JP2006344460A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下「MEA」という)及びセパレータからなる単セルを積層することによって構成される。MEAは、電解質膜の一方の面に形成されたアノード電極(アノードガス極;水素極)と、他方の面に形成されたカソード電極(カソードガス極;酸素極)とを有する。 A polymer electrolyte fuel cell is configured by laminating a single cell composed of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) and a separator. The MEA has an anode electrode (anode gas electrode; hydrogen electrode) formed on one surface of the electrolyte membrane and a cathode electrode (cathode gas electrode; oxygen electrode) formed on the other surface.
アノード電極では、セパレータから水素H2を含有するアノードガスが供給され、以下のように反応する。
アノード電極:2H2→4H++4e- 。
In the anode electrode, an anode gas containing hydrogen H 2 is supplied from the separator and reacts as follows.
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − .
このようにしてアノード電極で生成したプロトンH+は、電解質膜を透過してカソード電極に到達する。また電子e-は外部回路を通ってカソード電極に到達する。 The proton H + thus generated at the anode electrode passes through the electrolyte membrane and reaches the cathode electrode. Further, the electron e − reaches the cathode electrode through an external circuit.
カソード電極では、セパレータから酸素O2を含有するカソードガスが供給される。このカソードガスが、カソード電極に到達したプロトンH+及び電子e-と以下のように反応する。
カソード電極:O2+4H++4e-→2H2O 。
In the cathode electrode, a cathode gas containing oxygen O 2 is supplied from the separator. This cathode gas reacts with protons H + and electrons e − reaching the cathode electrode as follows.
Cathode electrode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O.
この過程において、電解質膜を透過するプロトンH+の適度な伝導性を維持することが、固体高分子型燃料電池(以下、「燃料電池」という)の運転には不可欠である。 In this process, it is indispensable for the operation of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “fuel cell”) to maintain an appropriate conductivity of proton H + that permeates the electrolyte membrane.
プロトンH+の伝導性は水分量に比例するため、燃料電池の運転中は、電解質膜の含水状態を適度に保つことが必要である。しかし、燃料電池の運転中は、供給されて未だ反応していないアノードガス及びカソードガス(以下、「未反応ガス」という)によって電解質膜が乾燥する。そこで通常は、未反応ガスを予め加湿し、この水分によって電解質膜の含水状態を保っている。 Since the conductivity of proton H + is proportional to the amount of water, it is necessary to keep the moisture content of the electrolyte membrane moderate during the operation of the fuel cell. However, during operation of the fuel cell, the electrolyte membrane is dried by the supplied anode gas and cathode gas (hereinafter referred to as “unreacted gas”) that have not yet reacted. Therefore, normally, the unreacted gas is humidified in advance, and the moisture content of the electrolyte membrane is maintained by this moisture.
ここで、未反応ガスを加湿するための水を外部に蓄えると、その分だけ燃料電池システムが大きくなってしまう。そこで、アノード電極及びカソード電極を通過して既に反応したアノードガス及びカソードガス(以下、「既反応ガス」という)が、未反応ガスと比べて多くの水蒸気を含むという燃料電池の特性を生かした方法が用いられる。この方法では既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加するため、燃料電池の外部に加湿用の水を予め用意する必要がなく、燃料電池システムの小型化を図ることができる。 Here, if the water for humidifying the unreacted gas is stored outside, the fuel cell system becomes larger correspondingly. Therefore, the anode gas and the cathode gas that have already reacted through the anode electrode and the cathode electrode (hereinafter referred to as “reacted gas”) take advantage of the characteristics of the fuel cell that contain more water vapor than the unreacted gas. The method is used. In this method, since the water vapor of the already reacted gas is added to the unreacted gas, it is not necessary to prepare water for humidification outside the fuel cell in advance, and the fuel cell system can be downsized.
そこで特許文献1では、既反応ガスと未反応ガスとを温湿度交換膜を介して接触させ、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加するように構成した湿温度交換手段を備える燃料電池システムを提供している。
しかし従来の燃料電池システムでは、燃料電池に用いるセパレータ以外にも未反応ガスと既反応ガスとを分離するプレートや湿温度交換膜などを用いているため、部品数は依然多いという問題があった。 However, the conventional fuel cell system has a problem that the number of parts is still large because a plate for separating the unreacted gas and the already reacted gas or a wet temperature exchange membrane is used in addition to the separator used for the fuel cell. .
本発明は、このような従来の問題に着目してなされたものであり、部品を新たに設けることなく、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる燃料電池システムの提供を目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of adding the water vapor of the already reacted gas to the unreacted gas without newly providing parts. And
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.
カソード電極(207)及びアノード電極(270)が形成された固体高分子膜(200)と、前記固体高分子膜(200)を挟持する第1セパレータ(100)及び第2セパレータ(300)とを備える燃料電池システム(1)であって、前記第1セパレータ(100)には、供給マニフォールド(101)から供給され未だ反応していない未反応ガスが流れる未反応通路(103a)と、その未反応通路(103a)を流れたガスを電極(207)に導く反応通路(103b)とが形成され、前記第2セパレータ(300)には、前記固体高分子膜(200)を挟んで前記第1セパレータ(100)の未反応通路(103a)に対して交差し、前記反応通路(103b)を流れて反応水を含有している既反応ガスが流れる通路(350)が形成され、前記第2セパレータ(300)に形成された通路(350)を流れる既反応ガスに含有される水が、前記固体高分子膜(200)を透過して、前記第1セパレータ(100)の未反応通路(103a)を流れる未反応ガスを加湿するようにしたことを特徴とする。 A solid polymer film (200) on which a cathode electrode (207) and an anode electrode (270) are formed, and a first separator (100) and a second separator (300) that sandwich the solid polymer film (200). A fuel cell system (1) comprising: an unreacted passage (103a) through which unreacted gas that has been supplied from a supply manifold (101) and has not yet reacted flows to the first separator (100); A reaction passage (103b) for guiding the gas flowing through the passage (103a) to the electrode (207) is formed, and the first separator is sandwiched between the second polymer separator (300) and the solid polymer membrane (200). A passage (350) that intersects the unreacted passage (103a) of (100) and flows through the reaction passage (103b) and through which the reacted gas containing reaction water flows The water contained in the already-reacted gas flowing through the passage (350) formed in the second separator (300) permeates the solid polymer membrane (200) to form the first separator (100). The unreacted gas flowing through the unreacted passage (103a) is humidified.
本発明によれば、固体高分子膜を挟むセパレータを用いて既反応ガスと未反応ガスとを分離し、固体高分子膜を用いて既反応ガスの水蒸気を未反応ガスへ添加する。このことから、加湿膜やガスを分離するためのセパレータを新たに用いることなく、既反応ガスの水蒸気を用いて未反応ガスを加湿することができる燃料電池システムを提供できる。 According to the present invention, the already-reacted gas and the unreacted gas are separated using the separator sandwiching the solid polymer membrane, and the water vapor of the already-reacted gas is added to the unreacted gas using the solid polymer membrane. Accordingly, it is possible to provide a fuel cell system that can humidify the unreacted gas using the water vapor of the already reacted gas without newly using a humidifying membrane or a separator for separating the gas.
