JP2008300324A - Fuel cell unit - Google Patents

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俊雄 篠木
Tetsuya Yagi
哲也 八木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell unit which can control an increase of a passage pressure loss due to vapor condensation in gas and can control a deterioration of battery performance and humidifying performance. <P>SOLUTION: In the fuel cell unit 100, a fuel cell gas passage through which oxidized gas flows and a fuel cell offgas passage through which oxidized offgas flows in a fuel cell stack 1 are inclined downward or horizontal in a flowing direction respectively, and a humidifier gas passage through which the oxidized gas 7b flows and a humidifier offgas passage through which the oxidized offgas 6b flows inside a heat exchanging humidifier 2 are inclined downward or horizontal in a flowing direction respectively, and at least either an oxidized offgas connecting passage through which the oxidized offgas 6b flows or an oxidized gas connecting passage 25 through which the oxidized gas 7b flows, both provided on a connecting board 4, is inclined upward in a flowing direction. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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 fuel cell stack 2. Description of the Related Art There is known a fuel cell unit that achieves high efficiency, compactness, and low cost by using an integrated structure (see, for example, Patent Document 1).

特許第3839978号公報Japanese Patent No. 3839978

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.
Embodiment 1 FIG.
1 is an overall perspective view of a fuel cell unit 100 according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating an internal portion of a total heat exchange type humidifier (hereinafter abbreviated as a humidifier) 2 in FIG. 3 is a partial longitudinal sectional view taken along the line B, FIG. 3 is a schematic view when the first separator plate 17a of FIG. 2 is seen along the arrow B direction, and FIG. 4 is a second separator plate 17b of FIG. It is the schematic when seeing along the arrow C direction. 3 and 4, the humidifier oxidizing gas channel 19 and the oxidizing off gas channel 20 are omitted.

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 fuel cell unit 100 includes a solid polymer fuel cell stack 1 in which a plurality of unit cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode are stacked, and after passing through the fuel cell stack 1. A humidifier 2 that performs heat exchange and humidity exchange between the oxidizing off gas and the oxidizing gas before passing through the fuel cell stack 1, and a communication plate 4 that connects the humidifier 2 and the fuel cell stack 1.
The fuel cell stack 1 is configured such that both side surfaces of a battery body in which a plurality of unit cells are stacked are disposed on the first end plate 3a and the upper portion of the communication plate 4 via a first insulating plate 13a and a second insulating plate 13b. Is sandwiched between. A fuel gas supply hole 11 for supplying fuel gas to the unit cell is formed on one side of the upper portion of the first end plate 3a. A fuel gas discharge hole 12 for discharging fuel gas from the unit cell is formed on one side of the lower portion of the first end plate 3a. In addition, a cooling water supply hole 10 that supplies cooling water for cooling the plurality of single cells and a cooling water discharge hole 9 that discharges the cooling water are formed at the lower end of the first end plate 3a. .
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 fuel cell stack 1 are both downwardly inclined or horizontal along the flow direction.

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 humidifier 2, both side surfaces of the humidifier body are sandwiched between the lower part of the communication plate 4 and the second end plate 3 b. The humidifier body is formed by stacking a plurality of humidifying units each having a total heat exchange membrane 18 sandwiched between a first separator plate 17a and a second separator plate 17b. A humidifier oxidizing gas flow path 19 that is a humidifier gas flow path is formed on one surface of the first separator plate 17a, and a humidifier oxidizing off gas flow path 20 that is a humidifier off gas flow path is formed on the other surface. ing. A humidifier oxidizing gas flow path 19 is formed on one surface of the second separator plate 17b, and a humidifier oxidizing off gas flow path 20 is formed on the other surface. The humidifier oxidizing gas channel 19 and the humidifier oxidizing off gas channel 20 are opposed to each other with the total heat exchange membrane 18 interposed therebetween.

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 first separator plate 17a and each second separator plate 17b. A second oxidizing gas manifold 14b is formed on the diagonal line of the first oxidizing gas manifold 14a at the lower edge of each first separator plate 17a and each second separator plate 17b.
A first oxidizing off-gas manifold 15a is formed at the upper edge of each first separator plate 17a and each second separator plate 17b so as to face the first oxidizing gas manifold 14a. A second oxidizing off-gas manifold 15b is formed at the lower edge of each first separator plate 17a and each second separator plate 17b so as to face the second oxidizing gas manifold 14b.
An oxidizing gas supply hole 5 is formed in the upper part of the second end plate 3b, and an oxidizing off gas discharge hole 8 is formed in the lower part.

