JP2014032752A - Fuel cell and fuel cell system - Google Patents

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昭雄 狩野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To promote the longevity of a fuel cell body.SOLUTION: The fuel cell includes a fuel cell body which includes a fuel gas passage configured such that a fuel electrode and an oxidant electrode are arranged while sandwiching an electrolyte membrane, and fuel gas containing hydrogen passes through the fuel electrode, and an oxidant gas passage configured so that an oxidant gas passes through the oxidant electrode, and an oxygen-based gas introduction section located at a predetermined position on the downstream side of the inlet of the fuel gas passage and on the upstream side of the outlet thereof, and introducing an oxygen-based gas containing oxygen to the fuel gas passage from the outside.

Description

本発明の実施形態は、燃料電池および燃料電池システムに関する。   Embodiments described herein relate generally to a fuel cell and a fuel cell system.

燃料電池は、燃料極(アノード極)に導入される燃料ガス中の水素と、酸化剤極(カソード極)に導入される酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応から電力を生成する。   The fuel cell generates electric power from an electrochemical reaction between hydrogen in the fuel gas introduced into the fuel electrode (anode electrode) and oxygen in the oxidant gas introduced into the oxidant electrode (cathode electrode).

燃料となる水素は、天然ガス、プロパンガスや灯油などの炭化水素系の原燃料から、改質器での燃料処理により得られる。改質器は、下記の化学式(1)に示すような水蒸気改質反応、あるいは化学式(2)に示すような部分酸化反応によって、炭化水素系を二酸化炭素と水素に分解する処理を行なう。   Hydrogen as a fuel is obtained from a hydrocarbon-based raw fuel such as natural gas, propane gas or kerosene by fuel processing in a reformer. The reformer performs a process of decomposing the hydrocarbon system into carbon dioxide and hydrogen by a steam reforming reaction as shown in the following chemical formula (1) or a partial oxidation reaction as shown in the chemical formula (2).

CH + 2HO → 4H + CO…(1)
CH + O → 2H + CO…(2)
ここで、改質器内では、一酸化炭素(CO)も少量ながら生成される。この一酸化炭素が燃料電池本体の燃料極に導入されると、触媒表面に吸着し、触媒活性を低下させることがよく知られている。
CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2 (1)
CH 4 + O 2 → 2H 2 + CO 2 (2)
Here, a small amount of carbon monoxide (CO) is also produced in the reformer. It is well known that when this carbon monoxide is introduced into the fuel electrode of the fuel cell body, it is adsorbed on the surface of the catalyst and the catalytic activity is lowered.

この燃料極の活性低下を抑制するために、一酸化炭素の含有量(濃度)を低減する手段として、改質器の後段に配置する選択酸化反応器(PROX)を使用することが一般的である。PROXは、改質器によって生成された燃料ガス中に酸化剤ガスを混合させて、下記化学式(3)に示す酸化反応により一酸化炭素を二酸化炭素に変換する。   In order to suppress this decrease in the activity of the fuel electrode, it is common to use a selective oxidation reactor (PROX) disposed downstream of the reformer as a means for reducing the content (concentration) of carbon monoxide. is there. PROX mixes an oxidant gas in the fuel gas generated by the reformer, and converts carbon monoxide to carbon dioxide by an oxidation reaction represented by the following chemical formula (3).

CO + 1/2O → CO…(3)
また、当該PROXとシフト変成器とを組み合わせることによって、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、通常では10ppm以下まで低減できることが確認されている。
CO + 1 / 2O 2 → CO 2 (3)
Further, it has been confirmed that the carbon monoxide concentration in the fuel gas can be reduced to 10 ppm or less by combining the PROX and the shift transformer.

米国特許第4,910,099号明細書US Pat. No. 4,910,099

前述のように、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を、ある程度まで低減することは可能であるが、それでもなお燃料極の触媒活性の低下を抑制することは難しい。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池においては、60〜80℃の低温下で運転されるため、濃度10ppm程度の一酸化炭素であっても、燃料極の触媒活性は低下する。   As described above, the carbon monoxide concentration in the fuel gas can be reduced to a certain extent, but it is still difficult to suppress the decrease in the catalytic activity of the fuel electrode. For example, since a solid polymer electrolyte type fuel cell is operated at a low temperature of 60 to 80 ° C., the catalytic activity of the fuel electrode is lowered even with carbon monoxide having a concentration of about 10 ppm.

このような問題に対しては、例えば以下のような対策が考えられる。   For example, the following countermeasures can be considered for such a problem.

第1の対策として、燃料極に含まれる触媒として、白金−ルテニウムあるいは白金−パラジウムなどの合金を使用する。このような合金成分が、白金に吸着した一酸化炭素の脱着反応を促進するために、一酸化炭素による燃料電池の性能低下を抑制することができる。但し、合金触媒によって抑制できる一酸化炭素濃度には限界があり、過剰な一酸化炭素が燃料ガスに混入した場合には、燃料電池の性能が著しく低下する。   As a first countermeasure, an alloy such as platinum-ruthenium or platinum-palladium is used as a catalyst contained in the fuel electrode. Since such an alloy component promotes the desorption reaction of carbon monoxide adsorbed on platinum, it is possible to suppress deterioration in the performance of the fuel cell due to carbon monoxide. However, there is a limit to the concentration of carbon monoxide that can be suppressed by the alloy catalyst, and when excessive carbon monoxide is mixed in the fuel gas, the performance of the fuel cell is significantly reduced.

第2の対策として、燃料電池の燃料入口側で燃料ガスに空気を混入させて、燃料ガス中の一酸化炭素量を低減させる。この場合、燃料極においては、前記化学式(3)に示す一酸化炭素の酸化反応が生じるため、一酸化炭素の量が減り、触媒活性の低下を抑制することができる。   As a second countermeasure, air is mixed into the fuel gas on the fuel inlet side of the fuel cell to reduce the amount of carbon monoxide in the fuel gas. In this case, since an oxidation reaction of carbon monoxide shown in the chemical formula (3) occurs in the fuel electrode, the amount of carbon monoxide is reduced, and a decrease in catalyst activity can be suppressed.

このような対策によって燃料極の触媒活性の低下を抑制することは可能であるが、一方で、以下のような要因により、電解質膜、例えば固体高分子電解質型の燃料電池における固体高分子電解質膜(以下、「高分子膜」と呼ぶ。)の寿命が短くなる。   Although it is possible to suppress a decrease in the catalytic activity of the fuel electrode by such measures, on the other hand, due to the following factors, an electrolyte membrane, for example, a solid polymer electrolyte membrane in a solid polymer electrolyte type fuel cell (Hereinafter referred to as “polymer film”) is shortened.

一つは、一酸化炭素の影響を低減するために燃料入口側で燃料ガスに空気を混入すると、多数の単位セルの燃料極において水素と酸素とが反応して、過酸化水素(H)が生成され、この過酸化水素の生成の際に生じる中間生成体であるOHラジカルが、高分子膜の化学結合を劣化させることである。即ち、燃料電池の運転中に、燃料極に空気を導入し続けると、燃料電池本体の高分子膜が劣化し、当該高分子膜の寿命が短くなる。 One is that when air is mixed into the fuel gas on the fuel inlet side in order to reduce the influence of carbon monoxide, hydrogen and oxygen react at the fuel electrode of many unit cells, and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated, and OH radicals, which are intermediate products generated during the production of hydrogen peroxide, degrade the chemical bonds of the polymer film. That is, if air is continuously introduced into the fuel electrode during the operation of the fuel cell, the polymer membrane of the fuel cell body deteriorates and the life of the polymer membrane is shortened.

もう一つは、例えば、導入される燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータから蒸発する水分で加湿する内部加湿方式を採用する燃料電池においては、ガス導入部の加湿が不足すると、ガス導入部の高分子膜が乾燥により劣化することである。燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式を採用する燃料電池においても、加湿された水分が燃料電池に導入される前に凝縮する場合や、加湿器の消費電力を最小限にする場合には、ガス導入部の加湿が不足し、ガス導入部の高分子膜が乾燥により劣化する。   The other is, for example, in a fuel cell that employs an internal humidification method in which the fuel gas or oxidant gas to be introduced is humidified with moisture evaporating from the separator, if the gas introduction unit is insufficiently humidified, The molecular film is deteriorated by drying. Even in fuel cells that use an external humidification system that adds water vapor to the fuel gas or oxidant gas in advance, the humidified water may condense before being introduced into the fuel cell, or the power consumption of the humidifier may be minimized. In this case, humidification of the gas introduction part is insufficient, and the polymer film of the gas introduction part is deteriorated by drying.

