JP2007095463A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a flat membrane humidifier provided with a water permeable membrane for humidifying one reaction gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell with a humidified fluid. The present invention relates to a fuel cell system to be stacked.
通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a polymer electrolyte fuel cell has a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. I have. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給する構成が知られている。 In the fuel cell described above, it is necessary to maintain the electrolyte membrane in an appropriate wet state in order to exhibit an effective power generation function. For this reason, a humidifier that humidifies fuel gas and oxidant gas in advance through water is prepared, and the humidified fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell by connecting the humidifier to the fuel cell. The supply configuration is known.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックは、図14に示すように、発電ユニット1と加湿ユニット2とを積層方向に組み付けて構成されている。発電ユニット1は、複数のセル1aを積層する一方、加湿ユニット2は、水素ガスを加湿する水素ガス加湿器2aと、酸素含有ガス(空気)を加湿する酸素含有ガス加湿器2bとを有する。
For example, the fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 is configured by assembling a power generation unit 1 and a humidification unit 2 in the stacking direction, as shown in FIG. While the power generation unit 1 stacks a plurality of cells 1a, the humidification unit 2 includes a
水素ガス加湿器2aは、多孔質膜3aの両面に水素ガス流路4a及び水流路4bが形成されるとともに、酸素含有ガス加湿器2bは、多孔質膜3bの両側に酸素ガス流路4c及び水流路4dが形成されている。各セル1aの冷却水流路(図示せず)には、ポンプ5を介して水通路5aから冷却水が供給され、前記セル1aの冷却水出口側には、水通路5bが接続されている。この水通路5bは、加湿ユニット2の水流路4b、4dに連通している。
The
加湿ユニット2の水素ガス流路4aには、ブロア6を介して水素ガスが水素ガス通路6aから送られるとともに、前記水素ガス流路4aの出口側には、水素ガス通路6bを介して各セル1aの水素ガス流路(図示せず)が連通している。加湿ユニット2の酸素ガス流路4cには、ブロア7を介して空気が酸素ガス通路7aから送られる一方、前記酸素ガス流路4cの出口側には、酸素ガス通路7bを介して各セル1aの酸素ガス流路(図示せず)が連通している。
Hydrogen gas is sent from the
ところで、上記の燃料電池スタックでは、水通路5a、5b、水素ガス通路6a、6b及び酸素ガス通路7a、7bがスタック外部に設けられた外部マニホールド型で燃料電池スタックを構成しようとすると、配管が煩雑になるとともに、特に燃料電池スタック全体が大型化するという問題がある。
By the way, in the fuel cell stack described above, when the fuel cell stack is configured with an external manifold type in which the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、配管を有効に簡素化するとともに、軽量化及び小型化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of effectively simplifying piping and reducing the weight and size.
本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムである。 The present invention provides a polymer electrolyte fuel cell and a flat membrane humidifier provided with a water permeable membrane for humidifying at least one reaction gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell with a humidifying fluid. A fuel cell system stacked in a direction.
平膜型加湿器は、加湿された一方の反応ガスを固体高分子型燃料電池に供給する反応ガス出口連通孔を積層方向に沿って設け、前記固体高分子型燃料電池は、加湿された前記一方の反応ガスが導入される反応ガス供給連通孔を前記積層方向に沿って且つ前記反応ガス出口連通孔と並列して設けるとともに、前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス供給連通孔とは、前記固体高分子型燃料電池と前記平膜型加湿器との間に介装されるプレート部材に形成される連結路を介して連通している。 The flat membrane type humidifier is provided with a reaction gas outlet communication hole for supplying one humidified reaction gas to the polymer electrolyte fuel cell along the stacking direction, and the polymer electrolyte fuel cell is humidified A reaction gas supply communication hole into which one reaction gas is introduced is provided along the stacking direction and in parallel with the reaction gas outlet communication hole, and the reaction gas outlet communication hole and the reaction gas supply communication hole are: The solid polymer fuel cell and the flat membrane humidifier communicate with each other via a connecting path formed in a plate member interposed.
