JP2009064619A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池の最小単位に相当する、一般的な単セル(燃料電池単セルとも称する)の構成について、特に電極部分を含む要部の構成の概略について説明する。図10に例示するように、カソード触媒層12(酸化極またはカソード極とも称する)とアノード触媒層14(燃料極またはアノード極とも称する)を、電解質膜10を挟んで互いに対向するように設け、いわゆる膜電極接合体(MEA)30が構成されている。また、カソード触媒層12の外側にはカソード拡散層16が、アノード触媒層14の外側にはアノード拡散層18が、それぞれ設けられている。さらに、カソード拡散層16の外側には、酸化ガス流路20およびセル冷媒流路22が形成されたカソード側セパレータ26が、アノード拡散層18の外側には、燃料ガス流路24およびセル冷媒流路22が形成されたアノード側セパレータ28が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着や圧着などにより一体化させて、単セル40が形成される。そして、得られた単セル40を、所望の起電力が得られるように複数枚積層させたセルスタックを備える燃料電池がさまざまな分野において適用されている。
An outline of a configuration of a general unit cell (also referred to as a fuel cell unit cell) corresponding to the minimum unit of the fuel cell, in particular, a main part including an electrode portion will be described. As illustrated in FIG. 10, a cathode catalyst layer 12 (also referred to as an oxidation electrode or a cathode electrode) and an anode catalyst layer 14 (also referred to as a fuel electrode or an anode electrode) are provided so as to face each other with the
燃料電池の発電時には、燃料ガス流路を経由して燃料極に供給される原料(燃料ガス)を水素ガス、酸化ガス流路を経由して酸化極に供給される原料(酸化ガス)を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて酸化極に到達する。酸化極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて酸化極に到達した電子により、水が生成する。このように電解質膜を介して対面する燃料極及び酸化極において電気化学反応が起こり、電池として機能する。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より、排出される物質が水であること等から、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。 During power generation of the fuel cell, the raw material (fuel gas) supplied to the fuel electrode via the fuel gas flow path is hydrogen gas, and the raw material (oxidation gas) supplied to the oxidation electrode via the oxidizing gas flow path is air In this case, hydrogen ions and electrons are generated from the hydrogen gas at the fuel electrode. Electrons reach the oxidation electrode from an external terminal through an external circuit. In the oxidation electrode, water is generated by oxygen in the supplied air, hydrogen ions that have passed through the electrolyte membrane, and electrons that have reached the oxidation electrode through an external circuit. In this way, an electrochemical reaction occurs at the fuel electrode and the oxidation electrode facing each other through the electrolyte membrane, and functions as a battery. This fuel cell has various studies as a clean energy source because it has abundant raw material gas and liquid fuel used for power generation, and because of the principle of power generation, the discharged substance is water. Has been.
このような燃料電池は一般に、発電時には化学反応に伴う熱を発生するが、安定した発電を維持するためには例えば60℃から100℃程度の所定の温度範囲となるように制御することが必要であるため、水やエチレングリコールなどの冷却媒体(冷媒)を各単セルに設けられたセル冷媒流路22に流通させて燃料電池の過熱を防止している。
In general, such a fuel cell generates heat associated with a chemical reaction during power generation. However, in order to maintain stable power generation, it is necessary to control the temperature to be within a predetermined temperature range of, for example, about 60 ° C to 100 ° C. Therefore, a cooling medium (refrigerant) such as water or ethylene glycol is circulated through the cell
一般に燃料電池が良好な発電を行なうためには、例えばパーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂などが用いられる電解質膜10に対して所定の水分量(含水量)を維持させて、プロトン透過性膜としての機能を発揮させることが好適であり、例えば燃料電池内に供給する反応ガスのいずれか一方、または両方を加湿させることにより電解質膜10の水分調節を行なう。
In general, in order for a fuel cell to generate electric power satisfactorily, a predetermined amount of water (water content) is maintained with respect to the
ところで、燃料電池に対する水分の供給が所定の量を超えてしまうと、ガス流路内においてガス中の水分が凝縮し、液体の水を生成する(これを凝縮水と称する)。この凝縮水がガス流路や拡散層を塞いでしまうと、反応に必要な原料ガス(反応ガスとも称する)の、触媒層への供給が不十分となってしまう、いわゆるフラッディングと呼ばれる現象が発生し、発電効率が低下するばかりでなく、運転状態が不安定となり、場合によってはシステムの停止に繋がるおそれもある。さらに酸化極側、つまり酸化ガスが流通しているガス流路においては、ガス由来の凝縮水のほか、プロトンと酸素との反応によって生成する生成水も含まれるため、ガス流路内の水分量の制御には特に注意が必要である。 By the way, when the supply of moisture to the fuel cell exceeds a predetermined amount, the moisture in the gas is condensed in the gas flow path to generate liquid water (this is referred to as condensed water). If this condensed water blocks the gas flow path and the diffusion layer, a so-called flooding phenomenon occurs in which the source gas necessary for the reaction (also called the reaction gas) is insufficiently supplied to the catalyst layer. However, not only the power generation efficiency is lowered, but the operation state becomes unstable, and in some cases, the system may be stopped. In addition, the gas flow path in which the oxidizing gas circulates on the oxidation electrode side contains not only condensed water derived from gas but also water produced by the reaction between protons and oxygen. Special attention must be paid to the control.
