JP5646590B2 - Operation method of fuel cell power generation system - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電システムの運転方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a method for operating a fuel cell power generation system.

酸化剤(例えば空気)と燃料(例えば水素を含む混合ガス)とを電気化学的に反応させることで発電する燃料電池は、高効率でかつ環境負荷を低減可能な発電装置として近年脚光を浴びており、性能向上、コスト削減や高耐久化のための研究が行われている。この燃料電池の適用が検討される分野は多岐にわたるが、開発が特に活発化している分野の一つに家庭用コジェネレーションプラントが挙げられる。   In recent years, fuel cells that generate electricity by electrochemically reacting an oxidant (for example, air) and fuel (for example, a mixed gas containing hydrogen) have been in the limelight as a highly efficient power generation device that can reduce environmental impact. Research is underway to improve performance, reduce costs, and increase durability. There are many fields in which the application of this fuel cell is considered, but one of the fields where development is particularly active is home cogeneration plants.

家庭用コジェネレーションプラントは、一般に、発電ユニットと熱利用ユニットなどから構成され、これらのユニット間が排熱回収に用いる温水を流通させる温水循環ライン等により接続されている。   A household cogeneration plant is generally composed of a power generation unit, a heat utilization unit, and the like, and these units are connected by a hot water circulation line or the like for circulating hot water used for exhaust heat recovery.

発電ユニットは、一般的に電解質、例えば固体高分子膜を、酸化剤極(カソード)と燃料極(アノード)で挟み込んで形成される単位セルが搭載されている燃料電池スタックを備えている。また、都市ガスやプロパンガス等の原燃料ガスを改質して水素リッチガスを生成し、水素リッチガスを燃料電池スタック内の燃料極に供給する燃料処理系などを備えている。   The power generation unit generally includes a fuel cell stack on which a unit cell formed by sandwiching an electrolyte, for example, a solid polymer film, between an oxidant electrode (cathode) and a fuel electrode (anode) is mounted. In addition, a fuel processing system that reforms raw fuel gas such as city gas or propane gas to generate hydrogen rich gas and supplies the hydrogen rich gas to the fuel electrode in the fuel cell stack is provided.

さらに、この発電ユニットは、空気を燃料電池スタック内の酸化剤極に供給する酸化剤供給系と、電池や燃料処理系からの排熱を回収し熱利用ユニットに熱入力する熱管理システムと、燃料電池スタックにおいて生成された直流出力を電力系統に連係可能な交流に変換する電力変換装置などを備えている。   Furthermore, the power generation unit includes an oxidant supply system that supplies air to the oxidant electrode in the fuel cell stack, a heat management system that collects exhaust heat from the battery and the fuel processing system and inputs the heat to the heat utilization unit, A power conversion device that converts a direct current output generated in the fuel cell stack into an alternating current that can be linked to a power system is provided.

燃料電池スタックで行われるエネルギー変換は、例えば固体高分子形では、下記の式(1)〜式(3)に示される単位セルにおける電気化学反応に基づいて行われる。なお、固体高分子形のように約100℃以下で動作する燃料電池では、一般的に反応促進のために白金触媒または白金を主体とする合金触媒などが使用される。また、この燃料電池は、酸化剤極と燃料極のいずれもガスを透過する導電性の多孔質体を基材とし、その表面に触媒が多孔質層を成すよう保持されている。この触媒は他方で電解質と接触している。   The energy conversion performed in the fuel cell stack is performed based on an electrochemical reaction in a unit cell represented by the following formulas (1) to (3), for example, in the case of a solid polymer type. In a fuel cell that operates at about 100 ° C. or less like a solid polymer type, a platinum catalyst or an alloy catalyst mainly composed of platinum is generally used for promoting the reaction. In this fuel cell, both the oxidant electrode and the fuel electrode are made of a conductive porous material that allows gas to pass through, and the catalyst is held on the surface so as to form a porous layer. On the other hand, this catalyst is in contact with the electrolyte.

燃料極での反応 :2H→4H+4e …(1)
酸化剤極での反応:O+4H+4e → 2HO …(2)
全反応 :2H+O→2HO …(3)
ここで、上記電気化学反応による単位セルの発生電圧は、動作条件での電極における酸化還元反応のギブスエネルギーに規制され、理論上の上限は1.2V程度である。さらに、反応に伴う活性化分極、濃度分極、および抵抗等の損失により、通常は1V以下のセル電圧しか得られない。
Reaction at the fuel electrode: 2H 2 → 4H + + 4e (1)
Reaction at oxidant electrode: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (2)
Total reaction: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O (3)
Here, the voltage generated in the unit cell due to the electrochemical reaction is regulated by the Gibbs energy of the oxidation-reduction reaction at the electrode under operating conditions, and the theoretical upper limit is about 1.2V. Furthermore, due to the loss of activation polarization, concentration polarization, resistance, etc. accompanying the reaction, usually only a cell voltage of 1 V or less can be obtained.

したがって、燃料電池スタックは、所要の電圧を得るために単位セルを電気的直列になるよう複数積層して両端から締付けて、積層電池として構成されている。この積層電池に反応ガス、冷却水の取合い、電力の取出しタップ、計装線などを取り付けたものを燃料電池スタックと称している。   Therefore, the fuel cell stack is configured as a laminated battery by laminating a plurality of unit cells so as to be in electrical series and fastening them from both ends in order to obtain a required voltage. A fuel cell stack is a stack battery in which reaction gas, cooling water, a power tap, an instrumentation line, and the like are attached.

なお、燃料電池スタックを構成する各単位セル間には、酸化剤と燃料との直接混合を防止するセパレータが挿入されている。このセパレータには、通常単位セルへ酸化剤と燃料を分配するための流路が設けられている。   A separator that prevents direct mixing of the oxidant and the fuel is inserted between the unit cells constituting the fuel cell stack. This separator is usually provided with a flow path for distributing oxidant and fuel to the unit cells.

単位セルは化学反応に伴うエネルギー落差(生成熱)を電気エネルギーに変換する変換デバイスであるため、電気エネルギーに変換されなかったエネルギー落差(例えば束縛エネルギー分、分極による損失エネルギー分)は、熱として放出される。   Since the unit cell is a conversion device that converts the energy drop (generated heat) that accompanies a chemical reaction into electrical energy, the energy drop that is not converted into electrical energy (for example, bound energy or lost energy due to polarization) is converted into heat. Released.

ここで、単位セルにおける過熱を防止し、放出される熱を回収してコジェネレーションプラント内で有効に活用するため、複数の単位セルには、それらの間に冷却板が挿入されている。つまり、冷却水が、燃料電池スタックを含む燃料電池発電システム内を冷却板を通じて循環することにより、セルで発生する熱を回収している。なお、この冷却板は通常セパレータと一体化されている。   Here, in order to prevent overheating in the unit cells and recover the released heat and effectively use it in the cogeneration plant, cooling plates are inserted between the plurality of unit cells. That is, the cooling water circulates through the fuel cell power generation system including the fuel cell stack through the cooling plate, thereby recovering heat generated in the cells. This cooling plate is usually integrated with a separator.

ところで、単位セルで発生する電圧は、分極により低下する。分極は、活性化分極、抵抗分極、および拡散分極に大別される。これらの分極を制御して必要な電圧を確保することが、セル設計および運転制御の要諦である。特に固体高分子形燃料電池セルの場合には、電解質である固体高分子膜を湿潤状態に維持し、抵抗分極を低く維持するための加湿が重要である。   By the way, the voltage generated in the unit cell decreases due to polarization. Polarization is roughly classified into activation polarization, resistance polarization, and diffusion polarization. It is important for cell design and operation control to control these polarizations and secure a necessary voltage. In particular, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, it is important to humidify the polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte, in a wet state and keep the resistance polarization low.

しかし、加湿の方法がセル内部での反応ガスの拡散状態に大きく影響する。電解質膜が湿潤状態にある場合には電圧低下における拡散分極の寄与率が相対的に大きくなる。この拡散分極は、電気化学反応による反応ガスの消費速度が拡散速度に近づくにつれて顕著となるため、反応ガスの拡散を阻害する要因の制御が重要となる。   However, the humidification method greatly affects the diffusion state of the reaction gas inside the cell. When the electrolyte membrane is in a wet state, the contribution of diffusion polarization in the voltage drop is relatively large. This diffusion polarization becomes more prominent as the reaction gas consumption rate due to the electrochemical reaction approaches the diffusion rate. Therefore, it is important to control factors that inhibit the diffusion of the reaction gas.

固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、例えば特許文献1および特許文献2などに開示されているように、電解質である固体高分子膜の湿潤状態を維持することを目的として、燃料電池セルを様々な方式で燃料電池スタック外部、あるいはセル内部から加湿する方法が提案されている。   In a polymer electrolyte fuel cell power generation system, as disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2, various fuel cell units are used for the purpose of maintaining a wet state of a solid polymer film as an electrolyte. A method of humidifying from the outside of the fuel cell stack or from the inside of the cell is proposed.

