JP2010182488A - Fuel cell and fuel cell system - Google Patents

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Hiroki Tanaka
浩己 田中
Yoshiaki Naganuma
良明 長沼
Osamu Yumita
修 弓田
Takuboku Tezuka
卓睦 手塚
Nobukazu Mizuno
伸和 水野
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell and a fuel cell system that efficiently discharge water adhered to a separator and also ice adhered to the separator due to freezing to the outside, and that improve the efficiency of power generation. <P>SOLUTION: The fuel cell 20 includes an MEA 220 and separators 230 and 240 which are arranged on both sides of the MEA 220, respectively. The separator 240 has a fluid passage part which has grooves 241, in which fluid flows and has inner walls of the grooves 241 which get a water repellent treatment applied, an air supply manifold 242, a cooling medium inlet manifold 243, a hydrogen gas outlet manifold 244, a hydrogen gas inlet manifold 245, a cooling medium outlet manifold 246, an air outlet manifold 247, an air introduction part 248, and an air exhaust part 249 formed. The air introduction part 248 and the air exhaust part 249 have higher water repellency than the inner walls of the grooves 241. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池システムの改良に関する。   The present invention relates to improvements in fuel cells and fuel cell systems.

従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池を低温環境下で起動させると、燃料電池や該燃料電池に連通する配管等に残存する水が凍結し、燃料電池内あるいは配管内におけるガス流通が阻害され、発電が停止する等、燃料電池システムの起動が困難になる。特に、ガス導入部は、ガス流路部に対する断面積が小さいため、凍結した水(氷)によって閉塞し易いことが知られている。   Conventionally, in a fuel cell system, when the fuel cell is started in a low temperature environment, water remaining in the fuel cell and piping connected to the fuel cell is frozen, and gas flow in the fuel cell or in the piping is inhibited, It becomes difficult to start the fuel cell system, for example, power generation stops. In particular, it is known that the gas introduction part has a small cross-sectional area with respect to the gas flow path part, and thus is easily clogged with frozen water (ice).

そこで、セパレータのガス流通用の溝部に撥水処理を施すことで、この部分に水が付着することを防止した燃料電池が紹介されている。(例えば、特許文献1参照)。また、セパレータのマニホールド近傍(ガス導入部からガス流路部の入口部、ガス流路の出口部からガス出口部)の撥水性を強化した燃料電池も紹介されている。(例えば、特許文献2参照)。   In view of this, a fuel cell has been introduced in which water repellent treatment is applied to the gas flow groove portion of the separator to prevent water from adhering to this portion. (For example, refer to Patent Document 1). In addition, a fuel cell having enhanced water repellency in the vicinity of the manifold of the separator (from the gas inlet to the inlet of the gas channel and from the outlet of the gas channel to the gas outlet) has been introduced. (For example, refer to Patent Document 2).

また、燃料電池の低温起動時に、各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイナス極として電圧を印加し、燃料極に酸素、酸化剤極に水素を生成する電圧印加プロセスと、生成された水素及び酸素と、酸化剤極に供給された酸素及び燃料極に供給された水素を用いて発電する発電プロセスとを繰り返し行い、前記燃料電池スタック内を解氷する燃料電池システムが紹介されている。(例えば、特許文献3参照)。   In addition, when the fuel cell is started at a low temperature, a voltage application process for generating oxygen at the fuel electrode and hydrogen at the oxidant electrode by applying a voltage with the fuel electrode of each single cell as the positive electrode and the oxidant electrode as the negative electrode A fuel cell system is introduced in which the generated hydrogen and oxygen and the power generation process using the oxygen supplied to the oxidizer electrode and the hydrogen supplied to the fuel electrode are repeatedly performed to de-ice the fuel cell stack. ing. (For example, refer to Patent Document 3).

そしてまた、燃料電池の低温起動時に、燃料電池システム内の温度が所定温度以上になるまで、掃引電流値を絶えず増加させることで、低温起動時における燃料電池システム内での凍結の抑制を行う燃料電池システムも紹介されている。(例えば、特許文献4参照)。   In addition, the fuel that suppresses freezing in the fuel cell system at the low temperature start-up by continuously increasing the sweep current value until the temperature in the fuel cell system becomes equal to or higher than the predetermined temperature at the low temperature start-up of the fuel cell. Battery systems are also introduced. (For example, refer to Patent Document 4).

さらにまた、燃料電池のアノードガスを排出する管路に備えられ、前記燃料電池内部に圧力変動を起こす第1の流量でアノードガスを排出する第1流通手段と、前記管路に備えられ、第1の流量より少ない第2の流量でアノードガスを排出する第2流通手段と、前記第1流通手段と前記第2流通手段とを切替える切替え手段とを備え、前記第1の流通手段から排出されるアノードガスにより、前記燃料電池内部に滞留している液体状の不純物を排出させた後、前記第2流通手段に切替える燃料電池システムも紹介されている。(例えば、特許文献5参照)。   Furthermore, provided in a conduit for discharging the anode gas of the fuel cell, and provided in the conduit, a first flow means for discharging the anode gas at a first flow rate that causes a pressure fluctuation inside the fuel cell, A second flow means for discharging the anode gas at a second flow rate lower than the flow rate of 1, and a switching means for switching between the first flow means and the second flow means, and is discharged from the first flow means. A fuel cell system has also been introduced in which the liquid impurities remaining inside the fuel cell are discharged by the anode gas and then switched to the second circulation means. (For example, refer to Patent Document 5).

また、セパレータを構成する金属板の表面部分に、撥水性材料と金属とを含有した複合メッキ層を形成してなる燃料電池も紹介されている。(例えば、特許文献6参照)。   In addition, a fuel cell in which a composite plating layer containing a water repellent material and a metal is formed on a surface portion of a metal plate constituting a separator has been introduced. (For example, refer to Patent Document 6).

特開2000−36309号公報JP 2000-36309 A 特開2007−141695号公報JP 2007-141695 A 特開2003−197241号公報JP 2003-197241 A 特開2007−42566号公報JP 2007-42566 A 特開2008−78101号公報JP 2008-78101 A 特開2000−100452号公報JP 2000-1000045 A

しかしながら、特許文献1に記載されている燃料電池は、セパレータのガス流通用の溝部のみに撥水処理が施された構成であり、最も水を排除させたい部分であるガス導入部に水が付着することを抑制することができなかった。したがって、燃料電池を低温環境下で起動させた際に、前記ガス導入部に残存する水が凍結してこの部分を閉塞し、発電に支障を来す虞がある。また、セパレータの面内全体に撥水処理を施した場合は、一般的に燃料電池の下部に位置するガス導入部に水が滞留してしまう。   However, the fuel cell described in Patent Document 1 has a structure in which only the groove for gas circulation of the separator is subjected to water repellent treatment, and water adheres to the gas introduction part, which is the part that most wants to exclude water. Could not be suppressed. Therefore, when the fuel cell is started in a low temperature environment, the water remaining in the gas introduction part may freeze and block this part, thereby hindering power generation. In addition, when the entire surface of the separator is subjected to water repellent treatment, water generally stays in the gas introduction part located at the lower part of the fuel cell.