一方、凝縮水の生成には、ガスに含まれる水分量の多寡のほかに、その温度条件が密接に関わっている。つまり、燃料電池の運転時においては、温度の上昇に伴い飽和水蒸気圧が高くなり、ガス中に含有し得る水分量が多いために凝縮する水分量はわずかであるが、飽和水蒸気圧は温度の低下とともに低下するため、例えば出力を低下させた時や運転停止時などにおいては、凝縮水は生成しやすい一方、ガスの流量および/または流速は低いため、ガスの流通に伴う凝縮水の排出は期待できない。このため、例えば高加湿運転時など、凝縮水の生成が顕著である場合であって、例えば起動直後など、またはガス流速の遅い低出力時など、電池内部が比較的低温である場合における凝縮水の排出性が特に懸念されている。 On the other hand, in addition to the amount of water contained in the gas, the temperature conditions are closely related to the generation of condensed water. In other words, during operation of the fuel cell, the saturated water vapor pressure increases as the temperature rises and the amount of water that can be contained in the gas is large, so the amount of water that condenses is small. For example, when the output is reduced or when the operation is stopped, condensed water is likely to be generated, but the flow rate and / or flow rate of the gas is low. I can't expect it. For this reason, for example, when condensed water is prominent during high humidification operation, for example, immediately after startup, or when the inside of the battery is at a relatively low temperature, such as at low output with a slow gas flow rate, There is a particular concern about the emissions.
凝縮水の排出に関し、例えば、特許文献1〜3のような燃料電池システムが提案されている。 Regarding discharge of condensed water, for example, fuel cell systems as disclosed in Patent Documents 1 to 3 have been proposed.
特許文献1には、凝縮水または生成水を一時溜める水溜まり部が設けられ、電磁弁を開放して溜まった水を排出することが可能な燃料電池システムについて記載されている。 Patent Document 1 describes a fuel cell system that is provided with a water reservoir portion for temporarily condensing condensed water or generated water, and capable of discharging the accumulated water by opening an electromagnetic valve.
特許文献2には、所定の角度だけ傾けることにより、ガス供給マニホールド内で凝縮した水分を容易に排出させることの可能な燃料電池スタックについて記載されている。 Patent Document 2 describes a fuel cell stack capable of easily discharging moisture condensed in a gas supply manifold by inclining by a predetermined angle.
また、特許文献3には、凝縮した水の単セル内部への侵入を防止する仕切り部材を反応ガス供給用マニホールド内に設けた燃料電池について記載されている。 Patent Document 3 describes a fuel cell in which a partition member for preventing intrusion of condensed water into a single cell is provided in a reaction gas supply manifold.
しかしながら、特許文献3に記載された燃料電池においては、マニホールド内の構成が複雑となってしまうため、コストアップに繋がりやすい。また、例えば高加湿運転からの停止時など、大量の水分が凝縮し得る条件下では、一旦貯水させた凝縮水が仕切り部材を越えて単セル内のガス流路内に流入してしまうおそれがある。 However, in the fuel cell described in Patent Document 3, the configuration in the manifold becomes complicated, which easily leads to an increase in cost. Also, under conditions where a large amount of water can condense, for example, when stopping from a high humidification operation, the condensed water once stored may flow into the gas flow path in the single cell beyond the partition member. is there.
本発明は、凝縮水の滞留によるガス流路の閉塞を抑制または防止することを目的とする。 An object of the present invention is to suppress or prevent blockage of a gas flow path due to retention of condensed water.
本発明の構成は以下のとおりである。 The configuration of the present invention is as follows.
(1)電解質膜の両面を燃料極と酸化極とで挟持した膜電極接合体を含む単セルを、複数積層させてなるセルスタックと、前記単セルにおいて発電に供される反応ガスを前記単セルに供給するための反応ガス源と、前記反応ガス源から導出された前記反応ガスを、前記セルスタックに供給させる反応ガス供給路と、前記単セルのそれぞれを貫通し、前記反応ガス供給路を流通する前記反応ガスを、前記セルスタックの内部に供給させる反応ガス供給マニホールドと、前記反応ガス供給マニホールドに供給された前記反応ガスを、前記単セルのそれぞれに分配し、導入させる導入部を有し、前記導入部から導入された前記反応ガスを前記電極部分に流通させる反応ガス流路と、前記反応ガス供給マニホールドまたは前記反応ガス供給路に連通し、前記反応ガス中の水分が凝縮した凝縮水を前記セルスタックの外部に排出させる凝縮水排出路と、を備え、前記反応ガス供給路は、前記反応ガス供給マニホールドに対し、前記導入部の下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分で連通し、前記凝縮水排出路は、前記導入部の下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分に配設されている、燃料電池システム。 (1) A cell stack formed by stacking a plurality of unit cells each including a membrane electrode assembly in which both surfaces of an electrolyte membrane are sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode, and a reaction gas used for power generation in the unit cell. A reaction gas source for supplying to the cell; a reaction gas supply path for supplying the reaction gas derived from the reaction gas source to the cell stack; and the reaction gas supply path that passes through each of the single cells. A reaction gas supply manifold for supplying the reaction gas flowing through the cell stack to the inside of the cell stack, and an introduction section for distributing and introducing the reaction gas supplied to the reaction gas supply manifold to each of the single cells. A reaction gas flow path for flowing the reaction gas introduced from the introduction portion to the electrode portion, and communicated with the reaction gas supply manifold or the reaction gas supply path A condensed water discharge path for discharging condensed water condensed with water in the reaction gas to the outside of the cell stack, and the reaction gas supply path is a lower end portion of the introduction portion with respect to the reaction gas supply manifold. The fuel cell system further communicates at least in a lower part in the vertical direction, and the condensed water discharge path is disposed at least in a lower part in the vertical direction than a lower end part of the introduction part.
(2)上記(1)に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給マニホールドに連通している、燃料電池システム。 (2) The fuel cell system according to (1), wherein the condensed water discharge passage is in communication with the reaction gas supply manifold.
(3)上記(1)に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給路の底面部分に接続されている、燃料電池システム。 (3) The fuel cell system according to the above (1), wherein the condensed water discharge path is connected to a bottom surface portion of the reaction gas supply path.
