JP4561035B2

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Publication number: JP4561035B2
Application number: JP2003047707A
Authority: JP
Inventors: 義宏田村; 宗久堀口
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: JP2004259535A

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは、起動時に燃料ガスを短時間で大量に供給し得る燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものであるから、電解質膜を挟んで燃料ガスと酸化ガスが存在していれば、両者の電気化学的な反応が継続する。このため、従来では、燃料電池の運転を停止するために、燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止し、かつ、燃料極側には、燃料ガスの変わりに空気や窒素等の置換ガスを送り込み、停止後に反応が起こらない構成を採用している。
そして、運転起動時には、燃料室に燃料ガスを送り込むことにより、置換ガスを外部に排出し反応を開始させる構成がとられている。
【０００３】
一方、特開平１１−２６００３号に記載されているように、燃料室内において、燃料ガスの濃度が他の領域より特に濃い領域と、酸化ガスの濃度が他の領域により特に濃い領域が併存する状態、即ち、同一の燃料室内で、燃料ガスと酸化ガスが偏在した状態が発生すると、燃料ガスが偏在した部分が局部電池を形成し、酸化ガスが偏在した部分に正常発電時と逆向きの電流を流すように働くため、特に酸素極を腐食させることなり、酸素極又は電解質膜の劣化が速くなるという問題がある。
燃料室の残留燃料ガスをパージする構成としては、例えば以下に示す文献が挙げられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０２−３３８６６号。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１においては、燃料極に供給されている反応ガスに代わって、不活性ガスが供給される構成となっているが、配置スペースの少ない車両等に燃料電池を搭載する場合を想定すると、停止時の燃料電池のために不活性ガス容器を搭載することは、好ましくない。
【０００６】
また、停止状態において燃料極のガスを空気に置換する構成とすると、起動時に燃料ガスを供給する際、燃料室内では瞬間的に燃料ガスと空気との偏在が発生する。この偏在によって、電気化学反応が生じ、これによって電極が劣化するという問題があった。
この発明は、電極の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
（１）複数の単位セルと複数のセパレータとを交互に積層して構成され、各単位セルの燃料極とセパレータとの間に形成された燃料保持部と、各燃料保持部にそれぞれ連通する燃料流入通路と、各燃料保持部にそれぞれ連通する燃料流出通路とを備えた積層単位体を複数重ね合わせ、
各積層単位体は、燃料ガスの下流側に隣接する積層単位体の燃料流入通路に燃料流出通路が、燃料ガスの上流側に隣接する積層単位体の燃料流出通路に燃料流入通路がそれぞれ連通され、
燃料ガスの最も上流に位置している積層単位体の燃料流入通路には、燃料供給口が、最も下流に位置している積層単位体の燃料流出通路には、燃料排出口が設けられている燃料電池スタックと、
一端が前記燃料供給口に接続され、他端が前記燃料排出口に接続された燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に設けられ、前記燃料排出口側から燃料ガスを吸引して循環させるポンプと、
前記燃料ガス循環路に接続され、前記燃料ガス循環路を介して前記燃料供給口へ燃料ガスを送る燃料ガス導通路と、
前記燃料ガス導通路に設けられ、開放時に通常運転時のガス圧に比べて高い圧力で燃料ガスを供給する起動用燃料ガス供給弁と、
一端がポンプと燃料排出口の間に接続され、他端が燃料ガス排出路に接続されている起動時排出回路と、
前記起動時排出回路に設けられた起動用燃料ガス排気弁と、
前記起動用燃料ガス排気弁と起動用燃料ガス供給弁とは、起動時から通常運転状態に移行するまでの間のみ開放されることを特徴とする燃料電池システム。
【０００９】
(２) 単位セルとセパレータを交互に積層することによって構成される燃料電池スタックであって、
各単位セルの燃料極とセパレータとの間に形成された燃料保持部と、
前記単位セルと前記セパレータの積層方向に沿って設けられ、各燃料保持部にそれぞれ連通する２つの燃料流通路を有し、
一方の燃料流通路には燃料供給口が、他方の燃料流通路には燃料排出口が設けられており、
燃料流通路は、各単位セルとセパレータが積層された際に相互に重なり合う位置に形成された孔を積層することで形成され、
一方の燃料流通路に対応した位置に孔を有し、他方の燃料流通路に対応した位置に孔を有さない遮蔽板が、孔の位置を交互に変えて所定間隔で介挿されている燃料電池スタックと、
一端が前記燃料供給口に接続され、他端が前記燃料排出口に接続された燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に設けられ、前記燃料排出口側から燃料ガスを吸引して循環させるポンプと、
前記燃料ガス循環路に接続され、前記燃料ガス循環路を介して前記燃料供給口へ燃料ガスを送る燃料ガス導通路と、
前記燃料ガス導通路に設けられ、開放時に通常運転時のガス圧に比べて高い圧力で燃料ガスを供給する起動用燃料ガス供給弁と、
一端がポンプと燃料排出口の間に接続され、他端が燃料ガス排出路に接続されている起動時排出回路と、
前記起動時排出回路に設けられた起動用燃料ガス排気弁と、
前記起動用燃料ガス排気弁と起動用燃料ガス供給弁とは、起動時から通常運転状態に移行するまでの間のみ開放されることを特徴とする燃料電池システム。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、空気供給系１２、水素供給手段としての高圧水素タンク１１を含む燃料供給系１０、水供給系５０から大略構成される。
【００１４】
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。
【００１５】
セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。
集電部材３、４は金属板で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。さらに、集電部材３、４は、カーボンで構成されたものを使用することもできる。
【００１６】
集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３は、矩形の板材から成り、その表面には、プレス加工によって、突出形成された複数の柱状凸部３２が形成されている。柱状凸部３２は、板材の短辺と長辺とに沿って縦横に等間隔で配列されている。柱状凸部３２の間には、長辺に沿って（図２における横方向）配置された柱状凸部３２の間に形成された溝によって、水素流路３０１が、短辺に沿って（図２における縦方向）配置された柱状凸部３２の間に形成された溝によって、水素流路３０２が形成されている。この柱状凸部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。また、柱状凸部３２の裏側は、穴３３となっている。集電部材３の両端部には、孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この孔３５によって水素供給路が構成される。
【００１７】
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部となっており、この中空部によって冷却流路４１が形成されている。空気流路４０と、冷却流路４１は、板材の端部まで達し、両端は、板材の端辺部で開口する開口部を備えている。集電部材４の両端部には、孔４８が形成され、セパレータ１３を積層した場合には、重ねられた孔４８によって水素供給路が構成される。
【００１８】
以上のような集電部材３、４は、各柱状凸部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、水素流路３０１、３０２の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、集電部材３、４を重ね合わせることによって、図４に示されているように、冷却流路４１が形成され、穴３３は冷却流路４１の一部を構成する。
また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。
【００１９】
空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。また、冷却流路４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と冷却流路４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。このため、導入口４３と流入開放口４５も交互に配置され、導出口４４と流出開放口４６も交互に配置される。また、空気と水は、側壁４７に沿って流れるため、側壁４７は、冷却フィンとしての作用も発揮する。空気流路４０と冷却流路４１が交互に、かつ平行に配置されることで、燃料電池の冷却効率が向上し、均一な冷却が可能となる。
【００２０】
集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、柱状凸部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の孔３５に合致する位置に孔８３ａ、８３ｂが形成されており、この孔８３ａ、８３ｂと窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４ａ、８４ｂが設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。
この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料保持部である燃料室３０が画成される。
【００２１】
集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３ａ、８３ｂに合致する位置に孔９３ｂ、９３ａが形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３と冷却流路４１の流入開放口４５とに接続されている。
【００２２】
上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、後述する空気マニホールド５４から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４と冷却流路４１の流入開放口４５とに接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。
【００２３】
図７は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。
【００２４】
空気流路４０及び冷却流路４１の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ₂）等が挙げられる。
【００２５】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図８は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３と流入開放口４５が交互に開口し、この導入口４３と流入開放口４５に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、ノズル５５から噴射された水が同時に流入する。側壁４７は、空気の流通経路に配置され冷却フィンとしても作用する。
導入口４３と流入開放口４５から流入した空気と水は、冷却流路４１内で、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。
【００２６】
図９は、燃料電池スタック１００の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ１３は、所定の枚数重ねられたモジュール１３０（積層単位体）を構成し、このモジュール１３０を複数重ねることによって燃料電池スタック１００が構成される。モジュール１３０とモジュール１３０の間には、図１１に示されているように、集電部材３と集電部材４の間に遮蔽板１６を挟んだ、セパレータ１４が介在する。図１２は、遮蔽板１６の全体平面図である。遮蔽板１６は、モジュール１３０の間に介挿された際に、水素通路１７ａ又は水素通路１７ｂのいずれかに対応した位置に、水素通路１７ａ、１７ｂの断面形状と同じ形状の、孔１６１ａ又は孔１６１ｂを備えている。孔１６１ａ又は孔１６１ｂは、１枚の遮蔽板１６について、どちらか一方のみが形成されている。更には、図６に示されているセパレータ９を用いてもよい。この場合には、孔９３ａ又は孔９３ｂのいずれか一方を開孔しない事でも実現される。
なお、遮蔽板１６は、導電性を有し、燃料電池スタック１００内での電気の流通は妨げない。
【００２７】
一方、遮蔽板１６が孔１６１ａを有する場合には、水素通路１７ｂでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６が孔１６１ｂを有する場合には、水素通路１７ａでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔１６１ｂが設けられている遮蔽板１６、孔１６１ａが設けられている遮蔽板１６・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール１３０毎に、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール１３０単位で、連続して各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のモジュール１３０では、水素通路１７ａ（燃料流入通路）から水素通路１７ｂ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のモジュール１３０では、水素通路１７ｂ（燃料流入通路）から水素通路１７ａ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を連続して水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。このように、水素通路１７ａと水素通路１７ｂは、モジュール１３０の各燃料室３０に水素ガスを供給する燃料流入通路と、各燃料室３０から水素ガスが流出してくる燃料流入通路とに交互に入れ替わることとなる。
