JP2008140577A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2008140577A
JP2008140577A JP2006323163A JP2006323163A JP2008140577A JP 2008140577 A JP2008140577 A JP 2008140577A JP 2006323163 A JP2006323163 A JP 2006323163A JP 2006323163 A JP2006323163 A JP 2006323163A JP 2008140577 A JP2008140577 A JP 2008140577A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
water
air
fuel
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006323163A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenji Kato
憲二 加藤
Koichi Shiraishi
剛一 白石
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Equos Research Co Ltd
Original Assignee
Equos Research Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Equos Research Co Ltd filed Critical Equos Research Co Ltd
Priority to JP2006323163A priority Critical patent/JP2008140577A/en
Publication of JP2008140577A publication Critical patent/JP2008140577A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress that impurities penetrate into a polymer electrolyte membrane and an electrode or the like to constitute a fuel cell. <P>SOLUTION: In the fuel cell in which power generation is carried out by reacting a fuel gas and an oxidation gas via the polymer electrolyte membrane 23, a water repellent layer 21c is installed at a surface of an oxygen electrode 21 contacting the polymer electrolyte membrane 23. On the other hand, by spraying fog like water to the air supplied to the oxygen electrode 21 from a nozzle 55, the impurities d in the air is made to be contained into water drops w, and the water drops dw containing the impurities d contact the oxygen electrode. Since the oxygen electrode 21 has the water repellent layer 21c on the surface, it repels the water drops dw and suppresses penetration of the impurities into the oxygen electrode 21 and the electrolyte membrane 23. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池の電極内部への不純物の進入が抑止される燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system in which entry of impurities into an electrode of a fuel cell is suppressed.

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムでは、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス(主として空気中の酸素)が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。
このような燃料電池システムにおいて、特許文献1に示されているように、酸化ガスとして外気を導入するタイプでは、外気中に含まれる塵埃などが燃料電池内や導風路などに滞留することを抑制するため、空気導入ファンの吸入口にフィルターが設けられている。
特開2005−44665号
Conventionally, in a fuel cell system including a fuel cell stack using a polymer electrolyte membrane, a fuel chamber and an oxygen chamber exist on both sides of the electrolyte membrane, and the fuel gas in the fuel chamber passes through the fuel electrode or oxygen Oxidizing gas (mainly oxygen in the air) in the chamber is ionized through the oxygen electrode, and the ions are taken out through the electrolyte membrane to obtain electric power.
In such a fuel cell system, as shown in Patent Document 1, in a type in which outside air is introduced as an oxidizing gas, dust or the like contained in the outside air stays in the fuel cell or in the air duct. In order to suppress this, a filter is provided at the inlet of the air introduction fan.
JP-A-2005-44665

しかしながら、従来の燃料電池システムは、空気導入ファンの吸入口に設けたフィルタの細孔径よりも大きな不純物の進入を防止できるが、空気中に存在する塵埃、海塩に含まれる金属イオンの進入を防止することができない。
このような金属イオンは、燃料電池内に進入し滞留すると、高分子電解質膜や電極を構成するイオン交換樹脂と結合してイオン伝導性を低下させ、燃料電池自体の発電性能を低下させてしまうといった問題があった。
この問題を解決するために、定期的にイオン交換樹脂を洗浄し不純物を除去することも考えられるが、装置が大掛かりになってしまい、現実的でない。
However, the conventional fuel cell system can prevent the entry of impurities larger than the pore diameter of the filter provided at the intake port of the air introduction fan, but prevents the entry of metal ions contained in dust and sea salt in the air. It cannot be prevented.
When such metal ions enter and stay in the fuel cell, they are combined with the polymer electrolyte membrane and the ion exchange resin constituting the electrode to lower the ionic conductivity and reduce the power generation performance of the fuel cell itself. There was a problem.
In order to solve this problem, it is conceivable to periodically clean the ion exchange resin to remove impurities, but the apparatus becomes large and is not practical.

そこで、本発明の目的は、上記事実に鑑みて成されたものであり、燃料電池内に外気を通して不純物金属イオンが進入することを抑制した燃料電池システムを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention has been made in view of the above-described facts, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system in which impurity metal ions are prevented from entering the fuel cell through outside air.