また、燃料ガスとして純水素ガスを使用する方式の燃料電池においても、やはりガス導入部の加湿が不足すると、燃料電池本体の高分子膜が劣化し、当該高分子膜の寿命が短くなる。   Further, even in a fuel cell using a pure hydrogen gas as a fuel gas, if the humidification of the gas introduction part is insufficient, the polymer film of the fuel cell main body deteriorates and the life of the polymer film is shortened.

発明が解決しようとする課題は、燃料電池本体の長寿命化を図ることが可能な燃料電池および燃料電池システムを提供することにある。   The problem to be solved by the invention is to provide a fuel cell and a fuel cell system capable of extending the life of the fuel cell main body.

実施形態の燃料電池は、電解質膜を挟んで燃料極および酸化剤極が配置され、水素を含む燃料ガスが前記燃料極を通るように構成された燃料ガス流路と、酸化剤ガスが前記酸化剤極を通るように構成された酸化剤ガス流路とを備えた燃料電池本体と、前記燃料ガス流路の入口よりも下流側に位置し、且つ前記燃料ガス流路の出口よりも上流側に位置する所定の箇所で、酸素を含む酸素系ガスを外部から前記燃料ガス流路へ導入する酸素系ガス導入部とを具備する。   In the fuel cell of the embodiment, a fuel electrode and an oxidant electrode are disposed with an electrolyte membrane interposed therebetween, a fuel gas channel configured to allow a fuel gas containing hydrogen to pass through the fuel electrode, and an oxidant gas to oxidize the fuel cell. A fuel cell main body having an oxidant gas flow path configured to pass through the agent electrode; and located downstream of the fuel gas flow path inlet and upstream of the fuel gas flow path outlet And an oxygen-based gas introduction part for introducing an oxygen-based gas containing oxygen from the outside into the fuel gas flow path.

図1は、第1の実施形態に係る外部ガスマニホールド形式の燃料電池の外観を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an external gas manifold type fuel cell according to the first embodiment. 図2は、図1の燃料電池に備えられる燃料電池スタックをその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing the flow of fuel gas and the like inside the fuel cell stack provided in the fuel cell of FIG. 1 when viewed horizontally from a direction perpendicular to the longitudinal direction. 図3(a)は、図1の燃料電池に備えられる燃料入口/出口マニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状を示す図であり、図3(b)は、図1の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状を示す図である。3A is a diagram showing a shape of the fuel inlet / outlet manifold provided in the fuel cell of FIG. 1 when viewed horizontally from the stack side, and FIG. 3B is a diagram showing the fuel cell of FIG. It is a figure which shows the shape at the time of seeing the fuel return manifold with which it is provided horizontally from the stack side. 図4は、燃料電池スタック1内のCO濃度を説明するためのグラフである。FIG. 4 is a graph for explaining the CO concentration in the fuel cell stack 1. 図5は、第2の実施形態に係る内部ガスマニホールド形式の燃料電池の外観を示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing the external appearance of an internal gas manifold type fuel cell according to the second embodiment. 図6は、図5の燃料電池に備えられる燃料電池スタックをその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram showing the flow of fuel gas and the like inside when the fuel cell stack provided in the fuel cell of FIG. 5 is viewed horizontally from the direction perpendicular to the longitudinal direction. 図7は、第3の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing the appearance of the fuel cell according to the third embodiment. 図8は、燃料ガスの利用率を説明するためのグラフである。FIG. 8 is a graph for explaining the utilization rate of the fuel gas. 図9(a)は、図7の燃料電池に備えられる第1のスタックをその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図であり。図9(b)は、図7の燃料電池に備えられる第2のスタックをその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。FIG. 9A is a conceptual diagram showing the flow of fuel gas and the like inside the first stack provided in the fuel cell of FIG. 7 when viewed horizontally from the direction perpendicular to the longitudinal direction. FIG. 9B is a conceptual diagram showing the flow of fuel gas and the like inside when the second stack provided in the fuel cell of FIG. 7 is viewed horizontally from the direction perpendicular to the longitudinal direction. 図10(a)は、図7の燃料電池に備えられる燃料入口/出口マニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状を示す図であり、図10(b)は、図7の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状を示す図である。FIG. 10A is a diagram showing a shape of the fuel inlet / outlet manifold provided in the fuel cell of FIG. 7 when viewed horizontally from the stack side, and FIG. 10B is a diagram of the fuel cell of FIG. It is a figure which shows the shape at the time of seeing the fuel return manifold with which it is provided horizontally from the stack side. 図11は、燃料電池スタック内のCO濃度を説明するためのグラフである。FIG. 11 is a graph for explaining the CO concentration in the fuel cell stack. 図12(a)は、図7の燃料電池に備えられる燃料入口/出口マニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状の変形例を示す図であり、図12(b)は、図7の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状の変形例の変形例を示す図である。12A is a view showing a modification of the shape when the fuel inlet / outlet manifold provided in the fuel cell of FIG. 7 is viewed horizontally from the stack side, and FIG. 12B is a view of FIG. It is a figure which shows the modification of the modification at the time of seeing the fuel return manifold with which a fuel cell is equipped from the stack side horizontally. 図13(a)は、図7の燃料電池に備えられる燃料入口/出口マニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状の変形例を示す図であり、図13(b)は、図7の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールドをスタック側から水平に見た場合の形状の変形例を示す図である。FIG. 13A is a view showing a modification of the shape when the fuel inlet / outlet manifold provided in the fuel cell of FIG. 7 is viewed horizontally from the stack side, and FIG. 13B is a view of FIG. It is a figure which shows the modification of the shape at the time of seeing the fuel return manifold with which a fuel cell is equipped from the stack side horizontally. 図14は、第4の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。FIG. 14 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell system according to the fourth embodiment. 図15は、第5の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。FIG. 15 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell system according to the fifth embodiment.

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1乃至図3を参照して、第1の実施形態について説明する。
(First embodiment)
The first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

図1は、第1の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the fuel cell according to the first embodiment.

図1に示される燃料電池は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池であり、その燃料電池本体は、固体高分子電解質膜(以下、「高分子膜」と呼ぶ。)を挟んで一側に燃料電極を配置し、他側に酸化剤電極を配置するとともに、各電極の燃料電極の外側に燃料ガス流路を構成する多孔質のセパレータを配置し、酸化剤電極の外側に酸化剤ガス流路を構成する多孔質のセパレータを配置した単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタック1を有する。また、この燃料電池は、燃料電池スタック1の外側の一方に集電板2を設け、もう一方に集電板3を設け、燃料電池スタック1の各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給すると共に燃料ガス流路から燃料ガスを排出するためのガス室を有する燃料ガスマニホールドとして、燃料電池スタック1の燃料入口/出口側に燃料入口/出口マニホールド4を設け、燃料ガス流路を流れる燃料ガスを折り返すためのガス室を有する燃料ガスマニホールドとして、燃料リターン部(燃料ガス折返し部)側に燃料リターンマニホールド5を設け、燃料入口/出口マニホールド4に燃料入口配管6および燃料出口配管7を設け、燃料リターンマニホールド5に空気導入配管8を設けた構成を有する。   The fuel cell shown in FIG. 1 is, for example, a solid polymer electrolyte type fuel cell, and the fuel cell main body is on one side with a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as “polymer membrane”) interposed therebetween. A fuel electrode is arranged, an oxidant electrode is arranged on the other side, a porous separator constituting a fuel gas flow path is arranged outside the fuel electrode of each electrode, and an oxidant gas flow is arranged outside the oxidant electrode. It has a fuel cell stack 1 in which unit cells in which porous separators constituting a path are arranged are arranged in a plurality of rows along the axial direction. Further, this fuel cell is provided with a current collector plate 2 on one outside of the fuel cell stack 1 and a current collector plate 3 on the other side, and fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of each unit cell of the fuel cell stack 1. A fuel inlet / outlet manifold 4 is provided on the fuel inlet / outlet side of the fuel cell stack 1 as a fuel gas manifold having a gas chamber for supplying and discharging the fuel gas from the fuel gas passage, and flows through the fuel gas passage. As a fuel gas manifold having a gas chamber for turning fuel gas, a fuel return manifold 5 is provided on the fuel return portion (fuel gas turning portion) side, and a fuel inlet pipe 6 and a fuel outlet pipe 7 are provided on the fuel inlet / outlet manifold 4. The air return pipe 8 is provided in the fuel return manifold 5.

