JP2007059105A - Fuel cell stack equipped with switching means - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、開閉手段を設けた燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack provided with an opening / closing means.
燃料電池は、例えばアノードに水素のような燃料ガスと、カソードに空気のような酸化剤ガスとを供給して、電気化学反応を起こさせることによって電力を発生させる装置である。例えば、固体高分子形燃料電池(以下では「PEFC」とする)の単セルは、膜/電極接合体(MEA:Membrane−Electrode Assembly)、ガス拡散層、およびガス流路が形成されたセパレータを含む。このMEAは、固体高分子膜の両面に電極(アノードおよびカソード)を接合したものである。 A fuel cell is a device that generates electric power by supplying a fuel gas such as hydrogen to an anode and an oxidant gas such as air to a cathode to cause an electrochemical reaction. For example, a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) includes a separator having a membrane / electrode assembly (MEA), a gas diffusion layer, and a gas flow path. Including. In this MEA, electrodes (anode and cathode) are bonded to both surfaces of a solid polymer film.
燃料電池で大きな電力を発生させる場合には、燃料電池の単セルを複数直列に積層した燃料電池スタックを用いる。燃料電池スタックは、一般にはその両端からエンドプレート等を用いて、複数の単セルを圧迫することによって構成される。 When large electric power is generated by the fuel cell, a fuel cell stack in which a plurality of single cells of the fuel cell are stacked in series is used. The fuel cell stack is generally configured by pressing a plurality of single cells from both ends using end plates or the like.
燃料ガスに水素、酸化剤ガスに酸素を用いたPEFCの各電極における電気化学反応の一例をつぎに示す。 An example of the electrochemical reaction at each electrode of PEFC using hydrogen as the fuel gas and oxygen as the oxidant gas is shown below.
アノ−ド:H2→2H++2e−
カソ−ド:1/2O2+2H++2e−→H2O
全反応:H2+1/2O2→H2O
このような反応を効率よく進めるためには、PEFCのアノードおよびカソードに、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ均一に供給する必要がある。そのため、セパレータには燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すためのガス流路が形成されている。ガス流路とは、酸化剤ガス流路または燃料ガス流路の総称である。ガス流路は一般に、セパレータに形成された溝によって構成される。
Anod: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
Total reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
In order to advance such a reaction efficiently, it is necessary to uniformly supply fuel gas and oxidant gas to the anode and cathode of the PEFC. Therefore, a gas flow path for flowing fuel gas or oxidant gas is formed in the separator. The gas channel is a general term for an oxidant gas channel or a fuel gas channel. The gas flow path is generally constituted by a groove formed in the separator.
燃料電池スタックには、ガスまたは冷却水を各セルに分配するためのマニホールドが備えられている。燃料電池スタックに用いるセパレータにはマニホールドとして使用される貫通孔があり、それらの貫通孔が積層されてマニホールドを形成する。 The fuel cell stack is provided with a manifold for distributing gas or cooling water to each cell. A separator used in a fuel cell stack has through holes used as a manifold, and these through holes are stacked to form a manifold.
燃料電池スタックのマニホールドには、反応ガスに用いるためのガスマニホールドと、冷却水に用いる冷却水用マニホールドとがある。外部から導入した燃料ガスあるいは酸化剤ガスがガスマニホールドを通って各セルのガス流路に分配される。このガスマニホールドをガス供給マニホールドと呼ぶ。各セルのガス流路から排出されたガスは、別のガスマニホールドを通って外部に排出される。このガスマニホールドを反応ガス排出マニホールドと呼ぶ。ここで、ガス流路とは、燃料ガスまたは酸化剤ガスを反応場である電極に供給するための経路であり、電極に接している。 The manifold of the fuel cell stack includes a gas manifold for use as a reaction gas and a cooling water manifold for use as cooling water. Fuel gas or oxidant gas introduced from the outside is distributed to the gas flow path of each cell through the gas manifold. This gas manifold is called a gas supply manifold. The gas discharged from the gas flow path of each cell is discharged to the outside through another gas manifold. This gas manifold is called a reaction gas discharge manifold. Here, the gas flow path is a path for supplying fuel gas or oxidant gas to the electrode that is a reaction field, and is in contact with the electrode.
さらに、燃料電池スタックの温度制御および発生した熱の利用のために、各セル間または数セルごとに冷却水等の冷媒を流すための冷却水流路が形成されている。この冷却水流路は、そのセパレータのガス流路がある面とは反対側の面に形成されることが多い。 Further, in order to control the temperature of the fuel cell stack and use the generated heat, a cooling water flow path for flowing a coolant such as cooling water is formed between cells or every several cells. This cooling water channel is often formed on the surface opposite to the surface where the gas channel of the separator is located.
固体高分子形燃料電池において、反応ガス通路と排出ガス通路に開閉弁を設ける技術が特許文献1〜3に開示されている。
In a polymer electrolyte fuel cell,
本願の燃料電池スタックでは、冷却水用マニホールドについては発明の対象ではないため、議論しない。そこで、以下では、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとを合わせて、単に「マニホールド」と呼ぶことにする。 In the fuel cell stack of the present application, the cooling water manifold is not an object of the invention and will not be discussed. Therefore, hereinafter, the gas supply manifold and the gas discharge manifold are collectively referred to as a “manifold”.
特許文献1には、燃料電池の運転停止に反応ガスを不活性ガスで置換する際、両極間に大きな圧力差を生じるのを防止するため、反応ガス供給系に反応ガスの供給を開閉する第1開閉弁、余剰ガスを系外に放出する排気管に第2開閉弁、さらに不活性ガスの供給を開閉する第3開閉弁を設けることが記載され、特許文献2には、燃料電池内部で燃焼を起こした場合、燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を停止させるため、酸化剤ガス供給管路および燃料ガス供給管路に開閉弁を設けることが記載され、特許文献3には、排出側で回収した水を供給側での反応ガスの加湿に効率よく利用するため、三方弁21を設けたマニホールド1aと、三方弁22を設けたマニホールド1bと、三方弁21と三方弁22とをつなぐ第3の三方弁20とを備えることが記載されている。
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-26883 discloses a method of opening and closing the supply of a reaction gas to and from the reaction gas supply system in order to prevent a large pressure difference between both electrodes when the reaction gas is replaced with an inert gas when the fuel cell is stopped. 1 on-off valve, a second on-off valve in an exhaust pipe for releasing excess gas out of the system, and a third on-off valve for opening and closing the supply of inert gas are described. In order to stop the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell when combustion occurs, it is described that an open / close valve is provided in the oxidant gas supply line and the fuel gas supply line. In order to efficiently use the water collected on the discharge side for humidification of the reaction gas on the supply side, the
また、燃料電池スタックには、性能の向上のために、ガスの流れる方向を逆転する機能を備えたものがある。特許文献4には、改質ガスに含まれる一酸化炭素による触媒の被毒を解消するために、ガス流路を流れるガスの方向を逆転させる機能を備えた燃料電池が開示されている。 Some fuel cell stacks have a function of reversing the gas flow direction in order to improve performance. Patent Document 4 discloses a fuel cell having a function of reversing the direction of gas flowing in a gas flow path in order to eliminate poisoning of the catalyst by carbon monoxide contained in the reformed gas.
