JP2009026521A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell.
燃料ガス(水素等)と酸化剤ガス(酸素等)との電気化学反応によって発電する燃料電池において、電解質膜として固体高分子電解質膜を用い、酸化剤ガスとして空気を用いるものがある。空気には、酸素の他に窒素等が含まれる。そのため、このような燃料電池において、空気中に含まれる窒素等の不純物が、電解質膜を透過して、カソード側からアノード側に移動することがある。 Some fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas (such as hydrogen) and an oxidant gas (such as oxygen) use a solid polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane and air as the oxidant gas. Air contains nitrogen and the like in addition to oxygen. Therefore, in such a fuel cell, impurities such as nitrogen contained in the air may pass through the electrolyte membrane and move from the cathode side to the anode side.
窒素等の不純物がアノード側に存在すると、燃料ガス濃度が低くなり、出力電圧が低下するおそれがあった。 When impurities such as nitrogen are present on the anode side, the fuel gas concentration is lowered, and the output voltage may be lowered.
上記した燃料電池において、燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様を含む(アノードデッドエンド運転ともいう)燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In the fuel cell described above, a fuel cell that includes a mode in which almost all of the supplied fuel gas is consumed on the anode side (also referred to as anode dead-end operation) has been proposed as a mode of operation performed by supplying fuel gas. (For example, refer to Patent Document 1).
このような燃料電池では、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様の運転時には、アノード排ガスが排出されないため、窒素等の不純物がアノード側の燃料ガスの流れの下流に集められ、窒素等が局所的に滞留する。そうすると、窒素等が局所的に滞留する部分に、燃料ガスが供給されにくくなるため、出力電圧が著しく低下するおそれがある。 In such a fuel cell, during operation in which almost all of the supplied fuel gas is consumed on the anode side, anode exhaust gas is not discharged, so impurities such as nitrogen are collected downstream of the anode side fuel gas flow. Nitrogen etc. stay locally. If it does so, it will become difficult to supply fuel gas to the part where nitrogen etc. stay locally, and there exists a possibility that output voltage may fall remarkably.
そこで、本発明は、燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側で消費する態様を含む燃料電池において、燃料電池性能の低下を抑制することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to suppress a decrease in fuel cell performance in a fuel cell including a mode in which almost all supplied fuel gas is consumed on the anode side as a mode of operation performed by supplying fuel gas. And
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1] 燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に、アノード側触媒層およびカソード側触媒層が、それぞれ配置されて成る発電体と、前記発電体の前記アノード側触媒層側に配置され、前記アノード側触媒層における電気化学反応に用いられる燃料ガスを流通させて、前記アノード側触媒層に供給する、燃料ガス流路形成部と、を備える燃料電池と、
前記アノード側触媒層における前記電気化学反応に用いられない非反応流体を貯留する貯留部と、
を、備え、
前記燃料ガス流路形成部は、
前記燃料ガス流路形成部内に滞留する前記非反応流体を、前記貯留部に案内する非反応流体案内流路を備え、
前記燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行う運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスを前記アノード側触媒層で消費する態様を含むことを特徴とする燃料電池システム。
Application Example 1 A fuel cell system,
An anode-side catalyst layer and a cathode-side catalyst layer are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane, respectively, and the anode-side catalyst layer side of the electricity-generating body is arranged for electrochemical reaction in the anode-side catalyst layer. A fuel cell comprising: a fuel gas flow path forming unit that circulates the fuel gas used and supplies the fuel gas to the anode side catalyst layer;
A reservoir for storing a non-reactive fluid that is not used in the electrochemical reaction in the anode catalyst layer;
With
The fuel gas flow path forming part is
A non-reacting fluid guide channel for guiding the non-reacting fluid staying in the fuel gas channel forming unit to the storing unit;
The fuel cell system includes a mode in which almost all of the supplied fuel gas is consumed by the anode catalyst layer as a mode of operation performed by supplying the fuel gas.
このタイプの燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード側触媒層で消費する態様を含む。水素または水素を含んだガスを燃料ガスとして用いる場合、燃料ガスの供給側が電子が流れ出す側となるので、「アノード(陽極)」となる。ここで、燃料ガスのほぼすべてを消費するとは、燃料ガスの消費面から、積極的に燃料ガスを取り出して燃料ガス供給路に循環させるといった用い方をしないことを意味している。消費には、発電のための電気化学反応に用いられるだけでなく、電解質膜の反対側への透過も含まれる。また、現実に燃料電池を構成した場合に生じるリークも、消費に含ませて良い。燃料電池において、こうした燃料ガスの使い方しながら発電することを、デッドエンド運転と呼ぶ。このとき、燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用している運転の態様として捉えることができる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給される燃料消費面は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。 This type of fuel cell includes a mode in which almost all of the supplied fuel gas is consumed in the anode side catalyst layer as a mode of operation performed by supplying the fuel gas. When hydrogen or a gas containing hydrogen is used as the fuel gas, the fuel gas supply side is the side from which electrons flow out, and thus becomes an “anode”. Here, consuming almost all of the fuel gas means that, from the viewpoint of fuel gas consumption, it is not used such as actively taking out the fuel gas and circulating it to the fuel gas supply path. Consumption includes not only the electrochemical reaction for power generation, but also permeation to the opposite side of the electrolyte membrane. In addition, leakage that occurs when a fuel cell is actually configured may be included in the consumption. In a fuel cell, generating electricity while using such fuel gas is called dead-end operation. At this time, almost all of the fuel gas can be regarded as a mode of operation that is used for power generation in a state where it is retained inside without being discharged to the outside. In this case, as a result, the fuel consumption surface to which the fuel gas is supplied generally has a closed structure that does not discharge or release the fuel gas to the outside.
発電体のアノード側へ燃料ガスを供給して行なう燃料電池の運転を、アノードデッドエンド運転と呼ぶ。アノードデッドエンド運転では、燃料ガスのアノード側への供給を継続しつつ、アノード側からの燃料ガスの排出をしない状態で発電を継続する。結果的に、少なくとも定常発電時に供給された燃料ガスのほぼ全量をアノード側に留めて発電を行うことになる。発電体が、電解質膜の両面にアノードおよびカソードをそれぞれ接合してなる膜電極接合体を備え、アノード側に燃料ガス(多くは、水素または水素含有ガス)を供給して発電を行う場合には、アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用することになる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給されるアノード側は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。 The operation of the fuel cell performed by supplying fuel gas to the anode side of the power generation body is called anode dead end operation. In the anode dead-end operation, power generation is continued in a state where fuel gas is not discharged from the anode side while the supply of fuel gas to the anode side is continued. As a result, power generation is performed with at least almost the entire amount of the fuel gas supplied during steady power generation being kept on the anode side. When the power generator is equipped with a membrane electrode assembly in which the anode and the cathode are joined to both surfaces of the electrolyte membrane, and a fuel gas (mostly hydrogen or hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side to generate power Thus, almost all of the fuel gas supplied to the anode is used for power generation in a state of being retained inside without being discharged to the outside. In this case, as a result, the anode side to which the fuel gas is supplied generally has a closed structure that does not discharge or release the fuel gas to the outside.
本願明細書では、燃料ガスの消費面に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費面で消費する運転の態様を、デッドエンド運転と呼ぶが、燃料ガス消費面からの燃料ガスの循環を意図せず、燃料ガスの消費面から名目的に燃料ガスを取り出して利用する形態が加えられていたとしても、当該構成は、デッドエンド運転に含まれる。例えば、燃料消費面あるいはその上流から僅かな燃料ガスを取り出す流路を設け、取り出した燃料ガスを燃焼して補機などのプレヒートに用いる構成などを考えることができる。こうした名目的な燃料ガスの消費は、燃料ガスの取り出しを、燃料ガスの消費面もしくはその上流からとすることに格別な意味がなければ、本願明細書における「ほぼすべての燃料ガスの燃料ガス消費面で消費する」ことから除外される構成とはならない。 In the present specification, an operation mode in which almost all fuel gas supplied to the fuel gas consumption surface is consumed on the fuel gas consumption surface side is called dead-end operation. However, the configuration is included in the dead-end operation even if a mode in which the fuel gas is extracted and used for the purpose of fuel gas consumption is added. For example, it is possible to consider a configuration in which a flow path for extracting a small amount of fuel gas from the fuel consumption surface or upstream thereof is provided, and the extracted fuel gas is burned and used for preheating such as an auxiliary machine. Unless the fuel gas is taken out from the upstream side or the upstream side of the fuel gas, the nominal consumption of the fuel gas is referred to as “fuel gas consumption of almost all fuel gas” in this specification. It is not a configuration that is excluded from “consuming in terms of aspect”.
本願発明の燃料電池は、さらに、アノード極(水素極)の不純物(たとえば窒素)の分圧が、カソード極(空気極)の不純物(たとえば窒素)の分圧とつりあった状態で継続的に発電する運転状態を実現するものとして把握することもできる。ここで、「つりあった状態」とは、たとえば平衡状態を意味し、必ずしも両者の分圧が等しい状態に限られない。 The fuel cell of the present invention further generates power continuously in a state where the partial pressure of impurities (for example, nitrogen) at the anode electrode (hydrogen electrode) is balanced with the partial pressure of impurities (for example, nitrogen) at the cathode electrode (air electrode). It can also be grasped as realizing the driving state. Here, the “balanced state” means, for example, an equilibrium state, and is not necessarily limited to a state where the partial pressures of both are equal.
