JP2008171587A

JP2008171587A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2008171587A
Application number: JP2007001375A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Shibata; 和則柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-07-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of operating a fuel cell at a high efficiency by improving efficiency of a reaction in each cell in the fuel cell system using a dead end method. <P>SOLUTION: The fuel cell system has a fuel cell stack in which cells having an anode to which a fuel gas is supplied, a cathode to which an oxidation gas is supplied, and a porous body flow passage to supply a fuel gas to the anode are laminated in a plurality of numbers, and has a stack case to house the fuel cell stack. The fuel gas introduced and diffused into the interior of the stack case 4 from the exterior flows into the porous body flow passage from a flow passage 28. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排出される燃料オフガスの流路を閉じて運転を行う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 that operates by closing a flow path of a fuel off gas discharged from the fuel cell.

燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、アノードに水素（燃料ガス）が供給され、カソードに酸素（酸化ガス）が供給されることによって起電力を生じる。 The fuel cell has a structure in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween. Then, hydrogen (fuel gas) is supplied to the anode and oxygen (oxidizing gas) is supplied to the cathode to generate an electromotive force.

具体的には、アノードにおいて、
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
の反応によりＨ^＋が生じ、これがＨ_３Ｏ^＋となって電解質膜中を移動した後、カソードで
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
の反応を起こす。すなわち、両電極間において、
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
の電気化学反応が起こることにより起電力が発生する。 Specifically, in the anode,
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
H ⁺ is generated by this reaction, and this is converted to H ₃ O ⁺ and moves through the electrolyte membrane. Then, at the cathode, (1/2) O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O
Cause the reaction. That is, between both electrodes,
H ₂ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
An electromotive force is generated by the occurrence of the electrochemical reaction.

水素の供給は、例えば、高圧水素タンクに貯蔵された高圧水素を減圧した後、ガス供給流路を通じてアノードに送ることにより行われる。さらに、アノードオフガスを循環させるタイプの燃料電池システムでは、アノードオフガスをガス供給流路に送ることによって、未反応の水素が再びアノードに供給されるようにもしている。一方、酸素の供給は、例えば、コンプレッサを用いて、外気から取り込んだ空気をカソードに送ることにより行われる。 The supply of hydrogen is performed, for example, by depressurizing high-pressure hydrogen stored in a high-pressure hydrogen tank and then sending it to the anode through a gas supply channel. Further, in a fuel cell system of the type in which the anode off gas is circulated, unreacted hydrogen is again supplied to the anode by sending the anode off gas to the gas supply channel. On the other hand, oxygen is supplied by sending air taken in from outside air to the cathode using, for example, a compressor.

アノードへの水素の供給方法の１つとして、いわゆるデッドエンド方式によるものがある（例えば、特許文献１参照。）。この方式では、水素の下流側流路が閉塞された状態で運転が行われ、電気化学反応で消費された量に相当する量の水素がアノードに供給される。 One method of supplying hydrogen to the anode is by a so-called dead end method (see, for example, Patent Document 1). In this system, the operation is performed in a state where the downstream flow path of hydrogen is closed, and an amount of hydrogen corresponding to the amount consumed by the electrochemical reaction is supplied to the anode.

特開平９−３１２１６７号公報JP 9-31167 A 特開平６−２５１７９３号公報JP-A-6-251793 特開平６−１１１８４６号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-1111846

ところで、燃料電池は、複数のセルが積層された構造（スタック構造）を有する。したがって、燃料電池の運転効率を高くするには、各セルにおいて、上記の電気化学反応が効率よく行われるようにする必要がある。しかしながら、反応が進行するにしたがって、各セルにおける反応の効率が低下し、これにより、燃料電池全体での運転効率が低下してしまうという問題があった。これは、次の理由による。 By the way, the fuel cell has a structure (stack structure) in which a plurality of cells are stacked. Therefore, in order to increase the operation efficiency of the fuel cell, it is necessary to efficiently perform the electrochemical reaction described above in each cell. However, as the reaction progresses, the efficiency of the reaction in each cell is lowered, which causes a problem that the operation efficiency of the entire fuel cell is lowered. This is due to the following reason.

