JP2012113876A - Fuel cell system - Google Patents

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Norihisa Yoshimoto
規寿 吉本
Toshihiro Nakai
敏浩 中井
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that is easy to miniaturize and can stably generate power by stably supplying oxidant gas to a fuel cell.SOLUTION: The fuel cell system includes: a fuel cell 100 in which a plurality of membrane electrode assemblies each having a cathode with a cathode catalyst layer for reducing oxygen, an anode with an anode catalyst layer for oxidizing fuel, and a solid polymer electrolyte membrane arranged between the cathode and the anode are stacked via separators; an oxidant gas passage formed on one principal surface of each separator and provided with a supply opening and an exhaust opening for oxidant gas; a supplying air feed part 91 for supplying oxidant gas to the supply opening of the oxidant gas passage; and an exhausting air feed part 90 for exhausting the oxidant gas in the oxidant gas passage out from the exhaust opening of the oxidant gas passage.

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、小型化が容易で安定して発電を行う燃料電池の酸化剤ガス供給機構に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to an oxidant gas supply mechanism for a fuel cell that is easily downsized and stably generates power.

固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、室温から100℃以下までの低温で動作し、迅速な起動停止、高出力密度化が可能であるなどの特徴を有するため、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として期待されている。   The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) operates at low temperatures from room temperature to 100 ° C or less, and has features such as quick start / stop and high power density. It is expected to be used as a power generator for mobile devices such as cogeneration and automobiles, and as a portable power source.

一般的なPEFCでは、正極と、負極と、電解質としての固体高分子電解質膜とからなる電極・電解質一体化物(MEA:Membrene electrode assembly)が複数積層されて構成されている。各MEAは、酸素流路(酸化剤ガス流路)を形成した正極側セパレータと、燃料流路を形成した負極側セパレータとの2種類のセパレータで挟持された状態で積層されている。また、負極側セパレータと正極側セパレータとの間に冷却媒体を流通させるための流路が形成されている場合もある。この場合、通常は、1対のセパレータ内で、MEAの積層方向に、酸素流路、冷却媒体流路及び燃料流路の3つの流路が形成されている。   A general PEFC is formed by laminating a plurality of electrode / electrolyte assemblies (MEA) consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte. Each MEA is stacked in a state of being sandwiched between two types of separators, a positive electrode side separator in which an oxygen channel (oxidant gas channel) is formed and a negative electrode side separator in which a fuel channel is formed. In some cases, a flow path for circulating a cooling medium is formed between the negative electrode side separator and the positive electrode side separator. In this case, normally, three flow paths, that is, an oxygen flow path, a coolant flow path, and a fuel flow path, are formed in the MEA stacking direction within a pair of separators.

酸素流路、冷却媒体流路及び燃料流路は、通常、セパレータの表面に溝を設けることにより形成されるため、各セパレータはある程度の厚みを必要とする。しかし、ある程度の厚みを有するセパレータで挟持されたMEAを複数積層して構成したセルスタックは、かさ高くなってしまう。   Since the oxygen flow path, the cooling medium flow path, and the fuel flow path are usually formed by providing grooves on the surface of the separator, each separator needs a certain thickness. However, a cell stack configured by stacking a plurality of MEAs sandwiched between separators having a certain thickness is bulky.

また、セパレータには、その積層方向に貫通する燃料供給マニホールド、燃料排出マニホールド、酸素供給マニホールド、酸素排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドがそれぞれ必要であるため(例えば、特許文献1)、セパレータと重ねられる電極は、セパレータの上記各マニホールド形成部に相当する位置以外の領域に、発電に直接関与できる部分が配置される必要があるが、こうした発電に直接関与できる部分の面積を十分に大きく取ることが難しい。   Further, the separator requires a fuel supply manifold, a fuel discharge manifold, an oxygen supply manifold, an oxygen discharge manifold, a cooling medium supply manifold, and a cooling medium discharge manifold penetrating in the stacking direction (for example, Patent Document 1). The electrode that overlaps with the separator needs to have a portion that can directly participate in power generation in a region other than the position corresponding to each manifold forming portion of the separator. It is difficult to take big.

また、このようなPEFCは、エアーコンプレッサまたは空圧ポンプのような空気供給手段を用いて酸化剤ガス(酸素を含む空気)が強制的にセルスタックに供給されることにより発電する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献2)。しかしながら、このようなPEFCは、ポータブル電源として用いる場合、容積や重量に制限が生じるため、携行型の燃料電池に用いることは難しい。   In addition, such a PEFC is a fuel cell system that generates electricity by forcibly supplying an oxidant gas (air containing oxygen) to a cell stack using an air supply means such as an air compressor or a pneumatic pump. It has been proposed (for example, Patent Document 2). However, when such a PEFC is used as a portable power source, it is difficult to use it in a portable fuel cell because the volume and weight are limited.

このような問題を解決するため、燃料電池の燃料流路とは別に、セパレータの正極に接する側の面に、複数の酸化剤ガス流路を、一側端から反対側端に渡って直線状に複数平行に形成し、また酸化剤ガス流路の断面積が酸化剤ガスの供給口から排気口に亘って減少する構成であって、上記排気口に送気部を設置して酸化剤ガスを流路内に供給して発電するコンパクトなセミパッシブタイプの燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献3)。   In order to solve such problems, a plurality of oxidant gas flow paths are formed in a straight line from one end to the opposite end on the surface of the separator that is in contact with the positive electrode, separately from the fuel flow path of the fuel cell. The cross-sectional area of the oxidant gas flow path is reduced from the supply port of the oxidant gas to the exhaust port, and an oxidant gas is installed at the exhaust port. A compact semi-passive type fuel cell system that generates electricity by supplying the gas into the flow path has been proposed (for example, Patent Document 3).

特開2006−310288号公報JP 2006-310288 A 特開2006−164766号公報JP 2006-164766 A 特許第3356721号公報Japanese Patent No. 3356721

しかしながら、特許文献3に記載の燃料電池においても、負極に燃料を供給するための燃料流路がセパレータに形成されているため、セル積層方向において小型化を図るには限界がある。さらに、特許文献3には、燃料電池と送気部との間隔が示されていない。燃料電池と送気部との間隔が小さい場合、酸化剤ガスが送気部に近い流路に偏って通気しやすくなり、発電効率が低下する虞がある。燃料電池と送気部との間隔が大きい場合、送気部を含めた燃料電池全体としての容積の小型化を図るには不十分である。   However, even in the fuel cell described in Patent Document 3, since the fuel flow path for supplying fuel to the negative electrode is formed in the separator, there is a limit to downsizing in the cell stacking direction. Furthermore, Patent Document 3 does not show the interval between the fuel cell and the air supply unit. When the distance between the fuel cell and the air supply unit is small, the oxidant gas tends to be biased toward the flow path close to the air supply unit, and the power generation efficiency may be reduced. When the distance between the fuel cell and the air supply unit is large, it is insufficient to reduce the volume of the entire fuel cell including the air supply unit.

本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、小型化が容易で、かつ、安定した発電を行うことができる燃料電池システムを提供する。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a fuel cell system that can be easily miniaturized and can stably generate power.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、上記正極と上記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池と、上記セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記供給口に供給する供給用送気部と、上記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記排出口から外部に排出する排出用送気部とを有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is arranged between a positive electrode having a positive electrode catalyst layer for reducing oxygen, a negative electrode having a negative electrode catalyst layer for oxidizing fuel, and the positive electrode and the negative electrode. A fuel cell formed by laminating a plurality of electrode / electrolyte integrated materials having a solid polymer electrolyte membrane through a separator, and a supply port and an exhaust port for an oxidant gas formed on one main surface of the separator An oxidant gas flow path, a supply air supply section for supplying the oxidant gas to the supply port of the oxidant gas flow path, and an oxidant gas in the oxidant gas flow path of the oxidant gas flow path. And a discharge air supply section that discharges to the outside from the discharge port.

本発明によれば、小型化が容易で、かつ、燃料電池に安定して酸化剤ガスを供給し、安定した発電を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system that can be easily downsized, stably supply an oxidant gas to the fuel cell, and perform stable power generation.

本発明の燃料電池システムの一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of the fuel cell of this invention. 図1に示す燃料電池システムのI−I線断面図である。It is the II sectional view taken on the line of the fuel cell system shown in FIG. 図2に示す燃料電池の要部の分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell shown in FIG. 2. 図2に示す燃料電池の要部の一部断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a main part of the fuel cell shown in FIG. 2. セパレータの一例を示す概略構成図であり、図6Aは平面図、図6Bは図6AのII−II線断面図、Cは底面図である。It is a schematic block diagram which shows an example of a separator, FIG. 6A is a top view, FIG. 6B is the II-II sectional view taken on the line of FIG. 6A, C is a bottom view. 電極・電解質一体化物を構成する、正極触媒層、固体高分子電解質膜及び負極触媒層の積層体の一例を示す概略構成図であり、図7Aは平面図、図7Bは図7AのIII−III線断面図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the laminated body of a positive electrode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, and a negative electrode catalyst layer which comprises an electrode-electrolyte integrated object, FIG. 7A is a top view, FIG. 7B is III-III of FIG. 7A. It is line sectional drawing. 電極・電解質一体化物を構成する、正極拡散層及び正極ガスシールの一例を示す概略構成図であり、図8Aは平面図、図8Bは図8AのIV−IV線断面図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the positive electrode diffusion layer and positive electrode gas seal which comprise an electrode-electrolyte integrated material, FIG. 8A is a top view, FIG. 8B is the IV-IV sectional view taken on the line of FIG. 電極・電解質一体化物を構成する、負極拡散層及び負極ガスシールの一例を示す概略構成図であり、図9Aは平面図、図9Bは図9AのV−V線断面図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the negative electrode diffusion layer and negative electrode gas seal which comprise an electrode-electrolyte integrated material, FIG. 9A is a top view, FIG. 9B is the VV sectional view taken on the line of FIG. 9A. 本発明の燃料電池システムの他の例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the other example of the fuel cell system of this invention. 本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the fuel cell power generation system using the fuel cell system of this invention. 気液分離容器の一例を示す概略透視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of a gas-liquid separation container. 比較例1の燃料電池システムの概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the fuel cell system of the comparative example 1. FIG. 図13に示す燃料電池システムのVI−VI線断面図である。FIG. 14 is a sectional view taken along line VI-VI of the fuel cell system shown in FIG. 13. 実施例1及び比較例1の燃料電池発電システムでの発電特性の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the electric power generation characteristic in the fuel cell power generation system of Example 1 and Comparative Example 1.

本発明の燃料電池システムは、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、上記正極と上記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池と、上記セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記供給口に供給する供給用送気部と、上記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記排出口から外部に排出する排出用送気部とを有することを特徴とする。これにより、排出用送気部と燃料電池との間の距離を短くできるため、送気方向において小型化でき、また、燃料電池に酸化剤ガスを安定に供給し、安定した発電を行う燃料電池システムを実現可能である。   The fuel cell system of the present invention includes a positive electrode having a positive electrode catalyst layer for reducing oxygen, a negative electrode having a negative electrode catalyst layer for oxidizing fuel, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode. A fuel cell formed by stacking a plurality of electrode / electrolyte integrated bodies having a separator through a separator, an oxidant gas flow path formed on one main surface of the separator and having an oxidant gas supply port and a discharge port; A supply air supply section for supplying an oxidant gas to the supply port of the oxidant gas flow path, and an oxidant gas in the oxidant gas flow path to be discharged to the outside from the discharge port of the oxidant gas flow path And a discharge air supply unit. As a result, the distance between the exhaust air supply unit and the fuel cell can be shortened, so that the fuel cell can be downsized in the air supply direction, and the fuel cell can stably supply oxidant gas and stably generate power. The system can be realized.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。また、本明細書において、燃料電池に送気部を設置したものを「燃料電池システム」とし、この燃料電池システムに水素製造装置や気液分離装置及び水素消費装置などを設置したものを「燃料電池発電システム」と区分した。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. Further, in this specification, a fuel cell having an air supply section is referred to as a “fuel cell system”, and a fuel cell system having a hydrogen production device, a gas-liquid separator, a hydrogen consuming device, etc. Battery generation system ".

(実施形態1)
本実施形態1では、本発明の燃料電池システムの一例について図1〜図3を用いて説明する。図1は、本実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略斜視図である。図2は、本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池の一例を示す概略斜視図である。図3は、図1に示す燃料電池システムのI−I線断面図である。図1〜3において、同一構成要素については同一符号を付している。図3の断面図では、酸化剤ガス流路を省略し、送気部90、91を簡略化して表している。また、図3の断面図では、ハッチングを省略している。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, an example of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of the fuel cell system of the present embodiment. FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of a fuel cell in the fuel cell system of the present embodiment. 3 is a cross-sectional view taken along line II of the fuel cell system shown in FIG. 1-3, the same code | symbol is attached | subjected about the same component. In the cross-sectional view of FIG. 3, the oxidant gas flow path is omitted, and the air supply units 90 and 91 are simplified. Moreover, hatching is abbreviate | omitted in sectional drawing of FIG.

本実施形態の燃料電池システム101は、図1に示すように、供給用送気部91と、排出用送気部90と、燃料電池100と、ダクト80、80とを備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 101 of this embodiment includes a supply air supply unit 91, a discharge air supply unit 90, a fuel cell 100, and ducts 80 and 80.

供給用送気部91は、酸化剤ガスの供給口51(図3)側に設置されており、酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)を、酸化剤ガスの供給口51(図3)に供給するものである。排出用送気部90は、酸化剤ガスの排気口52(図3)側に設置されており、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを、酸化剤ガスの排出口52から外部に排出するものである。また、供給用送気部91及び排出用送気部90は、図3に示すように、酸化剤ガスの供給口51及び排気口52を密封するようにダクト80で接続されている。図3において、矢印は酸化剤ガスの送気方向を示している。   The supply air supply section 91 is installed on the oxidant gas supply port 51 (FIG. 3) side, and the oxidant gas (for example, air containing oxygen) is supplied to the oxidant gas supply port 51 (FIG. 3). To supply. The discharge air supply section 90 is installed on the oxidant gas exhaust port 52 (FIG. 3) side, and discharges the oxidant gas in the oxidant gas flow path from the oxidant gas discharge port 52 to the outside. Is. Further, as shown in FIG. 3, the supply air supply section 91 and the discharge air supply section 90 are connected by a duct 80 so as to seal the supply port 51 and the exhaust port 52 of the oxidant gas. In FIG. 3, the arrows indicate the direction in which the oxidant gas is supplied.

供給用送気部91及び排出用送気部90としては、送風できる装置であれば特に限定されない。例えば、DCファン、ACファン、ブロア及び小型コンプレッサーなどを用いることができ、省スペースの観点から、小型のファン及びブロアなどが好適に用いられる。   The supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90 are not particularly limited as long as they can blow air. For example, a DC fan, an AC fan, a blower, a small compressor, and the like can be used. From the viewpoint of space saving, a small fan and a blower are preferably used.

また、供給用送気部91及び排出用送気部90の風量は、燃料電池100の出力、酸化剤ガスの排気口の大きさ、用いる送気部の静圧などによって変わるため、一義的に決めることはできないが、0.05m3/minから0.5m3/minの範囲で、かつ静圧が10Paから100Paの範囲が好適に用いられる。 Further, the air volume of the supply air supply section 91 and the discharge air supply section 90 varies depending on the output of the fuel cell 100, the size of the exhaust port for the oxidant gas, the static pressure of the air supply section to be used, etc. Although it cannot be determined, a range of 0.05 m 3 / min to 0.5 m 3 / min and a static pressure of 10 Pa to 100 Pa are preferably used.

さらに、供給用送気部91及び排出用送気部90の風量は、燃料電池の温度が一定範囲内となるように調整されることが望ましい。固体高分子電解質膜の乾燥を防ぎ、燃料電池の長寿命化を図るためには、燃料電池の温度は70℃以下、より好ましくは60℃以下とすることが望ましい。また、発電で生成した水分が結露するのを防ぐためには、燃料電池の温度は30℃以上、より好ましくは40℃以上とすることが好ましい。すなわち、発電中の燃料電池の温度は50℃付近に保たれることが最も望ましい。   Furthermore, it is desirable that the air flow rate of the supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90 is adjusted so that the temperature of the fuel cell is within a certain range. In order to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being dried and to prolong the life of the fuel cell, the temperature of the fuel cell is desirably 70 ° C. or less, more preferably 60 ° C. or less. In order to prevent moisture generated by power generation from condensing, the temperature of the fuel cell is preferably 30 ° C. or higher, more preferably 40 ° C. or higher. In other words, it is most desirable that the temperature of the fuel cell during power generation is kept around 50 ° C.

ここで、供給用送気部91及び排出用送気部90の風量と、燃料電池100の温度及び出力との関係を調べたところ、供給用送気部91及び排出用送気部90の駆動電圧が12Vの場合、燃料電池100の温度は54℃、燃料電池100の出力は32Wであった。一方、供給用送気部91及び排出用送気部90の駆動電圧が16Vの場合、燃料電池100の温度は51℃、燃料電池100の出力は38Wであった。このことから、送気部の駆動電圧を増加させて風量を増加させると、燃料電池の出力が向上することが分かる。これは、送気部の風量が増加したことにより、燃料電池の温度が低下し、固体高分子電解質膜の乾燥が抑制されたために、燃料電池の出力が向上したものと推測される。   Here, when the relationship between the air volume of the supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90 and the temperature and output of the fuel cell 100 was examined, the supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90 were driven. When the voltage was 12 V, the temperature of the fuel cell 100 was 54 ° C., and the output of the fuel cell 100 was 32 W. On the other hand, when the driving voltage of the supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90 is 16 V, the temperature of the fuel cell 100 is 51 ° C., and the output of the fuel cell 100 is 38 W. From this, it can be seen that the output of the fuel cell is improved by increasing the air flow by increasing the driving voltage of the air supply section. This is presumably because the output of the fuel cell was improved because the temperature of the fuel cell was lowered and the drying of the solid polymer electrolyte membrane was suppressed due to the increase in the air volume of the air supply section.

