JP4506193B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池は、燃料と酸化剤とを電極に供給することにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムである。燃料電池は、生成物が水であるため環境を汚染しない他、理論上の発電効率が高い等の特徴を有するため、近年、自動車の動力源や家庭用コジェネレーション・システム等として実用化するための開発が進められている。したがって、燃料電池実用化のために、発電効率を高める技術はきわめて重要なものと位置づけられている。   A fuel cell is a system that converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to an electrode. The fuel cell has features such as the product is water and does not pollute the environment, and the theoretical power generation efficiency is high. Therefore, in recent years, the fuel cell has been put into practical use as a power source for automobiles, household cogeneration systems, etc. Development is underway. Therefore, a technique for increasing the power generation efficiency is regarded as extremely important for the practical application of fuel cells.

かかる発電効率を高める技術の一つとして、使用済みガスの再使用がある。特許文献1には、セパレータのMEA(Membrane Electrode Assembly;膜/電極接合体)に相当する部分の外側にガス供給通路とガス排出通路と、ガス供給通路とガス排出通路から分岐し、両通路をつなぐ連絡通路を設け、連絡通路のガス供給通路側に、使用済みガスをガス供給通路に吸引する吸引通路を有するエゼクタを備える構造が開示されている。また、同様な技術分野において関連技術を開示するものとして、特許文献2がある。
特開2002−280028号公報 特開2003−77506号公報
One technique for increasing the power generation efficiency is the reuse of used gas. In Patent Document 1, a gas supply passage, a gas discharge passage, a gas supply passage, and a gas discharge passage are branched outside a portion corresponding to an MEA (Membrane Electrode Assembly) of the separator. There is disclosed a structure including an ejector provided with a connecting passage and having a suction passage for sucking used gas into the gas supply passage on the gas supply passage side of the communication passage. Patent Document 2 discloses a related technique in a similar technical field.
JP 2002-280028 A JP 2003-77506 A

しかし、特許文献1に開示されている構造にあっては、流路の最下流部で、エゼクタによって流速が速くなるが、エゼクタ部分はMEAの外側の反応領域外に配設されているため、流速の速いガスが有効に利用されていないという問題があった。   However, in the structure disclosed in Patent Document 1, the flow velocity is increased by the ejector at the most downstream portion of the flow path, but the ejector portion is disposed outside the reaction region outside the MEA. There was a problem that gas with a high flow rate was not used effectively.

そこで本発明は、反応領域内でガスを最大限有効利用して発電効率を向上させた燃料電池を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell in which the gas is effectively used to the maximum extent in the reaction region to improve the power generation efficiency.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の発明は、電解質の両側に配設された電極と、これら電極の外側にそれぞれ配設され、ガス流路を有するセパレータとを備えた燃料電池であって、ガス流路の上流部に供給されるガスの流速を利用して、ガス流路の下流部のガスを上流部に吸引する、セパレータのMEAと対向する面に設けられMEAと協働してガスの流れ方向を規制しベンチュリ形状となっている山部と、ノズルと、を有するエゼクタが、MEAとセパレータとを積層する積層方向視で電極と重なり、且つ、セパレータと電極とに狭持される面内、に配設されていることを特徴とする燃料電池を提供するものである。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The invention according to claim 1 is a fuel cell comprising electrodes disposed on both sides of an electrolyte, and a separator disposed on the outside of each of the electrodes and having a gas flow path. Utilizing the flow rate of the gas supplied to the upstream part, the gas in the downstream part of the gas flow path is sucked into the upstream part, and the gas flow direction is determined in cooperation with the MEA provided on the surface facing the MEA of the separator. An ejector having a peak portion that is regulated and has a venturi shape and a nozzle overlaps the electrode in the stacking direction in which the MEA and the separator are stacked , and is sandwiched between the separator and the electrode. Provided is a fuel cell that is disposed.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、ガス流路へのガス供給口は、上記面内の重力方向中央より上方に設けられていることを特徴とする。

The invention of claim 2 is the fuel cell according to claim 1, the gas supply port to the gas flow path, characterized in that provided above the gravity direction center in the plane.

請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の燃料電池において、ガス流路にガスを供給するマニホールドとガス流路とを連結する連結通路が、ガス流れの上流側から下流側に向かって通路断面積が減少することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect, the connecting passage that connects the gas flow path to the manifold that supplies gas to the gas flow path is directed from the upstream side to the downstream side of the gas flow. Thus, the cross-sectional area of the passage is reduced .

