JP5211420B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池スタックに供給する酸化ガスを均一に供給し得る燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that can uniformly supply an oxidizing gas supplied to a fuel cell stack.

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス(主として空気中の酸素)が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。   Conventionally, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, there are a fuel chamber and an oxygen chamber on both sides of the electrolyte membrane, and the fuel gas in the fuel chamber passes through the fuel electrode or the oxidizing gas (mainly air) in the oxygen chamber. Oxygen inside) is ionized through the oxygen electrode, and the ions are taken out through the electrolyte membrane to obtain electric power.

上記酸素室からは、電力取得後、酸化ガスが排気室に排出される。また、上記酸素室への酸化ガスの流入の際、酸素室に、水タンクからの冷却水を噴射流入する。このように、酸素室に冷却水が噴射されるので、噴射された水は、酸素室を介して排気室に到達する。冷却水は、電解質膜を湿潤状態に維持する作用も有する。燃料電池スタックを構成する電解質膜を全て湿潤状態に維持するには、積層された各電解質膜に酸素及び水を均一に供給する必要がある。   Oxygen gas is discharged from the oxygen chamber into the exhaust chamber after obtaining power. In addition, when the oxidizing gas flows into the oxygen chamber, the cooling water from the water tank is injected into the oxygen chamber. Thus, since the cooling water is injected into the oxygen chamber, the injected water reaches the exhaust chamber via the oxygen chamber. The cooling water also has an action of maintaining the electrolyte membrane in a wet state. In order to maintain all the electrolyte membranes constituting the fuel cell stack in a wet state, it is necessary to uniformly supply oxygen and water to the laminated electrolyte membranes.

ところで、空気を供給する供給装置から、各酸素室へ空気を分配する空気マニホールドへ空気を供給する際、各酸素室へ均一に供給するために、下流へ向けて離間距離が広がる整流板と、さらに整流器が設けられている(特許文献1)。このような装置がない場合、供給される空気流は、導風路断面における中央の風圧が特に高くなり、各導入口に均一に空気や水を配分することが不可能となる。
特開2005−42639号公報
By the way, when supplying air from a supply device that supplies air to an air manifold that distributes air to each oxygen chamber, in order to uniformly supply each oxygen chamber, a rectifying plate that widens the separation distance downstream, Further, a rectifier is provided (Patent Document 1). In the absence of such a device, the supplied air flow has a particularly high central wind pressure in the cross section of the air guide passage, and it becomes impossible to uniformly distribute air and water to each inlet.
JP 2005-42639 A

しかし、冷却水を供給される空気中に混合して、燃料電池スタックに供給する構成においては、冷却水を混入する位置の下流に整流器を配置することはできない。また、整流板により送風を均一化するためには、十分な長さの整流板が必要であり、導風路が長尺化するなどの装置の大型化を招いている。
本発明の目的は、上記事実に鑑み成されたもので、より簡略化した構成で燃料電池スタックへ均一に酸化ガスを供給できる燃料電池システムを提供することにある。
However, in the configuration in which the cooling water is mixed into the supplied air and supplied to the fuel cell stack, the rectifier cannot be arranged downstream of the position where the cooling water is mixed. In addition, in order to make the air flow uniform with the current plate, a sufficiently long current plate is required, which leads to an increase in the size of the device such as a longer air guide path.
An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can supply an oxidizing gas uniformly to a fuel cell stack with a more simplified configuration.

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
(1)燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
酸化ガスを燃料電池スタックへ送り込む送風手段と、
前記送風手段からのガス流を各導入口へ分配する酸化ガスマニホールドと、
前記送風手段に接続された取入口から酸化ガスを、前記酸化ガスマニホールドに接続された開口部へ導くとともに、前記取入口から前記開口部へ向けて横断面積が増加する導風路と、
酸化ガスの流れの中に水を拡散させて噴射流入させる噴射手段とを備えた燃料電他システムであって、
前記導入口は、前記燃料電池スタックの上面に、前記導出口は、前記燃料電池スタックの底面にそれぞれ設けられ、
前記導風路の取入口の下流側近傍に、酸化ガス流の流線方向を拡散させる拡散手段を有し、
前記噴射手段は、前記導風路内の下流側に設けられており、拡散された酸化ガス流は、前記噴射手段から噴射された水滴とともに酸化ガスマニホールドへ送られることを特徴とする燃料電池システム。
The present invention for solving the above problems has the following configuration.
(1) A fuel chamber into which fuel gas is introduced and an oxidizing gas chamber having an inlet through which oxidizing gas flows in and an outlet through which oxidized gas after reaction is discharged are disposed adjacent to each other via an electrolyte layer. A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electricity by the reaction between the gas and the oxidizing gas are stacked,
A blowing means for sending oxidizing gas to the fuel cell stack;
An oxidizing gas manifold that distributes the gas flow from the blowing means to each inlet;
An air guide passage through which an oxidizing gas is led from an inlet connected to the blowing means to an opening connected to the oxidizing gas manifold , and a cross-sectional area increases from the inlet to the opening ;
A fuel electric system or the like comprising an injection means for injecting water by diffusing water into the flow of oxidizing gas,
The introduction port is provided on the upper surface of the fuel cell stack, and the outlet port is provided on the bottom surface of the fuel cell stack,
In the vicinity of the downstream side of the inlet of the air duct, there is a diffusing means for diffusing the streamline direction of the oxidizing gas flow,
The injection means is provided on the downstream side in the air guide passage, and the diffused oxidant gas flow is sent to the oxidant gas manifold together with water droplets injected from the injection means. .

