JP2008251204A - Fuel cell device - Google Patents

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Kenichi Katahira
謙一 片平
Koji Mogi
幸治 茂木
Yoshihiro Tamura
義宏 田村
Toshihiko Nonobe
利彦 野々部
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Equos Research Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the mounting performance of a fuel cell device which is high in drainage performance from a fuel passage, and is eliminated in the necessity for inclining the device as a whole when mounting the fuel cell device to a vehicle by inclining the bottom face of the fuel passage formed along the fuel pole of a fuel cell. <P>SOLUTION: In this fuel cell device, fuel cells in each of which an electrolyte layer is held between the fuel electrode and an oxygen electrode are laminated with a first collector forming the fuel gas passage along the fuel electrode, a second collector forming an oxidizer gas passage along the oxygen electrode. and a separator to interrupt fuel gas and oxygen gas held between them. A side at the lower side of the fuel cell is inclined so that the downstream side of the fuel gas passage becomes lower. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell device.

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、直接形メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。   Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. The fuel cell may be an alkaline aqueous solution (AFC), phosphoric acid (PAFC), molten carbonate (MCFC), solid oxide (SOFC), direct methanol (DMFC), etc. Although good, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is common.

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

そして、固体高分子形燃料電池においては、電気化学反応によって生成された水分が、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動するとともに、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。これにより、固体高分子電解質膜の両側は、湿潤な状態に維持される。しかし、水分の量が多くなると、燃料極側において局所的に水素ガス流路が水分によって塞（ふさ）がれてしまい、燃料電池の性能が低下したり、酸素極が劣化したりしてしまうことが知られている。   In the polymer electrolyte fuel cell, moisture generated by the electrochemical reaction moves as proton-entrained water from the fuel electrode side to the oxygen electrode side, and reverses from the oxygen electrode side to the fuel electrode side. Move as diffusion water. Thereby, both sides of the solid polymer electrolyte membrane are maintained in a wet state. However, when the amount of moisture increases, the hydrogen gas flow path is locally blocked by moisture on the fuel electrode side, and the performance of the fuel cell deteriorates or the oxygen electrode deteriorates. It is known.

そこで、反応ガス流路の出口に反応ガス排出管を接続するための反応ガス排出マニホールドの下面に排水流路を接続するとともに、燃料電池装置全体を傾斜させ、水分が反応ガス流路から反応ガス排出マニホールドに流出しやすくして、水分の滞留を防止して電流密度を均一化する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２０７１０６号公報 Therefore, a drainage flow path is connected to the lower surface of the reaction gas discharge manifold for connecting a reaction gas discharge pipe to the outlet of the reaction gas flow path, and the entire fuel cell device is tilted so that moisture is supplied from the reaction gas flow path to the reaction gas. There has been proposed a technique for making the current density uniform by facilitating the outflow to the discharge manifold and preventing the retention of moisture (for example, see Patent Document 1).
JP 2004-207106 A

しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、装置全体を傾斜させなくてはならないので、燃料電池装置を車両に搭載する場合、広い搭載用のスペースを必要とするので、搭載性が低下してしまう。   However, in the conventional fuel cell device, since the entire device must be tilted, when the fuel cell device is mounted on a vehicle, a large space for mounting is required, and the mountability is reduced. .

本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料電池の燃料極に沿って形成される燃料流路の底面を傾斜させることによって、燃料流路からの排水性が高く、燃料電池装置を車両に搭載する場合に装置全体を傾斜させる必要がなく、搭載性の高い燃料電池装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the problems of the conventional fuel cell device, and by tilting the bottom surface of the fuel flow path formed along the fuel electrode of the fuel cell, the drainage from the fuel flow path is high, It is an object of the present invention to provide a fuel cell device having high mountability without requiring the entire device to be inclined when the fuel cell device is mounted on a vehicle.

そのために、本発明の燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成する第１の集電体と、酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成する第２の集電体と、燃料ガスと酸化剤ガスを遮断するセパレータとを挟んで積層された燃料電池装置であって、前記燃料極の下側の辺は、前記燃料ガス流路の下流側が低くなるように傾斜している。   Therefore, in the fuel cell device of the present invention, the fuel cell in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode includes a first current collector that forms a fuel gas flow path along the fuel electrode, and an oxygen A fuel cell device laminated with a second current collector that forms an oxidant gas flow path along an electrode and a separator that cuts off the fuel gas and the oxidant gas, the fuel cell device being under the fuel electrode This side is inclined so that the downstream side of the fuel gas flow path is lowered.

本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料電池の積層方向に貫通して隣接する複数の燃料ガス流路を接続する燃料用貫通孔と、前記燃料ガス流路の下流側に位置する燃料用貫通孔の少なくとも一部の底部に接続された水排出管路とを有する。   In another fuel cell device of the present invention, a fuel through hole connecting a plurality of adjacent fuel gas flow paths penetrating in the stacking direction of the fuel cells and positioned downstream of the fuel gas flow path And a water discharge conduit connected to the bottom of at least a part of the fuel through hole.