また、特許文献2に記載されている燃料電池は、マニホールド近傍の撥水性に強弱がないため、ガス導入部に水が滞留する虞がある。また、セパレータの発電面内の撥水性に強弱が付くため、発電にも強弱が付き、最適な発電を行うことが困難である。   Moreover, since the fuel cell described in Patent Document 2 has no strong or weak water repellency in the vicinity of the manifold, there is a possibility that water may stay in the gas introduction part. In addition, since the water repellency in the power generation surface of the separator is strong and weak, the power generation is also strong and difficult to perform optimal power generation.

そしてまた、特許文献3に記載されている燃料電池システムは、電気分解を行うために逆電圧をかける必要があるが、複数の単セルを積層した構造を有している燃料電池では、各単セルに均等に電圧をかけることが困難である。   In addition, the fuel cell system described in Patent Document 3 needs to apply a reverse voltage in order to perform electrolysis, but in a fuel cell having a structure in which a plurality of single cells are stacked, It is difficult to apply a voltage evenly across the cells.

また、特許文献4には、凍結を抑制する目的で生成水を積極的に排出することについて言及されていない。さらにまた、特許文献5には、燃料電池を低温環境下で起動させた際に生じる凍結を抑制することについて言及されておらず、カソードガスの排出についても言及されていない。   Patent Document 4 does not mention positively discharging generated water for the purpose of suppressing freezing. Furthermore, Patent Document 5 does not mention suppression of freezing that occurs when the fuel cell is started in a low temperature environment, and does not mention discharge of cathode gas.

そしてまた、特許文献6に記載された燃料電池は、複合メッキ層として、電気伝導性を有しない撥水性材料と、親水性を有する金属を混合した材料を使用しているため、拡散層と金属セパレータとの接触点における電気伝導性が不十分となる。また、金属セパレータに形成されているガス流路部の撥水性が不十分である。   Further, the fuel cell described in Patent Document 6 uses a material obtained by mixing a water-repellent material having no electrical conductivity and a metal having hydrophilicity as the composite plating layer. The electrical conductivity at the contact point with the separator becomes insufficient. Moreover, the water repellency of the gas flow path part formed in the metal separator is insufficient.

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、セパレータに付着した水は勿論のこと、凍結によりセパレータに付着した氷も効率よく外部に排出することができ、且つ発電効率を向上することが可能な燃料電池、及び燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and not only water adhering to the separator but also ice adhering to the separator due to freezing can be efficiently discharged to the outside, and power generation efficiency is improved. An object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell system.

この目的を達成するため本発明は、膜−電極アッセンブリと、当該膜−電極アッセンブリの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、流体が流通する溝部を有し、当該溝部の内壁面に撥水処理が施されてなる流体流路部と、当該流体流路部に流体を供給する流体供給用マニホールドと、前記流体流路部と流体供給用マニホールドとの間に位置し、当該流体供給用マニホールドから供給された流体を前記流体流路部に導入する流体導入部と、を有するセパレータを備え、前記流体導入部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる燃料電池を提供するものである。   To achieve this object, the present invention provides a fuel cell comprising a plurality of unit cells each including a membrane-electrode assembly and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, A fluid passage portion having a groove portion through which water repellent treatment is applied to the inner wall surface of the groove portion, a fluid supply manifold for supplying fluid to the fluid passage portion, and the fluid passage portion, A separator that is located between the fluid supply manifold and introduces the fluid supplied from the fluid supply manifold into the fluid flow path portion, the fluid introduction portion including the fluid flow It is an object of the present invention to provide a fuel cell that has been subjected to a water repellent treatment that exhibits higher water repellency than a road portion.

また、本発明は、膜−電極アッセンブリと、当該膜−電極アッセンブリの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、流体が流通する溝部を有し、当該溝部の内壁面に撥水処理が施されてなる流体流路部と、当該流体流路部から排出された流体が導入される流体排出用マニホールドと、前記流体流路部と流体排出用マニホールドとの間に位置し、当該流体流路部から排出された流体を前記流体排出用マニホールドに排出する流体排出部と、を有するセパレータを備え、前記流体排出部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる燃料電池を提供するものである。   The present invention also relates to a fuel cell comprising a plurality of unit cells each including a membrane-electrode assembly and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and a groove portion through which a fluid flows. A fluid flow path portion in which the inner wall surface of the groove portion is subjected to water repellent treatment, a fluid discharge manifold into which the fluid discharged from the fluid flow path portion is introduced, and the fluid flow path portion, A separator that is located between the fluid discharge manifold and discharges the fluid discharged from the fluid flow path portion to the fluid discharge manifold, the fluid discharge portion including the fluid flow It is an object of the present invention to provide a fuel cell that has been subjected to a water repellent treatment that exhibits higher water repellency than a road portion.

これらの構成を備えた燃料電池は、セパレータの流体流路部(溝部)の内壁面における撥水性よりも、流体導入部及び/または流体排出部の撥水性の方が高いため、当該流体導入部及び/または流体排出部に水が滞留することを抑制することができる。したがって、燃料電池を低温環境下で起動させても、前記流体流路部と同様に、前記流体導入部及び/または流体排出部にも氷が付着することを抑制することができる。このため、前記流体導入部及び/または流体排出部が氷の付着によって狭くなる、あるいは閉塞されることが抑制され、前記流体を適切な量で確実に導入することができる。また、セル内を昇温させるために必要な熱容量を低減することができるため、セル内を急速に昇温させる(暖機させる)ことが可能となる。   Since the fuel cell having these configurations has a higher water repellency in the fluid introduction part and / or the fluid discharge part than the water repellency in the inner wall surface of the fluid flow path part (groove part) of the separator, the fluid introduction part And / or it can suppress that water retains in a fluid discharge part. Therefore, even when the fuel cell is started in a low temperature environment, it is possible to suppress the ice from adhering to the fluid introduction part and / or the fluid discharge part as well as the fluid flow path part. For this reason, it becomes possible to prevent the fluid introduction part and / or the fluid discharge part from being narrowed or blocked by the adhesion of ice, so that the fluid can be reliably introduced in an appropriate amount. Further, since the heat capacity necessary for raising the temperature in the cell can be reduced, the temperature in the cell can be rapidly raised (warmed up).