また、本発明では、平膜型加湿器は、固体高分子型燃料電池から加湿流体であるオフガスが排出されるオフガス入口連通孔を積層方向に沿って設け、前記固体高分子型燃料電池は、前記オフガスを排出するオフガス排出連通孔を前記積層方向に沿って且つ前記オフガス入口連通孔と並列して設けるとともに、前記オフガス入口連通孔と前記オフガス排出連通孔とは、前記固体高分子型燃料電池と前記平膜型加湿器との間に介装されるプレート部材に形成される連結路を介して連通している。 Further, in the present invention, the flat membrane type humidifier is provided with an off gas inlet communication hole through which the off gas as the humidified fluid is discharged from the solid polymer fuel cell along the stacking direction, and the solid polymer fuel cell is An off gas discharge communication hole for discharging the off gas is provided along the stacking direction and in parallel with the off gas inlet communication hole, and the off gas inlet communication hole and the off gas discharge communication hole are formed of the solid polymer fuel cell. And the flat membrane type humidifier are communicated with each other through a connecting path formed in a plate member interposed.
本発明では、平膜型加湿器の反応ガス出口連通孔と固体高分子型燃料電池の反応ガス供給連通孔とが、プレート部材に形成される連結路を介して連通するため、外部に配管を設置する必要がない。これにより、配管で結露が発生して水滴が発電面に浸透することがない。しかも、配管が有効に簡素化されるとともに、燃料電池システム全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる。 In the present invention, the reaction gas outlet communication hole of the flat membrane type humidifier and the reaction gas supply communication hole of the polymer electrolyte fuel cell communicate with each other via a connection path formed in the plate member. There is no need to install. Thereby, dew condensation does not occur in the piping and water drops do not penetrate into the power generation surface. In addition, the piping is effectively simplified, and the entire fuel cell system can be easily reduced in weight and size.
また、本発明では、固体高分子型燃料電池のオフガス排出連通孔と平膜型加湿器のオフガス入口連通孔とが、プレート部材に形成される連結路を介して連通するため、外部に配管を設置する必要がない。従って、配管で結露が発生して水滴が発電面に浸透することがない。しかも、配管が有効に簡素化されるとともに、燃料電池システム全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる。 In the present invention, the off-gas discharge communication hole of the solid polymer fuel cell and the off-gas inlet communication hole of the flat membrane humidifier communicate with each other via a connection path formed in the plate member. There is no need to install. Therefore, condensation does not occur in the piping and water droplets do not penetrate into the power generation surface. In addition, the piping is effectively simplified, and the entire fuel cell system can be easily reduced in weight and size.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10の概略構成説明図であり、図2は、前記燃料電池システム10の概略斜視図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a
