JP4643968B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された内部マニホールド型燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。 The present invention provides an internal manifold in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas introduction port and a reaction gas discharge port are formed through the stacking direction. The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between separators. It has a power generation cell. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。 In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.
ところで、固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温(〜100℃)であるため、燃料電池スタックに導入された後に電解質膜に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、前記燃料電池スタックの反応ガス流路(酸化剤ガス流路及び/又は燃料ガス流路)内や該燃料電池スタックを積層方向に貫通し且つ前記反応ガス流路に連通するマニホールドである反応ガス連通孔(酸化剤ガス連通孔及び/又は燃料ガス連通孔)内で冷却され、液体の状態で存在し易い。 By the way, since the operation temperature of the polymer electrolyte fuel cell is relatively low (˜100 ° C.), moisture that has not been absorbed by the electrolyte membrane after being introduced into the fuel cell stack, or moisture generated by the reaction is present. A reaction gas that is a manifold that passes through the fuel cell stack in the stacking direction and communicates with the reaction gas passage in the reaction gas passage (oxidant gas passage and / or fuel gas passage) of the fuel cell stack It is cooled in the communication hole (oxidant gas communication hole and / or fuel gas communication hole) and tends to exist in a liquid state.
しかしながら、上記のように、燃料電池スタックの反応ガス流路や反応ガス連通孔内に水が存在すると、各単位セルに酸化剤ガスや燃料ガスを十分に供給することが困難になってしまう。これにより、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスの電極触媒層への拡散性が低下し、発電性能が著しく悪化するという問題が指摘されている。 However, as described above, when water is present in the reaction gas flow path and the reaction gas communication hole of the fuel cell stack, it becomes difficult to sufficiently supply the oxidant gas and the fuel gas to each unit cell. Thereby, the problem that the diffusibility to the electrode catalyst layer of the fuel gas and oxidizing gas which are reaction gas falls and the power generation performance deteriorates remarkably is pointed out.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムが知られている。図6に示すように、燃料電池システム1は、固体電解質燃料電池2を備えており、この燃料電池2には、水素ガスを供給する燃料系3、酸化剤ガスとしての空気を供給する空気系4、及び冷却水を循環供給する冷却水循環系5が接続されている。
Therefore, for example, a fuel cell system disclosed in
燃料系3は、水素吸蔵合金タンク6内の水素ガスを水素供給管7を通って燃料電池2に供給する。燃料電池2から排出される余剰の水素ガスは、気液分離器8に送られてこの水素ガスに混在する水分が凝縮水として貯えられる一方、前記気液分離器8内の水素ガスは、ポンプ9によって水素供給管7に循環されている。このため、燃料電池2から排出される余剰の水素ガス中に含まれる水分は、凝縮水として気液分離器8に貯留され、この水分が除去された水素ガスが、再度、燃料ガスとして前記燃料電池2に供給される、としている。
The fuel system 3 supplies the hydrogen gas in the hydrogen storage alloy tank 6 to the
しかしながら、上記の特許文献1では、燃料電池2から排出される余剰の水素ガスは、多量の生成水中に混入した状態で気液分離器8に導入され易い。このため、気液分離器8内の凝縮水中に相当な量の水素ガスが混入してしまい、水素ガスの消費量が多くなって燃費が低下するという問題がある。
However, in
しかも、気液分離器8に貯留されている凝縮水中に大量の水素ガスが混入していると、この凝縮水を希釈して外部に排出する際に、空気系5による希釈ガス供給量を増大させる必要がある。これにより、酸化剤ガス供給用のポンプや過給機等の消費電力が増大し、燃費の低下が惹起されるおそれがある。
Moreover, if a large amount of hydrogen gas is mixed in the condensed water stored in the gas-
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックから生成水を効率的に排出するとともに、燃費を良好に向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of efficiently discharging generated water from a fuel cell stack and improving fuel efficiency.