燃料電池100は、図2に示すように、セパレータ10を介して積層された複数の電極・電解質一体化物(以下、MEAという)20を有し、水素を燃料として発電するものである。また、セパレータ10を介して積層された複数のMEA20からなる積層体は、2つのエンドプレート50で挟持され、ボルトとナットで固定されている。また、2つのエンドプレートのうちの一方(図2では、上側のエンドプレート50)には、燃料供給口60、燃料排出口70が設けられている。燃料は、燃料供給口60から燃料電池100内に導入され、各MEA20の負極に供給されて発電に利用される。また、各MEA20で消費されなかった燃料は、燃料排出口70から燃料電池100外に排出される。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 100 has a plurality of electrode / electrolyte integrated bodies (hereinafter referred to as MEAs) 20 stacked via separators 10, and generates power using hydrogen as fuel. Moreover, the laminated body which consists of several MEA20 laminated | stacked through the separator 10 is clamped by the two end plates 50, and is being fixed with the volt | bolt and the nut. Also, a fuel supply port 60 and a fuel discharge port 70 are provided in one of the two end plates (the upper end plate 50 in FIG. 2). The fuel is introduced into the fuel cell 100 from the fuel supply port 60, supplied to the negative electrode of each MEA 20, and used for power generation. Further, the fuel not consumed by each MEA 20 is discharged out of the fuel cell 100 from the fuel discharge port 70.

ダクト80、80は、燃料電池100の対向する2つの側面の全体を覆うように設けられている。本実施形態では、ダクト80、80は、上下のエンドプレート50、50に接するように配置され、かつ、供給用送気部91及び排出用送気部90と共に、酸化剤ガスの供給口51(図3)及び排気口52(図3)を密閉するように配置されている。ダクトとしては、酸化剤ガスを送気する際に、空気が漏れたり、割れたりしない材料であれば、特に制限されない。例えば、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料またはポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、アクリル及びポリスチレンなどの樹脂材料などを用いることができるが、成形加工のしやすさと軽量化の観点から、ポリカーボネートなどの樹脂材料が好適に用いられる。   Ducts 80 and 80 are provided so as to cover the entire two opposing side surfaces of fuel cell 100. In the present embodiment, the ducts 80 and 80 are disposed so as to be in contact with the upper and lower end plates 50 and 50, and together with the supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90, the supply port 51 ( 3) and the exhaust port 52 (FIG. 3) are arranged to be sealed. The duct is not particularly limited as long as it is a material that does not leak or crack when the oxidant gas is supplied. For example, metal materials such as aluminum and stainless steel or resin materials such as polycarbonate, polyetheretherketone, acrylic and polystyrene can be used. From the viewpoint of ease of molding and weight reduction, resin materials such as polycarbonate Are preferably used.

以下、燃料電池100の要部について図4及び図5を用いて詳細に説明する。図4は、図2に示す燃料電池100の要部の分解斜視図であり、図5は、図2に示す燃料電池100の要部の一部断面図である。図4及び図5において、図2と同一構成要素については同一符号を付している。なお、図5は断面図であるが、後述する各構成要素の燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドにより形成される燃料流路の理解を容易にする目的で、上側のセパレータ10の上端、及び下側のセパレータ10の下端以外については、背面部分を省略している。   Hereinafter, the principal part of the fuel cell 100 will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5. 4 is an exploded perspective view of the main part of the fuel cell 100 shown in FIG. 2, and FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the main part of the fuel cell 100 shown in FIG. 4 and 5, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. FIG. 5 is a cross-sectional view, but for the purpose of facilitating understanding of the fuel flow path formed by the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold of each component described later, the upper end and the lower side of the upper separator 10. The back portion is omitted except for the lower end of the separator 10.

MEA20は、図4及び図5に示すように、上から、正極拡散層21、積層体20a、負極拡散層25が順次積層されたものであり、MEA20の上下には、セパレータ10、10が配置されている。   As shown in FIGS. 4 and 5, the MEA 20 is obtained by sequentially stacking a positive electrode diffusion layer 21, a laminate 20 a, and a negative electrode diffusion layer 25 from above, and separators 10 and 10 are disposed above and below the MEA 20. Has been.

積層体20aは、図5に示すように、上から、正極触媒層22、固体高分子電解質膜23、負極触媒層24の順に積層されたものである。各層の詳細については後述する。   As shown in FIG. 5, the stacked body 20 a is formed by sequentially stacking a positive electrode catalyst layer 22, a solid polymer electrolyte membrane 23, and a negative electrode catalyst layer 24 from the top. Details of each layer will be described later.

セパレータ10は、平面視での形状が四角形で、かつ、単一部材で構成されている。このセパレータ10には、燃料流路となる燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12が形成されている。燃料供給マニホールド11は、上記四角形を構成する4辺のうちの1辺の近傍に形成されており、燃料排出マニホールド12は、上記1辺に対向する1辺の近傍に形成されている。   The separator 10 has a quadrangular shape in plan view and is formed of a single member. The separator 10 is formed with a fuel supply manifold 11 and a fuel discharge manifold 12 serving as fuel flow paths. The fuel supply manifold 11 is formed in the vicinity of one of the four sides forming the quadrangle, and the fuel discharge manifold 12 is formed in the vicinity of one side facing the one side.

また、セパレータ10の一方の主面(ここでは、下面)には、溝状の酸化剤ガス流路13が複数形成されており、他方の主面(ここでは、上面)は平板状である。複数の酸化剤ガス流路13は、セパレータ10の一方の主面(下面)において、燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12が近傍に形成された対向する2辺とは別の2辺を直線状に繋ぐように、互いに平行または略平行に形成されている。また、酸化剤ガス流路13の両端部は、セパレータ10の側面において開口しており、各開口部が酸化剤ガスの供給口51(図3)及び排出口52(図3)となる。   In addition, a plurality of groove-like oxidant gas flow paths 13 are formed on one main surface (here, the lower surface) of the separator 10, and the other main surface (here, the upper surface) is flat. The plurality of oxidant gas flow paths 13 are linearly formed on one main surface (lower surface) of the separator 10 on two sides other than the two opposite sides formed in the vicinity of the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12. Are formed in parallel or substantially parallel to each other. Further, both end portions of the oxidant gas flow path 13 are opened at the side surfaces of the separator 10, and the respective opening portions serve as an oxidant gas supply port 51 (FIG. 3) and a discharge port 52 (FIG. 3).

さらに、積層体20aを構成する正極触媒層22、固体高分子電解質膜23及び負極触媒層24にも、セパレータ10に形成されている燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12に相当する位置に、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドがそれぞれ形成されている。これについては後述する。   Further, the positive electrode catalyst layer 22, the solid polymer electrolyte membrane 23, and the negative electrode catalyst layer 24 constituting the laminate 20 a are also disposed at positions corresponding to the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 formed in the separator 10. A supply manifold and a fuel discharge manifold are respectively formed. This will be described later.

正極拡散層21は、図4において上側に位置するセパレータ10の酸化剤ガス流路13形成面の全面を覆うように配置されている。この正極拡散層21は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形を構成する4辺のうち、酸化剤ガス流路13と平行または略平行である2辺の外側には、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシール30が配置されている。また、正極ガスシール30には、セパレータ10に形成されている燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12に相当する位置に、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドがそれぞれ形成されている。   The positive electrode diffusion layer 21 is disposed so as to cover the entire surface of the separator 10 located on the upper side in FIG. The positive electrode diffusion layer 21 has a quadrangular shape in plan view, and the fuel gas is present outside the two sides that are parallel or substantially parallel to the oxidant gas flow path 13 among the four sides constituting the quadrangle. A positive electrode gas seal 30 for suppressing outflow is disposed. The positive gas seal 30 is formed with a fuel supply manifold and a fuel discharge manifold at positions corresponding to the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 formed in the separator 10.

負極拡散層25は、図4において下側に位置するセパレータ10の平板面(上面)と接するように配置されている。この負極拡散層25は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形の外周外側には、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール40が配置されている。また、負極ガスシール40には、セパレータ10に形成されている燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12に相当する位置に、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドがそれぞれ形成されている。   The negative electrode diffusion layer 25 is disposed in contact with the flat plate surface (upper surface) of the separator 10 located on the lower side in FIG. The negative electrode diffusion layer 25 has a quadrangular shape in plan view, and a negative gas seal 40 for suppressing the outflow of fuel gas is disposed on the outer periphery of the square. The negative gas seal 40 is formed with a fuel supply manifold and a fuel discharge manifold at positions corresponding to the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 formed in the separator 10.

次に、酸化剤ガス及び燃料の流れを図4及び図5を用いて説明する。図4及び図5では、酸化剤ガスの流れを点線矢印で示し、燃料の流れを実線矢印で示している。   Next, the flow of oxidant gas and fuel will be described with reference to FIGS. 4 and 5, the flow of the oxidant gas is indicated by a dotted arrow, and the flow of the fuel is indicated by a solid arrow.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路13に導入されると、正極拡散層21を通って正極触媒層22に供給される。また、発電反応に関与せず消費されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路13を通って外部に排出される。より詳細に説明すると、酸化剤ガス流路13は、上述したように、平面視での形状が四角形であるセパレータ10の対向する2辺を直線状に繋ぐように形成されており、その両端部が、セパレータの側面において開口しているため、例えば、セパレータ10における酸化剤ガス流路13の一方の開口端、つまり、酸化剤ガスの供給口51(図3)側からファンなどを用いて酸素を含む空気を送ることで、酸化剤ガス流路13内へ空気を導入することができる。そして、酸化剤ガス流路13内に導入された空気(酸素)は、MEA20の正極拡散層21を通じて正極触媒層22に供給される。また、発電反応に関与せず消費されなかった酸素、及び空気中の酸素以外の成分は、酸化剤ガス流路13の他方の開口端、つまり、酸化剤ガスの排気口52(図3)側から外部に排出されることになる。   When introduced into the oxidant gas flow path 13, the oxidant gas is supplied to the positive electrode catalyst layer 22 through the positive electrode diffusion layer 21. Further, the oxidant gas that is not involved in the power generation reaction and is not consumed is discharged to the outside through the oxidant gas flow path 13. More specifically, as described above, the oxidant gas flow path 13 is formed so as to linearly connect two opposing sides of the separator 10 having a quadrangular shape in plan view. However, since the opening is formed on the side surface of the separator, for example, oxygen is used using a fan or the like from one opening end of the oxidant gas flow path 13 in the separator 10, that is, from the oxidant gas supply port 51 (FIG. 3) side. The air can be introduced into the oxidant gas flow path 13 by sending the air containing. The air (oxygen) introduced into the oxidant gas flow path 13 is supplied to the positive electrode catalyst layer 22 through the positive electrode diffusion layer 21 of the MEA 20. In addition, oxygen that has not been consumed because it is not involved in the power generation reaction and components other than oxygen in the air are the other opening end of the oxidant gas flow path 13, that is, the oxidant gas exhaust 52 (FIG. 3) side. Will be discharged to the outside.

燃料は、燃料供給マニホールド11に導入されると、負極拡散層25を通って負極触媒層24に供給される。また、発電反応に関与せず消費されなかった燃料は、負極拡散層25を通って燃料排出マニホールド12から外部へ排出される。より詳細に説明すると、負極に係る負極拡散層25は、撥水処理をした多孔質炭素シートのように、その内部を燃料が流通可能な材料で構成されることが一般的である。そのため、本発明の燃料電池が、例えば、燃料の供給圧力が比較的低い状態で使用される場合、燃料供給マニホールド11から導入された燃料は、負極拡散層25内の孔を経て負極触媒層24に供給され、発電反応に関与せず消費されなかった燃料は、負極拡散層25内の孔を経て燃料排出マニホールド12から外部へ排出される。この場合、図4や図5に示すように、隣り合うMEA20間に介在させるセパレータ10には、酸化剤ガス流路13のみを形成すればよく、燃料流路を形成する必要はないことから、セパレータを単一部材で構成でき、また、セパレータ自体を薄くすることが可能である。従って、本発明の燃料電池を、積層方向においてコンパクト化できる。一方、本発明の燃料電池が、例えば、燃料の供給圧力が比較的高い状態で使用される場合、後述するように、負極拡散層25の表面に、燃料供給マニホールド11と燃料排出マニホールド12とを直線状に繋ぐ溝状の燃料流路を複数平行または略平行に形成することが好ましい。この場合、負極拡散層の破損を抑制することもできる。   When introduced into the fuel supply manifold 11, the fuel is supplied to the negative electrode catalyst layer 24 through the negative electrode diffusion layer 25. Further, the fuel that is not involved in the power generation reaction and not consumed is discharged from the fuel discharge manifold 12 to the outside through the negative electrode diffusion layer 25. More specifically, the negative electrode diffusion layer 25 according to the negative electrode is generally composed of a material that allows fuel to flow through, such as a water-repellent porous carbon sheet. Therefore, when the fuel cell of the present invention is used, for example, in a state where the fuel supply pressure is relatively low, the fuel introduced from the fuel supply manifold 11 passes through the holes in the negative electrode diffusion layer 25 and the negative electrode catalyst layer 24. The fuel that has been supplied to and not consumed without being involved in the power generation reaction is discharged from the fuel discharge manifold 12 to the outside through the hole in the negative electrode diffusion layer 25. In this case, as shown in FIG. 4 and FIG. 5, the separator 10 interposed between adjacent MEAs 20 only needs to form the oxidant gas flow path 13, and it is not necessary to form the fuel flow path. The separator can be composed of a single member, and the separator itself can be made thin. Therefore, the fuel cell of the present invention can be made compact in the stacking direction. On the other hand, when the fuel cell of the present invention is used, for example, in a state where the fuel supply pressure is relatively high, the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 are provided on the surface of the negative electrode diffusion layer 25 as described later. It is preferable to form a plurality of groove-like fuel flow paths connected in a straight line in parallel or substantially in parallel. In this case, damage to the negative electrode diffusion layer can also be suppressed.

図4及び図5に示す燃料電池では、酸化剤ガス流路13を通過する空気は、冷却媒体としても作用する。つまり、酸化剤ガス流路13が冷却媒体流路を兼ねることになる。そのため、セパレータに別途冷却媒体流路を形成する必要がなく、セパレータを単一部材の層で構成し、片面を平面状としてセパレータを薄くしても、冷却媒体による冷却が可能である。   In the fuel cell shown in FIGS. 4 and 5, the air passing through the oxidant gas flow path 13 also acts as a cooling medium. That is, the oxidant gas flow path 13 also serves as a cooling medium flow path. Therefore, it is not necessary to separately form a cooling medium flow path in the separator, and cooling with the cooling medium is possible even if the separator is constituted by a single member layer and the one side is flat and the separator is thin.

ここで、図1及び図3に示す本実施形態の燃料電池システム101が、酸化剤ガス流路の供給口51側及び排気口52側にそれぞれ送気部91、90を備える理由について説明する。   Here, the reason why the fuel cell system 101 of the present embodiment shown in FIGS. 1 and 3 includes the air supply portions 91 and 90 on the supply port 51 side and the exhaust port 52 side of the oxidant gas flow path will be described.

燃料電池100を発電させるためには、酸化剤ガス(この場合、酸素を含む空気)を正極に供給する必要があるが、従来(特許文献3)では、図13及び図14に示すように酸化剤ガスの排気口52側に送気部90を設置し、空気を供給口51側から排気口52側に送気することにより、正極を構成する正極拡散層21に供給していた。しかし、送気部を排気口52側にのみ設置した場合、供給口51と排気口52とでは送気量が異なり、発電時に同一セルにおいて酸化剤ガスが不均一となり、発電効率が低下し、安定した発電ができなくなる虞がある。   In order to generate power in the fuel cell 100, it is necessary to supply an oxidant gas (in this case, oxygen-containing air) to the positive electrode, but in the past (Patent Document 3), oxidation is performed as shown in FIGS. An air supply unit 90 is installed on the exhaust port 52 side of the agent gas, and air is supplied from the supply port 51 side to the exhaust port 52 side to supply the positive electrode diffusion layer 21 constituting the positive electrode. However, when the air supply unit is installed only on the exhaust port 52 side, the air supply amount is different between the supply port 51 and the exhaust port 52, the oxidant gas becomes non-uniform in the same cell during power generation, and the power generation efficiency decreases. There is a risk that stable power generation cannot be performed.

