JP2012048939A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of appropriately exhausting a water product from a gas passage on the cathode side of power generation cells to achieve high generating efficiency.SOLUTION: An oxidation off-gas exhausting case 39 is provided so as to cover the downstream opening of an oxidation off-gas passage 28 in power generation cells 12 constituting a fuel cell stack 11. A water holding body 40 is installed in the oxidation off-gas exhausting case 39. A water product heating case 46 is integrally formed at the lower portion of the exhausting case 39. A water product produced at the time of power generation, flows into the oxidation off-gas exhausting case 39 through the oxidation off-gas passage 28, and is absorbed in the water holding body 40. The water product absorbed in the water holding body 40 is heated to evaporate by a hot coolant which is heated while being used for cooling and is flowing in the water product heating case 46. Therefore the water product efficiently evaporates to be exhausted to the outside.

Description

本発明は、固体電解質型の複数の発電セルを積層した燃料電池に係り、詳しくは発電によって生じる生成水を適正に処理することができる燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which a plurality of solid electrolyte type power generation cells are stacked, and more particularly to a fuel cell capable of appropriately treating generated water generated by power generation.

従来、この種の燃料電池においては、各発電セルの電極構造体を構成する固体電解質膜のアノード側のガス拡散電極にガス流路から水素ガスが供給され、カソード側のガス拡散電極にガス流路から酸素を含んだ空気が供給されて、水素と酸素の電気化学反応が行われて発電される。この発電時にカソード側のガス流路に水が生成され、この生成水がカソード側のガス拡散電極の表面に水滴となって残留すると、該ガス拡散電極の有効表面積が減少して、酸素の供給量が水滴によって減少し、水素と酸素の電気化学反応が阻害され、発電効率が低下する。このため、生成水を発電セルのカソード側のガス流路から適正に排出することが要求されている。これに対処するため、酸化ガスを供給する供給装置のコンプレッサの能力を増大させて、カソード側のガス流路内における酸化ガスの流量を多くするとともに流速を速めて生成水を酸化ガスによって効率よく排出する方法が採用されていた。   Conventionally, in this type of fuel cell, hydrogen gas is supplied from the gas flow path to the gas diffusion electrode on the anode side of the solid electrolyte membrane constituting the electrode structure of each power generation cell, and the gas flow to the gas diffusion electrode on the cathode side. Air containing oxygen is supplied from the road, and an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is performed to generate electricity. When water is generated in the gas flow path on the cathode side during this power generation, and this generated water remains as water droplets on the surface of the gas diffusion electrode on the cathode side, the effective surface area of the gas diffusion electrode is reduced, and oxygen supply The amount is reduced by water droplets, the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is inhibited, and the power generation efficiency is lowered. For this reason, it is required to properly discharge the generated water from the gas flow path on the cathode side of the power generation cell. In order to cope with this, the capacity of the compressor of the supply device for supplying the oxidizing gas is increased to increase the flow rate of the oxidizing gas in the gas flow path on the cathode side and increase the flow rate to efficiently generate the generated water with the oxidizing gas. The method of discharging was adopted.

ところが、上記従来の燃料電池は、酸化ガスの流量を多くするため、コンプレッサの容量を増大しなければならないので、消費電力が増加し、その分、発電効率が低下するという問題があった。   However, the conventional fuel cell has a problem in that since the flow rate of the oxidizing gas is increased, the capacity of the compressor has to be increased, so that the power consumption increases and the power generation efficiency decreases accordingly.

一方、特許文献1に開示された燃料電池も提案されている。この燃料電池は、酸化オフガスケースの内部に吸水材を設け、該吸水材によって生成水を効率的に外部に排出するようになっていた。即ち、ガスのほぼ全量が吸水材をバイパスすることなく、吸水材を通過し、吸水材による水分の吸収、吸い出し、吸水材中の移動、排水の各作用の効率を高めるようになっていた。   On the other hand, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 has also been proposed. In this fuel cell, a water absorbing material is provided inside the oxidizing off gas case, and the generated water is efficiently discharged to the outside by the water absorbing material. That is, almost the entire amount of gas passes through the water absorbing material without bypassing the water absorbing material, so that the water absorbing material absorbs and sucks out water, moves in the water absorbing material, and drains efficiently.

