JP2009026524A - Fuel cell module and fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池における不純物の局在化を抑制し、燃料電池の発電効率を高める。
【解決手段】燃料ガスを供給して行なう運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスを発電体で消費する燃料電池モジュール100であって、発電体510と、前記発電体510の両面に配置されるガス流路540、545と、前記ガス流路の外側に配置されるセパレータと、前記ガス流路の内の一方のガス流路540に対してそれぞれ異なる方向からガスを供給する複数個のガス供給部517a、517bを備える。
【選択図】図9An object of the present invention is to suppress the localization of impurities in a fuel cell and increase the power generation efficiency of the fuel cell.
As a mode of operation performed by supplying fuel gas, a fuel cell module 100 that consumes almost all of the supplied fuel gas by a power generator, the power generator 510 and both surfaces of the power generator 510 are provided. A plurality of gas passages 540 and 545 disposed on the gas flow path, a separator disposed on the outside of the gas flow path, and one gas flow path 540 out of the gas flow paths. The gas supply parts 517a and 517b are provided.
[Selection] Figure 9
Description
本発明は前記燃料ガスを供給して行う運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスを発電体で消費する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which almost all of the supplied fuel gas is consumed by a power generator as a mode of operation performed by supplying the fuel gas.
アノード排ガスを内部に止めて発電する燃料電池が知られている(特許文献1)。 A fuel cell that generates electricity by stopping anode exhaust gas inside is known (Patent Document 1).
しかし、従来技術では、カソードからリークしてきた窒素などの反応に寄与しない不純物が、燃料ガスに押されて燃料ガス供給流路の最下流部に局在化し、燃料電池の発電効率が低下する問題があった。 However, in the prior art, impurities that do not contribute to the reaction such as nitrogen leaked from the cathode are pushed by the fuel gas and localized in the most downstream portion of the fuel gas supply flow path, and the power generation efficiency of the fuel cell decreases. was there.
本発明は上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池における不純物の局在化を抑制し、燃料電池の発電効率を高めることを目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems, and an object thereof is to suppress the localization of impurities in the fuel cell and increase the power generation efficiency of the fuel cell.
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の構成を備える。 In order to solve at least a part of the above problems, the present invention has the following configuration.
[適用例1]
本発明の適用例1に係る発明は、燃料ガスを供給して行う運転の態様として、該供給されたほぼ全ての燃料ガスを発電体で消費する燃料電池モジュールであって、発電体と、前記発電体の両面に配置されるガス流路と、前記ガス流路の外側に配置されるセパレータと、前記ガス流路の内の一方のガス流路に対してそれぞれ異なる方向からガスを供給する複数個のガス供給部とを備える。この適用例によれば、ガスが異なる方向からガス流路に供給されるため、窒素などの不純物の局在化を抑制し、燃料電池の発電効率を高めることができる。
[Application Example 1]
The invention according to Application Example 1 of the present invention is a fuel cell module that consumes almost all of the supplied fuel gas as a mode of operation performed by supplying fuel gas. A gas channel disposed on both sides of the power generation body, a separator disposed on the outside of the gas channel, and a plurality of gas supplies from different directions to one of the gas channels. A gas supply unit. According to this application example, since the gas is supplied to the gas flow path from different directions, localization of impurities such as nitrogen can be suppressed and the power generation efficiency of the fuel cell can be increased.
適用例1に係る燃料電池モジュールにおいて、前記ガス供給部は前記発電体の外縁部に隣接して配置されている。この適用例によれば、発電体を効率よく使うことができる。 In the fuel cell module according to Application Example 1, the gas supply unit is disposed adjacent to an outer edge portion of the power generator. According to this application example, the power generator can be used efficiently.
適用例1に係る燃料電池モジュールにおいて、前記ガス供給部は前記発電体の中央方向に向かってガスを供給する。この適用例によれば、複数方向からのガスがぶつかって相互に混合するので、ガスの衝突部分での窒素などの不純物の局在化を抑制できる。 In the fuel cell module according to Application Example 1, the gas supply unit supplies gas toward the center of the power generation body. According to this application example, since the gases from a plurality of directions collide and mix with each other, localization of impurities such as nitrogen in the gas collision portion can be suppressed.
適用例1に係る燃料電池モジュールにおいて、前記発電体は互いに交差する複数の辺によって外縁が画定され、前記複数のガス供給部のうち第1のガス供給部は、前記発電体の前記複数の辺のうち第1の辺に隣接して配置され、他のガス供給部は前記第1の辺とは異なる第2の辺に隣接して配置される。この適用例によれば、ガスの供給方向を異ならせることができる。 In the fuel cell module according to Application Example 1, an outer edge of the power generation body is defined by a plurality of sides intersecting each other, and a first gas supply unit among the plurality of gas supply units is the plurality of sides of the power generation unit. The other gas supply unit is arranged adjacent to a second side different from the first side. According to this application example, the gas supply direction can be varied.
適用例1に係る燃料電池モジュールにおいて、前記第1の辺と前記第2の辺は、互いに対向している。この適用例によれば、窒素などの不純物の局在化を抑制できる。 In the fuel cell module according to Application Example 1, the first side and the second side face each other. According to this application example, localization of impurities such as nitrogen can be suppressed.
適用例1に係る燃料電池モジュールにおいて、前記発電体は長方形であり、前記第1の辺及び前記第2の辺は、長辺である。この適用例によれば、燃料ガスの流路長を短くできるので、窒素などの不純物の局在化を抑制できる。 In the fuel cell module according to Application Example 1, the power generation body is rectangular, and the first side and the second side are long sides. According to this application example, since the flow length of the fuel gas can be shortened, localization of impurities such as nitrogen can be suppressed.
[適用例2]
本発明の適用例2に係る発明は、適用例1に係る燃料電池モジュールを積層してなる燃料電池である。前記燃料電池モジュールは、燃料ガス供給マニホールド孔と、前記燃料ガス供給マニホールド孔と前記ガス供給部とを繋ぐ連通路とを備える。前記燃料電池は、前記燃料ガス供給マニホールド孔によって形成されている、前記燃料電池モジュールの積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールドと、燃料タンクと、前記燃料タンクと前記燃料ガス供給マニホールドとを繋ぐ配管と、前記配管に配置され前記燃料タンクから前記燃料ガス供給マニホールドに供給される燃料ガスの供給量を変化させる燃料ガス供給量調整部とを備える。この適用例によれば、窒素などの不純物の局在化を抑制し、燃料電池の発電効率を高めることができる。
[Application Example 2]
The invention according to Application Example 2 of the present invention is a fuel cell in which the fuel cell modules according to Application Example 1 are stacked. The fuel cell module includes a fuel gas supply manifold hole, and a communication path connecting the fuel gas supply manifold hole and the gas supply unit. The fuel cell is formed by the fuel gas supply manifold hole, and penetrates in the stacking direction of the fuel cell module, a fuel tank, and a pipe connecting the fuel tank and the fuel gas supply manifold And a fuel gas supply amount adjusting unit that is arranged in the pipe and changes a supply amount of the fuel gas supplied from the fuel tank to the fuel gas supply manifold. According to this application example, localization of impurities such as nitrogen can be suppressed, and the power generation efficiency of the fuel cell can be increased.
適用例2に係る燃料電池において、燃料ガス供給マニホールドを複数備える。この適用例によれば、燃料電池の構造が簡単になる。 The fuel cell according to Application Example 2 includes a plurality of fuel gas supply manifolds. According to this application example, the structure of the fuel cell is simplified.
適用例2に係る燃料電池において、前記複数の燃料ガス供給マニホールドごとに前記燃料ガス供給量調整部を備える。この適用例によれば、燃料ガス供給マニホールドごとに燃料ガスの供給量を変えることができるので、窒素などの不純物の局在化を抑制し、燃料電池の発電効率を高めることができる。 In the fuel cell according to Application Example 2, the fuel gas supply amount adjusting unit is provided for each of the plurality of fuel gas supply manifolds. According to this application example, since the supply amount of the fuel gas can be changed for each fuel gas supply manifold, localization of impurities such as nitrogen can be suppressed, and the power generation efficiency of the fuel cell can be increased.
適用例2に係る燃料電池において、前記複数の燃料ガス供給マニホールドへの配管をそれぞれ備え、前記配管の内第1の燃料ガス供給マニホールドに接続される第1の配管の圧力損失と、第2の燃料ガス供給マニホールドに接続される第2の配管の圧力損失を異ならせている。この適用例によれば、圧力損失の差により、第1の燃料ガス供給マニホールドと第2の燃料ガス供給マニホールドに供給される燃料ガスの量を変えることができる。その結果、窒素などの不純物の局在化を抑制し、燃料電池の発電効率を高めることができる。 In the fuel cell according to Application Example 2, each of the plurality of fuel gas supply manifolds includes a pipe, and a pressure loss of a first pipe connected to the first fuel gas supply manifold of the pipes, The pressure loss of the second piping connected to the fuel gas supply manifold is made different. According to this application example, the amount of fuel gas supplied to the first fuel gas supply manifold and the second fuel gas supply manifold can be changed depending on the difference in pressure loss. As a result, the localization of impurities such as nitrogen can be suppressed, and the power generation efficiency of the fuel cell can be increased.
適用例2に係る燃料電池において、前記第1の配管の流路長と前記第2の配管の流路長が異なる。この適用例によれば、配管の流路長が異なるので、配管の圧力損失を異ならせることができる。 In the fuel cell according to Application Example 2, the flow path length of the first pipe and the flow path length of the second pipe are different. According to this application example, since the flow path lengths of the pipes are different, the pressure loss of the pipes can be made different.
適用例2に係る燃料電池において、前記第1の配管の管経と第2の配管の管経が異なる。この適用例によれば、配管の管経が異なるので、配管の圧力損失を異ならせることができる。 In the fuel cell according to Application Example 2, the length of the first piping is different from the length of the second piping. According to this application example, since the pipe diameters are different, the pressure loss of the pipes can be made different.
適用例2に係る燃料電池において、前記燃料ガス供給量調整部を制御する制御手段を備える。この適用例によれば、燃料ガスの供給量を変えることにより、ガス流路のガスの流れを変えることができ、窒素などの不純物の局在化を抑制できる。 The fuel cell according to Application Example 2 includes control means for controlling the fuel gas supply amount adjusting unit. According to this application example, by changing the supply amount of the fuel gas, the gas flow in the gas flow path can be changed, and localization of impurities such as nitrogen can be suppressed.
適用例2に係る燃料電池において、前記制御手段は、前記複数の燃料ガス供給マニホールドへの燃料ガス供給量を異ならせるように制御する。この適用例によれば、各燃料ガス供給マニホールドの供給される燃料ガスの供給量を変えることにより、ガス流路のガスの流れを変えることができ、窒素などの不純物の局在化を抑制できる。 In the fuel cell according to Application Example 2, the control unit performs control so as to vary the amount of fuel gas supplied to the plurality of fuel gas supply manifolds. According to this application example, by changing the supply amount of the fuel gas supplied to each fuel gas supply manifold, the gas flow in the gas flow path can be changed, and localization of impurities such as nitrogen can be suppressed. .