また、燃料電池として機能するためには、酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドも必要であるが、これらは本願発明に直接関係するものではないため、本実施形態では酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドの図示を省略している(他の実施形態も同様)。   Further, in order to function as a fuel cell, an oxidant manifold and a coolant manifold are also necessary. However, these are not directly related to the present invention, so in this embodiment, an oxidant manifold and a coolant manifold are illustrated. Is omitted (the same applies to other embodiments).

また、本実施形態では、高分子膜の加湿方式として、燃料電池に導入される燃料ガスや酸化剤ガスを多孔質のセパレータから蒸発する水分で加湿する内部加湿方式を採用するが、燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式を採用しても構わない。   In this embodiment, an internal humidification method in which the fuel gas or oxidant gas introduced into the fuel cell is humidified with moisture evaporating from the porous separator is employed as the polymer film humidification method. You may employ | adopt the external humidification system which adds water vapor | steam beforehand to oxidizing agent gas.

図2は、図1の燃料電池に備えられる燃料電池スタック1をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。また、図3(a)は、図1の燃料電池に備えられる燃料入口/出口マニホールド4をスタック側から水平に見た場合の形状を示す図であり、図3(b)は、図1の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールド5をスタック側から水平に見た場合の形状を示す図である。   FIG. 2 is a conceptual diagram showing the flow of fuel gas and the like inside the fuel cell stack 1 provided in the fuel cell of FIG. 1 when viewed horizontally from a direction perpendicular to the longitudinal direction. 3A is a diagram showing the shape of the fuel inlet / outlet manifold 4 provided in the fuel cell of FIG. 1 when viewed horizontally from the stack side, and FIG. 3B is a diagram of FIG. It is a figure which shows the shape at the time of seeing horizontally the fuel return manifold 5 with which a fuel cell is equipped from the stack side.

燃料電池スタック1は、図2に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第1のパス1Aおよび第2のパス1Bを有する。なお、燃料ガスのフローの詳細については、後で詳しく述べる。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 1 has a first path 1A and a second path 1B as paths through which the fuel gas flows. Details of the fuel gas flow will be described later.

燃料入口/出口マニホールド4は、図3(a)に示されるように、その内側に、燃料ガスのパス間を境に仕切られた2つの空間4A,4Bを有する。空間7Aには燃料入口配管6が接続され、空間7Bには燃料出口配管7が接続されている。空間4Aは、燃料電池スタック1の第1のパス1Aに対向し、空間4Bは、燃料電池スタック1の第2のパス1Bに対向している。   As shown in FIG. 3A, the fuel inlet / outlet manifold 4 has two spaces 4 </ b> A and 4 </ b> B that are partitioned by a boundary between fuel gas paths. A fuel inlet pipe 6 is connected to the space 7A, and a fuel outlet pipe 7 is connected to the space 7B. The space 4A faces the first path 1A of the fuel cell stack 1, and the space 4B faces the second path 1B of the fuel cell stack 1.

一方、燃料リターンマニホールド5は、図3(b)に示されるように、その内側に、空間5Aを有する。空間5Aには空気導入配管8が接続されている。空間5Aは、燃料電池スタック1の第1のパス1Aおよび第2のパス1Bに対向している。   On the other hand, as shown in FIG. 3B, the fuel return manifold 5 has a space 5A inside thereof. An air introduction pipe 8 is connected to the space 5A. The space 5A faces the first path 1A and the second path 1B of the fuel cell stack 1.

ここで、図2および図3を参照して、本実施形態における燃料ガスフロー等について説明する。なお、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック1に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給されるが、ここでは主に燃料ガスのフローについて示す。   Here, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, the fuel gas flow etc. in this embodiment are demonstrated. During operation of the fuel cell system, fuel gas, oxidant gas, and cooling water are respectively supplied to the fuel cell stack 1, but here, the flow of the fuel gas is mainly shown.

燃料ガスが燃料入口配管6を通じて燃料入口/出口マニホールド4の空間4Aに供給されると、燃料ガスは、燃料電池スタック1の第1のパス1Aを通り、燃料リターンマニホールド5の空間5Aで折り返す。空間5Aに入った燃料ガスは、空気導入配管8を通じて外部から導入される空気と混合し、燃料電池スタック1の第2のパス1Bを通り、燃料入口/出口マニホールド4の空間4Bに入る。空間4Bに入った燃料ガス、すなわち、燃料電池スタック1で消費されなかった燃料ガスは、燃料出口配管7より排出される。   When the fuel gas is supplied to the space 4 </ b> A of the fuel inlet / outlet manifold 4 through the fuel inlet pipe 6, the fuel gas passes through the first path 1 </ b> A of the fuel cell stack 1 and turns back in the space 5 </ b> A of the fuel return manifold 5. The fuel gas that has entered the space 5A is mixed with air introduced from the outside through the air introduction pipe 8, passes through the second path 1B of the fuel cell stack 1, and enters the space 4B of the fuel inlet / outlet manifold 4. The fuel gas that has entered the space 4B, that is, the fuel gas that has not been consumed in the fuel cell stack 1, is discharged from the fuel outlet pipe 7.

次に、本実施形態の作用について説明する。   Next, the operation of this embodiment will be described.

燃料電池に導入される燃料ガスには通常微量の一酸化炭素(CO)が含まれている。燃料ガス中のCO濃度が例えば10ppmの場合の燃料電池の各部分でのCO濃度を図4に示す。燃料電池スタックの燃料入口部が10ppmであり、燃料利用率67.5%の条件で、燃料リターン部に到達するまでに全体で消費する水素の60%を消費し、燃料リターン部から燃料出口部に到達するまでに残りの40%を消費すると、各場所でのCO濃度は下記のように下流に向かうに従ってCO濃度が高くなる。   The fuel gas introduced into the fuel cell usually contains a trace amount of carbon monoxide (CO). FIG. 4 shows the CO concentration in each part of the fuel cell when the CO concentration in the fuel gas is, for example, 10 ppm. When the fuel inlet of the fuel cell stack is 10 ppm and the fuel utilization rate is 67.5%, 60% of the total hydrogen consumed before reaching the fuel return part is consumed. From the fuel return part to the fuel outlet part If the remaining 40% is consumed before reaching the value, the CO concentration at each location increases as it goes downstream as described below.

燃料リターン部:10ppm×100/(100−67.5×0.6)≒17ppm
燃料出口部:10ppm×100/(100−67.5)≒31ppm
一般的にCO濃度が高くなると電圧低下が大きくなるため、特にCO濃度が高くなる下流側で性能低下の影響を受けやすい。性能低下を抑制するためには、燃料ガス側極に供給する燃料ガスに空気を混入させて、燃料ガス中の一酸化炭素量を低減させる手法が有効である。
Fuel return part: 10 ppm × 100 / (100-67.5 × 0.6) ≈17 ppm
Fuel outlet: 10 ppm × 100 / (100-67.5) ≈31 ppm
In general, as the CO concentration increases, the voltage drop increases, and therefore, it is easily affected by the performance deterioration particularly on the downstream side where the CO concentration increases. In order to suppress the performance degradation, a method of reducing the amount of carbon monoxide in the fuel gas by mixing air into the fuel gas supplied to the fuel gas side electrode is effective.

