JP6071680B2 - Operation method of fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、第1セパレータ、第1電解質・電極構造体、第2セパレータ、第2電解質・電極構造体及び第3セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設ける燃料電池スタックの運転方法に関する。
The present invention, the first separator, a first electrolyte electrode assembly, the second separator, to a method of operating a fuel cell stack to provide a plurality of power generating units being laminated in this order of the second electrolyte electrode assembly and the third separator .
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の一方側にアノード電極が、他方側にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、前記燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode on one side and a cathode electrode on the other side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided as a pair. It is pinched by the separator. A plurality of fuel cells are usually stacked to form a fuel cell stack, and the fuel cell stack is mounted on, for example, a fuel cell electric vehicle.
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。 In the fuel cell described above, a fuel gas flow path is provided in the surface of one separator so as to flow the fuel gas so as to face the anode electrode, and oxidation is performed in the surface of the other separator so as to face the cathode electrode. An oxidant gas flow path for flowing the agent gas is provided. Furthermore, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.
ところで、燃料電池スタックでは、所定数の発電セル(単位セル)間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池は、例えば、図9に示す特許文献1に開示されているように、第1セパレータ1、第1セル2、第2セパレータ3、第2セル4及び第3セパレータ5が積層されている。
By the way, the fuel cell stack may adopt a so-called thinning cooling structure in which a cooling medium flow path is formed between a predetermined number of power generation cells (unit cells). For example, as disclosed in
第1セル2は、固体高分子電解質膜2aの両面に燃料極2b及び空気極2cが配設されている。第2セル4は、第1セル2と同様に構成されている。第1セパレータ1と第1セル2との間には、第1燃料ガス通路6aが形成され、第2セパレータ3と前記第1セル2との間には、第1酸化剤ガス通路7aが形成されている。第2セパレータ3と第2セル4との間には、第2燃料ガス通路6bが形成されるとともに、第3セパレータ5と前記第2セル4との間には、第2酸化剤ガス通路7bが形成されている。互いに隣接する第1セパレータ1と第3セパレータ5との間には、冷却水通路8が形成されている。
In the
上記の燃料電池では、第1燃料ガス通路6aに隣接して冷却水通路8が設けられるとともに、第2酸化剤ガス通路7bに隣接して前記冷却水通路8が設けられている。一方、第2燃料ガス通路6b及び第1酸化剤ガス通路7aは、互いに隣接して設けられるとともに、冷却水通路8から離間している。
In the fuel cell, the cooling water passage 8 is provided adjacent to the first
このため、第1燃料ガス通路6aは、第2燃料ガス通路6bよりも低温になり易く、第2酸化剤ガス通路7bは、第1酸化剤ガス通路7aよりも低温になり易い。従って、燃料電池の発電時に生成される水やガス加湿水は、温度の低い第1燃料ガス通路6a及び第2酸化剤ガス通路7bで結露する場合が多い。
For this reason, the first
これにより、第1燃料ガス通路6a及び第2酸化剤ガス通路7bでは、生成水によって燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが阻害され、安定した発電が行われないという問題がある。特に、水が生成される第2酸化剤ガス通路7bでは、第1燃料ガス通路6aに比べて多くの結露水が存在し易く、上記の問題が顕著になっている。
Thereby, in the first
本発明は、この種の間引き冷却構造の燃料電池において、冷却媒体流路に相対的に近接する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制し、安定した発電を確実に行うことが可能な燃料電池スタックの運転方法を提供することを目的とする。
In the fuel cell having this type of thinning cooling structure, the present invention satisfactorily suppresses the generation water from staying in the fuel gas flow channel and the oxidant gas flow channel that are relatively close to the cooling medium flow channel, and to provide a stable method of operating a fuel cell stack capable of reliably performing power generation.
本発明に係る燃料電池スタックの運転方法において、燃料電池スタックは、電解質の両側に電極が配設される第1電解質・電極構造体及び第2電解質・電極構造体を有し、第1セパレータ、前記第1電解質・電極構造体、第2セパレータ、前記第2電解質・電極構造体及び第3セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設けている。
In the fuel cell stack operating method according to the present invention , the fuel cell stack has a first electrolyte / electrode structure and a second electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte, and the first separator, A plurality of power generation units are provided in the order of the first electrolyte / electrode structure, the second separator, the second electrolyte / electrode structure, and the third separator.
