JP2006114415A - Fuel cell system - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make efficient gas humidification possible by a simple and compact constitution. <P>SOLUTION: A fuel cell system 10 has first and second fuel cell stacks 12a, 12b arranged in parallel, and first and second humidifiers 14a, 14b constituting humidifying mechanisms arranged at each end in the horizontal direction of the first and second fuel cell stacks 12a, 12b. Axial line directions of the first and second humidifiers 14a, 14b are set in the direction crossing in the axis line direction of a communicating hole of the first and second fuel cell stacks 12a, 12b. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電解質・電極構造体をセパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して少なくとも反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成された内部マニホールド型の２以上の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 a unit cell for sandwiching an electrolyte / electrode structure by a separator, and stacks a plurality of the unit cells in the horizontal direction and penetrates in the stacking direction of each unit cell to at least a reaction gas inlet communication hole and a reaction. The present invention relates to a fuel cell system including two or more fuel cell stacks of an internal manifold type in which gas outlet communication holes are formed.

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）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合した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・電極構造体を設け、この電解質膜・電極構造体をセパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. Provided on both sides of this electrolyte membrane are an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode-side electrode and a cathode-side electrode each having a noble metal-based electrode catalyst layer bonded to a base mainly composed of carbon are provided. A fuel cell is configured by sandwiching the structure with a separator.

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.

この場合、上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水等により加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するものが知られている。   In this case, in the fuel cell described above, it is necessary to maintain the electrolyte membrane in an appropriate wet state in order to exhibit an effective power generation function. For this reason, a humidifying device for previously humidifying the fuel gas and the oxidant gas with water or the like is prepared, and the humidified fuel gas or the oxidant gas is supplied to the fuel cell by connecting the humidifier to the fuel cell. What is supplied is known.

例えば、特許文献１に開示されている加湿ユニットは、図１３に示すように、燃料電池１のアノード側に供給される水素を加湿するためのアノード加湿器２と、前記燃料電池１のカソード側に供給される空気を加湿するためのカソード加湿器３と、水素循環ユニット４と、水素及び空気を前記燃料電池１に供給する通路５、６と、前記燃料電池１から排出される空気（オフガスともいう）の通路７とを備えている。   For example, the humidification unit disclosed in Patent Document 1 includes an anode humidifier 2 for humidifying hydrogen supplied to the anode side of the fuel cell 1 and a cathode side of the fuel cell 1 as shown in FIG. Cathode humidifier 3 for humidifying the air supplied to the fuel cell, hydrogen circulation unit 4, passages 5 and 6 for supplying hydrogen and air to the fuel cell 1, and air discharged from the fuel cell 1 (off-gas) A passage 7).

アノード加湿器２及びカソード加湿器３は、中空糸膜型加湿器を構成している。アノード加湿器２は、カソード加湿器３に対して長手方向にずらして配設されることにより、スペースが形成されるとともに、このスペースには、水素循環ユニット４が配設されている。   The anode humidifier 2 and the cathode humidifier 3 constitute a hollow fiber membrane type humidifier. The anode humidifier 2 is disposed with a displacement in the longitudinal direction with respect to the cathode humidifier 3, thereby forming a space, and a hydrogen circulation unit 4 is disposed in this space.

特開２００４−１６５０６１号公報（図２）Japanese Patent Laying-Open No. 2004-165061 (FIG. 2)

ところで、燃料電池は、例えば、車載用として使用される場合、所望の高出力を得るために多数の単位セルを積層して燃料電池スタックを構成する必要がある。その際、燃料電池スタックでは、単位セルの積層方向の長さが相当に長尺化すると、燃料ガスや酸化剤ガスを各単位セルに対して均等に供給することができない等の問題がある。このため、それぞれ所定数の単位セルを積層した２以上の燃料電池スタックを設け、前記２以上の燃料電池スタックを並列させる構成が採用されている。   By the way, when a fuel cell is used for in-vehicle use, for example, it is necessary to form a fuel cell stack by laminating a large number of unit cells in order to obtain a desired high output. At this time, in the fuel cell stack, if the length of the unit cells in the stacking direction is considerably increased, there is a problem that the fuel gas and the oxidant gas cannot be uniformly supplied to the unit cells. Therefore, a configuration is adopted in which two or more fuel cell stacks each having a predetermined number of unit cells stacked are provided, and the two or more fuel cell stacks are arranged in parallel.

そこで、この種の互いに並列された２以上の燃料電池スタックに、上記の特許文献１に開示されている加湿ユニット等の加湿機構を組み込む燃料電池システムが望まれている。   Therefore, there is a demand for a fuel cell system in which a humidification mechanism such as the humidification unit disclosed in Patent Document 1 is incorporated in two or more fuel cell stacks arranged in parallel with each other.

本発明はこの種の要請に対応してなされたものであり、２以上の燃料電池スタックを並列するとともに、簡単且つコンパクトな構成で、効率的なガス加湿を行う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 has been made in response to this type of request, and provides a fuel cell system in which two or more fuel cell stacks are arranged in parallel and can perform efficient gas humidification with a simple and compact configuration. The purpose is to provide.

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して少なくとも反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成された内部マニホールド型の２以上の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される反応ガスを、前記燃料電池スタックから排出される排ガスに含まれる水分により加湿する中空糸膜型の２以上の加湿機構とを備えている。   The present invention provides a unit cell for sandwiching an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte with a separator, and stacks a plurality of the unit cells in a horizontal direction, and in the stacking direction of each unit cell. Two or more internal manifold type fuel cell stacks having at least a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole formed therethrough, and a reaction gas supplied to the fuel cell stack are discharged from the fuel cell stack. And two or more humidification mechanisms of a hollow fiber membrane type that humidifies with moisture contained in the exhaust gas.

そして、燃料電池スタック毎に加湿機構が配設されるとともに、前記加湿機構の軸線方向は、前記燃料電池スタックの反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の軸線方向に交差する方向に設定されている。   A humidifying mechanism is provided for each fuel cell stack, and the axial direction of the humidifying mechanism is set to a direction intersecting with the axial direction of the reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole of the fuel cell stack. ing.