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の燃料電池システムの第1実施形態に使用する単セル1を示す図である。図1(A)は単セル1の積層断面を示す図である。図1(B)は、図1(A)の領域bを拡大して示した図であり、電解質膜200の水蒸気透過部分221,222の断面を示す図である。本発明の理解を容易にするために、両側に隣接する単セル1もあわせて図示する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a single cell 1 used in the first embodiment of the fuel cell system of the present invention. FIG. 1A is a diagram showing a laminated cross section of the single cell 1. FIG. 1B is an enlarged view of the region b in FIG. 1A and is a view showing a cross section of the water vapor
単セル1は、カソードセパレータ100と、電解質膜200と、アノードセパレータ300とから構成される。
The single cell 1 includes a
電解質膜200は、カソードセパレータ100及びアノードセパレータ300に挟持される。電解質膜200は、以下に説明する水蒸気透過部分221,222において、図1(B)に示すように両側が多孔質体200bで挟まれている。この多孔質体200bにはガス拡散層が用いられる。電解質膜200は、一方の面の中央付近にカソード電極207を有し、そのカソード電極207の裏面にアノード電極270を有する。カソード電極207は、カソード触媒層とガス拡散層とから構成される。アノード電極270は、アノード触媒層とガス拡散層とから構成される。
The
このように構成される単セル1において、カソードガスは、カソードセパレータ100を流通しながらカソード電極207と接触する。アノードガスは、アノードセパレータ300を流通しながらアノード電極270と接触する。このようにしてカソードガス及びアノードガスを各電極に接触させて、単セル1は発電する。
In the single cell 1 configured as described above, the cathode gas contacts the
次に、図2を用いて、カソードセパレータ100と、電解質膜200と、アノードセパレータ300の詳細について説明する。
Next, details of the
図2は本発明の燃料電池システムの第1実施形態に使用する単セル1の各構成要素を示す図である。図2(A)は、カソードセパレータ100を電解質膜200側から見た図である。図2(B)は、電解質膜200をアノードセパレータ300側から見た図である。図2(C)は、アノードセパレータ300を、電解質膜200側とは反対側から透視した図である。なお、図2(A)〜(C)の図中の太線は、アノードガスやカソードガスの漏洩を防止するためのシール材を示す線である。
FIG. 2 is a diagram showing each component of the single cell 1 used in the first embodiment of the fuel cell system of the present invention. FIG. 2A is a view of the
カソードセパレータ100と、電解質膜200と、アノードセパレータ300とは、それぞれ同等の長方形である。
The
カソードセパレータ100は、中央付近でカソード電極207と当接する。この当接する領域をカソード当接領域Cとして図中のアミで示す。カソード当接領域Cは長方形である。
The
カソードセパレータ100には、カソードガス供給マニフォールド101と、流路103と、凹部104と、カソードガス排出マニフォールド106と、アノードガス供給マニフォールド110と、凹部140と、ストレート流路150と、アノードガス排出マニフォールド160とが形成される。
The
カソードガス供給マニフォールド101は、カソード当接領域Cの外側であって、カソードセパレータ100の短辺の中央付近に形成される(図2(A)右端)。カソードガス供給マニフォールド101は、カソードセパレータ100を貫通するように形成される。
The cathode
凹部104は、カソードガス供給マニフォールド101とカソード当接領域Cとの間に形成される。凹部104はカソードセパレータ100が窪まされて形成される。
The
流路103は、カソードガス供給マニフォールド101と凹部104とを連通する流路である。流路103は、接続流路103aと、反応流路103bと、接続流路103cとを有する。接続流路103aはカソード当接領域Cの外側に配置され、カソードガス供給マニフォールド101と連通する。反応流路103bはカソード当接領域Cに配置されカソード電極207と当接する。接続流路103cはカソード当接領域Cの外側に配置され、凹部104と連通する。カソードガス供給マニフォールド101から供給されたカソードガスは、接続流路103a→反応流路103b→接続流路103cを順次流通し、反応流路103bを流通するときに上述したカソード電極での反応が行われる。また本実施形態の反応流路103bはサーペンタイン流路である。
The
カソードガス排出マニフォールド106は、流路103aを挟んで、凹部104の反対側に形成される。カソードガス排出マニフォールド106はカソードセパレータ100を貫通するように形成される。
The cathode
アノードガス供給マニフォールド110は、カソード当接領域Cの外側であって、カソードセパレータ100の短辺の中央付近に形成される(図2(A)左端)。アノードガス供給マニフォールド110は、カソードセパレータ100を貫通するように形成される。
The anode
凹部140は、アノードガス供給マニフォールド110とカソード当接領域Cとの間に形成される。凹部140はカソードセパレータ100が窪まされて形成される。
The
ストレート流路150は、凹部140と、後述するアノードガス排出マニフォールド160とを連通する流路である。
The
アノードガス排出マニフォールド160は、アノードガス供給マニフォールド110とカソード当接領域Cとの間に形成される。アノードガス排出マニフォールド160はカソードセパレータ100を貫通するように形成される。
The anode
電解質膜200は中央付近にアノード電極270が形成される。アノード電極270は長方形である。電解質膜200を挟んでアノード電極270の裏側にカソード電極207が形成される(図示せず)。
In the
電解質膜200には、カソードガス供給マニフォールド201と、連通孔204と、カソードガス排出マニフォールド206と、アノードガス供給マニフォールド210と、連通孔240と、アノードガス排出マニフォールド260とが形成される。
A cathode
カソードガス供給マニフォールド201は、アノード電極270の外側であって、電解質膜200の短辺の中央付近に形成される(図2(B)右端)。カソードガス供給マニフォールド201は電解質膜200を貫通するように形成される。カソードセパレータ100の上に電解質膜200を重ねたとき、カソードガス供給マニフォールド201は、カソードガス供給マニフォールド101と重なる。
The cathode
連通孔204は、カソードガス供給マニフォールド201とアノード電極270との間に形成される。カソードセパレータ100の上に電解質膜200を重ねたとき、連通孔204は凹部104と重なる。
The
カソードガス排出マニフォールド206は、カソードガス供給マニフォールド201とアノード電極270との間に形成される。カソードガス排出マニフォールド206は、電解質膜200を貫通するように形成される。カソードセパレータ100の上に電解質膜200を重ねたとき、カソードガス排出マニフォールド206は、カソードガス排出マニフォールド106と重なる。
Cathode
連通孔204とカソードガス排出マニフォールド206との間の電解質膜200の部分を、水蒸気透過部分221して図中のアミで示す。この水蒸気透過部分221は接続流路103aと当接する。
A portion of the
アノードガス供給マニフォールド210は、アノード電極270の外側であって、電解質膜200の短辺の中央付近に形成される(図2(B)左端)。アノードガス供給マニフォールド210は電解質膜200を貫通するように形成される。カソードセパレータ100の上に電解質膜200を重ねたとき、アノードガス供給マニフォールド210は、アノードガス供給マニフォールド110と重なる。
