JP2013069536A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013069536A JP2013069536A JP2011207139A JP2011207139A JP2013069536A JP 2013069536 A JP2013069536 A JP 2013069536A JP 2011207139 A JP2011207139 A JP 2011207139A JP 2011207139 A JP2011207139 A JP 2011207139A JP 2013069536 A JP2013069536 A JP 2013069536A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- gas
- oxidant
- oxidant gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関する。 The present invention provides a fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane, an oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas to the fuel cell, and the fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system including a fuel gas supply device that supplies fuel gas.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between a pair of separators. Yes. A fuel gas passage for supplying fuel gas to the anode electrode is formed between one separator and the electrolyte membrane / electrode structure, and between the other separator and the electrolyte membrane / electrode structure. Is formed with an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode electrode.
通常、複数の燃料電池を積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、定置用の他、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されて、車載用燃料電池システムを構成している。 Usually, it is used as a fuel cell stack by stacking a plurality of fuel cells. The fuel cell stack is mounted on, for example, a fuel cell electric vehicle in addition to stationary, and constitutes an in-vehicle fuel cell system.
この種の燃料電池では、電解質膜による良好なイオン伝導性を確保するために、前記電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス(例えば、空気)や燃料ガス(例えば、水素ガス)を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。 In this type of fuel cell, it is necessary to keep the electrolyte membrane moisturized in order to ensure good ion conductivity by the electrolyte membrane. For this reason, a method is employed in which an oxidizing gas (for example, air) or a fuel gas (for example, hydrogen gas), which is a reactive gas, is humidified and supplied to the fuel cell.
その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。また、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路には、水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。 At this time, moisture for humidification may be liquefied without being absorbed by the electrolyte membrane and stay in the reaction gas flow path. Further, in the fuel cell, generated water is generated at the cathode electrode by a power generation reaction, and the generated water is back-diffused through the electrolyte membrane in the anode electrode. For this reason, moisture tends to condense and stay in the reaction gas flow path, and flooding due to condensed water may occur.
そこで、この種の問題を解決するために、例えば、特許文献1に開示されている燃料循環式燃料電池システムが知られている。この特許文献1は、燃料及び酸化剤が供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路に合流させる循環流路とを備えた燃料循環式燃料電池システムに関するものである。 In order to solve this type of problem, for example, a fuel circulation fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known. This patent document 1 discloses a fuel cell that generates power by being supplied with fuel and an oxidant, a fuel supply channel that supplies the fuel to the fuel cell, and a fuel off-flow that is discharged from the fuel cell. The present invention relates to a fuel circulation type fuel cell system including a circulation flow path that joins a path.
この燃料循環式燃料電池システムは、循環流路及び/又は合流後の燃料供給流路の内部流体と、酸化剤又は燃料電池から排出される酸化剤オフガスとの間で、水分を移動させることにより、前記内部流体を加湿又は除湿して該内部流体の湿度を所望に調整可能にする加湿機能と除湿機能とを有する水透過膜式湿度調整装置を、前記循環流路及び/又は前記合流後の燃料供給流路に備えることを特徴としている。 This fuel circulation type fuel cell system moves moisture between the internal fluid of the circulation flow path and / or the fuel supply flow path after joining, and the oxidant or the oxidant off-gas discharged from the fuel cell. A water permeable membrane type humidity adjusting device having a humidifying function and a dehumidifying function that can humidify or dehumidify the internal fluid and adjust the humidity of the internal fluid as desired. The fuel supply channel is provided.
これにより、循環流路からパージ動作によって燃料を放出することがなく燃料オフガスの湿度を所望に調整することができ、その結果、燃料電池に供給される燃料の湿度を所望に調整することが可能になる。 As a result, the humidity of the fuel off-gas can be adjusted as desired without discharging the fuel from the circulation channel by the purge operation, and as a result, the humidity of the fuel supplied to the fuel cell can be adjusted as desired. become.