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図32や図33に示されるような構成をも含む。図32の構成例は、第1の流路と第2の流路と有している。第1の流路は、第2の流路よりも上流側に配置されている。第1の流路および第2の流路は、第1の流路あるいは第2の流路よりも流れの抵抗が高い高抵抗連通部2100xを介して連通している。これらの流路は、発電領域面外(燃料電池セルの外部)から燃料ガス導入口(マニホールド)を経由して燃料ガスを導入する。換言すれば、第2の流路への燃料ガスの供給は、主として高抵抗連通部2100xを介して(たとえば高抵抗連通部2100xのみを介して)第1の流路から導入される。
The fuel cell of the present invention further includes a configuration as shown in FIGS. 32 and 33, for example. The configuration example of FIG. 32 has a first flow path and a second flow path. The first channel is disposed upstream of the second channel. The first channel and the second channel communicate with each other via a high
なお、第1の流路や第2の流路は、後述の実施例のように多孔体を利用しても形成可能であるが、たとえばシール材S1、S2の挟持(図32)やハニカム構造材H2を使用した流路の形成(図33)として構成してもよい。 The first flow path and the second flow path can also be formed by using a porous body as in the examples described later. For example, sandwiching the sealing materials S1 and S2 (FIG. 32) or a honeycomb structure You may comprise as formation of the flow path which uses the material H2 (FIG. 33).
高抵抗連通部2100xは、たとえば図32や図33に示されるような複数の導入部2110x(貫通孔)が面内方向に分散した板状部材が利用可能である。高抵抗連通部2100xは、以下のうちの少なくとも一つの役割を有している。第1の役割は、「第2の流路のうち燃料ガス導入口に近接する領域への燃料ガス供給を制限する役割」である。第2の役割は、「アノード反応部に沿った第2の流路の面直方向に働くガス圧の面内の不均一を抑制する役割」である。第3の役割は、「第1の流路を面内方向に流れる燃料ガスの向きを面直方向(あるいは面に交差する方向)に変換する役割」である。
As the high
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード反応部で消費する態様を含む燃料電池システムであって
発電セル内にアノードガスを導入する導入口と、
前記導入口から供給されたアノードガスをセル面内方向に導く第1のガス流路と、
前記アノード反応部に沿って延在し、
前記第1のガス流路より流れの抵抗が高く、第1のガス流路から第2のガス流路へのアノードガスの流入を妨げつつも、セル面内方向に分布した複数の連通部を介して、第1のガス流路から第2のガス流路へアノードガスを導く高抵抗部と、
を備える。
The fuel cell of the present invention can be further understood as the following fuel cell system. That is, this fuel cell system
A fuel cell system including a mode in which almost all of the supplied fuel gas is consumed in the anode reaction section, the inlet for introducing the anode gas into the power generation cell;
A first gas flow path for guiding the anode gas supplied from the introduction port in the cell plane direction;
Extending along the anode reaction section,
The flow resistance is higher than that of the first gas flow path, and a plurality of communication portions distributed in the cell in-plane direction are provided while preventing the inflow of the anode gas from the first gas flow path to the second gas flow path. A high resistance portion for guiding the anode gas from the first gas flow path to the second gas flow path,
Is provided.
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような構成を含む燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の領域で消費されるアノードガスは、前記高抵抗部のうち一の連通部を通過したガスの比率が、他の連通部を通過したガスの比率より高い、
あるいは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の連通部を通過したアノードガスは、前記アノード反応部のうちの一の領域で消費される比率が、他の領域で消費される比率より高い
といった構成も可能である。
The fuel cell of the present invention can also be understood as a fuel cell system including the following configuration. That is, this fuel cell system
The high resistance portion has one communication portion corresponding to one region of the anode reaction portion, and another communication portion corresponding to another region,
In the anode gas consumed in the one region, the ratio of the gas that has passed through one communication portion of the high resistance portion is higher than the ratio of the gas that has passed through the other communication portion,
Or
The high resistance portion has one communication portion corresponding to one region of the anode reaction portion, and another communication portion corresponding to another region,
The anode gas that has passed through the one communicating portion may be configured such that the ratio consumed in one area of the anode reaction section is higher than the ratio consumed in the other area.
一方、カソード流路は少なくとも上記高抵抗連通部が有さないことが好ましい。さらにカソード流路は、第2の流路も設けることなく、カソード導入口から供給されたカソードガスをセル面内方向に導く第1のガス流路のみとすることが好ましい。ただし、いわゆるガス拡散層を第2の流路と捉えれば、第1および第2の流路の組み合わせとしても良い。いずれにせよ、上記高抵抗連通部をカソード極からのみ省略することにより、カソードガスの送給機の仕事量の低減およびカソード極での排水性の向上が期待でき、特に、アノード極からの排水性能が低いシステム(燃料ガスの定常的排気の無い)燃料電池システムでは好適である。 On the other hand, it is preferable that the cathode channel does not have at least the high resistance communication portion. Further, it is preferable that the cathode channel is only the first gas channel that guides the cathode gas supplied from the cathode introduction port in the in-cell direction without providing the second channel. However, if the so-called gas diffusion layer is regarded as the second flow path, a combination of the first and second flow paths may be used. In any case, by omitting the high resistance communication portion only from the cathode electrode, it is possible to reduce the work of the cathode gas feeder and improve the drainage performance at the cathode electrode. It is suitable for a fuel cell system having low performance (no steady exhaust of fuel gas).
例えば、酸化剤ガスとして、空気を用いる場合には、窒素等のカソード側触媒層における電気化学反応に用いられないガスが含まれている。カソード側触媒層における電気化学反応に用いられないガスは、電解質膜を透過して、アノード側に移動することがある。また、燃料ガスとして、改質ガス等を用いる場合には、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン等の、アノード側触媒層における電気化学反応に用いられないガスが含まれている。このように、カソード側から移動してくるガス、燃料ガス中に含まれるガス等であって、アノード側触媒層における電気化学反応に用いられないガス等を、本明細書中において、非反応流体と称する。 For example, when air is used as the oxidant gas, a gas such as nitrogen that is not used for the electrochemical reaction in the cathode side catalyst layer is included. Gas that is not used for the electrochemical reaction in the cathode side catalyst layer may pass through the electrolyte membrane and move to the anode side. Moreover, when using reformed gas etc. as fuel gas, the gas which is not used for the electrochemical reaction in an anode side catalyst layer, such as carbon monoxide, a carbon dioxide, and methane, is contained. As described above, a gas that moves from the cathode side, a gas contained in the fuel gas, and the like that is not used for an electrochemical reaction in the anode side catalyst layer is referred to as a non-reacting fluid in the present specification. Called.
アノード排ガスを燃料電池内部に止めて運転すると、アノード排ガスが排出されないため、上記したような非反応流体が、滞留する。そうすると、滞留している非反応流体により、その部分に燃料ガスが供給されにくくなるため、燃料ガス濃度が低くなり、その部分で発電できず、出力電圧が低下するおそれがある。 When the anode exhaust gas is stopped and operated inside the fuel cell, the anode exhaust gas is not discharged, and thus the non-reactive fluid as described above stays. In this case, the fuel gas is hardly supplied to the portion due to the staying non-reacting fluid, so that the fuel gas concentration becomes low, power generation cannot be performed in that portion, and the output voltage may be lowered.
本適用例の燃料電池によれば、滞留部に滞留する非反応流体が、非反応流体案内流路に案内されて、貯留部に流入するため、非反応流体を、アノード側から掃き出すことができる。したがって、非反応流体が局所的に滞留することによる、燃料電池性能の低下を抑制することができる。 According to the fuel cell of this application example, the non-reacting fluid staying in the staying part is guided by the non-reacting fluid guide flow path and flows into the storing part, so that the non-reacting fluid can be swept out from the anode side. . Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the fuel cell performance due to the non-reactive fluid locally staying.
[適用例2] 適用例1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記非反応流体案内流路は、
前記燃料ガスが前記燃料ガス流路形成部内を流通する際の主たる流れの下流に配置されることを特徴とする燃料電池。
[Application Example 2] In the fuel cell system according to Application Example 1,
The non-reacting fluid guide channel is
A fuel cell, wherein the fuel gas is disposed downstream of a main flow when the fuel gas flows through the fuel gas flow path forming portion.
燃料電池を始動する際に、非反応流体は、燃料ガスの流れによって、燃料ガスの主たる流れの下流に集められ、滞留する。適用例2の燃料電池によれば、滞留する非反応流体を、効率よく、貯留部に案内することができる。 When starting the fuel cell, the non-reacting fluid is collected and stays downstream of the main flow of fuel gas by the flow of fuel gas. According to the fuel cell of Application Example 2, it is possible to efficiently guide the staying non-reacting fluid to the storage unit.
[適用例3] 適用例1または2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路形成部は、
互いに連通する複数の空孔を有する多孔体であって、
前記非反応流体案内流路は、
前記多孔体の一部に形成される、空孔率が高くなるように形成された部分であることを特徴とする燃料電池システム。
[Application Example 3] In the fuel cell system according to Application Example 1 or 2,
The fuel gas flow path forming part is
A porous body having a plurality of pores communicating with each other;
The non-reacting fluid guide channel is
A fuel cell system, wherein the fuel cell system is a part formed in a part of the porous body so as to have a high porosity.
空孔率が高いと、空孔率が低い部分に比べて、ガスの流れが良くなる。滞留部と貯留部と繋ぐように、空孔率が高い部分を形成すると、滞留部に滞留する非反応流体が、優先的に空孔率が高い部分を通って貯留部に流入する。したがって、アノード側に滞留する非反応流体をアノード側から掃き出すことができる。 When the porosity is high, the gas flow is improved as compared with the portion where the porosity is low. When a portion with a high porosity is formed so as to connect the retention portion and the storage portion, the non-reactive fluid that stays in the retention portion preferentially flows into the storage portion through the portion with a high porosity. Therefore, the non-reacting fluid staying on the anode side can be swept out from the anode side.
[適用例4] 適用例1または2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス流路形成部は、
互いに連通する複数の空孔を有する多孔体であって、
前記非反応流体案内流路は、
前記多孔体の表面に形成された溝部であることを特徴とする燃料電池システム。
[Application Example 4] In the fuel cell system according to Application Example 1 or 2,
The fuel gas flow path forming part is
A porous body having a plurality of pores communicating with each other;
The non-reacting fluid guide channel is
A fuel cell system comprising a groove formed on a surface of the porous body.