請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池において、ガス流路内にガスの排出口該排出口に開閉手段、及び、該開閉手段の動作を制御する制御手段を備えことを特徴とする。
請求項5の発明は、ガス流路内にガスの排出口、及び該排出口に開閉手段を備え、この開閉手段を閉鎖して運転する閉鎖運転ステップを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池の使用方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to third aspects, the gas discharge port in the gas flow path, the opening / closing means at the discharge port , and the operation of the opening / closing means are controlled. wherein the Ru comprising control means for.
The invention according to claim 5 includes a closed operation step in which a gas discharge port is provided in the gas flow path, and an opening / closing means is provided at the discharge port, and the opening / closing means is closed for operation. 4. A method for using the fuel cell according to any one of 3 above.

請求項1に記載の発明によれば、エゼクタにより最下流部のガスを最上流部に吸引してガス流速を速めることが反応領域面内において行われるので、最下流部のガスの流動を促し、反応領域であるMEA上全面にガスが常に流れて攪拌されるので、よどみが出にくくなり、燃料電池の発電効率を高めることができる。また、一般にガスの流速が速いと高出力が得られるため、ガスの流速が速くなるエゼクタ部を反応領域面内に配置することで、反応効率を高めることができる。   According to the first aspect of the present invention, the gas at the most downstream portion is sucked into the most upstream portion by the ejector so as to increase the gas flow velocity in the reaction region plane. Since gas always flows and stirs over the entire surface of the MEA, which is the reaction region, stagnation is less likely to occur and the power generation efficiency of the fuel cell can be increased. In general, when the gas flow rate is high, a high output can be obtained. Therefore, the reaction efficiency can be improved by disposing an ejector portion in which the gas flow rate is high in the reaction region plane.

請求項2の発明によれば、反応にあずかったガスは水分を含んでおり、この水分は、重力により次第に反応領域下方に集まるのに対し、ガス流路へのガス供給口は、反応領域面の垂直方向中央より上方に設けられているので、エゼクタは水分を吸い込むことなく反応に有効に利用される水素を上部に吸引して、再び反応に供することが可能となる。   According to the invention of claim 2, the gas that participated in the reaction contains moisture, and this moisture gradually gathers under the reaction region by gravity, whereas the gas supply port to the gas flow path Since the ejector is provided above the center in the vertical direction, the hydrogen that is effectively used for the reaction can be sucked into the upper part without sucking moisture, and can be used for the reaction again.

請求項3の発明によれば、連結通路が、ガスの流れ方向に次第に断面積が小となるように形成されているので、ガスの流速を高めてエゼクタによる吸引効果を高めることができる。   According to the invention of claim 3, since the connecting passage is formed so that the cross-sectional area gradually becomes smaller in the gas flow direction, the gas flow velocity can be increased and the suction effect by the ejector can be enhanced.

請求項4の発明によれば、ガス排出口の開閉手段を「閉」として閉鎖モード運転とした場合、ガスは反応領域面内を循環されることになり、反応領域面内のガスの流れが少なくなるが、エゼクタによりガスに流れを付けることで攪拌できることから、さらに反応促進することができる。   According to the invention of claim 4, when the gas discharge port opening / closing means is set to “closed” and the closed mode operation is performed, the gas is circulated in the reaction region plane, and the gas flow in the reaction region plane is The reaction can be further promoted because the gas can be stirred by adding a flow to the gas with an ejector.

図1に、燃料電池自動車に適用した燃料電池システムの一部を示す。この燃料電池システムは、本発明にかかる燃料電池10と、該燃料電池10に燃料水素ガスを供給するための高圧水素タンク1、及び燃料電池10の排出系を制御するコントローラ14等を備えている。燃料電池10は、電解質の両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルが層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じて出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜11の両面に電極12、13が形成された電池セル10aの構造のみを示している。一方の電極が燃料極12であり、他方の電極が空気極13である。燃料電池10は車両駆動用のモータの給電源であり、300V程度の直流の高電圧を発生する。燃料電池10が発生する電圧は、その出力回路中に設けられた電圧センサ23により常時検知されている。燃料電池10の発電電圧は、前記モータに指令トルク等に応じた電流を供給するインバータ15に出力される。また、燃料電池10の発電電圧は、不図示のDC−DCコンバータで12V程度に降圧されて、車両に搭載される種々の補機や、これらへの給電用の二次電池であるバッテリに出力される。   FIG. 1 shows a part of a fuel cell system applied to a fuel cell vehicle. The fuel cell system includes a fuel cell 10 according to the present invention, a high-pressure hydrogen tank 1 for supplying fuel hydrogen gas to the fuel cell 10, a controller 14 for controlling the discharge system of the fuel cell 10, and the like. . The fuel cell 10 is a battery cell in which electrodes having a structure such as a porous layer capable of diffusing a gas are formed on both surfaces of an electrolyte and laminated with a conductive separator interposed between the layers. The output voltage can be taken out. In the drawing, only the structure of the battery cell 10a in which the electrodes 12 and 13 are formed on both surfaces of the electrolyte membrane 11 is shown for convenience of explanation. One electrode is the fuel electrode 12 and the other electrode is the air electrode 13. The fuel cell 10 is a power supply for a motor for driving the vehicle, and generates a DC high voltage of about 300V. The voltage generated by the fuel cell 10 is always detected by a voltage sensor 23 provided in the output circuit. The power generation voltage of the fuel cell 10 is output to an inverter 15 that supplies a current corresponding to a command torque or the like to the motor. Further, the power generation voltage of the fuel cell 10 is stepped down to about 12 V by a DC-DC converter (not shown), and is output to various auxiliary devices mounted on the vehicle and a battery as a secondary battery for supplying power to them. Is done.