例えば、酸化剤供給系から供給される酸化剤ガスが、燃料電池スタックの入口付近に設けられた加湿器などにより加湿される方法が知られている。この例では、加湿された酸化剤ガスが、燃料電池スタックに導入される。また、燃料ガスには、燃料処理系における改質反応等の過程において、供給または生成された蒸気が混合されて燃料電池スタックに供給される。   For example, a method is known in which oxidant gas supplied from an oxidant supply system is humidified by a humidifier or the like provided near the inlet of the fuel cell stack. In this example, humidified oxidant gas is introduced into the fuel cell stack. In addition, the fuel gas is mixed with the vapor that is supplied or generated in the process such as the reforming reaction in the fuel processing system and supplied to the fuel cell stack.

なお、外部から加湿する方式は、セル温度の露点に相当する蒸気圧を得る為のエネルギーを確保する必要がある。よって、システム効率への影響を抑えながら加湿に必要なエネルギーを取得する。このため、燃料電池スタック出口付近には排気または電池入口ガスの熱交換を行う方式が採用されている。   In addition, the method of humidifying from the outside needs to secure energy for obtaining a vapor pressure corresponding to the dew point of the cell temperature. Therefore, the energy necessary for humidification is acquired while suppressing the influence on the system efficiency. For this reason, a method of exchanging heat of exhaust gas or cell inlet gas is adopted in the vicinity of the fuel cell stack outlet.

しかしながら、加湿に必要なエネルギーをシステム効率への影響を抑えつつ取得することができても、外部から加湿する方式では、加湿後の加湿水の凝縮や積層セル間の配分の均一化等を配慮する必要がある。また、燃料電池セル内部には加湿水だけではなく、酸化剤極内で発電に伴い生成された水および燃料極から酸化剤極に向かう水素イオン等に伴って電解質膜内を通過する水(随伴水)の流れがある。さらに、含水率の勾配にしたがって拡散する水の流れなどが存在する。   However, even if the energy required for humidification can be acquired while suppressing the impact on system efficiency, the method of humidifying from the outside considers the condensation of humidified water after humidification and the uniform distribution between stacked cells. There is a need to. In addition, not only humidified water but also water generated by power generation in the oxidant electrode and water that passes through the electrolyte membrane with hydrogen ions from the fuel electrode toward the oxidant electrode, etc. There is a flow of water. Furthermore, there is a flow of water that diffuses according to the gradient of moisture content.

さらに、セルに導入される反応ガスとの熱交換によりセルから気相への蒸発や気相からセルへの凝縮が生じる。そのため、セル自身の発熱を考慮すると、セル内の水と熱が相互に影響し合って複雑な挙動を示す。   Furthermore, heat exchange with the reaction gas introduced into the cell causes evaporation from the cell to the gas phase and condensation from the gas phase to the cell. Therefore, considering the heat generation of the cell itself, the water and heat in the cell interact with each other and exhibit complex behavior.

セル内部の傾向は、セルの入口部では乾燥傾向に、出口部では水分過剰傾向となる。セルの触媒層またはセパレータと接する両電極のガス拡散層に対して、適切な範囲を超えて水が滞留した場合には、ガス拡散阻害が顕著となる。このガス拡散阻害の傾向は、生成水と随伴水により水分が潤沢になる酸化剤極で主に発生する。   The tendency inside the cell tends to be dry at the inlet of the cell and excessive moisture at the outlet. In the case where water stays beyond the appropriate range with respect to the gas diffusion layer of both electrodes in contact with the catalyst layer of the cell or the separator, the inhibition of gas diffusion becomes significant. This tendency of gas diffusion inhibition mainly occurs at the oxidizer electrode where water is enriched by generated water and accompanying water.

また、酸素の拡散速度が水素の拡散速度よりも遅いことから酸素極の分極がセル全体の性能を左右する。   Further, since the oxygen diffusion rate is slower than the hydrogen diffusion rate, the polarization of the oxygen electrode affects the performance of the entire cell.

なお、セル内の凝縮に関して、加湿されたセル内の反応ガス中の水分はほぼ飽和湿度にあり、セル内の低温部分において反応ガス中の水分が凝縮する。この凝縮水がガス溝中に生じ、この凝縮水が排除できない場合には、溝が閉塞し、閉塞部分の下流において反応ガスの欠乏状態が発生する。   Regarding the condensation in the cell, the moisture in the reaction gas in the humidified cell is almost saturated humidity, and the moisture in the reaction gas is condensed in a low temperature portion in the cell. When this condensed water is generated in the gas groove and this condensed water cannot be removed, the groove is closed, and a reaction gas deficiency occurs downstream of the closed portion.

反応ガスの欠乏状態が発生したセルでは、特性の急激な低下が生じる。そのため、安定した運転が困難になるだけではなく、局所的な電流集中による局所過熱や炭素部材の腐食等によりセルやセパレータの永久的な損傷が生じる可能性がある。   In the cell in which the reaction gas deficiency occurs, the characteristics are rapidly deteriorated. Therefore, not only stable operation becomes difficult, but there is a possibility that the cell or the separator is permanently damaged due to local overheating due to local current concentration, corrosion of the carbon member, or the like.

上記の現象は酸化剤極および燃料極のいずれにおいても重大な問題である。直接内部加湿方式においてセル溝内への給水や蒸発のばらつきにより溝内に液滴が滞留した場合にも、同様な現象が発生することがある。   The above phenomenon is a serious problem in both the oxidant electrode and the fuel electrode. In the direct internal humidification method, the same phenomenon may occur when droplets stay in the groove due to variations in water supply or evaporation into the cell groove.

そこで、特許文献4に開示されているように、セル内の加湿不均一と水滴の滞留によるガス溝閉塞の対策として、単位セル間に多孔質セパレータを配置して、冷却水の一部を多孔質セパレータを流通させて反応ガスの加湿に用いる手段が、提案されている。   Therefore, as disclosed in Patent Document 4, as a countermeasure against gas groove blockage due to non-humidification in the cells and retention of water droplets, a porous separator is arranged between the unit cells, and a part of the cooling water is made porous. Means have been proposed in which a quality separator is circulated and used to humidify the reaction gas.

この方式によれば、冷却水を循環させる冷却系の圧力を反応ガスよりも低く(大気圧以下も含む)設定することにより、溝に滞留する水滴を当該冷却系に吸引することができ、溝閉塞に起因する諸問題を解決することが可能となる。さらに、本方式ではセル平面内の局所的な水のバランスに応じて自律的に加湿および吸湿が行われるため、セル平面内で均一な加湿状態を、溝閉塞のリスクを伴わずに実現することができる。   According to this method, by setting the pressure of the cooling system for circulating the cooling water to be lower than that of the reaction gas (including atmospheric pressure or less), water droplets staying in the groove can be sucked into the cooling system. It is possible to solve various problems caused by the blockage. Furthermore, since this method autonomously humidifies and absorbs moisture according to the local water balance in the cell plane, a uniform humidification state in the cell plane must be realized without risk of groove blockage. Can do.

上記のようにセルの水管理や熱管理に重要な役割を果たすセパレータ上の流路パターンは流路に沿って温度分布、湿度分布、圧損、入口部または出口部の取り合い位置等を考慮して決められる。   As described above, the flow path pattern on the separator, which plays an important role in water management and heat management of the cell, takes into account the temperature distribution, humidity distribution, pressure loss, and the joint position of the inlet or outlet along the flow path. It is decided.

特開2001−176529号公報JP 2001-176529 A 特開2003−142134号公報JP 2003-142134 A 特開2001−176522号公報JP 2001-176522 A 特表平11−508726号公報Japanese National Patent Publication No. 11-508726 特開2004−103456号公報JP 2004-103456 A 特開平6−68884号公報JP-A-6-68884 特開2009−115649号公報JP 2009-115649 A

ところで、家庭用燃料電池発電システムを実用化するためには、信頼性向上のため、燃料電池スタックは、安定した出力を長期間供給する必要がある。したがって、燃料電池スタック内のセルに対して、セル特性の劣化防止を目的とした開発が進められている。   By the way, in order to put a household fuel cell power generation system into practical use, the fuel cell stack needs to supply a stable output for a long period of time in order to improve reliability. Therefore, the development for the purpose of preventing the deterioration of the cell characteristics is in progress for the cells in the fuel cell stack.

セル特性劣化防止の対策の1つとして、潜熱冷却運転、すなわち冷却水の蒸発潜熱とセル発熱がバランスするように冷却水流量を減少させることで、燃料電池スタック温度を上昇させてセル内部での水凝縮を抑制し、長期的な電圧低下を抑制する方法が考えられている。   As one of the measures for preventing the deterioration of cell characteristics, the latent heat cooling operation, that is, the cooling water flow rate is decreased so that the evaporation latent heat of the cooling water and the cell heat generation are balanced, thereby increasing the temperature of the fuel cell stack and A method for suppressing water condensation and suppressing long-term voltage drop has been considered.