多孔体の表面に溝部が形成されると、溝部は、ガスが流れる際の抵抗が小さいため、多孔体の他の部分に比べて、ガスの流れが良くなる。非反応流体が滞留する部分と貯留部と繋ぐような溝を形成すると、滞留する非反応流体が、優先的に溝部を通って貯留部に流入する。したがって、アノード側に滞留する非反応流体をアノード側から掃き出すことができる。 When the groove is formed on the surface of the porous body, the groove has a low resistance when the gas flows, and therefore the gas flow is improved as compared with other portions of the porous body. When a groove that connects the portion where the non-reactive fluid stays and the storage portion is formed, the non-reactive fluid that stays preferentially flows into the storage portion through the groove portion. Therefore, the non-reacting fluid staying on the anode side can be swept out from the anode side.
[適用例4] 適用例1ないし3のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記貯留部は、
前記燃料電池の内部に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
[Application Example 4] The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 3,
The reservoir is
A fuel cell system provided inside the fuel cell.
このようにすると、例えば、燃料電池と貯留部とを接続する配管等、部品を減らすことができ、燃料電池システム全体の大きさを小さくすることができ、また、コスト低減をすることができる。 If it does in this way, parts, such as piping which connects a fuel cell and a storage part, can be reduced, for example, the size of the whole fuel cell system can be made small, and cost reduction can be carried out.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. .
A.第1の実施例:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の第1の実施例としての燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。
A. First embodiment:
A1. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
本実施例の燃料電池システム1000は、燃料電池100と、燃料電池100内の窒素等を貯留する貯留部48と、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系と、酸化剤ガスとしての空気を給排する空気給排系と、燃料電池100を冷却する冷却水循環系と、を主に備える。
The
燃料電池100は、水素と空気とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。燃料電池100は、後述する発電ユニット400を、セパレータ300を介在させて複数積層して成る積層体40を、集電板31、32、絶縁板21、22、エンドプレート11、12によって、両側から挟持するように積層して構成されている。発電ユニット400の積層数は、燃料電池100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
The
貯留部48は、燃料電池100内部に形成され、燃料電池100内の窒素等を貯留する部分である(後に詳述する)。貯留部48には、排気バルブ57を備える配管56が接続され、所定のタイミングで排気バルブ57を開弁することによって、貯留部48内の窒素等を、燃料電池100外へ、放出する。
The
水素供給系は、水素タンク50と、配管53と、を備える。水素タンク50に貯蔵された高圧水素は、水素タンク50の出口に設けられたシャットバルブ51、配管53に設けられたレギュレータ52によって圧力、および、供給量が調整されて、配管53を介して、燃料電池100のアノードに供給される。この燃料電池100は、アノードからの排気ガス(以下、アノード排ガスと呼ぶ)を、燃料電池100の内部に止めて運転するものである。すなわち、アノードに供給された水素が、ほとんど全て発電に用いられるものであり、アノード排ガスを外部に排出するための配管は備えていない。このようにすることによって、燃料ガスを効率よく利用することができると共に、燃料ガスの循環に起因するコンプレッサ損失を排除して、燃料電池システム全体としての効率を高めることができる。
The hydrogen supply system includes a hydrogen tank 50 and a
水素タンク50の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。 Instead of the hydrogen tank 50, hydrogen may be generated by a reforming reaction using alcohol, hydrocarbon, aldehyde or the like as a raw material and supplied to the anode.
空気給排系は、コンプレッサ60と、配管61と、配管62と、を備える。コンプレッサ60によって圧縮された圧縮空気が、配管61を介して、酸素を含有した酸化剤ガスとして、燃料電池100のカソードに供給される。そして、カソードからの排気ガス(以下、カソード排ガスと呼ぶ)は、配管62を介して、外部に排出される。配管62には、カソード排ガスとともに、燃料電池100のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
The air supply / discharge system includes a
冷却水循環系は、ポンプ70と、ラジエータ71と、配管72と、を備える。冷却水は、ポンプ70によって、配管72を流れ、燃料電池100内を循環して燃料電池100を冷却した後、ラジエータ71によって再度冷却されて、燃料電池100に供給される。
The cooling water circulation system includes a
A2.発電ユニットの構成:
図2は、発電ユニット400を、アノード側から見て示す平面図、図3は、図2におけるC−C切断面を示す断面図である。本実施例の発電ユニット400は、図3に示すように、シール部材一体型MEA420と、水素流路形成部440と、空気流路形成部460と、から成る。
A2. Configuration of power generation unit:
FIG. 2 is a plan view showing the
A2.1.シール部材一体型MEAの構成:
図2、図3に示すように、シール部材一体型MEA420は、外形が略長方形状を成すMEA426(図2において、図示の都合上、水素流路形成部440の下に隠れている。)と、MEA426の周囲に一体的に形成されるシール部材428と、から成る。
A2.1. Structure of seal member integrated MEA:
As shown in FIGS. 2 and 3, the seal member integrated
図3に示すように、MEA426は、電解質膜421の一方の面にアノード側触媒層422と、アノード側拡散層423とを積層し、他方の面にカソード側触媒層424と、カソード側拡散層425とを積層して成る膜電極接合体である。MEA426において、触媒層と拡散層とで、ガス拡散電極として機能している。本実施例におけるMEA426が、請求項における発電体に相当する。
As shown in FIG. 3, the
図2に示すように、シール部材428には、第1の水素供給用貫通孔402s、第2の水素供給用貫通孔404sが、それぞれ1つずつ形成されている。また、空気供給用貫通孔406s、空気排出用貫通孔408sが、それぞれ3つずつ形成されている。さらに、冷却水供給用貫通孔410s、冷却水排出用貫通孔412sが、それぞれ、1つずつ形成されている。なお、各貫通孔の周囲には、燃料電池100を構成した際に、反応ガスの漏洩を防止するためのシール部が形成されている(図2において、破線で示す。)。上記したように、本実施例の燃料電池100は、アノード排ガスを、燃料電池100の内部に止めて運転するものであるので、水素排出用貫通孔は、形成されていない。
As shown in FIG. 2, the
さらに、シール部材428には、貯留部用貫通孔480sが、1つ形成されている。そして、図2、3に示すように、後述する水素流路形成部440に形成されている非反応流体案内流路442と、貯留部用貫通孔480sとを繋ぐ、溝部429が形成されている。なお、本実施例において、溝部429は、シール部材428に形成されているが、例えば、アノード対向プレート310に非反応流体案内流路442と、貯留部用貫通孔480aとを繋ぐような溝(または、貫通孔)を形成してもよい。
Further, the
A2.2.反応ガス流路形成部の構成:
水素流路形成部440および空気流路形成部460は、図2に示すように、略長方形状を成す平板状に形成されており、図3に示すように、その外縁がシール部材428の内枠に一致するように配置されている。水素流路形成部440および空気流路形成部460は、互いに連通する複数の空孔を備える金属多孔体である。金属多孔体は、例えば、耐食性を有するステンレス鋼の粉末を用いて、発泡焼結法によって作成される。ステンレス鋼の代わりに、チタン等のその他の金属を用いてもよいし、炭素等の導電性を有する材料を用いてもよい。また、発泡焼結法の代わりに、スラリー発泡法や、粉末焼結法によって、多孔体を作成してもよい。
A2.2. Configuration of reaction gas flow path forming part:
As shown in FIG. 2, the hydrogen flow
水素流路形成部440は、図2に示すように、水素流路形成部440の中心付近から、長辺に平行に短辺まで延びる溝状に形成される、非反応流体案内流路442を備える(図2において、クロスハッチング付して示す。)。水素流路形成部440に非反応流体案内流路442が形成されていることにより、水素流路形成部440中に滞留する窒素等を、貯留部48に案内することができる。なお、空気流路形成部460には、同様の溝は形成されていない。
As shown in FIG. 2, the hydrogen flow
本実施例における水素流路形成部440が、請求項における燃料ガス流路形成部に相当する。
The hydrogen flow
A3.セパレータの構成:
セパレータ300は、アノード対向プレート310、中間プレート320、カソード対向プレート330を、この順に積層して、ホットプレス接合することによって作製される。本実施例では、アノード対向プレート310と、中間プレート320と、カソード対向プレート330とは、上記した発電ユニット400の外形と同一の略長方形状を成すステンレス鋼製の平板を用いるものとした。アノード対向プレート310と、中間プレート320と、カソード対向プレート330として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
A3. Separator configuration:
The
図4は、水素流路形成部440と当接するアノード対向プレート310を示す平面図である。図示するように、アノード対向プレート310には、上記したシール部材428に形成されている貫通孔と同様の、第1の水素供給用貫通孔402a、第2の水素供給用貫通孔404aが、それぞれ1つずつ、空気供給用貫通孔406a、空気排出用貫通孔408aが、それぞれ3つずつ、冷却水供給用貫通孔410a、冷却水排出用貫通孔412a、貯留部用貫通孔480aが、それぞれ、1つずつ形成されている。
FIG. 4 is a plan view showing the
