JP5063619B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池特に固体高分子形燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合してなる膜電極接合体(以下、MEAと称す)と、反応ガス(燃料ガスと酸化剤)を流通させるプレートと、冷却水等の熱媒体を流通させるプレートとを組み合わせてこれらを複数枚積層一体化することにより電池スタックが構成される。そして、膜電極接合体のアノード電極側には燃料ガスを、カソード電極側には空気等の酸化剤を供給し、電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることで直流電力を発電するようにしてある。 2. Description of the Related Art A fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell, includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) formed by joining an anode electrode to one surface of an electrolyte membrane and a cathode electrode to the other surface, and a reaction gas (fuel gas And a plate that circulates an oxidant) and a plate that circulates a heat medium such as cooling water, and a plurality of these are stacked and integrated to form a battery stack. Then, a fuel gas is supplied to the anode electrode side of the membrane electrode assembly and an oxidant such as air is supplied to the cathode electrode side to generate an electrochemical reaction through the electrolyte membrane to generate DC power. It is.
上記固体高分子形燃料電池において、電解質膜は発電中にプロトン透過性を充分発揮させるために湿潤していることが要求される。このため、従来は反応ガスを加湿器で加湿した後に燃料電池に供給し、反応ガス中に含まれている水蒸気により電解質膜を濡らして湿潤状態を維持するようにしている。 In the polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte membrane is required to be moistened in order to sufficiently exhibit proton permeability during power generation. For this reason, conventionally, the reaction gas is humidified with a humidifier and then supplied to the fuel cell, and the electrolyte membrane is wetted with water vapor contained in the reaction gas to maintain the wet state.
ところが、加湿した反応ガスを電池スタックのプレートに供給すると、プレートのガス入口付近で冷やされて反応ガスの露点が低下し、反応ガス中の水蒸気がガス流路内で凝縮して付着する現象が生じる。ガス流路に凝縮水が付着すると、反応ガスの流通が阻まれて複数の流路へのガス分配が不均一になったり、電極へのガス供給が不足したりして発電性能の低下を招くことになる。このような凝縮水に起因する発電性能の低下を防止する手段としては、例えばガス流路に吸水材を設けたり、或はガス流路の中間部から未加湿ガスを供給して凝縮水を除去する等の先行技術が開示されている(例えば、特許文献1)。 However, when humidified reaction gas is supplied to the plate of the battery stack, it is cooled near the gas inlet of the plate and the dew point of the reaction gas decreases, and the water vapor in the reaction gas condenses and adheres in the gas flow path. Arise. If condensed water adheres to the gas flow path, the flow of the reaction gas is hindered, resulting in non-uniform gas distribution to multiple flow paths, and insufficient gas supply to the electrodes, leading to a decrease in power generation performance. It will be. As a means to prevent such deterioration in power generation performance due to condensed water, for example, a water absorbing material is provided in the gas channel, or unhumidified gas is supplied from an intermediate portion of the gas channel to remove the condensed water. Prior arts such as this are disclosed (for example, Patent Document 1).
又、固体高分子形燃料電池は、正常運転を続行するために運転温度が約80℃に設定されているが、電気化学反応は発熱反応であるため電池スタックの温度が昇温される。このため、従来は電池スタックのプレートに冷却水等の熱媒体を供給して冷却し、電池スタックを適正運転温度に保持するようにしている。熱媒体としての冷却水供給手段としては、燃料電池と水タンクとを連結した冷却水の循環経路を構成し、水タンクからポンプを介して燃料電池に供給するのが一般的である(例えば、特許文献2)。 In the solid polymer fuel cell, the operation temperature is set to about 80 ° C. in order to continue normal operation. However, since the electrochemical reaction is an exothermic reaction, the temperature of the battery stack is raised. For this reason, conventionally, a heat medium such as cooling water is supplied to the plate of the battery stack to cool it, and the battery stack is maintained at an appropriate operating temperature. As a cooling water supply means as a heat medium, a cooling water circulation path in which a fuel cell and a water tank are connected to each other is configured and supplied from the water tank to the fuel cell via a pump (for example, Patent Document 2).