本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記第１の集電体は、前記燃料ガス流路の下流側が低くなるように傾斜した溝を備える。   In still another fuel cell device of the present invention, the first current collector further includes a groove that is inclined so that the downstream side of the fuel gas flow path is lowered.

本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料電池を複数積層したセルモジュールを複数有し、燃料ガスの流れる方向は、セルモジュール毎に折り返すように蛇行している。   In still another fuel cell device of the present invention, the fuel cell device further includes a plurality of cell modules in which a plurality of the fuel cells are stacked, and the direction in which the fuel gas flows meanders so as to be folded back for each cell module.

請求項１の構成によれば、燃料流路からの排水性が高く、燃料電池装置を車両に搭載する場合に、装置全体を傾斜させる必要がなく、車両への搭載性を高くすることができる。また、燃料極が水によって覆われることがなく、燃料電池の性能の低下や、酸素極の劣化を防止することができる。   According to the configuration of claim 1, drainage from the fuel flow path is high, and when the fuel cell device is mounted on the vehicle, it is not necessary to incline the entire device, and the mountability on the vehicle can be increased. . Further, the fuel electrode is not covered with water, and it is possible to prevent the performance of the fuel cell from being lowered and the oxygen electrode from being deteriorated.

請求項２の構成によれば、燃料流路から排出されて燃料用貫通孔に流入した水が円滑に排出されるので、燃料流路からの排水性がより高くなる。   According to the second aspect of the present invention, the water discharged from the fuel flow path and flowing into the fuel through hole is smoothly discharged, so that the drainage from the fuel flow path is further improved.

請求項３の構成によれば、燃料流路内における水は、より迅速に、かつ、より円滑に燃料流路から排出される。   According to the configuration of the third aspect, the water in the fuel channel is discharged from the fuel channel more quickly and more smoothly.

請求項４の構成によれば、燃料ガスの流路長を長くしても、燃料流路内における水を確実に排出することができる。   According to the configuration of the fourth aspect, even if the flow path length of the fuel gas is increased, the water in the fuel flow path can be reliably discharged.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図、図３は本発明の第１の実施の形態における単位セル及びセパレータのセットの構成を示す分解図、図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。   FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is an exploded view showing the configuration of the unit cell and separator set according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.

図において、２０は複数の燃料電池セル（ＦＣ）から構成される燃料電池装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池スタック２０と、バッテリ、リチウムイオン電池などの二次電池、キャパシタ等から成る蓄電手段とを併用して使用することが望ましい。   In the figure, 20 is a fuel cell stack as a fuel cell device composed of a plurality of fuel cells (FC), and is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts, luggage carts and the like. The Here, the vehicle is equipped with a large number of auxiliary equipment that consumes electricity, such as lighting devices, radios, and power windows. Since the output range is extremely wide, it is desirable to use the fuel cell stack 20 as a power source in combination with a battery, a secondary battery such as a lithium ion battery, and a power storage means including a capacitor.

そして、燃料電池セルは、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形メタノール等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池であることが望ましい。   The fuel cell may be an alkaline aqueous solution type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, direct type methanol, or the like, but is preferably a solid polymer type fuel cell.

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）形燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。   More preferably, the fuel cell is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell using hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. Here, the PEM type fuel cell is generally a stack in which a plurality of cells (Fuel Cell) in which a catalyst, an electrode and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane that transmits ions such as protons are connected in series. (Stack).

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する酸化剤流路としての空気流路を介し前記酸素極に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. Then, when one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode, and hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the fuel electrode via a fuel flow path in contact with the surface of the fuel electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons. Then, hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode, and air as an oxidant is supplied to the oxygen electrode via an air channel as an oxidant channel in contact with the surface of the oxygen electrode, oxygen in the air, the hydrogen Ions and electrons combine to produce water. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

例えば、本実施の形態においては、一例として、ＰＥＭ形燃料電池であり、例えば、１００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池セルに直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。   For example, in the present embodiment, as an example, a PEM type fuel cell is used, for example, a stack in which 100 cells are connected in series is used. Although hydrogen gas, which is fuel taken out by reforming methanol, gasoline, etc. with a reformer, can be directly supplied to the fuel cell, a sufficient amount of hydrogen can be stably supplied even during high-load operation of the vehicle. It is desirable to supply the hydrogen gas stored in the fuel storage means 73 so that the fuel can be supplied.

ここで、前記燃料貯蔵手段７３は、水素吸蔵合金を格納した容器であることが望ましいが、デカリンのような水素吸蔵液体を格納した容器、水素ガスボンベのように水素ガスを格納した容器等であってもよい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池セルは車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。   Here, the fuel storage means 73 is preferably a container storing a hydrogen storage alloy, but is a container storing a hydrogen storage liquid such as decalin, a container storing hydrogen gas such as a hydrogen gas cylinder, or the like. May be. Thereby, hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell can follow the fluctuation of the load of the vehicle and supply a necessary current.