特許文献4の燃料電池発電システムでは、燃料電池本体には第1の燃料ガス給排口と第2の燃料ガス給排口が設けられ、第1および第2の燃料ガス給排口の外側には電磁式開閉バルブが2個づつ設けられ、この電磁式開閉バルブの開・閉の組み合わせで、燃料ガスを、第1の燃料ガス給排口から供給し、第2の燃料ガス給排口から排出する場合と、第2の燃料ガス給排口から供給し、第1の燃料ガス給排口から排出する場合とに切り換えるものである。 In the fuel cell power generation system of Patent Document 4, the fuel cell main body is provided with a first fuel gas supply / exhaust port and a second fuel gas supply / exhaust port, outside the first and second fuel gas supply / exhaust ports. There are two electromagnetic on-off valves, and the combination of opening and closing of the electromagnetic on-off valves supplies fuel gas from the first fuel gas supply / exhaust port, and from the second fuel gas supply / exhaust port. Switching between the case of discharging and the case of supplying from the second fuel gas supply / exhaust port and discharging from the first fuel gas supply / exhaust port are performed.
また、特許文献5では、燃料電池スタックの負荷変動にともなって発生するガス流量の少ない場合のフラッディング現象の抑制、およびガス流量の多い場合の圧力損失低減のために、ガス流路を切り替える機能を備えた燃料電池スタックが提案されている。 Further, Patent Document 5 has a function of switching the gas flow path in order to suppress the flooding phenomenon when the gas flow rate generated due to the load fluctuation of the fuel cell stack is small and to reduce the pressure loss when the gas flow rate is high. Proposed fuel cell stacks have been proposed.
特許文献5の燃料電池スタックでは、酸化剤ガス(空気)の供給または排出をおこなうための反応ガスマニホールドを3個設け、第1の反応ガスマニホールドを第1の外部ガス供給路に、第2の反応ガスマニホールドを第1の外部ガス排出路に、第3の反応ガスマニホールドを第2の外部ガス供給路および第2の外部ガス排出路にそれぞれ導通し、第1の外部ガス排出路、第2の外部ガス供給路および第2の外部ガス排出路にはそれぞれ開閉手段を備え、これらの開閉手段を開閉することによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通することができるものである。 In the fuel cell stack of Patent Document 5, three reaction gas manifolds for supplying or discharging the oxidant gas (air) are provided, the first reaction gas manifold is used as the first external gas supply path, The reaction gas manifold is connected to the first external gas discharge path, and the third reaction gas manifold is connected to the second external gas supply path and the second external gas discharge path, respectively. The external gas supply path and the second external gas discharge path are each provided with opening / closing means, and by opening and closing these opening / closing means, a plurality of gas supply / discharge paths can be conducted in series or in parallel. .
特許文献1に記載の開閉弁は、燃料電池の運転を停止する場合に、第1開閉弁を閉じ、第2開閉弁および第3開閉弁を開き、燃料電池内部の反応ガスを不活性ガスで置換するものである。
The on-off valve described in
特許文献2に記載の開閉弁は、固体高分子電解質中を燃料ガスと酸化剤ガスとがクロスオーバーしたり、ガスシール部から燃料ガスと酸化剤ガスとがリークするなどの原因で燃料電池内部で燃焼を起こした場合、酸化剤ガス供給管路および燃料ガス供給管路に設けられた開閉弁がともに閉となり、燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を停止させるものである。 The on-off valve described in Patent Document 2 has a fuel cell and oxidant gas crossover in the solid polymer electrolyte, and the fuel gas and oxidant gas leak from the gas seal part. When combustion occurs in this case, both the oxidant gas supply line and the on-off valves provided in the fuel gas supply line are closed, and the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell is stopped.
特許文献3では、3つの三方弁を切り換えることにより、三方弁20→三方弁21→マニホールド1a→燃料電池→マニホールド1b→三方弁22の順にガスを流す場合と、三方弁20→三方弁22→マニホールド1b→燃料電池→マニホールド1a→三方弁21の順にガスを流す場合とを切り換え、排出側で回収した水を供給側での反応ガスの加湿に効率よく利用するものである。
In Patent Document 3, by switching three three-way valves, gas flows in the order of three-
特許文献1〜3に記載の固体高分子形燃料電池では、ガス供給管やマニホールドに開閉弁や三方弁が設けられてはいるが、一つのガス供給管やマニホールドには一つの開閉弁や三方弁が設けられたもので、燃料電池を運転中にガスの流れを逆にしたり、ガス流量を変更するものではなかった。
In the polymer electrolyte fuel cells described in
酸化剤ガスおよび燃料ガスとして空気および改質ガスを用いた固定高分子形燃料電池スタックの運転中に、特許文献4に記載のように、ガス流路を流れるガスの方向を逆転させたり、または、特許文献5に記載のように、ガス流路を切り替えてガス流量を変更する操作を行うと、反応ガス排出路および反応ガス排出マニホールドの排出ガスが一時的にガス流路内に逆流する。 During operation of the fixed polymer fuel cell stack using air and reformed gas as the oxidant gas and fuel gas, as described in Patent Document 4, the direction of the gas flowing through the gas flow path is reversed, or As described in Patent Document 5, when an operation of changing the gas flow rate by switching the gas flow path is performed, the exhaust gas of the reaction gas discharge path and the reaction gas discharge manifold temporarily flows back into the gas flow path.
その結果、カソード側では酸化剤ガスの排出に用いる酸化剤ガスマニホールド内にある酸素濃度の低い空気がガス流路に供給され、アノード側では燃料ガスの排出に用いる燃料ガスマニホールドにある一酸化炭素濃度の高い燃料ガスがガス流路に供給されるので、セル電圧が一時的に低下するという問題が発生することがわかった。特に、反応ガスの利用率を高くした場合には、その電圧の低下が著しい。 As a result, on the cathode side, low oxygen concentration air in the oxidant gas manifold used for discharging the oxidant gas is supplied to the gas flow path, and on the anode side, carbon monoxide in the fuel gas manifold used for discharging the fuel gas. It has been found that since the fuel gas having a high concentration is supplied to the gas flow path, a problem that the cell voltage temporarily decreases occurs. In particular, when the utilization rate of the reaction gas is increased, the voltage drop is significant.
ガス流路を切り替える機能を備えた従来の固体高分子形燃料電池スタック(以下では「PEFCスタック」とする)の例を図9〜図11に示す。 Examples of conventional polymer electrolyte fuel cell stacks (hereinafter referred to as “PEFC stacks”) having a function of switching gas flow paths are shown in FIGS.