(4)上記(2)に記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給マニホールドの鉛直方向下端部分に連通している、燃料電池システム。 (4) The fuel cell system according to (2), wherein the condensed water discharge passage communicates with a lower end portion in a vertical direction of the reaction gas supply manifold.
(5)上記(1)から(4)のいずれか1つに記載の燃料電池システムにおいて、前記導入部が、前記反応ガス供給マニホールドの鉛直方向上端部分に連通している、燃料電池システム。 (5) The fuel cell system according to any one of (1) to (4), wherein the introduction portion communicates with an upper end portion in a vertical direction of the reaction gas supply manifold.
(6)上記(1)から(5)のいずれか1つに記載の燃料電池システムにおいて、前記凝縮水排出路を介して排出される凝縮水を回収し、貯留させる凝縮水回収タンクをさらに備える、燃料電池システム。 (6) The fuel cell system according to any one of (1) to (5), further including a condensed water recovery tank that recovers and stores the condensed water discharged through the condensed water discharge path. , Fuel cell system.
(7)上記(1)から(6)のいずれか1つに記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガス供給マニホールドが、セル面内において水平方向幅に比して鉛直方向幅が大きい縦長形状である、燃料電池システム。 (7) In the fuel cell system according to any one of (1) to (6), the reaction gas supply manifold has a vertically long shape having a vertical width larger than a horizontal width in a cell plane. There is a fuel cell system.
(8)上記(1)から(7)のいずれか1つに記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスが、前記電極部分の燃料極側に供給される燃料ガスである、燃料電池システム。 (8) The fuel cell system according to any one of (1) to (7), wherein the reaction gas is a fuel gas supplied to a fuel electrode side of the electrode portion.
(9)上記(1)から(7)のいずれか1つに記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスが、前記電極部分の酸化極側に供給される酸化ガスである、燃料電池システム。 (9) The fuel cell system according to any one of (1) to (7), wherein the reaction gas is an oxidizing gas supplied to an oxidizing electrode side of the electrode portion.
本発明によれば、凝縮した水分の滞留によるガス流路の閉塞を抑制または防止することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to suppress or prevent the blockage of the gas flow path due to the retention of condensed moisture.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面において、同様の構成については同じ符号を付し、場合によってはその説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected about the same structure and the description is abbreviate | omitted depending on the case.
図1は、本発明の実施の形態における燃料電池システムを構成するセルスタックの形状の概略について説明する図である。図1において、積層させた単セル40の積層端を図示しない集電板でそれぞれ挟み込み、さらにその外側を図示しない絶縁板および締結板42,44で順に挟持して、その外側から例えば図示しないボルト等による締結などの方法により全体を積層方向に押圧保持し、固定され、セルスタック50が形成されている。図1において、締結板42に接続され、セルスタック50の外部に延出する配管46,48は、一対の流体供給/排出用の配管をそれぞれ示しているが、その詳細については後述する。本実施の形態において、セルスタック50を構成する単セル40には一般に、図10に例示するような固体高分子型燃料電池(PEFC)を適用することができる。
FIG. 1 is a diagram for explaining the outline of the shape of a cell stack constituting the fuel cell system in the embodiment of the present invention. In FIG. 1, the stacking ends of the stacked
図2は、図1に示すセルスタック50を構成する単セル40において、アノード側セパレータの形状、特に燃料ガス流路側の形状の一例について説明する図である。なお、図2に示すアノード側セパレータ28の形状は、図10に示す単セル40のA−A’断面に相当する(ただし、寸法および詳細な形状等は必ずしも一致しない)。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the shape of the anode separator, particularly the shape on the fuel gas flow path side, in the
図2に示すアノード側セパレータ28には、酸化ガス供給マニホールド20a、酸化ガス排出マニホールド20b、冷媒供給マニホールド22a、冷媒排出マニホールド22b、燃料ガス供給マニホールド24a、燃料ガス排出マニホールド24bの各流体マニホールドが形成されている。これらの各流体マニホールドはそれぞれ、アノード側セパレータ28を貫通し、さらには図1に示す単セル40を貫通するように設けられており、各流体(酸化ガス、燃料ガス、冷却媒体)が互いに混入しないよう、それぞれ個別に連通している。
In the