一方、燃料ガス導入部は乾燥により劣化し、高分子膜が損傷しやすい場所であり、かつ燃料ガス導入前に空気を混入させると、燃料極において水素と酸素とが反応して、過酸化水素(H)が生成されることが確認されている。この過酸化水素が生成する際に生じる中間生成体であるOHラジカルが、高分子膜の化学結合を劣化させる。即ち、燃料電池の運転中に、燃料極に空気を導入し続けると、燃料電池本体の高分子膜が劣化し、当該高分子膜の寿命が短くなる。このように乾燥による劣化と空気導入による化学的な劣化が重なる燃料入口部が面内で最も損傷を受けやすい。したがって、空気を燃料リターンマニホールド5に設けられた空気導入配管8から導入することで、燃料入口部の損傷を抑制できかつ、CO濃度の高い燃料ガス下流側のCO濃度を低減できる。なお、空気導入配管8から導入するガスは、空気に限らず、酸素を含む酸素系ガスであれば空気以外のガスを適用してもよい。 On the other hand, the fuel gas introduction part is a place where the polymer film is easily damaged due to drying, and when air is mixed before the fuel gas is introduced, hydrogen and oxygen react with each other at the fuel electrode, resulting in hydrogen peroxide. It has been confirmed that (H 2 O 2 ) is produced. The OH radical, which is an intermediate product generated when hydrogen peroxide is generated, degrades the chemical bond of the polymer film. That is, if air is continuously introduced into the fuel electrode during the operation of the fuel cell, the polymer membrane of the fuel cell body deteriorates and the life of the polymer membrane is shortened. Thus, the fuel inlet portion where the deterioration due to drying and the chemical deterioration due to the introduction of air overlap is most easily damaged in the plane. Therefore, by introducing air from the air introduction pipe 8 provided in the fuel return manifold 5, damage to the fuel inlet can be suppressed and the CO concentration downstream of the fuel gas having a high CO concentration can be reduced. The gas introduced from the air introduction pipe 8 is not limited to air, and any gas other than air may be applied as long as it is an oxygen-based gas containing oxygen.

電圧寿命と高分子寿命について、(1)酸素系ガス導入なし、(2)酸素系ガス導入あり(燃料入口部)、(3)酸素系ガス導入あり(燃料リターン部)の3つのケースを比較して検証した結果を以下の表に示す。ここでは、酸素系ガスは空気であるものとする。

Figure 2014032752
Comparison of three cases of voltage life and polymer life: (1) no oxygen gas introduction, (2) oxygen gas introduction (fuel inlet), (3) oxygen gas introduction (fuel return) The following table shows the results of the verification. Here, it is assumed that the oxygen-based gas is air.
Figure 2014032752

電圧寿命と高分子膜寿命については(3)のケースを1.0とした場合の相対値で示している。ケース(1)については空気導入がないため、電圧寿命が0.4と短い一方、高分子膜寿命については空気導入による劣化がないため、1.1と長くなっており、トータルで寿命の短い方である0.4となっている。ケース(2)については空気を燃料入口部より導入しており、電圧寿命は1.1と長くなっているが、空気を燃料入口部から導入しており、燃料入口部の劣化が大きいことから、高分子膜の寿命は0.9となっている。ケース(3)については、燃料リターン部から空気を導入することで電圧寿命の低下を抑制し、かつ燃料入口部の高分子膜寿命の低下を抑制しているため、トータルの寿命は1.0となり、3つのケースの内で最も良好な結果を示した。   The voltage life and polymer film life are shown as relative values when the case (3) is 1.0. In case (1), since there is no air introduction, the voltage life is as short as 0.4. On the other hand, the polymer membrane life is not deteriorated due to air introduction, and is as long as 1.1. Is 0.4. In case (2), air is introduced from the fuel inlet and the voltage life is as long as 1.1. However, since air is introduced from the fuel inlet, the deterioration of the fuel inlet is large. The lifetime of the polymer film is 0.9. For case (3), the introduction of air from the fuel return part suppresses the decrease in the voltage life and suppresses the decrease in the polymer film life at the fuel inlet, so the total life is 1.0. And showed the best results among the three cases.

以上のように本実施形態によれば、電圧寿命低下の抑制と高分子膜寿命低下の抑制を両立することが可能となり、燃料電池本体の長寿命化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to achieve both the suppression of the decrease in the voltage life and the suppression of the decrease in the life of the polymer membrane, and the life of the fuel cell body can be extended.

なお、本実施形態では、燃料電池スタック1を、第1のパス1Aおよび第2のパス1Bからなる2パスフロー構成とする場合を例示したが、これに限定せず、3パス以上のスタックからなる構成としてもよい。   In this embodiment, the fuel cell stack 1 is exemplified as a two-pass flow configuration including the first path 1A and the second path 1B. However, the present invention is not limited to this, and the stack includes three or more paths. It is good also as a structure.

(第2の実施形態)
図5および図6を参照して、第2の実施形態について説明する。
(Second Embodiment)
The second embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

図5は、第2の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。図6は、図5の燃料電池に備えられる燃料電池スタック21をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。   FIG. 5 is a perspective view showing the appearance of the fuel cell according to the second embodiment. FIG. 6 is a conceptual diagram showing the flow of fuel gas and the like inside when the fuel cell stack 21 provided in the fuel cell of FIG. 5 is viewed horizontally from a direction perpendicular to the longitudinal direction.

前述の第1の実施形態では、燃料電池スタック1に燃料入口/出口マニホールド4と燃料リターンマニホールド5とを設け、燃料入口配管6および燃料出口配管7を燃料入口/出口マニホールド4に設けると共に、空気導入配管8を燃料リターンマニホールド5に設ける構成を示したが、この第2の実施形態では、このような構成ではなく、集電板22,23のうちの片方の集電板23の裏側に、燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を有する燃料入口マニホールド24A、および燃料ガス流路から燃料ガスを排出するためのガス室を有する燃料出口マニホールド24B、並びに燃料ガス流路を流れる燃料ガスを折り返すためのガス室を有する燃料リターンマニホールド25を配置し、燃料入口配管26および燃料出口配管27並びに空気導入配管28を集電板23に設け、これら燃料入口配管26および燃料出口配管27並びに空気導入配管28が集電板23を貫通してそれぞれ燃料入口マニホールド24Aおよび燃料出口マニホールド24B並びに燃料リターンマニホールド25の各ガス室に接続されるように構成する。   In the above-described first embodiment, the fuel cell stack 1 is provided with the fuel inlet / outlet manifold 4 and the fuel return manifold 5, the fuel inlet pipe 6 and the fuel outlet pipe 7 are provided in the fuel inlet / outlet manifold 4, and the air Although the configuration in which the introduction pipe 8 is provided in the fuel return manifold 5 has been shown, in this second embodiment, not such a configuration, but on the back side of the current collector plate 23 of one of the current collector plates 22 and 23, A fuel inlet manifold 24A having a gas chamber for supplying fuel gas to the fuel gas passage, a fuel outlet manifold 24B having a gas chamber for discharging the fuel gas from the fuel gas passage, and the fuel gas passage. A fuel return manifold 25 having a gas chamber for turning back the fuel gas is arranged so that the fuel inlet pipe 26 and the fuel outlet pipe 27 are aligned. The air inlet pipe 28 is provided in the current collector plate 23, and the fuel inlet pipe 26, the fuel outlet pipe 27, and the air inlet pipe 28 penetrate the current collector plate 23, respectively, and the fuel inlet manifold 24A, the fuel outlet manifold 24B, and the fuel return, respectively. It is configured to be connected to each gas chamber of the manifold 25.

そのほかの構成や作用については、第1の実施形態と同様である。   Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.

以上のように本実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果があり、電圧寿命低下の抑制と高分子膜寿命低下の抑制を両立することが可能となり、燃料電池本体の長寿命化を図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, there is an effect similar to that of the first embodiment, and it is possible to achieve both suppression of the decrease in voltage life and suppression of the decrease in life of the polymer film, and the long life of the fuel cell main body. Can be achieved.

(第3の実施形態)
図7乃至図11を参照して、第3の実施形態について説明する。
(Third embodiment)
The third embodiment will be described with reference to FIGS.

図7は、第3の実施形態に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。   FIG. 7 is a perspective view showing the appearance of the fuel cell according to the third embodiment.

