JP2012048939A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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.
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.
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(1) In the first embodiment, the
(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
(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
In this embodiment, since the
(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
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
(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
-Although not shown in figure, you may arrange | position the electric heater as a heating means in the lower part of the said
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
Claims (5)
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.
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