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
(1) 電解質層の一側に燃料極、他側に酸素極を有する燃料電池と、
前記酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスに液体を接触させる液体接触手段と、
前記酸化極の表面に形成された撥水層とを備え、
前記撥水層は、前記酸化ガスを通すが前記液体を通さない多数の細孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
The present invention for solving the above problems has the following configuration.
(1) a fuel cell having a fuel electrode on one side of the electrolyte layer and an oxygen electrode on the other side;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the oxygen electrode;
Liquid contact means for bringing a liquid into contact with the oxidizing gas supplied to the fuel cell;
A water repellent layer formed on the surface of the oxidation electrode,
The water repellent layer is formed with a plurality of pores through which the oxidizing gas passes but not through the liquid.

(2) 前記液体接触手段は、酸化ガス中に前記液体を霧状に噴射する噴霧装置であることを特徴とする上記(1)に記載の燃料電池システム。   (2) The fuel cell system according to (1), wherein the liquid contact means is a spray device that injects the liquid into an oxidizing gas in the form of a mist.

(3) 上記(1)又は(2)に記載の構成に加え、前記燃料電池の排気ガス中の液体から不純物を回収する不純物回収装置を有する燃料電池システム。   (3) A fuel cell system having an impurity recovery device that recovers impurities from the liquid in the exhaust gas of the fuel cell in addition to the configuration described in (1) or (2) above.

請求項1記載の発明によれば、供給手段によって燃料電池に送られる酸化ガスは、液体接触手段により液体に接触することによって、ガス中に含まれている不純物が液体にトラップされる。酸化極の撥水層によって、不純物をトラップした液体は弾かれ、かつ、細孔は、液体を通さないので、不純物をトラップした液体は、酸化極内に進入することなく、燃料電池の外へ排出される。これにより、燃料電池内に不純物が進入し、あるいは残留することが抑制され、燃料電池の性能を従来よりも長期間維持できる。   According to the first aspect of the present invention, the oxidizing gas sent to the fuel cell by the supply means comes into contact with the liquid by the liquid contact means, so that impurities contained in the gas are trapped in the liquid. The liquid that trapped the impurities is repelled by the water-repellent layer of the oxidation electrode, and the pores do not pass the liquid. Therefore, the liquid that traps the impurities does not enter the oxidation electrode and goes out of the fuel cell. Discharged. This suppresses impurities from entering or remaining in the fuel cell, so that the performance of the fuel cell can be maintained for a longer period than before.

請求項2記載の発明によれば、酸化ガス中に液体を霧状にして噴射することで、酸化ガスと液体との接触する機会が増え、より多くの不純物を液体にトラップさせることができる。
請求項3記載の発明によれば、回収した液体から不純物を分離することで、回収した液体を噴霧用の液体として再利用が可能となる。
According to the second aspect of the present invention, by spraying the liquid in the oxidizing gas in the form of a mist, the chance of contact between the oxidizing gas and the liquid increases, and more impurities can be trapped in the liquid.
According to the invention described in claim 3, by separating the impurities from the recovered liquid, the recovered liquid can be reused as a spraying liquid.

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、この発明の燃料電池システム1の構成を示すブロック図である。図1に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック100、水素貯蔵タンク11を含む燃料供給系10、空気供給系12、水供給系50、負荷系7に大略構成される。
図2および図3に基づいて燃料電池スタック100の構成について説明する。図2は、燃料電池スタック10の部分断面側面図、図3は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。 燃料電池スタック100は、燃料電池としての単位セル2と、セパレータ3とを備えている。単位セル2は、空気極である酸素極21と燃料極22とで固体高分子電解質膜23を挟持した構成となっている。
セパレータ3は、酸素極21と燃料極22にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材31と、集電部材31と単位セル2との間に介挿され、単位セル2の周端部に重ねられる介挿部材33とを有している。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 is roughly configured by a fuel cell stack 100, a fuel supply system 10 including a hydrogen storage tank 11, an air supply system 12, a water supply system 50, and a load system 7. .
The configuration of the fuel cell stack 100 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. 2 is a partial sectional side view of the fuel cell stack 10, and FIG. 3 is a partial sectional perspective view of the fuel cell stack. The fuel cell stack 100 includes a unit cell 2 as a fuel cell and a separator 3. The unit cell 2 has a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane 23 is sandwiched between an oxygen electrode 21 that is an air electrode and a fuel electrode 22.
The separator 3 is inserted between the current collecting member 31 and the unit cell 2 for contacting the oxygen electrode 21 and the fuel electrode 22 and taking out current to the outside. It has the insertion member 33 overlapped with an edge part.