図7に示される燃料電池は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池であり、その燃料電池本体は、高分子膜を挟んで一側に燃料電極を配置し、他側に酸化剤電極を配置するとともに、各電極の燃料電極の外側に燃料ガス流路を構成する多孔質のセパレータを配置し、酸化剤電極の外側に酸化剤ガス流路を構成する多孔質のセパレータを配置した単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタック41を有する。また、この燃料電池は、燃料電池スタック41を、第1のスタック49および第2のスタック50からなる2段構成とし、第1のスタック49の外側に集電板42を設け、第2のスタック50の外側に集電板43を設け、スタック間に隔離板51を設け、燃料電池スタック41の各単位セルの燃料ガス流路に燃料ガスを供給するためのガス室を備えた燃料ガスマニホールドとして、燃料電池スタック41の燃料入口/出口側に燃料入口/出口マニホールド44を設け、燃料リターン部側に燃料リターンマニホールド45を設け、燃料入口/出口マニホールド7に燃料入口配管46および燃料出口配管47を設け、さらに、燃料入口/出口マニホールド44の外側にスタック間連絡流路52を設けた構成を有する。スタック間連絡流路52は、燃料ガスを燃料入口/出口マニホールド44内の低い場所の空間から同じ燃料入口/出口マニホールド44内の高い場所の空間へと導く。なお、単位セルの数は、第1のスタック49よりも第2のスタック50の方が少ないものとする(例えば、75%対25%の割合とする)。   The fuel cell shown in FIG. 7 is, for example, a solid polymer electrolyte type fuel cell, and the fuel cell main body has a fuel electrode disposed on one side and a oxidant electrode disposed on the other side with a polymer membrane interposed therebetween. And a unit cell in which a porous separator constituting the fuel gas flow path is arranged outside the fuel electrode of each electrode, and a porous separator constituting the oxidant gas flow path is arranged outside the oxidant electrode. The fuel cell stack 41 is arranged in a plurality of rows along the axial direction. Further, in this fuel cell, the fuel cell stack 41 has a two-stage configuration including a first stack 49 and a second stack 50, and a current collecting plate 42 is provided outside the first stack 49, whereby the second stack As a fuel gas manifold provided with a current collecting plate 43 outside 50, a separator plate 51 between the stacks, and a gas chamber for supplying fuel gas to the fuel gas flow path of each unit cell of the fuel cell stack 41 The fuel inlet / outlet manifold 44 is provided on the fuel inlet / outlet side of the fuel cell stack 41, the fuel return manifold 45 is provided on the fuel return portion side, and the fuel inlet pipe 46 and the fuel outlet pipe 47 are provided on the fuel inlet / outlet manifold 7. In addition, an inter-stack communication channel 52 is provided outside the fuel inlet / outlet manifold 44. The inter-stack communication channel 52 guides fuel gas from a lower space in the fuel inlet / outlet manifold 44 to a higher space in the same fuel inlet / outlet manifold 44. It is assumed that the number of unit cells is smaller in the second stack 50 than in the first stack 49 (for example, a ratio of 75% to 25%).

また、燃料電池として機能するためには、酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドも必要であるが、これらは本願発明に直接関係するものではないため、本実施形態では酸化剤マニホールドおよび冷却剤マニホールドの図示を省略している(他の実施形態も同様)。   Further, in order to function as a fuel cell, an oxidant manifold and a coolant manifold are also necessary. However, these are not directly related to the present invention, so in this embodiment, an oxidant manifold and a coolant manifold are illustrated. Is omitted (the same applies to other embodiments).

ところで、効率を上げる手法の一つに燃料利用率(燃料の供給量に対する消費量の割合)を向上させる方法がある。燃料を水素に変換する改質器を備えたプラントの場合は燃料電池から排出された燃料ガスは熱源として活用されるが、純水素燃料のプラントの場合は発電に使われない水素は排気されるか燃焼されてしまうので、燃料利用率を向上させることがプラント効率を向上させる上で有効となる。   By the way, as one of the methods for increasing the efficiency, there is a method of improving the fuel utilization rate (ratio of consumption to the amount of fuel supply). In the case of a plant equipped with a reformer that converts fuel into hydrogen, the fuel gas discharged from the fuel cell is used as a heat source, but in the case of a pure hydrogen fuel plant, hydrogen that is not used for power generation is exhausted. Therefore, improving the fuel utilization rate is effective in improving the plant efficiency.

本実施形態のように燃料電池スタックを2つのスタックからなる2段構成とした燃料電池においては、燃料電池全体の単電池セル数の75%を第1のスタックとし、残りの25%の単電池を第2のスタックとすると、図8に示すように全ての領域において全体の利用率より個々のスタックの利用率を低くすることが可能となる。例えば全体の燃料ガスの利用率を90%とすると、第1のスタックの燃料ガスの実質利用率は、90%×0.75=67.5%であり、また、第2のスタックの燃料ガスの実質利用率は、0.25/{(100%/90%)−0.75}×100≒69.2%であり、全体の燃料ガスの利用率を変えずに個々のスタックの利用率を下げる、すなわち全体の燃料ガスの流量を変えることなく、個々のスタックに供給される燃料ガスの流量を増やすことが可能となる。このような手法は、全体の燃料ガス流量を低減できるため、プラント効率を向上させる上で有効となる。したがって、本実施形態ではこのような手法を、前述の第1のスタック49および第2のスタック50に適用している。   In the fuel cell in which the fuel cell stack has a two-stage configuration including two stacks as in the present embodiment, 75% of the total number of unit cells in the fuel cell is the first stack, and the remaining 25% unit cells. Is the second stack, as shown in FIG. 8, the utilization rate of each stack can be made lower than the overall utilization rate in all the areas. For example, when the overall fuel gas utilization rate is 90%, the actual utilization rate of the fuel gas in the first stack is 90% × 0.75 = 67.5%, and the fuel gas in the second stack The actual utilization ratio of 0.25 / {(100% / 90%) − 0.75} × 100≈69.2%, and the utilization ratio of each stack without changing the overall utilization ratio of the fuel gas It is possible to increase the flow rate of the fuel gas supplied to the individual stacks without decreasing the flow rate, that is, without changing the overall flow rate of the fuel gas. Such a method is effective in improving the plant efficiency because the entire fuel gas flow rate can be reduced. Therefore, in the present embodiment, such a method is applied to the first stack 49 and the second stack 50 described above.

図9(a)は、図7の燃料電池に備えられる第1のスタック49をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図であり、図9(b)は、図7の燃料電池に備えられる第2のスタック50をその長手方向に垂直な方向から水平に見た場合の内部における燃料ガスのフロー等を示す概念図である。また、図10(a)は、図7の燃料電池に備えられる燃料入口/出口マニホールド44をスタック側から水平に見た場合の形状を示す図であり、図10(b)は、図7の燃料電池に備えられる燃料リターンマニホールド45をスタック側から水平に見た場合の形状を示す図である。   FIG. 9A is a conceptual diagram showing the flow of fuel gas and the like in the interior when the first stack 49 provided in the fuel cell of FIG. 7 is viewed horizontally from the direction perpendicular to the longitudinal direction. FIG. 9B is a conceptual diagram showing a flow of fuel gas and the like inside the second stack 50 provided in the fuel cell of FIG. 7 when viewed horizontally from a direction perpendicular to the longitudinal direction. FIG. 10 (a) is a view showing the shape of the fuel inlet / outlet manifold 44 provided in the fuel cell of FIG. 7 when viewed horizontally from the stack side, and FIG. 10 (b) is a view of FIG. It is a figure which shows the shape at the time of seeing horizontally the fuel return manifold 45 with which a fuel cell is equipped from the stack side.

第1のスタック49は、図9(a)に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第1のパス49Aおよび第2のパス49Bを有する。また、第2のスタック50は、図9(b)に示されるように、燃料ガスが流れるパスとして第1のパス50Aおよび第2のパス50Bを有する。図9(a)および図9(b)から分るように、第1のスタック49と第2のスタック50とは、共通した2段パス構成を有する。なお、燃料ガスのフローの詳細については、後で詳しく述べる。   As shown in FIG. 9A, the first stack 49 has a first path 49A and a second path 49B as paths through which the fuel gas flows. Further, as shown in FIG. 9B, the second stack 50 includes a first path 50A and a second path 50B as paths through which the fuel gas flows. As can be seen from FIGS. 9A and 9B, the first stack 49 and the second stack 50 have a common two-stage path configuration. Details of the fuel gas flow will be described later.