燃料電池10の燃料入口ポート16には、高圧水素タンク1から水素ガス通路17が導かれており、水素ガス通路17中に設けられたレギュレータ18により、所定の圧力に調整された燃料水素ガスが供給される。この燃料水素ガスが、燃料電池10の燃料極12とセパレータとの間に形成された流路より燃料極12に拡散していく。そして、所定のタイミング、あるいは条件が整うと、セル内のガスが流路の最下流端のガス出口ポート19から排出されるようになっている。ガス出口ポート19は後述する排出路20と接続されている。また、燃料電池10の空気極13には、空気入口ポート21から空気が供給されて、空気が、前記電池セルの空気極13とセパレータとの間に形成された流路より空気極13に拡散していく。   A hydrogen gas passage 17 is led from the high-pressure hydrogen tank 1 to the fuel inlet port 16 of the fuel cell 10, and fuel hydrogen gas adjusted to a predetermined pressure by a regulator 18 provided in the hydrogen gas passage 17 is supplied to the fuel inlet port 16. Supplied. The fuel hydrogen gas diffuses into the fuel electrode 12 through a flow path formed between the fuel electrode 12 of the fuel cell 10 and the separator. When a predetermined timing or condition is satisfied, the gas in the cell is discharged from the gas outlet port 19 at the most downstream end of the flow path. The gas outlet port 19 is connected to a discharge path 20 described later. In addition, air is supplied to the air electrode 13 of the fuel cell 10 from the air inlet port 21, and the air diffuses into the air electrode 13 through a flow path formed between the air electrode 13 and the separator of the battery cell. I will do it.

燃料電池10は、上記のようにして、燃料極12に供給される燃料水素ガスと、空気極13に供給される空気等の酸化ガスとが電池反応をして電力を生成するが、電池反応が進むにつれて、空気極13から酸化ガス中の窒素や加湿用の水分が、電解質膜11を通り燃料極12側へと滲み出してくる。この結果、窒素や水蒸気の分圧が上昇してセル内ガス中に存在する未使用燃料水素ガスの濃度が徐々に低下して、発電能力が低下する。これに対処するため、燃料極12から窒素や水蒸気濃度が高められたガスを排出すべく排出路20が設けられている。排出路20の途中には、電磁式の二方弁である排出バルブ22が設けられている。この燃料電池システムでは、所定条件になったときに排出バルブ22を開弁して、燃料極12の窒素や水分を排出し、新たに高圧水素タンク1から十分な燃料水素ガスの導入をはかっている。このために、燃料電池システムには、排出バルブ22を制御対象の一つとするコントローラ14が設けられている。   In the fuel cell 10, as described above, the fuel hydrogen gas supplied to the fuel electrode 12 and the oxidizing gas such as air supplied to the air electrode 13 perform a cell reaction to generate electric power. As the air travels, nitrogen in the oxidizing gas and moisture for humidification ooze out from the air electrode 13 to the fuel electrode 12 side through the electrolyte membrane 11. As a result, the partial pressure of nitrogen or water vapor increases, the concentration of unused fuel hydrogen gas present in the gas in the cell gradually decreases, and the power generation capacity decreases. In order to cope with this, a discharge path 20 is provided to discharge gas with increased nitrogen or water vapor concentration from the fuel electrode 12. A discharge valve 22, which is an electromagnetic two-way valve, is provided in the middle of the discharge path 20. In this fuel cell system, when a predetermined condition is reached, the discharge valve 22 is opened, nitrogen and moisture in the fuel electrode 12 are discharged, and a sufficient amount of fuel hydrogen gas is newly introduced from the high-pressure hydrogen tank 1. Yes. For this purpose, the fuel cell system is provided with a controller 14 that uses the discharge valve 22 as one of the objects to be controlled.

