JP5341624B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To aim at simplification and weight-reduction of a fuel cell system including a fuel cell stack. <P>SOLUTION: In the fuel cell system 10, a first fuel cell stack 12 and a second fuel cell stack 14 are laminated. A first electrolyte contained in the first fuel cell stack 12 shows proton conductivity irrespective of it being a wet state or not. Meanwhile, a second electrolyte contained in the second fuel cell stack 14 shows proton conductivity when it is made wet. In this structure, when a fuel gas and an oxidant gas are supplied to the first fuel cell stack 12, these fuel gas and oxidant gas are exhausted from the first fuel cell stack 12 while moisture generated by an electrode reaction is contained. The fuel gas and the oxidant gas are cooled at a first inter-cooler 212 and a second inter-cooler 214 respectively and supplied to the second fuel cell stack 14 while a relative humidity is raised by cooling. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、電解質が互いに相違する2種の燃料電池スタックを含んで構成される燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including two types of fuel cell stacks having different electrolytes.

燃料電池スタックの1種として、パーフルオロスルホン酸ポリマー(例えば、米国デュポン社製のナフィオン)等からなる固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持した単位セルを積層したものが周知となるに至っている。   As one type of fuel cell stack, a unit cell in which a solid polymer electrolyte membrane made of perfluorosulfonic acid polymer (for example, Nafion manufactured by DuPont, USA) is sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode is well known. Has come to be.

この種の固体高分子電解質膜は、乾燥状態ではプロトン伝導性をほとんど示さず、湿潤化されることに伴ってプロトン伝導性が発現する。換言すれば、燃料電池スタックを運転する最中は、固体高分子電解質膜に対して水分を付与し、これにより該固体高分子電解質膜のプロトン伝導性を維持する必要がある。固体高分子電解質膜のプロトン伝導性が低下した場合、プロトンがアノード側電極からカソード側電極に移動し難くなるので、燃料電池スタックの発電特性が低下してしまうからである。   This type of solid polymer electrolyte membrane exhibits almost no proton conductivity in a dry state, and exhibits proton conductivity as it is wetted. In other words, during the operation of the fuel cell stack, it is necessary to impart moisture to the solid polymer electrolyte membrane, thereby maintaining the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane. This is because when the proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane is lowered, it becomes difficult for protons to move from the anode side electrode to the cathode side electrode, so that the power generation characteristics of the fuel cell stack are lowered.

そこで、従来から、前記燃料電池スタックに加湿器を付設して燃料電池システムを構築することが行われている(例えば、特許文献1参照)。この場合、前記加湿器の作用下に、アノード側電極に供給される燃料ガス、及びカソード側電極に供給される酸化剤ガスに水分を付与する。この水分が、固体高分子電解質膜におけるアノード側電極に臨む側の端面、及びカソード側電極に臨む側の端面に到達することにより、該固体高分子電解質膜の湿潤状態が保たれる。   Therefore, conventionally, a fuel cell system is constructed by attaching a humidifier to the fuel cell stack (see, for example, Patent Document 1). In this case, moisture is applied to the fuel gas supplied to the anode side electrode and the oxidant gas supplied to the cathode side electrode under the action of the humidifier. The moisture reaches the end face on the side facing the anode side electrode and the end face on the side facing the cathode side electrode in the solid polymer electrolyte membrane, so that the wet state of the solid polymer electrolyte membrane is maintained.

特開2008−41466号公報JP 2008-41466 A

上記から諒解されるように、固体高分子電解質膜を具備する燃料電池スタックにおいて発電特性を維持するためには、加湿器を付設して前記固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。換言すれば、この種の燃料電池システムでは、加湿器を設けることが必須となる。   As understood from the above, in order to maintain power generation characteristics in a fuel cell stack including a solid polymer electrolyte membrane, it is necessary to attach a humidifier to keep the solid polymer electrolyte membrane in a wet state. In other words, it is essential to provide a humidifier in this type of fuel cell system.

しかしながら、この場合、加湿器が存在するために燃料電池システムが大規模なものとなり、簡素化や軽量化を図ることが困難である。   However, in this case, since the humidifier is present, the fuel cell system becomes large-scale, and it is difficult to simplify and reduce the weight.

また、燃料電池スタックの内部には、一般的に、冷却水又は冷却油等の冷却媒体が流通される。ここで、固体高分子電解質膜を具備する燃料電池スタックの運転温度は概ね100℃前後であるが、このような温度の燃料電池スタックを冷却した後の冷却媒体の温度は、大気の温度とさほど差がない。従って、この冷却媒体を、燃料電池スタックを再度冷却可能な程度の温度まで降下させるためには大面積のラジエータが必要である。   Further, a cooling medium such as cooling water or cooling oil is generally circulated inside the fuel cell stack. Here, the operating temperature of the fuel cell stack including the solid polymer electrolyte membrane is about 100 ° C., and the temperature of the cooling medium after cooling the fuel cell stack at such a temperature is about the same as the temperature of the atmosphere. There is no difference. Therefore, a large-area radiator is required to lower the cooling medium to such a temperature that the fuel cell stack can be cooled again.

このような大面積のラジエータは、必然的に大型であり、しかも、重量も大である。このことも、燃料電池システムの簡素化及び軽量化を妨げる一因となっている。   Such a large-area radiator is inevitably large in size and also heavy in weight. This also contributes to the simplification and weight reduction of the fuel cell system.

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、加湿器が不要であり、しかも、冷却媒体の温度を降下させる冷却手段を小型化し得、このために構成の簡素化及び軽量化を図ることが可能な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, and does not require a humidifier. Further, the cooling means for lowering the temperature of the cooling medium can be miniaturized. For this reason, the configuration is simplified and the weight is reduced. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be realized.

前記の目的を達成するために、本発明は、水分を含むか否かに関わらずプロトン伝導性を示す電解質を具備する第1の燃料電池スタックと、湿潤化されることに伴ってプロトン伝導性が発現する電解質を具備する第2の燃料電池スタックとを含んで構成され、前記第1の燃料電池スタックから排出された燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が前記第2の燃料電池スタックに供給される燃料電池システムであって、
前記第1の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口、冷却媒体排出口のそれぞれと、前記第2の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口、酸化剤ガス供給口、冷却媒体供給口のそれぞれとを連通する各配管に、前記第1の燃料電池スタックから排出された燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体を冷却するための第1〜第3の冷却手段が介装され、
前記第1の燃料電池スタックから排出された後、前記第1〜第3の冷却手段のそれぞれによって冷却された前記燃料ガス、前記酸化剤ガス及び前記冷却媒体が、前記第2の燃料電池スタックに供給されるとともに、
前記第2の燃料電池スタックから排出された前記冷却媒体を前記第1の燃料電池スタックに戻す配管をさらに有することを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention provides a first fuel cell stack including an electrolyte exhibiting proton conductivity regardless of whether or not it contains moisture, and proton conductivity as it is wetted. A fuel cell, an oxidant gas, and a cooling medium discharged from the first fuel cell stack are supplied to the second fuel cell stack. A fuel cell system,
Each of a fuel gas discharge port, an oxidant gas discharge port, and a coolant discharge port in the first fuel cell stack, and a fuel gas supply port, an oxidant gas supply port, and a coolant supply port in the second fuel cell stack First to third cooling means for cooling the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium discharged from the first fuel cell stack are interposed in each pipe communicating with each of
After being discharged from the first fuel cell stack, the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium cooled by each of the first to third cooling means are supplied to the second fuel cell stack. As supplied
It further has piping for returning the cooling medium discharged from the second fuel cell stack to the first fuel cell stack.

第1の燃料電池スタックにおける電解質は、湿潤状態であるか乾燥状態であるかに関わらずプロトン伝導性を示す。このため、第1の燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されると電極反応が生起され、その結果、カソード側電極で水分が生成する。この水分は、第1の燃料電池スタックの温度が100℃を上回ると水蒸気となり、電解質を通過してアノード側電極に到達した分は燃料ガスに、カソード側電極に残留した分は酸化剤ガスに、それぞれ同伴されて第1の燃料電池スタックから排出される。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスは、水蒸気を含んだ湿潤ガスとなる。   The electrolyte in the first fuel cell stack exhibits proton conductivity regardless of whether it is wet or dry. For this reason, when fuel gas and oxidant gas are supplied to the first fuel cell stack, an electrode reaction occurs, and as a result, moisture is generated at the cathode side electrode. This moisture becomes water vapor when the temperature of the first fuel cell stack exceeds 100 ° C., the amount of water that has passed through the electrolyte and reached the anode side electrode becomes fuel gas, and the amount that remains on the cathode side electrode becomes oxidant gas. , Respectively, and discharged from the first fuel cell stack. That is, the fuel gas and the oxidant gas become a wet gas containing water vapor.

このようにして湿潤状態となった燃料ガス及び酸化剤ガスは、第1の冷却手段及び第2の冷却手段によって冷却され、これにより相対湿度が上昇する。この状態で第2の燃料電池スタックの内部に導入された燃料ガス及び酸化剤ガスが、第2の燃料電池スタックに含まれるアノード側電極及びカソード側電極の各々に接触することにより、該アノード側電極と該カソード側電極に挟持された電解質に水分が付与される。その結果、該電解質がプロトン伝導性を示すようになる。   The fuel gas and oxidant gas thus wetted are cooled by the first cooling means and the second cooling means, thereby increasing the relative humidity. In this state, the fuel gas and the oxidant gas introduced into the second fuel cell stack come into contact with each of the anode side electrode and the cathode side electrode included in the second fuel cell stack, so that the anode side Moisture is applied to the electrolyte sandwiched between the electrode and the cathode side electrode. As a result, the electrolyte exhibits proton conductivity.

すなわち、本発明によれば、第2の燃料電池スタックに含まれる電解質を、加湿器を付設することなく湿潤状態とし、これにより該電解質にプロトン伝導性を発現させることが可能となる。このように加湿器が不要となるため、燃料電池システムの簡素化・軽量化を図ることができる。   That is, according to the present invention, the electrolyte contained in the second fuel cell stack can be brought into a wet state without attaching a humidifier, thereby allowing the electrolyte to exhibit proton conductivity. Since the humidifier is not necessary in this way, the fuel cell system can be simplified and reduced in weight.

また、プロトン伝導性の発現に水分を必要としない電解質を含む第1の燃料電池スタックの運転温度は、概して、プロトン伝導性の発現に水分を要する電解質を含む第2の燃料電池スタックの運転温度に比して高温である。このため、第1の燃料電池スタックから熱を奪取して排出された冷却媒体の温度は、大気に比して高温となっている。換言すれば、冷却媒体と大気との間の温度差が比較的大きい。   In addition, the operating temperature of the first fuel cell stack including the electrolyte that does not require moisture for the development of proton conductivity is generally the operating temperature of the second fuel cell stack including the electrolyte that requires the water for expression of proton conductivity. It is hotter than For this reason, the temperature of the cooling medium exhausted by taking heat from the first fuel cell stack is higher than that of the atmosphere. In other words, the temperature difference between the cooling medium and the atmosphere is relatively large.