また、本発明は、流体排出用マニホールドと、前記流体流路部から排出された流体を前記流体排出用マニホールドに排出する流体排出部に加え、前記流体流路部に流体を供給する流体供給用マニホールドと、前記流体流路部と流体供給用マニホールドとの間に位置し、当該流体供給用マニホールドから供給された流体を前記流体流路部に導入する流体導入部と、を備え、前記流体排出部と流体導入部の両方に、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されていてもよい。   In addition to the fluid discharge manifold and the fluid discharge portion that discharges the fluid discharged from the fluid flow passage portion to the fluid discharge manifold, the present invention is for supplying fluid to the fluid flow passage portion. A fluid introduction section that is located between the fluid flow path section and the fluid supply manifold and introduces the fluid supplied from the fluid supply manifold to the fluid flow path section. Both the fluid introduction part and the fluid introduction part may be subjected to a water repellent treatment that exhibits higher water repellency than the fluid flow path part.

また、前記セパレータの前記膜−電極アッセンブリと接触する領域は、非撥水処理領域(即ち、撥水処理が施されていない領域)とすることができる。このように構成することで、セパレータの直接発電に関わる領域に、電気伝導性を有しない撥水性の膜が形成されることがないため、燃料電池の発電を効率よく行うことができる。   Further, the region of the separator that contacts the membrane-electrode assembly can be a non-water repellent treatment region (that is, a region that has not been subjected to water repellent treatment). With this configuration, a water-repellent film that does not have electrical conductivity is not formed in a region related to direct power generation of the separator, so that power generation of the fuel cell can be performed efficiently.

そしてまた、本発明に係る燃料電池では、前記流体導入部及び/または流体排出部の接触角を150度以上に設定することができる。このように構成することで、前記流体導入部及び/または流体排出部の撥水性をより向上させることができ、当該流体導入部及び/または流体排出部に水が滞留することをさらに確実に抑制することができる。なお、流体導入部及び/または流体排出部の表面における接触角が高いと、当該表面に付着した水あるいは氷は、当該表面に対し点接触となるため、前記流体の流通によって、水あるいは氷を前記表面から簡単に取除く(剥がす)ことができる。   In the fuel cell according to the present invention, the contact angle of the fluid introduction part and / or the fluid discharge part can be set to 150 degrees or more. With this configuration, the water repellency of the fluid introduction part and / or the fluid discharge part can be further improved, and water can be more reliably suppressed from remaining in the fluid introduction part and / or the fluid discharge part. can do. If the contact angle on the surface of the fluid introduction part and / or the fluid discharge part is high, the water or ice adhering to the surface is in point contact with the surface. It can be easily removed (peeled) from the surface.

さらにまた、本発明に係る燃料電池では、前記溝部の内壁面の接触角を70度以上、110度以下に設定することができる。このようにすることで、流体導入部及び流体排出部に水が滞留することをより効率よく抑制することができると共に、前記流体導入部及び/または流体排出部の撥水性との違いにより、当該流体導入部及び/または流体排出部に水が滞留することをさらに確実に抑制することができる。   Furthermore, in the fuel cell according to the present invention, the contact angle of the inner wall surface of the groove can be set to 70 degrees or more and 110 degrees or less. By doing in this way, while being able to suppress more efficiently that water retains in a fluid introduction part and a fluid discharge part, the difference with the water repellency of the fluid introduction part and / or fluid discharge part, It is possible to further reliably prevent water from staying in the fluid introduction part and / or the fluid discharge part.

なお、前記流体導入部及び/または流体排出部の接触角、前記溝部の内壁面の接触角は、必ずしも限定されるものではないが、流体導入部及び/または流体排出部の接触角が、前記溝部の内壁面の接触角よりも大きいことが必要となる。前記溝部に撥水性を付与することにより、当該溝部に水や氷が滞留することを抑制することができ、且つ、前記流体導入部及び/または流体排出部の撥水性を前記溝部の撥水性よりも大きく設定するためには、前記接触角が前記範囲にあることが好適である。   Although the contact angle of the fluid introduction part and / or the fluid discharge part and the contact angle of the inner wall surface of the groove part are not necessarily limited, the contact angle of the fluid introduction part and / or the fluid discharge part may be It is necessary to be larger than the contact angle of the inner wall surface of the groove. By imparting water repellency to the groove, water and ice can be prevented from staying in the groove, and the water repellency of the fluid introduction part and / or the fluid discharge part can be made higher than the water repellency of the groove part. In order to set a larger value, it is preferable that the contact angle is in the range.

また、本発明でいう「流体」は、燃料ガス、酸化ガスのいずれであってもよい。当然のことながら、前記流体は、通常の燃料電池において燃料ガスや酸化ガスに含まれる成分を含んでいてもよく、燃料オフガスや酸化オフガスに含まれる成分を含んでいてもよい。   The “fluid” referred to in the present invention may be either fuel gas or oxidizing gas. As a matter of course, the fluid may contain a component contained in the fuel gas or the oxidizing gas in a normal fuel cell, or may contain a component contained in the fuel off-gas or the oxidizing off-gas.

また、本発明は、前述した本発明に係る燃料電池と、前記燃料電池に流体を供給する流体供給ユニットと、前記燃料電池から排出される流体を排出する流体排出ユニットと、を備えた燃料電池システムを提供するものである。   The present invention also provides a fuel cell comprising: the fuel cell according to the present invention described above; a fluid supply unit that supplies fluid to the fuel cell; and a fluid discharge unit that discharges fluid discharged from the fuel cell. A system is provided.

この構成を備えた燃料電池システムは、燃料電池に配設されているセパレータの流体流路部(溝部)の内壁面における撥水性よりも、流体導入部及び/または流体排出部の撥水性の方が高いため、当該流体導入部及び/または流体排出部に水が滞留することを抑制することができる。したがって、燃料電池を低温環境下で起動させても、前記流体流路部と同様に、前記流体導入部及び/または流体排出部にも氷が付着することを抑制することができる。このため、前記流体導入部及び/または流体排出部が氷の付着によって狭くなる、あるいは閉塞されることが抑制され、前記流体を適切な量で確実に導入することができる。また、セル内を昇温させるために必要な熱容量を低減することができるため、セル内を急速に昇温させる(暖機させる)ことが可能となる。   In the fuel cell system having this configuration, the water repellency of the fluid introduction part and / or the fluid discharge part is higher than the water repellency of the inner wall surface of the fluid flow path part (groove part) of the separator disposed in the fuel cell. Therefore, it is possible to prevent water from staying in the fluid introduction part and / or the fluid discharge part. Therefore, even when the fuel cell is started in a low temperature environment, it is possible to suppress the ice from adhering to the fluid introduction part and / or the fluid discharge part as well as the fluid flow path part. For this reason, it becomes possible to prevent the fluid introduction part and / or the fluid discharge part from being narrowed or blocked by the adhesion of ice, so that the fluid can be reliably introduced in an appropriate amount. Further, since the heat capacity necessary for raising the temperature in the cell can be reduced, the temperature in the cell can be rapidly raised (warmed up).