(2) 前記拡散手段は、前記導風路中に、導風路を横断して設けられ、複数の通風孔を有する板状の拡散部材である上記(1)に記載の燃料電池システム。   (2) The fuel cell system according to (1), wherein the diffusing unit is a plate-like diffusing member provided across the air guide path in the air guide path and having a plurality of ventilation holes.

(3) 前記拡散部材は、線材の集合体である上記(2)に記載の燃料電池システム。   (3) The fuel cell system according to (2), wherein the diffusion member is an aggregate of wires.

(4) 前記拡散部材は、多孔体である上記(2)に記載の燃料電池システム。   (4) The fuel cell system according to (2), wherein the diffusion member is a porous body.

請求項1記載の発明によれば、拡散手段を通過した酸化ガスは、送風方向が拡散され、導風路の面積が増加する横断面内で、風圧が均一に拡散される。その後、噴射手段により水を噴射流入することによって、拡散手段に水を接触させることなく、水をガス流に混合させ、酸化ガスマニホールドに供給できる。これにより、各導入口に、酸化ガスと水を均一に供給することができる。   According to the first aspect of the present invention, the oxidizing gas that has passed through the diffusing means is diffused in the blowing direction, and the wind pressure is uniformly diffused within the cross section in which the area of the air guide path is increased. Thereafter, by injecting and injecting water by the injection means, the water can be mixed into the gas flow without being brought into contact with the diffusion means and supplied to the oxidizing gas manifold. Thereby, oxidizing gas and water can be uniformly supplied to each inlet.

請求項2記載の発明によれば、複数の通風孔を有する板状の拡散部材の上流側では、拡散部材の表面に沿って風圧が高まり、その風圧によって各通風孔を酸化ガスが通過するので、各通風孔を通過する酸化ガスの風向が拡散され、結果として、下流へ向けて横断面が拡大する導風路に沿った酸化ガス流を得ることができる。   According to the second aspect of the present invention, on the upstream side of the plate-like diffusion member having a plurality of ventilation holes, the wind pressure increases along the surface of the diffusion member, and the oxidizing gas passes through each ventilation hole by the wind pressure. The direction of the oxidant gas passing through each ventilation hole is diffused, and as a result, an oxidant gas flow can be obtained along the air guide path whose cross section expands downstream.

請求項3記載の発明によれば、拡散部材を線材の集合体とすることによって、送風方向を拡散することができ、下流へ向けて横断面が拡大する導風路に沿った酸化ガス流を得ることができる。
請求項4記載の発明によれば、拡散部材を多孔体とすることによって、送風方向を拡散することができ、下流へ向けて横断面が拡大する導風路に沿った酸化ガス流を得ることができる。
According to the invention of claim 3, by making the diffusion member an assembly of wire rods, the blowing direction can be diffused, and the oxidizing gas flow along the air guide path whose cross section expands toward the downstream is generated. Can be obtained.
According to invention of Claim 4, by making a diffusion member into a porous body, the ventilation direction can be spread | diffused and the oxidizing gas flow along the air duct which a cross section expands toward the downstream is obtained. Can do.

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、この発明の燃料電池システム1の構成を示すブロック図である。図1に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック100、水素貯蔵タンク11を含む燃料供給系10、空気供給系12、水供給系50、負荷系7とに大略構成される。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 is roughly configured by a fuel cell stack 100, a fuel supply system 10 including a hydrogen storage tank 11, an air supply system 12, a water supply system 50, and a load system 7. The

この燃料電池スタック100の構成について説明する。燃料電池スタック100は、燃料電池単位セル15と燃料電池セパレータ13とを交互に積層して構成されている。図2は、燃料電池用セパレータ13を示す全体正面図、図3は、燃料電池セパレータ13で構成された燃料電池スタック100の部分断面平面図(図2におけるA‐A断面図)、図4は、燃料電池用セパレータ13の全体背面図である。   The configuration of the fuel cell stack 100 will be described. The fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking fuel cell unit cells 15 and fuel cell separators 13. 2 is an overall front view showing the fuel cell separator 13, FIG. 3 is a partial cross-sectional plan view of the fuel cell stack 100 composed of the fuel cell separator 13 (AA cross-sectional view in FIG. 2), and FIG. FIG. 3 is an overall rear view of the fuel cell separator 13.