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 communication plate 4 extends in the vertical direction inside, and is provided with an oxidizing gas communication passage 25 that communicates the second oxidizing gas manifold 14b and the oxygen electrode of the fuel cell stack 1, and penetrates in the horizontal direction to communicate with the fuel cell stack 1. An oxidizing off-gas communication path is provided in which the oxygen electrode communicates with the first oxidizing off-gas manifold 15a.

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 fuel cell unit 100 having the above configuration will be described assuming that the maximum operating temperature is about 70 ° C. In FIG. 1, the dotted arrow indicates the oxidizing gas before the battery reaction, and the double arrow line indicates the oxidizing off-gas after the battery reaction. The same applies to FIGS. 5 to 10 described later.
The oxidizing gas 7 necessary for the oxygen electrode of the fuel cell stack 1 flows into the first oxidizing gas manifold 14a from the oxidizing gas supply hole 5 of the humidifier 2 at room temperature. The oxidizing gas 7b in the humidifier 2 flows in the horizontal direction while being divided along the first oxidizing gas manifold 14a. As shown in FIG. 3, the diverted oxidizing gas 7 b flows toward the second gas manifold 14 b along the down-gradient and horizontal humidifier oxidizing gas passages 19.
On the other hand, in the humidifier 2, the steam-containing oxidizing off-gas 6a discharged from the oxygen electrode of the fuel cell stack 1 after the cell reaction flows into the oxidizing off-gas manifold 15a. The oxidizing off gas 6b in the humidifier 2 flows in the horizontal direction while being divided along the first oxidizing off gas manifold 15a. As shown in FIG. 4, the divided oxidizing off gas 6 b flows toward the second off gas manifold 15 b along the descending and horizontal oxidizing off gas flow paths 20.

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 humidifier 2, the oxidizing gas 7 b flowing through the humidifier oxidizing gas channel 19 flows through the oxidizing off-gas channel 20 via the total heat exchange membrane 18, and the oxidizing off-gas 6 b close to saturated steam at about 70 ° C. To receive moisture and receive heat.
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 fuel cell stack 1 through the first oxidizing gas communication path 25 provided in the communication plate 4 and extending in the vertical direction. .
The oxidizing gas 7a flowing from the upper part of the fuel cell stack 1 flows in the fuel cell gas flow path in the horizontal direction and the downward gradient in the fuel cell stack 1, and is generated by the cell reaction shown in the following equations (1) and (2). Thus, the oxidizing off gas 6a containing a large amount of water vapor is obtained. The oxidizing off gas 6a flows through the fuel cell off gas flow path in the horizontal direction and the downward gradient, and passes through the oxidizing off gas communication passage penetrating in the horizontal direction of the communication plate 4 from the fuel cell stack 1 to the first oxidizing off gas manifold 15a of the humidifier 2. To be supplied.

(燃料極) H → 2H +2e‥‥‥‥‥‥‥‥‥(1)
(酸素極) 1/2 O +2H +2e → HO‥(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 humidifier 2 and is close to saturated water vapor at about 70 ° C., humidifies and heats the oxidizing gas 7b flowing through the oxidizing off gas channel 20 through the total heat exchange membrane 18, It becomes a gas close to the saturated water vapor partial pressure at about 40 ° C., passes through the second oxidizing off-gas manifold 15 b, and is discharged to the outside from the oxidizing off-gas discharge hole 8.

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 fuel cell stack 1 is converted into electricity, and the remaining about 51% is converted into heat.
The generated heat is removed by supplying cooling water of about 65 ° C. from the cooling water supply hole 10 into the fuel cell stack 1. In the fuel cell stack 1, the cooling water is distributed to each single cell, removes the generated heat, is heated to about 70 ° C., and is discharged to the outside through the cooling water discharge hole 9. The discharged cooling water is heat-recovered to about 65 ° C. and then circulates through the cooling water supply hole 10.