適用例2に係る燃料電池において、前記制御手段は、燃料電池の始動時あるいは燃料電池に対する負荷の変化時に燃料ガス供給量を変化させる。この適用例によれば、燃料電池の始動時あるいは燃料電池に対する負荷の変化時に窒素などの不純物が局在化することを抑制できる。 In the fuel cell according to Application Example 2, the control unit changes the fuel gas supply amount when the fuel cell is started or when a load on the fuel cell is changed. According to this application example, it is possible to suppress the localization of impurities such as nitrogen when the fuel cell is started or when the load on the fuel cell is changed.
このタイプの燃料電池は、前記燃料ガスを供給して行う運転の態様として、該供給されたほぼすべての燃料ガスを前記燃料ガス消費層で消費する態様を含む。水素または水素を含んだガスを燃料ガスとして用いる場合、燃料ガスの供給側が、電子が流れ出す側となるので、「アノード(陽極)」となる。ここで、燃料ガスのほぼすべてを消費するとは、燃料ガスの消費層から、積極的に燃料ガスを取り出して燃料ガス供給路に循環させるといった用い方をしないことを意味している。消費には、発電のための電気化学反応に用いられるだけでなく、電解質膜の反対側への透過も含まれる。また、現実に燃料電池を構成した場合に生じるリークも、消費に含ませて良い。燃料電池において、こうした燃料ガスの使い方をしながら発電することを、デッドエンド運転と呼ぶ。このとき、燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用している運転の態様として捉えることができる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給される燃料消費層は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。 This type of fuel cell includes a mode in which almost all of the supplied fuel gas is consumed in the fuel gas consumption layer as a mode of operation performed by supplying the fuel gas. When hydrogen or a gas containing hydrogen is used as the fuel gas, the fuel gas supply side is the side from which electrons flow, and thus becomes an “anode”. Here, consuming almost all of the fuel gas means that the fuel gas is not actively used by being taken out of the fuel gas consumption layer and circulated through the fuel gas supply path. Consumption includes not only the electrochemical reaction for power generation, but also permeation to the opposite side of the electrolyte membrane. In addition, leakage that occurs when a fuel cell is actually configured may be included in the consumption. In a fuel cell, generating electricity while using such fuel gas is called dead-end operation. At this time, almost all of the fuel gas can be regarded as a mode of operation that is used for power generation in a state where it is retained inside without being discharged to the outside. In this case, as a result, the fuel consumption layer to which the fuel gas is supplied generally has a closed structure that does not discharge or release the fuel gas to the outside.
発電体のアノード側へ燃料ガスを供給して行う燃料電池の運転を、アノードデッドエンド運転と呼ぶ。アノードデッドエンド運転では、燃料ガスのアノード側への供給を継続しつつ、アノード側からの燃料ガスの排出をしない状態で発電を継続する。結果的に、少なくとも定常発電時に供給された燃料ガスのほぼ全量をアノード側に留めて発電を行うことになる。発電体が、電解質膜の両面にアノードおよびカソードをそれぞれ接合してなる膜電極接合体を備え、アノード側に燃料ガス(多くは、水素または水素含有ガス)を供給して発電を行う場合には、アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用することになる。この場合、結果的には、燃料ガスが供給されるアノード側は、一般的に、燃料ガスを外部に排出あるいは放出しない閉塞構造となる。 The operation of the fuel cell performed by supplying the fuel gas to the anode side of the power generation body is called anode dead end operation. In the anode dead-end operation, power generation is continued in a state where fuel gas is not discharged from the anode side while the supply of fuel gas to the anode side is continued. As a result, power generation is performed with at least almost the entire amount of the fuel gas supplied during steady power generation being kept on the anode side. When the power generator is equipped with a membrane electrode assembly in which the anode and the cathode are joined to both surfaces of the electrolyte membrane, and a fuel gas (mostly hydrogen or hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side to generate power Thus, almost all of the fuel gas supplied to the anode is used for power generation in a state of being retained inside without being discharged to the outside. In this case, as a result, the anode side to which the fuel gas is supplied generally has a closed structure that does not discharge or release the fuel gas to the outside.
本願明細書では、燃料ガスの消費層に供給されたほぼ総ての燃料ガスを燃料ガス消費層で消費する運転の態様を、デッドエンド運転と呼ぶが、燃料ガス消費層からの燃料ガスの循環を意図せず、燃料ガスの消費層から名目的に燃料ガスを取り出して利用する形態が加えられていたとしても、当該構成は、デッドエンド運転に含まれる。例えば、燃料消費層あるいはその上流から僅かな燃料ガスを取り出す流路を設け、取り出した燃料ガスを燃焼して補機などのプレヒートに用いる構成などを考えることができる。こうした名目的な燃料ガスの消費は、燃料ガスの取り出しを、燃料ガスの消費層もしくはその上流からとすることに格別な意味がなければ、本願明細書における「ほぼすべての燃料ガスの燃料ガス消費層で消費する」ことから除外される構成とはならない。 In this specification, an operation mode in which almost all the fuel gas supplied to the fuel gas consumption layer is consumed in the fuel gas consumption layer is called dead-end operation. This configuration is included in the dead-end operation even if a mode in which the fuel gas is extracted from the fuel gas consumption layer and used for the purpose is added. For example, a configuration in which a flow path for extracting a small amount of fuel gas from the fuel consumption layer or upstream thereof is provided, and the extracted fuel gas is burned and used for preheating such as an auxiliary machine can be considered. Unless the fuel gas is taken out from the consumption layer of the fuel gas or upstream thereof, there is no particular meaning in the consumption of the nominal fuel gas. It is not a configuration that is excluded from “consuming in a layer”.
本願発明の燃料電池は、さらに、アノード極(水素極)の不純物(たとえば窒素)の分圧が、カソード極(空気極)の不純物(たとえば窒素)の分圧とつりあった状態で継続的に発電する運転状態を実現するものとして把握することもできる。ここで、「つりあった状態」とは、たとえば平衡状態を意味し、必ずしも両者の分圧が等しい状態に限られない。 The fuel cell of the present invention further generates power continuously in a state where the partial pressure of impurities (for example, nitrogen) at the anode electrode (hydrogen electrode) is balanced with the partial pressure of impurities (for example, nitrogen) at the cathode electrode (air electrode). It can also be grasped as realizing the driving state. Here, the “balanced state” means, for example, an equilibrium state, and is not necessarily limited to a state where the partial pressures of both are equal.
本願発明の燃料電池は、さらに、たとえば図28や図29に示されるような構成をも含む。図28の構成例は、第1の流路と第2の流路と有している。第1の流路は、第2の流路よりも上流側に配置されている。第1の流路および第2の流路は、第1の流路あるいは第2の流路よりも流れの抵抗が高い高抵抗連通部2100xを介して連通している。これらの流路は、発電領域面外(燃料電池セルの外部)から燃料ガス導入口(マニホールド)を経由して燃料ガスを導入する。換言すれば、第2の流路への燃料ガスの供給は、主として高抵抗連通部2100xを介して(たとえば高抵抗連通部2100xのみを介して)第1の流路から導入される。
The fuel cell of the present invention further includes a configuration as shown in FIGS. 28 and 29, for example. The configuration example of FIG. 28 has a first channel and a second channel. The first channel is disposed upstream of the second channel. The first channel and the second channel communicate with each other via a high
なお、第1の流路や第2の流路は、後述の実施例のように多孔体を利用しても形成可能であるが、たとえばシール材S1、S2の挟持(図28)やハニカム構造材H2を使用した流路の形成(図29)として構成してもよい。 The first flow path and the second flow path can also be formed by using a porous material as in the examples described later. For example, sandwiching the sealing materials S1 and S2 (FIG. 28) or a honeycomb structure You may comprise as formation (FIG. 29) of the flow path which uses the material H2.
高抵抗連通部2100xは、たとえば図28や図29に示されるような複数の導入部2110x(貫通孔)が面内方向に分散した板状部材が利用可能である。高抵抗連通部2100xは、以下のうちの少なくとも一つの役割を有している。第1の役割は、「第2の流路のうち燃料ガス導入口に近接する領域への燃料ガス供給を制限する役割」である。第2の役割は、「アノード反応部に沿った第2の流路の面直方向に働くガス圧の面内の不均一を抑制する役割」である。第3の役割は、「第1の流路を面内方向に流れる燃料ガスの向きを面直方向(あるいは面に交差する方向)に変換する役割」である。
As the high
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード反応部で消費する態様を含む燃料電池システムであって
発電セル内にアノードガスを導入する導入口と、
前記導入口から供給されたアノードガスをセル面内方向に導く第1のガス流路と、
前記アノード反応部に沿って延在し、
前記第1のガス流路より流れの抵抗が高く、第1のガス流路から第2のガス流路へのアノードガスの流入を妨げつつも、セル面内方向に分布した複数の連通部を介して、第1のガス流路から第2のガス流路へアノードガスを導く高抵抗部と、
を備える。
The fuel cell of the present invention can be further understood as the following fuel cell system. That is, this fuel cell system
A fuel cell system including a mode in which almost all of the supplied fuel gas is consumed in the anode reaction section, the inlet for introducing the anode gas into the power generation cell;
A first gas flow path for guiding the anode gas supplied from the introduction port in the cell plane direction;
Extending along the anode reaction section,
The flow resistance is higher than that of the first gas flow path, and a plurality of communication portions distributed in the cell in-plane direction are provided while preventing the inflow of the anode gas from the first gas flow path to the second gas flow path. A high resistance portion for guiding the anode gas from the first gas flow path to the second gas flow path,
Is provided.
本願発明の燃料電池は、さらに、以下のような構成を含む燃料電池システムとして把握することもできる。すなわち、この燃料電池システムは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の領域で消費されるアノードガスは、前記高抵抗部のうち一の連通部を通過したガスの比率が、他の連通部を通過したガスの比率より高い、
あるいは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の連通部を通過したアノードガスは、前記アノード反応部のうちの一の領域で消費される比率が、他の領域で消費される比率より高い
といった構成も可能である。
The fuel cell of the present invention can also be understood as a fuel cell system including the following configuration. That is, this fuel cell system
The high resistance portion has one communication portion corresponding to one region of the anode reaction portion, and another communication portion corresponding to another region,
In the anode gas consumed in the one region, the ratio of the gas that has passed through one communication portion of the high resistance portion is higher than the ratio of the gas that has passed through the other communication portion,
Or
The high resistance portion has one communication portion corresponding to one region of the anode reaction portion, and another communication portion corresponding to another region,
The anode gas that has passed through the one communicating portion may be configured such that the ratio consumed in one area of the anode reaction section is higher than the ratio consumed in the other area.
