JP5354943B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、複数の発電セルが積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に反応ガスを導入するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを前記燃料電池スタックに戻すエゼクタが設けられ、前記燃料電池スタックの一方のエンドプレートに連結される反応ガス供給機構とを備える燃料電池システムに関する。 The present invention provides a fuel cell stack in which a plurality of power generation cells are stacked, and an ejector that introduces a reaction gas into the fuel cell stack and returns spent reaction gas discharged from the fuel cell stack to the fuel cell stack. And a reaction gas supply mechanism connected to one end plate of the fuel cell stack.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (an electrolyte / electrode structure) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane, respectively. ) Is held by a separator. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
ところで、燃料電池では、水素ガス等の燃料ガスがアノード側電極に供給されるとともに、発電に使用されない未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスが、前記燃料電池から排出されている。従って、経済性を考慮し、燃料ガスの有効利用を図るため、燃料オフガスを、燃料ガスとしてアノード側電極に再度供給することが行われている。 By the way, in the fuel cell, fuel gas such as hydrogen gas is supplied to the anode side electrode, and fuel off-gas containing unreacted fuel gas that is not used for power generation is discharged from the fuel cell. Therefore, in consideration of economy, in order to effectively use the fuel gas, the fuel off-gas is supplied again to the anode side electrode as the fuel gas.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムは、図5に示すように、水素供給装置1から燃料電池2(複数の発電セル2aの積層体)に水素を供給するための水素供給経路3と、前記燃料電池2から排出されるオフガスを前記水素供給経路3に合流させ、前記燃料電池2に再循環させるオフガス循環経路4と、オフガスを前記オフガス循環経路4に循環させるとともに、オフガスの循環量を制御可能であり、さらにオフガスを主供給水素に混合するエジェクタポンプ5と、前記エジェクタポンプ5の吐出圧を検出する圧力センサ6とを設けている。
For example, as shown in FIG. 5, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is a hydrogen supply path for supplying hydrogen from a hydrogen supply device 1 to a fuel cell 2 (a stack of a plurality of
ところで、エジェクタポンプ5が燃料電池2の近傍に配置される際、前記エジェクタポンプ5から前記燃料電池2の水素供給連通孔内には、水素が高圧で吐出される。このため、水素供給連通孔内には、静圧分布が発生し易い。これにより、燃料電池2内では、特に水素入口側に位置する発電セル2aに対して水素が十分に供給されず、発電性能が低下するという問題がある。
By the way, when the ejector pump 5 is disposed in the vicinity of the
本発明はこの種の要請に対応してなされたものであり、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給す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 in response to this type of request, and provides a fuel cell system that can uniformly and reliably distribute and supply reaction gas to each power generation cell stacked in the fuel cell stack. The purpose is to provide.
本発明に係る燃料電池システムは、複数の発電セルが積層されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔が設けられる燃料電池スタックと、前記反応ガス供給連通孔に前記発電セルの積層方向に向かって前記反応ガスを吐出するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを前記反応ガス供給連通孔に戻すエゼクタが、前記燃料電池スタックの一方のエンドプレートの外方に設けられ、前記一方のエンドプレートに連結される反応ガス供給機構とを備えている。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of power generation cells are stacked and a reaction gas supply communication hole that supplies at least a reaction gas that is a fuel gas or an oxidant gas is provided along the stacking direction. An ejector that discharges the reaction gas to the reaction gas supply communication hole in the stacking direction of the power generation cells and returns the used reaction gas discharged from the fuel cell stack to the reaction gas supply communication hole ; provided on the outer side of one of the end plates of the fuel cell stack, and a reaction gas supply mechanism connected to the end plate before Symbol hand.
この燃料電池システムでは、エゼクタの反応ガス吐出口の中心線は、反応ガス供給連通孔を形成する開口形状線の外側に位置するとともに、前記反応ガス供給連通孔と前記反応ガス吐出口とを連通し一方のエンドプレートに一体に設けられるマニホールド部材を備えている。マニホールド部材は、反応ガス供給連通孔の開口形状と略同一の開口形状を有するマニホールド通路部と、前記マニホールド通路部とは異なる開口形状を有し、反応ガス吐出口から吐出される反応ガスを前記マニホールド通路部に導く反応ガス導入部と、を備えている。 In this fuel cell system, the center line of the reaction gas discharge port of the ejector is located outside the opening shape line forming the reaction gas supply communication hole, and the reaction gas supply communication hole and the reaction gas discharge port communicate with each other. However, a manifold member provided integrally with one end plate is provided. The manifold member has a manifold passage portion having an opening shape substantially the same as the opening shape of the reaction gas supply communication hole, an opening shape different from the manifold passage portion, and the reaction gas discharged from the reaction gas discharge port is And a reaction gas introduction portion that leads to the manifold passage portion .
