向に沿って(つまり上辺部20に沿って)延設された第3流路42cとを有する。図8に示すように第1流路42aと第2流路42bとはL字形状とされている。第2流路42bと第3流路42cとはL字形状とされている。第1流路42a、第2流路42b、第3流路42cは、突起27xにより延設されている。ここで、対向流形態によれば、配流板2において、燃料は、燃料出入口40、第1流路42a、第2流路42b、第3流路42c、燃料出入口41の順に上向き(矢印Y2方向)に流れる。図8に示すように、各第2流路42bは、電子伝導性を確保する突起としても機能できる分岐壁47により複数に分岐されている。直状をなす分岐壁47は上端47u及び下端47dをもつ。
As shown in FIG. 8, the
複数の分岐壁47についてみると、分岐壁47の下端47dは、図8に示すように、燃料出入口40から遠ざかるにつれて下降するように傾斜する仮想傾斜線R1に沿って次第に下降傾斜している。また、分岐壁47の上端47uは、燃料出入口41から遠ざかるにつれて上昇するように傾斜する仮想傾斜線R2に沿って次第に上昇傾斜している。図8に示すように、仮想傾斜線R1と仮想傾斜線R2とは互いに平行、あるいは、ほぼ平行とすることができる。なお、仮想傾斜線R1と仮想傾斜線R2とで区画される領域は、平行四辺形またはほぼ平行四辺形とされている。
Looking at the plurality of
図8に示すように、第1流路42aと第2流路42bとの連結部分、第2流路42bと第3流路42cとの連結部分は、燃料が流れる燃料流路42が屈曲する屈曲流路49(49d,49u)を構成する。即ち、仮想傾斜線R1及び仮想傾斜線R2に対応する部分は、燃料が流れる燃料流路42が屈曲する屈曲流路49を構成する。このように燃料流路42は屈曲流路49を有している。図8に示すように、1本の第1流路42aの流路幅をD1とし、1本の第2流路42bの流路幅をD2、1本の第3流路42cの流路幅をD3として示す。D1>D2の関係、D3>D2の関係、D1≒D3(D1=D3)の関係とされている。但しこれに限定されるものではない。
As shown in FIG. 8, the
図8に示すように、各燃料流路42を構成する第1流路42aで形成された第1流路群の全体幅(ガス流れを横断する方向の全体幅)をLAとし、各燃料流路42を構成する第2流路42bで形成された第2流路群の全体幅(ガス流れを横断する方向の全体幅)をLBとするとき、LA<LBの関係に設定されている。また、各燃料流路42を構成する第3流路42cで形成された第3流路群の全体幅をLCとするとき、LC<LBの関係に設定されている。ここで、LA=LC、LA≒LCとされている。上記したような本例によれば、燃料流路42のうち上下方向に延設された第2流路42bの長さM1,M2(図8参照)を増加させることができる。ひいては、燃料流路42の第2流路42bの占める領域SAの面積を増加させることができる。この結果、酸化剤ガスと燃料とが逆向きで流れる対向流形態の面積を増加させることができる。このため対向流形態の利点を生かのに有利となる。なお図7,図8に示すように、配流板2には、燃料電池を冷却させるための冷却水を流入させる冷却水入口50が形成されていると共に、冷却水を流出させる冷却水出口51が形成されている。冷却水入口50及び冷却水出口51に連通する冷却水流路は図略の配流板に形成されている。図7および図8に示す本実施例によれば、高発電領域において、下側の燃料出入口40を燃料供給用として使用し、上側の燃料出入口41を燃料排出用として使用すれば、燃料流路42における燃料の基本的流れは上向き(矢印Y2方向)となるため、対向流形態に切替えることができる。これに対して、低発電領域において、前記した下側の燃料出入口40を燃料排出用として使用し、前記した上側の燃料出入口41を燃料供給用として使用すれば、燃料流路42における燃料の基本的流れは下向き(矢印Y2方向と反対方向)となるため、並行流形態に切替えることができる。
As shown in FIG. 8, the overall width of the first flow path group formed by the
(その他)
図7および図8はあくまでも酸化剤流路32および燃料流路42の一例を示すものであり、酸化剤流路32の形状は図7に示す構造に限定されるものではなく、適宜変更できるものであり、燃料流路42の形状は図8に示す構造に限定されるものではなく、適宜変更できるものである。上記した実施例によれば、バルブ83,84、バルブ83x,84xによって切り替えているが、分岐点101,102に切替弁(例えば三方弁)を設けて切り替えても良い。本発明は上記しかつ図面に示した実施例のみに限定されるものでなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
(Other)
7 and 8 show only an example of the
本発明は例えば定置用、車両用、携帯用、電気機器用、電子機器用等の燃料電池発電システムに利用することができる。 The present invention can be used in, for example, fuel cell power generation systems for stationary use, vehicle use, portable use, electrical equipment use, electronic equipment use, and the like.
図中、1は膜電極接合体、10は電解質膜、11は燃料極、12は酸化剤極、32は酸化剤流路、42は燃料流路、71は第1開口、72は第2開口、8は切替手段、81は第1供給バルブ、82は第2供給バルブ、83は第1排出バルブ、84は第2排出バルブを示す。 In the figure, 1 is a membrane electrode assembly, 10 is an electrolyte membrane, 11 is a fuel electrode, 12 is an oxidant electrode, 32 is an oxidant channel, 42 is a fuel channel, 71 is a first opening, and 72 is a second opening. , 8 is a switching means, 81 is a first supply valve, 82 is a second supply valve, 83 is a first discharge valve, and 84 is a second discharge valve.