【００２８】
燃料電池スタック１００は、単位セル１５とセパレータ１３を積層して構成されたモジュール１３０と、モジュール１３０内において、セパレータ１３の積層方向に形成され、燃料室３０を挟んだ両側に位置し、各燃料室３０にそれぞれ連通する一対の水素通路１７ａ、１７ｂとを有し、モジュール１３０を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール１３０の間には、各モジュール１３０の一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）間を連通する連通部（孔１６１ａ（又は１６１ｂ））と、他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）間の水素流通を遮断する遮断部１６２ｂ（又は１６２ａ）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール１３０の積層方向に向けて順に、一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）と他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）において交互に設けられ、一対の水素流路（１７ａ、１７ｂ）間の各燃料室３０内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。
【００２９】
このように、燃料電池スタック１００を、複数のモジュール１３０に分割し、モジュール毎に水素ガスを流通させる構成とすることによって、各モジュール１３０の間で水素ガス流量に差が生じることを防止できる。また、１つのモジュール１３０内においても、積層方向に配置された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずることを抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。１つのモジュール１３０が有する燃料室３０の総和の容積は、大量の水素が流通可能となる程度に確保されるので、水素の供給速度を上げても（水素の流量を上げても）、水素がモジュール１３０内の燃料室３０内に滞ることなく、短時間でジュール１３０外へ（即ち、燃料電池スタック１００の外へ）流れ出ることができる。これにより、置換速度が増大することとなり（即ち、置換ガスが水素に入れ替わるまでに要する時間が短くなり）、置換ガスと水素ガスが、燃料室３０内で偏在する時間を一層短縮することができ、電極の劣化を防止することができる。さらには、通常運転時においては、水素の流速が増大することで、生成水の排出を容易にし、燃料電池の水詰まりによる出力低下が防止できる。
【００３０】
モジュール１３０を構成する燃料電池セパレータ１３の枚数は、各セパレータ１３における水素流路３０２の断面積（燃料室内を流れる水素ガスの流線に対して、垂直な面の面積が、最も小さくなる位置の面積：図１０におけるａ部分の面積の総和（モジュール１３０を構成するセパレータ１３の、前記水素流路３０２断面積の総和）、又は、水素流通経路８４の横断面積の総和（図１１の太実線で囲まれたｂ部分の面積））が、水素通路１７ａ、１７ｂの横断面積とほぼ同じとなる枚数に決められる。このような構成とすると、燃料電池スタック１００内を流れる水素ガスの流通経路の横断面積が、燃料電池スタック１００にガスが流入してから流出するまで、大きく変動せず、モジュール１３０を構成する各セパレータ１３の燃料室３０に、ガス流をより均一に分配することができる。さらに、燃料室３０内にガス滞留部が起きることが抑制される。
【００３１】
このため、始動時のガス供給の際にも、始動時に充填されているガス（空気）を効率よく排出し、一層均一かつ迅速に水素ガスに置換することが可能となる。
【００３２】
図９に示されているように、燃料電池スタック１００の両端には、端部セパレータの外側に電極板１９１ａ、１９１ｂが積層され、さらに外側には、絶縁部材１９２ａ、１９２ｂ、エンドプレート１９ａ、１９ｂの順に積層されている。
【００３３】
図１３は、燃料電池スタック１００の正面図である。エンドプレート１９ａの外側面には凹部１９３ａが形成されている。この凹部１９３ａの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料供給口１８２ａが開口している。凹部１９３ａには、カバー１９４ａが、全体に覆い被せられている。凹部１９３ａは、水素通路１７ａへ向けて幅広となる形状に形成されている。カバー１９４ａは、凹部１９３ａの形状に沿った形状に形成され、水素通路１７ａに対して反対側の端に、ガス導入口１８１ａが形成されている。カバー１９４ａと凹部１９３ａで画成された空間によって、整流手段としての導入案内路１８ａが構成されている。この整流手段は、水素導入路２０２から送られてくる水素ガスを水素通路１７ａへ滑らかに導く作用を有し、流通経路の断面形状や流通方向が急激に変化することによって生じる抵抗や乱流の発生を抑制し、その結果、燃料電池スタック１００内の各燃料室に均一に水素ガスが供給されるように構成されている。
【００３４】
この導入案内路１８ａは、ガス導入口１８１ａが、水素導入路２０２と同じ断面形状を有し、燃料供給口１８２ａが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ａから燃料供給口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。また、流路１８３ａには、水素通路１７ａの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する整流板１８４ａが設けられている。
【００３５】
図１４は、燃料電池スタック１００の背面図である。燃料電池スタック１００の水素ガス流出部分には、導出案内路１８ｂが設けられている。導出案内路１８ｂは、エンドプレート１９ｂの外側面に形成された凹部１９３ｂと、この凹部１９３ｂに被せられたカバー１９４ｂとによって画成された空間によって構成される。凹部１９３ｂの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料排出口１８１ｂが開口している。
【００３６】
この導出案内路１８ｂは、燃料排出口１８１ｂが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ｂが、水素導出路２０３と同じ断面形状を有している。そして、燃料排出口１８１ｂからガス導出口１８２ｂまでの流路１８３ｂは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。
【００３７】
以上のような燃料電池スタック１００の構成によって、燃料電池スタック１００に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ１３の燃料室３０へ均一に水素ガスが供給される。なお、ガス導出口１８２ｂは、燃料排出口１８１ｂの下端部の位置よりも、鉛直方向において、同じ高さ、又は下方に位置している。このような位置にガス導出口１８２ｂを設けることによって、燃料電池スタック１００から、水素通路１７ａを通って排出される水を、水素導出路２０３へ排出することが容易となる。
【００３８】
次に、図１に示されている他の構成について説明する。空気供給系１２は大気から空気を燃料電池スタック１００の開口９４１を介して空気流路４０と冷却流路４１に供給し、燃料電池スタック１００から排出された空気を水凝縮器５１を通過させて排気する。空気供給路１２３には、吸気手段としての空気ファン１２２が備えられ、フィルタ１２１を介して、大気から空気を空気マニホールド５４へ送る。空気はマニホールド５４から燃料電池スタック１００の空気流路４０へ流入して空気極３へ酸素を供給する。燃料電池スタック１００から排出された空気は、空気排気マニホールドを経て、水凝縮器５１で排気空気中の水分が凝縮・回収されて大気へ放出される。燃料電池スタック１００から排出される温度は排気温度センサＳ１によりモニタされている。また、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を構成する単位セル毎に電極の局部電位を測定する電位検出センサＳ２が設けられている。
【００３９】
この実施形態では、空気マニホールド５４にノズル５５が配設されており、これより吸気中に水が液体の状態で噴射され、空気に混合される。この水の大部分は液体の状態を維持したまま、燃料電池スタック１００の下側に設けられた、容器内に回収され、水回収ポンプ６２により水タンク５３に送られる。
【００４０】
燃料供給系１０は、水素導通路２０１、水素導入路２０２を介して、高圧水素タンク１１から放出された水素を燃料電池スタック１００の水素通路１７ａへ送る。水素導通路２０１には、高圧水素タンク１１側から燃料電池スタック１００側へ向けて、水素元弁２２、水素一次圧センサＳ３、水素一次圧調圧弁２１、水素二次圧可変調圧弁７２ａ、水素供給電磁弁２４、水素二次圧センサＳ４が、この順に設けられている。水素一次圧センサＳ３によって高圧水素タンク１１側の水素圧がモニタされている。
【００４１】
水素二次圧調圧弁７２ａには、これに並列に回路が設けられている。その回路は、両端が水素二次圧調圧弁７２ａの上流側と下流側とに接続された流路７１と、流路７１において起動時水素供給電磁弁７３を備えている。二次圧調圧弁７２ａの設定値は、約０．１ＭＰａとなっている。即ち、二次圧調圧弁７２ａの設定値は、通常運転時の水素供給圧である。起動時においては、起動時水素供給電磁弁７３が開放される。
【００４２】
水素調圧弁２１によって、燃料電池スタック１００へ供給するために適した圧力に調整される。また水素供給電磁弁２２の開閉によって、水素の燃料電池スタック１００への供給が電気的に制御され、水素ガスの供給を行わない場合には、この電磁弁２２が閉じられ、水素ガスの供給が止められる。また、水素二次圧センサＳ４によって、燃料電池スタック１００に供給される直前の水素ガス圧がモニタされる。
【００４３】
水素導通路２０１には、水素導入路２０２の一端が接続され、水素導入路２０２の他端は燃料電池スタック１００の水素通路１７ａに接続されている。また、水素導入路２０２には、安全弁が設けられており、導入路内のガス圧が所定の値以上となった場合には、この安全弁が開放され、導入路２０２内（ひいては、燃料電池スタック１００内）の圧力が下げられる。
【００４４】
燃料電池スタック１００では、各モジュール１３０単位で水素ガスが流通し、図３に示されているように、一方の水素通路１７ａ（又は１７ｂ）から水素ガスが水素流通経路８４ａ（又は８４ｂ）へ流入し、さらに、水素流通経路８４ａ（又は８４ｂ）から水素流路３０１、３０２へ流入する。水素流路３０１、３０２において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路８４ｂ（又は８４ａ）から水素通路１７ｂ（又は１７ａ）へ流入する。
【００４５】
燃料供給系１０において、燃料電池スタック１００の水素通路１７ａから排出される水素ガスは水素導出路２０３へ排出される。水素導出路２０３には、酸素濃度センサＳ５と、水素濃度センサＳ６と、ポンプ２５が設けられ、ポンプ２５は、燃料電池スタック１００から水素ガスを吸引する方向に駆動する。ポンプ２５の下流側には、水素返還路２０５の一端が接続されている。水素返還路２０５には、電磁弁２９が設けられ、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスが、直接排出側に流出しない構成となっている。
【００４６】
水素返還路２０５の他端は、水素導入路２０２に接続され、水素導入路２０２、水素導出路２０３、水素返還路２０５によって、水素循環路が形成されている。電磁弁２９とポンプ２５の間には、水素排出路２０４の一端が水回収トラップ２３を介して接続されている。水素排出路２０４には、逆止弁２６、水素排出電磁弁２７ａ、消音器２８ａが、この順で設けられている。
【００４７】
酸素濃度センサＳ５は、燃料電池スタック１００から排出されたガスの酸素濃度を検出し、水素濃度センサＳ６は、燃料電池スタック１００から排出されたガスの水素濃度を検出する。起動時排出回路２０５は、一端がポンプ２５の上流側に、他端が水素排出路２０４の逆止弁２６の上流側に接続されている。この起動時排出回路２０５には、起動専用排気弁７４が設けられている。起動時には、起動専用排気弁７４が開放され、ポンプ２５を経ずに、ガスが直接水素排出路２０４へ導かれる。起動の際のガス充填時に、排出口でのガス流抵抗を抑え、起動時の水素流入速度を増大させ、水素ガスへの置換速度を増大（置換時間を短縮）すさせるためである。
【００４８】
タンク５３の水は水供給ポンプ６１により、水供給路５６を介して、空気マニホールド５４内に配設されたノズル５５へ圧送され、ここから空気マニホールド５４内で連続的若しくは間欠的に噴出される。この水は燃料電池スタック１００の開口９４１を介して空気流路４０と冷却流路４１に送られる。ここにおいて優先的に水分から潜熱を奪うので、酸素極１５ｂ側の電解質膜１５ａからの水分の蒸発が防止される。従って、電解質膜１５ａはその酸素極１５ｂ側で乾燥することなく、生成水により常に均一な湿潤状態を維持する。また、酸素極１５ｂの表面に供給された水は酸素極１５ｂ自体からも熱を奪いこれを冷却し、さらに冷却流路４１に流入した水も熱を奪う。これにより燃料電池スタック１００の温度を制御できる。
【００４９】
即ち、燃料電池スタック１００へ特に冷却水系を付加しなくても当該燃料電池スタック１００を充分に冷却することができる。なお、排気温度センサＳ１で検出された排出空気の温度に対応して水供給ポンプ６１の出力を制御し、燃料電池スタック１００の温度を所望の温度に維持することもできる。
