JP2008300324A - Fuel cell unit - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、固体高分子形の燃料電池スタックと全熱交換型加湿器とを備えた燃料電池ユニットに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell unit including a solid polymer fuel cell stack and a total heat exchange type humidifier.
環境に優しい電源として定置用や車載用の固体高分子形燃料電池の開発が進められている。この燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化ガスは、電解質膜が良好なイオン伝導を保持するために加湿することが必要不可欠である。
そして、この加湿手段である、電池反応部を通過した後の酸化ガスと電池反応部を通過する前の酸化ガスとの熱交換及び湿度交換を行う全熱交換型加湿器を、燃料電池スタックと一体構造にすることで、高効率化、コンパクト化及び低コスト化を図った燃料電池ユニットが知られている(例えば、特許文献1参照)。
Development of solid polymer fuel cells for stationary and in-vehicle use as an environmentally friendly power source is underway. It is essential that the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell be humidified so that the electrolyte membrane maintains good ionic conduction.
And a total heat exchange type humidifier that performs heat exchange and humidity exchange between the oxidizing gas after passing through the battery reaction part and the oxidizing gas before passing through the battery reaction part, which is the humidifying means, and the
しかしながら、上記燃料電池ユニットの場合には、燃料電池スタックの、ガス供給流路、ガス排出流路及び電池反応流路、並びに全熱交換器型加湿器の全熱交換流路のいずれかにガスの流れに沿って上り勾配の流路が形成されている。
燃料電池スタック及び全熱交換型加湿器の流路を流通するガス中の水蒸気分圧が飽和蒸気圧に近い場合、ガス温度が低下すれば水蒸気の結露が進行する。
そして、上り勾配の流路で結露が生じた場合には、流路閉塞等による流路圧力損失増大及び補機動力の増大のみならず、電池反応部に結露水が滞留して単電池電圧の低下を招き、また全熱交換型加湿器の性能低下等の問題点があった。
However, in the case of the above fuel cell unit, gas is supplied to any of the gas supply channel, the gas discharge channel, the cell reaction channel, and the total heat exchange channel of the total heat exchanger type humidifier of the fuel cell stack. An upwardly inclined flow path is formed along the flow.
When the partial pressure of water vapor in the gas flowing through the flow path of the fuel cell stack and the total heat exchange type humidifier is close to the saturated vapor pressure, dew condensation of water vapor proceeds if the gas temperature decreases.
When dew condensation occurs in the up-gradient flow path, not only increases in the flow pressure loss and auxiliary power due to flow path blockage etc., but also condensation water stays in the battery reaction part and There was a problem such as a decrease in the performance of the total heat exchange type humidifier.
この発明は、上述のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、ガス中の水蒸気結露による流路圧力損失の増大抑制、及び電池性能や加湿性能の低下を抑制することができる等の燃料電池ユニットを提供するものである。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and its purpose is to suppress an increase in flow path pressure loss due to water vapor condensation in the gas, and to reduce battery performance and humidification performance. A fuel cell unit that can be suppressed is provided.
この発明に係る燃料電池ユニットは、電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んだ構成された単電池が複数積層され、電池反応で発電する固体高分子形の燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに連通板を介して設けられ、前記単電池を通過した後の水分を含むオフガスと単電池を通過する前のガスとの間で全熱交換膜を介して熱交換及び湿度交換を行う全熱交換型加湿器とを備え、前記燃料電池スタックの内部を前記ガスが流れる燃料電池ガス流路及び前記オフガスが流れる燃料電池オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、前記全熱交換型加湿器の内部を前記ガスが流れる加湿器ガス流路及び前記オフガスが流れる加湿器オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、また前記連通板に設けられた、前記オフガスが通るオフガス連通路及び前記ガスが通るガス連通路の少なくとの一方は流れ方向に沿って上り勾配である。 A fuel cell unit according to the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell stack in which a plurality of unit cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode are stacked and generates power by a cell reaction, and the fuel cell stack. Total heat exchange that is provided through the communication plate and performs heat exchange and humidity exchange between the off-gas containing moisture after passing through the unit cell and the gas before passing through the unit cell through a total heat exchange membrane A fuel cell gas flow path through which the gas flows inside the fuel cell stack and a fuel cell off-gas flow path through which the off gas flows are both down-gradient or horizontal along the flow direction, The humidifier gas flow path through which the gas flows inside the heat exchange humidifier and the humidifier off-gas flow path through which the off gas flow are both down-graded or horizontal along the flow direction, and are connected to the communication plate. Vignetting was one of the least of the gas communicating passage through which off-gas communication passage and the gas the off-gas passes is upwardly inclined in the flow direction.
この発明に係る燃料電池ユニットによれば、ガス中の水蒸気結露による流路圧力損失の増大抑制、及び電池性能や加湿性能の低下を抑制することができる。 According to the fuel cell unit of the present invention, it is possible to suppress an increase in flow path pressure loss due to water vapor condensation in the gas and a decrease in battery performance and humidification performance.
