JP2016213151A - Separator, cell stack and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池のセパレータ等に関する。 The present invention relates to a separator for a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池の1つとして固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell,)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
固体高分子形燃料電池の問題の1つとして“フラッディング”と呼ばれる電池性能を低下させる現象が知られている。すなわち、図18に示すように、固体高分子形燃料電池のセルスタックを構成するシングルセル内のセパレータ90(水素セパレータ、燃料極側の気体拡散部を構成する集電板、バイポーラプレート)では、水素流入口92のある一の辺縁部から未反応水素を排出する水素排出口94のある反対側の辺縁部へ向けて水素流路93が蛇行して設けられている。そして、水素流路93の上流に当たる流入口付近AHでは、水素濃度が高いため発電電流が多く高温になるが、下流に当たる排出口付近ALでは水素濃度が低下するため発電電流が少なく相対的に低温となる。その為、流入口付近AHで反応(アノード表面でのイオン化反応)に伴い生じた水が水蒸気となって下流側へ流れるが、排出口付近ALでは結露し得る。これが進展した状態がフラッディングであり、結露した水で流路が狭くなり、場合によっては流路が閉鎖される場合もある。フラッディングが発生すると、セルスタックを構成するセル内の電極接合体(固体高分子膜(電解質)と電極の接合体:MEA:Membrane Electrode Assembly)は、滞留した水による導電物質の酸化腐食反応によって劣化が進み、やがて発電不能な状態となる。
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is known as one of the fuel cells (see, for example, Patent Document 1).
As one of the problems of polymer electrolyte fuel cells, a phenomenon called “flooding” that degrades battery performance is known. That is, as shown in FIG. 18, in the separator 90 (hydrogen separator, current collector plate constituting the gas diffusion part on the fuel electrode side, bipolar plate) in the single cell constituting the cell stack of the polymer electrolyte fuel cell, A
フラッディング対策としては、例えば、各セルの電圧を計測して一定電圧以下となった場合にスタックへの水素の供給口と排出口とを切り替え、発電分布の偏りを低減する技術が知られるところである(例えば、特許文献2を参照)。 As a countermeasure against flooding, for example, a technique is known in which the voltage of each cell is measured and the supply port and the discharge port of hydrogen are switched to reduce the bias in power generation distribution when the voltage drops below a certain voltage. (For example, see Patent Document 2).
特許文献1,2に開示された技術では、発電分布が偏った状態をできるだけ減らし、MEA(Membrane Electrode Assembly)の劣化を抑制して寿命を延ばすことは可能であるが、根本的に発電分布の偏りを防止することはできなかった。
In the technologies disclosed in
そこで、本発明は、固体高分子形燃料電池におけるフラッディングの発生を防止する新たな技術を実現することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to realize a new technique for preventing the occurrence of flooding in a polymer electrolyte fuel cell.
上記課題を解決するための第1の発明は、発電用の気体を通流させる気体流路が形成された固体高分子形燃料電池のセパレータであって、アウターセパレータと、前記アウターセパレータと電解質膜との間に設けられ、第1気体流路と第2気体流路との隔壁を構成するインナーセパレータと、を備え、
前記アウターセパレータと前記インナーセパレータの外面間で前記第2気体流路が形成され、前記インナーセパレータの内面で前記第1気体流路が形成され、且つ、前記第1気体流路の通流方向と前記第2気体流路の通流方向とが対向関係をなして併走するように構成されたセパレータである。
A first invention for solving the above problems is a separator of a polymer electrolyte fuel cell in which a gas flow path for allowing a gas for power generation to flow is formed, the outer separator, the outer separator, and the electrolyte membrane And an inner separator that forms a partition wall between the first gas flow path and the second gas flow path,
The second gas flow path is formed between the outer surfaces of the outer separator and the inner separator, the first gas flow path is formed on the inner surface of the inner separator, and the flow direction of the first gas flow path It is the separator comprised so that the flow direction of the said 2nd gas flow path may run in opposition.
第2の発明は、前記第1気体流路が、前記気体を複数の第1枝流路に導入するために一時的に溜める第1導入溜め部と、当該第1導入溜め部から分岐された前記複数の第1枝流路と、前記複数の第1枝流路を通流した前記気体を一時的に溜めて排出する第1排出溜め部と、を有し、前記第2気体流路は、前記気体を複数の第2枝流路に導入するために一時的に溜める第2導入溜め部と、当該第2導入溜め部から分岐された前記複数の第2枝流路と、前記複数の第2枝流路を通流した前記気体を一時的に溜めて排出する第2排出溜め部と、を有し、前記第1枝流路と前記第2枝流路とが、互いの通流方向が対向関係をなして併走するように交互に構成された、第1の発明のセパレータである。 According to a second aspect of the present invention, the first gas flow path is branched from a first introduction reservoir that temporarily accumulates the gas into the plurality of first branch channels, and the first introduction reservoir. A plurality of first branch passages; and a first discharge reservoir for temporarily storing and discharging the gas flowing through the plurality of first branch passages. , A second introduction reservoir for temporarily storing the gas into the plurality of second branch channels, the plurality of second branch channels branched from the second introduction reservoir, and the plurality of A second discharge reservoir that temporarily stores and discharges the gas flowing through the second branch flow path, and the first branch flow path and the second branch flow path communicate with each other. 1 is a separator according to a first aspect of the present invention, the directions of which are alternately arranged so that the directions thereof are parallel to each other.