このため、該冷却媒体を冷却する第3の冷却手段における熱交換の効率が大きくなる。このことは、第3の冷却手段として小型のものを採用し得ることを意味する。このことも、燃料電池システムの簡素化・軽量化に寄与する。   For this reason, the efficiency of heat exchange in the third cooling means for cooling the cooling medium is increased. This means that a small size can be adopted as the third cooling means. This also contributes to simplification and weight reduction of the fuel cell system.

第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックは、互いに積層して複合スタックとするようにしてもよい。この場合には、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとの間に仕切り部材を介装し、該仕切り部材に、第1の燃料電池スタックの燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口及び冷却媒体排出口と、第2の燃料電池スタックの燃料ガス供給口、酸化剤ガス供給口、冷却媒体供給口の全てを形成すればよい。そして、前記燃料ガス排出口と前記燃料ガス供給口同士、前記酸化剤ガス排出口と前記酸化剤ガス供給口同士、前記冷却媒体排出口と前記冷却媒体供給口同士を、第1〜第3の冷却手段を介装した配管同士で接続するようにすればよい。   The first fuel cell stack and the second fuel cell stack may be laminated together to form a composite stack. In this case, a partition member is interposed between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack, and the fuel gas exhaust port of the first fuel cell stack, the oxidant gas exhaust are inserted into the partition member. All of the outlet and the cooling medium discharge port, and the fuel gas supply port, the oxidant gas supply port, and the cooling medium supply port of the second fuel cell stack may be formed. The fuel gas discharge port and the fuel gas supply port, the oxidant gas discharge port and the oxidant gas supply port, the cooling medium discharge port and the cooling medium supply port, What is necessary is just to make it connect with piping which interposed the cooling means.

このように第1の燃料電池スタック及び第2の燃料電池スタックを積層して複合スタックとすることにより、これら第1の燃料電池スタック、第2の燃料電池スタックを個別に設置する場合に比して燃料電池システムを設置することが容易となる。   Thus, by stacking the first fuel cell stack and the second fuel cell stack to form a composite stack, the first fuel cell stack and the second fuel cell stack are compared with the case where they are individually installed. This makes it easy to install a fuel cell system.

なお、上記のように複合スタックを構成する場合、第1の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口及び酸化剤ガス供給口のそれぞれと、第2の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口及び酸化剤ガス供給口のそれぞれとを対角線上に位置させ、且つ第1の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口及び酸化剤ガス排出口のそれぞれと、第2の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口及び酸化剤ガス排出口のそれぞれとを対角線上に位置させるようにすると、互いに積層された第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとの間で燃料ガス及び酸化剤ガスを流通させることが容易となる。何故なら、各供給口と各排出口を連通するための配管の接続が極めて容易となるからである。   When the composite stack is configured as described above, the fuel gas supply port and the oxidant gas supply port in the first fuel cell stack and the fuel gas supply port and the oxidant gas supply in the second fuel cell stack, respectively. Each of the ports is located diagonally, and each of the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet in the first fuel cell stack, and the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet in the second fuel cell stack When each of the first and second fuel cell stacks is positioned diagonally, it becomes easy to circulate the fuel gas and the oxidant gas between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack stacked on each other. This is because it is very easy to connect piping for communicating each supply port and each discharge port.

いずれの場合においても、第1の燃料電池スタックの冷却媒体排出口から第3の冷却手段にわたって橋架された配管に三方弁を介装し、該三方弁の出口の1つを、前記冷却媒体を前記第1の燃料電池スタックに戻す前記配管に接続することが好ましい。   In any case, a three-way valve is interposed in a pipe bridged from the cooling medium discharge port of the first fuel cell stack to the third cooling means, and one of the outlets of the three-way valve is connected to the cooling medium. It is preferable to connect to the pipe returning to the first fuel cell stack.

すなわち、前記三方弁は第3の冷却手段の上流側に配置される。従って、この場合、前記三方弁を操作することにより、第1の燃料電池スタックから熱を奪取して高温となった冷却媒体を、第3の冷却手段を経由することなく第1の燃料電池スタックに戻すことが可能となる。   That is, the three-way valve is disposed on the upstream side of the third cooling means. Therefore, in this case, by operating the three-way valve, the cooling medium that has become hot due to the heat taken from the first fuel cell stack is transferred to the first fuel cell stack without going through the third cooling means. It becomes possible to return to.

要するに、この場合、高温の冷却媒体が第1の燃料電池スタックに再供給される。このため、例えば、第1の燃料電池スタックの起動時等で該第1の燃料電池スタックを迅速に昇温させることができるようになる。   In short, in this case, the high-temperature cooling medium is supplied again to the first fuel cell stack. For this reason, for example, the temperature of the first fuel cell stack can be quickly raised at the time of starting the first fuel cell stack.

また、第1の燃料電池スタックの出力を、該第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとの合計出力の1/4〜1/3に設定することが好ましい。なお、これは、燃料電池システムの運転中に第1の燃料電池スタックの出力を常に全出力の1/4〜1/3に制御することを意味するのではなく、第1の燃料電池スタックの理論最高出力を、該第1の燃料電池スタック及び第2の燃料電池スタックの理論最高出力同士の和の1/4〜1/3に設定することを意味する。   Further, the output of the first fuel cell stack is preferably set to ¼ to 〜 of the total output of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. Note that this does not mean that the output of the first fuel cell stack is always controlled to ¼ to 3 of the total output during operation of the fuel cell system. This means that the theoretical maximum output is set to 1/4 to 1/3 of the sum of the theoretical maximum outputs of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack.

第1の燃料電池スタックの出力をこのように設定することにより、例えば、該第1の燃料電池スタックの起動時等において、該第1の燃料電池スタックを効率よく昇温させることができる。   By setting the output of the first fuel cell stack in this way, the temperature of the first fuel cell stack can be raised efficiently, for example, when the first fuel cell stack is started.

しかも、この場合、第1の燃料電池スタックの温度が十分に上昇した後に第2の燃料電池スタックの温度を上昇させる際、第1の燃料電池スタックの温度が過度に上昇することが回避される。換言すれば、第1の燃料電池スタックを、発電(運転)に適切な温度に維持することが容易となる。   Moreover, in this case, when the temperature of the second fuel cell stack is raised after the temperature of the first fuel cell stack has sufficiently increased, it is avoided that the temperature of the first fuel cell stack rises excessively. . In other words, it becomes easy to maintain the first fuel cell stack at a temperature suitable for power generation (operation).

これとは別に、低出力運転時においては、主に第1の燃料電池スタックを運転するようにすればよい。これにより、該第1の燃料電池スタックの温度が過度に低下することが回避される。すなわち、この場合においても、第1の燃料電池スタックを運転に適切な温度に維持することができる。   Apart from this, during the low output operation, the first fuel cell stack may be mainly operated. Thereby, it is avoided that the temperature of the first fuel cell stack is excessively lowered. That is, even in this case, the first fuel cell stack can be maintained at a temperature suitable for operation.

本発明においては、水分を含むか否かに関わらずプロトン伝導性を示す電解質を具備する第1の燃料電池スタックと、湿潤化されることに伴ってプロトン伝導性が発現する電解質を具備する第2の燃料電池スタックとを含んで燃料電池システムを構成するとともに、第1の燃料電池スタックに供給され且つ該第1の燃料電池スタックの電極反応によって湿潤化された状態で排出された燃料ガス及び酸化剤ガスを、相対湿度を上昇させて第2の燃料電池スタックに供給するようにしている。これにより第2の燃料電池スタックに含まれる電解質にプロトン伝導性が発現するので、該第2の燃料電池スタックが発電可能状態となる。   In the present invention, a first fuel cell stack including an electrolyte exhibiting proton conductivity regardless of whether or not it contains moisture, and a first electrolyte including an electrolyte that exhibits proton conductivity when wetted. A fuel cell system comprising two fuel cell stacks, and a fuel gas supplied to the first fuel cell stack and discharged in a wet state by an electrode reaction of the first fuel cell stack, and The oxidant gas is supplied to the second fuel cell stack by increasing the relative humidity. As a result, proton conductivity develops in the electrolyte contained in the second fuel cell stack, so that the second fuel cell stack becomes ready for power generation.

このように、本発明によれば、加湿器を付設することなく第2の燃料電池スタックを発電可能な状態とすることが可能となる。換言すれば、加湿器が不要となる。このため、燃料電池システムの簡素化・軽量化を図ることができる。   Thus, according to the present invention, it is possible to make the second fuel cell stack capable of generating electric power without providing a humidifier. In other words, a humidifier is not necessary. For this reason, the fuel cell system can be simplified and reduced in weight.

また、第1の燃料電池スタックの運転温度が第2の燃料電池スタックの運転温度に比して高温であるため、第1の燃料電池スタックから排出された冷却媒体と大気との間の温度差が比較的大きい。従って、該冷却媒体を冷却する第3の冷却手段における熱交換の効率が大きくなるので、該第3の冷却手段として小型のものを採用し得る。このことも相俟って、燃料電池システムの一層の簡素化・軽量化を図ることができる。   Further, since the operating temperature of the first fuel cell stack is higher than the operating temperature of the second fuel cell stack, the temperature difference between the cooling medium discharged from the first fuel cell stack and the atmosphere. Is relatively large. Accordingly, since the efficiency of heat exchange in the third cooling means for cooling the cooling medium is increased, a small one can be adopted as the third cooling means. In combination with this, the fuel cell system can be further simplified and reduced in weight.

本実施の形態に係る燃料電池システムの概略全体構成図である。1 is a schematic overall configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment. 前記燃料電池システムに含まれる第1燃料電池スタックを構成する第1単位セルの分解斜視図である。2 is an exploded perspective view of a first unit cell constituting a first fuel cell stack included in the fuel cell system. FIG. 第1単位セルに含まれるセパレータの、隣接する第1単位セルに含まれ且つ別種のセパレータに臨む側の端面を示す全体正面図である。It is a whole front view which shows the end surface of the side contained in the adjacent 1st unit cell of the separator contained in a 1st unit cell, and facing a different kind of separator. 前記セパレータのカソード側電極に臨む側の端面を示す全体正面図である。It is a whole front view which shows the end surface of the side which faces the cathode side electrode of the said separator. 前記別種のセパレータのアノード側電極に臨む側の端面を示す全体正面図である。It is a whole front view which shows the end surface of the side facing the anode side electrode of the said another kind of separator. 前記別種のセパレータの、隣接する第1単位セルに含まれる前記セパレータに臨む側の端面を示す全体正面図である。It is a whole front view which shows the end surface at the side which faces the said separator contained in the adjacent 1st unit cell of the said another kind of separator. 第1燃料電池スタックと第2燃料電池スタックの間に介装されるミドルプレート(仕切り部材)の概略全体斜視図である。It is a schematic whole perspective view of the middle plate (partition member) interposed between the 1st fuel cell stack and the 2nd fuel cell stack. 前記ミドルプレートの別角度からの概略全体斜視図である。It is a schematic whole perspective view from another angle of the middle plate. 前記燃料電池システムに含まれる第2燃料電池スタックを構成する第2単位セルの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the 2nd unit cell which comprises the 2nd fuel cell stack contained in the fuel cell system. 前記燃料電池システムの第2燃料電池スタック側の全体正面図である。It is a whole front view by the side of the 2nd fuel cell stack of the fuel cell system. 前記燃料電池システムの電気系統の概略全体システム図である。FIG. 2 is a schematic overall system diagram of an electric system of the fuel cell system.

