JP2007048546A - Fuel cell device - Google Patents

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Koichi Shiraishi
剛一 白石
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Equos Research Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent water from remaining in a separator of a fuel cell and thereby prevent freezing of the remaining water in a cold district. <P>SOLUTION: The fuel cell device which is provided with a water supply device for supplying water to an air supply system of the fuel cell has a surface tension conditioned water which has a smaller surface tension than a pure water by being added with a surface tension conditioner into water. This surface tension conditioned water easily leaks into the surface of a separator. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池装置に関する。更に詳しくは、燃料電池の空気極における水詰まりを防止する技術の改良に関する。   The present invention relates to a fuel cell device. More specifically, the present invention relates to an improvement in technology for preventing water clogging at the air electrode of a fuel cell.

燃料電池の単位セルは、高分子固体電解質膜を空気極と水素極で挟持した構成である。空気極及び水素極はともに触媒を含む反応層とガス拡散層を電解質膜側から順次積層してなる。空気極及び水素極の外側にはガス流路を設けたセパレータが積層される。セパレータからみると、当該セパレータの一面側に一つの燃料電池単位セルの空気極が対向し、他面側に他の燃料電池単位セルの水素極が対向する。このセパレータはガス(空気、水素ガス)の透過を防止するとともに単位セルで発生された電流を集電し、外部へ取り出す。
かかる空気極へ空気を供給する空気供給系においては、燃料電池の湿潤状態を維持し及び/又は燃料電池の冷却をするために水が供給される。
A unit cell of a fuel cell has a configuration in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an air electrode and a hydrogen electrode. Both the air electrode and the hydrogen electrode are formed by sequentially laminating a reaction layer containing a catalyst and a gas diffusion layer from the electrolyte membrane side. A separator provided with a gas flow path is stacked outside the air electrode and the hydrogen electrode. When viewed from the separator, the air electrode of one fuel cell unit cell faces one surface side of the separator, and the hydrogen electrode of another fuel cell unit cell faces the other surface side. This separator prevents the permeation of gas (air, hydrogen gas) and collects the current generated in the unit cell and takes it out.
In such an air supply system that supplies air to the air electrode, water is supplied to maintain the wet state of the fuel cell and / or to cool the fuel cell.

空気供給系に供給された水や燃料電池の反応に伴い生成される生成水がセパレータの空気流路に残留してこれを閉塞することがあった。空気流路が閉塞されると、空気極の全体へ空気がいき渡らなくなるので、発電能力が低下したり、発電が不安定になったりするおそれがある。
また、セパレータの空気流路に水が残留すると、運転停止後の燃料電池が氷点下環境におかれたとき、当該残留水が凍結するおそれがある。凍結により体積が膨張した残留水により燃料電池に不測の機械的ストレスが加わったり、空気流路を閉塞して起動できなくなったりするおそれがある。
以上より、残留水は速やかに除去する必要がある、
In some cases, water supplied to the air supply system or generated water generated by the reaction of the fuel cell remains in the air flow path of the separator and is blocked. When the air flow path is blocked, air does not spread over the entire air electrode, which may reduce the power generation capacity or make power generation unstable.
Further, if water remains in the air flow path of the separator, the residual water may freeze when the fuel cell after operation is stopped is placed in a sub-freezing environment. Residual water whose volume has expanded due to freezing may cause unexpected mechanical stress on the fuel cell, or the air flow path may be blocked and cannot be activated.
From the above, it is necessary to remove residual water promptly.

残留水を除去するために、従来ではセパレータにおける空気流路の形成面(以下、この明細書では単に「セパレータ表面」ということがある。)に表面処理を施してきた。例えば特許文献1に記載の燃料電池装置ではセパレータの表面を撥水化し、当該表面に水が付着することを防止し、もって当該空気流路に水が残留することを防止している。
また、特許文献2及び3に記載の燃料電池装置ではセパレータの表面を親水化し、当該表面に伝って水を流れやすくしている。特許文献3で開示されるように水を空気極へ直接噴霧するいわゆる水直噴タイプの燃料電池では、セパレータの表面が親水化されることにより、セパレータ表面に対して水が濡れやすくなり、その蒸発が加速されて冷却効果が向上する。
In order to remove residual water, conventionally, a surface treatment has been applied to the formation surface of the air flow path in the separator (hereinafter sometimes simply referred to as “separator surface” in this specification). For example, in the fuel cell device described in Patent Document 1, the surface of the separator is made water-repellent to prevent water from adhering to the surface, thereby preventing water from remaining in the air flow path.
In the fuel cell devices described in Patent Documents 2 and 3, the surface of the separator is made hydrophilic so that water can easily flow along the surface. In the so-called water direct injection type fuel cell in which water is directly sprayed onto the air electrode as disclosed in Patent Document 3, the surface of the separator is hydrophilized so that the water is easily wetted with respect to the separator surface. Evaporation is accelerated and the cooling effect is improved.