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された燃料電池スタックと、前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に、前記燃料電池スタックの外部に露呈する排ガス流路を介して連通する気液分離機構と、流路の一端が前記排ガス流路とは個別に前記燃料ガス排出口に連通し、流路の他端が前記気液分離機構に連通し、前記燃料ガス排出口から前記気液分離機構に、主として液滴を排出する第1ドレン流路と、前記気液分離機構に連通し、該気液分離機構から主として液滴を排出する第2ドレン流路とを備えている。 The present invention provides a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas introduction port and a reaction gas discharge port are formed through the stacking direction. A gas-liquid separation mechanism that communicates with the stack, a fuel gas outlet that is one of the reaction gas outlets, via an exhaust gas passage that is exposed to the outside of the fuel cell stack; And a first drain for mainly discharging droplets from the fuel gas discharge port to the gas-liquid separation mechanism. A flow path and a second drain flow path that communicates with the gas-liquid separation mechanism and mainly discharges liquid droplets from the gas-liquid separation mechanism.
また、第2ドレン流路に連通して気液分離機構から主として液滴が排出される希釈機構と、前記希釈機構に希釈流体を供給する希釈流体供給部とを備えることが好ましい。第2ドレン流路から排出される液滴に含まれる燃料ガスを有効に希釈することができるからである。 In addition, it is preferable to include a dilution mechanism that communicates with the second drain channel and mainly discharges droplets from the gas-liquid separation mechanism, and a dilution fluid supply unit that supplies the dilution fluid to the dilution mechanism. This is because the fuel gas contained in the droplets discharged from the second drain channel can be effectively diluted.
さらに、本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された燃料電池スタックと、前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に、前記燃料電池スタックの外部に露呈する排ガス流路を介して連通する気液分離機構と、前記気液分離機構から主として液滴が排出される希釈機構と、前記希釈機構に希釈流体を供給する希釈流体供給部と、流路の一端が前記排ガス流路とは個別に前記燃料ガス排出口に連通し、流路の他端が前記希釈機構に連通し、前記燃料ガス排出口から前記希釈機構に、主として液滴を排出する第1ドレン流路と、前記気液分離機構と前記希釈機構とに連通し、前記気液分離機構から前記希釈機構に、主として液滴を排出する第2ドレン流路とを備えている。 Furthermore, in the present invention, an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas inlet and a reaction gas discharge port are formed through the stacking direction. A gas-liquid separation mechanism communicating with a fuel cell stack and a fuel gas discharge port, which is one of the reaction gas discharge ports, through an exhaust gas passage exposed to the outside of the fuel cell stack, and mainly from the gas-liquid separation mechanism A dilution mechanism that discharges droplets, a dilution fluid supply unit that supplies a dilution fluid to the dilution mechanism, and one end of a flow path that communicates with the fuel gas discharge port separately from the exhaust gas flow path. The other end communicates with the dilution mechanism, communicates from the fuel gas discharge port to the dilution mechanism with a first drain channel for mainly discharging droplets, the gas-liquid separation mechanism, and the dilution mechanism, and From liquid separation mechanism A serial dilution mechanism, and a second drain channel which mainly discharged liquid droplets.
さらにまた、第1及び第2ドレン流路には、流量制御機構が配設されることが好ましい。流量制御機構を操作することにより、第1及び第2ドレン流路の開閉が行われ、排水制御が確実に遂行される。このため、生成水が所定量まで溜まっていない際には、燃料ガスを不要に通過させることがなく、経済的である。 Furthermore, it is preferable that a flow rate control mechanism is disposed in the first and second drain channels. By operating the flow rate control mechanism, the first and second drain channels are opened and closed, and drainage control is reliably performed. For this reason, when the generated water is not accumulated up to a predetermined amount, the fuel gas is not passed unnecessarily, which is economical.