燃料電池では、電極間の反応により、カソード側で水が生成する。また、カソードに供給される空気には、酸素の他に窒素なども含まれる。反応が進行すると、電解質膜を透過して、アノード側へ水や窒素が滲み出す。ここで、デッドエンド方式の燃料電池システムでは、アノード側の流路の下流が閉塞されているので、水や窒素の分圧はアノード側で次第に上昇する。このため、水素の分圧が低下して、各セルにおける反応の効率が低下することとなる。 In a fuel cell, water is generated on the cathode side by a reaction between electrodes. Further, the air supplied to the cathode includes nitrogen and the like in addition to oxygen. As the reaction proceeds, water and nitrogen permeate through the electrolyte membrane to the anode side. Here, in the dead-end fuel cell system, since the downstream of the anode-side flow path is blocked, the partial pressure of water and nitrogen gradually increases on the anode side. For this reason, the partial pressure of hydrogen decreases, and the efficiency of the reaction in each cell decreases.

反応効率の低下は、例えば、電圧の低下となって現れる。アノード側では、流路の入口から遠くなるほど、すなわち、下流になるほど不純物の割合が多くなるので、下流側で電圧の低下が起こる。 The decrease in reaction efficiency appears as a decrease in voltage, for example. On the anode side, the ratio of impurities increases with increasing distance from the inlet of the flow path, that is, downstream, so that the voltage decreases on the downstream side.

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。
すなわち、本発明の目的は、デッドエンド方式を用いた燃料電池システムにおいて、各セルにおける反応の効率を向上させて、高い効率で燃料電池を運転することのできる燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems.
That is, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can improve the efficiency of reaction in each cell and operate the fuel cell with high efficiency in a fuel cell system using a dead end system. .

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.

本発明は、アノードおよびカソードを有するセルが複数積層された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを収納するケースとを備えており、前記セルから排出されるアノードオフガスの下流側流路を閉塞して運転する燃料電池システムにおいて、
前記セルは、外部から前記ケースの内部に導入されて拡散した燃料ガスを、少なくとも二方向から流入させて、前記アノードに供給する流路を有することを特徴とするものである。 The present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of cells each having an anode and a cathode are stacked, and a case for housing the fuel cell stack, and closes a downstream flow path of anode offgas discharged from the cells. In the fuel cell system operated by
The cell has a flow path in which fuel gas introduced and diffused from the outside into the case is introduced from at least two directions and supplied to the anode.

本発明において、前記セルは、前記アノードと前記カソードを挟んで配設されたセパレータを有することができる。
この場合、前記流路は、前記アノードと前記セパレータの間に設けることができる。 In the present invention, the cell may include a separator disposed with the anode and the cathode interposed therebetween.
In this case, the flow path can be provided between the anode and the separator.

前記流路は、多孔質体からなることが好ましい。
あるいは、前記流路は、ディンプル構造を有することが好ましい。 The channel is preferably made of a porous body.
Alternatively, the flow path preferably has a dimple structure.

本発明における燃料電池システムは、前記セパレータを前記セルの積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールドを有することができる。
そして、該酸化ガス供給マニホールドを介して前記カソードに酸化ガスを供給することができる。 The fuel cell system according to the present invention may have an oxidizing gas supply manifold that penetrates the separator in the stacking direction of the cells.
An oxidizing gas can be supplied to the cathode through the oxidizing gas supply manifold.

本発明における燃料電池システムは、前記セパレータを前記セルの積層方向に貫通する冷却媒体マニホールドを有することができる。
そして、該冷却媒体マニホールドを流れる冷却媒体によって前記セルを冷却することができる。 The fuel cell system according to the present invention may have a coolant manifold that penetrates the separator in the stacking direction of the cells.
The cell can be cooled by a cooling medium flowing through the cooling medium manifold.

本発明によれば、各セルにおける反応の効率を向上させて、高い効率で燃料電池を運転することができる。 According to the present invention, the efficiency of reaction in each cell can be improved and the fuel cell can be operated with high efficiency.

燃料電池スタックを構成するセルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとが積層された構造を有する。そして、膜−電極アッセンブリは、イオン交換樹脂からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する。また、アノードおよびカソードは、それぞれ電解質膜に接して配置された触媒層を有する。 A cell constituting the fuel cell stack has a structure in which a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator are stacked. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane made of an ion exchange resin, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane. Each of the anode and the cathode has a catalyst layer disposed in contact with the electrolyte membrane.