タンク５３の水は、空気マニホールド５４内に配設されたノズル５５から酸素極１５ｂの表面に供給され、この水は、水凝縮器５１で回収され、容器にためられた水とともに、水回収ポンプ６２により、タンク５３に回収される。ポンプ６２とタンク５３の間には、タンク５３から水回収ポンプ６２への水の逆流を防止するため、逆止弁５２が設けられている。タンク５３の水量は、水位センサＳ７によって検出される。
【００５０】
以上のような構成において、燃料電池システム１により電力出力される通常運転状態では、空気ファン１２２から燃料電池スタック１００に空気が供給され、同時に、燃料供給系１０からは水素ガスが燃料電池スタック１００に供給される。そして、燃料電池スタック１００内では、発電反応が継続され、電力と、反応により生成された生成水が発生する。このような発電反応は、酸素極に空気を、燃料極に水素ガスを継続して供給することにより維持される。このような通常運転時においては、水素ガスの消費効率を考慮して、単位セル１５において反応が可能な充分の濃度の水素ガスが供給され、通常運転時の供給圧力は、充分な反応が維持でき、無駄が生じない範囲で設定されている。通常運転時の供給圧力が必要以上に高いと、供給過剰となり、反応していない多くの水素が排出され、燃料ガスの無駄が発生する。さらに、あまり供給圧力を上げ過ぎると固体電解質膜の破損につながる。このような観点から、通常運転時の水素ガスの供給ガス圧は、例えば、０．１メガパスカルに設定されている。一方起動時に水素ガスを供給する場合の供給ガス圧は、置換ガスの排出と、ガス偏在抑制を目的とするため、上記通常運転時のガス圧に比べて高い、つまり1次水素調圧弁２１で調整された圧力で供給される。またこの際、供給時間は微小時間に設定され、固体電解質膜がガス圧によって破損されない程度の時間であり、かつガスの偏在が十分抑制される時間となっている。
【００５１】
上記説明した燃料電池システム１は、制御部によって、各部が制御される。また、各センサＳ１〜Ｓ７の検出値は、制御部に供給される。具体的には、制御部によって、水供給ポンプ６１による供給量が制御され、水回収ポンプ６２のオン・オフと、空気ファン１２２のオン・オフ、水素ポンプ２５のオン・オフが制御される。さらに、制御部によって、水素元弁２２の開閉、水素供給電磁弁２４の開閉、水素排出電磁弁２７ａの開閉、電磁弁２９開閉について制御される。
【００５２】
以上のような構成を有する燃料電池システム１は、起動時において、以下のような動作を行う。図１５及び図１６は、第１実施形態における燃料電池システム１の起動時における燃料供給系１０の制御動作を示すフローチャートである。
【００５３】
水素元弁２２は開放されていることを前提とし、イグニッションＯＮなど、起動を始める動作が確認される（ステップＳ１０１）。次に、センサ類やポンプなどの補機類の動作をチェックする（ステップＳ１０３）。このような動作チェックによって、システム各部の検出値を取得することが可能となる。さらに、空気供給系１２、水供給系５０の作動を開始する（ステップＳ１０５）。つまり、空気ファン１２２を駆動させ、ポンプ６１を駆動させる。水素一次圧センサＳ３から供給された検出値に基づいて、水素一次圧が極端に低くないか確認する（ステップＳ１０７）。圧力が低いと、ガス供給時に十分な流速が得られず、置換ガス（例えば、空気）を、パージすることができないからである。
【００５４】
次に、水素ガスを導入して、置換ガスを排出する動作を開始する。排気側のガス流路を閉じたまま、高圧のガスを供給すると、燃料電池スタック１００が損傷する恐れがあるので、最初に排気弁２７ａを開放し（ステップＳ１０９）、次に起動専用排気弁７４を開放する（ステップＳ１１１）。
【００５５】
そして、起動用水素供給弁１１３を開放し（ステップＳ１１３）、さらに水素供給弁２４を開放する（ステップＳ１１５）。これにより、１次水素調圧弁２１で調圧された水素ガスが、起動用水素供給回路を経て、２次水素調圧弁７２ａで調圧されずに、直接燃料電池スタック１００へ供給される。
【００５６】
燃料電池スタック１００から排出されたガスを水素濃度センサＳ６で検出した検出値に基づき、排出ガスの水素濃度が９５％以上であるか判断する（ステップＳ１１７）。水素濃度が９５％に達しない場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させる（ステップＳ１２３）。排出ガスの水素濃度が９５％以上であれば、燃料室３０内は、ほぼ水素ガスで満たされ、ガスの偏在が発生していない、或いは局部電流か発生するほど酸素ガスが残っていないと推測することができる。
【００５７】
酸素濃度センサＳ５の検出値に基づき、排出ガスの酸素濃度が１％以下であるか判断する（ステップＳ１１９）。酸素濃度が１％以下でない場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させる（ステップＳ１２３）。排出ガスの酸素濃度が１％以下であれば、燃料室３０内は、酸素ガスがほとんど残っておらず、ガスの偏在が発生していない、或いは局部電流か発生するほど酸素ガスが残っていないと推測することができる。
【００５８】
酸素濃度が１％以下である場合には、電位検出センサＳ２の検出値に基づき、全ての単位セル電極の局部電位が１．１Ｖ以下であるか判断する（ステップＳ１２１）。１つの単位セルであっても、局部電位が１．１Ｖより大きいものがある場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させる（ステップＳ１２３）。排出ガスの水素ガス濃度を検出するだけでは、各燃料室毎のガス偏在の程度は判明しないので、各燃料室毎の局部電位を検出することで、ガス偏在の可能性を判定する。
【００５９】
ステップＳ１２１において、電極の局部電位が１．１Ｖ以下であると判断された場合には、排出ガスの水素濃度が９５％以上であり、かつ排出ガスの酸素濃度が１％以下であり、かつ全ての電極の局部電位が１．１Ｖ以下であることを意味する。この場合には、各燃料室３０内がほぼ均一に水素ガスに置換されたことを意味するので、起動時水素供給電磁弁７３を閉じる（ステップＳ１２５）。これにより、二次圧調圧弁７２ａに水素ガスが供給され、燃料電池スタック１００へは、通常運転時の圧力に調整された水素ガスが供給される。
【００６０】
起動用水素排気弁７４を閉じる（ステップＳ１２７）。供給されるガス圧が通常運転時のガス圧となった為、通常運転状態に回路の各部が切り換えられる。
【００６１】
排気弁２７ａが閉じられる（ステップＳ１２９）。これにより、通常運転状態に移行する（ステップＳ１３１）。排気弁２７ａは、通常運転時においては、水素濃度を一定値以上に維持するために、適宜開閉される。以上のような動作によって、置換ガスは、短時間で、かつ確実に排出され、水素ガスに交換される。
【００６２】
ステップＳ１２３で警告灯を点灯させた後、電極が劣化を防止するため、非常停止動作を実行する（ステップＳ１２４）。即ち、排気弁２７ａを閉じ、起動専用排気弁７４を閉じ、起動用水素供給弁１１３を閉じ、水素供給弁２４を閉じる。更に、次に、ステップＳ１０３でチェックした補機類を停止し（ステップＳ１２６）、イグニッションオフにより（ステップＳ１２８）、車両システムを停止する（ステップＳ１３０）。
【００６３】
上記実施形態の他、燃料電池スタック１００を構成する各モジュール１３０の燃料室容積の総和を、燃料ガスが流れる方向に沿って、順に変化する構成することができる。例えば、燃料ガスが流入する側のモジュール１３０の燃料室容積が最小で、ガスが流出側のモジュール１３０の燃料室容積が最大となり、その間に配置されている各モジュール１３０の燃料室容積の総和は、燃料ガスが流れる方向に沿って順に大きくなる構成とすることができる。燃料室には、酸素極から固体電解質膜を通じて逆拡散により生成される生成水が溜まるため、燃料電池スタック１００内を燃料ガスが流れると、ガス流によって生成水が押し流され、下流側のモジュール１３０の燃料室へ向けて生成水が増えて行き、下流側の燃料室内により多くの水が溜まることとなる。これによって、燃料ガスと燃料極との接触が妨げられるため、反応が抑制される恐れがある。しかし、下流側の燃料室の容積を大きく取れば、水によって損なわれた容積を確保することができ、反応を確実に確保することができる。
【００６４】
一方、逆に燃料ガスが流入する側のモジュール１３０の燃料室容積が最大で、ガスが流出側のモジュール１３０の燃料室容積が最小となり、その間に配置されている各モジュール１３０の燃料室容積の総和は、燃料ガスが流れる方向に沿って順に小さくなる構成とすることができる。この場合には、容積が順に狭くなることによって、ガス流の流速が増し、生成水が溜まる下流側のモジュール１３０で特にガス流速が大きくなる。このため、燃料室内に溜まった水は、ガス流により吹き飛ばされ、水の排出が容易となる。
【００６５】
このように、積層単位体の燃料室容積の総和を変化させるには、例えば、モジュール１３０を構成する、単位セル１５とセパレータ１３の枚数を変えることにより実現できる。つまり、燃料室容積の総和を増やすには、積層される単位セル１５とセパレータ１３の枚数を増やし、燃料室容積の総和を減らすには、積層される単位セル１５とセパレータ１３の枚数を減らせばよい。また、水の排出を容易とするために、燃料電池スタック１００の設置姿勢を、鉛直方向において、ガス排出側（エンドプレート１９ｂ側）を低く、ガス供給側（エンドプレート１９ａ側）を高く設定することができる。
【００６６】
さらに、遮蔽板１６によって、水素流路１７ａ、１７ｂを塞ぎ、モジュール１３０毎にガスが通過する構成としたが、２つの枠体８、９の少なくとも一方において、水素流路１７ａ、１７ｂを構成するためにそれぞれ設けられた一対の孔８２ａ８２ｂ及び孔９３ａ９３ｂについて、一方の孔を塞いだ枠体８、９を、遮蔽板１６に代えて設けることによって、作用を備えたモジュールを構成することができる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池スタックを構成する積層単位体毎に、起動時ガスが流通するので、置換ガスとの間でガス偏在が発生することが抑制される。また、置換ガスを燃料ガスに代えまでの供給時間が短縮され、この燃料電池スタックを備えたシステム始動までの時間が短縮される。また、起動の際のガス充填時に、排出口でのガス流抵抗を抑え、起動時の水素流入速度を増大させ、水素ガスへの置換速度を増大（置換時間を短縮）させることができる。
【００６９】
請求項２に記載の発明によれば、積層される孔によって燃料流通路を構成し、遮蔽板により燃料ガスの流通を規制する構成としたので、製造が容易である。また、起動の際のガス充填時に、排出口でのガス流抵抗を抑え、起動時の水素流入速度を増大させ、水素ガスへの置換速度を増大（置換時間を短縮）させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。
【図３】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。
【図４】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）でである。
【図５】燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。
【図６】燃料電池用セパレータの全体背面図である。
【図７】単位セルの断面図である。
【図８】燃料電池スタックの部分平面図である。
【図９】燃料電池スタックの全体平面図である。
【図１０】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図１１】水素通路の縦断面を示す燃料電池スタックの部分断面図（Ｄ-Ｄ断面図）である。
【図１２】遮蔽板の全体平面図である。
【図１３】燃料電池スタックの全体正面図である。
【図１４】燃料電池スタックの全体背面図である。
【図１５】第１実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。
【図１６】第１実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池システム
１００燃料電池スタック
１３燃料電池セパレータ
１３０モジュール
１５単位セル
１７ａ、１７ｂ水素通路
３集電部材
３０燃料室
３２柱状凸部
３０１水素流路
３０２水素流路
４集電部材
４０空気流路
４１冷却流路
４２凸状部
４３導入口
４４導出口
４５流入開放口
４６流出開放口
８枠体
９枠体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system capable of supplying a large amount of fuel gas in a short time at startup.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, fuel gas or oxidizing gas is ionized on both sides of the electrolyte membrane, and the ions pass through the electrolyte membrane to cause an electrochemical reaction. If fuel gas and oxidizing gas are present with the electrolyte membrane in between, the electrochemical reaction between the two continues. Therefore, conventionally, in order to stop the operation of the fuel cell, the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell is stopped, and the fuel electrode side is replaced with air or nitrogen instead of the fuel gas. A configuration is adopted in which gas is sent in and no reaction occurs after stopping.