一方、カソード流路は少なくとも上記高抵抗連通部が有さないことが好ましい。さらにカソード流路は、第2の流路も設けることなく、カソード導入口から供給されたカソードガスをセル面内方向に導く第1のガス流路のみとすることが好ましい。ただし、いわゆるガス拡散層を第2の流路と捉えれば、第1および第2の流路の組み合わせとしても良い。いずれにせよ、上記高抵抗連通部をカソード極からのみ省略することにより、カソードガスの送給機の仕事量の低減およびカソード極での排水性の向上が期待でき、特に、アノード極からの排水性能が低いシステム(燃料ガスの定常的排気の無い)燃料電池システムでは好適である。 On the other hand, it is preferable that the cathode channel does not have at least the high resistance communication portion. Further, it is preferable that the cathode channel is only the first gas channel that guides the cathode gas supplied from the cathode introduction port in the in-cell direction without providing the second channel. However, if the so-called gas diffusion layer is regarded as the second flow path, a combination of the first and second flow paths may be used. In any case, by omitting the high resistance communication portion only from the cathode electrode, it is possible to reduce the work of the cathode gas feeder and improve the drainage performance at the cathode electrode. It is suitable for a fuel cell system having low performance (no steady exhaust of fuel gas).
1.燃料電池の構成
本発明の実施例に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図1は、本実施例に係る燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。
1. Configuration of Fuel Cell A fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the fuel cell according to the present embodiment.
燃料電池10は、モジュール100、エンドプレート200、集電板210、絶縁板220、テンションプレート230、及びボルト240を備える。モジュール100は1個1個が発電ユニットとして機能する。モジュール100の構成については後述する。燃料電池10には複数のモジュール100が積層して配置される。集電板210は積層されたモジュール100から電力を外部に取り出すための端子(図示せず)を備える板状部材であり、積層されたモジュール100を積層方向から挟持するように配置される。絶縁板220は例えばゴムや絶縁性樹脂で作られた板状部材であり、集電板210のモジュール100とは反対の側に配置される。エンドプレート200は、例えば鋼等の金属によって形成された板状部材であり、絶縁板220の集電板210とは反対の側に配置される。テンションプレート230は、2枚のエンドプレート200を繋いで燃料電池10を締結するための板状部材である。テンションプレート230は、各モジュール100に所定の締結力を加えた状態で、積層方向両端のエンドプレート200とボルト240により結合される。
The
モジュール100、エンドプレート200、集電板210、及び絶縁板220には、所定の位置に開口部が形成されており、モジュール100、エンドプレート200、集電板210、及び絶縁板220が積層されたときに、各開口部がそれぞれつながって、積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールド11a、11bを形成する。なお図示していないが、同様に、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールド、冷却媒体排出マニホールドも形成される。
The
燃料電池10の燃料ガス供給マニホールド11a及び11bには燃料ガス供給系が接続される。燃料電池10の酸化ガス供給マニホールド(図示せず)及び酸化ガス排出マニホールド(図示せず)には、酸化ガス供給排出系が接続される。燃料電池10の冷却媒体供給マニホールド(図示せず)及び冷却媒体排出マニホールド(図示せず)には冷却系が接続される。
A fuel gas supply system is connected to the fuel
燃料ガス供給系は、水素貯蔵容器300、配管305、バルブ310、及び燃料ガス供給圧制御部315を備える。水素貯蔵容器300は、燃料ガスである純度の高い水素を貯蔵する容器である。水素貯蔵容器300として、例えば、水素ガスを高圧で貯蔵する容器、あるいは水素貯蔵合金を用いた容器を用いることができる。また、水素貯蔵容器300の代わりに、例えば、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって、あるいはアルカリ金属間化合物と水との反応によって水素を発生させる水素発生装置を用いてもよい。配管305は水素貯蔵容器300と燃料電池10の燃料ガス供給マニホールド11a、11bとの間を繋ぐ。バルブ310は配管305上に配置される。燃料ガス供給圧制御部315からの制御信号はバルブ310に入力される。本実施例では、燃料ガス供給圧制御部315によりバルブ310の開度が制御され、燃料電池10への燃料ガスの供給圧が制御される。なお、燃料ガスとして、加湿されていない乾燥ガスであることが好ましい。
The fuel gas supply system includes a
なお、本実施例では、燃料電池10は燃料ガス排出マニホールドを備えていない。燃料ガスは所定の圧力で燃料電池10に供給され、燃料電池10の外部に排出されない。すなわち、燃料電池10により消費された分の燃料ガスが新たに燃料電池10に供給される。
In this embodiment, the
酸化ガス供給排出系は、ポンプ330、酸化ガス供給配管340、及び酸化ガス排出配管350を備える。ポンプ330は、大気中から空気を取り込んで圧縮し、燃料電池10に送る。酸化ガス供給配管340は、ポンプ330と燃料電池の酸化ガス供給マニホールド(図示せず)を繋ぐ。酸化ガス排出配管350は燃料電池の酸化ガス排出マニホールド(図示せず)に排出された排ガスを大気中に放出する。
The oxidizing gas supply / discharge system includes a
冷却系は、ラジエーター360、ポンプ370、配管380を備える。ラジエーター360は冷却媒体を冷却する。ポンプ370は、冷却媒体を循環させる。配管380は、冷却媒体が流れる管であり、燃料電池10の冷却媒体供給マニホールド(図示せず)と冷却媒体排出マニホールド(図示せず)とラジエーター360とポンプ370を繋ぐ。
The cooling system includes a
2.モジュール100の構成
モジュール100は、セパレータと膜電極ガス拡散層接合体(以下、「MEGA」という)を備える。
以下、図面を用いてセパレータの構成について説明する。セパレータは、アノード対向プレート、中間プレート、及びカソード対向プレートを備える。図2は、アノード対向プレートの形状を模式的に示す説明図である。図3は、中間プレートの形状を模式的に示す説明図である。図4は、カソード対向プレートの形状を模式的に示す説明図である。
2. Configuration of
Hereinafter, the structure of a separator is demonstrated using drawing. The separator includes an anode facing plate, an intermediate plate, and a cathode facing plate. FIG. 2 is an explanatory view schematically showing the shape of the anode facing plate. FIG. 3 is an explanatory view schematically showing the shape of the intermediate plate. FIG. 4 is an explanatory view schematically showing the shape of the cathode facing plate.
アノード対向プレート410は、例えば、チタンのような導電性の金属材料により作られる略長方形の板状部材である。アノード対向プレート410にはいくつかの孔が形成されている。すなわち、アノード対向プレート410の第1の角部には、燃料ガス供給マニホールド11aを形成する燃料ガス供給マニホールド孔415aが形成され、対角の角部には燃料ガス供給マニホールド孔415bが形成されている。本実施例では、燃料ガス供給マニホールド孔が対角位置に2つ設けられている。燃料ガス供給マニホールド孔415aはモジュール100が積層されると、燃料ガス供給マニホールド11aの一部となる。燃料ガス供給マニホールド孔415bはモジュール100が積層されると、燃料ガス供給マニホールド11bの一部となる。
The
アノード対向プレート410の第1の長辺に隣接して、酸化ガス供給マニホールドを形成する酸化ガス供給マニホールド孔420が形成され、他の長辺に隣接して酸化ガス排出マニホールドを形成する酸化ガス排出マニホールド孔425が形成されている。
An oxidizing gas
酸化ガス供給マニホールド孔420のアノード対向プレート410中央側には燃料ガス供給孔417aが形成され、酸化ガス排出マニホールド孔425のアノード対向プレート410中央側には燃料ガス供給孔417bが形成されている。燃料ガス供給孔417aと燃料ガス供給孔417bとは、アノード対向プレート410の中央部を挟んで互いに対向している。燃料ガスはそれぞれの燃料ガス供給孔417aと燃料ガス供給孔417bからアノード対向プレート410の中央方向に向かって供給される。
A fuel
アノード対向プレート410の第1の短辺に隣接して、冷却媒体供給マニホールドを形成する冷却媒体供給マニホールド孔430が形成され、他の短辺に隣接して冷却媒体排出マニホールドを形成する冷却媒体排出マニホールド孔435が形成されている。
A cooling medium
これらの燃料ガス供給マニホールド孔415a及び415b、燃料ガス供給孔417a及び燃料ガス供給孔417b、酸化ガス供給マニホールド孔420及び酸化ガス排出マニホールド孔425、並びに冷却媒体供給マニホールド孔430及び冷却媒体排出マニホールド孔435は、例えば金型を用いたプレスにより形成される。
These fuel gas
中間プレート440は、例えば、導電性材料でできた略長方形の板状部材である。材料として例えば、樹脂材料あるいは金属材料が用いられる。中間プレート440にはいくつかの孔が形成されている。すなわち、中間プレート440の第1の角部には、燃料ガス供給マニホールド11aを形成する燃料ガス供給マニホールド孔445aが形成され、対角の角部には燃料ガス供給マニホールド孔445bが形成されている。
The
中間プレート440の第1の長辺に隣接して酸化ガス供給マニホールドを形成する酸化ガス供給マニホールド孔450が形成され、他の長辺に隣接して及び酸化ガス排出マニホールドを形成する酸化ガス排出マニホールド孔455が形成されている。
An oxidizing gas
酸化ガス供給マニホールド孔450の中間プレート440中央側には酸化ガス供給連通孔450aが形成されている。酸化ガス供給マニホールド孔450と酸化ガス供給連通孔450aとはつながり、1つの開口部となっている。同様に、酸化ガス排出マニホールド孔455の中間プレート440中央側には酸化ガス排出連通孔455aが形成されている。酸化ガス排出マニホールド孔455と酸化ガス排出連通孔455aとはつながり、1つの開口部となっている。
An oxidizing gas
酸化ガス供給連通孔450aの中間プレート440中央側には長手方向に細長い燃料ガス供給連通孔445cが形成されている。燃料ガス供給連通孔445cの端部と燃料ガス供給マニホールド孔445aとはつながり、燃料ガス供給マニホールド孔445aと燃料ガス供給連通孔445cと合わせて1つの開口部となっている。同様に酸化ガス供給連通孔450bの中間プレート440中央側には長手方向に細長い燃料ガス供給連通孔445dが形成されている。燃料ガス供給連通孔445dの端部と燃料ガス供給マニホールド孔445bとはつながり、燃料ガス供給マニホールド孔445bと燃料ガス供給連通孔445dと合わせて1つの開口部となっている。燃料ガス供給連通孔445cと燃料ガス供給連通孔445dとは中間プレート440中央部を挟んで対向位置にある。
A fuel gas
燃料ガス供給連通孔445cと燃料ガス供給連通孔445dの間には長手方向に細長い冷却媒体孔460が複数形成されている。冷却媒体孔460の両端部は冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドの一部となる。冷却媒体孔460は冷却媒体の流路となる。
A plurality of cooling