特開2006−228507号公報(明細書の段落0015、0020及び図2,3参照)JP 2006-228507 A (see paragraphs 0015 and 0020 and FIGS. 2 and 3 of the specification)

ところが、特許文献1に開示された燃料電池においては、酸化オフガスケースの流路を塞ぐように吸水材が配設されているので、酸化オフガスの流路抵抗が増大し、酸化ガス供給装置のコンプレッサの能力を高めなければならず、コンプレッサの消費電力が増加し、その分、発電効率が低下するという問題があった。   However, in the fuel cell disclosed in Patent Document 1, since the water absorbing material is disposed so as to block the flow path of the oxidizing off gas case, the flow resistance of the oxidizing off gas increases, and the compressor of the oxidizing gas supply device Therefore, there is a problem in that the power consumption of the compressor increases and the power generation efficiency decreases accordingly.

本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、発電セルのカソード側のガス流路の生成水の排出を適正に行うことができ、発電効率を向上することができる燃料電池を提供することにある。   The present invention eliminates the problems in the prior art and can properly discharge the generated water in the gas flow path on the cathode side of the power generation cell, thereby improving the power generation efficiency. It is to provide.

上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、積層された複数の発電セルのうち最外側の発電セルにエンドプレートが接合され、該エンドプレートには、燃料ガス及び酸化ガスを各発電セルに供給する燃料ガス供給口及び酸化ガス供給口が設けられるとともに、発電によって生じた燃料オフガス排出口及び酸化オフガス排出口が設けられ、発電セルを冷却する冷却水供給口及び冷却水排出口が設けられた燃料電池において、前記エンドプレートの表面に、前記酸化オフガス排出口を覆うように酸化オフガス排出ケースを接合し、該ケースの内側底部には発電によって生じた生成水を一時的に保水する多孔性材料よりなる保水体を収容し、該ケースには前記保水体に含浸されている水を加熱して蒸発させる加熱手段を設けたことを要旨とする。   In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is characterized in that an end plate is joined to the outermost power generation cell among the plurality of stacked power generation cells, and fuel gas and oxidizing gas are connected to the end plate. Are provided with a fuel gas supply port and an oxidizing gas supply port for supplying each of the power generation cells, a fuel offgas discharge port and an oxidation offgas discharge port generated by power generation, and a cooling water supply port and a cooling water for cooling the power generation cell. In a fuel cell provided with a discharge port, an oxidation off gas discharge case is joined to the surface of the end plate so as to cover the oxidation off gas discharge port, and generated water generated by power generation is temporarily placed on the inner bottom portion of the case. It is necessary that a water retaining body made of a porous material for retaining water be accommodated in the case, and that the case be provided with heating means for heating and evaporating the water impregnated in the water retaining body. To.

請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記加熱手段は、前記エンドプレートに形成された冷却水排出口に接続された冷却水排出配管を前記酸化オフガス排出ケースに接合することにより構成されていることを要旨とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the heating means is configured by joining a cooling water discharge pipe connected to a cooling water discharge port formed in the end plate to the oxidizing off gas discharge case. It is a summary.

請求項3に記載の発明は、請求項2において、前記酸化オフガス排出ケースの下部には、冷却水排出配管に接続された生成水加熱ケースが一体に形成されていることを要旨とする。   A gist of a third aspect of the present invention is that, in the second aspect, a generated water heating case connected to a cooling water discharge pipe is integrally formed at a lower portion of the oxidizing off gas discharge case.

請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項において、前記各発電セルに形成された酸化オフガス通路の底部には、多孔性材料よりなる保水層が設けられていることを要旨とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, a water retention layer made of a porous material is provided at the bottom of the oxidizing off gas passage formed in each of the power generation cells. Is the gist.

請求項5に記載の発明は、請求項4において、前記保水体の気孔率は、保水層の気孔率よりも小さく設定されていることを要旨とする。
(作用)
この発明は、発電によって発電セルの酸化ガス通路に生じた生成水が酸化オフガス排出ケースの底部に収容された保水体によって一時的に保水される。加熱手段によって保水体に保持された生成水が加熱されて蒸発される。このため、保水体による生成水の吸収と蒸発が適正に行われ、発電セルの酸化ガス通路に生成水が残留して膜電極接合体へ付着することを防止でき、残留生成水によって膜電極接合体への酸化ガスの供給量が低下し、発電効率が低下するのが防止される。
The gist of a fifth aspect of the present invention is that, in the fourth aspect, the porosity of the water retaining body is set to be smaller than the porosity of the water retaining layer.
(Function)
In the present invention, the generated water generated in the oxidizing gas passage of the power generation cell by power generation is temporarily retained by the water retaining body accommodated at the bottom of the oxidizing off gas discharge case. The generated water held in the water retaining body by the heating means is heated and evaporated. For this reason, the generated water is properly absorbed and evaporated by the water holding body, and the generated water remains in the oxidizing gas passage of the power generation cell and can be prevented from adhering to the membrane electrode assembly. The amount of oxidizing gas supplied to the body is reduced, and power generation efficiency is prevented from being reduced.