以下、本発明に係る燃料電池システムにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。   Preferred embodiments of the fuel cell system according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略全体構成図である。この燃料電池システム10は、第1燃料電池スタック12と第2燃料電池スタック14が矢印X方向に積層されて構成される複合スタック15を含む。なお、第1燃料電池スタック12と第2燃料電池スタック14との間には、仕切り部材としてのミドルプレート16が介装されている。   FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment. The fuel cell system 10 includes a composite stack 15 configured by stacking a first fuel cell stack 12 and a second fuel cell stack 14 in the arrow X direction. A middle plate 16 as a partition member is interposed between the first fuel cell stack 12 and the second fuel cell stack 14.

先ず、第1燃料電池スタック12につき説明する。   First, the first fuel cell stack 12 will be described.

図2は、第1燃料電池スタック12を構成する第1単位セル20の分解斜視図である。この第1単位セル20は、第1電解質(図示せず)をアノード側電極22とカソード側電極24で挟持して形成される第1電解質・電極接合体26を1組のセパレータ28、30の間に介装することで構成される。なお、参照符号32は、第1電解質・電極接合体26を支持するガスケットである。   FIG. 2 is an exploded perspective view of the first unit cell 20 constituting the first fuel cell stack 12. The first unit cell 20 includes a first electrolyte / electrode assembly 26 formed by sandwiching a first electrolyte (not shown) between an anode side electrode 22 and a cathode side electrode 24, and a pair of separators 28, 30. It is configured by interposing between them. Reference numeral 32 is a gasket that supports the first electrolyte-electrode assembly 26.

第1燃料電池スタック12は、このように構成される第1単位セル20同士が所定の個数だけ積層されることによって形成される。すなわち、任意の第1単位セル20におけるセパレータ30に対しては、隣接する第1単位セル20におけるセパレータ28が重畳される。   The first fuel cell stack 12 is formed by stacking a predetermined number of the first unit cells 20 configured as described above. That is, the separator 28 in the adjacent first unit cell 20 is superimposed on the separator 30 in the arbitrary first unit cell 20.

セパレータ28、ガスケット32、セパレータ30における図2中の下方左側には、酸素を含む酸化剤ガスをカソード側電極24に供給するための酸化剤ガス供給孔34、36、38が互いに連通して形成され、下方右側には、水素を含む燃料ガスをアノード側電極22に供給するための燃料ガス供給孔40、42、44が互いに連通して形成される。その一方で、上方左側には、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出孔46、48、50が互いに連通して形成され、上方右側には、前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出孔52、54、56が互いに連通して形成される。すなわち、燃料ガス供給孔40、42、44と燃料ガス排出孔46、48、50は互いに対角線上に配置され、同様に、酸化剤ガス供給孔34、36、38と酸化剤ガス排出孔52、54、56も互いに対角線上に配置される。なお、各孔の連通方向は矢印X方向である。   On the lower left side of the separator 28, the gasket 32, and the separator 30 in FIG. 2, oxidant gas supply holes 34, 36, 38 for supplying an oxidant gas containing oxygen to the cathode side electrode 24 are formed in communication with each other. On the lower right side, fuel gas supply holes 40, 42, 44 for supplying a fuel gas containing hydrogen to the anode side electrode 22 are formed in communication with each other. On the other hand, on the upper left side, fuel gas discharge holes 46, 48, 50 for discharging the fuel gas are formed in communication with each other, and on the upper right side, an oxidant for discharging the oxidant gas. Gas discharge holes 52, 54, and 56 are formed in communication with each other. That is, the fuel gas supply holes 40, 42, 44 and the fuel gas discharge holes 46, 48, 50 are disposed diagonally to each other. Similarly, the oxidant gas supply holes 34, 36, 38 and the oxidant gas discharge holes 52, 54 and 56 are also arranged diagonally to each other. The communication direction of each hole is the arrow X direction.

また、酸化剤ガス供給孔34、36、38と燃料ガス排出孔46、48、50との間、燃料ガス供給孔40、42、44と酸化剤ガス排出孔52、54、56との間には、それぞれ、冷却媒体排出孔58、60、62、冷却媒体供給孔64、66、68が形成される。すなわち、冷却媒体供給孔64、66、68と冷却媒体排出孔58、60、62は、互いに対向するように設けられる。   Further, between the oxidant gas supply holes 34, 36, 38 and the fuel gas discharge holes 46, 48, 50, and between the fuel gas supply holes 40, 42, 44 and the oxidant gas discharge holes 52, 54, 56. Are formed with cooling medium discharge holes 58, 60, 62 and cooling medium supply holes 64, 66, 68, respectively. That is, the cooling medium supply holes 64, 66, 68 and the cooling medium discharge holes 58, 60, 62 are provided so as to face each other.

セパレータ28において、隣接する第1単位セル20のセパレータ30に臨む側の端面には、図2及び図3に示すように、冷却媒体(図面においては冷媒と略記している)が流通する冷却媒体通路70が溝形状として刻設されている。冷却媒体は、この冷却媒体通路70を経由することによってのみ、冷却媒体供給孔64から冷却媒体排出孔58に向かって流通する。   As shown in FIGS. 2 and 3, the cooling medium (abbreviated as “refrigerant” in the drawings) flows through the separator 28 on the end face of the adjacent first unit cell 20 facing the separator 30. The passage 70 is engraved as a groove shape. The cooling medium flows from the cooling medium supply hole 64 toward the cooling medium discharge hole 58 only through the cooling medium passage 70.

また、セパレータ28におけるカソード側電極24に臨む側の端面には、図4に示すように、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路72が設けられる。酸化剤ガスは、この酸化剤ガス通路72を介してのみ、酸化剤ガス供給孔34から酸化剤ガス排出孔52に向かって流通する。   Further, as shown in FIG. 4, an oxidant gas passage 72 through which the oxidant gas flows is provided on the end face of the separator 28 facing the cathode side electrode 24. The oxidant gas flows from the oxidant gas supply hole 34 toward the oxidant gas discharge hole 52 only through the oxidant gas passage 72.

一方、セパレータ30におけるアノード側電極22に臨む側の端面には、図2及び図5に示すように、燃料ガス供給孔44から燃料ガス排出孔50に向かって燃料ガスを流通させるための燃料ガス通路74が設けられる。燃料ガスは、この燃料ガス通路74を介してのみ、燃料ガス供給孔44から燃料ガス排出孔50側に向かう。   On the other hand, on the end surface facing the anode side electrode 22 in the separator 30, as shown in FIGS. 2 and 5, the fuel gas for flowing the fuel gas from the fuel gas supply hole 44 toward the fuel gas discharge hole 50. A passage 74 is provided. The fuel gas flows from the fuel gas supply hole 44 toward the fuel gas discharge hole 50 only through the fuel gas passage 74.

セパレータ30において、隣接する第1単位セル20のセパレータ28に臨む側の端面は、図6に示すように、平坦面である。この平坦面がセパレータ30の前記冷却媒体通路70(図2及び図3参照)を覆うことにより、該冷却媒体通路70に蓋がなされた状態となる。   In the separator 30, the end surface of the adjacent first unit cell 20 facing the separator 28 is a flat surface as shown in FIG. The flat surface covers the cooling medium passage 70 (see FIGS. 2 and 3) of the separator 30, so that the cooling medium passage 70 is covered.

以上のセパレータ28、30間に介装される第1電解質・電極接合体26を構成する第1電解質は、該第1電解質が湿潤状態であるか乾燥状態であるかに関わらず、略同等のプロトン伝導度を示す。すなわち、第1電解質のプロトン伝導度は、水分量に影響されない。   The first electrolyte constituting the first electrolyte / electrode assembly 26 interposed between the separators 28 and 30 is substantially the same regardless of whether the first electrolyte is wet or dry. Proton conductivity is shown. That is, the proton conductivity of the first electrolyte is not affected by the amount of water.

このような第1電解質は、例えば、硫酸やリン酸等の無機酸や、有機酸を含浸させた多孔質体で形成することができる。又は、ポリベンゾイミダゾール(PBI)等の有機高分子にドープを行ったもので第1電解質を構成するようにしてもよい。   Such a first electrolyte can be formed of, for example, a porous body impregnated with an inorganic acid such as sulfuric acid or phosphoric acid, or an organic acid. Alternatively, the first electrolyte may be configured by doping an organic polymer such as polybenzimidazole (PBI).

第1電解質の材質の別の好適な例としては、CsHSO4、Sn0.95Al0.0527等の酸の塩、酸塩ガラス、又は、下記の式に示される構造を有するイオン性液体を多孔質材に含浸させたものを挙げることができる。

Figure 0005341624
As another preferred example of the material of the first electrolyte, an acid salt such as CsHSO 4 , Sn 0.95 Al 0.05 P 2 O 7, an acid salt glass, or an ionic liquid having a structure represented by the following formula: The thing which impregnated the porous material can be mentioned.
Figure 0005341624

さらに、第1電解質は、ペロブスカイト類等のイオン伝導性セラミックスであってもよい。   Further, the first electrolyte may be an ion conductive ceramic such as perovskite.

この種の材質からなる第1電解質は、概ね100℃を超える温度で、水分量の多少に関わらず、良好なプロトン伝導性を示す。   The first electrolyte made of this kind of material exhibits good proton conductivity at a temperature generally exceeding 100 ° C., regardless of the amount of water.

第1電解質を挟持するカソード側電極24及びアノード側電極22はともに、酸化剤ガス又は燃料ガスが拡散するガス拡散層と、電極反応が起こる電極触媒層(ともに図示せず)とを有し、この中の電極触媒層が第1電解質側に臨む。この種のカソード側電極24及びアノード側電極22の構造は公知であり、従って、詳細な説明は省略する。   Both the cathode side electrode 24 and the anode side electrode 22 sandwiching the first electrolyte have a gas diffusion layer in which the oxidant gas or the fuel gas diffuses, and an electrode catalyst layer (both not shown) in which an electrode reaction occurs, The electrode catalyst layer therein faces the first electrolyte side. The structures of the cathode side electrode 24 and the anode side electrode 22 of this type are known, and thus detailed description thereof is omitted.

第1燃料電池スタック12を得るには、上記したように構成される第1単位セル20を複数個積層し、その両端に、タブ部(図1参照)76を有する図示しない集電プレート、タブ部78を有する図示しない集電プレートを配設する。さらに、該集電プレートの外方に、絶縁板をそれぞれ介してエンドプレート80、ミドルプレート16を配設する。   In order to obtain the first fuel cell stack 12, a plurality of first unit cells 20 configured as described above are stacked, and current collector plates and tabs (not shown) having tab portions (see FIG. 1) 76 at both ends thereof are provided. A current collecting plate (not shown) having a portion 78 is provided. Further, an end plate 80 and a middle plate 16 are disposed outside the current collecting plate through insulating plates, respectively.