特開2002−216786号公報JP 2002-216786 A 特開2001−93539号公報JP 2001-93539 A 特開2003−123794号公報JP 2003-123794 A

しかしながら、セパレータの空気流路の形成面を表面処理して空気流路での水の残留を防止する方法では、空気流路の形成面に不純物が付着するなどの原因により、当該表面の撥水性若しくは親水性が次第に低下するおそれがある。
換言すれば、セパレータにおける空気流路に水が残留することを防止する従来技術では、耐久性の点に課題があった。
However, in the method of surface treatment of the air flow path forming surface of the separator to prevent water from remaining in the air flow path, the water repellency of the surface is caused due to impurities adhering to the air flow path forming surface. Or there exists a possibility that hydrophilicity may fall gradually.
In other words, the conventional technique for preventing water from remaining in the air flow path in the separator has a problem in durability.

本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、空気供給系へ導入する水自体の表面張力を調整すれば、たとえセパレータの表面状態が劣化したとしても、水が空気流路に残留することを常に防止できることに気がつき、この発明を完成するに至った。
即ち、燃料電池の空気供給系へ水を供給する水供給装置が備えられる燃料電池装置において、
前記水へ表面張力調整剤が加えられて純水より表面張力の小さい表面張力調整水が形成されている、ことを特徴とする燃料電池装置。
このように構成された燃料電池装置によれば、表面張力調整水の表面張力が小さくなるので、これがセパレータ表面へ濡れやすくなる。よって、当該表面張力調整水はセパレータ表面に沿って流れ易く、空気流路に残留することがない。また、寒冷地で使用される場合にも残留水の凍結がないので、燃料電池装置の起動が速やかになる(機動性の向上)。また、セパレータ表面での蒸発が促進され、冷却効率が向上する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has adjusted the surface tension of the water itself introduced into the air supply system. Recognizing that it can always be prevented from remaining in the water, the present invention has been completed.
That is, in a fuel cell device provided with a water supply device for supplying water to the air supply system of the fuel cell,
A fuel cell apparatus, wherein a surface tension adjusting agent is added to the water to form surface tension adjusting water having a surface tension smaller than that of pure water.
According to the fuel cell device configured as described above, the surface tension adjustment water has a small surface tension, which easily wets the separator surface. Therefore, the surface tension adjusting water easily flows along the separator surface and does not remain in the air flow path. Further, even when used in a cold region, there is no freezing of residual water, so that the fuel cell device starts up quickly (improved mobility). Further, evaporation on the separator surface is promoted, and cooling efficiency is improved.

この発明の第2の局面の燃料電池装置は次のように規定される。即ち、
既述の第1の局面の燃料電池装置において、前記表面張力調整水の表面張力が次の条件、
γg<γl<γs
ここに、γgは前記燃料電池の空気極側のガス拡散層の臨界表面張力、γlは前記表面張力調整水の表面張力、γsは前記空気極側のセパレータの臨界表面張力、
を満足する。
このように構成された燃料電池装置によれば、表面張力調整水の表面張力γlをガス拡散層の臨界表面張力γgよりも大きくすることにより、拡散層に対して表面張力調整水がぬれ難くなり、もってガス拡散層が表面張力調整水で目詰まりすることが防止される。これにより、反応層への十分なガスの供給が確保され、燃料電池の出力が安定化する。
また、表面張力調整水の表面張力γlをセパレータ(より詳しくは、セパレータの空気流路形成面)の臨界表面張力γsより小さくすることにより、セパレータに表面張力調整水が濡れやすくなる。もって表面張力調整水は当該セパレータ表面に沿って流れやすくなり、空気流路に残留しなくなる。よって、寒冷地での機動性が向上する。また、表面張力調整水がセパレータ表面の全体に行渡るので、その蒸発が促進され、燃料電池の冷却能力が向上する。
The fuel cell device according to the second aspect of the present invention is defined as follows. That is,
In the fuel cell device according to the first aspect described above, the surface tension adjustment water has a surface tension as follows:
γg <γl <γs
Where γg is the critical surface tension of the gas diffusion layer on the air electrode side of the fuel cell, γl is the surface tension of the surface tension adjusting water, γs is the critical surface tension of the separator on the air electrode side,
Satisfied.
According to the fuel cell device configured as described above, the surface tension adjusting water is less likely to wet the diffusion layer by making the surface tension γl of the surface tension adjusting water larger than the critical surface tension γg of the gas diffusion layer. This prevents the gas diffusion layer from being clogged with the surface tension adjusting water. Thereby, sufficient gas supply to the reaction layer is ensured, and the output of the fuel cell is stabilized.
Further, by making the surface tension γl of the surface tension adjusting water smaller than the critical surface tension γs of the separator (more specifically, the air flow path forming surface of the separator), the surface tension adjusting water is easily wetted by the separator. Accordingly, the surface tension adjusting water easily flows along the separator surface and does not remain in the air flow path. Therefore, mobility in a cold region is improved. Further, since the surface tension adjusting water is distributed over the entire separator surface, the evaporation is promoted and the cooling capacity of the fuel cell is improved.