燃料電池システム10は、例えば、自動車等の燃料電池車両に搭載されており、固体高分子型燃料電池12と、平膜型加湿器14とを積層方向(矢印A方向)にスタックして構成される。燃料電池12は、複数の発電セル16を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にターミナルプレート17a、17b及び絶縁プレート19a、19bを介装して第1及び第2エンドプレート18a、18bが配置される。
The
第2エンドプレート18bには、加湿器14が直接積層される。加湿器14を構成する第3エンドプレート18cは、第1エンドプレート18aに対し、第2エンドプレート18bを介装して複数の締め付けボルト21により積層方向に締め付けられる(図2参照)。
The
図1及び図3に示すように、発電セル16は、固体高分子電解質膜20aの両側にアノード側電極20bとカソード側電極20cとを配置した電解質膜・電極構造体20と、前記電解質膜・電極構造体20を挟持する一対の金属製又はカーボン製セパレータ22、24とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
図3に示すように、発電セル16の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔(反応ガス供給連通孔)26a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔(オフガス排出連通孔)30bが設けられる。
As shown in FIG. 3, an oxidation for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge in the long side direction (arrow B direction) of the
発電セル16の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔(反応ガス供給連通孔)30a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔(オフガス排出連通孔)26bが設けられる。
A fuel gas supply communication hole (reactive gas supply communication hole) 30a for supplying fuel gas to each other in the direction of the arrow A and an oxidant gas are communicated with the other end edge of the
発電セル16の短手方向(矢印C方向)の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔28aが設けられるとともに、前記発電セル16の短手方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔28bが設けられる。
A cooling medium
セパレータ22の電解質膜・電極構造体20に向かう面には、燃料ガス供給連通孔30aと燃料ガス排出連通孔30bとを連通する燃料ガス流路32が形成される。セパレータ22の反対側の面には、冷却媒体供給連通孔28aと冷却媒体排出連通孔28bとを連通する冷却媒体流路34が形成される。
On the surface of the
セパレータ24の電解質膜・電極構造体20に向かう面には、酸化剤ガス供給連通孔26aと酸化剤ガス排出連通孔26bとに連通する酸化剤ガス流路36が設けられる。セパレータ24の反対側の面には、セパレータ22と重なり合って冷却媒体流路34が一体的に形成される。
An oxidant
図4及び図5に示すように、加湿器14は、水透過性膜40の一方の面40aに配設される第1セパレータ42と、前記水透過性膜40の他方の面40bに配設される第2セパレータ44とを備える。第1及び第2セパレータ42、44は、水透過性膜40を介装して交互に矢印A方向に積層されて積層体46を構成する。第1及び第2セパレータ42、44は、金属製プレートを波形状に成形して構成される。なお、この第1及び第2セパレータ42、44は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して構成してもよい。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図4に示すように、積層体46の矢印B方向の一端縁部には、互いに矢印A方向に貫通して、反応前の空気(一方の反応ガス)を導入する空気入口連通孔48aと、加湿された反応前の空気を燃料電池12に供給する空気出口連通孔(反応ガス出口連通孔)48bとが矢印C方向に配列して形成される。
As shown in FIG. 4, the air
燃料電池12の酸化剤ガス供給連通孔26aと加湿器14の空気出口連通孔48bとは、積層方向(矢印A方向)に沿って同一直線上に配置される(図3及び図4参照)。
The oxidant gas
図4に示すように、積層体46の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、空気オフガスが供給される空気オフガス入口連通孔(オフガス入口連通孔)50aと、反応前の空気を加湿した後の空気オフガスを排出する空気オフガス出口連通孔50bとが矢印C方向に配列して設けられる。燃料電池12の酸化剤ガス排出連通孔26bと加湿器14の空気オフガス入口連通孔50aとは、積層方向(矢印A方向)に沿って上下に並列して配置される(図3及び図4参照)。
As shown in FIG. 4, the other end edge of the laminated
第1セパレータ42は、水透過性膜40の一方の面40aに向かう面42a側に、空気入口連通孔48aと空気出口連通孔48bとを連通し、略U字状に屈曲乃至湾曲する複数の溝部を有する第1流路52を設ける。
The