また、一方の反応ガスである燃料ガスを燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給系を備え、前記燃料ガス供給系を構成し暖機を要する少なくとも一部の機器は、２つの加湿機構の間に配設されることが好ましい。加湿機構には、例えば、加圧されて比較的高温になっている酸化剤ガス（被加湿ガス）や、燃料電池スタックの運転温度に対応して相当な高温になっているオフガス（加湿ガス）が供給されている。このため、高温な酸化剤ガス及び／又は高温なオフガスを介して、加湿機構間に配設されている燃料ガス供給系の機器を良好に暖機することができる。   In addition, a fuel gas supply system that supplies fuel gas that is one of the reaction gases to the fuel cell stack is provided, and at least some of the devices that constitute the fuel gas supply system and need to be warmed up are between two humidification mechanisms. It is preferable to be disposed. The humidifying mechanism includes, for example, an oxidant gas (humidified gas) that has been pressurized to a relatively high temperature and an off gas (humidified gas) that has a considerably high temperature corresponding to the operating temperature of the fuel cell stack. Is supplied. For this reason, it is possible to satisfactorily warm up the fuel gas supply system devices disposed between the humidifying mechanisms via the high temperature oxidant gas and / or the high temperature off gas.

さらに、燃料ガス供給系は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスの排ガスを前記燃料電池スタックに循環させる燃料ガス循環路を備え、前記燃料ガス循環路には、機器である気液分離器が設けられるとともに、前記気液分離器は、２つの加湿機構の間に配設されることが好ましい。   The fuel gas supply system further includes a fuel gas circulation path for circulating the exhaust gas of the fuel gas discharged from the fuel cell stack to the fuel cell stack, and a gas-liquid separator as a device is provided in the fuel gas circulation path. It is preferable that the gas-liquid separator is provided between two humidification mechanisms.

気液分離器内には、水分（凝縮水）が多く存在しており、氷点下起動時に前記水分が凍結するおそれがある。そこで、２つの加湿機構の間には、比較的高温な被加湿ガスや加湿ガスが流されるため、この被加湿ガスやこの加湿ガスによって気液分離器の温度を上昇させることが可能になる。これにより、気液分離器内の凍結水の解凍処理が短時間で確実に行われ、燃料ガス供給系の暖機時間が良好に短縮される。   There is a large amount of moisture (condensed water) in the gas-liquid separator, and the moisture may freeze at the time of starting below freezing. Therefore, since a relatively high temperature humidified gas or humidified gas flows between the two humidifying mechanisms, the temperature of the gas-liquid separator can be increased by the humidified gas or the humidified gas. This ensures that the frozen water in the gas-liquid separator is thawed in a short time, and the warm-up time of the fuel gas supply system is favorably shortened.

さらにまた、２つの燃料電池スタックの間には、加圧された酸化剤ガスを流す酸化剤ガス配管が配設されるとともに、前記酸化剤ガス配管は、２つの加湿機構に連結されることが好ましい。   Furthermore, between the two fuel cell stacks, an oxidant gas pipe for flowing a pressurized oxidant gas is disposed, and the oxidant gas pipe may be connected to two humidifying mechanisms. preferable.

酸化剤ガス配管内には、加圧されて比較的高温になっている酸化剤ガスが流動している。従って、高温の酸化剤ガスを利用して２つの燃料電池スタックや気液分離器等の暖機を効率的に行うことができ、燃料電池システム全体の暖機時間が一層短縮される。   An oxidant gas that is pressurized and has a relatively high temperature flows in the oxidant gas pipe. Therefore, it is possible to efficiently warm up the two fuel cell stacks, the gas-liquid separator, and the like using the high-temperature oxidant gas, and the warm-up time of the entire fuel cell system is further shortened.

また、酸化剤ガス配管の一部は、燃料ガス供給系の少なくとも一部と一体的に構成されることが好ましい。高温の酸化剤ガスの熱を燃料ガス供給系の機器に一層確実に伝えることが可能になるとともに、暖機時間がより短縮されるからである。   Moreover, it is preferable that a part of the oxidant gas pipe is configured integrally with at least a part of the fuel gas supply system. This is because the heat of the high-temperature oxidant gas can be more reliably transmitted to the fuel gas supply system and the warm-up time is further shortened.

本発明によれば、燃料電池スタック毎に加湿機構が配設されるため、例えば、２以上の燃料電池スタックに単一の加湿機構を採用する構成に比べ、前記燃料電池スタックと前記加湿機構とを接続する配管長を有効に短尺することができる。しかも、加湿機構の軸線方向は、燃料電池スタックの反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の軸線方向に交差する方向に設定されており、配管が簡素化されて配管長を一層短尺化することが可能になる。   According to the present invention, since the humidifying mechanism is provided for each fuel cell stack, for example, the fuel cell stack and the humidifying mechanism are compared with a configuration in which a single humidifying mechanism is adopted for two or more fuel cell stacks. It is possible to effectively shorten the length of the pipe connecting the two. Moreover, the axial direction of the humidifying mechanism is set in a direction intersecting with the axial direction of the reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole of the fuel cell stack, thereby simplifying the piping and further shortening the piping length. It becomes possible.

これにより、配管部分での放熱が良好に削減され、２以上の燃料電池スタックに対して湿度及び温度が安定した反応ガスを確実に供給することができる。従って、燃料電池スタックでは、効率的且つ安定した発電性能を確保することが可能になる。   Thereby, the heat radiation in the piping part is reduced favorably, and the reaction gas having a stable humidity and temperature can be reliably supplied to two or more fuel cell stacks. Therefore, the fuel cell stack can ensure efficient and stable power generation performance.

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の基本構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の概略全体斜視図である。   FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of a fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic overall perspective view of the fuel cell system 10.

燃料電池システム１０は、それぞれ積層方向が矢印Ａ方向（水平方向）に沿って配設されるとともに、矢印Ｂ方向に沿って互いに平行に且つ極性を反転して配列される同一構成の少なくとも第１燃料電池スタック１２ａと第２燃料電池スタック１２ｂとを備える。第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの矢印Ａ方向一端には、加湿機構を構成する第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂが配設される。   The fuel cell system 10 has at least a first configuration having the same configuration in which the stacking direction is arranged along the arrow A direction (horizontal direction) and arranged in parallel with each other along the arrow B direction with the polarity reversed. A fuel cell stack 12a and a second fuel cell stack 12b are provided. First and second humidifiers 14a and 14b constituting a humidifying mechanism are disposed at one end in the arrow A direction of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b.

図１に示すように、燃料電池システム１０は、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する酸化剤ガス供給系１５と、前記第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する燃料ガス供給系１６と、前記第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに冷却媒体を循環供給する冷却媒体供給系１７とを備える。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes an oxidant gas supply system 15 that supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to the first and second fuel cell stacks 12a and 12b, and the first and second fuel cell stacks 12a and 12b. A fuel gas supply system 16 for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, to the two fuel cell stacks 12a and 12b; and a cooling medium supply system 17 for circulating and supplying a cooling medium to the first and second fuel cell stacks 12a and 12b. With.