この発明の第3の局面の燃料電池装置は次のように規定される。即ち、
既述の第1又は第2の局面の燃料電池において、前記表面張力調整剤は界面活性剤からなる。
このように界面活性剤を表面張力調整剤として使用することにより、界面活性剤は安価であるため、燃料電池装置の製造コストの上昇を抑えることができる。
The fuel cell device according to the third aspect of the present invention is defined as follows. That is,
In the fuel cell according to the first or second aspect described above, the surface tension adjusting agent is made of a surfactant.
By using the surfactant as the surface tension adjusting agent in this way, the surfactant is inexpensive, and therefore an increase in the manufacturing cost of the fuel cell device can be suppressed.

この発明の第4の局面の燃料電池装置は次のように規定される。即ち、
既述の第1〜第3のいずれかの局面の燃料電池装置において、前記水供給装置は前記表面張力調整水の貯蔵部、前記表面張力調整水の表面張力を測定する表面張力測定装置、前記表面張力調整剤の貯蔵部、該表面張力調整剤貯蔵部から前記表面張力調整水貯蔵部へ供給する前記表面張力調整剤の供給量を調整する装置と、を備えている。
燃料電池にかかる負荷に応じて生成水の生成量及び排気温度が変化する。その結果、回収される表面張力調整水の水分量に変化が生じるおそれがある。そこで、この局面の燃料電池装置では、表面張力調整水の表面張力を測定し、その結果に応じて表面張力調整剤の配合量を調整して表面張力調整水の表面張力を所望の範囲に保つことができる。
The fuel cell device according to the fourth aspect of the present invention is defined as follows. That is,
In the fuel cell device according to any one of the first to third aspects described above, the water supply device is a storage unit for the surface tension adjustment water, a surface tension measurement device for measuring the surface tension of the surface tension adjustment water, A surface tension adjusting agent storage unit, and a device for adjusting a supply amount of the surface tension adjusting agent supplied from the surface tension adjusting agent storage unit to the surface tension adjusting water storage unit.
The amount of generated water and the exhaust temperature change according to the load applied to the fuel cell. As a result, there is a possibility that a change occurs in the water content of the recovered surface tension adjustment water. Therefore, in the fuel cell device of this aspect, the surface tension adjustment water surface tension is measured, and the amount of the surface tension adjustment agent is adjusted according to the result, so that the surface tension adjustment water surface tension is maintained within a desired range. be able to.

この発明の第5の局面の燃料電池装置は次のように規定される。即ち、
既述の第1〜第4の局面の燃料電池装置において、前記水供給装置は燃料電池の空気極へ前記表面張力調整水を噴霧する。
この局面では、燃料電池装置がいわゆる直噴タイプであることを規定している。直噴タイプの燃料電池装置では、多量の水(この発明では表面張力調整水)が燃料電池の空気極に送り込まれるので、その表面張力を適切に調整することにより、水の残留が防止され、もって寒冷地での起動性が向上する。また、セパレータにおける水分の蒸発が加速されて、燃料電池の冷却効率が向上する。
The fuel cell device according to the fifth aspect of the present invention is defined as follows. That is,
In the fuel cell device according to the first to fourth aspects described above, the water supply device sprays the surface tension adjusting water onto the air electrode of the fuel cell.
In this aspect, the fuel cell device is defined as a so-called direct injection type. In the direct injection type fuel cell device, a large amount of water (surface tension adjustment water in this invention) is sent to the air electrode of the fuel cell, so that the residual water is prevented by appropriately adjusting the surface tension, This improves the startability in cold regions. Further, the evaporation of moisture in the separator is accelerated, and the cooling efficiency of the fuel cell is improved.

以下、この発明を構成する各要素について説明する。
(燃料電池装置)
燃料電池装置は燃料電池を中心として、燃料電池の空気極へ空気を供給する空気供給系、その水素極へ水素を供給する水素供給系を備えている。その外、燃料電池の温度を調整するための冷却装置、生成した電力を蓄積する二次電池やキャパシタ等の補機が任意に備えられる。
Hereafter, each element which comprises this invention is demonstrated.
(Fuel cell device)
The fuel cell device is provided with an air supply system for supplying air to the air electrode of the fuel cell, and a hydrogen supply system for supplying hydrogen to the hydrogen electrode, with the fuel cell as the center. In addition, an auxiliary device such as a cooling device for adjusting the temperature of the fuel cell and a secondary battery or a capacitor for accumulating the generated electric power is optionally provided.