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図２に示されるように、複数のセルモジュール２１を有する。なお、図２における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール２１は、図３に示されるように、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１２と、該単位セル１２同士を電気的に接続するとともに、単位セル１２に導入される水素ガスが流通する燃料流路と酸化剤としての空気が流通する空気流路とを分離するセパレータ１６とを有し、単位セル１２及びセパレータ１６を１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。セルモジュール２１においては、単位セル１２同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セル１２とセパレータ１６とが、フレーム１７によって周囲を保持された状態で、多段に重ねられて積層されている。   In the present embodiment, the fuel cell stack 20 includes a plurality of cell modules 21 as shown in FIG. In addition, the arrow in FIG. 2 has shown the flow of the hydrogen gas as fuel gas. As shown in FIG. 3, the cell module 21 is configured to electrically connect unit cells (MEA: MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY) 12 as fuel cells and the unit cells 12 to each other and to introduce hydrogen introduced into the unit cells 12. The separator 16 separates the fuel flow path through which the gas flows and the air flow path through which the air as the oxidant flows. The unit cell 12 and the separator 16 are set as one set, and a plurality of sets are stacked in the thickness direction. Configured. In the cell module 21, the unit cells 12 and the separators 16 are stacked in multiple stages with the frame 17 holding the periphery so that the unit cells 12 are arranged with a predetermined gap. Are stacked.

単位セル１２は、電解質層としての固体高分子電解質膜側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極から構成されている。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル１２の空気極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての空気極側コレクタ１４と、単位セル１２の燃料極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての燃料極側コレクタ１５とが、前記単位セル１２と隣接するセパレータ１６との間に配設される。   The unit cell 12 is composed of an air electrode as an oxygen electrode provided on the solid polymer electrolyte membrane side as an electrolyte layer and a fuel electrode provided on the other side. The air electrode and the fuel electrode include an electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst layer formed on the electrode diffusion layer and supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane. Consists of. Further, the air electrode side collector 14 as a current collector for collecting current by contacting the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell 12 and the electrode diffusion layer on the fuel electrode side of the unit cell 12 for collecting current. A fuel electrode side collector 15 as a current collector is disposed between the unit cell 12 and the adjacent separator 16.

前記単位セル１２においては、水が移動する。この場合、燃料極表面に接する燃料流路内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極表面に接する燃料流路内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料極にまで浸透したものである。   In the unit cell 12, water moves. In this case, when a fuel gas, that is, hydrogen gas as an anode gas is supplied into the fuel flow path in contact with the fuel electrode surface, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions are accompanied by proton-entrained water and are solid. Permeates the polymer electrolyte membrane. Further, when the air electrode is used as a cathode electrode and an oxidant, that is, air as a cathode gas is supplied into an air flow path, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The Moisture permeates through the solid polymer electrolyte membrane as back-diffused water and moves into the fuel flow path in contact with the fuel electrode surface. Here, the reverse diffusion water means that water generated in the air flow path diffuses into the solid polymer electrolyte membrane and permeates through the solid polymer electrolyte membrane in the direction opposite to the hydrogen ions to the fuel electrode. It has penetrated.

図２に示される燃料電池スタック２０においては、複数のセルモジュール２１が図における横方向に重ねられて積層され、両側から側端保持部４０によって挟まれている。また、図２に示される例においては、単位セル１２及びセパレータ１６のセットを１０個積層して１つのセルモジュール２１を形成し、該セルモジュール２１を１０個積層して１つの燃料電池スタック２０を形成している。なお、単位セル１２の両側には必ずセパレータ１６が配設されるようになっているので、１つのセルモジュール２１におけるセパレータ１６の数は１１枚である。   In the fuel cell stack 20 shown in FIG. 2, a plurality of cell modules 21 are stacked so as to be stacked in the horizontal direction in the figure, and are sandwiched by side end holding portions 40 from both sides. In the example shown in FIG. 2, ten sets of unit cells 12 and separators 16 are stacked to form one cell module 21, and ten cell modules 21 are stacked to form one fuel cell stack 20. Is forming. Since the separators 16 are always provided on both sides of the unit cell 12, the number of separators 16 in one cell module 21 is eleven.

また、各フレーム１７及びセパレータ１６の長手方向両側には、上下方向に延在するスリット状の燃料ガス流路として機能する燃料用貫通孔３５が形成されている。そして、単位セル１２及びセパレータ１６を積層してセルモジュール２１を形成した状態で、各フレーム１７及びセパレータ１６の燃料用貫通孔３５は相互に接続され、セルモジュール２１を厚さ方向に貫通する。   In addition, fuel through-holes 35 functioning as slit-like fuel gas passages extending in the vertical direction are formed on both longitudinal sides of each frame 17 and separator 16. Then, in a state where the unit cell 12 and the separator 16 are stacked to form the cell module 21, the fuel through holes 35 of the frames 17 and the separator 16 are connected to each other and penetrate the cell module 21 in the thickness direction.