上記従来の凝縮水除去手段によると、ガス流路に関連させて吸水材を取り付けたり、或はガス流路の中間部に未加湿ガスの供給孔を設けたりする必要があり、その取付作業や孔加工等に手間が掛かる問題がある。又、上記従来の冷却水供給手段によると、構成は簡単であるが高温(78〜80℃)となって燃料電池から排出される冷却水の熱を有効利用できない問題がある。 According to the conventional condensate removing means, it is necessary to attach a water absorbing material in relation to the gas flow path, or to provide an unhumidified gas supply hole in the middle part of the gas flow path. There is a problem that it takes time to drill holes. Further, according to the conventional cooling water supply means, the structure is simple, but there is a problem that the heat of the cooling water discharged from the fuel cell at a high temperature (78 to 80 ° C.) cannot be effectively used.
本発明は、上記従来技術における問題を解決するためになされ、ガス流路に何ら加工を施すことなく凝縮水対策が可能であり、又燃料電池から排出される熱媒体の熱を有効利用できるようにした燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and is capable of taking measures against condensed water without performing any processing on the gas flow path, and can effectively use the heat of the heat medium discharged from the fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell system.
上記の目的を解決するための手段として、本発明の請求項1は、一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤流路が設けられたバイポーラプレートと、一方の面に燃料流路、他方の面に熱媒体流路が設けられ、その燃料流路側の面を前記バイポーラプレートの酸化剤流路側の面に向かい合わせに対向させ、その間に膜電極接合体を挟んで位置付けられるアノー
ド冷却プレートと、一方の面に酸化剤流路が設けられ、他方の平面側を前記アノード冷却プレートの熱媒体流路側の面に対向させて位置付けられるカソード冷却プレートとを有し、前記カソード冷却プレートに対して、その酸化剤流路側の面に前記バイポーラプレートと同じ構成のバイポーラプレートの燃料流路側の面を向かい合わせに対向させると共に、その間に前記膜電極接合体と同じ構成の膜電極接合体を挟み込んで当該バイポーラプレートが位置付けられ、このように各プレートを組み合わせて複数積層して電池スタックが構成される燃料電池と、
前記燃料電池に連結され、この燃料電池に供給される酸化剤としての空気を加湿する空気加湿器及び/又は前記燃料電池に供給される燃料を加湿する燃料加湿器と、
前記空気加湿器に連結され、前記燃料電池から排出される空気と前記空気加湿器に供給される前の反応ガスとの間で全熱交換させる全熱交換器と、
前記燃料電池と前記空気加湿器及び/又は前記燃料加湿器とを連結した熱媒体循環経路とを備え、
前記燃料電池の運転時は、反応ガス(燃料ガスと酸化剤)のうち少なくとも一方の反応ガスの入口領域においては、当該反応ガスの露点は前記熱媒体の温度以下に設定すると共に、前記一方の反応ガスの出口領域においては、当該反応ガスの露点は前記熱媒体の温度以上に設定することを特徴とする燃料電池システムを要旨とする。
As means for solving the above-mentioned object, claim 1 of the present invention is a bipolar plate having a fuel flow path on one side and an oxidant flow path on the other side, and a fuel flow path on one side. The anode cooling is provided with a heat medium flow path on the other surface, the fuel flow path side surface is opposed to the oxidant flow path side surface of the bipolar plate , and the membrane electrode assembly is sandwiched therebetween. A plate, and a cathode cooling plate that is provided with an oxidant flow path on one side and is positioned with the other flat side facing the surface on the heat medium flow path side of the anode cooling plate. In contrast, the surface on the fuel flow path side of the bipolar plate having the same configuration as that of the bipolar plate is opposed to the surface on the oxidant flow path side, and the same as the membrane electrode assembly in between. The bipolar plate is positioned by sandwiching the membrane electrode assembly of the construction, the fuel cell cell stack is constituted by stacking a plurality of combination thus each plate,
An air humidifier connected to the fuel cell and humidifying air as an oxidant supplied to the fuel cell and / or a fuel humidifier humidifying the fuel supplied to the fuel cell;
A total heat exchanger connected to the air humidifier for total heat exchange between the air discharged from the fuel cell and the reaction gas before being supplied to the air humidifier;
A heat medium circulation path connecting the fuel cell and the air humidifier and / or the fuel humidifier;
During operation of the fuel cell, in at least one reaction gas inlet region of the reaction gas (fuel gas and oxidant), the dew point of the reaction gas is set below the temperature of the heat medium, and The gist of the fuel cell system is characterized in that in the reaction gas outlet region, the dew point of the reaction gas is set to be equal to or higher than the temperature of the heat medium.