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 communication plate 4 is designed for heat transfer so as to be kept warm by the amount of heat generated by the cell reaction of the fuel cell stack 1. The second insulating plate 13b sandwiched between the communication plate 4 and the unit cell is composed of a combination of a plurality of materials, and the portion adjacent to the region where the temperature of the fuel cell stack 1 is highest is a material having high heat conductivity, such as alumina. And magnesia (about 30 to 50 W / mK) are used, and in the region where the temperature of the fuel cell stack 1 is low, a material having low thermal conductivity, such as polycarbonate resin or polypropylene resin (about 1 to 2 W / mK) is used. .
The communication plate 4 is made of a material having high thermal conductivity, such as stainless steel or aluminum (about 16 to 150 W / mK). As a result, the temperature of the communication plate 4 can be brought close to the maximum temperature of the fuel cell stack 1 (70 ° C. in this embodiment).

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 plate 13b is composed of a high thermal conductivity material and the remaining about 83% is composed of a low thermal conductivity material by experiment. It has been found that the lowering temperature of the communication plate 4 is only about 1 ° C. from the maximum temperature of the fuel cell stack 1.
Therefore, the oxidizing gas 7b close to the saturated water vapor discharged from the humidifier 2 and supplied into the fuel cell stack 1 is blocked by the condensation generated in the oxidizing gas communication path 25 of the communication plate 4 having a vertically upward slope. The fuel cell stack 1 is supplied smoothly to the first oxidizing gas manifold 14a of the fuel cell stack 1 without pulsation.

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 fuel cell unit 100 according to this embodiment, the fuel cell gas flow path, the fuel cell off-gas flow path, the humidifier oxidant gas flow path 19 and the humidifier oxidant off-gas flow path 20 are all down-gradient along the flow direction. Or, since it is horizontal, even if dew condensation occurs locally for each temperature distribution caused by the cell reaction in the fuel cell stack 1 and the total heat exchange in the humidifier 2, this condensed water Can be discharged promptly.
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 fuel cell stack 1 or the humidification performance of the humidifier 2 is suppressed.
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 communication plate 4 is made of a material having high thermal conductivity, the oxidizing gas communication passage 25 is heated by heat generated from the fuel cell stack 1 although the oxidizing gas 7b flows vertically upward. In addition, the progress of water vapor condensation in the oxidizing gas communication path 25 can be prevented.

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。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is an overall perspective view showing the fuel cell unit 100 of the second embodiment.
In this embodiment, a cooling water discharge hole 9 is formed in the lower end portion of the communication plate 4, and the cooling water flowing into the fuel cell stack 1 from the cooling water supply hole 10 is distributed to each single cell, After removing the generated heat, it passes through the communication plate 4 and is discharged to the outside through the cooling water discharge hole 9.
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 fuel cell unit 100 of the second embodiment, the cooling water at about 70 ° C. that has passed through the fuel cell stack 1 flows through the communication plate 4 as it is, and keeps the communication plate 4 warm.

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 fuel cell unit 100 with an output of 1 kW, the amount of heat required to raise the oxidizing gas 7a from 65 ° C. to 70 ° C. is about 7 J / s. Even if this amount of heat is all covered by cooling water, the temperature drop of the cooling water is only about 0.05 ° C. Therefore, it can be utilized for heat recovery without substantially reducing the temperature of the cooling water.
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 communication plate 4 is approximately 70 ° C., which is the highest temperature of the fuel cell stack 1, and therefore the oxidizing gas 7b discharged from the humidifier 2 and supplied to the fuel cell stack 1 is not condensed. It becomes possible to supply the fuel cell stack 1.

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 fuel cell unit 100 showing another example of the second embodiment.
In the fuel cell unit 100, the fuel cell stack 1 is connected to the lower part on the one surface side of the communication plate 4, and the humidifier 2 is connected to the upper part on the other surface side of the communication plate 4. That is, the vertical positional relationship between the fuel cell stack 1 and the humidifier 2 is opposite to that of the fuel cell unit 100 shown in FIG.
The communication plate 4 is formed with an oxidizing off-gas communication passage 26 extending vertically upward in the interior thereof, and extending in the horizontal direction inside to guide the oxidizing gas 7 b to the oxygen electrode of the fuel cell stack 1. Is formed. A cooling water discharge hole 9 is formed on one side of the upper end portion of the communication plate 4.
Other configurations are the same as those of the fuel cell unit 100 shown in FIG.