以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当の部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る燃料電池ユニット100の全体斜視図、図2は図1における全熱交換型加湿器(以下、加湿器と略称する)2の内部部位を矢印A方向に沿って視たときの部分縦断面図、図3は図2の第1のセパレータ板17aを矢印B方向に沿って視たときの概略図、図4は図2の第2のセパレータ板17bを矢印C方向に沿って視たときの概略図である。なお、図3及び図4において、加湿器酸化ガス流路19及び酸化オフガス流路20は省略されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding members and parts will be described with the same reference numerals.
1 is an overall perspective view of a
この燃料電池ユニット100は、電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んだ構成された単電池が複数段積層されてなる固体高分子形の燃料電池スタック1と、この燃料電池スタック1を通過した後の酸化オフガスと燃料電池スタック1を通過する前の酸化ガスとの熱交換及び湿度交換を行う加湿器2と、この加湿器2と燃料電池スタック1とを繋ぐ連通板4とを備えている。
燃料電池スタック1は、単電池が複数段積層された電池本体の両側面が第1の絶縁板13a、第2の絶縁板13bを介して、第1の端板3aと連通板4の上部とで挟持されている。第1の端板3aの上部の片側には、単電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔11が形成されている。第1の端板3aの下部の片側には、単電池からの燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔12が形成されている。また、第1の端板3aの下端部には、複数の単電池を冷却するための冷却水を供給する冷却水供給孔10、及び冷却水を排出する冷却水排出孔9が形成されている。
燃料電池スタック1の内部に形成された、酸化ガスが流れる燃料電池ガス流路及び酸化オフガスが流れる燃料電池オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平である。
The
The
The fuel cell gas flow path through which the oxidizing gas flows and the fuel cell off-gas flow path through which the oxidizing off gas flow formed inside the
加湿器2は、加湿器本体の両側面が連通板4の下部と第2の端板3bで挟持されている。加湿器本体は、全熱交換膜18の両面が第1のセパレータ板17aと第2のセパレータ板17bとで挟まれて構成された加湿単体が複数段積層されている。第1のセパレータ板17aの一面には、加湿器ガス流路である加湿器酸化ガス流路19が形成され、他面には加湿器オフガス流路である加湿器酸化オフガス流路20が形成されている。第2のセパレータ板17bの一面に加湿器酸化ガス流路19が形成され、他面には加湿器酸化オフガス流路20が形成されている。全熱交換膜18を介して加湿器酸化ガス流路19と加湿器酸化オフガス流路20とが対向している。
In the
矩形状をした各第1のセパレータ板17a及び各第2のセパレータ板17bのそれぞれの上側縁部には、第1の酸化ガスマニホールド14aが形成されている。各第1のセパレータ板17a及び各第2のセパレータ板17bのそれぞれの下側縁部で第1の酸化ガスマニホールド14aの対角線上には、第2の酸化ガスマニホールド14bが形成されている。
また、各第1のセパレータ板17a及び各第2のセパレータ板17bのそれぞれの上側縁部には、第1の酸化ガスマニホールド14aと対向して第1の酸化オフガスマニホールド15aが形成されている。各第1のセパレータ板17a及び各第2のセパレータ板17bのそれぞれの下側縁部には、第2の酸化ガスマニホールド14bと対向して第2の酸化オフガスマニホールド15bが形成されている。
第2の端板3bの上部には、酸化ガス供給孔5が形成され、下部には酸化オフガス排出孔8が形成されている。
A first oxidizing gas manifold 14a is formed at the upper edge of each rectangular
A first oxidizing off-gas manifold 15a is formed at the upper edge of each
An oxidizing
連通板4は、内部に鉛直方向に延び、第2の酸化ガスマニホールド14bと燃料電池スタック1の酸素極とを連通した酸化ガス連通路25が設けられ、また水平方向に貫通し燃料電池スタック1の酸素極と第1の酸化オフガスマニホールド15aとを連通した酸化オフガス連通路が設けられている。
The
次に、上記構成の燃料電池ユニット100の動作について、動作最高温度が約70℃として説明する。なお、図1において、点線矢印は、電池反応前の酸化ガスを示し、二重矢印線は、電池反応後の酸化オフガスを示している。なお、後述する、図5〜図10においても同様である。
燃料電池スタック1の酸素極に必要な酸化ガス7は、室温で加湿器2の酸化ガス供給孔5から、第1の酸化ガスマニホールド14aに流入する。加湿器2内の酸化ガス7bは、第1の酸化ガスマニホールド14aに沿って途中分流しつつ水平方向に流通する。分流した酸化ガス7bは、図3に示すように、下り勾配及び水平の加湿器酸化ガス流路19に沿って第2のガスマニホールド14bに向かって流れる。
一方、加湿器2内では、燃料電池スタック1の酸素極から排出された、電池反応後の水蒸気含有の酸化オフガス6aは、酸化オフガスマニホールド15aに流入する。加湿器2内の酸化オフガス6bは、第1の酸化オフガスマニホールド15aに沿って途中分流しつつ水平方向に流通する。分流した酸化オフガス6bは、図4に示すように、下り勾配及び水平の酸化オフガス流路20に沿って第2のオフガスマニホールド15bに向かって流れる。
Next, the operation of the
The oxidizing
On the other hand, in the
こうして、加湿器2内では、加湿器酸化ガス流路19を流れる酸化ガス7bは、全熱交換膜18を介して酸化オフガス流路20を流れる、約70℃程度で飽和水蒸気に近い酸化オフガス6bによって、加湿されるとともに受熱する。
酸化ガス7bは、全熱交換膜18を介して、酸化オフガス6bとの熱交換により室温から約65℃程度に加温され、かつ飽和蒸気圧近くまで加湿される。
Thus, in the
The oxidizing gas 7b is heated from room temperature to about 65 ° C. by the heat exchange with the oxidizing off gas 6b through the total heat exchange membrane 18, and is humidified to near the saturated vapor pressure.