以上説明したように本発明に係る請求項1の発明によれば、一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤流路を設けたバイポーラプレートと、一方の面に燃料流路、他方の面に熱媒体流路を設けたアノード冷却プレートと、一方の面に酸化剤流路、他方の面は平面のカソード冷却プレートとを膜電極接合体を介して組み合わせることにより、電池スタックを積層一体化した構成の燃料電池において、反応ガスの入口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以下、反応ガスの出口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以上に設定したので、反応ガス入口領域では反応ガス中の水蒸気の結露を防止することができ、これにより反応ガス流路に何ら加工を施すことなく凝縮水対策が可能となると共に、出口領域では反応ガス中の水蒸気の結露を強制的に行うことができ、圧力損失を平準化してガス分配を均一化することができ、これにより反応ガスの流通を良好にして燃料電池の発電性能を向上させることができる。
又、前記燃料電池に空気加湿器及び/又は燃料加湿器を連結し、燃料電池から排出される熱媒体をこれら加湿器に導入して熱交換させるので、燃料電池から排出される熱媒体の熱を有効利用することができる。
As described above, according to the first aspect of the present invention, the bipolar plate having the fuel flow path on one side and the oxidant flow path on the other side, the fuel flow path on the one side, and the other side. A battery stack is stacked by combining an anode cooling plate with a heat medium flow path on the surface, an oxidant flow path on one surface, and a flat cathode cooling plate on the other surface via a membrane electrode assembly. In the fuel cell of the integrated configuration, the reaction gas dew point is set to be equal to or lower than the temperature of the heat medium in the reaction gas inlet region, and the reaction gas dew point is set to be equal to or higher than the temperature of the heat medium in the reaction gas outlet region. In the reaction gas inlet region, condensation of water vapor in the reaction gas can be prevented, which makes it possible to take measures against condensed water without applying any processing to the reaction gas flow path. Steam The condensation forcing can be carried out, by leveling the pressure loss can be made uniform gas distribution, thereby to improve the power generation performance of the well in to the fuel cell to flow of the reaction gas.
In addition, since an air humidifier and / or a fuel humidifier is connected to the fuel cell, and the heat medium discharged from the fuel cell is introduced into these humidifiers to exchange heat, the heat of the heat medium discharged from the fuel cell Can be used effectively.
更に、前記燃料電池に全熱交換器を連結し、燃料電池から排出される空気と前記空気加湿器に供給する前の反応ガスとの間で全熱交換させるので、燃料電池から排出される未反応酸化剤(空気)の熱を有効利用することができる。Further, a total heat exchanger is connected to the fuel cell so that total heat is exchanged between the air discharged from the fuel cell and the reaction gas before being supplied to the air humidifier. The heat of the reaction oxidant (air) can be used effectively.