そしてまた、本発明に係る燃料電池システムは、前記流体供給ユニットから供給される流体の供給量を制御する流体供給量制御部を有し、前記流体供給量制御部は、前記燃料電池の発電時に、当該燃料電池に供給する流体量を減少させ、前記燃料電池の非発電時に、当該燃料電池に供給する流体量を増加させるよう構成することができる。このように構成することで、セパレータの溝部、及び流体導入部及び/または流体排出部に氷が付着していたとしても、非発電時に流通する流体により、前記氷を取除いて(剥がして)外部に排出させることができる。この時、セパレータの溝部、及び流体導入部及び/または流体排出部には、撥水処理が施されているため、氷が付着していたとしても、前記流体によって簡単に取除くことができる。また、流体導入部及び/または流体排出部の撥水性は溝部の撥水性よりも高いため、流体導入部及び/または流体排出部に付着していた氷は、前記流体によってさらに簡単に取除くことができる。また、発電時には、燃料電池の発電に必要な適正な量の流体を供給することができる。このように、付着された氷を流体によって取除くことで、燃料電池内を氷点以上に昇温させる必要が殆どなくなるため、急速に暖機を行うことができる。   The fuel cell system according to the present invention further includes a fluid supply amount control unit that controls a supply amount of the fluid supplied from the fluid supply unit, and the fluid supply amount control unit is configured to generate power when the fuel cell generates power. The amount of fluid supplied to the fuel cell can be reduced, and the amount of fluid supplied to the fuel cell can be increased when the fuel cell is not generating electricity. By configuring in this way, even if ice adheres to the groove portion of the separator and the fluid introduction portion and / or the fluid discharge portion, the ice is removed (peeled) by the fluid flowing during non-power generation. It can be discharged to the outside. At this time, since the water repellent treatment is applied to the groove portion of the separator and the fluid introduction portion and / or the fluid discharge portion, even if ice is attached, it can be easily removed by the fluid. In addition, since the water repellency of the fluid introduction part and / or the fluid discharge part is higher than the water repellency of the groove part, the ice adhering to the fluid introduction part and / or the fluid discharge part can be more easily removed by the fluid. Can do. Further, at the time of power generation, an appropriate amount of fluid necessary for power generation by the fuel cell can be supplied. Thus, by removing the adhering ice with the fluid, there is almost no need to raise the temperature inside the fuel cell above the freezing point, so that warm-up can be performed rapidly.

前記流体供給量制御部は、前記燃料電池に供給する流体量の増減を所定間隔で交互に繰り返すことができる。あるいは、前記流体供給量制御部は、前記燃料電池内の許容含水量に応じて、前記流体量の増減を切替えることができる。このように、発電と非発電(氷の排出)を繰り返すことで、前記利点に加え、昇温性能の確保と、氷の排出性能の確保を同時に実現することができる。   The fluid supply amount control unit can alternately increase and decrease the amount of fluid supplied to the fuel cell at predetermined intervals. Alternatively, the fluid supply amount control unit can switch increase / decrease of the fluid amount in accordance with the allowable water content in the fuel cell. In this way, by repeating power generation and non-power generation (ice discharge), in addition to the above-described advantages, it is possible to simultaneously realize the temperature rise performance and the ice discharge performance.

本発明によれば、セパレータに付着した水や、凍結によりセパレータに付着した氷を効率よく外部に排出することができると共に、発電効率が向上した燃料電池、及び燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while adhering to the separator and the ice adhering to a separator by freezing can be discharged | emitted outside efficiently, the fuel cell and fuel cell system which improved electric power generation efficiency can be provided. .

本発明の実施例に係る燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system which concerns on the Example of this invention. 図1に示す燃料電池の構成要素であるセパレータの平面図である。It is a top view of the separator which is a component of the fuel cell shown in FIG. 図2に示す燃料電池の一部を拡大して示す断面図である。FIG. 3 is an enlarged sectional view showing a part of the fuel cell shown in FIG. 2. 本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける発電と排出(非発電)の切替えの制御方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control method of switching of electric power generation and discharge | emission (non-electric power generation) in the fuel cell system based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける発電及び排水と、エア流量、発熱量及びセル内水量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric power generation and waste_water | drain in the fuel cell system which concerns on the Example of this invention, an air flow rate, the emitted-heat amount, and the amount of water in a cell.

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施例にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。   Next, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the Example described below is the illustration for demonstrating this invention, and this invention is not limited only to these Examples. Therefore, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.

図1は、本発明の実施例に係る燃料電池システムを示す構成図、図2は、図1に示す燃料電池の構成要素であるセパレータの平面図、図3は、図2に示す燃料電池の一部を拡大して示す断面図、図4は、本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける発電と排出(非発電)の切替えの制御方法を示すフローチャート、図5は、本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける発電及び排水と、エア流量、発熱量及びセル内水量との関係を示す図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。   1 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of a separator that is a component of the fuel cell shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram of the fuel cell shown in FIG. FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view, FIG. 4 is a flowchart showing a control method for switching between power generation and discharge (non-power generation) in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an embodiment of the present invention. It is a figure which shows the relationship between the electric power generation and waste_water | drain in the fuel cell system which concerns on, an air flow rate, the emitted-heat amount, and the amount of water in a cell. In the drawings, for easy understanding, the thickness, size, enlargement / reduction ratio, etc. of each member are not matched with the actual ones.

なお、本実施例では、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明は、このような適用例に限らず、船舶,航空機,電車等のあらゆる移動体や歩行ロボットへの適用が可能である他、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。   In this embodiment, the case where this fuel cell system is applied to an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to such an application example, and any movement such as a ship, an aircraft, a train, etc. In addition to being applicable to a body and a walking robot, for example, it is also possible to apply to a stationary power generation system in which a fuel cell is used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

図1に示すように、本発明の実施例に係る燃料電池システムでは、酸化ガス(空気を主成分とする流体:以下、単に「空気」と記す)が空気供給路71を介して燃料電池20の空気供給口に供給される。空気供給路71には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA3、供給空気圧を検出する圧力センサP4、及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。燃料電池20から排出される空気オフガスは、排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、排気圧を検出する圧力センサP1、圧力調整弁A4、及び加湿器A21の熱交換器が設けられている。   As shown in FIG. 1, in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, an oxidizing gas (fluid containing air as a main component: hereinafter simply referred to as “air”) is supplied to the fuel cell 20 via an air supply path 71. To the air supply port. The air supply path 71 is provided with an air filter A1 that removes particulates from the air, a compressor A3 that pressurizes the air, a pressure sensor P4 that detects the supply air pressure, and a humidifier A21 that adds required moisture to the air. The air off gas discharged from the fuel cell 20 is discharged to the outside through the exhaust path 72. The exhaust path 72 is provided with a pressure sensor P1 that detects the exhaust pressure, a pressure adjustment valve A4, and a heat exchanger for the humidifier A21.