また、本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された燃料電池スタックと、前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に、前記燃料電池スタックの外部に露呈する排ガス流路を介して連通し、前記反応ガス導入口の一方である燃料ガス導入口に循環する燃料ガス循環路と、前記燃料ガス循環路とは個別に前記燃料ガス排出口に連通して前記燃料電池スタックの外部に露呈し、前記燃料ガス排出口から主として液滴を排出する第1ドレン流路と、前記第1ドレン流路に配設される流量制御機構とを備えている。 In the present invention, an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are laminated, and at least a reaction gas introduction port and a reaction gas discharge port are formed through the lamination direction. A fuel gas stack, which is one of the reaction gas discharge ports, communicates with a fuel gas discharge port, which is one of the reaction gas discharge ports, via an exhaust gas flow passage exposed to the outside of the fuel cell stack. The fuel gas circulation path that circulates to the mouth and the fuel gas circulation path are individually communicated with the fuel gas discharge port and exposed to the outside of the fuel cell stack, and droplets are mainly discharged from the fuel gas discharge port. A first drain passage and a flow rate control mechanism disposed in the first drain passage;
さらに、燃料ガス循環路は、気液分離機構を設け、前記気液分離機構には、流量制御機構を介装して第2ドレン流路が連通することが好ましい。気液分離機構に貯留された生成水を、第2ドレン流路を介して確実に排出することができるからである。 Further, it is preferable that the fuel gas circulation path is provided with a gas-liquid separation mechanism, and the second drain flow path is communicated with the gas-liquid separation mechanism via a flow rate control mechanism. This is because the generated water stored in the gas-liquid separation mechanism can be reliably discharged through the second drain channel.
さらにまた、第2ドレン流路を介して気液分離機構に連結される希釈機構と、前記希釈機構に希釈流体を供給する希釈流体供給部とを備えることが好ましい。 Furthermore, it is preferable to include a dilution mechanism connected to the gas-liquid separation mechanism via the second drain flow path, and a dilution fluid supply unit that supplies the dilution fluid to the dilution mechanism.
第2ドレン流路から排出される水分に含まれる燃料ガスを、有効に希釈することができるからである。 This is because the fuel gas contained in the water discharged from the second drain channel can be effectively diluted.
本発明によれば、燃料ガス排出口の生成水(水滴)は、排水を主とする第1ドレン流路に排出されて気液分離機構に供給される。このため、燃料ガス排出口内の水分量が有効に削減され、この燃料ガス排出口から排ガス流路に排出される排ガス(余剰燃料ガス)は、生成水中にさほど混入することがない。これにより、不要に破棄される燃料ガス量が良好に削減され、燃料ガスの消費量を削減することができ、燃費の向上を図ることが可能になる。 According to the present invention, the generated water (water droplets) at the fuel gas discharge port is discharged to the first drain channel mainly including the waste water and supplied to the gas-liquid separation mechanism. For this reason, the amount of water in the fuel gas discharge port is effectively reduced, and the exhaust gas (excess fuel gas) discharged from the fuel gas discharge port to the exhaust gas flow path is not so much mixed into the generated water. As a result, the amount of fuel gas discarded unnecessarily is favorably reduced, the consumption amount of fuel gas can be reduced, and the fuel consumption can be improved.
また、本発明では、燃料ガス排出口の生成水は、排水を主とする第1ドレン流路に排出されて希釈機構に供給される。従って、燃料ガス排出口から排ガス流路に排出される排ガスは、生成水にさほど混入することがなく、不要に破棄される燃料ガス量が良好に削減される。 Further, in the present invention, the generated water at the fuel gas discharge port is discharged to the first drain passage mainly including the waste water and supplied to the dilution mechanism. Therefore, the exhaust gas discharged from the fuel gas discharge port to the exhaust gas passage is not mixed so much with the generated water, and the amount of fuel gas discarded unnecessarily is favorably reduced.