(水供給装置)
この発明の水供給装置は燃料電池装置の空気供給系へ表面張力調整水を供給する。供給の態様は特に限定されない。いわゆる水直噴タイプのように燃料電池の空気極へ表面張力調整水を直接噴霧することにより、燃料電池の湿潤状態維持と燃料電池の加熱防止を企図するものの他、超音波震動や加熱により表面張力調整水を霧化して空気供給系へ導入するタイプを採用することができる。
水供給装置の基本的構成要素として、表面張力調整水の貯蔵部、空気供給系へ表面張力調整水を導入する導入部、表面張力調整水を回収する回収部を備える。これらの要素は汎用的な水供給装置のものをそのまま使用することができる。
(Water supply device)
The water supply device of the present invention supplies surface tension adjustment water to the air supply system of the fuel cell device. The supply mode is not particularly limited. The surface tension adjustment water is sprayed directly onto the air electrode of the fuel cell as in the so-called water direct injection type in order to maintain the wet state of the fuel cell and prevent the fuel cell from being heated. A type in which tension adjusting water is atomized and introduced into the air supply system can be adopted.
As basic constituent elements of the water supply device, a storage unit for surface tension adjustment water, an introduction unit for introducing the surface tension adjustment water into the air supply system, and a recovery unit for collecting the surface tension adjustment water are provided. As these elements, those of a general-purpose water supply device can be used as they are.

この発明では、表面張力調整水の表面張力γlを所望の範囲(γg<γl<γs)に維持することが好ましい。そこで、表面張力調整水の表面張力を常にモニタすることが好ましい。表面張力のモニタの方法としては、表面張力調整水の表面張力を直接測定することのほか、表面張力調整水の比重や透明度からその表面張力を間接的に特定することができる。即ち、予め表面張力調整剤を定めておけば、表面張力調整水における表面張力調整剤の配合割合に応じて、その表面張力と比重若しくは透明度とが一対一の関係に関係付けられるからである。
表面張力調整水の表面張力のモニタ結果に応じて、これが所定の範囲に常に収まるように、表面張力調整剤の供給が調整される。若しくは、水の回収が調整される。
In this invention, it is preferable to maintain the surface tension γl of the surface tension adjusting water within a desired range (γg <γl <γs). Therefore, it is preferable to always monitor the surface tension of the surface tension adjusting water. As a method of monitoring the surface tension, in addition to directly measuring the surface tension of the surface tension adjusting water, the surface tension can be indirectly specified from the specific gravity and transparency of the surface tension adjusting water. That is, if the surface tension adjusting agent is determined in advance, the surface tension and the specific gravity or transparency are related to each other in a one-to-one relationship according to the blending ratio of the surface tension adjusting agent in the surface tension adjusting water.
In accordance with the monitor result of the surface tension of the surface tension adjusting water, the supply of the surface tension adjusting agent is adjusted so that it always falls within a predetermined range. Alternatively, water recovery is adjusted.

(表面張力調整剤)
表面張力調整剤は水に添加されてその表面張力を低減させるものであれば特に限定されるものではない。本発明者の検討によればエタノール、プロパノール、エチレングリコールやプロピレングリコール、グリセリンなどを含むアルコール類やイオン性界面活性剤や非イオン性界面活性剤。望ましくは、非イオン性界面活性剤であるフッ素系界面活性剤(例えば、住友3M社、商品名;ノベック)を挙げることができる。
表面張力調整剤はこれを回収する見地から、水と同等若しくはそれ以上の沸点を有するものが好ましい。これにより、沸点が高いほど蒸気圧が低く、空気排出系に備えられていた従来の凝縮器をそのまま用いて表面張力調整剤を含んだ表面張力調整水を回収可能となる。また、空気極の反応層等に対する安定性(非腐食性)も備えることが好ましい。
(Surface tension regulator)
The surface tension adjusting agent is not particularly limited as long as it is added to water to reduce the surface tension. According to the study of the present inventors, alcohols, ionic surfactants and nonionic surfactants containing ethanol, propanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin and the like. Desirably, a fluorine-type surfactant which is a nonionic surfactant (for example, Sumitomo 3M, a brand name; Novec) can be mentioned.
From the viewpoint of recovering the surface tension adjusting agent, those having a boiling point equal to or higher than that of water are preferable. As a result, the higher the boiling point, the lower the vapor pressure, and the surface tension adjusting water containing the surface tension adjusting agent can be recovered using the conventional condenser provided in the air discharge system as it is. It is also preferable to provide stability (non-corrosive) to the reaction layer of the air electrode.

以下、この発明の実施例について説明する。
図1は実施例の燃料電池装置1の概略構成を示す。図1に示すように、この燃料電池装置1は燃料電池本体部としての燃料電池スタック10、水供給系20、水素ガス供給系40、空気供給系70、並びに出力系80から概略構成される。
Examples of the present invention will be described below.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell device 1 of an embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell device 1 is generally composed of a fuel cell stack 10 as a fuel cell main body, a water supply system 20, a hydrogen gas supply system 40, an air supply system 70, and an output system 80.