本発明によれば、発電セルのカソード側の酸化ガス通路内の生成水の排出を適正に行うことができ、発電効率を向上することができる。   According to the present invention, the generated water in the oxidizing gas passage on the cathode side of the power generation cell can be properly discharged, and the power generation efficiency can be improved.

この発明の燃料電池を具体化した第1の実施形態を示す図3の1−1線断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view taken along line 1-1 of FIG. 3 showing a first embodiment of the fuel cell according to the present invention. 燃料電池の発電セル及びエンドプレートの斜視図。The perspective view of the electric power generation cell and end plate of a fuel cell. エンドプレートに水素ガス供給配管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給ケース、酸化オフガス排出ケース、冷却水供給ケース、冷却水排出ケース及び生成水加熱ケースを装着した状態の斜視図。FIG. 3 is a perspective view of a state in which a hydrogen gas supply pipe, a fuel gas discharge pipe, an oxidizing gas supply case, an oxidizing off gas discharge case, a cooling water supply case, a cooling water discharge case, and a generated water heating case are mounted on the end plate. この発明の燃料電池の第2の実施形態を示す縦断面図。The longitudinal cross-sectional view which shows 2nd Embodiment of the fuel cell of this invention. この発明の燃料電池の第3の実施形態を示す縦断面図。The longitudinal cross-sectional view which shows 3rd Embodiment of the fuel cell of this invention. 生成水の加熱手段の別の実施形態を示す部分縦断面図。The fragmentary longitudinal cross-section which shows another embodiment of the heating means of produced water.

(第1の実施形態)
以下、本発明を具体化した燃料電池の一実施形態を図1〜図3にしたがって説明する。
図1に示す燃料電池システムの燃料電池スタック11は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する発電セル12を複数積層させている。積層された発電セル12の両端部には、図示しない集電板及び絶縁板を介してエンドプレート13,14が積層されている。
(First embodiment)
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell embodying the present invention will be described with reference to FIGS.
A fuel cell stack 11 of the fuel cell system shown in FIG. 1 has a plurality of power generation cells 12 that generate power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. End plates 13 and 14 are stacked on both ends of the stacked power generation cells 12 via current collector plates and insulating plates (not shown).

図1に示すように、前記発電セル12は、膜電極接合体15(MEA:Membrane・Electrode・Assemble)の周囲にシールガスケット16を配置したシールガスケット一体型MEA17と、該シールガスケット一体型MEA17の両面を挟持するアノード側セパレータ18及びカソード側セパレータ19とによって構成されている。前記膜電極接合体15を構成するフッ素系の高分子膜よりなる固体電解質膜20の両面には、導電性を有し、かつガス拡散電極として機能するアノード側金属多孔体層21及びカソード側金属多孔体層22がそれぞれ配設されている。前記アノード側セパレータ18には、前記アノード側金属多孔体層21に燃料(水素)ガスを供給する燃料ガス流路23が形成されている。各発電セル12の燃料ガス流路23には、前記エンドプレート13、シールガスケット16、アノード側セパレータ18及びカソード側セパレータ19に設けられた共通の燃料ガス供給通路24(図2参照)から燃料ガスが分配供給されるようになっている。発電に用いられた燃料オフガスは、前記各燃料ガス流路23から前記エンドプレート13、シールガスケット16、アノード側セパレータ18、カソード側セパレータ19に設けられた共通の燃料オフガス通路25(図2参照)を通して外部に排出されるようになっている。   As shown in FIG. 1, the power generation cell 12 includes a seal gasket-integrated MEA 17 in which a seal gasket 16 is disposed around a membrane electrode assembly 15 (MEB: Electron Assembly, MEA), and the seal gasket-integrated MEA 17. The anode-side separator 18 and the cathode-side separator 19 sandwich both surfaces. On both surfaces of a solid electrolyte membrane 20 made of a fluorine-based polymer membrane constituting the membrane electrode assembly 15, an anode-side metal porous body layer 21 and a cathode-side metal that have conductivity and function as gas diffusion electrodes. Each porous body layer 22 is disposed. The anode separator 18 is formed with a fuel gas passage 23 for supplying fuel (hydrogen) gas to the anode metal porous body layer 21. A fuel gas flow path 23 of each power generation cell 12 has a fuel gas from a common fuel gas supply passage 24 (see FIG. 2) provided in the end plate 13, the seal gasket 16, the anode side separator 18 and the cathode side separator 19. Is distributed. The fuel off-gas used for power generation is a common fuel off-gas passage 25 (see FIG. 2) provided from each fuel gas passage 23 to the end plate 13, the seal gasket 16, the anode side separator 18, and the cathode side separator 19. It is designed to be discharged to the outside.