燃料ガス供給マニホールド孔445a及び445b、燃料ガス供給連通孔445c及び燃料ガス供給連通孔445d、酸化ガス供給マニホールド孔450及び酸化ガス排出マニホールド孔455、酸化ガス供給連通孔450a及び酸化ガス排出連通孔455a、並びに冷却媒体孔460は、例えば、中間プレート440が樹脂材料の場合には、射出成形により、中間プレートと同時に形成され。また、中間プレート440が金属材料の場合には金型を用いたプレスにより形成される。
Fuel gas
カソード対向プレート470は、例えば、チタンのような導電性の金属材料により作られる略長方形の板状部材である。カソード対向プレート470にはいくつかの孔が形成されている。すなわち、カソード対向プレート470の第1の角部には、燃料ガス供給マニホールド11aを形成する燃料ガス供給マニホールド孔475aが形成され、対角の角部には燃料ガス供給マニホールド孔475bが形成されている。
The
カソード対向プレート470第1の長辺に隣接して、酸化ガス供給マニホールドを形成する酸化ガス供給マニホールド孔480が形成され、他の長辺に隣接して酸化ガス排出マニホールドを形成する酸化ガス排出マニホールド孔485が形成されている。
An oxidizing gas
カソード対向プレート470の第1の短辺に隣接して、冷却媒体供給マニホールドを形成する冷却媒体供給マニホールド孔490が形成され、他の短辺に隣接して冷却媒体排出マニホールドを形成する冷却媒体排出マニホールド孔495が形成されている。酸化ガス供給マニホールド孔480のカソード対向プレート470中央側には酸化ガス供給孔482が形成され、酸化ガス排出マニホールド孔485のカソード対向プレート470中央側には酸化ガス排出孔487が形成されている。
A cooling medium
燃料ガス供給マニホールド孔475a及び475b、酸化ガス供給マニホールド孔480及び酸化ガス排出マニホールド孔485、酸化ガス供給孔482及び酸化ガス排出孔487、並びに冷却媒体供給マニホールド孔490及び冷却媒体排出マニホールド孔495は、例えば金型を用いたプレスにより形成される。
The fuel gas
以下、図面を用いて燃料電池の断面構造について説明する。図5は、図2から図4に示すA−A切断線の位置で燃料電池10を切ったときの断面を模式的に示す説明図である。図6は、図2から図4に示すB−B切断線の位置で燃料電池10を切ったときの断面を模式的に示す説明図である。
Hereinafter, the cross-sectional structure of the fuel cell will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a cross section when the
燃料電池10のモジュール100は、セパレータ400と発電部500を備える。燃料電池10は、多数のモジュール100が積層された構造であり、セパレータ400と発電部500とが交互に積層されている。本実施例では、図5に示すように中間プレート440からアノード対向プレート410までをモジュール100の1単位としている。なお、モジュール100は、1単位として、アノード対向プレート410、中間プレート440、及びカソード対向プレート470と発電部500を一揃い備えていればよく、どこからどこまでをモジュール100の1単位とするかは単に区切り上の問題にすぎない。
The
発電部500は、MEGA510と多孔体540、545とフレーム550を備える。MEGA510は、電解質膜515、アノード側触媒層520、カソード側触媒層525、アノード側ガス拡散層530、及びカソード側ガス拡散層535を備える。なお、電解質膜515、アノード側触媒層520、及びカソード側触媒層525を合わせて膜電極接合体(MEA)という場合もある。
The
電解質膜515として、固体高分子材料、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜が用いられる。
As the
アノード側触媒層520及びカソード側触媒層525は電解質膜515の両面に形成される。アノード側触媒層520およびカソード側触媒層525として、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒をカーボンに担持した触媒層が用いられる。なお、アノード側触媒層520及びカソード側触媒層525は平らであることが好ましい。平らであれば窒素などの不純物が溜まりにくくなるからである。
The anode
アノード側ガス拡散層530は燃料ガスを拡散するための層であり、アノード側触媒層520の上に配置される。アノード側ガス拡散層530として、例えば、ガス拡散性と電子伝導性を兼ね備えたカーボンクロスやカーボンペーパーなどが用いられる。カソード側ガス拡散層535は酸化ガスを拡散するための層であり、カソード側触媒層525の上に配置される。カソード側ガス拡散層535として、例えば、ガス拡散性と電子伝導性を兼ね備えたカーボンクロスやカーボンペーパーなどが用いられる。
The anode side
多孔体540は燃料ガスの流路を形成するための部材であり、アノード側ガス拡散層530の上に配置される。多孔体540として例えば、ステンレス製、あるいはチタン製など金属製の多孔体を用いることができる。多孔体545は酸化ガスの流路を形成するための部材であり、カソード側ガス拡散層535の上に配置される。多孔体545として例えば、ステンレス製、あるいはチタン製など金属製の多孔体を用いることができる。
The
図7を用いてフレーム550について説明する。図7は、フレーム550の平面構成を模式的に示す説明図である。
The
フレーム550は、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成された略長方形の板状部材であり、中央部にMEGA510を嵌め込むための開口部555を有する。また、フレーム550には、開口部555の他にいくつかの孔が形成されている。すなわち、フレーム550の第1の角部には、燃料ガス供給マニホールド11aを形成する燃料ガス供給マニホールド孔565aが形成され、対角の角部には燃料ガス供給マニホールド孔565bが形成されている。
The
フレーム550の第1の長辺に隣接して酸化ガス供給マニホールドを形成する酸化ガス供給マニホールド孔570が形成され、他の長辺に隣接して酸化ガス排出マニホールドを形成する酸化ガス排出マニホールド孔575が形成されている。
An oxidizing gas
フレーム550の第1の短辺に隣接して冷却媒体供給マニホールドを形成する冷却媒体供給マニホールド孔580が形成され、他の短辺に隣接して冷却媒体排出マニホールドを形成する冷却媒体排出マニホールド孔585が形成されている。
A cooling medium
開口部555、燃料ガス供給マニホールド孔565a及び565b、酸化ガス供給マニホールド孔570及び酸化ガス排出マニホールド孔575、並びに冷却媒体供給マニホールド孔580及び冷却媒体排出マニホールド孔585の周囲には、シールライン550aが形成されている。シールライン550aは、セパレータ400と圧着されることにより、開口部555、燃料ガス供給マニホールド孔565a及び565b、酸化ガス供給マニホールド孔570及び酸化ガス排出マニホールド孔575、並びに冷却媒体供給マニホールド孔580及び冷却媒体排出マニホールド孔585から燃料電池10の外部に反応ガスが漏れるのを抑制する。
Around the
フレーム550は、例えば射出成形により膜電極接合体と一体に成形される。
The
3.燃料電池の動作
以下、燃料ガスの流れについて説明する。燃料ガスは水素貯蔵容器300から配管305を通って燃料ガス供給マニホールド11a、11bに供給される(図1)。このとき、バルブ310により燃料ガスの供給圧が調節される。
3. Operation of Fuel Cell Hereinafter, the flow of fuel gas will be described. The fuel gas is supplied from the
燃料ガスは燃料ガス供給マニホールド11aを流れる途中で各モジュール100の燃料ガス供給連通孔445c方向に分かれ、各モジュールに分配される。燃料ガスは燃料ガス供給連通孔445cの中を中間プレート440の長手方向に移動し、アノード対向プレート410の燃料ガス供給孔417aを通ってアノード側の多孔体540の中に供給される(図5、図6)。
The fuel gas is divided in the direction of the fuel gas
燃料ガスは、多孔体540の中で長辺側から中央方向、すなわち矢印600aの方向(図7において上から下へ)に流れる。一方、燃料ガス供給マニホールド11bに分配された燃料ガスも同様に、多孔体540の中で長辺側から中央方向、すなわち矢印600bの方向(図7において下から上へ)に流れる。このとき、燃料ガス供給孔417aを通って多孔体540に供給された燃料ガスと燃料ガス供給孔417bを通って多孔体540に供給された燃料ガスは、モジュール100の中央付近でぶつかり、互いに混合する。
The fuel gas flows in the
図8を用いて、本実施例に係る燃料電池10の発電力特性について説明する。図8は、燃料電池の発電電圧の時間依存性を示すグラフである。線aが本実施例に係る燃料電池の発電電圧の時間依存性を示すグラフである。なお、線bは従来の燃料電池に係る燃料電池の発電電圧の時間依存性を示すグラフである。
The power generation characteristics of the
線aに示すグラフでは、時間が経過しても、燃料電池10の発電電圧はあまり落ちない。一方、線bに示すグラフでは、時間経過とともに燃料電池10の発電電圧は急速に小さくなる。従来の燃料電池では、燃料ガスの流れは一方通行である。その結果、従来の燃料電池では、燃料電池のカソード側から膜電極接合体を通ってアノード側のガス流路にリークしてきた窒素などの不純物は、燃料ガスに押されて流れの下流に局在化し、燃料電池の発電効率が低下した。一方、本実施例に示す燃料電池10では、図7に示すように多孔体540の上と下の両方から燃料ガスが供給され、多孔体の中央付近でぶつかって拡散する。その結果、窒素などの不純物も局在化せずに拡散し、燃料電池の発電効率の低下を抑制する。
In the graph shown by the line a, the generated voltage of the
以上、本実施例によれば、燃料ガスは燃料ガス供給孔417aと燃料ガス供給孔417bの2カ所から多孔体540に対して、それぞれ矢印600a及び600bの2方向に供給されるので、窒素ガスなどの不純物が局在化しにくい。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
As described above, according to this embodiment, the fuel gas is supplied from the two locations of the fuel
本実施例によれば、燃料ガス供給孔417a及び燃料ガス供給孔417bはモジュール100の外縁部にあるので、膜電極接合体を効率よく使うことができる。
According to the present embodiment, since the fuel
本実施例によれば、燃料ガス供給孔417a及び燃料ガス供給孔417bから供給された燃料ガスはモジュール100の中央部でぶつかり混合するので、窒素ガスなどの不純物の局在化を抑制できる。
According to the present embodiment, since the fuel gas supplied from the fuel
本実施例によれば、燃料ガス供給孔417a及び燃料ガス供給孔417bはモジュールの異なる辺に隣接するので、燃料ガスの流れる方向を矢印600a及び600bの方向のように異ならせることができる。
According to the present embodiment, since the fuel
本実施例によれば、燃料ガス供給孔417aが隣接するモジュールの辺と、燃料ガス供給孔417bが隣接するモジュールの辺とは対向しているので、窒素ガスなどの不純物の局在化を抑制できる。
According to this embodiment, since the side of the module adjacent to the fuel
本実施例によれば、1つの燃料ガス供給マニホールドから1つの燃料ガス供給孔に燃料ガスが供給されるので、1つの燃料ガス供給マニホールドから複数の燃料ガス供給孔に配管する必要がなく、燃料電池の構造が簡単になる。 According to the present embodiment, since fuel gas is supplied from one fuel gas supply manifold to one fuel gas supply hole, there is no need to pipe from one fuel gas supply manifold to a plurality of fuel gas supply holes. The battery structure is simplified.
変形例1:
変形例1について図面を用いて説明する。図9は変形例1に係る燃料電池フレームを模式的に示す説明図である。本実施例と同じ機能のものについては同じ符号を付し、本実施例と異なる点について説明し、共通する点については説明を省略する。
Modification 1:
Modification 1 will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is an explanatory view schematically showing a fuel cell frame according to the first modification. Components having the same functions as those of the present embodiment are denoted by the same reference numerals, different points from the present embodiment will be described, and descriptions of common points will be omitted.