膜−電極アッセンブリのアノード側およびカソード側のそれぞれには、拡散層と、多孔質体からなるガス流路（以下、多孔質体流路と称す。）とが、セパレータとの間に設けられる。燃料ガスとしての水素は、アノード側にある多孔質体流路を通ってアノードに供給される。一方、酸化ガスとしての酸素を含む空気は、カソード側にある多孔質体流路を通ってカソードに供給される。 On each of the anode side and the cathode side of the membrane-electrode assembly, a diffusion layer and a gas channel made of a porous material (hereinafter referred to as a porous material channel) are provided between the separators. Hydrogen as a fuel gas is supplied to the anode through the porous body channel on the anode side. On the other hand, the air containing oxygen as the oxidizing gas is supplied to the cathode through the porous body channel on the cathode side.

各セル面で、水素や空気の流速には分布がある。このため、カソード側から電解質膜を透過してきた窒素や水は、アノード側の各セル面で流速の小さい箇所に滞留するようになる。すると、この部分における水素の供給量が低下して、電気化学反応が起こり難い状態となる。したがって、アノード側のセル面におけるガスの流速分布を小さくして、ガスの拡散性を向上させれば、窒素や水が滞留するのを防いで、各セルの反応効率を向上させることが可能になる。 There is a distribution of hydrogen and air flow rates on each cell surface. For this reason, nitrogen and water that have permeated through the electrolyte membrane from the cathode side will stay at a location where the flow velocity is small on each cell surface on the anode side. Then, the supply amount of hydrogen in this portion decreases, and an electrochemical reaction is unlikely to occur. Therefore, by reducing the gas flow velocity distribution on the cell surface on the anode side and improving the gas diffusivity, it is possible to prevent the retention of nitrogen and water and improve the reaction efficiency of each cell. Become.

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。尚、これらの図面において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same reference numerals indicate the same parts.

図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を示す側面断面図である。この図に示すように、燃料電池スタック１は、１つのセルから構成されたセルモジュール２が複数積層された構造（以下、セル積層体と称す。）を有する。但し、セルモジュール２は複数のセルから構成されていてもよい。 FIG. 1 is a side cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell in the present embodiment. As shown in this figure, the fuel cell stack 1 has a structure in which a plurality of cell modules 2 composed of one cell are stacked (hereinafter referred to as a cell stack). However, the cell module 2 may be composed of a plurality of cells.

図１において、詳細は図示しないが、セル積層体の両端には、ターミナル、インシュレータおよびエンドプレートなどの締結部材３が配置されていて、セル積層体をセルモジュール２の積層方向に締め付けている。また、燃料電池スタック１は、スタックケース４に収納されている。スタックケース４には、冷却媒体としての冷却水、空気および水素を燃料電池スタック１に供給する配管５，６，７がそれぞれ接続している。また、燃料電池スタック１からこれらの流体を排出する配管８，９，１０もそれぞれ接続している。但し、スタックケース４の内部は、気密性が保たれた状態となっている。 In FIG. 1, although not shown in detail, fastening members 3 such as terminals, insulators, and end plates are disposed at both ends of the cell stack, and the cell stack is fastened in the stacking direction of the cell modules 2. The fuel cell stack 1 is housed in a stack case 4. Connected to the stack case 4 are pipes 5, 6, and 7 for supplying cooling water, air, and hydrogen as cooling media to the fuel cell stack 1, respectively. Further, pipes 8, 9, and 10 for discharging these fluids from the fuel cell stack 1 are also connected. However, the inside of the stack case 4 is in an airtight state.

図２は、図１の燃料電池スタック１を構成するセルの平面図である。尚、図１のスタックケース４を点線で示している。 FIG. 2 is a plan view of cells constituting the fuel cell stack 1 of FIG. The stack case 4 in FIG. 1 is indicated by a dotted line.

セル１１は、図２に示すように、セパレータ１２を有する。セパレータ１２には、冷却水供給マニホールド１３と冷却水排出マニホールド１４が設けられている。これらのマニホールドは、セパレータ１２をセルの積層方向に貫通するようにして設けられている。また、セパレータ１２の非電極面側に設けられた流路（図示せず）を介して、図１の冷却水を供給する配管５と冷却水を排出する配管８にそれぞれ接続している。 The cell 11 has a separator 12 as shown in FIG. The separator 12 is provided with a cooling water supply manifold 13 and a cooling water discharge manifold 14. These manifolds are provided so as to penetrate the separator 12 in the cell stacking direction. Moreover, it connects with the piping 5 which supplies the cooling water of FIG. 1, and the piping 8 which discharges cooling water through the flow path (not shown) provided in the non-electrode surface side of the separator 12, respectively.