図３に示すように、第１燃料電池スタック１２ａは、複数の単位セル１８が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体２０を備える。積層体２０の積層方向一端には、ターミナルプレート２２ａ、絶縁プレート２４及び第１エンドプレート２６ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体２０の積層方向他端には、ターミナルプレート２２ｂ、絶縁性スペーサ部材２８及び第２エンドプレート２６ｂが外方に向かって、順次、配設される。第１燃料電池スタック１２ａは、四角形（長方形）に構成される第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂを端板として含むケーシング２９により一体的に保持される。   As shown in FIG. 3, the first fuel cell stack 12 a includes a stacked body 20 in which a plurality of unit cells 18 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction). At one end in the stacking direction of the stacked body 20, a terminal plate 22a, an insulating plate 24, and a first end plate 26a are sequentially disposed outward. At the other end in the stacking direction of the stacked body 20, a terminal plate 22b, an insulating spacer member 28, and a second end plate 26b are sequentially disposed outward. The first fuel cell stack 12a is integrally held by a casing 29 including first and second end plates 26a, 26b configured as quadrangular (rectangular) shapes as end plates.

図３及び図４に示すように、各単位セル１８は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４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. 3 and 4, each unit cell 18 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 30, and a thin plate-shaped first and second sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 30. Second metal separators 32 and 34 are provided. Instead of the first and second metal separators 32 and 34, for example, a carbon separator may be adopted.

単位セル１８の長辺方向（図４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３６ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとが設けられる。   One end edge of the unit cell 18 in the long side direction (in the direction of arrow B in FIG. 4) communicates with each other in the direction of arrow A, and an oxidizing gas inlet communication hole 36a for supplying an oxidizing gas, An oxidant gas outlet communication hole 36b for discharging the oxidant gas is provided.

単位セル１８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３８ａと、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂとが設けられる。   The other end edge in the long side direction of the unit cell 18 communicates with each other in the direction of arrow A, and a fuel gas inlet communication hole 38a for supplying fuel gas, and a fuel gas outlet communication for discharging fuel gas. A hole 38b is provided.

単位セル１８の下端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４０ａが設けられるとともに、前記単位セル１８の上端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４０ｂが設けられる。   A cooling medium inlet communication hole 40a for supplying a cooling medium is provided at the lower end edge of the unit cell 18, and a cooling medium outlet communication for discharging the cooling medium is provided at the upper end edge of the unit cell 18. A hole 40b is provided.

電解質膜・電極構造体３０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 42 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 44 and a cathode side electrode 46 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 42. With.

アノード側電極４４及びカソード側電極４６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４２の両面に形成される。   The anode side electrode 44 and the cathode side electrode 46 are uniformly coated with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 42.

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、Ｕ次状に湾曲する複数の流路溝により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝により構成される。   A fuel gas flow path 48 that connects the fuel gas inlet communication hole 38 a and the fuel gas outlet communication hole 38 b is formed on the surface 32 a of the first metal separator 32 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The fuel gas channel 48 is constituted by, for example, a plurality of channel grooves that are curved in a U-order. On the surface 32b of the first metal separator 32, a cooling medium flow path 50 that connects the cooling medium inlet communication hole 40a and the cooling medium outlet communication hole 40b is formed. The cooling medium flow path 50 includes a plurality of flow path grooves extending in the direction of arrow C.

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、Ｕ次状に湾曲する複数の流路溝からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。   The surface 34a of the second metal separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30 is provided with, for example, an oxidant gas flow path 52 composed of a plurality of flow path grooves curved in a U-order, and this oxidant gas. The flow path 52 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 36a and the oxidant gas outlet communication hole 36b. A cooling medium flow path 50 is integrally formed on the surface 34 b of the second metal separator 34 so as to overlap the surface 32 b of the first metal separator 32.

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。   A first seal member 54 is integrally formed on the surfaces 32 a and 32 b of the first metal separator 32 around the outer peripheral edge of the first metal separator 32. The first seal member 54 surrounds and communicates the fuel gas inlet communication hole 38a, the fuel gas outlet communication hole 38b, and the fuel gas passage 48 with the surface 32a, while the surface 32b communicates with the cooling medium inlet communication hole 40a. The medium outlet communication hole 40b and the cooling medium flow path 50 are surrounded and communicated.

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔４０ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。   A second seal member 56 is integrally formed on the surfaces 34 a and 34 b of the second metal separator 34 around the outer peripheral edge of the second metal separator 34. The second seal member 56 surrounds and communicates the oxidant gas inlet communication hole 36a, the oxidant gas outlet communication hole 36b, and the oxidant gas flow path 52 on the surface 34a, while the cooling medium inlet communication hole on the surface 34b. The cooling medium outlet communication hole 40b and the cooling medium flow path 50 are surrounded and communicated with each other.

図３に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が直接ケーシング２９に接触することを阻止すべく、シール５７が介装される。図２及び図３に示すように、ターミナルプレート２２ａ、２２ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。   As shown in FIG. 3, a seal 57 is interposed between the first and second seal members 54 and 56 to prevent the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 42 from directly contacting the casing 29. As shown in FIGS. 2 and 3, plate-like terminal portions 58a and 58b projecting in the surface direction are formed at the end portions of the terminal plates 22a and 22b.

ケーシング２９は、図２及び図３に示すように、端板である第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂと、積層体２０の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士をねじ止めにより連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。   As shown in FIGS. 2 and 3, the casing 29 includes first and second end plates 26a and 26b, which are end plates, a plurality of side plates 60a to 60d disposed on the side of the laminate 20, and the side plates. Angle members (for example, L angles) 62a to 62d that connect end portions 60a to 60d that are close to each other by screwing, the first and second end plates 26a and 26b, and the side plates 60a to 60d are connected. Connection pins 64a and 64b having different lengths are provided.

図３に示すように、スペーサ部材２８は、ケーシング２９の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材２８は、積層体２０の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体２０に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。なお、積層体２０の積層方向の長さの変動が、第１及び第２金属セパレータ３２、３４自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材２８を用いなくてもよい。   As shown in FIG. 3, the spacer member 28 has a rectangular shape set to a predetermined size so as to be positioned on the inner periphery of the casing 29. The spacer member 28 is adjusted in thickness in order to absorb a length variation in the stacking direction of the stacked body 20 and to apply a desired tightening load to the stacked body 20. The spacer member 28 may not be used as long as the variation in the length of the stacked body 20 in the stacking direction can be absorbed by the elasticity of the first and second metal separators 32 and 34 themselves.