燃料電池スタック２０は、全体として扁（へん）平な直方体状の形状を有し、内部における空気の流れは、図２における上下方向としての重力方向であり、上から下に直線状になっている。また、水素ガスの流れは、重力方向とほぼ直交する水平方向であり、図２において矢印Ａで示されるように、各セルモジュール２１において互いに平行に、左側の燃料用貫通孔３５から右側の燃料用貫通孔３５に向けた流れになっている。   The fuel cell stack 20 has a generally flat rectangular parallelepiped shape, and the air flow in the fuel cell stack 20 is the gravity direction as the vertical direction in FIG. 2 and is linear from top to bottom. Yes. Further, the flow of hydrogen gas is in a horizontal direction substantially perpendicular to the direction of gravity, and as shown by an arrow A in FIG. 2, in parallel to each other in each cell module 21, the fuel on the right side from the left fuel through hole 35. The flow is directed toward the through-hole 35 for use.

図２に示される例においては、手前側の側端保持部４０の左端近傍に開口する燃料用貫通孔３５としての後述される導入側燃料用貫通孔３５ａに水素ガスを供給する第２燃料供給管路３３が接続され、ここから燃料電池スタック２０内に水素ガスが導入される。また、奥側の側端保持部４０の右端近傍に開口する燃料用貫通孔３５としての図２には示されていないが後述される排出側燃料用貫通孔３５ｂに水素ガスを排出する第１燃料排出管路３１が接続され、ここから水素ガスが排出される。   In the example shown in FIG. 2, a second fuel supply that supplies hydrogen gas to an introduction-side fuel through hole 35 a, which will be described later, as a fuel through-hole 35 that opens near the left end of the front-side side end holding portion 40. A pipe 33 is connected, and hydrogen gas is introduced into the fuel cell stack 20 from here. Further, although not shown in FIG. 2 as the fuel through hole 35 opened near the right end of the rear side end holding portion 40, the first gas gas is discharged to the discharge side fuel through hole 35b described later. A fuel discharge line 31 is connected, from which hydrogen gas is discharged.

そして、前記排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部の適所には図示されない水排出開口が形成され、該水排出開口に水排出管路としてのドレイン管３８が接続されている。図示される例においては、各セルモジュール２１に１個ずつ水排出開口が形成され、該水排出開口の各々にドレイン枝管３８ａが接続されているが、水排出開口を形成する位置、間隔、数等については、適宜変更することができる。また、ドレイン管３８は、１本のドレイン集合管３８ｂに集合され、該ドレイン集合管３８ｂから燃料電池スタック２０の外に水が排出される。なお、ドレイン集合管３８ｂは、前記第１燃料排出管路３１の途中に接続されていることが望ましい。また、ドレイン集合管３８ｂの途中には水排出制御開閉弁３９が配設されている。   A water discharge opening (not shown) is formed at an appropriate position at the bottom of the discharge-side fuel through hole 35b, and a drain pipe 38 serving as a water discharge conduit is connected to the water discharge opening. In the illustrated example, one water discharge opening is formed in each cell module 21, and a drain branch pipe 38a is connected to each of the water discharge openings. The number and the like can be changed as appropriate. Further, the drain pipe 38 is collected in one drain collecting pipe 38b, and water is discharged out of the fuel cell stack 20 from the drain collecting pipe 38b. The drain collecting pipe 38b is preferably connected in the middle of the first fuel discharge pipe 31. A water discharge control opening / closing valve 39 is disposed in the middle of the drain collecting pipe 38b.

本実施の形態において、燃料電池システムは、図４に示されるように、燃料電池スタック２０に水素ガスを供給するためのシステムを有する。水素ガスは、燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路３２、及び、該第１燃料供給管路３２に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路３２には、水素供給電磁弁としての燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、前記燃料流路内の圧力を検出する圧力検出手段としての圧力センサ７８が配設される。なお、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、前記燃料貯蔵手段７３は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。   In the present embodiment, the fuel cell system has a system for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 20, as shown in FIG. The hydrogen gas is supplied from the fuel storage means 73 to a first fuel supply line 32 as a fuel supply line, and a second fuel supply line as a fuel supply line connected to the first fuel supply line 32. Through 33, the fuel gas is supplied to the inlet of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20. The first fuel supply pipe 32 is provided with a fuel supply electromagnetic valve 26 as a hydrogen supply electromagnetic valve. The second fuel supply pipe 33 is provided with a pressure sensor 78 as pressure detecting means for detecting the pressure in the fuel flow path. The fuel storage means 73 has a sufficiently large capacity and always has a capability of supplying hydrogen gas at a sufficiently high pressure. In addition, the said fuel storage means 73 may be single, may be plural, and may be any number in the case of plural.