しかも、希釈機構に排出される液滴に混入する燃料ガス量は、僅かであるため、前記希釈機構に供給される希釈流体(例えば、空気)の流量をより少なく設定することができる。燃料ガスの濃度が低いからである。これにより、希釈流体を供給するためのファンや過給機等の消費電力を抑えることができ、燃費の向上が容易に図られる。 Moreover, since the amount of fuel gas mixed in the droplets discharged to the dilution mechanism is small, the flow rate of the dilution fluid (for example, air) supplied to the dilution mechanism can be set to be smaller. This is because the concentration of the fuel gas is low. Thereby, power consumption of a fan, a supercharger, or the like for supplying the diluted fluid can be suppressed, and fuel consumption can be easily improved.
さらに、本発明では、燃料ガス排出口の生成水は、第1ドレン流路から良好に排出されるとともに、気液分離機構や希釈機構を不要にすることが可能になる。このため、構成部品が大幅に削減されて燃料電池システム全体の構成が良好に簡素化され、経済的である。 Furthermore, in the present invention, the generated water at the fuel gas discharge port is discharged well from the first drain flow path, and it becomes possible to eliminate the gas-liquid separation mechanism and the dilution mechanism. For this reason, the number of components is greatly reduced, and the configuration of the entire fuel cell system can be easily simplified and economical.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10の概略説明図である。
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12を備える。この燃料電池スタック12は、複数の単位セル14が水平方向(矢印A方向)に積層されるとともに、積層方向一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及び第1エンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。単位セル14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、絶縁性プレート18b及び第2エンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。
The
図1及び図2に示すように、各単位セル14は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ24、26とを備える。なお、第1及び第2金属セパレータ24、26に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, each
単位セル14の長辺方向(図2中、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、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔(導入口)28a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔30a、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔(排出口)32bが設けられる。
One end edge of the
単位セル14の長辺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(導入口)32a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔30b、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(排出口)28bが設けられる。
The other end edge of the
電解質膜・電極構造体22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34と、前記固体高分子電解質膜34を挟持するアノード側電極36及びカソード側電極38とを備える。
The electrolyte membrane /
アノード側電極36及びカソード側電極38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、固体高分子電解質膜34の両面に形成される。
The
第1金属セパレータ24の電解質膜・電極構造体22に向かう面24aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する燃料ガス流路40が形成される。第1金属セパレータ24の面24bには、冷却媒体入口連通孔30aと冷却媒体出口連通孔30bとを連通する冷却媒体流路42が形成される。
A fuel