第1セパレータと第1電解質・電極構造体との間には、発電面に沿って燃料ガスを流す第1燃料ガス流路が形成され、前記第1電解質・電極構造体と第2セパレータとの間には、前記発電面に沿って酸化剤ガスを流す第1酸化剤ガス流路が形成され、前記第2セパレータと第2電解質・電極構造体との間には、前記発電面に沿って前記燃料ガスを流す第2燃料ガス流路が形成され、前記第2電解質・電極構造体と第3セパレータとの間には、前記発電面に沿って前記酸化剤ガスを流す第2酸化剤ガス流路が形成されている。そして、各発電ユニット間に、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されている。 A first fuel gas flow path is formed between the first separator and the first electrolyte / electrode structure along the power generation surface. The first fuel gas flow path is formed between the first electrolyte / electrode structure and the second separator. A first oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas along the power generation surface is formed between the second separator and the second electrolyte / electrode structure along the power generation surface. A second fuel gas flow path for flowing the fuel gas is formed, and a second oxidant gas for flowing the oxidant gas along the power generation surface between the second electrolyte / electrode structure and the third separator. A flow path is formed. And the cooling medium flow path through which a cooling medium flows is formed between each electric power generation unit.
また、この燃料電池スタックの運転方法では、第1燃料ガス流路に供給される燃料ガスの流量を、第2燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1と、第2酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスの流量を、第1酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2とが、1<G1<G2の関係に設定されて、発電運転を行っている。 In this fuel cell stack operation method, the fuel gas flow rate ratio G1 is obtained by dividing the flow rate of the fuel gas supplied to the first fuel gas flow path by the flow rate of the fuel gas supplied to the second fuel gas flow path. And an oxidant gas flow rate ratio G2 obtained by dividing the flow rate of the oxidant gas supplied to the second oxidant gas flow channel by the flow rate of the oxidant gas supplied to the first oxidant gas flow channel is 1. The relationship of <G1 <G2 is set and the power generation operation is performed.
本発明によれば、燃料ガス流量比G1及び酸化剤ガス流量比G2は、1<G1<G2の関係に設定されている。このため、冷却媒体流路に近接する第1燃料ガス流路には、前記冷却媒体流路から離間する第2燃料ガス流路よりも多くの燃料ガスが供給され、前記第1燃料ガス流路に生成水が滞留することを抑制することができる。
According to the present invention, the fuel gas flow rate ratio G1 and the oxidant gas flow rate ratio G2 are set to satisfy the
同様に、冷却媒体流路に近接する第2酸化剤ガス流路には、前記冷却媒体流路から離間する第1酸化剤ガス流路よりも多くの酸化剤ガスが供給され、前記第2酸化剤ガス流路に生成水が滞留することを抑制することが可能になる。 Similarly, more oxidant gas is supplied to the second oxidant gas flow channel adjacent to the cooling medium flow channel than the first oxidant gas flow channel separated from the cooling medium flow channel, and the second oxidation gas flow channel is supplied. It is possible to prevent the generated water from staying in the agent gas flow path.
しかも、第1燃料ガス流路よりも生成水が滞留し易い第2酸化剤ガス流路は、燃料ガス流量比G1よりも大きな酸化剤ガス流量比G2に設定されるため、前記第2酸化剤ガス流路からの生成水の排出が一層確実に遂行され、前記生成水の滞留が良好に抑制される。これにより、冷却媒体流路に相対的に近接する第1燃料ガス流路及び第2酸化剤ガス流路に、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制することができ、安定した発電を確実に行うことが可能になる。 In addition, since the second oxidant gas flow path in which the generated water is more likely to stay than the first fuel gas flow path is set to an oxidant gas flow rate ratio G2 larger than the fuel gas flow rate ratio G1, the second oxidant The discharge of the generated water from the gas flow path is more reliably performed, and the retention of the generated water is satisfactorily suppressed. Thereby, it is possible to satisfactorily prevent the generated water from staying in the first fuel gas flow channel and the second oxidant gas flow channel that are relatively close to the cooling medium flow channel, thereby ensuring stable power generation. It becomes possible to do.