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 humidifier 2 and humidified to near the saturated vapor pressure is oxidized in the second oxidizing gas manifold 14b and the communication plate 4. It passes through the gas communication path, flows in from the upper part of the fuel cell stack 1, and is guided to the oxygen electrode.
The oxidizing gas 7a that has flowed into the fuel cell stack 1 flows through the fuel cell gas flow paths that are horizontal and downward in the fuel cell stack 1, and becomes an oxidizing off gas 6a that contains a large amount of water vapor generated by the cell reaction.
The oxidizing off gas 6a flows through the horizontal and downwardly inclined fuel cell off gas passages, and then flows into the oxidizing off gas communication passage 26 from the lower portion of the communication plate 4. The oxidizing off gas 6a flows vertically upward in the oxidizing off gas communication passage 26 and is supplied to the first oxidizing off gas manifold 15a.
The subsequent flow of the oxidizing off gas 6b in the humidifier 2 is the same as that of the fuel cell unit 100 shown in FIG. 5, and is finally discharged to the outside from the oxidizing off gas discharge hole 8.

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 fuel cell unit 100, the oxidizing gas 7b discharged from the humidifier 2 and supplied to the fuel cell stack 1 flows through the oxidizing gas communication passage penetrating in the horizontal direction of the communication plate 4 whose temperature is adjusted by cooling water. As a result, the fuel cell stack 1 can be supplied without condensation.
Further, the oxidizing off-gas 6 a containing a large amount of water vapor discharged from the fuel cell stack 1 is directed upward in the vertical direction through the oxidizing off-gas communication passage 26 of the communication plate 4 heated at a temperature substantially equal to the maximum temperature of the fuel cell stack 1. As a result, water condensation does not proceed.
As a result, the humidifier 2 can be disposed above the fuel cell stack 1 in the vertical direction, and a stable fuel cell stack 1 with less pulsation can be obtained.

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 fuel cell unit 100 showing still another example of the second embodiment.
In this example, the humidifier 2 is provided at the lower part of one side of the communication plate 4, and the fuel cell stack 1 is provided at the upper part of the same one side.
The communication plate 4 has an oxidant gas communication passage 25 extending in the vertical direction inside, and an oxidant off-gas communication passage 26 extending in the vertical direction inside, and is cooled on one side of the lower end. Water discharge holes 9 are formed.
Other configurations are the same as those of the fuel cell unit 100 shown in FIG.

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 fuel cell unit 100, a space is secured on the entire surface of one side of the communication plate 4, and compared with the fuel cell unit 100 shown in FIGS. 1, 5, and 6, the first end. A tightening mechanism (not shown) of the fuel cell stack 1 sandwiched between the upper portions of the plate 3a and the communication plate 4, and a tightening mechanism of the humidifier 2 sandwiched between the second end plate 3b and the lower portion of the communication plate 4 (not illustrated). ) Is easy to design.
In addition, the fuel cell stack 1 and the humidifier 2 can be juxtaposed on the communication plate 4 placed on the floor at the time of manufacture, and the manufacturing process is simplified due to the ease of designing the tightening mechanism. .

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。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is an overall perspective view showing the fuel cell unit 100 of the third embodiment.
In the fuel cell unit 100 of this embodiment, the fuel cell stack 1 is provided at the lower part of one side of the communication plate 4, and the humidifier 2 is provided at the upper part of the same one side. That is, the vertical positional relationship between the fuel cell stack 1 and the humidifier 2 is opposite to that of the fuel cell unit 100 shown in FIG.
The communication plate 4 is provided with an oxidizing gas communication passage 25 through which the oxidizing gas flows downward in the vertical direction and an oxidizing off gas communication passage 26 through which the oxidizing off gas flows upward in the vertical direction. A drain discharge hole 24 communicating with the oxidant off-gas communication passage 26 is provided in the lower part of the communication plate 4. From this drain discharge hole 24, the drain stored in the lowermost part of the oxidizing off gas communication path 26 is discharged. A cooling water discharge hole 9 is formed on one side of the upper end portion of the communication plate 4.
Other configurations are the same as those of the fuel cell unit 100 shown in FIG.

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 fuel cell unit 100, even if the oxidant off-gas 6a contains water that is present as a liquid, the liquid is separated from the drain discharge hole 24 and can prevent the flow path from being blocked by the liquid.
The oxidizing offgas 6a flowing through the oxidizing offgas communication passage 26 of the communication plate 4 is generated by heat generated by the cell reaction in the fuel cell stack 1 and heat from the heated cooling water passing through the communication plate 4. Since the temperature is high and is supplied to the humidifier 2 at a saturated vapor pressure almost equal to the saturated vapor pressure at that temperature, the humidifier 2 performs heat exchange and humidity exchange with high efficiency via the total heat exchange membrane 18. Done.