ところで、燃料電池の低負荷発電時には、燃料ガスの消費量が少なくなるため、アノード側のガス循環系に新規に投入されるドライ水素(燃料ガス)に比較して、発電反応による生成水が、電解質膜を透過して前記アノード側に移動する水量が多くなる。このため、アノード側のガス循環系が過飽和になり易く、発電性能が低下するおそれがある。 By the way, during low-load power generation of the fuel cell, the amount of fuel gas consumed is reduced, so that the water produced by the power generation reaction is less than dry hydrogen (fuel gas) that is newly introduced into the gas circulation system on the anode side. The amount of water that passes through the electrolyte membrane and moves to the anode side increases. For this reason, the gas circulation system on the anode side is easily oversaturated, and the power generation performance may be reduced.
一方、燃料電池の高負荷発電時には、電気浸透によりアノード側の水分がカソード側へ移動する量が増加し、且つ燃料ガスの供給量が増加されるため、アノード側のガス循環系に新規に投入されるドライ水素に比べて、前記アノード側に移動する水量が少なくなり易い。従って、燃料電池のガス入口付近が乾燥状態になるという問題がある。 On the other hand, at the time of high load power generation of the fuel cell, the amount of moisture on the anode side that moves to the cathode side due to electroosmosis increases and the amount of fuel gas supply increases, so it is newly introduced into the gas circulation system on the anode side Compared to dry hydrogen, the amount of water that moves to the anode side tends to decrease. Therefore, there is a problem that the vicinity of the gas inlet of the fuel cell becomes dry.
本発明はこの種の燃料電池において、低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時に電解質膜が乾燥するのを良好に抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention provides a fuel cell system capable of ensuring stability during low-load power generation and reducing the frequency of purge in this type of fuel cell, and also effectively suppressing drying of the electrolyte membrane during high-load power generation. The purpose is to provide.
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路及び該燃料電池から酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路を設ける酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び該燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス路を設ける燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, an oxidant gas supply path for supplying an oxidant gas to the fuel cell, and an oxidation from the fuel cell. An oxidant gas supply device for providing an oxidant offgas passage for discharging the oxidant offgas, a fuel gas supply passage for supplying fuel gas to the fuel cell, and a fuel gas supply device for providing a fuel offgas passage for discharging fuel offgas from the fuel cell And a fuel cell system.
この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給路と燃料オフガス路との間で水分を受け渡す第1加湿器と、前記酸化剤ガス供給路と酸化剤オフガス路との間で水分を受け渡す第2加湿器と、燃料電池の負荷が所定値以下である際、前記第1加湿器のみにより前記酸化剤ガスを加湿するように制御する制御部とを備えている。 In this fuel cell system, a first humidifier that transfers moisture between the oxidant gas supply path and the fuel off-gas path, and a second humidifier that transfers moisture between the oxidant gas supply path and the oxidant off-gas path. A humidifier and a control unit that controls the oxidant gas to be humidified only by the first humidifier when the load of the fuel cell is equal to or less than a predetermined value.
また、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給路は、第1加湿器を迂回し且つ第2加湿器を通る迂回供給路を有するとともに、前記迂回供給路を流通する酸化剤ガスの流量を制御する調整弁を備えることが好ましい。 In this fuel cell system, the oxidant gas supply path has a bypass supply path that bypasses the first humidifier and passes through the second humidifier, and controls the flow rate of the oxidant gas that flows through the bypass supply path. It is preferable to provide a regulating valve to perform.
本発明では、燃料電池が低負荷発電される際、酸化剤ガス供給路と燃料オフガス路との間で水分を受け渡す第1加湿器のみにより、酸化剤ガスが加湿されている。 In the present invention, when the fuel cell is subjected to low load power generation, the oxidant gas is humidified only by the first humidifier that transfers moisture between the oxidant gas supply path and the fuel off-gas path.
従って、燃料電池から燃料オフガス路に排出される燃料オフガスは、酸化剤ガス供給路を流通するドライ空気(酸化剤ガス)に十分な水分を供給することができる。これにより、アノード側のガス循環系が過飽和になって発電性能が低下することがなく、しかも、燃料オフガスのパージ動作による排水回数を抑制することが可能になる。 Therefore, the fuel offgas discharged from the fuel cell to the fuel offgas passage can supply sufficient moisture to the dry air (oxidant gas) flowing through the oxidant gas supply passage. As a result, the gas circulation system on the anode side is not oversaturated and the power generation performance is not deteriorated, and the number of times of drainage due to the purge operation of the fuel off gas can be suppressed.