第3の発明は、前記インナーセパレータが、前記第1枝流路と前記第2枝流路との併走を形成する部分の断面が蛇行状に構成され、且つ、当該蛇行状部分において、前記アウターセパレータとの間で形成される前記第2枝流路の部分には、前記電解質膜に通じる開口が設けられている、第2の発明のセパレータである。 According to a third aspect of the present invention, a cross section of a portion where the inner separator forms a parallel run of the first branch flow path and the second branch flow path is configured in a serpentine shape, and In the separator according to the second aspect of the present invention, an opening leading to the electrolyte membrane is provided in a portion of the second branch channel formed between the separator and the separator.
第1〜第3の何れかの発明によれば、第1気体流路と第2気体流路とでは発電用の気体の流れる方向が逆で且つ併走するので、一方の気体流路に係る低温部の近傍に、他方の気体流路に係る高温部が存在することになる。よって、水蒸気が結露するような低温部が生じ難く、フラッディングの発生を防止できる構造となる。 According to any one of the first to third inventions, the first gas flow path and the second gas flow path run in opposite directions in the direction of flow of the power generation gas. The high temperature part which concerns on the other gas flow path exists in the vicinity of a part. Therefore, it is difficult to generate a low-temperature portion in which water vapor is condensed, and a structure that can prevent flooding is obtained.
第4の発明は、前記インナーセパレータ及び前記アウターセパレータは、金属板をプレス加工して製造される、第2又は第3の発明のセパレータである。 A fourth invention is the separator according to the second or third invention, wherein the inner separator and the outer separator are manufactured by pressing a metal plate.
第4の発明によれば、製造が比較的容易であり、製造コストを低減できる。 According to the fourth invention, manufacturing is relatively easy and manufacturing cost can be reduced.
第2〜第4の何れかの発明のセパレータにおいては、第5の発明として、前記第1導入溜め部と前記第2排出溜め部とが、前記セパレータの一の辺縁部側に設けられ、前記第1排出溜め部と前記第2導入溜め部とが、前記セパレータの他の辺縁部側に設けられた、セパレータを構成することもできる。 In the separator of any one of the second to fourth inventions, as a fifth invention, the first introduction reservoir and the second discharge reservoir are provided on one edge side of the separator, The first discharge reservoir and the second introduction reservoir can constitute a separator provided on the other edge side of the separator.
第6の発明は、第5の発明の2つのセパレータを、前記電解質膜を挟むようにして1つのセルを構成したセルスタックである。 A sixth invention is a cell stack in which one separator is constituted by sandwiching the electrolyte membrane between two separators of the fifth invention.
第6の発明によれば、アノード側とカソード側の両方のセパレータを同一とすることで、セルスタックの製造コストを低減できる。 According to the sixth invention, the manufacturing cost of the cell stack can be reduced by making both the anode side and cathode side separators the same.
第7の発明は、第6の発明のセルスタックと、前記一の辺縁部側となる前記セルスタックの第1領域における燃料反応度合いを計測する第1反応計測部(例えば、図17の第1反応センサ71)と、前記他の辺縁部側となる前記セルスタックの第2領域における燃料反応度合いを計測する第2反応計測部(例えば、図17の第2反応センサ72)と、前記第1導入溜め部への流量を調整する第1流量調整部(例えば、図17の第1の電動ポンプ146)と、前記第2導入溜め部への流量を調整する第2流量調整部(例えば、図17の第2の電動ポンプ147)と、前記第1及び第2反応計測部それぞれの計測結果に基づいて、前記第1及び第2流量調整部を制御する制御部(例えば、図17のCPU74)と、を備えた燃料電池システムである。
A seventh invention is a first reaction measuring unit (for example, the first reaction measuring unit shown in FIG. 17) that measures the degree of fuel reaction in the cell stack of the sixth invention and the first region of the cell stack on the one edge side. 1 reaction sensor 71), a second reaction measurement unit (for example, the
第7の発明によれば、更に気体流路別に流量を調整して第1領域と第2領域とを領域別に発電量すなわち発熱量を調整することができる第6の発明のセルスタックを用いた燃料電池システムを実現できる。仮に何らかの理由で第1領域と第2領域とで反応度合いの差が生まれたとしてもこれを補正し、結露を生むような低温箇所の発生を防ぐことができる。 According to the seventh aspect of the invention, the cell stack of the sixth aspect of the invention is used in which the flow rate is further adjusted for each gas flow path, and the power generation amount, that is, the heat generation amount, can be adjusted for each of the first region and the second region. A fuel cell system can be realized. Even if there is a difference in the degree of reaction between the first region and the second region for some reason, this can be corrected to prevent the occurrence of low-temperature spots that cause condensation.