まず、燃料電池スタック10について説明する。燃料電池単位セルの単位ユニットは空気極と燃料極とで固体高分子電解質膜を狭持した構成である。単位ユニットは、図2に示すように、電解質膜1を酸素極2と水素極3とで挟持した構成である。酸素極2は反応層2aにガス拡散層3aを積層したものである。セパレータ5において当該酸素極2に対向する面には空気流路が設けられ、当該空気流路へ流れ込んだ空気の一部がガス拡散層3aを拡散して反応層2aへ達して燃料電池反応に寄与する。同様に、水素極3も反応層3aにガス拡散層3bを積層したものである。セパレータ5において当該水素極3に対向する面には水素流路が設けられ、当該水素流路へ流れ込んだ水素の一部がガス拡散層3bを拡散して反応層2bへ達する。
単位ユニットとセパレータとを交互に複数枚積層して燃料電池スタックが構成される。
燃料電池スタック10の上方には空気マニホールド11が形成されている。空気マニホールド11にはノズル29が取り付けられており、このノズル29から表面張力調整水が噴出される。ノズル29から直接噴射された表面張力調整水は燃料電池単位セルの空気流路の全面へ供給され、電解質膜の加湿と燃料電池本体部の冷却に利用される。
First, the fuel cell stack 10 will be described. The unit unit of the fuel cell unit cell has a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode. The unit unit has a configuration in which the electrolyte membrane 1 is sandwiched between an oxygen electrode 2 and a hydrogen electrode 3 as shown in FIG. The oxygen electrode 2 is obtained by laminating a gas diffusion layer 3a on a reaction layer 2a. An air flow path is provided on the surface of the separator 5 that faces the oxygen electrode 2, and a part of the air flowing into the air flow path diffuses through the gas diffusion layer 3 a to reach the reaction layer 2 a for the fuel cell reaction. Contribute. Similarly, the hydrogen electrode 3 is obtained by laminating a gas diffusion layer 3b on the reaction layer 3a. A hydrogen channel is provided on the surface of the separator 5 facing the hydrogen electrode 3, and a part of the hydrogen flowing into the hydrogen channel diffuses in the gas diffusion layer 3b and reaches the reaction layer 2b.
A fuel cell stack is formed by alternately stacking a plurality of unit units and separators.
An air manifold 11 is formed above the fuel cell stack 10. A nozzle 29 is attached to the air manifold 11, and surface tension adjusting water is ejected from the nozzle 29. The surface tension adjustment water directly injected from the nozzle 29 is supplied to the entire surface of the air flow path of the fuel cell unit cell, and is used for humidifying the electrolyte membrane and cooling the fuel cell main body.

表面張力調整水21はタンク22の水へ界面活性剤を添加することにより形成される。
この実施例では、図3に示すように、表面張力調整水21の表面張力γlが表面張力センサ103により常にモニタされる(ステップ1)。当該表面張力γlと燃料電池の空気極側のガス拡散層の臨界表面張力γgとが比較され(ステップ3)、γg<γlの関係を満足しないとき(即ちγlがγg以下のとき)、ポンプ101を止めて界面活性剤の供給を停止する(ステップ5)。ここに、凝縮水には生成水が含まれるので、結果的に表面張力調整水21に占める水の割合が大きくなって、表面張力γlが増大する。
The surface tension adjusting water 21 is formed by adding a surfactant to the water in the tank 22.
In this embodiment, as shown in FIG. 3, the surface tension γl of the surface tension adjusting water 21 is constantly monitored by the surface tension sensor 103 (step 1). The surface tension γl and the critical surface tension γg of the gas diffusion layer on the air electrode side of the fuel cell are compared (step 3). When the relationship of γg <γl is not satisfied (that is, when γl is γg or less), the pump 101 And the supply of the surfactant is stopped (step 5). Here, since the condensed water contains the generated water, as a result, the proportion of the water in the surface tension adjusting water 21 increases and the surface tension γl increases.