そして、燃料電池スタック２０の燃料流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路としての第１燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記第１燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路としての第２燃料排出管路３０が接続され、該第２燃料排出管路３０には水素循環ポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０には水素循環切り替え電磁弁としての水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。   The hydrogen gas discharged as an unreacted component from the outlet of the fuel flow path of the fuel cell stack 20 is discharged to the outside of the fuel cell stack 20 through the first fuel discharge pipe 31 serving as a fuel discharge pipe. . The first fuel discharge pipe 31 is provided with a water recovery drain tank 60 as a recovery container. The water recovery drain tank 60 is connected with a second fuel discharge pipe 30 as a fuel discharge pipe for discharging water and separated hydrogen gas, and the second fuel discharge pipe 30 has a hydrogen circulation line. A suction circulation pump 36 as a pump is provided. Further, a hydrogen circulation electromagnetic valve 34 as a hydrogen circulation switching electromagnetic valve is disposed in the second fuel discharge pipe 30. The end of the second fuel discharge line 30 opposite to the water recovery drain tank 60 is connected to the second fuel supply line 33. Thereby, the hydrogen gas led out of the fuel cell stack 20 can be recovered and supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 for reuse.

なお、前記水回収ドレインタンク６０は、燃料電池システムの運転を停止する際に燃料ガス流路から排出された水素ガスを収容するための吸引タンクとしても機能する。そのため、前記水回収ドレインタンク６０の容量は、置換ガスとしての空気を燃料ガス流路内へ導入して燃料ガスとしての水素ガスのパージを行うと、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内に残留していた水素ガスが急速に水回収ドレインタンク６０内に追いやられ、前記燃料ガス流路内に残留しない状態となるのに十分な大きさとなるように設定されている。すなわち、燃料電池スタック２０に空気が導入される時点において、前記燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している水素ガスが急速に水回収ドレインタンク６０内に移動し、燃料電池スタック２０内において導入された空気中の酸素と混合状態になることがないようにするために、水回収ドレインタンク６０は十分に大きな容量を有するものである。   The water recovery drain tank 60 also functions as a suction tank for storing hydrogen gas discharged from the fuel gas passage when the operation of the fuel cell system is stopped. Therefore, the capacity of the water recovery drain tank 60 is such that when air as a replacement gas is introduced into the fuel gas flow path and hydrogen gas as the fuel gas is purged, the capacity of the water recovery drain tank 60 is increased. The remaining hydrogen gas is rapidly driven into the water recovery drain tank 60, and is set so as to be large enough not to remain in the fuel gas flow path. That is, even when the air is introduced into the fuel cell stack 20, the hydrogen gas remaining in the fuel gas flow path is rapidly removed even if the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is not evacuated. The water recovery drain tank 60 has a sufficiently large capacity so that it does not move into the water recovery drain tank 60 and become mixed with oxygen in the air introduced in the fuel cell stack 20. Is.

また、前記第２燃料排出管路３０における吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間には、燃料排出管路としての第３燃料排出管路５６が接続され、該第３燃料排出管路５６には水素排気電磁弁としての水素起動停止電磁弁５６ａが配設されている。これにより、燃料電池スタック２０の運転終了時に水素ガスを排出することができる。   Further, a third fuel discharge pipe 56 as a fuel discharge pipe is connected between the suction circulation pump 36 and the hydrogen circulation solenoid valve 34 in the second fuel discharge pipe 30, and the third fuel discharge pipe The passage 56 is provided with a hydrogen start / stop solenoid valve 56a as a hydrogen exhaust solenoid valve. Thereby, hydrogen gas can be discharged at the end of the operation of the fuel cell stack 20.

さらに、前記第２燃料供給管路３３には、パージ手段としての外気導入管路２８が接続されている。そして、該外気導入管路２８には、空気導入用電磁弁としての外気導入用電磁弁２８ａ及びエアフィルタ２８ｂが配設され、燃料電池スタック２０の運転終了時に置換ガスとしての外気を燃料ガス流路に導入して燃料ガスとしての水素ガスのパージを行うことができるようになっている。   Further, the second fuel supply line 33 is connected to an outside air introduction line 28 as a purge means. The outside air introduction conduit 28 is provided with an outside air introduction solenoid valve 28a and an air filter 28b as air introduction solenoid valves, and the outside air as a replacement gas flows into the fuel gas flow when the operation of the fuel cell stack 20 ends. It can introduce | transduce into a path | route and can purge the hydrogen gas as fuel gas.