また、潜熱冷却を行うことにより、冷却に必要な水循環流量を従来の1/10程度に削減することが可能である。この結果、冷却水ポンプの小型化および低動力化が可能になる。さらに、高温運転を行なうことにより排熱回収効率が向上し、システム全体としての総合熱効率(発電効率および排熱回収効率の和)向上にも寄与する。   Further, by performing latent heat cooling, it is possible to reduce the water circulation flow rate required for cooling to about 1/10 of the conventional one. As a result, it is possible to reduce the size and power of the cooling water pump. Furthermore, exhaust heat recovery efficiency is improved by performing high-temperature operation, which contributes to improving the overall thermal efficiency of the entire system (the sum of power generation efficiency and exhaust heat recovery efficiency).

潜熱冷却運転においても多孔質セパレータを採用することにより、セルの反応面内に均一に水分を供給して蒸発させることが可能となり、電池内部の温度および湿度分布を均一に維持することができる。   By adopting the porous separator also in the latent heat cooling operation, it becomes possible to uniformly supply water to the reaction surface of the cell and evaporate it, and to maintain the temperature and humidity distribution inside the battery uniformly.

しかし、多孔質セパレータを冷却水流量が少ない条件で使用するためには、冷却水に混入するガスへの対策が必要となる。多孔質セパレータへは運転中に、多孔質部材内を貫通して反応ガス流路から冷却水流路にガスが混入する。冷却水流路に混入したガスは、水流により排出されれば問題ない。しかし、冷却水流路に混入したガスが、流路内部に堆積した場合には冷却水流路を閉塞してしまう可能性がある。冷却水流路の閉塞は、局所的な水供給不足による局所過熱や加湿不足の原因となり、燃料電池セルの運転を困難にする。さらに、冷却水流路の閉塞は、不可逆的な性能の低下や電解質膜の損傷等、製品寿命へ悪影響を及ぼす可能性が高い。   However, in order to use the porous separator under conditions where the cooling water flow rate is small, it is necessary to take measures against the gas mixed in the cooling water. During operation, the porous separator penetrates through the porous member and gas is mixed from the reaction gas flow path into the cooling water flow path. There is no problem if the gas mixed in the cooling water flow path is discharged by the water flow. However, when the gas mixed in the cooling water flow path accumulates inside the flow path, the cooling water flow path may be blocked. The blockage of the cooling water flow path causes local overheating and insufficient humidification due to a local shortage of water supply, and makes the operation of the fuel cell difficult. Further, the clogging of the cooling water flow path has a high possibility of adversely affecting the product life, such as irreversible performance degradation and electrolyte membrane damage.

電池内部における冷却水流路内への気泡混入への主要な対策方針としては以下のようなものが挙げられる。   The main countermeasures against bubbles mixed into the cooling water flow path inside the battery include the following.

(1)冷却水流路の壁面から水流内へ気泡が排出される際の気泡サイズより溝の最小寸法を大きくする。   (1) The minimum dimension of the groove is made larger than the bubble size when bubbles are discharged from the wall surface of the cooling water channel into the water flow.

(2)冷却水内の気泡の浮力による排出を促すため、冷却水溝を鉛直方向に延びる直線状とし、冷却水の流れ方向を浮力と同じ方向、すなわち上昇流とする。   (2) In order to promote the discharge of the bubbles in the cooling water by buoyancy, the cooling water groove is formed in a straight line extending in the vertical direction, and the flow direction of the cooling water is the same as the buoyancy, that is, the upward flow.

(3)気泡の合体を防ぐため、気泡と冷却水からなる冷却水流路内気液二相流の流動様式が気泡流になる様に、気泡混入量を抑制する。このため、セパレータ入口での冷却水と反応ガスの圧力差およびセパレータ内の冷却水圧損を小さくすることにより、ガス流路と冷却水流路内の圧力差、すなわち多孔質部材内を通過するガスの駆動力を小さくして混入ガス量を抑制する。   (3) To prevent coalescence of bubbles, the amount of bubbles mixed in is controlled so that the flow mode of the gas-liquid two-phase flow in the cooling water flow path composed of bubbles and cooling water becomes a bubble flow. Therefore, by reducing the pressure difference between the cooling water and the reaction gas at the separator inlet and the cooling water pressure loss in the separator, the pressure difference between the gas flow path and the cooling water flow path, that is, the gas passing through the porous member is reduced. Reduce the driving force to reduce the amount of mixed gas.

(4)周期的に冷却水流量を増加させて強制的な気泡排除を行う。   (4) Forcibly removing bubbles by periodically increasing the cooling water flow rate.

これらの対策方針を行うためには、特許文献5に開示されているようなサーペインタイン型流路、または特許文献6に開示されているような垂直溝流路などが知られている。   In order to carry out these countermeasures, a surpaintine type flow path as disclosed in Patent Document 5 or a vertical groove flow path as disclosed in Patent Document 6 is known.

サーペインタイン流路の大部分が水平溝となるため、気泡は、水流によって押し出すことによって排除される。したがって、潜熱冷却を行うために流量を下げると気泡排除に必要な流速を確保できなくなる場合がある。また、流路の本数が少ないため、流路1本あたりの面積が大きく、流路一本あたりの気泡混入の頻度が大きくなる。さらに、一度流路に閉塞が生じると、その影響範囲が大きくなる。   Since most of the surpaint tin flow channel is a horizontal groove, bubbles are eliminated by being pushed out by the water flow. Therefore, if the flow rate is lowered to perform latent heat cooling, it may not be possible to secure a flow rate necessary for bubble elimination. Further, since the number of flow paths is small, the area per flow path is large, and the frequency of mixing bubbles per flow path is increased. Furthermore, once the blockage occurs in the flow path, the influence range becomes large.

また、長期の運転においては冷却水流路内に気泡が堆積する可能性が高まるため、周期的に冷却水流量を増加させて強制的な気泡排除を行うことが望ましい。しかし、この構成では流路の圧力損失が大きいため、流量を増加させたときの圧力損失の変化幅が大きくなる。したがって周期的な気泡排除運転を行う限り、冷却水循環ポンプの小型化には限界がある。また圧損が大きいことは気泡の流入量を増やしてしまうことにもなる。   Further, in the long-term operation, the possibility of bubbles being accumulated in the cooling water flow path is increased, so it is desirable to perform forced bubble removal by periodically increasing the cooling water flow rate. However, in this configuration, since the pressure loss of the flow path is large, the variation range of the pressure loss when the flow rate is increased becomes large. Therefore, there is a limit to downsizing the cooling water circulation pump as long as periodic bubble removal operation is performed. In addition, a large pressure loss also increases the amount of inflow of bubbles.

一方、上記問題を解決する方法としては、鉛直流路を採用する手法もある。これは、比較的面積の小さいセルに使用され、水透過板と組み合わされることもある。この鉛直流路の構成は溝が鉛直方向に配置されていることから、流路内の流れが気泡流であれば、気泡を浮力で上昇させることが可能である。また、サーペインタイン型と比較して、流路長が短く並列流路数が多いため圧力損失が小さく、ポンプの小型化も可能となる。   On the other hand, as a method for solving the above problem, there is a method of adopting a vertical flow path. This is used for cells with a relatively small area and may be combined with a water permeable plate. Since the grooves are arranged in the vertical direction in this vertical flow path configuration, if the flow in the flow path is a bubble flow, the bubbles can be raised by buoyancy. Further, compared with the sir pain tin type, the flow path length is short and the number of parallel flow paths is large, so that the pressure loss is small and the pump can be downsized.

しかし、この構成では流速が大きくなるにつれて鉛直流路間の流量配分の不均一が増加してしまう問題点がある。この問題はセルを大型化して、冷却水流路の数が多くなると顕著になる。この流量配分の不均一化は、分岐および合流に伴う静圧の変化と水平部での圧力損失の関係に起因している。さらに、この不均一化は、合流および分岐損失、並びに水平部での圧力損失と比較して、鉛直流路での圧力損失および重力(水頭)の影響が相対的に小さくなるほど、顕著になる。長期の運転においては冷却水流路内に気泡が堆積する可能性が高まるため、周期的に冷却水流量を増加させて強制的な気泡排除を行うことが望ましい。しかし、この構成では流量を増加させても一部の流路においては流量が増加しないため、当該部に気泡が堆積した場合にはその排除が困難になることがある。   However, in this configuration, there is a problem that non-uniformity in the flow rate distribution between the vertical flow paths increases as the flow velocity increases. This problem becomes conspicuous when the size of the cell is increased and the number of cooling water flow paths is increased. This non-uniform flow distribution is caused by the relationship between the change in static pressure accompanying branching and merging and the pressure loss at the horizontal part. Further, this non-uniformity becomes more prominent as the effects of pressure loss and gravity (water head) in the vertical flow path become relatively smaller compared to confluence and branching loss, and pressure loss in the horizontal portion. In the long-term operation, the possibility of bubbles accumulating in the cooling water flow path increases, so it is desirable to forcibly eliminate bubbles by periodically increasing the cooling water flow rate. However, in this configuration, even if the flow rate is increased, the flow rate does not increase in some of the flow paths. Therefore, it may be difficult to eliminate bubbles that accumulate in the portion.