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態における固体高分子形燃料電池の構成例を示す(1)正面図、(2)側面図である。
固体高分子形燃料電池のセルスタック2は、高分子イオン交換膜を電解質として用い、発電用燃料として水素ガスと酸素ガス(又は大気)を用いるタイプの燃料電池である。セルスタック2は、複数のシングルセル5を積層し、その両端をマイナス電極6とプラス電極7とで挟み、更にそれらの両端を絶縁版8とエンドプレート9a,9bとで挟んで一体に連結している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a (1) front view and (2) side view showing a configuration example of a polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment.
The
マイナス電極側のエンドプレート9aの一の辺縁部には、(正面向かって左上から右方へ順に)第1水素流入ポート11と、第2水素流出ポート14と、第2酸素流出ポート18と、第1酸素流入ポート15とが設けられている。
プラス電極側のエンドプレート9bの反対側の辺縁部には、(正面向かって右下から左方へ順に)第1水素流出ポート12と、第2水素流入ポート13と、第2酸素流入ポート17と、第1酸素流出ポート16とが設けられている。
At one edge portion of the negative electrode
At the opposite edge of the positive electrode
セルスタック2の内部には、第1水素流入ポート11から各シングルセル5を巡って第1水素流出ポート12に至る系と、第2水素流入ポート13から各シングルセル5を巡って第2水素流出ポート14に至る系との2系統の水素ガスの流路が設けられている。同様に、第1酸素流入ポート15から各シングルセル5を巡って第1酸素流出ポート16に至る系と、第2酸素流入ポート17から各シングルセル5を巡って第2酸素流出ポート18に至る系との2系統の酸素ガス(或いは大気)の流路が設けられている。
In the
シングルセル5は、公知のPEFCのそれと同様に、アノードセパレータ50(水素セパレータ)と、カソードセパレータ60(酸素セパレータ)とでMEA30を挟むようにして積層一体化されたユニットである。1つのセルスタック2に含まれるシングルセル5の数は適宜設定可能である。
The
なお、本実施形態では、アノードセパレータ50と、カソードセパレータ60とは同じ構造を有しているので、以降ではアノードセパレータ50についてのみ説明することとする。
In the present embodiment, since the
〔セパレータの説明〕
図2は、本実施形態のアノードセパレータ50の構成例を示す正面斜め下から見た斜視外観図である。図3は、アノードセパレータ50の分解図である。
本実施形態のアノードセパレータ50は、MEA30と接触するインナーセパレータ51と、当該インナーセパレータ51の正面側に組み付けられるアウターセパレータ55と、当該アウターセパレータ55を取り囲む様にしてインナーセパレータ51の正面側の周縁部に組み付けられるガスケット57と、を備える。
MEA30の側を内面と呼べば、アノードセパレータ50は、インナーセパレータ51の外面側にアウターセパレータ55を装着し、インナーセパレータ51の外面側にアウターセパレータ55を囲うようにしてガスケット57を装着して組み立てられる。
[Description of separator]
FIG. 2 is a perspective external view of a configuration example of the
The
If the
図4は、インナーセパレータ51の構成例を示す図であって、(1)上面図、(2)正面図、(3)下面図、(4)側面図である。
インナーセパレータ51は、水素ガスを通流される第1気体流路と第2気体流路との隔壁を構成する部品であって、MEA30に水素を供給する流路の第1階層を構成する。インナーセパレータ51は、例えば、導電性の金属薄板をプレス加工により作成される。
4A and 4B are diagrams showing a configuration example of the
The
図2〜図4に示すように、インナーセパレータ51は、正面向かって上方の辺縁部(図4における上側の辺縁部)には、第1水素流入ポート11から繋がる第1水素流入孔511と、第2水素流出ポート14へ繋がる第2水素流出孔514と、第2酸素流出ポート18へ繋がる第2酸素流出孔518と、第1酸素流入ポート15から繋がる第1酸素流入孔515と、が設けられている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
正面向かって下方の右辺縁部(図4における下側の辺縁部)には、第1水素流出ポート12へ繋がる第1水素流出孔512と、第2水素流入ポート13から繋がる第2水素流入孔513と、第2酸素流入ポート17から繋がる第2酸素流入孔517と、第1酸素流出ポート16へ繋がる第1酸素流出孔516と、が設けられている。
A first
そして、インナーセパレータ51の裏面側(MEA30側;内面側)から正面側(外面側)へ張り出すように第1流路52が成型されており、裏面側に開口する空間が形成されている。インナーセパレータ51の裏面側(内面側)にMEA30を密着させることで、気体を通流させる空間が形成される。
And the