集電部材31は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材31としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
集電部材31の、燃料極22に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部311が等間隔で複数形成され、該凸部311の間には、溝312がそれぞれ形成される。つまり、凸部311と溝312は、交互に配置された形状となっている。凸部311は、最も突出した峰の平面部が燃料極22に接触する接触部313となっており、この接触部313を介して燃料極22と通電可能となる。溝312と、燃料極22の表面とによって、燃料ガスとしての水素ガスが流通する燃料ガス流通路315が形成される。
The current collecting member 31 is made of a material having conductivity and corrosion resistance. The current collecting member 31 is made of a material such as carbon or metal, for example. In the case of being made of metal, for example, a material such as stainless steel, nickel alloy, titanium alloy or the like that has been subjected to corrosion-resistant conductive treatment can be used. Here, the corrosion-resistant conductive treatment includes, for example, gold plating.
On the surface of the current collecting member 31 that is in contact with the fuel electrode 22, a plurality of convex portions 311 bulging continuously in a straight line are formed at equal intervals, and grooves 312 are formed between the convex portions 311. The That is, the convex part 311 and the groove | channel 312 are the shapes arrange | positioned alternately. The convex portion 311 is a contact portion 313 in which the flat portion of the peak that protrudes most is in contact with the fuel electrode 22, and the fuel electrode 22 can be energized through the contact portion 313. The groove 312 and the surface of the fuel electrode 22 form a fuel gas flow passage 315 through which hydrogen gas as fuel gas flows.

凸部311の両端には、凸部311に直交する方向に溝314、314が形成され、この溝314と燃料極22の表面とによって、燃料ガス流路316が形成される。複数の燃料ガス流通路315は、両端部で燃料ガス流路316にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路315と一対の燃料ガス流路316とによって、燃料極22へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部30が構成される。
燃料ガス保持部30には、燃料ガス供給孔318と燃料ガス排出孔317とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔318から燃料ガス保持部30内に流入し、燃料極22に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔317から流出する。この実施形態では、集電部材31は、矩形であり、燃料ガス供給孔318と燃料ガス排出孔317は、集電部材31の平面視における図心を中心として点対称の位置に(対角線方向)に、それぞれ配置されている。図2には、燃料ガス供給孔318が示されている。以上のように、燃料ガス保持部30は、各セパレータ3と単位セル2の間にそれぞれ形成されている。
Grooves 314 and 314 are formed at both ends of the convex portion 311 in a direction orthogonal to the convex portion 311, and a fuel gas flow path 316 is formed by the groove 314 and the surface of the fuel electrode 22. The plurality of fuel gas flow paths 315 communicate with the fuel gas flow path 316 at both ends, and the plurality of fuel gas flow paths 315 and the pair of fuel gas flow paths 316 provide hydrogen to the fuel electrode 22. A fuel gas holding unit 30 for supplying gas is configured.
A fuel gas supply hole 318 and a fuel gas discharge hole 317 are formed in the fuel gas holding part 30, and hydrogen gas flows into the fuel gas holding part 30 from the fuel gas supply hole 318 and supplies hydrogen to the fuel electrode 22. However, it flows out from the fuel gas discharge hole 317. In this embodiment, the current collecting member 31 has a rectangular shape, and the fuel gas supply hole 318 and the fuel gas discharge hole 317 are positioned symmetrically with respect to the centroid in a plan view of the current collecting member 31 (in the diagonal direction). Are arranged respectively. FIG. 2 shows a fuel gas supply hole 318. As described above, the fuel gas holding unit 30 is formed between each separator 3 and the unit cell 2.

各燃料ガス保持部30の燃料ガス供給孔318は、燃料電池スタック100内の一方の端部において、集電部材31の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路319aにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔317は、燃料電池スタック100内の他方の端部において、集電部材31の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路319bにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路319aと各燃料ガス供給孔318によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部30に分配する燃料ガスマニホールド34が構成される。一対の燃料ガス排出通路319a、319bの一方は、燃料ガス供給流路201Bに接続され、他方は、ガス循環流路202に接続される。   The fuel gas supply hole 318 of each fuel gas holding unit 30 communicates with a fuel gas supply passage 319a formed in the stacking direction of the current collector 31 at one end in the fuel cell stack 100, The fuel gas discharge holes 317 communicate with the fuel gas discharge passages 319b formed in the stacking direction of the current collecting members 31 at the other end in the fuel cell stack 100, respectively. A fuel gas manifold 34 that distributes the fuel gas to the fuel gas holding portions 30 is configured by the fuel gas supply passage 319 a and the fuel gas supply holes 318. One of the pair of fuel gas discharge passages 319a and 319b is connected to the fuel gas supply channel 201B, and the other is connected to the gas circulation channel 202.