図9〜図11は従来のPEFCスタックの断面構造を示す模式図である。図9〜図11において、記号11aは第1のマニホールド、11bは第2のマニホールド、11cは第3のマニホールド、12aは第1のマニホールドに備えたガス供給路、12bは第2のマニホールドに備えたガス供給路、13bは第2のマニホールドに備えたガス排出路、13cは第3のマニホールドに備えたガス排出路、14bは第2のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段、15bは第2のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、15cは第3のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、16および17はガス流路、18は膜/電極接合体(MEA)、19はセパレータを示す。なお、ガス流路16に酸化剤ガスを流す場合にはガス流路17に燃料ガスを流し、ガス流路17に酸化剤ガスを流す場合にはガス流路16に燃料ガスを流すものである。なお、図10および図11において、ガスの流れの方向は矢印で示した。
9 to 11 are schematic views showing a cross-sectional structure of a conventional PEFC stack. 9 to 11, the
従来のPEFCスタックでは、図9に示すように、第2のマニホールド11bの一端に、開閉手段14bを設けたガス供給路12bおよび開閉手段15bを設けたガス排出路13bが備えられている。このPEFCスタックでは、開閉手段14b、15b、15cを操作して、図10のガスの流れの方向から、ガス流路を切り替えて、図11のガスの流れの方向にする際に、第2のマニホールド11bにおいて、第2のマニホールド11bに存在する排出ガスが、ガス供給路12bから供給されたガスと混合されて、ガス流路16に逆流するので、セル電圧が低下するという問題が発生した。
In the conventional PEFC stack, as shown in FIG. 9, a
そこで本発明の目的は、燃料電池スタックの運転中に、ガスの流れの方向を逆転させたり、ガス流路を切り替えてガス流量を変更した場合に、電圧低下が起こらない燃料電池スタックを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack in which a voltage drop does not occur when the direction of gas flow is reversed or the gas flow rate is changed by switching the gas flow path during operation of the fuel cell stack. There is.
請求項1の発明は、燃料電池スタックに関するもので、第1のマニホールドと、第2のマニホールドとを備え、前記第1と第2のマニホールドはそれぞれ、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路とを備えることを特徴とする。
The invention of
請求項2の発明は、燃料電池スタックに関するもので、ガス供給路を備えた第1のマニホールド、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路を備えた第2のマニホールドおよび開閉手段を設けたガス排出路を備えた第3のマニホールドを備えることを特徴とする。 The invention of claim 2 relates to a fuel cell stack, comprising a first manifold having a gas supply path, a gas supply path having an opening / closing means at one end, and a gas discharge path having an opening / closing means at the other end. A third manifold including a gas discharge path provided with a second manifold and an opening / closing means is provided.
請求項1の発明の燃料電池スタックでは、燃料電池スタックを運転中にガス流路を流れるガスの方向を逆転させる操作をする場合に、第1と第2のマニホールドに備えたガス供給路およびガス排出路の開閉手段をそれぞれ個別に開閉し、一時的にガス供給路およびガス排出路の両方を開いた状態にすることによって、ガス供給路から供給されたガスがガス流路を通らずにガス排出路に排出される経路が形成されるので、排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。 In the fuel cell stack according to the first aspect of the present invention, when the operation of reversing the direction of the gas flowing through the gas flow path is performed during operation of the fuel cell stack, the gas supply path and the gas provided in the first and second manifolds By opening and closing the discharge passage opening / closing means individually and temporarily opening both the gas supply passage and the gas discharge passage, the gas supplied from the gas supply passage is not passed through the gas passage. Since a discharge path is formed in the discharge path, it is possible to suppress a temporary cell voltage drop caused by the backflow of the exhaust gas.
具体的には、第1のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を開、ガス排出路の開閉手段を閉、第2のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を閉、ガス排出路の開閉手段を開として運転中に、まず、第2のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を開にし、つぎに、第1のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を閉とし、さらに、第1のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を開にし、同時に第2のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を閉とするものである。 Specifically, the gas supply path opening / closing means provided in the first manifold is opened, the gas discharge path opening / closing means is closed, the gas supply path opening / closing means provided in the second manifold is closed, and the gas discharge path opening / closing means is closed. During operation with the opening / closing means open, first, the opening / closing means of the gas supply path provided in the second manifold is opened, then the opening / closing means of the gas supply path provided in the first manifold is closed, The opening / closing means for the gas discharge path provided in the first manifold is opened, and at the same time, the opening / closing means for the gas discharge path provided in the second manifold is closed.
請求項2の発明の燃料電池スタックは、燃料電池スタックを運転中に負荷変動にしたがってガス流路を切り替える操作をする場合に、第2および第3のマニホールドに備えたガス供給路およびガス排出路の開閉手段をそれぞれ個別に開閉することにより、一時的にガス供給路から供給されたガスがガス流路を通らずにガス排出路に排出される経路が形成されるので、ガス流路を切り替える操作をする場合の排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。 A fuel cell stack according to a second aspect of the present invention provides a gas supply path and a gas discharge path provided in the second and third manifolds when an operation of switching the gas flow path in accordance with a load change during operation of the fuel cell stack. By opening and closing each of the opening and closing means individually, a path is formed in which the gas temporarily supplied from the gas supply path is discharged to the gas discharge path without passing through the gas flow path. It is possible to suppress a temporary decrease in cell voltage due to the backflow of exhaust gas when operating.
具体的には、第2のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を閉、第2のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を開、第3のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を閉として運転中に、まず、第2のマニホールドのガス供給路に備えた開閉手段を開にし、つぎに、第2のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を閉とし、同時に第3のマニホールドの反応ガス排出路に備えた開閉手段を開にするものである。 Specifically, the gas supply path opening / closing means provided in the second manifold is closed, the gas discharge path opening / closing means provided in the second manifold is opened, and the gas discharge path opening / closing means provided in the third manifold. During the operation with the valve closed, first, the opening / closing means provided in the gas supply path of the second manifold is opened, then the opening / closing means of the gas discharge path provided in the second manifold is closed, and at the same time the third The opening / closing means provided in the reaction gas discharge path of the manifold is opened.
燃料電池においては一般に、燃料に改質ガスを用いる場合、燃料の入口側よりも排出側の電極触媒が、改質ガスに含まれる一酸化炭素などによって被毒を受けやすい。そのため、一定期間の運転後に、燃料の入口側と排出側を逆にすることによって、その被害を低減することができる。また、負荷の変動に合わせて、供給する反応ガスの流量を変化させる必要がある。 In general, in a fuel cell, when a reformed gas is used for fuel, an electrode catalyst on the discharge side is more likely to be poisoned by carbon monoxide or the like contained in the reformed gas than on the fuel inlet side. Therefore, after the operation for a certain period, the damage can be reduced by reversing the fuel inlet side and the fuel outlet side. In addition, it is necessary to change the flow rate of the reaction gas to be supplied in accordance with the load fluctuation.