And at the time of driving | operation start, the structure which discharges substitution gas outside and starts reaction by sending fuel gas into a fuel chamber is taken.
[0003]
On the other hand, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-26003, in the fuel chamber, a region where the concentration of the fuel gas is particularly denser than other regions and a region where the concentration of the oxidizing gas is particularly denser than other regions coexist. That is, when a state where the fuel gas and the oxidizing gas are unevenly distributed in the same fuel chamber occurs, the portion where the fuel gas is unevenly formed forms a local battery, and the current where the oxidizing gas is unevenly distributed is opposite to that during normal power generation. In particular, the oxygen electrode is corroded and the oxygen electrode or the electrolyte membrane is rapidly deteriorated.
Examples of the configuration for purging the residual fuel gas in the fuel chamber include the following documents.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 02-33866.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
InPatent Document 1, an inert gas is supplied instead of the reaction gas supplied to the fuel electrode. However, assuming a case where a fuel cell is mounted on a vehicle or the like having a small arrangement space. It is not preferable to mount an inert gas container for the fuel cell when stopped.
[0006]
Further, when the fuel electrode gas is replaced with air in the stop state, when the fuel gas is supplied at the time of startup, the fuel gas and the air are momentarily unevenly distributed in the fuel chamber. Due to this uneven distribution, there has been a problem that an electrochemical reaction occurs, which causes deterioration of the electrode.
An object of this invention is to provide the fuel cell system which can suppress deterioration of an electrode.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by the present invention described below.
(1) A fuel holding portion formed by alternately laminating a plurality of unit cells and a plurality of separators and formed between the fuel electrode of each unit cell and the separator, and a fuel communicating with each fuel holding portion. A plurality of stacked unit bodies each having an inflow passage and a fuel outflow passage communicating with each fuel holding portion,
Each stack unit has a fuel inflow passage connected to a fuel inflow passage of a stack unit adjacent to the downstream side of the fuel gas, and a fuel inflow passage to a fuel outflow passage of the stack unit adjacent to the upstream side of the fuel gas. ,
A fuel supply port is provided in the fuel inflow passage of the stack unit located at the most upstream side of the fuel gas, and a fuel discharge port is provided in the fuel outflow passage of the stack unit located at the most downstream side. Fuel cell stackWhen,
A fuel gas circuit having one end connected to the fuel supply port and the other end connected to the fuel discharge port;
A pump provided in the fuel gas circulation path for sucking and circulating fuel gas from the fuel outlet side;
A fuel gas communication path connected to the fuel gas circulation path and sending fuel gas to the fuel supply port via the fuel gas circulation path;
A fuel gas supply valve for starting that is provided in the fuel gas conduction path and supplies fuel gas at a pressure higher than the gas pressure during normal operation when opened;
A start-up discharge circuit in which one end is connected between the pump and the fuel discharge port and the other end is connected to the fuel gas discharge path;
A start-up fuel gas exhaust valve provided in the start-up discharge circuit;
The starting fuel gas exhaust valve and the starting fuel gas supply valve are opened only during the period from the start to the transition to the normal operation state.
[0009]
(2) A fuel cell stack configured by alternately stacking unit cells and separators,
A fuel holding part formed between the fuel electrode of each unit cell and the separator;
Lamination of the unit cell and the separatorTwo fuel flow passages provided along the direction and communicating with the respective fuel holding portions,
One fuel flow passage is provided with a fuel supply port, and the other fuel flow passage is provided with a fuel discharge port.
The fuel flow passage is formed by laminating holes formed at positions where each unit cell and the separator overlap each other when they are laminated,
A shielding plate having a hole at a position corresponding to one fuel flow passage and having no hole at a position corresponding to the other fuel flow passage is inserted at predetermined intervals by alternately changing the positions of the holes. Fuel cell stackWhen,
A fuel gas circuit having one end connected to the fuel supply port and the other end connected to the fuel discharge port;
A pump provided in the fuel gas circulation path for sucking and circulating fuel gas from the fuel outlet side;
A fuel gas conduction path connected to the fuel gas circulation path and sending fuel gas to the fuel supply port via the fuel gas circulation path;
A fuel gas supply valve for starting that is provided in the fuel gas conduction path and supplies fuel gas at a pressure higher than the gas pressure during normal operation when opened;
A start-up discharge circuit in which one end is connected between the pump and the fuel discharge port and the other end is connected to the fuel gas discharge path;
A start-up fuel gas exhaust valve provided in the start-up discharge circuit;
The starting fuel gas exhaust valve and the starting fuel gas supply valve are opened only during the period from the start to the transition to the normal operation state.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing afuel cell system 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, thefuel cell system 1 is roughly composed of afuel cell stack 100, anair supply system 12, afuel supply system 10 including a high-pressure hydrogen tank 11 as a hydrogen supply means, and awater supply system 50. The
[0014]
The configuration of thefuel cell stack 100 will be described. Thefuel cell stack 100 is configured by alternately stacking fuelcell unit cells 15 andfuel cell separators 13. 2 is an overall front view showing thefuel cell separator 13, FIG. 3 is a partial cross-sectional plan view of thefuel cell stack 100 composed of the fuel cell separator 13 (AA cross-sectional view in FIG. 2), and FIG. FIG. 5 is a partial sectional side view (BB sectional view in FIGS. 2 and 3), FIG. 5 is a partial sectional side view of the fuel cell separator 13 (CC sectional view in FIGS. 2 and 3), and FIG. FIG. 3 is an overall rear view of thefuel cell separator 13.
[0015]
Theseparator 13 includescurrent collecting members 3 and 4 for contacting the electrodes of theunit cell 15 and taking out current to the outside, andframe bodies 8 and 9 that are externally mounted on the peripheral ends of thecurrent collecting members 3 and 4. I have.
Thecurrent collecting members 3 and 4 are made of metal plates. The constituent metal is a metal having conductivity and corrosion resistance, and examples thereof include stainless steel, nickel alloy, titanium alloy and the like subjected to corrosion-resistant conductive treatment. Further, thecurrent collecting members 3 and 4 may be made of carbon.
[0016]
Thecurrent collecting member 3 is in contact with the fuel electrode of theunit cell 15, and the current collectingmember 4 is in contact with the oxygen electrode. Thecurrent collecting member 3 is formed of a rectangular plate material, and a plurality of columnarconvex portions 32 are formed on the surface thereof by pressing. Thecolumnar protrusions 32 are arranged at equal intervals vertically and horizontally along the short side and the long side of the plate material. Between the columnarconvex portions 32, thehydrogen flow path 301 is formed along the short side (see FIG. 2) by a groove formed between the columnarconvex portions 32 arranged along the long side (lateral direction in FIG. 2). Thehydrogen flow path 302 is formed by grooves formed between the columnarconvex portions 32 arranged in the vertical direction in FIG. The surface of the apex portion of the columnarconvex portion 32 is acontact portion 321 with which the fuel electrode contacts. The back side of the columnarconvex portion 32 is ahole 33.Holes 35 are formed at both ends of the current collectingmember 3, and when theseparators 13 are stacked, theholes 35 form a hydrogen supply path.
[0017]
Thecurrent collecting member 4 is made of a rectangular plate material, and a plurality ofconvex portions 42 are formed by pressing. Theconvex portions 42 are continuously formed in a straight line parallel to the short sides of the plate material, and are arranged at equal intervals. A groove is formed between theconvex portions 42 to form anair flow path 40 through which air flows. The surface of the apex portion of theconvex portion 42 is anabutting portion 421 with which the oxygen electrode contacts. Further, the back side of theconvex portion 42 is a groove-like hollow portion, and thecooling flow path 41 is formed by this hollow portion. Theair flow path 40 and thecooling flow path 41 reach the end of the plate material, and both ends are provided with openings that open at the end sides of the plate material.Holes 48 are formed at both ends of the current collectingmember 4. When theseparators 13 are stacked, a hydrogen supply path is configured by the stacked holes 48.