具体的には、第1流路52は、第1水素流入孔511から流入した気体を左右に拡散・分配する第1導入溜め部521と、当該第1導入溜め部521より分岐した複数の第1枝流路522と、当該複数の第1枝流路522を抜けた気体を合流させ第1水素流出孔512へ導く第1排出溜め部523と、を有する。なお、第1枝流路522の設置本数は適宜設定可能である。
Specifically, the
図5は、図4のA−A断面図である。図6は、図4のB−B断面図である。図7は、図4のC−C断面図である。図8は、図4のD−D断面図である。
第1枝流路522は、その成形法により、インナーセパレータ51の背面側(MEA側)から見ると、インナーセパレータ51の上下方向に長く且つMEA30側へ開口する溝になっている。つまり、第1枝流路522へ流れ込んだ気体は、溝の開口部からMEA30へ供給されることになる。
5 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
The
C−C断面(図7参照)で見ると、インナーセパレータ51の左右方向断面は、蛇行状を成しており、隣り合う第1枝流路522の間はインナーセパレータ51の上下方向に長く且つ正面側へ開口する溝を形成し隣り合う第1枝流路522の隔壁として機能する。
When viewed in a C-C cross section (see FIG. 7), the cross section in the left-right direction of the
インナーセパレータ51の正面(外面)にアウターセパレータ55を装着すると、この隣り合う第1枝流路522の間の溝の正面側には隔壁が作られる。そして、第2水素流入孔513から供給される水素が通る空間を形成し、隣り合う第1枝流路522の間の溝は第2枝流路564として機能する。具体的には、第2枝流路564の底(MEA側)には通気孔565が設けられており、第2枝流路564に流れ込んだ気体は当該通気孔565を通ってMEA30へ供給される。
When the
図9は、アウターセパレータ55の構成例を示す図であって、(1)上面図、(2)正面図、(3)下面図である。図10は、図9のF−F断面図である。図11は、図9のE−E断面図である。なお、図9では、アウターセパレータ55をインナーセパレータ51に組み付けた時の相対位置関係がわかり易いように、正面図においてインナーセパレータ51の第2枝流路564となる溝部を細破線で記載している。
FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating a configuration example of the
アウターセパレータ55は、導電性の金属薄板をプレス加工することで作成され、MEA30に水素を供給する流路の第2階層を構成する。アウターセパレータ55は、第2流路56と、嵌着片551と、を有する。
The
第2流路56は、上蓋部561と、第2導入溜め部562と、第2排出溜め部563と、を有する。
上蓋部561は、インナーセパレータ51の第1流路52(図4参照)の正面側(外面側)に密着して覆う板状部である。より具体的には、上蓋部561の四辺の寸法は第1流路52を丁度覆うように設定されており、上蓋部561が第1流路52の正面側を覆うことで、隣り合う第1枝流路522の間に形成された溝(底に通気孔565の有る溝;図4参照)の天井が形成されて第2枝流路564として機能するようになる。
The
The
そして、上蓋部561のうち、第2枝流路564の上端部を覆う部分と、第2枝流路564の下端部を覆う部分とが、それぞれ正面側に張り出すように成型されて、第2導入溜め部562と第2排出溜め部563とを成している。
And the part which covers the upper end part of the 2nd
第2導入溜め部562は、下端がインナーセパレータ51の第2水素流入孔513の上方に面して開口して左右に広がり、第2水素流入ポート13(図1参照)から流れ込む水素を拡散・分配して第2枝流路564へ導く。
第2排出溜め部563は、上端がインナーセパレータ51の第2水素流出孔514の正面側に面して開口しており、第2枝流路564を抜けた気体を合流させ第2水素流出孔514の正面側へ排気する。
The
The
嵌着片551は、アウターセパレータ55をインナーセパレータ51の正面側に被せたときに、両者の位置関係と密着とを適切に保持するための連結構造である。本実施形態では第2流路56の4辺の外周より延設されている。
The
次に、ガスケット57について説明する。
図3に示すように、ガスケット57は、上端部(図3で言う所の右斜め上側)の辺縁部に、第1水素流入ポート11から繋がる第1水素流入管部571と、第2水素流出ポート14へ繋がる第2水素流出管部574と、第2酸素流出ポート18へ繋がる第2酸素流出管部578と、第1酸素流入ポート15から繋がる第1酸素流入管部575とを有する。また、下端部(図3で言う所の左斜め下側)の辺縁部には、第1水素流出ポート12へ繋がる第1水素流出管部572と、第2水素流入ポート13から繋がる第2水素流入管部573と、第2酸素流入ポート17から繋がる第2酸素流入管部577と、第1酸素流出ポート16へ繋がる第1酸素流出管部576とを有する。
そして、ガスケット57の中央部には、インナーセパレータ51に嵌着させたアウターセパレータ55を収容する収容空間580が設けられている。
Next, the
As shown in FIG. 3, the
An