この加温、加湿された酸化ガス7bは、第2の酸化ガスマニホールド14bを通過し、連通板4に設けた鉛直方向に延びた第1の酸化ガス連通路25を通じて燃料電池スタック1に流入する。
燃料電池スタック1の上部から流入した酸化ガス7aは、燃料電池スタック1内で水平方向及び下り勾配の燃料電池ガス流路を流れ、下式(1)、(2)に示す電池反応によって生成された水蒸気を多く含有した酸化オフガス6aとなる。この酸化オフガス6aは、水平方向及び下り勾配の燃料電池オフガス流路を流れ、連通板4の水平方向に貫通した酸化オフガス連通路を通じて燃料電池スタック1から加湿器2の第1の酸化オフガスマニホールド15aに供給される。
The heated and humidified oxidizing gas 7b passes through the second oxidizing gas manifold 14b and flows into the
The oxidizing gas 7a flowing from the upper part of the
(燃料極) H2 → 2H+ +2e−‥‥‥‥‥‥‥‥‥(1)
(酸素極) 1/2 O2 +2H+ +2e− → H2O‥(2)
(Fuel electrode) H 2 → 2H + + 2e − (1)
(Oxygen electrode) 1/2 O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
加湿器2内に流入した、約70℃程度で飽和水蒸気に近い酸化オフガス6bは、全熱交換膜18を介して、酸化オフガス流路20を流れる酸化ガス7bに加湿、与熱することで、約40℃程度で飽和水蒸気分圧に近いガスになり、第2の酸化オフガスマニホールド15bを通過して酸化オフガス排出孔8から外部に排出される。
The oxidizing off gas 6b, which flows into the
上記電池反応では、燃料電池スタック1で消費されたエネルギーに対して、約49%程度が電気に変換され、残りの約51%程度は熱になる。
この発生熱量は、冷却水供給孔10から約65℃程度の冷却水が燃料電池スタック1内に供給されて除去される。燃料電池スタック1内では、冷却水は、各単電池に分配されて、発生した熱を除去し、約70℃に加温されて冷却水排出孔9から外部に排出される。排出された冷却水は、65℃程度まで熱回収された後、冷却水供給孔10に循環する。
In the cell reaction, about 49% of the energy consumed in the
The generated heat is removed by supplying cooling water of about 65 ° C. from the cooling
ところで、連通板4は、燃料電池スタック1の電池反応によって発生する熱量によって、保温されるように伝熱設計がなされている。連通板4と単電池によって挟み込まれた第2の絶縁板13bは、複数の材質の組み合わせで構成され、燃料電池スタック1の温度が最も高い領域に隣接する部位は伝熱性の高い材料、例えばアルミナやマグネシア(30〜50W/mK程度)を用い、燃料電池スタック1の温度が低い領域は熱伝導性の低い材料、例えばポリカーボネイト樹脂やポリプロピレン樹脂(1〜2W/mK程度)等が用いられている。
また、連通板4には、高い熱伝導性を有する材料、例えばステンレスやアルミニウム(16〜150W/mK程度)などが用いられている。これによって、連通板4の温度が燃料電池スタック1の最高温度(この実施の形態では70℃)に近づけることが可能となる。
Incidentally, the
The
実際、本願発明者は、第2の絶縁板13bの約17%を高い熱伝導性材料で、残りの約83%を低い熱伝導性材料で構成した場合の温度低下を実験により求めたところ、連通板4の低下温度は、燃料電池スタック1の最高温度より約1℃程度に過ぎないことが分かった。
そのため、加湿器2から排出され、燃料電池スタック1内に供給される飽和水蒸気に近い酸化ガス7bは、鉛直上り勾配の連通板4の酸化ガス連通路25内で生じた結露で流路が塞がれるようなことはなく、燃料電池スタック1の第1の酸化ガスマニホールド14aに脈動もなく円滑に供給される。
In fact, the inventor of the present application obtained a temperature drop in the case where about 17% of the second insulating
Therefore, the oxidizing gas 7b close to the saturated water vapor discharged from the
この実施の形態による燃料電池ユニット100によれば、燃料電池ガス流路、燃料電池オフガス流路、加湿器酸化ガス流路19及び加湿器酸化オフガス流路20は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であるので、燃料電池スタック1内での電池反応、及び加湿器2内での全熱交換に伴って生ずる各温度分布に対して、局部的に結露が発生しても、この結露水を速やかに排出することができる。
従って、酸化ガス7a、7b、酸化オフガス6a,6b中の水蒸気結露による流路圧力損失の増大が抑制され、また脈動発生が防止される。
また、電池反応部や全熱交換部に結露水が滞留しないことから燃料電池スタック1の電池性能や加湿器2の加湿性能の低下が抑制される。
さらに、流路抵抗の増大を防止することからブロワの動力を低減させることができる。
According to the
Accordingly, an increase in flow path pressure loss due to water vapor condensation in the oxidizing gases 7a and 7b and the oxidizing off-gas 6a and 6b is suppressed, and pulsation is prevented.