そこで、本実施形態では、図1及び図3に示すように、酸化剤ガスの供給口51側にも送気部91を設置し、供給口51側から強制的に空気を送気するようにした。この場合、送気部91によって送気された空気がセパレータ10のリブ14に当たり、送気部91と供給口51との間の空間内で気流が発生して僅かに加圧状態になることで、燃料電池100の供給口51側の側面全体に空気が拡がる。このような状態で、送気部90によって空気を燃料電池100内から外部へ排気する方向へ送気させると、上述した排気口52側にのみ送気部を設置した場合に生じる不均一な送気状態を回避でき、発電効率が向上し、安定して発電させることができる。   Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, an air supply unit 91 is also installed on the oxidant gas supply port 51 side so that air is forcibly supplied from the supply port 51 side. did. In this case, the air supplied by the air supply unit 91 hits the rib 14 of the separator 10, and an air flow is generated in the space between the air supply unit 91 and the supply port 51, resulting in a slightly pressurized state. The air spreads over the entire side surface of the fuel cell 100 on the supply port 51 side. In this state, if air is supplied in the direction of exhausting air from the inside of the fuel cell 100 to the outside by the air supply unit 90, the non-uniform air supply that occurs when the air supply unit is installed only on the exhaust port 52 side described above. The air condition can be avoided, the power generation efficiency can be improved, and the power can be generated stably.

ここで、送気部の配置位置による、燃料電池の出力への影響を調べたところ、送気部を、排気口52側にのみ2つ設けた場合、燃料電池の平均出力は29Wであった。一方、送気部を、供給口51及び排気口52のそれぞれに1つずつ設けた場合、燃料電池の平均出力は32Wであった。このように、送気部は排気口52側だけでなく、供給口51側にも設けた方が、燃料電池の出力が向上することが分かる。従って、本発明では、送気部を酸化剤ガスの排気口52及び供給口51の両方に設けた。   Here, when the influence on the output of the fuel cell by the arrangement position of the air supply unit was examined, when two air supply units were provided only on the exhaust port 52 side, the average output of the fuel cell was 29 W. . On the other hand, when one air supply unit was provided for each of the supply port 51 and the exhaust port 52, the average output of the fuel cell was 32W. Thus, it can be seen that the output of the fuel cell is improved when the air supply section is provided not only on the exhaust port 52 side but also on the supply port 51 side. Therefore, in the present invention, the air supply section is provided at both the exhaust port 52 and the supply port 51 for the oxidant gas.

供給用送気部91と供給口51の間の距離、及び、排出用送気部90と排気口52との間の距離は、設置する燃料電池100の長辺方向の長さや、用いる送気部の風量及び静圧によって変わるため、限定されないが、5mmから10mmの間であれば、特に発電に影響を及ぼさない。上述のように、排気口52側にのみ送気部を設置した場合、発電効率の観点から、送気部と排気口52との間の距離は15mm以上に設定していたが、本発明では、排気口52及び供給口51の両方に送気部を設けることで、送気部と排気口52との間の距離を5mm〜10mmにまで短くしても安定して発電することができ、その結果、燃料電池システム全体の容積を小さくすることが可能となる。   The distance between the supply air supply unit 91 and the supply port 51 and the distance between the discharge air supply unit 90 and the exhaust port 52 are the length in the long side direction of the fuel cell 100 to be installed and the air supply used. Since it changes depending on the air volume and static pressure of the part, it is not limited, but if it is between 5 mm and 10 mm, it does not particularly affect power generation. As described above, when the air supply unit is installed only on the exhaust port 52 side, the distance between the air supply unit and the exhaust port 52 is set to 15 mm or more from the viewpoint of power generation efficiency. By providing the air supply portion in both the exhaust port 52 and the supply port 51, it is possible to stably generate power even if the distance between the air supply portion and the exhaust port 52 is shortened to 5 mm to 10 mm. As a result, the volume of the entire fuel cell system can be reduced.

また、供給用送気部91の位置は、供給用送気部91と供給口51との間に気流を発生させることができるのであれば特に限定されない。   The position of the supply air supply unit 91 is not particularly limited as long as an air flow can be generated between the supply air supply unit 91 and the supply port 51.

図6は、図4及び図5に示すセパレータ10の一例を示す概略構成図である。図6Aは、セパレータ10の、酸化剤ガス流路13が形成されていない側の面(負極拡散層に接する側の面)を示す平面図、図6Bは、図6AにおけるII−II線断面図、図6Cは、セパレータ10の、酸化剤ガス流路13が形成されている側の面(正極拡散層に接する側の面)を示す平面図である。   FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the separator 10 illustrated in FIGS. 4 and 5. 6A is a plan view showing a surface of the separator 10 where the oxidant gas flow path 13 is not formed (surface on the side in contact with the negative electrode diffusion layer), and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 6A. FIG. 6C is a plan view showing the surface of the separator 10 on the side where the oxidant gas flow path 13 is formed (the surface on the side in contact with the positive electrode diffusion layer).

燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12は、平面視での形状が四角形であるセパレータ10の4辺のうちの対向する2辺の近傍に、それぞれ配置されている。また、セパレータ10の燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12を上記のような配置とし、MEA20を構成する正極、負極及び固体高分子電解質膜にも、セパレータ10の燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12に相当する位置に燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを形成することで、負極における燃料が良好に流通する領域、すなわち、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとで挟まれた領域をより大きくとることができ、発電に良好に関与できる電極面積をより大きくすることが可能で、より効率よく発電させることができる。また、水素を燃料とする燃料電池においては、発電に伴って生成した水や燃料中に含まれる水分が負極で滞留してその後の発電反応を阻害する虞があるが、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを上記のように配置することで、燃料は、負極の殆どの箇所で、燃料供給マニホールドから燃料排出マニホールドへ直線状に向かうように流れるようになるため、負極内の水を、燃料排出マニホールドを通じて外部へ良好に排出することができ、負極内で水が滞留することによる発電効率の低下を抑制することができる。   The fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 are respectively disposed in the vicinity of two opposing sides of the four sides of the separator 10 having a quadrangular shape in plan view. Further, the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 of the separator 10 are arranged as described above, and the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 of the separator 10 are also applied to the positive electrode, the negative electrode, and the solid polymer electrolyte membrane that constitute the MEA 20. By forming the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold at positions corresponding to the above, it is possible to make a larger area where the fuel flows in the negative electrode, that is, the area sandwiched between the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold. The electrode area that can be favorably involved in power generation can be increased, and power can be generated more efficiently. In a fuel cell using hydrogen as a fuel, water generated during power generation and water contained in the fuel may stay in the negative electrode and hinder the subsequent power generation reaction. By arranging the manifold as described above, the fuel flows in a straight line from the fuel supply manifold to the fuel discharge manifold at almost all points of the negative electrode. Can be discharged to the outside well, and a decrease in power generation efficiency due to water remaining in the negative electrode can be suppressed.

セパレータ10の一方の主面(上面)は、図6Aに示したように平面状である。他方の主面(下面)には、図6Cに示したように、平面視で四角形を構成する4辺のうちの、燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12が近傍に形成された対向する2辺とは別の2辺を直線状に繋ぐ複数の酸化剤ガス流路13が、互いに平行または略平行に形成されている。酸化剤ガス流路13は溝状であり、隣り合う酸化剤ガス流路13間には、リブ14が存在している。なお、図6Cでは、酸化剤ガス流路13とリブ14とを識別しやすくするために、酸化剤ガス流路13を、ドットを入れて示している。セパレータに係る酸化剤ガス流路における「互いに平行または略平行」とは、基本的には、各酸化剤ガス流路は互いに平行に形成されるが、多少平行からずれている場合であっても、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、許容される意味である。   One main surface (upper surface) of the separator 10 is planar as shown in FIG. 6A. On the other main surface (lower surface), as shown in FIG. 6C, of the four sides forming a quadrangle in plan view, the two opposite sides where the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 are formed in the vicinity A plurality of oxidant gas passages 13 connecting two other sides in a straight line are formed in parallel or substantially parallel to each other. The oxidant gas flow path 13 has a groove shape, and ribs 14 exist between adjacent oxidant gas flow paths 13. In FIG. 6C, the oxidant gas flow path 13 is shown with dots in order to make it easy to distinguish the oxidant gas flow path 13 and the rib 14. In the oxidant gas flow path related to the separator, “parallel to or substantially parallel to each other” basically means that the oxidant gas flow paths are formed in parallel to each other, but even if they are slightly deviated from parallel. In the range that does not impair the effects of the present invention, it is acceptable.

セパレータ10の酸化剤ガス流路13方向の長さ(図6A及び図6C中、縦方向の長さ)は、電極面積を十分に確保する観点から、10mm以上であることが好ましい。また、上記の通り、酸化剤ガス流路13を通過するガスは、例えば、酸素(酸化剤ガス)の供給源となる他、冷却媒体としても機能させることができるが、セパレータ10の酸化剤ガス流路方向の長さが長すぎると、燃料電池の発電時における発熱を、酸化剤ガス流路を通過するガスによって十分に冷却できない虞がある。そのため、セパレータ10の酸化剤ガス流路13方向の長さは、100mm以下であることが好ましい。   The length of the separator 10 in the direction of the oxidant gas flow path 13 (the length in the vertical direction in FIGS. 6A and 6C) is preferably 10 mm or more from the viewpoint of ensuring a sufficient electrode area. In addition, as described above, the gas passing through the oxidant gas flow path 13 can serve as a cooling medium in addition to being a supply source of oxygen (oxidant gas), for example. If the length in the flow path direction is too long, the heat generated during power generation of the fuel cell may not be sufficiently cooled by the gas passing through the oxidant gas flow path. Therefore, the length of the separator 10 in the direction of the oxidant gas flow path 13 is preferably 100 mm or less.

セパレータ10における燃料供給マニホールド11と燃料排出マニホールド12との間の距離(最短の距離。燃料供給マニホールド11と燃料排出マニホールド12との間の距離について、以下同じ。)は、電極面積を十分に確保する観点から、10mm以上であることが好ましい。また、燃料供給マニホールド11と燃料排出マニホールド12との間の距離が長すぎると、燃料流路が長くなって、燃料流通の圧損が大きくなることがある。そのため、セパレータ10における燃料供給マニホールド11と燃料排出マニホールド12との間の距離は、300mm以下であることが好ましい。   The distance between the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 in the separator 10 (the shortest distance; the same applies hereinafter for the distance between the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12) ensures a sufficient electrode area. It is preferable that it is 10 mm or more from a viewpoint to do. Further, if the distance between the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 is too long, the fuel flow path may become long and the fuel flow pressure loss may increase. Therefore, the distance between the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 in the separator 10 is preferably 300 mm or less.

セパレータ10における燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12の幅(図6A及び図6C中、横方向の長さ)は、燃料流通時の圧損を小さくするためには、後述するガスシール性を確保できる範囲でできる限り大きくすることが好ましい。   The width of the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 in the separator 10 (the length in the lateral direction in FIGS. 6A and 6C) can secure a gas sealing property to be described later in order to reduce the pressure loss during fuel flow. It is preferable to make it as large as possible within the range.

燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12は、上述したように、平面視での形状が四角形であるセパレータ10の4辺のうちの対向する2辺の近傍にそれぞれ設けられるが、具体的には、燃料供給マニホールド11は、図6A及び図6C中で、後述するガスシール性を確保できる範囲で、左側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるように配置することが好ましい。また、燃料排出マニホールド12も、図6A及び図6C中で、後述するガスシール性を確保できる範囲で、右側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるようにすることが好ましい。   As described above, the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 are respectively provided in the vicinity of two opposite sides of the four sides of the separator 10 having a quadrangular shape in plan view. 6A and 6C, the fuel supply manifold 11 is preferably arranged so that the distance from the vertical side on the left side is as short as possible within a range in which gas sealability described later can be secured. In addition, it is preferable that the fuel discharge manifold 12 be as short as possible from the vertical side on the right side within the range in which gas sealing performance described later can be secured in FIGS. 6A and 6C.

本発明の燃料電池において、MEAを構成する正極、負極及び固体高分子電解質膜に形成する燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドは、上述したように、セパレータの燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドの存在位置に相当する箇所に配置する。これにより、セパレータ及びMEAに形成された燃料供給マニホールドが重なり、また、セパレータ及びMEAに形成された燃料排出マニホールドが重なることで、燃料電池の厚み方向(セパレータ及びMEAの積層方向)に燃料流路が形成される。   In the fuel cell of the present invention, the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold formed on the positive electrode, the negative electrode, and the solid polymer electrolyte membrane constituting the MEA are located at the positions where the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold of the separator exist as described above. Place in the corresponding place. Thereby, the fuel supply manifold formed in the separator and the MEA overlaps, and the fuel discharge manifold formed in the separator and the MEA overlaps, so that the fuel flow path in the thickness direction of the fuel cell (separator and MEA stacking direction). Is formed.

MEAに形成される燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールド、並びにセパレータに形成される燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドの形成位置の決定に当たっては、後述する正極ガスシール及び負極ガスシールの幅を考慮することが好ましい。   In determining the fuel supply manifold and fuel discharge manifold formed in the MEA, and the formation positions of the fuel supply manifold and fuel discharge manifold formed in the separator, the widths of the positive electrode gas seal and the negative electrode gas seal described later should be considered. preferable.

酸化剤ガス流路13の幅(図6B及び図6C中、横方向の長さ)は、ガスの流通をより良好にする観点から、0.5mm以上とすることが好ましく、また、セパレータ10の強度低下を抑制する観点から、5mm以下とすることが好ましい。   The width of the oxidant gas channel 13 (the length in the lateral direction in FIGS. 6B and 6C) is preferably 0.5 mm or more from the viewpoint of improving the gas flow. From the viewpoint of suppressing the strength reduction, the thickness is preferably 5 mm or less.

酸化剤ガス流路13の高さ(溝の深さ)は、ガスの流通をより良好にする観点から、0.5mm以上とすることが好ましく、また、セパレータ10の厚みの増大を抑制する観点から、5mm以下とすることが好ましい。   The height of the oxidant gas flow path 13 (depth of the groove) is preferably 0.5 mm or more from the viewpoint of improving the gas flow, and also suppresses the increase in the thickness of the separator 10. From the above, it is preferable to be 5 mm or less.

隣り合う酸化剤ガス流路13間に存在するリブ14の幅(図6B及び図6C中、横方向の長さ)は、セパレータ10の強度低下を抑制する観点から、0.5mm以上とすることが好ましく、また、酸化剤ガス流路13でのガスの流通を良好にする観点から、5mm以下とすることが好ましい。   The width of the rib 14 (the length in the horizontal direction in FIGS. 6B and 6C) between the adjacent oxidant gas flow paths 13 is 0.5 mm or more from the viewpoint of suppressing the strength reduction of the separator 10. From the viewpoint of improving the gas flow in the oxidant gas flow path 13, it is preferably 5 mm or less.

酸化剤ガス流路13部分の最薄部の厚み(図6Bでは、セパレータ10の下面に形成された溝状の酸化剤ガス流路13の天面からセパレータ10の上面までの長さ)は、セパレータ10の強度を確保して、割れ、ゆがみなどを防止する観点から、0.2mm以上とすることが好ましく、また、セパレータ10の厚みの増大を抑制する観点から、5mm以下であることが好ましい。   The thickness of the thinnest part of the oxidant gas channel 13 portion (in FIG. 6B, the length from the top surface of the groove-like oxidant gas channel 13 formed on the lower surface of the separator 10 to the upper surface of the separator 10) is From the viewpoint of ensuring the strength of the separator 10 and preventing cracking, distortion, etc., it is preferably 0.2 mm or more, and from the viewpoint of suppressing an increase in the thickness of the separator 10, it is preferably 5 mm or less. .

セパレータ10の材質としては、電子伝導性及び耐食性の高いものであれば特に制限は無いが、例えば、黒鉛、カーボンと樹脂との混練物、ステンレス鋼、ステンレス鋼に金や白金をメッキしたもの、チタン、チタンに金や白金をメッキしたもの、ステンレス鋼−銅クラッド、ステンレス鋼−銅クラッドに金や白金をメッキしたものなどが好適である。   The material of the separator 10 is not particularly limited as long as it has high electron conductivity and corrosion resistance. For example, graphite, a mixture of carbon and resin, stainless steel, stainless steel plated with gold or platinum, Preferred are titanium, titanium plated with gold or platinum, stainless steel-copper clad, stainless steel-copper clad plated with gold or platinum, and the like.

図7は、図4及び図5に示すMEA20を構成する、正極触媒層22、固体高分子電解質膜23及び負極触媒層24の積層体20aの一例を示す概略構成図である。図7Aは平面図、図7Bは図7AにおけるIII−III線断面図である。   FIG. 7 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a stacked body 20 a of the positive electrode catalyst layer 22, the solid polymer electrolyte membrane 23, and the negative electrode catalyst layer 24 that constitute the MEA 20 illustrated in FIGS. 4 and 5. 7A is a plan view, and FIG. 7B is a sectional view taken along line III-III in FIG. 7A.

積層体20aを構成する、正極触媒層22と固体高分子電解質膜23と負極触媒層24とは、図7に示すように平面視で同一形状であることが好ましい。これにより、正極触媒層22と固体高分子電解質膜23と負極触媒層24とで構成される積層体20aの全面で厚みを均一にできるため、正負極の拡散層及び正負極のガスシールを介したセパレータ(MEAの上下面に配置される2枚のセパレータ)による締め付けが均一になり、ガス漏れをより良好に抑制できるようになる。また、MEAの製造時において、固体高分子電解質膜23を挟んで正極触媒層22と負極触媒層24との位置を精度よく決定する必要もなくなるため、MEAの製造、ひいては燃料電池の製造がより容易となり、その生産性を高めることができる。   The positive electrode catalyst layer 22, the solid polymer electrolyte membrane 23, and the negative electrode catalyst layer 24 constituting the laminate 20a preferably have the same shape in plan view as shown in FIG. Thereby, the thickness of the laminate 20a composed of the positive electrode catalyst layer 22, the solid polymer electrolyte membrane 23, and the negative electrode catalyst layer 24 can be made uniform, so that the positive and negative electrode diffusion layers and the positive and negative electrode gas seals are interposed. The tightening by the separators (two separators disposed on the upper and lower surfaces of the MEA) becomes uniform, and gas leakage can be suppressed more favorably. Further, when the MEA is manufactured, there is no need to accurately determine the positions of the positive electrode catalyst layer 22 and the negative electrode catalyst layer 24 with the solid polymer electrolyte membrane 23 interposed therebetween. It becomes easy and the productivity can be increased.