また、セパレータ１２には、空気供給マニホールド１５と空気排出マニホールド１６も設けられている。これらは、セパレータ１２をセルの積層方向に貫通するようにして設けられている。空気供給マニホールド１５は、図１の空気を供給する配管６に接続している。また、空気排出マニホールド１６は、空気を排出する配管９に接続している。そして、空気供給マニホールド１５から供給された空気は、セル面に沿って流れた後、空気排出マニホールド１６から排出される。 The separator 12 is also provided with an air supply manifold 15 and an air discharge manifold 16. These are provided so as to penetrate the separator 12 in the cell stacking direction. The air supply manifold 15 is connected to the pipe 6 for supplying air shown in FIG. The air discharge manifold 16 is connected to a pipe 9 that discharges air. The air supplied from the air supply manifold 15 flows along the cell surface and is then discharged from the air discharge manifold 16.

図３は、図２のＡ−Ａ′線に沿う断面図であり、カソードに空気が供給される様子を矢印で示している。 FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 2 and shows the state in which air is supplied to the cathode by arrows.

図３に示すように、膜−電極アッセンブリ２１は、電解質膜２２と、電解質膜２２の一方の面に設けられたアノード２３と、電解質膜２２の他方の面に設けられたカソード２４とを有する。そして、膜−電極アッセンブリ２１のアノード側およびカソード側のそれぞれには、拡散層２５と多孔質体流路２６が、セパレータ１２との間に設けられている。空気供給マニホールド１５から供給された空気は、カソード側にある多孔質体流路２６を通ってカソード２４に供給される。ここで、空気供給マニホールド１５とアノード２３の間は、ガスケット２７によって遮断されており、アノード側に空気が供給されないような構造となっている。尚、多孔質体流路に代えて、セパレータに設けられたガス流路から、空気が供給される構造であってもよい。 As shown in FIG. 3, the membrane-electrode assembly 21 includes an electrolyte membrane 22, an anode 23 provided on one surface of the electrolyte membrane 22, and a cathode 24 provided on the other surface of the electrolyte membrane 22. . A diffusion layer 25 and a porous body channel 26 are provided between the separator 12 and the anode side and the cathode side of the membrane-electrode assembly 21. The air supplied from the air supply manifold 15 is supplied to the cathode 24 through the porous body channel 26 on the cathode side. Here, the space between the air supply manifold 15 and the anode 23 is blocked by the gasket 27 so that air is not supplied to the anode side. In addition, it may replace with a porous body flow path, and the structure where air is supplied from the gas flow path provided in the separator may be sufficient.

一方、水素は、図１の水素を供給する配管７からスタックケース４の内部に供給された後、図２のスタックケース４とセパレータ１２の間に設けられた流路２８を通じて各セルに供給される。つまり、冷却水や空気のように、マニホールドを通じて水素が供給されるわけではなく、スタックケースの内部に拡散した水素が流路２８に供給されるようになっている。尚、水素はスタックケース４の内部に充満することになるが、スタックケース４の気密性を高くすることによって、水素がスタックケース４の外部に漏れるのを防ぐことができる。 On the other hand, hydrogen is supplied into the stack case 4 from the hydrogen supply pipe 7 shown in FIG. 1, and then supplied to each cell through the flow path 28 provided between the stack case 4 and the separator 12 shown in FIG. The That is, unlike the cooling water or air, hydrogen is not supplied through the manifold, but hydrogen diffused inside the stack case is supplied to the flow path 28. In addition, although hydrogen fills the inside of the stack case 4, it is possible to prevent hydrogen from leaking outside the stack case 4 by increasing the airtightness of the stack case 4.

図４は、燃料電池のスタック構造を模式的に示したものである。尚、図では、代表して３つのセルのみを表している。以下では、これらのセルを用い、冷却水、空気および水素の流れについて説明する。 FIG. 4 schematically shows the stack structure of the fuel cell. In the figure, only three cells are representatively shown. Below, the flow of cooling water, air, and hydrogen will be described using these cells.