Moreover, since dew condensation water does not stay in a battery reaction part or a total heat exchange part, the fall of the cell performance of the
Furthermore, since the increase in flow path resistance is prevented, the power of the blower can be reduced.
また、連通板4は、高い熱伝導性を有する材料で構成されているので、酸化ガス連通路25では、酸化ガス7bが鉛直上方向に流れるものの、燃料電池スタック1から発生した熱で加温され、酸化ガス連通路25内での水蒸気結露の進行を防止することができる。
Further, since the
実施の形態2.
図5は実施の形態2の燃料電池ユニット100を示す全体斜視図である。
この実施の形態では、連通板4の下端部に冷却水排出孔9が形成されており、冷却水供給孔10から燃料電池スタック1内に流入した冷却水は、各単電池に分配されて、発生した熱を除去した後、連通板4を通過して冷却水排出孔9から外部に排出される。
その他の構成は、実施の形態1と同じである。
FIG. 5 is an overall perspective view showing the
In this embodiment, a cooling
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
この実施の形態2の燃料電池ユニット100によれば、燃料電池スタック1を通過した約70℃の冷却水は、そのまま連通板4を流通しており、連通板4を保温している。
According to the
例えば、出力1kW級の固体高分子形の燃料電池ユニット100を考えると、酸化ガス7aを65℃から70℃まで上昇させるのに必要な熱量は、約7J/s程度である。この熱量が全て冷却水で賄ったとしても、冷却水の温度低下は、0.05℃程度に過ぎない。従って、冷却水の温度を殆ど低下することなく熱回収に利用することができる。
実際には、70℃の冷却水で、65℃の酸化ガス7aを70℃まで上昇させることはなく、授受される熱量は、その約半分もしくはそれ以下程度でよく、冷却水の温度低下による熱回収損失は、全回収熱量の1%未満に過ぎない。
また、連通板4の温度は、ほぼ燃料電池スタック1の最高温度である70℃となることから、加湿器2から排出され、燃料電池スタック1に供給される酸化ガス7bは、結露することなく燃料電池スタック1に供給することが可能になる。
For example, considering a solid polymer
Actually, the oxidizing gas 7a at 65 ° C. is not raised to 70 ° C. with the cooling water at 70 ° C., and the amount of heat transferred can be about half or less, and the heat due to the temperature drop of the cooling water. The recovery loss is less than 1% of the total recovered heat.