集電部材31の、酸素極21に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部321が等間隔で複数形成され、該凸部321の間には、溝322がそれぞれ形成される。つまり、凸部321と溝322は、交互に配置された形状となっている。凸部321は、最も突出した峰の平面部が酸素極21に接触する接触部323となっており、この接触部323を介して酸素極21と通電可能となる。溝322と、酸素極21の表面とによって、酸化ガスとしての空気が流通する空気流通路325が形成される。溝322は、集電部材31の両端部に達しており、空気流通路325の上下端は、燃料電池スタック100の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部326を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部327を形成している。空気流入部326から流入した空気は、空気流通路325において、酸素極21と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部327へ導かれる。このように構成された燃料電池スタック100の鉛直上側には、空気マニホールド54が設けられている。空気流入部326の集合体によって導入口43が構成され、空気流出部327によって導出口44が構成される。   On the surface of the current collecting member 31 that comes into contact with the oxygen electrode 21, a plurality of convex portions 321 bulging continuously in a straight line are formed at equal intervals, and grooves 322 are formed between the convex portions 321. The That is, the convex part 321 and the groove | channel 322 become the shape arrange | positioned alternately. The convex portion 321 is a contact portion 323 in which the flat portion of the peak that protrudes most is in contact with the oxygen electrode 21, and the oxygen electrode 21 can be energized through the contact portion 323. An air flow passage 325 through which air as an oxidizing gas flows is formed by the groove 322 and the surface of the oxygen electrode 21. The groove 322 reaches both ends of the current collecting member 31, and the upper and lower ends of the air flow passage 325 communicate with an opening that communicates with the outside of the fuel cell stack 100. One of the opening portions at both ends forms an air inflow portion 326 through which air flows, and the other opening forms an air outflow portion 327 through which air flows out. The air flowing in from the air inflow portion 326 is guided to the air outflow portion 327 while contacting the oxygen electrode 21 in the air flow passage 325 and supplying oxygen to the oxygen electrode. An air manifold 54 is provided on the vertically upper side of the fuel cell stack 100 configured as described above. The inlet 43 is constituted by the aggregate of the air inflow portions 326, and the outlet 44 is constituted by the air outflow portions 327.

図4は、酸化極である酸素極21の構成を模式的に示す燃料電池の断面図である。酸素極21は、固体高分子電解質膜23側から、触媒層21a、拡散層21b、撥水層21cの順で、層を有しており、酸素ガスに接触する面が、撥水層21cとなっている。撥水層21cには、図示されていないが、細孔が多数形成されている。この細孔の径は、水が空気中で形成する水滴の最小径よりも小さい径に形成されている。金属イオンなどの不純物を含んだ水滴は、撥水層21cによって跳ね返され、撥水層21cの内側へ進入することが容易でなくなり、拡散層21b、触媒層21aひいては電解質膜23への不純物の進入が抑制される。また、細孔を介して酸素は供給される。このように、水にトラップされた不純物は、単位セル2内への進入が抑制される。   FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell schematically showing the configuration of the oxygen electrode 21 that is an oxidation electrode. The oxygen electrode 21 has layers in the order of the catalyst layer 21a, the diffusion layer 21b, and the water repellent layer 21c from the solid polymer electrolyte membrane 23 side, and the surface in contact with the oxygen gas is the same as the water repellent layer 21c. It has become. Although not shown, the water repellent layer 21c has a large number of pores. The diameter of the pores is smaller than the minimum diameter of water droplets that water forms in the air. Water droplets containing impurities such as metal ions are bounced off by the water repellent layer 21c and cannot easily enter the inside of the water repellent layer 21c, and the impurities enter the diffusion layer 21b, the catalyst layer 21a, and thus the electrolyte membrane 23. Is suppressed. In addition, oxygen is supplied through the pores. In this way, the impurities trapped in the water are suppressed from entering the unit cell 2.