さらに、複数の第1の水素供給口402h、第2の水素供給口404hが、形成されている。第1の水素供給口402h、第2の水素供給口404hは、燃料電池100を構成したときに、水素流路形成部440の2つの長辺に沿うように配置されている。図に矢印で示すように、第1の水素供給口402h、第2の水素供給口404hから、発電ユニット400の水素流路形成部440に水素が供給される。すなわち、水素流路形成部440の2つの長辺側から中央に向かって、両側から水素が供給されることになる。
Furthermore, a plurality of first
図5は、中間プレート320を示す平面図である。図示するように、中間プレート320には、上記したシール部材428に形成されている貫通孔と同様の、第1の水素供給用貫通孔402m、第2の水素供給用貫通孔404mが、それぞれ1つずつ、空気供給用貫通孔406m、空気排出用貫通孔408mが、それぞれ3つずつ、冷却水供給用貫通孔410m、冷却水排出用貫通孔412m、貯留部用貫通孔480mが、それぞれ、1つずつ形成されている。
FIG. 5 is a plan view showing the
さらに、第1の水素供給用貫通孔402mから複数の第1の水素供給口402hに水素が流れるように、第1の水素供給用貫通孔402mと複数の第1の水素供給口402hとを接続する水素供給用接続部402j、が形成されている。同様に、第2の水素供給用貫通孔404mと複数の第2の水素供給口404hとを接続する水素供給用接続部404jが、形成されている。
Further, the first hydrogen supply through
また、3つの空気供給用貫通孔406mから、後述する複数の空気供給口406hに空気が流れるように、空気供給用貫通孔406mと複数の空気供給口406hとを接続する空気供給用接続部406j、が形成されている。同様に、後述する複数の空気排出口408hから、3つの空気排出用貫通孔408mにカソード排ガスが流れるように、複数の空気排出口408hと空気排出用貫通孔408mとを接続する空気排出用接続部408j、が形成されている。
Also, an air
また、発電によって燃料電池100の温度が上昇するのを抑制するために、発電ユニット400の発熱部(MEA426)全体を冷却するように、セパレータ300内に冷却水を流す、冷却水流路410pが、形成されている。
Further, in order to suppress an increase in the temperature of the
図6は、空気流路形成部460と当接するカソード対向プレート330を示す平面図である。図示するように、カソード対向プレート330には、上記したシール部材428に形成されている貫通孔と同様の、第1の水素供給用貫通孔402c、第2の水素供給用貫通孔404cが、それぞれ1つずつ、空気供給用貫通孔406c、空気排出用貫通孔408cが、それぞれ3つずつ、冷却水供給用貫通孔410c、冷却水排出用貫通孔412c、貯留部用貫通孔480cが、それぞれ、1つずつ形成されている。
FIG. 6 is a plan view showing the
さらに、複数の空気供給口406h、空気排出口408hが、形成されている。空気供給口406h、空気排出口408hは、燃料電池100を構成したときに、空気流路形成部460の2つの長辺に沿うように配置されている。図に矢印で示すように、空気供給口406hから、発電ユニット400の空気流路形成部460に空気が供給され、カソード排ガスが、空気排出口408hを介して排出される。
Further, a plurality of
図7は、セパレータ300の平面図である。セパレータ300は、先に説明したように、アノード対向プレート310と、中間プレート320と、カソード対向プレート330とを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート310側から見た様子を示した。図から分かるように、アノード対向プレート310と、中間プレート320と、カソード対向プレート330を積層した際に、各貫通孔が重なって、セパレータ300を貫通する各貫通孔が形成される。そのため、後述するように、燃料電池100を構成した際に、発電ユニット400の積層方向に沿って積層体40を貫通する、各マニホールドが形成される。
FIG. 7 is a plan view of the
また、アノード対向プレート310、中間プレート320、カソード対向プレート330を重ねることによって、図示するように、第1の水素供給用貫通孔402と、水素供給用接続部402jと、第1の水素供給口402hとが繋がって、水素の供給路が形成される。同様に、空気の供給路、排出路が形成される。
Further, by stacking the
A4.貯留部の構成:
本実施例における貯留部48は、燃料電池100内部に形成される。上記した発電ユニット400のシール部材428に形成される貯留部用貫通孔480s、セパレータ300に形成される貯留部用貫通孔480a、480m、480cによって、積層体40を貫通する貫通孔が形成される。図1に示すように、積層体40は、集電板31、32、絶縁板21、22、エンドプレート11、12によって、両側から挟持されている。そのため、貯留部用貫通孔480a、480m、480cによって、積層体40を貫通する貫通孔は、両端が、集電板31、32によって封止され、燃料電池100内に、所定の内容積を有する貯留部48(図1)が形成される。
A4. Reservoir configuration:
The
なお、エンドプレート12、絶縁板22、集電板32には、配管56を接続可能な大きさの貫通孔が設けられており、配管56が接続されている。したがって、配管56に設けられている排気バルブ57を開弁することによって、貯留部48内の窒素等を、燃料電池100外へ、放出することができる。
The
A5.水素および空気の流れ:
図8は、燃料電池100の断面構成および空気の流れを概略的に示す説明図である。図8では、図2〜7におけるA−A断面図を示している。なお、燃料電池100の一部を抜き出して表示し、その他の部分は表示を省略する。
A5. Hydrogen and air flow:
FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing the cross-sectional configuration of the
燃料電池100を構成した際に、空気供給用貫通孔406s、406a、406m、406cによって、発電ユニット400の積層方向に沿って積層体40を貫通する空気供給マニホールド、空気排出用貫通孔408s、408a、408m、408cによって、空気排出マニホールドが、それぞれ形成される。
When the
図1に示すように、空気は、コンプレッサ60によって圧縮され、配管61を通って燃料電池100に供給される。そして、供給された空気は、図8に矢印で示すように、発電ユニット400およびセパレータ300に形成された空気供給用貫通孔406s、406a、406m、406cによって構成される空気供給マニホールドを通って、各セパレータ300の空気供給用接続部406jに分配されて、空気供給口406hを介して、空気流路形成部460に供給される。供給された空気中の酸素が、カソード側触媒層424における電気化学反応に用いられ、残りのガスがアノード排ガスとして、空気排出口408h、空気排出用接続部408j、および空気排出マニホールドを流通し、配管62を介して大気中に排出される。
As shown in FIG. 1, the air is compressed by a
図9は、燃料電池100の断面構成および水素の流れを概略的に示す説明図である。図9では、図2〜7におけるB−B断面図を示している。なお、燃料電池100の一部を抜き出して表示し、その他の部分は表示を省略する。
FIG. 9 is an explanatory diagram schematically showing the cross-sectional configuration of the
燃料電池100を構成した際に、第1の水素供給用貫通孔402a、402m、402cによって、発電ユニット400の積層方向に沿って積層体40を貫通する第1の水素供給マニホールドが形成される。同様に、第2の水素供給用貫通孔404a、404m、404cによって、第2の水素供給マニホールドが形成される。
When the
図1に示すように、水素は、水素タンク50から配管53を通って燃料電池100に供給される。そして、供給された水素は、図9に矢印で示すように、発電ユニット400およびセパレータ300に形成された第2の水素供給用貫通孔404s、404a、404m、404cによって構成される水素供給マニホールドを通って、各セパレータ300の水素供給用接続部404jに分配される。そして、水素供給用接続部404jを流通しつつ、第2の水素供給口404hを介して、水素流路形成部440に供給される。なお、上記したように、本実施例において、アノード排ガスを排出するための排出口等は、形成されておらず、供給される水素は、全て、アノード側触媒層422における電気化学反応に用いられる。
As shown in FIG. 1, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 50 to the
図8に示すように、酸素は、空気供給口406hを介して発電ユニット400のカソード側に供給され、カソード側触媒層424における電気化学反応に用いられつつ、カソード側を流通し、空気排出口408hを介してカソード排ガスとして排出される。一方、水素は、第1の水素供給口402hを介して発電ユニット400のアノード側に供給されると共に、第2の水素供給口404hを介して発電ユニット400のアノード側に供給される。すなわち、図8に示すように、発電ユニット400のアノード側において、対向するように水素が流通する。
As shown in FIG. 8, oxygen is supplied to the cathode side of the
A6.第1の実施例の効果:
図10は、発電ユニット400をアノード側から見て示した平面図である。図10において、水素の流れを矢印で示している。図10に矢印で示すように、第1の水素供給口402hおよび第2の水素供給口404hを介して水素流路形成部440に供給された水素は、主に、互いに向かい合うように流れる。
A6. Effects of the first embodiment:
FIG. 10 is a plan view showing the
燃料電池に供給されたほぼすべての水素をアノード側触媒層で消費して運転される(いわゆる、アノードデッドエンド運転)燃料電池では、燃料電池内部にアノード排ガスを止めて運転することになり、空気中の窒素等が、電解質膜421を介してアノード側に移動する場合に、その窒素等がアノード側から排出されないため、アノード側に滞留してしまう。特に、燃料電池の運転が停止した際には、カソード側のガスの流れもなくなるため、燃料電池内の窒素等の濃度が高くなり、アノード側に滞留する窒素等の量も多くなる。したがって、燃料電池の始動時に、図8、10に示すような水素の流れによって、窒素等の多くが中央付近に集められる。そうすると、窒素が多く滞留する部分は、相対的に水素濃度が低くなるため、発電効率が低下するおそれがある。
The fuel cell is operated by consuming almost all of the hydrogen supplied to the fuel cell in the anode side catalyst layer (so-called anode dead-end operation). When nitrogen or the like inside moves to the anode side through the
図11は、燃料電池100の断面構成および窒素等の流れを概略的に示す説明図である。図11では、図2〜7におけるC−C断面図を示している。なお、燃料電池100の一部を抜き出して表示し、その他の部分は表示を省略する。
FIG. 11 is an explanatory diagram schematically showing the cross-sectional configuration of the
本実施例の燃料電池100において、上記したように、水素流路形成部440には、第1の水素供給口402hと、第2の水素供給口404hとから水素が供給されるため、両側から供給される水素の主たる流れの下流は、図10に示すように、水素流路形成部440の短辺に平行な位置における中央付近になる。上記したように、水素流路形成部440には、水素流路形成部440の中心付近から、長辺に平行な溝状を成す非反応流体案内流路442が形成されている。そのため、図10に示すように、燃料電池100の始動時に、水素の流れによって、中央付近に集められた窒素等が、図10に太線矢印で示すように、非反応流体案内流路442に案内されて、シール部材428の溝部429を介して、貯留部48に流入する。なお、図11に示すように、シール部材428には、非反応流体案内流路442と貯留部48とを繋ぐような溝部429が形成されているため、水素流路形成部440内に滞留する窒素等は、非反応流体案内流路442に案内されて、シール部材428の溝部429を介して、貯留部48に流入する。