[0018]
Thecurrent collecting members 3 and 4 as described above are overlapped and fixed so that the columnarconvex portions 32 and theconvex portions 42 are on the outside. At this time, the back side surfaces 34 of thehydrogen flow paths 301 and 302 and theback side face 403 of theair flow path 40 are in contact with each other, so that they can be energized with each other. Further, by superimposing thecurrent collecting members 3 and 4, as shown in FIG. 4, a coolingchannel 41 is formed, and thehole 33 constitutes a part of the coolingchannel 41.
As shown in FIGS. 3 and 5, theair flow path 40 is overlapped with theunit cell 15, and a tubular flow path is formed by closing thegroove opening 400. A part of the inner wall of 40 is composed of an oxygen electrode. Oxygen and water are supplied from theair flow path 40 to the oxygen electrode of theunit cell 15.
[0019]
The opening on one end side of theair flow path 40 is anintroduction port 43 through which air and water flow, and the opening at the other end is adischarge port 44 through which air and water flow out. Moreover, the opening part of the one end side of the coolingchannel 41 becomes theinflow opening 45 into which air and water flow in, and the opening part of the other end becomes theoutflow opening 46 from which air and water flow out. In the above configuration, theair flow paths 40 and thecooling flow paths 41 are alternately arranged in parallel and are adjacent to each other with theside wall 47 interposed therebetween. For this reason, theintroduction ports 43 and theinflow opening ports 45 are alternately arranged, and theoutlet ports 44 and theoutflow opening ports 46 are also arranged alternately. Moreover, since air and water flow along theside wall 47, theside wall 47 also exhibits an action as a cooling fin. By arranging theair flow paths 40 and thecooling flow paths 41 alternately and in parallel, the cooling efficiency of the fuel cell is improved and uniform cooling is possible.
[0020]
Frame members 8 and 9 are overlaid on thecurrent collecting members 3 and 4, respectively. As shown in FIG. 2, theframe 8 that is stacked on the current collectingmember 3 is configured to have the same size as the current collectingmember 3, and awindow 81 that houses thecolumnar protrusion 32 is formed at the center. ing. Further, in the vicinity of both ends, holes 83a and 83b are formed at positions corresponding to theholes 35 of the current collectingmember 3, and the current collectingmember 3 is in contact between theholes 83a and 83b and thewindow 81. A recess is formed in the flat surface on the side to be provided, andhydrogen flow paths 84a and 84b are provided. In addition, a concave portion whose contour is formed along thewindow 81 is formed on the plane opposite to the surface that contacts the current collectingmember 3, and astorage portion 82 for storing theunit cell 15 is provided. Yes.
Afuel chamber 30 as a fuel holding portion is defined by the surface of the fuel electrode of theunit cell 15 stored in thestorage portion 82, thehydrogen flow paths 301 and 302, and thewindow 81.
[0021]
Theframe body 9 overlaid on the current collectingmember 4 is configured to have the same size as theframe body 8, and awindow 91 for accommodating theconvex portion 42 is formed at the center. Further, in the vicinity of both end portions,holes 93b and 93a are formed at positions corresponding to theholes 83a and 83b of theframe 8. Grooves are formed along the pair of opposing long sides of theframe 8 on the surface of theframe 8 on which the current collectingmember 4 is overlapped. By overlapping thecurrent collecting members 3 and 4, theair flow passage 94 is formed. , 95 is configured. One end of theair flow passage 94 is connected to anopening 941 formed on the end surface on the long side of theframe body 8, and the other end is connected to theintroduction port 43 of theair flow path 40 and theinflow opening 45 of thecooling flow path 41. It is connected.
[0022]
The upstreamair flow passage 94 has an end inner wall that is atapered surface 942 so that the cross-sectional area gradually decreases from theopening 941 side to theair flow path 40 side, and is injected from anair manifold 54 described later. It is easy to take in mist water. On the other hand, one end of the downstreamair flow passage 95 is connected to theoutlet 44 of theair flow path 40 and theinflow opening 45 of thecooling flow path 41, and the other end is formed on the long side end face of theframe 8. Connected to theopening 951. Theair flow passage 95 has an end inner wall as atapered surface 952 so that the cross-sectional area gradually decreases from theopening 951 side toward theair flow path 40 side. Even when thefuel cell stack 100 is tilted, thetapered surface 952 maintains the discharge of water.
In addition, a concave portion having a contour formed along thewindow 91 is formed on the plane opposite to the surface of theframe body 9 that contacts the current collectingmember 4, and the storage unit in which theunit cell 15 is stored. 92 is provided.
[0023]
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of theunit cell 15. Theunit cell 15 includes a solidpolymer electrolyte membrane 15a, and anoxygen electrode 15b and afuel electrode 15c that are oxidant electrodes stacked on both side surfaces of the solidpolymer electrolyte membrane 15a. The solidpolymer electrolyte membrane 15 a is formed in a size that matches thestorage portions 82 and 92, and theoxygen electrode 15 b and thefuel electrode 15 c are formed in a size that matches thewindows 91 and 81. Since the thickness of theunit cell 15 is extremely thin compared to the thicknesses of theframe bodies 8 and 9 and thecurrent collecting members 3 and 4, theunit cell 15 is shown as an integral member in the drawing.
[0024]
The inner walls of theair channel 40 and the coolingchannel 41 are subjected to hydrophilic treatment. The surface treatment may be performed so that the contact angle between the inner wall surface and water is 40 ° or less, preferably 30 ° or less. As the treatment method, a method of applying a hydrophilic treatment agent to the surface is taken. Examples of the treatment agent to be applied include polyacrylamide, polyurethane resin, and titanium oxide (Ti 2 O 3₂) And the like.
[0025]
Theseparators 13 are configured by holding thecurrent collecting members 3 and 4 by theframes 8 and 9 configured as described above, and thefuel cell stack 100 is configured by alternately stacking theseparators 13 and theunit cells 15. . FIG. 8 is a partial plan view of thefuel cell stack 100. On the upper surface of thefuel cell stack 100, a large number ofintroduction ports 43 andinflow opening ports 45 are alternately opened, and air flows into theintroduction ports 43 and theinflow opening ports 45 from anair manifold 54, as will be described later. The water sprayed from thenozzle 55 flows in at the same time. Theside wall 47 is disposed in the air flow path and also functions as a cooling fin.
The air and water flowing in from theintroduction port 43 and theinflow opening 45 cool thecurrent collecting members 3 and 4 by latent heat cooling in the coolingchannel 41.
[0026]
FIG. 9 is an overall plan view of thefuel cell stack 100. Thefuel cell separator 13 configured as described above constitutes a module 130 (stacked unit body) that is stacked a predetermined number of times, and thefuel cell stack 100 is configured by stacking a plurality ofmodules 130. As shown in FIG. 11, aseparator 14 having a shieldingplate 16 sandwiched between the current collectingmember 3 and the current collectingmember 4 is interposed between themodules 130 and 130. FIG. 12 is an overall plan view of the shieldingplate 16. When the shieldingplate 16 is inserted between themodules 130, thehole 161a or the hole having the same shape as the cross-sectional shape of thehydrogen passages 17a and 17b is provided at a position corresponding to either thehydrogen passage 17a or thehydrogen passage 17b. 161b. Only one of theholes 161 a or 161 b is formed on oneshielding plate 16. Furthermore, theseparator 9 shown in FIG. 6 may be used. In this case, it is realized by not opening one of thehole 93a and thehole 93b.
Note that the shieldingplate 16 has conductivity and does not hinder the flow of electricity in thefuel cell stack 100.
[0027]
On the other hand, when the shieldingplate 16 has theholes 161a, the flow of hydrogen gas in thehydrogen passage 17b is blocked by the shieldingplate 16. When the shieldingplate 16 has thehole 161b, the hydrogen gas flow in thehydrogen passage 17a is blocked by the shieldingplate 16. The shieldingplate 16 is, in order from the hydrogen gas inflow side to the outflow side, the shieldingplate 16 provided with theholes 161b, the shieldingplate 16 provided with theholes 161a, and so on. Alternatingly arranged. As described above, by alternately shielding one of thehydrogen passage 17a and thehydrogen passage 17b for eachmodule 130, the supplied hydrogen gas continuously flows through eachfuel chamber 30 in units ofmodules 130. Specifically, in thefirst module 130, hydrogen gas flows in eachfuel chamber 30 from thehydrogen passage 17a (fuel inflow passage) to thehydrogen passage 17b (fuel outflow passage). Hydrogen gas flows in eachfuel chamber 30 from thepassage 17b (fuel inflow passage) to thehydrogen passage 17a (fuel outflow passage), and in thenext module 130, thehydrogen passage 17a toward thehydrogen passage 17b The hydrogen gas flows continuously in thefuel chamber 30... Thereafter, the flow direction of the hydrogen gas changes alternately. As described above, thehydrogen passage 17a and thehydrogen passage 17b are alternately formed into a fuel inflow passage for supplying hydrogen gas to eachfuel chamber 30 of themodule 130 and a fuel inflow passage from which the hydrogen gas flows out from eachfuel chamber 30. It will be replaced.
[0028]
Thefuel cell stack 100 includes amodule 130 configured by stackingunit cells 15 andseparators 13, and is formed in themodule 130 in the stacking direction of theseparators 13 and is located on both sides of thefuel chamber 30. A pair ofhydrogen passages 17 a and 17 b communicating with thechamber 30, respectively, and configured by stacking themodules 130, and between theadjacent modules 130, onehydrogen passage 17 a of eachmodule 130. , 17a (or 17b, 17b), a communication part (hole 161a (or 161b)) that communicates with theother hydrogen passages 17b, 17b (or 17a, 17a) and a blockingpart 162b (or 162a) that blocks hydrogen flow between theother hydrogen passages 17b, 17b (or 17a, 17a). ), And the communication portion and the blocking portion are sequentially arranged in the one of the hydrogen passages 17 in the stacking direction of the stackedmodules 130. , 17a (or 17b, 17b) and theother hydrogen passages 17b, 17b (or 17a, 17a) are alternately provided, and the hydrogen gas flowing in eachfuel chamber 30 between the pair of hydrogen flow paths (17a, 17b) The distribution direction changes alternately in the opposite direction for eachmodule 130.