図４のセル３１では、冷却水の流れる方向を矢印で示している。すなわち、冷却水供給マニホールド１３から供給された冷却水は、セパレータに設けられた冷却水流路（図示せず）を通って、冷却水排出マニホールド１４から排出される。冷却水流路は、例えば、溝状の流路とすることができる。 In the cell 31 of FIG. 4, the direction in which the cooling water flows is indicated by an arrow. That is, the cooling water supplied from the cooling water supply manifold 13 is discharged from the cooling water discharge manifold 14 through a cooling water flow path (not shown) provided in the separator. The cooling water channel can be, for example, a groove-shaped channel.

図４のセル３２では、空気の流れる方向を矢印で示している。すなわち、空気供給マニホールド１５から供給された冷却水は、セパレータに設けられた空気流路（図示せず）を通って、空気排出マニホールド１６から排出される。 In the cell 32 of FIG. 4, the direction of air flow is indicated by arrows. That is, the cooling water supplied from the air supply manifold 15 is discharged from the air discharge manifold 16 through an air flow path (not shown) provided in the separator.

図４のセル３３では、水素の流れる方向を矢印で示している。すなわち、水素は、スタックケース４とセパレータ１２の間に設けられた流路２８からセル面に流れ出る。このとき、水素は、一方向からのみ供給されるのではなく、複数の方向（図４では六方向）から供給される。これにより、水素の拡散距離が短くなるので、一方向からのみ供給される場合に比較して、セル面でのガスの拡散性を向上させて、セル面の全体に水素を行き渡らせることが可能となる。したがって、窒素や水が滞留した領域がセル面に形成されるのを防いで、各セルの反応効率を向上させることができる。尚、水素が供給される方向は、少なくとも二方向とする。これにより、水素の拡散性を向上させることができる。 In the cell 33 of FIG. 4, the direction of hydrogen flow is indicated by an arrow. That is, hydrogen flows out from the flow path 28 provided between the stack case 4 and the separator 12 to the cell surface. At this time, hydrogen is supplied from a plurality of directions (six directions in FIG. 4), not from only one direction. As a result, the hydrogen diffusion distance is shortened, so that the gas diffusibility on the cell surface can be improved and hydrogen can be distributed throughout the cell surface compared to the case where the hydrogen is supplied from only one direction. It becomes. Therefore, it is possible to prevent the region where nitrogen and water are retained from being formed on the cell surface, and to improve the reaction efficiency of each cell. Note that hydrogen is supplied in at least two directions. Thereby, the diffusibility of hydrogen can be improved.

アノードへの水素の供給は、デッドエンド方式によって行う。すなわち、図１の水素を排出する配管１０の先にはパージ弁（図示せず）が設けられており、パージ弁を開くことによって、アノードオフガスがパージされる。一方、パージ弁を閉じると、アノードオフガスの下流側流路が閉塞された状態となり、供給された水素は反応によって全て消費される。そして、消費された分の水素のみが、新たにアノードに供給されることになる。 Hydrogen is supplied to the anode by a dead end method. That is, a purge valve (not shown) is provided at the tip of the pipe 10 for discharging hydrogen in FIG. 1, and the anode off gas is purged by opening the purge valve. On the other hand, when the purge valve is closed, the downstream flow path of the anode off gas is closed, and all of the supplied hydrogen is consumed by the reaction. Only the consumed hydrogen is newly supplied to the anode.

尚、アノードの下流側が閉塞された状態は、本実施の形態のように、アノードの下流側にアノードオフガスを燃料電池の外部に排出するための排出流路を形成し、この排出流路に設けた開閉弁を閉弁することで、アノードの下流側を（一時的に）閉塞された状態とする他に、アノード面内に形成されているガス流路の下流側が構造的に（恒久的に）閉塞された状態とすることもできる。 When the downstream side of the anode is closed, a discharge channel for discharging the anode off-gas to the outside of the fuel cell is formed on the downstream side of the anode as in the present embodiment, and provided in this discharge channel. In addition to making the downstream side of the anode closed (temporarily) by closing the open / close valve, the downstream side of the gas flow path formed in the anode surface is structurally (permanently) ) It can also be closed.

図５は、図２のＢ−Ｂ′線に沿う断面図であり、アノードに水素が供給される様子を矢印で示している。 FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 2, and shows how hydrogen is supplied to the anode by arrows.