In the
したがって、水素流路形成部440内に、窒素等が局所的に滞留するのを抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
Accordingly, local retention of nitrogen or the like in the hydrogen flow
なお、予め、燃料電池100の運転停止時に、アノード側に滞留する窒素等の量を、予測して、その窒素等によって、貯留部48が満たされるような容積に、貯留部48を形成する。そうすると、燃料電池100の始動時に、アノード側に滞留する窒素等が、アノード側から掃き出されて、貯留部48流入し、貯留部48が一杯になると、その後、水素流路形成部440に供給される水素が、非反応流体案内流路442に案内されて、貯留部48に流入するということが少なくなるため、水素を無駄にしない。例えば、燃料電池100の運転中は、排気バルブ57を閉弁した状態にしておき、運転停止後、所定の時間、排気バルブ57を開弁することによって、貯留部48内の窒素等を燃料電池100外へ放出するようにしてもよい。このようにすると、次に燃料電池100を始動する際に、窒素等を、貯留部48内に流入させることができる。
In addition, when the operation of the
B.第2の実施例:
図12は、第2の実施例としての燃料電池システム1000Aの概略構成を示す説明図である。第1の実施例の燃料電池システム1000において、窒素等を貯留するための貯留部48は、燃料電池100内に形成されているが、第2の実施例の燃料電池システム1000Aは、燃料電池100Aとは別個に、貯留部48Aを備える。
B. Second embodiment:
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
本実施例の燃料電池システム1000Aは、貯留部48Aの構成が第1の実施例と異なるが、その他の構成は、第1の実施例と同様であるため、燃料電池システム1000Aの構成の詳しい説明は、省略する。
The
貯留部48Aは、配管58を介して燃料電池100Aに接続されている。貯留部48Aは所定の内容積を有しており、燃料電池100Aのアノード側に滞留する窒素等を、その内部に貯留することができる。貯留部48には、排気バルブ57を備える配管56が接続され、所定のタイミングで排気バルブ57を開弁することによって、貯留部48A内の窒素等を、燃料電池100外へ、放出する。
The
B1.発電ユニットおよびセパレータの構成:
上記したように、本実施例の燃料電池システム1000Aは、燃料電池100A外に貯留部48Aを備えているため、それに伴い、発電ユニット400Aおよびセパレータ300Aに形成される貫通孔の一部が、第1の実施例と異なっている。
B1. Configuration of power generation unit and separator:
As described above, the
図13は、水素流路形成部440と当接するアノード対向プレート310Aを示す平面図、図14は、中間プレート320Aを示す平面図、図15は、空気流路形成部460と当接するカソード対向プレート330Aを示す平面図、図16は、発電ユニット400Aを、アノード側から見て示す平面図である。本実施例のセパレータ300A、発電ユニット400Aは、第1の実施例のセパレータ300、発電ユニット400と同様に、水素流路形成部440に水素を供給するための水素供給路を構成する第1の水素供給用貫通孔402a、第2の水素供給用貫通孔404a等、空気流路形成部460に空気を供給するための空気供給路を構成する空気供給用貫通孔406a等、カソード排ガスを燃料電池100A外へ排出するための空気排出路を形成する空気排出用貫通孔408a等、冷却水を燃料電池100A内に循環させるための冷却水供給用貫通孔410a、冷却水排出用貫通孔412a等が、各プレートおよびシール部材428Aに、それぞれ形成されている。
FIG. 13 is a plan view showing the
本実施例のセパレータ300Aが、第1の実施例のセパレータ300と異なる点は、貯留部用貫通孔480a、480m、480cに代えて、図13〜15に示すように、窒素流通用貫通孔482a、482m、482cが形成されている点である。また、本実施例の発電ユニット400Aが、第1の実施例の発電ユニット400と異なる点は、貯留部用貫通孔480sに代えて、図16に示すように、窒素流通用貫通孔482sが形成されている点である。すなわち、発電ユニット400AにおけるMEA426、水素流路形成部440、空気流路形成部460は、第1の実施例と同一のものである。
The
窒素流通用貫通孔482a等は、貯留部用貫通孔480a等に比べて、開口面積が小さい。図16に示すように、非反応流体案内流路442の幅と一致するような大きさに形成されている。このようにすることによって、燃料電池100Aを構成した際に、非反応流体案内流路442に案内されて窒素流通用貫通孔482sに流入した窒素は、所定の流速で窒素流通用貫通孔482a等によって構成される窒素流路内を流通して、配管58を介して貯留部48A内に流入する。
The nitrogen circulation through
B2.第2の実施例の効果:
図17は、燃料電池100Aの断面構成および窒素の流れを概略的に示す説明図である。図17では、図14〜16におけるA−A断面図を示している。なお、燃料電池100Aの一部を抜き出して表示し、その他の部分は表示を省略する。
B2. Effects of the second embodiment:
FIG. 17 is an explanatory diagram schematically showing the cross-sectional configuration of the
本実施例における燃料電池100Aにおいて、第1の実施例と同様に、第1の水素供給口402hおよび第2の水素供給口404hを介して水素流路形成部440に供給された水素は、主に、互いに向かい合うように流れる(図10に矢印でしめすのと同様)。燃料電池100Aのアノード側において、燃料電池100Aの始動時に水素流路形成部440の中央付近に集められた窒素等は、図17に示すように、非反応流体案内流路442に案内されて、溝部429を介して、窒素流通用貫通孔482s等によって構成される窒素流路482に流入する。そして、その窒素等は、窒素流路482を流通して、配管58を介して貯留部48A(図12)に貯留される。
In the
したがって、第1の実施例と同様に、水素流路形成部440内に、窒素等が局所的に滞留するのを抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
Therefore, similarly to the first embodiment, it is possible to suppress the local retention of nitrogen or the like in the hydrogen flow
なお、第1の実施例と同様に、貯留部48Aの内容積を、燃料電池100の運転停止時に、アノード側に滞留する窒素等の容積と略同一にすると、第1の実施例で述べたように、水素を無駄に放出する量を低減することができる。
As in the first embodiment, when the internal volume of the
C.非反応流体案内流路の変形例:
上記した第1の実施例および第2の実施例において、水素流路形成部440のセパレータと当接する面に、溝状に形成される非反応流体案内流路442を示したが、非反応流体案内流路442の形状は、上記した形状に限定されない。
C. Non-reactive fluid guide channel variants:
In the first and second embodiments described above, the non-reacting
(1)図18は、非反応流体案内流路442の第1の変形例の非反応流体案内流路442V1を示す説明図、図19は、第2の変形例の非反応流体案内流路442V2を示す説明図、図20は、第3の変形例の非反応流体案内流路442V3を示す説明図、図21は、第4の変形例の非反応流体案内流路442V4を示す説明図である。図18〜21は、変形例の発電ユニット440V1〜4の、図2におけるA−A切断面を示す。なお、非反応流体案内流路442V1〜4は、それぞれ、第1の実施例および第2の実施例と同様に、水素流路形成部440の中心付近から、長辺に平行に、貯留部用貫通孔480s(または窒素流通用貫通孔482s)まで延びている。
(1) FIG. 18 is an explanatory view showing a non-reactive fluid guide channel 442V1 of a first modification of the non-reaction
図18に示すように、非反応流体案内流路442V1は、水素流路形成部440のMEA426と当接する面に、溝状に形成される。図19に示すように、非反応流体案内流路442V2は、水素流路形成部440を厚さ方向に貫通する貫通孔として形成される。図20に示すように、非反応流体案内流路442V3は、水素流路形成部440内に空洞として形成される。非反応流体案内部を、第1〜3の変形例のようにしても、非反応流体案内部の流路抵抗が他の部分に比べて低くなるため、水素流路形成部内に滞留する窒素等の非反応流体は、非反応流体案内流路に案内されて、貯留部に流入する。
As shown in FIG. 18, the non-reacting fluid guide channel 442V1 is formed in a groove shape on the surface of the hydrogen
(2)図21に示すように、非反応流体案内流路442V3は、水素流路形成部440の他の部分よりも、空孔率が高くなるように形成してもよい。空孔率が高い部分は、空孔率が低い部分に比べて、流路抵抗が低くなるため、ガスが流れ易い。したがって、非反応流体案内流路を、空孔率が高くなるように形成すると、水素流路形成部内に滞留する窒素等の非反応流体は、非反応流体案内流路に案内されて、貯留部に流入する。
(2) As shown in FIG. 21, the non-reacting fluid guide channel 442V3 may be formed so as to have a higher porosity than other portions of the hydrogen
(3)また、非反応流体案内流路442が形成される位置は、上記した実施例に限定されない。例えば、第1の実施例において、発電ユニット400およびセパレータ300に第2の水素供給用貫通孔404sや第2の水素供給口404h等が形成されず、水素流路形成部440に対して第1の水素供給口402hのみから水素が供給される場合、窒素等は、水素流路形成部440において、空気排出用貫通孔408s寄りの部分に集められると考えられる。そこで、非反応流体案内流路442を、水素流路形成部440における空気排出用貫通孔408s寄りに形成すると、集められた窒素等を、効率よく、貯留部48に案内することができる。
(3) The position where the non-reacting
D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上述した実施例では、アノードに供給された燃料ガスが、ほぼ全量、アノードで消費される構造を採用しているが、係る構造での運転が可能としているアノードへの燃料供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。代表的な流路構成として、ここでは、シャワー流路タイプの他、櫛歯型の構成や循環型の構成などを挙げることができる。まず、シャワー流路タイプの変形例から説明する。 In the above-described embodiment, a structure in which almost all of the fuel gas supplied to the anode is consumed by the anode is adopted. However, as a fuel supply flow path configuration to the anode that enables operation with such a structure. Various configurations can be adopted. As typical flow path configurations, here, in addition to the shower flow channel type, a comb-shaped configuration, a circulation-type configuration, and the like can be given. First, a modified example of the shower channel type will be described.