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。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 is an overall perspective view showing the fuel cell unit 100 of the fourth embodiment.
In the fuel cell unit 100 of this embodiment, the fuel cell stack 1 and the humidifier 2 are provided in the coaxial line direction with the communication plate 4 interposed therebetween.
The oxidant gas 7b from the humidifier 2 flows into the communication plate 4 and the oxidant gas communication passage 25 that flows in the vertically upward direction and the oxidant off-gas 6a from the fuel cell stack 1 flows in and circulates in the vertically upward direction. An oxidizing off gas communication path 26 is formed.
A cooling water supply hole 10 is provided on the upper one side of the first end plate 3 a, and a cooling water discharge hole 9 is provided on the upper one side of the communication plate 4.
Other configurations are the same as those of the fuel cell unit 100 of FIG.

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 fuel cell unit 100, the oxidizing gas 7b in the humidifier 2 heated to about 65 ° C. by total heat exchange and humidified to near the saturated vapor pressure passes through the second oxidizing gas manifold 14b. In the fuel cell stack 1, it is supplied from the top in the vertical direction as the oxidizing gas 7a.
The oxidizing gas 7a that has flowed in from the upper part of the fuel cell stack 1 flows through the fuel cell gas flow paths that are horizontal and downward in the fuel cell stack 1, and becomes an oxidizing off gas 6a that contains a large amount of water vapor generated by the cell reaction. The oxidizing off gas 6 a is supplied from the fuel cell stack 1 to the first oxidizing off gas manifold 15 a of the humidifier 2 through the fuel cell off gas flow paths of horizontal and downward gradients and the oxidizing off gas communication path 26 of the communication plate 4.
Further, the cooling water from which the amount of heat generated from the fuel cell stack 1 has been removed is discharged from the cooling water discharge hole 9 while keeping the communication plate 4 warm.

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 fuel cell unit 100, since the fuel cell stack 1 and the humidifier 2 are provided on the same axis with the communication plate 4 interposed therebetween, a common fastening mechanism is used for the fuel cell stack 1 and the humidifier 2. Thus, the tightening can be performed collectively, the number of members is reduced, and the manufacturing process is simplified.

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。
Embodiment 5. FIG.
FIG. 10 is an overall perspective view showing the fuel cell unit 100 of the fifth embodiment, FIG. 11 is a schematic view showing the surface of the first separator plate 17a on the side in contact with the total heat exchange membrane 18, and FIG. FIG. 13 is a schematic diagram showing the surface of the separator plate 17b on the side in contact with the total heat exchange membrane 18, and FIG. 13 is a correlation diagram between the gas temperature and the saturated vapor pressure. In addition, in FIG.11 and FIG.12, the humidifier oxidizing gas flow path 19 and the oxidizing off gas flow path 20 are abbreviate | omitted.
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 first separator plate 17a. The second end plate 3b is provided with an oxidizing gas communication channel 16 that communicates the first oxidizing gas intermediate manifold 22a and the second oxidizing gas intermediate manifold 22b. The oxidizing gas communication channel 16, which is a non-contact channel, is a bypass channel that does not contact the total heat exchange membrane 18 in the middle of the humidifier oxidizing gas channel 19.
Further, as shown in FIG. 12, an oxidizing off-gas intermediate manifold 23 is provided between the first oxidizing gas intermediate manifold 22a and the second oxidizing gas intermediate manifold 22b.
Other configurations are the same as those of the fuel cell unit 100 shown in FIG.

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 fuel cell unit 100, the oxidizing gas 7 is supplied from the oxidizing gas supply hole 5 at room temperature in the humidifier 2, and descends from the first oxidizing gas manifold 14 a through the horizontal humidifier oxidizing gas channel 19. It distribute | circulates and distribute | circulates to the 1st oxidizing gas intermediate manifold 22a. Thereafter, the oxidizing gas 7b is caused to flow upward in the vertical direction through the oxidizing gas communication channel 16 provided in the second end plate 3b and supplied to the second oxidizing gas intermediate manifold 22b. Subsequently, the oxidizing gas 7b flows through the second oxidizing gas manifold 14b through the down-gradient and horizontal humidifier oxidizing gas passages 19. That is, the humidifier oxidizing gas channel 19 formed in the humidifier 2 constitutes a U-turn path.
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 intermediate manifold 23 and then along the humidifier oxidizing off gas flow path 20 passing through the second oxidizing off gas manifold 15b. The humidifier oxidant off-gas flow path 20 is downwardly inclined and horizontal along the flow direction.
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 gas discharge hole 8.