燃料入口/出口マニホールド44は、図10(a)に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られ且つ燃料ガスのパス間を境に仕切られた4つの空間44A,44B,44C,44Dを有する。空間44Aには燃料入口配管46が接続され、空間44Dには燃料出口配管47が接続され、空間44B,44Cには、燃料入口/出口マニホールド44に設けられた開口部53,54を介して両空間を燃料入口/出口マニホールド44の外側で連絡する前述のスタック間連絡流路52が接続されている。空間44Aは、第1のスタック49の第1のパス49Aに対向し、空間44Bは、第1のスタック49の第2のパス49Bに対向し、空間44Cは、第2のスタック50の第1のパス50Aに対向し、空間44Dは、第2のスタック50の第2のパス50Bに対向している。   As shown in FIG. 10A, the fuel inlet / outlet manifold 44 is divided into four spaces 44A, 44B, and 44C that are partitioned between the stacks and between the fuel gas paths. , 44D. A fuel inlet pipe 46 is connected to the space 44A, a fuel outlet pipe 47 is connected to the space 44D, and both spaces 44B and 44C are connected to both via the openings 53 and 54 provided in the fuel inlet / outlet manifold 44. The aforementioned inter-stack communication flow path 52 that connects the space outside the fuel inlet / outlet manifold 44 is connected. The space 44A is opposed to the first path 49A of the first stack 49, the space 44B is opposed to the second path 49B of the first stack 49, and the space 44C is the first of the second stack 50. The space 44 </ b> D is opposed to the second path 50 </ b> B of the second stack 50.

一方、燃料リターンマニホールド45は、図10(b)に示されるように、その内側に、スタック間を境に仕切られた2つの空間45A,45Bを有する。空間45Aには空気導入配管48が接続されている。空間45Aは、第1のスタック49の第1のパス49Aおよび第2のパス49Bに対向し、空間45Bは、第2のスタック50の第1のパス50Aおよび第2のパス50Bに対向している。   On the other hand, as shown in FIG. 10B, the fuel return manifold 45 has two spaces 45 </ b> A and 45 </ b> B that are partitioned between the stacks inside. An air introduction pipe 48 is connected to the space 45A. The space 45A is opposed to the first path 49A and the second path 49B of the first stack 49, and the space 45B is opposed to the first path 50A and the second path 50B of the second stack 50. Yes.

ここで、図9および図10を参照して、本実施形態における燃料ガスフロー等について説明する。なお、燃料電池システムの運転時には、燃料電池スタック41に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がそれぞれ供給されるが、ここでは主に燃料ガスのフローについて示す。   Here, with reference to FIG. 9 and FIG. 10, the fuel gas flow etc. in this embodiment are demonstrated. During operation of the fuel cell system, fuel gas, oxidant gas, and cooling water are respectively supplied to the fuel cell stack 41. Here, the flow of the fuel gas is mainly shown.

燃料ガスが燃料入口配管46を通じて燃料入口/出口マニホールド44の空間44Aに供給されると、燃料ガスは、第1のスタック49の第1のパス49Aを通り、燃料リターンマニホールド45の空間45Aで折り返す。空間45Aに入った燃料ガスは、空気導入配管48を通じて外部から導入される空気と混合し、第1のスタック49の第2のパス49Bを通り、燃料入口/出口マニホールド44の空間44Bに入る。空間44Bに入った燃料ガスは、燃料入口/出口マニホールド7の開口部53を介してスタック間連絡流路52を通り、燃料入口/出口マニホールド44の開口部54を介して空間44Cに入る。空間44Cに入った燃料ガスは、第2のスタック50の第1のパス50Aを通り、燃料リターンマニホールド45の空間45Bで折り返し、第2のスタック50の第2のパス50Bを通り、燃料入口/出口マニホールド44の空間44Dに入る。空間44Dに入った燃料ガス、すなわち、燃料電池スタック41で消費されなかった燃料ガスは、燃料出口配管47より排出される。   When the fuel gas is supplied to the space 44 </ b> A of the fuel inlet / outlet manifold 44 through the fuel inlet pipe 46, the fuel gas passes through the first path 49 </ b> A of the first stack 49 and turns back in the space 45 </ b> A of the fuel return manifold 45. . The fuel gas that has entered the space 45 </ b> A mixes with air introduced from the outside through the air introduction pipe 48, passes through the second path 49 </ b> B of the first stack 49, and enters the space 44 </ b> B of the fuel inlet / outlet manifold 44. The fuel gas that has entered the space 44B passes through the inter-stack communication flow path 52 via the opening 53 of the fuel inlet / outlet manifold 7 and enters the space 44C via the opening 54 of the fuel inlet / outlet manifold 44. The fuel gas that has entered the space 44C passes through the first path 50A of the second stack 50, turns back in the space 45B of the fuel return manifold 45, passes through the second path 50B of the second stack 50, and enters the fuel inlet / It enters the space 44D of the outlet manifold 44. The fuel gas that has entered the space 44 </ b> D, that is, the fuel gas that has not been consumed in the fuel cell stack 41 is discharged from the fuel outlet pipe 47.

なお、本実施形態では、燃料電池スタック41を、第1のスタック49および第2のスタック50からなる2段構成とする場合を例示したが、これに限定せず、3つ以上のスタックからなる3段以上の構成としてもよい。燃料電池スタック1を、N個のスタックからなるN段構成とした場合、i番目(iは1以上でN−1以下の整数)のスタックの燃料出口部に対向する空間とi+1番目のスタックの燃料入口部に対向する空間とを連絡するスタック間連絡流路52がそれぞれ燃料入口/出口マニホールド44の外側に設けられる。   In the present embodiment, the fuel cell stack 41 is illustrated as having a two-stage configuration including the first stack 49 and the second stack 50. However, the present invention is not limited to this and includes three or more stacks. It is good also as a structure of 3 steps | paragraphs or more. When the fuel cell stack 1 has an N-stage configuration including N stacks, the space facing the fuel outlet of the i-th stack (i is an integer not less than 1 and not more than N-1) and the i + 1-th stack An inter-stack communication channel 52 that communicates with the space facing the fuel inlet is provided outside the fuel inlet / outlet manifold 44, respectively.

次に、本実施形態の作用について説明する。   Next, the operation of this embodiment will be described.

燃料電池に導入される燃料ガスには通常微量の一酸化炭素(CO)が含まれている。燃料ガス中のCO濃度が例えば10ppmの場合の燃料電池の各部分でのCO濃度を図11に示す。燃料電池スタックの燃料入口部が10ppmであり、燃料利用率90%の条件で、燃料リターン部に到達するまでに各スタックで消費する水素の60%を消費し、燃料リターン部から燃料出口部に到達するまでに残りの40%を消費すると、各場所でのCO濃度は下記のように下流に向かうに従ってCO濃度が高くなる。   The fuel gas introduced into the fuel cell usually contains a trace amount of carbon monoxide (CO). FIG. 11 shows the CO concentration in each part of the fuel cell when the CO concentration in the fuel gas is, for example, 10 ppm. When the fuel inlet of the fuel cell stack is 10 ppm and the fuel utilization rate is 90%, 60% of the hydrogen consumed in each stack is consumed before reaching the fuel return part, and the fuel return part is connected to the fuel outlet part. If the remaining 40% is consumed by the time it reaches, the CO concentration at each location becomes higher as it goes downstream as described below.

第1のスタック49の燃料リターン部:17ppm
第1のスタック49の燃料出口部、第2のスタック50の燃料入口部:31ppm
第2のスタック50の燃料リターン部:53ppm
第2のスタック50の燃料出口部:100ppm
一般的にCO濃度が高くなると電圧低下が大きくなるため、特にCO濃度が高くなる下流側で性能低下の影響を受けやすい。特に第1の実施形態と比較して、各スタックの燃料利用率は70%弱とほぼ一緒であるが、全体の燃料利用率が90%と高いため、電池の下流にいくにしたがってCO濃度が著しく高くなる。性能低下を抑制するためには、燃料ガス側極に供給する燃料ガスに空気を混入させて、燃料ガス中の一酸化炭素量を低減させる手法が有効である。
Fuel return part of first stack 49: 17 ppm
Fuel outlet of first stack 49, fuel inlet of second stack 50: 31 ppm
Fuel return part of second stack 50: 53 ppm
Fuel outlet of second stack 50: 100 ppm
In general, as the CO concentration increases, the voltage drop increases, and therefore, it is easily affected by the performance deterioration particularly on the downstream side where the CO concentration increases. In particular, compared with the first embodiment, the fuel utilization rate of each stack is almost the same as a little less than 70%. However, since the overall fuel utilization rate is as high as 90%, the CO concentration decreases toward the downstream of the cell. Remarkably high. In order to suppress the performance degradation, a method of reducing the amount of carbon monoxide in the fuel gas by mixing air into the fuel gas supplied to the fuel gas side electrode is effective.