図５に示すように、アノード側の多孔質体流路２６は、セパレータ１２の外縁まで設けられている。そして、図４で、スタックケース４とセパレータ１２の間に設けられた流路２８からセル面に供給された水素は、図５に示すように、多孔質体流路２６を通ってアノード２３に供給される。一方、水素の流路２８とカソード２４の間は、ガスケット２９によって遮断されており、カソード側に水素が供給されないような構造となっている。 As shown in FIG. 5, the anode-side porous body channel 26 is provided up to the outer edge of the separator 12. Then, in FIG. 4, the hydrogen supplied to the cell surface from the flow path 28 provided between the stack case 4 and the separator 12 passes through the porous body flow path 26 to the anode 23 as shown in FIG. Supplied. On the other hand, the space between the hydrogen flow path 28 and the cathode 24 is blocked by a gasket 29 so that hydrogen is not supplied to the cathode side.

セル面での水素の拡散性を向上させるには、本実施の形態のように、多孔質体流路を介してアノードに水素が供給されるようにするのがよい。これは、セパレータに設けられた溝状の流路を介してアノードに水素が供給される場合に比較すると、多孔質体流路を用いた場合の方が、流路内を水素が自由に流れることができるからである。但し、多孔質体流路に限られるものではなく、水素の拡散性を向上させるのに有効であれば、他の流路を用いることも可能である。例えば、ディンプル構造の流路を通じて、アノードに水素が供給されるようにすることもできる。具体的には、電解質膜を波形にして、セパレータと電解質膜で区切られた部分を水素が通過するようにする。 In order to improve the diffusibility of hydrogen on the cell surface, it is preferable to supply hydrogen to the anode via the porous body flow path as in this embodiment. Compared with the case where hydrogen is supplied to the anode through the groove-like flow path provided in the separator, the hydrogen flows freely in the flow path when the porous body flow path is used. Because it can. However, the flow path is not limited to the porous body flow path, and other flow paths can be used as long as they are effective in improving the hydrogen diffusibility. For example, hydrogen can be supplied to the anode through a flow path having a dimple structure. Specifically, the electrolyte membrane is corrugated so that hydrogen passes through the portion separated by the separator and the electrolyte membrane.

一方、冷却水および空気の流路は、特に限定されるものではない。したがって、本実施の形態では、セパレータと拡散層の間に多孔質体流路を設け、この多孔質体流路から空気がカソードに供給されるようにしたが、セパレータに溝を設け、この溝を通って空気が供給されるようにしてもよい。 On the other hand, the flow paths of the cooling water and air are not particularly limited. Therefore, in the present embodiment, a porous body flow path is provided between the separator and the diffusion layer, and air is supplied from the porous body flow path to the cathode. Air may be supplied through.

以上述べたように、本実施の形態によれば、アノード側のセル面における水素の拡散性が向上するので、各セルでの反応効率を向上させることができる。したがって、燃料電池をデッドエンド方式によって運転する際の電圧保持時間を大幅に向上させることができ、さらには、永続的な電圧の保持が可能となる。 As described above, according to the present embodiment, the hydrogen diffusibility in the cell surface on the anode side is improved, so that the reaction efficiency in each cell can be improved. Therefore, it is possible to greatly improve the voltage holding time when the fuel cell is operated by the dead end method, and it is possible to hold a permanent voltage.

尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、セパレータとスタックケースとの関係は、図２に示す例に限られるものではない。図６に示すように、セパレータ１２に対してスタックケース４′が図２より大きくなってもよい。この場合には、セパレータ１２とスタックケース４′の間隔が大きくなることによって、流路２８′の容積が大きくなるので、セパレータ１２の外形を単純な矩形状とすることもできる。尚、図６において、図２と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。 For example, the relationship between the separator and the stack case is not limited to the example shown in FIG. As shown in FIG. 6, the stack case 4 ′ may be larger than the separator 12 with respect to the separator 12. In this case, the space between the separator 12 and the stack case 4 'is increased, so that the volume of the flow path 28' is increased. Therefore, the outer shape of the separator 12 can be a simple rectangular shape. In FIG. 6, the parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. 2 are the same.