エンドプレート80には、酸化剤ガス供給孔34、36、38に連通する酸化剤ガス供給口82、燃料ガス供給孔40、42、44に連通する燃料ガス供給口84、冷却媒体供給孔64、66、68に連通する冷却媒体供給口86がそれぞれ形成された供給用中空管88、90、92が設けられる。   The end plate 80 includes an oxidant gas supply port 82 communicating with the oxidant gas supply holes 34, 36, 38, a fuel gas supply port 84 communicating with the fuel gas supply holes 40, 42, 44, a cooling medium supply hole 64, Supply hollow tubes 88, 90, 92 having cooling medium supply ports 86 communicating with 66, 68 are provided.

一方のミドルプレート16は、図7及び図8に示すように、略直方体形状をなす。なお、図7及び図8における端面16aが第1燃料電池スタック12側に臨み、端面16bが第2燃料電池スタック14側に臨む。   One middle plate 16 has a substantially rectangular parallelepiped shape as shown in FIGS. 7 and 8. 7 and 8, the end face 16a faces the first fuel cell stack 12 side, and the end face 16b faces the second fuel cell stack 14 side.

ミドルプレート16の端面16aにおいて、図7及び図8の下方左側には、酸化剤ガス供給孔34、36、38に連通する第1酸化剤ガス受部94が形成されるとともに、下方右側に、燃料ガス供給孔40、42、44に連通する第1燃料ガス受部96が形成される。さらに、上方左側に、燃料ガス排出孔46、48、50に連通する燃料ガス一括排出口98が形成され、上方右側に、酸化剤ガス排出孔52、54、56に連通する酸化剤ガス一括排出口100が形成される。   In the end face 16a of the middle plate 16, a first oxidant gas receiving portion 94 communicating with the oxidant gas supply holes 34, 36, 38 is formed on the lower left side of FIGS. 7 and 8, and on the lower right side, A first fuel gas receiving portion 96 communicating with the fuel gas supply holes 40, 42, 44 is formed. Further, a fuel gas collective exhaust port 98 communicating with the fuel gas exhaust holes 46, 48, 50 is formed on the upper left side, and an oxidant gas collective exhaust communicating with the oxidant gas exhaust holes 52, 54, 56 is formed on the upper right side. An outlet 100 is formed.

また、第1酸化剤ガス受部94と燃料ガス一括排出口98との間には、冷却媒体排出孔58、60、62に連通する冷却媒体一括排出口102が形成されるとともに、第1燃料ガス受部96と酸化剤ガス一括排出口100との間に、第1冷却媒体受部104が形成される。   Further, a cooling medium collective discharge port 102 communicating with the cooling medium discharge holes 58, 60, 62 is formed between the first oxidant gas receiving portion 94 and the fuel gas collective discharge port 98, and the first fuel. A first cooling medium receiving unit 104 is formed between the gas receiving unit 96 and the oxidant gas collective discharge port 100.

一方、ミドルプレート16の端面16bには、第1酸化剤ガス受部94、第1燃料ガス受部96、燃料ガス一括排出口98、酸化剤ガス一括排出口100の各々の裏面となる位置に、第2酸化剤ガス受部106、第2燃料ガス受部108、燃料ガス一括供給口110、酸化剤ガス一括供給口112が設けられる。さらに、冷却媒体一括排出口102、第1冷却媒体受部104の各々の裏面となる位置に、冷却媒体一括供給口114、第2冷却媒体受部116が設けられる。   On the other hand, the end surface 16b of the middle plate 16 is positioned at the back surface of each of the first oxidant gas receiving portion 94, the first fuel gas receiving portion 96, the fuel gas collective discharge port 98, and the oxidant gas collective exhaust port 100. The second oxidant gas receiving unit 106, the second fuel gas receiving unit 108, the fuel gas collective supply port 110, and the oxidant gas collective supply port 112 are provided. Further, a cooling medium batch supply port 114 and a second cooling medium receiving portion 116 are provided at positions on the back surfaces of the cooling medium batch discharge port 102 and the first cooling medium receiving portion 104.

図7及び図8から諒解されるように、第1酸化剤ガス受部94と第2酸化剤ガス受部106、第1燃料ガス受部96と第2燃料ガス受部108は互いに離隔されている。同様に、燃料ガス一括供給口110と燃料ガス一括排出口98同士、酸化剤ガス一括供給口112と酸化剤ガス一括排出口100同士、冷却媒体一括排出口102と冷却媒体一括供給口114同士も互いに離隔されている。   As can be understood from FIGS. 7 and 8, the first oxidant gas receiver 94 and the second oxidant gas receiver 106, and the first fuel gas receiver 96 and the second fuel gas receiver 108 are separated from each other. Yes. Similarly, the fuel gas collective supply port 110 and the fuel gas collective discharge port 98, the oxidant gas collective supply port 112 and the oxidant gas collective exhaust port 100, the cooling medium collective discharge port 102, and the cooling medium collective supply port 114 are also connected. Are separated from each other.

ミドルプレート16の一側面16cには、その内部が冷却媒体一括排出口102に連通する中空な継手用管120と、その内部が冷却媒体一括供給口114に連通する中空な継手用管122とが取り付けられる。また、この側面16cには、各々の内部が燃料ガス一括排出口98、燃料ガス一括供給口110に連通する継手用管124、126が、前記継手用管120、122の上方にそれぞれ設けられる。   On one side surface 16 c of the middle plate 16, there are a hollow joint pipe 120 whose inside communicates with the cooling medium batch discharge port 102 and a hollow joint pipe 122 whose inside communicates with the cooling medium batch supply port 114. It is attached. In addition, on the side surface 16c, joint pipes 124 and 126, each of which communicates with the fuel gas collective discharge port 98 and the fuel gas collective supply port 110, are provided above the joint pipes 120 and 122, respectively.

同様に、ミドルプレート16の一側面16dには、各々の内部が酸化剤ガス一括排出口100、酸化剤ガス一括供給口112に連通する中空な継手用管128、130が取り付けられる。後述するように、継手用管120、122同士、継手用管124、126同士、継手用管128、130同士は配管132、134、136を介して連結され、これにより、冷却媒体一括排出口102と冷却媒体一括供給口114同士、燃料ガス一括排出口98と燃料ガス一括供給口110同士、酸化剤ガス一括排出口100と酸化剤ガス一括供給口112同士が連通する(図1参照)。   Similarly, hollow joint pipes 128 and 130 are attached to one side surface 16 d of the middle plate 16, each of which communicates with the oxidant gas collective discharge port 100 and the oxidant gas collective supply port 112. As will be described later, the joint pipes 120 and 122, the joint pipes 124 and 126, and the joint pipes 128 and 130 are connected to each other through pipes 132, 134, and 136. The coolant gas batch supply ports 114 communicate with each other, the fuel gas collective discharge ports 98 and the fuel gas collective supply ports 110 communicate with each other, and the oxidant gas collective discharge ports 100 and the oxidant gas collective supply ports 112 communicate with each other (see FIG. 1).

第2燃料電池スタック14は、このように構成されたミドルプレート16の端面16b側(図7及び図8参照)に対し、図示しない絶縁板、タブ部138(図1参照)を有する図示しない集電プレートを介して配設される。   The second fuel cell stack 14 has an insulating plate (not shown) and a tab portion 138 (see FIG. 1) (not shown) on the end surface 16b side (see FIGS. 7 and 8) of the middle plate 16 configured as described above. It is arranged via an electric plate.

ここで、第2燃料電池スタック14を構成する第2単位セル140の分解斜視図を図9に示す。なお、第1単位セル20を構成する構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。   Here, an exploded perspective view of the second unit cell 140 constituting the second fuel cell stack 14 is shown in FIG. The same constituent elements as those constituting the first unit cell 20 are denoted by the same reference numerals.

図9から諒解されるように、第2単位セル140は、第1電解質に代替して第2電解質(図示せず)を採用した第2電解質・電極接合体142が1組のセパレータ144、146間に介装されることを除き、第1単位セル20に準拠して構成される。   As can be understood from FIG. 9, the second unit cell 140 has a second electrolyte / electrode assembly 142 that employs a second electrolyte (not shown) instead of the first electrolyte as a set of separators 144, 146. It is configured in accordance with the first unit cell 20 except that it is interposed in between.

第2電解質・電極接合体142を構成する第2電解質としては、湿潤状態にあるときに高プロトン伝導度を示す物質が選定される。この種の物質の好適な例としては、パーフルオロスルホン酸系高分子(例えば、米国デュポン社製のナフィオン)や、スルホン化した芳香族炭化水素系高分子(例えば、スルホン酸化ポリエーテルサルフォン、スルホン酸化ポリエーテルエーテルケトン等)を挙げることができる。   As the second electrolyte constituting the second electrolyte / electrode assembly 142, a substance that exhibits high proton conductivity when in a wet state is selected. Suitable examples of this type of material include perfluorosulfonic acid polymers (for example, Nafion manufactured by DuPont, USA), sulfonated aromatic hydrocarbon polymers (for example, sulfonated polyethersulfone, And sulfonated polyetheretherketone).

このような物質からなる第2電解質は、湿潤状態にあるとき、100℃以下の比較的低温域で0.1S/cm程度の高プロトン伝導度を示す。   When the second electrolyte made of such a substance is in a wet state, it exhibits a high proton conductivity of about 0.1 S / cm at a relatively low temperature range of 100 ° C. or lower.

第2電解質には、吸湿性や水分保持性を向上させるための添加剤を添加するようにしてもよい。このような添加剤の好適な例としては、TiO2やシリカ等の金属酸化物の粒子が挙げられる。また、例えば、シリカには強酸基が付加していてもよい。 You may make it add the additive for improving a hygroscopic property and a water | moisture retention to a 2nd electrolyte. Preferable examples of such additives include particles of metal oxides such as TiO 2 and silica. Further, for example, a strong acid group may be added to silica.

セパレータ144、146及びガスケット148の構成は、第1単位セル20におけるセパレータ28、30及びガスケット32の各々と同一であるが、各供給孔及び各排出孔の位置が異なる。すなわち、第2単位セル140では、セパレータ144、ガスケット148、セパレータ146における下方左側に酸化剤ガス排出孔150、152、154が互いに連通して形成され、下方右側に燃料ガス排出孔156、158、160が互いに連通して形成される。また、上方左側に燃料ガス供給孔162、164、166が互いに連通して形成され、上方右側に酸化剤ガス供給孔168、170、172が互いに連通して形成される。さらに、酸化剤ガス排出孔150、152、154と燃料ガス供給孔162、164、166との間、燃料ガス排出孔156、158、160と酸化剤ガス供給孔168、170、172との間には、それぞれ、冷却媒体供給孔174、176、178、冷却媒体排出孔180、182、184が形成される。   The configurations of the separators 144 and 146 and the gasket 148 are the same as those of the separators 28 and 30 and the gasket 32 in the first unit cell 20, but the positions of the supply holes and the discharge holes are different. That is, in the second unit cell 140, the oxidant gas discharge holes 150, 152, 154 are formed to communicate with each other on the lower left side of the separator 144, the gasket 148, and the separator 146, and the fuel gas discharge holes 156, 158, 160 are formed in communication with each other. Further, fuel gas supply holes 162, 164, 166 are formed in communication with each other on the upper left side, and oxidant gas supply holes 168, 170, 172 are formed in communication with each other on the upper right side. Further, between the oxidant gas discharge holes 150, 152, 154 and the fuel gas supply holes 162, 164, 166, and between the fuel gas discharge holes 156, 158, 160 and the oxidant gas supply holes 168, 170, 172. Are formed with cooling medium supply holes 174, 176, 178 and cooling medium discharge holes 180, 182, 184, respectively.