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の発電ユニット12を水平方向(矢印A方向)又は重力方向(矢印C方向)に沿って互いに積層する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
各発電ユニット12は、第1セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)16a、第2セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3セパレータ20を設ける。
Each
第1セパレータ14、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第1セパレータ14、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第1セパレータ14、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
The
第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16b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22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード電極24及びカソード電極26とを備える。固体高分子電解質膜22は、アノード電極24及びカソード電極26の平面寸法よりも大きな平面寸法を有する。
The first electrolyte membrane /
なお、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bは、アノード電極24及びカソード電極26が固体高分子電解質膜22と同一の平面寸法に設定されてもよく、前記アノード電極24又は前記カソード電極26の一方が前記固体高分子電解質膜22よりも小さな平面寸法を有する、所謂、段差MEAを構成してもよい。
In the first electrolyte membrane /
アノード電極24及びカソード電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。
The
図1に示すように、発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、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入口連通孔30a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔32bが、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34aを上下に挟んで設けられる。
As shown in FIG. 1, an oxidation for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge in the long side direction (arrow B direction) of the
発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔32a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bが、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34bを上下に挟んで設けられる。
The other end edge in the long side direction (arrow B direction) of the
図1及び図3に示すように、第1セパレータ14の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第1燃料ガス流路36が設けられる。第1燃料ガス流路36は、例えば、矢印B方向に延在する複数の直線状溝部を有する。なお、第1燃料ガス流路36は、湾曲部や屈曲部を有していてもよく、また、波状流路やサーペンタイン流路でもよい。以下に説明する他の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路でも、同様である。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
第1燃料ガス流路36と燃料ガス入口連通孔32aとは、複数の凸状部38a間に形成される第1入口連通路(所謂、ブリッジ部)40aを介して連通する。第1入口連通路40aの通路数Na1は、例えば、5本に設定されるとともに、各第1入口連通路40aは、ガス流れ方向に交差する幅方向(矢印C方向)に沿って幅寸法h1に設定される。
The first fuel
第1燃料ガス流路36と燃料ガス出口連通孔32bとは、複数の凸状部38b間に形成される第1出口連通路(所謂、ブリッジ部)40bを介して連通する。第1出口連通路40bの通路数Na1は、例えば、5本に設定されるとともに、各第1出口連通路40bは、幅寸法h1に設定される。なお、第1入口連通路40aと第1出口連通路40bは、通路数及び断面積が互いに異なっていてもよい。以下、同様である。
The first fuel
凸状部38a、38bは、後述する第1シール部材60と一体に成形されてもよく、又は、別体を前記第1シール部材60に接合してもよい。なお、以下に説明する各凸状部は、同様に構成される。
The
第1セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路44の一部が形成される。
A part of the cooling
図4に示すように、第2セパレータ18の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第1酸化剤ガス流路46が形成される。第1酸化剤ガス流路46は、矢印B方向に延在する複数の溝部を有する。
As shown in FIG. 4, the
第1酸化剤ガス流路46と酸化剤ガス入口連通孔30aとは、複数の凸状部48a間に形成される第1入口連通路(所謂、ブリッジ部)50aを介して連通する。第1入口連通路50aの通路数Nc1は、例えば、4本に設定されるとともに、各第1入口連通路50aは、幅寸法h2に設定される。
The first oxidant
第1酸化剤ガス流路46と酸化剤ガス出口連通孔30bとは、複数の凸状部48b間に形成される第1出口連通路(所謂、ブリッジ部)50bを介して連通する。第1出口連通路50bの通路数Nc1は、例えば、4本に設定されるとともに、各第1出口連通路50bは、幅寸法h2に設定される。
The first oxidant
図1及び図5に示すように、第2セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第2燃料ガス流路52が設けられる。第2燃料ガス流路52は、例えば、矢印B方向に延在する複数の溝部を有する。
As shown in FIGS. 1 and 5, the