本発明について、以下では、「PEFCスタック」を例にとって説明するが、本発明は「固体高分子形燃料電池スタック」に限定されるものではなく、溶融炭酸塩形やリン酸形などの他の燃料電池スタックにも適用可能である。 In the following, the present invention will be described by taking “PEFC stack” as an example. However, the present invention is not limited to “solid polymer fuel cell stack”, and other types such as molten carbonate form and phosphoric acid form are used. It can also be applied to a fuel cell stack.
ここでは、図1〜図4に示すガス流路を流れるガスの方向を逆転させる機能を備えたPEFCスタックと、図5〜図8に示すガス流路を切り替える機能を備えたPEFCスタックとを用いて、本発明を説明する。 Here, the PEFC stack having the function of reversing the direction of the gas flowing through the gas flow paths shown in FIGS. 1 to 4 and the PEFC stack having the function of switching the gas flow paths shown in FIGS. 5 to 8 are used. The present invention will now be described.
図1〜図8において、記号1aは第1のマニホールド、1bは第2のマニホールド、1cは第3のマニホールド、2aは第1のマニホールドに備えたガス供給路、2bは第2のマニホールドに備えたガス供給路、3aは第1のマニホールドに備えたガス排出路、3bは第2のマニホールドに備えたガス排出路、3cは第3のマニホールドに備えたガス排出路、4aは第1のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段、4bは第2のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段、5aは第1のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、5bは第2のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、5cは第3のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、6および7はガス流路、8は膜/電極接合体(MEA)、9はセパレータを示す。なお、ガス流路6に酸化剤ガスを流す場合にはガス流路7に燃料ガスを流し、ガス流路7に酸化剤ガスを流す場合にはガス流路6に燃料ガスを流すものである。
1 to 8,
まず、運転状態の燃料ガスの流れる方向を逆転させる場合の操作を例にあげて説明する。図1は、本発明のPEFCスタックの断面の模式図の一例を示したものである。図1に示すように、このPEFCスタックでは、第1のマニホールド1aと第2のマニホールド1bが備えられ、この2つのマニホールドはガス流路6で接続されている。また、第1のマニホールド1aの一端がガス供給路2aに、他端がガス排出路3aに接続され、ガス供給路2aには開閉手段4aが、ガス排出路3aには開閉手段5aが設けられ、第2のマニホールド1bの一端がガス供給路2bに、他端がガス排出路3bに接続され、ガス供給路2bには開閉手段4bが、ガス排出路3bには開閉手段5bが設けられているので、ガス流路を流れるガスの方向を逆転させることができるものである。
First, the operation for reversing the flow direction of the fuel gas in the operating state will be described as an example. FIG. 1 shows an example of a schematic view of a cross section of a PEFC stack of the present invention. As shown in FIG. 1, the PEFC stack includes a
この例では、図1において、第1のマニホールド1aおよび第2のマニホールド1bを燃料ガスマニホールド、6を燃料ガス流路、7を酸化剤ガス流路として用いる。図2〜図4は、図1に示したPEFCスタックのガス流路を流れる燃料ガスの方向を運転状態のままで逆転させる場合のガスの流れをそれぞれ示したものである。
In this example, in FIG. 1, the
図2は通常の運転状態でのガスの流れを示し、第1のマニホールド1aのガス供給路2aに設けられた開閉手段4aが開、第1のマニホールド1aのガス排出路3aに設けられた開閉手段5aが閉、第2のマニホールド1bのガス供給路2bに設けられた開閉手段4bが閉、第2のマニホールド1bのガス排出路3bに設けられた開閉手段5bが開に設定されており、燃料ガスは図2の矢印で示すように、ガス供給路2a→第1のマニホールド1a→ガス流路6→第2のマニホールド1b→ガス排出路3bの順に流れている。
FIG. 2 shows a gas flow in a normal operation state, in which the opening / closing means 4a provided in the
つぎに、図2に示すガスの流れ方向から、図4に示すガスの流れ方向の状態に燃料ガスの流れを逆転させる場合、図3に示すように、まず、第2のマニホールド1bのガス供給路2bに設けられた開閉手段4bを開とする。この状態にした場合、ガス供給路2bから供給された燃料ガスが、ガス流路6を通らずにガス排出路3bに排出される経路が形成され、排出ガスの一部が供給ガスと置換される。
Next, when the flow of the fuel gas is reversed from the gas flow direction shown in FIG. 2 to the state of the gas flow direction shown in FIG. 4, first, as shown in FIG. 3, the gas supply to the
つづいて、第1のマニホールド1aのガス供給路2aにある開閉手段4aを閉とし、同時に、第2のマニホールド1bのガス排出路3bに設けられた開閉手段5bを閉とし、同時に、第1のマニホールド1aのガス排出路3aにある開閉手段5aを開として、ガスの流れの方向を図4に示す状態にする。図4において、燃料ガスは矢印で示すように、ガス供給路2b→第2のマニホールド1b→ガス流路6→第1のマニホールド1a→ガス排出路3aの順に流れる。
Subsequently, the opening / closing means 4a in the
このように、図4に示す状態にした際に、ガス流路6に逆流する排出ガスの量が著しく低減されるので、運転中にガス流路6を流れるガスの方向を逆転させた場合でも、排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。なお、図3において、ガス供給路2bから供給する燃料ガスの量を増やすにしたがって、セル電圧の低下を抑制する効果が高くなる。
As described above, when the state shown in FIG. 4 is established, the amount of exhaust gas flowing back to the
ここでは、燃料ガスの流れを例にあげて本発明の内容を説明したが、本発明を酸化剤ガスに適用した場合でも同様の効果が得られる。また、図1〜図4では、第1のマニホールドおよび第2のマニホールドは、それぞれ1本の場合について例示したが、これらのマニホールドは1本でもよいし、複数本とすることも可能である。 Here, the content of the present invention has been described by taking the flow of the fuel gas as an example, but the same effect can be obtained even when the present invention is applied to the oxidant gas. 1 to 4 exemplify the case where there is one first manifold and two second manifolds, the number of these manifolds may be one, or a plurality of manifolds may be used.