収容空間580の上側において、収容空間580と第1水素流入管部571とを隔てる壁部には、インナーセパレータ51の第1導入溜め部521(図4参照)が嵌着される第1導入溜め部嵌着溝581が設けられている。また、収容空間580と第2水素流出管部574とを隔てる壁部には、アウターセパレータ55の第2排出溜め部563(図9参照)が嵌着される第2排出溜め部嵌着溝584が設けられている。
同様に、収容空間580の下側において、収容空間580と第1水素流出管部572とを隔てる壁部には、インナーセパレータ51の第1排出溜め部523(図4参照)が嵌着される第1排出溜め部嵌着溝582が設けられている。また、収容空間580と第2水素流入管部573とを隔てる壁部には、アウターセパレータ55の第2導入溜め部562(図9参照)が嵌着される第2導入溜め部嵌着溝583が設けられている。
そして、収容空間580の左右壁部には、複数の通風口585が設けられている。
A first introduction reservoir in which a first introduction reservoir 521 (see FIG. 4) of the
Similarly, a first discharge reservoir 523 (see FIG. 4) of the
A plurality of
[システム構成の説明]
図12は、本実施形態の燃料電池システム100の燃料系並びに制御系に係るシステム構成を示す図である。なお、酸素系や冷却系、加湿系などその他のシステム構成要素については公知の構成を適用することができるため、ここでの図示及び説明は省略する。
[Description of system configuration]
FIG. 12 is a diagram showing a system configuration related to the fuel system and the control system of the
燃料電池システム100は、水素供給源140から提供される水素ガスをレギュレータ142にて所定気圧に調整して第1水素供給配管110と第2水素供給配管120へ並列的に供給する。第1水素供給配管110はセルスタック2の第1水素流入ポート11へ接続され、第2水素供給配管120は第2水素流入ポート13に接続される。これにより、第1流路52における水素ガスの通流方向と、第2流路56における水素ガスの通流方向とが互いに逆向き、つまり対向関係を成すことになる。
The
セルスタック2の第1水素流出ポート12には第1水素回収配管112が接続され、第2水素流出ポート14には第2水素回収配管122が接続される。そして、両回収配管は気液分離器144に導かれる。
A first
気液分離器144は、公知の気液分離器や凝集装置などにより実現される。
気液分離器144には電動ポンプ146が接続されており、電動ポンプ146は、液体が分離された未反応水素ガスを気液分離器144から吸い出し、第1帰還配管117及び第2帰還配管127を通じてそれぞれ第1水素供給配管110、第2水素供給配管120へ圧送する。
The gas-
An
[セパレータ内の気体の流れの説明]
上述のような構造を有するアノードセパレータ50とカソードセパレータ60とでMEA30を挟んで1つのシングルセル5を構成し、更に上述のような配管構成の燃料電池システム100を構成することで、アノードセパレータ50及びカソードセパレータ60がそれぞれ有する2つのガス流路では、互いのガスの通流方向が対向関係をなすこととなる。
[Description of gas flow in separator]
The
図13は、アノードセパレータ50における水素ガスの第1の通流方向を説明する為の正面図である。なお、理解を容易にするためにアウターセパレータ55を図示省略している。図14は、図13のG−G断面における水素ガスの第1の通流方向を説明する為の断面図である。
FIG. 13 is a front view for explaining the first flow direction of hydrogen gas in the
図13に示すように、インナーセパレータ51が形成する第1流路52では、ガスケット57の第1水素流入管部571を通ってきた水素ガスは、第1導入溜め部521へ導かれそこで複数の第1枝流路522に分配される。すると、図14に示すように、第1枝流路522に流れ込んだ水素ガスは、第1枝流路522の開口部からMEA30へ供給され反応に供される。反応しきれずに残った水素ガスは、第1枝流路522をアノードセパレータ50の下方へ流れ、第1排出溜め部523で集められてガスケット57の第1水素流出管部572へ排出される。
As shown in FIG. 13, in the
MEA30の背面側には、カソードセパレータ60が表裏反転した姿勢で密着されている。カソードセパレータ60は、アノードセパレータ50と同じ構成を有しているので、カソードセパレータ60の第1流路52には酸素ガスが流れる。その通流形態は、カソードセパレータ60の第1流路52における水素ガスと、MEA30を挟んで表裏反転した格好になる。
The cathode separator 60 is in close contact with the back side of the
ここで、カソードセパレータ60の第1流路52における水素濃度に着目すると、上流部ほど濃度が高く、下流へ向かうにつれて濃度が低下する。水素ガスの濃度が高いほど発電量が増えて発熱量が高くなる。よって、カソードセパレータ60の第1流路52では、アノードセパレータ50の上方ほど発熱量が高く下方ほど発熱量が低く、アノードセパレータ50の上部よりも下部は結露し易いことになる。
Here, paying attention to the hydrogen concentration in the