(1−1)上記した実施例において、膜電極接合体と、水素流路形成部との間に、さらに、分散板を有する構成にしてもよい。 (1-1) In the above-described embodiment, a configuration may be adopted in which a dispersion plate is further provided between the membrane electrode assembly and the hydrogen flow path forming portion.
図22は、膜電極接合体と水素流路形成部との間に、シャワー流路タイプの分散板を配置した構成例を示す模式図である。分散板2100は、図22に示すように、シート状(薄膜状)に形成され、その表面に分散して設けられた多数の貫通孔2110を有している。各貫通孔2110は、円形で共に口径が等しく(すなわち、同形状であり)、分散板2100の厚さ方向に貫通し、また、分散板2100の表面に、格子状に設けられる。分散板2100において、シート面の面積に対して各貫通孔2110の開口部分が占める割合を開口率と呼ぶ。分散板2100は、この開口率が比較的小さく設定される。分散板2100の開口率は、5%未満が好ましく、3%未満がさらに好ましく、1%未満が特に好ましい。そのため、分散板2100において、貫通孔2110の口径は、比較的小さく、各貫通孔2110間のピッチは比較的広くなっている。それに伴い、各貫通孔2110を通過する燃料ガスは、大きな圧力損失を伴う。この分散板2100は、金で形成されている。なお、水素流路形成部440の一方の面に、熱圧着、ろう付け、溶接などによって接合されてもよい。また、分散板2100を、ポリマー型導電性ペーストで形成してもよい。このポリマー型導電性ペーストは、例えば、銀ペースト、カーボンペースト、銀・カーボンペーストなどがある。この場合、ポリマー型導電性ペーストをシート状にした後に、水素流路形成部440の一方の面に熱圧着により接合するようにしてもよい。なお、分散板2100は、膜電極接合体2000と一体的に形成されるようにしてもよい。
FIG. 22 is a schematic diagram showing a configuration example in which a shower channel type dispersion plate is arranged between the membrane electrode assembly and the hydrogen channel forming part. As shown in FIG. 22, the
このような構成にすれば、燃料ガスが、各貫通孔2110を通過する際の圧力損失が大きくなり、水素流路形成部440における燃料ガスの圧力分布を小さくすることができ、それにより、分散板2100における各貫通孔2110からアノード側拡散層820Bに供給する燃料ガス量のばらつきを小さくすることができる。また、以上のようにすれば、水素側電極2200と水素流路形成部440との間には、大きな圧力差が生じ、水素側電極2200に比べて、水素流路形成部440の方が、圧力がかなり高くなる。それに伴い、各貫通孔2110において、燃料ガスの流速が速くなり、リークガスの拡散速度より燃料ガスの流速が速くなる。その結果、分散板2100によって、リークガスが水素側電極2200から貫通孔2110を介して水素流路形成部440に進入することが抑制され、水素流路形成部440にリークガスが滞留することが抑制される。
With this configuration, the pressure loss when the fuel gas passes through each through
さらに、詳しく説明する。図23は、分散板2100の機能を説明する説明図である。燃料ガスは、分散板2100によって水素ガスを消費する水素側電極2200から隔離された上流側の流路で分配される。上流側の流路で分配された燃料ガスは、分散板2100に設けられた貫通孔2110を通って、燃料ガス消費層である水素側電極2200に局所的に供給される。つまり、本変形例では、燃料ガスは、貫通孔2110の存在位置に対応する部位の水素側電極2200に直接的に供給される。こうした局所的な燃料ガスの供給を実現する構成としては、例えば、燃料ガスが、水素側電極2200の他の領域を経由することなく、燃料ガスを消費する部位に直接供給する経路を有する構成、あるいは水素側電極2200の面外の離れた方向(好ましくは水素側電極2200から隔離された流路)から水素側電極2200に向かって、主として垂直な方向に燃料ガスを供給する構成なども採用可能である。一方、水素側電極2200は、窒素の滞留が発生しにくい形状とすればよい。例えば、平滑な面(フラットな面)から構成し、電解質膜2300側に凹部などを有しない形状とすればよい。
Furthermore, it demonstrates in detail. FIG. 23 is an explanatory diagram for explaining the function of the
分散板2100の貫通孔2110の径およびピッチは、実験的に定めることができるが、例えば所定の運転状態(たとえば定格運転状態)において、貫通孔2110を通過する燃料ガスの流速が窒素ガスの拡散による逆流を十分に抑制できるようにしても良い。係る条件が成立するように、貫通孔2110における十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように、貫通孔2110の間隔と流路断面積を設定すればよい。たとえば、固体高分子型燃料電池では、分散板2100の開口率を1%程度以下とすることで、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生することが確認された。開口率とは、分散板2100の開口面積を分散板2100の全面積で除した割合である。このような開口率は、循環型の燃料ガス流路と比較すると1桁から2桁程度少ないため、循環型の燃料ガス流路にコンプレッサを用いて燃料ガスの流量を確保する構成とは本質的に異なっている。本実施例および変形例では、燃料タンクからの高圧水素を直接(あるいは所定の高圧圧力まで調圧弁で調圧した状態で)、燃料電池に導くことにより、開口率の低い構造でも十分な燃料ガスを確保している。
The diameter and pitch of the through
(1−2)次に、上述のシャワー流路タイプの他の構成例について説明する。図24は、シャワー流路タイプの他の構成例を示す説明図である。この変形例では、水素側電極2200と電解質膜2300とを備えた膜電極接合体2201上に配置される分散板2101を、緻密な多孔体を用いて実現している。分散板2101の多孔体の開口率は、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように選択されている。貫通孔を用いた場合には、貫通孔毎に、いわば離散化して、燃料ガスが局所的に供給されるのに対して、多孔体を用いた場合には、連続的に燃料ガスを供給することができるという利点を有している。また燃料ガスの水素側電極2200への供給が一層均一化されるという利点も得られる。緻密な多孔体は、カーボン粉を焼結することによって製造しても良いし、カーボン分や金属粉をバインド剤を用いて固めることにより製造することも可能である。多孔は、連続多孔体であれば良く、厚さ方向への連続性を確保して面方向の連続性を確保しない異方性を備えたものとしても良い。多孔体の開口率については、(1−1)に説明したのと同様に決定すればよい。
(1-2) Next, another configuration example of the above-described shower channel type will be described. FIG. 24 is an explanatory diagram showing another configuration example of the shower channel type. In this modification, a
(1−3)図25は、プレスメタルを用いて構成された分散板2102を示す説明図、図26は、そのC−C断面を示す模式図である。分散板2102は、分散板2102の上流側の流路を形成するための突部2102tを備え、この突部2102tの側面には貫通孔2112が形成されている。この分散板2102は、電解質膜2300の両側に水素側電極2200と酸素側電極2400とを備えた膜電極接合体2202の水素側電極2200側に配置されており、図18に示したように、突部2102tを利用して、分散板2102の上流側の流路を一体に形成している。燃料ガスは、この突部2102tの側面に形成された貫通孔2112を介して、水素側電極2200に供給される。
(1-3) FIG. 25 is an explanatory view showing a
係る構成によれば、分散板2102をプレス加工により容易に形成することができるうえ、分散板2102上流の流路を簡易に形成できるという利点も得られる。貫通孔2112を通過した燃料ガスは、突部2102t内部の空間を経て、水素側電極2200に到るので、分散性を十分に確保することができる。貫通孔2112は、プレス加工に拠って形成しても良いし、突部2102tの形成の前工程または後工程において、放電加工など、他の手法により形成しても良い。貫通孔2112による開口率については、変形例1と同様に決定すればよい。
According to such a configuration, it is possible to easily form the
(1−4)図27は、分散板2014hmの内部に、流路を形成した構成例を示す説明図である。この変形例の分散板2014hmは、長方形の形状の分散板2014hmの短手方向に形成された複数の流路2142nと、この流路2142nから、分散板2014hmの厚さ方向に設けられ、図示しない水素電極側に開披した多数の貫通孔2143nとを備える。分散板2014hmは、電解質膜2300の両側に水素側電極(図示せず)と酸素側電極2400とを備えた膜電極接合体2203の水素側電極側に配置されており、分散板2014hmを介して、燃料ガスの供給を受ける。係る構成に拠れば、各貫通孔2143nまでの流路を、個別に用意できるという利点が得られる。なお、図19では、貫通孔2143nの配置は千鳥状としたが、格子状であってもよいし、ある程度ランダムに配置しても良い。
(1-4) FIG. 27 is an explanatory diagram showing a configuration example in which a flow path is formed inside the dispersion plate 2014hm. The dispersion plate 2014hm of this modification is provided in the thickness direction of the dispersion plate 2014hm from the plurality of
(1−5)図28は、パイプを使用して分散板2014hpを形成した例を示す説明図である。分散板2014hpは、図28に示したように、矩形のフレーム2140を備え、その短手方向に亘って、中空の多数のパイプ2130を備えている。このパイプ2130の表面には、複数の貫通孔2141nが形成されている。この分散板2014hpは、水素側電極2200とで電解質膜2300とを備えた膜電極接合体2204の水素側電極2200上に設置される。分散板2014hpのフレーム2140に用意されたガス流入口から燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、分散板2014hpの各パイプ2130の内部を通り、貫通孔2141nから、水素側電極2200へと分配される。係る構成によれば、燃料ガスを均一に分散できるのに加えて、分散板2014hpを構成するのに貫通孔2141nを除いて穴加工を行なう必要がないという利点が得られる。貫通孔2141nは、水素側電極2200側に向けて配置して良いし、反対側に向けて配置してもよい。後者の場合には、燃料ガスの分散性は一層改善される。
(1-5) FIG. 28 is an explanatory view showing an example in which a dispersion plate 2014hp is formed using a pipe. As shown in FIG. 28, the dispersion plate 2014hp includes a
以上説明したように、燃料ガスを水素側電極2200に分散させつつ導く構造であれば、種々の構成を採用することができる。分散板としては、多孔体やプレスメタルに限られず、燃料ガスを分配しつつ水素側電極2200に導くように構成されていればよい。
As described above, various configurations can be adopted as long as the fuel gas is guided to the
(2)上述した実施例では、多孔体の空隙を、水素流路(燃料ガスの流路)として利用するものを示したが、燃料ガスの流路の形態は種々の構成を採ることができる。 (2) In the above-described embodiment, the porous body voids are used as the hydrogen flow path (fuel gas flow path). However, the fuel gas flow path can take various configurations. .