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図1は、燃料電池スタックの一部の構成要素を示す概略断面図である。図1において、1はバイポーラプレートであり、一方の面に凹溝状の燃料流路1aがストレートに並設され、他方の面には同じく凹溝状の酸化剤流路1bがストレートに並設されている。
Next, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing some components of a fuel cell stack. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a bipolar plate, which has a groove-shaped
図2(a)は、バイポーラプレート1の燃料流路側の平面図であり、燃料流路1aの入口には各燃料流路1aに連通する凹部状の入口ヘッダ部1cが設けられ、この入口ヘッダ部1cは燃料供給用マニホールド1dに連結している。又、燃料流路1aの出口には各燃料流路1aに連通する凹部状の出口ヘッダ部1eが設けられ、この出口ヘッダ部1eは燃料排出用マニホールド1fに連結している。更に、燃料流路1aの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部1gが取り付けられて各燃料流路1aの断面積が縮小されている。これにより、燃料ガスは燃料供給用マニホールド1dから入口ヘッダ部1cに流入し、流路抵抗発生部1gにより加速されて各燃料流路1aに流れ込み、燃料流路1aの出口から出口ヘッダ部1eに排出されて合流すると共に、燃料排出用マニホールド1fに排出される。
FIG. 2 (a) is a plan view of the bipolar plate 1 on the fuel flow path side. A concave
図2(b)は、バイポーラプレート1の酸化剤流路側の平面図であり、酸化剤流路1bの入口には各酸化剤流路1bに連通する凹部状の入口ヘッダ部1hが設けられ、酸化剤流路1bの出口には各酸化剤流路1bに連通する凹部状の出口ヘッダ部1iが設けられている。酸化剤流路1bの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部1jが取り付けられて各酸化剤流路1bの断面積が縮小されている。これにより、酸化剤としての空気が入口ヘッダ部1hに流れ込み、流路抵抗発生部1jにより加速されて各酸化剤流路1bに流れ込み、酸化剤流路1bの出口から出口ヘッダ部1iに排出されて外部に排気される。尚、図2(a)、(b)において、1kは水供給用マニホールドであり、1mは水排出用マニホールドである。
FIG. 2B is a plan view of the bipolar plate 1 on the side of the oxidant flow path, and the inlet of the
図1において、2はアノード冷却プレートであり、一方の面に凹溝状の燃料流路2aがストレートに並設され、他方の面には同じく凹溝状の熱媒体流路2bがストレートに並設されている。
In FIG. 1,
図3(a)は、アノード冷却プレート2の燃料流路側の平面図であり、燃料流路2aの入口には各燃料流路2aに連通する凹部状の入口ヘッダ部2cが設けられ、この入口ヘッダ部2cは燃料供給用マニホールド2dに連結している。又、燃料流路2aの出口には各燃料流路2aに連通する凹部状の出口ヘッダ部2eが設けられ、この出口ヘッダ部2eは燃料排出用マニホールド2fに連結している。更に、燃料流路2aの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部2gが取り付けられて各燃料流路2aの断面積が縮小されている。これにより、燃料ガスは燃料供給用マニホールド2dから入口ヘッダ部2cに流入し、流路抵抗発生部2gにより加速されて各燃料流路2aに流れ込み、燃料流路2aの出口から出口ヘッダ部2eに排出されて合流すると共に、燃料排出用マニホールド2fに排出される。
FIG. 3A is a plan view of the
図3(b)は、アノード冷却プレート2の熱媒体流路側の平面図であり、熱媒体流路2bの入口には各熱媒体流路2bに連通する凹部状の入口ヘッダ部2hが設けられ、この入口ヘッダ部2hは熱媒体供給用マニホールド2kに連結している。又、熱媒体流路2bの出口には各熱媒体流路2bに連通する凹部状の出口ヘッダ部2iが設けられ、この出口ヘッダ部2iは熱媒体排出用マニホールド2mに連結している。これにより、熱媒体としての水は熱媒体供給用マニホールド2kから入口ヘッダ部2hに流入し、各熱媒体流路2bに流れ込み、熱媒体流路2bの出口から出口ヘッダ部2iに排出されて合流すると共に、熱媒体排出用マニホールド2mに排出される。
FIG. 3B is a plan view of the
このように構成されたアノード冷却プレート2は、燃料流路2a側の面を前記バイポーラプレート1の酸化剤流路1b側の面に対向させ、その間にMEAを挟んで位置付けられる。このMEAの外周部を取り囲むようにしてガスケットGが配設される。
The
図1において、3はカソード冷却プレートであり、一方の面に凹溝状の酸化剤通路3bがストレートに並設されている。
In FIG. 1,