前記カソード側セパレータ19には、前記カソード側金属多孔体層22に酸化(酸素)ガスを供給するための酸化ガス流路26が形成されている。各発電セル12の酸化ガス流路26には、図1の下部に示すように、前記エンドプレート13、シールガスケット16、アノード側セパレータ18及びカソード側セパレータ19に形成された共通の酸化ガス供給通路27から酸化(酸素)ガスが上方向に分配供給されるようになっている。図1の上部に示すように、前記エンドプレート13、シールガスケット16、アノード側セパレータ18及びカソード側セパレータ19には、発電に用いられた各酸化ガス流路26内の酸化オフガスを合流して外部に排出するための共通の酸化オフガス通路28が形成されている。   The cathode side separator 19 is formed with an oxidizing gas passage 26 for supplying an oxidizing (oxygen) gas to the cathode side metal porous body layer 22. As shown in the lower part of FIG. 1, the oxidizing gas passage 26 of each power generation cell 12 has a common oxidizing gas supply passage formed in the end plate 13, the seal gasket 16, the anode side separator 18 and the cathode side separator 19. The oxidizing (oxygen) gas is distributed and supplied from 27 upward. As shown in the upper part of FIG. 1, the end plate 13, the seal gasket 16, the anode-side separator 18 and the cathode-side separator 19 are joined together with the oxidizing off-gas in each oxidizing gas flow path 26 used for power generation. A common oxidant off-gas passage 28 is formed to discharge the gas.

図1に示すように、前記アノード側セパレータ18及びカソード側セパレータ19の背面には、各発電セル12を冷却するための冷却水流路31が形成されている。図2に示すように、前記各発電セル12及びエンドプレート13には、前記冷却水流路31に冷却水を分配供給するための共通の冷却水供給通路32が形成されている。前記発電セル12及びエンドプレート13には、燃料電池の冷却に用いられた冷却水流路31内の冷却水を外部に排出するための共通の冷却水排出通路33が形成されている。なお、図2では燃料ガス供給通路24、燃料オフガス通路25、酸化ガス供給通路27、酸化オフガス通路28、冷却水流路31及び冷却水排出通路33等は簡略化されている。   As shown in FIG. 1, a cooling water passage 31 for cooling each power generation cell 12 is formed on the back surface of the anode side separator 18 and the cathode side separator 19. As shown in FIG. 2, each of the power generation cells 12 and the end plate 13 is formed with a common cooling water supply passage 32 for distributing and supplying cooling water to the cooling water passage 31. The power generation cell 12 and the end plate 13 are formed with a common cooling water discharge passage 33 for discharging cooling water in the cooling water passage 31 used for cooling the fuel cell to the outside. In FIG. 2, the fuel gas supply passage 24, the fuel off gas passage 25, the oxidizing gas supply passage 27, the oxidizing off gas passage 28, the cooling water passage 31, the cooling water discharge passage 33, and the like are simplified.

次に、図3に基づいて、エンドプレート13の表面に前記燃料ガス供給通路24、燃料オフガス通路25、酸化ガス供給通路27、酸化オフガス通路28、冷却水供給通路32、冷却水排出通路33の各開口と対応して装着される配管及びケースについて説明する。   Next, based on FIG. 3, the fuel gas supply passage 24, the fuel off-gas passage 25, the oxidizing gas supply passage 27, the oxidizing off-gas passage 28, the cooling water supply passage 32, and the cooling water discharge passage 33 are formed on the surface of the end plate 13. A description will be given of piping and a case to be mounted corresponding to each opening.

前記エンドプレート13の表面には、前記燃料ガス供給通路24に図示しない水素ガスボンベから所定圧力の水素ガスを供給するための水素ガス供給配管35が取り付けられている。前記エンドプレート13の表面には、前記燃料オフガス通路25から燃料オフガスを図示しない水素希釈装置に排出するための燃料オフガス排出管36が取り付けられている。   On the surface of the end plate 13, a hydrogen gas supply pipe 35 for supplying hydrogen gas at a predetermined pressure from a hydrogen gas cylinder (not shown) to the fuel gas supply passage 24 is attached. A fuel off-gas discharge pipe 36 for discharging the fuel off-gas from the fuel off-gas passage 25 to a hydrogen dilution device (not shown) is attached to the surface of the end plate 13.