The anode
連通孔240は、アノードガス供給マニフォールド210とアノード電極270との間に形成される。カソードセパレータ100の上に電解質膜200を重ねたとき、連通孔240は凹部140と重なる。
The
アノードガス排出マニフォールド260は、アノードガス供給マニフォールド210とアノード電極270との間に形成される。アノードガス排出マニフォールド260は、電解質膜200を貫通するように形成される。カソードセパレータ100の上に電解質膜200を重ねたとき、アノードガス排出マニフォールド260はアノードガス排出マニフォールド160と重なる。
The anode
連通孔240とアノードガス排出マニフォールド260との間の電解質膜200の部分を、水蒸気透過部分222として図中のアミで示す。この水蒸気透過部分222はストレート流路150と接する。
A portion of the
アノードセパレータ300は、中央付近でアノード電極270と当接する。この当接する領域をアノード当接領域Aとして図中のアミで示す。アノード当接領域Aは、カソード当接領域Cと同等の長方形である。
The
アノードセパレータ300には、アノードガス供給マニフォールド310と、流路303と、凹部340と、アノードガス排出マニフォールド360とカソードガス供給マニフォールド301と、凹部304と、ストレート流路350と、カソードガス排出マニフォールド306とが形成される。
The
アノードガス供給マニフォールド310は、アノード当接領域Aの外側であって、アノードセパレータ300の短辺の中央付近に形成される(図2(C)右端)。アノードガス供給マニフォールド310は、アノードセパレータ300を貫通するように形成される。アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねたとき、アノードガス供給マニフォールド310はアノードガス供給マニフォールド210と重なる。
The anode
凹部340は、アノードガス供給マニフォールド310とアノード当接領域Aとの間に形成される。凹部340はアノードセパレータ300が窪まされて形成される。アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねたとき、凹部340は連通孔240と重なる。
The
流路303は、アノードガス供給マニフォールド310と凹部340とを連通する流路である。流路303は、接続流路303aと、反応流路303bと、接続流路303cとを有する。接続流路303aはアノード当接領域Aの外側に配置され、アノードガス供給マニフォールド310と連通する。アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねたとき、接続流路303aは水蒸気透過部分222と接し、水蒸気透過部分222を挟んでストレート流路150と交差する。反応流路303bはアノード当接領域Aに配置されアノード電極270と当接する。接続流路303cはアノード当接領域Aの外側に配置され、凹部340と連通する。アノードガス供給マニフォールド310から供給されたアノードガスは、接続流路303a→反応流路303b→接続流路303cを順次流通し、反応流路303bを流通するときに上述したアノード電極での反応が行われる。また本実施形態の反応流路303bはサーペンタイン流路である。
The
アノードガス排出マニフォールド360は、流路303aを挟んで、凹部340の反対側に形成される。アノードガス排出マニフォールド360はアノードセパレータ300を貫通するように形成される。アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねたとき、アノードガス排出マニフォールド360はアノードガス排出マニフォールド260と重なる。
The anode
カソードガス供給マニフォールド301は、アノード当接領域Aの外側であって、アノードセパレータ300の短辺の中央付近に形成される(図2(C)右端)。カソードガス供給マニフォールド301は、アノードセパレータ300を貫通するように形成される。アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねたとき、カソードガス供給マニフォールド301はカソードガス供給マニフォールド201と重なる。
The cathode
凹部304は、カソードガス供給マニフォールド301とアノード当接領域Aとの間に形成される。凹部304はアノードセパレータ300が窪まされて形成される。アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねたとき、凹部304は連通孔204と重なる。
The
ストレート流路350は、凹部304と、後述するアノードガス排出マニフォールド306とを連通する流路である。アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねたとき、ストレート流路350は、水蒸気透過部分221と接し、水蒸気透過部分221を挟んで接続流路103aと交差する。
The
カソードガス排出マニフォールド306は、カソードガス供給マニフォールド301とアノード当接領域Aとの間に形成される。カソードガス排出マニフォールド306はアノードセパレータ300を貫通するように形成される。アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねたとき、カソードガス排出マニフォールド306は、カソードガス排出マニフォールド306と重なる。
The cathode
単セル1内のカソードガス及びアノードガスの移動について、図2(A)〜(C)を用いて説明する。まずカソードガスの移動について説明する。 The movement of the cathode gas and the anode gas in the single cell 1 will be described with reference to FIGS. First, the movement of the cathode gas will be described.
カソードガスは外部から供給され、カソードガス供給マニフォールド301,201を流通し、カソードガス供給マニフォールド101からカソードセパレータ100上を流通する。
The cathode gas is supplied from the outside, flows through the cathode
カソードガスは、流路103を流通し凹部104へ流通する。カソードガスは、前述したように順次流通し、反応流路103bを流通する際にカソード電極207上でプロトンH+と反応して生成水が添加される。このことから、接続流路103cを流通する既反応カソードガスは、接続流路103aを流通する未反応カソードガスに比べて多くの水蒸気を含有する。
The cathode gas flows through the
既反応カソードガスは、凹部104から連通孔204を流通する。そして凹部304からストレート流路350を流通する。
The already-reacted cathode gas flows through the
前述したようにストレート流路350は、水蒸気透過部分221を挟んで、接続流路103aと交差する。このことから、水蒸気透過部分221のアノードセパレータ300側には、水蒸気分圧が高い既反応カソードガスが流通する。水蒸気透過部分221のカソードセパレータ100側には、既反応カソードガスに比べて水蒸気分圧が低い未反応カソードガスが流通する。このようにして、水蒸気透過部分221の両側を流通するカソードガスには水蒸気分圧の差がある。そこで水蒸気透過部分221は、水蒸気分圧が高い既反応カソードガスから、水蒸気分圧が低い未反応カソードガスへ水蒸気を透過させる。すなわち、ストレート流路350の既反応カソードガスに含まれる水蒸気が、接続流路103aの未反応カソードガスへ添加される。
As described above, the
そして既反応カソードガスは、カソードガス排出マニフォールド306からカソードガス排出マニフォールド206,106を流通して外部へ排出される。
The already-reacted cathode gas is discharged from the cathode
アノードガスの移動について説明する。 The movement of the anode gas will be described.