ここで、前記燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４及び水素起動停止電磁弁５６ａは、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記エアフィルタ２８ｂは、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物、有害ガス等を除去する。   Here, the fuel supply solenoid valve 26, the outside air introduction solenoid valve 28a, the hydrogen circulation solenoid valve 34, and the hydrogen start / stop solenoid valve 56a are so-called on-off type, such as an electric motor, a pulse motor, and an electromagnet. Actuated by an actuator consisting of Further, the suction circulation pump 36 may be of any type as long as it can forcibly discharge the reverse diffusion water together with the hydrogen gas and can bring the inside of the fuel gas passage into a negative pressure state. Good. The air filter 28b removes dust, impurities, harmful gases and the like contained in the air.

一方、酸化剤としての空気は、図示されない空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源から、吸気マニホールド等を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、図示されない排気マニホールド、凝縮器等を通って大気中へ排出される。   On the other hand, air as an oxidant is supplied to an air flow path of the fuel cell stack 20 from an oxidant supply source such as an air supply fan, an air cylinder, and an air tank (not shown) through an intake manifold and the like. Note that oxygen can be used as the oxidizing agent instead of air. And the air discharged | emitted from an air flow path is discharged | emitted in air | atmosphere through an exhaust manifold, a condenser, etc. which are not shown in figure.

また、前記吸気マニホールドには、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の酸素極（カソード極）を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルが配設される。また、スプレーされた水によって前記酸素極及び燃料極を冷却することができる。さらに、前記凝縮器は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器によって凝縮された水は図示されない水タンクに回収され、水供給ノズルに供給される。   The intake manifold is provided with a water supply nozzle for spraying water to maintain the oxygen electrode (cathode electrode) of the fuel cell stack 20 in a wet state. Further, the oxygen electrode and the fuel electrode can be cooled by the sprayed water. Further, the condenser is for condensing and removing moisture contained in the air discharged from the fuel cell stack 20, and the water condensed by the condenser is collected in a water tank (not shown) Supplied to the supply nozzle.

そして、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。   The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are common. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.

また、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。   The fuel cell stack 20 is connected to a load (not shown) and supplies the generated current to the load. Here, the load is generally an inverter device that is a drive control device, and converts a direct current from the fuel cell stack 20 or the power storage means into an alternating current to rotate a vehicle wheel. To supply. Here, the drive motor also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current when the vehicle is decelerated. In this case, since the drive motor is rotated by the wheel to generate electric power, the wheel is braked, that is, functions as a vehicle braking device (brake). Then, the regenerative current is supplied to the power storage means, and the power storage means is charged.

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源、燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、水排出制御開閉弁３９、水素起動停止電磁弁５６ａ等の動作を制御する。なお、前記制御手段は、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路への水素ガスの供給を停止してからの経過時間を計測するためのタイマーも備える。そして、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック２０に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。   In the present embodiment, the fuel cell system has control means (not shown). The control means includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a magnetic disk and semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and is supplied from various sensors to the fuel flow path and the air flow path of the fuel cell stack 20. By detecting the flow rate, temperature, output voltage, etc. of hydrogen, oxygen, air, etc., the oxidant supply source, fuel supply solenoid valve 26, outside air introduction solenoid valve 28a, hydrogen circulation solenoid valve 34, suction circulation pump 36, water The operation of the discharge control on / off valve 39, the hydrogen start / stop electromagnetic valve 56a, and the like are controlled. The control means also includes a timer for measuring the elapsed time since the supply of hydrogen gas to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 20 is stopped. And the said control means controls the operation | movement of all the apparatuses which supply a fuel and an oxidizing agent to the fuel cell stack 20 in cooperation with another sensor and another control apparatus.

次に、前記燃料電池スタック２０における燃料流路の構成について詳細に説明する。   Next, the configuration of the fuel flow path in the fuel cell stack 20 will be described in detail.

図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料流路の構成を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料極側コレクタの構成を示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the fuel flow path of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is the configuration of the fuel electrode side collector of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. FIG.

図１には、フレーム１７に保持された単位セル１２における燃料流路側の面、すなわち、燃料極が示されている。本実施の形態において、単位セル１２における燃料極の形状は、台形であって、左右両側の上下方向に延在する辺が互いに平行で、上側の辺が水平で、下側の辺が傾斜している台形となっている。なお、前記上側の辺は燃料流路の上面に一致し、下側の辺は燃料流路の底面１８に一致する。   FIG. 1 shows the fuel flow path side surface of the unit cell 12 held by the frame 17, that is, the fuel electrode. In the present embodiment, the shape of the fuel electrode in the unit cell 12 is trapezoidal, the sides extending in the vertical direction on both the left and right sides are parallel to each other, the upper side is horizontal, and the lower side is inclined. It has become a trapezoid. The upper side coincides with the upper surface of the fuel flow path, and the lower side coincides with the bottom face 18 of the fuel flow path.