一方、燃料ガス(水素を主成分とする流体:以下、単に「水素ガス」と記す)は、水素供給源30から燃料供給路74を介して燃料電池20の水素供給口に供給される。燃料供給路74には、水素供給源30から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁H100、水素供給源30からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサP6、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、水素調圧弁H9の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサP9、燃料電池20の水素供給口と燃料供給路74間を開閉する遮断弁H21、及び水素ガスの燃料電池20の入口圧力を検出する圧力センサP5が設けられている。   On the other hand, fuel gas (fluid containing hydrogen as a main component: hereinafter simply referred to as “hydrogen gas”) is supplied from the hydrogen supply source 30 to the hydrogen supply port of the fuel cell 20 through the fuel supply path 74. The fuel supply path 74 includes a shutoff valve H100 that supplies or stops supplying hydrogen from the hydrogen supply source 30, a pressure sensor P6 that detects the supply pressure of hydrogen gas from the hydrogen supply source 30, and hydrogen gas to the fuel cell 20. The pressure regulating valve H9 for reducing and adjusting the supply pressure of the fuel, the pressure sensor P9 for detecting the hydrogen gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve H9, and the shutoff valve H21 for opening and closing between the hydrogen supply port of the fuel cell 20 and the fuel supply path 74. , And a pressure sensor P5 for detecting the inlet pressure of the hydrogen gas fuel cell 20 is provided.

燃料電池20で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路75に排出され、燃料供給路74の水素調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスの温度を検出する温度センサT31、燃料電池20と水素循環路75を連通/遮断する遮断弁H22、水素オフガスから水分を回収する気液分離器H42、回収した生成水を水素循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、水素オフガスを加圧する水素ポンプH50、及び逆流阻止弁H52が設けられている。また、水素循環路75は、排出制御弁H51を介して、パージ流路76によって排気路72に接続されている。   The hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell 20 is discharged to the hydrogen circulation path 75 as a hydrogen off-gas and returned to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve H9 in the fuel supply path 74. The hydrogen circulation path 75 includes a temperature sensor T31 that detects the temperature of the hydrogen off-gas, a shutoff valve H22 that communicates / blocks the fuel cell 20 and the hydrogen circulation path 75, a gas-liquid separator H42 that collects moisture from the hydrogen off-gas, and a hydrogen A drain valve H41 that collects the generated water in a tank (not shown) outside the hydrogen circulation path 75, a hydrogen pump H50 that pressurizes the hydrogen off-gas, and a backflow prevention valve H52 are provided. Further, the hydrogen circulation path 75 is connected to the exhaust path 72 by the purge flow path 76 via the discharge control valve H51.

さらに、燃料電池20の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路73が設けられている。冷却路73には、燃料電池20から排水される冷却水の温度を検出する温度センサT1、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータC2、冷却水を加圧して循環させるポンプC1、及び燃料電池20に供給される冷却水の温度を検出する温度センサT2が設けられている。ラジエータC2には、モータによって回転駆動される冷却ファンC13が設けられている。   Further, a cooling passage 73 for circulating the cooling water is provided at the cooling water inlet / outlet of the fuel cell 20. The cooling path 73 includes a temperature sensor T1 that detects the temperature of the cooling water drained from the fuel cell 20, a radiator C2 that dissipates the heat of the cooling water to the outside, a pump C1 that pressurizes and circulates the cooling water, and a fuel cell. A temperature sensor T <b> 2 for detecting the temperature of the cooling water supplied to 20 is provided. The radiator C2 is provided with a cooling fan C13 that is rotationally driven by a motor.

燃料電池20で発電された直流電力の一部は、DC/DCコンバータ53によって降圧され、二次電池(給電先)54に充電される。トラクションインバータ51及び補機インバータ52は、燃料電池20と二次電池54の双方または何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータM3と補機モータM4のそれぞれに交流電力を供給する。   A part of the DC power generated by the fuel cell 20 is stepped down by the DC / DC converter 53 and charged to the secondary battery (power supply destination) 54. The traction inverter 51 and the auxiliary inverter 52 convert the DC power supplied from either or both of the fuel cell 20 and the secondary battery 54 into AC power and supply AC power to each of the traction motor M3 and the auxiliary motor M4. Supply.

制御部50は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成され、図示しない車両のアクセル信号等の要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。また、この制御部50は、後に詳述するが、システム起動時に、図3に示すフローチャートにしたがって、燃料電池20における発電と排出(非発電)の切替えの制御を行う。即ち、制御部50は、本発明でいう流体供給量制御部としての役割も果たしている。   The control unit 50 is configured by a control computer system (not shown), and includes a required load such as an accelerator signal of a vehicle (not shown) and sensors (pressure sensor, temperature sensor, flow sensor, output ammeter, output voltmeter, etc.) of each part of the fuel cell system. ) To control the operation of valves and motors in each part of the system. Further, as will be described in detail later, the control unit 50 controls switching between power generation and discharge (non-power generation) in the fuel cell 20 according to the flowchart shown in FIG. That is, the control unit 50 also serves as a fluid supply amount control unit in the present invention.

燃料電池20は、図3に示すように、膜−電極アッセンブリ(以下、「MEA」という)220と、MEA220を挟んだ両側に各々配設されたセパレータ230及び240とを有する単セル250を有している。そして、この単セル250を複数枚積層したモジュール群のセル積層方向両端に、図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層方向に締め付けて固定した構成を備えている。   As shown in FIG. 3, the fuel cell 20 has a single cell 250 having a membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 220 and separators 230 and 240 disposed on both sides of the MEA 220. is doing. Then, a stack is formed by arranging terminals, insulators, and end plates (not shown) at both ends of the module group in which a plurality of single cells 250 are stacked in the cell stacking direction, and the stack is fastened and fixed in the cell stacking direction. ing.

MEA220は、イオン交換膜からなる電解質膜211を備え、この電解質膜211の一方の面には、触媒層212、マイクロポーラス層213及び拡散層214からなる燃料極215(アノード)が配設され、電解質膜211の他方の面には、触媒層216、マイクロポーラス層217及び拡散層218からなる酸化剤極219(カソード)が配設された構成を備えている。   The MEA 220 includes an electrolyte membrane 211 made of an ion exchange membrane, and a fuel electrode 215 (anode) made up of a catalyst layer 212, a microporous layer 213, and a diffusion layer 214 is disposed on one surface of the electrolyte membrane 211, On the other surface of the electrolyte membrane 211, an oxidant electrode 219 (cathode) composed of a catalyst layer 216, a microporous layer 217, and a diffusion layer 218 is provided.