また、積層体20aは平面視での形状が四角形であり、上記四角形を構成する4辺のうちの1辺の近傍に燃料供給マニホールド201が形成され、上記1辺に対向する1辺の近傍に燃料排出マニホールド202が形成されている。   The laminate 20a has a quadrangular shape in plan view, and a fuel supply manifold 201 is formed in the vicinity of one of the four sides constituting the quadrangle, and in the vicinity of one side facing the one side. A fuel discharge manifold 202 is formed.

図8は、図4に示す正極拡散層21及び正極ガスシール30の一例を示す概略構成図である。図8Aは平面図、図8Bは図8AにおけるIV−IV線断面図である。   FIG. 8 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the positive electrode diffusion layer 21 and the positive electrode gas seal 30 illustrated in FIG. 4. 8A is a plan view, and FIG. 8B is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 8A.

正極拡散層21は、上記の通り、セパレータの酸化剤ガス流路形成面の全面を覆うように配置される。この正極拡散層21は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形を構成する4辺のうち、セパレータの酸化剤ガス流路と平行または略平行な2辺(図8A中、縦の2辺)の外側に、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシール30が配置されている。そのため、セパレータの酸化剤ガス流路の開口端に相当する位置に正極ガスシール30が存在せず、固体高分子電解質膜の、燃料による圧力や水分によって生じ得る膨張収縮の応力を緩和することができる。   As described above, the positive electrode diffusion layer 21 is disposed so as to cover the entire surface of the separator on which the oxidizing gas channel is formed. The positive electrode diffusion layer 21 has a quadrangular shape in plan view, and two of the four sides constituting the quadrangle are parallel or substantially parallel to the oxidant gas flow path of the separator (vertical 2 in FIG. 8A). The positive electrode gas seal 30 for suppressing the outflow of the fuel gas is disposed outside the side. Therefore, the positive electrode gas seal 30 does not exist at the position corresponding to the open end of the oxidant gas flow path of the separator, and the stress of expansion and contraction of the solid polymer electrolyte membrane that can be caused by pressure or moisture due to fuel can be relieved. it can.

また、正極ガスシール30には、燃料供給マニホールド31及び燃料排出マニホールド32が形成されている。   In addition, a fuel supply manifold 31 and a fuel discharge manifold 32 are formed in the positive electrode gas seal 30.

正極拡散層21と正極ガスシール30との界面の位置は、セパレータの酸化剤ガス流路の形成面よりも長手方向外側(燃料供給マニホールド側及び燃料排出マニホールド側)に相当する位置であることが好ましい。上記界面がセパレータの酸化剤ガス流路に相当する位置や、酸化剤ガス流路とこれに隣り合う酸化剤ガス流路との間に相当するリブの位置に存在していた場合、ガスシール性が低下する虞がある。   The position of the interface between the positive electrode diffusion layer 21 and the positive electrode gas seal 30 may be a position corresponding to the outer side in the longitudinal direction (the fuel supply manifold side and the fuel discharge manifold side) with respect to the formation surface of the oxidant gas flow path of the separator. preferable. If the interface exists at a position corresponding to the oxidant gas flow path of the separator or at a position corresponding to a rib between the oxidant gas flow path and the oxidant gas flow path adjacent thereto, the gas sealing property May decrease.

正極ガスシール30の幅(図8A中、aやbの長さ)は、ガスシール性をより良好にする観点からは、0.5mm以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、5mm以下であることが好ましい。   The width of the positive electrode gas seal 30 (the length of a and b in FIG. 8A) is preferably 0.5 mm or more from the viewpoint of improving the gas sealability, and also reduces the loss of the electrode area. From the viewpoint of doing, it is preferably 5 mm or less.

正極拡散層21の厚みは、100〜1000μmであることが好ましい。また、正極ガスシール30の厚みは、50〜1000μmであることが好ましい。   The thickness of the positive electrode diffusion layer 21 is preferably 100 to 1000 μm. Moreover, it is preferable that the thickness of the positive electrode gas seal 30 is 50-1000 micrometers.

図9は、図4に示す負極拡散層25及び負極ガスシール40の一例を示す概略構成図である。図9Aは平面図、図9Bは図9AにおけるV−V線断面図である。   FIG. 9 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the negative electrode diffusion layer 25 and the negative electrode gas seal 40 illustrated in FIG. 4. 9A is a plan view, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 9A.

負極拡散層25は、上記の通り、セパレータの平板面(酸化剤ガス流路の形成面とは反対側の面)と接するように配置される。この負極拡散層25は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形の外周外側に、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール40が配置されている。また、上記四角形を構成する4辺のうちの1辺(図9A中、左側の縦の辺)と負極ガスシール40とで燃料供給マニホールド41が形成され、上記1辺に対向する1辺(図9A中右側の縦の辺)と負極ガスシール40とで燃料排出マニホールド42が形成されている。   As described above, the negative electrode diffusion layer 25 is disposed so as to be in contact with the flat plate surface of the separator (the surface on the side opposite to the surface on which the oxidizing gas channel is formed). The negative electrode diffusion layer 25 has a quadrangular shape in plan view, and a negative electrode gas seal 40 for suppressing the outflow of fuel gas is disposed outside the outer periphery of the square. A fuel supply manifold 41 is formed by one of the four sides constituting the quadrangle (the vertical side on the left side in FIG. 9A) and the negative gas seal 40, and one side (see FIG. A fuel discharge manifold 42 is formed by the vertical side) of 9A and the negative electrode gas seal 40.

負極拡散層25としては、上述の通り、その内部に、燃料ガスが流通可能な孔を有する材料で構成することが一般的であるが、本実施形態では、負極拡散層25、負極ガスシール40、燃料供給マニホールド41及び燃料排出マニホールド42を上記のように配置することで、負極拡散層25の全体に、燃料供給マニホールド41から燃料排出マニホールド42へ向かう燃料流路が形成されることになる。そのため、例えば、負極内に水分量の多い燃料が供給された場合や、発電に伴って水が生成するなどして負極内に水が溜まった場合にも、これを良好に排出することができるようになる。   As described above, the negative electrode diffusion layer 25 is generally made of a material having pores through which fuel gas can flow, but in this embodiment, the negative electrode diffusion layer 25 and the negative electrode gas seal 40 are used. By arranging the fuel supply manifold 41 and the fuel discharge manifold 42 as described above, a fuel flow path from the fuel supply manifold 41 to the fuel discharge manifold 42 is formed in the entire negative electrode diffusion layer 25. For this reason, for example, when a fuel with a large amount of water is supplied into the negative electrode or when water is accumulated in the negative electrode due to power generation, the water can be discharged well. It becomes like this.

なお、負極拡散層25には、必ずしも燃料流路を形成する必要はない。燃料流路を形成しない場合には、負極拡散層25の一方の主面(図4では、下面)の全面がセパレータ10(図4)と接することになるため、電気的な接触抵抗を最小限に抑えることが可能となる。他方、例えば、燃料ガスの供給圧が比較的高い場合には、負極拡散層の破損の虞もあるため、負極拡散層25の他方の主面(図4では、上面)に、燃料供給マニホールド41と燃料排出マニホールド42とを直線状に繋ぐ溝状の燃料流路を、好ましくは複数平行または略平行に形成して、負極拡散層の破損を抑制することもできる。   Note that it is not always necessary to form a fuel flow path in the negative electrode diffusion layer 25. When the fuel flow path is not formed, the entire surface of one main surface (the lower surface in FIG. 4) of the negative electrode diffusion layer 25 is in contact with the separator 10 (FIG. 4), so that the electrical contact resistance is minimized. It becomes possible to suppress to. On the other hand, for example, when the supply pressure of the fuel gas is relatively high, the negative electrode diffusion layer may be damaged. Therefore, the fuel supply manifold 41 is provided on the other main surface (upper surface in FIG. 4) of the negative electrode diffusion layer 25. It is also possible to form a plurality of groove-like fuel passages that connect the fuel discharge manifold 42 and the fuel discharge manifold 42 in parallel or substantially in parallel to prevent damage to the negative electrode diffusion layer.

負極ガスシール40の幅(図9A中、cやdの長さ)は、ガスシール性をより良好にする観点からは、0.5mm以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、5mm以下であることが好ましい。   The width of the negative electrode gas seal 40 (the length of c and d in FIG. 9A) is preferably 0.5 mm or more from the viewpoint of improving the gas sealability, and also reduces the loss of the electrode area. From the viewpoint of doing, it is preferably 5 mm or less.

負極拡散層25の厚みは、100〜1000μmであることが好ましい。また、負極ガスシール40の厚みは、50〜1000μmであることが好ましい。   The thickness of the negative electrode diffusion layer 25 is preferably 100 to 1000 μm. Moreover, it is preferable that the thickness of the negative electrode gas seal 40 is 50-1000 micrometers.

本実施形態では、正極拡散層及び負極拡散層は、多孔性の電子導電性材料で構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。正極拡散層の正極触媒層側の面、及び負極拡散層の負極触媒層側の面には、更なる撥水性向上及び触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子(PTFE樹脂粒子など)を含む炭素粉末のペーストを塗布してもよい。   In this embodiment, the positive electrode diffusion layer and the negative electrode diffusion layer are made of a porous electronic conductive material, and for example, a porous carbon sheet subjected to a water repellent treatment is used. Fluorine resin particles (such as PTFE resin particles) are provided on the surface of the positive electrode diffusion layer on the side of the positive electrode catalyst layer and on the surface of the negative electrode diffusion layer on the side of the negative electrode catalyst layer for the purpose of further improving water repellency and improving contact with the catalyst layer. You may apply the paste of carbon powder containing.

また、正極ガスシール及び負極ガスシールの材質には、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、PTFEフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。   As materials for the positive electrode gas seal and the negative electrode gas seal, various materials known as sealing materials in the field of fuel cells, for example, silicon rubber, ethylene-propylene-diene rubber, PTFE film, polyimide film, and the like can be used.

本発明の燃料電池では、燃料電池を構成するMEAにおいて、正極と負極とを、例えば、抵抗及びスイッチを介してリード体などで接続するなどして、導通可能なように構成していることが好ましい。このような構成のMEAを有する燃料電池では、燃料電池による発電の終了時に、上記のスイッチを入れるなどしてMEAに係る正極と負極とを短絡させて、燃料電池内に残留する水素などの燃料を消費することができる。そのため、燃料電池による発電の終了時に燃料電池内に残留する燃料による燃料電池の劣化を抑制することができる。   In the fuel cell of the present invention, in the MEA constituting the fuel cell, the positive electrode and the negative electrode may be configured to be electrically connected, for example, by connecting them with a lead body through a resistor and a switch. preferable. In the fuel cell having the MEA having such a configuration, when the power generation by the fuel cell is finished, the positive electrode and the negative electrode related to the MEA are short-circuited by, for example, turning on the above-described fuel, and the fuel such as hydrogen remaining in the fuel cell. Can be consumed. Therefore, deterioration of the fuel cell due to fuel remaining in the fuel cell at the end of power generation by the fuel cell can be suppressed.

燃料電池に係るMEAにおいて、正極と負極とを、上記のように抵抗を介して導通可能なように構成する場合、かかる抵抗としては、例えば、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池の停止後、MEAの正極−負極間の電圧が0.1V以下となるのに要する時間が1分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗を用いなくても、このような時間でMEAの正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。   In the MEA related to the fuel cell, when the positive electrode and the negative electrode are configured to be able to conduct through the resistance as described above, for example, in the fuel cell power generation system, after the fuel cell is stopped, the MEA What is necessary is just to use what has a resistance value that the time required for the voltage between the positive electrode and the negative electrode to become 0.1 V or less within 1 minute, and without using a resistor, the MEA can be used in such a time. As long as the voltage between the positive electrode and the negative electrode can be lowered as described above, the connection may be made by connecting with a lead body or the like only through a switch without using a resistor.

燃料電池を構成するMEAに係る正極触媒層は、正極拡散層を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂などのバインダをさらに含有していてもよい。   The positive electrode catalyst layer related to the MEA constituting the fuel cell has a function of reducing oxygen diffused through the positive electrode diffusion layer. The positive electrode catalyst layer contains, for example, a carbon powder carrying a catalyst (catalyst-carrying carbon powder) and a proton conductive material. Moreover, you may further contain binders, such as resin, as needed.

正極触媒層が含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、上記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム及び金よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。   The catalyst contained in the positive electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can reduce oxygen, and examples thereof include platinum fine particles. The catalyst may be fine particles composed of an alloy of platinum and at least one metal element selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, tin, ruthenium and gold.

触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、BET比表面積が10〜2000m2/gであり、平均粒子径が20〜100nmのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への上記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。 As the carbon powder as the catalyst carrier, for example, carbon black having a BET specific surface area of 10 to 2000 m 2 / g and an average particle diameter of 20 to 100 nm is used. The catalyst can be supported on the carbon powder by, for example, a colloid method.

上記炭素粉末と上記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末100質量部に対して、触媒が5〜400質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法(例えば、コロイド法)で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが上記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。   As a content ratio of the carbon powder and the catalyst, for example, the catalyst is preferably 5 to 400 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon powder. This is because such a content ratio can constitute a positive electrode catalyst layer having sufficient catalytic activity. In addition, for example, when the catalyst-supported carbon powder is produced by a method of depositing the catalyst on the carbon powder (for example, a colloid method), the catalyst diameter is as long as the carbon powder and the catalyst have the above content ratio. This is because it does not become too large and sufficient catalytic activity is obtained.

正極触媒層に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。   The proton conductive material contained in the positive electrode catalyst layer is not particularly limited. For example, a resin having a sulfonic acid group such as a polyperfluorosulfonic acid resin, a sulfonated polyether sulfonic acid resin, or a sulfonated polyimide resin is used. be able to. Specific examples of the polyperfluorosulfonic acid resin include “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, “Flemion (registered trademark)” manufactured by Asahi Glass, and “Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd. Or the like.

正極触媒層におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、2〜200質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が上記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。   The content of the proton conductive material in the positive electrode catalyst layer is preferably 2 to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst-supporting carbon powder. If the proton conductive material is contained in the above amount, sufficient proton conductivity is obtained in the positive electrode catalyst layer, and the electric resistance value does not become too large, and a fuel cell with good battery performance can be obtained. It is.

正極触媒層に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(E/TFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)及びポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体及びエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などが用いることができる。   The binder for the positive electrode catalyst layer is not particularly limited. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), fluoropolymers such as tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (E / TFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyethylene, polypropylene, nylon, polystyrene, polyester, Non-fluorinated resins such as ionomer, butyl rubber, ethylene / vinyl acetate copolymer, ethylene / ethyl acrylate copolymer and ethylene / acrylic acid copolymer can be used.

正極触媒層におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、0.01〜100質量部であることが好ましい。バインダが上記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。   The binder content in the positive electrode catalyst layer is preferably 0.01 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst-supporting carbon powder. This is because if the binder is contained in the above-mentioned amount, sufficient binding properties can be obtained for the positive electrode catalyst layer, and the electric resistance value does not become too large, and a fuel cell with good battery performance can be obtained.

正極触媒層の厚みは、1〜50μmであることが好ましい。   The thickness of the positive electrode catalyst layer is preferably 1 to 50 μm.

負極触媒層は、負極拡散層を介して拡散してきた水素などの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂などのバインダをさらに含有していてもよい。   The negative electrode catalyst layer has a function of oxidizing a fuel such as hydrogen diffused through the negative electrode diffusion layer. The negative electrode catalyst layer contains, for example, a carbon powder carrying a catalyst (catalyst-carrying carbon powder) and a proton conductive material. Moreover, you may further contain binders, such as resin, as needed.

負極触媒層に係る触媒は、水素などの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層に係る触媒として例示した上記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダについても、正極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダとして例示した上記の各材料を用いることができる。   The catalyst related to the negative electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can oxidize a fuel such as hydrogen. For example, each of the catalysts exemplified as the catalyst related to the positive electrode catalyst layer can be used. As for the carbon powder, proton conductive material, and binder related to the negative electrode catalyst layer, the above-described materials exemplified as the carbon powder, proton conductive material, and binder related to the positive electrode catalyst layer can be used.

負極触媒層の厚みは、1〜50μmであることが好ましい。   The thickness of the negative electrode catalyst layer is preferably 1 to 50 μm.

固体高分子電解質膜は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜の材料として用いることができる。   The solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is made of a material that can transport protons and does not exhibit electronic conductivity. Examples of materials that can constitute the solid polymer electrolyte membrane include polyperfluorosulfonic acid resin, specifically, “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, and “Flemion (registered trademark)” manufactured by Asahi Glass. “Aciplex (trade name)” manufactured by Asahi Kasei Corporation. In addition, sulfonated polyether sulfonic acid resin, sulfonated polyimide resin, sulfuric acid-doped polybenzimidazole, and the like can also be used as the material for the solid polymer electrolyte membrane.

固体高分子電解質膜の厚みは、5〜150μmであることが好ましい。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane is preferably 5 to 150 μm.