第2燃料ガス流路52と燃料ガス入口連通孔32aとは、複数の凸状部54a間に形成される第2入口連通路(所謂、ブリッジ部)56aを介して連通する。第2入口連通路56aの通路数Na2は、例えば、4本に設定されるとともに、各第2入口連通路56aは、幅寸法h1に設定される。
The second fuel
第1燃料ガス流路36と燃料ガス出口連通孔32bとは、複数の凸状部54b間に形成される第2出口連通路(所謂、ブリッジ部)56bを介して連通する。第2出口連通路56bの通路数Na2は、例えば、4本に設定されるとともに、各第2出口連通路56bは、幅寸法h1に設定される。なお、第2出口連通路56bの通路数は、第1出口連通路40bの通路数と同数に設定してもよい。
The first fuel
図3及び図5に示すように、第1入口連通路40aの通路数Na1と、第2入口連通路56aの通路数Na2とは、Na1/Na2=1.25の関係に設定される。同様に、第1出口連通路40bの通路数Na1と、第2出口連通路56bの通路数Na2とは、Na1/Na2=1.25の関係に設定される。これにより、第1燃料ガス流路36に供給される燃料ガスの流量を、第2燃料ガス流路52に供給される燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1(>1)が設定される。第1の実施形態では、第1燃料ガス流路36と第2燃料ガス流路52は、流路本数が同一又は±1本に設定されるとともに、それぞれの流路長及び流路断面積は等しい。
As shown in FIGS. 3 and 5, the passage number Na1 of the first
図6に示すように、第3セパレータ20の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第2酸化剤ガス流路58が形成される。第2酸化剤ガス流路58は、矢印C方向に延在する複数の溝部を有する。
As shown in FIG. 6, the
第2酸化剤ガス流路58と酸化剤ガス入口連通孔30aとは、複数の凸状部60a間に形成される第2入口連通路(所謂、ブリッジ部)62aを介して連通する。第2入口連通路62aの通路数Nc2は、例えば、6本に設定されるとともに、各第2入口連通路62aは、幅寸法h2に設定される。
The second oxidant
第2酸化剤ガス流路58と酸化剤ガス出口連通孔30bとは、複数の凸状部60b間に形成される第2出口連通路(所謂、ブリッジ部)62bを介して連通する。第2出口連通路62bの通路数Nc2は、例えば、6本に設定されるとともに、各第2出口連通路62bは、幅寸法h2に設定される。なお、第2出口連通路62bの通路数は、第1出口連通路50bの通路数と同数に設定してもよい。
The second oxidant
図4及び図6に示すように、第2入口連通路62aの通路数Nc2と、第1入口連通路50aの通路数Nc1とは、Nc2/Nc1=1.5の関係に設定される。同様に、第2出口連通路62bの通路数Nc2と、第1出口連通路50bの通路数Nc1とは、Nc2/Nc1=1.5の関係に設定される。これにより、第2酸化剤ガス流路58に供給される燃料ガスの流量を、第1酸化剤ガス流路46に供給される酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2(>1)が設定される。燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、1<G1<G2の関係に設定される。
As shown in FIGS. 4 and 6, the passage number Nc2 of the second
第3セパレータ20の面20bには、冷却媒体流路44の一部が形成される。第1セパレータ14の面14bと第3セパレータ20の面20bとが互いに重なり合うことにより、冷却媒体流路44が形成される。
A part of the cooling
図1〜図3に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材60が一体成形される。図1、図2、図4及び図5に示すように、第2セパレータ18の面18a、18bには、この第2セパレータ18の外周端縁部を周回して第2シール部材62が一体成形される。第3セパレータ20の面20a、20bには、この第3セパレータ20の外周端縁部を周回して第3シール部材64が一体成形される(図1、図2及び図6参照)。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
発電ユニット12同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット12を構成する第1セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3セパレータ20との間には、冷却媒体流路44が形成される(図1及び図2参照)。
When the
このように構成される燃料電池スタック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、酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔32aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔34aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ18の第1酸化剤ガス流路46及び第3セパレータ20の第2酸化剤ガス流路58に導入される。この酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス流路46に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのカソード電極26に供給される。同様に、酸化剤ガスは、第2酸化剤ガス流路58に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード電極26に供給される。
For this reason, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔32aから第1セパレータ14の第1燃料ガス流路36及び第2セパレータ18の第2燃料ガス流路52に導入される。この燃料ガスは、第1燃料ガス流路36に沿って矢印B方向に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのアノード電極24に供給される。同様に、燃料ガスは、第2燃料ガス流路52に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード電極26に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the first
これにより、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bでは、カソード電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード電極24に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Thus, in the first electrolyte membrane /