アノードガスは外部から供給され、アノードガス供給マニフォールド110,210を流通し、アノードガス供給マニフォールド310からアノードセパレータ300上を流通する。
The anode gas is supplied from the outside, flows through the anode
アノードガスは、流路303を流通し凹部340へ流通する。アノードガスは、前述したように順次流通し、反応流路303bを流通する際に、逆拡散によって移動してきたアノード電極270上の水が添加される。このことから、接続流路303cを流通する既反応アノードガスは、接続流路303aを流通する未反応アノードガスに比べて多くの水蒸気を含有する。
The anode gas flows through the
既反応アノードガスは、凹部340から連通孔240を流通する。そして凹部140からストレート流路150を流通する。
The already reacted anode gas flows from the
前述したようにストレート流路150は、水蒸気透過部分222を挟んで、接続流路303aと交差する。このことから、水蒸気透過部分222のカソードセパレータ100側には、水蒸気分圧が高い既反応アノードガスが流通する。水蒸気透過部分222のアノードセパレータ300側には、既反応アノードガスに比べて水蒸気分圧が低い未反応アノードガスが流通する。このようにして、水蒸気透過部分222の両側を流通するアノードガスには水蒸気分圧の差がある。そこで水蒸気透過部分222は、水蒸気分圧が高い既反応アノードガスから、水蒸気分圧が低い未反応アノードガスへ水蒸気を透過させる。すなわち、ストレート流路150の既反応アノードガスに含まれる水蒸気が、接続流路303aの未反応アノードガスへ添加される。
As described above, the
そして既反応アノードガスは、アノードガス排出マニフォールド160からアノードガス排出マニフォールド260,360を流通して外部へ排出される。
The already-reacted anode gas is discharged from the anode
本実施形態の燃料電池システムに使用する単セル1において、既反応カソードガスが流通するストレート流路350と未反応カソードガスが流通する接続流路103aとを、水蒸気透過部分221を挟んで交差させた。同様に、既反応アノードガスが流通するストレート流路150と未反応アノードガスが流通する接続流路303aとを、水蒸気透過部分222を挟んで交差させた。このように単セル1を構成することで、電解質膜200の一部である水蒸気透過部分221,222を用いて、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる。このことから本実施形態の燃料電池システムでは、新たに水蒸気透過膜を用いることなく既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる。
In the single cell 1 used in the fuel cell system of the present embodiment, the
本実施形態では、未反応カソードガスが流通する接続流路103aをカソードセパレータ100に形成し、既反応カソードガスが流通するストレート流路350をアノードセパレータ300に形成した。同様に、未反応アノードガスが流通する接続流路303aをアノードセパレータ300に形成し、既反応アノードガスが流通するストレート流路150をカソードセパレータ100に形成した。
In the present embodiment, the
このようにして、単セル1のカソードセパレータ100とアノードセパレータ300とを用いて、既反応ガスと未反応ガスとを分離している。このことから本実施形態の燃料電池システムでは、新たにセパレータを用いることなく既反応ガスと未反応ガスとを分離しており、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる。
In this manner, the reacted gas and the unreacted gas are separated using the
本実施形態では、カソードセパレータ100にサーペンタイン状の反応流路103bを有する流路103を形成した。同様にアノードセパレータ300にサーペンタイン状の反応流路303bを有する流路303を形成した。このようにすることで、未反応ガスが流通する接続流路103a,303aの近傍に、既反応ガスを流通させることができる。
In the present embodiment, the
さらに本実施形態では、凹部104と連通孔204と凹部304を形成した。同様に凹部340と連通孔240と凹部140とを形成した。このようにすることで、水蒸気透過領域221,222を挟んで、未反応ガスと既反応ガスとが交差して流通する。
Furthermore, in this embodiment, the recessed
水蒸気透過部分221,222の両側を多孔質体200bで挟んだ。このことから、水蒸気透過部分221,222は強化され、カソードセパレータ100側とアノードセパレータ300側とを流通する各ガスに差圧が生じる場合にも対応することができる。さらに、水蒸気透過部分221,222は、既反応ガスが流通するストレート流路150,350側から未反応ガスが流通する接続流路103a,303a側へよりすばやく水蒸気を透過させることができる。
Both sides of the water
このように単セル1の各構成要素を用いて、未反応ガスの近傍に既反応ガスを流通させている。このことから本実施形態の燃料電池システムでは、新たに反応ガス輸送用の配管類を用いることなく既反応カソードガスの水蒸気を未反応カソードガスに添加することができる。 In this way, the already-reacted gas is circulated in the vicinity of the unreacted gas using each component of the single cell 1. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the water vapor of the already reacted cathode gas can be added to the unreacted cathode gas without newly using the piping for transporting the reactant gas.
したがって本実施形態によれば、新たに部品を設けることなく、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加することができる燃料電池システムを提供できる。
(第2実施形態)
図3は、本発明の燃料電池システムの第2実施形態に使用する単セル1の各構成要素を示す図である。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a fuel cell system capable of adding the water vapor of the already reacted gas to the unreacted gas without newly providing parts.
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing each component of the single cell 1 used in the second embodiment of the fuel cell system of the present invention. In the following embodiments, the same reference numerals are given to the portions that perform the same functions as those of the above-described embodiments, and redundant descriptions are omitted as appropriate.