前記エンドプレート13の表面には、前記酸化ガス供給通路27に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給ケース37が図示しないボルトによって装着されている。前記酸化ガス供給ケース37には、図示しないコンプレッサから圧縮空気が酸化ガス供給配管38を介して供給されるようになっている。前記エンドプレート13の表面には、前記酸化オフガス通路28内の酸化オフガスを外部に排出するための酸化オフガス排出ケース39が図示しないボルトによって装着されている。図1及び図2に示すように、酸化オフガス排出ケース39の内部には、例えば銅やアルミニウム等の焼結体により形成された多孔性材料よりなる保水体40が収容されている。この保水体40に発電の際にカソード側の酸化ガス流路26に生成された生成水が酸化オフガスによって酸化オフガス通路28を通して酸化オフガス排出ケース39内に運ばれる。その後、生成水は、保水体40の毛細管作用によって該保水体40に含浸されるようにしている。前記酸化オフガス排出ケース39には酸化オフガス排出管41が接続され、酸化オフガスが外部に排出されるようになっている。   An oxidant gas supply case 37 for supplying an oxidant gas to the oxidant gas supply passage 27 is mounted on the surface of the end plate 13 by a bolt (not shown). The oxidizing gas supply case 37 is supplied with compressed air from an unillustrated compressor via an oxidizing gas supply pipe 38. An oxidation off gas discharge case 39 for discharging the oxidation off gas in the oxidation off gas passage 28 to the outside is mounted on the surface of the end plate 13 by a bolt (not shown). As shown in FIGS. 1 and 2, a water retaining body 40 made of a porous material formed of a sintered body such as copper or aluminum is accommodated in the oxidizing off gas discharge case 39. The water generated in the oxidant gas passage 26 on the cathode side during power generation by the water retaining body 40 is carried by the oxidant offgas into the oxidant offgas discharge case 39 through the oxidant offgas passage 28. Thereafter, the generated water is impregnated in the water retaining body 40 by the capillary action of the water retaining body 40. An oxidizing off gas discharge pipe 41 is connected to the oxidizing off gas discharge case 39 so that the oxidizing off gas is discharged to the outside.

前記エンドプレート13の表面には、前記冷却水供給通路32に冷却水を供給するための冷却水供給ケース42が図示しないボルトによって装着され、図示しないポンプから第1循環配管43を介して該ケース42に冷却水が供給されるようになっている。前記エンドプレート13の表面には、前記冷却水排出通路33内の冷却に供された高温度の冷却水を外部に排出するための冷却水排出ケース44が図示しないボルトによって装着されている。該冷却水排出ケース44には、第2循環配管45を介して図示しないラジエータが接続され、該ラジエータによって冷却された冷却水が前記第1循環配管43を介して燃料電池スタック11に循環供給されるようになっている。前記酸化オフガス排出ケース39の下部には、該酸化オフガス排出ケース39内の保水体40に浸透された生成水を加熱して蒸発させるための加熱手段としての生成水加熱ケース46が一体成形されている。該生成水加熱ケース46の入口(図3の右端)には、前記冷却水排出ケース44に接続された第2循環配管45が接続されている。該生成水加熱ケース46の出口(図3の左端)にも、前記第2循環配管45が接続されている。   A cooling water supply case 42 for supplying cooling water to the cooling water supply passage 32 is mounted on the surface of the end plate 13 by a bolt (not shown), and the case is supplied from a pump (not shown) via a first circulation pipe 43. Cooling water is supplied to 42. A cooling water discharge case 44 for discharging high-temperature cooling water used for cooling in the cooling water discharge passage 33 to the outside is mounted on the surface of the end plate 13 by bolts (not shown). A radiator (not shown) is connected to the cooling water discharge case 44 via a second circulation pipe 45, and the cooling water cooled by the radiator is circulated and supplied to the fuel cell stack 11 via the first circulation pipe 43. It has become so. A generated water heating case 46 as a heating means for heating and evaporating the generated water permeated into the water retaining body 40 in the oxidized off gas discharge case 39 is integrally formed at the lower part of the oxidized off gas discharge case 39. Yes. A second circulation pipe 45 connected to the cooling water discharge case 44 is connected to the inlet (right end in FIG. 3) of the generated water heating case 46. The second circulation pipe 45 is also connected to the outlet of the generated water heating case 46 (left end in FIG. 3).