図2において、燃料ガス供給マニホールド24aには、セルスタックの外部から供給された燃料ガスが流通している。燃料ガス供給マニホールド24aを流通する燃料ガスは、燃料ガス導入部24cから各単セルに分配され、燃料ガス流路24に導入される。燃料ガス流路24に導入された燃料ガス中の水素は、MEAを介して対面する図示しない酸化ガス流路に導入された酸化ガス中の酸素との間の電気化学反応を伴いながら通過し、必要量の水素が消費された、燃料ガス流路24通過後の燃料ガス、いわゆるオフガスを燃料ガス導出部24dより燃料ガス排出マニホールド24bに導出する(例えば、図10参照のこと)。そして、各単セルの燃料ガス導出部24dから導出された燃料ガスのオフガスは、燃料ガス排出マニホールド24bで合流し、セルスタックの外部に排出される。
In FIG. 2, the fuel gas supplied from the outside of the cell stack flows through the fuel
図3は、図2に示すアノード側セパレータ28を含む単セルを積層させて図1に示すようなセルスタック50を形成するときの、燃料ガス流通用の配管46,48の好適な接続箇所について説明する図である。
FIG. 3 shows suitable connection locations of the fuel
図3において、図示しないアノード側反応ガス供給路として利用される配管(以下「燃料ガス供給管」という)は、囲み32で示された、燃料ガス供給マニホールド24aの鉛直方向下端部分またはこれに対応する配管または締結板(図1参照)に接続され、ここでは図示しない燃料ガス源より燃料ガスが供給される。例えば、燃料電池に供給される前の燃料ガスが加湿器を用いて加湿される場合や、改質器で改質される燃料ガス(改質ガス)が改質反応に用いられる水分を含む場合など、燃料ガス供給マニホールド24aに供給される燃料ガスが水分を含む場合において、例えば運転開始直後や停止時においてはセルスタックの温度低下に伴い水分過剰となり、凝縮水が燃料ガス供給マニホールド24aに滞留しがちになる。本実施の形態において、燃料ガス導入部24c下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分で燃料ガス供給管と燃料ガス供給マニホールド24aとを連通させることにより、燃料ガス供給マニホールド24a内に滞留した、燃料ガス供給管から供給される燃料ガス中に含まれる水分に由来する凝縮水の、燃料ガス流路24への流入は困難となるため、凝縮水の流入に伴う燃料ガス流路24内におけるフラッディングの発生を防止または抑制することが可能となる。
In FIG. 3, a pipe (hereinafter referred to as “fuel gas supply pipe”) used as an anode-side reaction gas supply path (not shown) corresponds to the lower end portion in the vertical direction of the fuel
本実施の形態において、燃料ガス供給マニホールド24aの形状に制限はなく、いかなるものであっても良いが、好ましくは、図3に示すようにセル面内において水平方向(x方向)の幅に比して鉛直方向(y方向)の幅が大きい縦長形状である。本実施の形態によれば、燃料ガス供給管と燃料ガス導入部24cとの鉛直方向高さの差をより大きくすることが可能となるため、燃料ガス供給マニホールド24aにおける凝縮水が大量であっても、より確実に燃料ガス流路を確保することが可能となる。また、本実施の形態によれば、例えば車両などの移動体にセルスタックを含む燃料電池システムを搭載した場合において、斜面走行中にセルスタックが傾いた場合においても、燃料ガス導入部24cからの凝縮水の流入を抑制することが可能となるため、好適である。なお、燃料ガス供給管と燃料ガス導入部24cとの鉛直方向高さの差を最大とするためには、図3に示すように、燃料ガス導入部24cを燃料ガス供給マニホールド24aの鉛直方向上端部分に連通可能に配置するとともに、燃料ガス供給管を燃料ガス供給マニホールド24aの鉛直方向下端部分に接続させることが好適である。
In the present embodiment, the shape of the fuel
なお、特に断りのない限り、以下「水平方向」、「鉛直方向」とは、図3において示すx方向/y方向を指すものとし、位置関係を比較する、「上端」、「下端」、「上部」、「底部」などの表現の基準はいずれも、図3に示す「鉛直方向」である。 Unless otherwise specified, the terms “horizontal direction” and “vertical direction” refer to the x direction / y direction shown in FIG. 3, and the “upper end”, “lower end”, “ The reference of expression such as “top” and “bottom” is “vertical direction” shown in FIG.
また、本発明の他の実施の形態において、燃料ガスのオフガスを排出する燃料ガス排出管は、囲み34で示された、燃料ガス排出マニホールド24bの鉛直方向下端部分またはこれに対応する配管または締結板(図1参照)に接続され、燃料ガスのオフガスを外部に排出する。本実施の形態において、燃料ガス排出マニホールド24bの形状に制限はなく、いかなるものであっても良いが、好ましくは、図3に示すようにセル面内において水平方向の幅に比して鉛直方向の幅が大きい縦長形状である。本実施の形態によれば、燃料ガス導出部24dの鉛直方向高さ(幅)をより大きくすることができ、燃料ガス排出マニホールド24bにおける凝縮水が多量であっても、燃料ガス流路、特に燃料ガス導出部24dの、凝縮水の滞留していない空間部分をより多く確保することが可能となる。このため、一般に水素ガスを多く含有する燃料ガス流路24の上流側と比較して流量および/または流速が低下する傾向にある下流側において、燃料ガスのオフガスをより確実に燃料ガス流路24の外部へ排出させることが可能となる。
In another embodiment of the present invention, the fuel gas discharge pipe that discharges the off-gas of the fuel gas is the lower end portion in the vertical direction of the fuel
図4は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの、特にアノード側における流体流路の構成の概略について説明する図である。図4において、燃料ガス供給マニホールド24aの下端部分に連通する、燃料ガス供給管46aの底面部分には、凝縮水排出路としての配管54a(凝縮水排出管ともいう)が接続されており、バルブ58aを介して凝縮水回収タンク56aに連通可能に構成されている。
FIG. 4 is a diagram for explaining the outline of the configuration of the fluid flow path in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, particularly on the anode side. In FIG. 4, a