図4(a)は、カソード冷却プレート3の酸化剤流路3b側の平面図であり、酸化剤流路3bの入口には各酸化剤流路3bに連通する凹部状の入口ヘッダ部3hが設けられ、酸化剤流路3bの出口には各酸化剤流路3bに連通する凹部状の出口ヘッダ部3iが設けられている。酸化剤流路3bの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部3gが取り付けられて各酸化剤流路3bの断面積が縮小されている。これにより、酸化剤としての空気が入口ヘッダ部3hに流れ込み、流路抵抗発生部3gにより加速されて各酸化剤流路3bに流れ込み、酸化剤流路3bの出口から出口ヘッダ部3iに排出されて外部に排気される。図4(b)はカソード冷却プレート3の酸化剤流路3bが形成されていない側の平面図である。尚、図4(a)、(b)において、3dは燃料供給用マニホールド、3fは燃料排出用マニホールド、3kは熱媒体供給用マニホールド、3mは熱媒体排出用マニホールドである。
FIG. 4A is a plan view of the
このカソード冷却プレート3は、酸化剤流路3bの形成されていない面側を前記アノード冷却プレート2の熱媒体流路2b側の面に対向させて位置付けられる。更に、このカソード冷却プレート3に対して、酸化剤流路3b側の面に前記バイポーラプレート1と同じ構成のバイポーラプレート1の燃料流路1a側の面を対向させると共に、その間にMEAを挟みこんで当該バイポーラプレート1が位置付けられる。この場合もMEAの外周部を取り囲むようにしてガスケットGが取り付けられる。
The
このような順番で各プレートを組み合わせて複数枚積層し、両端部にはエンドプレート(図略)を配置し、これらをロッド等で締め付け一体化することにより電池スタックが構成される。そして、前記各プレートにおける燃料供給用マニホールド、燃料排出用マニホールド、熱媒体供給用マニホールド、熱媒体排出用マニホールドは、いずれも電池スタックの積層方向に連通した連通孔を構成する。 A battery stack is configured by combining a plurality of plates in such an order, stacking a plurality of plates, disposing end plates (not shown) at both ends, and fastening and integrating them with a rod or the like. The fuel supply manifold, the fuel discharge manifold, the heat medium supply manifold, and the heat medium discharge manifold in each of the plates constitute a communication hole that communicates in the stacking direction of the battery stack.
図5は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す構成図であり、燃料電池4の熱媒体排出口4aに空気加湿器5を連結し、この空気加湿器5に燃料加湿器6を連結し、この燃料加湿器6に熱交換器7を連結すると共に、この熱交換器7に燃料電池4の熱媒体供給口4bを連結することにより熱媒体としての水の水循環経路8を構成する。
FIG. 5 is a configuration diagram showing an embodiment of the fuel cell system according to the present invention. An
又、燃料電池4の酸化剤排出口4cに全熱交換器9を連結し、この全熱交換器9に前記空気加湿器5を連結し、この空気加湿器5に燃料電池4の酸化剤供給口4dを連結することにより酸化剤としての空気の空気供給経路10を構成する。尚、酸化剤供給口4dは電池スタックの上部に取り付けた酸化剤供給用の外部マニホールド(図略)に設け、この外部マニホールドから各プレートの酸化剤流路に酸化剤としての空気を分配供給し、酸化剤排出口4cは電池スタックの下部に取り付けた酸化剤排出用の外部マニホールド(図略)に設け、各プレートの酸化剤流路から排出される酸化剤としての空気を合流させて酸化剤排出口4cから排出するように構成する。
Also, a
更に、前記燃料加湿器6には燃料改質装置11が連結され、都市ガス等の原燃料を燃料改質装置11で水素主体の改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料加湿器6で加湿した後、燃料電池4の燃料供給口4eに供給するように構成する。燃料加湿器6の内部には水が溜められており、この水に改質ガスをバブリングすることで改質ガスを加湿する。燃料電池4の燃料供給口4eに供給された加湿燃料ガスは、燃料供給用マニホールドにより電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れ、各プレートの燃料入口ヘッダ部に分配供給されて各燃料流路に沿って流通し、燃料流路から排出される燃料ガス(未反応に終わった燃料ガス)は出口ヘッダ部で合流し、電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れて外部に排出される。外部に排出される未反応燃料ガスは、燃料排出口4fから前記燃料改質装置の改質器バーナに送り込んで燃焼するのが一般的である。
Further, a
酸化剤として外部から取り込んだ空気は、前記全熱交換器9で熱と水分を交換した後、燃料電池の酸化剤供給口4d(詳しくは外部マニホールドの酸化剤供給口)に供給する。空気加湿器5の内部には水が溜められており、この水に空気をバブリングすることで空気を加湿する。燃料電池4の酸化剤供給口4dに供給された加湿空気は、各プレートの入口ヘッダ部に分配供給されて各酸化剤流路に沿って流通し、酸化剤流路から排出される空気(未反応に終わった空気)は出口ヘッダ部で合流し、燃料電池4の酸化剤排出口4c(詳しくは外部マニホールドの酸化剤排出口)から排出される。この排出された未反応空気は、前記全熱交換器7を通って外部に排気される。