次に、前記のように構成された燃料電池の作用について説明する。
図1に示す燃料電池において、図示しない制御ユニットからの制御信号によって、燃料電池スタック11が作動される。そして、図示しない水素タンクから水素ガスが水素ガス供給配管35及び燃料ガス供給通路24を通して燃料電池スタック11に供給されると、この水素ガスは、図1に示す発電セル12の燃料ガス流路23に供給される。一方、図示しないコンプレッサが作動されて、酸化ガス供給配管38を通して空気(酸素)が図1及び図3に示す発電セル12の酸化ガス供給ケース37に供給されると、この空気は、酸化ガス供給通路27を通して各発電セル12の酸化ガス流路26に分配供給される。前記燃料ガス流路23に供給された水素は、前記アノード側金属多孔体層21に供給される。前記カソード側セパレータの酸化ガス流路26に供給された空気は、前記カソード側金属多孔体層22に供給される。そして、前記MEA17の固体電解質膜20を介して、前記水素と空気に含まれる酸化剤ガスとしての酸素とが電気化学反応により反応されて発電が行われる。
Next, the operation of the fuel cell configured as described above will be described.
In the fuel cell shown in FIG. 1, the fuel cell stack 11 is operated by a control signal from a control unit (not shown). When hydrogen gas is supplied from a hydrogen tank (not shown) to the fuel cell stack 11 through the hydrogen gas supply pipe 35 and the fuel gas supply passage 24, the hydrogen gas is supplied to the fuel gas passage 23 of the power generation cell 12 shown in FIG. To be supplied. On the other hand, when a compressor (not shown) is operated and air (oxygen) is supplied to the oxidizing gas supply case 37 of the power generation cell 12 shown in FIGS. 1 and 3 through the oxidizing gas supply pipe 38, this air is supplied to the oxidizing gas supply. The gas is distributed and supplied to the oxidizing gas flow path 26 of each power generation cell 12 through the passage 27. Hydrogen supplied to the fuel gas channel 23 is supplied to the anode-side metal porous body layer 21. The air supplied to the oxidizing gas flow path 26 of the cathode side separator is supplied to the cathode side metal porous body layer 22. Through the solid electrolyte membrane 20 of the MEA 17, the hydrogen and oxygen as an oxidant gas contained in the air are reacted by an electrochemical reaction to generate power.

上記の電気化学反応に供された水素は、燃料オフガスとして、燃料ガス流路23、燃料オフガス通路25及び燃料オフガス排出管36から外部に排出され、図示しない水素希釈装置に送られ、回収された水素が再利用される。一方、電気化学反応に供された後の酸素は、酸化オフガスとして酸化ガス流路26から酸化オフガス通路28及び酸化オフガス排出ケース39を通して外部に排出される。   The hydrogen subjected to the electrochemical reaction is discharged as fuel offgas from the fuel gas passage 23, the fuel offgas passage 25, and the fuel offgas discharge pipe 36 to the outside, and is sent to a hydrogen diluter (not shown) and collected. Hydrogen is reused. On the other hand, oxygen that has been subjected to the electrochemical reaction is discharged outside as an oxidizing off gas from the oxidizing gas flow channel 26 through the oxidizing off gas passage 28 and the oxidizing off gas discharge case 39.

前述した燃料電池スタック11による発電によって発電セル12のカソード側金属多孔体層22の酸化ガス流路26に生成水が生成される。この生成水の一部は前記固体電解質膜20を透過してアノード側金属多孔体層21に浸透水として進入する。この浸透水の水滴は、燃料電池スタック11に形成された燃料オフガス排出管36を通して燃料オフガスとともに外部に排出される。   Generated water is generated in the oxidizing gas flow path 26 of the cathode side metal porous body layer 22 of the power generation cell 12 by the power generation by the fuel cell stack 11 described above. A part of this generated water permeates the solid electrolyte membrane 20 and enters the anode-side metal porous body layer 21 as permeated water. The water droplets of the permeated water are discharged to the outside together with the fuel off-gas through the fuel off-gas discharge pipe 36 formed in the fuel cell stack 11.