変形例1に係る燃料電池は、本実施例に係る燃料電池と燃料ガス供給孔417a、417bの配置が異なる。すなわち、変形例1では燃料ガス供給孔417aはアノード対向プレート410の第1の短辺に隣接して配置され、燃料ガス供給孔417bはアノード対向プレート410の他の短辺に隣接して配置される(図示せず)。
The fuel cell according to Modification 1 is different from the fuel cell according to this embodiment in the arrangement of the fuel
変形例1では、燃料ガス供給孔417aから供給された燃料ガスは、多孔体540の中で短辺側から中央方向、すなわち矢印600aの方向(図9において左から右へ)に流れる。一方、燃料ガス供給孔417bから供給された燃料ガスも同様に、多孔体540の中で短辺側から中央方向、すなわち矢印600bの方向(図9において右から左へ)に流れる。このとき、燃料ガス供給孔417aを通って多孔体540に供給された燃料ガスと燃料ガス供給孔417bを通って多孔体540に供給された燃料ガスは、モジュール100の中央付近でぶつかり、互いに混合する。
In the first modification, the fuel gas supplied from the fuel
変形例1によっても、燃料ガスは矢印600a及び600bの2方向に供給されるので、窒素ガスなどの不純物が局在化しにくい。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
Also in the first modification, the fuel gas is supplied in the two directions indicated by the
なお、本実施例と変形例1とを比較した場合、本実施例の方が燃料電池の発電電圧の低下が起こりにくく、好ましい。変形例1に係る燃料電池では、燃料ガス供給孔417a及び燃料ガス供給孔417bが隣接する辺はモジュール100の短辺なので、燃料ガスが流れる流路長が長いのに対し、本実施例に係る燃料電池では、燃料ガス供給孔417a及び燃料ガス供給孔417bが隣接する辺はモジュールの長辺なので、燃料ガスが流れる流路長が短い。その結果、本実施例の方が窒素ガスなどの不純物の局在化を抑制し易く、燃料電池の発電効率を向上できる。
In addition, when a present Example and the modification 1 are compared, the present Example is more preferable because the power generation voltage of the fuel cell is less likely to decrease. In the fuel cell according to the first modification, the side adjacent to the fuel
変形例2:
図10を用いて、変形例2に係る燃料電池について説明する。図10は変形例2に係る燃料電池を模式的に示す説明図である。変形例2は本実施例と燃料ガス供給系が異なるのみなので、異なる点のみ説明する。なお、本実施例と同じ機能のものについては同じ符号を付している。本実施例では、配管305は、バルブ310と燃料電池10の間で分岐しているが、変形例2では、分岐305aと燃料電池10の間にバルブ310aと310bがある点で異なる。変形例2によれば、燃料ガス供給マニホールド11aと11bに供給する燃料ガスの量をそれぞれ制御できるので、窒素ガスなどの不純物の局在化を抑制できる。
Modification 2:
A fuel cell according to Modification 2 will be described with reference to FIG. FIG. 10 is an explanatory view schematically showing a fuel cell according to Modification 2. Since the modification 2 is different from the present embodiment only in the fuel gas supply system, only the differences will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the thing of the same function as a present Example. In the present embodiment, the
図11を用いて、変形例2に係る燃料電池の動作について説明する。図11は、変形例2に係る燃料電池の動作を模式的に示す説明図である。 The operation of the fuel cell according to Modification 2 will be described with reference to FIG. FIG. 11 is an explanatory view schematically showing the operation of the fuel cell according to Modification 2.
(a)燃料ガス供給圧制御部315は、バルブ310aを開け、バルブ310bを閉じる。燃料ガスは燃料ガス供給マニホールド11aに供給され、燃料ガス供給マニホールド11bには供給されない。燃料ガスの流れは図11(a)に示すように矢印600aの方向となる。このとき、窒素などの不純物は、多孔体540の燃料ガス供給マニホールド孔565b側に局在化する。
(A) The fuel gas supply
(b)次に、燃料ガス供給圧制御部315は、バルブ310aを閉じ、バルブ310bを開ける。燃料ガスは、MEGAの燃料ガス供給マニホールド孔565a側で消費される。一方、燃料ガスは燃料ガス供給マニホールド孔565bから多孔体540に供給される。その結果、窒素などの不純物は、図11(b)に示すように燃料ガスに押されて多孔体540の燃料ガス供給マニホールド孔565b近傍から燃料ガス供給マニホールド孔565aの方向に移動すると共に拡散する。
(B) Next, the fuel gas supply
(c)しばらくすると、窒素などの不純物は、図11(c)に示すように、多孔体540の燃料ガス供給マニホールド孔565a側に局在化する。
(C) After a while, impurities such as nitrogen are localized on the fuel gas
(d)燃料ガス供給圧制御部315は、バルブ310aを開け、バルブ310bを閉じる。燃料ガスは、MEGAの燃料ガス供給マニホールド孔565b側で消費される。一方、燃料ガスは燃料ガス供給マニホールド孔565aから多孔体540に供給される。その結果、窒素などの不純物は、図11(d)に示すように燃料ガスに押されて多孔体540の燃料ガス供給マニホールド孔565a近傍から燃料ガス供給マニホールド孔565bの方向に移動すると共に拡散する。
(D) The fuel gas supply
以後、(a)→(b)→(c)→(d)→(a)を繰り返す。
以上のように、変形例2によれば、それぞれの燃料ガス供給マニホールド11aと11bに供給される燃料ガスの供給量を変化させることにより、窒素などの不純物の局在化をさらに抑制できる。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。なお、バルブ310aまたは310bを閉じる場合に、完全に閉じずに燃料ガスを少量流すようにしてもよい。大量の燃料ガスの供給と少量の燃料ガスの供給が交互に行われるので、窒素などの不純物の局在化を抑制できる。
Thereafter, (a) → (b) → (c) → (d) → (a) is repeated.
As described above, according to the second modification, the localization of impurities such as nitrogen can be further suppressed by changing the supply amount of the fuel gas supplied to the respective fuel
変形例3:
図12を用いて変形例3について説明する。図12は変形例3に係る燃料電池を模式的に示す説明図である。変形例3は本実施例と燃料ガス供給系が異なるのみなので、異なる点のみ説明する。なお、本実施例と同じ機能のものについては同じ符号を付すとともに、説明及び図面への記載を省略する。変形例3では、配管305が分岐した後、燃料ガス供給マニホールド11a及び11bに至たるまでの配管305b及び305cの長さが異なっている。すなわち変形例3では、配管305bの方が配管305cより短い。すなわち、配管305bにおける圧力損失と配管305cにおける圧力損失が異なる。その結果、バルブ310の開閉により生じる圧力波動に対する遅延が異なるので、単一のバルブ310の開閉により燃料ガスを脈動させることができ、窒素などの不純物の局在化を抑制できる。
Modification 3:
Modification 3 will be described with reference to FIG. FIG. 12 is an explanatory view schematically showing a fuel cell according to Modification 3. Since the modification 3 is different from the present embodiment only in the fuel gas supply system, only different points will be described. In addition, while having the same code | symbol about the same function as a present Example, description to description and drawing is abbreviate | omitted. In Modification 3, the lengths of the
変形例4:
図13を用いて変形例4について説明する。図13は変形例4に係る燃料電池を模式的に示す説明図である。変形例4は本実施例と燃料ガス供給系が異なるのみなので、異なる点のみ説明する。なお、本実施例と同じ機能のものについては同じ符号を付すとともに一部図面を省略する。変形例4では、配管305が分岐した後、燃料ガス供給マニホールド11a及び11bに至るまでの配管305d及び305eの太さが異なっている。すなわち変形例4では、配管305dの方が配管305eより太い。すなわち、配管305dにおける圧力損失と配管305eにおける圧力損失が異なる。その結果、バルブ310の開閉により生じる圧力波動に対する遅延が異なるので、単一のバルブ310の開閉により燃料ガスを脈動させることができ、窒素などの不純物の局在化を抑制できる。
Modification 4:
Modification 4 will be described with reference to FIG. FIG. 13 is an explanatory view schematically showing a fuel cell according to Modification 4. Since the modified example 4 is different from the present embodiment only in the fuel gas supply system, only different points will be described. In addition, about the thing of the same function as a present Example, the same code | symbol is attached | subjected and some drawings are abbreviate | omitted. In Modification 4, the
変形例5:
図14を用いて変形例5について説明する。図14は変形例5に係る燃料電池を模式的に示す説明図である。変形例5は、実施例と燃料ガス供給孔417a及び燃料ガス供給孔417bの位置が異なる。すなわち、本実施例では、燃料ガス供給孔417aと燃料ガス供給孔417bは、長手方向に走る2等分線に対して互いに線対称位置にあるが、変形例5では、長手方向にずれ、長手方向に走る2等分線に対して互いに線対称位置にはない。その結果、燃料ガスは、ずれて当たるため、窒素などの不純物の局在化が起こりにくい。
Modification 5:
Modification 5 will be described with reference to FIG. FIG. 14 is an explanatory view schematically showing a fuel cell according to Modification 5. The modified example 5 is different from the example in the positions of the fuel
変形例6:
本実施例では、燃料ガス供給孔417a及び燃料ガス供給孔417bは、所定の間隔で並ぶ複数の孔であるが、例えば、複数の孔を一纏めにして1つの細長い孔としてもよい。燃料ガス供給孔417a及び燃料ガス供給孔417bを通るときの通気抵抗を減らすことができる。
Modification 6:
In the present embodiment, the fuel
変形例7:
本実施例では、セパレータ400として3層セパレータを例にとり説明したが、セパレータ400の構成および形状は他の任意の構成および形状とすることが可能である。例えば、表面に溝が形成された形状のカーボン製セパレータを用いてもよい。
Modification 7:
In the present embodiment, a three-layer separator has been described as an example of the
変形例8:
本実施例では、燃料ガスの供給量を異ならせるタイミングについては説明していなかったが、例えば、燃料電池の始動時に燃料ガスの供給量を異ならせてもよい。燃料電池の始動時には、燃料ガス供給マニホールド11a、11bにカソード側から膜電極接合体を通ってリークしてきた窒素などの不純物が拡散している。この状態で燃料ガスを供給すると窒素などの不純物が燃料ガスにより押されて局在化し易いが、供給量を変化させながら燃料ガスを供給することにより、ガス流路内の燃料ガスの流れを変化させ、窒素などの不純物の局在化を抑制できる。なお、始動時の窒素量に応じて燃料ガスの供給量を変えてもよい、また、始動時の窒素量に応じて燃料電池10への負荷の接続タイミングを変えてもよい。
Modification 8:
In this embodiment, the timing for changing the supply amount of the fuel gas has not been described. However, for example, the supply amount of the fuel gas may be changed when the fuel cell is started. At the start of the fuel cell, impurities such as nitrogen that have leaked from the cathode side through the membrane electrode assembly are diffused into the fuel
変形例9:
本実施例では、アノード側ガス拡散層530と多孔体540とに分けているが、両者が一体の構造であってもよい。燃料ガスが流れる点においては同じだからである。なお、カソード側についても同様である。
Modification 9:
In this embodiment, the anode-side
変形例10:
本実施例では、燃料ガス供給マニホールドを2つ有しているが、例えば、燃料ガス供給マニホールドを1つとし、コモンレールにより複数の燃料ガス供給孔に燃料ガスを供給してもよい。これによっても、2方向から燃料ガスを供給できる。
Modification 10:
In this embodiment, two fuel gas supply manifolds are provided. However, for example, one fuel gas supply manifold may be provided, and fuel gas may be supplied to a plurality of fuel gas supply holes by a common rail. Also by this, fuel gas can be supplied from two directions.