次いで、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bの各カソード電極26に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。
Subsequently, the oxidant gas consumed by being supplied to the
第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bの各アノード電極24に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔32bに排出される。
The fuel gas supplied to and consumed by the
一方、冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット12を構成する第1セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3セパレータ20との間に形成された冷却媒体流路44に導入される。この冷却媒体は、矢印B方向に流通して第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bを冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bに排出される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、第1の実施形態では、図3及び図5に示すように、第1入口連通路40aの通路数Na1は、第2入口連通路56aの通路数Na2よりも多数に設定されている。すなわち、第1燃料ガス流路36に供給される燃料ガスの流量を、第2燃料ガス流路52に供給される燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1(>1)が設定されている。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 3 and 5, the passage number Na1 of the first
従って、図2に示すように、冷却媒体流路44に近接する第1燃料ガス流路36には、前記冷却媒体流路44から離間する第2燃料ガス流路52よりも多くの燃料ガスが供給されている。これにより、第1燃料ガス流路36に、第2燃料ガス流路52に比べて多量の生成水が滞留することを、確実に抑制することができる。
Therefore, as shown in FIG. 2, more fuel gas is contained in the first
一方、図4及び図6に示すように、第1入口連通路50aの通路数Nc1は、第2入口連通路62aの通路数Nc2よりも少数に設定されている。すなわち、第2酸化剤ガス流路58に供給される酸化剤ガスの流量を、第1酸化剤ガス流路46に供給される酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2(>1)が設定されている。
On the other hand, as shown in FIGS. 4 and 6, the passage number Nc1 of the first
このため、図2に示すように、冷却媒体流路44に近接する第2酸化剤ガス流路58には、前記冷却媒体流路44から離間する第1酸化剤ガス流路46よりも多くの酸化剤ガスが供給されている。従って、第2酸化剤ガス流路58に、第1酸化剤ガス流路46に比べて多量の生成水が滞留することを、確実に抑制することが可能になる。
For this reason, as shown in FIG. 2, the second oxidant
しかも、燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、G1<G2の関係に設定されている。これにより、第1燃料ガス流路36よりも生成水が滞留し易い第2酸化剤ガス流路58は、前記第2酸化剤ガス流路58からの生成水の排出が一層確実に遂行され、前記生成水の滞留が良好に抑制される。このため、冷却媒体流路44に相対的に近接する第1燃料ガス流路36及び第2酸化剤ガス流路58に、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制することができ、安定した発電を確実に行うことが可能になるという効果が得られる。
Moreover, the fuel gas flow rate ratio G1 and the oxidant gas flow rate ratio G2 are set to have a relationship of G1 <G2. Thereby, the second oxidant
なお、第1の実施形態では、例えば、図3及び図5に示すように、第1入口連通路40aと第2入口連通路56aとは、それぞれ同一の幅寸法(通路幅)h1に設定され、且つ、それぞれ異なる通路数Na1と通路数Na2とに設定されている。これに代えて、第1入口連通路40aと第2入口連通路56aとは、同一の通路数を有し、それぞれの幅寸法又はそれぞれの通路深さを異なる値に設定してもよい。
In the first embodiment, for example, as shown in FIGS. 3 and 5, the first
また、第2入口連通路56aは、第1入口連通路40aと同一の複数の凸状部38aを用い、前記凸状部38a間の1本の溝部を閉塞して4本の前記第2入口連通路56aを構成してもよい。一方、酸化剤ガス側では、上記の燃料ガス側と同様に構成することができる。
The second
さらにまた、反応ガス流路には、発電領域の外部に位置して反応ガス整流用のバッファ部が設けられている場合がある。その際、冷却媒体流路44に近接する側の反応ガス流路では、前記冷却媒体流路44から離間する側の反応ガス流路に対して、バッファ部の面積比や流量比を設定することができる。これにより、各反応ガス流路での生成水の滞留状態が均一化され、発電性能の低下を抑制することが可能になる。
Furthermore, the reactive gas flow path may be provided with a reactive gas rectifying buffer located outside the power generation region. At this time, in the reaction gas flow channel on the side close to the cooling
図7は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック70を構成する発電ユニット72の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 7 is an exploded perspective view of a main part of the
発電ユニット72は、第1セパレータ74、第1電解質膜・電極構造体16a、第2セパレータ76、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3セパレータ78を設ける。
The