セパレータ13は、単位セル15の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材3、4と、各集電部材3、4の周端部に外装される枠体8、9とを備えている。集電板である集電部材3、4は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。集電部材3は、単位セル15の燃料極に接触し、集電部材4は酸素極に接触する。集電部材3には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部32が形成されている。
凸状部32は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って(図2における横方向)配置された凸状部32の間に形成された溝によって、凸状部32の間には水素流路301が形成され、凸状部32の裏側に形成された溝33によって、水素流路302が形成されている。この凸状部32の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部321となっている。集電部材3が網体であるため、当接部321が接触する部分においても、孔320を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路301と水素流路302の間も、孔320を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。集電部材3の両端部には、流通孔35が形成され、セパレータ13を積層した場合に、この流通孔35によって水素供給路が構成される。
集電部材4は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部42が形成されている。凸状部42は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部42の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路40が形成されている。この凸状部42の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部421となっている。また、凸状部42の裏側は溝状の中空部41となっており、中空部41の両端は、閉鎖されている。
The separator 13 includes current collecting members 3 and 4 for contacting the electrodes of the unit cell 15 and taking out current to the outside, and frame bodies 8 and 9 that are externally mounted on the peripheral ends of the current collecting members 3 and 4. I have. The current collecting members 3 and 4 that are current collecting plates are made of metal. The constituent metal is a metal having conductivity and corrosion resistance, and examples thereof include stainless steel, nickel alloy, titanium alloy and the like subjected to corrosion-resistant conductive treatment. The current collecting member 3 is in contact with the fuel electrode of the unit cell 15, and the current collecting member 4 is in contact with the oxygen electrode. The current collecting member 3 is formed with a plurality of projecting convex portions 32 by pressing.
The convex portions 32 are arranged at equal intervals along the long side of the plate material in the short side direction. A hydrogen channel 301 is formed between the convex portions 32 by grooves formed between the convex portions 32 arranged along the long side (lateral direction in FIG. 2). A hydrogen flow path 302 is formed by the groove 33 formed in. The surface of the apex portion of the convex portion 32 is a contact portion 321 with which the fuel electrode contacts. Since the current collecting member 3 is a net, the fuel electrode can supply the fuel gas through the hole 320 even in the portion where the contact portion 321 contacts. In addition, hydrogen gas can flow between the hydrogen channel 301 and the hydrogen channel 302 via the holes 320. Through holes 35 are formed at both ends of the current collecting member 3. When the separators 13 are stacked, the through holes 35 form a hydrogen supply path.
The current collecting member 4 is made of a rectangular plate material, and a plurality of convex portions 42 are formed by pressing. The convex portions 42 are continuously formed in a straight line parallel to the short sides of the plate material, and are arranged at equal intervals. A groove is formed between the convex portions 42 to form an air flow path 40 through which air flows. The surface of the apex portion of the convex portion 42 is an abutting portion 421 with which the oxygen electrode contacts. Further, the back side of the convex portion 42 is a groove-like hollow portion 41, and both ends of the hollow portion 41 are closed.

以上のような集電部材3、4は、各凸状部32と凸状部42が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材3の裏側面34と空気流路40の裏側面403が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路40は、図3に示されているように、単位セル15に重ね合わされ、溝の開口部400を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路40の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路40から、単位セル15の酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路40を通過する空気中に含有される酸素である。   The current collecting members 3 and 4 as described above are overlapped and fixed so that the convex portions 32 and the convex portions 42 are on the outside. At this time, the back side surface 34 of the current collecting member 3 and the back side surface 403 of the air flow path 40 are in contact with each other, so that they can be energized with each other. As shown in FIG. 3, the air flow path 40 is overlapped with the unit cell 15, and a tubular flow path is formed by closing the groove opening 400, and the inner wall of the air flow path 40 is formed. A part of is composed of an oxygen electrode. Oxygen and water are supplied from the air flow path 40 to the oxygen electrode of the unit cell 15. The oxygen supplied to the oxygen electrode is oxygen contained in the air passing through the air flow path 40.

空気流路40の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口43となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口44となっている。この導入口43から導出口44までの空気流路40及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室(酸化ガス室)として機能する。また、中空部41の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口45となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口46となっている。以上のような構成において、空気流路40と中空部41は、交互に平行に配置され、相互に側壁47を挟んで隣接した構成となっている。   The opening on one end side of the air flow path 40 is an introduction port 43 through which air and water flow, and the opening at the other end is a discharge port 44 through which air and water flow out. The air flow path 40 and its aggregate from the inlet 43 to the outlet 44 function as an oxygen chamber (oxidizing gas chamber) for supplying oxygen to the solid electrolyte membrane. Moreover, the opening part of the one end side of the hollow part 41 becomes the inflow opening port 45 into which air and water flow in, and the opening part of the other end becomes the outflow opening port 46 through which air and water flow out. In the above configuration, the air flow paths 40 and the hollow portions 41 are alternately arranged in parallel and are adjacent to each other with the side wall 47 interposed therebetween.

集電部材3、4には、枠体8、9がそれぞれ重ねられる。図2に示されているように、集電部材3に重ねられる枠体8は、集電部材3と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部32を収納する窓81が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材3の流通孔35に合致する位置に孔83が形成されており、この孔83と窓81との間には、集電部材3に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路84が設けられている。また、集電部材3に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓81に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部82が設けられている。この収納部82に収納された単位セル15の燃料極表面と、水素流路301、302と、窓81とによって、燃料室30が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。   Frame members 8 and 9 are overlaid on the current collecting members 3 and 4, respectively. As shown in FIG. 2, the frame 8 overlaid on the current collecting member 3 is configured to have the same size as the current collecting member 3, and a window 81 for accommodating the convex portion 32 is formed at the center. ing. Further, in the vicinity of both ends, a hole 83 is formed at a position matching the flow hole 35 of the current collecting member 3, and between the hole 83 and the window 81, the side in contact with the current collecting member 3 is formed. A recess is formed in the plane, and a hydrogen flow path 84 is provided. In addition, a concave portion whose contour is formed along the window 81 is formed on the plane opposite to the surface that contacts the current collecting member 3, and a storage portion 82 for storing the unit cell 15 is provided. Yes. The fuel chamber 30 is defined by the fuel electrode surface of the unit cell 15 housed in the housing portion 82, the hydrogen flow paths 301 and 302, and the window 81. Thus, the fuel chamber is provided adjacent to the fuel electrode, and the oxygen chamber is provided adjacent to the oxygen electrode.