さらに、プラントでの運転では上述したセパレータ内部での気泡混入の他に、電池スタック以外の部位で冷却水循環系に混入する気泡の対策も考慮する必要がある。多孔質セパレータは反応ガス圧力より冷却水圧力を下げて運転することで、その特徴を有効に活用することが可能である。しかし、常圧運転、すなわち反応ガスが大気圧近くで電池スタックに導入される場合においては、冷却水圧力を大気圧より低くする場合がある。よって、配管接続部などで大気が冷却水循環系内にリークインするリスクがある。   Furthermore, in the operation at the plant, it is necessary to consider measures against bubbles mixed in the cooling water circulation system at a site other than the battery stack, in addition to the bubbles mixed inside the separator. By operating the porous separator with the cooling water pressure lower than the reaction gas pressure, the characteristics of the porous separator can be effectively utilized. However, in normal pressure operation, that is, when the reaction gas is introduced into the battery stack near atmospheric pressure, the cooling water pressure may be lower than atmospheric pressure. Therefore, there is a risk that the atmosphere leaks into the cooling water circulation system at a pipe connection portion or the like.

冷却水循環系内へのリークインは配管系の適切な施工と検査により抑制することは可能ではある。しかし、現地での長期間運転においては不測の事態に対するロバスト性を確保する等の要求もある。   Leak-in into the cooling water circulation system can be suppressed by appropriate construction and inspection of the piping system. However, there is also a demand for ensuring robustness against unforeseen circumstances during long-term operation at the site.

前述した2つの構成のいずれも、燃料電池スタック入口の気泡の影響を抑制するための配慮がなされていない。   In either of the two configurations described above, no consideration is given to suppressing the influence of bubbles at the inlet of the fuel cell stack.

本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、多孔質セパレータによる内部加湿セルにおいて、潜熱冷却運転時における気泡流入の抑制および気泡の排除を行い、広範囲の冷却水量で運転可能にすることである。   The present invention has been proposed in order to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to suppress bubble inflow and eliminate bubbles in a latent heat cooling operation in an internal humidification cell using a porous separator, thereby cooling a wide range of cooling. It is to be able to operate with the amount of water.

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムの運転方法は、電解質を酸化剤極および燃料極により挟持して形成される単位セルと、冷却水を冷却水供給部から供給し冷却水排出部から排出するように形成される冷却水流路部を有し、この冷却水流路部は、流路面が多孔質材であって、複数の区画に分割されて、これらの区画それぞれには複数の第1溝が互いに平行に形成されており、これらの第1溝に前記冷却水が上方に向かって流通するように構成されている第1冷却水流路と、前記複数の区画それぞれに形成される前記第1溝に垂直な方向に延びて前記第1溝の両端部それぞれに形成される溝に前記冷却水が流通し、前記第1冷却水流路と連結するように構成される第2冷却水流路と、前記第2冷却水流路と前記冷却水供給部または前記冷却水排出部とを連結し、前記冷却水が流通するように構成される第3冷却水流路と、を有し、前記流路面を構成する多孔質材の平均気孔径をd、前記冷却水の表面張力をσ、前記冷却水と前記第1冷却水流路の接触面における前記冷却水の接触角をθ、重力加速度をg、前記冷却水の密度をρ、前記冷却水内に混入するガスの密度をρ、とするとき、前記第1冷却水流路の前記冷却水の流通方向に垂直な断面の最小寸法は、D=[4d σsinθ/g(ρ−ρ)]1/3で規定される値Dよりも大きい燃料電池セパレータと、を交互に積層して形成される燃料電池スタックを具備する燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池セパレータに一定の流量で冷却水を供給する冷却水供給工程と、前記燃料電池セパレータに、所定の時間間隔で冷却水の流量を増減させながら供給し、前記冷却水流路部内の気泡を排出する気泡排出工程と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for operating a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention includes a unit cell formed by sandwiching an electrolyte between an oxidant electrode and a fuel electrode, and a cooling water supply unit that supplies cooling water. The cooling water flow path portion is formed so as to be supplied from the cooling water discharge portion and discharged from the cooling water discharge portion. The cooling water flow path portion is a porous material whose flow path surface is divided into a plurality of sections. each partition has a plurality of first grooves are formed in a flat row to each other, a first coolant passage in which the cooling water in these first groove is configured to flow upward, the The cooling water extends in a direction perpendicular to the first groove formed in each of the plurality of sections and flows in the grooves formed at both ends of the first groove so as to be connected to the first cooling water flow path. A second cooling water flow path configured as described above, and the second cooling water flow path An average air of a porous material that connects the cooling water supply section or the cooling water discharge section and has a third cooling water flow path configured to allow the cooling water to flow therethrough and constitutes the flow path surface. The hole diameter is d P , the surface tension of the cooling water is σ , the contact angle of the cooling water at the contact surface between the cooling water and the first cooling water flow path is θ, the gravitational acceleration is g, and the density of the cooling water is ρ L When the density of the gas mixed in the cooling water is ρ G , the minimum dimension of the cross section perpendicular to the flow direction of the cooling water in the first cooling water channel is D B = [4d P σ sin θ / in g (ρ L -ρ G)] 1/3 at defined values D operating method of the fuel cell power generation system comprising a fuel cell stack formed by alternately laminating a fuel cell separator larger, the more B Supplying cooling water to the fuel cell separator at a constant flow rate A cooling water supply step; and a bubble discharging step of supplying the fuel cell separator with increasing or decreasing a flow rate of the cooling water at a predetermined time interval and discharging bubbles in the cooling water flow path section. .

本発明の実施形態によれば、多孔質セパレータによる内部加湿セルにおいて、潜熱冷却運転時における気泡流入の抑制および気泡の排除を行い、広範囲の冷却水量で運転を可能とする。   According to the embodiment of the present invention, in the internal humidification cell by the porous separator, the bubble inflow is suppressed and the bubbles are eliminated during the latent heat cooling operation, and the operation can be performed with a wide range of cooling water amount.

本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態を示す平面図である。1 is a plan view showing an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention. 図1の燃料電池スタックのII−II矢視立断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of the fuel cell stack of FIG. 1. 図2の冷却水供給部付近の部分拡大立断面図である。FIG. 3 is a partially enlarged sectional view of the vicinity of a cooling water supply unit in FIG. 2. 図2の冷却水流路の壁面を示す概略立断面図である。FIG. 3 is a schematic vertical sectional view showing a wall surface of a cooling water passage in FIG. 2. 図2の燃料電池セパレータにおける気泡直径と気泡上昇速度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the bubble diameter and bubble rising speed in the fuel cell separator of FIG. 図1の燃料電池スタックの運転時間と冷却水流量の関係を示すグラフである。2 is a graph showing the relationship between the operation time of the fuel cell stack of FIG. 1 and the coolant flow rate. 図2の燃料電池セパレータの第1溝の番号と溝流量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the number of the 1st groove | channel of the fuel cell separator of FIG. 2, and a groove | channel flow volume. 従来の冷却水流路部を示す立断面図である。It is an elevation sectional view showing the conventional cooling water channel part. 図8の冷却水流路部における冷却水溝の番号と溝流量の関係を数値解析により算出した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having calculated the relationship between the number of the cooling water groove in the cooling water flow-path part of FIG. 8, and a groove flow volume by numerical analysis. 内部マニホールド方式の燃料電池スタックに図1の冷却水流路構造を適用した例を示す立断面図である。FIG. 2 is an elevational sectional view showing an example in which the cooling water channel structure of FIG. 1 is applied to an internal manifold type fuel cell stack.

以下、図面を用いて本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態について説明する。図1は、本実施形態の燃料電池スタックの一部を示す平面図であって、2つの燃料電池セパレータ2によって、単位セル1が挟み込まれた状態を示すものである。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a part of the fuel cell stack of the present embodiment, and shows a state in which a unit cell 1 is sandwiched between two fuel cell separators 2.