図示しないポンプが作動されると、ラジエータによって冷却された冷却水が第1循環配管43及び燃料電池スタック11の冷却水供給ケース42から各発電セル12のカソード側セパレータ19の冷却水流路31及びアノード側セパレータ18の冷却水流路31に供給され、発電により生じた熱が冷却水によって吸収され、発電セル12が冷却される。冷却水は燃料電池スタック11の冷却水排出ケース44から第2循環配管45及び生成水加熱ケース46を通してラジエータに流れ、ここで冷却されて、燃料電池スタック11の冷却に再利用される。   When a pump (not shown) is operated, the cooling water cooled by the radiator is supplied from the cooling water supply case 42 of the first circulation pipe 43 and the fuel cell stack 11 to the cooling water flow path 31 and the anode of the cathode separator 19 of each power generation cell 12. The heat generated by the power generation supplied to the cooling water flow path 31 of the side separator 18 is absorbed by the cooling water, and the power generation cell 12 is cooled. The cooling water flows from the cooling water discharge case 44 of the fuel cell stack 11 to the radiator through the second circulation pipe 45 and the generated water heating case 46, where it is cooled and reused for cooling the fuel cell stack 11.

上記実施形態の燃料電池スタック11によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)第1の実施形態では、酸化オフガス排出ケース39の内部に保水体40を収容し、酸化オフガス排出ケース39の下部に生成水加熱ケース46を設けた。又、保水体40によって酸化オフガス通路28内から酸化オフガス排出ケース39内に流入した酸化オフガスに含まれる生成水を毛管作用より吸収し、生成水加熱ケース46の内部を流れる高い温度の冷却水によって前記保水体40を加熱して、冷却水を蒸発させるようにした。このため、生成水を酸化オフガス通路28内から適正に排出することができ、膜電極接合体15に生成水が付着して、酸化ガスの供給不足による発電効率の低下を防止することができる。
According to the fuel cell stack 11 of the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the first embodiment, the water retaining body 40 is accommodated inside the oxidizing off gas discharge case 39, and the generated water heating case 46 is provided below the oxidizing off gas discharge case 39. Further, the water retaining body 40 absorbs the produced water contained in the oxidized off gas flowing from the oxidized off gas passage 28 into the oxidized off gas discharge case 39 by capillary action, and the high temperature cooling water flowing inside the generated water heating case 46 is used. The water retaining body 40 was heated to evaporate the cooling water. For this reason, the generated water can be properly discharged from the oxidizing off gas passage 28, and the generated water adheres to the membrane electrode assembly 15, thereby preventing a decrease in power generation efficiency due to insufficient supply of the oxidizing gas.

(2)第1の実施形態では、酸化オフガス排出ケース39と生成水加熱ケース46を一体に成形したので、一枚の隔壁を通して冷却水の熱を保水体40に伝達することができ、冷却水の加熱を効率的に行うことができる。又、生成水加熱ケース46を取り付ける専用部品を省略することができ、製造及び組付を容易に行いコストの低減を図ることができる。
(第2の実施形態)
次に、図4に基づいて、この発明の燃料電池の第2の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態において、第1の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
(2) In the first embodiment, since the oxidizing off gas discharge case 39 and the generated water heating case 46 are integrally formed, the heat of the cooling water can be transmitted to the water holding body 40 through one partition wall, and the cooling water Can be efficiently heated. In addition, a dedicated part for attaching the generated water heating case 46 can be omitted, and manufacturing and assembly can be easily performed to reduce cost.
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. In the following embodiments, description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.

この実施形態においては、前記第1の実施形態の構成において、前記酸化オフガス通路28の内部に多孔性材料よりなる保水層51が収容されている。
この実施形態においては、酸化オフガス通路28の内側底部に保水層51が配設されているので、前記各酸化ガス流路26から酸化オフガス通路28に流入する酸化オフガスに含まれる生成水が保水層51によって捕捉される。この捕捉された生成水は酸化オフガス通路28の上部を流れる酸化オフガスの流動圧力によって、保水体40側に流動され、該保水体40内部において前記生成水加熱ケース46内の高温の冷却水によって加熱されて蒸発される。このため、生成水を効率よく外部に排出することができる。
(第3の実施形態)
次に、図5に基づいて、この発明の燃料電池の第3の実施形態について説明する。
In this embodiment, in the configuration of the first embodiment, a water retention layer 51 made of a porous material is accommodated in the oxidizing off gas passage 28.
In this embodiment, since the water retention layer 51 is disposed on the inner bottom portion of the oxidation off gas passage 28, the generated water contained in the oxidation off gas flowing into the oxidation off gas passage 28 from each of the oxidation gas passages 26 is retained in the water retention layer. 51. The trapped product water is caused to flow toward the water holding body 40 by the flow pressure of the oxidizing off gas flowing in the upper part of the oxidation off gas passage 28 and heated by the high-temperature cooling water in the product water heating case 46 inside the water holding body 40. And evaporated. For this reason, produced water can be efficiently discharged outside.
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG.