集電部材4に重ねられる枠体9は、枠体8と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部42を収納する窓91が形成されている。また、両端部近傍には、枠体8の孔83に合致する位置に孔93が形成されている。枠体8の集電部材4が重ねられる側の面には、枠体8の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材3、4に重ねることによって、空気流通路94、95が構成される構造となっている。空気流通路94の一端は、枠体8の長辺側の端面に形成された単位開口941に接続され、他端は空気流路40の導入口43に接続されている。   The frame body 9 overlaid on the current collecting member 4 is configured to have the same size as the frame body 8, and a window 91 for accommodating the convex portion 42 is formed at the center. Further, in the vicinity of both end portions, holes 93 are formed at positions corresponding to the holes 83 of the frame body 8. Grooves are formed along the pair of opposing long sides of the frame 8 on the surface of the frame 8 on which the current collecting member 4 is overlapped. By overlapping the current collecting members 3 and 4, the air flow passage 94 is formed. , 95 is configured. One end of the air flow passage 94 is connected to a unit opening 941 formed on the end surface on the long side of the frame body 8, and the other end is connected to the introduction port 43 of the air flow path 40.

上流側の空気流通路94は、単位開口941側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面942となっており、後述する空気マニホールド54から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路95の一端は、空気流路40の導出口44に接続され、他端は、枠体8の長辺側端面に形成された開口951に接続されている。空気流通路95は、開口951側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面952となっている。燃料電池スタック100が傾いた際にも、このテーパー面952によって、水の排出が維持される。また、枠体9の、集電部材4に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓91に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部92が設けられている。上記単位開口941の集合体によって、燃料電池スタック100の上面には、矩形状の開口940が形成され、この開口940に、空気マニホールド54から空気が流入する。   The upstream air flow passage 94 has an end inner wall that is a tapered surface 942 so that the cross-sectional area gradually decreases from the unit opening 941 side to the air flow path 40 side, and is injected from an air manifold 54 described later. It is easy to take in misty water. On the other hand, one end of the downstream air flow passage 95 is connected to the outlet 44 of the air flow path 40, and the other end is connected to an opening 951 formed on the long side end surface of the frame 8. The air flow passage 95 has an end inner wall as a tapered surface 952 so that the cross-sectional area gradually decreases from the opening 951 side toward the air flow path 40 side. Even when the fuel cell stack 100 is tilted, the tapered surface 952 maintains the discharge of water. In addition, a concave portion having a contour formed along the window 91 is formed on the plane opposite to the surface of the frame body 9 that contacts the current collecting member 4, and the storage unit in which the unit cell 15 is stored. 92 is provided. Due to the assembly of the unit openings 941, a rectangular opening 940 is formed on the upper surface of the fuel cell stack 100, and air flows from the air manifold 54 into the opening 940.

図5は単位セル15の拡大断面図である。単位セル15は、固体高分子電解質膜15aと、該固体高分子電解質膜15aの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極15bと燃料極15cとを備えていて、固体高分子電解質膜15aは、酸素極15bと燃料極15cとで挟持されている。固体高分子電解質膜15aは、収納部82、92に合致した大きさに形成され、酸素極15bと燃料極15cは、窓91、81に合致した大きさに形成されている。単位セル15の厚さは、枠体8、9や集電部材3、4の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。空気流路40の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が40°以下、好ましくは30°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン(Ti O2)等が挙げられる。 FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the unit cell 15. The unit cell 15 includes a solid polymer electrolyte membrane 15a, and an oxygen electrode 15b and a fuel electrode 15c that are oxidant electrodes stacked on both side surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 15a, respectively. The membrane 15a is sandwiched between the oxygen electrode 15b and the fuel electrode 15c. The solid polymer electrolyte membrane 15 a is formed in a size that matches the storage portions 82 and 92, and the oxygen electrode 15 b and the fuel electrode 15 c are formed in a size that matches the windows 91 and 81. Since the thickness of the unit cell 15 is extremely thin compared to the thicknesses of the frame bodies 8 and 9 and the current collecting members 3 and 4, the unit cell 15 is shown as an integral member in the drawing. The inner wall of the air flow path 40 is subjected to hydrophilic treatment. The surface treatment may be performed so that the contact angle between the inner wall surface and water is 40 ° or less, preferably 30 ° or less. As the treatment method, a method of applying a hydrophilic treatment agent to the surface is taken. Examples of the treating agent to be applied include polyacrylamide, polyurethane resin, titanium oxide (TiO 2 ), and the like.

以上のように構成された枠体8、9によって集電部材3、4を保持してセパレータ13が構成され、セパレータ13と単位セル15を交互に積層して、燃料電池スタック100が構成される。図6は燃料電池スタック100の部分平面図である。燃料電池スタック100の上面には、多数の導入口43が開口し、この導入口43に、後述するように、空気マニホールド54から空気が流入するとともに、空気マニホールド54内で、噴射流入手段であるノズル55から噴射された水が同時に流入する。このノズルは、水を液滴の状態で、燃料電池スタック100に供給する。導入口43から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材3、4を冷却する。また、燃料電池スタック100の底面には、図6に示されている導入口43に対向する位置に、多数の導出口44が開口し、この導出口44から空気と、噴射供給された水が流出する。即ち、導入口43は、燃料電池スタック100の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口44は、燃料電池スタック100の底面に、縦横に多数開口することとなる。   The separators 13 are configured by holding the current collecting members 3 and 4 by the frames 8 and 9 configured as described above, and the fuel cell stack 100 is configured by alternately stacking the separators 13 and the unit cells 15. . FIG. 6 is a partial plan view of the fuel cell stack 100. A large number of inlets 43 are opened on the upper surface of the fuel cell stack 100. As will be described later, air flows into the inlet 43 from the air manifold 54, and is an injection inlet means within the air manifold 54. Water sprayed from the nozzle 55 flows in simultaneously. This nozzle supplies water to the fuel cell stack 100 in the form of droplets. The air and liquid water flowing from the inlet 43 cool the current collecting members 3 and 4 by latent heat cooling. Further, on the bottom surface of the fuel cell stack 100, a large number of outlets 44 are opened at positions opposed to the inlets 43 shown in FIG. 6, from which air and water supplied by injection are supplied. leak. That is, many inlets 43 are opened vertically and horizontally on the upper surface of the fuel cell stack 100, and similarly, many outlets 44 are opened vertically and horizontally on the bottom surface of the fuel cell stack 100.