第1実施形態では、カソードセパレータ100とアノードセパレータ300の反応流路は、それぞれサーペンタイン状の流路103b,303bであったが、本実施形態ではストレート流路103b,303bとした。また第1実施形態では電解質膜200において既反応カソードガスは連通孔204を流通するが、本実施形態では電解質膜200の外側に配置され、凹部104,304によって形成される通路を流通する。既反応アノードガスについても同様に、凹部140,340によって形成される通路を流通する点が第1実施形態と異なる。
In the first embodiment, the reaction flow paths of the
電解質膜200は第1実施形態と同様に長方形である。カソードセパレータ100とアノードセパレータ300とは同等の形状であり、電解質膜200と接する長方形の部分と、その四辺の外側に形成される部分とを有する。
The
カソードセパレータ100には、カソードガス供給マニフォールド101と、ストレート状の流路103と、凹部104と、カソードガス排出マニフォールド106と、アノードガス供給マニフォールド110と、凹部140と、ストレート流路150と、アノードガス排出マニフォールド160とが形成される。
The
カソードガス供給マニフォールド101、アノードガス供給マニフォールド110は、電解質膜200と接する長方形の部分の短辺の外側にそれぞれ配置される(図3(A)左端及び右端)。
The cathode
流路103は、接続流路103aと、反応流路103bと、接続流路103cとを有する。本実施形態では反応流路103bはストレート状の流路である。
The
カソードガス供給マニフォールド101から供給されたカソードガスは、接続流路103a→反応流路103b→接続流路103cを順次流通し、反応流路103bを流通するときに上記したカソード電極での反応が行われる。
Cathode gas supplied from the cathode
凹部140、凹部104は、カソードセパレータ100の一端に形成される(図3(A)上側及び下側)。凹部140、凹部104は、単セル1を構成するときにそれぞれ後述の凹部340、凹部304とともに通路を形成する。この通路は、後述する電解質膜200の長辺の外側に配置される。
The
電解質膜200は、左側の領域が水蒸気透過部分221であり、図中のアミで示す。この水蒸気透過部分221は接続流路103aと当接する。また右側の領域が水蒸気透過部分222であり、図中のアミで示す。この水蒸気透過部分222はストレート流路150と当接する。なお図中の破線は、凹部104と凹部304とで形成される通路及び凹部140と凹部340とで形成される通路を示す。このように、これらの通路は、電解質膜200の外側に配置される。
The left side region of the
アノードセパレータ300には、アノードガス供給マニフォールド310と、ストレート状の流路303と、凹部340と、アノードガス排出マニフォールド360と、凹部304と、カソードガス供給マニフォールド301と、ストレート流路350と、カソードガス排出マニフォールド306とが形成される。
The
アノードセパレータ300とカソードセパレータ100とを重ねて単セル1としたときに、アノードガス供給マニフォールド310はアノードガス供給マニフォールド110に、凹部340は凹部140に、アノードガス排出マニフォールド360はアノードガス排出マニフォールド160に、凹部304は凹部104に、カソードガス供給マニフォールド301はカソードガス供給マニフォールド101に、カソードガス排出マニフォールド306はカソードガス排出マニフォールド106に、それぞれ重なる。
When the
流路303は、接続流路303aと、反応流路303bと、接続流路303cとを有する。アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねたとき、接続流路303aは水蒸気透過部分222と当接し、水蒸気透過部分222を挟んでストレート流路150と交差する。
The
アノードガス供給マニフォールド310から供給されたアノードガスは、接続流路303a→反応流路303b→接続流路303cを順次流通し、反応流路303bを流通するときに上記したアノード電極での反応が行われる。
The anode gas supplied from the anode
また、ストレート流路350は、アノードセパレータ300を電解質膜200の上に重ねると、水蒸気透過部分221と当接し、水蒸気交換部分221を挟んで流路103aと交差する。
Further, when the
本実施形態の燃料電池システムに使用する単セル1において、凹部104,304によって形成される通路を設けた。この通路は接続流路103cと連通する。本実施形態では、凹部104,304によって形成される通路を用いて、既反応カソードガスを折り返して未反応カソードガスの近傍に流通させている。
In the single cell 1 used in the fuel cell system of the present embodiment, a passage formed by the
第1実施形態のように、カソードセパレータ100において既反応カソードガスを折り返す必要がなく、ストレート状の反応流路103bを用いて既反応カソードガスを未反応カソードガスの近傍に送りこむことができる。
As in the first embodiment, it is not necessary to turn back the already-reacted cathode gas in the
凹部104,304から形成される通路と同様に、凹部340,140から形成される通路を設けた。この通路は既反応ガス流通域303cと連通する。本実施形態では、凹部340,140から形成される通路を用いて、既反応アノードガスを折り返して未反応アノードガスの近傍に流通させている。
Similar to the passage formed from the
第1実施形態のように、アノードセパレータ300において既反応アノードガスを折り返す必要がなく、ストレート状の反応流路303bを用いて既反応アノードガスを未反応アノードガスの近傍に送りこむことができる。
As in the first embodiment, it is not necessary to turn back the already-reacted anode gas in the
さらにストレート状の反応流路103b,303bは、第1実施形態のサーペンタイン状の流路103b,303bに比べて、カソードガスとアノードガスがスムーズに流通する。
Further, in the
したがって本実施形態によれば、第1実施形態の効果に加え、各セパレータの流路を簡便に形成することができ、カソードガスとアノードガスの流通がスムーズになった燃料電池システムを提供することができる。
(第3実施形態)
図4は、本発明の燃料電池システムの第3実施形態に使用する単セル1と、エンドプレート800と、エンドプレート80との積層横断面を示す図である。本実施形態の燃料電池システムの構成は、単セル1のカソードセパレータ100の外側にエンドプレート800が積層され、アノードセパレータ300の外側にエンドプレート80が積層される構成である。
Therefore, according to this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, it is possible to provide a fuel cell system in which the flow path of each separator can be easily formed and the circulation of the cathode gas and the anode gas is smooth. Can do.
(Third embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional cross section of the single cell 1, the
図5〜図8は、本発明の燃料電池システムの第3実施形態に使用する単セル1の各構成要素とエンドプレート80,800を示す図である。図5は、エンドプレート800をカソードセパレータ100側から見た図である。図6(A)は、カソードセパレータ100を電解質膜200側から見た図である。図6(B)は、電解質膜200をアノードセパレータ300側から見た図である。図6(C)は、アノードセパレータ300を電解質膜200とは反対側から透視したときの図である。図7は、アノードセパレータ300をエンドプレート80側から見た図である。図8は、エンドプレート80をアノードセパレータ300側から見た図である。なお、図5〜図8の図中の太線は、アノードガス、カソードガス、冷却水の漏洩を防止するためのシール材を示す線である。
5-8 is a figure which shows each component and end plate 80,800 of the single cell 1 used for 3rd Embodiment of the fuel cell system of this invention. FIG. 5 is a view of the