燃料電池スタックは、ほぼ鉛直に立てられた平板状の単位セル1と、これと同様にほぼ鉛直に立てられた平板状の燃料電池セパレータ2が、水平方向に交互に積層されて構成されている。単位セル1は、固体分子電解質膜3が酸化剤極4および燃料極5によって挟み込まれた構造を有している。   The fuel cell stack is composed of flat unit cells 1 standing substantially vertically and flat fuel cell separators 2 standing substantially vertically like this, alternately stacked in the horizontal direction. . The unit cell 1 has a structure in which a solid molecular electrolyte membrane 3 is sandwiched between an oxidant electrode 4 and a fuel electrode 5.

単位セル1を挟み込むように構成される燃料電池セパレータ2は、多孔質材で形成されており、燃料ガス流路部6、酸化剤ガス流路部7、および冷却水流路部8を有している。燃料ガス流路部6には、水素等の燃料ガスが流通する燃料ガス流路11が形成されている。酸化剤ガス流路部7には、空気等の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路12が形成されている。冷却水流路部8は、冷却水が流通する冷却水流路13が形成されている。冷却水流路13が形成された燃料電池セパレータの表面を流路面と定義する。   The fuel cell separator 2 configured to sandwich the unit cell 1 is formed of a porous material, and includes a fuel gas flow path portion 6, an oxidant gas flow path portion 7, and a cooling water flow path portion 8. Yes. A fuel gas passage 11 through which a fuel gas such as hydrogen flows is formed in the fuel gas passage portion 6. The oxidant gas flow path portion 7 is formed with an oxidant gas flow path 12 through which an oxidant gas such as air flows. The cooling water channel portion 8 is formed with a cooling water channel 13 through which the cooling water flows. The surface of the fuel cell separator in which the cooling water channel 13 is formed is defined as a channel surface.

この燃料電池セパレータ2は、冷却水流路部8が、燃料ガス流路部6と酸化剤ガス流路部7によって挟み込まれた構造を有している。なお、単位セル1の酸化剤極4側には酸化剤ガス流路部7が接しており、燃料極5側には、燃料ガス流路部6が接している。   The fuel cell separator 2 has a structure in which a cooling water channel portion 8 is sandwiched between a fuel gas channel portion 6 and an oxidant gas channel portion 7. Note that an oxidant gas flow path portion 7 is in contact with the oxidant electrode 4 side of the unit cell 1, and a fuel gas flow path portion 6 is in contact with the fuel electrode 5 side.

燃料電池スタックで行われるエネルギー変換は、例えば固体高分子形では、式(1)〜式(3)に示される単位セル1における電気化学反応に基づいて行われる。このとき、冷却水流路13を流通する冷却水の一部は、上記式(1)〜(3)の電気科学反応に使用されるため、図1に示す反応用冷却水流通方向40に沿った経路を流通する。   The energy conversion performed in the fuel cell stack is performed based on an electrochemical reaction in the unit cell 1 represented by the formulas (1) to (3) in the solid polymer form, for example. At this time, since a part of the cooling water flowing through the cooling water flow path 13 is used for the electrochemical reaction of the above formulas (1) to (3), the cooling water flowing along the reaction cooling water flowing direction 40 shown in FIG. Distribute the route.

図2は、図1の燃料電池スタックに配置された燃料電池セパレータ2の冷却水流路部8のII−II矢視立断面図である。   FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of the cooling water flow path portion 8 of the fuel cell separator 2 arranged in the fuel cell stack of FIG.

この冷却水流路部8には、燃料電池セパレータ2の外部から冷却水を供給する冷却水供給部15、および冷却水を燃料電池セパレータ2の外部に排出する冷却水排出部16が設けられている。燃料電池スタックが組み上がった状態では、下方に冷却水供給部15、上方に冷却水排出部16となるように配置される。   The cooling water flow path portion 8 is provided with a cooling water supply portion 15 that supplies cooling water from the outside of the fuel cell separator 2 and a cooling water discharge portion 16 that discharges the cooling water to the outside of the fuel cell separator 2. . In the assembled state of the fuel cell stack, the cooling water supply unit 15 is disposed below and the cooling water discharge unit 16 is disposed above.

冷却水流路部8には、冷却水流路部8が形成される面上に沿ってほぼ全域に複数平行に配置された第1溝21が形成されている。なお、この第1溝21は、燃料電池スタックが組み上がった状態では、鉛直方向に延びるように形成されている。また、この第1溝21には、冷却水が流通するように形成されている。これら複数の第1溝21からなる流路群を第1冷却水流路22と定義する。   The cooling water flow path portion 8 is formed with a plurality of first grooves 21 that are arranged in parallel substantially over the entire surface along the surface on which the cooling water flow path portion 8 is formed. The first groove 21 is formed to extend in the vertical direction when the fuel cell stack is assembled. The first groove 21 is formed so that cooling water flows. A flow path group composed of the plurality of first grooves 21 is defined as a first cooling water flow path 22.

第1冷却水流路22は、4つの区画、例えば第1区画31、第2区画32、第3区画33、第4区画34に分割されている。4つの区画31、32、33、34それぞれには、ほぼ同数程度の第1溝21が配置されている。   The first cooling water channel 22 is divided into four sections, for example, a first section 31, a second section 32, a third section 33, and a fourth section 34. In each of the four sections 31, 32, 33, 34, approximately the same number of first grooves 21 are arranged.

なお、冷却水供給部15には、4つの区画31、32、33、34に冷却水を分配する連絡溝部17が形成されている。   The cooling water supply unit 15 is formed with a communication groove 17 that distributes the cooling water to the four sections 31, 32, 33, and 34.

4つの区画31、32、33、34に分割された第1冷却水流路22それぞれには、複数の第1溝21の冷却水入口側の端部に、第1溝21が延びる方向に垂直な方向、すなわち水平方向に冷却水が流れるように溝が形成されている。同様に冷却水出口側の端部にも、水平方向に冷却水が流れるように溝が形成されている。これらの溝を、入口側第2冷却水流路23および出口側第2冷却水流路24と定義する。なお、入口側第2冷却水流路23および出口側第2冷却水流路24は、4つの区画31、32、33、34それぞれに配置されている。   In each of the first cooling water flow paths 22 divided into four sections 31, 32, 33, and 34, the end of the plurality of first grooves 21 on the cooling water inlet side is perpendicular to the direction in which the first grooves 21 extend. Grooves are formed so that the cooling water flows in the direction, that is, in the horizontal direction. Similarly, a groove is formed at the end on the cooling water outlet side so that the cooling water flows in the horizontal direction. These grooves are defined as an inlet-side second cooling water channel 23 and an outlet-side second cooling water channel 24. In addition, the inlet side 2nd cooling water flow path 23 and the exit side 2nd cooling water flow path 24 are arrange | positioned at the four divisions 31, 32, 33, and 34, respectively.

さらに、冷却水供給部15に配置される連絡溝部17と入口側第2冷却水流路23を接続する流路が形成されており、この流路を入口側第3冷却水流路25と定義する。一方、冷却水排出部16と出口側第2冷却水流路24を接続する流路が形成されており、この流路を出口側第3冷却水流路26と定義する。   Further, a flow path connecting the communication groove portion 17 arranged in the cooling water supply unit 15 and the inlet side second cooling water flow path 23 is formed, and this flow path is defined as an inlet side third cooling water flow path 25. On the other hand, a flow path connecting the cooling water discharge portion 16 and the outlet side second cooling water flow path 24 is formed, and this flow path is defined as an outlet side third cooling water flow path 26.

ここで、燃料電池セパレータ2内の冷却水の流れについて説明する。   Here, the flow of the cooling water in the fuel cell separator 2 will be described.

冷却水は、冷却水供給部15から燃料電池セパレータ2に供給される。冷却水供給部15から供給される冷却水は、連絡溝部17によって4つの区画31、32、33、34それぞれに配置される入口側第3冷却水流路25に分配される。入口側第3冷却水流路25を流通する冷却水は、入口側第2冷却水流路23に流入し、複数の第1溝21を有する第1冷却水流路22に分配される。なお、入口側第2冷却水流路23は、入口側第3冷却水流路25から供給された冷却水を、第1冷却水流路22に分配する分配ヘッダとして利用される。   The cooling water is supplied from the cooling water supply unit 15 to the fuel cell separator 2. The cooling water supplied from the cooling water supply unit 15 is distributed to the inlet-side third cooling water channel 25 arranged in each of the four sections 31, 32, 33, 34 by the communication groove 17. Cooling water flowing through the inlet-side third cooling water channel 25 flows into the inlet-side second cooling water channel 23 and is distributed to the first cooling water channel 22 having the plurality of first grooves 21. The inlet-side second cooling water channel 23 is used as a distribution header that distributes the cooling water supplied from the inlet-side third cooling water channel 25 to the first cooling water channel 22.