燃料電池システム全体を制御する制御手段でもあるコントローラ14はマイクロプロセッサを主体に構成され、必要に応じてROM及び/又はRAMを備えている。コントローラ14の入力ポート14aには、燃料電池10の出力電圧を検出する電圧センサ23の検出信号が入力される。コントローラの出力ポート14bからは、排出バルブ22の開閉動作命令信号が出力される。   The controller 14, which is also a control means for controlling the entire fuel cell system, is mainly composed of a microprocessor, and includes a ROM and / or a RAM as required. A detection signal of the voltage sensor 23 that detects the output voltage of the fuel cell 10 is input to the input port 14 a of the controller 14. An opening / closing operation command signal for the discharge valve 22 is output from the output port 14b of the controller.

図2にコントローラ14のマイクロプロセッサが実行する、排出バルブ22の開閉制御のフローチャートを示す。まず処理が開始されると、排出バルブ22が閉鎖される(ステップS1)。続くステップS2では、燃料電池10の電圧が所定のしきい値以下に低下したがどうかが判断される。この判断は、電圧センサ23の検出信号に基づき行われる。ステップS2において肯定判断された場合には、排出バルブ22の「開」動作命令が発せられ、排出バルブ22が「開」状態となる(ステップS3)。ステップS2において否定判断された場合には、処理はステップS1に戻され上記ステップS1、S2の処理が繰り返される。排出バルブ22が開状態になると、セル内の窒素や水分が排出されるので、セル内の有効燃料水素ガス濃度が高められ、燃料電池の発電能力が次第に回復してくる。そこで、ステップS4では、燃料電池10の電圧が所定のしきい値まで回復したかどうかが判断される。ステップS4において肯定判断された場合には、処理はステップS1に戻され、再び排出バルブ22が閉じられて、ステップS2以下の処理が繰り返される。ステップS4において否定判断された場合には、処理はステップS3に戻され、それ以降の処理が繰り返される。   FIG. 2 shows a flowchart of the opening / closing control of the discharge valve 22 executed by the microprocessor of the controller 14. First, when the process is started, the discharge valve 22 is closed (step S1). In the subsequent step S2, it is determined whether or not the voltage of the fuel cell 10 has dropped below a predetermined threshold value. This determination is made based on the detection signal of the voltage sensor 23. If an affirmative determination is made in step S2, an “open” operation command for the discharge valve 22 is issued, and the discharge valve 22 enters the “open” state (step S3). If a negative determination is made in step S2, the process returns to step S1, and the processes of steps S1 and S2 are repeated. When the discharge valve 22 is opened, nitrogen and moisture in the cell are discharged, so that the effective fuel hydrogen gas concentration in the cell is increased and the power generation capacity of the fuel cell gradually recovers. Therefore, in step S4, it is determined whether or not the voltage of the fuel cell 10 has recovered to a predetermined threshold value. If an affirmative determination is made in step S4, the process returns to step S1, the discharge valve 22 is closed again, and the processes in and after step S2 are repeated. If a negative determination is made in step S4, the process returns to step S3, and the subsequent processes are repeated.

かかる燃料電池システムを構成する燃料電池10は、以下に説明する点において大きな特徴を有している。   The fuel cell 10 constituting such a fuel cell system has a great feature in the following points.

図3は、燃料電池10の、燃料極(アノード)12を概略的に示す正面図である。図面中央に大きく矩形で示されているのがセパレータ30であり、その内側にMEA40が配置されている。セパレータ30には、燃料入口ポート16と、ガス出口ポート19とが設けられている。燃料入口ポート16には上記したように、高圧水素タンク1から水素ガス通路17が導かれており、水素ガス通路17中に設けられたレギュレータ18により、所定の圧力に調整された燃料水素ガスが供給されている。また、ガス出口ポート19には上記したように排出路20が導かれており、排出路20には、排出バルブ22が設けられている。セル内窒素、水分濃度が高まって燃料電池の発電能力が低下し、発生電圧が所定値を下回ると排出バルブ22が開かれて、排出路20から燃料電池セル内のガスが排出される。   FIG. 3 is a front view schematically showing the fuel electrode (anode) 12 of the fuel cell 10. A large rectangle is shown in the center of the drawing as the separator 30, and the MEA 40 is disposed inside thereof. The separator 30 is provided with a fuel inlet port 16 and a gas outlet port 19. As described above, the hydrogen gas passage 17 is led from the high-pressure hydrogen tank 1 to the fuel inlet port 16, and the fuel hydrogen gas adjusted to a predetermined pressure by the regulator 18 provided in the hydrogen gas passage 17 is supplied to the fuel inlet port 16. Have been supplied. Further, as described above, the discharge path 20 is led to the gas outlet port 19, and the discharge path 20 is provided with a discharge valve 22. When the concentration of nitrogen and moisture in the cell increases and the power generation capacity of the fuel cell decreases, and the generated voltage falls below a predetermined value, the discharge valve 22 is opened and the gas in the fuel cell is discharged from the discharge path 20.