第2金属セパレータ26の電解質膜・電極構造体22に向かう面26aには、酸化剤ガス流路44が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路44は、酸化剤ガス入口連通孔28aと酸化剤ガス出口連通孔28bとに連通する。第2金属セパレータ26の面26bには、第1金属セパレータ24の面24bと重なり合って冷却媒体流路42が一体的に形成される。
The
第1金属セパレータ24の面24a、24bには、この第1金属セパレータ24の外周端縁部を周回して第1シール部材46が一体成形されるとともに、第2金属セパレータ26の面26a、26bには、この第2金属セパレータ26の外周端縁部を周回して第2シール部材48が一体成形される。
On the
図1に示すように、燃料電池スタック12には、燃料ガス供給系50、酸化剤ガス供給系52及び冷却媒体供給系(図示せず)が組み込まれる。燃料ガス供給系50は、水素タンク54を備え、この水素タンク54は、バルブ56からエゼクタ58を介して燃料ガス循環路60に接続される。この燃料ガス循環路60は、第1エンドプレート20aの燃料ガス入口連通孔32aに連結される。
As shown in FIG. 1, the
第1エンドプレート20aの燃料ガス出口連通孔32bは、燃料ガス排出路(排ガス流路)62を介して気液分離器(気液分離機構)64に連通する。この気液分離器64は、エゼクタ58に連通する。
The fuel gas
第2エンドプレート20bの燃料ガス出口連通孔32bには、燃料ガス排出路62とは個別に気液分離器64に連通する第1ドレン流路66が接続される。すなわち、第1ドレン流路66は、燃料電池スタック12において、燃料ガス排出路62とは反対側に備えられている。これにより、燃料電池スタック12が傾斜した際にも、効果的な排水が遂行される。
A
第1ドレン流路66は、燃料ガス出口連通孔32bに対して燃料ガス排出路62よりも下方に配置されるとともに、前記燃料ガス排出路62よりも小径に設定されることが好ましい。これにより、第1ドレン流路66への燃料ガスの混入量を最小限に抑えることができる。この第1ドレン流路66には、燃料ガス出口連通孔32bに近接してバルブユニット68が設けられている。
The
図3に示すように、バルブユニット68は、第1ドレン流路66に配設され、この第1ドレン流路66に所定量の液滴が溜まったことを検出するためのセンサ、例えば、静電容量センサ70と、前記静電容量センサ70の近傍に配置されて前記第1ドレン流路66を開閉するバルブ72と、前記静電容量センサ70からの信号に基づいて前記バルブ72を制御する制御部74とを備える。なお、センサとしては、静電容量センサ70に代替して、例えば、超音波センサ等、管内の液滴の有無を検出可能な種々のセンサが使用可能である。
As shown in FIG. 3, the
図1に示すように、気液分離器64とエゼクタ58との間からパージ流路76が分岐し、このパージ流路76は、バルブ78を介して希釈ボックス(希釈機構)80に接続される。気液分離器64には、この気液分離器64から主として水分を排出するための第2ドレン流路82が必要に応じて連結されるとともに、前記第2ドレン流路82は、バルブユニット84を介して希釈ボックス80に接続される。このバルブユニット84は、バルブユニット68と同様に構成される。
As shown in FIG. 1, a
酸化剤ガス供給系52は、第1エンドプレート20aの酸化剤ガス入口連通孔28aに連通する酸化剤ガス供給路86を備える。この酸化剤ガス供給路86には、例えば、コンプレッサ(図示せず)を介して加圧空気が供給される。第1エンドプレート20aの酸化剤ガス出口連通孔28bには、希釈ガス流路88が接続されるとともに、前記希釈ガス流路88は、希釈ボックス80に連通する。
The oxidant
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス供給系52を介して燃料電池スタック12を構成する第1エンドプレート20aの酸化剤ガス入口連通孔28aに、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気が供給される。一方、燃料ガス供給系50を構成する水素タンク54は、バルブ56を介して燃料ガス循環路60に水素含有ガス等の燃料ガスを供給する。この燃料ガスは、第1エンドプレート20aの燃料ガス入口連通孔32aに供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas, for example, an oxygen-containing gas is introduced into the oxidant gas
さらに、図示しない冷却媒体供給系を介して、第1エンドプレート20aの冷却媒体入口連通孔30aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が循環供給される。
Furthermore, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is circulated and supplied to the cooling medium
図2に示すように、燃料電池スタック12内では、酸化剤ガスが、酸化剤ガス入口連通孔28aから第2金属セパレータ26の酸化剤ガス流路44に導入され、電解質膜・電極構造体22のカソード側電極38に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔32aから第1金属セパレータ24の燃料ガス流路40に導入され、電解質膜・電極構造体22のアノード側電極36に沿って移動する。
As shown in FIG. 2, in the
従って、各電解質膜・電極構造体22では、カソード側電極38に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極36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、発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