[0029]
As described above, by dividing thefuel cell stack 100 into the plurality ofmodules 130 and flowing the hydrogen gas for each module, it is possible to prevent a difference in the hydrogen gas flow rate between themodules 130. Further, even in onemodule 130, it is possible to suppress the difference in hydrogen gas flow rate between thefuel chambers 30 arranged in the stacking direction. Furthermore, since the hydrogen gas supplied to thefuel cell stack 100 repeatedly flows in themodule 130, the chance of contacting the fuel electrode of thefuel chamber 30 increases, and the reaction efficiency is improved. The total volume of thefuel chambers 30 included in onemodule 130 is secured so that a large amount of hydrogen can be circulated. Therefore, even if the hydrogen supply rate is increased (even if the hydrogen flow rate is increased), Without stagnation in thefuel chamber 30 in themodule 130, the fuel can flow out of the module 130 (that is, out of the fuel cell stack 100) in a short time. As a result, the replacement speed is increased (that is, the time required for the replacement gas to be replaced with hydrogen is shortened), and the time during which the replacement gas and the hydrogen gas are unevenly distributed in thefuel chamber 30 can be further shortened. Deterioration of the electrode can be prevented. Furthermore, during normal operation, the flow rate of hydrogen is increased, thereby facilitating discharge of produced water and preventing a decrease in output due to fuel cell clogging.
[0030]
The number offuel cell separators 13 constituting themodule 130 is such that the cross-sectional area of thehydrogen flow path 302 in each separator 13 (the position of the surface perpendicular to the streamline of the hydrogen gas flowing in the fuel chamber is the smallest). Area: The total area of the part a in FIG. 10 (total of the cross-sectional area of thehydrogen flow path 302 of theseparator 13 constituting the module 130), or the total cross-sectional area of the hydrogen flow path 84 (in bold solid lines in FIG. 11). The area of the enclosed portion b)) is determined to be substantially the same as the cross-sectional area of thehydrogen passages 17a and 17b. With such a configuration, the cross-sectional area of the flow path of the hydrogen gas flowing through thefuel cell stack 100 does not vary greatly until the gas flows into thefuel cell stack 100 and then flows out. The gas flow can be more uniformly distributed to thefuel chamber 30 of theseparator 13. Further, the occurrence of a gas retention portion in thefuel chamber 30 is suppressed.
[0031]
For this reason, even when the gas is supplied at the time of starting, the gas (air) filled at the time of starting can be discharged efficiently and replaced with hydrogen gas more uniformly and quickly.
[0032]
As shown in FIG. 9,electrode plates 191a and 191b are stacked outside the end separators at both ends of thefuel cell stack 100, and insulatingmembers 192a and 192b andend plates 19a and 19b are further formed outside. Are stacked in this order.
[0033]
FIG. 13 is a front view of thefuel cell stack 100. Aconcave portion 193a is formed on the outer surface of theend plate 19a. Afuel supply port 182a communicating with thehydrogen passage 17a is opened at the end of therecess 193a. Acover 194a is entirely covered with therecess 193a. Therecess 193a is formed in a shape that becomes wider toward thehydrogen passage 17a. Thecover 194a is formed in a shape along the shape of therecess 193a, and agas inlet 181a is formed at the end opposite to thehydrogen passage 17a. The space defined by thecover 194a and therecess 193a constitutes anintroduction guide path 18a as a rectifying means. This rectifying means has a function of smoothly guiding the hydrogen gas sent from thehydrogen introduction path 202 to thehydrogen path 17a, and is capable of reducing resistance and turbulence caused by a sudden change in the cross-sectional shape and the flow direction of the flow path. As a result, the hydrogen gas is uniformly supplied to the fuel chambers in thefuel cell stack 100.
[0034]
In theintroduction guide path 18a, thegas introduction port 181a has the same cross-sectional shape as thehydrogen introduction path 202, and thefuel supply port 182a has the same cross-sectional shape as thehydrogen passage 17a. Theflow path 183a from thegas introduction port 181a to thefuel supply port 182a has a configuration in which the width of the cross section gradually increases, and the hydrogen gas is guided while suppressing the pressure loss of the gas flow. Theflow path 183a is provided with arectifying plate 184a for guiding the gas flow so that the gas flow velocity distribution in the cross section of thehydrogen passage 17a is uniform.
[0035]
FIG. 14 is a rear view of thefuel cell stack 100. A lead-out guide path 18 b is provided in the hydrogen gas outflow portion of thefuel cell stack 100. The lead-out guide path 18b is constituted by a space defined by arecess 193b formed on the outer surface of theend plate 19b and acover 194b covered by therecess 193b. Afuel discharge port 181b communicating with thehydrogen passage 17a is opened at the end of therecess 193b.
[0036]
In the lead-out guide path 18b, thefuel discharge port 181b has the same cross-sectional shape as thehydrogen passage 17a, and the gas lead-outport 182b has the same cross-sectional shape as the hydrogen lead-outpath 203. Theflow path 183b from thefuel discharge port 181b to thegas outlet port 182b gradually decreases in cross-sectional width, and theflow path 183a is provided with arectifying plate 184a while suppressing pressure loss of the gas flow. The hydrogen gas is guided.
[0037]
With the configuration of thefuel cell stack 100 as described above, the pressure loss of the hydrogen gas flowing into thefuel cell stack 100 is suppressed, and the hydrogen gas is uniformly supplied to thefuel chamber 30 of eachfuel cell separator 13. Thegas outlet 182b is located at the same height or below in the vertical direction from the position of the lower end of thefuel outlet 181b. By providing thegas outlet 182b at such a position, it becomes easy to discharge water discharged from thefuel cell stack 100 through thehydrogen passage 17a to thehydrogen outlet passage 203.
[0038]
Next, another configuration shown in FIG. 1 will be described. Theair supply system 12 supplies air from the atmosphere to theair flow path 40 and thecooling flow path 41 through theopening 941 of thefuel cell stack 100, and passes the air discharged from thefuel cell stack 100 through thewater condenser 51. Exhaust. Theair supply path 123 is provided with anair fan 122 as an intake means, and sends air from the atmosphere to theair manifold 54 via thefilter 121. Air flows from the manifold 54 into theair flow path 40 of thefuel cell stack 100 and supplies oxygen to theair electrode 3. The air discharged from thefuel cell stack 100 passes through an air exhaust manifold, and water in the exhaust air is condensed and recovered by thewater condenser 51 and released to the atmosphere. The temperature discharged from thefuel cell stack 100 is monitored by an exhaust temperature sensor S1. Further, thefuel cell stack 100 is provided with a potential detection sensor S <b> 2 that measures the local potential of the electrode for each unit cell constituting thefuel cell stack 100.
[0039]
In this embodiment, anozzle 55 is disposed in theair manifold 54, and from this, water is injected in a liquid state during intake and mixed with air. Most of the water is recovered in a container provided in the lower side of thefuel cell stack 100 while being maintained in a liquid state, and sent to thewater tank 53 by thewater recovery pump 62.
[0040]
Thefuel supply system 10 sends the hydrogen released from the high-pressure hydrogen tank 11 to thehydrogen passage 17 a of thefuel cell stack 100 through thehydrogen conduction passage 201 and thehydrogen introduction passage 202. From the high-pressure hydrogen tank 11 side to thefuel cell stack 100 side, the hydrogenmain valve 22, the hydrogen primary pressure sensor S3, the hydrogen primarypressure regulating valve 21, the hydrogen secondary pressureadjustable pressure valve 72a, hydrogen, The supplyelectromagnetic valve 24 and the hydrogen secondary pressure sensor S4 are provided in this order. The hydrogen pressure on the high-pressure hydrogen tank 11 side is monitored by the hydrogen primary pressure sensor S3.
[0041]
The hydrogen secondarypressure regulating valve 72a is provided with a circuit in parallel thereto. The circuit includes aflow channel 71 whose both ends are connected to the upstream side and the downstream side of the hydrogen secondarypressure regulating valve 72a, and a startup-time hydrogen supplyelectromagnetic valve 73 in theflow channel 71. The set value of the secondarypressure regulating valve 72a is about 0.1 MPa. That is, the set value of the secondarypressure regulating valve 72a is the hydrogen supply pressure during normal operation. At startup, the startup hydrogen supplyelectromagnetic valve 73 is opened.
[0042]
The pressure is adjusted to be suitable for supplying to thefuel cell stack 100 by the hydrogenpressure regulating valve 21. When the hydrogen supplyelectromagnetic valve 22 is opened and closed, the supply of hydrogen to thefuel cell stack 100 is electrically controlled. When the hydrogen gas is not supplied, theelectromagnetic valve 22 is closed and the supply of the hydrogen gas is stopped. It can be stopped. Further, the hydrogen gas pressure immediately before being supplied to thefuel cell stack 100 is monitored by the hydrogen secondary pressure sensor S4.
[0043]
One end of ahydrogen introduction path 202 is connected to thehydrogen conduction path 201, and the other end of thehydrogen introduction path 202 is connected to thehydrogen passage 17 a of thefuel cell stack 100. Thehydrogen introduction path 202 is provided with a safety valve, and when the gas pressure in the introduction path becomes a predetermined value or more, the safety valve is opened, and the inside of the introduction path 202 (and thus the fuel cell stack). Pressure within 100) is reduced.
[0044]
In thefuel cell stack 100, hydrogen gas circulates in units of eachmodule 130, and as shown in FIG. 3, the hydrogen gas flows into thehydrogen circulation path 84a (or 84b) from onehydrogen passage 17a (or 17b). Furthermore, the hydrogen flows into thehydrogen flow paths 301 and 302 from thehydrogen flow path 84a (or 84b). In thehydrogen flow paths 301 and 302, hydrogen is supplied to the fuel electrode, and the remaining hydrogen gas flows into thehydrogen passage 17b (or 17a) from thehydrogen flow path 84b (or 84a).
[0045]
In thefuel supply system 10, the hydrogen gas discharged from thehydrogen passage 17 a of thefuel cell stack 100 is discharged to thehydrogen outlet passage 203. The hydrogen lead-outpath 203 is provided with an oxygen concentration sensor S5, a hydrogen concentration sensor S6, and a pump 25. The pump 25 is driven in a direction in which hydrogen gas is sucked from thefuel cell stack 100. One end of ahydrogen return path 205 is connected to the downstream side of the pump 25. Thehydrogen return path 205 is provided with anelectromagnetic valve 29 so that the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 11 does not flow directly to the discharge side.