つぎに、運転状態のガス流路を切り替える場合の操作を例にあげて説明する。図5は本発明のPEFCスタックにおける断面の模式図の一例を示したものである。図5に示すように、このPEFCスタックには、第1のマニホールド1a、第2のマニホールド1b、第3のマニホールド1cの、3つのマニホールドが備えられ、これらの3つのマニホールドはガス流路6で互いに接続されている。また、図5に示すように、このPEFCスタックでは、第1のマニホールド1aの一端がガス供給路2aに接続され、また、第2のマニホールド1bの一端がガス供給路2bに、他端がガス排出路3bに接続され、ガス供給路2bには開閉手段4bが、ガス排出路3bには開閉手段5bが設けられ、さらに、第3のマニホールド1cの一端がガス排出路3cに接続され、ガス排出路3cには開閉手段5cが設けられているので、ガス流量にしたがってガス流路の接続方法を切り替えることができるものである。
Next, an operation for switching the operating gas flow path will be described as an example. FIG. 5 shows an example of a schematic cross-sectional view of the PEFC stack of the present invention. As shown in FIG. 5, the PEFC stack is provided with three manifolds, ie, a
この例では、図5において、第1のマニホールド1aおよび第2のマニホールド1bを酸化剤ガスマニホールド、6を酸化剤ガス流路、7を燃料ガス流路として用いる。図6〜図8は、図5に示したPEFCスタックのガス流路を流れる酸化剤ガスの方向を、運転状態のままでガス流量にしたがってガス流路の接続方法を切り替える場合のガスの流れをそれぞれ示したものである。
In this example, in FIG. 5, the
図6は通常の運転状態でのガスの流れを示し、第2のマニホールド1bのガス供給路2bに設けられた開閉手段4bが閉で、ガス排出路3bに設けられた開閉手段5bが開で、第3のマニホールド1cのガス排出路3cに設けられた開閉手段5cが閉に設定されており、酸化剤ガスは図6の矢印で示すように、ガス供給路2a→第1のマニホールド1a→ガス流路6→第2のマニホールド1b→ガス排出路3bの順に流れている。
FIG. 6 shows a gas flow in a normal operation state, in which the opening / closing means 4b provided in the
つぎに、図6に示すガスの流れ方向から、図8に示すガスの流れ方向の状態に酸化剤ガスの流路の接続方法を切り替える場合、図7に示すように、まず、第2のマニホールド1bのガス供給路2bに設けられた開閉手段4bを開とする。図7に示す状態にした場合に、ガス供給路2bから供給された酸化剤ガスがガス流路6を通らずにガス排出路3bに排出される経路が形成され、酸素分圧の低い排出ガスが供給ガスで置換される。
Next, when the connection method of the oxidant gas flow path is switched from the gas flow direction shown in FIG. 6 to the state of the gas flow direction shown in FIG. 8, first, as shown in FIG. The opening / closing means 4b provided in the
つづいて、第2のマニホールド1bのガス排出路3bに設けられた開閉手段5bを閉とし、同時に、第3のマニホールド1cのガス排出路3cに設けられた開閉手段5cを開として、図8に示す状態にする。図8において酸化剤ガスは、矢印で示すように、ガス供給路2a→第1のマニホールド1a→ガス流路6→第3のマニホールド1c→ガス排出路3cの順に流れる流路と、ガス供給路2b→第2のマニホールド1b→ガス流路6→第3のマニホールド1c→ガス排出路3cの順に流れる流路の、2つの流路を流れる。
Subsequently, the opening / closing means 5b provided in the
このように、図7に示す状態にした際に、ガス流路6に逆流する排出ガスの量が著しく低減されるので、運転中にガス流路の接続方法を切り替えた場合でも、排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。なお、図7において、ガス供給路2bから供給する酸化剤ガスの量を増やすにしたがって、セル電圧の低下を抑制する効果が高くなる。
Thus, when the state shown in FIG. 7 is established, the amount of exhaust gas flowing back to the
ここでは、酸化剤ガスの流れを例にあげて本発明の内容を説明したが、本発明を燃料ガスに適用した場合でも同様の効果が得られる。また、図5〜図8では、第1のマニホールド、第2のマニホールドおよび第3のマニホールドは、それぞれ1本の場合について例示したが、これらのマニホールドは1本でもよいし、複数本とすることも可能である。 Here, the content of the present invention has been described by taking the flow of the oxidant gas as an example, but the same effect can be obtained even when the present invention is applied to the fuel gas. 5 to 8, the first manifold, the second manifold, and the third manifold are each illustrated as being one, but the number of these manifolds may be one or plural. Is also possible.
ガス流路を流れるガスの方向を逆転させる、またはガス流路を切り替える操作をする場合に、反応ガスを排出するマニホールドから反応ガスを供給するマニホールドへ、その機能を逆にする第2のマニホールドを備え、この第2のマニホールドの一端に開閉手段を設けたガス供給路と、他端に開閉手段を設けたガス排出路とを備えることによって、本発明の効果が得られる。 When reversing the direction of the gas flowing through the gas flow path or switching the gas flow path, a second manifold that reverses the function from the manifold that discharges the reaction gas to the manifold that supplies the reaction gas is provided. The effect of this invention is acquired by providing the gas supply path which provided the opening-and-closing means in one end of this 2nd manifold, and the gas discharge path which provided the opening-and-closing means in the other end.
すなわち、本発明の燃料電池スタックは、従来の燃料電池スタックのように、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドのそれぞれに、1つずつ開閉手段を設けたものとは異なり、1つのガスマニホールドの両端に開閉手段をそれぞれ設け、この両端に設けた開閉手段を同時に操作することによって、ガス供給路から供給されたガスがガス流路を通らずにガス排出路に排出される経路が形成されることを特徴とする。 That is, unlike the conventional fuel cell stack, the fuel cell stack according to the present invention is different from the gas supply manifold and the gas discharge manifold provided with one opening / closing means at each end. By providing each opening / closing means and simultaneously operating the opening / closing means provided at both ends, it is possible to form a path through which the gas supplied from the gas supply path is discharged to the gas discharge path without passing through the gas flow path. Features.
本発明におけるマニホールドとは、酸化剤ガスマニホールド、燃料ガスマニホールド、ガス供給マニホールドおよびガス排出マニホールドの総称である。また、酸化剤ガスマニホールドとは空気などの酸化剤ガスを供給または排出するためのマニホールド、燃料ガスマニホールドとは水素や改質ガスなどの燃料ガスを供給または排出するためのマニホールド、ガス供給マニホールドとは酸化剤ガスまたは燃料ガスを供給するためのマニホールド、ガス排出マニホールドとは酸化剤ガスまたは燃料ガスを排出するためのマニホールドのことを指す。 The manifold in the present invention is a general term for an oxidant gas manifold, a fuel gas manifold, a gas supply manifold, and a gas discharge manifold. An oxidant gas manifold is a manifold for supplying or discharging an oxidant gas such as air. A fuel gas manifold is a manifold for supplying or discharging a fuel gas such as hydrogen or reformed gas. Is a manifold for supplying oxidant gas or fuel gas, and a gas discharge manifold is a manifold for discharging oxidant gas or fuel gas.
ガス供給路とは、燃料電池スタック外部のコンプレッサ、ボンベ、改質器等のガス供給源から燃料電池スタックのガス供給マニホールドにガスを供給するための配管を指し、ガス排出路とは、燃料電池スタックのガス排出マニホールドからその外部にガスを排出するための配管を指す。 The gas supply path refers to a pipe for supplying gas from a gas supply source such as a compressor, cylinder, reformer or the like outside the fuel cell stack to the gas supply manifold of the fuel cell stack, and the gas discharge path refers to a fuel cell. The pipe for exhausting gas from the gas exhaust manifold of the stack to the outside.