勿論、酸化剤ガス供給孔168、170、172はミドルプレート16の酸化剤ガス一括供給口112(図8及び図9参照)に連通し、燃料ガス供給孔162、164、166はミドルプレート16の燃料ガス一括供給口110に連通する。同様に、冷却媒体供給孔174、176、178はミドルプレート16の冷却媒体一括供給口114に連通する。すなわち、ミドルプレート16の酸化剤ガス一括供給口112、燃料ガス一括供給口110及び冷却媒体一括供給口114は、第2燃料電池スタック14における酸化剤ガス供給口、燃料ガス供給口及び冷却媒体供給口として機能する。   Of course, the oxidant gas supply holes 168, 170, 172 communicate with the oxidant gas collective supply port 112 (see FIGS. 8 and 9) of the middle plate 16, and the fuel gas supply holes 162, 164, 166 are of the middle plate 16. The fuel gas collective supply port 110 communicates. Similarly, the cooling medium supply holes 174, 176 and 178 communicate with the cooling medium batch supply port 114 of the middle plate 16. That is, the oxidant gas collective supply port 112, the fuel gas collective supply port 110, and the coolant supply batch supply port 114 of the middle plate 16 are the oxidant gas supply port, fuel gas supply port, and coolant supply in the second fuel cell stack 14. Acts as a mouth.

なお、ミドルプレート16の端面16bに設けられた第2酸化剤ガス受部106、第2燃料ガス受部108及び第2冷却媒体受部116は、それぞれ、酸化剤ガス排出孔150、152、154、燃料ガス排出孔156、158、160、冷却媒体排出孔180、182、184に連通する。   The second oxidant gas receiver 106, the second fuel gas receiver 108, and the second cooling medium receiver 116 provided on the end surface 16b of the middle plate 16 are respectively provided with the oxidant gas discharge holes 150, 152, and 154. The fuel gas discharge holes 156, 158, 160 and the coolant discharge holes 180, 182, 184 communicate with each other.

第2燃料電池スタック14は、このように構成された第2単位セル140を所定の個数だけ積層し、その終端部に、タブ部186を有する図示しない集電プレート、及び絶縁板を介してエンドプレート188を配設して構成される。なお、第1単位セル20及び第2単位セル140の個数は、第1燃料電池スタック12の出力が、該第1燃料電池スタック12と第2燃料電池スタック14との合計出力の1/4〜1/3となるように設定することが好ましい。   The second fuel cell stack 14 is formed by stacking a predetermined number of the second unit cells 140 configured in this manner, and ends with a current collector plate (not shown) having a tab portion 186 and an insulating plate at the end portion thereof. A plate 188 is arranged. The number of the first unit cells 20 and the second unit cells 140 is such that the output of the first fuel cell stack 12 is ¼ to the total output of the first fuel cell stack 12 and the second fuel cell stack 14. It is preferable to set to 1/3.

図10に示すように、エンドプレート188には、酸化剤ガス排出孔150、152、154に連通する酸化剤ガス排出口190、燃料ガス排出孔156、158、160に連通する燃料ガス排出口192、冷却媒体排出孔180、182、184に連通する冷却媒体排出口194が形成された排出用中空管196、198、200が設けられる。   As shown in FIG. 10, the end plate 188 has an oxidant gas discharge port 190 communicating with the oxidant gas discharge holes 150, 152, 154, and a fuel gas discharge port 192 communicated with the fuel gas discharge holes 156, 158, 160. Discharge hollow tubes 196, 198, and 200 having cooling medium discharge ports 194 communicating with the cooling medium discharge holes 180, 182, and 184 are provided.

そして、エンドプレート80の外方にバックプレート202が配設される(図1参照)とともに、エンドプレート188の外方にバックプレート204が配設される(図10参照)。バックプレート202には2箇所の貫通孔及び2箇所の逃げ部205a、205bが2箇所ずつ形成され、バックプレート204にも同様に、2箇所の貫通孔及び2箇所の逃げ部206a、206bが形成される。供給用中空管88、90及び排出用中空管196、198は前記貫通孔に通されるとともに、供給用中空管92及び排出用中空管200は、前記逃げ部205b又は前記逃げ部206aによってバックプレート202、204に干渉することが回避されている。   A back plate 202 is disposed outside the end plate 80 (see FIG. 1), and a back plate 204 is disposed outside the end plate 188 (see FIG. 10). The back plate 202 is formed with two through holes and two escape portions 205a and 205b, and the back plate 204 is also formed with two through holes and two escape portions 206a and 206b. Is done. The supply hollow tubes 88 and 90 and the discharge hollow tubes 196 and 198 are passed through the through holes, and the supply hollow tube 92 and the discharge hollow tube 200 are connected to the escape portion 205b or the escape portion. Interference with the back plates 202 and 204 is avoided by 206a.

図1及び図10に示されるように、バックプレート202、204の四方の各隅部近傍には、ねじ用挿入孔207a〜207d、207e〜207hが貫通形成される。ねじ用挿入孔207a〜207d、207e〜207hの各々に挿入されたタイロッド208a〜208dのねじ部に図示しないナットが螺合されることにより、バックプレート202、204間に介装されたエンドプレート80、絶縁板、集電プレート、第1燃料電池スタック12、絶縁板、ミドルプレート16、絶縁板、集電プレート、第2燃料電池スタック14、絶縁板、集電プレート及びエンドプレート188が緊締される。   As shown in FIGS. 1 and 10, screw insertion holes 207 a to 207 d and 207 e to 207 h are formed through the vicinity of the four corners of the back plates 202 and 204. An end plate 80 interposed between the back plates 202 and 204 is formed by screwing nuts (not shown) into the thread portions of the tie rods 208a to 208d inserted into the screw insertion holes 207a to 207d and 207e to 207h. , Insulating plate, current collecting plate, first fuel cell stack 12, insulating plate, middle plate 16, insulating plate, current collecting plate, second fuel cell stack 14, insulating plate, current collecting plate and end plate 188 are tightened .

以上の構成において、図1に示すように、継手用管120、122には配管132が橋架され、継手用管124、126には配管134が橋架される。また、継手用管128、130には配管136が橋架される。そして、これら配管132、134、136には、冷却手段としてのラジエータ210、第1インタクーラ212、第2インタクーラ214がそれぞれ介装される。   In the above configuration, as shown in FIG. 1, a pipe 132 is bridged on the joint pipes 120 and 122, and a pipe 134 is bridged on the joint pipes 124 and 126. A pipe 136 is bridged between the joint pipes 128 and 130. A radiator 210, a first intercooler 212, and a second intercooler 214 as cooling means are interposed in the pipes 132, 134, and 136, respectively.

さらに、エンドプレート188の排出用中空管200からエンドプレート80の供給用中空管92には、配管216が橋架される。この配管216には、該配管216から分岐するように分岐管218が連結されており、該分岐管218は、配管136におけるラジエータ210の上流側に三方弁220を介して連結されている。   Further, a pipe 216 is bridged from the discharge hollow tube 200 of the end plate 188 to the supply hollow tube 92 of the end plate 80. A branch pipe 218 is connected to the pipe 216 so as to branch from the pipe 216, and the branch pipe 218 is connected to the upstream side of the radiator 210 in the pipe 136 via a three-way valve 220.

勿論、酸化剤ガス供給口82が形成された供給用中空管88には図示しない酸化剤ガス供給源(例えば、エアコンプレッサ)が接続される。同様に、燃料ガス供給口84が形成された供給用中空管90には図示しない燃料ガス供給源(例えば、水素ボンベ)が接続される。   Of course, an oxidant gas supply source (for example, an air compressor) (not shown) is connected to the supply hollow tube 88 in which the oxidant gas supply port 82 is formed. Similarly, a fuel gas supply source (for example, a hydrogen cylinder) (not shown) is connected to the supply hollow tube 90 in which the fuel gas supply port 84 is formed.

図11に、燃料電池システム10の電気系統を概略的に示す。タブ部76、138はモータ222(外部負荷)の入力側に電気的に接続され、一方、タブ部78、186はモータ222の出力側に電気的に接続されている。さらに、モータ222の出力側とタブ部78、186を接続する信号線の間には、スイッチ224、226がそれぞれ介装される。勿論、これらスイッチ224、226は、個別にオン状態又はオフ状態に設定することが可能である。   FIG. 11 schematically shows an electric system of the fuel cell system 10. The tab portions 76 and 138 are electrically connected to the input side of the motor 222 (external load), while the tab portions 78 and 186 are electrically connected to the output side of the motor 222. Further, switches 224 and 226 are interposed between the output side of the motor 222 and the signal lines connecting the tab portions 78 and 186, respectively. Of course, these switches 224 and 226 can be individually set to an on state or an off state.

本実施の形態に係る燃料電池システム10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。   The fuel cell system 10 according to the present embodiment is basically configured as described above. Next, the function and effect will be described.

この燃料電池システム10を運転するに際しては、先ず、冷却媒体一括排出口102から冷却媒体供給口86にのみ、すなわち、第1燃料電池スタック12の内部にのみ冷却媒体が流通するように三方弁220(図1参照)を設定する。なお、冷却媒体としては、冷却水や冷却油等を選定すればよい。   When operating the fuel cell system 10, first, the three-way valve 220 is arranged so that the cooling medium flows only from the cooling medium batch discharge port 102 to only the cooling medium supply port 86, that is, only inside the first fuel cell stack 12. (See FIG. 1) is set. In addition, what is necessary is just to select cooling water, cooling oil, etc. as a cooling medium.

この状態で、前記酸化剤ガス供給源から酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料ガス供給源から燃料ガスを供給する。この中、燃料ガスの一部は、第1燃料電池スタック12(第1単位セル20)の燃料ガス供給孔40、42を流通し、図2及び図5に示されるセパレータ30の燃料ガス供給孔44を経由した後、燃料ガス通路74を流通する。この流通の過程で、燃料ガスに含まれる水素が第1電解質・電極接合体26のアノード側電極22に接触する。燃料ガスは、該アノード側電極22のガス拡散層を拡散して電極触媒層に達する。   In this state, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply source and the fuel gas is supplied from the fuel gas supply source. Among them, part of the fuel gas flows through the fuel gas supply holes 40 and 42 of the first fuel cell stack 12 (first unit cell 20), and the fuel gas supply holes of the separator 30 shown in FIGS. After passing through 44, the fuel gas passage 74 is circulated. In the course of this distribution, hydrogen contained in the fuel gas comes into contact with the anode-side electrode 22 of the first electrolyte / electrode assembly 26. The fuel gas diffuses through the gas diffusion layer of the anode side electrode 22 and reaches the electrode catalyst layer.