燃料入口ポート16の反応領域面側にはノズル31が取り付けられている。図面上はセパレータ30、MEA40、及びノズル31が同一平面上に表されているが、実際には紙面手前側から奥側に向かって、セパレータ30、ノズル31、MEA40の順に配置されている。ノズル31は、略円錐形状を呈し、円錐の底部及び頂部にあたる部分が開口されている。円錐の底部にあたる部分は燃料入口ポート16側に開口している(以下において「開口部32」という。)。円錐の頂部にあたる部分、すなわちノズル31の噴射孔は反応領域面内に開口している(以下において「噴射孔33」という。)。開口部32と噴射孔33とは、略円錐形状のガス通路(連結通路)34により連通されている。   A nozzle 31 is attached to the reaction region surface side of the fuel inlet port 16. In the drawing, the separator 30, the MEA 40, and the nozzle 31 are shown on the same plane, but actually, the separator 30, the nozzle 31, and the MEA 40 are arranged in this order from the front side to the back side of the drawing. The nozzle 31 has a substantially conical shape, and portions corresponding to the bottom and top of the cone are opened. A portion corresponding to the bottom of the cone opens toward the fuel inlet port 16 (hereinafter referred to as “opening 32”). The portion corresponding to the top of the cone, that is, the injection hole of the nozzle 31 is open in the reaction region plane (hereinafter referred to as “injection hole 33”). The opening 32 and the injection hole 33 are communicated with each other by a substantially conical gas passage (connection passage) 34.

セパレータ30のMEA40と対向する面には、反応領域面内において、MEA40と協働して燃料ガスの流れ方向を規制する山部35が形成されている。山部35は、反応領域面を上下に仕切る水平部35aと、水平部35aの一端側からノズル31方向に延設される傾斜部35bと、傾斜部35bの端部に一端を有し、ノズル31の外周に沿って湾曲する湾曲部35cとを備えている。傾斜部35bと、湾曲部35cとで、ベンチュリ形状が形成されている。   On the surface of the separator 30 that faces the MEA 40, there is formed a peak 35 that regulates the flow direction of the fuel gas in cooperation with the MEA 40 in the reaction region plane. The crest 35 has a horizontal portion 35a that divides the reaction region surface up and down, an inclined portion 35b that extends from one end of the horizontal portion 35a toward the nozzle 31, and one end at the end of the inclined portion 35b. And a bending portion 35 c that bends along the outer periphery of 31. The inclined portion 35b and the curved portion 35c form a venturi shape.

ノズル31から燃料極12の反応領域面内へと噴射された燃料水素ガスは、触媒の力により、水素イオンと電子とに分解される。
燃料極(アノード)側:H→2H+2e (式1)
電解質膜11はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜11を通過することができず、外部の回路を通って空気極13へと移動する。燃料電池10においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜11を通過して空気極13へと移動する。一方で、空気極13へ供給された酸素が、空気極13へと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。
空気極(カソード)側:2H+2e+(1/2)O→H
The fuel hydrogen gas injected into the reaction region surface of the fuel electrode 12 from the nozzle 31 is decomposed into hydrogen ions and electrons by the force of the catalyst.
A fuel electrode (anode) side: H 2 → 2H + + 2e - ( Equation 1)
Since the electrolyte membrane 11 has a property of allowing only ions to pass therethrough, the generated electrons cannot pass through the electrolyte membrane 11 and move to the air electrode 13 through an external circuit. In the fuel cell 10, electricity is generated by the movement of the electrons. The generated hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 11 which is an ionic conductor and move to the air electrode 13. On the other hand, the oxygen supplied to the air electrode 13 reacts with hydrogen ions and electrons that have moved to the air electrode 13 to generate water.
Air electrode (cathode) side: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O

燃料極12における上記式1の反応は、燃料極12の反応領域全面にわたり一様に生じることが発電効率の観点から好ましい。このため、本発明の燃料電池10においては、ノズル31の噴射孔33をガス流路の上流部(図面左上部)に右向きに配置している。かかる構成により、ノズル31の噴射孔33から反応領域内に噴射された新規の燃料水素ガスが反応領域上部(図3において符号Aで示されている部分。)において、セル内のガスと攪拌混合される。さらにセパレータ30に、水平部35a、傾斜部35b、及び、湾曲部35cを備えた山部35を形成したので、これらによりセル内ガスの流れが規制され、反応領域面内において燃料水素ガスは時計回りの方向に循環される。一方、上述したように反応が進むにつれて空気極13から酸化ガス中の窒素や加湿用の水分が電解質膜11を通り燃料極12側へと滲み出してくる。これらは密度が水素より大であるため、もっぱら反応領域面内の下部(図でBで表されている領域)に滞留しがちである。   It is preferable from the viewpoint of power generation efficiency that the reaction of Formula 1 above in the fuel electrode 12 occurs uniformly over the entire reaction region of the fuel electrode 12. For this reason, in the fuel cell 10 of the present invention, the injection hole 33 of the nozzle 31 is disposed rightward in the upstream portion (upper left of the drawing) of the gas flow path. With this configuration, the new fuel hydrogen gas injected into the reaction region from the injection hole 33 of the nozzle 31 is stirred and mixed with the gas in the cell in the upper portion of the reaction region (the portion indicated by symbol A in FIG. 3). Is done. Furthermore, since the crest 35 having the horizontal portion 35a, the inclined portion 35b, and the curved portion 35c is formed in the separator 30, the flow of the gas in the cell is regulated by these, and the fuel hydrogen gas is watched in the reaction region plane. It is circulated around. On the other hand, as described above, as the reaction proceeds, nitrogen in the oxidizing gas and moisture for humidification ooze out from the air electrode 13 to the fuel electrode 12 side through the electrolyte membrane 11. Since these have a higher density than hydrogen, they tend to stay exclusively in the lower part of the reaction region plane (region represented by B in the figure).