開閉手段とは、それが設置された部位の配管を通るガスの流量を制御できるものであって、完全に閉じることによってガスの流れを遮断し、完全に開くことによってガスを十分に流すものである。開閉手段には、例えばボールバルブ、ニードルバルブ、二方弁、電磁弁等を用いることができる。 Opening and closing means can control the flow rate of gas through the piping at the site where it is installed, and it shuts off the gas flow when it is completely closed and allows the gas to flow sufficiently when it is fully opened. is there. As the opening / closing means, for example, a ball valve, a needle valve, a two-way valve, an electromagnetic valve or the like can be used.
本発明の燃料電池システムは、マニホールドの一端に備えられたガス供給路にある開閉手段を開いた後に、他端に備えられたガス排出路にある開閉手段を閉じるように制御するものである。このシステムでは、マニホールドの一端に備えられたガス供給路にある開閉手段と、他端に備えられたガス排出路にある開閉手段とが同時に開いている時間があるので、マニホールド中のガスを置換して排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。 In the fuel cell system of the present invention, the opening / closing means in the gas supply path provided at one end of the manifold is opened, and then the opening / closing means in the gas discharge path provided at the other end is closed. In this system, the opening / closing means in the gas supply path provided at one end of the manifold and the opening / closing means in the gas discharge path provided at the other end are open at the same time, so the gas in the manifold is replaced. Thus, it is possible to suppress a temporary decrease in cell voltage due to the backflow of exhaust gas.
本発明の燃料電池スタックでは、マニホールドに設けられた開閉手段が完全に閉じる、もしくは完全に開くという二者択一の操作をするだけでなく、マニホールドの一端に備えたガス供給路に設けた開閉手段と、他端に備えたガス排出路に設けた開閉手段と用いて最適な流量に制御することが、より効率的な切り替え操作をできることから好ましい。 In the fuel cell stack of the present invention, the opening / closing means provided in the manifold not only performs an alternative operation of completely closing or opening completely, but also the opening / closing provided in the gas supply path provided at one end of the manifold. It is preferable to control the flow rate to the optimum using the means and the opening / closing means provided in the gas discharge path provided at the other end because more efficient switching operation can be performed.
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。 The present invention will be described below with reference to preferred embodiments.
[実施例1および比較例1]
[実施例1]
電極面積が230cm2、白金担持量が0.5mg/cm2のMEAを5枚含む、実施例1のPEFCスタックAを製作した。このPEFCスタックの断面構造は、図5に示したものと同じである。すなわち、第1のマニホールド1a、第2のマニホールド1b、第3のマニホールド1cの、3つのマニホールドが備えられ、これらの3つのマニホールドはガス流路6で互いに接続されている。
[Example 1 and Comparative Example 1]
[Example 1]
A PEFC stack A of Example 1 was manufactured, including five MEAs having an electrode area of 230 cm 2 and a platinum loading of 0.5 mg / cm 2 . The cross-sectional structure of this PEFC stack is the same as that shown in FIG. That is, three manifolds of a
そして、第1のマニホールド1aの一端がガス供給路2aに接続されている。また、第2のマニホールド1bの一端がガス供給路2bに、他端がガス排出路3bに接続され、ガス供給路2bには開閉手段4bが、ガス排出路3bには開閉手段5bが設けられている、さらに、第3のマニホールド1cの一端がガス排出路3cに接続され、ガス排出路3cには開閉手段5cが設けられている。したがって、このPEFCスタックAは、ガス流量にしたがってガス流路の接続方法を切り替えることができるものである。
One end of the
このPEFCスタックAでは、マニホールド1a、1b、1cを酸化剤ガスマニホールド、ガス流路6を酸化剤ガス流路、ガス流路7を燃料ガス流路として使用した。開閉手段4a、5bおよび5cには電磁弁を使用した。
In this PEFC stack A, the
PEFCスタックAには、ガス流路として用いる幅1.0mm、深さ0.5mmの溝が50本形成されたセパレータを使用した。このPEFCスタックのマニホールドの断面積は3.5cm2であり、長さは60mmとした。 For the PEFC stack A, a separator in which 50 grooves having a width of 1.0 mm and a depth of 0.5 mm were used as gas flow paths was used. The cross-sectional area of the manifold of this PEFC stack was 3.5 cm 2 and the length was 60 mm.
[比較例1]
電極面積が230cm2、白金担持量が0.5mg/cm2のMEAを5枚含む、比較例1のPEFCスタックBを製作した。このPEFCスタックの断面構造は、図9に示したのと同じである。すなわち、第1のマニホールド11a、第2のマニホールド11b、第3のマニホールド11cが備えられ、これらの3つのマニホールドはガス流路16で互いに接続されている。
[Comparative Example 1]
A PEFC stack B of Comparative Example 1 was manufactured, containing 5 MEAs having an electrode area of 230 cm 2 and a platinum loading of 0.5 mg / cm 2 . The cross-sectional structure of this PEFC stack is the same as that shown in FIG. That is, a
そして、第2のマニホールド11bに備えたガス供給路12bには開閉手段14bを設け、第3のマニホールド11cに備えたガス排出路13cには開閉手段15cが設けられているため、ガス流量にしたがってガス流路の接続方法を切り替えることができるものである。
The
このPEFCスタックBでは、マニホールド11a、11bおよび11cを酸化剤ガスマニホールド、ガス流路16を酸化剤ガス流路、ガス流路17を燃料ガス流路として使用した。開閉手段14b、15bおよび15cには電磁弁を使用した。
In this PEFC stack B, the
PEFCスタックBにおいて、セパレータおよびマニホールドは、実施例1のPEFCスタックAに用いたものと同じものを用いた。 In PEFC stack B, the same separator and manifold as those used in PEFC stack A of Example 1 were used.