そして、水素ガスは、前記燃料流路内を図１における左から右に向けて流通する。したがって、前記燃料流路は、下流に行くほど底面１８が低くなり、かつ、断面積が広くなる。また、燃料流路に水素ガスを導入する導入側燃料用貫通孔３５ａの上下方向の寸法は、燃料流路の左側の辺の上下寸法に対応し、燃料流路から水素ガスを排出する排出側燃料用貫通孔３５ｂの上下方向の寸法は、燃料流路の右側の辺の上下寸法に対応する。その結果、導入側燃料用貫通孔３５ａの上下方向の寸法は、排出側燃料用貫通孔３５ｂの上下方向の寸法よりも小さくなっている。   And hydrogen gas distribute | circulates the inside of the said fuel flow path toward the right from the left in FIG. Therefore, as the fuel flow path goes downstream, the bottom surface 18 becomes lower and the cross-sectional area becomes larger. The vertical dimension of the introduction side fuel through hole 35a for introducing hydrogen gas into the fuel flow path corresponds to the vertical dimension of the left side of the fuel flow path, and the discharge side for discharging hydrogen gas from the fuel flow path. The vertical dimension of the fuel through-hole 35b corresponds to the vertical dimension of the right side of the fuel flow path. As a result, the vertical dimension of the introduction side fuel through hole 35a is smaller than the vertical dimension of the discharge side fuel through hole 35b.

また、「背景技術」でも説明したように、燃料流路内の水素ガスには、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動した水分が含まれており、該水分は、分圧が高くなると凝縮して凝縮水、すなわち、液相の水となる。そして、該水は、自重によって燃料流路を落下して底面１８に到達すると、矢印Ｂで示されるように、傾斜している底面１８に沿って右斜め下に向けて流れ、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。前記底面１８が傾斜しているので、燃料流路内における水素ガスの流れの流速が低くても、水は、自重によって底面１８に沿って右斜め下に向けて流れるので、燃料流路内に滞留することなく、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。   In addition, as described in “Background Art”, the hydrogen gas in the fuel flow path contains moisture that has moved as back-diffused water from the oxygen electrode side toward the fuel electrode side. When the pressure increases, it condenses and becomes condensed water, that is, liquid phase water. Then, when the water falls by the dead weight and reaches the bottom surface 18, as shown by an arrow B, the water flows toward the lower right along the inclined bottom surface 18, and is for the discharge side fuel. It flows into the through hole 35b. Since the bottom surface 18 is inclined, even if the flow rate of the hydrogen gas in the fuel flow path is low, water flows toward the lower right along the bottom surface 18 by its own weight. It flows into the discharge side fuel through hole 35b without staying.

さらに、本実施の形態においては、燃料流路内における水の流れをより円滑にするために、図５に示されるように、燃料極側コレクタ１５に形成された溝１５ｂも、前記底面１８と同様に、傾斜している。なお、燃料極側コレクタ１５は、単位セル１２における燃料流路側の面と同様の形状を備え、下側の辺１５ａは燃料流路の底面１８に一致する。すなわち、下側の辺１５ａは、前記底面１８と同様に傾斜し、前記溝１５ｂと平行になっている。   Furthermore, in the present embodiment, in order to make the flow of water in the fuel flow path smoother, as shown in FIG. 5, the groove 15 b formed in the fuel electrode side collector 15 is also formed with the bottom surface 18. Similarly, it is inclined. The fuel electrode side collector 15 has the same shape as the surface of the unit cell 12 on the fuel flow path side, and the lower side 15a coincides with the bottom surface 18 of the fuel flow path. That is, the lower side 15a is inclined in the same manner as the bottom surface 18, and is parallel to the groove 15b.

このように、溝１５ｂが傾斜しているので、燃料流路内の水は、底面１８にまで落下しなくても、溝１５ｂに到達すると、該溝１５ｂに沿って右斜め下に向けて流れ、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。そのため、燃料流路内における水は、より迅速に、かつ、より円滑に燃料流路から排出される。   As described above, since the groove 15b is inclined, the water in the fuel flow path flows toward the lower right along the groove 15b when it reaches the groove 15b without falling to the bottom surface 18. Then, it flows into the discharge-side fuel through hole 35b. Therefore, the water in the fuel channel is discharged from the fuel channel more quickly and smoothly.

また、前記溝１５ｂは、燃料流路内における水素ガスの流れをガイドする機能も有するので、燃料流路内において水素ガスが流れる場合、水素ガスは溝１５ｂ及び底面１８に沿って右斜め下に向けて流れることとなる。そのため、燃料流路内における水は、水素ガスの流れによっても溝１５ｂ及び底面１８に沿って右斜め下に向けて流れることとなり、更に迅速に、かつ、更に円滑に燃料流路から排出される。   Further, since the groove 15b also has a function of guiding the flow of hydrogen gas in the fuel flow path, when the hydrogen gas flows in the fuel flow path, the hydrogen gas is inclined diagonally to the right along the groove 15b and the bottom surface 18. Will flow towards. For this reason, the water in the fuel flow path flows toward the lower right along the groove 15b and the bottom surface 18 by the flow of hydrogen gas, and is discharged from the fuel flow path more quickly and smoothly. .