第1セパレータ42の面42aとは反対の面42b側には、空気入口連通孔48aと空気出口連通孔48bとを連通し、略U字状の複数の溝部を有する第2流路54が設けられる。この第2流路54は、第1流路52と交互に形成され、全体として波形状を有している(図5参照)。
On the
第2セパレータ44は、水透過性膜40の他方の面40bに向かう面44a側に空気オフガス入口連通孔50aと空気オフガス出口連通孔50bとを連通する略U字状の複数の溝部を有する第3流路56を設ける。
The
第2セパレータ44は、面44aとは反対の面44b側に、空気オフガス入口連通孔50aと空気オフガス出口連通孔50bとを連通する略U字状の複数の溝部を有する第4流路58を設ける。この第4流路58は、第3流路56と交互に配設される。
The
図3に示すように、第2エンドプレート18bは、酸化剤ガス排出連通孔26bと空気オフガス入口連通孔50aとを連通する連結路60を設ける。第2エンドプレート18bには、積層方向に酸化剤ガス排出連通孔26bと同一直線上に配置される溝部62と、空気オフガス入口連通孔50aと同一直線上に配置される孔部64とが形成される。連結路60は、溝部62と孔部64とを連通する略半リング状の溝部により構成される。
As shown in FIG. 3, the
第2エンドプレート18bには、酸化剤ガス供給連通孔26aと空気出口連通孔48bとを連通する孔部66が形成される。絶縁プレート19bには、第2エンドプレート18bの溝部62及び孔部66に連通する孔部68a、68bが形成される。
The
図1に示すように、燃料電池システム10は、加湿器14側に設けられる酸化剤ガス供給系70と、燃料電池12側に設けられる燃料ガス供給系72及び冷却媒体供給系74とを備える。
As shown in FIG. 1, the
酸化剤ガス供給系70は、第3エンドプレート18cに接続されて加湿器14の空気入口連通孔48aに空気を供給する空気供給流路76と、前記加湿器14の空気オフガス出口連通孔50bから排出される空気オフガスを、外部に排気するための空気排出流路78とを備える。空気供給流路76には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ(又はポンプ)80が設けられる。
The oxidant
燃料ガス供給系72は、第1エンドプレート18aに接続されて燃料電池12の燃料ガス供給連通孔30aに水素ガスを供給するための水素供給流路82と、前記燃料電池12の燃料ガス排出連通孔30bから排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路82の途上に戻して該燃料電池12に供給するための水素循環流路84とを備える。
The fuel
水素供給流路82には、高圧水素を貯留する水素タンク86と、前記水素タンク86から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ88と、減圧された前記水素ガスを燃料電池12に供給するとともに、水素循環流路84から排ガスを吸引して前記燃料電池12に戻すためのエゼクタ90とが配設される。
The
冷却媒体供給系74は、第1エンドプレート18aに接続されて燃料電池12の冷却媒体供給連通孔28aに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路92と、前記燃料電池12の冷却媒体排出連通孔28bから排出される冷却媒体を冷却媒体タンク94に戻す冷却媒体循環流路96と、前記冷却媒体タンク94内の前記冷却媒体を循環させるポンプ98とを備える。
The cooling
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1に示すように、水素タンク86から水素供給流路82に供給される水素ガスは、レギュレータ88を介して所定の圧力に減圧された後、エゼクタ90を通って燃料電池12の燃料ガス供給連通孔30aに供給される。
As shown in FIG. 1, the hydrogen gas supplied from the
図3に示すように、水素ガスは、各発電セル16を構成する燃料ガス流路32に沿って矢印B方向に移動し、アノード側電極20bに供給された後、未使用の水素を含む燃料オフガスが、燃料ガス排出連通孔30bに排出される。この燃料オフガスは、図1に示すように、水素循環流路84に排出されてエゼクタ90の吸引作用下に水素供給流路82に途上に戻された後、再度、燃料電池12に燃料ガスとして供給される。
As shown in FIG. 3, the hydrogen gas moves in the direction of arrow B along the fuel
一方、スーパーチャージャ80を介して、空気供給流路76に空気が供給される。この空気は、第3エンドプレート18cから加湿器14を構成する積層体46の空気入口連通孔48aに供給される。
On the other hand, air is supplied to the
図4に示すように、加湿器14では、第1セパレータ42の第1及び第2流路52、54が空気入口連通孔48aに連通している。このため、空気入口連通孔48aに導入された空気は、略U字状の第1及び第2流路52、54に沿って移動する。第1流路52を流れる空気は、水透過性膜40の一方の面40aに接触するとともに、第2流路54に沿って移動する空気は、他の水透過性膜40の他方の面40bに接触する(図5参照)。
As shown in FIG. 4, in the
加湿器14では、燃料電池12の発電に使用された反応済みの空気である空気オフガスが、空気オフガス入口連通孔50aに供給される。この空気オフガスは、第2セパレータ44の空気オフガス入口連通孔50aに連通する第3及び第4流路56、58に導入される。第3流路56を移動する空気オフガスは、水透過性膜40の他方の面40bに接触する一方、第4流路58に沿って移動する空気オフガスは、他の水透過性膜40の一方の面40aに接触する(図5参照)。