第２燃料電池スタック１２ｂは、上記のように構成される第１燃料電池スタック１２ａと略同一に構成されており、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。   The second fuel cell stack 12b is configured substantially the same as the first fuel cell stack 12a configured as described above, and the same components are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof is as follows. Omitted.

第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂを構成する各積層体２０は、全く同一の構成を有しており、それぞれの極性を逆にするために、例えば、前記第２燃料電池スタック１２ｂを構成する前記積層体２０を、前記第１燃料電池スタック１２ａを構成する前記積層体２０に対して鉛直軸回りに１８０°反転させている（図５参照）。   The stacked bodies 20 constituting the first and second fuel cell stacks 12a and 12b have exactly the same configuration. For example, in order to reverse the polarities, for example, the second fuel cell stack 12b The stack 20 constituting the first fuel cell stack 12a is inverted 180 ° around the vertical axis with respect to the stack 20 constituting the first fuel cell stack 12a (see FIG. 5).

第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂは、円筒形状のハウジング７０を備える（図２参照）。ハウジング７０内には、図６に示すように、複数の中空糸膜７２が収容される。複数の中空糸膜７２は、束状に構成されており、両端部にポッティング部７４ａ、７４ｂが設けられる。ハウジング７０の外周部一端側には、複数のオフガス供給用開口部７６ａが形成されるとともに、前記ハウジング７０の外周部他端側には、オフガス排出用開口部７６ｂが形成される。   The first and second humidifiers 14a and 14b include a cylindrical housing 70 (see FIG. 2). A plurality of hollow fiber membranes 72 are accommodated in the housing 70 as shown in FIG. The plurality of hollow fiber membranes 72 are configured in a bundle shape, and potting portions 74a and 74b are provided at both ends. A plurality of off-gas supply openings 76 a are formed on one end of the outer periphery of the housing 70, and an off-gas discharge opening 76 b is formed on the other end of the outer periphery of the housing 70.

図１に示すように、酸化剤ガス供給系１５は、圧縮器、例えば、スーパーチャージャ８０を備え、このスーパーチャージャ８０は、必要に応じて冷却器８２を介装して酸化剤ガス配管８４に接続される。酸化剤ガス配管８４の先端は、管路８４ａ、８４ｂに分岐しており、前記管路８４ａ、８４ｂは、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各ポッティング部７４ａに連結される（図６参照）。   As shown in FIG. 1, the oxidant gas supply system 15 includes a compressor, for example, a supercharger 80. The supercharger 80 is connected to an oxidant gas pipe 84 via a cooler 82 as necessary. Connected. The tip of the oxidant gas pipe 84 is branched into pipes 84a and 84b, and the pipes 84a and 84b are connected to the potting portions 74a of the first and second humidifiers 14a and 14b (FIG. 6). reference).

第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各ポッティング部７４ｂと、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各酸化剤ガス入口連通孔３６ａとは、酸化剤ガス供給配管８６により連結される。第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各開口部７６ａとは、オフガス配管８８を介して連結される。   The potting portions 74b of the first and second humidifiers 14a and 14b and the oxidant gas inlet communication holes 36a of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b are connected by an oxidant gas supply pipe 86. . The oxidant gas outlet communication holes 36b of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b and the openings 76a of the first and second humidifiers 14a and 14b are connected through an off-gas pipe 88.

第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各開口部７６ｂには、排気配管９０が連結されるとともに、この排気配管９０は、例えば、図示しない背圧弁を介して外部に開放可能である。   An exhaust pipe 90 is connected to the openings 76b of the first and second humidifiers 14a and 14b, and the exhaust pipe 90 can be opened to the outside via a back pressure valve (not shown), for example.

図１に示すように、燃料ガス供給系１６は水素タンク９２を備え、この水素タンク９２は、エゼクタ９４を介して燃料ガス循環路９６に接続される。燃料ガス循環路９６の先端は、管路９６ａ、９６ｂに分岐するとともに、前記管路９６ａ、９６ｂは、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各燃料ガス入口連通孔３８ａに連結される（図２参照）。   As shown in FIG. 1, the fuel gas supply system 16 includes a hydrogen tank 92, and this hydrogen tank 92 is connected to a fuel gas circulation path 96 via an ejector 94. The tip of the fuel gas circulation path 96 branches into pipes 96a and 96b, and the pipes 96a and 96b are connected to the fuel gas inlet communication holes 38a of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b. (See FIG. 2).

第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの燃料ガス出口連通孔３８ｂは、燃料ガス排出配管９８ａ、９８ｂを介して気液分離器１００に連通する。この気液分離器１００は、逆止め弁１０２を介してエゼクタ９４に連通するとともに、パージ弁１０４を介して外部に開放自在である（図１参照）。   The fuel gas outlet communication holes 38b of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b communicate with the gas-liquid separator 100 through the fuel gas discharge pipes 98a and 98b. The gas-liquid separator 100 communicates with an ejector 94 via a check valve 102 and can be opened to the outside via a purge valve 104 (see FIG. 1).

燃料ガス供給系１６では、図２に示すように、暖機を要する少なくとも一部の機器、例えば、エゼクタ９４及び気液分離器１００が、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの間に配設される。   In the fuel gas supply system 16, as shown in FIG. 2, at least some of the devices that require warm-up, for example, the ejector 94 and the gas-liquid separator 100 are arranged between the first and second humidifiers 14a and 14b. Established.

冷却媒体供給系１７は、図１に示すように、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各冷却媒体入口連通孔４０ａと各冷却媒体出口連通孔４０ｂとに接続される冷却媒体循環路１０６ａ、１０６ｂを備える。冷却媒体循環路１０６ａ、１０６ｂには、ラジエータ１０８ａ、１０８ｂが介装されて冷却媒体の温度調整を行う。   As shown in FIG. 1, the cooling medium supply system 17 is connected to the cooling medium inlet communication holes 40a and the cooling medium outlet communication holes 40b of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b. 106a and 106b are provided. Radiators 108a and 108b are interposed in the cooling medium circulation paths 106a and 106b to adjust the temperature of the cooling medium.