酸化剤極219(カソード)側に配設されるセパレータ240は、図2及び図3に示すように、MEA220と対向する面であり且つ発電部と対向する領域に、空気が流通する流体流路部としての溝部241が形成されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the separator 240 disposed on the oxidant electrode 219 (cathode) side is a fluid flow path through which air flows in a region facing the MEA 220 and facing the power generation unit. A groove portion 241 is formed as a portion.

セパレータ240の一端縁部には、単セルの積層方向に連通して空気を供給するための空気供給用マニホールド242、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口用マニホールド243、及び水素ガスを排出するための水素ガス出口用マニホールド244が設けられている。また、セパレータ240の他端縁部には、単セルの積層方向に連通して、水素ガスを供給するための水素ガス入口用マニホールド245、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口用マニホールド246、及び空気を排出するための空気出口用マニホールド247が設けられている。   At one end edge of the separator 240, an air supply manifold 242 for supplying air in the stacking direction of the single cells, a cooling medium inlet manifold 243 for supplying a cooling medium, and hydrogen gas are discharged. For this purpose, a hydrogen gas outlet manifold 244 is provided. Further, the other end edge of the separator 240 communicates in the stacking direction of the single cells, a hydrogen gas inlet manifold 245 for supplying hydrogen gas, a cooling medium outlet manifold 246 for discharging the cooling medium, And an air outlet manifold 247 for exhausting air.

また、空気供給用マニホールド242と、溝部241との間には、空気供給用マニホールド242から供給された空気を溝部241に導入する空気導入部248が設けられている。一方、溝部241と、空気出口用マニホールド247との間には、溝部241から排出された空気を空気出口用マニホールド247に排出する空気排出部249が設けられている。   In addition, an air introduction portion 248 that introduces air supplied from the air supply manifold 242 into the groove portion 241 is provided between the air supply manifold 242 and the groove portion 241. On the other hand, an air discharge part 249 for discharging the air discharged from the groove part 241 to the air outlet manifold 247 is provided between the groove part 241 and the air outlet manifold 247.

溝部241の内壁面(拡散層218と接触していない部分)には、撥水処理が施されることにより、撥水層270が形成されている。この撥水処理としては、溝部241の内壁面に、例えば、テフロン(登録商標)やPTFE等のフッ素系樹脂、シリコーン系樹脂等からなる被膜を形成する等の方法が挙げられる。なお、この撥水処理により、溝部241の内壁面の接触角が、70度以上、110度以下となることが好ましい。   A water repellent layer 270 is formed on the inner wall surface of the groove 241 (portion not in contact with the diffusion layer 218) by performing a water repellent treatment. Examples of the water repellent treatment include a method of forming a film made of a fluorine resin such as Teflon (registered trademark) or PTFE, a silicone resin, or the like on the inner wall surface of the groove 241. In addition, it is preferable that the contact angle of the inner wall surface of the groove part 241 becomes 70 degrees or more and 110 degrees or less by this water repellent treatment.

また、空気導入部248及び空気排出部249の表面には、溝部241の内壁面よりも高い撥水性が得られる撥水処理が施されることにより、撥水層(図示せず)が形成されている。この撥水処理としては、空気導入部248及び空気排出部249の表面に、例えば、HIREC(登録商標:NTTアドバンステクノロジ株式会社製)やアデッソWR(登録商標:日華化学株式会社製)を塗布して被膜を形成する、めっき金属被膜とPTFE粒子の複合めっき被膜を形成する、略円錐形状の微細構造膜を形成する等が挙げられる。なお、この撥水処理により、空気導入部248及び空気排出部249の表面の接触角が150度以上となることが好ましい。   Further, a water repellent layer (not shown) is formed on the surfaces of the air introduction part 248 and the air discharge part 249 by performing a water repellent treatment that provides a higher water repellency than the inner wall surface of the groove part 241. ing. As the water repellent treatment, for example, HIREC (registered trademark: manufactured by NTT Advanced Technology Co., Ltd.) or Adesso WR (registered trademark: manufactured by Nikka Chemical Co., Ltd.) is applied to the surfaces of the air introduction unit 248 and the air discharge unit 249. To form a coating film, to form a composite plating film of a plated metal film and PTFE particles, to form a substantially conical microstructure film, and the like. In addition, it is preferable that the contact angle of the surface of the air introduction part 248 and the air discharge part 249 becomes 150 degree | times or more by this water repellent process.

そしてまた、セパレータ240の拡散層218と接触する領域は、撥水処理を施されておらず、これによって、セパレータ240の拡散層218と接触する領域の電気伝導性を損なうことがない。したがって、発電を効率よく行うことができる。なお、セパレータ240の拡散層218と接触する領域には、所望により親水性処理を行ってもよい。   In addition, the region in contact with the diffusion layer 218 of the separator 240 is not subjected to water repellent treatment, so that the electrical conductivity of the region in contact with the diffusion layer 218 of the separator 240 is not impaired. Therefore, power generation can be performed efficiently. Note that a hydrophilic treatment may be performed on the region of the separator 240 that contacts the diffusion layer 218 as desired.

なお、燃料極215(アノード)が配設されるセパレータ230は、セパレータ240に準じた構成を有しており、MEA220と対向する面であり且つ発電部と対向する領域に、水素ガスが流通する流体流路部としての溝部が形成され、この溝部と水素ガス供給用マニホールドとの間に水素ガス導入部が設けられ、この溝部と水素ガス出口用マニホールド244との間に水素ガス排出部が設けられ、溝部の撥水性と水素ガス導入部及び水素ガス排出部の撥水性、及び、この撥水性によって得られる効果は、セパレータ240と同様であるため、詳細な説明は省略する。   The separator 230 in which the fuel electrode 215 (anode) is disposed has a configuration similar to that of the separator 240, and hydrogen gas circulates in a region facing the MEA 220 and facing the power generation unit. A groove portion is formed as a fluid flow path portion, a hydrogen gas introduction portion is provided between the groove portion and the hydrogen gas supply manifold, and a hydrogen gas discharge portion is provided between the groove portion and the hydrogen gas outlet manifold 244. In addition, the water repellency of the groove, the water repellency of the hydrogen gas introduction part and the hydrogen gas discharge part, and the effects obtained by this water repellency are the same as those of the separator 240, and thus detailed description thereof is omitted.