図29は、いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。図示する燃料ガス流路は、上述した実施例の水素流路形成部440と、セパレータ300との間に配置される流路形成部材5000に、櫛歯状に形成されている。具体的には、ガス流路は、燃料ガスを導入する主流路5010、この主流路から分岐し、主流路5010とは交差する方向に形成された複数本の副流路5020、この副流路から更に櫛歯状に分岐する櫛歯流路5030から形成されている。主流路5010および副流路5020は、先端の櫛歯流路5030と比べて流路断面積を十分に確保しているので、流路形成部材5000の面内の圧力分布は、水素流路形成部440と同程度もしくはそれ以下となっている。
FIG. 29 is a schematic diagram showing a configuration example using a so-called branch channel type fuel gas channel. The illustrated fuel gas flow path is formed in a comb-like shape in the flow
この流路形成部材5000は、カーボンや金属などを用いて形成することができる。カーボンを用いる場合は、型を用いてカーボン粉を高温または低温で焼結することにより、図22に示した流路を備えた流路形成部材5000を得ることができる。金属を用いる場合には、金属プレートから溝を削り出すことにより、同様の流路を備えた流路形成部材5000を形成しても良いし、あるいはプレス加工により、図示する流路を備えた流路形成部材5000を得ても良い。なお、流路形成部材5000は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
The flow
なお、図29では、主流路5010を流路形成部材5000の一縁部に沿って設けたが、流路形成部材5000面内の燃料ガスの圧力差を小さくするために、主流路5010を複数の縁部に設けて、副流路5020の長さを短くしたり、あるいは主流路5010を流路形成部材の中心に設けて、副流路5020を主流路5010の左右に配置しても良い。同様に、櫛歯流路5030は、副流路5020の両側に設けても差し支えない。
In FIG. 29, the
次に、図30に基づいて、サーペンタイン型の流路構成について説明する。図30は、流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。図23(A)は、燃料ガスの流路が単一のタイプの流路形成部材5100を例示し、図23(B)は、燃料ガス流路が複数本統合されたタイプの流路形成部材5200を例示している。
Next, a serpentine type flow path configuration will be described with reference to FIG. FIG. 30 is a schematic diagram schematically illustrating a configuration example of a flow path forming member including a serpentine type flow path in which the flow path has a twisted shape. FIG. 23A illustrates a flow
図示するように、図30(A)に例示した流路形成部材5100は、燃料ガスの流路を囲う外壁のうち対向する外壁5110,5115から、内側に向けて交互に延長された複数の流路壁5120を備える。流路壁5120で区切られた部分が連続する流路となっている。この一端に流入口5150が形成されており、燃料ガスはここから流路に供給される。この流路形成部材5100は、図22の流路形成部材5000と同様、上述した実施例の水素流路形成部440とセパレータ300との間に、配置される。
As shown in the figure, the flow
図30(B)は、このサーペンタイン型流路が、複数本の流路の束として構成された例を示している。この場合、外壁5210および5215から内側に向けて交互に延長された複数の流路壁5220の間に、外壁5210,5215とは連設されていない仕切壁5230,5240が設けられている。また、流路の入り口には、流入口5250が形成されている。流入口5250から流入した燃料ガスは、仕切壁5230,5240を備えた幅広のサーペンタイン型流路を流れて、流路形成部材5200の面方向にくまなく行き渡る。この流路形成部材5200は、図29の流路形成部材5000と同様、上述した実施例の水素流路形成部440とセパレータ300との間に、配置される。
FIG. 30B shows an example in which this serpentine channel is configured as a bundle of a plurality of channels. In this case,
図30に示した流路形成部材5100,5200は、図29に示した櫛歯型の流路を備えた流路形成部材5000と同様に、カーボンや金属から形成される。その形成方法も同様である。これらの流路形成部材5100,5200は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
The flow
このように、流路形成部材5000、5100または5200をさらに備える場合には、水素流路形成部440において、流路形成部材5000等における水素の下流に相当する位置に、非反応流体案内流路442を形成すれば、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。
Thus, when the flow
(3)図31は、燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして、循環路タイプの燃料電池6000の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、本変形例の燃料電池6000では、アノード側セパレータ6200に、燃料ガス流路となる凹部6220と燃料ガス入口ポート6210と規制板6230とが設けられている。燃料ガス流路となる凹部6220は、アノード側セパレータ6200の膜電極接合体のアノード6100と対向する領域に亘って形成されている。アノード側セパレータ6200における燃料ガス入口ポート6210には、ノズル6300が、凹部6220に向けて燃料ガスを噴出可能に取り付けられている。このノズル6300から燃料ガスを噴出することによって、燃料ガス入口ポート6210から、凹部6220内に燃料ガスが供給される。規制板6230は、燃料ガスの流れ方向を規制する部材であり、ノズル6300の近傍から、凹部6220の中心付近に向けて、凹部6220の底面から立設されている。規制板6230のノズル6300に近い側の端部は、ノズル6300の側面形状に合わせて湾曲され、ノズル6300との間で通路Aを形成している。
(3) FIG. 31 is an explanatory view schematically showing an internal configuration of a circulation path type
このような燃料電池6000では、燃料ガス入口ポート6210から供給された燃料ガスが、ノズル6300の噴射孔6320から燃料ガス流路(凹部6220)内に噴射されると、この燃料ガスは、アノード側セパレータ6200の凹部6220の内側壁、および、規制板6230によって流れ方向が規制され、図中に白抜き矢印で示したように、アノード6100の表面に沿って、図示した上流側から下流側に流れる。このとき、ノズル6300から噴出する高速の燃料ガスによって生じるエゼクタ効果により、下流側の燃料ガスおよび不純物ガスを含む流体は、規制板6230の一方の端部とノズル6300との間の隙間(通路A)から吸引され、上流側に循環する。こうすることによって、燃料ガス流路、および、アノード6120表面における上記流体の滞留を抑制することができる。
In such a
なお、本変形例の燃料電池6000では、エゼクタ効果を利用して、上記流体をアノード6100の表面に沿った方向に循環させるものとしたが、燃料電池の内部において、アノードの表面に沿った方向に上記流体を循環させることが可能な構造であれば、他の構成を用いても良い。例えば、燃料電池6000において、ノズル6300や規制板6230の代わりに、アノード側セパレータ6200や、アノード6100の面内等、燃料ガス流路となり得る部位に、整流板を設けるようにし、この整流板、および燃料ガスの流れによって、上記流体をアノード6100の表面に沿った方向に循環させるようにしてもよい。あるいは凹部6220などのガス流路に、微小なアクチュエータ(例えばマイクロマシン)を循環路に沿って組み込んで、燃料ガスの循環を起こさせる構造としても良い。このほか、凹部6220内に温度差を設けて対流を利用して循環を起こさせる構成も考えられる。
In the
このアノード側セパレータ6200(と対応するカソード側セパレータ)を、本実施例のセパレータ300に代えて用いる場合も、水素流路形成部440において、アノード側セパレータ6200における水素の下流に相当する位置(図31において、「下流」と記載されている位置付近)に、非反応流体案内流路442を形成すれば、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。
Even when this anode-side separator 6200 (and the corresponding cathode-side separator) is used in place of the
(4)上記した実施例では、セパレータ300において、第1の水素供給口402h、第2の水素供給口404hが、水素流路形成部440の長辺に沿って配置されるものを示したが、水素供給口の配置は、上記した実施例の配置に限定されない。例えば、第1の水素供給口402h、第2の水素供給口404hを、水素流路形成部440の短辺に沿って配置されるようにしてもよい。
(4) In the above-described embodiment, in the
また、例えば、水素流路形成部440の一方の長辺側からのみ、水素が供給されるようにしてもよい。すなわち、第2の水素供給口404hが配置されないようにしてもよい。このようにしても、非反応流体案内流路442を、水素の流れの下流に相当する位置に配置すれば、上記した実施例と同様の効果を得ることができる。
Further, for example, hydrogen may be supplied only from one long side of the hydrogen flow
(5)上記実施例の燃料電池において、カソード側の酸化剤ガス供給流路を、一層の多孔体(空気流路形成部460)によって形成しているが、酸化剤ガスの供給路の構成はこれに限られるものではない。例えば、酸化剤ガス供給流路を、リブを用いて、ストレート型若しくはサーペンタイン型に形成してもよいし、複数のディンプルを用いて形成してもよい。このようにすれば、簡易な構成で酸化剤ガス供給流路を形成することができる。燃料電池全体の構成や使用条件などに合わせて適切な構成を採用すればよい。 (5) In the fuel cell of the above embodiment, the cathode side oxidant gas supply flow path is formed by a single porous body (air flow path forming portion 460). It is not limited to this. For example, the oxidizing gas supply channel may be formed in a straight type or a serpentine type using a rib, or may be formed using a plurality of dimples. In this way, the oxidant gas supply channel can be formed with a simple configuration. An appropriate configuration may be employed in accordance with the configuration of the entire fuel cell, usage conditions, and the like.