本発明の燃料電池10では、山部35にベンチュリ形状が形成されているので、ノズル31から新規水素ガスが噴射されると、エゼクタ効果により、反応領域下部に滞留している水蒸気や窒素分が未反応の水素ガスとともにガス流路上流側に吸い上げられて、図面にAで表されている領域において新規水素ガスと混合され、再び反応領域内を循環される。この結果、反応領域下部にあるガス流路下流部に窒素分や水分が滞留することが抑制されて、反応領域面ない全体にわたって燃料極12における上記式1の反応を促進することができる。しかも、これらのガス流路は全て反応領域面内に収められているので、燃料極内の反応が十分に行われる。したがって、燃料電池10の発電効率を高めることができる。また、水分を含む反応ガスを再循環するので、燃料水素を加湿する必要がない。よって加湿器を省略することができる。このような本発明による作用効果は、排出バルブ22が閉鎖されて反応領域面内で燃料ガスが繰り返し循環されている状態、すなわち「閉鎖モード運転」において特に有効である。   In the fuel cell 10 of the present invention, the venturi shape is formed at the peak portion 35. Therefore, when new hydrogen gas is injected from the nozzle 31, the ejector effect causes water vapor and nitrogen remaining in the lower portion of the reaction region to be retained. It is sucked up together with unreacted hydrogen gas to the upstream side of the gas flow path, mixed with new hydrogen gas in the region indicated by A in the drawing, and circulated again in the reaction region. As a result, nitrogen and moisture are prevented from staying in the downstream portion of the gas flow path at the lower part of the reaction region, and the reaction of the formula 1 in the fuel electrode 12 can be promoted over the entire surface of the reaction region. In addition, since these gas flow paths are all contained in the reaction region plane, the reaction in the fuel electrode is sufficiently performed. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell 10 can be increased. Further, since the reaction gas containing moisture is recirculated, it is not necessary to humidify the fuel hydrogen. Therefore, a humidifier can be omitted. Such an effect of the present invention is particularly effective in a state in which the exhaust valve 22 is closed and the fuel gas is repeatedly circulated in the reaction region surface, that is, “closed mode operation”.

図4は、ノズル31の構造を説明する図である。(a)は、燃料電池10の側面図であり、(b)は燃料電池10を燃料極12側から表した正面図である。なお、図4において、図3に表されている部材と同一部材がある場合には、図3における該部材に付されている参照符号と同一符号を付してその説明を省略する。図4(a)において、燃料電池10は、中央部に電解質膜とその両側に拡散層が配置されたMEA40を備え、さらにその両側にセパレータ30a、30が配置されている。セパレータ30aは空気極13側、セパレータ30は燃料極12側に配置されている。図示の通り本実施形態においては、ノズル31は燃料極側セパレータ30とは別体に作製されており、ノズル31がセパレータ30の壁に挟まれるように固定される構造となっている。   FIG. 4 is a view for explaining the structure of the nozzle 31. (A) is a side view of the fuel cell 10, and (b) is a front view showing the fuel cell 10 from the fuel electrode 12 side. In FIG. 4, when there is the same member as that shown in FIG. 3, the same reference numerals as those shown in FIG. 4A, the fuel cell 10 includes an MEA 40 in which an electrolyte membrane and a diffusion layer are disposed on both sides thereof at the center, and separators 30a and 30 are disposed on both sides thereof. The separator 30a is disposed on the air electrode 13 side, and the separator 30 is disposed on the fuel electrode 12 side. As shown in the figure, in the present embodiment, the nozzle 31 is manufactured separately from the fuel electrode-side separator 30 and has a structure in which the nozzle 31 is fixed so as to be sandwiched between the walls of the separator 30.