水素は、電極触媒層でプロトンと電子に分離する。ここで、第1電解質は、湿潤化されているか否か(水分が存在するか否か)に関わらずプロトン伝導性を示す物質からなる。このため、例えば、0℃を下回る環境温度で第1燃料電池スタック12を起動させた場合であっても、プロトンは、第1電解質内を伝導してカソード側電極24の電極触媒層に到達する。また、電子は、モータ222(図11参照)を経由した後、カソード側電極24の電極触媒層に到達する。   Hydrogen is separated into protons and electrons in the electrode catalyst layer. Here, the first electrolyte is made of a substance that exhibits proton conductivity regardless of whether or not it is wetted (whether or not moisture is present). For this reason, for example, even when the first fuel cell stack 12 is activated at an environmental temperature lower than 0 ° C., protons conduct through the first electrolyte and reach the electrode catalyst layer of the cathode-side electrode 24. . Further, the electrons reach the electrode catalyst layer of the cathode side electrode 24 after passing through the motor 222 (see FIG. 11).

反応に関与しなかった余剰の燃料ガスは、燃料ガス排出孔50に到達する。そして、第1単位セル20に導入されなかった余剰の燃料ガスと合流し、隣接する第1単位セル20の燃料ガス排出孔46、48、50を矢印X方向に沿って流通する。最終的に、反応済及び未反応の燃料ガスは、ミドルプレート16の燃料ガス一括排出口98に到達する。   Excess fuel gas not involved in the reaction reaches the fuel gas discharge hole 50. Then, the surplus fuel gas that has not been introduced into the first unit cell 20 merges and flows through the fuel gas discharge holes 46, 48, 50 of the adjacent first unit cell 20 along the arrow X direction. Finally, the reacted and unreacted fuel gas reaches the fuel gas collective discharge port 98 of the middle plate 16.

一方、酸化剤ガスの一部は、図2及び図4に示されるセパレータ28の酸化剤ガス供給孔34から酸化剤ガス通路72に導入される。そして、該セパレータ28の酸化剤ガス通路72を流通する際、カソード側電極24に接触する。酸化剤ガスは、カソード側電極24のガス拡散層を拡散して電極触媒層に達する。   On the other hand, a part of the oxidant gas is introduced into the oxidant gas passage 72 from the oxidant gas supply hole 34 of the separator 28 shown in FIGS. Then, when flowing through the oxidant gas passage 72 of the separator 28, it contacts the cathode side electrode 24. The oxidant gas diffuses through the gas diffusion layer of the cathode side electrode 24 and reaches the electrode catalyst layer.

上記したように、カソード側電極24の電極触媒層には、第1電解質を伝導して到達したプロトン、及び外部回路を経由して到達した電子が存在する。これらプロトン及び電子が酸化剤ガスに含まれる酸素と反応することにより、水分が生成する。   As described above, in the electrode catalyst layer of the cathode-side electrode 24, there are protons that have reached through the first electrolyte and electrons that have reached through the external circuit. These protons and electrons react with oxygen contained in the oxidant gas to generate moisture.

この水分生成反応は、発熱反応である。しかも、本実施の形態において、第1燃料電池スタック12の出力は、好適には、燃料電池システム10の全出力の1/4〜1/3程度に設定されている。このため、第1燃料電池スタック12では上記の電極反応が効率よく進行する。その結果、第1燃料電池スタック12の温度が迅速に上昇して運転に適した温度、すなわち、100℃超に達する。   This moisture generation reaction is an exothermic reaction. Moreover, in the present embodiment, the output of the first fuel cell stack 12 is preferably set to about ¼ to 3 of the total output of the fuel cell system 10. For this reason, in the 1st fuel cell stack 12, said electrode reaction advances efficiently. As a result, the temperature of the first fuel cell stack 12 rises rapidly and reaches a temperature suitable for operation, that is, over 100 ° C.

このように、第1燃料電池スタック12は、環境温度が0℃を下回るような場合であっても、運転に適した温度まで昇温させることが容易である。   Thus, even if the environmental temperature is less than 0 ° C., the first fuel cell stack 12 can be easily raised to a temperature suitable for operation.

第1燃料電池スタック12の温度が上昇する間、エンドプレート80の冷却媒体供給口86から第1燃料電池スタック12の内部に供給された冷却媒体は、セパレータ28の冷却媒体供給孔64から冷却媒体通路70を経て冷却媒体排出孔58に至る。冷却媒体は、この間に第1単位セル20から熱を奪取することで該第1単位セル20を冷却した後、冷却媒体排出孔60、62を介して矢印X方向に沿って流通し、ミドルプレート16の冷却媒体一括排出口102を介して第1燃料電池スタック12から排出される。   While the temperature of the first fuel cell stack 12 rises, the coolant supplied from the coolant supply port 86 of the end plate 80 to the inside of the first fuel cell stack 12 passes through the coolant supply hole 64 of the separator 28. It reaches the cooling medium discharge hole 58 through the passage 70. The cooling medium cools the first unit cell 20 by taking heat from the first unit cell 20 during this period, and then circulates along the direction of the arrow X through the cooling medium discharge holes 60 and 62, It is discharged from the first fuel cell stack 12 through 16 cooling medium batch discharge ports 102.

本実施の形態では、このようにして第1燃料電池スタック12から排出された冷却媒体が、ラジエータ210を通過することなく、分岐管218及び配管216を介して冷却媒体供給口86に戻され、高温のまま第1燃料電池スタック12に再供給される。このことによっても、第1燃料電池スタック12が迅速に昇温される。   In the present embodiment, the coolant discharged from the first fuel cell stack 12 in this manner is returned to the coolant supply port 86 via the branch pipe 218 and the pipe 216 without passing through the radiator 210, The high temperature is supplied again to the first fuel cell stack 12. This also raises the temperature of the first fuel cell stack 12 quickly.

第1燃料電池スタック12の温度が100℃を超えることに伴い、前記水分が水蒸気として生成するようになる。この水蒸気は、未反応の余剰な酸化剤ガスに同伴されて酸化剤ガス排出孔52に到達し、第1単位セル20に導入されなかった余剰の酸化剤ガスと合流してガスケット32の酸化剤ガス排出孔54、セパレータ30の酸化剤ガス排出孔56を経て、隣接する第1単位セル20の酸化剤ガス排出孔52、54、56を矢印X方向に沿って流通する。最終的に、反応済及び未反応の酸化剤ガスは、水蒸気を含んだ状態で、ミドルプレート16の酸化剤ガス一括排出口100に到達する。   As the temperature of the first fuel cell stack 12 exceeds 100 ° C., the moisture is generated as water vapor. The water vapor is entrained by the unreacted surplus oxidant gas, reaches the oxidant gas discharge hole 52, and merges with the surplus oxidant gas that has not been introduced into the first unit cell 20 to oxidize the gasket 32. The gas passes through the gas discharge hole 54 and the oxidant gas discharge hole 56 of the separator 30 through the oxidant gas discharge holes 52, 54, and 56 of the adjacent first unit cell 20 along the arrow X direction. Finally, the reacted and unreacted oxidant gas reaches the oxidant gas collective discharge port 100 of the middle plate 16 in a state containing water vapor.

上記したように第1燃料電池スタック12の温度が上昇することに伴い、熱伝達を受けて酸化剤ガスの温度が上昇する。これにより、酸化剤ガスの飽和水蒸気量が大きくなる。このため、酸化剤ガス一括排出口100から排出される酸化剤ガスには、多量の水蒸気が含まれる。すなわち、第1燃料電池スタック12から排出された酸化剤ガスは、水蒸気を含んだ湿潤ガスである。   As described above, as the temperature of the first fuel cell stack 12 rises, the temperature of the oxidant gas rises due to heat transfer. This increases the amount of saturated water vapor in the oxidant gas. For this reason, the oxidant gas discharged from the oxidant gas collective discharge port 100 contains a large amount of water vapor. That is, the oxidant gas discharged from the first fuel cell stack 12 is a wet gas containing water vapor.

酸化剤ガス一括排出口100から継手用管128を経て配管136に導出された酸化剤ガスは、第2インタクーラ214に到達して冷却される。この冷却により、酸化剤ガスの相対湿度が上昇する。   The oxidant gas led out from the oxidant gas collective discharge port 100 to the pipe 136 through the joint pipe 128 reaches the second intercooler 214 and is cooled. This cooling increases the relative humidity of the oxidant gas.

カソード側電極24の電極触媒層で発生した水蒸気の一部は、第1電解質を通過してアノード側電極22の電極触媒層に到達し、該アノード側電極22に供給された燃料ガスに同伴されて燃料ガス排出孔46、48、50から排出される。このため、燃料ガス一括排出口98に到達した燃料ガスもまた、水蒸気を含んだ湿潤ガスとなる。   Part of the water vapor generated in the electrode catalyst layer of the cathode side electrode 24 passes through the first electrolyte, reaches the electrode catalyst layer of the anode side electrode 22, and is accompanied by the fuel gas supplied to the anode side electrode 22. Are discharged from the fuel gas discharge holes 46, 48 and 50. For this reason, the fuel gas that has reached the fuel gas collective discharge port 98 also becomes a wet gas containing water vapor.

燃料ガス一括排出口98から継手用管124を経て配管134に導出された燃料ガスは、第1インタクーラ212に到達して冷却される。この冷却により、燃料ガスの相対湿度も上昇する。   The fuel gas led out from the fuel gas collective discharge port 98 to the pipe 134 through the joint pipe 124 reaches the first intercooler 212 and is cooled. This cooling also increases the relative humidity of the fuel gas.

このようにして相対湿度が上昇した酸化剤ガス及び燃料ガスは、それぞれ、配管136、134、継手用管130、126を介して酸化剤ガス一括供給口112、燃料ガス一括供給口110に至る。そして、第2燃料電池スタック14(第2単位セル140)の酸化剤ガス供給孔168、170、172、燃料ガス供給孔162、164、166にそれぞれ導入され、矢印X方向に沿って流通する。   The oxidant gas and the fuel gas whose relative humidity has increased in this way reach the oxidant gas collective supply port 112 and the fuel gas collective supply port 110 via the pipes 136 and 134 and the joint pipes 130 and 126, respectively. And it introduce | transduces into the oxidant gas supply holes 168, 170, 172, and the fuel gas supply holes 162, 164, 166 of the second fuel cell stack 14 (second unit cell 140), respectively, and circulates along the arrow X direction.