(6−1)つぎに、上記実施例の燃料電池の始動時制御について説明する。変形例の燃料電池では、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始され、所定時間TA経過後、初めて負荷を接続し、燃料電池から電流を取り出している。このようにすれば、燃料電池の発電終了後にカソード側からアノード側にリークし滞留しているリークガス(窒素ガスまたは不活性ガス)は、所定時間TAの間に、燃料ガスの圧力で、カソード側に押し返され、リークガス滞留量が減少してから負荷が接続されることになる。したがって、アノード820において、燃料電池の始動時に燃料ガスが欠乏した状態で運転されるという事態の発生を抑制することができる。なお、この場合の「始動」とは、燃料電池に反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)を供給すると共に、燃料電池に負荷を接続することをいう。燃料電池の停止時にリークガスがアノード側に滞留するのは、燃料ガスの供給が停止された結果、アノード側の燃料ガス圧力が低下するためである。特にアノードデッドエンドの構成を採用した場合、燃料ガスの供給によるリークガスの排出路への排出が期待できない。したがって、燃料ガスの供給を開始してから、負荷を接続するまでに十分な時間TAを確保することは有効である。 (6-1) Next, start-up control of the fuel cell of the above embodiment will be described. In the fuel cell of the modified example, at the time of start-up, the supply of fuel gas is started to the anode-side fuel gas flow path, and after a predetermined time TA has elapsed, a load is connected for the first time to extract current from the fuel cell. In this way, the leaked gas (nitrogen gas or inert gas) leaking from the cathode side to the anode side after the end of power generation of the fuel cell is retained at the cathode side at the pressure of the fuel gas for a predetermined time TA. The load is connected after the leakage gas retention amount is reduced. Therefore, occurrence of a situation where the anode 820 is operated in a state where the fuel gas is deficient when the fuel cell is started can be suppressed. In this case, “starting” means supplying a reaction gas (fuel gas and oxidant gas) to the fuel cell and connecting a load to the fuel cell. The reason why the leak gas stays on the anode side when the fuel cell is stopped is that the fuel gas pressure on the anode side decreases as a result of stopping the supply of the fuel gas. In particular, when an anode dead end configuration is adopted, it is not possible to expect leakage gas to be discharged into the discharge path by supplying fuel gas. Therefore, it is effective to secure a sufficient time TA from the start of the supply of the fuel gas until the load is connected.
(6−2)燃料電池の始動時において、燃料ガスの供給量および電気的な負荷を接続するまでの所定時間TAのうち少なくとも一方を、燃料電池の運転開始時におけるリークガス滞留量に基づいて決定する構成とすることも可能である。このリークガス滞留量は、例えば、燃料電池において前回の起動終了時から今回の始動時までの燃料電池停止期間や燃料電池の温度から推定するようにしてもよい。燃料電池の温度は、例えば、燃料電池を冷却する冷媒の温度等に基づいて検出することができる。このようにすれば、燃料電池の始動時間の短縮化を実現しつつ、アノード側の燃料ガス流路におけるリークガス滞留量を減少させることができる。 (6-2) At the start of the fuel cell, at least one of the fuel gas supply amount and the predetermined time TA until the electrical load is connected is determined based on the leak gas retention amount at the start of the fuel cell operation. It is also possible to adopt a configuration. For example, the leakage gas retention amount may be estimated from the fuel cell stop period and the temperature of the fuel cell from the end of the previous start to the current start in the fuel cell. The temperature of the fuel cell can be detected based on, for example, the temperature of the refrigerant that cools the fuel cell. In this way, it is possible to reduce the amount of leaked gas in the anode-side fuel gas flow path while reducing the start time of the fuel cell.
(6−3)また、燃料電池の始動時に負荷を接続するタイミングを、アノード側の水素濃度に基づいて決定しても良い。上記実施例の燃料電池において、水素濃度センサをアノード側の燃料ガス流路内の所定部位に取り付け、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始された後、水素濃度センサから検出される水素濃度値を監視する。水素濃度値が、所定の閾値より高くなった場合に、電気的な負荷を接続するものとすれば、アノード820において、水素欠乏運転となることを抑制することができる。このほか、アノード側の圧力や温度から、電気的な負荷の接続のタイミングを求める構成なども可能である。 (6-3) Further, the timing for connecting the load when starting the fuel cell may be determined based on the hydrogen concentration on the anode side. In the fuel cell of the above embodiment, the hydrogen concentration sensor is attached to a predetermined portion in the anode-side fuel gas flow path, and at the time of start-up, the supply of fuel gas to the anode-side fuel gas flow path is started, and then the hydrogen concentration The hydrogen concentration value detected from the sensor is monitored. If an electrical load is connected when the hydrogen concentration value is higher than a predetermined threshold, the anode 820 can be prevented from being in a hydrogen-deficient operation. In addition, a configuration in which the timing of electrical load connection is obtained from the pressure and temperature on the anode side is also possible.
11、12...エンドプレート
21、22...絶縁板
31、32...集電板
40...積層体
48、48A...貯留部
50...水素タンク
51...シャットバルブ
52...レギュレータ
53、56、58、61、62、72...配管
57...排気バルブ
60...コンプレッサ
70...ポンプ
71...ラジエータ
100、100A...燃料電池
300、300A...セパレータ
310、310A...アノード対向プレート
320、320A...中間プレート
330、330A...カソード対向プレート
400、400A...発電ユニット
402a、402c、402m、402s...第1の水素供給用貫通孔
402h...第1の水素供給口
402j...水素供給接続部
404a、404c、404m、404s...第2の水素供給用貫通孔
404h...第2の水素供給口
404j...水素供給用接続部
406a、406c、406m、406s...空気供給用貫通孔
406h...空気供給口
406j...空気供給用接続部
408a、408c、408m、408s...空気排出用貫通孔
408h...空気排出口
408j...空気排出用接続部
410a、410c、410m、410s...冷却水供給用貫通孔
410p...冷却水流路
412a、412c、412m、412s...冷却水排出用貫通孔
420...シール部材一体型MEA
421...電解質膜
422...アノード側触媒層
423...アノード側拡散層
424...カソード側触媒層
425...カソード側拡散層
428、428A...シール部材
429...溝部
440...水素流路形成部
442...非反応流体案内流路
460...空気流路形成部
480a、480c、480m、480s...貯留部用貫通孔
482...窒素流路
482a、482s...窒素流通用貫通孔
1000、1000A...燃料電池システム
2000...膜電極接合体
2014hm、2014hp、2100、2101、2102...分散板
2102t...突部
2110、2112...貫通孔
2130...パイプ
2140...フレーム
2141n...貫通孔
2142n...流路
2143n...貫通孔
2200...水素側電極
2201、2202、2203、2204...膜電極接合体
2300...電解質膜
2400...酸素側電極
5000、5100、5200...流路形成部材
5010...主流路
5020...副流路
5030...櫛歯流路
5110...外壁
5120、5220...流路壁
5150、5250...流入口
5210...外壁
5230...仕切壁
6000...燃料電池
6100...アノード
6200...アノード側セパレータ
6210...燃料ガス入口ポート
6220...凹部
6230...規制板
6300...ノズル
6320...噴射孔
11, 12 ...
421 ...
Claims (5)
電解質膜の両面に、アノード側触媒層およびカソード側触媒層が、それぞれ配置されて成る発電体と、前記発電体の前記アノード側触媒層側に配置され、前記アノード側触媒層における電気化学反応に用いられる燃料ガスを流通させて、前記アノード側触媒層に供給する、燃料ガス流路形成部と、を備える燃料電池と、
前記アノード側触媒層における前記電気化学反応に用いられない非反応流体を貯留する貯留部と、
を、備え、
前記燃料ガス流路形成部は、
前記燃料ガス流路形成部内に滞留する前記非反応流体を、前記貯留部に案内する非反応流体案内流路を備え、
前記燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行う運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスを前記アノード側触媒層で消費する態様を含むことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system,
An anode-side catalyst layer and a cathode-side catalyst layer are arranged on both surfaces of the electrolyte membrane, respectively, and the anode-side catalyst layer side of the electricity-generating body is arranged for electrochemical reaction in the anode-side catalyst layer. A fuel cell comprising: a fuel gas flow path forming unit that circulates the fuel gas used and supplies the fuel gas to the anode side catalyst layer;
A reservoir for storing a non-reactive fluid that is not used in the electrochemical reaction in the anode catalyst layer;
With
The fuel gas flow path forming part is
A non-reacting fluid guide channel for guiding the non-reacting fluid staying in the fuel gas channel forming unit to the storing unit;
The fuel cell system includes a mode in which almost all of the supplied fuel gas is consumed by the anode catalyst layer as a mode of operation performed by supplying the fuel gas.
前記非反応流体案内流路は、
前記燃料ガスが前記燃料ガス流路形成部内を流通する際の主たる流れの下流に配置されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell system according to claim 1,
The non-reacting fluid guide channel is
A fuel cell, wherein the fuel gas is disposed downstream of a main flow when the fuel gas flows through the fuel gas flow path forming portion.
前記燃料ガス流路形成部は、
互いに連通する複数の空孔を有する多孔体であって、
前記非反応流体案内流路は、
前記多孔体の一部に形成される、空孔率が高くなるように形成された部分であることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The fuel gas flow path forming part is
A porous body having a plurality of pores communicating with each other;
The non-reacting fluid guide channel is
A fuel cell system, wherein the fuel cell system is a part formed in a part of the porous body so as to have a high porosity.
前記燃料ガス流路形成部は、
互いに連通する複数の空孔を有する多孔体であって、
前記非反応流体案内流路は、
前記多孔体の表面に形成された溝部であることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The fuel gas flow path forming part is
A porous body having a plurality of pores communicating with each other;
The non-reacting fluid guide channel is
A fuel cell system comprising a groove formed on a surface of the porous body.
前記貯留部は、
前記燃料電池の内部に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The reservoir is
A fuel cell system provided inside the fuel cell.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007186684A JP2009026521A (en) | 2007-07-18 | 2007-07-18 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2007186684A JP2009026521A (en) | 2007-07-18 | 2007-07-18 | Fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2009026521A true JP2009026521A (en) | 2009-02-05 |
Family
ID=40398169
Family Applications (1)
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JP2007186684A Pending JP2009026521A (en) | 2007-07-18 | 2007-07-18 | Fuel cell system |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2009026521A (en) |
-
2007
- 2007-07-18 JP JP2007186684A patent/JP2009026521A/en active Pending
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