次に、図1に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系10の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク11には、燃料ガス供給流路201A、201Bを介して燃料電池スタック100のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路201Aには、水素元バルブ18、一次圧センサS0、レギュレータ19、二次圧センサS1、第1ガス供給弁20及び水素調圧弁28、第2ガス供給弁29、三次圧センサS2が順に設けられ、この燃料ガス供給流路201Aは、燃料ガス供給流路201Bの一端に接続している。燃料ガス供給流路201Bの他端は、燃料電池スタック100の上記ガス取入口201BのINに接続されている。燃料電池スタック100のガス排出口には、ガス排出流路202の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路201Bに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路202には、燃料電池スタック100のガス排出口側から順に、トラップ24、循環ポンプ25、循環電磁弁26が配置されている。トラップ24には、水レベルセンサS10が取り付けられ、さらに、ガス導出路203の一端が接続されている。ガス導出路203の他端は、空気ダクト124に接続されている。ガス導出路203には、排気電磁弁27が設けられている。   Next, the configuration of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described. The configuration of the fuel supply system 10 will be described. A hydrogen storage tank 11 that is a fuel gas cylinder is connected to a gas intake port of the fuel cell stack 100 via fuel gas supply channels 201A and 201B. The fuel gas supply passage 201A includes a hydrogen source valve 18, a primary pressure sensor S0, a regulator 19, a secondary pressure sensor S1, a first gas supply valve 20, a hydrogen pressure regulating valve 28, a second gas supply valve 29, and a tertiary pressure sensor. S2 is sequentially provided, and the fuel gas supply channel 201A is connected to one end of the fuel gas supply channel 201B. The other end of the fuel gas supply channel 201B is connected to the IN of the gas inlet 201B of the fuel cell stack 100. One end of a gas discharge channel 202 is connected to the gas discharge port of the fuel cell stack 100, and the other end is connected to the fuel gas supply channel 201B to constitute a fuel gas circulation channel. In the gas discharge channel 202, a trap 24, a circulation pump 25, and a circulation electromagnetic valve 26 are arranged in this order from the gas discharge port side of the fuel cell stack 100. A water level sensor S10 is attached to the trap 24, and one end of the gas outlet path 203 is connected to the trap 24. The other end of the gas outlet path 203 is connected to the air duct 124. An exhaust solenoid valve 27 is provided in the gas outlet passage 203.

次に空気供給系12について説明する。空気供給系12は、酸化ガス供給手段である空気ファン122、空気導入路123、空気マニホールド54、空気排出路である空気ダクト124等を備えている。空気導入路123には、フィルタ121、空気ファン122、空気マニホールド54の順で流入方向に沿って設けられている。
空気導入路123内には、空気マニホールド54内の直前位置に、水を空気導入路123内へ向けて噴射するノズル55が設けられている。液体接触手段としての噴霧装置であるノズル55は、空気マニホールド54内に設けられていてもよい。ノズル55は、霧状にした水を噴射する。噴射された霧状水は、空気導入路123の横断面全域に渡って充満するように、噴射される。また、水は可能な限り細かい粒子となるように噴射される。このように構成することによって、酸化ガスである空気と水とが接触する頻度が増え、水の接触により不純物が水にトラップ(水中に取り入れられる)される量が増加する。このような不純物の水へのトラップは、ガスが攪拌されている状態で、容易に起きる傾向があるので、例えば、空気ファン122の吸入口の直前に、ノズル55を設け、空気とともに霧状の水を空気ファン122内で攪拌し、燃料電池スタック100へ導風する構成としてもよい。
Next, the air supply system 12 will be described. The air supply system 12 includes an air fan 122 that is an oxidizing gas supply means, an air introduction path 123, an air manifold 54, an air duct 124 that is an air discharge path, and the like. In the air introduction path 123, a filter 121, an air fan 122, and an air manifold 54 are provided in this order along the inflow direction.
In the air introduction path 123, a nozzle 55 that injects water toward the air introduction path 123 is provided at a position immediately before the air manifold 54. The nozzle 55 which is a spray device as the liquid contact means may be provided in the air manifold 54. The nozzle 55 injects water made into mist. The sprayed mist water is sprayed so as to fill the entire cross section of the air introduction path 123. Moreover, water is injected so that it may be as fine as possible. By configuring in this way, the frequency of contact between the oxidizing gas air and water increases, and the amount of impurities trapped in water (taken into water) by the water contact increases. Such trapping of impurities in water tends to occur easily in a state where the gas is stirred. For example, a nozzle 55 is provided immediately before the inlet of the air fan 122, and a mist-like state is formed together with air. The water may be stirred in the air fan 122 and guided to the fuel cell stack 100.