Claims (5)
前記燃料流路を流れる燃料および前記酸化剤流路を流れる酸化剤の流れ方向の関係を第1形態と第2形態とに切替可能とする切替手段を具備しており、
前記切替手段は、
前記第1形態において、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と前記燃料流路を流れる燃料の上流域とを前記電解質膜を介して対向させると共に、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と前記燃料流路を流れる燃料の下流域とを前記電解質膜を介して対向させ、
前記第2形態において、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と前記燃料流路を流れる燃料の下流域とを前記電解質膜を介して対向させると共に、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と前記燃料流路を流れる燃料の上流域とを前記電解質膜を介して対向させ、且つ、
前記切替手段は、発電量が相対的に大きい高発電領域では第2形態で運転し、発電量が前記高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では第1形態で運転するように切替えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a membrane electrode assembly having a fuel electrode and an oxidant electrode sandwiching an electrolyte membrane, an oxidant flow path for flowing an oxidant to the oxidant electrode, and a fuel flow path for flowing fuel to the fuel electrode In the fuel cell system provided,
Comprising a switching means for switching the flow direction relationship between the fuel flowing through the fuel flow path and the oxidant flow path between the first form and the second form;
The switching means is
In the first embodiment, the upstream region of the oxidant flowing through the oxidant flow channel and the upstream region of the fuel flowing through the fuel flow channel are opposed to each other through the electrolyte membrane, and the oxidant flowing through the oxidant flow channel The downstream region of the fuel and the downstream region of the fuel flowing through the fuel flow path through the electrolyte membrane,
In the second embodiment, the upstream region of the oxidant flowing through the oxidant flow channel and the downstream region of the fuel flowing through the fuel flow channel are opposed to each other through the electrolyte membrane, and the oxidant flowing through the oxidant flow channel The downstream region of the fuel and the upstream region of the fuel flowing through the fuel flow path through the electrolyte membrane, and
The switching means switches to operate in the second mode in the high power generation region where the power generation amount is relatively large, and to operate in the first mode in the low power generation region where the power generation amount is relatively smaller than the high power generation region. A fuel cell system.
前記切替手段は、前記燃料用第1開口に繋がる燃料供給用の第1供給バルブおよび燃料オフ流体排出用の第1排出バルブと、前記燃料用第2開口に繋がる燃料供給用の第2供給バルブおよび燃料オフ流体排出用の第2排出バルブとを備えていることを特徴とする燃料電池システム。 3. The fuel flow path according to claim 1, wherein the fuel flow path includes a first fuel opening that can be switched to one of an inlet through which fuel is supplied and an outlet through which fuel off fluid is discharged, an inlet through which fuel is supplied, and A second opening for fuel that can be switched to the other of the outlets from which the fuel-off fluid is discharged,
The switching means includes a first supply valve for supplying fuel connected to the first opening for fuel and a first discharge valve for discharging fuel off fluid, and a second supply valve for supplying fuel connected to the second opening for fuel. And a second discharge valve for discharging the fuel-off fluid.
前記切替手段は、前記酸化剤用第1開口に繋がる酸化剤供給用の第1供給バルブおよび酸化剤オフ流体排出用の第1排出バルブと、前記酸化剤用第2開口に繋がる酸化剤供給用の第2供給バルブおよび酸化剤オフ流体排出用の第2排出バルブとを備えていることを特徴とする燃料電池システム。 3. The oxidant flow path according to claim 1, wherein the oxidant flow path includes a first oxidant opening that can be switched to one of an inlet through which an oxidant is supplied and an outlet through which an oxidant-off fluid is discharged. A second opening for oxidant that can be switched to the other of the supplied inlet and the outlet from which the oxidant-off fluid is discharged;
The switching means includes a first supply valve for supplying an oxidant connected to the first opening for oxidant, a first discharge valve for discharging an oxidant-off fluid, and an oxidant supply connected to the second opening for oxidant. And a second discharge valve for discharging the oxidant-off fluid.
前記酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と前記燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させると共に、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と前記燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させる形態で発電運転する工程とを実施する燃料電池シテスムの運転方法において、
発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域に変化するとき、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と前記燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させると共に、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と前記燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させる形態で発電運転するように切替えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A fuel cell having a membrane electrode assembly having a fuel electrode and an oxidant electrode sandwiching an electrolyte membrane, an oxidant flow path for flowing an oxidant to the oxidant electrode, and a fuel flow path for flowing fuel to the fuel electrode Preparing a switching means that can switch a relationship between a fuel flow in the fuel flow channel and an oxidant flow in the oxidant flow channel; and
The upstream area of the oxidant flowing through the oxidant flow path faces the downstream area of the fuel flowing through the fuel flow path, and the downstream area of the oxidant flowing through the oxidant flow path and the fuel flowing through the fuel flow path In the operation method of the fuel cell system for performing the power generation operation in a form facing the upstream region,
When the power generation amount changes to a low power generation region that is relatively smaller than the high power generation region, the upstream region of the oxidant that flows through the oxidant flow channel and the upstream region of the fuel that flows through the fuel flow channel face each other, and A method for operating a fuel cell system, wherein the power generation operation is switched in such a manner that a downstream region of an oxidant flowing through an oxidant channel and a downstream region of fuel flowing through the fuel channel are opposed to each other.
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JP2005137651A JP2006318678A (en) | 2005-05-10 | 2005-05-10 | Fuel cell system and operation method of fuel cell system |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007099688A1 (en) * | 2006-03-02 | 2007-09-07 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Silicon carbide mos field effect transistor with built-in schottky diode and method for manufacturing such transistor |
JP2012202624A (en) * | 2011-03-25 | 2012-10-22 | Toshiba Carrier Corp | Refrigeration cycle apparatus |
-
2005
- 2005-05-10 JP JP2005137651A patent/JP2006318678A/en active Pending
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