また、冷却媒体は、第1及び第2金属セパレータ24、26間の冷却媒体流路42に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、冷却媒体出口連通孔30bを移動して第1エンドプレート20aに連結された図示しない循環流路に排出され、循環使用される。
The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling
次いで、カソード側電極38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28bに沿って流動した後、第1エンドプレート20aに連結された希釈ガス流路88に排出される(図1参照)。同様に、アノード側電極36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に排出されて流動し、第1エンドプレート20aに連結された燃料ガス排出路62に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 38 flows along the oxidant gas
この場合、第1の実施形態では、燃料ガス出口連通孔32bの第2エンドプレート20b側の端部には、第1ドレン流路66が接続されるとともに、この第1ドレン流路66の高さ位置は、燃料ガス排出路62の高さ位置よりも低く設定されている。従って、燃料ガス出口連通孔32bの生成水は、第1ドレン流路66に円滑に排出され、バルブユニット68の作用下に気液分離器64に供給される。
In this case, in the first embodiment, the
バルブユニット68では、図3に示すように、予めバルブ72を介して第1ドレン流路66が閉塞されており、静電容量センサ70が前記第1ドレン流路66に排出される水分量を検出する。そして、検出された水分量が所定量となる際に、制御部74を介して前記バルブ72が開放される。このため、燃料電池スタック12内に供給される圧縮水素ガスの圧力によって、第1ドレン流路66の生成水は、気液分離器64に確実に導入される。
In the
これにより、燃料ガス出口連通孔32bから燃料ガス排出路62に排出される余剰の燃料ガスは、生成水量が削減されるために、この生成水中にさほど混入することがない。従って、生成水に混入して気液分離器64に貯留される燃料ガス量が良好に削減され、前記気液分離器64からエゼクタ58を介して燃料ガス循環路60に余剰燃料ガスが有効に供給される。このため、第1の実施形態では、燃料ガスの消費量を削減することができ、燃費の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。
Thereby, the surplus fuel gas discharged from the fuel gas
さらに、第1の実施形態では、気液分離器64は、第2ドレン流路82を介して希釈ボックス80に接続されるとともに、前記第2ドレン流路82には、バルブユニット84が配設されている。これにより、気液分離器64から希釈ボックス80に生成水を確実に排出することができる。しかも、気液分離器64から排出される生成水中に燃料ガスが混入していても、希釈ボックス80に希釈ガス流路88を介して導入される使用済み空気によって良好に希釈することが可能になる。
Furthermore, in the first embodiment, the gas-
また、気液分離器64から希釈ボックス80に排出される水分中に混入する燃料ガス量がわずかであるため、前記希釈ボックス80に供給される希釈ガス(空気)の流量が削減される。従って、酸化剤ガス出口連通孔28bから排出される空気を希釈ガスとして希釈ボックス80に送るためのコンプレッサやファン等の消費電力を抑えることができ、燃費の向上が容易に図られる。
Further, since the amount of fuel gas mixed in the water discharged from the gas-
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム90の概略説明図である。
FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of a
なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム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。
The same components as those of the
燃料電池システム90は、第2エンドプレート20bの燃料ガス出口連通孔32bと、希釈ボックス80とに連通する第1ドレン流路92を備える。この第1ドレン流路92には、燃料ガス出口連通孔32bに近接してバルブユニット68が配設されている。第1ドレン流路92は、第1ドレン流路66と同様に構成されている。
The
このように構成される第2の実施形態では、燃料ガス出口連通孔32bの生成水は、第1ドレン流路92から希釈ボックス80に排出される。このため、燃料ガス出口連通孔32bから燃料ガス排出路62を介して気液分離器64に排出される水分量が減少し、この水分に混入されて前記気液分離器64に滞留する燃料ガス量が良好に削減される。従って、燃料ガスの消費量を削減して燃費の向上を図ることができる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment configured as described above, the generated water in the fuel gas
図5は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム100の概略説明図である。