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 fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

先ず、図１に示すように、燃料電池システム１０では、酸化剤ガス供給系１５を構成するスーパーチャージャ８０を介して、酸化剤ガス配管８４に酸素含有ガス等の酸化剤ガス（空気）が供給されるとともに、燃料ガス供給系１６を構成する水素タンク９２から燃料ガス循環路９６に、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給系１７を構成する冷却媒体循環路１０６ａ、１０６ｂ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される。   First, as shown in FIG. 1, in the fuel cell system 10, an oxidant gas (air) such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas pipe 84 via the supercharger 80 that constitutes the oxidant gas supply system 15. In addition, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied from a hydrogen tank 92 constituting the fuel gas supply system 16 to the fuel gas circulation path 96. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is circulated through the cooling medium circulation paths 106 a and 106 b constituting the cooling medium supply system 17.

酸化剤ガス配管８４に供給される加圧された酸化剤ガスは、図６に示すように、管路８４ａ、８４ｂに分岐して第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの各ポッティング部７４ａに導入される。酸化剤ガスは、ハウジング７０内に収容されている複数の中空糸膜７２の内側を通って前記ハウジング７０の軸方向一方に移動した後、ポッティング部７４ｂに排出される。   As shown in FIG. 6, the pressurized oxidant gas supplied to the oxidant gas pipe 84 branches to the pipes 84 a and 84 b and enters the potting portions 74 a of the first and second humidifiers 14 a and 14 b. be introduced. The oxidant gas passes through the inside of the plurality of hollow fiber membranes 72 accommodated in the housing 70 and moves in one axial direction of the housing 70, and then is discharged to the potting portion 74b.

その際、ハウジング７０の開口部７６ａには、後述するように反応に使用された酸化剤ガス（以下、オフガスともいう）が、オフガス配管８８を介して供給されている。このオフガスは、複数の中空糸膜７２の外側を通ってハウジングの軸方向他方に移動した後、開口部７６ｂから排気配管９０に放出される。   At that time, an oxidant gas (hereinafter also referred to as off-gas) used for the reaction is supplied to the opening 76 a of the housing 70 through an off-gas pipe 88 as will be described later. The off gas passes through the outside of the plurality of hollow fiber membranes 72 and moves to the other axial direction of the housing, and is then discharged from the opening 76b to the exhaust pipe 90.

このため、中空糸膜７２の外側及び内側を介して、酸化剤ガスにはオフガス中に含まれる水分が移動し、前記酸化剤ガスが加湿される。この加湿された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給配管８６から第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの各酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給される。   For this reason, moisture contained in the off-gas moves to the oxidant gas through the outside and inside of the hollow fiber membrane 72, and the oxidant gas is humidified. The humidified oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply pipe 86 to the oxidant gas inlet communication holes 36a of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b.

次いで、第１燃料電池スタック１２ａ内では、図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、管路９６ａから燃料ガス入口連通孔３８ａに供給されて第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。   Next, in the first fuel cell stack 12a, as shown in FIG. 4, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet communication hole 36a into the oxidant gas flow path 52 of the second metal separator 34, and the electrolyte membrane / It moves along the cathode side electrode 46 of the electrode structure 30. On the other hand, the fuel gas is supplied from the pipe 96 a to the fuel gas inlet communication hole 38 a and introduced into the fuel gas channel 48 of the first metal separator 32, and along the anode side electrode 44 of the electrolyte membrane / electrode structure 30. Moving.

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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 / electrode structure 30, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 46 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 44 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

次いで、カソード側電極４６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３６ｂに沿って流動した後、オフガス配管８８に排出される（図６参照）。   Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode side electrode 46 flows along the oxidant gas outlet communication hole 36b, and is then discharged to the off-gas pipe 88 (see FIG. 6).

同様に、アノード側電極４４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３８ｂに排出されて流動し、燃料ガス排出配管９８ａに排出される（図１及び図２参照）。この燃料ガスは、気液分離器１００に導入されて水分が除去された後、エゼクタ９４の作用下に燃料ガス循環路９６に送られて、再度、燃料ガスとして第１燃料電池スタック１２ａに供給される。   Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 44 is discharged to the fuel gas outlet communication hole 38b, flows, and discharged to the fuel gas discharge pipe 98a (see FIGS. 1 and 2). After the fuel gas is introduced into the gas-liquid separator 100 and moisture is removed, it is sent to the fuel gas circulation path 96 under the action of the ejector 94 and supplied again to the first fuel cell stack 12a as the fuel gas. Is done.

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔４０ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｃ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３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂを移動して冷却媒体循環路１０６ａに排出される。   The cooling medium flows in the direction of arrow C after being introduced into the cooling medium flow path 50 between the first and second metal separators 32 and 34 from the cooling medium inlet communication hole 40a. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 30, moves through the cooling medium outlet communication hole 40 b, and is discharged to the cooling medium circulation path 106 a.

第２燃料電池スタック１２ｂでは、上記の第１燃料電池スタック１２ａと同様に、使用済みの酸化剤ガスは、オフガス配管８８に排出される（図６参照）。さらに、使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出配管９８ｂに排出されるとともに、使用済みの冷却媒体は、冷却媒体循環路１０６ｂに排出される（図１参照）。   In the second fuel cell stack 12b, as in the first fuel cell stack 12a, the used oxidant gas is discharged to the off-gas pipe 88 (see FIG. 6). Further, the used fuel gas is discharged to the fuel gas discharge pipe 98b, and the used cooling medium is discharged to the cooling medium circulation path 106b (see FIG. 1).

この場合、第１の実施形態では、第１燃料電池スタック１２ａに第１加湿器１４ａが配設されるとともに、第２燃料電池スタック１２ｂに第２加湿器１４ｂが配設されている。そして、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの軸線方向（中空糸膜７２の軸線方向）である矢印Ｂ方向は、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの酸化剤ガス入口連通孔３６ａを含む連通孔群の軸線方向（矢印Ａ方向）に交差する方向に設定されている（図６参照）。   In this case, in the first embodiment, the first humidifier 14a is disposed in the first fuel cell stack 12a, and the second humidifier 14b is disposed in the second fuel cell stack 12b. The arrow B direction, which is the axial direction of the first and second humidifiers 14a and 14b (the axial direction of the hollow fiber membrane 72), indicates the oxidant gas inlet communication hole 36a of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b. Is set in a direction crossing the axial direction (direction of arrow A) of the communication hole group including (see FIG. 6).