ステップ7では表面張力調整水21の表面張力γlと空気極側のセパレータの臨界表面張力γsとが比較され(ステップ7)、γl<γsの関係を満足しないとき(γlがγs以上になるとき)、表面張力調整水の表面張力γsが小さくなりすぎたと判断し、ポンプ101が作動してタンク100内の表面張力調整剤21をタンク22へ供給し、表面張力調整水21における界面活性剤の割合を高め、もってその表面張力γlを低減させる。更には、凝縮水回収ポンプ38を停止し回収調整弁39を閉じて凝縮水の回収をとめることによっても、タンク22内における表面張力調整剤の割合を高めることができる。
上記の操作は、水供給系20が動作している間続けられる(ステップ11)。ポンプ101による界面活性剤の供給速度は一定であっても、上記ステップ1〜ステップ9を繰り返すことにより、表面張力調整水21の表面張力γlを、常にγg<γl<γsの関係に維持することができる。
In step 7, the surface tension γl of the surface tension adjusting water 21 is compared with the critical surface tension γs of the separator on the air electrode side (step 7), and when the relationship of γl <γs is not satisfied (when γl becomes γs or more). Then, it is determined that the surface tension γs of the surface tension adjusting water has become too small, the pump 101 is operated to supply the surface tension adjusting agent 21 in the tank 100 to the tank 22, and the ratio of the surfactant in the surface tension adjusting water 21 And thus the surface tension γl is reduced. Furthermore, the ratio of the surface tension adjusting agent in the tank 22 can also be increased by stopping the condensed water recovery pump 38 and closing the recovery adjustment valve 39 to stop the recovery of the condensed water.
The above operation is continued while the water supply system 20 is operating (step 11). Even if the supply rate of the surfactant by the pump 101 is constant, the surface tension γl of the surface tension adjusting water 21 is always maintained in the relationship of γg <γl <γs by repeating the above steps 1 to 9. Can do.

実施例の水供給系20では、タンク22から配管部30が、フィルタ26、直噴水ポンプ27、直噴水供給電磁弁28を介して、ノズル29まで連結されている。タンク22から直噴水ポンプ27により吸い上げられた表面張力調整水は直噴水供給電磁弁28により所望の水圧に調節され、ノズル29から吹き出して空気マニホールド11内では霧状になる。そして吹き出し時の運動量(初速)、霧の自重および空気流等によって燃料電池スタックを構成する燃料電池単位セルの上部開口から空気流路に入る。この空気流路内で蒸気化されて空気極へ供給されたものを除き、表面張力調整水は燃料電池スタック10の下流側に設けられた凝縮器36において回収され、凝縮水回収ポンプ38によりタンク22へ戻される。   In the water supply system 20 of the embodiment, a piping unit 30 is connected from a tank 22 to a nozzle 29 via a filter 26, a direct fountain water pump 27, and a direct fountain water supply electromagnetic valve 28. The surface tension adjustment water sucked up from the tank 22 by the direct fountain water pump 27 is adjusted to a desired water pressure by the direct fountain water supply electromagnetic valve 28, blown out from the nozzle 29, and becomes mist in the air manifold 11. Then, the air flow path is entered from the upper opening of the fuel cell unit cell constituting the fuel cell stack by the momentum (initial speed) at the time of blowing, the weight of the mist, the air flow, and the like. Except for what is vaporized in this air flow path and supplied to the air electrode, the surface tension adjustment water is recovered in a condenser 36 provided on the downstream side of the fuel cell stack 10 and is stored in a tank by a condensed water recovery pump 38. Return to 22.

ここに、空気マニホールドへ供給された表面張力調整水は空気とともに燃料電池スタック10を構成する各単位セルの空気極側セパレータの空気流路を通過する。このとき、表面張力調整水は純水よりその表面張力が小さくされているので、セパレータの表面(空気流路の表面)に濡れやすい。よって、表面張力調整水はセパレータの表面に沿って流れやすく、空気流路に残留することがない。また、セパレータ表面からの蒸発が促進されて燃料電池スタックに対する冷却効果が向上する。   Here, the surface tension adjustment water supplied to the air manifold passes through the air flow path of the air electrode side separator of each unit cell constituting the fuel cell stack 10 together with the air. At this time, since the surface tension adjusting water has a surface tension smaller than that of pure water, the surface tension adjusting water easily gets wet on the surface of the separator (the surface of the air flow path). Accordingly, the surface tension adjusting water easily flows along the surface of the separator and does not remain in the air flow path. Further, the evaporation from the separator surface is promoted, and the cooling effect on the fuel cell stack is improved.

タンク22には水温度センサ24、タンク水位センサ25及びヒータ23が設けられている。符号37はフィルタであり、外部からの異物(塵埃、虫など)の混入を防止する。
ノズル29は空気流路入口へ向けて直接水を噴射することが好ましい。これにより空気供給量の如何に拘わらず、所望の量の表面張力調整水を空気流路に供給することができる。即ち、空気の供給量と表面張力調整水の供給量とを独立して制御可能となる。空気供給量の変更と表面張力調整水供給量の変更とは常に同時に要求されるわけではなく、独立してそれらの変更が必要となる場合がある。
The tank 22 is provided with a water temperature sensor 24, a tank water level sensor 25, and a heater 23. Reference numeral 37 denotes a filter that prevents foreign substances (dust, insects, etc.) from entering from the outside.
The nozzle 29 preferably jets water directly toward the air flow path inlet. Accordingly, a desired amount of surface tension adjustment water can be supplied to the air flow path regardless of the air supply amount. That is, the supply amount of air and the supply amount of surface tension adjustment water can be controlled independently. The change in the air supply amount and the change in the surface tension adjustment water supply amount are not always required at the same time, and they may be required independently.