また、図７に示すように、セパレータ１２′に開口部を設け、この開口部を流路２８″としてもよい。この場合、セパレータ１２′の外形は単純な矩形状であり、セパレータ１２′とスタックケース４の間に殆ど空隙はない。しかし、開口部を設けることによって、水素の流路を確保することができる。尚、図７において、図２と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。 Further, as shown in FIG. 7, an opening may be provided in the separator 12 ′, and this opening may be used as a flow path 28 ″. In this case, the outer shape of the separator 12 ′ is a simple rectangular shape, There is almost no air gap between the stack cases 4. However, by providing an opening, it is possible to secure a hydrogen flow path, where the same reference numerals in FIG. It shows that there is.

また、上記実施の形態では、セパレータとアノードの間に設けられた流路からアノードに水素が供給される例について述べた。しかし、本発明は、これに限られるものではない。例えば、セパレータに多数の孔が設けられており、この孔を通じてアノードに水素が供給されるようにすることもできる。 In the above-described embodiment, an example in which hydrogen is supplied to the anode from the flow path provided between the separator and the anode has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a large number of holes may be provided in the separator, and hydrogen may be supplied to the anode through the holes.

さらに、本発明は、燃料電池から排出される燃料オフガスの出口の断面積を小さくすることによって、アノードオフガスの排出量を少なくして燃料ガスの利用効率を向上させる、少量排気型の燃料電池システムに適用することもでき、この場合にも上記と同様の効果を得ることができる。 Furthermore, the present invention provides a small exhaust type fuel cell system that reduces the amount of anode off gas discharged and improves the utilization efficiency of the fuel gas by reducing the cross-sectional area of the outlet of the fuel off gas discharged from the fuel cell. In this case, the same effect as described above can be obtained.

本実施の形態における燃料電池の構成を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the structure of the fuel cell in this Embodiment. 図１の燃料電池スタックを構成するセルの平面図である。It is a top view of the cell which comprises the fuel cell stack of FIG. 本実施の形態におけるセルの断面図である。It is sectional drawing of the cell in this Embodiment. 本実施の形態における燃料電池のスタック構造を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the stack structure of the fuel cell in this Embodiment. 本実施の形態におけるセルの断面図である。It is sectional drawing of the cell in this Embodiment. 本発明におけるセルの平面図の他の例である。It is another example of the top view of the cell in this invention. 本発明におけるセルの平面図の他の例である。It is another example of the top view of the cell in this invention.

Explanation of symbols

１燃料電池スタック
２セルモジュール
３締結部材
４，４′ スタックケース
５〜１０配管
１１セル
１２，１２′ セパレータ
１３冷却水供給マニホールド
１４冷却水排出マニホールド
１５空気供給マニホールド
１６空気排出マニホールド
２１膜−電極アッセンブリ
２２電解質膜
２３アノード
２４カソード
２５拡散層
２６多孔質体流路
２７，２９ガスケット
２８，２８′，２８″ 流路
３１，３２，３３セル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Cell module 3 Fastening member 4, 4 'Stack case 5-10 Piping 11 Cell 12, 12' Separator 13 Cooling water supply manifold 14 Cooling water discharge manifold 15 Air supply manifold 16 Air discharge manifold 21 Membrane-electrode assembly 22 Electrolyte Membrane 23 Anode 24 Cathode 25 Diffusion Layer 26 Porous Channel 27, 29 Gasket 28, 28 ', 28 "Channel 31, 32, 33 Cell

Claims

A fuel cell stack comprising a plurality of stacked cells each having an anode and a cathode, and a case for housing the fuel cell stack, and operating by closing a downstream flow path of anode off-gas discharged from the cells In battery systems,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the cell has a flow path for supplying fuel gas introduced into and diffused from the outside into the case from at least two directions and supplying the fuel gas to the anode.

The cell has a separator disposed between the anode and the cathode,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow path is provided between the anode and the separator.

The fuel cell system according to claim 2, wherein the flow path is made of a porous body.

The fuel cell system according to claim 2, wherein the flow path has a dimple structure.

5. The fuel cell system according to claim 1, further comprising an oxidizing gas supply manifold penetrating the separator in the cell stacking direction, and supplying the oxidizing gas to the cathode via the oxidizing gas supply manifold.

6. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a cooling medium manifold penetrating the separator in a stacking direction of the cells, wherein the cells are cooled by a cooling medium flowing through the cooling medium manifold.