第2実施形態では、既反応ガスを未反応ガスの近傍へ折り返すために、凹部104,304によって形成される通路と、凹部340,140によって形成される通路とを用いた。これらの通路の代わりに本実施形態では、エンドプレート800に形成される流路804b,840bを用いる。
In the second embodiment, the passage formed by the
エンドプレート800と、カソードセパレータ100と、電解質膜200と、アノードセパレータ300と、エンドプレート80とは、それぞれ同等の形状であり、横に細長く両側の部分の幅と比べて中央付近の幅が狭くなっている。
The
エンドプレート800には、カソードガス供給マニフォールド801と、冷却水供給マニフォールド820と、カソードガス排出マニフォールド806と、第1中間凹部840aと、第2中間凹部804cと、ストレート状の流路804b,840bと、第1中間凹部804aと、第2中間凹部840cと、アノードガス排出マニフォールド860と、冷却水排出マニフォールド830と、アノードガス供給マニフォールド810とが形成される。
The
カソードガス供給マニフォールド801は、エンドプレート800の角隅付近に形成される。カソードガス供給マニフォールド801は、エンドプレート800を貫通するように形成される。
The cathode
冷却水供給マニフォールド820は、エンドプレート800の一端であって、その中央付近に形成される。
The cooling
カソードガス排出マニフォールド806は、冷却水供給マニフォールド820を挟んでカソードガス供給マニフォールド801の反対側に配置される。カソードガス排出マニフォールド806はエンドプレート800を貫通するように形成される。
The cathode
第2中間凹部804cは、シール材を介してカソードガス供給マニフォールド801の隣に形成される。第2中間凹部804cはエンドプレート800が窪まされて形成される。
The second
第1中間凹部840aは、シール材を介してカソードガス排出マニフォールド806の隣に形成される。第1中間凹部840aはエンドプレート800が窪まされて形成される。
The first
アノードガス供給マニフォールド810はカソードガス排出マニフォールド806に対して対称に配置される。また冷却水排出マニフォールド830は冷却水供給マニフォールド820と、アノードガス排出マニフォールド860はカソードガス供給マニフォールド801と、第1中間凹部804aは第2中間凹部804cと、第2中間凹部840cは第1中間凹部840aと、それぞれ対称に配置される。
The anode
またエンドプレート800の中央付近には、流路804bと流路840bとが形成される。流路804bは、第1中間凹部804aと第2中間凹部804cとを連通する流路である。流路840bは、第1中間凹部840aと第2中間凹部840cとを連通する流路である。
Near the center of the
カソードセパレータ100には、カソードガス供給マニフォールド101と、冷却水供給マニフォールド120と、カソードガス排出マニフォールド106と、第1中間孔180と、第2中間孔104cと、ストレート状の流路103と、第1中間孔104aと、第2中間孔140と、アノードガス排出マニフォールド160と、冷却水排出マニフォールド130と、アノードガス供給マニフォールド110と、流路150とが形成される。
The
カソードセパレータ100をエンドプレート800に重ねると、カソードガス供給マニフォールド101はカソードガス供給マニフォールド801に、冷却水供給マニフォールド120は冷却水供給マニフォールド820に、カソードガス排出マニフォールド106はカソードガス排出マニフォールド806に、第1中間孔180は第1中間凹部840aに、第2中間孔104cは第2中間凹部804cに、第1中間孔104aは第1中間凹部804aに、第2中間孔140は第2中間凹部804cに、アノードガス排出マニフォールド160はアノードガス排出マニフォールド860に、冷却水排出マニフォールド130は冷却水排出マニフォールド830に、アノードガス供給マニフォールド110はアノードガス供給マニフォールド810に、それぞれ重なる。
When the
カソードガス供給マニフォールド101から供給されるカソードガスは、接続流路103a→反応流路103b→接続流路103cを順次流通し、反応流路103bを流通するときに上述したカソード電極での反応が行われる。
Cathode gas supplied from the cathode
電解質膜200には、カソードガス供給マニフォールド201と、冷却水供給マニフォールド220と、カソードガス排出マニフォールド206と、第2中間孔204と、第1中間孔280と、カソードガス排出マニフォールド260と、第1中間孔281と、第2中間孔240と、アノードガス排出マニフォールド210と、冷却水排出マニフォールド230とが形成される。
The
電解質膜200をカソードセパレータ100に重ねると、カソードガス供給マニフォールド201はカソードガス供給マニフォールド101に、冷却水供給マニフォールド220は冷却水供給マニフォールド120に、カソードガス排出マニフォールド206はカソードガス排出マニフォールド106に、第2中間孔204は第2中間孔104cに、第1中間孔280は第1中間孔180に、カソードガス排出マニフォールド260はアノードガス排出マニフォールド160に、第1中間孔281は第1中間孔104aに、第2中間孔240は第2中間孔140に、アノードガス排出マニフォールド210はアノードガス供給マニフォールド110に、冷却水排出マニフォールド230は冷却水排出マニフォールド130に、それぞれ重なる。
When the
アノードセパレータ300には、アノードガス供給マニフォールド310と、冷却水排出マニフォールド330と、第2中間孔380と、アノードガス排出マニフォールド360と、第1中間孔381と、ストレート状の流路303と、第2中間孔304と、第1中間孔340aと、流路350と、カソードガス排出マニフォールド306と、冷却水供給マニフォールド320と、カソードガス供給マニフォールド301とが形成される。
The
アノードセパレータ300を電解質膜200に重ねると、アノードガス供給マニフォールド310はアノードガス供給マニフォールド210に、冷却水排出マニフォールド330は冷却水排出マニフォールド230に、第2中間孔380は第2中間孔240に、アノードガス排出マニフォールド360はアノードガス排出マニフォールド260に、第1中間孔381は第1中間孔281に、第2中間孔304は第2中間孔204に、第1中間孔340aは第1中間孔280に、カソードガス排出マニフォールド306はカソードガス排出マニフォールド206に、冷却水供給マニフォールド320は冷却水供給マニフォールド220に、カソードガス供給マニフォールド301はカソードガス供給マニフォールド201に、それぞれ重なる。
When the
アノードパレータ300の中央付近には、流路303が形成される。流路303は、アノードガス供給マニフォールド310と第1中間孔340aとを連通する流路である。流路303は、接続流路303aと、反応流路303bと、接続流路303cとを有する。本実施形態では反応流路303bはストレート状である。
A
アノードガス供給マニフォールド310から供給されるアノードガスは、接続流路303a→反応流路303b→接続流路303cを順次流通し、反応流路303bを流通するときに上述したアノード電極での反応が行われる。
The anode gas supplied from the anode
図7を用いてアノードセパレータ300のエンドプレート80側の面(図6(C)の裏面)の詳細について説明する。
The details of the surface on the
アノードセパレータ300のエンドプレート80側には、冷却水流路390が形成される。冷却水流路390は、冷却水供給マニフォールド320と冷却水排出マニフォールド330とを連通する流路である。冷却水流路390は、アノードセパレータ300の中央付近で一定の広い幅を有し、冷却水供給マニフォールド320と冷却水排出マニフォールド330付近ですぼまる。
A cooling
図8はエンドプレート80のアノードセパレータ300側の面を示す図である。エンドプレート80は、燃料電池に用いられるエンドプレートであり、エンドプレート800とともに単セル1を挟持する。エンドプレート80は、アノードセパレータ300を流通する反応ガスと冷却水の漏洩を防止する。
FIG. 8 is a view showing a surface of the
本実施形態の燃料電池システム内のカソードガスと、アノードガスと、冷却水の移動について、図5〜図8を用いて説明する。まずカソードガスの移動について説明する。 The movement of the cathode gas, the anode gas, and the cooling water in the fuel cell system of the present embodiment will be described with reference to FIGS. First, the movement of the cathode gas will be described.