The air taken from the outside as the oxidant is supplied to the
このようにして、燃料電池4に燃料ガスと酸化剤とが供給され、前記MEAの電解質膜を介して電気化学反応が生じることで直流電力が発電される。一方、前記水循環経路8内の水は、燃料電池4の熱媒体供給口4bに供給され、電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れて各アノード冷却プレート2の入口ヘッダ部に分配供給されて各熱媒体流路に沿って流通し、熱媒体流路から排出される水は出口ヘッダ部で合流し、電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れて熱媒体排出口4aから排出される。
In this way, the fuel gas and the oxidant are supplied to the fuel cell 4 and an electrochemical reaction occurs through the MEA electrolyte membrane to generate DC power. On the other hand, water in the
アノード冷却プレート2は、前記のように熱媒体流路2bが燃料流路2aと背中合わせ状態に設けられているため、このアノード冷却プレート2を冷却することができる。又、アノード冷却プレート2の熱媒体流路2bは、前記のようにカソード冷却プレート3の酸化剤流路が形成されていない面側に面接しているため、このカソード冷却プレート3も冷却することができる。これにより、発電中における燃料電池4を冷却して正常な運転温度(約80℃)に保持する。
The
ところで、燃料電池4から排出される熱媒体としての水の温度は78℃程度にまで昇温されており、この高温水を前記空気加湿器5に導入すると内部の水の温度を高めることができる。空気加湿器5を通過した水温は76℃程度に下がり、この中温水を前記燃料加湿器6に導入する。前記のように燃料加湿器6には燃料改質装置11からの高温(100〜150℃)の改質ガスが導入されてバブリングされるため、蒸発熱を奪われるが内部の水は75〜76℃に維持される。
By the way, the temperature of water as a heat medium discharged from the fuel cell 4 is raised to about 78 ° C. When this high temperature water is introduced into the
燃料加湿器6を通過した高温水は、前記熱交換器7に導入され、ここで貯湯タンク(図略)からの水との間で熱交換され、この水は温水となって貯湯タンクに戻される。熱交換器7を通過した水温は74℃程度に下がり、この低温水は前記燃料電池4の熱媒体供給口4bに供給される。従って、燃料電池4から排出される水を水循環経路8に沿って循環させることにより、熱媒体としての水の熱を有効利用することができる。
The high-temperature water that has passed through the
本発明では、前記反応ガスの入口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以下、反応ガスの出口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以上に設定する。 In the present invention, in the reaction gas inlet region, the dew point of the reaction gas is set below the temperature of the heat medium, and in the reaction gas outlet region, the dew point of the reaction gas is set above the temperature of the heat medium.
反応ガスの入口領域において、反応ガスの露点は熱媒体の温度より低く設定すると、反応ガスが入口領域で熱媒体により加温されることになり、これにより入口領域で加湿反応ガス中の水蒸気が凝縮するのを防ぐことができる。従って、反応ガスの入口領域で凝縮水が流路に付着することはなく、反応ガスは円滑に流れ始めることになる。 If the dew point of the reaction gas is set lower than the temperature of the heat medium in the reaction gas inlet region, the reaction gas is heated by the heat medium in the inlet region. Condensation can be prevented. Accordingly, the condensed water does not adhere to the flow path in the reaction gas inlet region, and the reaction gas starts to flow smoothly.