(実施形態2)
本実施形態2では、本発明の燃料電池システムの他の例について説明する。図10は、本実施形態の燃料電池システムの概略斜視図を示す。図10において、図1及び図2と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態1と異なる点は、供給用送気部91及び排出用送気部90をそれぞれ複数(ここでは2つずつ)設置した点である。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, another example of the fuel cell system of the present invention will be described. FIG. 10 is a schematic perspective view of the fuel cell system of the present embodiment. 10, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The difference from the first embodiment is that a plurality (two in this case) of the supply air supply section 91 and the discharge air supply section 90 are provided.

本実施形態では、2つの供給用送気部91、91及び2つの排出用送気部90、90をそれぞれ制御可能である。例えば、燃料電池100の負極側に供給する燃料が少ない場合、図10に示す2つの供給用送気部91及び2つの排出用送気部90のうち、それぞれ1つずつ停止させることにより、正極側へ供給される酸化剤ガスの供給量を抑えて発電させることができる。   In the present embodiment, the two supply air supply units 91 and 91 and the two discharge air supply units 90 and 90 can be controlled. For example, when the amount of fuel supplied to the negative electrode side of the fuel cell 100 is small, the positive electrode can be stopped by stopping each one of the two supply air supply units 91 and the two discharge air supply units 90 shown in FIG. Electricity can be generated by suppressing the supply amount of the oxidant gas supplied to the side.

このように、複数の供給用送気部91及び複数の排出用送気部90をそれぞれ制御することで、燃料電池100の発電状態に応じて送気量を調整することができる。また、供給用送気部及び排出用送気部に使用する電力も抑えることができる。さらに、図10のような直方体形状の燃料電池100を用いる場合、セル全体に均一に酸化剤ガスを送気する場合においても有利である。   In this way, by controlling each of the plurality of supply air supply units 91 and the plurality of discharge air supply units 90, the air supply amount can be adjusted according to the power generation state of the fuel cell 100. Moreover, the electric power used for the supply air supply part and the discharge air supply part can also be suppressed. Furthermore, when the rectangular parallelepiped fuel cell 100 as shown in FIG. 10 is used, it is advantageous even when the oxidant gas is uniformly supplied to the entire cell.

(実施形態3)
本実施形態3では、本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムの一例を説明する。図11は、本実施形態の燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, an example of a fuel cell power generation system using the fuel cell system of the present invention will be described. FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example of the fuel cell power generation system of the present embodiment.

本実施形態の燃料電池発電システムは、上記実施形態1の燃料電池システム101と、燃料電池100の燃料となる水素を製造する水素製造装置600と、燃料電池100内の燃料ガスをシステム外に排出する排気手段(符号は付していない)とを備えている。以下に、各構成要素について詳細に説明する。   The fuel cell power generation system according to the present embodiment includes the fuel cell system 101 according to the first embodiment, the hydrogen production apparatus 600 that produces hydrogen as the fuel of the fuel cell 100, and the fuel gas in the fuel cell 100 discharged outside the system. Exhaust means (not denoted by reference numerals). Below, each component is demonstrated in detail.

<燃料電池システム>
本実施形態における燃料電池システム101については、上記実施形態1において図1〜図9を用いて説明したので、ここでは説明を省略する。図11において、破線矢印は、排出用送気部90及び供給用送気部91により送気されるガスの流れ方向を示している。
<Fuel cell system>
The fuel cell system 101 according to the present embodiment has been described with reference to FIGS. 1 to 9 in the first embodiment, and thus description thereof is omitted here. In FIG. 11, broken line arrows indicate the flow direction of the gas supplied by the discharge air supply unit 90 and the supply air supply unit 91.

<水素製造装置>
本実施形態における水素製造装置600は、水素発生物質604を収容した水素発生物質収容容器603と、水602を収容した水収容容器601と、水収容容器601内の水602を水素発生物質収容容器603に輸送する輸送部としての例えばポンプ201と、気液混合流体を水素を含む気体と水とに分離する気液分離容器800と、気液分離容器800により気液混合流体から分離された水を水収容容器601に回収するための三方バルブ401とを備えている。この水素製造装置600は、水素発生物質604と水602とを発熱反応させることにより水素を製造する。この水素は、配管503、504及び505からなる燃料流路を経て燃料電池100に供給され、燃料として用いられる。
<Hydrogen production equipment>
The hydrogen production apparatus 600 according to the present embodiment includes a hydrogen generating substance storage container 603 that stores a hydrogen generating substance 604, a water storage container 601 that stores water 602, and water 602 in the water storage container 601. For example, a pump 201 serving as a transport unit for transporting to 603, a gas-liquid separation container 800 for separating the gas-liquid mixed fluid into a gas containing hydrogen and water, and water separated from the gas-liquid mixed fluid by the gas-liquid separation container 800 And a three-way valve 401 for collecting the water in the water storage container 601. The hydrogen production apparatus 600 produces hydrogen by causing an exothermic reaction between the hydrogen generating material 604 and the water 602. This hydrogen is supplied to the fuel cell 100 through the fuel flow path composed of the pipes 503, 504, and 505 and used as fuel.

水素発生物質収容容器603は、水素を発生させる水素発生物質604を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ120℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。   The material and shape of the hydrogen generating substance storage container 603 are not particularly limited as long as the hydrogen generating substance 604 that generates hydrogen can be stored. However, a material and shape that do not allow water or hydrogen to leak are preferable. As a specific material for the container, a material that is difficult to permeate water and hydrogen and that does not break even when heated to about 120 ° C. is preferable. For example, a metal such as aluminum or iron, a resin such as polyethylene or polypropylene is used. Can be used. Further, as the shape of the container, a prismatic shape, a cylindrical shape or the like can be adopted.

水収容容器601については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置に使用されているものと同様の水を収容するタンクなどが採用できる。   There is no restriction | limiting in particular about the water storage container 601, For example, the tank etc. which accommodate the water similar to what is used for the conventional hydrogen production apparatus are employable.

水素発生物質収容容器603及び水収容容器601は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生物質収容容器603内の水素発生物質604が消費されつくしたり、水収容容器601内の水602がなくなったりした場合に、これらを取り外し、所定量の水素発生物質604が充填された水素発生物質収容容器603や、所定量の水602が充填された水収容容器601を新たに取り付けることで、再び水素を製造できる。   The hydrogen generating substance storage container 603 and the water storage container 601 may be detachable. As a result, when the hydrogen generating material 604 in the hydrogen generating material storage container 603 is completely consumed or when the water 602 in the water storage container 601 is exhausted, these are removed, and a predetermined amount of the hydrogen generating material 604 is filled. Hydrogen can be produced again by newly attaching the hydrogen generating substance storage container 603 and the water storage container 601 filled with a predetermined amount of water 602.

水収容容器601に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液など、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生物質との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。   The water stored in the water storage container 601 may be a liquid containing at least water, such as neutral water, an acidic aqueous solution, or an alkaline aqueous solution, and a suitable one is selected according to the reactivity with the hydrogen generating material used. do it.

水素発生物質収容容器603に収容する水素発生物質604としては、特に制限はないが、水と120℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものが望ましい。水素発生物質としては、例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の一種以上の元素を主体とする合金、さらには、金属水素化物などが好適に使用できる。上記合金を用いる場合、主体となる元素以外の金属成分は特に限定されない。主体となる元素とは、合金全体に対して50質量%以上、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上含有されている元素のことを意味する。   Although there is no restriction | limiting in particular as the hydrogen generating substance 604 accommodated in the hydrogen generating substance storage container 603, The thing which can generate hydrogen by reacting at a low temperature of 120 degrees C or less with water is desirable. As the hydrogen generating substance, for example, a metal such as aluminum, silicon, zinc, and magnesium, an alloy mainly composed of one or more elements of aluminum, silicon, zinc, and magnesium, and a metal hydride are preferable. Can be used. When the above alloy is used, metal components other than the main element are not particularly limited. The main element means an element contained in an amount of 50% by mass or more, preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more based on the entire alloy.

上記の金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、反応性を高めるためには、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質粒子の平均粒径は、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。また、粒子形状は、反応効率を高めるためにフレークであることが好ましい。粒径が小さすぎると、嵩密度が小さくなり、充填密度が低下するだけでなく、取り扱いが困難になるため、水素発生物質の粒径は、0.1μm以上とすることが好ましい。   The hydrogen generating material composed of the above metal or alloy is stabilized by forming an oxide film on the surface. For this reason, in order to increase the reactivity, it is preferable to make the particle size of the hydrogen generating material as small as possible and increase the reaction area. For example, the average particle diameter of the hydrogen generating substance particles is preferably 100 μm or less, and more preferably 50 μm or less. The particle shape is preferably flakes in order to increase reaction efficiency. If the particle size is too small, the bulk density is reduced, the packing density is lowered, and handling becomes difficult. Therefore, the particle size of the hydrogen generating material is preferably 0.1 μm or more.

上記平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックHRA」などを用いることができる。   As a method for measuring the average particle diameter, for example, a laser diffraction / scattering method or the like can be used. Specifically, this is a particle diameter distribution measurement method using a scattering intensity distribution detected by irradiating a measurement target substance dispersed in a liquid phase such as water with laser light. As a particle size distribution measuring apparatus using a laser diffraction / scattering method, for example, “Microtrack HRA” manufactured by Nikkiso Co., Ltd. can be used.

また、水素発生物質として用い得る金属水素化物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどが挙げられる。これらの金属水素化物は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては例えばPt、Niなどの金属や酸などを用いることができる。   Examples of the metal hydride that can be used as the hydrogen generating substance include sodium borohydride and potassium borohydride. These metal hydrides are relatively stable in an aqueous alkali solution, but when a catalyst is present, they can rapidly react with water to generate hydrogen. As the catalyst, for example, metals such as Pt and Ni, acids, and the like can be used.

水素発生物質は、上記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   As the hydrogen generating substance, those exemplified above may be used alone or in combination of two or more.

また、上記水素発生物質は、水との反応性を高めるため、水と混合された状態で加熱してもよく、加熱された水を供給してもよい。   In addition, the hydrogen generating material may be heated in a state of being mixed with water or supplied with heated water in order to increase the reactivity with water.

さらに、上記水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質(水素発生物質以外の物質)と共に用いることにより、低温(例えば5℃程度)の水を供給しても、上記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生が可能となる。   Furthermore, by using the hydrogen generating material together with a heat generating material that generates heat by reacting with water (a material other than the hydrogen generating material), the heat generation of the heat generating material can be achieved even when low temperature water (for example, about 5 ° C.) is supplied. As a result, the temperature in the reaction system is increased, and rapid hydrogen generation becomes possible.

水と反応して発熱する発熱物質としては、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなど、水との反応により水酸化物となるか、あるいは、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などが挙げられる。また、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなどの金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、上記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、上記の金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。   Examples of the exothermic substance that reacts with water and generates heat include, for example, calcium oxide, magnesium oxide, calcium chloride, magnesium chloride, calcium sulfate, or the like, which becomes a hydroxide by reaction with water, or generates heat by hydration. And alkali metal or alkaline earth metal oxides, chlorides, sulfuric acid compounds and the like. In addition, those that generate hydrogen by reaction with water, such as metal hydrides such as sodium borohydride, potassium borohydride, and lithium hydride, can be used as a hydrogen generating substance as described above. However, it can also be used as a heat generating material when the above metal or alloy is used as a hydrogen generating material.

特に、水素発生物質として、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、上記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として上記の金属水素化物を用いる場合には、上記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、さらに水素発生速度を高めてもよい。   In particular, when a metal such as aluminum, silicon, zinc, or magnesium or an alloy mainly composed of one or more elements selected from aluminum, silicon, zinc, and magnesium is used as the hydrogen generating substance, the above exothermic substance is used. It is preferable to use together. On the other hand, when the above metal hydride is used as the hydrogen generating material, hydrogen can be produced at a relatively good rate without using the above exothermic material. May be increased.

気液分離容器800は、気液混合流体を導入する導入管801、気液混合流体から分離された液体を排出する2つの排液管803及び804、気液混合流体から分離された気体を排出する排気管802を有する半球状の容器である。本実施形態では、気液分離容器800を設けることにより、燃料電池100に供給される水素を含む気体中の液体成分量を削減することができ、これにより、水分が供給されることによる燃料電池100の不具合を防止できる。図11において、排液管804は、配管510を介して水収容容器601に連結され、排液管803は、配管511、三方バルブ401、ポンプ201、配管501を介して水収容容器601に連結されている。導入管801は、配管503を介して水素発生物質収容容器603に連結されている。排気管802は、配管504、三方バルブ402、配管505を介して燃料電池100に連結されている。   The gas-liquid separation container 800 includes an introduction pipe 801 for introducing a gas-liquid mixed fluid, two drainage pipes 803 and 804 for discharging a liquid separated from the gas-liquid mixed fluid, and a gas separated from the gas-liquid mixed fluid It is a hemispherical container having an exhaust pipe 802. In the present embodiment, by providing the gas-liquid separation container 800, the amount of liquid components in the gas containing hydrogen supplied to the fuel cell 100 can be reduced, and thereby the fuel cell by supplying moisture. 100 troubles can be prevented. In FIG. 11, the drain pipe 804 is connected to the water container 601 via a pipe 510, and the drain pipe 803 is connected to the water container 601 via a pipe 511, a three-way valve 401, a pump 201, and a pipe 501. Has been. The introduction pipe 801 is connected to the hydrogen generating substance storage container 603 via the pipe 503. The exhaust pipe 802 is connected to the fuel cell 100 via a pipe 504, a three-way valve 402, and a pipe 505.

気液分離容器800としては、耐熱性及び耐腐食性に優れ、容器が変形しない不撓性材料からなるものであれば特に限定されないが、水や水素が漏れない材質や、50kPa程度の減圧及び加圧などの内圧変動に耐えうる構造がより好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ120℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、アクリル樹脂、硬質のポリプロピレンやポリエチレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、ここでは半球状としたが、他に角柱状、円柱状、球状などが採用できる。   The gas-liquid separation container 800 is not particularly limited as long as it is made of an inflexible material that has excellent heat resistance and corrosion resistance and does not deform the container. A structure that can withstand fluctuations in internal pressure such as pressure is more preferable. As a specific material of the container, a material that does not easily transmit water and hydrogen and that does not break even when heated to about 120 ° C. is preferable. For example, a metal such as aluminum or iron, an acrylic resin, a hard polypropylene, Resins such as polyethylene can be used. In addition, the shape of the container is hemispherical here, but other shapes such as a prismatic shape, a cylindrical shape, and a spherical shape can be adopted.

ここで、本実施形態の気液分離容器800の詳細な構成について図12を用いて説明する。図12は、本実施形態における気液分離容器800の内部の様子を示す概略透視図である。   Here, the detailed structure of the gas-liquid separation container 800 of this embodiment is demonstrated using FIG. FIG. 12 is a schematic perspective view showing the inside of the gas-liquid separation container 800 in the present embodiment.

図12において、排液管803及び804は、気液分離容器800の上面に配置され、気液分離容器800の内部から外部に延伸している。この排液管803及び804は、気液分離容器800の内部側に第1開口部(符号は付していない)を有し、液体を気液分離容器800の内部から外部に排出する。排液管803及び804の第1開口部にはそれぞれ、可撓性を有する吸水管805の末端部が接続されており、吸水管805の先端部には錘806が設けられている。吸水管805は、錘806の作用により曲がり、吸水管805の吸水口809は気液分離容器800内で重力方向に移動し、気液分離容器800がどのような方向に傾いても気液分離容器800内に貯留する液体と接触可能な状態となる。これにより、気液分離容器800の傾きに関わらず、気液分離容器800内に貯留する液体を吸い込んで排出できる。   In FIG. 12, drainage pipes 803 and 804 are disposed on the upper surface of the gas-liquid separation container 800 and extend from the inside of the gas-liquid separation container 800 to the outside. The drainage pipes 803 and 804 have a first opening (not labeled) on the inside of the gas-liquid separation container 800 and discharge the liquid from the inside of the gas-liquid separation container 800 to the outside. Each of the first openings of the drainage pipes 803 and 804 is connected to the end of a flexible water absorption pipe 805, and a weight 806 is provided at the tip of the water absorption pipe 805. The water absorption pipe 805 is bent by the action of the weight 806, and the water suction port 809 of the water absorption pipe 805 moves in the gravity direction in the gas-liquid separation container 800, so that the gas-liquid separation is performed regardless of the direction in which the gas-liquid separation container 800 is inclined. It will be in the state which can contact with the liquid stored in the container 800. FIG. Thereby, irrespective of the inclination of the gas-liquid separation container 800, the liquid stored in the gas-liquid separation container 800 can be sucked and discharged.

また、2つの吸水管805は、互いに絡まないように固定バンド810で固定されている。これにより、吸水管805の曲がる角度を制限し、吸水管805同士の絡みつきや、吸水管805と排液管803、804または吸気管807との絡みつきを抑制可能である。なお、上記絡みつきを抑制する効果は、固定バンド810に限定されるものではなく、複数の吸水管805を接続する他の機構によっても得ることができる。例えば、錘806が複数の吸水管805を固定する役割を兼ねるものであれば、固定バンド810の設置を省略でき、固定バンド810が外れるなどの問題を回避することもできる。   Further, the two water absorption pipes 805 are fixed by a fixing band 810 so as not to be entangled with each other. Thereby, the angle at which the water absorption pipe 805 bends is limited, and the entanglement between the water absorption pipes 805 and the entanglement between the water absorption pipe 805 and the drainage pipes 803 and 804 or the intake pipe 807 can be suppressed. In addition, the effect which suppresses the said entanglement is not limited to the fixed band 810, It can obtain also by the other mechanism which connects the some water absorption pipe | tube 805. FIG. For example, if the weight 806 also serves to fix the plurality of water absorption pipes 805, the installation of the fixing band 810 can be omitted, and problems such as the fixing band 810 coming off can be avoided.