[0046]
The other end of thehydrogen return path 205 is connected to thehydrogen introduction path 202, and a hydrogen circulation path is formed by thehydrogen introduction path 202, the hydrogen lead-outpath 203, and thehydrogen return path 205. One end of ahydrogen discharge path 204 is connected between thesolenoid valve 29 and the pump 25 via awater recovery trap 23. Thehydrogen discharge path 204 is provided with acheck valve 26, a hydrogen dischargeelectromagnetic valve 27a, and asilencer 28a in this order.
[0047]
The oxygen concentration sensor S5 detects the oxygen concentration of the gas discharged from thefuel cell stack 100, and the hydrogen concentration sensor S6 detects the hydrogen concentration of the gas discharged from thefuel cell stack 100. Thestartup discharge circuit 205 has one end connected to the upstream side of the pump 25 and the other end connected to the upstream side of thecheck valve 26 of thehydrogen discharge path 204. The start-upexhaust circuit 205 is provided with a start-upexhaust valve 74. At the time of start-up, the start-upexhaust valve 74 is opened, and the gas is directly led to thehydrogen discharge path 204 without passing through the pump 25. This is because the gas flow resistance at the discharge port is suppressed at the time of gas filling at startup, the hydrogen inflow rate at startup is increased, and the replacement rate with hydrogen gas is increased (replacement time is shortened).
[0048]
Water in thetank 53 is pumped by awater supply pump 61 through awater supply path 56 to anozzle 55 disposed in theair manifold 54, and is continuously or intermittently ejected from here in theair manifold 54. . This water is sent to theair flow path 40 and thecooling flow path 41 through theopening 941 of thefuel cell stack 100. Here, since the latent heat is taken away from moisture preferentially, evaporation of moisture from theelectrolyte membrane 15a on theoxygen electrode 15b side is prevented. Therefore, theelectrolyte membrane 15a always maintains a uniform wet state with the generated water without being dried on theoxygen electrode 15b side. Further, the water supplied to the surface of theoxygen electrode 15b takes heat from theoxygen electrode 15b itself and cools it, and the water flowing into the coolingchannel 41 also takes heat. Thereby, the temperature of thefuel cell stack 100 can be controlled.
[0049]
That is, thefuel cell stack 100 can be sufficiently cooled without particularly adding a cooling water system to thefuel cell stack 100. Note that the output of thewater supply pump 61 can be controlled in accordance with the temperature of the exhaust air detected by the exhaust temperature sensor S1, and the temperature of thefuel cell stack 100 can be maintained at a desired temperature.
Water in thetank 53 is supplied to the surface of theoxygen electrode 15b from anozzle 55 disposed in theair manifold 54, and this water is recovered by thewater condenser 51, and together with the water stored in the container, a water recovery pump. By 62, it is collected in thetank 53. Acheck valve 52 is provided between thepump 62 and thetank 53 in order to prevent the backflow of water from thetank 53 to thewater recovery pump 62. The amount of water in thetank 53 is detected by a water level sensor S7.
[0050]
In the above-described configuration, in a normal operation state where power is output from thefuel cell system 1, air is supplied from theair fan 122 to thefuel cell stack 100, and at the same time, hydrogen gas is supplied from thefuel supply system 10 to thefuel cell stack 100. To be supplied. In thefuel cell stack 100, the power generation reaction is continued, and electric power and generated water generated by the reaction are generated. Such a power generation reaction is maintained by continuously supplying air to the oxygen electrode and hydrogen gas to the fuel electrode. In such normal operation, in consideration of the consumption efficiency of hydrogen gas, hydrogen gas having a sufficient concentration capable of reacting in theunit cell 15 is supplied, and the supply pressure during normal operation maintains sufficient reaction. It can be set in a range where no waste occurs. If the supply pressure during normal operation is higher than necessary, the supply will be excessive, a large amount of unreacted hydrogen will be discharged, and fuel gas will be wasted. Furthermore, if the supply pressure is increased too much, the solid electrolyte membrane is damaged. From such a viewpoint, the supply gas pressure of hydrogen gas during normal operation is set to 0.1 megapascals, for example. On the other hand, the supply gas pressure when hydrogen gas is supplied at the time of start-up is higher than the gas pressure during the normal operation in order to discharge the replacement gas and suppress gas uneven distribution, that is, at the primary hydrogenpressure regulating valve 21. Supplied at regulated pressure. At this time, the supply time is set to a minute time, is a time that the solid electrolyte membrane is not damaged by the gas pressure, and is a time in which the uneven distribution of gas is sufficiently suppressed.
[0051]
In thefuel cell system 1 described above, each unit is controlled by the control unit. Moreover, the detection value of each sensor S1-S7 is supplied to a control part. Specifically, the supply amount by thewater supply pump 61 is controlled by the control unit, and the on / off of thewater recovery pump 62, the on / off of theair fan 122, and the on / off of the hydrogen pump 25 are controlled. Further, the controller controls opening / closing of thehydrogen source valve 22, opening / closing of the hydrogen supplyelectromagnetic valve 24, opening / closing of the hydrogen dischargeelectromagnetic valve 27a, and opening / closing of theelectromagnetic valve 29.
[0052]
Thefuel cell system 1 having the above-described configuration performs the following operation at startup. FIGS. 15 and 16 are flowcharts showing the control operation of thefuel supply system 10 when thefuel cell system 1 according to the first embodiment is started.
[0053]
On the premise that thehydrogen source valve 22 is opened, an operation to start activation such as ignition ON is confirmed (step S101). Next, the operation of accessories such as sensors and pumps is checked (step S103). Such an operation check makes it possible to acquire detection values of each part of the system. Further, the operation of theair supply system 12 and thewater supply system 50 is started (step S105). That is, theair fan 122 is driven and thepump 61 is driven. Based on the detection value supplied from the hydrogen primary pressure sensor S3, it is confirmed whether the hydrogen primary pressure is extremely low (step S107). This is because if the pressure is low, a sufficient flow rate cannot be obtained when the gas is supplied, and the replacement gas (for example, air) cannot be purged.
[0054]
Next, the operation of introducing hydrogen gas and discharging the replacement gas is started. If high-pressure gas is supplied while the exhaust-side gas flow path is closed, thefuel cell stack 100 may be damaged. Therefore, theexhaust valve 27a is first opened (step S109), and then the start-only exhaust valve 74 is activated. Is released (step S111).
[0055]
Then, the startup hydrogen supply valve 113 is opened (step S113), and thehydrogen supply valve 24 is opened (step S115). As a result, the hydrogen gas regulated by the primary hydrogenpressure regulating valve 21 is supplied directly to thefuel cell stack 100 via the startup hydrogen supply circuit without being regulated by the secondary hydrogenpressure regulating valve 72a.
[0056]
Based on the detection value of the gas discharged from thefuel cell stack 100 detected by the hydrogen concentration sensor S6, it is determined whether the hydrogen concentration of the exhaust gas is 95% or more (step S117). If the hydrogen concentration does not reach 95%, the warning lamp is turned on because the electrode may be deteriorated (step S123). If the hydrogen concentration of the exhaust gas is 95% or more, thefuel chamber 30 is almost filled with hydrogen gas, and it is assumed that there is no uneven distribution of gas, or oxygen gas does not remain enough to generate local current. can do.
[0057]
Based on the detection value of the oxygen concentration sensor S5, it is determined whether the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less (step S119). If the oxygen concentration is not 1% or less, the warning lamp is turned on because the electrode may be deteriorated (step S123). If the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less, there is almost no oxygen gas remaining in thefuel chamber 30, no gas is unevenly distributed, or there is no oxygen gas left to generate a local current. Can be guessed.
[0058]
When the oxygen concentration is 1% or less, it is determined whether the local potentials of all the unit cell electrodes are 1.1 V or less based on the detection value of the potential detection sensor S2 (step S121). Even if there is one unit cell having a local potential larger than 1.1 V, the electrode may be deteriorated, so that a warning lamp is turned on (step S123). By detecting only the hydrogen gas concentration of the exhaust gas, the degree of gas uneven distribution for each fuel chamber cannot be determined. Therefore, the possibility of gas uneven distribution is determined by detecting the local potential for each fuel chamber.
[0059]
If it is determined in step S121 that the local potential of the electrode is 1.1 V or less, the hydrogen concentration of the exhaust gas is 95% or more, the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less, and all This means that the local potential of the electrode is 1.1V or less. In this case, it means that the inside of eachfuel chamber 30 has been almost uniformly replaced with hydrogen gas, so the hydrogen supplyelectromagnetic valve 73 at the time of startup is closed (step S125). Thereby, hydrogen gas is supplied to the secondarypressure regulating valve 72a, and hydrogen gas adjusted to the pressure during normal operation is supplied to thefuel cell stack 100.
[0060]
The start-uphydrogen exhaust valve 74 is closed (step S127). Since the supplied gas pressure becomes the gas pressure during normal operation, each part of the circuit is switched to the normal operation state.
[0061]
Theexhaust valve 27a is closed (step S129). Thereby, it transfers to a normal driving | running state (step S131). Theexhaust valve 27a is appropriately opened and closed during normal operation in order to maintain the hydrogen concentration above a certain value. Through the above operation, the replacement gas is reliably discharged in a short time and replaced with hydrogen gas.
[0062]
After turning on the warning lamp in step S123, an emergency stop operation is performed to prevent the electrode from deteriorating (step S124). That is, theexhaust valve 27a is closed, the start-upexhaust valve 74 is closed, the start-up hydrogen supply valve 113 is closed, and thehydrogen supply valve 24 is closed. Further, the auxiliary machines checked in step S103 are then stopped (step S126), and the vehicle system is stopped (step S130) by turning off the ignition (step S128).
[0063]
In addition to the above embodiment, the total sum of the fuel chamber volumes of themodules 130 constituting thefuel cell stack 100 can be changed in order along the direction in which the fuel gas flows. For example, the fuel chamber volume of themodule 130 on the fuel gas inflow side is the minimum, the fuel chamber volume of themodule 130 on the gas outflow side is the maximum, and the sum of the fuel chamber volumes of themodules 130 arranged therebetween is The fuel gas can be configured to increase in order along the direction in which the fuel gas flows. In the fuel chamber, generated water generated by back diffusion from the oxygen electrode through the solid electrolyte membrane accumulates. Therefore, when the fuel gas flows in thefuel cell stack 100, the generated water is pushed away by the gas flow, and thedownstream module 130. The generated water increases toward the fuel chamber, and a large amount of water accumulates in the downstream fuel chamber. As a result, the contact between the fuel gas and the fuel electrode is hindered, and the reaction may be suppressed. However, if the volume of the downstream fuel chamber is increased, the volume damaged by water can be ensured, and the reaction can be reliably ensured.