カソードガスは、カソードガス供給マニフォールド801を流通してカソードガス供給マニフォールド101からカソードセパレータ100上を流通する。そしてカソードガスは流路103を流通して第1中間孔104aへ流通する。この過程においてカソードガスは、反応流路103bを流通するときに生成水が添加される。
The cathode gas flows through the cathode
そして既反応カソードガスは、第1中間孔804aからエンドプレート800上を流通する。既反応カソードガスは流路804bを流通し第2中間凹部804cへ流通する。そして、第2中間孔104c→204→304を順次流通して、アノードセパレータ300上へ流通する。
The already-reacted cathode gas flows on the
そして既反応カソードガスは流路350を流通してカソードガス排出マニフォールド306へ流通する。このとき流路350の既反応カソードガスに含まれる水蒸気が、接続流路103aの未反応カソードガスへ添加される。
The already-reacted cathode gas flows through the
そして既反応カソードガスは、カソードガス排出マニフォールド306→206→106→806を順次流通して外部へ排出される。
The already-reacted cathode gas is discharged to the outside through the cathode
次いで、アノードガスの移動及び作用について説明する。 Next, the movement and action of the anode gas will be described.
アノードガスは、アノードガス供給マニフォールド810から、アノードガス供給マニフォールド110→210→310を順次流通して、アノードセパレータ300上へ流通する。アノードガスは、流路303を流通して第1中間孔340aへ流通する。この過程においてアノードガスは、接続流路303a→反応流路303b→接続流路303cを順次流通する。アノードガスは反応流路303bを流通しながら、逆拡散によってアノード電極270上へ移動してきた水が添加される。
The anode gas flows from the anode
そして既反応アノードガスは、第1中間孔280→180を順次流通し、第1中間孔840aからエンドプレート800上を流通する。既反応アノードガスは流路840bを流通して第2中間孔840cへ流通する。そして既反応アノードガスは第2中間孔140からカソードセパレータ100上へ流通し、流路150を流通してアノードガス排出マニフォールド160へ流通する。このとき流路150の既反応アノードガスに含まれる水蒸気が、接続流路303aの未反応アノードガスへ添加される。
The already-reacted anode gas sequentially flows through the first
そして既反応アノードガスはアノードガス排出マニフォールド160→860を順次流通して外部へ排出される。
The already-reacted anode gas is discharged through the anode
冷却水の移動について説明する。冷却水は冷却水供給マニフォールド820→120→220を順次流通し、冷却水供給マニフォールド320からアノードセパレータ300のエンドプレート80側を流通する。冷却水は冷却水流路390を流通して冷却水排出マニフォールド330へ流通する。そして冷却水は冷却水排出マニフォールド230→130→830を順次流通して外部へ排出される。
The movement of the cooling water will be described. The cooling water sequentially flows through the cooling
本実施形態の燃料電池システムにおいて、カソードセパレータ100に第1中間孔104aと第2中間孔104cとを設けた。そしてこれらの中間孔とエンドプレート800内の流路804bとを連通させるように、エンドプレート800に第1中間孔804aと第2中間孔804cとを形成した。このようにすることで、既反応カソードガスをエンドプレート800内で折り返して未反応カソードガスの近傍を流通させることができる。
In the fuel cell system of this embodiment, the
このことから、本実施形態ではカソードセパレータ100において既反応カソードガスを折り返す必要がなく、ストレート状の反応流路103bを用いて既反応カソードガスを未反応カソードガスの近傍に流通させることができる。
For this reason, in the present embodiment, it is not necessary to turn back the already-reacted cathode gas in the
アノードセパレータ300に第1中間孔340aを形成した。この中間孔とエンドプレート800内の流路840bとを連通させるように、カソードセパレータ100に第1中間孔180を形成し、エンドプレート800に第1中間凹部840aを形成した。さらにカソードセパレータ100に第2中間孔140を形成し、エンドプレート800に第2中間凹部840cを形成した。このようにすることで、既反応アノードガスをエンドプレート800内で折り返して未反応アノードガスの近傍に流通させることができる。
A first
このことから、本実施形態ではアノードセパレータ300において既反応アノードガスを折り返す必要がなく、ストレート状の反応流路303bを用いて既反応アノードガスを未反応アノードガスの近傍に流通させることができる。
For this reason, in the present embodiment, it is not necessary to turn back the already-reacted anode gas in the
本実施形態ではカソードセパレータ100とアノードセパレータ300とにおいて、既反応ガスを折り返す必要がないので、第2実施形態と同等の効果を得ることができる。
In this embodiment, the
さらに、第2実施形態の凹部104,304と、凹部140,340とから形成される通路の代わりに、エンドプレート800内の流路804b,840bを用いたので、単セル1の部品数を減らすことができる。
Furthermore, since the
したがって本実施形態によれば、第1,2実施形態よりも少ない部品で、既反応ガスの水蒸気を未反応ガスへ添加することができる燃料電池システムを提供できる。
(第4実施形態)
図9は、本発明の燃料電池システムの第4実施形態に使用するエンドプレート800をカソードセパレータ100側から見た図であり、図5に対応するものである。
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a fuel cell system that can add the water vapor of the already reacted gas to the unreacted gas with fewer parts than the first and second embodiments.
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a view of the
本実施形態では、カソードセパレータ100は図6(A)に示したものを使用し、電解質膜200は図6(B)に示したものを使用し、アノードセパレータ300は図6(C)に示したものを使用し、エンドプレート80は図8に示したものを使用する。
In this embodiment, the
図5においては、第1中間凹部804a〜第2中間凹部804cを結ぶ流路804bと、第1中間凹部840a〜第2中間凹部840cを結ぶ流路840bとが形成されていたが、本実施形態では、第1中間凹部804aに代えて第1中間孔805aを、第2中間凹部804cに代えて第2中間孔805cを、第1中間凹部840aに代えて第1中間孔850aを、第2中間凹部840cに代えて第2中間孔850cを、それぞれ形成する。そして、カソード三方弁901を設けて、第1中間孔805a〜第2中間孔805cを連通するとともに、運転状態に応じてカソード三方弁901を切り替えて、第1中間孔805a〜カソードガス排出マニフォールド806を連通する。またアノード三方弁902を設けて、第1中間孔805a〜第2中間孔805cを連通するとともに、運転状態に応じてアノード三方弁902を切り替えて、第1中間孔850a〜アノードガス排出マニフォールド860を連通する。
In FIG. 5, the
本実施形態によれば、カソード三方弁901及びアノード三方弁902によって、未反応ガスへの水蒸気の添加をコントロールすることができる。すなわち既反応カソードガスの水蒸気を未反応カソードガスに添加する必要があるときは、カソード三方弁901を切り替えて、第1中間孔805a〜第2中間孔805cを連通する。また既反応カソードガスの水蒸気を未反応カソードガスに添加する必要がないときは、カソード三方弁901を切り替えて、第1中間孔805a〜カソードガス排出マニフォールド806を連通する。また既反応アノードガスの水蒸気を未反応アノードガスに添加する必要があるときは、アノード三方弁902を切り替えて、第1中間孔805a〜第2中間孔805cを連通する。既反応アノードガスの水蒸気を未反応アノードガスに添加する必要がないときは、アノード三方弁902を切り替えて、第1中間孔850a〜アノードガス排出マニフォールド860を連通する。
According to this embodiment, the addition of water vapor to the unreacted gas can be controlled by the cathode three-
このように本実施形態によれば、カソード三方弁901及びアノード三方弁902によって、未反応ガスへの水蒸気の添加をコントロールすることができるのである。
As described above, according to this embodiment, the addition of water vapor to the unreacted gas can be controlled by the cathode three-
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are equivalent to the present invention.