一方、燃料電池が高負荷発電される際、第1加湿器及び第2加湿器を併用することができる。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が増加することによるガス入口付近の乾燥を良好に阻止することが可能になる。 On the other hand, when the fuel cell is subjected to high load power generation, the first humidifier and the second humidifier can be used in combination. Therefore, it is possible to satisfactorily prevent drying near the gas inlet due to an increase in the supply amounts of the fuel gas and the oxidant gas.
これにより、低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時の乾燥を良好に抑制することができる。 Thereby, while ensuring the stability at the time of low load power generation and reducing the purge frequency, drying at the time of high load power generation can be satisfactorily suppressed.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10は、例えば、燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される車載型燃料電池システムを構成する。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12と、前記燃料電池スタック12に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置14と、前記燃料電池スタック12に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置16と、前記燃料電池スタック12に冷媒体を供給するための冷媒体供給装置(図示せず)と、前記燃料電池システム10全体の制御を行うコントローラ(制御部)18とを備える。
The
燃料電池スタック12は、複数の燃料電池20を積層して構成される。各燃料電池20は、電解質膜・電極構造体22が、第1セパレータ24及び第2セパレータ26に挟持される。第1セパレータ24及び第2セパレータ26は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
The
図2に示すように、燃料電池20の矢印C方向(図2中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための第1酸化剤ガス入口連通孔28a1、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための第1燃料ガス出口連通孔30b1、前記酸化剤ガスを供給するための第2酸化剤ガス入口連通孔28a2、及び前記燃料ガスを排出するための第2燃料ガス出口連通孔30b2が、矢印B方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 2, one end edge of the
燃料電池20の矢印C方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための第1燃料ガス入口連通孔30a1、酸化剤ガスを排出するための第1酸化剤ガス出口連通孔28b1、前記燃料ガスを供給するための第2燃料ガス入口連通孔30a2、及び前記酸化剤ガスを排出するための第2酸化剤ガス出口連通孔28b2が、矢印B方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
燃料電池20の矢印B方向の一端縁部(上端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して、冷媒体を供給するための第1冷媒体入口連通孔32a1、及び前記冷媒体を排出するための第1冷媒体出口連通孔32b1が、矢印C方向に配列して設けられる。
A first refrigerant body inlet communication hole 32a1 for supplying a refrigerant body to one end edge portion (upper edge portion) of the
燃料電池20の矢印B方向の他端縁部(下端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して、冷媒体を供給するための第2冷媒体入口連通孔32a2、及び前記冷媒体を排出するための第2冷媒体出口連通孔32b2が、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge portion (lower end edge portion) of the
第1セパレータ24の電解質膜・電極構造体22に向かう面24aには、第1酸化剤ガス入口連通孔28a1と第1酸化剤ガス出口連通孔28b1とに連通する第1酸化剤ガス流路34a、及び第2酸化剤ガス入口連通孔28a2と第2酸化剤ガス出口連通孔28b2とに連通する第2酸化剤ガス流路34bが、個別に設けられる。第1酸化剤ガス流路34a及び第2酸化剤ガス流路34bは、それぞれ矢印C方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路溝により構成される。