次に、図1に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系10の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク11には、燃料ガス供給流路201A、201Bを介して燃料電池スタック100のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路201Aには、水素元バルブ18、一次圧センサS0、レギュレータ19、二次圧センサS1、第1ガス供給弁20及び水素調圧弁21、第2ガス供給弁22、三次圧センサS2が順に設けられ、この燃料ガス供給流路201Aは、燃料ガス供給流路201Bの一端に接続している。燃料ガス供給流路201Bの他端は、燃料電池スタック100の上記ガス取入口201BのINに接続されている。燃料電池スタック100のガス排出口には、ガス排出流路202の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路201Bに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路202には、燃料電池スタック100のガス排出口側から順に、トラップ24、循環ポンプ25、循環電磁弁26が配置されている。トラップ24には、水レベルセンサS10が取り付けられ、さらに、ガス導出路203の一端が接続されている。ガス導出路203の他端は、空気ダクト124に接続されている。ガス導出路203には、排気電磁弁27が設けられている。   Next, the configuration of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described. The configuration of the fuel supply system 10 will be described. A hydrogen storage tank 11 that is a fuel gas cylinder is connected to a gas intake port of the fuel cell stack 100 via fuel gas supply channels 201A and 201B. The fuel gas supply passage 201A includes a hydrogen source valve 18, a primary pressure sensor S0, a regulator 19, a secondary pressure sensor S1, a first gas supply valve 20, a hydrogen pressure regulating valve 21, a second gas supply valve 22, and a tertiary pressure sensor. S2 is sequentially provided, and the fuel gas supply channel 201A is connected to one end of the fuel gas supply channel 201B. The other end of the fuel gas supply channel 201B is connected to the IN of the gas inlet 201B of the fuel cell stack 100. One end of a gas discharge channel 202 is connected to the gas discharge port of the fuel cell stack 100, and the other end is connected to the fuel gas supply channel 201B to constitute a fuel gas circulation channel. In the gas discharge channel 202, a trap 24, a circulation pump 25, and a circulation electromagnetic valve 26 are arranged in this order from the gas discharge port side of the fuel cell stack 100. A water level sensor S10 is attached to the trap 24, and one end of the gas outlet path 203 is connected to the trap 24. The other end of the gas outlet path 203 is connected to the air duct 124. An exhaust solenoid valve 27 is provided in the gas outlet passage 203.

次に空気供給系12について説明する。空気供給系12は、空気導入路123と、空気マニホールド54と、空気排出路である空気ダクト124とを備えている。空気導入路123には、フィルタ121、空気ファン122、空気マニホールド54の順で流入方向に沿って設けられている。   Next, the air supply system 12 will be described. The air supply system 12 includes an air introduction path 123, an air manifold 54, and an air duct 124 that is an air discharge path. In the air introduction path 123, a filter 121, an air fan 122, and an air manifold 54 are provided in this order along the inflow direction.

空気導入路123内には、拡散手段である抵抗板123mが設けられ、更に、その下流側には、空気マニホールド54内の直前位置に、冷却水を空気導入路123内へ向けて噴射するノズル55が設けられている。このノズル55は、空気マニホールド54内に設けられていてもよい。空気マニホールド54は、燃料電池スタック100の導入口43に空気を分割して流入させる。フィルタ121から空気マニホールド54への具体的構成は後述する。   A resistance plate 123m, which is a diffusing means, is provided in the air introduction path 123, and further, on the downstream side thereof, a nozzle that injects cooling water into the air introduction path 123 at a position immediately before the air manifold 54. 55 is provided. The nozzle 55 may be provided in the air manifold 54. The air manifold 54 divides and flows the air into the inlet 43 of the fuel cell stack 100. A specific configuration from the filter 121 to the air manifold 54 will be described later.

燃料電池スタック100の導出口44には、排気マニホールド53A1が接続され、導出口44から排出された空気は、排気マニホールド53A1によって合流され、空気ダクト124へ送られる。空気ダクト124は、導出口44から流出した空気を、凝縮器51を介して外部へ導流する。空気ダクト124の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器51が設けられ、続いてフィルタ125が接続されている。凝縮器51は、空気から水分取り出す。また、ノズル55から供給された水の内、燃料電池スタック100内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト124には、排気温度センサS9が設けられ、燃料電池スタック100内の温度が間接的に検出される。   An exhaust manifold 53A1 is connected to the outlet 44 of the fuel cell stack 100, and the air discharged from the outlet 44 is merged by the exhaust manifold 53A1 and sent to the air duct 124. The air duct 124 guides the air flowing out from the outlet 44 to the outside via the condenser 51. A condenser 51 to which a fan is attached is provided at the end of the air duct 124, and a filter 125 is subsequently connected. The condenser 51 extracts moisture from the air. Further, the water evaporated in the fuel cell stack 100 in the water supplied from the nozzle 55 is also collected here. The air duct 124 is provided with an exhaust temperature sensor S9, and the temperature in the fuel cell stack 100 is indirectly detected.