導入管801は、気液分離容器800の上面に配置され、気液分離容器800の内部から外部へ延伸している。この導入管801は、気液分離容器800の内部側に第2開口部(符号は付していない)を有し、気液混合流体を気液分離容器800の外部から内部に導入する。   The introduction pipe 801 is disposed on the upper surface of the gas-liquid separation container 800 and extends from the inside of the gas-liquid separation container 800 to the outside. The introduction pipe 801 has a second opening (not labeled) on the inside of the gas-liquid separation container 800 and introduces the gas-liquid mixed fluid from the outside to the inside of the gas-liquid separation container 800.

排気管802は、気液分離容器800の上面に配置され、気液分離容器800の内部から外部へ延伸している。この排気管802は、気液分離容器800の内部側に第3開口部(符号は付していない)を有し、気体を気液分離容器800の内部から外部に排出する。この排気管802の第3開口部には吸気管807の末端部が接続されており、吸気管807の先端部は気液分離容器800の中心部に配置されており、先端部の開口部である吸気口808から気液分離容器800内の気体を吸い込み排気管802内へ輸送する。これにより、気液分離容器800内に貯留する液体の液面が吸気口808にまで達しない限り、気液分離容器800がどのような方向に傾いても、吸気口808が気液分離容器800内の液体と接触するのを回避し、排気管802方向への液体の侵入を抑制できる。なお、図12において、排気管802と吸気管807は、区分不可能なように一体的に形成されている。   The exhaust pipe 802 is disposed on the upper surface of the gas-liquid separation container 800 and extends from the inside of the gas-liquid separation container 800 to the outside. The exhaust pipe 802 has a third opening (not labeled) on the inner side of the gas-liquid separation container 800, and discharges gas from the gas-liquid separation container 800 to the outside. The end of the intake pipe 807 is connected to the third opening of the exhaust pipe 802, and the tip of the intake pipe 807 is disposed at the center of the gas-liquid separation container 800. A gas in the gas-liquid separation container 800 is sucked from an intake port 808 and transported into the exhaust pipe 802. As a result, as long as the liquid level of the liquid stored in the gas-liquid separation container 800 does not reach the intake port 808, the intake port 808 is in the gas-liquid separation container 800 no matter what direction the gas-liquid separation container 800 is inclined. It is possible to avoid contact with the liquid inside, and to prevent the liquid from entering the exhaust pipe 802. In FIG. 12, the exhaust pipe 802 and the intake pipe 807 are integrally formed so as to be indistinguishable.

排液管803、804、導入管801及び排気管802としては、耐熱性、耐薬品性及び強度に優れたものであれば特に限定されないが、例えば、PTFE、硬質シリコン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、四フッ化エチレン、ポリサルフォンなどの樹脂製チューブ、ステンレス鋼製パイプなどの金属パイプが好適に用いられる。   The drainage pipes 803 and 804, the introduction pipe 801 and the exhaust pipe 802 are not particularly limited as long as they have excellent heat resistance, chemical resistance and strength. For example, PTFE, hard silicon, polyetheretherketone, polyphenylene Metal pipes such as resin tubes such as sulfide, polycarbonate, ethylene tetrafluoride, and polysulfone, and stainless steel pipes are preferably used.

吸水管805としては、中空でかつ可撓性を有するものであれば特に限定されないが、耐熱性及び耐薬品性などに優れたフロンチューブや、シリコンチューブが好適に用いられる。   The water absorption pipe 805 is not particularly limited as long as it is hollow and flexible, but a Freon tube excellent in heat resistance and chemical resistance, and a silicon tube are preferably used.

錘806としては、耐薬品性に優れたものであれば特に限定されないが、例えば、メッキを施した鉛製のものや、ステンレス鋼製のものが好適に用いられる。また、錘806の重量は、例えば、捕集する液体が水である場合、その比重(d=1.0)以上であって、吸水管805の浮力を差し引いた重量よりも大きければ特に限定されないが、錘の応答性から、比重(d≧10)以上が好ましい。錘806の大きさは、方向自在性を確保するため、壁面や配管に当たらない程度の大きさであれば、特に問題にならないが、気液分離容器800全体積の10%未満であることが好ましい。   The weight 806 is not particularly limited as long as it has excellent chemical resistance, but, for example, a plated lead or stainless steel is preferably used. Further, the weight of the weight 806 is not particularly limited as long as the weight of the liquid to be collected is, for example, water, which is greater than the specific gravity (d = 1.0) and larger than the weight obtained by subtracting the buoyancy of the water absorption pipe 805. However, the specific gravity (d ≧ 10) or more is preferable from the responsiveness of the weight. The size of the weight 806 is not particularly problematic as long as it does not hit the wall surface or piping in order to ensure directionality, but it may be less than 10% of the total volume of the gas-liquid separation container 800. preferable.

吸気管807としては、耐熱性及び耐薬品性に優れたものであれば、特に限定されないが、PTFEチューブや、硬質シリコンチューブなどが好適に用いられる。吸気管807の形状は、気液分離容器800の中心に吸気口808を配置できる形状であれば特に限定されないが、錘806によりあらゆる方向に移動する吸水管805と絡まないように配置することがより好ましい。   The intake pipe 807 is not particularly limited as long as it has excellent heat resistance and chemical resistance, but a PTFE tube, a hard silicon tube, or the like is preferably used. The shape of the intake pipe 807 is not particularly limited as long as the intake port 808 can be arranged at the center of the gas-liquid separation container 800, but the intake pipe 807 may be arranged so as not to be entangled with the water absorption pipe 805 moving in all directions by the weight 806. More preferred.

固定バンド810としては、腐食しにくいものであれば特に限定されないが、例えば容器と同じ材質のものを用いることができる。   The fixing band 810 is not particularly limited as long as it is difficult to corrode, but for example, the same material as the container can be used.

このような構成の気液分離容器800内に気液混合流体が導入されると、気液混合流体中の液体は、排液管803、804の方向に排出され、気液混合流体中の気体は、排気管802の方向に排出される。例えば、気液混合流体が水と水素を含むものである場合、導入管801から気液分離容器800内に導入された気液混合流体中の水は、気液分離容器800がどのような方向に傾いたとしても、気液分離容器800内において重力方向下向きに溜まる。そして、この貯留水は、錘806の作用により重力方向に曲がった吸水管805の吸水口809から吸い込まれ、吸水管805を経て排液管803、804方向に排出される。このときの排水の動力源は、例えば、排液管803、804の流路上にポンプを経由し、送液する場合や、また水収容容器から水素発生物質収容容器へ送液するポンプの作用によって、気液分離容器800の外部に排液させることができる。一方、気液混合流体中の水素は、気液分離容器800の中心に設置した吸気口808より吸い込まれ、吸気管807を経て、排気管802方向に排出される。この排出された水素を、燃料電池の水素源にすることができる。   When the gas-liquid mixed fluid is introduced into the gas-liquid separation container 800 having such a configuration, the liquid in the gas-liquid mixed fluid is discharged in the direction of the drainage pipes 803 and 804, and the gas in the gas-liquid mixed fluid is discharged. Is discharged in the direction of the exhaust pipe 802. For example, when the gas-liquid mixed fluid contains water and hydrogen, the water in the gas-liquid mixed fluid introduced into the gas-liquid separation container 800 from the introduction pipe 801 is inclined in any direction. Even in such a case, the gas-liquid separation container 800 accumulates downward in the direction of gravity. The stored water is sucked in from the water suction port 809 of the water suction pipe 805 bent in the direction of gravity by the action of the weight 806, and discharged through the water suction pipe 805 in the drainage pipes 803 and 804. The power source of the drainage at this time is, for example, when the liquid is sent via the pump on the flow path of the drain pipes 803 and 804, or by the action of the pump that feeds the water from the water container to the hydrogen generating substance container. The liquid can be drained outside the gas-liquid separation container 800. On the other hand, hydrogen in the gas-liquid mixed fluid is sucked from an intake port 808 installed at the center of the gas-liquid separation container 800, and discharged through the intake pipe 807 toward the exhaust pipe 802. This discharged hydrogen can be used as a hydrogen source of the fuel cell.

以上で図12を用いた気液分離容器800の説明を終わり、以下、本実施形態の水素製造装置の動作について図11を用いて説明する。   The description of the gas-liquid separation container 800 with reference to FIG. 12 has been completed, and the operation of the hydrogen production apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

水収容容器601に収容されている水602は、ポンプ201を駆動させることによって、配管501及び配管502を通じて水素発生物質収容容器603に輸送される。水素発生物質収容容器603内では、水素発生物質604と水602とが反応して水素が発生し、この水素は配管503に排出される。水素と共に水蒸気が配管503に排出された場合、水蒸気は配管503内で冷却されて水となり、水と水素との気液混合流体が気液分離容器800の導入管801に導入されることになる。気液分離容器800内では、上記気液混合流体は、重力差により、水素を含む気体と、水とに分離される。   The water 602 stored in the water storage container 601 is transported to the hydrogen generating substance storage container 603 through the pipe 501 and the pipe 502 by driving the pump 201. In the hydrogen generating substance storage container 603, the hydrogen generating substance 604 and the water 602 react to generate hydrogen, and this hydrogen is discharged to the pipe 503. When steam is discharged together with hydrogen into the pipe 503, the steam is cooled in the pipe 503 to become water, and a gas-liquid mixed fluid of water and hydrogen is introduced into the introduction pipe 801 of the gas-liquid separation container 800. . In the gas-liquid separation container 800, the gas-liquid mixed fluid is separated into a gas containing hydrogen and water due to a difference in gravity.

分離された水素を含む気体は、排気管802、配管504、505を通じて燃料電池100に供給される。気液分離容器800は上述したように方向自在性を有するため、水素製造装置がどのような方向に傾いても気液分離を行うことができ、燃料電池100に安定して水素を供給可能であるとともに、水分が供給されることにより燃料電池100に不具合が生じるのを回避できる。   The separated gas containing hydrogen is supplied to the fuel cell 100 through the exhaust pipe 802 and the pipes 504 and 505. Since the gas-liquid separation container 800 has directionality as described above, gas-liquid separation can be performed regardless of the direction of the hydrogen production apparatus, and hydrogen can be stably supplied to the fuel cell 100. In addition, it is possible to avoid the occurrence of problems in the fuel cell 100 due to the supply of moisture.

一方、分離された水は、以下のようにして水収容容器601に回収され、水素発生物質収容容器603に供給される水602として再利用される。これにより、水の利用効率を高めることができる。さらに、水素製造用の水を収容している水収容容器601を回収容器としても利用するため、気液分離容器800で分離された水を回収するための回収容器を別途備える必要がなく、装置全体をコンパクトにすることができる。   On the other hand, the separated water is collected in the water storage container 601 as described below and reused as the water 602 supplied to the hydrogen generating substance storage container 603. Thereby, the utilization efficiency of water can be improved. Furthermore, since the water storage container 601 that stores water for hydrogen production is also used as a recovery container, there is no need to separately provide a recovery container for recovering the water separated in the gas-liquid separation container 800. The whole can be made compact.

次に、気液分離容器800内で分離された水を水収容容器601に回収する機構について詳述する。   Next, a mechanism for collecting the water separated in the gas-liquid separation container 800 in the water storage container 601 will be described in detail.

ポンプ201を用いて水収容容器601内の水602を水素発生物質収容容器603に一定割合で供給している間は、水収容容器601の内部圧力が減圧状態になる。この減圧状態を補償するように、水収容容器601に接続された他の配管510内において、気液分離容器800の排液管804側から水収容容器601側の方向に吸引力が生じる。この現象を利用することにより、気液分離容器800内の貯留水を、水収容容器601に回収することができる。そのため、配管510の途中に、気液分離容器800内の水を水収容容器601へ輸送するポンプを別途設ける必要がなく、省電力化できる。   While the water 602 in the water storage container 601 is being supplied to the hydrogen generating substance storage container 603 at a constant rate using the pump 201, the internal pressure of the water storage container 601 is in a reduced pressure state. In order to compensate for this reduced pressure state, in another pipe 510 connected to the water container 601, a suction force is generated in the direction from the drainage pipe 804 side of the gas-liquid separation container 800 to the water container 601 side. By utilizing this phenomenon, the stored water in the gas-liquid separation container 800 can be recovered in the water storage container 601. Therefore, it is not necessary to separately provide a pump for transporting the water in the gas-liquid separation container 800 to the water storage container 601 in the middle of the pipe 510, and power saving can be achieved.

一方、燃料電池100の発電終了時など水素を製造する必要がない場合は、ポンプ201の駆動を停止して水素発生物質収容容器603への水供給を停止するが、水供給を停止してもしばらくの間は、水素発生物質収容容器603内に残留する水602と水素発生物質604が反応して水素が発生し、これに伴い水が生じ、この水が気液分離容器800内に溜まる。そのため、上記水供給の停止後一定時間、気液分離容器800内から水を回収する必要がある。そこで、本実施形態では、三方バルブ401を配管511と配管501が通じる方向に切り替え、ポンプ201を、水収容容器601から水素発生物質収容容器603へ送液する方向とは逆向きに動作させることによって、気液分離容器800内に溜まった水を配管511、三方バルブ401、配管501を通じて水収容容器601に回収する。さらに、水収容容器601へ回収した水の体積分に相当する気体(空気)が、水収容容器601から配管510、気液分離容器800、配管504、505を経て燃料電池100に送られるため、水収容容器601及び気液分離容器800の内圧も高くならないため、安全である。   On the other hand, when it is not necessary to produce hydrogen, such as at the end of power generation of the fuel cell 100, the drive of the pump 201 is stopped and the water supply to the hydrogen generating substance storage container 603 is stopped. For a while, the water 602 remaining in the hydrogen generating substance storage container 603 reacts with the hydrogen generating substance 604 to generate hydrogen, and as a result, water is generated, and this water is stored in the gas-liquid separation container 800. Therefore, it is necessary to collect water from the gas-liquid separation container 800 for a certain time after the water supply is stopped. Therefore, in the present embodiment, the three-way valve 401 is switched to the direction in which the pipe 511 and the pipe 501 communicate, and the pump 201 is operated in the direction opposite to the direction in which the liquid is transferred from the water storage container 601 to the hydrogen generating substance storage container 603. Thus, the water accumulated in the gas-liquid separation container 800 is collected in the water storage container 601 through the pipe 511, the three-way valve 401, and the pipe 501. Furthermore, since the gas (air) corresponding to the volume of the water collected in the water storage container 601 is sent from the water storage container 601 to the fuel cell 100 via the pipe 510, the gas-liquid separation container 800, the pipes 504, 505, Since the internal pressures of the water storage container 601 and the gas-liquid separation container 800 do not increase, it is safe.

<排気手段>
本実施形態における排気手段は、上述したように、燃料電池100内の燃料ガスをシステム外に排出するためのものである。図11において、排気手段は、配管506、507、508、509、圧力センサ300、バルブ402、バルブ403、逆止弁700、及び燃料電池100から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置900により構成されている。
<Exhaust means>
As described above, the exhaust means in the present embodiment is for exhausting the fuel gas in the fuel cell 100 out of the system. In FIG. 11, the exhaust means includes pipes 506, 507, 508, 509, pressure sensor 300, valve 402, valve 403, check valve 700, and hydrogen for consuming hydrogen in the gas discharged from the fuel cell 100. The consumer device 900 is configured.

バルブ403は、燃料電池100内の燃料ガスを燃料電池100外に間欠的に排出するためのものである。図11に示す本実施形態の燃料電池発電システムでは、燃料電池100による発電に伴って、燃料電池100の負極側に燃料ガス(発電に関与しなかった残留水素、及び発電の際に正極側から拡散してくる不純ガスを含むガス)や微量の生成水が蓄積するが、これらによって燃料電池100内の圧力がある程度高まった時点で、バルブ403を用いて上記ガスや微量の生成水を配管507側に排出する。このように、バルブ403の作用によって、燃料電池100内のガスや生成水を間欠的に燃料電池100外に排出できる。   The valve 403 is for intermittently discharging the fuel gas in the fuel cell 100 to the outside of the fuel cell 100. In the fuel cell power generation system of the present embodiment shown in FIG. 11, as the fuel cell 100 generates power, fuel gas (residual hydrogen not involved in power generation and the positive electrode side during power generation) appears on the negative electrode side of the fuel cell 100. Gas and a small amount of generated water accumulate, and when the pressure in the fuel cell 100 increases to some extent by these, the above-mentioned gas and a small amount of generated water are piped 507 using the valve 403. To the side. As described above, the gas and generated water in the fuel cell 100 can be intermittently discharged out of the fuel cell 100 by the action of the valve 403.