空気マニホールド54は、燃料電池スタック100の導入口43に空気を分割して流入させる。
燃料電池スタック100の空気導出口には、排気マニホールド53A1が接続され、導出口44から排出された空気は、排気マニホールド53A1によって合流され、空気ダクト124へ送られる。また、排気マニホールド53A1は、導出口44から滴り落ちる水を回収する。
The air manifold 54 divides and flows the air into the inlet 43 of the fuel cell stack 100.
An exhaust manifold 53A1 is connected to the air outlet of the fuel cell stack 100, and the air discharged from the outlet 44 is merged by the exhaust manifold 53A1 and sent to the air duct 124. Further, the exhaust manifold 53A1 collects water dripping from the outlet 44.

空気ダクト124は、導出口44から流出した空気を、凝縮器51を介して外部へ導流する。空気ダクト124の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器51が設けられ、続いてフィルタ125が接続されている。凝縮器51は、空気から水分取り出す。また、ノズル55から供給された水の内、燃料電池スタック100内で蒸発した水分も、ここで回収される。排気マニホールド53A1で回収された水と、凝縮器51で回収された水は、後述するように、水タンク531へ回収される。空気ダクト124には、排気温度センサS9が設けられ、燃料電池スタック100内の温度が間接的に検出される。 The air duct 124 guides the air flowing out from the outlet 44 to the outside via the condenser 51. A condenser 51 to which a fan is attached is provided at the end of the air duct 124, and a filter 125 is subsequently connected. The condenser 51 extracts moisture from the air. Further, the water evaporated in the fuel cell stack 100 in the water supplied from the nozzle 55 is also collected here. The water collected by the exhaust manifold 53A1 and the water collected by the condenser 51 are collected in the water tank 531 as will be described later. The air duct 124 is provided with an exhaust temperature sensor S9, and the temperature in the fuel cell stack 100 is indirectly detected.

次に、水供給系について説明する。水供給系50は、貯水手段としての水タンク531と、排気マニホールド53A1と凝縮器51で回収した水を水タンク531へ導く導水路57と、水タンク531の水をノズル55へ導く給水路56と、回収した水から不純物を取り除く不純物回収装置を有する。導水路57には、回収ポンプ62が設けられている。回収ポンプ62は、凝縮器51で排気ガスから取り出された水を、水タンク531へ送り込む。給水路56には、不純物回収装置であるフィルタ64、水供給手段である供給ポンプ61が順に設けられている。水タンク531には、水位センサS5と、貯水量検出手段であるタンク水位センサS7が設けられている。   Next, the water supply system will be described. The water supply system 50 includes a water tank 531 serving as a water storage means, a water conduit 57 that guides water collected by the exhaust manifold 53A1 and the condenser 51 to the water tank 531, and a water supply passage 56 that guides water from the water tank 531 to the nozzle 55. And an impurity recovery device for removing impurities from the recovered water. A collection pump 62 is provided in the water conduit 57. The recovery pump 62 sends the water extracted from the exhaust gas by the condenser 51 to the water tank 531. In the water supply channel 56, a filter 64 as an impurity recovery device and a supply pump 61 as a water supply means are provided in this order. The water tank 531 is provided with a water level sensor S5 and a tank water level sensor S7 which is a storage amount detection means.

フイルター64は、活性炭等の吸着作用により不純物を分離する材料や、中空糸膜のように不純物をろ過する材料、或いは、イオン交換樹脂が用いられる。これらの構成要素を有する不純物回収装置は、例えば、水タンク531内に収容されていてもよい。不純物回収装置によって不純物が除かれた水は、再びノズル55から霧状に噴射され、不純物を空気からトラップする。   The filter 64 is made of a material that separates impurities by an adsorption action such as activated carbon, a material that filters impurities like a hollow fiber membrane, or an ion exchange resin. The impurity recovery apparatus having these components may be accommodated in the water tank 531, for example. The water from which impurities have been removed by the impurity recovery device is again sprayed in a mist form from the nozzle 55 to trap the impurities from the air.