第1冷却水流路22を流通した冷却水は、出口側第2冷却水流路24で合流して、出口側第3冷却水流路26を流通して、冷却水排出部16から排出される。なお、出口側第2冷却水流路24は、第1冷却水流路22から供給された冷却水を合流させて、出口側第3冷却水流路26に供給する合流ヘッダとして利用されている。   The cooling water that has flowed through the first cooling water flow path 22 merges at the outlet side second cooling water flow path 24, flows through the outlet side third cooling water flow path 26, and is discharged from the cooling water discharge unit 16. The outlet-side second cooling water channel 24 is used as a merging header that combines the cooling water supplied from the first cooling water channel 22 and supplies it to the outlet-side third cooling water channel 26.

第1冷却水流路22に流入された冷却水の一部は、反応用冷却水流通方向40に沿った経路を流通することでセパレータ内部を移動し、式(1)〜式(3)の反応によりセル内で生成された水とともに酸化剤ガス流路12で蒸発する。   A part of the cooling water that has flowed into the first cooling water flow path 22 moves through the path along the reaction cooling water flow direction 40, and the reaction of the equations (1) to (3) Evaporates in the oxidant gas flow path 12 together with the water generated in the cell.

4つの区画31、32、33、34に配置された第1冷却水流路22それぞれの長さおよび冷却水の流通方向に垂直な断面の断面寸法は等しくなるように形成されている。また入口側および出口側第2冷却水流路23、24についても同様に、その長さおよび断面寸法は等しい。   The lengths of the first cooling water flow paths 22 arranged in the four sections 31, 32, 33, and 34 and the cross-sectional dimensions of the cross section perpendicular to the flow direction of the cooling water are formed to be equal. Similarly, the lengths and cross-sectional dimensions of the inlet-side and outlet-side second cooling water channels 23 and 24 are the same.

入口側および出口側第3冷却水流路25、26を構成する溝については、各区画の水流入部と水出口部の長さの合計値が流路面内で等しくなるように構成されている。   About the groove | channel which comprises the inlet side and outlet side 3rd cooling water flow paths 25 and 26, it is comprised so that the total value of the length of the water inflow part of each division and a water outlet part may become equal in a flow-path surface.

さらに、第1冷却水流路22の断面の最小寸法は式(4)のDで規定される値よりも大きく、さらに2倍以上であることが望ましい。 Furthermore, the smallest dimension of the cross section of the first cooling water passage 22 is greater than the value defined by D B of the formula (4), it is desirable that the two more times.

ここで、dは流路面を構成する多孔質材の平均気孔径、σは冷却水の表面張力、θは冷却水と冷却水流路13の接触面における冷却水の接触角、gは重力加速度、ρは冷却水の密度、ρGは冷却水内に混入するガスの密度である。 Here, d P is the average pore diameter of the porous material constituting the channel surface, σ is the surface tension of the cooling water, θ is the contact angle of the cooling water at the contact surface between the cooling water and the cooling water channel 13, and g is the acceleration of gravity. , Ρ L is the density of the cooling water, and ρ G is the density of the gas mixed in the cooling water.

=[4dσsinθ/g(ρ−ρG)]1/3 …(4)
本実施形態では、Dは約0.3mm、第1冷却水流路22の最小寸法は約0.7mmである。また、入口側および出口側第2冷却水流路23、24の断面積は第1冷却水流路22の断面積よりも大きい。本実施形態では、第1冷却水流路22の断面積の約2倍を有している。一方、入口側および出口側第3冷却水流路25、26の断面積は、第1冷却水流路22とほぼ等しい。
D B = [4d P σ sin θ / g (ρ L −ρ G )] 1/3 (4)
In this embodiment, D B is about 0.3 mm, the smallest dimension of the first coolant passage 22 is about 0.7 mm. Further, the cross-sectional area of the inlet-side and outlet-side second cooling water flow paths 23, 24 is larger than the cross-sectional area of the first cooling water flow path 22. In the present embodiment, it has about twice the cross-sectional area of the first cooling water channel 22. On the other hand, the cross-sectional areas of the inlet side and outlet side third cooling water passages 25 and 26 are substantially equal to those of the first cooling water passage 22.

図3は、図2に示す燃料電池セパレータ2の冷却水供給部15付近の部分拡大立断面図であり、燃料電池スタックの外部からの流入する気泡42に対する、冷却水供給部15における流路形状の作用を示したものである。   FIG. 3 is a partially enlarged sectional view in the vicinity of the cooling water supply unit 15 of the fuel cell separator 2 shown in FIG. 2, and the flow path shape in the cooling water supply unit 15 with respect to bubbles 42 flowing from the outside of the fuel cell stack. This shows the effect of.

また、冷却水供給部15は、連絡溝部17を境に流路の幅とピッチを変えている。連絡溝部17より上流側では流路の幅とピッチを第1冷却水流路22と等しく、連絡溝部17より下流側では流路の幅寸法を入口側第2冷却水流路23と等しくしている。また、冷却水排出部16では流路の幅を出口側第2冷却水流路24と等しくしている。   Moreover, the cooling water supply part 15 changes the width | variety and pitch of a flow path with the communication groove part 17 as a boundary. The width and pitch of the flow path are equal to those of the first cooling water flow path 22 on the upstream side of the communication groove 17, and the width dimension of the flow path is equal to that of the inlet-side second cooling water flow path 23 on the downstream side of the communication groove 17. In the cooling water discharge part 16, the width of the flow path is made equal to the outlet side second cooling water flow path 24.

燃料電池スタックの外部から、内部流路よりも大きな気泡42が入ってきた場合、特に潜熱冷却運転時のように流速が小さい場合において、気泡42冷却水供給部15の流路の一部を塞いだまま滞留してしまう場合がある。このような場合でも連絡溝部17があることで、塞がれていない流路から全ての内部流路に冷却水を流入することが可能である。   When bubbles 42 larger than the internal flow path enter from the outside of the fuel cell stack, particularly when the flow velocity is small as in the latent heat cooling operation, a part of the flow path of the bubble 42 cooling water supply unit 15 is blocked. There is a case where it stays. Even in such a case, the presence of the communication groove portion 17 allows the cooling water to flow into all the internal flow paths from the unblocked flow path.

次に、図4および図5により、流路内部の多孔質壁面からの気泡42の流入に対する、流路サイズの作用について説明する。   Next, referring to FIG. 4 and FIG. 5, the effect of the channel size on the inflow of the bubbles 42 from the porous wall surface inside the channel will be described.

図4は、燃料電池セパレータ2の冷却水路における気泡42を示す立断面図である。図5は、気泡直径に対する気泡上昇速度を示すグラフである。   FIG. 4 is an elevational sectional view showing the bubbles 42 in the cooling water channel of the fuel cell separator 2. FIG. 5 is a graph showing the bubble rising speed with respect to the bubble diameter.

多孔質の垂直壁を透過してきたガスは、液体と接する壁面で気泡42となり、気泡42が成長して、ある程度大きくなると浮力の作用により壁面から離れる。壁面から離れた気泡42は、単独気泡として液体内を上昇していく。壁面、冷却水、およびガスの間の界面張力と浮力の関数として前述した式(4)で与えられる。   The gas that has permeated the porous vertical wall becomes a bubble 42 on the wall surface in contact with the liquid, and when the bubble 42 grows and becomes large to a certain extent, it separates from the wall surface due to the action of buoyancy. Bubbles 42 separated from the wall surface rise in the liquid as single bubbles. The above equation (4) is given as a function of the interfacial tension and buoyancy between the wall surface, cooling water, and gas.

一度壁面を離れた気泡42は、浮力により上昇していく。この浮力の大きさは上昇距離に相当する水頭分の圧力変化のみに依存する。このため、気泡42同士が合体しなければ、気泡42の大きさの変化はわずかである。通常の上昇管の場合には、気泡42同士の合体が生ずる条件は、ボイド率が約25%を超える場合である。本実施形態では、合体することなく単独の気泡42として上昇する。   Once the air bubble 42 leaves the wall surface, it rises due to buoyancy. The magnitude of this buoyancy depends only on the pressure change of the head corresponding to the ascent distance. For this reason, if the bubbles 42 do not coalesce, the change in the size of the bubbles 42 is slight. In the case of a normal riser tube, the condition for the coalescence of the bubbles 42 is when the void ratio exceeds about 25%. In this embodiment, it rises as a single bubble 42 without coalescence.

図5に示すように、垂直管内の単独気泡42の上昇速度は、気泡42の直径が大きくなると、これに伴い大きくなる傾向がある。しかし、気泡直径が流路断面寸法Dpに近づくにしたがって、壁面の影響を受けて減速する。本実施形態では気泡径0.3mm〜0.4mmに対して、第1冷却水流路の断面寸法Dpを0.7mmとしているため、浮力による気泡上昇速度は最大になり、気泡42の排出効率は最も高くなる。   As shown in FIG. 5, the rising speed of the single bubble 42 in the vertical tube tends to increase as the diameter of the bubble 42 increases. However, as the bubble diameter approaches the channel cross-sectional dimension Dp, it is decelerated under the influence of the wall surface. In this embodiment, since the cross-sectional dimension Dp of the first cooling water channel is 0.7 mm with respect to the bubble diameter of 0.3 mm to 0.4 mm, the bubble rising speed due to buoyancy is maximized, and the discharge efficiency of the bubbles 42 is Highest.