第1セパレータ74の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面74a側には、第1燃料ガス流路36aが設けられる。第1燃料ガス流路36aと燃料ガス入口連通孔32aとは、複数の凸状部80a間に形成される入口連通路(所謂、ブリッジ部)82aを介して連通する。第1燃料ガス流路36aと燃料ガス出口連通孔32bとは、複数の凸状部80b間に形成される出口連通路(所謂、ブリッジ部)82bを介して連通する。
A first fuel
第2セパレータ76の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面76b側には、第2燃料ガス流路52aが設けられる。第2燃料ガス流路52aと燃料ガス入口連通孔32aとは、複数の凸状部80a間に形成される入口連通路82aを介して連通する。第2燃料ガス流路52aと燃料ガス出口連通孔32bとは、複数の凸状部80b間に形成される出口連通路82bを介して連通する。
A second
第1燃料ガス流路36aの流路溝本数Na3は、第2燃料ガス流路52aの流路溝本数Na4よりも多数、例えば、Na3=Na4+1に設定される。このため、第1燃料ガス流路36aに供給される燃料ガスの流量を、第2燃料ガス流路52aに供給される燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1(>1)が設定される。
The number of channel grooves Na3 of the first
第2セパレータ76の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面76aには、第1酸化剤ガス流路46aが設けられる。第1酸化剤ガス流路46aと酸化剤ガス入口連通孔30aとは、複数の凸状部84a間に形成される入口連通路(所謂、ブリッジ部)86aを介して連通する。第1酸化剤ガス流路46aと酸化剤ガス出口連通孔30bとは、複数の凸状部84b間に形成される出口連通路(所謂、ブリッジ部)86bを介して連通する。
A first oxidant
第3セパレータ78の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面78a側には、第2酸化剤ガス流路58aが設けられる。第2酸化剤ガス流路58aと酸化剤ガス入口連通孔30aとは、複数の凸状部84a間に形成される入口連通路86aを介して連通する。第2酸化剤ガス流路58aと酸化剤ガス出口連通孔30bとは、複数の凸状部84b間に形成される出口連通路86bを介して連通する。
On the
第1酸化剤ガス流路46aの流路溝本数Nc3は、第2酸化剤ガス流路58aの流路溝本数Nc4よりも少数、例えば、Nc3=Nc4−3に設定される。従って、第1酸化剤ガス流路46aに供給される酸化剤ガスの流量を、第2酸化剤ガス流路58aに供給される酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2(>1)が設定される。さらに、燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、1<G1<G2の関係に設定される。
The channel groove number Nc3 of the first
このように構成される第2の実施形態では、第1燃料ガス流路36aの流路溝本数Na3は、第2燃料ガス流路52aの流路溝本数Na4よりも多数に設定されることにより、燃料ガス流量比G1(>1)が設定されている。同様に、第1酸化剤ガス流路46aの流路溝本数Nc3は、第2酸化剤ガス流路58aの流路溝本数Nc4よりも少数に設定されることにより、酸化剤ガス流量比G2(>1)が設定されている。さらに、燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、1<G1<G2の関係に設定されている。
In the second embodiment configured as described above, the number of flow channel grooves Na3 of the first fuel
これにより、特に生成水が滞留し易い第1燃料ガス流路36a及び第2酸化剤ガス流路58aの流量が増量され、前記生成水の滞留を抑制することができる。しかも、第1燃料ガス流路36a及び第2酸化剤ガス流路58aは、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制することができ、安定した発電を確実に行うことが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
As a result, the flow rates of the first fuel
図8は、本発明の第3の実施形態に燃料電池スタック100の要部断面説明図である。
FIG. 8 is an explanatory cross-sectional view of a main part of the
燃料電池スタック100を構成する発電ユニット102は、第1セパレータ104、第1電解質膜・電極構造体16a、第2セパレータ106、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3セパレータ108を設ける。
The
第1セパレータ104の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面104a側には、第1燃料ガス流路36bが設けられる。第1燃料ガス流路36bと燃料ガス入口連通孔、及び前記第1燃料ガス流路36bと燃料ガス出口連通孔とは、例えば、第2の実施形態と同様の入口連通路(図示せず)及び出口連通路を介して連通する。
A first fuel
第2セパレータ106の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面106b側には、第2燃料ガス流路52bが設けられる。第2燃料ガス流路52bと燃料ガス入口連通孔、及び前記第2燃料ガス流路52bと燃料ガス出口連通孔とは、例えば、第2の実施形態と同様の入口連通路(図示せず)及び出口連通路を介して連通する。
A second
第2セパレータ106の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面106aには、第1酸化剤ガス流路46bが設けられる。第1酸化剤ガス流路46bと酸化剤ガス入口連通孔、及び前記第1酸化剤ガス流路46bと酸化剤ガス出口連通孔とは、例えば、第2の実施形態と同様の入口連通路(図示せず)及び出口連通路を介して連通する。
A first oxidant
第3セパレータ108の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面108a側には、第2酸化剤ガス流路58bが設けられる。第2酸化剤ガス流路58bと酸化剤ガス入口連通孔、及び前記第2酸化剤ガス流路58bと酸化剤ガス出口連通孔とは、例えば、第2の実施形態と同様の入口連通路(図示せず)及び出口連通路を介して連通する。
A second oxidant