In the
従って、第2セパレータ44の第3流路56に沿って移動する空気オフガス中の水分は、水透過性膜40を透過し第1流路52に沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。さらに、第2流路54に沿って移動する反応前の空気は、第4流路58に沿って移動する空気オフガス中の水分により加湿される。そして、加湿された空気は、第1及び第2流路52、54に連通する空気出口連通孔48bから燃料電池12の酸化剤ガス供給連通孔26aに供給される。
Therefore, the moisture in the air off-gas that moves along the
図3に示すように、加湿された空気は、第2エンドプレート18bの孔部66及び絶縁プレート19bの孔部68bを通って各発電セル16に供給される。この加湿された空気は、セパレータ24に形成される酸化剤ガス流路36を流れることによって、カソード側電極20cに供給される。未使用の空気を含む空気オフガスは、酸化剤ガス排出連通孔26bに排出された後、上記のように、加湿器14内で加湿処理に用いられて空気オフガス出口連通孔50bから空気排出流路78に排出される(図1参照)。これにより、各発電セル16では、アノード側電極20bに供給される水素と、カソード側電極20cに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
As shown in FIG. 3, the humidified air is supplied to each
また、図1に示すように、冷却媒体供給系74では、ポンプ98の作用下に冷却媒体タンク94内の冷却媒体が、冷却媒体供給流路92から燃料電池12の冷却媒体供給連通孔28aに供給される。この冷却媒体は、図3に示すように、セパレータ22、24間に形成される冷却媒体流路34を通ることによって各発電セル16を冷却した後、冷却媒体排出連通孔28bから冷却媒体循環流路96に排出され、冷却媒体タンク94に戻される。
Further, as shown in FIG. 1, in the cooling
この場合、第1の実施形態では、図3に示すように、発電セル16の酸化剤ガス排出連通孔26bに排出された空気オフガスは、第2エンドプレート18bの溝部62に導入される。この溝部62には、連結路60が連通しており、空気オフガスは、前記連結路60を通って孔部64に供給される。この孔部64は、加湿器14の空気オフガス入口連通孔50aに対して積層方向に沿って同一直線上に連通しており、空気オフガスは、前記空気オフガス入口連通孔50aから第3及び第4流路56、58に供給されている。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the air off-gas discharged to the oxidant gas
このように、積層方向に対し同一直線上から離間して互いに並列して設けられている酸化剤ガス排出連通孔26bと空気オフガス入口連通孔50aとは、第2エンドプレート18bに形成された溝形状の連結路60を介して連通している。このため、燃料電池12及び加湿器14の外部には、酸化剤ガス排出連通孔26bと空気オフガス入口連通孔50aとを連結するための配管が配置されていない。
Thus, the oxidant gas
これにより、第1の実施形態では、配管を有効に簡素化することができ、燃料電池システム10全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になるという効果が得られる。しかも、燃料電池12と加湿器14とが直接連結されているため、第2エンドプレート18bの端面からの放熱が抑制される。従って、燃料電池12の電力特性を良好に向上させることができる。
Thereby, in 1st Embodiment, piping can be simplified effectively and the effect that the weight reduction and size reduction of the
図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム100の概略斜視説明図である。
FIG. 6 is a schematic perspective explanatory view of a
なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3及び第4の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
The same components as those of the
燃料電池システム100は、燃料電池12と平膜型加湿器104とを備える(図6及び図7参照)。加湿器104は、図8に示すように、水透過性膜112の一方の面112aに配設される第1セパレータ114と、前記水透過性膜112の他方の面112bに配設される第2セパレータ116とを設ける。
The
第1及び第2セパレータ114、116は、水透過性膜112を介装して交互に矢印A方向に積層されることにより積層体118を構成する。積層体118の矢印B方向の一端縁部には、空気オフガス出口連通孔50b及び空気出口連通孔48bが設けられる。積層体118の矢印B方向の他端縁部には、空気入口連通孔48a及び空気オフガス入口連通孔50aが設けられる。
The first and
第1セパレータ114の両面には、空気入口連通孔48aと空気出口連通孔48bとを連通し、矢印B方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第1及び第2流路120、122が設けられる。第2セパレータ116の両面には、空気オフガス入口連通孔50aと空気オフガス出口連通孔50bとを連通し、矢印B方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第3及び第4流路124、126が設けられる。