[試験結果]
本発明による実施例1のPEFCスタックAと、比較例1のPEFCスタックBについて、酸化剤ガスとして空気(利用率40%)および燃料ガスとして改質模擬ガス(H2:80%、CO220%、CO10ppm、利用率80%)を用い、100mA/cm2の電流密度での運転をおこなった。つづいて、これらのPEFCスタックの運転中に酸化剤ガス流路を切り替えるために、開閉手段の操作をおこなった。
[Test results]
For the PEFC stack A of Example 1 and PEFC stack B of Comparative Example 1 according to the present invention, air (utilization rate 40%) as the oxidant gas and reformed simulation gas (H 2 : 80%,
実施例1のPEFCスタックAの場合の操作を、図6〜図8を用いて説明する。PEFCスタックAでは、定常運転時は図6に示すように、開閉手段4bが閉、開閉手段5bが開、開閉手段5cが閉に設定されている。したがって、酸化剤ガスは図6の矢印で示す方向に流れている。この状態では、マニホールド1bは酸素分圧の低い排出ガスで満たされている。
The operation in the case of the PEFC stack A according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. In the PEFC stack A, as shown in FIG. 6, the opening / closing means 4b is closed, the opening / closing means 5b is opened, and the opening / closing means 5c is closed during steady operation. Therefore, the oxidant gas flows in the direction indicated by the arrow in FIG. In this state, the
つぎに、図7に示すように、まず、開閉手段4bを開とし、マニホールド1bに酸化剤ガスを導入した。マニホールド1bへの酸化剤ガスの導入量はマニホールド1aへの酸化剤ガスの導入量と同じとした。図7の状態では、ガス供給路2bから供給された酸化剤ガスがガス流路6を通らずにガス排出路3bに排出される経路が形成され、酸素分圧の低い排出ガスが供給ガスで置換され、マニホールド1bにおける酸素濃度が増大する。
Next, as shown in FIG. 7, first, the opening / closing means 4b was opened, and an oxidant gas was introduced into the manifold 1b. The amount of oxidant gas introduced into the manifold 1b was the same as the amount of oxidant gas introduced into the manifold 1a. In the state of FIG. 7, a path is formed in which the oxidant gas supplied from the
つづいて、開閉手段5bを閉とし、同時に、開閉手段5cを開として、図8に示す状態にする。これで、ガス流路を切り替えた状態となり、酸化剤ガスは図8の矢印で示す方向に流れる。 Subsequently, the opening / closing means 5b is closed, and at the same time, the opening / closing means 5c is opened to obtain the state shown in FIG. Thus, the gas flow path is switched, and the oxidant gas flows in the direction indicated by the arrow in FIG.
比較例1のPEFCスタックBの場合の操作を、図9〜図11を用いて説明する。PEFCスタックBでは、定常運転時は図10に示すように、開閉手段14bが閉で、開閉手段15bが開で、開閉手段5cが閉に設定されている。したがって、酸化剤ガスは図10の矢印で示す方向に流れている。この状態では、マニホールド1bは酸素分圧の低い排出ガスで満たされている。
The operation in the case of the PEFC stack B of Comparative Example 1 will be described with reference to FIGS. In the PEFC stack B, as shown in FIG. 10, during the steady operation, the opening / closing means 14b is closed, the opening / closing means 15b is open, and the opening / closing means 5c is closed. Therefore, the oxidant gas flows in the direction indicated by the arrow in FIG. In this state, the
つぎに、開閉手段14bを開き、つぎに開閉手段15cを開き、同時に開閉手段15bを閉じて図11に示す状態にする。これで、ガス流路を切り替えた状態となる。 Next, the opening / closing means 14b is opened, then the opening / closing means 15c is opened, and at the same time, the opening / closing means 15b is closed to the state shown in FIG. Thus, the gas flow path is switched.
実施例1のPEFCスタックAと、比較例1のPEFCスタックBを100mA/cm2の電流密度で運転し、酸化剤ガス流路を切り替えた場合の平均セル電圧の変化を図12に示す。横軸の時間で0秒の点において、ガス流路の切り替え操作を開始した。なお、図12において、記号●は実施例1のPEFCスタックAの結果を、また、記号▲は比較例1のPEFCスタックBの結果を示す。 FIG. 12 shows changes in the average cell voltage when the PEFC stack A of Example 1 and the PEFC stack B of Comparative Example 1 are operated at a current density of 100 mA / cm 2 and the oxidant gas flow path is switched. The gas channel switching operation was started at a point of 0 second on the horizontal axis. In FIG. 12, the symbol ● represents the result of the PEFC stack A of Example 1, and the symbol ▲ represents the result of the PEFC stack B of Comparative Example 1.
図12に示したように、実施例1のPEFCスタックAではセル電圧がほぼ安定しているのに対して、比較例1のPEFCスタックBではガス流路を切り替えた直後に著しくセル電圧が低下していることがわかった。 As shown in FIG. 12, in the PEFC stack A of Example 1, the cell voltage is almost stable, whereas in the PEFC stack B of Comparative Example 1, the cell voltage drops significantly immediately after switching the gas flow path. I found out.
本発明の実施例1のPEFCスタックAは、ガス供給路を備えた第1のマニホールドと、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路を備えた第2のマニホールドと、開閉手段を設けたガス排出路を備えた第3のマニホールドとを備えているため、一時的にガス供給路およびガス排出路の両方を開いた状態にすることによって、ガス流路を切り替える操作をする場合の排出ガスの逆流にともなうセル電圧の低下を抑制できるものである。 The PEFC stack A according to the first embodiment of the present invention includes a first manifold having a gas supply path, a gas supply path having an opening / closing means at one end, and a gas discharge path having an opening / closing means at the other end. 2 and a third manifold having a gas discharge path provided with an opening / closing means. Therefore, by temporarily opening both the gas supply path and the gas discharge path, It is possible to suppress a decrease in the cell voltage due to the backflow of the exhaust gas when the operation for switching the path is performed.
[実施例2および比較例2]
[実施例2]
電極面積が230cm2、白金担持量が0.5mg/cm2のMEAを5枚含む、実施例2のPEFCスタックCを製作した。このPEFCスタックの断面構造は、図1に示したのと同じである。すなわち、第1のマニホールド1aと第2のマニホールド1bが備えられ、この2つのマニホールドはガス流路6で接続されている。また、第1のマニホールド1aの一端がガス供給路2aに、他端がガス排出路3aに接続され、ガス供給路2aには開閉手段4aが、ガス排出路3aには開閉手段5aが設けられ、第2のマニホールド1bの一端がガス供給路2bに、他端がガス排出路3bに接続され、ガス供給路2bには開閉手段4bが、ガス排出路3bには開閉手段5bが設けられている。したがって、このPEFCスタックCは、ガス流路を流れるガスの方向を逆転させることができる。
[Example 2 and Comparative Example 2]
[Example 2]
A PEFC stack C of Example 2 including 5 MEAs having an electrode area of 230 cm 2 and a platinum loading of 0.5 mg / cm 2 was manufactured. The cross-sectional structure of this PEFC stack is the same as that shown in FIG. That is, a
このPEFCスタックCでは、マニホールド1aおよび1bを燃料ガスマニホールド、ガス流路6を燃料ガス流路、ガス流路7を酸化剤ガス流路として使用した。開閉手段4a、4b、5aおよび5bには電磁弁を使用した。
In this PEFC stack C, the
PEFCスタックCにおいて、セパレータおよびマニホールドは、実施例1のPEFCスタックAに用いたものと同じものを用いた。 In PEFC stack C, the same separator and manifold as those used in PEFC stack A of Example 1 were used.