A
図3に示すように、第2セパレータ26の電解質膜・電極構造体22に向かう面26aには、第1燃料ガス入口連通孔30a1と第1燃料ガス出口連通孔30b1とに連通する第1燃料ガス流路36a、及び第2燃料ガス入口連通孔30a2と第2燃料ガス出口連通孔30b2とに連通する第2燃料ガス流路36bが、個別に設けられる。第1燃料ガス流路36a及び第2燃料ガス流路36bは、それぞれ矢印C方向に延在する複数本の燃料ガス流路溝により構成される。
As shown in FIG. 3, the first fuel communicated with the first fuel gas
第1酸化剤ガス流路34a及び第2酸化剤ガス流路34bの酸化剤ガス流れ方向と、第1燃料ガス流路36a及び第2燃料ガス流路36bの燃料ガス流れ方向とは、互いに逆方向に、すなわち、対向流に構成される。
The oxidant gas flow direction of the first oxidant
図2に示すように、互いに隣接する燃料電池20を構成する第1セパレータ24の面24bと、第2セパレータ26の面26bとの間には、第1冷媒体流路38a及び第2冷媒体流路38bが、個別に設けられる。第1冷媒体流路38aは、第1冷媒体入口連通孔32a1と第1冷媒体出口連通孔32b1とに連通し、第2冷媒体流路38bは、第2冷媒体入口連通孔32a2と第2冷媒体出口連通孔32b2とに連通する。第1冷媒体流路38a及び第2冷媒体流路38bは、それぞれ矢印C方向に延在する複数本の冷媒体流路溝により構成される。
As shown in FIG. 2, between the
第1セパレータ24及び第2セパレータ26には、それぞれシール部材40、42が、一体的又は個別に設けられる。シール部材40、42は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
The
電解質膜・電極構造体22は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜44と、前記固体高分子電解質膜44を挟持するカソード電極46及びアノード電極48とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード電極46及びアノード電極48は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金(又はRu等)が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜44の両面に形成される。
The
図1に示すように、酸化剤ガス供給装置14は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ50を備え、前記エアポンプ50が空気供給路(酸化剤ガス供給路)52に配設される。
As shown in FIG. 1, the oxidant
空気供給路52には、後述するように、供給酸化剤ガスと排出燃料ガス(以下、燃料オフガスという)との間で水分と熱を交換する第1加湿器54が配設されるとともに、前記空気供給路52は、燃料電池スタック12の第1酸化剤ガス入口連通孔28a1及び第2酸化剤ガス入口連通孔28a2に連通する。第1加湿器54は、例えば、イオン交換膜を用いた中空糸膜型加湿モジュールやイオン交換膜を用いた平膜型加湿モジュール等が使用される。このため、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに透過して混合することを阻止することができる。
As will be described later, the
空気供給路52には、第1加湿器54を迂回する迂回供給路56が設けられるとともに、前記迂回供給路56には、該迂回供給路56を流通する酸化剤ガスの流量を制御する調整弁58が配置される。
The
酸化剤ガス供給装置14は、第1酸化剤ガス出口連通孔28b1及び第2酸化剤ガス出口連通孔28b2に連通する酸化剤オフガス路60を備える。酸化剤オフガス路60には、第2加湿器62が配置されるとともに、前記第2加湿器62には、迂回供給路56が接続される。第2加湿器62は、第1加湿器54と同様に構成されており、例えば、多孔質膜を用いた中空糸膜型加湿モジュールやイオン交換膜を用いた平膜型加湿モジュール等が使用される。第2加湿器62は、空気供給路52と酸化剤オフガス路60との間で水分を受け渡す。酸化剤オフガス路60には、第2加湿器62の下流に位置して希釈ボックス64が配置される。
The oxidant
燃料ガス供給装置16は、高圧水素を貯留する水素タンク(H2タンク)66を備える。水素タンク66は、水素供給路(燃料ガス供給路)68を介して燃料電池スタック12の第1燃料ガス入口連通孔30a1及び第2燃料ガス入口連通孔30a2に連通する。この水素供給路68には、エゼクタ70が設けられる。エゼクタ70は、燃料ガスのオフガスを吸引して水素供給路68に供給する。
The fuel
燃料電池スタック12の第1燃料ガス出口連通孔30b1及び第2燃料ガス出口連通孔30b2には、燃料オフガス路72が連通する。燃料オフガス路72の途上には、第1加湿器54が配置され、空気供給路52と前記燃料オフガス路72との間で水分を受け渡す。
The fuel off-
燃料オフガス路72は、エゼクタ70の吸引口側に連通して水素循環路を構成する。この燃料オフガス路72には、ドレイン路74が接続されるとともに、前記ドレイン路74は、パージバルブ76を介装して希釈ボックス64に接続される。
The fuel off-
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図示しない燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチ等により燃料電池システム10が起動されると、燃料電池スタック12による発電が開始される。