図4において、改質器や水素ボンベなどの燃料ガス源52で生じさせ、導出された燃料ガスを、必要に応じて図示しない加湿器などを用いて所望の水分量となるように加湿させた後、燃料ガス供給管46aを流通し、所望の流量および/または流速で燃料ガス供給マニホールド24aの下端部分に供給される。燃料ガスはその後、各単セルに設けられた燃料ガス流路24を経由し、燃料ガス排出マニホールド24bの下端部分に配設された燃料ガス排出管48aからオフガスとしてセルスタックの外部に排出される。なお、他の実施の形態として、燃料ガス排出マニホールド24bが、燃料ガス流路24から燃料ガス排出マニホールド24bに燃料ガスのオフガスを導出する導出部24dの下端部分よりさらに下方まで延びており、その下端部分24dより下方に燃料ガス排出管48aが配設された構成を有していてもよい。
In FIG. 4, the fuel gas generated by the
図4において、燃料ガス供給マニホールド24aまたはその近傍において凝縮した凝縮水は、燃料ガス供給マニホールド24aの底部に次第に滞留していき、やがて所定量を超えると燃料ガス供給マニホールド24aの下端部分に連通する燃料ガス供給管46aを経由して凝縮水排出管54aに流入し、貯留される。実施の形態において、バルブ58aは通常、閉じた状態となっており、凝縮水排出管54aに流入した凝縮水はバルブ58aの上部に滞留しているが、例えば、バルブ58aの上部に滞留する凝縮水が所定量となったとき、または所定時間経過の都度、バルブ58aを開放し、凝縮水回収タンク56aに凝縮水を回収し、貯留させることができる。凝縮水回収タンク56aに貯留された凝縮水は、必要に応じてイオン交換された後、例えば改質器における改質水や、加湿器における加湿用水分として再利用することができる。バルブ58aは、開閉式のものでも流量可変式のものであっても良く、例えば電磁弁やフロートバルブなど、いかなる形式のものを用いることも可能であるが、例えばフロートバルブでは、バルブの開閉には電力の消費を伴わないため、好適である。なお、本実施の形態において、凝縮水排出管54aを流通し、単セル内から排出される凝縮水は、一旦凝縮水回収タンク56aに回収されることから、以下、「凝縮水排出管」を「凝縮水回収管」とも称する。
In FIG. 4, the condensed water condensed at or near the fuel
図4において、凝縮水排出管または凝縮水回収管54aは、燃料ガス供給管46aと同様の材料を用いて作製することができ、例えば、ステンレス鋼材料(SUS材)などを挙げることができるが、これに限定されるものではない。また、凝縮水回収管54aと燃料ガス供給管46aとの接続は、適用する材料に応じた適切な方法を用いることが可能であり、例えば、予め一体に成形するものであっても、図示しない継手部材を適用した接続、適当な接着剤による接着、溶接、その他いかなる方法によるものであっても良い。
In FIG. 4, the condensed water discharge pipe or the condensed
また、本実施の形態において、必要に応じて、燃料ガス供給管46aおよび/または燃料ガス供給マニホールド24aから凝縮水回収管54aに向けて、凝縮水の流入を誘導する傾斜を設けることも好適である。また、反応ガス内の水分量が過飽和のままセルスタック内に流通せず、適切に凝縮が行なわれるよう、燃料ガス供給管46aおよび/または凝縮水回収管54aの内表面の少なくとも一部に親水化処理および/または疎水化処理を施しても良く、さらに粗面化処理を施しても良い。なお、凝縮水の流入を誘導する傾斜の傾きや燃料ガス供給管46aおよび/または凝縮水回収管54aの内表面処理の程度は燃料ガス供給マニホールド24aおよび/または燃料ガス供給管46a、さらにアノード側の凝縮水回収管54aなどの流路表面の濡れ性や燃料電池の運転条件によって適宜設定することが可能である。また、凝縮水の流入を誘導する傾斜は、生成した凝縮水を直接または間接にアノード側の凝縮水回収管54aに流入させることが可能であればいかなる形状のものであっても良い。
In the present embodiment, if necessary, it is also preferable to provide an inclination for inducing the inflow of condensed water from the fuel
図5は、アノード側に図4に示す燃料ガスの流通経路を有する燃料電池システムにおいて、特に反応ガスを含む流体の流通に着目した構成の概略を説明する概念図である。 FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the outline of the configuration focusing particularly on the flow of the fluid containing the reaction gas in the fuel cell system having the flow path of the fuel gas shown in FIG. 4 on the anode side.
図5において、燃料ガス源52として、例えば改質装置を用いることができる。例えば改質装置である燃料ガス源52は、例えば燃料ガスのオフガスを、酸素源としての空気などを用いて燃焼させ、装置内の温度を上昇させる燃焼部52aと、天然ガスや都市ガスなどの燃料ガス原料に含まれる、メタンなどの炭化水素を改質させて水素や一酸化炭素を含む改質ガスを得る改質部52bと、改質ガス中の一酸化炭素と水とを反応させて一酸化炭素濃度を低下させるシフト部52cと、触媒毒となる改質ガス中の一酸化炭素を除去し、セルスタック内に供給する燃料ガスを得るCO除去部52dとを含み、構成することができる。必要に応じて、図示しない脱硫器を用い、燃料ガス原料中に含有する硫黄成分を除去することも好適である。
In FIG. 5, for example, a reformer can be used as the
燃料ガス源52より得られた、水素を含有する燃料ガスは、必要に応じて加湿され、燃料ガス供給管46aを介してセルスタック50に供給される。一方、空気や純酸素などの酸化ガスは、酸化ガス供給管46cを介してセルスタック50に供給される。セルスタック50に供給された燃料ガス中の水素および酸化ガス中の酸素は、各単セル内の燃料極および酸化極において、電解質膜を介して反応に供される一方、それぞれのオフガスが燃料ガス排出管48aおよび酸化ガス排出管48cから、セルスタック50の外部へ排出される(例えば、図10参照のこと)。
The fuel gas containing hydrogen obtained from the
本実施の形態において、燃料ガス供給管46aの、セルスタック50との接続部分またはその近傍には、凝縮水回収管54aが接続されており、図5では図示しない燃料ガス供給マニホールドの底部に滞留する凝縮水を流入、貯留させることが可能な構成を有している。本構成によれば、燃料ガス供給マニホールド内、および各単セルに設けられた燃料ガス流路内における凝縮水の長期にわたる滞留や、凝縮水の逆流による、燃料ガス源52の不具合の発生などを防止または抑制することが可能となる。
In the present embodiment, a condensed