次に、本実施例に係る燃料電池システムにおける発電と排出(非発電)の切替えを制御する方法について、図4及び図5を参照して説明する。   Next, a method for controlling switching between power generation and discharge (non-power generation) in the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

燃料電池システムが起動されると、図4に示すように、制御部50は、燃料電池20のスタック温度を上記温度センサT1で検出し(ステップS1)、検出したスタック温度が所定の凍結温度(例えば、0℃)を越えている場合(ステップS2:YES)は、ステップS3に進み、通常の発電(燃料電池20から二次電池54、補機インバータ52、補機モータM4の少なくともいずれか1つへの給電)を開始する。その後、このフローを終了する。   When the fuel cell system is activated, as shown in FIG. 4, the control unit 50 detects the stack temperature of the fuel cell 20 with the temperature sensor T1 (step S1), and the detected stack temperature is a predetermined freezing temperature ( For example, when the temperature exceeds 0 ° C. (step S2: YES), the process proceeds to step S3, and normal power generation (from the fuel cell 20 to the secondary battery 54, the auxiliary machine inverter 52, and the auxiliary machine motor M4) is performed. Power supply to the other). Thereafter, this flow is terminated.

一方、検出したスタック温度が所定の凍結温度(例えば、0℃)未満である場合には、ステップS4に進み、セル内の含水量(A)を算出し、ステップS5に進む。ここで、生成水の量は、燃料電池20の発電電流の積分値であり、また、生成水は、飽和水蒸気として排出されるため、排出水量は、ガス流量と温度との関係によって決まる。したがって、セル内の含水量(A)は、(燃料電池20の発電電流)−(空気流量、空気の温度)によって算出される。   On the other hand, when the detected stack temperature is lower than a predetermined freezing temperature (for example, 0 ° C.), the process proceeds to step S4, the water content (A) in the cell is calculated, and the process proceeds to step S5. Here, the amount of generated water is an integral value of the generated current of the fuel cell 20, and the generated water is discharged as saturated water vapor, so the amount of discharged water is determined by the relationship between the gas flow rate and the temperature. Therefore, the water content (A) in the cell is calculated by (power generation current of the fuel cell 20) − (air flow rate, air temperature).

次に、セル内の含水量(A)が、空気導入部248及び空気排出部249が閉塞されることが懸念される水量(閉塞懸念水量)以上である場合(ステップS5:YES)は、ステップS6に進み、制御部50が、発電を停止させると共に、コンプレッサA3を制御して、燃料電池20に供給される空気の流量を増加させる。この動作により、セパレータ240の溝部241及び空気導入部248及び空気排出部249に付着していた氷が取除かれ、燃料電池20の外部(系外)に効率よく排出される。このように、付着された氷を空気によって取除くことで、スタック内を氷点以上に昇温させる必要が殆どなくなるため、急速に暖機を行うことができる。次に、ステップS7においてセル内の含水量(A)を再び算出し、ステップS8に進む。   Next, when the water content (A) in the cell is equal to or greater than the amount of water that is concerned that the air introduction part 248 and the air discharge part 249 are blocked (step S5: YES), step In S6, the control unit 50 stops power generation and controls the compressor A3 to increase the flow rate of air supplied to the fuel cell 20. By this operation, the ice adhering to the groove part 241, the air introduction part 248 and the air discharge part 249 of the separator 240 is removed, and the ice is efficiently discharged outside the system (outside the system). Thus, by removing the adhering ice with air, there is almost no need to raise the temperature above the freezing point in the stack, so that warm-up can be performed rapidly. Next, in step S7, the water content (A) in the cell is calculated again, and the process proceeds to step S8.

ステップS8では、セル内の含水量(A)が、空気導入部248及び空気排出部249が閉塞される虞がない水量(閉塞回避水量)以下である場合(ステップS8:YES)は、このフローを終了する。一方、セル内の含水量(A)が、空気導入部248及び空気排出部249が閉塞される虞がない水量(閉塞回避水量)を超えている場合は、ステップS6に戻る。   In step S8, when the water content (A) in the cell is equal to or less than the amount of water (blocking avoidance water amount) that does not cause the air introduction unit 248 and the air discharge unit 249 to be blocked (step S8: YES), this flow is performed. Exit. On the other hand, when the water content (A) in the cell exceeds the amount of water (blocking avoidance water amount) at which the air introduction unit 248 and the air discharge unit 249 are not likely to be blocked, the process returns to step S6.

一方、セル内の含水量(A)が、空気導入部248及び空気排出部249が閉塞されることが懸念される水量(閉塞懸念水量)未満である場合(ステップS5:NO)は、ステップS9に進み、制御部50が、発電を開始させると共に、コンプレッサA3を制御して、燃料電池20に供給される空気の流量を減少させ、前記氷の除去を停止させる。その後、このフローを終了する。   On the other hand, when the water content (A) in the cell is less than the amount of water that is concerned that the air introduction part 248 and the air discharge part 249 are blocked (step S5: NO), step S9 The control unit 50 starts power generation and controls the compressor A3 to reduce the flow rate of the air supplied to the fuel cell 20 and stop the removal of the ice. Thereafter, this flow is terminated.

ここで、発電と排出(非発電)の切替えによる空気流量と、発熱量と、セル内の含水量との関係は、図5に示すように変化する。即ち、発電時には、空気流量が低下し、発熱量が増加する。また、セル内の含水量は、発電開始時から徐々に増加する。一方、排出(非発電)時には、空気流量が増加し、発熱量が低下する。また、セル内の含水量は、排出開始時から徐々に減少する。   Here, the relationship among the air flow rate by switching between power generation and discharge (non-power generation), the calorific value, and the moisture content in the cell changes as shown in FIG. That is, during power generation, the air flow rate decreases and the heat generation amount increases. Further, the water content in the cell gradually increases from the start of power generation. On the other hand, at the time of discharge (non-power generation), the air flow rate increases and the heat generation amount decreases. Further, the water content in the cell gradually decreases from the start of discharge.

なお、例えば、単セルの温度を、−30℃から0℃まで上昇させるために必要な発電水量を3g/cellとすると、300枚の単セルを積層した燃料電池の場合、必要な熱量は、357kJである。セルを昇温中の燃料電池における発熱量を30kWとすると、357/30=12秒である。本実施例に係る燃料電池システムでは、氷を発熱により解凍する必要が無いため、従来よりも約12秒速く、セル内部を昇温させることができることになる。   For example, if the amount of generated water required to raise the temperature of a single cell from −30 ° C. to 0 ° C. is 3 g / cell, in the case of a fuel cell in which 300 single cells are stacked, the amount of heat required is 357 kJ. Assuming that the calorific value of the fuel cell whose temperature is being raised is 30 kW, 357/30 = 12 seconds. In the fuel cell system according to the present embodiment, it is not necessary to thaw the ice due to heat generation, so that the temperature inside the cell can be raised about 12 seconds faster than before.