図5に示すように、前記酸化オフガス通路28の内部には全域にわたって多孔性材料よりなる保水層51が配設されている。前記保水体40の気孔率は、保水層51の気孔率よりも小さく設定されている。   As shown in FIG. 5, a water retention layer 51 made of a porous material is disposed throughout the oxidation off gas passage 28 over the entire area. The porosity of the water retaining body 40 is set smaller than the porosity of the water retaining layer 51.

この実施形態においては、保水体40の気孔率が保水層51の気孔率よりも小さく設定されているので、保水層51の内部の生成水が保水体40の内部に流動し易く、生成水の流動が適正に行われる。
(変更例)
なお、前記各実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
In this embodiment, since the porosity of the water retaining body 40 is set smaller than the porosity of the water retaining layer 51, the generated water inside the water retaining layer 51 easily flows into the water retaining body 40, and the generated water The flow is done properly.
(Example of change)
It should be noted that the embodiments described above can be modified and embodied as follows.

・図6に示すように、生成水加熱ケース46に代えて、酸化オフガス排出ケース39の下面に第2循環配管45を接触させてもよい。
・図示しないが、前記保水体40の下部に加熱手段としての電気ヒータを配設してもよい。
As shown in FIG. 6, the second circulation pipe 45 may be brought into contact with the lower surface of the oxidizing off gas discharge case 39 instead of the generated water heating case 46.
-Although not shown in figure, you may arrange | position the electric heater as a heating means in the lower part of the said water holding body 40. FIG.

12…発電セル、13,14…エンドプレート、28…酸化オフガス通路、39…酸化オフガス排出ケース、40…保水体、42…ケース、46…生成水加熱ケース、51…保水層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Electric power generation cell, 13, 14 ... End plate, 28 ... Oxidation off gas passage, 39 ... Oxidation off gas discharge case, 40 ... Water retention body, 42 ... Case, 46 ... Production water heating case, 51 ... Water retention layer.

Claims (5)

積層された複数の発電セルのうち最外側の発電セルにエンドプレートが接合され、該エンドプレートには、燃料ガス及び酸化ガスを各発電セルに供給する燃料ガス供給口及び酸化ガス供給口が設けられるとともに、発電によって生じた燃料オフガス排出口及び酸化オフガス排出口が設けられ、発電セルを冷却する冷却水供給口及び冷却水排出口が設けられた燃料電池において、
前記エンドプレートの表面に、前記酸化オフガス排出口を覆うように酸化オフガス排出ケースを接合し、該ケースの内側底部には発電によって生じた生成水を一時的に保水する多孔性材料よりなる保水体を収容し、該ケースには前記保水体に含浸されている水を加熱して蒸発させる加熱手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
An end plate is joined to the outermost power generation cell among the plurality of stacked power generation cells, and the end plate is provided with a fuel gas supply port and an oxidation gas supply port for supplying fuel gas and oxidizing gas to each power generation cell. And a fuel cell provided with a cooling water supply port and a cooling water discharge port for cooling the power generation cell, provided with a fuel off gas discharge port and an oxidation off gas discharge port generated by power generation,
A water retention body made of a porous material that joins an oxidation offgas discharge case to the surface of the end plate so as to cover the oxidation offgas discharge port, and temporarily retains generated water generated by power generation at the inner bottom of the case And a heating means for heating and evaporating the water impregnated in the water holding body.
請求項1において、前記加熱手段は、前記エンドプレートに形成された冷却水排出口に接続された冷却水排出配管を前記酸化オフガス排出ケースに接合することにより構成されていることを特徴とする燃料電池。 2. The fuel according to claim 1, wherein the heating means is constituted by joining a cooling water discharge pipe connected to a cooling water discharge port formed in the end plate to the oxidizing off gas discharge case. battery. 請求項2において、前記酸化オフガス排出ケースの下部には、冷却水排出配管に接続された生成水加熱ケースが一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 2, wherein a generated water heating case connected to a cooling water discharge pipe is integrally formed at a lower portion of the oxidizing off gas discharge case. 請求項1〜3のいずれか一項において、前記各発電セルに形成された酸化オフガス通路の底部には、多孔性材料よりなる保水層が設けられていることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein a water retention layer made of a porous material is provided at a bottom portion of the oxidizing off gas passage formed in each of the power generation cells. 請求項4において、前記保水体の気孔率は、保水層の気孔率よりも小さく設定されていることを特徴とする燃料電池。 5. The fuel cell according to claim 4, wherein the porosity of the water retention body is set smaller than the porosity of the water retention layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017001318A (en) * 2015-06-11 2017-01-05 トヨタ紡織株式会社 Resin piping and manufacturing method for the same

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