本発明において、ノズル31の噴射孔33が配置される位置は特に限定されるものではない。反応領域面内下部に滞留する水分(水蒸気を除く。)を吸引しないという観点からは、反応領域最下部以外の位置のいずれでもよい。しかし、燃料水素ガスを反応領域内に循環させるためには、噴射孔33は山部35の水平部35aより上方にあることが必要であり、反応領域内に燃料水素ガスを偏りなく循環させるためには、水平部35aを反応領域上下方向の中央部近傍に配置することが好ましい。かかる配置に対応するため、ノズル31は、反応領域面の垂直方向中央より上方に配置されていることが好ましい。   In the present invention, the position where the injection hole 33 of the nozzle 31 is disposed is not particularly limited. From the viewpoint of not sucking moisture (excluding water vapor) staying in the lower part of the reaction region, any position other than the lowermost part of the reaction region may be used. However, in order to circulate the fuel hydrogen gas in the reaction region, the injection hole 33 needs to be above the horizontal portion 35a of the peak portion 35, and in order to circulate the fuel hydrogen gas uniformly in the reaction region. For this, it is preferable to arrange the horizontal portion 35a in the vicinity of the central portion in the vertical direction of the reaction region. In order to cope with such an arrangement, the nozzle 31 is preferably arranged above the center in the vertical direction of the reaction region surface.

ノズル31は、そのガス通路34を、燃料入口ポート16側から噴射孔33に向かうにしたがって断面積が小さくなるように形成することが好ましい。このように構成することにより、燃料水素ガスの流速を高めることができ、上記エゼクタ効果による十分な量の吸引を確保することができる。   The nozzle 31 preferably has a gas passage 34 formed so that its cross-sectional area decreases from the fuel inlet port 16 side toward the injection hole 33. With this configuration, the flow rate of the fuel hydrogen gas can be increased, and a sufficient amount of suction due to the ejector effect can be ensured.

本発明の燃料電池10において、ノズル31はセパレータ30に直接形成してもよいが、噴射孔33を小さなものに形成するという観点から、セパレータ30とは別体の、金属製ノズル、あるいは射出成形によるプラスチックノズルを使用することが好ましい。金属製のノズルの場合、非導電性の膜を表面にコーティングしたものが、燃料電池内の短絡を抑制するという観点から好ましい。   In the fuel cell 10 of the present invention, the nozzle 31 may be formed directly on the separator 30, but from the viewpoint of forming the injection hole 33 small, a metal nozzle or injection molding separate from the separator 30. It is preferable to use a plastic nozzle according to In the case of a metal nozzle, a non-conductive film coated on the surface is preferable from the viewpoint of suppressing a short circuit in the fuel cell.

本発明の燃料電池10を構成するセパレータ30の材料、並びに、MEA40を構成する電解質、電極、及び触媒等の材料は特に限定されるものではなく、通常、燃料電池用に使用されるものを利用することができる。例えば、セパレータ30として、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンやステンレス鋼等の耐食性金属材料、電解質として、パーフルオロスルフォン酸ポリマー等のフッ素系樹脂、触媒として炭素質に担持された白金、あるいは白金と他の金属とからなる合金等、アノード及びカソードは、炭素繊維を織成したカーボンクロスなどを使用することができる。   The material of the separator 30 that constitutes the fuel cell 10 of the present invention and the material such as the electrolyte, electrode, and catalyst that constitute the MEA 40 are not particularly limited, and those normally used for fuel cells are utilized. can do. For example, the separator 30 was supported on a carbonaceous material as a catalyst, a dense carbon or stainless steel or other corrosion-resistant metal material compressed with carbon, and an electrolyte, a fluororesin such as a perfluorosulfonic acid polymer, or a catalyst. As the anode and the cathode, such as platinum or an alloy made of platinum and another metal, a carbon cloth woven with carbon fibers can be used.

なお、上記では、燃料極12に本発明を適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、空気極13にも適用することができる。この場合には、空気を加湿することが不要となるという利点がある。   In addition, although the example which applied this invention to the fuel electrode 12 was demonstrated above, this invention is not limited to this, It can apply also to the air electrode 13. FIG. In this case, there is an advantage that it is not necessary to humidify the air.

燃料電池自動車に適用した燃料電池システムの一部を示す図である。It is a figure which shows a part of fuel cell system applied to the fuel cell vehicle. コントローラのマイクロプロセッサが実行する、排出バルブの開閉制御のフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of the opening / closing control of a discharge valve which the microprocessor of a controller performs. 燃料電池の、燃料極を概略的に示す正面図である。It is a front view which shows the fuel electrode of a fuel cell roughly. ノズルの構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of a nozzle.