また、本実施の形態において、バルブ58aの操作により凝縮水回収管54a内から凝縮水回収タンク56aに流入し、貯留された凝縮水は、凝縮水供給管60に設けられたポンプ62の作動により、例えば燃料ガス源52として改質器を用いたときの改質部52bに改質水として供給し、再利用することも可能である。このとき、凝縮水回収管54aおよび/または凝縮水供給管60において、必要に応じて、凝縮水に混入した異物などを除去するフィルタや、金属イオン等の水溶性の不純物を除去するイオン交換膜またはイオン交換樹脂等を適用することも好適である。
Further, in the present embodiment, the condensed water stored in the condensed
図5において、冷媒供給管46bから図示しない冷媒供給マニホールドを経由してセルスタック50の内部に供給された冷却媒体は、各単セル間の図示しないセル冷媒流路を流通し、熱交換によりセルスタック50を冷却した後、図示しない冷媒排出マニホールドに連通する冷媒排出管48bを介してセルスタック50の外部に排出される。なお、冷却媒体の流通は、水道水などの適用によるものであっても良く、図示しない冷却器などの適用による循環式であっても良く、特に制限はないが、例えば車両などの移動体に搭載する場合には、循環式冷媒流路の適用が好適である。
In FIG. 5, the cooling medium supplied from the
図6は、本発明の他の実施の形態における燃料電池システムの、特にカソード側における流体流路の構成の概略について説明する図である。なお、図6に示すカソード側セパレータ26の形状は、図10に示す単セル40のB−B’断面図に相当する(ただし、寸法および詳細な形状等は必ずしも一致しない)。
FIG. 6 is a diagram for explaining the outline of the configuration of the fluid flow path in the fuel cell system according to another embodiment of the present invention, particularly on the cathode side. The shape of the cathode-
図6に示すカソード側セパレータ26には、酸化ガス供給マニホールド20a、酸化ガス排出マニホールド20b、冷媒供給マニホールド22a、冷媒排出マニホールド22b、燃料ガス供給マニホールド24a、燃料ガス排出マニホールド24bの各流体マニホールドが形成されている。これらの各流体マニホールドはそれぞれ、カソード側セパレータ26を貫通し、さらには図示しない単セルを貫通するように設けられており、各流体が互いに混入しないよう、それぞれ個別に連通している。
The
図6において、酸化ガス供給マニホールド20aの下端部分に連通する、カソード側反応ガス供給路としての配管(以下「酸化ガス供給管」という)46cの底面部分には、凝縮水回収管54cが接続されており、バルブ58cを介して凝縮水回収タンク56cに連通可能に構成されている。
In FIG. 6, a condensed
図6において、エアポンプまたはブロワなどを含む酸化ガス源53を用いて生じさせ、導出された空気や酸素などの酸化ガスを、加湿器64を用いて所望の水分量となるように加湿させた後、酸化ガス供給管46cを流通し、所望の流量および/または流速で酸化ガス供給マニホールド20aの下端部分に供給される。酸化ガスはその後、各単セルに設けられた酸化ガス流路20を経由し、酸化ガス排出マニホールド20bの下端部分に配設された酸化ガス排出管48cからオフガスとしてセルスタック50の外部に排出される。
In FIG. 6, after the oxidizing
図6において、酸化ガス供給マニホールド20aまたはその近傍において凝縮した凝縮水は、酸化ガス供給マニホールド20aの底部に次第に滞留していき、やがて所定量を超えると酸化ガス供給マニホールド20aの下端部分に連通する酸化ガス供給管46cを経由して凝縮水回収管54cに流入し、貯留される。実施の形態において、バルブ58cは通常、閉じた状態となっており、凝縮水回収管54cに流入した凝縮水はバルブ58cの上部に滞留しているが、例えば、バルブ58cの上部に滞留する凝縮水が所定量となったとき、または所定時間経過の都度、バルブ58cを解放し、凝縮水回収タンク56cに凝縮水を貯留・回収することができる。凝縮水回収タンク56cに回収した凝縮水は、必要に応じてイオン交換された後、例えば改質器における改質水や、加湿器における加湿用水分供給源として再利用することも可能である。本実施の形態において、バルブ58cは、例えば図4に示すバルブ58aと同様のものであっても、異なるものであっても良い。
In FIG. 6, the condensed water condensed at or near the oxidizing
一方、図6において、酸化ガスのオフガスをセルスタック50の外部に排出させる酸化ガス排出管48cは、酸化ガス排出マニホールド20bの下端部分に連通させることが好ましい。本実施の形態によれば、酸化ガス排出マニホールド20b内における、酸化ガスのオフガス中に含まれる、生成水を含む凝縮水の過度な滞留を防止または抑制し、適切に排水させることにより、適切なガス流路の確保が可能となるため、好適である。
On the other hand, in FIG. 6, the oxidizing
また、本実施の形態において、酸化ガス排出管48cを、例えば加湿器64内において、水分含有率および/または温度が高い酸化ガスのオフガスと、水分含有率および/または温度が比較的低い酸化ガス(供給用)との間で湿度交換および/または温度交換させる構成とすることができる。一般に、酸化ガス排出マニホールド20bに排出される酸化ガスのオフガスには、加湿器64において加湿した水分のほか、電極反応により生成した生成水に由来する水分が含まれている。また、運転中のセルスタック50から排出される酸化ガスのオフガスは、セルスタック50供給前の酸化ガスと比較して、一般に高温である。本実施の形態によれば、酸化ガス中のオフガス中に多量に含まれる水分および/または廃熱の少なくとも一部を、セルスタック50供給前の酸化ガスと交換して再利用することが可能となる。
Further, in the present embodiment, the oxidizing
図7は、カソード側に図6に示す酸化ガスの流通経路を有する燃料電池システムにおいて、特に反応ガスを含む流体の流通に着目した構成の概略を説明する概念図である。図7に示す燃料電池システムは、カソード側における酸化ガスの流通経路を除き、図5に示す燃料電池システムと同様の構成を有している。 FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the outline of the configuration focusing particularly on the flow of the fluid containing the reaction gas in the fuel cell system having the flow path of the oxidizing gas shown in FIG. 6 on the cathode side. The fuel cell system shown in FIG. 7 has the same configuration as the fuel cell system shown in FIG. 5 except for the oxidizing gas flow path on the cathode side.