さらにまた、反応ガスは、燃料ガスであるとともに、反応ガス供給連通孔は、燃料ガス供給連通孔であることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the reaction gas is a fuel gas and the reaction gas supply communication hole is a fuel gas supply communication hole.
本発明によれば、エゼクタの反応ガス吐出口から吐出される反応ガスは、少なくとも一部が通路壁面等に吹き付けられた後、反応ガス供給連通孔に導入されている。このため、反応ガスの流速が低下するとともに、反応ガス供給連通孔内での静圧分布が改善される。これにより、燃料電池スタック内に積層されている各発電セルに対し、反応ガスを均一且つ確実に分配供給することが可能になり、発電性能及び起動性が有効に向上する。 According to the present invention, the reaction gas discharged from the reaction gas discharge port of the ejector is introduced into the reaction gas supply communication hole after at least a part thereof is sprayed on the passage wall surface or the like. For this reason, the flow rate of the reaction gas is reduced, and the static pressure distribution in the reaction gas supply communication hole is improved. Thereby, it becomes possible to distribute and supply the reaction gas uniformly and reliably to each power generation cell stacked in the fuel cell stack, and the power generation performance and startability are effectively improved.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム10の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
燃料電池システム10は、図示しない燃料電池車両に搭載されており、燃料電池スタック14と、前記燃料電池スタック14に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構16と、前記燃料電池スタック14に酸化剤ガス(反応ガス)を供給するための酸化剤ガス供給機構18と、前記燃料電池スタック14に燃料ガス(反応ガス)を供給するための燃料ガス供給機構20とを備える。
The
冷却媒体供給機構16は、ラジエータ24を備える。このラジエータ24には、冷媒用ポンプ26を介して冷却媒体供給配管28と、冷却媒体排出配管30とが接続される。
The cooling
酸化剤ガス供給機構18は、冷媒用ポンプ26に近接して配置される空気用ポンプ32を備える。この空気用ポンプ32に一端が接続される空気供給配管34は、加湿器36に他端が接続されるとともに、この加湿器36には、加湿空気供給配管38を介して燃料電池スタック14が接続される。燃料電池スタック14と加湿器36とには、使用済みの反応生成水を含む酸化剤ガス(以下、オフガスという)を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管40が接続される。加湿器36では、オフガス供給配管40を介して供給されたオフガスの排出側に、背圧弁42が配設される。
The oxidant
燃料ガス供給機構20は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク44を備える。この燃料ガスタンク44には、燃料ガスパイプ45の一端が接続され、前記燃料ガスパイプ45は、遮断弁46、レギュレータ48及びエゼクタ50を介して燃料電池スタック14に接続される。
The fuel
燃料電池スタック14には、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管52が接続される。この排出燃料ガス配管52は、リターン配管54を介してエゼクタ50に接続されるとともに、一部がパージ弁56に連通する。
An exhaust
燃料電池スタック14は、複数の発電セル60が水平方向(図2中、矢印A方向)に積層されるとともに、積層方向の両端には、図示しないが、ターミナルプレート及び絶縁プレートを介して金属製エンドプレート62a、62bが配設される(図1参照)。燃料電池スタック14は、例えば、エンドプレート62a、62bを端板とするケーシング(図示せず)、又は前記エンドプレート62a、62b間を締結するタイロッド(図示せず)を備える。
In the
ターミナルプレートに電力取り出し端子63a、63bが設けられており、前記電力取り出し端子63a、63bは、エンドプレート62a、62bから積層方向外方に突出し、図示しない走行用モータや補機類に接続される。
The terminal plate is provided with
図2に示すように、各発電セル60は、電解質膜・電極構造体66と、前記電解質膜・電極構造体66を挟持する第1及び第2セパレータ68、70とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第1及び第2セパレータ68、70は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
As shown in FIG. 2, each
発電セル60の長辺方向(矢印C方向)の一端縁部(上端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔72a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔(反応ガス供給連通孔)76aが設けられる。