燃料電池スタック100には、負荷系7が接続されており、燃料電池スタック100で出力される電力は、この負荷系7に供給される。燃料電池スタック100の電極は、配線71を介してインバータ73に接続され、インバータ73からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ73には、切換回路である双方向コンバータ75を介して補助電源76が接続されている。補助電源76は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系7には、燃料電池スタック100の出力電圧を検出する電圧センサS4と、同じく出力電流を検出する電流センサS3が設けられている。   A load system 7 is connected to the fuel cell stack 100, and electric power output from the fuel cell stack 100 is supplied to the load system 7. The electrode of the fuel cell stack 100 is connected to an inverter 73 via a wiring 71, and electric power is supplied from the inverter 73 to a load such as a motor. An auxiliary power source 76 is connected to the inverter 73 via a bidirectional converter 75 that is a switching circuit. The auxiliary power source 76 can be constituted by, for example, a battery or a capacitor. The load system 7 is provided with a voltage sensor S4 for detecting the output voltage of the fuel cell stack 100 and a current sensor S3 for detecting the output current.

図4に示されているように、上記構成において、酸化ガスである空気は、空気ファン122によって吸入される際、フィルタ121によって、比較的大きな不純物d(大きな塵埃等)は分離され、さらに燃料電池スタック100へ送られる。導風された空気には、ノズル55から、霧状の水が吹き付けられ、金属イオン等の不純物は、水滴w内にトラップされる。
フィルタ121を通過した不純物dをトラップした水滴dwは、酸素極21の撥水層21cによって、不純物dとともに跳ね返され、不純物dの電極内への進入が抑制される。撥水層21cによって弾かれた水dwは、空気とともに燃料電池スタック100の外際へ排出される。一方、空気中の酸素は、撥水層21cの細孔を介して撥水層21cを通過し、電解質膜23で反応する。
As shown in FIG. 4, in the above configuration, when the air that is the oxidizing gas is sucked by the air fan 122, relatively large impurities d (large dust or the like) are separated by the filter 121, and further the fuel. It is sent to the battery stack 100. Mist-like water is sprayed from the nozzle 55 to the guided air, and impurities such as metal ions are trapped in the water droplets w.
The water droplet dw trapping the impurity d that has passed through the filter 121 is rebounded together with the impurity d by the water repellent layer 21c of the oxygen electrode 21, and the entry of the impurity d into the electrode is suppressed. The water dw repelled by the water repellent layer 21c is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 together with air. On the other hand, oxygen in the air passes through the water repellent layer 21 c through the pores of the water repellent layer 21 c and reacts with the electrolyte membrane 23.

以上説明した構成の他、撥水層21cに形成されている細孔の径を、所定の大きさに設定し、ノズ55から噴射される水滴の径を、細孔の径よりも大きくなるようにノズルの構造を調整してもよい。
この他、液体接触手段として、噴霧装置(ノズル55)の他、水の張られた水槽中に空気をバブリングする構成としてもよい。この場合には、水と空気との接触頻度を高めるために、空気を微泡化することが好ましい。
また、上記構成は、酸素極における構成を挙げたが、水素極においても、撥水層を表面に設け、燃料ガス導入路中に水に接触させる接触手段としての噴霧装置を設けた構成としてもよい。このような構成とすることによって、燃料ガスに含まれる不純物が燃料電池内に進入し、滞留することを抑制することができる。
In addition to the configuration described above, the diameter of the pores formed in the water-repellent layer 21c is set to a predetermined size so that the diameter of the water droplets ejected from the nose 55 is larger than the diameter of the pores. The nozzle structure may be adjusted.
In addition, as a liquid contact means, it is good also as a structure which bubbles air in the water tank filled with water other than the spraying apparatus (nozzle 55). In this case, in order to increase the contact frequency between water and air, it is preferable to make air fine.
Moreover, although the said structure mentioned the structure in an oxygen electrode, also in a hydrogen electrode, it is good also as a structure which provided the spraying device as a contact means to provide a water-repellent layer on the surface and to contact water in a fuel gas introduction path. Good. By adopting such a configuration, it is possible to suppress impurities contained in the fuel gas from entering and staying in the fuel cell.