図7において、ここでは図示しない酸化ガス源から、加湿器64内を通過して加湿された、酸素を含有する酸化ガスは、酸化ガス供給管46cを介してセルスタック50に供給される。各単セル内のMEAにおいて、この酸化ガス中の酸素と、燃料ガス供給管46aを介して供給された燃料ガス中の水素とが、各単セル内の電解質膜を介して対面する酸化極と燃料極とにおいて反応し(例えば、図10参照のこと)、各反応ガスのオフガスが、酸化ガス排出管48cおよび燃料ガス排出管48aから、セルスタック50の外部へそれぞれ排出される。
In FIG. 7, the oxidizing gas containing oxygen that has been humidified by passing through the
図7において、酸化ガス供給管46cの、セルスタック50との連通部分またはその近傍には、凝縮水回収管54cが接続されており、図7では図示しない酸化ガス供給マニホールドの底部またはその近傍に滞留する凝縮水をセルスタック50の外部に排出させることが可能な構成を有している。本構成によれば、酸化ガス供給マニホールド内、および各単セルに設けられた酸化ガス流路内における凝縮水の長期にわたる滞留や、凝縮水の逆流による、ここでは図示しない酸化ガス源の不具合の発生などを防止または抑制することが可能となる。
In FIG. 7, a condensed
また、本実施の形態において、バルブ58cの操作により凝縮水回収管54c内から凝縮水回収タンク56に送られ、貯留された凝縮水は、例えば燃料ガス源52として改質器を用いたときの改質部52bに改質水として供給し、再利用することも可能である。
In the present embodiment, the condensed water that is sent from the condensed
本実施の形態において、燃料ガス供給管46aに接続された凝縮水回収管54aと、酸化ガス供給管46cに接続された凝縮水回収管54cは、いずれも凝縮水回収タンク56に連通可能に構成されており、アノード側供給部およびカソード側供給部において凝縮した凝縮水を一箇所にまとめて回収し、滞留させるよう構成されている。本実施の形態によれば、部材共通化に伴うシステム全体としての大型化を抑制することが可能となる。一方、他の実施の形態として、アノード側供給部およびカソード側供給部において凝縮した凝縮水をそれぞれ別に回収し、滞留させるよう構成することも可能である。本実施の形態によれば、例えば一方の凝縮水を改質水として、他方の凝縮水を加湿用としてそれぞれ利用するなど、凝縮水の供給先を複数とすることも可能となるため、回収した凝縮水のより効果的な再利用が可能となる。
In the present embodiment, the condensed
図8は、本発明のさらに別の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略について説明する図である。図8において、アノード側の凝縮水回収管54aが、燃料ガス供給マニホールド24aに連通する燃料ガス供給管46aに接続された構成に代えて、燃料ガス供給マニホールド24aに直接連通する構成を有することを除き、図4に示す燃料電池システムとほぼ同様の構成を有している。
FIG. 8 is a diagram illustrating an outline of a configuration of a fuel cell system according to still another embodiment of the present invention. In FIG. 8, the anode-side condensed
図8において、燃料ガス供給マニホールド24aの内部またはその近傍で凝縮した凝縮水は、燃料ガス供給マニホールド24aの下端部分に接続された凝縮水回収管54aに流入し、貯留される。本実施の形態において、燃料ガス供給管46aは、凝縮水回収管54aとは独立して配設されているため、燃料ガス供給管46aからの燃料ガスの流通を乱すことなく、燃料ガス供給マニホールド24a内の凝縮水をセルスタックの外部へ排出することができ、ガス流路内におけるフラッディングの発生を防止または抑制することが可能となる。
In FIG. 8, the condensed water condensed in the fuel
なお、本実施の形態において、凝縮水回収管54aは、燃料ガス供給マニホールド24aに対し、燃料ガス導入部24c下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分で連通していることが好ましいが、燃料ガス供給管46aの鉛直方向高さより下方部分で連通していることがより好適である。本実施の形態によれば、燃料ガス供給マニホールド24a内の凝縮水が燃料ガス供給管46a内に流入することなく、より確実に凝縮水回収管54aに流入させることが可能となる。
In the present embodiment, it is preferable that the condensed
図8に示す燃料電池システムにおいて、アノード側のガス流路構造について説明したが、同様の構成をカソード側についても適用することが可能である。図9は、図8に示すアノード側ガス流路構造について、カソード側にも同様のガス流路構造を適用した場合について、その一例を示したものである。 In the fuel cell system shown in FIG. 8, the gas channel structure on the anode side has been described, but the same configuration can be applied to the cathode side. FIG. 9 shows an example of the case where the same gas flow path structure is applied to the cathode side of the anode side gas flow path structure shown in FIG.
図9に示す燃料電池システムは、セルスタック50に対する凝縮水回収管54a,54cおよび反応ガス供給管46a,46cの接続を除き、図7に示す燃料電池システムと同様の構成を有している。
The fuel cell system shown in FIG. 9 has the same configuration as the fuel cell system shown in FIG. 7 except for the connection of the condensed
図9において、アノード側の凝縮水回収管54aは、ここでは図示しない燃料ガス供給マニホールドに対し、燃料ガス供給管46aとは独立して連通している。同様に、カソード側の凝縮水回収管54cは、ここでは図示しない酸化ガス供給マニホールドに対し、酸化ガス供給管46cとは独立して連通している。本実施の形態によれば、各反応ガス供給マニホールドおよびその近傍において凝縮した凝縮水によるフラッディングの発生を防止または抑制するとともに、反応ガスのより安定した流通を行なうことが可能となる。
In FIG. 9, the anode side condensed
以上説明した、本発明の実施の形態およびその変形例によれば、反応ガスマニホールドおよびその近傍において凝縮する凝縮水の滞留に伴うガス流路の閉塞を防止または抑制することが可能となる。また、本発明の他の実施の形態によれば、凝縮水を回収し、貯留させて再利用することが可能となる。 According to the embodiment of the present invention and the modification thereof described above, it is possible to prevent or suppress the blockage of the gas flow path accompanying the retention of condensed water condensed in the reaction gas manifold and the vicinity thereof. Further, according to another embodiment of the present invention, condensed water can be collected, stored and reused.