このため、例えば、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに単一の加湿機構を組み込む場合に比べ、前記第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂと加湿機構とを接続する配管長を有効に短尺化することができる。しかも、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂと第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂとの配置姿勢を設定することにより、配管自体が相当に簡素化されるとともに、配管長が一層短尺化される。   For this reason, for example, compared with the case where a single humidification mechanism is incorporated in the first and second fuel cell stacks 12a and 12b, the pipe length connecting the first and second fuel cell stacks 12a and 12b and the humidification mechanism is reduced. The length can be shortened effectively. Moreover, by setting the arrangement postures of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b and the first and second humidifiers 14a and 14b, the piping itself is considerably simplified and the piping length is further shortened. It becomes.

これにより、燃料電池システム１０では、配管部分での放熱が良好に削減され、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂに対して湿度及び温度が安定した酸化剤ガスを確実に供給することが可能になるという効果が得られる。従って、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂでは、効率的且つ安定した発電性能を確保することができる。   As a result, in the fuel cell system 10, heat radiation in the piping portion is reduced satisfactorily, and an oxidant gas having a stable humidity and temperature can be reliably supplied to the first and second fuel cell stacks 12 a and 12 b. The effect that it becomes possible is obtained. Therefore, the first and second fuel cell stacks 12a and 12b can ensure efficient and stable power generation performance.

また、第１の実施形態では、燃料ガス供給系１６を構成し暖機を要する機器、例えば、エゼクタ９４及び気液分離器１００は、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの間に配設されている（図２参照）。   Further, in the first embodiment, devices that constitute the fuel gas supply system 16 and need to be warmed up, such as the ejector 94 and the gas-liquid separator 100, are disposed between the first and second humidifiers 14a and 14b. (See FIG. 2).

ここで、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂには、前記第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂ間に酸化剤ガス配管８４から分岐した管路８４ａ、８４ｂ内を通って比較的高温になっている酸化剤ガスが流動している。一方、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂからは、酸化剤ガスを加湿した後の相当に高温（単位セル１８の運転温度に相当）なオフガスが排出されている。   Here, the first and second humidifiers 14a and 14b have a relatively high temperature through the pipes 84a and 84b branched from the oxidant gas pipe 84 between the first and second humidifiers 14a and 14b. The oxidant gas is flowing. On the other hand, from the first and second humidifiers 14a and 14b, a considerably high temperature (corresponding to the operating temperature of the unit cell 18) after humidifying the oxidant gas is discharged.

このため、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂ間に配設されるエゼクタ９４及び気液分離器１００は、比較的高温の酸化剤ガス及びオフガスにより暖機される。これにより、特に、低温始動時における凍結水の解凍処理が迅速に行われ、燃料ガス供給系１６の暖機時間が良好に短縮されるという利点がある。   For this reason, the ejector 94 and the gas-liquid separator 100 disposed between the first and second humidifiers 14a and 14b are warmed up by the relatively high-temperature oxidant gas and off-gas. Thereby, in particular, there is an advantage that the thawing process of the frozen water at the time of low temperature start is performed quickly, and the warm-up time of the fuel gas supply system 16 is favorably shortened.

さらにまた、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂ間に酸化剤ガス配管８４が配設されており、この酸化剤ガス配管８４を流動する比較的高温の酸化剤ガスによって前記第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂを暖機することができる。従って、第１及び第２燃料電池スタック１２ａ、１２ｂの暖機時間が一層短縮される。   Furthermore, an oxidant gas pipe 84 is disposed between the first and second fuel cell stacks 12a and 12b, and the first and second fuel cell stacks 12a and 12b are moved by the relatively high-temperature oxidant gas flowing through the oxidant gas pipe 84. The two fuel cell stacks 12a and 12b can be warmed up. Accordingly, the warm-up time of the first and second fuel cell stacks 12a and 12b is further shortened.

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０の一部断面説明図である。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〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   FIG. 7 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell system 120 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third to fifth embodiments described below, detailed description thereof is omitted.

図７及び図８に示すように、燃料電池システム１２０は、矢印Ｂ方向に沿って互いに平行に且つ極性を判定して配設される第１及び第２燃料電池スタック１２２ａ、１２２ｂを備え、前記第１及び第２燃料電池スタック１２２ａ、１２２ｂには、加湿機構を構成する第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂが配設される。   As shown in FIGS. 7 and 8, the fuel cell system 120 includes first and second fuel cell stacks 122a and 122b that are arranged in parallel with each other along the direction of arrow B and whose polarities are determined. The first and second fuel cell stacks 122a and 122b are provided with first and second humidifiers 14a and 14b constituting a humidifying mechanism.

第１及び第２燃料電池スタック１２２ａ、１２２ｂでは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとが対角位置に設けられる。一方、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとは、同様に、対角位置に設けられる。   In the first and second fuel cell stacks 122a and 122b, the oxidant gas inlet communication hole 36a and the oxidant gas outlet communication hole 36b are provided at diagonal positions. On the other hand, the fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b are similarly provided at diagonal positions.

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１３０の一部断面説明図であり、図１０は、前記燃料電池システム１３０の反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。   FIG. 9 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell system 130 according to the third embodiment of the present invention, and FIG.

燃料電池システム１３０は、第１及び第２燃料電池スタック１３２ａ、１３２ｂを備える。第１及び第２燃料電池スタック１３２ａ、１３２ｂのそれぞれ対角位置には、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂとが設けられる。第１及び第２燃料電池スタック１３２ａ、１３２ｂが並列される際に、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ同士及び燃料ガス出口連通孔３８ｂ同士が互いに近接する。   The fuel cell system 130 includes first and second fuel cell stacks 132a and 132b. At the diagonal positions of the first and second fuel cell stacks 132a and 132b, there are an oxidant gas inlet communication hole 36a and an oxidant gas outlet communication hole 36b, a fuel gas inlet communication hole 38a and a fuel gas outlet communication hole 38b, respectively. Is provided. When the first and second fuel cell stacks 132a and 132b are arranged in parallel, the oxidant gas inlet communication holes 36a and the fuel gas outlet communication holes 38b are close to each other.

第１及び第２燃料電池スタック１３２ａ、１３２ｂの外方には、酸化剤ガス配管１３４ａ、１３４ｂが配設される。酸化剤ガス配管１３４ａ、１３４ｂは、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂに連結される。   Oxidant gas pipes 134a and 134b are disposed outside the first and second fuel cell stacks 132a and 132b. The oxidant gas pipes 134a and 134b are connected to the first and second humidifiers 14a and 14b.

上記の第２及び第３の実施形態では、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られる。   In said 2nd and 3rd embodiment, the effect similar to 1st Embodiment mentioned above is acquired.