変形例11:
本実施例では、燃料ガス排出マニホールドを設けていないが、例えば、燃料ガス排出マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドに接続される排気管と、前記排気管上に配置されるバルブを備えていてもよい。これにより、非定常時に燃料ガスを少量排気できる。
Modification 11:
In this embodiment, the fuel gas discharge manifold is not provided. However, for example, a fuel gas discharge manifold, an exhaust pipe connected to the fuel gas discharge manifold, and a valve disposed on the exhaust pipe may be provided. . As a result, a small amount of fuel gas can be exhausted during non-stationary conditions.
変形例12:
上述した実施例では、アノードに供給された燃料ガスが、ほぼ全量、アノードで消費される構造を採用しているが、係る構造での運転が可能としているアノードへの燃料供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。代表的な流路構成として、ここでは、上述した構成(以下、「シャワー流路タイプ」と呼ぶ)の他、櫛歯型の構成や循環型の構成などを挙げることができる。まず、シャワー流路タイプの変形例から説明する。
Modification 12:
In the above-described embodiment, a structure in which almost all of the fuel gas supplied to the anode is consumed by the anode is adopted. However, as a fuel supply flow path configuration to the anode that enables operation with such a structure. Various configurations can be adopted. In addition to the above-described configuration (hereinafter referred to as “shower channel type”), a typical channel configuration includes a comb-type configuration and a circulation-type configuration. First, a modified example of the shower channel type will be described.
燃料ガス流路の第1変形例:
図15は、燃料ガス流路の第1変形例の構成を示す説明図である。燃料ガス流路の第1変形例は、上述の実施例のシャワー板に相当する分散板2100が膜電極接合体2000と一体として形成された構成を有している。膜電極接合体2000は、水素側電極2200と電解質膜2300とを有している。また、分散板2100には、所定間隔で多数の細孔(オリフィス)2110が設けられている。
First modification of fuel gas flow path:
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a configuration of a first modification of the fuel gas flow path. The first modification of the fuel gas flow path has a configuration in which a
図16は、分散板2100の機能を説明する説明図である。燃料ガスは、分散板2100によって水素ガスを消費する水素側電極2200から隔離された上流側の流路で分配される。上流側の流路で分配された燃料ガスは、分散板2100に設けられた細孔2110を通って、燃料ガス消費層である水素側電極2200に局所的に供給される。つまり、本変形例では、燃料ガスは、細孔2110の存在位置に対応する部位の水素側電極2200に直接的に供給される。こうした局所的な燃料ガスの供給を実現する構成としては、例えば、燃料ガスが、水素側電極2200の他の領域を経由することなく、燃料ガスを消費する部位に直接供給する経路を有する構成、あるいは水素側電極2200の面外の離れた方向(好ましくは水素側電極2200から隔離された流路)から水素側電極2200に向かって、主として垂直な方向に燃料ガスを供給する構成なども採用可能である。一方、水素側電極2200は、窒素の滞留が発生しにくい形状とすればよい。例えば、平滑な面(フラットな面)から構成し、電解質膜2300側に凹部などを有しない形状とすればよい。
FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining the function of the
分散板2100の細孔2110の径およびピッチは、実験的に定めることができるが、例えば所定の運転状態(たとえば定格運転状態)において、細孔2110を通過する燃料ガスの流速が窒素ガスの拡散による逆流を十分に抑制できるようにしても良い。係る条件が成立するように、細孔2110における十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように、細孔2110の間隔と流路断面積を設定すればよい。たとえば、固体高分子型燃料電池では、分散板2100の開口率を1%程度以下とすることで、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生することが確認された。開口率とは、分散板2100の開口面積を分散板2100の全面積で除した割合である。このような開口率は、循環型の燃料ガス流路と比較すると1桁から2桁程度少ないため、循環型の燃料ガス流路にコンプレッサを用いて燃料ガスの流量を確保する構成とは本質的に異なっている。本実施例および変形例では、燃料タンクからの高圧水素を直接(あるいは所定の高圧圧力まで調圧弁で調圧した状態で)、燃料電池に導くことにより、開口率の低い構造でも十分な燃料ガスを確保している。
The diameter and pitch of the
燃料ガス流路の第2変形例:
次に、上述のシャワー流路タイプの他の構成例について説明する。図17は、燃料ガス流路の第2変形例の構成を示す説明図である。この変形例では、水素側電極2200と電解質膜2300とを備えた膜電極接合体2201上に配置される分散板2101を、緻密な多孔体を用いて実現している。分散板2101の多孔体の開口率は、十分な流速あるいは十分な圧力損失が発生するように選択されている。細孔を用いた場合には、細孔毎に、いわば離散化して、燃料ガスが局所的に供給されるのに対して、多孔体を用いた場合には、連続的に燃料ガスを供給することができるという利点を有している。また燃料ガスの水素側電極2200への供給が一層均一化されるという利点も得られる。緻密な多孔体は、カーボン粉を焼結することによって製造しても良いし、カーボン分や金属粉を、バインド剤を用いて固めることにより製造することも可能である。多孔は、連続多孔体であれば良く、厚さ方向への連続性を確保して面方向の連続性を確保しない異方性を備えたものとしても良い。多孔体の開口率については、変形例1と同様に決定すればよい。
Second modification of fuel gas flow path:
Next, another configuration example of the above-described shower channel type will be described. FIG. 17 is an explanatory diagram showing a configuration of a second modification of the fuel gas flow path. In this modification, a
燃料ガス流路の第3変形例:
次に燃料ガス流路の第3変形例について説明する。図18は、プレスメタルを用いて構成された分散板2102を示す説明図、図19は、そのC−C断面を示す模式図である。分散板2102は、分散板2102の上流側の流路を形成するための突部2102tを備え、この突部2102tの側面には細孔2112が形成されている。この分散板2202は、電解質膜2300の両側に水素側電極2200と酸素側電極2400とを備えた膜電極接合体2202の水素側電極2200側に配置されており、図19に示したように、突部2102tを利用して、分散板2102の上流側の流路を一体に形成している。燃料ガスは、この突部2102tの側面に形成された細孔2112を介して、水素側電極2200に供給される。
Third modification of fuel gas flow path:
Next, a third modification of the fuel gas channel will be described. FIG. 18 is an explanatory view showing a
係る構成によれば、分散板2102をプレス加工により容易に形成することができるうえ、分散板2102上流の流路を簡易に形成できるという利点も得られる。細孔2112を通過した燃料ガスは、突部2102t内部の空間を経て、水素側電極2200に到るので、分散性を十分に確保することができる。細孔2112は、プレス加工に拠って形成しても良いし、突部2102tの形成の前工程または後工程において、放電加工など、他の手法により形成しても良い。細孔2112による開口率については、変形例1と同様に決定すればよい。
According to such a configuration, it is possible to easily form the
燃料ガス流路の第4変形例:
次に、燃料ガス流路第4変形例について説明する。図20は、分散板2014hmの内部に、流路を形成した構成例を示す説明図である。この変形例の分散板2014hmは、長方形の形状の分散板2014hmの短手方向に形成された複数の流路2142nと、この流路2142nから、分散板2014hmの厚さ方向に設けられ、図示しない水素電極側に開披した多数の細孔2143nとを備える。分散板2014hmは、電解質膜2300の両側に水素側電極(図示せず)と酸素側電極2400とを備えた膜電極接合体2203の水素側電極側に配置されており、分散板2014hmを介して、燃料ガスの供給を受ける。係る構成に拠れば、各細孔2143nまでの流路を、個別に用意できるという利点が得られる。なお、図20では、細孔2143nの配置は千鳥状としたが、格子状であってもよいし、ある程度ランダムに配置しても良い。
Fourth modification of fuel gas flow path:
Next, a fourth modification example of the fuel gas flow channel will be described. FIG. 20 is an explanatory diagram illustrating a configuration example in which a flow path is formed inside the dispersion plate 2014hm. The dispersion plate 2014hm of this modification is provided in the thickness direction of the dispersion plate 2014hm from the plurality of
燃料ガス流路の第5変形例:
次に、燃料ガス流路の第5変形例について説明する。図21は、パイプを使用して分散板2014hpを形成した例を示す説明図である。分散板2014hpは、図21に示したように、矩形のフレーム2140を備え、その短手方向に亘って、中空の多数のパイプ2130を備えている。このパイプ2130の表面には、複数の細孔2141nが形成されている。この分散板2014hpは、水素側電極2200とで電解質膜2300とを備えた膜電極接合体2204の水素側電極2200上に設置される。分散板2014hpのフレーム2140に用意されたガス流入口から燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、分散板2014hpの各パイプ2130の内部を通り、細孔2141nから、水素側電極2200へと分配される。係る構成によれば、燃料ガスを均一に分散できるのに加えて、分散板2014hpを構成するのに細孔2141nを除いて穴加工を行なう必要がないという利点が得られる。細孔2141nは、水素側電極2200側に向けて配置して良いし、反対側に向けて配置してもよい。後者の場合には、燃料ガスの分散性は一層改善される。
A fifth modification of the fuel gas flow path:
Next, a fifth modification of the fuel gas channel will be described. FIG. 21 is an explanatory diagram showing an example in which a dispersion plate 2014hp is formed using a pipe. As shown in FIG. 21, the dispersion plate 2014hp includes a
以上説明したように、燃料ガスを水素側電極2200に分散させつつ導く構造であれば、種々の構成を採用することができる。分散板としては、多孔体やプレスメタルに限られず、燃料ガスを分配しつつ水素側電極2200に導くように構成されていればよい。
As described above, various configurations can be adopted as long as the fuel gas is guided to the
燃料ガス流路の第6変形例:
図22は、いわゆる分岐流路タイプの燃料ガス流路を用いた構成例を示す模式図である。図示する燃料ガス流路は、上述した実施例のアノード側の多孔体540に代えて用いられる流路形成部材5000に、櫛歯状に形成されている。具体的には、ガス流路は、燃料ガスを導入する主流路5010、この主流路から分岐し、主流路5010とは交差する方向に形成された複数本の副流路5020、この副流路から更に櫛歯状に分岐する櫛歯流路5030から形成されている。主流路5010および副流路5020は、先端の櫛歯流路5030と比べて流路断面積を十分に確保しているので、流路形成部材5000の面内の圧力分布は、多孔体540と同程度もしくはそれ以下となっている。
A sixth modification of the fuel gas flow path:
FIG. 22 is a schematic diagram showing a configuration example using a so-called branch channel type fuel gas channel. The illustrated fuel gas flow path is formed in a comb-like shape on a flow
この流路形成部材5000は、カーボンや金属などを用いて形成することができる。カーボンを用いる場合は、型を用いてカーボン粉を高温または低温で焼結することにより、図22に示した流路を備えた流路形成部材5000を得ることができる。金属を用いる場合には、金属プレートから溝を削り出すことにより、同様の流路を備えた流路形成部材5000を形成しても良いし、あるいはプレス加工により、図示する流路を備えた流路形成部材5000を得ても良い。なお、流路形成部材5000は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