次に、第1冷却水流路22、入口側および出口側第2冷却水流路23、24、および入口側および出口側第3冷却水流路25、26の組合せの作用について説明する。   Next, the operation of the combination of the first cooling water channel 22, the inlet side and outlet side second cooling water channels 23, 24, and the inlet side and outlet side third cooling water channels 25, 26 will be described.

気泡42は第1冷却水流路22を上昇し出口側第2冷却水流路24に突き当たり、そのまま出口側第3冷却水流路26を通過して燃料電池セパレータ2の外部に排出される。出口側第2冷却水流路24および出口側第3冷却水流路26は、水平流路である。しかし、第1冷却水流路22の流れが合流するため、出口側第2冷却水流路24および出口側第3冷却水流路26の流速は、第1冷却水流路22よりも速い。したがって、気泡42を速やかに外部に排出することが可能である。   The bubbles 42 rise up the first cooling water flow path 22, hit the outlet side second cooling water flow path 24, pass through the outlet side third cooling water flow path 26 as they are, and are discharged to the outside of the fuel cell separator 2. The outlet side second cooling water channel 24 and the outlet side third cooling water channel 26 are horizontal channels. However, since the flows of the first cooling water channel 22 merge, the flow rates of the outlet side second cooling water channel 24 and the outlet side third cooling water channel 26 are faster than those of the first cooling water channel 22. Therefore, it is possible to quickly discharge the bubbles 42 to the outside.

気泡42を排出する速度は、出口側第2冷却水流路24によって連通される第1冷却水流路22に配置される第1溝22の数、すなわち区画1つ当りの第1溝22の数によって決定される。   The speed at which the bubbles 42 are discharged depends on the number of first grooves 22 arranged in the first cooling water flow path 22 communicated by the outlet-side second cooling water flow path 24, that is, the number of first grooves 22 per section. It is determined.

入口側および出口側第2冷却水流路23、24と第1冷却水流路22との寸法の組合せは、区画内での第1冷却水流路22の第1溝21間の流量配分に影響する。すなわち、第1冷却水流路22での圧力損失が入口側および出口側第2冷却水流路23、24での圧力損失および第1冷却水流路22と入口側および出口側第2冷却水流路23、24との間の分岐または合流時の圧力損失の効果に比べて小さくなるにしたがって、第1冷却水流路22の第1溝21間の流量配分の不均一が増大する。   The combination of the dimensions of the inlet-side and outlet-side second cooling water flow paths 23, 24 and the first cooling water flow path 22 affects the flow distribution between the first grooves 21 of the first cooling water flow path 22 in the compartment. That is, the pressure loss in the first cooling water flow path 22 is the pressure loss in the inlet side and outlet side second cooling water flow paths 23, 24 and the first cooling water flow path 22 and the inlet side and outlet side second cooling water flow paths 23, As the effect of pressure loss at the time of branching or merging with 24 decreases, the non-uniformity in the flow distribution between the first grooves 21 of the first cooling water passage 22 increases.

第1冷却水流路22の圧損は、上述の気泡上昇速度の観点からは、流路断面寸法Dpを小さくするのに制限がある。また、入口側および出口側第2冷却水流路23、24の流速は、気泡排除の点からなるべく大きくとる必要がある。したがって、入口側および出口側第2冷却水流路23、24の断面寸法を大きくすること、および分岐数すなわち区画あたりの第1冷却水流路22の第1溝21の数を少なくすること、の双方を満足するように最適化する必要がある。   The pressure loss of the first cooling water channel 22 is limited in reducing the channel cross-sectional dimension Dp from the viewpoint of the bubble rising speed. Further, the flow rates of the inlet-side and outlet-side second cooling water channels 23 and 24 need to be as large as possible from the viewpoint of bubble elimination. Therefore, both of increasing the cross-sectional dimensions of the inlet-side and outlet-side second cooling water channels 23 and 24 and reducing the number of branches, that is, the number of the first grooves 21 of the first cooling water channel 22 per section, are both. It is necessary to optimize so as to satisfy.

本実施形態では、入口側および出口側第2冷却水流路23、24の断面積は第1冷却水流路22の断面積の約2倍としている。   In the present embodiment, the cross-sectional area of the inlet-side and outlet-side second cooling water flow paths 23, 24 is approximately twice the cross-sectional area of the first cooling water flow path 22.

流路面内の各区画31、32、33、34間の流量配分を均一化するためには、入口側および出口側第3冷却水流路25、26の寸法を最適化する必要がある。本実施形態では、各区画31、32、33、34の間で入口側および出口側第3冷却水流路25、26の長さを揃えること、および第1冷却水流路22の圧損より入口側および出口側第3冷却水流路25、26の圧損をより大きく取ることによって、均一化が図られている。   In order to make the flow distribution between the sections 31, 32, 33, and 34 in the flow path surface uniform, it is necessary to optimize the dimensions of the inlet side and outlet side third cooling water flow paths 25 and 26. In the present embodiment, the lengths of the inlet-side and outlet-side third cooling water channels 25, 26 are made uniform between the sections 31, 32, 33, 34, and the inlet side and the pressure loss of the first cooling water channel 22 By making the pressure loss of the outlet side third cooling water passages 25 and 26 larger, the uniformity is achieved.

図6は、本実施形態における燃料電池スタックの運転時間と冷却水流量の関係を示すグラフである。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the operation time of the fuel cell stack and the coolant flow rate in the present embodiment.

上述のように燃料電池セパレータ2の設計を施策したにも関わらず、長期運転においては、冷却水流路13内に気泡42が堆積する場合もある。冷却水供給部15に堆積した気泡42の強制的に排除するためには、例えば図6に示すように、周期的に冷却水流量を流量Q1から流量Q3まで増加させて強制的な気泡排除を行ってもよい。   In spite of measures for designing the fuel cell separator 2 as described above, bubbles 42 may accumulate in the cooling water flow path 13 during long-term operation. In order to forcibly eliminate the bubbles 42 accumulated in the cooling water supply unit 15, for example, as shown in FIG. 6, the cooling water flow rate is periodically increased from the flow rate Q1 to the flow rate Q3 to forcibly eliminate the bubbles. You may go.

図7は、燃料電池セパレータ2の複数の第1溝21それぞれに番号付けした番号と、その番号に対応する第1溝21に流れる冷却水流量の関係を示すグラフである。また、図8および図9は、図1および図7の比較例である。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the numbers assigned to the plurality of first grooves 21 of the fuel cell separator 2 and the flow rate of the cooling water flowing through the first grooves 21 corresponding to the numbers. 8 and 9 are comparative examples of FIGS. 1 and 7.

図8は従来型燃料電池セパレータの従来型冷却水流路部110を示す立断面図である。この従来型冷却水流路部110には、従来型燃料電池セパレータの外部から冷却水を供給する冷却水供給部15、および冷却水を外部に排出する冷却水排出部16が設けられている。   FIG. 8 is an elevational sectional view showing the conventional cooling water flow path 110 of the conventional fuel cell separator. The conventional cooling water flow path section 110 is provided with a cooling water supply section 15 that supplies cooling water from the outside of the conventional fuel cell separator, and a cooling water discharge section 16 that discharges the cooling water to the outside.

従来型冷却水流路部110が形成される面上には、冷却水が流通する冷却水溝120が、この面に沿ってほぼ全域に複数平行に配置されている。なお、この冷却水溝120は、燃料電池スタックが組み上がった状態では、鉛直方向に延びるように形成されている。この冷却水溝120に冷却水が流通するように形成されている。   On the surface on which the conventional cooling water flow path portion 110 is formed, a plurality of cooling water grooves 120 through which the cooling water flows are arranged substantially in parallel along this surface. The cooling water groove 120 is formed to extend in the vertical direction when the fuel cell stack is assembled. It is formed so that cooling water flows through the cooling water groove 120.

図9は、図8に示した構成において流量を増加した場合に各冷却水溝120に流れる冷却水の量を数値解析によって示したものである。この従来の構成では流速が大きくなるにしたがって、冷却水溝120間の流量不均一が増加してしまう問題点がある。   FIG. 9 shows the amount of cooling water flowing in each cooling water groove 120 when the flow rate is increased in the configuration shown in FIG. 8 by numerical analysis. This conventional configuration has a problem that the non-uniform flow rate between the cooling water grooves 120 increases as the flow velocity increases.