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１４０の概略全体斜視図である。   FIG. 11 is a schematic overall perspective view of a fuel cell system 140 according to the fourth embodiment of the present invention.

燃料電池システム１４０は、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂに直接連結される流路ブロック１４２を備える。この流路ブロック１４２は、例えば、鋳造により一体成形されており、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂの互いに近接する端部に装着される。なお、流路ブロック１４２は、切削加工等により形成することも可能である。   The fuel cell system 140 includes a flow path block 142 that is directly connected to the first and second humidifiers 14a and 14b. The flow path block 142 is integrally formed by casting, for example, and is attached to end portions of the first and second humidifiers 14a and 14b that are close to each other. The flow path block 142 can also be formed by cutting or the like.

流路ブロック１４２の内部には、図２に示す管路８４ａ、８４ｂ、燃料ガス循環路９６、管路９６ａ、９６ｂ及び燃料ガス排出配管９８ａ、９８ｂに相当する配管路が形成される。これらの配管路は、流路ブロック１４２に一体成形された配管接続部１４４に連通するとともに、管路９６ａ、９６ｂ及び燃料ガス排出配管９８ａ、９８ｂに相当する配管接続部１４４は、可撓性管路１４６を介して燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂに接続される。流路ブロック１４２には、さらにエゼクタ９４及び気液分離器１００が埋設される。   Inside the flow path block 142, pipe lines 84a and 84b, a fuel gas circulation path 96, pipe lines 96a and 96b, and fuel gas discharge pipes 98a and 98b shown in FIG. 2 are formed. These pipe lines communicate with a pipe connection part 144 formed integrally with the flow path block 142, and the pipe connection parts 144 corresponding to the pipe lines 96a and 96b and the fuel gas discharge pipes 98a and 98b are flexible pipes. The fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b are connected via a path 146. An ejector 94 and a gas-liquid separator 100 are further embedded in the flow path block 142.

このように構成される第４の実施形態では、少なくとも酸化剤ガス配管８４の一部から管路８４ａ、８４ｂが、燃料ガス供給系１６の少なくとも一部であるエゼクタ９４及び気液分離器１００と一体的に流路ブロック１４２に形成されている。このため、エゼクタ９４及び気液分離器１００には、高温の酸化剤ガスの熱を一層確実に伝えることが可能になるとともに、燃料ガス供給系１６の暖機時間がより短縮されるという効果が得られる。   In the fourth embodiment configured as described above, at least a part of the oxidant gas pipe 84 and the pipes 84a and 84b are at least a part of the fuel gas supply system 16, and the ejector 94 and the gas-liquid separator 100. The channel block 142 is integrally formed. For this reason, the heat of the high-temperature oxidant gas can be more reliably transmitted to the ejector 94 and the gas-liquid separator 100, and the warm-up time of the fuel gas supply system 16 is further shortened. can get.

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１５０の概略全体斜視図である。   FIG. 12 is a schematic overall perspective view of a fuel cell system 150 according to the fifth embodiment of the present invention.

燃料電池システム１５０は、第１及び第２加湿器１４ａ、１４ｂ間に介装される流路ブロック１５２を備える。この流路ブロック１５２は、例えば、鋳造により一体成形されているが、切削加工等により形成することも可能である。   The fuel cell system 150 includes a flow path block 152 interposed between the first and second humidifiers 14a and 14b. The flow path block 152 is integrally formed by casting, for example, but can be formed by cutting or the like.

流路ブロック１５２は、少なくとも酸化剤ガス配管８４に供給される高温の空気が気液分離器１００に伝熱され易いように、前記酸化剤ガス配管８４に連結される配管部１５４、前記気液分離器１００及びエゼクタ９４が一体的に成形される。なお、配管部１５４と気液分離器１００とを覆って伝熱材料を設けてもよい。流路ブロック１５２は、管路８４ａ、８４ｂ、管路９６ａ、９６ｂ及び燃料ガス排出配管９８ａ、９８ｂに相当する配管接続部１５６を備えるとともに、それぞれ可撓性管路１４６に接続される。   The flow path block 152 includes a pipe portion 154 connected to the oxidant gas pipe 84 and the gas / liquid so that at least high-temperature air supplied to the oxidant gas pipe 84 is easily transferred to the gas / liquid separator 100. The separator 100 and the ejector 94 are integrally formed. Note that a heat transfer material may be provided so as to cover the piping part 154 and the gas-liquid separator 100. The channel block 152 includes pipe connections 84a and 84b, pipes 96a and 96b, and pipe connection portions 156 corresponding to the fuel gas discharge pipes 98a and 98b, and is connected to the flexible pipe 146, respectively.

このように構成される第５の実施形態では、流路ブロック１５２が設けられることにより、少なくとも酸化剤ガス配管８４に供給される高温の空気が気液分離器１００に伝熱され易く、燃料ガス供給系１６の暖機時間がより短縮される等、第４の実施形態と同様の効果が得られる。   In the fifth embodiment configured as described above, by providing the flow path block 152, at least high-temperature air supplied to the oxidant gas pipe 84 is easily transferred to the gas-liquid separator 100, and the fuel gas The same effects as in the fourth embodiment can be obtained, such as the warm-up time of the supply system 16 being further shortened.

なお、第１〜第５の実施形態では、連結部材として、例えば、アングル部材６２ａ〜６２ｄを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、側板６０ａ〜６０ｄ自体に屈曲するフランジ部を形成し、各フランジ部をねじ止めして前記側板６０ａ〜６０ｄ同士を連結することにより連結部材を構成してもよい。また、側板６０ａ〜６０ｄ同士を溶接して一体化することにより、連結部材を構成してもよい。   In the first to fifth embodiments, for example, the angle members 62a to 62d are used as the connecting members, but the present invention is not limited to this. For example, the connecting members may be configured by forming flange portions that are bent on the side plates 60a to 60d themselves, and screwing the flange portions to connect the side plates 60a to 60d. Moreover, you may comprise a connection member by welding and integrating the side plates 60a-60d.