圧力センサ300は、配管505内の圧力を測定するものである。この圧力センサ300での測定結果に基づいて、適時バルブ403の開閉動作を制御することで、燃料電池100内のガスや生成水を配管507側へ排出することができる。バルブ403は、燃料電池100内の負極の圧力と外部の圧力(例えば大気圧)との差圧が1〜300kPaに達した段階で開閉動作を行うよう制御されるのが望ましい。差圧が1kPa未満で開く場合は、圧力差が小さすぎて水を排出する能力が低下し、差圧が300kPaを超えるまで開かない場合は、内圧が高くなりすぎてMEAを破損する虞が生じる。また、バルブ403が、上記適正圧力範囲にある場合、一定時間毎にバルブ403を開閉させることもできる。一定時間毎に開閉させた場合、燃料電池100の発電時に生じた生成水を外部に強制的に排出させることが可能になる。   The pressure sensor 300 measures the pressure in the pipe 505. By controlling the opening and closing operation of the valve 403 in a timely manner based on the measurement result of the pressure sensor 300, the gas and generated water in the fuel cell 100 can be discharged to the pipe 507 side. The valve 403 is desirably controlled to perform an opening / closing operation when the pressure difference between the negative electrode pressure in the fuel cell 100 and an external pressure (for example, atmospheric pressure) reaches 1 to 300 kPa. When the differential pressure is opened at less than 1 kPa, the pressure difference is too small and the ability to discharge water is reduced. When the differential pressure is not opened until the pressure exceeds 300 kPa, the internal pressure becomes too high and the MEA may be damaged. . Further, when the valve 403 is in the appropriate pressure range, the valve 403 can be opened and closed at regular intervals. When the fuel cell 100 is opened and closed at regular intervals, it is possible to forcibly discharge generated water generated during power generation of the fuel cell 100 to the outside.

このように、圧力センサ300を用いて燃料電池の圧力を測定しながらバルブ403の開閉動作を制御することで、燃料電池の圧力が高くなりすぎて燃料電池から水素が漏れ出たり、燃料電池が破裂したりすることを抑制でき、適正に発電させることができる。また、燃料電池の出力状態と圧力情報を考慮して、出力を適正に維持できるように発電させることも可能となる。   In this way, by controlling the opening / closing operation of the valve 403 while measuring the pressure of the fuel cell using the pressure sensor 300, the pressure of the fuel cell becomes too high and hydrogen leaks from the fuel cell. Rupture can be suppressed and power can be generated appropriately. In addition, it is possible to generate power so that the output can be properly maintained in consideration of the output state of the fuel cell and the pressure information.

水素消費装置900は、燃料電池100から排出されたガスや、気液分離容器800で水分が除去された後のガスに含まれる水素を消費する。図11に示すシステムでは、燃料電池100から排出されたガスは、配管507を通じて水素消費装置900に導入され、気液分離容器800で水分が除去された後のガスは、後述するように、配管506を通じて水素消費装置900に導入される。図11の水素消費装置900はMEAを有しており(図示しない)、燃料電池100の有するMEAによる発電と同じ機構によって、上記ガス中の水素を消費する。水素消費装置900によって水素が除去されたガスは、配管509を経てシステム外に排出される。なお、図11に示すシステムでは、配管509の出口が、排出用送気部90からの送風が当たるように配置しているため、水素消費装置900で処理しきれずに僅かに水素が残留していても、希釈しつつシステム外に排出することができる。   The hydrogen consuming apparatus 900 consumes hydrogen contained in the gas discharged from the fuel cell 100 and the gas after moisture is removed in the gas-liquid separation container 800. In the system shown in FIG. 11, the gas discharged from the fuel cell 100 is introduced into the hydrogen consuming apparatus 900 through the pipe 507, and the gas after the moisture is removed in the gas-liquid separation container 800 is piped as described later. It is introduced into the hydrogen consuming apparatus 900 through 506. A hydrogen consuming apparatus 900 in FIG. 11 has an MEA (not shown), and consumes hydrogen in the gas by the same mechanism as the power generation by the MEA of the fuel cell 100. The gas from which hydrogen has been removed by the hydrogen consuming apparatus 900 is discharged out of the system via the pipe 509. In the system shown in FIG. 11, the outlet of the pipe 509 is arranged so as to receive air from the discharge air supply unit 90, so that the hydrogen consuming apparatus 900 cannot process the hydrogen and a little hydrogen remains. However, it can be discharged out of the system while being diluted.

また、水素消費装置900の後には水蒸散装置(図示せず)を設置してもよい。燃料電池100の発電で生じた微量の生成水や、気液分離容器800で分離しきれなかった水が燃料電池100に導入され、圧力センサ300とバルブ403の制御によって、燃料電池100の外部へ排出される水が、配管507を経て、水素消費装置900に導入され、水素が除去されて残った水が、水蒸散装置に供給される。この水蒸散装置を設置することで、燃料電池発電システムの外部へ水を排出することを抑制することができる。また、この水蒸散装置は、水素消費装置900を兼ねることもできる。   Further, a water transpiration device (not shown) may be installed after the hydrogen consuming device 900. A small amount of generated water generated by the power generation of the fuel cell 100 or water that could not be separated in the gas-liquid separation container 800 is introduced into the fuel cell 100, and is controlled to the outside of the fuel cell 100 by the control of the pressure sensor 300 and the valve 403. The discharged water is introduced into the hydrogen consuming apparatus 900 through the pipe 507, and the water remaining after the removal of hydrogen is supplied to the water transpiration apparatus. By installing this water transpiration device, it is possible to suppress discharge of water to the outside of the fuel cell power generation system. Moreover, this water transpiration apparatus can also serve as the hydrogen consumption apparatus 900.

ところで、一般的に、燃料電池では、発電が停止している際に、燃料電池内の正極に空気、負極に水素がそれぞれ貯留した状態が長時間継続すると、電極の劣化が生じる。この原因は定かではないが、この場合、電圧が発電時よりも高い状態で維持されるために、正負極の炭素や触媒が酸化するためではないかと推測される。よって、燃料電池発電システムでは、発電の終了時に、燃料電池内への水素の侵入を防止できるように構成されていたり、燃料電池内に残留する水素を除去できるように構成されていたりすることが好ましい。   By the way, in general, in a fuel cell, when power generation is stopped, if the state where air is stored in the positive electrode and hydrogen is stored in the negative electrode in the fuel cell continues for a long time, the electrode deteriorates. The cause of this is not clear, but in this case, since the voltage is maintained in a higher state than during power generation, it is presumed that the positive and negative carbon and catalyst are oxidized. Therefore, the fuel cell power generation system may be configured to prevent hydrogen from entering the fuel cell at the end of power generation or may be configured to remove hydrogen remaining in the fuel cell. preferable.

図11に示すシステムでは、水素製造装置600からの水素を燃料電池へ導入するための配管504と配管505との間にバルブ402が設けられている。また、このバルブ402は、配管506を経由して水素消費装置900に接続されている。そのため、燃料電池100の発電終了時に、バルブ402を作動させて、水素製造装置600からの水素を、燃料電池100に送らずに、配管506を通じて水素消費装置900に直接供給し、処理することができる。同時にバルブ403は、配管507と逆止弁700が通じる方向に切り替えることもできる。これは、燃料電池100内の残存水素を消費させるため、燃料電池100の正負極をショートさせることで残存水素を消費することができる。この場合、燃料電池100の内部が減圧され、MEAが破損する虞がある。このため、バルブ403を配管507と逆止弁700が通じる方向に切り替え、外気を取り入れることで燃料電池100の内圧低下を防止することができる。これらの操作により、図11に示すシステムでは、燃料電池100による発電の終了時に、燃料電池100内への水素の侵入を防止して、かかる水素による燃料電池100の劣化を抑制することができる。   In the system shown in FIG. 11, a valve 402 is provided between a pipe 504 and a pipe 505 for introducing hydrogen from the hydrogen production apparatus 600 into the fuel cell. The valve 402 is connected to the hydrogen consuming apparatus 900 via a pipe 506. Therefore, when the power generation of the fuel cell 100 is completed, the valve 402 is operated to supply the hydrogen from the hydrogen production device 600 directly to the hydrogen consuming device 900 through the pipe 506 without being sent to the fuel cell 100 for processing. it can. At the same time, the valve 403 can be switched in a direction in which the pipe 507 and the check valve 700 communicate with each other. This consumes the remaining hydrogen in the fuel cell 100, so that the remaining hydrogen can be consumed by short-circuiting the positive and negative electrodes of the fuel cell 100. In this case, the inside of the fuel cell 100 may be depressurized and the MEA may be damaged. For this reason, the internal pressure of the fuel cell 100 can be prevented from being lowered by switching the valve 403 in a direction in which the pipe 507 and the check valve 700 communicate with each other and taking in outside air. With these operations, the system shown in FIG. 11 can prevent hydrogen from entering the fuel cell 100 at the end of power generation by the fuel cell 100 and suppress deterioration of the fuel cell 100 due to such hydrogen.

本実施形態の燃料電池発電システムに係る水素消費装置は、システム内の水素を消費して除去できるものであれば特に制限はないが、例えば、MEAを有し、燃料電池に係るMEAによる発電と同じ機構により水素を消費する装置や、水素を酸化し得る触媒を有する装置などが挙げられる。   The hydrogen consuming apparatus according to the fuel cell power generation system of the present embodiment is not particularly limited as long as it can consume and remove hydrogen in the system. For example, the hydrogen consuming apparatus has an MEA and generates power by the MEA according to the fuel cell. Examples thereof include an apparatus that consumes hydrogen by the same mechanism, and an apparatus that has a catalyst capable of oxidizing hydrogen.

燃料電池に係るMEAによる発電と同じ機構により水素を消費する装置としては、具体的には、図4及び図5に示した燃料電池を構成するMEAのように、正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層及び負極拡散層が順次積層されており、正極と負極とが、例えば、スイッチ及び抵抗を介して導通可能なように接続されている構成のMEAを有する水素消費装置が挙げられる。   As an apparatus for consuming hydrogen by the same mechanism as the power generation by the MEA related to the fuel cell, specifically, like the MEA constituting the fuel cell shown in FIGS. 4 and 5, a positive electrode diffusion layer, a positive electrode catalyst layer, Hydrogen consumption having MEA having a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane, a negative electrode catalyst layer, and a negative electrode diffusion layer are sequentially laminated, and the positive electrode and the negative electrode are connected so as to be able to conduct through, for example, a switch and a resistor Apparatus.

水素消費装置のMEAに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層及び負極拡散層については、燃料電池のMEAに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層及び負極拡散層として、先に記載したものと同じものが使用できる。   Regarding the positive electrode diffusion layer, the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, the negative electrode catalyst layer, and the negative electrode diffusion layer according to the MEA of the hydrogen consuming apparatus, the positive electrode diffusion layer, the positive electrode catalyst layer, and the solid polymer electrolyte membrane according to the MEA of the fuel cell As the negative electrode catalyst layer and the negative electrode diffusion layer, the same ones as described above can be used.

上記の水素消費装置の場合、ガス中の水素を消費する必要が生じたときに、正極と負極との接続部におけるスイッチを入れ、MEAの正極−負極間を導通させることで、ガス中の水素を消費できる。これにより、燃料電池内から排気され、システム外に排出する必要のあるガス中の水素や、燃料電池による発電の終了時に、水素製造装置から燃料電池内に侵入する水素を、完全に無くすか、またはそれらの水素量を大幅に低減することができる。   In the case of the hydrogen consuming apparatus described above, when it is necessary to consume hydrogen in the gas, a switch is made at the connection between the positive electrode and the negative electrode, and conduction between the positive electrode and the negative electrode of the MEA is performed. Can be consumed. As a result, hydrogen in the gas that needs to be exhausted from inside the fuel cell and needs to be discharged outside the system, and hydrogen that enters the fuel cell from the hydrogen production device at the end of power generation by the fuel cell are completely eliminated. Alternatively, the amount of hydrogen can be greatly reduced.

上記のMEAを有する水素消費装置において、MEAの正極と負極とを抵抗を介して接続する場合、かかる抵抗としては、例えば、水素消費装置内に水素が導入されてから、MEAの正極−負極間の電圧が0.1V以下となるのに要する時間が1分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよい。また、抵抗を用いなくても、このような時間でMEAの正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、MEAの正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。   In the hydrogen consuming apparatus having the above MEA, when the positive electrode and the negative electrode of the MEA are connected via a resistor, the resistance is, for example, between the positive electrode and the negative electrode of the MEA after hydrogen is introduced into the hydrogen consuming device. It is sufficient to use a resistor having such a resistance value that the time required for the voltage to be 0.1 V or less is within one minute. Moreover, if the voltage between the positive electrode and the negative electrode of the MEA can be lowered as described above without using a resistor, the positive electrode and the negative electrode of the MEA are only switches without using a resistor. It may be possible to conduct by connecting with a lead body or the like via

水素消費装置は、上記の通り、燃料電池と同様にMEAを備えているため、例えば、燃料電池に複数のMEAを有するもの(スタック)を使用し、その一部のMEA(例えば、1つ、2つ、3つなど)を水素消費装置として使用する形態で、燃料電池と水素消費装置とを一体化(図示せず)した構成とすることもできる。   As described above, since the hydrogen consuming apparatus includes the MEA similarly to the fuel cell, for example, a fuel cell having a plurality of MEAs (stack) is used, and a part of the MEAs (for example, one, The fuel cell and the hydrogen consuming device may be integrated (not shown) in a form in which two, three, etc.) are used as the hydrogen consuming device.

水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置としては、例えば、上記触媒を含有するフィルター、筒状などの外装体に上記触媒を充填したもの、などが例示できる。なお、水素を酸化し得る触媒としては、例えば、MEAの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。   Examples of the hydrogen consuming apparatus having a catalyst that can oxidize hydrogen include a filter containing the catalyst, a cylinder-shaped exterior body filled with the catalyst, and the like. In addition, as a catalyst which can oxidize hydrogen, the various catalysts previously illustrated as a catalyst in the negative electrode catalyst layer of MEA can be used, for example.

供給用送気部91及び排出用送気部90の送気方向は、燃料電池システムを動作させる周囲の環境温度などによって適宜変えることもできる。燃料電池100は、制御するための補機類や回路と共にシステムの筐体内に設置させる必要がある。また筐体内部の補機類や回路からは、発電の制御に伴い、発熱を伴うこともある。燃料電池100を効率よく発電させるためには、5℃以上50℃以下の範囲が好ましい。5℃未満では、燃料電池100の発電効率が低下し、また燃料電池100の内部に残存している水が凍結する虞もある。一方、50℃を大きく越える場合、燃料電池100内の水が蒸散しやすくなり、発電効率が低下する虞がある。   The air supply directions of the supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90 can be changed as appropriate depending on the ambient temperature at which the fuel cell system is operated. The fuel cell 100 needs to be installed in a system casing together with auxiliary devices and circuits for control. In addition, auxiliary equipment and circuits inside the housing may generate heat as the power generation is controlled. In order to efficiently generate power in the fuel cell 100, a range of 5 ° C. or higher and 50 ° C. or lower is preferable. If it is less than 5 ° C., the power generation efficiency of the fuel cell 100 is lowered, and the water remaining in the fuel cell 100 may be frozen. On the other hand, when the temperature greatly exceeds 50 ° C., the water in the fuel cell 100 tends to evaporate, and the power generation efficiency may be reduced.

このため、燃料電池発電システムを作動させる環境が低い温度(例えば、0℃付近)の場合、筐体内部の補機類や回路で発熱した酸化剤ガス(例えば、空気)を用いることで安定に発電することができる。このため、供給用送気部91及び排出用送気部90は、筐体内部の補機類や回路を経た気体を燃料電池100に供給する方向に送気させるのが好ましい。一方、環境温度が高い温度(例えば、60℃付近)の場合、燃料電池100へ供給される酸化剤ガス(例えば、空気)の温度は、外気を取り込む方向(例えば、排出用送気部90から供給用送気部91の方向)に送気するのが好ましい。   For this reason, when the environment in which the fuel cell power generation system is operated is at a low temperature (for example, around 0 ° C.), the oxidant gas (for example, air) generated by the auxiliary equipment and the circuit inside the housing is stably used. It can generate electricity. For this reason, it is preferable that the supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90 supply gas in the direction in which the gas that has passed through the auxiliary devices and circuits inside the housing is supplied to the fuel cell 100. On the other hand, when the environmental temperature is high (for example, around 60 ° C.), the temperature of the oxidant gas (for example, air) supplied to the fuel cell 100 is set in the direction in which outside air is taken (for example, from the discharge air supply unit 90). It is preferable to supply air in the direction of the supply air supply unit 91).

上記実施形態1〜3において、図1〜図12を用いて本発明の燃料電池システム及び本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムについて説明したが、図1〜図12は、本発明の燃料電池、燃料電池システム及び燃料電池発電システムに使用可能な構成要素の一部を示したものに過ぎず、本発明の燃料電池システムや、本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムは、これらの図面に示すもの、またはこれらの図面に示す構成要素を有するものに限定される訳ではない。   In the first to third embodiments, the fuel cell system of the present invention and the fuel cell power generation system using the fuel cell system of the present invention have been described with reference to FIGS. 1 to 12. However, FIGS. The fuel cell, the fuel cell system, and the fuel cell power generation system shown in FIG. 1 are only some of the components that can be used in the fuel cell system, and the fuel cell power generation system using the fuel cell system of the present invention. Is not limited to those shown in these drawings or having the components shown in these drawings.

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.

(実施例1)
<燃料電池の作製>
まず、図2に示すものと同様の構造の燃料電池100を作製した。
Example 1
<Fabrication of fuel cell>
First, a fuel cell 100 having the same structure as that shown in FIG. 2 was produced.