On both surfaces of the
燃料電池12の酸化剤ガス供給連通孔26aと加湿器104の空気出口連通孔48bとは、積層方向に沿って上下に並列される一方、前記燃料電池12の酸化剤ガス排出連通孔26bと前記加湿器104の空気オフガス入口連通孔50aとは、積層方向に沿って同一直線上に配置される。
The oxidant gas
図7に示すように、第2エンドプレート18bは、酸化剤ガス供給連通孔26aと空気出口連通孔48bとを連通する連結路60aを設ける。第2エンドプレート18bには、積層方向に酸化剤ガス供給連通孔26aと同一直線上に配置される溝部62aと、空気出口連通孔48bと同一直線上に配置される孔部66aとが形成される。連結路60aは、溝部62aと孔部66aとを連通する略半リング状の溝部により構成される。第2エンドプレート18bには、酸化剤ガス排出連通孔26bと空気オフガス入口連通孔50aとを連通する孔部64aが形成される。
As shown in FIG. 7, the
このように構成される第2の実施形態では、図8に示すように、反応前の空気が第1及び第2流路120、122を流れる一方、空気オフガスが第3及び第4流路124、126を流れることにより、前記反応前の空気が加湿される。加湿された空気は、空気出口連通孔48bから第2エンドプレート18bの孔部66aに導入される。
In the second embodiment configured as described above, as shown in FIG. 8, the air before the reaction flows through the first and
このため、加湿された空気は、図7に示すように、孔部66aに連通する連結路60aを通って、溝部62aから燃料電池12の酸化剤ガス供給連通孔26aに供給される。一方、燃料電池12で反応後の空気オフガスは、酸化剤ガス排出連通孔26bから空気オフガス入口連通孔50aに排出される。
Therefore, the humidified air is supplied from the
その際、積層方向に互いに並列されている酸化剤ガス供給連通孔26aと空気出口連通孔48bとは、第2エンドプレート18bに形成された溝形状の連結路60aを介して連通している。従って、燃料電池12及び加湿器104の外部には、酸化剤ガス供給連通孔26aと空気出口連通孔48bとを連結するための配管を配置する必要がない。
At that time, the oxidant gas
これにより、第2の実施形態では、配管を有効に簡素化することができ、燃料電池システム100全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
As a result, in the second embodiment, the piping can be simplified effectively, and the
図9は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム130の概略斜視説明図である。
FIG. 9 is a schematic perspective explanatory view of a
燃料電池システム130は、燃料電池12と平膜型加湿器132とを備える(図9及び図10参照)。加湿器132は、図11に示すように、水透過性膜134を第1及び第2セパレータ136、138で挟持して積層体140を構成する。
The
積層体140の矢印B方向の一端縁部には、空気オフガス出口連通孔50b及び空気入口連通孔48aが設けられる。積層体140の矢印B方向の他端縁部には、空気出口連通孔48b及び空気オフガス入口連通孔50aが設けられる。
An air off-gas
第1セパレータ136の両面には、空気入口連通孔48aと空気出口連通孔48bとを連通し、矢印B方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第1及び第2流路142、144が設けられる。第2セパレータ138の両面には、空気オフガス入口連通孔50aと空気オフガス出口連通孔50bとを連通し、矢印B方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第3及び第4流路146、148が設けられる。
On both surfaces of the
燃料電池12の酸化剤ガス供給連通孔26aと加湿器132の空気出口連通孔48bとは、積層方向に沿って左右に並列される一方、前記燃料電池12の酸化剤ガス排出連通孔26bと前記加湿器132の空気オフガス入口連通孔50aとは、積層方向に沿って同一直線上に配置される。
The oxidant gas
図10に示すように、第2エンドプレート18bは、酸化剤ガス供給連通孔26aと空気出口連通孔48bとを連通する連結路60bを設ける。第2エンドプレート18bには、積層方向に酸化剤ガス供給連通孔26aと同一直線上に配置される溝部62bと、空気出口連通孔48bと同一直線上に配置される孔部66bとが形成される。連結路60bは、溝部62bと孔部66bとを連通する幅広な略直線状の溝部により構成される。第2エンドプレート18bには、酸化剤ガス排出連通孔26bと空気オフガス入口連通孔50aとを連通する孔部64bが形成される。
As shown in FIG. 10, the
このように構成される第3の実施形態では、積層方向に互いに並列されている酸化剤ガス供給連通孔26aと空気出口連通孔48bとは、第2エンドプレート18bに形成された溝形状の連結路60bを介して連通している。このため、配管を有効に簡素化することができ、燃料電池システム130全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる等、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