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 humidifier 2 heated to about 65 ° C. by the heat exchange and humidified to near the saturated vapor pressure passes through the second oxidizing gas manifold 14b and is supplied to the communication plate 4. It flows upward in the vertical direction in the communication path 25 and is supplied into the fuel cell stack 1 as an oxidizing gas 7a from above.
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 gas communication path 26 provided on the communication plate 4 and is supplied from the fuel cell stack 1 to the first oxidizing off gas manifold 15a.

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 communication plate 4 is adjusted by the cooling water supplied to the cooling water supply hole 10 provided in the first end plate 3a. That is, about 65 ° C. cooling water flowing from the cooling water supply hole 10 removes the heat generated in the fuel cell stack 1 and rises to about 70 ° C., then the communication plate 4 is heated to discharge the cooling water. It is discharged from the hole 9.

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 humidifier 2 is low, and the oxidizing gas communication channel in which the oxidizing gas 7b is not in contact with the total heat exchange membrane 18 while the ratio of dew condensation is small even at the same temperature drop. The humidifier oxidant gas flow path 19 is circulated in a vertically upward direction via 16 so as to have a horizontal and downward gradient in a region where the temperature is as high as possible.
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 humidifier 2 is increased, the gas flow path width is appropriately designed. In addition, a plurality of stepped channels (oxidizing gas communication channels 16) can be configured. Therefore, the humidifier 2 matched with the cross-sectional shape of the fuel cell stack 1 is easily designed.

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 1st separator plate 17a and the 2nd separator plate 17b, what was shown in FIG.14 and FIG.15 may be sufficient.
The separator plates 17a and 17b are discharged from the fuel cell stack 1 and are converted into saturated water vapor at about 70 ° C., which has been flowing from the first oxidizing off-gas manifold 15a through the horizontal and descending oxidizing off-gas channel 20 by the serpentine channel. The oxidizing gas 7b in the humidifier 2 is humidified and heated through the total heat exchange membrane 18 by the near oxidizing off gas 6b.

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 separator plates 17a and 17b shown in FIGS. 11 and 12, the separator plates 17a and 17b do not require the oxidation off-gas intermediate manifold 23, and the configuration of the separator plates 17a and 17b is simplified.

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 separator plate 17a.

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 humidifier 2 with the total heat exchange membrane 18 in between has been described in consideration of the heat exchange efficiency. However, of course, it is not limited to this. The flow direction of the oxidizing gas 7b and the oxidizing off gas 6b may be a cross flow, a parallel flow, or a combination thereof.

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 gas communication passage 25 and the flow velocity of the oxidizing off gas 6b flowing vertically upward in the oxidation off gas communication passage 26 are not mentioned, the passage area is reduced. Even if dew condensation water is generated, it may be designed to increase the flow speed at which it is blown off.