First, when the
通常運転時には、図1に示すように、酸化剤ガス供給装置14を構成するエアポンプ50を介して、空気供給路52に空気が送られる。この空気は、第1加湿器54又は第2加湿器62の少なくとも一方を通って加湿された後、燃料電池スタック12の第1酸化剤ガス入口連通孔28a1及び第2酸化剤ガス入口連通孔28a2に供給される。
During normal operation, as shown in FIG. 1, air is sent to the
一方、燃料ガス供給装置16では、水素タンク66から水素供給路68に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給路68を通って燃料電池スタック12の第1燃料ガス入口連通孔30a1及び第2燃料ガス入口連通孔30a2に供給される。
On the other hand, in the fuel
図2に示すように、空気は、第1酸化剤ガス入口連通孔28a1と第2酸化剤ガス入口連通孔28a2とから、それぞれ第1セパレータ24の第1酸化剤ガス流路34aと第2酸化剤ガス流路34bとに導入される。空気は、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するカソード電極46に供給される。
As shown in FIG. 2, the air is supplied from the first oxidant gas inlet communication hole 28a1 and the second oxidant gas inlet communication hole 28a2 to the first oxidant
一方、水素ガスは、図2及び図3に示すように、第1燃料ガス入口連通孔30a1と第2燃料ガス入口連通孔30a2とから、それぞれ第2セパレータ26の第1燃料ガス流路36aと第2燃料ガス流路36bとに導入される。この水素ガスは、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するアノード電極48に供給される。
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 3, the hydrogen gas passes through the first fuel gas inlet communication hole 30a1 and the second fuel gas inlet communication hole 30a2, and the first fuel
従って、電解質膜・電極構造体22では、カソード電極46に供給される空気と、アノード電極48に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
また、燃料電池スタック12に供給された冷媒体は、第1冷媒体入口連通孔32a1と第2冷媒体入口連通孔32a2とに導入される。この冷媒体は、第1セパレータ24及び第2セパレータ26間の第1冷媒体流路38aと第2冷媒体流路38bとに導入された後、矢印C方向に流通する。この冷媒体は、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、第1冷媒体出口連通孔32b1と第2冷媒体出口連通孔32b2とから排出される。
The refrigerant supplied to the
次いで、カソード電極46に供給されて少なくとも一部が消費された空気は、酸化剤オフガスとして第1酸化剤ガス出口連通孔28b1と第2酸化剤ガス出口連通孔28b2とに沿って矢印A方向に排出される。一方、アノード電極48に供給されて少なくとも一部が消費された水素ガスは、燃料オフガスとして第1燃料ガス出口連通孔30b1と第2燃料ガス出口連通孔30b2とに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the air that is supplied to the
図1に示すように、酸化剤オフガスは、第1酸化剤ガス出口連通孔28b1と第2酸化剤ガス出口連通孔28b2とから酸化剤オフガス路60に排出される。この酸化剤オフガスは、第2加湿器62に送られることによって、新たに供給される空気を加湿した後、希釈ボックス64に排出される。希釈ボックス64には、燃料オフガス路72からドレイン路74に排出された燃料ガスが供給され、この燃料ガスが空気と混在して希釈された後、外部に排出される。
As shown in FIG. 1, the oxidant off-gas is discharged from the first oxidant gas
燃料オフガスは、第1燃料ガス出口連通孔30b1と第2燃料ガス出口連通孔30b2とから燃料オフガス路72を介して第1加湿器54に送られる。この燃料オフガスは、第1加湿器54を流通することにより、新たに供給される空気を加湿した後、エゼクタ70に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック12に供給される。
The fuel off gas is sent to the
この場合、コントローラ18では、負荷印加が開始された後、燃料電池スタック12の電流値を検出している。そして、検出された電流値が、所定電流値(例えば、0.2A/cm2)以下であると判断されると、すなわち、燃料電池スタック12が低負荷発電であると判断されると、調整弁58が閉塞される。このため、エアポンプ50により供給される新たな空気は、第1加湿器54のみに供給され、第2加湿器62への供給が停止される。
In this case, the
従って、燃料電池スタック12から燃料オフガス路72に排出される燃料オフガスは、空気供給路52を流通するドライ空気(酸化剤ガス)に十分な水分を供給することができる。これにより、アノード側のガス循環系(水素供給路68、燃料電池スタック12内のアノード側及び燃料オフガス路72等により形成される系)が、水分の過飽和状態になって発電性能が低下することがない。しかも、燃料オフガス中の水分が良好に除去されるため、前記燃料オフガスのパージ動作による排水回数を抑制することが可能になる。