In the third embodiment configured as described above, the oxidant gas
図12は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池システム160の概略斜視説明図である。
FIG. 12 is a schematic perspective explanatory view of a
燃料電池システム160は、固体高分子型燃料電池162と加湿器14とを備える。燃料電池162は、矢印A方向に積層される発電セル164を設けるとともに、前記発電セル164は、図13に示すように、電解質膜・電極構造体20を挟持するセパレータ166、168を備える。
The
発電セル164の長辺方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔26a及び酸化剤ガス排出連通孔26bが設けられる。発電セル164の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス供給連通孔30a及び燃料ガス排出連通孔30bが設けられる。
An oxidant gas
セパレータ166の電解質膜・電極構造体20に向かう面には、燃料ガス供給連通孔30a及び燃料ガス排出連通孔30bに連通する略U字状の燃料ガス流路32aが形成される。セパレータ168の電解質膜・電極構造体20に向かう面には、酸化剤ガス供給連通孔26a及び酸化剤ガス排出連通孔26bに連通する略U字状の酸化剤ガス流路36aが形成される。
A substantially U-shaped
燃料電池162の酸化剤ガス供給連通孔26aと加湿器14の空気出口連通孔48bとは、積層方向に沿って同一直線上に配置される一方、前記燃料電池162の酸化剤ガス排出連通孔26bと前記加湿器14の空気オフガス入口連通孔50aとは、積層方向に沿って対角位置に並列される。
The oxidant gas
第2エンドプレート18bは、酸化剤ガス排出連通孔26bと空気オフガス入口連通孔50aとを連通する連結路60cを設ける。第2エンドプレート18bには、積層方向に酸化剤ガス排出連通孔26bと同一直線上に配置される溝部62cと、空気オフガス入口連通孔50aと同一直線上に配置される孔部64cとが形成される。連結路60cは、溝部62cと孔部64cとを連通する幅広な略直線状の溝部により構成される。第2エンドプレート18bには、酸化剤ガス供給連通孔26aと空気出口連通孔48bとを連通する孔部66cが形成される。
The
このように構成される第4の実施形態では、積層方向に互いに並列されている酸化剤ガス供給連通孔26aと空気出口連通孔48bとは、第2エンドプレート18bに形成された溝形状の連結路60cを介して連通している。
In the fourth embodiment configured as described above, the oxidant gas
このため、配管を有効に簡素化することができ、燃料電池システム160全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる等、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、連通孔の位置を設置する自由度が向上するとともに、同一の加湿器14を用いて、種々の異なる燃料電池12、162に容易に対応することができ、汎用性に優れるという利点がある。
Therefore, the piping can be effectively simplified, and the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, such as the weight and size of the
なお、第1〜第4の実施形態では、反応前の空気を空気オフガスで加湿する構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、反応前の空気を燃料オフガス(反応後の燃料ガス)で加湿する構成、反応前の燃料ガスを空気オフガスで加湿する構成、又は反応前の燃料ガスを燃料オフガスで加湿する構成等を採用してもよい。さらに、流路形状は、略U字状やサーペンタインに限定されず、種々の形状が採用可能である。 In addition, in the 1st-4th embodiment, although the structure which humidifies the air before reaction with an air off gas is employ | adopted, it is not limited to this. For example, a configuration in which air before reaction is humidified with fuel off gas (fuel gas after reaction), a configuration in which fuel gas before reaction is humidified with air off gas, or a configuration in which fuel gas before reaction is humidified with fuel off gas is adopted. May be. Furthermore, the shape of the flow path is not limited to a substantially U shape or serpentine, and various shapes can be employed.