第2セパレータ106は、第1セパレータ104及び第3セパレータ108の流路高さよりも低い流路高さに設定される。第1セパレータ104は、積層方向(矢印A方向)に流路高さD1を有し、第3セパレータ108は、前記積層方向に流路高さD2を有する一方、第2セパレータ106は、前記積層方向に流路高さD3を有する。流路高さD1≒流路高さD2>流路高さD3の関係に、より好ましくは、流路高さD2>流路高さD1>流路高さD3の関係に設定される。このため、燃料ガス流量比G1と酸化剤ガス流量比G2とは、1<G1<G2の関係に設定される。上記の関係に設定されるように、連通孔間の圧損を調整すればよい。
The
このように構成される第3の実施形態では、生成水が滞留し易い第1燃料ガス流路36b及び第2酸化剤ガス流路58bの流量が増量され、前記生成水の滞留を抑制することができる。しかも、第1燃料ガス流路36b及び第2酸化剤ガス流路58bは、それぞれ生成水が滞留することを良好に抑制することができ、安定した発電を確実に行うことが可能になる等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
In the third embodiment configured as described above, the flow rates of the first fuel
10、70、100…燃料電池スタック
12、72、102…発電ユニット
14、18、20、74、76、78、104、106、108…セパレータ
16a、16b…電解質膜・電極構造体
22…固体高分子電解質膜 24…アノード電極
26…カソード電極 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…燃料ガス入口連通孔
32b…燃料ガス出口連通孔 34a…冷却媒体入口連通孔
34b…冷却媒体出口連通孔
36、36a、36b、52、52a、52b…燃料ガス流路
38a、38b、48a、48b、54a、54b、60a、60b、80a、80b、84a、84b…凸状部
40a、50a、56a、62a、82a、86a…入口連通路
40b、50b、56b、62b、82b、86b…出口連通路
44…冷却媒体流路
46、46a、46b、58、58a、58b…酸化剤ガス流路
10, 70, 100 ... Fuel cell stacks 12, 72, 102 ...
Claims (1)
前記第1燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの流量を、前記第2燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの流量で除した燃料ガス流量比G1と、前記第2酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの流量を、前記第1酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの流量で除した酸化剤ガス流量比G2とが、1<G1<G2の関係に設定されて、発電運転を行うことを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。 A first separator / electrode structure and a second electrolyte / electrode structure having electrodes disposed on both sides of the electrolyte, the first separator, the first electrolyte / electrode structure, the second separator, and the second electrolyte A plurality of power generation units stacked in the order of an electrode structure and a third separator are provided, and a first fuel gas flows between the first separator and the first electrolyte / electrode structure along the power generation surface. A fuel gas flow path is formed, and a first oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas along the power generation surface is formed between the first electrolyte / electrode structure and the second separator, Between the second separator and the second electrolyte / electrode structure, there is formed a second fuel gas flow path for flowing the fuel gas along the power generation surface, and the second electrolyte / electrode structure and the second 3 separators along the power generation surface Together with the second oxidant gas passage for flowing a serial oxidant gas is formed, between each of the power generation unit, a method of operating a fuel cell stack cooling medium flow path is formed to flow a cooling medium,
A fuel gas flow ratio G1 obtained by dividing a flow rate of the fuel gas supplied to the first fuel gas flow path by a flow rate of the fuel gas supplied to the second fuel gas flow path, and the second oxidant gas An oxidant gas flow rate ratio G2 obtained by dividing the flow rate of the oxidant gas supplied to the flow path by the flow rate of the oxidant gas supplied to the first oxidant gas flow path satisfies 1 <G1 <G2. An operation method of a fuel cell stack, characterized in that the power generation operation is set in the relationship.
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