Therefore, the fuel offgas discharged from the
一方、コントローラ18では、検出された電流値が、所定電流値(例えば、0.2A/cm2)を超えると判断されると、すなわち、燃料電池スタック12が高負荷発電であると判断されると、調整弁58が開放制御される。このため、第1加湿器54及び第2加湿器62を併用することができ、燃料ガスの供給量及び酸化剤ガスの供給量が増加することによるガス入口付近の乾燥を良好に阻止することが可能になる。
On the other hand, when the
これにより、第1の実施形態では、低負荷発電時(例えば、0.2A/cm2以下程度)の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時に固体高分子電解質膜44が乾燥するのを良好に抑制することができるという効果が得られる。なお、低負荷発電時は、車両のアイドリング停止時も含む。
Thereby, in the first embodiment, the stability of the low load power generation (for example, about 0.2 A / cm 2 or less) is ensured and the purge frequency is reduced, and the solid
さらに、第1酸化剤ガス流路34a及び第2酸化剤ガス流路34bの酸化剤ガス流れ方向と、第1燃料ガス流路36a及び第2燃料ガス流路36bの燃料ガス流れ方向とは、対向流に構成されている。このため、電解質膜・電極構造体22の両面の水分量を自己拡散により均一化させることが可能になる。
Furthermore, the oxidant gas flow direction of the first oxidant
しかも、酸化剤ガス流路は、第1酸化剤ガス流路34aと第2酸化剤ガス流路34bとに分割される一方、燃料ガス流路は、第1燃料ガス流路36aと第2燃料ガス流路36bとに分割されている。従って、面内における水分量が一層均一化され、結露発生領域が低減されるとともに、低加湿運転での耐久性が向上するという利点がある。なお、酸化剤ガス流路は、2分割に限定されるものではなく、例えば、3分割以上でもよい。
Moreover, the oxidant gas flow path is divided into a first oxidant
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム80の概略構成説明図である。燃料電池システム80は、燃料電池82を備える他、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 4 is a schematic configuration explanatory diagram of a
燃料電池82は、図4及び図5に示すように、電解質膜・電極構造体84が、第1セパレータ86及び第2セパレータ88に挟持される。第1セパレータ86及び第2セパレータ88は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図5に示すように、燃料電池82の矢印C方向(図5中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔28a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔30bが、矢印B方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 5, one end edge of the
燃料電池82の矢印C方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔28bが、矢印B方向に配列して設けられる。
A fuel gas
第1セパレータ86の電解質膜・電極構造体84に向かう面86aには、酸化剤ガス入口連通孔28aと酸化剤ガス出口連通孔28bとに連通する酸化剤ガス流路34が設けられる。
An oxidant
第2セパレータ88の電解質膜・電極構造体84に向かう面88aには、燃料ガス入口連通孔30aと燃料ガス出口連通孔30bとに連通する燃料ガス流路36が設けられる。
A
互いに隣接する燃料電池82を構成する第1セパレータ86の面86bと、第2セパレータ88の面88bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとを連通する冷却媒体流路38が設けられる。
A cooling medium that connects the cooling medium
このように構成される第2の実施形態では、低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時の乾燥を良好に抑制することができる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。 In the second embodiment configured as described above, the stability of the low load power generation and the purging frequency can be reduced, and the drying during the high load power generation can be well suppressed. The same effect as in the embodiment can be obtained.