さらに、ケーシング２９に代替して、第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂを図示しないタイロッドで締め付け保持する構成を採用してもよい。さらにまた、冷却媒体入口連通孔４０ａ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂは、単位セル１８の矢印Ｂ方向両端部に設けてもよい。   Furthermore, instead of the casing 29, a configuration in which the first and second end plates 26a and 26b are fastened and held by a tie rod (not shown) may be employed. Furthermore, the cooling medium inlet communication hole 40a and the cooling medium outlet communication hole 40b may be provided at both ends of the unit cell 18 in the arrow B direction.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの基本構成説明図である。It is a basic composition explanatory view of the fuel cell system concerning a 1st embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムの概略全体斜視図である。It is a schematic whole perspective view of the said fuel cell system. 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the fuel cell stack which comprises the said fuel cell system. 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the unit cell which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池システムの反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。It is flow explanatory drawing of the reaction gas and cooling medium of the said fuel cell system. 前記燃料電池システムを構成する第１及び第２加湿器内の流れ説明図である。It is flow explanatory drawing in the 1st and 2nd humidifier which comprises the said fuel cell system. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの基本構成説明図である。It is basic composition explanatory drawing of the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記燃料電池システムの反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。It is flow explanatory drawing of the reaction gas and cooling medium of the said fuel cell system. 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの基本構成説明図である。It is basic composition explanatory drawing of the fuel cell system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 前記燃料電池システムの反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。It is flow explanatory drawing of the reaction gas and cooling medium of the said fuel cell system. 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体斜視図である。It is a general | schematic whole perspective view of the fuel cell system which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体斜視図である。It is a general | schematic whole perspective view of the fuel cell system which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 特許文献１に係る加湿モジュールの断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the humidification module which concerns on patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０、１２０、１３０、１４０、１５０…燃料電池システム
１２ａ、１２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、１３２ａ、１３２ｂ…燃料電池スタック
１４ａ、１４ｂ…加湿器 １５…酸化剤ガス供給系
１６…燃料ガス供給系 １７…冷却媒体供給系
１８…単位セル ２０…積層体
２６ａ、２６ｂ…エンドプレート ２９…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔 ３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔 ４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…固体高分子電解質膜 ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路 ５２…酸化剤ガス流路
５８ａ、５８ｂ…端子部 ６０ａ〜６０ｄ…側板
７０…ハウジング ７２…中空糸膜
８０…スーパーチャージャ ８４、１３４ａ、１３４ｂ…酸化剤ガス配管
８６…酸化剤ガス供給配管 ８８…オフガス配管
９０…排気配管 ９２…水素タンク
９４…エゼクタ ９６…燃料ガス循環路
１００…気液分離器 １０６ａ、１０６ｂ…冷却媒体循環路
１４２、１５２…流路ブロック １４４、１５６…配管接続部
１５４…配管部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 120, 130, 140, 150 ... Fuel cell system 12a, 12b, 122a, 122b, 132a, 132b ... Fuel cell stack 14a, 14b ... Humidifier 15 ... Oxidant gas supply system 16 ... Fuel gas supply system 17 ... Cooling Medium supply system 18 ... Unit cell 20 ... Laminated body 26a, 26b ... End plate 29 ... Casing 30 ... Electrolyte membrane / electrode structure 32, 34 ... Separator 36a ... Oxidant gas inlet communication hole 36b ... Oxidant gas outlet communication hole 38a ... fuel gas inlet communication hole 38b ... fuel gas outlet communication hole 40a ... cooling medium inlet communication hole 40b ... cooling medium outlet communication hole 42 ... solid polymer electrolyte membrane 44 ... anode side electrode 46 ... cathode side electrode 48 ... fuel gas flow path DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 ... Cooling medium flow path 52 ... Oxidant gas flow path 58a, 58b ... Terminal part 60a-60d ... Side plate 70 ... Uzing 72 ... Hollow fiber membrane 80 ... Supercharger 84, 134a, 134b ... Oxidant gas pipe 86 ... Oxidant gas supply pipe 88 ... Offgas pipe 90 ... Exhaust pipe 92 ... Hydrogen tank 94 ... Ejector 96 ... Fuel gas circuit 100 ... Gas-liquid separator 106a, 106b ... Cooling medium circulation path 142, 152 ... Flow path block 144, 156 ... Piping connection part 154 ... Piping part

Claims (5)

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して少なくとも反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成された内部マニホールド型の２以上の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される反応ガスを、前記燃料電池スタックから排出される排ガスに含まれる水分により加湿する中空糸膜型の２以上の加湿機構と、
を備え、
前記燃料電池スタック毎に前記加湿機構が配設されるとともに、前記加湿機構の軸線方向は、前記燃料電池スタックの前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔の軸線方向に交差する方向に設定されることを特徴とする燃料電池システム。 A unit cell that sandwiches an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes on both sides of an electrolyte by a separator is provided, and a plurality of the unit cells are stacked in a horizontal direction, and at least penetrated in the stacking direction of each unit cell. Two or more fuel cell stacks of internal manifold type in which a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole are formed;
Two or more humidification mechanisms of a hollow fiber membrane type that humidify the reaction gas supplied to the fuel cell stack with moisture contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack;
With
The humidification mechanism is provided for each fuel cell stack, and the axial direction of the humidification mechanism is in a direction intersecting with the axial direction of the reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole of the fuel cell stack. A fuel cell system characterized by being set. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、一方の反応ガスである燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給系を備え、
前記燃料ガス供給系を構成し暖機を要する少なくとも一部の機器は、２つの前記加湿機構の間に配設され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, further comprising a fuel gas supply system for supplying a fuel gas that is one of the reaction gases to the fuel cell stack,
The fuel cell system according to claim 1, wherein at least a part of the equipment constituting the fuel gas supply system and requiring warm-up is disposed between the two humidifying mechanisms. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給系は、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスの排ガスを前記燃料電池スタックに循環させる燃料ガス循環路を備え、
前記燃料ガス循環路には、前記機器である気液分離器が設けられるとともに、前記気液分離器は、２つの前記加湿機構の間に配設されることを特徴とする燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel gas supply system includes a fuel gas circulation path for circulating the exhaust gas of the fuel gas discharged from the fuel cell stack to the fuel cell stack,
The fuel gas circulation path is provided with a gas-liquid separator as the device, and the gas-liquid separator is disposed between the two humidifying mechanisms. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、２つの前記燃料電池スタックの間には、加圧された酸化剤ガスを流す酸化剤ガス配管が配設されるとともに、
前記酸化剤ガス配管は、２つの前記加湿機構に連結されることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein an oxidant gas pipe for flowing a pressurized oxidant gas is disposed between the two fuel cell stacks,
The fuel cell system, wherein the oxidant gas pipe is connected to the two humidifying mechanisms. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス配管の一部は、前記燃料ガス供給系の少なくとも一部と一体的に構成されることを特徴とする燃料電池システム。

5. The fuel cell system according to claim 4, wherein a part of the oxidant gas pipe is configured integrally with at least a part of the fuel gas supply system.

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