Further, the temperature of the
図6は実施の形態2の他の例を示す燃料電池ユニット100の全体斜視図である。
この燃料電池ユニット100は、連通板4の一面側の下部に燃料電池スタック1が接続され、連通板4の他面側の上部に加湿器2が接続されている。即ち、図5に示された燃料電池ユニット100と比較して、燃料電池スタック1と加湿器2との上下位置関係が逆である。
連通板4には、内部に鉛直上方向に延びた酸化オフガス連通路26が形成されているとともに、内部に水平方向に延び、酸化ガス7bを燃料電池スタック1の酸素極に導く酸化ガス連通路が形成されている。また、連通板4の上端部の片側には冷却水排出孔9が形成されている。
その他の構成は、図5に示した燃料電池ユニット100と同じである。
FIG. 6 is an overall perspective view of a
In the
The
Other configurations are the same as those of the
この例では、加湿器2内で、全熱交換により約65℃程度に加温され、かつ飽和蒸気圧近くまで加湿された酸化ガス7bは、第2の酸化ガスマニホールド14b及び連通板4の酸化ガス連通路を通過して、燃料電池スタック1の上部から流入し、酸素極に導かれる。
燃料電池スタック1内に流入した酸化ガス7aは、燃料電池スタック1内で水平及び下り勾配の燃料電池ガス流路を流れ、電池反応によって生成された水蒸気を多く含有した酸化オフガス6aとなる。
この酸化オフガス6aは、水平及び下り勾配の燃料電池オフガス通路を流れた後、連通板4の下部から酸化オフガス連通路26に流入する。酸化オフガス6aは、酸化オフガス連通路26では、鉛直上向きに流され、第1の酸化オフガスマニホールド15aに供給される。
その後の加湿器2内の酸化オフガス6bの流れは、図5に示した燃料電池ユニット100と同じであり、最後には酸化オフガス排出孔8から外部に排出される。
In this example, the oxidizing gas 7b heated to about 65 ° C. by the total heat exchange in the
The oxidizing gas 7a that has flowed into the
The oxidizing off gas 6a flows through the horizontal and downwardly inclined fuel cell off gas passages, and then flows into the oxidizing off
The subsequent flow of the oxidizing off gas 6b in the
この燃料電池ユニット100によれば、加湿器2から排出され燃料電池スタック1に供給される酸化ガス7bは、冷却水により温度調整された連通板4の水平方向に貫通した酸化ガス連通路を流通するので、結露することなく、燃料電池スタック1に供給することが可能になる。
また、燃料電池スタック1から排出された、水蒸気を多く含有した酸化オフガス6aは、燃料電池スタック1の最高温度とほぼ等しい温度で加温された連通板4の酸化オフガス連通路26を通じて鉛直方向上向きに流されるために、水の結露は進行しない。
これにより、加湿器2を燃料電池スタック1より鉛直方向の上側に配置することが可能になり、脈動の少ない安定な燃料電池スタック1を得ることができる。
According to this
Further, the oxidizing off-gas 6 a containing a large amount of water vapor discharged from the
As a result, the
図7は実施の形態2のさらに他の例を示す燃料電池ユニット100の全体斜視図である。
この例では、連通板4の片側面の下部に加湿器2が設けられ、また同じ片側面の上部に燃料電池スタック1が設けられている。
連通板4には、内部に鉛直方向に延びた酸化ガス連通路25が形成されているとともに、内部に同じく鉛直方向に延びた酸化オフガス連通路26が形成され、また下端部の片側には冷却水排出孔9が形成されている。
その他の構成は、図5に示した燃料電池ユニット100と同じである。
FIG. 7 is an overall perspective view of a
In this example, the
The
Other configurations are the same as those of the
この燃料電池ユニット100によれば、連通板4の片側の全面において空間が確保されており、図1、図5及び図6にそれぞれ示された燃料電池ユニット100と比較して、第1の端板3a及び連通板4の上部で挟持する燃料電池スタック1の締め付け機構(図示せず)、並びに第2の端板3b及び連通板4の下部で挟持する加湿器2の締め付け機構(図示せず)の設計が容易となる。
また、製作時に床面に置かれた連通板4上に燃料電池スタック1及び加湿器2をそれぞれ並置することが可能となり、締め付け機構の設計の容易と相俟って製造工程が簡略化される。
According to this
In addition, the
実施の形態3.
図8は実施の形態3の燃料電池ユニット100を示す全体斜視図である。
この実施の形態の燃料電池ユニット100では、連通板4の片側面の下部に燃料電池スタック1が設けられ、また同じ片側面の上部に加湿器2が設けられている。即ち、図7に示された燃料電池ユニット100と比較して、燃料電池スタック1と加湿器2との上下位置関係が逆である。
また、連通板4には、鉛直方向下向きに酸化ガスが流通する酸化ガス連通路25、及び鉛直方向上向きに酸化オフガスが流通する酸化オフガス連通路26がそれぞれ設けられている。連通板4の下部には、酸化オフガス連通路26に連通したドレン排出孔24が設けられている。このドレン排出孔24からは、酸化オフガス連通路26の最下部で貯留するドレンが排出する。連通板4の上端部の片側には、冷却水排出孔9が形成されている。
その他の構成は図7に示した燃料電池ユニット100と同じである。
FIG. 8 is an overall perspective view showing the
In the
The
Other configurations are the same as those of the
この燃料電池ユニット100によれば、酸化オフガス6aに液体で存在する水が含まれていても、この液体はドレン排出孔24から分離され、液体による流路閉塞を防ぐことができる。
また、連通板4の酸化オフガス連通路26を流通する酸化オフガス6aは、燃料電池スタック1での電池反応で生じた熱、及び連通板4内を通過する加温された冷却水からの熱で、温度が高く、さらにその温度の飽和蒸気圧とほぼ同じ飽和蒸気圧で加湿器2に供給されるので、加湿器2では、全熱交換膜18を介して高効率で熱交換及び湿度交換が行われる。
According to the
The oxidizing offgas 6a flowing through the oxidizing
実施の形態4.