次に、水供給系について説明する。水供給系50は、貯水手段としての水タンク531と、凝縮器51で回収した水を水タンク531へ導く導水路57と、水タンク531の水をノズル55へ導く給水路56とを有する。導水路57には、回収ポンプ62が設けられている。回収ポンプ62は、凝縮器51で排気ガスから取り出された水を、水タンク531へ送り込む。給水路56には、フィルタ64、水供給手段である供給ポンプ61が順に設けられている。水タンク531には、水位センサS5と、貯水量検出手段であるタンク水位センサS7が設けられている。   Next, the water supply system will be described. The water supply system 50 includes a water tank 531 as water storage means, a water conduit 57 that guides the water collected by the condenser 51 to the water tank 531, and a water supply passage 56 that guides the water in the water tank 531 to the nozzle 55. A collection pump 62 is provided in the water conduit 57. The recovery pump 62 sends the water extracted from the exhaust gas by the condenser 51 to the water tank 531. The water supply path 56 is provided with a filter 64 and a supply pump 61 as water supply means in order. The water tank 531 is provided with a water level sensor S5 and a tank water level sensor S7 which is a storage amount detection means.

燃料電池スタック100には、負荷系7が接続されており、燃料電池スタック100で出力される電力は、この負荷系7に供給される。燃料電池スタック100の電極は、配線71を介してインバータ73に接続され、インバータ73からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ73には、スイッチ手段であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor/絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)75を介して補助電源76が接続されている。補助電源76は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系7には、燃料電池スタック100の出力電圧を検出する電圧センサS4と、同じく出力電流を検出する電流センサS3が設けられている。   A load system 7 is connected to the fuel cell stack 100, and electric power output from the fuel cell stack 100 is supplied to the load system 7. The electrode of the fuel cell stack 100 is connected to an inverter 73 via a wiring 71, and electric power is supplied from the inverter 73 to a load such as a motor. An auxiliary power supply 76 is connected to the inverter 73 via an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 75 which is a switch means. The auxiliary power source 76 can be constituted by, for example, a battery or a capacitor. The load system 7 is provided with a voltage sensor S4 for detecting the output voltage of the fuel cell stack 100 and a current sensor S3 for detecting the output current.

燃料電池システム1の制御系は、各センサS0〜S4、S7、S9、S10の検出値が入力され、レギュレータ19、各電磁弁18〜19、20、22、26、27、各ポンプ25、61、62、空気ファン122、凝縮器51のファン、インバータ73、IGBT75を制御する制御装置(ECU)を備えている。この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。   The control system of the fuel cell system 1 receives the detection values of the sensors S0 to S4, S7, S9, and S10, the regulator 19, the solenoid valves 18 to 19, 20, 22, 26, 27, and the pumps 25, 61. 62, an air fan 122, a fan of the condenser 51, an inverter 73, and a control device (ECU) for controlling the IGBT 75. An ignition switch (not shown) is connected to the control device, and an instruction signal for driving or stopping a drive motor for driving the vehicle is input.

次に、空気供給系12の具体的構成について説明する。図7は空気供給系12の構成を示す全体斜視図、図8は、同じく全体平面図、図9は同じく全体側面図である。既述の通り、空気供給系12は、導風路としての空気導入路123を内側に画成する導風管126を有し、導風管126の空気導入側端部の取入口126sには、送風手段としての空気ファン122(エアブロア)の送風口122eが接続されている。空気ファン122の吸引口には、エアフィルタ121が設けられ、吸引時に、粉塵等のゴミが除去される。空気ファン122は、回転翼(インペラー)を回転させることにより、送風する遠心ブロアであり、回転翼を回転させるためのモータM1が、回転翼の回転軸に接続されている。導風管126の取入口126sは、送風口122eと同じ形状に構成され、縦横の辺の長さが略等しい矩形に構成されている。   Next, a specific configuration of the air supply system 12 will be described. 7 is an overall perspective view showing the configuration of the air supply system 12, FIG. 8 is an overall plan view, and FIG. 9 is an overall side view. As described above, the air supply system 12 has the air guide pipe 126 that defines the air introduction path 123 as the air guide path on the inside, and the intake 126s at the end of the air introduction side of the air guide pipe 126 has an inlet 126s. A blower port 122e of an air fan 122 (air blower) as a blower is connected. An air filter 121 is provided at the suction port of the air fan 122, and dust such as dust is removed during suction. The air fan 122 is a centrifugal blower that blows air by rotating a rotor blade (impeller), and a motor M1 for rotating the rotor blade is connected to a rotating shaft of the rotor blade. The intake port 126s of the air guide tube 126 is configured in the same shape as the air blowing port 122e, and is configured in a rectangle in which the lengths of the vertical and horizontal sides are substantially equal.

導風管126の他端開口部126eは、空気マニホールド54の空気流入口541と同形状の扁平な矩形状に形成され、該空気流入口541に接続されている。また、導風管126で構成された空気導入路123の下流側端部には、噴射ノズル55と、該ノズル55に水を配水するための水配管55wが設けられている。ノズル55の噴出口は、下流側(燃料電池スタック側)へ向けられ、少なくとも、空気マニホールド55の横断面における長辺方向(単位セルの積層方向)に沿って、水滴を拡散させて噴射する構成となっている。空気マニホールド55は、開口940の全面を覆って設けられている。   The other end opening 126 e of the air guide pipe 126 is formed in a flat rectangular shape having the same shape as the air inlet 541 of the air manifold 54, and is connected to the air inlet 541. Further, at the downstream end portion of the air introduction path 123 configured by the air guide pipe 126, an injection nozzle 55 and a water pipe 55w for distributing water to the nozzle 55 are provided. The nozzle 55 has a jet outlet directed toward the downstream side (fuel cell stack side), and sprays water droplets by diffusing at least along the long side direction (unit cell stacking direction) in the cross section of the air manifold 55. It has become. The air manifold 55 is provided so as to cover the entire surface of the opening 940.