反応ガスの出口領域において、反応ガスの露点は熱媒体の温度より高くなるように設定すると、反応ガスが出口領域で熱媒体により冷やされて反応ガス中の水蒸気が凝縮することがある。しかしながら、出口領域で凝縮水が熱媒体流路に付着した場合には、各熱媒体流路に均一に圧力が掛かって水滴を飛ばし易くなるため、短時間にて凝縮水を出口ヘッダ部に排除することができる。従来のように一部の流路に凝縮水が付着して詰まると、各流路でのガス分配に不均一が生じて発電性能が不安定になると共に、他の流路に反応ガスが逃げて水滴を飛ばし難くなる。本発明では、上記のように反応ガス出口領域の各流路内で強制的に結露させることにより、圧力損失を平準化してガス分配を均一化することができる。 If the dew point of the reaction gas is set to be higher than the temperature of the heat medium in the reaction gas outlet region, the reaction gas may be cooled by the heat medium in the outlet region, and water vapor in the reaction gas may be condensed. However, if condensed water adheres to the heat medium flow path in the outlet area, pressure is uniformly applied to each heat medium flow path, making it easy to blow off water droplets. can do. If condensate adheres to some of the flow paths as in the past, the gas distribution in each flow path becomes uneven and power generation performance becomes unstable, and the reaction gas escapes to other flow paths. It becomes difficult to blow water drops. In the present invention, by forcibly condensing in each flow path in the reaction gas outlet region as described above, pressure loss can be leveled and gas distribution can be made uniform.
上記実施形態では、燃料ガスと酸化剤は並行流であって重力方向の上から下に流れ、熱媒体は反応ガスと対向流であったが、熱媒体は反応ガスと並行流で実施することも可能である。 In the above embodiment, the fuel gas and the oxidant are in parallel flow and flow from the top to the bottom in the direction of gravity, and the heat medium is counterflow with the reaction gas, but the heat medium should be performed in parallel with the reaction gas. Is also possible.
1…バイポーラプレート
1a…燃料流路
1b…酸化剤流路
2…アノード冷却プレート
2a…燃料流路
2b…熱媒体流路
3…カソード冷却プレート
3b…酸化剤流路
4…燃料電池
5…空気加湿器
6…燃料加湿器
7…熱交換器
8…水循環経路
9…全熱交換器
10…空気供給経路
11…燃料改質装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
前記燃料電池に連結され、この燃料電池に供給される酸化剤としての空気を加湿する空気加湿器及び/又は前記燃料電池に供給される燃料を加湿する燃料加湿器と、前記空気加湿器に連結され、前記燃料電池から排出される空気と前記空気加湿器に供給される前の反応ガスとの間で全熱交換させる全熱交換器と、 前記燃料電池と前記空気加湿器及び/又は前記燃料加湿器とを連結した熱媒体循環経路とを備え、
前記燃料電池の運転時は、反応ガス(燃料ガスと酸化剤)のうち少なくとも一方の反応ガスの入口領域においては、当該反応ガスの露点は前記熱媒体の温度以下に設定すると共に、前記一方の反応ガスの出口領域においては、当該反応ガスの露点は前記熱媒体の温度以上に設定することを特徴とする燃料電池システム。 A bipolar plate having a fuel channel on one side and an oxidant channel on the other side, a fuel channel on one side, and a heat medium channel on the other side. Is opposed to the surface of the bipolar plate on the side of the oxidant flow path, and is opposed to the anode cooling plate positioned with the membrane electrode assembly interposed therebetween, and the oxidant flow path is provided on one side, and the other plane side A cathode cooling plate positioned opposite the surface of the anode cooling plate on the heat medium flow path side, and the bipolar plate having the same configuration as the bipolar plate on the surface of the oxidant flow path with respect to the cathode cooling plate The surface of the fuel flow path side of the plate is opposed to each other, and a membrane electrode assembly having the same configuration as the membrane electrode assembly is sandwiched therebetween, so that the bipolar plate is positioned. Lighted, and thus the fuel cell cell stack by stacking a plurality of a combination of each plate is formed,
An air humidifier connected to the fuel cell and humidifying air as an oxidant supplied to the fuel cell and / or a fuel humidifier humidifying the fuel supplied to the fuel cell, and connected to the air humidifier A total heat exchanger for exchanging total heat between the air discharged from the fuel cell and the reaction gas before being supplied to the air humidifier, the fuel cell, the air humidifier and / or the fuel A heat medium circulation path connected to a humidifier,
During operation of the fuel cell, in at least one reaction gas inlet region of the reaction gas (fuel gas and oxidant), the dew point of the reaction gas is set below the temperature of the heat medium, and In the reaction gas outlet region, the dew point of the reaction gas is set to be equal to or higher than the temperature of the heat medium.
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