図9は実施の形態4の燃料電池ユニット100を示す全体斜視図である。
この実施の形態の燃料電池ユニット100では、連通板4を挟んで燃料電池スタック1と、加湿器2とが同軸線方向に設けられている。
連通板4には、加湿器2からの酸化ガス7bが流入し、鉛直上方向に流通する酸化ガス連通路25、及び燃料電池スタック1からの酸化オフガス6aが流入し、鉛直上方向に流通する酸化オフガス連通路26が形成されている。
また、冷却水供給孔10が第1の端板3aの上部片側に設けられ、冷却水排出孔9が連通板4の上部片側に設けられている。
その他の構成は図1の燃料電池ユニット100と同じである。
FIG. 9 is an overall perspective view showing the
In the
The oxidant gas 7b from the
A cooling
Other configurations are the same as those of the
この燃料電池ユニット100では、全熱交換により約65℃程度に加温され、かつ飽和蒸気圧近くまで加湿された加湿器2内の酸化ガス7bは、第2の酸化ガスマニホールド14bを通過して、酸化ガス連通路25において鉛直方向上向きに流され、燃料電池スタック1内では酸化ガス7aとして鉛直方向上部から供給される。
燃料電池スタック1の上部から流入した酸化ガス7aは、燃料電池スタック1内で水平及び下り勾配の燃料電池ガス流路を流れ、電池反応によって生成された水蒸気を多く含有した酸化オフガス6aとなる。この酸化オフガス6aは、水平及び下り勾配の燃料電池オフガス流路、及び連通板4の酸化オフガス連通路26を通じて燃料電池スタック1から加湿器2の第1の酸化オフガスマニホールド15aに供給される。
また、燃料電池スタック1から発生した熱量を除去した冷却水は、連通板4を保温しながら冷却水排出孔9から外部に排出される。
In this
The oxidizing gas 7a that has flowed in from the upper part of the
Further, the cooling water from which the amount of heat generated from the
この燃料電池ユニット100によれば、連通板4を挟んで燃料電池スタック1と加湿器2とが同軸線上に設けられているので、燃料電池スタック1と加湿器2とを共通の締め付け機構を用いて一括で締め付けが可能となり、部材点数が低減されるとともに、製造工程が簡略化される。
According to this
実施の形態5.
図10は実施の形態5の燃料電池ユニット100を示す全体斜視図、図11は第1のセパレータ板17aの全熱交換膜18と接触する側の面を示す概略図、図12は第2のセパレータ板17bの全熱交換膜18と接触する側の面を示す概略図、図13はガス温度と飽和蒸気圧との相関図である。なお、図11及び図12において、加湿器酸化ガス流路19及び酸化オフガス流路20は省略されている。
この実施の形態では、図11に示すように、第1のセパレータ板17aでは、第1の酸化ガス中間マニホールド22a及び第2の酸化ガス中間マニホールド22bが形成されている。第2の端板3bには、第1の酸化ガス中間マニホールド22aと第2の酸化ガス中間マニホールド22bとを連通する酸化ガス連通流路16が設けられている。非接触通路である、この酸化ガス連通流路16は、加湿器酸化ガス流路19の途中において全熱交換膜18と接触しない迂回流路である。
また、図12に示すように、第1の酸化ガス中間マニホールド22aと第2の酸化ガス中間マニホールド22bとの間に、酸化オフガス中間マニホールド23が設けられている。
その他の構成は、図9に示した燃料電池ユニット100と同じである。
FIG. 10 is an overall perspective view showing the
In this embodiment, as shown in FIG. 11, a first oxidant gas intermediate manifold 22a and a second oxidant gas intermediate manifold 22b are formed on the
Further, as shown in FIG. 12, an oxidizing off-gas
Other configurations are the same as those of the
この燃料電池ユニット100では、酸化ガス7は、加湿器2内では、室温で酸化ガス供給孔5より供給され、第1の酸化ガスマニホールド14aから下り勾配及び水平の加湿器酸化ガス流路19を流通して第1の酸化ガス中間マニホールド22aに流通する。その後、酸化ガス7bは、第2の端板3bに設けられた酸化ガス連通流路16にて鉛直方向上向きに流されて第2の酸化ガス中間マニホールド22bに供給される。引き続き、酸化ガス7bは、下り勾配及び水平の加湿器酸化ガス流路19を流通して第2の酸化ガスマニホールド14bに流通する。即ち、加湿器2内に形成された加湿器酸化ガス流路19は、Uターン経路を構成している。
この間、酸化ガス7bは、約70℃程度のガス温度ならびに飽和水蒸気の酸化オフガス6bによって、全熱交換膜18を介して加湿されるとともに受熱する。この酸化オフガス6bは、第1の酸化オフガスマニホールド15aから一旦酸化オフガス中間マニホールド23を経由して第2の酸化オフガスマニホールド15bを通る加湿器酸化オフガス流路20に沿って流通する。加湿器酸化オフガス流路20は、流れ方向に沿って下り勾配及び水平である。
一方、酸化ガス7bに対して全熱交換膜18を介して与熱及び加湿した後の酸化オフガス6bは、約40℃程度の飽和水蒸気分圧に近いガスになり、第2の酸化オフガスマニホールド15bを通過して、酸化オフガス排出孔8から外部に排出される。
In the