[0064]
On the other hand, the fuel chamber volume of themodule 130 on the fuel gas inflow side is the maximum, the fuel chamber volume of themodule 130 on the gas outflow side is the minimum, and the fuel chamber volume of eachmodule 130 disposed therebetween is The total sum can be reduced in order along the direction in which the fuel gas flows. In this case, as the volume decreases in order, the flow rate of the gas flow increases, and the gas flow rate particularly increases in thedownstream module 130 where the generated water accumulates. For this reason, the water accumulated in the fuel chamber is blown away by the gas flow, and the water can be easily discharged.
[0065]
Thus, changing the total sum of the fuel chamber volumes of the stacked unit bodies can be realized by changing the number ofunit cells 15 andseparators 13 constituting themodule 130, for example. That is, to increase the total sum of the fuel chamber volumes, the number ofunit cells 15 andseparators 13 to be stacked is increased. To reduce the total sum of the fuel chamber volumes, the number ofunit cells 15 andseparators 13 to be stacked is decreased. Good. In order to facilitate the discharge of water, the installation posture of thefuel cell stack 100 is set so that the gas discharge side (end plate 19b side) is low and the gas supply side (end plate 19a side) is high in the vertical direction. be able to.
[0066]
Further, thehydrogen flow paths 17a and 17b are closed by the shieldingplate 16 so that the gas passes through eachmodule 130. However, at least one of the twoframes 8 and 9 forms thehydrogen flow paths 17a and 17b. Therefore, by providing the pair of holes 82a82b and 93a93b provided for each of them in place of the shieldingplate 16 with theframe bodies 8 and 9 that block one of the holes, a module having an action can be configured.
[0067]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, since the startup gas flows through each of the stacked unit bodies constituting the fuel cell stack, occurrence of gas uneven distribution with the replacement gas is suppressed. Further, the supply time until the replacement gas is replaced with the fuel gas is shortened, and the time until the system starting with the fuel cell stack is shortened.In addition, the gas flow resistance at the discharge port can be suppressed at the time of gas filling at the time of start-up, the hydrogen inflow speed at the time of start-up can be increased, and the replacement speed with hydrogen gas can be increased (replacement time is shortened).
[0069]
Claim2According to the invention described in (1), the fuel flow passage is configured by the stacked holes, and the flow of the fuel gas is regulated by the shielding plate. Therefore, the manufacturing is easy.In addition, the gas flow resistance at the discharge port can be suppressed at the time of gas filling at the time of start-up, the hydrogen inflow speed at the time of start-up can be increased, and the replacement speed with hydrogen gas can be increased (replacement time is shortened).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing afuel cell system 1 of the present invention.
FIG. 2 is an overall front view showing a fuel cell separator.
FIG. 3 is a partial cross-sectional plan view (AA cross-sectional view) of a fuel cell stack including a fuel cell separator.
FIG. 4 is a partial cross-sectional side view (BB cross-sectional view) of a fuel cell stack including a fuel cell separator.
FIG. 5 is a partial cross-sectional side view (CC cross-sectional view) of a fuel cell separator.
FIG. 6 is an overall rear view of a fuel cell separator.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a unit cell.
FIG. 8 is a partial plan view of a fuel cell stack.
FIG. 9 is an overall plan view of a fuel cell stack.
FIG. 10 is a partial cross-sectional side view of a fuel cell stack.
FIG. 11 is a partial cross-sectional view (DD cross-sectional view) of the fuel cell stack showing a vertical cross-section of a hydrogen passage.
FIG. 12 is an overall plan view of a shielding plate.
FIG. 13 is an overall front view of a fuel cell stack.
FIG. 14 is an overall rear view of the fuel cell stack.
FIG. 15 is a flowchart showing a startup control operation in the first embodiment.
FIG. 16 is a flowchart showing a startup control operation in the first embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell system
100 Fuel cell stack
13 Fuel cell separator
130 modules
15 unit cells
17a, 17b Hydrogen passage
3 Current collector
30 Fuel chamber
32 Columnar convex part
301 Hydrogen flow path
302 Hydrogen flow path
4 Current collector
40 Air flow path
41 Cooling channel
42 Convex part
43 Introduction
44 Outlet
45 Inflow opening
46 Outflow opening
8 Frame
9 Frame

Claims

Translated fromJapanese

複数の単位セルと複数のセパレータとを交互に積層して構成され、各単位セルの燃料極とセパレータとの間に形成された燃料保持部と、各燃料保持部にそれぞれ連通する燃料流入通路と、各燃料保持部にそれぞれ連通する燃料流出通路とを備えた積層単位体を複数重ね合わせ、
各積層単位体は、燃料ガスの下流側に隣接する積層単位体の燃料流入通路に燃料流出通路が、燃料ガスの上流側に隣接する積層単位体の燃料流出通路に燃料流入通路がそれぞれ連通され、
燃料ガスの最も上流に位置している積層単位体の燃料流入通路には、燃料供給口が、最も下流に位置している積層単位体の燃料流出通路には、燃料排出口が設けられている燃料電池スタックと、
一端が前記燃料供給口に接続され、他端が前記燃料排出口に接続された燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に設けられ、前記燃料排出口側から燃料ガスを吸引して循環させるポンプと、
前記燃料ガス循環路に接続され、前記燃料ガス循環路を介して前記燃料供給口へ燃料ガスを送る燃料ガス導通路と、
前記燃料ガス導通路に設けられ、開放時に通常運転時のガス圧に比べて高い圧力で燃料ガスを供給する起動用燃料ガス供給弁と、
一端がポンプと燃料排出口の間に接続され、他端が燃料ガス排出路に接続されている起動時排出回路と、
前記起動時排出回路に設けられた起動用燃料ガス排気弁と、
前記起動用燃料ガス排気弁と起動用燃料ガス供給弁とは、起動時から通常運転状態に移行するまでの間のみ開放されることを特徴とする燃料電池システム。A plurality of unit cells and a plurality of separators alternately stacked, a fuel holding portion formed between the fuel electrode of each unit cell and the separator, and a fuel inflow passage communicating with each fuel holding portion, A plurality of stacked unit bodies each provided with a fuel outflow passage communicating with each fuel holding portion,
In each stacked unit body, a fuel outflow passage is connected to a fuel inflow passage of a stacked unit body adjacent to the downstream side of the fuel gas, and a fuel inflow passage is connected to a fuel outflow passage of the stacked unit body adjacent to the upstream side of the fuel gas. ,
A fuel supply port is provided in the fuel inflow passage of the stack unit located at the most upstream side of the fuel gas, and a fuel discharge port is provided in the fuel outflow passage of the stack unit located at the most downstream side. A fuel cell stack;
A fuel gas circuit having one end connected to the fuel supply port and the other end connected to the fuel discharge port;
A pump provided in the fuel gas circulation path for sucking and circulating fuel gas from the fuel outlet side;
A fuel gas conduction path connected to the fuel gas circulation path and sending fuel gas to the fuel supply port via the fuel gas circulation path;
A fuel gas supply valve for starting that is provided in the fuel gas conduction path and supplies fuel gas at a pressure higher than the gas pressure during normal operation when opened;
A start-up discharge circuit in which one end is connected between the pump and the fuel discharge port and the other end is connected to the fuel gas discharge path;
A start-up fuel gas exhaust valve provided in the start-up discharge circuit;
The starting fuel gas exhaust valve and the starting fuel gas supply valve are opened only during the period from the start to the transition to the normal operation state .

単位セルとセパレータを交互に積層することによって構成される燃料電池スタックであって、
各単位セルの燃料極とセパレータとの間に形成された燃料保持部と、
前記単位セルと前記セパレータの積層方向に沿って設けられ、各燃料保持部にそれぞれ連通する２つの燃料流通路を有し、
一方の燃料流通路には燃料供給口が、他方の燃料流通路には燃料排出口が設けられており、
燃料流通路は、各単位セルとセパレータが積層された際に相互に重なり合う位置に形成された孔を積層することで形成され、
一方の燃料流通路に対応した位置に孔を有し、他方の燃料流通路に対応した位置に孔を有さない遮蔽板が、孔の位置を交互に変えて所定間隔で介挿されている燃料電池スタックと、
一端が前記燃料供給口に接続され、他端が前記燃料排出口に接続された燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に設けられ、前記燃料排出口側から燃料ガスを吸引して循環させるポンプと、
前記燃料ガス循環路に接続され、前記燃料ガス循環路を介して前記燃料供給口へ燃料ガスを送る燃料ガス導通路と、
前記燃料ガス導通路に設けられ、開放時に通常運転時のガス圧に比べて高い圧力で燃料ガスを供給する起動用燃料ガス供給弁と、
一端がポンプと燃料排出口の間に接続され、他端が燃料ガス排出路に接続されている起動時排出回路と、
前記起動時排出回路に設けられた起動用燃料ガス排気弁と、
前記起動用燃料ガス排気弁と起動用燃料ガス供給弁とは、起動時から通常運転状態に移行するまでの間のみ開放されることを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell stack configured by alternately stacking unit cells and separators,
A fuel holding part formed between the fuel electrode of each unit cell and the separator;
Provided alongthe stacking direction ofthe unit cell and the separator, and has two fuel flow passages communicating with the respective fuel holding portions,
One fuel flow passage is provided with a fuel supply port, and the other fuel flow passage is provided with a fuel discharge port.
The fuel flow passage is formed by laminating holes formed at positions where each unit cell and the separator overlap each other when they are laminated,
A shielding plate having a hole at a position corresponding to one fuel flow path and not having a hole at a position corresponding to the other fuel flow path is inserted at predetermined intervals by alternately changing the positions of the holes. A fuel cell stack;
A fuel gas circuit having one end connected to the fuel supply port and the other end connected to the fuel discharge port;
A pump provided in the fuel gas circulation path for sucking and circulating fuel gas from the fuel outlet side;
A fuel gas conduction path connected to the fuel gas circulation path and sending fuel gas to the fuel supply port via the fuel gas circulation path;
A fuel gas supply valve for starting that is provided in the fuel gas conduction path and supplies fuel gas at a pressure higher than the gas pressure during normal operation when opened;
A start-up discharge circuit in which one end is connected between the pump and the fuel discharge port and the other end is connected to the fuel gas discharge path;
A start-up fuel gas exhaust valve provided in the start-up discharge circuit;
The starting fuel gas exhaust valve and the starting fuel gas supply valve are opened only during the period from the start to the transition to the normal operation state.