The flow
なお、この流路形成部材5000は、多孔体540に代えて用いてもよいが、多孔体540およびアノード側ガス拡散層530ごと代替してもよい。この場合には、櫛歯流路5030を十分に細い流路とし、副流路5020から、いわば毛細血管のように細かくかつ多数に分岐させておけばよい。また、図22では、主流路5010を流路形成部材5000の一縁部に沿って設けたが、流路形成部材5000面内の燃料ガスの圧力差を小さくするために、主流路5010を複数の縁部に設けて、副流路5020の長さを短くしたり、あるいは主流路5010を流路形成部材の中心に設けて、副流路5020を主流路5010の左右に配置しても良い。同様に、櫛歯流路5030は、副流路5020の両側に設けても差し支えない。さらに、図23に示すように、主流路5010、副流路5020、及び櫛歯流路5030からなるガス流路系を複数備えていてもよい。図23は、複数のガス流路系を用いた場合の構成図である。この場合、いずれかのガス流路系において、主流路5010、副流路5020、及び櫛歯流路5030の少なくともいずれかで他の流路系の主流路5010、副流路5020、及び櫛歯流路5030と交わるようにしてもよい。
The flow
燃料ガス流路の第7変形例:
次に、図24に基づいて、サーペンタイン型の流路構成について説明する。図24は、流路が葛籠折れの形状をとっているサーペンタイン型流路を備えた流路形成部材の構成例を模式的に示す模式図である。図24(A)は、燃料ガスの流路が単一のタイプの流路形成部材5100を例示し、図24(B)は、燃料ガス流路が複数本統合されたタイプの流路形成部材5200を例示している。
Seventh modification of the fuel gas flow path:
Next, a serpentine type flow path configuration will be described with reference to FIG. FIG. 24 is a schematic diagram schematically illustrating a configuration example of a flow path forming member including a serpentine type flow path in which the flow path has a twisted shape. FIG. 24A illustrates a flow
図示するように、図24(A)に例示した流路形成部材5100は、燃料ガスの流路を囲う外壁のうち対向する外壁5110,5115から、内側に向けて交互に延長された複数の流路壁5120を備える。流路壁5120で区切られた部分が連続する流路となっている。この一端に流入口5150が形成されており、燃料ガスはここから流路に供給される。この流路形成部材5100は、図22の流路形成部材5000と同様、上述した実施例の多孔体840に代えて用いられる。
As shown in the figure, the flow
図24(B)は、このサーペンタイン型流路が、複数本の流路の束として構成された例を示している。この場合、外壁5210および5215から内側に向けて交互に延長された複数の流路壁5220の間に、外壁5210,5215とは連設されていない仕切壁5230,5240が設けられている。また、流路の入り口には、流入口5250が形成されている。流入口5250から流入した燃料ガスは、仕切壁5230,5240を備えた幅広のサーペンタイン型流路を流れて、流路形成部材5200の面方向にくまなく行き渡る。この流路形成部材5200は、図22の流路形成部材5000と同様、上述した実施例の多孔体540に代えて用いられる。
FIG. 24B shows an example in which this serpentine channel is configured as a bundle of a plurality of channels. In this case,
図24に示した流路形成部材5100,5200は、図22に示した櫛歯型の流路を備えた流路形成部材5000と同様に、カーボンや金属から形成される。その形成方法も同様である。これらの流路形成部材5100,5200は、単品として設ける必要はなく、他の部材、例えばセパレータと一体に形成することも可能である。
The flow
なお、図25に示すように、サーペンタイン型流路の両端からガスが供給されるように構成してもよい。図25はサーペンタイン型流路の両端からガスが供給された例を示す説明図である。 In addition, as shown in FIG. 25, you may comprise so that gas may be supplied from the both ends of a serpentine type flow path. FIG. 25 is an explanatory diagram showing an example in which gas is supplied from both ends of the serpentine type channel.
燃料ガス流路の第8変形例:
図26は、燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして、循環路タイプの燃料電池6000の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、本変形例の燃料電池6000では、アノード側セパレータ6200に、燃料ガス流路となる凹部6220と燃料ガス入口ポート6210と規制板6230とが設けられている。燃料ガス流路となる凹部6220は、アノード側セパレータ6200の膜電極接合体のアノード6100と対向する領域に亘って形成されている。アノード側セパレータ6200における燃料ガス入口ポート6210には、ノズル6300が、凹部6220に向けて燃料ガスを噴出可能に取り付けられている。このノズル6300から燃料ガスを噴出することによって、燃料ガス入口ポート6210から、凹部6220内に燃料ガスが供給される。規制板6230は、燃料ガスの流れ方向を規制する部材であり、ノズル6300の近傍から、凹部6220の中心付近に向けて、凹部6220の底面から立設されている。規制板6230のノズル6300に近い側の端部は、ノズル6300の側面形状に合わせて湾曲され、ノズル6300との間で通路Aを形成している。
Eighth modification of fuel gas flow path:
FIG. 26 is an explanatory view schematically showing an internal configuration of a circulation path type
このような燃料電池6000では、燃料ガス入口ポート6210から供給された燃料ガスが、ノズル6300の噴射孔6320から燃料ガス流路(凹部6220)内に噴射されると、この燃料ガスは、アノード側セパレータ6200の凹部6220の内側壁、および、規制板6230によって流れ方向が規制され、図中に白抜き矢印で示したように、アノード6100の表面に沿って、図示した上流側から下流側に流れる。このとき、ノズル6300から噴出する高速の燃料ガスによって生じるエゼクタ効果により、下流側の燃料ガスおよび不純物ガスを含む流体は、規制板6230の一方の端部とノズル6300との間の隙間(通路A)から吸引され、上流側に循環する。こうすることによって、燃料ガス流路、および、アノード6120表面における上記流体の滞留を抑制することができる。
In such a
なお、上記燃料ガス流路の第8変形例の燃料電池6000では、エゼクタ効果を利用して、上記流体をアノード6100の表面に沿った方向に循環させるものとしたが、燃料電池の内部において、アノードの表面に沿った方向に上記流体を循環させることが可能な構造であれば、他の構成を用いても良い。例えば、燃料電池6000において、ノズル6300や規制板6230の代わりに、アノード側セパレータ6200や、アノード6100の面内等、燃料ガス流路となり得る部位に、整流板を設けるようにし、この整流板、および燃料ガスの流れによって、上記流体をアノード6100の表面に沿った方向に循環させるようにしてもよい。あるいは凹部6220などのガス流路に、微小なアクチュエータ(例えばマイクロマシン)を循環路に沿って組み込んで、燃料ガスの循環を起こさせる構造としても良い。このほか、凹部6220内に温度差を設けて対流を利用して循環を起こさせる構成も考えられる。
In the
また、図27に示すように、ノズルを複数備え、規制板6230、ノズル6300a、6300bを点対称位置に配置してもよい。図27はノズルを点対称位置に配置した例を示す説明図である。ノズル6300aから噴出する高速の燃料ガスによって生じるエゼクタ効果により、ノズル6300bから噴出したガスの下流側の燃料ガスおよび不純物ガスを含む流体は、規制板6230の一方の端部とノズル6300aとの間の隙間(通路A)から吸引され、ノズル6300aから噴出する燃料ガスの上流側に流れる。ノズル6300bから噴出する高速の燃料ガスによって生じるエゼクタ効果により、ノズル6300aから噴出したガスの下流側の燃料ガスおよび不純物ガスを含む流体は、規制板6230の一方の端部とノズル6300bとの間の隙間(通路B)から吸引され、ノズル6300bから噴出する燃料ガスの上流側に流れる。こうすることによって、燃料ガス流路、および、アノード6120表面における上記流体の滞留を抑制することができる。
Further, as shown in FIG. 27, a plurality of nozzles may be provided, and the
変形例13:
上記実施例の燃料電池において、カソード側の酸化ガス供給流路を、一層のカソード側の多孔体545によって形成しているが、酸化ガスの供給路の構成はこれに限られるものではない。例えば、酸化ガス供給流路を、リブを用いて、ストレート型若しくはサーペンタイン型に形成してもよいし、複数のディンプルを用いて形成してもよい。このようにすれば、簡易な構成で酸化ガス供給流路を形成することができる。燃料電池全体の構成や使用条件などに合わせて適切な構成を採用すればよい。
Modification 13:
In the fuel cell of the above embodiment, the cathode-side oxidizing gas supply channel is formed by a single-layer cathode-side
変形例14:
つぎに、上記実施例の燃料電池の始動時制御について説明する。変形例の燃料電池では、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始され、所定の時間TA経過後、初めて負荷を接続し、燃料電池から電流を取り出している。このようにすれば、燃料電池の発電終了後にカソード側からアノード側にリークし滞留しているリークガス(窒素ガスまたは不活性ガス)は、所定の時間TAの間に、燃料ガスの圧力で、カソード側に押し返され、リークガス滞留量が減少してから負荷が接続されることになる。したがって、アノード側触媒層520において、燃料電池の始動時に燃料ガスが欠乏した状態で運転されるという事態の発生を抑制することができる。なお、この場合の「始動」とは、燃料電池に反応ガス(燃料ガスおよび酸化ガス)を供給すると共に、燃料電池に負荷を接続することをいう。燃料電池の停止時にリークガスがアノード側に滞留するのは、燃料ガスの供給が停止された結果、アノード側の燃料ガス圧力が低下するためである。特にアノードデッドエンドの構成を採用した場合、燃料ガスの供給によるリークガスの排出路への排出が期待できない。したがって、燃料ガスの供給を開始してから、負荷を接続するまでに十分な時間TAを確保することは有効である。
Modification 14:
Next, start-up control of the fuel cell of the above embodiment will be described. In the fuel cell of the modified example, at the time of start-up, supply of fuel gas is started to the anode-side fuel gas flow path, and after a predetermined time TA has elapsed, a load is connected for the first time and current is taken out from the fuel cell. In this way, the leaked gas (nitrogen gas or inert gas) leaking from the cathode side to the anode side after the end of power generation of the fuel cell is retained at the cathode pressure at the fuel gas pressure for a predetermined time TA. The load is connected after being pushed back to the side and the leakage gas retention amount is reduced. Therefore, in the anode
変形例15:
燃料電池の始動時において、燃料ガスの供給量および電気的な負荷を接続するまでの所定の時間TAのうち少なくとも一方を、燃料電池の運転開始時におけるリークガス滞留量に基づいて決定する構成とすることも可能である。このリークガス滞留量は、例えば、燃料電池において前回の起動終了時から今回の始動時までの燃料電池停止期間や燃料電池の温度から推定するようにしてもよい。燃料電池の温度は、例えば、燃料電池を冷却する冷媒の温度等に基づいて検出することができる。このようにすれば、燃料電池の始動時間の短縮化を実現しつつ、アノード側の燃料ガス流路におけるリークガス滞留量を減少させることができる。
Modification 15:
At the time of starting the fuel cell, at least one of the supply amount of the fuel gas and the predetermined time TA until the electrical load is connected is determined based on the leak gas retention amount at the start of operation of the fuel cell. It is also possible. For example, the leakage gas retention amount may be estimated from the fuel cell stop period and the temperature of the fuel cell from the end of the previous start to the current start in the fuel cell. The temperature of the fuel cell can be detected based on, for example, the temperature of the refrigerant that cools the fuel cell. In this way, it is possible to reduce the amount of leaked gas in the anode-side fuel gas flow path while reducing the start time of the fuel cell.