During this time, the oxidizing gas 7b is humidified through the total heat exchange membrane 18 and receives heat by the gas temperature of about 70 ° C. and the oxidizing off-gas 6b of saturated water vapor. This oxidizing off gas 6b flows from the first oxidizing off gas manifold 15a through the oxidizing off gas
On the other hand, the oxidizing off gas 6b after heating and humidifying the oxidizing gas 7b through the total heat exchange membrane 18 becomes a gas close to a saturated water vapor partial pressure of about 40 ° C., and the second oxidizing off gas manifold 15b. And is discharged to the outside from the oxidizing off
熱交換により約65℃程度に加温され、かつ飽和蒸気圧近くまで加湿された加湿器2内の酸化ガス7bは、第2の酸化ガスマニホールド14bを通過し、連通板4に設けた酸化ガス連通路25において鉛直方向上向きに流され、燃料電池スタック1内に酸化ガス7aとして上部から供給される。
この酸化ガス7aは、水平及び下り勾配の燃料電池酸化ガス流路に沿って流通する。そして、酸化ガス7aは、単電池で電池反応によって生成された水蒸気を多く含有した酸化オフガス6aとなり、この酸化オフガス6aは、水平及び下り勾配の燃料電池酸化オフガス流路に沿って流通する。この後、酸化オフガスは、連通板4に設けた酸化オフガス連通路26に沿って鉛直上方向に流され、燃料電池スタック1から第1の酸化オフガスマニホールド15aに供給される。
The oxidizing gas 7b in the
The oxidant gas 7a flows along the fuel cell oxidant gas flow paths having horizontal and downward gradients. The oxidizing gas 7a becomes an oxidizing off gas 6a containing a large amount of water vapor generated by the cell reaction in the unit cell, and the oxidizing off gas 6a flows along the horizontal and downward fuel cell oxidizing off gas flow paths. Thereafter, the oxidizing off gas flows vertically upward along the oxidizing off
なお、連通板4は、第1の端板3aに設けられた冷却水供給孔10に供給された冷却水により温度調整される。即ち、冷却水供給孔10から流入した約65℃程度の冷却水は、燃料電池スタック1で発生した熱量を除去し、約70℃に上昇した後、連通板4を加温して冷却水排出孔9から排出される。
The temperature of the
一方、温度と飽和蒸気圧の相関から、低いガス温度と高い温度では、温度変化に伴う飽和水蒸気分圧の変化量が異なる。図13に示すように、例えば65℃から5℃温度が低下した場合の水蒸気分圧が5.1kPa低下するのに対して、40℃から5℃低下した場合は、1.8kPaの低下となる。従って、同じ温度低下でも結露の割合が1/3程度になる。
この実施の形態では、加湿器2内の酸化ガス7bの温度が低く、同じ温度低下でも結露の割合が少ないうちに、酸化ガス7bを全熱交換膜18と非接触である酸化ガス連通流路16を経由して鉛直上方向に流通させ、できるだけ温度が高い領域では水平及び下り勾配となるように加湿器酸化ガス流路19にしたものである。
従って、水分の結露による影響を少なくすることが可能となり、加湿器2における全熱交換膜18の横寸法に対する縦寸法の比を大きくしたものであっても、ガス流路幅を適切に設計し、複数の段状流路(酸化ガス連通流路16)で構成することが可能になる。よって、燃料電池スタック1の断面形状に合わせた加湿器2が容易に設計される。
On the other hand, from the correlation between the temperature and the saturated vapor pressure, the amount of change in the saturated water vapor partial pressure accompanying the temperature change differs between the low gas temperature and the high temperature. As shown in FIG. 13, for example, when the temperature decreases from 65 ° C. to 5 ° C., the water vapor partial pressure decreases by 5.1 kPa, whereas when the temperature decreases from 40 ° C. by 5 ° C., the pressure decreases by 1.8 kPa. . Therefore, the dew condensation rate is about 1/3 even at the same temperature drop.