符号100は表面張力調整剤としての界面活性剤を貯蔵する。貯蔵された界面活性剤はポンプ101によりタンク22内に供給さる。界面活性剤が加えられた水、即ち表面張力調整水の表面張力がセンサ103で直接的に測定される。制御装置90は得られた表面張力調整水の張力に基づき、ポンプ101を動作させて水タンク22へ供給する表面張力調整剤の量を制御する。また、水分量が過多になることとなった場合を想定して、回収調整弁39により回収水が水タンクへ供給されることを防止する。   Reference numeral 100 stores a surfactant as a surface tension adjusting agent. The stored surfactant is supplied into the tank 22 by the pump 101. The surface tension of the water to which the surfactant is added, that is, the surface tension adjusting water is directly measured by the sensor 103. The controller 90 controls the amount of the surface tension adjusting agent supplied to the water tank 22 by operating the pump 101 based on the tension of the surface tension adjusting water obtained. In addition, assuming that the amount of water becomes excessive, the recovery adjustment valve 39 prevents the recovered water from being supplied to the water tank.

次に水素ガス供給系40について説明する。水素ガス供給系40の水素供給装置として、この実施例では水素貯蔵タンク41を採用した。その他、液体水素の水素ボンベ、水/メタノール混合液等の改質材料を改質器にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成させ、この改質ガスをタンクに貯留しておいてこれを水素源とすることもできる。
水素貯蔵タンク41の水素ガスは水素ガス配管43を介して燃料電池スタック10へ供給される。水素ガス配管43に水素1次圧センサ46、水素調圧弁47、水素供給電磁弁48、水素2次圧センサ49が付設されて燃料電池スタック10への供給量が制御される。水素貯蔵タンク41へは水素充填口45を介して外部から水素が補充される。
Next, the hydrogen gas supply system 40 will be described. In this embodiment, a hydrogen storage tank 41 is employed as the hydrogen supply device of the hydrogen gas supply system 40. In addition, a reforming material such as a liquid hydrogen hydrogen cylinder or a water / methanol mixture is reformed in a reformer to generate a hydrogen-rich reformed gas, and the reformed gas is stored in a tank. It can be used as a hydrogen source.
Hydrogen gas in the hydrogen storage tank 41 is supplied to the fuel cell stack 10 via a hydrogen gas pipe 43. A hydrogen primary pressure sensor 46, a hydrogen pressure regulating valve 47, a hydrogen supply electromagnetic valve 48, and a hydrogen secondary pressure sensor 49 are attached to the hydrogen gas pipe 43 to control the supply amount to the fuel cell stack 10. Hydrogen is supplied to the hydrogen storage tank 41 from the outside through a hydrogen filling port 45.

燃料電池スタック10へ供給された水素ガスはそのすべてが消費されるわけではないので、燃料電池スタック10から排出されたガスを循環系50により循環使用する。循環系50は循環ポンプ51と循環電磁弁53とを備えている。トラップ54は燃料電池スタック10からの水を捕捉し、これが循環系50及び水素ガス供給系40へ侵入しないようにする。循環電磁弁53は循環系50の流量調整をしている。排気電磁弁67は水素ガスを排気するときに解放される(減圧電磁弁65は水素ガスを急速に排気するときに併用される)。減圧電磁弁65及び排気電磁弁67からの排気は空気供給系70の排気へ混合される。水素ガス排気中に含まれる水素ガス成分を希釈するためである。
外気導入電磁弁63は燃料電池スタック10の停止後に開かれて、水素ガス供給系から水素ガスを外気によりパージする。なお、符号61は外気からの異物侵入を防止するフィルタである。
Since all of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 10 is not consumed, the gas discharged from the fuel cell stack 10 is circulated and used by the circulation system 50. The circulation system 50 includes a circulation pump 51 and a circulation electromagnetic valve 53. The trap 54 captures water from the fuel cell stack 10 and prevents it from entering the circulation system 50 and the hydrogen gas supply system 40. The circulation electromagnetic valve 53 adjusts the flow rate of the circulation system 50. The exhaust solenoid valve 67 is released when the hydrogen gas is exhausted (the decompression solenoid valve 65 is used together when the hydrogen gas is exhausted rapidly). The exhaust from the pressure reducing solenoid valve 65 and the exhaust solenoid valve 67 is mixed with the exhaust of the air supply system 70. This is for diluting the hydrogen gas component contained in the hydrogen gas exhaust.
The outside air introduction electromagnetic valve 63 is opened after the fuel cell stack 10 is stopped, and purges hydrogen gas from the hydrogen gas supply system with outside air. Reference numeral 61 denotes a filter that prevents foreign matter from entering from outside air.