一方、前述したように、燃料ガス導入部は乾燥により劣化し、高分子膜が損傷しやすい場所であり、かつ燃料ガス導入前に空気を混入させると、燃料極において水素と酸素とが反応して、過酸化水素(H)が生成されることが確認されている。この過酸化水素が生成する際に生じる中間生成体であるOHラジカルが、高分子膜の化学結合を劣化させる。即ち、燃料電池の運転中に、燃料極に空気を導入し続けると、燃料電池本体の高分子膜が劣化し、当該高分子膜の寿命が短くなる。このように乾燥による劣化と空気導入による化学的な劣化が重なる燃料入口部が面内で最も損傷を受けやすい。したがって、空気を燃料リターンマニホールド45に設けられた空気導入配管48から導入することで、第1の実施形態と同様に、燃料入口部の損傷を抑制できかつ、CO濃度の高い燃料ガス下流側のCO濃度を低減できる。なお、空気導入配管48から導入するガスは、空気に限らず、酸素を含む酸素系ガスであれば空気以外のガスを適用してもよい。 On the other hand, as described above, the fuel gas introduction part is a place where the polymer film is easily damaged by drying, and when air is mixed before the fuel gas is introduced, hydrogen and oxygen react at the fuel electrode. Thus, it has been confirmed that hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated. The OH radical, which is an intermediate product generated when hydrogen peroxide is generated, degrades the chemical bond of the polymer film. That is, if air is continuously introduced into the fuel electrode during the operation of the fuel cell, the polymer membrane of the fuel cell body deteriorates and the life of the polymer membrane is shortened. Thus, the fuel inlet portion where the deterioration due to drying and the chemical deterioration due to the introduction of air overlap is most easily damaged in the plane. Therefore, by introducing air from the air introduction pipe 48 provided in the fuel return manifold 45, damage to the fuel inlet portion can be suppressed and the downstream side of the fuel gas having a high CO concentration can be suppressed as in the first embodiment. CO concentration can be reduced. The gas introduced from the air introduction pipe 48 is not limited to air, and any gas other than air may be applied as long as it is an oxygen-based gas containing oxygen.

本実施形態によれば、第1の実施形態や第2の実施形態と同様、電圧寿命低下の抑制と高分子膜寿命低下の抑制を両立することが可能となり、燃料電池本体の長寿命化を図ることができる。   According to the present embodiment, as in the first embodiment and the second embodiment, it is possible to achieve both the suppression of the decrease in voltage life and the suppression of the decrease in life of the polymer membrane, thereby extending the life of the fuel cell body. Can be planned.

なお、本実施形態では、燃料電池スタック41を、第1のスタック49の第1のパス49Aおよび第2のパス49B、第2のスタック50の第1のパス50Aおよび第2のパス50Bからなる2パスフロー構成とする場合を例示したが、これに限定せず、3パス以上のスタックからなる構成としてもよい。   In the present embodiment, the fuel cell stack 41 includes the first path 49A and the second path 49B of the first stack 49, and the first path 50A and the second path 50B of the second stack 50. Although the case of a two-pass flow configuration is illustrated, the present invention is not limited to this, and a configuration including a stack of three or more passes may be used.

また、図10の構成を、図12の構成や、図13の構成のように変形して実施してもよい。図12は空気導入配管58を燃料入口/出口マニホールド44に設けて空間44Cに接続するように構成した例を、図13は空気導入配管68を燃料リターンマニホールド45に設けて空間45Bに接続するように構成した例をそれぞれ示している。この場合も、図10のように構成した場合と同様な効果が得られる。   Further, the configuration of FIG. 10 may be modified as in the configuration of FIG. 12 or the configuration of FIG. 12 shows an example in which the air introduction pipe 58 is provided in the fuel inlet / outlet manifold 44 and connected to the space 44C. FIG. 13 shows the air introduction pipe 68 provided in the fuel return manifold 45 to be connected to the space 45B. Each example is shown in FIG. Also in this case, the same effect as that obtained when configured as shown in FIG. 10 can be obtained.

(第4の実施形態)
図14を参照して、第4の実施形態について説明する。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment will be described with reference to FIG.

図14は、第4の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。   FIG. 14 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell system according to the fourth embodiment.

図14に示される燃料電池システムは、前述の第1乃至第3の実施形態で示した燃料電池のいずれかに相当する燃料電池91と、原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを燃料電池91の燃料極91aに供給する改質装置92と、酸化剤ガスを燃料電池91の酸化剤極91bに供給する酸化剤ガス供給装置93と、冷却剤を燃料電池91の電池冷却部91cに供給して回収する冷却装置94と、燃料電池91から取り出される電気を外部へ供給する電気制御装置95とを備えたものとなっている。   The fuel cell system shown in FIG. 14 includes a fuel cell 91 corresponding to any one of the fuel cells shown in the first to third embodiments, and reforms the raw fuel into a hydrogen-rich gas. A reformer 92 that supplies gas to the fuel electrode 91 a of the fuel cell 91, an oxidant gas supply device 93 that supplies oxidant gas to the oxidant electrode 91 b of the fuel cell 91, and a coolant that cools the fuel cell 91. The apparatus includes a cooling device 94 that supplies and recovers the portion 91c and an electric control device 95 that supplies electricity extracted from the fuel cell 91 to the outside.

このような構成において、都市ガスなどの原燃料ガスが改質装置92に供給され、改質された水素リッチの燃料ガスが燃料電池91の燃料極91aに供給される。また、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給装置93により酸化剤極91bに供給され、冷却剤が冷却装置94により電池冷却部91cに供給される。このとき、酸化剤ガス供給装置93から供給される酸化剤ガスの一部が、前述した空気導入配管8(図示せず)を通じて燃料電池91の燃料ガス流路の途中から燃料極91aに供給される。燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して得られた電気は、電気制御装置95により当該燃料電池システムの外部へ供給される。   In such a configuration, raw fuel gas such as city gas is supplied to the reformer 92, and the reformed hydrogen-rich fuel gas is supplied to the fuel electrode 91 a of the fuel cell 91. Further, the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode 91b by the oxidant gas supply device 93, and the coolant is supplied to the battery cooling unit 91c by the cooling device 94. At this time, a part of the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply device 93 is supplied to the fuel electrode 91a from the middle of the fuel gas flow path of the fuel cell 91 through the air introduction pipe 8 (not shown). The Electricity obtained by supplying the fuel gas and the oxidant gas is supplied to the outside of the fuel cell system by the electric control device 95.

この第4の実施形態によれば、第1乃至第3の実施形態で示した燃料電池の利点を活かした燃料電池システムを実現することが可能となる。   According to the fourth embodiment, it is possible to realize a fuel cell system that takes advantage of the advantages of the fuel cells shown in the first to third embodiments.

(第5の実施形態)
図15を参照して、第5の実施形態について説明する。
(Fifth embodiment)
The fifth embodiment will be described with reference to FIG.

なお、この第5の実施形態においては、図15に示した第4の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第4の実施形態と異なる部分を中心に説明する。   In the fifth embodiment, parts that are the same as those in the configuration of the fourth embodiment shown in FIG. 15 are given the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted. Below, it demonstrates centering on a different part from 4th Embodiment.

図15は、第5の実施形態に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。   FIG. 15 is a perspective view showing an appearance of a fuel cell system according to the fifth embodiment.

図15に示される燃料電池システムは、前述の改質装置92の代わりに、純水素ガス供給装置96を備えたものとなっている。純水素ガス供給装置96は、純水素ガスを燃料電池91の燃料極91aに供給する。   The fuel cell system shown in FIG. 15 includes a pure hydrogen gas supply device 96 in place of the reforming device 92 described above. The pure hydrogen gas supply device 96 supplies pure hydrogen gas to the fuel electrode 91 a of the fuel cell 91.