さらに、本実施形態では、金属イオンを補集するための液体として水を用いた場合について説明したが、液体は、純水や水道水以外にも界面活性剤などの添加剤を加えたものや、アルコールなどでもよい。
尚、本実施形態にあっては、多数の燃料電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに適用したが、燃料電池を面方向に接続した燃料電池集合体に適用しても良いことは言うまでもない。
Furthermore, in the present embodiment, the case where water is used as a liquid for collecting metal ions has been described. However, the liquid may be one obtained by adding an additive such as a surfactant in addition to pure water or tap water. Or alcohol.
Although the present embodiment is applied to a fuel cell system including a fuel cell stack in which a large number of fuel cells are stacked, it may be applied to a fuel cell assembly in which fuel cells are connected in a plane direction. Needless to say.

この発明の燃料電池システム1を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system 1 of the present invention. 燃料電池スタックの部分断面側面図である。It is a partial cross section side view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの部分断面斜視図である。It is a partial cross section perspective view of a fuel cell stack. 燃料電池の構成と空気供給系を示す摸式図である。It is a model diagram which shows the structure and air supply system of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
122 空気ファン
123 空気導入路
21 酸素極
21a 触媒層
21b 拡散層
21c 撥水層
531 水タンク
53A1 排気マニホールド
54 空気マニホールド
55 ノズル
61 供給ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 100 Fuel cell stack 122 Air fan 123 Air introduction path 21 Oxygen electrode 21a Catalyst layer 21b Diffusion layer 21c Water repellent layer 531 Water tank 53A1 Exhaust manifold 54 Air manifold 55 Nozzle 61 Supply pump

Claims (3)

電解質層の一側に燃料極、他側に酸素極を有する燃料電池と、
前記酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスに液体を接触させる液体接触手段と、
前記酸化極の表面に形成された撥水層とを備え、
前記撥水層は、前記酸化ガスを通すが前記液体を通さない多数の細孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having a fuel electrode on one side of the electrolyte layer and an oxygen electrode on the other side;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the oxygen electrode;
Liquid contact means for bringing a liquid into contact with the oxidizing gas supplied to the fuel cell;
A water repellent layer formed on the surface of the oxidation electrode,
The water repellent layer is formed with a plurality of pores through which the oxidizing gas passes but not through the liquid.
前記液体接触手段は、酸化ガス中に前記液体を霧状に噴射する噴霧装置であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the liquid contact unit is a spraying device that sprays the liquid into an oxidizing gas in a mist form. 3. 請求項1又は2に記載の構成に加え、前記燃料電池の排気ガス中の液体から不純物を回収する不純物回収装置を有する燃料電池システム。   A fuel cell system having an impurity recovery device that recovers impurities from a liquid in exhaust gas of the fuel cell in addition to the configuration according to claim 1 or 2.
JP2006323163A 2006-11-30 2006-11-30 Fuel cell system Pending JP2008140577A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006323163A JP2008140577A (en) 2006-11-30 2006-11-30 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006323163A JP2008140577A (en) 2006-11-30 2006-11-30 Fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008140577A true JP2008140577A (en) 2008-06-19

Family

ID=39601840

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006323163A Pending JP2008140577A (en) 2006-11-30 2006-11-30 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008140577A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010009004B4 (en) Anode reactant treatment system with an anode water separator for a fuel cell system
JP4109667B2 (en) Humidifier
EP2963710B1 (en) Gas flow path forming bodies of fuel cell, and fuel cell
US8431278B2 (en) Passive water drain
US8277996B2 (en) Fuel cell
JP2008103241A (en) Fuel cell
JP2007026856A (en) Fuel cell stack
JP2004259535A (en) Fuel cell stack
JP4810869B2 (en) Fuel cell system
JP7283168B2 (en) gas-liquid separator
JP2008140577A (en) Fuel cell system
JP2008152936A (en) Fuel cell system
US7824818B2 (en) Fuel cell stack with water removal projections at air outlets
JP2014072096A (en) Gas-liquid separator of fuel cell system
JP5330736B2 (en) Fuel cell system
JP4036760B2 (en) Separator structure for polymer electrolyte fuel cell
JP2003272666A (en) Fuel cell
JP5168847B2 (en) Fuel cell system
JP2009238669A (en) Fuel cell system
JP2006260787A (en) Fuel cell stack
JP2017195052A (en) Fuel cell system
CN106104114B (en) Control valve for fluids
JP2007227276A (en) Fuel cell system
JP5211420B2 (en) Fuel cell system
JP2008130484A (en) Fuel cell system