以上のように、第2単位セル140(第2燃料電池スタック14)では、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の供給開始位置が第1単位セル20(第1燃料電池スタック12)と異なる。すなわち、本実施の形態においては、第1燃料電池スタック12における酸化剤ガス供給口82及び燃料ガス供給口84に対し、第2燃料電池スタック14における酸化剤ガス供給口(酸化剤ガス一括供給口112)及び燃料ガス供給口(燃料ガス一括供給口110)が、それぞれ、対角線上に位置する一方で、第1燃料電池スタック12における酸化剤ガス排出口(酸化剤ガス一括排出口100)及び燃料ガス排出口(燃料ガス一括供給口110)に対し、エンドプレート188に設けられた第2燃料電池スタック14における燃料ガス排出口192及び酸化剤ガス排出口190が、それぞれ、対角線上に位置するからである。酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の流通方向の切り換えは、ミドルプレート16によって営まれる。   As described above, in the second unit cell 140 (second fuel cell stack 14), the supply start position of the oxidant gas, the fuel gas, and the cooling medium is different from that of the first unit cell 20 (first fuel cell stack 12). That is, in the present embodiment, the oxidant gas supply port (oxidant gas batch supply port) in the second fuel cell stack 14 with respect to the oxidant gas supply port 82 and the fuel gas supply port 84 in the first fuel cell stack 12. 112) and the fuel gas supply port (fuel gas collective supply port 110) are located on the diagonal line, respectively, while the oxidant gas exhaust port (oxidant gas collective exhaust port 100) and fuel in the first fuel cell stack 12 respectively. The fuel gas discharge port 192 and the oxidant gas discharge port 190 in the second fuel cell stack 14 provided in the end plate 188 are positioned diagonally with respect to the gas discharge port (fuel gas batch supply port 110). It is. The middle plate 16 switches the flow direction of the oxidant gas, the fuel gas, and the cooling medium.

燃料ガスの一部は、第2燃料電池スタック14(第2単位セル140)の燃料ガス供給孔162、164を流通し、図9に示されるセパレータ146の燃料ガス供給孔166を経由した後、燃料ガス通路74を流通する。この流通の過程で、燃料ガスに含まれる水蒸気が第2電解質・電極接合体142のアノード側電極22に接触する。燃料ガスは、アノード側電極22のガス拡散層を拡散し、電極触媒層に達する。   A part of the fuel gas flows through the fuel gas supply holes 162 and 164 of the second fuel cell stack 14 (second unit cell 140), passes through the fuel gas supply holes 166 of the separator 146 shown in FIG. The fuel gas passage 74 is circulated. In the course of this circulation, water vapor contained in the fuel gas contacts the anode electrode 22 of the second electrolyte / electrode assembly 142. The fuel gas diffuses through the gas diffusion layer of the anode electrode 22 and reaches the electrode catalyst layer.

なお、この際、アノード側電極22では、第1単位セル20におけるアノード側電極22と同様の電離反応が起こる。   At this time, an ionization reaction similar to that of the anode side electrode 22 in the first unit cell 20 occurs in the anode side electrode 22.

その一方で、酸化剤ガスの一部は、第2燃料電池スタック14(第2単位セル140)の酸化剤ガス供給孔168を経てセパレータ144の酸化剤ガス通路72を流通する。この流通の過程で、酸化剤ガスに含まれる水蒸気が第2電解質・電極接合体142のカソード側電極24に接触する。酸化剤ガスは、さらに、カソード側電極24のガス拡散層を拡散して電極触媒層に達する。   On the other hand, part of the oxidant gas flows through the oxidant gas passage 72 of the separator 144 through the oxidant gas supply hole 168 of the second fuel cell stack 14 (second unit cell 140). In the course of this flow, water vapor contained in the oxidant gas contacts the cathode side electrode 24 of the second electrolyte / electrode assembly 142. The oxidant gas further diffuses through the gas diffusion layer of the cathode side electrode 24 and reaches the electrode catalyst layer.

カソード側電極24及びアノード側電極22の各電極触媒層は、第2電解質に臨む。このため、第2電解質に対し、電極触媒層に達した湿潤ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの双方から湿分が付与される。これにより、第2電解質を効率よく湿潤化することができる。すなわち、第2電解質は、第1燃料電池スタック12から排出された湿潤ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)で湿潤化される。   Each electrode catalyst layer of the cathode side electrode 24 and the anode side electrode 22 faces the second electrolyte. For this reason, moisture is imparted to the second electrolyte from both the fuel gas and the oxidant gas, which are wet gases reaching the electrode catalyst layer. Thereby, the 2nd electrolyte can be efficiently moistened. That is, the second electrolyte is wetted with the wet gas (fuel gas and oxidant gas) discharged from the first fuel cell stack 12.

このようにして湿潤化された第2電解質は、優れたプロトン伝導性を示す。このため、アノード側電極22で生じたプロトンが第2電解質内を伝導することが容易となる。換言すれば、プロトンがアノード側電極22からカソード側電極24に向かって移動を開始する。   The second electrolyte wetted in this manner exhibits excellent proton conductivity. For this reason, it becomes easy for the proton generated in the anode side electrode 22 to conduct in the second electrolyte. In other words, protons start moving from the anode side electrode 22 toward the cathode side electrode 24.

以降は、第1単位セル20と同様に、カソード側電極24において、該カソード側電極24に供給された酸化剤ガスと、第2電解質を伝導してカソード側電極24に到達したプロトンと、アノード側電極22で生じ且つ外部回路を経由してカソード側電極24に到達した電子とで電極反応が起こり、水分が生成する。   Thereafter, as in the first unit cell 20, in the cathode side electrode 24, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 24, the proton that has passed through the second electrolyte and reached the cathode side electrode 24, and the anode An electrode reaction occurs with electrons generated at the side electrode 22 and reaching the cathode side electrode 24 via an external circuit, and moisture is generated.

すなわち、本実施の形態によれば、加湿器を付設することなく第2電解質を湿潤化し、これにより第2燃料電池スタック14を発電(運転)可能な状態とすることができる。換言すれば、発電のために電解質を湿潤化することが必要な第2燃料電池スタック14を含むにも関わらず加湿器が不要となる。このため、燃料電池システム10の簡素化及び軽量化を図ることができる。   That is, according to the present embodiment, it is possible to wet the second electrolyte without attaching a humidifier, and thereby make it possible to generate (operate) the second fuel cell stack 14. In other words, although the second fuel cell stack 14 that needs to wet the electrolyte for power generation is included, a humidifier becomes unnecessary. For this reason, simplification and weight reduction of the fuel cell system 10 can be achieved.

第2燃料電池スタック14において上記した電極反応が起こることに伴い、該第2燃料電池スタック14の温度が上昇し始める。また、第1燃料電池スタック12から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスは、第1インタクーラ212及び第2インタクーラ214によって冷却されるものの、室温に比して高温の状態で第2燃料電池スタック14に供給される。従って、第2燃料電池スタック14の温度が効率よく上昇する。   As the electrode reaction described above occurs in the second fuel cell stack 14, the temperature of the second fuel cell stack 14 begins to rise. Further, although the fuel gas and the oxidant gas discharged from the first fuel cell stack 12 are cooled by the first intercooler 212 and the second intercooler 214, the second fuel cell stack 14 is at a higher temperature than the room temperature. To be supplied. Therefore, the temperature of the second fuel cell stack 14 rises efficiently.

第2燃料電池スタック14が所定の温度まで上昇したことが確認されたとき、三方弁220を切り換え、第1燃料電池スタック12から排出された冷却媒体をラジエータ210側に流通させる。冷却媒体は、ラジエータ210によって冷却された後、継手用管122を経てミドルプレート16の冷却媒体一括供給口114に至り、第2燃料電池スタック14の内部に導入される。   When it is confirmed that the second fuel cell stack 14 has risen to a predetermined temperature, the three-way valve 220 is switched to allow the coolant discharged from the first fuel cell stack 12 to flow to the radiator 210 side. The cooling medium is cooled by the radiator 210, passes through the joint pipe 122, reaches the cooling medium batch supply port 114 of the middle plate 16, and is introduced into the second fuel cell stack 14.

ここで、第1燃料電池スタック12の運転温度は、上記したように100℃を上回る。従って、第1燃料電池スタック12を冷却して排出された冷却媒体は、大気に比して高温である。このため、ラジエータ210が小型のものであっても効率よく冷却媒体の温度を降下させることができる。   Here, the operating temperature of the first fuel cell stack 12 exceeds 100 ° C. as described above. Therefore, the cooling medium discharged after cooling the first fuel cell stack 12 is higher in temperature than the atmosphere. For this reason, even if the radiator 210 is small, the temperature of the cooling medium can be lowered efficiently.

すなわち、本実施の形態によれば、ラジエータ210として小型のものを採用することができる。このことも、燃料電池システム10の簡素化及び軽量化に寄与する。   That is, according to the present embodiment, a small radiator 210 can be employed. This also contributes to simplification and weight reduction of the fuel cell system 10.

さらに、第1燃料電池スタック12から熱を奪取して高温となった冷却媒体は、大きな熱量を持つ。この熱量を暖房源として利用すれば、燃料電池システム10としての燃費を向上させることも可能である。   Furthermore, the cooling medium that has taken heat from the first fuel cell stack 12 and has reached a high temperature has a large amount of heat. If this amount of heat is used as a heating source, the fuel efficiency of the fuel cell system 10 can be improved.

第2燃料電池スタック14の温度が上昇する間、第1燃料電池スタック12は、該第1燃料電池スタック12の出力が燃料電池システム10の全出力の1/4〜1/3程度に抑制されているので、略一定温度に保たれる。すなわち、第1燃料電池スタック12の温度が過度に上昇することが回避されて該第1燃料電池スタック12の運転に適切な温度に維持される。このため、第1燃料電池スタック12の発電効率が高い状態に維持される。   While the temperature of the second fuel cell stack 14 rises, the output of the first fuel cell stack 12 is suppressed to about ¼ to 3 of the total output of the fuel cell system 10. Therefore, it is kept at a substantially constant temperature. That is, the temperature of the first fuel cell stack 12 is prevented from rising excessively, and is maintained at a temperature suitable for the operation of the first fuel cell stack 12. For this reason, the power generation efficiency of the first fuel cell stack 12 is maintained in a high state.

第2燃料電池スタック14が適切な運転温度、すなわち、概ね100℃に到達した後、図11に示すスイッチ224、226をともにオン状態とすることにより、モータ222が付勢される。なお、低出力運転時等、第1燃料電池スタック12の出力で十分である場合には、スイッチ226をオフ状態として、スイッチ224のみをオン状態とすればよい。それでもなお、必要とされる出力が第1燃料電池スタック12の出力を下回る場合には、第1燃料電池スタック12の余剰出力を蓄電装置に蓄電すればよい。   After the second fuel cell stack 14 reaches an appropriate operating temperature, that is, approximately 100 ° C., the switches 222, 226 shown in FIG. 11 are both turned on to energize the motor 222. When the output of the first fuel cell stack 12 is sufficient, such as during low power operation, the switch 226 is turned off and only the switch 224 is turned on. Nevertheless, when the required output is lower than the output of the first fuel cell stack 12, the surplus output of the first fuel cell stack 12 may be stored in the power storage device.