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram of a
この燃料電池システム100は、第2エンドプレート20bの燃料ガス出口連通孔32bに接続されて外部に開放自在な第1ドレン流路102を備える。この第1ドレン流路102には、バルブユニット68が設けられている。なお、気液分離器64及び/又は希釈ボックス80は、必要に応じて用いればよく、不要にすることもできる。
The
この燃料電池システム100では、燃料ガス出口連通孔32bの生成水が第1ドレン流路102から外部に良好に排出される。このため、燃料ガス排出路62に排出される余剰燃料ガスに含まれる水分量を良好に削減することができ、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
In this
しかも、第1ドレン流路102から生成水を外部に排出するため、気液分離器64や希釈ボックス80を不要にすることが可能になる。これにより、燃料電池システム100は、構成部品が大幅に削減され、この燃料電池システム100全体の構成が良好に簡素化されて経済的であるという利点がある。
Moreover, since the generated water is discharged from the
10、90、100…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…単位セル 20a、20b…エンドプレート
22…電解質膜・電極構造体 24、26…金属セパレータ
28a…酸化剤ガス入口連通孔 28b…酸化剤ガス出口連通孔
30a…冷却媒体入口連通孔 30b…冷却媒体出口連通孔
32a…燃料ガス入口連通孔 32b…燃料ガス出口連通孔
34…固体高分子電解質膜 36…アノード側電極
38…カソード側電極 40…燃料ガス流路
42…冷却媒体流路 44…酸化剤ガス流路
50…燃料ガス供給系 52…酸化剤ガス供給系
54…水素タンク 58…エゼクタ
60…燃料ガス循環路 62…燃料ガス排出路
64…気液分離器
66、82、92、102…ドレン流路 68、84…バルブユニット
70…静電容量センサ 76…パージ流路
80…希釈ボックス 86…酸化剤ガス供給路
88…希釈ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記燃料電池スタックの下方に位置し且つ積層方向一端に設けられる前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に、前記燃料電池スタックの外部に露呈する排ガス流路を介して連通するとともに、前記燃料ガス排出口から燃料ガス及び生成水が排出される気液分離機構と、
流路の一端が、前記燃料電池スタックの積層方向他端に設けられる前記燃料ガス排出口に連通し、流路の他端が前記気液分離機構に連通し、前記燃料ガス排出口から前記気液分離機構に、主として液滴を排出する第1ドレン流路と、
前記気液分離機構に連通し、該気液分離機構から主として液滴を排出する第2ドレン流路と、
を備え、
前記第1ドレン流路は、前記燃料ガス排出口に対して前記排ガス流路よりも下方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas introduction port and a reaction gas discharge port are formed through the stacking direction;
While communicating with a fuel gas discharge port which is one of the reaction gas discharge ports located below the fuel cell stack and provided at one end in the stacking direction via an exhaust gas flow channel exposed to the outside of the fuel cell stack , A gas-liquid separation mechanism for discharging fuel gas and produced water from the fuel gas outlet ;
One end of the flow path communicates with the fuel gas discharge port provided at the other end in the stacking direction of the fuel cell stack, the other end of the flow path communicates with the gas-liquid separation mechanism, and the gas is discharged from the fuel gas discharge port. A first drain channel for mainly discharging droplets to the liquid separation mechanism;
A second drain channel communicating with the gas-liquid separation mechanism and mainly discharging droplets from the gas-liquid separation mechanism;
Equipped with a,
The first drain channel is a fuel cell system characterized Rukoto also disposed below the exhaust gas passage to the fuel gas discharge port.