図9に示すように、流量Q1、流量Q2、および流量Q3は、セパレータ1枚当りの冷却水流量を示し、流量Q2および流量Q3は、それぞれ流量Q1の2.5倍および5倍の流量である。図9に示すように流量の増加にともない冷却水溝120間の流量配分が著しく不均一化していることが分かる。   As shown in FIG. 9, the flow rate Q1, the flow rate Q2, and the flow rate Q3 indicate the cooling water flow rate per separator, and the flow rate Q2 and the flow rate Q3 are 2.5 times and 5 times the flow rate Q1, respectively. is there. As shown in FIG. 9, it can be seen that the flow rate distribution between the cooling water grooves 120 is remarkably non-uniform as the flow rate increases.

これに対して、図7に示すように、冷却水流量を増減させても第1冷却水流路22の第1溝21間の流量配分は、従来の構成に比べて均一化されていることから、気泡42の排除を確実に行なうことが可能となる。   On the other hand, as shown in FIG. 7, even if the cooling water flow rate is increased or decreased, the flow rate distribution between the first grooves 21 of the first cooling water channel 22 is made uniform compared to the conventional configuration. It is possible to reliably eliminate the bubbles 42.

また、従来の例えばサーペインタイン型の流路に比較して圧損が小さくまた流量変化に対する圧損変化を小さくすることができるため、冷却水ポンプの小型化および小動力化にも寄与する。   Further, since the pressure loss is smaller than that of a conventional sirpaine tine type flow path and the pressure loss change with respect to the flow rate change can be reduced, the cooling water pump can be reduced in size and power.

よって、本実施形態の燃料電池のセパレータ2、およびそれを使用した燃料電池スタックによれば、均一加湿と溝閉塞の回避において特に優れている多孔質セパレータを用いながら、燃料電池スタック内への気泡42の堆積を抑制することが可能となる。   Therefore, according to the separator 2 of the fuel cell according to the present embodiment and the fuel cell stack using the same, air bubbles into the fuel cell stack can be obtained while using the porous separator that is particularly excellent in uniform humidification and avoiding the groove blockage. It is possible to suppress the deposition of 42.

したがって、潜熱冷却運転を安定して継続することが可能となり、製品価値の向上に大きく寄与する。   Accordingly, the latent heat cooling operation can be continued stably, which greatly contributes to the improvement of product value.

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、これらは単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。上記実施形態で例示した構成は図1の形状に限るものではなく、例えば図10に示すように、内部マニホールド方式の燃料電池スタックに図1の冷却水流路構造を適用することも可能である。   As mentioned above, although embodiment which concerns on this invention was described, these are only illustrations, Comprising: This invention is not limited to these. The configuration illustrated in the above embodiment is not limited to the shape shown in FIG. 1. For example, as shown in FIG. 10, the cooling water flow path structure shown in FIG. 1 can be applied to an internal manifold type fuel cell stack.

また、上記実施形態では、燃料電池セパレータ2の冷却水流路13を4つの区画31、32、33、34に分割したが、これに限らず、複数に分割することが可能である。   Moreover, in the said embodiment, although the cooling water flow path 13 of the fuel cell separator 2 was divided | segmented into the four divisions 31, 32, 33, 34, it is not restricted to this but can be divided | segmented into plurality.

なお、上記実施形態の燃料電池セパレータ2の燃料ガス流路部6、酸化剤ガス流路部7、および冷却水流路部8は、それぞれが独立の層を形成して、3層構造となっているが、これに限らない。例えば、1つの平板の片面に燃料ガス流路11を形成し、反対面に冷却水流路13を形成してもよい。   In addition, the fuel gas flow path portion 6, the oxidant gas flow path portion 7, and the cooling water flow path portion 8 of the fuel cell separator 2 of the above embodiment each form an independent layer to form a three-layer structure. However, it is not limited to this. For example, the fuel gas channel 11 may be formed on one side of one flat plate, and the cooling water channel 13 may be formed on the opposite side.

1…単位セル、2…燃料電池セパレータ、3…固体分子電解質膜、4…酸化剤極、5…燃料極、6…燃料ガス流路部、7…酸化剤ガス流路部、8…冷却水流路部、11…燃料ガス流路、12…酸化剤ガス流路、13…冷却水流路、15…冷却水供給部、16…冷却水排出部、17…連絡溝部、21…第1溝、22…第1冷却水流路、23…入口側第2冷却水流路、24…出口側第2冷却水流路、25…入口側第3冷却水流路、26…出口側第3冷却水流路、31…第1区画、32…第2区画、33…第3区画、34…第4区画、40…反応用冷却水流通方向、42…気泡、110…従来型冷却水流路部、120…冷却水溝   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Unit cell, 2 ... Fuel cell separator, 3 ... Solid molecular electrolyte membrane, 4 ... Oxidant electrode, 5 ... Fuel electrode, 6 ... Fuel gas flow path part, 7 ... Oxidant gas flow path part, 8 ... Cooling water flow 11: Fuel gas flow path, 12 ... Oxidant gas flow path, 13 ... Cooling water flow path, 15 ... Cooling water supply section, 16 ... Cooling water discharge section, 17 ... Communication groove section, 21 ... First groove, 22 ... 1st cooling water flow path, 23 ... Inlet side 2nd cooling water flow path, 24 ... Outlet side 2nd cooling water flow path, 25 ... Inlet side 3rd cooling water flow path, 26 ... Outlet side 3rd cooling water flow path, 31 ... 1st 1 section, 32 ... 2nd section, 33 ... 3rd section, 34 ... 4th section, 40 ... reaction water flow direction for reaction, 42 ... bubbles, 110 ... conventional cooling water flow path section, 120 ... cooling water groove

Claims (1)

電解質を酸化剤極および燃料極により挟持して形成される単位セルと、
冷却水を冷却水供給部から供給し冷却水排出部から排出するように形成される冷却水流路部を有し、この冷却水流路部は、流路面が多孔質材であって、複数の区画に分割されて、これらの区画それぞれには複数の第1溝が互いに平行に形成されており、これらの第1溝に前記冷却水が上方に向かって流通するように構成されている第1冷却水流路と、前記複数の区画それぞれに形成される前記第1溝に垂直な方向に延びて前記第1溝の両端部それぞれに形成される溝に前記冷却水が流通し、前記第1冷却水流路と連結するように構成される第2冷却水流路と、前記第2冷却水流路と前記冷却水供給部または前記冷却水排出部とを連結し、前記冷却水が流通するように構成される第3冷却水流路と、を有し、前記流路面を構成する多孔質材の平均気孔径をd、前記冷却水の表面張力をσ、前記冷却水と前記第1冷却水流路の接触面における前記冷却水の接触角をθ、重力加速度をg、前記冷却水の密度をρ、前記冷却水内に混入するガスの密度をρ、とするとき、前記第1冷却水流路の前記冷却水の流通方向に垂直な断面の最小寸法は、D=[4d σsinθ/g(ρ−ρ)]1/3で規定される値Dよりも大きい燃料電池セパレータと、
を交互に積層して形成される燃料電池スタックを具備する燃料電池発電システムの運転方法において、
前記燃料電池セパレータに一定の流量で冷却水を供給する冷却水供給工程と、
前記燃料電池セパレータに、所定の時間間隔で冷却水の流量を増減させながら供給し、前記冷却水流路部内の気泡を排出する気泡排出工程と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
A unit cell formed by sandwiching an electrolyte between an oxidant electrode and a fuel electrode;
A cooling water flow path portion configured to supply cooling water from the cooling water supply section and discharge from the cooling water discharge section, the cooling water flow path portion being a porous material on the flow path surface, and having a plurality of compartments is divided into, first these compartments plurality of first grooves each are configured to have formed in a flat row to each other, the cooling water to these first grooves flows upward The cooling water flows through a cooling water flow path and a groove formed in each of both ends of the first groove extending in a direction perpendicular to the first groove formed in each of the plurality of sections, and the first A second cooling water channel configured to be connected to the cooling water channel, the second cooling water channel and the cooling water supply unit or the cooling water discharge unit are connected, and the cooling water is circulated. A third cooling water flow path, and a flat surface of a porous material constituting the flow path surface. The pore diameter d P, the surface tension of the coolant sigma, the contact angle of the cooling water on the contact surfaces of the first coolant passage and the coolant theta, a gravitational acceleration g, the density of the cooling water ρ When L and the density of the gas mixed in the cooling water are ρ G , the minimum dimension of the cross section perpendicular to the flow direction of the cooling water in the first cooling water channel is D B = [4d P σ sin θ a fuel cell separator is greater than / g (ρ L -ρ G) ] value D B defined by 1/3,
In a method of operating a fuel cell power generation system comprising a fuel cell stack formed by alternately laminating
A cooling water supply step of supplying cooling water to the fuel cell separator at a constant flow rate;
A bubble discharging step of supplying the fuel cell separator with increasing or decreasing a flow rate of cooling water at a predetermined time interval, and discharging bubbles in the cooling water flow path section,
A method for operating a fuel cell power generation system, comprising:
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