図15は、アノードセパレータ50における水素ガスの第2の通流方向を説明する為の正面図である。なお、理解を容易にするためにアウターセパレータ55を図示省略している。図16は、図15のH−H断面における水素ガスの第2の通流方向を説明する為の断面図である。
FIG. 15 is a front view for explaining a second flow direction of hydrogen gas in the
図15に示すように、インナーセパレータ51及びアウターセパレータ55で形成する第2流路56では、ガスケット57の第2水素流入管部573を通ってきた水素ガスは、第2導入溜め部562へ導かれそこで複数の第2枝流路564に分配される。すると、図16に示すように、第2枝流路564に流れ込んだ水素ガスは、通気孔565からMEA30へ供給され反応に供される。反応しきれずに残った水素ガスは、第2枝流路564を上方へ流れ、第2排出溜め部563で集められてガスケット57の第2水素流出管部574へ排出される。
As shown in FIG. 15, in the
MEA30の背面側には、カソードセパレータ60が表裏反転した姿勢で密着されている。カソードセパレータ60は、アノードセパレータ50と同じ構成を有しているので、カソードセパレータ60の第2流路56には酸素ガスが流れる。その通流形態は、カソードセパレータ60の第2流路56における水素ガスと、MEA30を挟んで表裏反転した格好になる。
The cathode separator 60 is in close contact with the back side of the
ここで、アウターセパレータ55の第2流路56における水素濃度に着目すると、上流部ほど濃度が高く下流へ向かうにつれて濃度が低下する。水素ガスの濃度が高いほど発電量が増えて発熱量が高くなる。よって、第2流路56では、アノードセパレータ50の下方ほど発熱量が高く上方ほど発熱量が低く、下部よりも上部は結露し易いことになる。
Here, paying attention to the hydrogen concentration in the
更に、ここで第1流路52における発熱量の分布傾向(図16中のグラフにおける破線)と、第2流路56における発熱量の分布傾向(図16中のグラフにおける実線)とを見比べると分布傾向が丁度逆転している。よって、互いにとって発熱量が低い範囲を発熱量が高い範囲でカバーすることができるので、アノードセパレータ50全体でみると発熱量の分布は従来よりも均され結露が起こり難くなる。
Further, here, when comparing the distribution trend of the heat generation amount in the first flow path 52 (broken line in the graph in FIG. 16) with the distribution trend of the heat generation amount in the second flow path 56 (solid line in the graph in FIG. 16). The distribution trend is just reversed. Therefore, since a range of low heat generation for each other can be covered with a range of high heat generation, the overall distribution of the heat generation is more uniform than in the
冒頭で述べた通り、カソードセパレータ60は、アノードセパレータ50と同じ構造を有しており、2つの流路部における酸素ガスの通流方向はやはり対向関係をなす。よって、カソードセパレータ60における発熱量分布もアノードセパレータ50におけるそれと同様となり、カソードセパレータ60全体でみると発熱量の分布は従来よりも均され結露が起こり難くなる。
As described at the beginning, the cathode separator 60 has the same structure as the
よって、本実施形態によれば、固体高分子形燃料電池におけるフラッディングの発生を防止する新たな技術を実現することができる。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to realize a new technique for preventing the occurrence of flooding in the polymer electrolyte fuel cell.
〔第2実施形態〕
次に、本発明を適用した第2実施形態について説明する。なお、以降では第1実施形態との差異についてのみ述べることとし、同様の構成要素については同じ符号を付与し重複する説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment to which the present invention is applied will be described. In the following, only differences from the first embodiment will be described, and the same components are assigned the same reference numerals and redundant description will be omitted.