One end edge (upper end edge) of the
発電セル60の長辺方向の他端縁部(下端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔72b及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔76bが設けられる。
The other end edge (lower end edge) in the long side direction of the
発電セル60の短辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔74aが設けられるとともに、前記発電セル60の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔74bが設けられる。冷却媒体供給連通孔74a及び冷却媒体排出連通孔74bは、縦長形状に設定される。
A cooling medium
電解質膜・電極構造体66は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜78と、前記固体高分子電解質膜78を挟持するアノード側電極80及びカソード側電極82とを備える。
The electrolyte membrane /
第1セパレータ68の電解質膜・電極構造体66に向かう面68aには、燃料ガス供給連通孔76aと燃料ガス排出連通孔76bとを連通する燃料ガス流路84が形成される。この燃料ガス流路84は、例えば、矢印C方向に延在する溝部により構成される。第1セパレータ68の面68aとは反対の面68bには、冷却媒体供給連通孔74aと冷却媒体排出連通孔74bとを連通する冷却媒体流路86が形成される。この冷却媒体流路86は、矢印B方向に延在する溝部により構成される。
A fuel gas flow path 84 that connects the fuel gas
第2セパレータ70の電解質膜・電極構造体66に向かう面70aには、例えば、矢印C方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路88が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路88は、酸化剤ガス供給連通孔72aと酸化剤ガス排出連通孔72bとに連通する。第2セパレータ70の面70aとは反対の面70bには、第1セパレータ68の面68bと重なり合って冷却媒体流路86が一体的に形成される。図示しないが、第1及び第2セパレータ68、70には、必要に応じてシール部材が設けられる。
The
図3に示すように、エンドプレート62bには、樹脂製マニホールド部材90が装着される。このマニホールド部材90は、燃料ガス供給連通孔76aに連通し、前記燃料ガス供給連通孔76aの開口形状に対応する横長形状の通路91aを設けるマニホールド通路部92aと、エンドプレート62bの外方に突出し、円形状の通路91bを設ける燃料ガス導入部(反応ガス導入部)92bと、前記マニホールド通路部92a及び前記燃料ガス導入部92bを連結する連結筒部92cとを一体に有する。
As shown in FIG. 3, a
図3及び図4に示すように、燃料ガス供給連通孔76aを形成する開口形状線と通路91aを形成する開口形状線とは、同一であり、共通の底辺93を有する。燃料ガス導入部92bの通路91bの中心線Oは、前記開口形状線の外側、本実施形態では、共通の底辺93と同一位置から外方(本実施形態では、下方)に離間する範囲に設定される。
As shown in FIGS. 3 and 4, the opening shape line forming the fuel gas
エゼクタ50は、本体部94と筒状部96とを備え、前記本体部94には、ノズル98及びディフューザ100が収容される。本体部94には、オフガス通路104が形成される。ノズル98は、燃料ガスパイプ45に連通する燃料ガス通路106を設け、この燃料ガス通路106は、前記ノズル98の先端に設けられる噴射口110からディフューザ100内に開放される。
The
オフガス通路104には、リターン配管54が連通するとともに、ディフューザ100の外周に形成される孔部112を介して吸引室114に連通する。吸引室114は、先端側に向かって縮径した後、流れ方向下流に向かって連続的に拡径する吐出通路(反応ガス吐出口)116に連通する。
A
吐出通路116の中心線Oは、燃料ガス導入部92bの中心線Oと一致しており、前記吐出通路116の中心線Oは、燃料ガス供給連通孔76aの開口形状線の外側、本実施形態では、共通の底辺93と同一位置から外方に離間する範囲に配置される。
The center line O of the
筒状部96の先端と、マニホールド部材90の燃料ガス導入部92bとを連結する連結部位には、中間ジョイント120が配置される。中間ジョイント120は、円筒状部材であり、小径部122と大径部124とを一体的に有する。
An intermediate joint 120 is disposed at a connection portion that connects the tip of the
小径部122及び大径部124には、それぞれ周溝126a、126bが形成される。小径部122は、周溝126aにOリング128aを配設してエゼクタ50の筒状部96に嵌合する一方、大径部124は、周溝126bにOリング128bを配設してマニホールド部材90の燃料ガス導入部92bに嵌合する。
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス供給機構18を構成する空気用ポンプ32が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管34に導入される。この空気は、空気供給配管34から加湿器36内に導入され、加湿空気供給配管38に供給される。
First, as shown in FIG. 1, the
その際、オフガス供給配管40には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給されている。このため、使用前の空気には、オフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管38からエンドプレート62bを通って燃料電池スタック14内の酸化剤ガス供給連通孔72aに供給される。