符号の説明Explanation of symbols

1 高圧水素タンク
10 燃料電池
11 電解質膜(電解質)
12 燃料極
13 空気極
14 コントローラ
15 インバータ
16 燃料入口ポート
17 水素ガス
18 レギュレータ
19 ガス出口ポート
20 排出路
21 空気入口ポート
22 排出バルブ
23 電圧センサ
30、30a セパレータ
31 ノズル
32 開口部
33 噴射孔
34 ガス通路(連結通路)
35 山部
40 MEA

1 High-pressure hydrogen tank 10 Fuel cell 11 Electrolyte membrane (electrolyte)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Fuel electrode 13 Air electrode 14 Controller 15 Inverter 16 Fuel inlet port 17 Hydrogen gas 18 Regulator 19 Gas outlet port 20 Exhaust path 21 Air inlet port 22 Exhaust valve 23 Voltage sensor 30, 30a Separator 31 Nozzle 32 Opening 33 Injection hole 34 Gas Aisle (connection aisle)
35 Yamabe 40 MEA

Claims (5)

電解質の両側に配設された電極と、
これら電極の外側にそれぞれ配設され、ガス流路を有するセパレータと、を備えた燃料電池であって、
前記ガス流路の上流部に供給されるガスの流速を利用して、前記ガス流路の下流部のガスを前記上流部に吸引する、前記セパレータのMEAと対向する面に設けられ前記MEAと協働して前記ガスの流れ方向を規制しベンチュリ形状となっている山部と、ノズルと、を有するエゼクタが、前記MEAと前記セパレータとを積層する積層方向視で前記電極と重なり、且つ、前記セパレータと前記電極とに狭持される面内、に配設されていることを特徴とする燃料電池。
Electrodes disposed on both sides of the electrolyte;
A fuel cell comprising a separator disposed on the outside of each electrode and having a gas flow path,
Using the flow velocity of the gas supplied to the upstream part of the gas flow path, the gas in the downstream part of the gas flow path is sucked into the upstream part, and provided on the surface facing the MEA of the separator, An ejector having a crest that cooperates to regulate the flow direction of the gas and has a venturi shape, and a nozzle overlaps the electrode in a stacking direction in which the MEA and the separator are stacked , and A fuel cell, wherein the fuel cell is disposed in a plane sandwiched between the separator and the electrode.
前記ガス流路へのガス供給口は、前記面内の重力方向中央よりも上方に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas supply port to the gas flow path is provided above the center in the gravitational direction in the plane. 前記ガス流路にガスを供給するマニホールドとガス流路とを連結する連結通路が、ガス流れの上流側から下流側に向かって通路断面積が減少する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。 3. The cross-sectional area of a connecting passage that connects a manifold that supplies gas to the gas flow path and the gas flow path decreases from the upstream side to the downstream side of the gas flow. A fuel cell according to claim 1. 前記ガス流路内にガスの排出口、該排出口に開閉手段、及び、該開閉手段の動作を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。 4. The gas discharge port according to claim 1, further comprising: a gas discharge port in the gas flow path; an opening / closing unit at the discharge port; and a control unit that controls the operation of the opening / closing unit. Fuel cell. 前記ガス流路内にガスの排出口、及び該排出口に開閉手段を備え、この開閉手段を閉鎖して運転する閉鎖運転ステップを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池の使用方法。 4. The gas discharge port according to claim 1, further comprising: a closed operation step in which the gas discharge port is provided with an opening / closing unit at the discharge port, and the opening / closing unit is closed to operate. 4. A method for using the fuel cell according to 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4951892B2 (en) * 2005-08-19 2012-06-13 コニカミノルタホールディングス株式会社 Fuel cell system
US8007943B2 (en) * 2005-11-03 2011-08-30 GM Global Technology Operations LLC Cascaded stack with gas flow recycle in the first stage
JP5125275B2 (en) 2007-02-05 2013-01-23 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell and vehicle equipped with fuel cell
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WO2016038738A1 (en) * 2014-09-12 2016-03-17 日産自動車株式会社 Fuel cell
DE102019206577A1 (en) * 2019-05-08 2020-11-12 Volkswagen Ag River field plate

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001143734A (en) * 1999-11-12 2001-05-25 Isuzu Motors Ltd Fuel cell assembly
JP2002280028A (en) * 2001-03-19 2002-09-27 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell
JP2003077506A (en) * 2001-08-30 2003-03-14 Nippon Soken Inc Fuel cell system
JP2003151593A (en) * 2001-11-16 2003-05-23 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001143734A (en) * 1999-11-12 2001-05-25 Isuzu Motors Ltd Fuel cell assembly
JP2002280028A (en) * 2001-03-19 2002-09-27 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell
JP2003077506A (en) * 2001-08-30 2003-03-14 Nippon Soken Inc Fuel cell system
JP2003151593A (en) * 2001-11-16 2003-05-23 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system

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