第1,2実施形態において、第3実施形態と同様に、カソードセパレータ100とアノードセパレータ300との間に冷却水を流通させてもよい。このようにすることで、第1,2実施形態の効果に加え、燃料電池の運転中に単セル1を冷却することができる。
In the first and second embodiments, cooling water may be circulated between the
第3,4実施形態において、燃料電池システム3を構成する単セル1は複数用いてもよい。この場合でも第3実施形態と同等の効果が得られる。 In the third and fourth embodiments, a plurality of single cells 1 constituting the fuel cell system 3 may be used. Even in this case, the same effect as the third embodiment can be obtained.
第4実施形態において、カソード三方弁901、アノード三方弁902のいずれか一方を用いてもよい。このようにすることで、未反応カソードガス、未反応アノードガスのいずれか一方のみをコントロールして加湿することができる。
In the fourth embodiment, any one of the cathode three-
第1実施形態から第4実施形態の水蒸気透過部分221,222を挟む多孔質体200bにおいて、既反応ガスが流通する流路側に親水処理し、未反応ガスが流通する側を撥水処理してもよい。このようにすることで、既反応ガスから未反応ガスへの水蒸気の透過の効率を上げることができ、かつ水蒸気透過部分を小さくすることができる。
In the
第1実施形態から第4実施形態において、カソードガス又はアノードガスのどちらか一方にのみにおいて、既反応ガスから未反応ガスへ水蒸気を添加するように構成してもよい。このような場合でも、本発明の燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。 In the first to fourth embodiments, water vapor may be added from the already reacted gas to the unreacted gas only in either the cathode gas or the anode gas. Even in such a case, the same effect as the fuel cell system of the present invention can be obtained.
第1実施形態から第4実施形態の水蒸気透過部分を、カソード電極及びアノード電極によって挟まれた部分よりも薄くしてよい。このようにすることで、水蒸気透過部分の面積を小さくして、第1実施形態から第4実施形態と同等の効果を得ることができる。 The water vapor permeation portion of the first to fourth embodiments may be made thinner than the portion sandwiched between the cathode electrode and the anode electrode. By doing in this way, the area of a water vapor transmission part can be made small and the effect equivalent to 4th Embodiment can be acquired from 1st Embodiment.
1 単セル1(燃料電池システム)
100 カソードセパレータ(第1セパレータ)
101 カソードガス供給マニフォールド(供給マニフォールド)
200 電解質膜(固体高分子膜)
207 カソード電極
270 アノード電極
300 アノードセパレータ(第2セパレータ)
221,222 水蒸気透過部分(固体高分子膜)
150,350 ストレート流路(既反応ガスが流れる通路)
103a,303a 接続流路(未反応ガス通路)
C カソード当接領域
A アノード当接領域
103b 反応流路
204 連通孔
901 カソード三方弁(三方弁)
902 アノード三方弁(三方弁)
1 Single cell 1 (fuel cell system)
100 Cathode separator (first separator)
101 Cathode gas supply manifold (supply manifold)
200 Electrolyte membrane (solid polymer membrane)
207
221 and 222 Water vapor transmission part (solid polymer membrane)
150,350 Straight channel (passage through which the reaction gas flows)
103a, 303a Connection flow path (unreacted gas passage)
C Cathode contact area A
902 Anode three-way valve (three-way valve)
Claims (10)
前記固体高分子膜を挟持する第1セパレータ及び第2セパレータと、
を備える燃料電池システムであって、
前記第1セパレータには、供給マニフォールドから供給され未だ反応していない未反応ガスが流れる未反応通路と、その未反応通路を流れたガスを電極に導く反応通路とが形成され、
前記第2セパレータには、前記固体高分子膜を挟んで前記第1セパレータの未反応通路に対して交差し、前記反応通路を流れて反応水を含有している既反応ガスが流れる通路が形成され、
前記第2セパレータに形成された通路を流れる既反応ガスに含有される水が、前記固体高分子膜を透過して、前記第1セパレータの未反応通路を流れる未反応ガスを加湿するようにした、
ことを特徴とする燃料電池システム。 A solid polymer film on which a cathode electrode and an anode electrode are formed;
A first separator and a second separator that sandwich the solid polymer film;
A fuel cell system comprising:
The first separator is formed with an unreacted passage through which unreacted gas supplied from the supply manifold and not yet reacted flows, and a reaction passage for guiding the gas that has flowed through the unreacted passage to the electrode,
The second separator is formed with a passage that intersects the unreacted passage of the first separator with the solid polymer membrane interposed therebetween, and that flows through the reaction passage and through which the reacted gas containing reaction water flows. And
Water contained in the already reacted gas flowing through the passage formed in the second separator permeates the solid polymer membrane and humidifies the unreacted gas flowing in the unreacted passage of the first separator. ,
A fuel cell system.
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The reaction passage has a serpentine shape,
The fuel cell system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The reaction passage is straight.
The fuel cell system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The already-reacted gas that has flowed through the reaction path of the first separator flows through the path of the second separator through the hole formed in the solid polymer film.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The already-reacted gas that has flowed through the reaction path of the first separator flows through the path of the second separator through the path formed on the outer periphery of the first separator.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記第1セパレータの反応通路を流れた既反応ガスは、前記エンドプレートに形成された通路を通って、前記第2セパレータの通路を流れる、
ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の燃料電池システム。 An end plate disposed outside the first separator and having a passage formed therein;
The already reacted gas that has flowed through the reaction passage of the first separator flows through the passage of the second separator through the passage formed in the end plate.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A three-way valve that causes the already-reacted gas that has flowed through the reaction passage of the first separator to flow into the passage of the second separator or the exhaust manifold;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
ことを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The portion of the solid polymer membrane that is permeable to water is thinner than other portions of the solid polymer membrane,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein
ことを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The portion of the solid polymer membrane that transmits water is formed of a porous body.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein
ことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。 The porous body is subjected to a hydrophilic treatment on the second separator side and a water repellent treatment on the first separator side.
The fuel cell system according to claim 8.
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JP2011076817A (en) * | 2009-09-30 | 2011-04-14 | Hitachi Ltd | Fuel battery with water vapor exchange section using mea |
JP2017511581A (en) * | 2014-04-07 | 2017-04-20 | フオルクスワーゲン・アクチエンゲゼルシヤフトVolkswagen Aktiengesellschaft | Bipolar plate and fuel cell |
-
2005
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