正極触媒層、固体高分子電解質膜、及び負極触媒層の積層体には、図7に示す構成のものを用いた。固体高分子電解質膜には、デュポン社製「ナフィオン(登録商標)112」を用いた。Pt担持カーボン(田中貴金属社製「TEC10E50E」)と、5質量%濃度のNafion溶液(Aldrich社製)とを所定量で混合し、これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面に塗布し、乾燥させた。そして、固体高分子電解質膜の両面に、ポリテトラフルオロエチレンシートを、Pt担持カーボンとNafion溶液との混合物の塗布面が固体高分子電解質膜側となるように重ねてホットプレスを行い、ポリテトラフルオロエチレンシートを除去し、正極触媒層、固体高分子電解質膜及び負極触媒層の積層体を得た。その後、上記積層体を、外形が24mm×85.5mmとなるように切り出した。   As the laminate of the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the negative electrode catalyst layer, the one shown in FIG. 7 was used. “Nafion (registered trademark) 112” manufactured by DuPont was used as the solid polymer electrolyte membrane. Pt-supported carbon (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and a 5 mass% Nafion solution (manufactured by Aldrich) were mixed in a predetermined amount, and this was applied to one side of a polytetrafluoroethylene sheet and dried. . A polytetrafluoroethylene sheet is stacked on both sides of the solid polymer electrolyte membrane so that the application surface of the mixture of Pt-supported carbon and Nafion solution is on the solid polymer electrolyte membrane side, and hot pressing is performed. The fluoroethylene sheet was removed to obtain a laminate of the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the negative electrode catalyst layer. Thereafter, the laminate was cut out so that the outer shape was 24 mm × 85.5 mm.

SGLカーボン社製の「GDL10DC」(厚み470μm)を24mm×71.5mmのサイズに切り出して正極拡散層に用いた。また、正極ガスシールには、24mm×7mmのシリコンゴムシート(厚み0.3mm)を2枚用意し、いずれにも20mm×3mmの穴(燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールド)を形成した。   “GDL10DC” (thickness: 470 μm) manufactured by SGL Carbon was cut into a size of 24 mm × 71.5 mm and used for the positive electrode diffusion layer. In addition, two 24 mm × 7 mm silicon rubber sheets (thickness 0.3 mm) were prepared for the positive electrode gas seal, and 20 mm × 3 mm holes (fuel supply manifold and fuel discharge manifold) were formed in both.

負極ガスシールには、正極ガスシールと同じシリコンゴムシートを用い、サイズを24mm×85.5mmとし、かつ、負極拡散層を挿入すると共に燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを構成するための、20mm×81.5mmのサイズの穴を形成した。負極拡散層には、正極拡散層に用いたものと同じ材料を使用し、20mm×75.5mmのサイズに切り出して用いた。   For the negative electrode gas seal, the same silicon rubber sheet as the positive electrode gas seal is used, the size is 24 mm × 85.5 mm, and the negative electrode diffusion layer is inserted and the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold are configured to be 20 mm × A hole with a size of 81.5 mm was formed. For the negative electrode diffusion layer, the same material as that used for the positive electrode diffusion layer was used, and cut into a size of 20 mm × 75.5 mm.

上記の積層体、正極拡散層、正極ガスシール、負極拡散層及び負極ガスシールを、図4に示す順序及び配置で積層したMEAを15個作製した。   Fifteen MEAs were produced by laminating the above laminate, positive electrode diffusion layer, positive electrode gas seal, negative electrode diffusion layer and negative electrode gas seal in the order and arrangement shown in FIG.

セパレータには、カーボン製(最も厚い部分の厚みが2mm)で、図6に示す構成のものを用いた。外形は24mm×85.5mmとし、燃料供給マニホールド11及び燃料排出マニホールド12のサイズは20mm×3mmとした。酸化剤ガス流路(冷却媒体流路を兼ねた酸化剤ガス流路)13は、幅1.5mm、深さ1.5mmとし、酸化剤ガス流路13間のリブ14の幅は1mmとした。   A separator made of carbon (thickest portion has a thickness of 2 mm) and having the configuration shown in FIG. 6 was used. The outer shape was 24 mm × 85.5 mm, and the sizes of the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 were 20 mm × 3 mm. The oxidant gas flow path (oxidant gas flow path that also serves as the cooling medium flow path) 13 has a width of 1.5 mm and a depth of 1.5 mm, and the rib 14 between the oxidant gas flow paths 13 has a width of 1 mm. .

上記15個のMEAを、上記セパレータを酸化剤ガス流路形成面側が正極拡散層側となるようにして各MEA間に介在させつつ重ね、これら積層体の上下を2枚のエンドプレート(アルミニウム製で、サイズが38mm×90mm)で挟持し、ボルト及びナットを用いて固定して、図2に示す構造の燃料電池100を作製した。   The 15 MEAs are stacked while the separator is interposed between the MEAs so that the oxidant gas flow path forming surface side is on the positive electrode diffusion layer side. Thus, the fuel cell 100 having the structure shown in FIG. 2 was manufactured by sandwiching it with a size of 38 mm × 90 mm) and fixing it with bolts and nuts.

<燃料電池システムの作製>
上記燃料電池100に、図1及び図3に示すように供給用送気部91及び排出用送気部90を設置することにより、燃料電池システム101を作製した。供給用送気部91及び排出用送気部90には、40mm角のDCファンを用いた。供給用送気部91及び排出用送気部90は、エンドプレート50との間の距離を0mmとして固定し、供給口51及び排気口52を密閉するように、ダクト80を設置した。
<Production of fuel cell system>
A fuel cell system 101 was produced by installing a supply air supply unit 91 and a discharge air supply unit 90 in the fuel cell 100 as shown in FIGS. A 40 mm square DC fan was used for the supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90. The supply air supply unit 91 and the discharge air supply unit 90 are fixed at a distance of 0 mm from the end plate 50, and the duct 80 is installed so as to seal the supply port 51 and the exhaust port 52.

<水素製造装置の作製>
図11に示す水素製造装置600を作製した。水素発生物質収容容器603には、内容積50cm3のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に、平均粒径6μmのアルミニウム粉末(水素発生物質)20.7gと、酸化カルシウム(発熱物質)3.5gとを入れた。
<Production of hydrogen production equipment>
A hydrogen production apparatus 600 shown in FIG. 11 was produced. The hydrogen generating substance storage container 603 is a polypropylene prismatic container having an internal volume of 50 cm 3 , in which 20.7 g of aluminum powder (hydrogen generating substance) having an average particle size of 6 μm and calcium oxide (exothermic substance) are used. 3.5 g was added.

<燃料電池発電システムの組み立て>
燃料電池システム101と、水素製造装置600と、排気手段としての圧力センサ300、水素消費装置900、逆止弁700を用いて、図11に示す燃料電池発電システムを組み立てた。
<Assembly of fuel cell power generation system>
A fuel cell power generation system shown in FIG. 11 was assembled using the fuel cell system 101, the hydrogen production apparatus 600, the pressure sensor 300 as an exhaust means, the hydrogen consumption apparatus 900, and the check valve 700.

(比較例1)
比較例1では、供給口51側に供給用送気部91及びダクト80を設置しなかったこと以外は、上記実施例1と同様にして燃料電池システムを作製した。図13に、比較例1の燃料電池システムの概略構成を示し、図14に、図13に示す燃料電池システムのVI−VI線断面図を示す。図13及び図14において、図1及び図3と同一構成要素には同一符号を付している。なお、図14の断面図では、酸化剤ガス流路を省略し、排出用送気部90を簡略化して表している。また、図14ではハッチングを省略している。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a fuel cell system was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the supply air supply portion 91 and the duct 80 were not installed on the supply port 51 side. FIG. 13 shows a schematic configuration of the fuel cell system of Comparative Example 1, and FIG. 14 shows a cross-sectional view taken along the line VI-VI of the fuel cell system shown in FIG. 13 and 14, the same components as those in FIGS. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals. In the cross-sectional view of FIG. 14, the oxidant gas flow path is omitted and the discharge air supply unit 90 is simplified. In FIG. 14, hatching is omitted.

本比較例の燃料電池システムでは、排出用送気部90として、40mm角のDCファンを1個設置した。エンドプレート50と40mm角のDCファンとの間の距離は0mmとし、排気口52には、ダクト80を設置した。そして、この燃料電池システムを用いて、実施例1と同様にして燃料電池発電システムを組み立てた。   In the fuel cell system of this comparative example, one 40 mm square DC fan was installed as the discharge air supply unit 90. The distance between the end plate 50 and the 40 mm square DC fan was 0 mm, and a duct 80 was installed at the exhaust port 52. Then, using this fuel cell system, a fuel cell power generation system was assembled in the same manner as in Example 1.

<発電試験>
実施例1の燃料電池発電システム及び比較例1の燃料電池発電システムの発電試験を行った。具体的には、水収容容器601内の水602を水素発生物質収容容器603へ供給して水素を発生させ、供給口51から排気口52の方向に酸化剤ガス(酸素を含む空気)を送気し、外部負荷(図示せず)によって9.5Vの定電圧で発電試験を行った。
<Power generation test>
A power generation test of the fuel cell power generation system of Example 1 and the fuel cell power generation system of Comparative Example 1 was performed. Specifically, water 602 in the water container 601 is supplied to the hydrogen generating substance container 603 to generate hydrogen, and an oxidant gas (air containing oxygen) is sent from the supply port 51 toward the exhaust port 52. The power generation test was conducted at a constant voltage of 9.5 V with an external load (not shown).

実施例1及び比較例1の燃料電池発電システムでの発電特性の結果を図15に示す。図15において、縦軸は出力(W)を示し、横軸は時間(分)を示している。図15から、排気口のみに送気部を設置している比較例1と比べ、供給口と排気口の双方にそれぞれ1個送気部を設置している実施例1の方が、発電性能が長時間に亘り安定していることが分かった。よって、安定に発電して省スペース化を達成するためには、供給口及び排気口の双方に送気部があるのが好ましいと言える。   The results of power generation characteristics in the fuel cell power generation systems of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. In FIG. 15, the vertical axis represents output (W) and the horizontal axis represents time (minutes). From FIG. 15, compared with Comparative Example 1 in which the air supply unit is installed only at the exhaust port, the power generation performance is higher in Example 1 in which one air supply unit is installed in each of the supply port and the exhaust port. Was found to be stable over time. Therefore, in order to achieve stable power generation and space saving, it can be said that it is preferable that there are air supply portions at both the supply port and the exhaust port.

本発明の燃料電池システムは、パソコン、携帯電話などのコードレス機器といった高機能のポータブル型電子機器の電源用途を始めとして、従来の燃料電池が使用されている各種用途に好ましく用いることができる。   The fuel cell system of the present invention can be preferably used in various applications in which conventional fuel cells are used, including power supply applications for highly functional portable electronic devices such as cordless devices such as personal computers and mobile phones.

10 セパレータ
11 燃料供給マニホールド
12 燃料排出マニホールド
13 酸化剤ガス流路
14 リブ
20 MEA
20a 積層体
21 正極拡散層
22 正極触媒層
23 固体電解質膜
24 負極触媒層
25 負極拡散層
30 正極ガスシール
40 負極ガスシール
50 エンドプレート
51 供給口
52 排気口
60 燃料供給口
70 燃料排出口
80 ダクト
90 排出用送気部
91 供給用送気部
100 燃料電池
101 燃料電池システム
201 ポンプ
300 圧力センサ
401、402、403 バルブ
501、502、503、504、505、506、507、508、509、510、511 配管
600 水素製造装置
601 水収容容器
602 水
603 水素発生物質収容容器
604 水素発生物質
700 逆止弁
800 気液分離容器
801 導入管
802 排気管
803、804 排液管
805 吸水管
806 錘
807 吸気管
808 吸気口
809 吸水口
810 固定バンド
900 水素消費装置
10 Separator 11 Fuel supply manifold 12 Fuel discharge manifold 13 Oxidant gas flow path 14 Rib 20 MEA
20a Laminate 21 Positive electrode diffusion layer 22 Positive electrode catalyst layer 23 Solid electrolyte membrane 24 Negative electrode catalyst layer 25 Negative electrode diffusion layer 30 Positive electrode gas seal 40 Negative electrode gas seal 50 End plate 51 Supply port 52 Exhaust port 60 Fuel supply port 70 Fuel discharge port 80 Duct 90 Exhaust air supply part 91 Supply air supply part 100 Fuel cell 101 Fuel cell system 201 Pump 300 Pressure sensor 401, 402, 403 Valve 501, 502, 503, 504, 505, 506, 507, 508, 509, 510, 511 Piping 600 Hydrogen production apparatus 601 Water container 602 Water 603 Hydrogen generating substance container 604 Hydrogen generating substance 700 Check valve 800 Gas-liquid separation container 801 Inlet pipe 802 Exhaust pipes 803 and 804 Drain pipe 805 Intake pipe 806 Weight 807 Intake Pipe 808 Inlet 809 Inlet 810 Fixed van 900 hydrogen-consuming device

Claims (9)

酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池と、
前記セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、
酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路の前記供給口に供給する供給用送気部と、
前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路の前記排出口から外部に排出する排出用送気部とを含む、ことを特徴とする燃料電池システム。
An electrode / electrolyte integrated product having a positive electrode having a positive electrode catalyst layer for reducing oxygen, a negative electrode having a negative electrode catalyst layer for oxidizing fuel, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode A fuel cell formed by laminating a plurality of separators;
An oxidant gas passage formed on one main surface of the separator and having an oxidant gas supply port and an exhaust port;
An air supply unit for supplying an oxidant gas to the supply port of the oxidant gas flow path;
A fuel cell system comprising: an exhaust air supply section that exhausts the oxidant gas in the oxidant gas flow path to the outside from the discharge port of the oxidant gas flow path.
前記供給用送気部または前記排出用送気部を複数含む請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, comprising a plurality of the supply air supply unit or the discharge air supply unit. 複数の前記供給用送気部または複数の前記排出用送気部をそれぞれ制御可能である請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the plurality of supply air supply units or the plurality of discharge air supply units can be controlled. 前記供給用送気部及び前記排出用送気部の風量は、前記燃料電池の温度が一定範囲内になるよう調整される請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein air volumes of the supply air supply unit and the discharge air supply unit are adjusted so that the temperature of the fuel cell falls within a certain range. 前記電極・電解質一体化物は、平面視での形状が四角形であり、
前記セパレータは、平面視での形状が四角形であり、かつ単一部材で構成されており、
前記電極・電解質一体化物、及び前記セパレータには、前記四角形を構成する4辺のうちの1辺の近傍に燃料供給マニホールドが形成され、前記1辺に対向する1辺の近傍に燃料排出マニホールドが形成されており、
前記酸化剤ガス流路は、前記セパレータの一主面における、前記燃料マニホールド及び前記燃料排出マニホールドが近傍に形成された対向する2辺とは別の2辺を直線状に繋ぐように複数個平行または略平行に形成されており、その両端部が酸化剤ガスの前記供給口と前記排出口である請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The electrode / electrolyte integrated product has a quadrangular shape in plan view,
The separator has a quadrangular shape in plan view, and is composed of a single member,
In the electrode / electrolyte integrated body and the separator, a fuel supply manifold is formed in the vicinity of one of the four sides constituting the quadrangle, and a fuel discharge manifold is formed in the vicinity of the one side facing the one side. Formed,
A plurality of the oxidant gas flow paths are arranged in parallel so as to linearly connect two sides of the main surface of the separator other than the opposed two sides formed in the vicinity of the fuel manifold and the fuel discharge manifold. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell system is formed substantially in parallel, and both ends thereof are the supply port and the discharge port of the oxidant gas.
前記電極・電解質一体化物の前記負極は、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路が形成されていない側の面に接するように配置された負極拡散層を有し、
前記負極拡散層は、平面視での形状が四角形であり、前記負極拡散層の外周外側には、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシールが形成されており、
前記負極拡散層の前記四角形を構成する4辺のうちの1辺と前記負極ガスシールとで燃料供給マニホールドが形成され、かつ、前記負極拡散層の前記1辺に対向する1辺と前記負極ガスシールとで燃料排出マニホールドが形成されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The negative electrode of the electrode / electrolyte integrated product has a negative electrode diffusion layer disposed so as to be in contact with the surface of the separator where the oxidant gas flow path is not formed,
The negative electrode diffusion layer has a quadrangular shape in plan view, and a negative electrode gas seal for suppressing outflow of fuel gas is formed on the outer periphery of the negative electrode diffusion layer.
A fuel supply manifold is formed by one of the four sides constituting the quadrangle of the negative electrode diffusion layer and the negative electrode gas seal, and one side facing the one side of the negative electrode diffusion layer and the negative electrode gas The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein a fuel discharge manifold is formed by the seal.
前記電極・電解質一体化物の前記正極は、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路が形成されている側の面に接するように配置された正極拡散層を有し、
前記正極拡散層は、平面視での形状が四角形であり、前記四角形を構成する4辺のうち、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路と平行または略平行な2辺の外側に、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシールが配置されており、
前記正極ガスシールには、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドが形成されている請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The positive electrode of the electrode / electrolyte integrated product has a positive electrode diffusion layer disposed so as to be in contact with the surface of the separator where the oxidant gas flow path is formed,
The positive electrode diffusion layer has a quadrangular shape in plan view, and of the four sides constituting the quadrilateral, outside of two sides parallel to or substantially parallel to the oxidant gas flow path of the separator, A positive electrode gas seal for suppressing the outflow is arranged,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein a fuel supply manifold and a fuel discharge manifold are formed in the positive electrode gas seal.
前記セパレータの前記酸化剤ガス流路は、冷却媒体流路を兼ねている請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the oxidant gas flow path of the separator also serves as a cooling medium flow path. 前記正極触媒層と、前記負極触媒層と、前記固体高分子電解質とが、平面視で同一形状である請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the positive electrode catalyst layer, the negative electrode catalyst layer, and the solid polymer electrolyte have the same shape in plan view.
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