10、80…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…酸化剤ガス供給装置 16…燃料ガス供給装置
18…コントローラ 20、82…燃料電池
22、84…電解質膜・電極構造体 24、26、86、88…セパレータ
34、34a、34b…酸化剤ガス流路 36、36a、36b…燃料ガス流路
38、38a、38b…冷媒体流路 44…固体高分子電解質膜
46…カソード電極 48…アノード電極
50…エアポンプ 52…空気供給路
54、62…加湿器 56…迂回供給路
58…調整弁 60…酸化剤オフガス路
66…水素タンク 68…水素供給路
70…エゼクタ 72…燃料オフガス路
DESCRIPTION OF
38, 38a, 38b ...
Claims (2)
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路及び該燃料電池から酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路を設ける酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び該燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス路を設ける燃料ガス供給装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給路と前記燃料オフガス路との間で水分を受け渡す第1加湿器と、
前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤オフガス路との間で水分を受け渡す第2加湿器と、
前記燃料電池の負荷が所定値以下である際、前記第1加湿器のみにより前記酸化剤ガスを加湿するように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane;
An oxidant gas supply device for providing an oxidant gas supply path for supplying an oxidant gas to the fuel cell and an oxidant offgas path for discharging the oxidant offgas from the fuel cell;
A fuel gas supply device for providing a fuel gas supply passage for supplying fuel gas to the fuel cell and a fuel offgas passage for discharging fuel offgas from the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
A first humidifier that transfers moisture between the oxidant gas supply path and the fuel off-gas path;
A second humidifier that transfers moisture between the oxidant gas supply path and the oxidant offgas path;
A control unit for controlling the oxidant gas to be humidified only by the first humidifier when the load of the fuel cell is a predetermined value or less;
A fuel cell system comprising:
前記迂回供給路を流通する前記酸化剤ガスの流量を制御する調整弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxidant gas supply path includes a bypass supply path that bypasses the first humidifier and passes through the second humidifier.
A fuel cell system comprising an adjustment valve for controlling a flow rate of the oxidant gas flowing through the bypass supply path.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011207139A JP2013069536A (en) | 2011-09-22 | 2011-09-22 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011207139A JP2013069536A (en) | 2011-09-22 | 2011-09-22 | Fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013069536A true JP2013069536A (en) | 2013-04-18 |
Family
ID=48475001
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011207139A Withdrawn JP2013069536A (en) | 2011-09-22 | 2011-09-22 | Fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013069536A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101518926B1 (en) * | 2013-12-02 | 2015-05-11 | 현대자동차 주식회사 | Humidification device for fuel cell and operation method of the same |
-
2011
- 2011-09-22 JP JP2011207139A patent/JP2013069536A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101518926B1 (en) * | 2013-12-02 | 2015-05-11 | 현대자동차 주식회사 | Humidification device for fuel cell and operation method of the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102593276B1 (en) | Humidifiers with integrated water separators for fuel cell systems, fuel cell systems and vehicles containing the same | |
JP4037698B2 (en) | Solid polymer cell assembly | |
JP5383737B2 (en) | Fuel cell system and power generation stopping method thereof | |
US8936885B2 (en) | Fuel cell system | |
JPH09283162A (en) | Solid high molecular fuel cell | |
JP4028320B2 (en) | Fuel circulation fuel cell system | |
JP5665684B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5128909B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
JP5385371B2 (en) | Separation plate configuration of fuel cell | |
US9318760B2 (en) | Fuel cell and method of operating fuel cell | |
JP4790964B2 (en) | Fuel cell with dehumidifying device | |
JP2013069536A (en) | Fuel cell system | |
JP4131265B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2010192292A (en) | Fuel cell system and method for operating the same | |
JP5404594B2 (en) | Fuel cell | |
WO2004062016A1 (en) | Hydrogen gas humidity controller, fuel cell, hydrogen gas humidity controlling method, and humidity controlling method of fuel cell | |
JP2008243540A (en) | Polymer electrolyte fuel cell power-generating device | |
JP2008097952A (en) | Fuel cell system | |
JP2011154802A (en) | Fuel cell system | |
JP2009245892A (en) | Hydrogen passage and fuel cells equipped therewith | |
JP2008243755A (en) | Humidification module, humidification control device and fuel cell system | |
JP4643968B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2022022552A (en) | Fuel cell system | |
JP2013037826A (en) | Fuel cell system | |
JP2013201092A (en) | Fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20141202 |