10、100、130、160…燃料電池システム
12、162…燃料電池 14、104、132…加湿器
16、164…発電セル 18a〜18c…エンドプレート
20a…固体高分子電解質膜 20b…アノード側電極
20c…カソード側電極
22、24、42、44、114、116、136、138、166、168…セパレータ
26a…酸化剤ガス供給連通孔 26b…酸化剤ガス排出連通孔
28a…冷却媒体供給連通孔 28b…冷却媒体排出連通孔
30a…燃料ガス供給連通孔 30b…燃料ガス排出連通孔
32、32a…燃料ガス流路 34…冷却媒体流路
36、36a…酸化剤ガス流路 40、112、134…水透過性膜
46、118、140…積層体 48a…空気入口連通孔
48b…空気出口連通孔 50a…空気オフガス入口連通孔
50b…空気オフガス出口連通孔
52〜58、120〜126、142〜148…流路
62、62a〜62c…溝部
64、64a〜64c、66、66a〜66c…孔部
70…酸化剤ガス供給系 72…燃料ガス供給系
74…冷却媒体供給系
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記平膜型加湿器は、加湿された前記一方の反応ガスを前記固体高分子型燃料電池に供給する反応ガス出口連通孔を前記積層方向に沿って設け、
前記固体高分子型燃料電池は、加湿された前記一方の反応ガスが導入される反応ガス供給連通孔を前記積層方向に沿って且つ前記反応ガス出口連通孔と並列して設けるとともに、
前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス供給連通孔とは、前記固体高分子型燃料電池と前記平膜型加湿器との間に介装されるプレート部材に形成される連結路を介して連通することを特徴とする燃料電池システム。 A polymer electrolyte fuel cell and a flat membrane humidifier provided with a water permeable membrane for humidifying at least one reaction gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell with a humidified fluid are stacked in the stacking direction. A fuel cell system,
The flat membrane humidifier is provided with a reaction gas outlet communication hole for supplying the humidified reaction gas to the polymer electrolyte fuel cell along the stacking direction,
The polymer electrolyte fuel cell is provided with a reaction gas supply communication hole into which the one of the humidified reaction gases is introduced along the stacking direction and in parallel with the reaction gas outlet communication hole,
The reaction gas outlet communication hole and the reaction gas supply communication hole communicate with each other through a connection path formed in a plate member interposed between the polymer electrolyte fuel cell and the flat membrane humidifier. A fuel cell system.
前記平膜型加湿器は、前記固体高分子型燃料電池から前記加湿流体であるオフガスが排出されるオフガス入口連通孔を前記積層方向に沿って設け、
前記固体高分子型燃料電池は、前記オフガスを排出するオフガス排出連通孔を前記積層方向に沿って且つ前記オフガス入口連通孔と並列して設けるとともに、
前記オフガス入口連通孔と前記オフガス排出連通孔とは、前記固体高分子型燃料電池と前記平膜型加湿器との間に介装されるプレート部材に形成される連結路を介して連通することを特徴とする燃料電池システム。 A polymer electrolyte fuel cell and a flat membrane humidifier provided with a water permeable membrane for humidifying at least one reaction gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell with a humidified fluid are stacked in the stacking direction. A fuel cell system,
The flat membrane humidifier is provided with an off-gas inlet communication hole through which the off-gas as the humidifying fluid is discharged from the solid polymer fuel cell along the stacking direction,
The polymer electrolyte fuel cell is provided with an offgas discharge communication hole for discharging the offgas along the stacking direction and in parallel with the offgas inlet communication hole,
The off-gas inlet communication hole and the off-gas discharge communication hole communicate with each other via a connection path formed in a plate member interposed between the polymer electrolyte fuel cell and the flat membrane humidifier. A fuel cell system.
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