また、燃料電池の始動時に負荷を接続するタイミングを、アノード側の水素濃度に基づいて決定しても良い。上記実施例の燃料電池において、水素濃度センサをアノード側の燃料ガス流路内の所定部位に取り付け、始動時において、アノード側の燃料ガス流路に燃料ガスの供給が開始された後、水素濃度センサから検出される水素濃度値を監視する。水素濃度値が、所定の閾値より高くなった場合に、電気的な負荷を接続するものとすれば、アノード側触媒層520において、水素欠乏運転となることを抑制することができる。このほか、アノード側の圧力や温度から、電気的な負荷の接続のタイミングを求める構成なども可能である。
Further, the timing for connecting the load when starting the fuel cell may be determined based on the hydrogen concentration on the anode side. In the fuel cell of the above embodiment, the hydrogen concentration sensor is attached to a predetermined portion in the anode-side fuel gas flow path, and at the time of start-up, the supply of fuel gas to the anode-side fuel gas flow path is started, and then the hydrogen concentration The hydrogen concentration value detected from the sensor is monitored. If an electrical load is connected when the hydrogen concentration value is higher than a predetermined threshold value, the anode-
上記実施例、変形例についての説明では、発電体として膜電極接合体を用いた固体高分子型の燃料電池を例に取り説明したが、本発明が利用可能な燃料電池の種類はこれに限られない。本発明は、例えば、リン酸型、固体酸化物型、溶融炭酸塩型など固体高分子型以外の燃料電池にも利用可能であることはいうまでもない。 In the description of the above-described embodiments and modifications, a solid polymer fuel cell using a membrane electrode assembly as a power generator has been described as an example. However, the types of fuel cells to which the present invention can be used are not limited thereto. I can't. Needless to say, the present invention can also be used for fuel cells other than solid polymer types such as phosphoric acid type, solid oxide type, and molten carbonate type.
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。 The embodiments of the present invention have been described above based on some examples. However, the above-described embodiments of the present invention are for facilitating the understanding of the present invention and limit the present invention. It is not a thing. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
10…燃料電池
11a…燃料ガス供給マニホールド
11b…燃料ガス供給マニホールド
100…モジュール
200…エンドプレート
210…集電板
220…絶縁板
230…テンションプレート
240…ボルト
300…水素貯蔵容器
305…配管
305a…分岐
305b…配管
305c…配管
305d…配管
305e…配管
310…バルブ
310a…バルブ
310b…バルブ
315…燃料ガス供給圧制御部
330…ポンプ
340…酸化ガス供給配管
350…酸化ガス排出配管
360…ラジエーター
370…ポンプ
380…配管
400…セパレータ
410…アノード対向プレート
415a…燃料ガス供給マニホールド孔
415b…燃料ガス供給マニホールド孔
417a…燃料ガス供給孔
417b…燃料ガス供給孔
420…酸化ガス供給マニホールド孔
425…酸化ガス排出マニホールド孔
430…冷却媒体供給マニホールド孔
435…冷却媒体排出マニホールド孔
440…中間プレート
445c方向…燃料ガス供給連通孔
445a…燃料ガス供給マニホールド孔
445b…燃料ガス供給マニホールド孔
445c…燃料ガス供給連通孔
445d…燃料ガス供給連通孔
450…酸化ガス供給マニホールド孔
450a…酸化ガス供給連通孔
450b…酸化ガス供給連通孔
455…酸化ガス排出マニホールド孔
455a…酸化ガス排出連通孔
460…冷却媒体孔
470…カソード対向プレート
475a…燃料ガス供給マニホールド孔
475b…燃料ガス供給マニホールド孔
480…酸化ガス供給マニホールド孔
482…酸化ガス供給孔
485…酸化ガス排出マニホールド孔
487…酸化ガス排出孔
490…冷却媒体供給マニホールド孔
495…冷却媒体排出マニホールド孔
500…発電部
515…電解質膜
520…アノード側触媒層
525…カソード側触媒層
530…アノード側ガス拡散層
535…カソード側ガス拡散層
540…多孔体
545…多孔体
550…フレーム
550a…シールライン
555…開口部
565a…燃料ガス供給マニホールド孔
565b…燃料ガス供給マニホールド孔
570…酸化ガス供給マニホールド孔
575…酸化ガス排出マニホールド孔
580…冷却媒体供給マニホールド孔
585…冷却媒体排出マニホールド孔
600a…矢印
600b…矢印
840…多孔体
2000…膜電極接合体
2014hm…分散板
2014hp…分散板
2100…分散板
2101…分散板
2102…分散板
2110…細孔
2112…細孔
2130…パイプ
2140…フレーム
2141n…細孔
2142n…流路
2143n…細孔
2200…水素側電極
2201…膜電極接合体
2202…膜電極接合体
2203…膜電極接合体
2204…膜電極接合体
2300…電解質膜
2400…酸素側電極
5000…流路形成部材
5010…主流路
5020…副流路
5030…櫛歯流路
5100…流路形成部材
5110…外壁
5120…流路壁
5150…流入口
5200…流路形成部材
5210…外壁
5220…流路壁
5230…仕切壁
5250…流入口
6000…燃料電池
6100…アノード
6200…アノード側セパレータ
6210…燃料ガス入口ポート
6220…凹部
6230…規制板
6300…ノズル
6300a…ノズル
6300b…ノズル
6320…噴射孔
DESCRIPTION OF
Claims (15)
発電体と、
前記発電体の両面に配置されるガス流路と、
前記ガス流路の外側に配置されるセパレータと、
前記ガス流路の内の一方のガス流路に対してそれぞれ異なる方向からガスを供給する複数個のガス供給部と、
を備える、燃料電池モジュール。 As a mode of operation performed by supplying fuel gas, a fuel cell module that consumes almost all of the supplied fuel gas by a power generator,
A power generator,
Gas flow paths disposed on both sides of the power generator;
A separator disposed outside the gas flow path;
A plurality of gas supply units for supplying gas from different directions to one of the gas flow paths;
A fuel cell module comprising:
前記ガス供給部は前記発電体の外縁部に隣接して配置されている、燃料電池モジュール。 The fuel cell module according to claim 1, wherein
The fuel cell module, wherein the gas supply unit is disposed adjacent to an outer edge of the power generator.
前記ガス供給部は前記発電体の中央方向に向かってガスを供給する、
燃料電池モジュール。 The fuel cell module according to claim 2, wherein
The gas supply unit supplies gas toward the central direction of the power generator,
Fuel cell module.
前記発電体は互いに交差する複数の辺によって外縁が画定され、
前記複数のガス供給部のうち第1のガス供給部は、前記発電体の前記複数の辺のうち第1の辺に隣接して配置され、他のガス供給部は前記第1の辺とは異なる第2の辺に隣接して配置される、燃料電池モジュール。 In the fuel cell module according to claim 2 or 3,
The power generation body has an outer edge defined by a plurality of sides intersecting each other,
Of the plurality of gas supply units, the first gas supply unit is disposed adjacent to the first side of the plurality of sides of the power generation body, and the other gas supply unit is the first side. A fuel cell module disposed adjacent to a different second side.
前記第1の辺と前記第2の辺は、互いに対向している、燃料電池モジュール。 The fuel cell module according to claim 4, wherein
The fuel cell module, wherein the first side and the second side face each other.
前記発電体は長方形であり、
前記第1の辺及び前記第2の辺は、長辺である、燃料電池モジュール。 The fuel cell module according to claim 5, wherein
The power generator is rectangular,
The fuel cell module, wherein the first side and the second side are long sides.
前記燃料電池モジュールは、
燃料ガス供給マニホールド孔と、
前記燃料ガス供給マニホールド孔と前記ガス供給部とを繋ぐ連通路とを備え、
前記燃料電池は、
前記燃料ガス供給マニホールド孔によって形成されている、前記燃料電池モジュールの積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールドと、
燃料タンクと、
前記燃料タンクと前記燃料ガス供給マニホールドとを繋ぐ配管と、
前記配管に配置され前記燃料タンクから前記燃料ガス供給マニホールドに供給される燃料ガスの供給量を変化させる燃料ガス供給量調整部と、
を備える燃料電池。 A fuel cell obtained by stacking the fuel cell modules according to any one of claims 1 to 6,
The fuel cell module is
A fuel gas supply manifold hole;
A communication passage connecting the fuel gas supply manifold hole and the gas supply unit;
The fuel cell
A fuel gas supply manifold formed by the fuel gas supply manifold hole and penetrating in the stacking direction of the fuel cell module;
A fuel tank,
A pipe connecting the fuel tank and the fuel gas supply manifold;
A fuel gas supply amount adjusting unit that is arranged in the pipe and changes a supply amount of fuel gas supplied from the fuel tank to the fuel gas supply manifold;
A fuel cell comprising:
燃料ガス供給マニホールドを複数備える、燃料電池。 The fuel cell according to claim 7, wherein
A fuel cell comprising a plurality of fuel gas supply manifolds.
前記複数の燃料ガス供給マニホールドごとに前記燃料ガス供給量調整部を備える、燃料電池。 The fuel cell according to claim 8, wherein
A fuel cell comprising the fuel gas supply amount adjusting unit for each of the plurality of fuel gas supply manifolds.
前記複数の燃料ガス供給マニホールドへの配管をそれぞれ備え、
前記配管の内第1の燃料ガス供給マニホールドに接続される第1の配管の圧力損失と、第2の燃料ガス供給マニホールドに接続される第2の配管の圧力損失を異ならせている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 8, wherein
Each having piping to the plurality of fuel gas supply manifolds,
A fuel cell in which the pressure loss of the first pipe connected to the first fuel gas supply manifold is different from the pressure loss of the second pipe connected to the second fuel gas supply manifold. .
前記第1の配管の流路長と前記第2の配管の流路長が異なる、燃料電池、 The fuel cell according to claim 10, wherein
A fuel cell, wherein a flow path length of the first pipe is different from a flow path length of the second pipe;
前記第1の配管の管経と第2の配管の管経が異なる、燃料電池。 The fuel cell according to claim 10 or 11,
The fuel cell, wherein the first piping and the second piping are different.
前記燃料ガス供給量調整部を制御する制御手段を備える、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 7 to 12,
A fuel cell comprising control means for controlling the fuel gas supply amount adjusting unit.
前記制御手段は、前記複数の燃料ガス供給マニホールドへの燃料ガス供給量を異ならせるように制御する、燃料電池。 The fuel cell according to claim 13, wherein
The said control means is a fuel cell which controls so that the fuel gas supply amount to these fuel gas supply manifolds may differ.
前記制御手段は、燃料電池の始動時あるいは燃料電池に対する負荷の変化時に燃料ガス供給量を変化させる、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 7 to 14,
The said control means is a fuel cell which changes fuel gas supply amount at the time of the start of a fuel cell, or when the load with respect to a fuel cell changes.
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