純水素ガスを燃料ガスに用いた場合は、複数段からなるスタック群のいずれにおいても、水素濃度は微量な不純物を除けば100%となり、スタック間で燃料ガスの組成に違いはなく、スタック間の比較においてほぼ同じ条件での運転が可能となる。   When pure hydrogen gas is used as the fuel gas, the hydrogen concentration is 100% in any stack group consisting of multiple stages, excluding trace impurities, and there is no difference in the composition of the fuel gas between the stacks. In comparison, it is possible to operate under substantially the same conditions.

この第5の実施形態によれば、純水素ガスを燃料ガスに用いた場合に第1乃至第3の実施形態で示した燃料電池の利点を更に活かした燃料電池システムを実現することが可能となる。   According to the fifth embodiment, when pure hydrogen gas is used as the fuel gas, it is possible to realize a fuel cell system that further utilizes the advantages of the fuel cells shown in the first to third embodiments. Become.

なお、各実施形態では、燃料電池スタックの燃料ガス導入部(燃料入口部)には空気が導入されないため、燃料ガス上流の空気が導入されない範囲が一酸化炭素の影響を受け、燃料電池の性能を向上させる上で妨げになる可能性がある。これを防ぐためには、各実施形態において、燃料極に白金系の合金触媒を適用することが好ましい。具体的には、白金−ルテニウム合金触媒あるいは白金−パラジウム合金触媒などである。燃料極に、これらの合金触媒を適用することによって、数ppm程度の一酸化炭素濃度が燃料ガス中に含まれている場合でも、燃料電池の性能低下を抑制することが可能である。   In each embodiment, since air is not introduced into the fuel gas introduction portion (fuel inlet portion) of the fuel cell stack, the range where the air upstream of the fuel gas is not introduced is affected by carbon monoxide, and the performance of the fuel cell There is a possibility of hindering the improvement. In order to prevent this, in each embodiment, it is preferable to apply a platinum-based alloy catalyst to the fuel electrode. Specifically, a platinum-ruthenium alloy catalyst or a platinum-palladium alloy catalyst. By applying these alloy catalysts to the fuel electrode, even when a carbon monoxide concentration of about several ppm is included in the fuel gas, it is possible to suppress a decrease in the performance of the fuel cell.

また、各実施形態において、燃料極に導入する酸化剤ガスとして、空気の場合について説明したが、純酸素あるいは酸素を含むガスであれば他の種類のガスでもよい。   In each embodiment, the case where air is used as the oxidant gas to be introduced into the fuel electrode has been described. However, other types of gas may be used as long as the gas contains pure oxygen or oxygen.

以上詳述したように各実施形態によれば、少なくとも、燃料ガス流路の燃料入口よりも下流側に位置し、且つ燃料ガス流路の燃料出口よりも上流側に位置する所定の箇所で、酸素を含む酸素系ガスを外部から燃料ガス流路へ導入する構成を採用しているため、燃料電池本体の長寿命化を図ることが可能となる。   As described in detail above, according to each embodiment, at least at a predetermined position located on the downstream side of the fuel inlet of the fuel gas passage and on the upstream side of the fuel outlet of the fuel gas passage, Since the configuration in which an oxygen-based gas containing oxygen is introduced from the outside into the fuel gas flow path, the life of the fuel cell main body can be extended.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1,21,41…燃料電池スタック、2,3,22,23,42,43…集電板、4,24,44…燃料入口/出口マニホールド、24A…燃料入口マニホールド、24B…燃料出口マニホールド、5,25,45…燃料リターンマニホールド、6,26,46…燃料入口配管、7,27,47…燃料出口配管、8,28,48,58,68…空気導入配管、49…第1のスタック、50…第2のスタック、51…隔離板、52…スタック間連絡流路、53,54…開口部、91…燃料電池、92…改質装置、93…酸化剤ガス供給装置、94…冷却装置、95…電気制御装置、96…純水素ガス供給装置。   1, 2, 41 ... Fuel cell stack, 2, 3, 22, 23, 42, 43 ... Current collector plate, 4, 24, 44 ... Fuel inlet / outlet manifold, 24A ... Fuel inlet manifold, 24B ... Fuel outlet manifold, 5, 25, 45 ... Fuel return manifold, 6, 26, 46 ... Fuel inlet piping, 7, 27, 47 ... Fuel outlet piping, 8, 28, 48, 58, 68 ... Air introduction piping, 49 ... First stack , 50 ... second stack, 51 ... separating plate, 52 ... inter-stack communication channel, 53,54 ... opening, 91 ... fuel cell, 92 ... reforming device, 93 ... oxidant gas supply device, 94 ... cooling Device: 95 ... Electric control device, 96 ... Pure hydrogen gas supply device.

Claims (10)

電解質膜を挟んで燃料極および酸化剤極が配置され、水素を含む燃料ガスが前記燃料極を通るように構成された燃料ガス流路と、酸化剤ガスが前記酸化剤極を通るように構成された酸化剤ガス流路とを備えた燃料電池本体と、
前記燃料ガス流路の入口よりも下流側に位置し、且つ前記燃料ガス流路の出口よりも上流側に位置する所定の箇所で、酸素を含む酸素系ガスを外部から前記燃料ガス流路へ導入する酸素系ガス導入部と
を具備することを特徴とする燃料電池。
A fuel electrode and an oxidant electrode are disposed with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel gas channel configured to allow a fuel gas containing hydrogen to pass through the fuel electrode, and a oxidant gas to pass through the oxidant electrode A fuel cell main body having an oxidant gas flow path formed,
Oxygen-containing gas containing oxygen from the outside to the fuel gas channel at a predetermined position located downstream from the inlet of the fuel gas channel and upstream of the outlet of the fuel gas channel. A fuel cell comprising an oxygen-based gas introduction part to be introduced.
前記燃料ガスは、水素のほかに一酸化炭素を含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel gas contains carbon monoxide in addition to hydrogen. 前記電解質膜は、固体高分子電解質膜であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte membrane. 前記固体高分子電解質膜を加湿する方式として、前記燃料ガス流路を構成するセパレータから蒸発する水分で燃料ガスを加湿する内部加湿方式を採用するものであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池。   4. An internal humidification method in which fuel gas is humidified with moisture evaporated from a separator constituting the fuel gas flow path is adopted as a method for humidifying the solid polymer electrolyte membrane. The fuel cell according to any one of the above. 前記セパレータは多孔質であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 4, wherein the separator is porous. 前記燃料電池本体は、単位セルを軸方向に沿って複数列状に配置した燃料電池スタックを、複数個のスタックからなる複数段構成としたものであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池。   6. The fuel cell main body according to claim 1, wherein a fuel cell stack in which unit cells are arranged in a plurality of rows along the axial direction has a multi-stage configuration including a plurality of stacks. The fuel cell according to any one of the above. 前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスを折り返すためのマニホールドを更に備え、
前記酸素系ガス導入部が、前記マニホールドに設けられていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池。
A manifold for turning back the fuel gas flowing through the fuel gas flow path;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen-based gas introduction section is provided in the manifold.
前記燃料極は、白金系合金触媒を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel electrode includes a platinum-based alloy catalyst. 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の燃料電池と、原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを前記燃料電池に供給する改質手段と、酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、冷却剤を前記燃料電池に供給して回収する冷却手段と、前記燃料電池から取り出される電気を外部へ供給する電気制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。   9. The fuel cell according to claim 1, reforming means for reforming raw fuel into a hydrogen-rich gas and supplying the reformed gas to the fuel cell, and oxidizing gas as the fuel. An oxidant gas supply means for supplying a battery, a cooling means for supplying and recovering a coolant to the fuel cell, and an electric control means for supplying the electricity extracted from the fuel cell to the outside. Fuel cell system. 請求項1,3乃至8のいずれか1項に記載の燃料電池と、純水素ガスを前記燃料電池に供給する純水素ガス供給手段と、酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、冷却剤を前記燃料電池に供給して回収する冷却手段と、前記燃料電池から取り出される電気を外部へ供給する電気制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。   9. The fuel cell according to any one of claims 1, 3 to 8, pure hydrogen gas supply means for supplying pure hydrogen gas to the fuel cell, and oxidant gas supply for supplying oxidant gas to the fuel cell. A fuel cell system comprising: means; cooling means for supplying and recovering coolant to the fuel cell; and electric control means for supplying electricity extracted from the fuel cell to the outside.
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