この発明の実施の形態1に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。1 is an overall perspective view showing a fuel cell unit according to Embodiment 1 of the present invention. 図1における全熱交換型加湿器を矢印A方向に沿って視たときの部分縦断面図である。It is a partial longitudinal cross-sectional view when the total heat exchange type humidifier in FIG. 1 is seen along the arrow A direction. 図2の第1のセパレータ板を矢印B方向に沿って視たときの概略図である。FIG. 3 is a schematic view when the first separator plate of FIG. 2 is viewed along the arrow B direction. 図2の第2のセパレータ板を矢印C方向に沿って視たときの概略図である。FIG. 3 is a schematic view when the second separator plate of FIG. 2 is viewed along the direction of arrow C. この発明の実施の形態2に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。It is a whole perspective view which shows the fuel cell unit which concerns on Embodiment 2 of this invention. 実施の形態2に係る燃料電池ユニットの他の例を示す全体斜視図である。6 is an overall perspective view showing another example of a fuel cell unit according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態2に係る燃料電池ユニットのさらに他の例を示す全体斜視図である。10 is an overall perspective view showing still another example of the fuel cell unit according to Embodiment 2. FIG. この発明の実施の形態3に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。It is a whole perspective view which shows the fuel cell unit which concerns on Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。It is a whole perspective view which shows the fuel cell unit which concerns on Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態5に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。It is a whole perspective view which shows the fuel cell unit which concerns on Embodiment 5 of this invention. 図10の燃料電池ユニットに用いられる第1のセパレータ板の全熱交換膜と接触する側の面を示す概略図である。It is the schematic which shows the surface of the side which contacts the total heat exchange film | membrane of the 1st separator plate used for the fuel cell unit of FIG. 図10の燃料電池ユニットに用いられる第2のセパレータ板の全熱交換膜と接触する側の面を示す概略図である。It is the schematic which shows the surface of the side which contacts the total heat exchange film | membrane of the 2nd separator plate used for the fuel cell unit of FIG. 水における温度と飽和蒸気圧との相関図である。It is a correlation diagram of the temperature and saturated vapor pressure in water. 図11に示した第1のセパレータ板と異なる例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example different from the 1st separator plate shown in FIG. 図12に示した第2のセパレータ板と異なる例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example different from the 2nd separator plate shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Fuel cell stack, 2 Total heat exchange type humidifier, 3a 1st end plate, 3b 2nd end plate, 4 communicating plate, 5 Oxidation gas supply hole, 6a Oxidation off gas, 6b Oxidation off gas, 7 Oxidation gas, 7a Oxidized gas, 7b Oxidized gas, 8 Oxidized off-gas discharge hole, 9 Cooling water discharge hole, 10 Cooling water supply hole, 11 Fuel gas supply hole, 12 Fuel gas discharge hole, 13a First insulating plate, 13b Second insulating plate , 14a first oxidizing gas manifold, 14b second oxidizing gas manifold, 15a first oxidizing off gas manifold, 15b second oxidizing off gas manifold, 16 oxidizing gas communication channel (non-contact channel), 17a first Separator plate, 17b Second separator plate, 18 Total heat exchange membrane, 19 Humidifier oxidizing gas flow path (humidifier gas flow path), 20 Humidifier oxidizing off gas flow path Humidifier off-gas flow path), 22a first oxidizing gas intermediate manifold, 22b second oxidizing gas intermediate manifold, 23 oxidizing off-gas intermediate manifold, 24 drain discharge hole, 25 oxidizing gas communication path, 26 oxidizing off gas communication path, 100 fuel Battery unit.

Claims (8)

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、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.
前記連通板には、前記燃料電池スタックから排出される冷却水が流通する冷却水流路が設けられており、前記連通板は、前記単電池を冷却した後の前記冷却水により温度調整されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。   The communication plate is provided with a cooling water passage through which cooling water discharged from the fuel cell stack flows, and the temperature of the communication plate is adjusted by the cooling water after cooling the unit cell. The fuel cell unit according to claim 1. 前記燃料電池スタック及び前記全熱交換型加湿器は、前記連通板の片側面にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池ユニット。   The fuel cell unit according to claim 1 or 2, wherein the fuel cell stack and the total heat exchange type humidifier are respectively disposed on one side surface of the communication plate. 前記連通板を挟んで前記燃料電池スタックと前記全熱交換型加湿器とは、同軸線方向に配置されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の燃料電池ユニット。   The fuel cell unit according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell stack and the total heat exchange type humidifier are arranged in a coaxial line direction with the communication plate interposed therebetween. . 前記加湿器ガス流路の一部に、前記全熱交換膜と非接触であって流れ方向に沿って上り勾配の非接触流路が形成されていることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の燃料電池ユニット。   5. The non-contact flow path having an upward slope along the flow direction is formed in a part of the humidifier gas flow path in a non-contact manner with the total heat exchange membrane. The fuel cell unit according to any one of claims. 前記非接触流路は、迂回して前記連通板に形成されたガス連通通路であることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池ユニット。   The fuel cell unit according to claim 5, wherein the non-contact flow path is a gas communication path formed in the communication plate by detour. 前記ガス連通路またはオフガス連通路の下部には、ドレン排出孔が設けられていることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の燃料電池ユニット。   The fuel cell unit according to any one of claims 1 to 6, wherein a drain discharge hole is provided in a lower portion of the gas communication path or the off-gas communication path. 前記ガスは酸化ガスであり、前記オフガスは前記酸素極から排出される前記酸化オフガスであることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の燃料電池ユニット。   The fuel cell unit according to any one of claims 1 to 7, wherein the gas is an oxidizing gas, and the off-gas is the oxidizing off-gas discharged from the oxygen electrode.
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