上記導風管126内の空気導入路123内には、取入口126sの下流側近傍に、板状の拡散部材123mが配置されている。この拡散部材123mは、空気導入路123の横断面全面を覆い、空気マニホールド55へ送られる空気は、この拡散部材123mを通過するように構成されている。 A plate-like diffusion member 123m is disposed in the air introduction path 123 in the air guide pipe 126 in the vicinity of the downstream side of the intake 126s . The diffusion member 123m covers the entire cross section of the air introduction path 123, and the air sent to the air manifold 55 is configured to pass through the diffusion member 123m.

図10は、拡散部材123mの構成を示す、部分斜視図である。拡散部材123mは、例えば、線材LAを縦横に組み合わせた網状の板材とすることができる。この場合には、線材LAの間に構成される、線材LA間の隙間が通風孔123hとなる。空気ファン122から送られる空気は、線材LAに接触することによって、乱流となり、送風方向が拡散される。つまり、空気導入路123の横断面での送風速度分布において、中央部と端部との間で、速度の差が少なくなる。また、拡散部材123mの上流側での空気の流れは、空気導入路123の軸線に平行な流線を有するものであるが、拡散部材123mの下流側での空気の流れは、中央の軸線から離れる方向へ向かう流線が増加する。   FIG. 10 is a partial perspective view showing the configuration of the diffusing member 123m. The diffusing member 123m can be, for example, a net-like plate material obtained by combining the wires LA vertically and horizontally. In this case, a gap between the wire rods LA formed between the wire rods LA becomes the ventilation hole 123h. The air sent from the air fan 122 becomes a turbulent flow by contacting the wire LA, and the blowing direction is diffused. That is, in the air velocity distribution in the cross section of the air introduction path 123, the difference in speed between the central portion and the end portion is reduced. The air flow on the upstream side of the diffusing member 123m has a streamline parallel to the axis of the air introduction path 123, but the air flow on the downstream side of the diffusing member 123m is from the central axis. Streamlines going away will increase.

このように、流線の向きが拡散されるとともに、速度が均一化されるので、各単位開口941に均一に空気が供給され、また空気に混入された水滴も同様に均一に供給される。このような、板状の拡散部材123mは、波状に形成されていてもよい。この場合には、拡散効果がさらに向上する。線材LAで構成される拡散部材123mの他の構成例としては、線材LAを不規則に重ね合わせた、不織体としてもよい。この場合には、線材LAが不規則に配置されているので、拡散効果が向上する。   As described above, the direction of the stream line is diffused and the speed is made uniform, so that air is uniformly supplied to each unit opening 941 and water droplets mixed in the air are also supplied uniformly. Such a plate-like diffusion member 123m may be formed in a wave shape. In this case, the diffusion effect is further improved. Another configuration example of the diffusing member 123m formed of the wire LA may be a non-woven body in which the wires LA are irregularly overlapped. In this case, since the wire rods LA are irregularly arranged, the diffusion effect is improved.

図11は、拡散部材123mの他の構成例を示す部分斜視図である。この構成例では、金属製の板材に複数の孔を穿孔した構成となっており、この孔が通風孔123hを構成する。この場合には、線材で通風孔を構成する場合に比較して、通風孔123hの間隔が広くなり、流線を拡散する効果が増大する。また、単位面積当たりの孔面積を、拡散部材の中央部で小さく、端部で大きくする。これにより、空気導入路123内を流れる気体の速度の中央部と端部との差を小さくし、流線を拡散させることが、さらに容易となる。この孔面積は、拡散部材123mの取付位置や空気供給流量に応じて変更することができ、空気抵抗を小さくしたい場合には大きく、拡散効果を大きくしたい場合には、細かく(単位面積当たりの孔の数を増加させる)することができる。   FIG. 11 is a partial perspective view showing another configuration example of the diffusing member 123m. In this configuration example, a plurality of holes are formed in a metal plate material, and the holes constitute the ventilation holes 123h. In this case, compared with the case where the ventilation holes are formed of the wire material, the interval between the ventilation holes 123h is widened, and the effect of diffusing the streamlines is increased. In addition, the hole area per unit area is small at the center of the diffusion member and large at the end. Thereby, it becomes easier to reduce the difference between the central portion and the end portion of the velocity of the gas flowing in the air introduction path 123 and diffuse the streamlines. This hole area can be changed according to the mounting position of the diffusing member 123m and the air supply flow rate. The hole area is large when it is desired to reduce the air resistance, and finely (holes per unit area when it is desired to increase the diffusion effect). Increase the number of

さらに、拡散部材123mの他の構成例を説明する。図12は拡散部材123mの部分斜視図、図13は、部分断面図である。拡散部材123mは、多孔体で構成されている。多孔体は、図13に示されているように、大きさ、形状、形成方向が3次元的に変化している孔を多数有している。この孔により通風孔123hが構成される。このように、多孔体の有する孔は、方向、形状等がランダムに形成されているので、通風孔123hを通過する気体の流線もランダムに拡散され、流速の均一化と、流線の拡散を図ることができる。   Furthermore, another configuration example of the diffusing member 123m will be described. 12 is a partial perspective view of the diffusing member 123m, and FIG. 13 is a partial cross-sectional view. The diffusion member 123m is formed of a porous body. As shown in FIG. 13, the porous body has a large number of holes whose size, shape, and forming direction are three-dimensionally changed. A vent hole 123h is formed by this hole. In this way, since the holes of the porous body are randomly formed in the direction, shape, etc., the streamlines of the gas passing through the ventilation holes 123h are also randomly diffused, and the flow velocity is uniformized and the streamlines are diffused. Can be achieved.