空気供給系70ではフィルタ71を介して空気ファン73により取り込んだ空気をヒータ75で所望の温度に昇温させる。符号76は外気温度センサ、符号77は燃料電池スタックにおける空気入口温度センサである。当該センサ77で検出された空気入口の空気温度が閾値を超えているときには、ヒータがオフに制御される。
低温環境で使用される燃料電池装置においては、導入する空気を加熱して燃料電池スタック10を構成する各燃料電池単位セルの空気流路へ導入することが好ましい。これにより、燃料電池スタック10が加熱されて生成水の凍結が防止され、低温状態にあった燃料電池スタック10において発電が可能となる。
In the air supply system 70, the air taken in by the air fan 73 via the filter 71 is raised to a desired temperature by the heater 75. Reference numeral 76 denotes an outside air temperature sensor, and reference numeral 77 denotes an air inlet temperature sensor in the fuel cell stack. When the air temperature at the air inlet detected by the sensor 77 exceeds the threshold value, the heater is controlled to be turned off.
In a fuel cell device used in a low-temperature environment, it is preferable that the air to be introduced is heated and introduced into the air flow path of each fuel cell unit cell constituting the fuel cell stack 10. As a result, the fuel cell stack 10 is heated to prevent the generated water from freezing, and power generation is possible in the fuel cell stack 10 in a low temperature state.

このように構成された燃料電池装置よれば、水と界面活性剤とを混合してなる表面張力調整水が空気とともに燃料電池の空気極側へ導入される。かかる表面張力調整水は純水よりも表面張力が小さいので、セパレータの表面に濡れやすくなる。その結果、表面張力調整水はセパレータの表面に沿って流れやすく、そこに残留することがない。また、セパレータの表面を広く濡らすことによりその蒸発が促進され、燃料電池に対する冷却効果が向上する。   According to the fuel cell device configured as described above, surface tension adjustment water obtained by mixing water and a surfactant is introduced into the air electrode side of the fuel cell together with air. Since the surface tension adjusting water has a surface tension smaller than that of pure water, the surface tension adjusting water easily wets the separator surface. As a result, the surface tension adjusting water easily flows along the surface of the separator and does not remain there. Further, when the surface of the separator is wetted widely, its evaporation is promoted, and the cooling effect on the fuel cell is improved.

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.

図1はこの発明の実施例の燃料電池装置の概略図構成である。FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell apparatus according to an embodiment of the present invention. 図2は燃料電池単位セルの構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell unit cell. 図3は他の実施例の燃料電池装置の動作を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the fuel cell device of another embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池装置
10 燃料電池スタック
20 水供給系
21 表面張力調整水
22 表面張力調整水のタンク
100 表面張力調整剤のタンク
103 表面張力センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell apparatus 10 Fuel cell stack 20 Water supply system 21 Surface tension adjusting water 22 Surface tension adjusting water tank 100 Surface tension adjusting agent tank 103 Surface tension sensor

Claims (5)

燃料電池の空気供給系へ水を供給する水供給装置が備えられる燃料電池装置において、
前記水へ表面張力調整剤が加えられて純水よりも表面張力の小さい表面張力調整水が形成されている、ことを特徴とする燃料電池装置。
In a fuel cell device provided with a water supply device for supplying water to an air supply system of the fuel cell,
A fuel cell device, wherein a surface tension adjusting agent is added to the water to form surface tension adjusting water having a surface tension smaller than that of pure water.
前記表面張力調整水の表面張力が次の条件、
γg<γl<γs
ここに、γgは前記燃料電池の空気極側のガス拡散層の臨界表面張力、γlは前記表面張力調整水の表面張力、γsは前記空気極側のセパレータの臨界表面張力、
を満足する、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
The surface tension adjusting water has a surface tension as follows:
γg <γl <γs
Where γg is the critical surface tension of the gas diffusion layer on the air electrode side of the fuel cell, γl is the surface tension of the surface tension adjusting water, γs is the critical surface tension of the separator on the air electrode side,
The fuel cell device according to claim 1, wherein:
前記表面張力調整剤は界面活性剤からなる、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池装置。 The fuel cell device according to claim 1, wherein the surface tension adjusting agent is made of a surfactant. 前記水供給装置は前記表面張力調整水の貯蔵部、前記表面張力調整水の表面張力を測定する表面張力測定装置、前記表面張力調整剤の貯蔵部、該表面張力調整剤貯蔵部から前記表面張力調整水貯蔵部へ供給する前記表面張力調整剤の供給量を調整する装置と、を備えている、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池装置。 The water supply device includes a storage unit for the surface tension adjustment water, a surface tension measurement device for measuring a surface tension of the surface tension adjustment water, a storage unit for the surface tension adjustment agent, and a surface tension adjuster from the surface tension adjustment agent storage unit. The fuel cell apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising a device for adjusting a supply amount of the surface tension adjusting agent supplied to the adjusted water storage unit. 前記水供給装置は燃料電池の空気極へ前記表面張力調整水を噴霧する、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池装置。 5. The fuel cell device according to claim 1, wherein the water supply device sprays the surface tension adjustment water on an air electrode of the fuel cell.
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