At that time, as will be described later, off-gas which is an oxidant gas used for the reaction is supplied to the off-
一方、燃料ガス供給機構20では、遮断弁46の開放作用下に、燃料ガスタンク44内の燃料ガス(水素ガス)がレギュレータ48で降圧された後、エゼクタ50からエンドプレート62bを通って燃料電池スタック14内の燃料ガス供給連通孔76aに導入される。
On the other hand, in the fuel
さらに、冷却媒体供給機構16では、冷媒用ポンプ26の作用下に、冷却媒体供給配管28からエンドプレート62aを通って燃料電池スタック14内の冷却媒体供給連通孔74aに冷却媒体が導入される。
Further, in the cooling
図2に示すように、燃料電池スタック14内の各発電セル60に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔72aから第2セパレータ70の酸化剤ガス流路88に導入され、電解質膜・電極構造体66のカソード側電極82に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔76aから第1セパレータ68の燃料ガス流路84に導入され、電解質膜・電極構造体66のアノード側電極80に沿って移動する。
As shown in FIG. 2, the air supplied to each
従って、各電解質膜・電極構造体66では、カソード側電極82に供給される空気中の酸素と、アノード側電極80に供給される燃料ガス(水素)とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極82に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔72bに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート62bからオフガス供給配管40に排出される(図1参照)。このオフガスは、加湿用ガスとして加湿器36に供給される。
Next, the air consumed by being supplied to the cathode side electrode 82 flows along the oxidant gas
同様に、アノード側電極80に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔76bに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート62bから排出燃料ガス配管52に排出される(図1参照)。排出燃料ガス配管52に排出された排出燃料ガスは、一部がリターン配管54を通ってエゼクタ50の吸引作用下に新たな燃料ガスに混在し、燃料電池スタック14内に供給される。残余の排出燃料ガスは、パージ弁56の開放作用下に排出される。
Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体は、図2に示すように、冷却媒体供給連通孔74aから第1及び第2セパレータ68、70間の冷却媒体流路86に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体66を冷却した後、冷却媒体排出連通孔74bを移動してエンドプレート62aから冷却媒体排出配管30に排出される。この冷却媒体は、図1に示すように、ラジエータ24により冷却された後、冷媒用ポンプ26の作用下に冷却媒体供給配管28から燃料電池スタック14に供給される。
As shown in FIG. 2, the cooling medium is introduced into the cooling medium flow path 86 between the first and
この場合、本実施形態では、図3に示すように、燃料ガスパイプ45からノズル98の燃料ガス通路106に供給される燃料ガスは、前記ノズル98の先端に設けられている噴射口110からディフューザ100に噴射される。このため、吸引室114に負圧が発生し、リターン配管54からオフガス通路104を介してこの吸引室114に排出燃料ガスが吸引される。
In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the fuel gas supplied from the
従って、ノズル98から噴射された燃料ガスに排出燃料ガスが混合され、この混合された燃料ガスは、ディフューザ100の吐出通路116から燃料ガス供給連通孔76aに向かって吐出される。
Accordingly, the discharged fuel gas is mixed with the fuel gas injected from the
その際、図3及び図4に示すように、吐出通路116の中心線Oは、燃料ガス供給連通孔76aの開口形状線の外側、より具体的には、共通の底辺93と同一位置から外方に離間する範囲に配置されている。このため、吐出通路116から吐出される燃料ガスは、一部が連結筒部92cの内周面に向かって吹き付けられた後、通路91aを通って燃料ガス供給連通孔76aに供給される。
At this time, as shown in FIGS. 3 and 4, the center line O of the
これにより、比較的高速で吐出通路116から吐出される燃料ガスは、流速が低下し、燃料ガス供給連通孔76a内での静圧分布が改善される。従って、燃料電池スタック14を構成する複数の発電セル60に対し、燃料ガスを均一且つ確実に分配供給することが可能になり、発電性能及び起動性を有効に向上させることができるという効果が得られる。
As a result, the flow rate of the fuel gas discharged from the