図17は、本実施形態における燃料電池システム100Bの構成例を示す図であって、燃料系並びに制御系に係るシステム構成を示す図である。
燃料電池システム100Bでは、第1実施形態の構成に加えて、第2水素回収配管122と第2帰還配管127との間に独立して第2の気液分離器145及び第2の電動ポンプ147を設けている。セルスタック2における第1流路52と第2流路56とに関する構成は第1実施形態と同様である。
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration example of the
In the
また、セルスタック2には、アノードセパレータ50の上半分の第1領域と下半分の第2領域(図4参照)とに、それぞれの領域における反応度合い(発電度合い)を計測するための第1反応センサ71及び第2反応センサ72が設けられている。
第1反応センサ71及び第2反応センサ72は、例えば、発電された電流により生じる磁気変化を検出する磁気センサや発熱量を知るための温度センサなどをアノードセパレータ50の発電面の裏面に取り付けることにより実現される。
そして、これらのセンサからの出力信号はセンサの種類に応じた入力インタフェース装置73を経てデジタル信号に変換されてコンピュータ74に入力される。
The
As for the
The output signals from these sensors are converted into digital signals via the
コンピュータ74は、所定のプログラムを実行することにより、入力された第1反応センサ71及び第2反応センサ72による計測結果に基づいて、第1領域と第2領域の発電分布の差が生じないように第1の電動ポンプ146及び第2の電動ポンプ147を駆動制御する。これによりフラッディングの発生を防止する。
The
具体的には、第1反応センサ71及び第2反応センサ72の計測値の差から第1領域と第2領域との発電分布の差を判定する。
もし、第1反応センサ71の計測値が第2反応センサ72の計測値を所与の基準値以上に上回る場合には、第2領域の発電量が低下していると判断して、第2の電動ポンプ147の駆動力を上げる制御信号を出力インタフェース装置75から出力する。つまり、第2流路56への流量を上げて発電量を増加させる制御を行う。
反対に、第2反応センサ72の計測値が第1反応センサ71の計測値を所与の基準値以上に上回る場合には、第1領域の発電量が低下していると判断して、第1の電動ポンプ146の駆動力を上げる制御信号を出力インタフェース装置75から出力する。つまり、第1流路52への流量を上げて発電量を増加させる。
Specifically, the difference in power generation distribution between the first region and the second region is determined from the difference between the measured values of the
If the measured value of the
On the other hand, when the measured value of the
本実施形態によれば、基本的には第1実施形態と同様にフラッディングを抑制できる。更には、仮に第1流路52と第2流路56とで圧力損失に差が生じて発電量に差が生じたとしても、フラッディングが生じる前にこれを補正して防止することができる。
According to the present embodiment, flooding can be basically suppressed as in the first embodiment. Furthermore, even if there is a difference in pressure loss between the
〔変形例〕
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明の実施形態がこれらに限定されるものではなく、適宜構成要素の追加・省略・変更を施すことができる。
[Modification]
As mentioned above, although embodiment which applied this invention was described, embodiment of this invention is not limited to these, The addition, omission, and change of a component can be performed suitably.
例えば、上記実施形態におけるインナーセパレータ51やアウターセパレータ55における姿勢すなわち上下左右の関係は適宜変更可能である。
For example, the posture of the
また、アノードセパレータ50には、水素の流入位置と排出位置とを、セパレータの中心を挟んで対向180°の位置関係で設けているが、90°や270°の位置関係に設定することも可能である。この場合、第1枝流路522や第2枝流路564は、上記実施形態のように直線状ではなく、アルファベットのL字状に屈曲させることになる。なお、同様のことは、カソードセパレータ60についても言える。
Further, the
また、第2実施形態については、未反応水素の回収・帰還の配管構成は適宜変更可能である。例えば、第1水素回収配管112の未反応水素を、気液分離器144及び電動ポンプ146を介して第2水素供給配管120へ帰還させ、第2水素回収配管122の未反応水素を第2の気液分離器145及び第2の電動ポンプ147を介して第1水素供給配管110へ帰還させる構成としてもよい。
Moreover, about 2nd Embodiment, the piping structure of collection | recovery and return of unreacted hydrogen can be changed suitably. For example, unreacted hydrogen in the first
2…セルスタック
5…シングルセル
50…アノードセパレータ
51…インナーセパレータ
511…第1水素流入孔
512…第1水素流出孔
513…第2水素流入孔
514…第2水素流出孔
515…第1酸素流入孔
516…第1酸素流出孔
517…第2酸素流入孔
518…第2酸素流出孔
52…第1流路
521…第1導入溜め部
522…第1枝流路
523…第1排出溜め部
55…アウターセパレータ
551…嵌着片
56…第2流路
561…上蓋部
562…第2導入溜め部
563…第2排出溜め部
564…第2枝流路
565…通気孔
57…ガスケット
571…第1水素流入管部
572…第1水素流出管部
573…第2水素流入管部
574…第2水素流出管部
575…第1酸素流入管部
576…第1酸素流出管部
577…第2酸素流入管部
578…第2酸素流出管部
580…収容空間
581…第1導入溜め部嵌着溝
582…第1排出溜め部嵌着溝
583…第2導入溜め部嵌着溝
584…第2排出溜め部嵌着溝
585…通風口
6…マイナス電極
7…プラス電極
8…絶縁版
9a,9b…エンドプレート
11…第1水素流入ポート
12…第1水素流出ポート
13…第2水素流入ポート
14…第2水素流出ポート
15…第1酸素流入ポート
16…第1酸素流出ポート
17…第2酸素流入ポート
18…第2酸素流出ポート
30…MEA
60…カソードセパレータ
71…第1反応センサ
72…第2反応センサ
73…入力インタフェース装置
74…コンピュータ
75…出力インタフェース装置
100…燃料電池システム
110…第1水素供給配管
112…第1水素回収配管
117…第1帰還配管
120…第2水素供給配管
122…第2水素回収配管
127…第2帰還配管
140…水素供給源
142…レギュレータ
144…気液分離器
145…第2の気液分離器
146…電動ポンプ
147…第2の電動ポンプ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 60 ...