以上ように構成された拡散手段により空気導入路123の幅方向へ拡散された空気流は、ノズル55から噴射される水滴とともに、空気マニホールド54へ送られる。空気マニホールド54では、空気導入路123の幅方向、即ち単位セルの積層方向へ拡散された空気流を、各単位開口941へ分配する。各単位セルは、均一に分配された空中の酸素を得て、それぞれ同程度の発電反応を得ることができるため、燃料電池スタック100全体としての発電効率を良好なものとすることができる。また、拡散手段によって、空気流の拡散が可能となるので、整流板等の整流装置が不要となり、空気導入路123の長さを短くすることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。   The air flow diffused in the width direction of the air introduction path 123 by the diffusing means configured as described above is sent to the air manifold 54 together with water droplets ejected from the nozzle 55. In the air manifold 54, the air flow diffused in the width direction of the air introduction path 123, that is, in the stacking direction of the unit cells is distributed to each unit opening 941. Each unit cell can obtain oxygen in the air evenly distributed and obtain the same level of power generation reaction, so that the power generation efficiency of the fuel cell stack 100 as a whole can be improved. Further, since the air flow can be diffused by the diffusing means, a rectifying device such as a rectifying plate is not required, the length of the air introduction path 123 can be shortened, and the device can be miniaturized. .

この発明の燃料電池システム1を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system 1 of the present invention. 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。It is a whole front view which shows the separator for fuel cells. 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図(A‐A断面図)である。It is a fragmentary sectional top view (AA sectional view) of the fuel cell stack comprised with the fuel cell separator. 燃料電池セパレータの全体背面図である。It is the whole fuel cell separator rear view. 単位セルの構成を示す拡大側面断面図である。It is an expanded side sectional view which shows the structure of a unit cell. 燃料電池スタックの上面の構成を示す部分平面図である。It is a fragmentary top view which shows the structure of the upper surface of a fuel cell stack. 空気供給系の構成を示す全体斜視図である。It is a whole perspective view which shows the structure of an air supply system. 空気供給系の構成を示す全体平面図である。It is a whole top view which shows the structure of an air supply system. 空気供給系の構成を示す全体側面図である。It is a whole side view which shows the structure of an air supply system. 拡散部材の構成を示す、部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the structure of a diffusion member. 拡散部材の他の構成を示す、部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the other structure of a diffusion member. 拡散部材の他の構成を示す、部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the other structure of a diffusion member. 拡散部材の他の構成を示す、部分横断面図である。It is a fragmentary cross-sectional view which shows the other structure of a diffusion member.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
123 空気導入路
123m 拡散部材
531 水タンク
53A1 排気マニホールド
54 空気マニホールド
55 ノズル
61 供給ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 100 Fuel cell stack 123 Air introduction path 123m Diffusion member 531 Water tank 53A1 Exhaust manifold 54 Air manifold 55 Nozzle 61 Supply pump

Claims (4)

燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
酸化ガスを燃料電池スタックへ送り込む送風手段と、
前記送風手段からのガス流を各導入口へ分配する酸化ガスマニホールドと、
前記送風手段に接続された取入口から酸化ガスを、前記酸化ガスマニホールドに接続された開口部へ導くとともに、前記取入口から前記開口部へ向けて横断面積が増加する導風路と、
酸化ガスの流れの中に水を拡散させて噴射流入させる噴射手段とを備えた燃料電他システムであって、
前記導入口は、前記燃料電池スタックの上面に、前記導出口は、前記燃料電池スタックの底面にそれぞれ設けられ、
前記導風路の取入口の下流側近傍に、酸化ガス流の流線方向を拡散させる拡散手段を有し、
前記噴射手段は、前記導風路内の下流側に設けられており、拡散された酸化ガス流は、前記噴射手段から噴射された水滴とともに酸化ガスマニホールドへ送られることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel chamber into which the fuel gas is introduced and an oxidizing gas chamber having an inlet through which the oxidizing gas is introduced and an outlet through which the oxidized gas after the reaction is discharged are adjacent to each other via the electrolyte layer, and the fuel gas and the oxidizing gas A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate electricity by reaction with
A blowing means for sending oxidizing gas to the fuel cell stack;
An oxidizing gas manifold that distributes the gas flow from the blowing means to each inlet;
An air guide passage through which an oxidizing gas is led from an inlet connected to the blowing means to an opening connected to the oxidizing gas manifold , and a cross-sectional area increases from the inlet to the opening ;
A fuel electric system or the like comprising an injection means for injecting water by diffusing water into the flow of oxidizing gas,
The introduction port is provided on the upper surface of the fuel cell stack, and the outlet port is provided on the bottom surface of the fuel cell stack,
In the vicinity of the downstream side of the inlet of the air duct, there is a diffusing means for diffusing the streamline direction of the oxidizing gas flow,
The injection means is provided on the downstream side in the air guide passage, and the diffused oxidant gas flow is sent to the oxidant gas manifold together with water droplets injected from the injection means. .
前記拡散手段は、前記導風路中に、導風路を横断して設けられ、複数の通風孔を有する板状の拡散部材である請求項1に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the diffusing unit is a plate-like diffusing member that is provided in the air guide passage so as to cross the air guide passage and has a plurality of ventilation holes. 前記拡散部材は、線材の集合体である請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein the diffusion member is an assembly of wires. 前記拡散部材は、多孔体である請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein the diffusion member is a porous body.
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