In this embodiment, the temperature of the oxidizing gas 7b in the
Therefore, it becomes possible to reduce the influence of moisture condensation, and even if the ratio of the vertical dimension to the horizontal dimension of the total heat exchange membrane 18 in the
なお、第1のセパレータ板17a及び第2のセパレータ板17bについては、図14及び図15に示したものであってもよい。
このセパレータ板17a,17bでは、燃料電池スタック1から排出され、第1の酸化オフガスマニホールド15aからサーペンタイン流路によって水平及び下り勾配の酸化オフガス流路20を流通してきた約70℃程度で飽和水蒸気に近い酸化オフガス6bによって、加湿器2内の酸化ガス7bは、全熱交換膜18を介して、加湿されるとともに加熱される。
In addition, about the
The
このセパレータ板17a,17bは、図11、図12に示したセパレータ板17a,17bと比較して、酸化オフガス中間マニホールド23が不要となり、セパレータ板17a,17bの構成が簡単化される。
Compared to the
また、酸化ガス連通流路16は、第2の端板3bに設けられているが、セパレータ板17aに形成するようにしてもよい。
Moreover, although the oxidizing gas communication channel 16 is provided in the second end plate 3b, it may be formed in the
なお、上記各実施の形態では、酸素極に送られる酸化ガスを全熱交換型加湿器に送ることで酸化ガスを加湿及び加熱する燃料電池ユニットについて説明したが、この発明は、燃料極に送られる水素ガスを全熱交換型加湿器に送り、水素ガスを加湿及び加熱する燃料電池ユニットについても適用できる。
また、上記各実施の形態では、酸化ガス7b及び酸化オフガス6bは、熱交換効率を考慮して、加湿器2内を全熱交換膜18を挟んで主に対向流で流通した場合について説明したが、勿論このものに限定されるものではない。酸化ガス7b及び酸化オフガス6bの流れ方向は、直交流、並行流、またはこれらを組み合わせたものでもよい。
In each of the above embodiments, the fuel cell unit that humidifies and heats the oxidizing gas by sending the oxidizing gas sent to the oxygen electrode to the total heat exchange type humidifier has been described. The present invention can also be applied to a fuel cell unit that feeds hydrogen gas to a total heat exchange type humidifier to humidify and heat the hydrogen gas.
Further, in each of the above embodiments, the case where the oxidizing gas 7b and the oxidizing off gas 6b are mainly circulated in the counterflow through the
さらに、特に酸化ガス連通路25を鉛直上方向に流れる酸化ガス7bの流速、酸化オフガス連通路26を鉛直上方向に流れる酸化オフガス6bの流速については言及していないが、通過面積を小さくして、結露水が発生してもこれを吹飛ばす流速を上げるように設計してもよい。
Furthermore, although the flow rate of the oxidizing gas 7b flowing vertically upward in the oxidizing
1 燃料電池スタック、2 全熱交換型加湿器、3a 第1の端板、3b 第2の端板、4 連通板、5 酸化ガス供給孔、6a 酸化オフガス、6b 酸化オフガス、7 酸化ガス、7a 酸化ガス、7b 酸化ガス、8 酸化オフガス排出孔、9 冷却水排出孔、10 冷却水供給孔、11 燃料ガス供給孔、12 燃料ガス排出孔、13a 第1の絶縁板、13b 第2の絶縁板、14a 第1の酸化ガスマニホールド、14b 第2の酸化ガスマニホールド、15a 第1の酸化オフガスマニホールド、15b 第2の酸化オフガスマニホールド、16 酸化ガス連通流路(非接触流路)、17a 第1のセパレータ板、17b 第2のセパレータ板、18 全熱交換膜、19 加湿器酸化ガス流路(加湿器ガス流路)、20 加湿器酸化オフガス流路(加湿器オフガス流路)、22a 第1の酸化ガス中間マニホールド、22b 第2の酸化ガス中間マニホールド、23 酸化オフガス中間マニホールド、24 ドレン排出孔、25 酸化ガス連通路、26 酸化オフガス連通路、100 燃料電池ユニット。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
この燃料電池スタックに連通板を介して設けられ、前記単電池を通過した後の水分を含むオフガスと単電池を通過する前のガスとの間で全熱交換膜を介して熱交換及び湿度交換を行う全熱交換型加湿器とを備え、
前記燃料電池スタックの内部を前記ガスが流れる燃料電池ガス流路及び前記オフガスが流れる燃料電池オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、
前記全熱交換型加湿器の内部を前記ガスが流れる加湿器ガス流路及び前記オフガスが流れる加湿器オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、
また前記連通板に設けられた、前記オフガスが通るオフガス連通路及び前記ガスが通るガス連通路の少なくとの一方は流れ方向に沿って上り勾配であることを特徴とする燃料電池ユニット。 A solid polymer fuel cell stack in which a plurality of unit cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode are stacked, and power is generated by a cell reaction;
Heat exchange and humidity exchange between the off-gas containing moisture after passing through the unit cell and the gas before passing through the unit cell through a total heat exchange membrane provided in the fuel cell stack through a communication plate A total heat exchange type humidifier
The fuel cell gas flow path in which the gas flows inside the fuel cell stack and the fuel cell off-gas flow path in which the off gas flows are both downwardly inclined or horizontal along the flow direction,
The humidifier gas flow path through which the gas flows inside the total heat exchange type humidifier and the humidifier off-gas flow path through which the off gas flows are both down-gradient or horizontal along the flow direction,
Further, at least one of the off-gas communication passage through which the off-gas passes and the gas communication passage through which the gas passes is provided on the communication plate, and the fuel cell unit has an upward slope along the flow direction.
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CN110718723A (en) * | 2018-07-13 | 2020-01-21 | 株式会社高山 | Heat exchanger for batteries and fuel cell stacks |
WO2020180169A1 (en) * | 2019-03-07 | 2020-09-10 | 코오롱인더스트리 주식회사 | Membrane humidifier for fuel cell, and fuel cell system comprising same |
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