前記希釈機構に希釈流体を供給する希釈流体供給部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein a dilution mechanism that mainly communicates with the second drain flow path and discharges droplets from the gas-liquid separation mechanism;
A dilution fluid supply unit for supplying a dilution fluid to the dilution mechanism;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池スタックの下方に位置し且つ積層方向一端に設けられる前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に、前記燃料電池スタックの外部に露呈する排ガス流路を介して連通するとともに、前記燃料ガス排出口から燃料ガス及び生成水が排出される気液分離機構と、
前記気液分離機構から主として液滴が排出される希釈機構と、
前記希釈機構に希釈流体を供給する希釈流体供給部と、
流路の一端が、前記燃料電池スタックの積層方向他端に設けられる前記燃料ガス排出口に連通し、流路の他端が前記希釈機構に連通し、前記燃料ガス排出口から前記希釈機構に、主として液滴を排出する第1ドレン流路と、
前記気液分離機構と前記希釈機構とに連通し、前記気液分離機構から前記希釈機構に、主として液滴を排出する第2ドレン流路と、
を備え、
前記第1ドレン流路は、前記燃料ガス排出口に対して前記排ガス流路よりも下方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas introduction port and a reaction gas discharge port are formed through the stacking direction;
While communicating with a fuel gas discharge port which is one of the reaction gas discharge ports located below the fuel cell stack and provided at one end in the stacking direction via an exhaust gas flow channel exposed to the outside of the fuel cell stack , A gas-liquid separation mechanism for discharging fuel gas and produced water from the fuel gas outlet ;
A dilution mechanism in which droplets are mainly discharged from the gas-liquid separation mechanism;
A dilution fluid supply unit for supplying a dilution fluid to the dilution mechanism;
One end of the flow path communicates with the fuel gas discharge port provided at the other end in the stacking direction of the fuel cell stack, the other end of the flow path communicates with the dilution mechanism, and the fuel gas discharge port communicates with the dilution mechanism. A first drain channel for mainly discharging droplets;
A second drain channel that communicates with the gas-liquid separation mechanism and the dilution mechanism, and mainly discharges droplets from the gas-liquid separation mechanism to the dilution mechanism;
Equipped with a,
The first drain channel is a fuel cell system characterized Rukoto also disposed below the exhaust gas passage to the fuel gas discharge port.
前記燃料電池スタックの下方に位置し且つ積層方向一端に設けられる前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に、前記燃料電池スタックの外部に露呈する排ガス流路を介して連通するとともに、前記燃料ガス排出口から燃料ガス及び生成水が排出され、前記反応ガス導入口の一方である燃料ガス導入口に循環する燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路とは個別に前記燃料電池スタックの積層方向他端に設けられる前記燃料ガス排出口に連通して前記燃料電池スタックの外部に露呈し、前記燃料ガス排出口から主として液滴を排出する第1ドレン流路と、
前記第1ドレン流路に配設される流量制御機構と、
を備え、
前記第1ドレン流路は、前記燃料ガス排出口に対して前記排ガス流路よりも下方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas introduction port and a reaction gas discharge port are formed through the stacking direction;
While communicating with a fuel gas discharge port which is one of the reaction gas discharge ports located below the fuel cell stack and provided at one end in the stacking direction via an exhaust gas flow channel exposed to the outside of the fuel cell stack , A fuel gas circulation path through which fuel gas and generated water are discharged from the fuel gas discharge port and circulates to the fuel gas introduction port which is one of the reaction gas introduction ports;
The fuel gas circulation path communicates with the fuel gas discharge port provided at the other end in the stacking direction of the fuel cell stack and is exposed to the outside of the fuel cell stack, and droplets are mainly discharged from the fuel gas discharge port. A first drain channel for discharging;
A flow control mechanism disposed in the first drain channel;
Equipped with a,
The first drain channel is a fuel cell system characterized Rukoto also disposed below the exhaust gas passage to the fuel gas discharge port.
前記気液分離機構には、流量制御機構を介装して第2ドレン流路が連通することを特徴とする燃料電池システム。 6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the fuel gas circulation path is provided with a gas-liquid separation mechanism,
A fuel cell system, wherein a second drain flow path communicates with the gas-liquid separation mechanism via a flow rate control mechanism.
前記希釈機構に希釈流体を供給する希釈流体供給部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6, wherein a dilution mechanism is connected to the gas-liquid separation mechanism via the second drain channel.
A dilution fluid supply unit for supplying a dilution fluid to the dilution mechanism;
A fuel cell system comprising:
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