なお、本実施形態では、反応ガスとして燃料電池スタック14に循環して供給される燃料ガスを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、前記反応ガスとして酸化剤ガスを前記燃料電池スタック14に循環供給する場合にも適用可能である。特に、酸化剤ガスとして純酸素が使用される際には、好適である。
In the present embodiment, the fuel gas circulated and supplied to the
10…燃料電池システム 14…燃料電池スタック
16…冷却媒体供給機構 18…酸化剤ガス供給機構
20…燃料ガス供給機構 44…燃料ガスタンク
45…燃料ガスパイプ 50…エゼクタ
52…排出燃料ガス配管 54…リターン配管
60…発電セル 62a、62b…エンドプレート
66…電解質膜・電極構造体 68、70…セパレータ
72a…酸化剤ガス供給連通孔 72b…酸化剤ガス排出連通孔
74a…冷却媒体供給連通孔 74b…冷却媒体排出連通孔
76a…燃料ガス供給連通孔 76b…燃料ガス排出連通孔
78…固体高分子電解質膜 80…アノード側電極
82…カソード側電極 84…燃料ガス流路
86…冷却媒体流路 88…酸化剤ガス流路
90…マニホールド部材 91a、91b…通路
92a…マニホールド通路部 92b…燃料ガス導入部
92c…連結筒部 93…底辺
94…本体部 96…筒状部
98…ノズル 100…ディフューザ
104…オフガス通路 106…燃料ガス通路
110…噴射口 114…吸引室
116…吐出通路 120…中間ジョイント
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記反応ガス供給連通孔に前記発電セルの積層方向に向かって前記反応ガスを吐出するとともに、前記燃料電池スタックから排出される使用済み反応ガスを前記反応ガス供給連通孔に戻すエゼクタが、前記燃料電池スタックの一方のエンドプレートの外方に設けられ、前記一方のエンドプレートに連結される反応ガス供給機構と、
を備え、
前記エゼクタの反応ガス吐出口の中心線は、前記反応ガス供給連通孔を形成する開口形状線の外側に位置するとともに、
前記反応ガス供給連通孔と前記反応ガス吐出口とを連通し前記一方のエンドプレートに一体に設けられるマニホールド部材を備え、
前記マニホールド部材は、前記反応ガス供給連通孔の開口形状と略同一の開口形状を有するマニホールド通路部と、
前記マニホールド通路部とは異なる開口形状を有し、前記反応ガス吐出口から吐出される前記反応ガスを前記マニホールド通路部に導く反応ガス導入部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which a plurality of power generation cells are stacked and provided with a reaction gas supply communication hole for supplying at least a reaction gas that is a fuel gas or an oxidant gas along the stacking direction;
With discharging the reaction gas toward the stacking direction of the power generation cell in the reactant gas supply passage, the ejector return the spent reaction gas discharged from the fuel cell stack to the reaction gas supply passage is, the fuel provided on the outer side of one of the end plates of the cell stack, and the reaction gas supply mechanism connected to the end plate before Symbol hand,
With
A center line of the reaction gas discharge port of the ejector is located outside an opening shape line forming the reaction gas supply communication hole ,
A manifold member that is provided integrally with the one end plate through the reaction gas supply communication hole and the reaction gas discharge port;
The manifold member has a manifold passage portion having an opening shape substantially the same as the opening shape of the reaction gas supply communication hole;
A reaction gas introduction portion having an opening shape different from that of the manifold passage portion, and leading the reaction gas discharged from the reaction gas discharge port to the manifold passage portion;
Fuel cell system comprising: a.
前記反応ガス供給連通孔は、燃料ガス供給連通孔であることを特徴とする燃料電池システム。 In claim 1 Symbol placement of the fuel cell system, wherein the reaction gas, with a fuel gas,
The reaction gas supply communication hole is a fuel gas supply communication hole.
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