また、本実施例では、燃料電池20に供給する空気流量を増減する場合について説明したが、これに限らず、水素ガスの流量を増減してもよい。また、空気流量及び水素ガスの流量を増減してもよい。   In this embodiment, the case where the flow rate of air supplied to the fuel cell 20 is increased or decreased has been described. However, the present invention is not limited to this, and the flow rate of hydrogen gas may be increased or decreased. Further, the air flow rate and the hydrogen gas flow rate may be increased or decreased.

そしてまた、本実施例では、空気供給用マニホールド242から供給された空気を溝部241に導入する空気導入部248と、溝部241から排出された空気を空気出口用マニホールド247に排出する空気排出部249の両方に、撥水処理が施されている場合について説明したが、これに限らず、所望により、空気導入部248と、空気排出部249のいずれか一方に撥水処理が施されている構成であってもよい。これは、水素ガス導入部及び水素ガス排出部についても同様である。   In this embodiment, the air introduction part 248 that introduces the air supplied from the air supply manifold 242 into the groove part 241 and the air discharge part 249 that exhausts the air discharged from the groove part 241 to the air outlet manifold 247. However, the present invention is not limited to this, and the water repellent treatment is applied to either the air introduction part 248 or the air discharge part 249 as desired. It may be. The same applies to the hydrogen gas introduction part and the hydrogen gas discharge part.

20…燃料電池、 50…制御部、 220…MEA、 230、240…セパレータ、241…溝部、 248…空気導入部、 249…空気排出部、 250…単セル、 270…撥水層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Fuel cell, 50 ... Control part, 220 ... MEA, 230, 240 ... Separator, 241 ... Groove part, 248 ... Air introduction part, 249 ... Air discharge part, 250 ... Single cell, 270 ... Water-repellent layer

Claims (10)

膜−電極アッセンブリと、当該膜−電極アッセンブリの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、
流体が流通する溝部を有し、当該溝部の内壁面に撥水処理が施されてなる流体流路部と、当該流体流路部に流体を供給する流体供給用マニホールドと、前記流体流路部と流体供給用マニホールドとの間に位置し、当該流体供給用マニホールドから供給された流体を前記流体流路部に導入する流体導入部と、を有するセパレータを備え、
前記流体導入部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる燃料電池。
A fuel cell comprising a plurality of unit cells each including a membrane-electrode assembly and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly,
A fluid passage portion having a groove portion through which a fluid flows, and a water repellent treatment applied to an inner wall surface of the groove portion, a fluid supply manifold for supplying fluid to the fluid passage portion, and the fluid passage portion A separator having a fluid introduction part that is located between the fluid supply manifold and introduces the fluid supplied from the fluid supply manifold to the fluid flow path part,
The fuel introduction part is a fuel cell that is subjected to a water repellency treatment that exhibits higher water repellency than the fluid flow path part.
膜−電極アッセンブリと、当該膜−電極アッセンブリの両側に各々配設されるセパレータと、を備えた単セルを複数積層してなる燃料電池であって、
流体が流通する溝部を有し、当該溝部の内壁面に撥水処理が施されてなる流体流路部と、当該流体流路部から排出された流体が導入される流体排出用マニホールドと、前記流体流路部と流体排出用マニホールドとの間に位置し、当該流体流路部から排出された流体を前記流体排出用マニホールドに排出する流体排出部と、を有するセパレータを備え、
前記流体排出部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる燃料電池。
A fuel cell comprising a plurality of unit cells each including a membrane-electrode assembly and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly,
A fluid passage portion having a groove portion through which a fluid flows, a water repellent treatment applied to an inner wall surface of the groove portion, a fluid discharge manifold into which the fluid discharged from the fluid passage portion is introduced, and A separator having a fluid discharge portion located between the fluid flow passage portion and the fluid discharge manifold and discharging the fluid discharged from the fluid flow passage portion to the fluid discharge manifold;
The fluid discharge part is a fuel cell that is subjected to a water repellent treatment that exhibits higher water repellency than the fluid flow path part.
前記セパレータは、前記流体流路部に流体を供給する流体供給用マニホールドと、前記流体流路部と流体供給用マニホールドとの間に位置し、当該流体供給用マニホールドから供給された流体を前記流体流路部に導入する流体導入部と、をさらに備え、
前記流体導入部は、前記流体流路部よりも高い撥水性を呈する撥水処理が施されてなる請求項2記載の燃料電池。
The separator is located between a fluid supply manifold that supplies fluid to the fluid flow path section, and between the fluid flow path section and the fluid supply manifold, and the fluid supplied from the fluid supply manifold is the fluid A fluid introduction part to be introduced into the flow path part,
The fuel cell according to claim 2, wherein the fluid introduction part is subjected to water repellency treatment that exhibits higher water repellency than the fluid flow path part.
前記セパレータは、前記膜−電極アッセンブリと接触する領域が非撥水処理領域である請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 1, wherein a region of the separator that is in contact with the membrane-electrode assembly is a non-water-repellent treatment region. 5. 前記流体導入部及び流体排出部の少なくとも一方の接触角が、150度以上である請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a contact angle of at least one of the fluid introduction part and the fluid discharge part is 150 degrees or more. 前記溝部の内壁面の接触角が、70度以上、110度以下である請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a contact angle of an inner wall surface of the groove is 70 degrees or more and 110 degrees or less. 請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の燃料電池と、
前記燃料電池に流体を供給する流体供給ユニットと、
前記燃料電池から排出される流体を排出する流体排出ユニットと、
を備えた燃料電池システム。
A fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
A fluid supply unit for supplying fluid to the fuel cell;
A fluid discharge unit for discharging the fluid discharged from the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
前記流体供給ユニットから供給される流体の供給量を制御する流体供給量制御部を有し、
前記流体供給量制御部は、前記燃料電池の発電時に、当該燃料電池に供給する流体量を減少させ、前記燃料電池の非発電時に、当該燃料電池に供給する流体量を増加させる請求項7記載の燃料電池システム。
A fluid supply amount control unit for controlling a supply amount of fluid supplied from the fluid supply unit;
The fluid supply amount control unit decreases the amount of fluid supplied to the fuel cell during power generation of the fuel cell, and increases the amount of fluid supplied to the fuel cell during non-power generation of the fuel cell. Fuel cell system.
前記流体供給量制御部は、前記燃料電池に供給する流体量の増減を所定間隔で交互に繰り返す請求項8記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 8, wherein the fluid supply amount control unit alternately repeats increase / decrease in the amount of fluid supplied to the fuel cell at predetermined intervals. 前記流体供給量制御部は、前記燃料電池内の許容含水量に応じて、前記流体量の増減を切替える請求項8記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 8, wherein the fluid supply amount control unit switches increase / decrease of the fluid amount in accordance with an allowable water content in the fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10361448B2 (en) 2016-12-14 2019-07-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell stack

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