本発明は、定置用の燃料電池に限らず、例えば移動体搭載型の燃料電池においても好適に利用することが可能である。 The present invention is not limited to a stationary fuel cell, and can be suitably used, for example, in a mobile body-mounted fuel cell.
10 電解質膜、12 カソード触媒層、14 アノード触媒層、16 カソード拡散層、18 アノード拡散層、20 酸化ガス流路、20a 酸化ガス供給マニホールド、20b 酸化ガス排出マニホールド、22 セル冷媒流路、22a 冷媒供給マニホールド、22b 冷媒排出マニホールド、24 燃料ガス流路、24a 燃料ガス供給マニホールド、24b 燃料ガス排出マニホールド、24c 燃料ガス導入部、24d 燃料ガス導出部、26 カソード側セパレータ、28 アノード側セパレータ、30 膜電極接合体(MEA)、40 単セル、42,44 締結板、46,48 配管、46a 燃料ガス供給管、46b 冷媒供給管、46c 酸化ガス供給管、48a 燃料ガス排出管、48b 冷媒排出管、48c 酸化ガス排出管、50 セルスタック、52 燃料ガス源、52a 燃焼部、52b 改質部、52c シフト部、52d CO除去部、53 酸化ガス源、54a,54c 凝縮水回収管(凝縮水排出管)、56,56a,56c 凝縮水回収タンク、58a,58c バルブ、60 凝縮水供給管、62 ポンプ、64 加湿器。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記単セルにおいて発電に供される反応ガスを前記単セルに供給するための反応ガス源と、
前記反応ガス源から導出された前記反応ガスを、前記セルスタックに供給させる反応ガス供給路と、
前記単セルのそれぞれを貫通し、前記反応ガス供給路を流通する前記反応ガスを、前記セルスタックの内部に供給させる反応ガス供給マニホールドと、
前記反応ガス供給マニホールドに供給された前記反応ガスを、前記単セルのそれぞれに分配し、導入させる導入部を有し、前記導入部から導入された前記反応ガスを前記電極部分に流通させる反応ガス流路と、
前記反応ガス供給マニホールドまたは前記反応ガス供給路に連通し、前記反応ガス中の水分が凝縮した凝縮水を前記セルスタックの外部に排出させる凝縮水排出路と、
を備え、
前記反応ガス供給路は、前記反応ガス供給マニホールドに対し、前記導入部の下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分で連通し、
前記凝縮水排出路は、前記導入部の下端部分より少なくとも鉛直方向下方部分に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。 A cell stack formed by laminating a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly in which both surfaces of an electrolyte membrane are sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode;
A reactive gas source for supplying the single cell with a reactive gas for power generation in the single cell;
A reaction gas supply path for supplying the reaction gas derived from the reaction gas source to the cell stack;
A reaction gas supply manifold that passes through each of the single cells and distributes the reaction gas flowing through the reaction gas supply path into the cell stack;
A reaction gas that has an introduction part that distributes and introduces the reaction gas supplied to the reaction gas supply manifold to each of the single cells, and distributes the reaction gas introduced from the introduction part to the electrode part. A flow path;
A condensed water discharge passage that communicates with the reaction gas supply manifold or the reaction gas supply passage and discharges condensed water in which moisture in the reaction gas is condensed to the outside of the cell stack;
With
The reaction gas supply path communicates with the reaction gas supply manifold at least in a vertically lower portion than a lower end portion of the introduction portion,
The fuel cell system, wherein the condensed water discharge passage is disposed at least in a vertically lower portion from a lower end portion of the introduction portion.
前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給マニホールドに連通してい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,
The fuel cell system, wherein the condensed water discharge passage communicates with the reaction gas supply manifold.
前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給路の底面部分に接続されてい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,
The fuel cell system, wherein the condensed water discharge path is connected to a bottom surface portion of the reaction gas supply path.
前記凝縮水排出路が、前記反応ガス供給マニホールドの鉛直方向下端部分に連通していることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell system, wherein the condensed water discharge passage communicates with a lower end portion in a vertical direction of the reaction gas supply manifold.
前記導入部が、前記反応ガス供給マニホールドの鉛直方向上端部分に連通していることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The fuel cell system, wherein the introduction portion communicates with an upper end portion in a vertical direction of the reaction gas supply manifold.
前記凝縮水排出路を介して排出される凝縮水を回収し、貯留させる凝縮水回収タンクをさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
A fuel cell system, further comprising a condensed water collection tank for collecting and storing condensed water discharged through the condensed water discharge path.
前記反応ガス供給マニホールドが、セル面内において水平方向幅に比して鉛直方向幅が大きい縦長形状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 any one of claims 1 to 6,
The fuel gas system according to claim 1, wherein the reaction gas supply manifold has a vertically long shape having a vertical width larger than a horizontal width in a cell plane.
前記反応ガスが、前記電極部分の燃料極側に供給される燃料ガス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 any one of claims 1 to 7,
The fuel cell system, wherein the reaction gas is a fuel gas supplied to a fuel electrode side of the electrode portion.
前記反応ガスが、前記電極部分の酸化極側に供給される酸化ガス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 any one of claims 1 to 7,
The fuel cell system, wherein the reaction gas is an oxidizing gas supplied to an oxidizing electrode side of the electrode portion.
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