[比較例2]
電極面積が230cm2、白金担持量が0.5mg/cm2のMEAを5枚含む、比較例2のPEFCスタックDを製作した。従来のガス流路を切り替える機能を備えたPEFCスタックの断面構造を図13に示した。図13において、記号21aは第1のマニホールド、21bは第2のマニホールド、22aは第1のマニホールドに備えたガス供給路、23bは第2のマニホールドに備えたガス排出路、24aは第1のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段、25bは第2のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、26および27はガス流路、28は膜/電極接合体(MEA)、29はセパレータを示す。
[Comparative Example 2]
A PEFC stack D of Comparative Example 2 was manufactured, containing five MEAs having an electrode area of 230 cm 2 and a platinum loading of 0.5 mg / cm 2 . FIG. 13 shows a cross-sectional structure of a PEFC stack having a function of switching a conventional gas flow path. In FIG. 13,
このPEFCスタックDでは、マニホールド21aおよび21bを燃料ガスマニホールド、ガス流路16を燃料ガス流路、ガス流路17を酸化剤ガス流路として使用した。開閉手段24aおよび25bには電磁弁を使用した。
In this PEFC stack D, the
PEFCスタックDにおいて、セパレータおよびマニホールドは、実施例1のPEFCスタックAに用いたものと同じものを用いた。 In PEFC stack D, the same separator and manifold as those used in PEFC stack A of Example 1 were used.
[試験結果]
本発明による実施例2のPEFCスタックCと、比較例2のPEFCスタックDについて、酸化剤ガスとして空気(利用率40%)および燃料ガスとして改質模擬ガス(H2:80%、CO220%、CO10ppm、利用率80%)を用い、100mA/cm2の電流密度での運転をおこなった。つづいて、これらのPEFCスタックの運転中に酸化剤ガス流路を切り替えるために、開閉手段の操作をおこなった。
[Test results]
For the PEFC stack C of Example 2 and the PEFC stack D of Comparative Example 2 according to the present invention, air (utilization rate 40%) as the oxidant gas and reformed simulated gas (H 2 : 80%,
実施例2のPEFCスタックCの場合の操作を、図2〜図4を用いて説明する。PEFCスタックCでは、定常運転時は図2に示すように、開閉手段4aが開、開閉手段4bが閉、開閉手段5aが閉、開閉手段5bが開に設定されている。したがって、酸化剤ガスは図2の矢印で示す方向に流れている。この状態では、マニホールド1bは酸素分圧の低い排出ガスで満たされている。
The operation in the case of the PEFC stack C according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. In the PEFC stack C, as shown in FIG. 2, the opening / closing means 4a is open, the opening / closing means 4b is closed, the opening / closing means 5a is closed, and the opening / closing means 5b is open during steady operation. Therefore, the oxidant gas flows in the direction indicated by the arrow in FIG. In this state, the
つぎに、図3に示すように、まず、開閉手段4bを開とし、マニホールド1bに燃料ガスを導入した。図3の状態では、ガス供給路2bから供給された燃料ガスが、ガス流路6を通らずにガス排出路3bに排出される経路が形成され、排出ガスの一部が供給ガスと置換され、マニホールド1bにおける燃料濃度が増大する。
Next, as shown in FIG. 3, first, the opening / closing means 4b was opened, and the fuel gas was introduced into the manifold 1b. In the state of FIG. 3, a path is formed in which the fuel gas supplied from the
つぎに、開閉手段4aを閉とし、さらに、開閉手段5bを閉とし、同時に、開閉手段5aを開とする。これで、ガスの流れの方向が逆になり、燃料ガスは図4の矢印で示す方向に流れる。 Next, the opening / closing means 4a is closed, the opening / closing means 5b is closed, and at the same time, the opening / closing means 5a is opened. This reverses the gas flow direction, and the fuel gas flows in the direction indicated by the arrow in FIG.
比較例2のPEFCスタックDの場合の操作を、図13を用いて説明する。PEFCスタックDでは、定常運転時は、開閉手段24aおよび25bともが開に設定され、燃料ガスはガス供給路22a→マニホールド21a→ガス流路26→マニホールド21b→ガス排出路23bの順に流れる。
The operation in the case of the PEFC stack D of Comparative Example 2 will be described with reference to FIG. In the PEFC stack D, during the steady operation, both the opening and closing means 24a and 25b are set to open, and the fuel gas flows in the order of the
つぎに、開閉手段24aを閉、開閉手段25bを開に設定し、さらに、開閉手段24aを開とし、ガス排出路23bから燃料ガスを供給する。この場合、燃料ガスはガス排出路23b→マニホールド21b→ガス流路26→マニホールド21a→ガス供給路22aの順に流れ、ガスの流れの方向が逆になる。
Next, the opening / closing means 24a is closed, the opening / closing means 25b is set to open, and the opening / closing means 24a is opened to supply fuel gas from the
測定の結果、実施例2のPEFCスタックCではセル電圧がほぼ安定しているのに対して、比較例2のPEFCスタックDではガス流路を切り替えた直後に著しくセル電圧が低下していることがわかった。 As a result of the measurement, the cell voltage is almost stable in the PEFC stack C of Example 2, whereas the cell voltage is significantly decreased immediately after switching the gas flow path in the PEFC stack D of Comparative Example 2. I understood.
本発明の実施例2のPEFCスタックCは、第1のマニホールドと、第2のマニホールドとを備え、前記第1と第2のマニホールドはそれぞれ、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路とを備えているため、一時的にガス供給路およびガス排出路の両方を開いた状態にすることによって、ガス流路を切り替える操作をする場合の排出ガスの逆流にともなうセル電圧の低下を抑制できるものである。 The PEFC stack C according to the second embodiment of the present invention includes a first manifold and a second manifold, and each of the first and second manifolds has a gas supply path having an opening / closing means at one end and the other end. The gas exhaust passage provided with an opening / closing means is provided with a gas supply passage and a gas exhaust passage to temporarily open both of the gas supply passage and the exhaust passage when switching the gas passage. It is possible to suppress a decrease in cell voltage due to backflow.
1a、11a 第1のマニホールド
1b、11b 第2のマニホールド
1c、11c 第3のマニホールド
2a、12a 第1のマニホールドに備えたガス供給路
2b、12b 第2のマニホールドに備えたガス供給路
3a 第1のマニホールドに備えたガス排出路
3b、13b 第2のマニホールドに備えたガス排出路
3c、13c 第3のマニホールドに備えたガス排出路
4a 第1のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段
4b、14b 第2のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段
5a 第1のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段
5b、15b 第2のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段
5c、15c 第3のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段
6、7、16、17 ガス流路
8、18 膜/電極接合体(MEA)
9、19 セパレータ
1a, 11a First manifold 1b,
9, 19 Separator
Claims (2)
A first manifold having a gas supply path; a gas supply path having an opening / closing means at one end; a second manifold having a gas discharge path having an opening / closing means at the other end; and a gas exhaust path having an opening / closing means. A fuel cell stack comprising a third manifold provided.
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