ここで、燃料電池システム10を低出力で運転する場合には、第1燃料電池スタック12を主たる出力源とするようにしてもよい。これにより、該第1燃料電池スタック12の温度が過度に低下することが回避される。すなわち、この場合においても、第1燃料電池スタック12が運転に適切な温度に維持され、その結果、該第1燃料電池スタック12の発電効率が高い状態に維持される。   Here, when the fuel cell system 10 is operated at a low output, the first fuel cell stack 12 may be a main output source. Thereby, it is avoided that the temperature of the first fuel cell stack 12 decreases excessively. That is, also in this case, the first fuel cell stack 12 is maintained at a temperature suitable for operation, and as a result, the power generation efficiency of the first fuel cell stack 12 is maintained at a high level.

以上のように、水分が存在するか否か(湿潤状態であるか否か)に関わらずプロトン伝導性を示す第1電解質を具備する第1燃料電池スタック12に流通され、これに伴って湿潤化された燃料ガス及び酸化剤ガスを、湿潤化されることによってプロトン伝導性が発現する第2電解質を具備する第2燃料電池スタック14に流通することにより、加湿器を付設することなく第2燃料電池スタック14を運転可能な状態とすることができる。このため、燃料電池システム10の簡素化・軽量化を図ることができる。   As described above, regardless of whether or not moisture is present (whether or not it is in a wet state), it is distributed to the first fuel cell stack 12 including the first electrolyte exhibiting proton conductivity and is wetted accordingly. The liquefied fuel gas and oxidant gas are circulated through the second fuel cell stack 14 including the second electrolyte that exhibits proton conductivity when wetted, so that a second humidifier is not provided. The fuel cell stack 14 can be brought into an operable state. For this reason, the fuel cell system 10 can be simplified and reduced in weight.

また、第1燃料電池スタック12から排出された冷却媒体を冷却するためのラジエータ210の熱交換効率も向上するので、ラジエータ210として小型なものを採用することができる。このことも、燃料電池システム10の簡素化・軽量化に寄与する。   Moreover, since the heat exchange efficiency of the radiator 210 for cooling the cooling medium discharged from the first fuel cell stack 12 is also improved, a small radiator 210 can be adopted. This also contributes to simplification and weight reduction of the fuel cell system 10.

さらに、第1燃料電池スタック12から熱を奪取して高温となった冷却媒体は大きな熱量を持つので、この熱量を暖房源として利用することにより、燃料電池システム10としての燃費を向上させることもできる。   Further, since the cooling medium that has taken high heat from the first fuel cell stack 12 and has a high temperature has a large amount of heat, the fuel consumption as the fuel cell system 10 can be improved by using this amount of heat as a heating source. it can.

さらにまた、上記したような構成とすることにより、第1燃料電池スタック12及び第2燃料電池スタック14の温度を効率よく上昇させることができるという利点も得られる。   Furthermore, with the configuration as described above, there is also an advantage that the temperatures of the first fuel cell stack 12 and the second fuel cell stack 14 can be increased efficiently.

なお、上記した実施の形態においては、第1燃料電池スタック12と第2燃料電池スタック14を、ミドルプレート16を介して積層するようにしているが、第1燃料電池スタック12と第2燃料電池スタック14を互いに離間して設けるようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the first fuel cell stack 12 and the second fuel cell stack 14 are stacked via the middle plate 16, but the first fuel cell stack 12 and the second fuel cell are stacked. The stacks 14 may be provided apart from each other.

10…燃料電池システム 12…第1燃料電池スタック
14…第2燃料電池スタック 16…ミドルプレート
20…第1単位セル 22…アノード側電極
24…カソード側電極 26…第1電解質・電極接合体
28、30、144、146…セパレータ
34、36、38、168、170、172…酸化剤ガス供給孔
40、42、44、162、164、166…燃料ガス供給孔
46、48、50、156、158、160…燃料ガス排出孔
52、54、56、150、152、154…酸化剤ガス排出孔
58、60、62、180、182、184…冷却媒体排出孔
64、66、68、174、176、178…冷却媒体供給孔
70…冷却媒体通路 72…酸化剤ガス通路
74…燃料ガス通路 76、78、138、186…タブ部
82…酸化剤ガス供給口 84…燃料ガス供給口
86…冷却媒体供給口 88、90、92…供給用中空管
98…燃料ガス一括排出口 100…酸化剤ガス一括排出口
102…冷却媒体一括排出口 110…燃料ガス一括供給口
112…酸化剤ガス一括供給口 114…冷却媒体一括供給口
120、122、124、126、128、130…継手用管
132、134、136、216…配管
140…第2単位セル 142…第2電解質・電極接合体
190…酸化剤ガス排出口 192…燃料ガス排出口
194…冷却媒体排出口 196、198、200…排出用中空管
210…ラジエータ 212…第1インタクーラ
214…第2インタクーラ 218…分岐管
220…三方弁 222…モータ
224、226…スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... 1st fuel cell stack 14 ... 2nd fuel cell stack 16 ... Middle plate 20 ... 1st unit cell 22 ... Anode side electrode 24 ... Cathode side electrode 26 ... 1st electrolyte and electrode assembly 28, 30, 144, 146 ... separators 34, 36, 38, 168, 170, 172 ... oxidant gas supply holes 40, 42, 44, 162, 164, 166 ... fuel gas supply holes 46, 48, 50, 156, 158, 160 ... Fuel gas discharge holes 52, 54, 56, 150, 152, 154 ... Oxidant gas discharge holes 58, 60, 62, 180, 182, 184 ... Cooling medium discharge holes 64, 66, 68, 174, 176, 178 ... Cooling medium supply hole 70 ... Cooling medium passage 72 ... Oxidant gas passage 74 ... Fuel gas passages 76, 78, 138, 186 ... Tab portion 82 ... Oxidant gas Supply port 84 ... Fuel gas supply port 86 ... Cooling medium supply port 88, 90, 92 ... Supply hollow tube 98 ... Fuel gas collective discharge port 100 ... Oxidant gas collective exhaust port 102 ... Cooling medium collective exhaust port 110 ... Fuel Collective gas supply port 112 ... Oxidant gas collective supply port 114 ... Cooling medium collective supply port 120, 122, 124, 126, 128, 130 ... Fitting pipes 132, 134, 136, 216 ... Piping 140 ... Second unit cell 142 ... second electrolyte / electrode assembly 190 ... oxidant gas discharge port 192 ... fuel gas discharge port 194 ... cooling medium discharge port 196, 198, 200 ... discharge hollow tube 210 ... radiator 212 ... first intercooler 214 ... second Intercooler 218 ... Branch pipe 220 ... Three-way valve 222 ... Motor 224, 226 ... Switch

Claims (5)

水分を含むか否かに関わらずプロトン伝導性を示す電解質を具備する第1の燃料電池スタックと、湿潤化されることに伴ってプロトン伝導性が発現する電解質を具備する第2の燃料電池スタックとを含んで構成され、前記第1の燃料電池スタックから排出された燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が前記第2の燃料電池スタックに供給される燃料電池システムであって、
前記第1の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口、冷却媒体排出口のそれぞれと、前記第2の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口、酸化剤ガス供給口、冷却媒体供給口のそれぞれとを連通する各配管に、前記第1の燃料電池スタックから排出された燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体を冷却するための第1〜第3の冷却手段が介装され、
前記第1の燃料電池スタックから排出された後、前記第1〜第3の冷却手段のそれぞれによって冷却された前記燃料ガス、前記酸化剤ガス及び前記冷却媒体が、前記第2の燃料電池スタックに供給されるとともに、
前記第2の燃料電池スタックから排出された前記冷却媒体を前記第1の燃料電池スタックに戻す配管をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。
A first fuel cell stack having an electrolyte exhibiting proton conductivity regardless of whether it contains water, or a second fuel cell stack having an electrolyte that exhibits proton conductivity when wetted A fuel cell system in which a fuel gas, an oxidant gas, and a cooling medium discharged from the first fuel cell stack are supplied to the second fuel cell stack,
Each of a fuel gas discharge port, an oxidant gas discharge port, and a coolant discharge port in the first fuel cell stack, and a fuel gas supply port, an oxidant gas supply port, and a coolant supply port in the second fuel cell stack First to third cooling means for cooling the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium discharged from the first fuel cell stack are interposed in each pipe communicating with each of
After being discharged from the first fuel cell stack, the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium cooled by each of the first to third cooling means are supplied to the second fuel cell stack. As supplied
The fuel cell system further comprising a pipe for returning the cooling medium discharged from the second fuel cell stack to the first fuel cell stack.
請求項1記載の燃料電池システムにおいて、
前記第1の燃料電池スタックに対して前記第2の燃料電池スタックが積層されるとともに、前記第1の燃料電池スタックと前記第2の燃料電池スタックとの間に介装された仕切り部材を有し、
前記第1の燃料電池スタックの前記燃料ガス排出口、前記酸化剤ガス排出口及び前記冷却媒体排出口と、前記第2の燃料電池スタックの前記燃料ガス供給口、前記酸化剤ガス供給口、前記冷却媒体供給口の全てが前記仕切り部材に形成されたことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The second fuel cell stack is stacked on the first fuel cell stack, and has a partition member interposed between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack. And
The fuel gas discharge port of the first fuel cell stack, the oxidant gas discharge port and the cooling medium discharge port, the fuel gas supply port of the second fuel cell stack, the oxidant gas supply port, A fuel cell system, wherein all of the cooling medium supply port is formed in the partition member.
請求項2記載の燃料電池システムにおいて、
前記第1の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口及び酸化剤ガス供給口のそれぞれと、前記第2の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口及び酸化剤ガス供給口のそれぞれとが対角線上に位置し、
且つ前記第1の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口及び酸化剤ガス排出口のそれぞれと、前記第2の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口及び酸化剤ガス排出口のそれぞれとが対角線上に位置することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
Each of the fuel gas supply port and the oxidant gas supply port in the first fuel cell stack and each of the fuel gas supply port and the oxidant gas supply port in the second fuel cell stack are located on a diagonal line,
Each of the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet in the first fuel cell stack and each of the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet in the second fuel cell stack are located diagonally. A fuel cell system.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第1の燃料電池スタックの前記冷却媒体排出口から前記第3の冷却手段にわたって橋架された配管に介装された三方弁を有し、
前記三方弁の出口の1つが、前記冷却媒体を前記第1の燃料電池スタックに戻す前記配管に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
Having said first fuel cell and the cooling medium three-way valve which is interposed from the outlet to a pipe that is bridged over the third cooling hand stages of the stack,
One of the three-way valve outlets is connected to the pipe for returning the cooling medium to the first fuel cell stack.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第1の燃料電池スタックの出力が、該第1の燃料電池スタックと前記第2の燃料電池スタックとの合計出力の1/4〜1/3であることを特徴とする燃料電池システム。
In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The fuel cell system, wherein an output of the first fuel cell stack is ¼ to 3 of a total output of the first fuel cell stack and the second fuel cell stack.
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