Claims (7)
アウターセパレータと、
前記アウターセパレータと電解質膜との間に設けられ、第1気体流路と第2気体流路との隔壁を構成するインナーセパレータと、
を備え、前記アウターセパレータと前記インナーセパレータの外面間で前記第2気体流路が形成され、前記インナーセパレータの内面で前記第1気体流路が形成され、且つ、前記第1気体流路の通流方向と前記第2気体流路の通流方向とが対向関係をなして併走するように構成されたセパレータ。 A separator of a polymer electrolyte fuel cell in which a gas flow path for allowing a gas for power generation to flow is formed,
An outer separator,
An inner separator provided between the outer separator and the electrolyte membrane and constituting a partition wall between the first gas channel and the second gas channel;
The second gas flow path is formed between the outer surfaces of the outer separator and the inner separator, the first gas flow path is formed on the inner surface of the inner separator, and the first gas flow path The separator comprised so that a flow direction and the flow direction of the said 2nd gas flow path may run side by side in opposing relation.
前記第2気体流路は、前記気体を複数の第2枝流路に導入するために一時的に溜める第2導入溜め部と、当該第2導入溜め部から分岐された前記複数の第2枝流路と、前記複数の第2枝流路を通流した前記気体を一時的に溜めて排出する第2排出溜め部と、を有し、
前記第1枝流路と前記第2枝流路とが、互いの通流方向が対向関係をなして併走するように交互に構成された、
請求項1に記載のセパレータ。 The first gas channel includes a first introduction reservoir that temporarily accumulates the gas into the plurality of first branch channels, and the plurality of first branches branched from the first introduction reservoir. A flow path and a first discharge reservoir for temporarily storing and discharging the gas flowing through the plurality of first branch flow paths,
The second gas channel includes a second introduction reservoir for temporarily storing the gas into the plurality of second branch channels, and the plurality of second branches branched from the second introduction reservoir. A flow path, and a second discharge reservoir for temporarily storing and discharging the gas flowing through the plurality of second branch flow paths,
The first branch flow path and the second branch flow path are alternately configured such that the flow directions of the first branch flow path and the second branch flow path are parallel to each other.
The separator according to claim 1.
請求項2に記載のセパレータ。 The inner separator is formed in a meandering cross section of a portion that forms a parallel run of the first branch channel and the second branch channel, and is formed between the outer separator in the serpentine portion. The second branch channel portion is provided with an opening leading to the electrolyte membrane,
The separator according to claim 2.
請求項2又は3に記載のセパレータ。 The inner separator and the outer separator are manufactured by pressing a metal plate,
The separator according to claim 2 or 3.
前記第1排出溜め部と前記第2導入溜め部とが、前記セパレータの他の辺縁部側に設けられた、
請求項2〜4の何れか一項に記載のセパレータ。 The first introduction reservoir and the second discharge reservoir are provided on one edge side of the separator;
The first discharge reservoir and the second introduction reservoir are provided on the other side of the separator,
The separator as described in any one of Claims 2-4.
前記一の辺縁部側となる前記セルスタックの第1領域における燃料反応度合いを計測する第1反応計測部と、
前記他の辺縁部側となる前記セルスタックの第2領域における燃料反応度合いを計測する第2反応計測部と、
前記第1導入溜め部への流量を調整する第1流量調整部と、
前記第2導入溜め部への流量を調整する第2流量調整部と、
前記第1及び第2反応計測部それぞれの計測結果に基づいて、前記第1及び第2流量調整部を制御する制御部と、
を備えた燃料電池システム。 A cell stack according to claim 6;
A first reaction measurement unit for measuring a fuel reaction degree in a first region of the cell stack on the one edge side;
A second reaction measuring unit that measures the degree of fuel reaction in the second region of the cell stack on the other edge side;
A first flow rate adjustment unit for adjusting a flow rate to the first introduction reservoir,
A second flow rate adjusting unit for adjusting the flow rate to the second introduction reservoir,
A control unit for controlling the first and second flow rate adjustment units based on the measurement results of the first and second reaction measurement units;
A fuel cell system comprising:
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---|---|---|---|
JP2015098484A JP2016213151A (en) | 2015-05-13 | 2015-05-13 | Separator, cell stack and fuel cell system |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019216264A1 (en) * | 2019-10-23 | 2021-04-29 | Robert Bosch Gmbh | Production method for producing a guiding device for guiding at least one fluid, as well as production method for producing a fuel cell unit |
-
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- 2015-05-13 JP JP2015098484A patent/JP2016213151A/en active Pending
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