なお、燃料流路内において凝縮する水分の量が多いと、燃料流路が局所的に水によって塞がれてしまうことがある。すると、単位セル１２の性能が低下したり、単位セル１２の燃料極が劣化したりしてしまう。   Note that if the amount of moisture condensed in the fuel flow path is large, the fuel flow path may be locally blocked by water. Then, the performance of the unit cell 12 is deteriorated, or the fuel electrode of the unit cell 12 is deteriorated.

そこで、燃料電池システムの定常運転時に、所定のタイミングで水素ガスの排出処理を実行し、吸引循環ポンプ３６を作動させて燃料流路内の水素ガスを吸引して燃料電池スタック２０から排出することによって、燃料流路内の水素ガスの流速を高くして、燃料流路内に滞留した水を吹き飛ばして排出することが望ましい。これにより、燃料極が水によって覆われることがなく、単位セル１２の性能の低下や、酸素極の劣化を防止することができる。前記排出処理は、所定の周期毎に実行されるようにしてもよいし、所定の運転時間毎に実行されるようにしてもよいし、車両の走行距離が所定の値となる毎に実行されるようにしてもよいし、走行中にセルの電圧変化等により水の滞留が検出されたときに随時実行されるようにしてもよい。   Therefore, during steady operation of the fuel cell system, hydrogen gas is discharged at a predetermined timing, and the suction circulation pump 36 is operated to suck the hydrogen gas in the fuel flow path and discharge it from the fuel cell stack 20. Therefore, it is desirable to increase the flow rate of the hydrogen gas in the fuel flow path, and to blow off and discharge the water remaining in the fuel flow path. Thereby, a fuel electrode is not covered with water, and the fall of the performance of the unit cell 12 and the deterioration of an oxygen electrode can be prevented. The discharge process may be executed every predetermined cycle, may be executed every predetermined driving time, or executed every time the travel distance of the vehicle reaches a predetermined value. Alternatively, it may be executed at any time when water retention is detected due to a change in cell voltage or the like during traveling.

また、燃料電池システムの運転を停止させる場合にも、燃料流路内の水素ガスを吸引循環ポンプ３６によって吸引して大気中に排出する際に、燃料流路内の水素ガスの流速が高くなり、燃料流路内に滞留した水を吹き飛ばして排出する。これにより、燃料極が水分によって覆われることがなく、単位セル１２の性能の低下や、酸素極の劣化を防止することができる。   Even when the operation of the fuel cell system is stopped, the flow rate of the hydrogen gas in the fuel channel increases when the hydrogen gas in the fuel channel is sucked by the suction circulation pump 36 and discharged into the atmosphere. The water staying in the fuel flow path is blown off and discharged. As a result, the fuel electrode is not covered with moisture, and the performance of the unit cell 12 can be prevented from deteriorating and the oxygen electrode can be prevented from deteriorating.

なお、燃料流路から排出された水は、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。そこで、本実施の形態においては、図２に示されるように、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部にドレイン管３８が接続されている。そのため、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入した水は、水素ガスの第１燃料排出管路３１への流れを妨げることなく、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部からドレイン管３８を通って排出される。なお、該ドレイン管３８から水を排出する場合、水排出制御開閉弁３９は開いた状態にさせられる。また、ドレイン集合管３８ｂが第１燃料排出管路３１の途中に接続されている場合、ドレイン管３８に流入した水分は、第１燃料排出管路３１に流入し、該第１燃料排出管路３１内を流れる水素ガスとともに、燃料電池スタック２０外に排出される。   The water discharged from the fuel flow path flows into the discharge side fuel through hole 35b. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, a drain pipe 38 is connected to the bottom of the exhaust side fuel through hole 35b. Therefore, the water flowing into the discharge side fuel through hole 35b is discharged from the bottom of the discharge side fuel through hole 35b through the drain pipe 38 without hindering the flow of hydrogen gas to the first fuel discharge pipe 31. Is done. When water is discharged from the drain pipe 38, the water discharge control on / off valve 39 is opened. When the drain collecting pipe 38b is connected in the middle of the first fuel discharge pipe 31, the water flowing into the drain pipe 38 flows into the first fuel discharge pipe 31, and the first fuel discharge pipe 31 Together with the hydrogen gas flowing through the fuel cell 31, the fuel cell stack 20 is discharged.

このように、本実施の形態においては、燃料流路の底面１８が傾斜しているので、燃料電池スタック２０を水平に設置しても、すなわち、燃料流路の上面が水平となるようにしても、燃料流路内の水は、底面１８に沿って斜め下に向けて流れ、燃料流路内に滞留することなく、燃料流路から迅速に、かつ、円滑に排出されて排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。そのため、燃料流路からの排水性が高く、燃料極が水によって覆われることがなく、単位セル１２の性能の低下や、燃料極の劣化を防止することができる。   Thus, in the present embodiment, since the bottom surface 18 of the fuel flow path is inclined, even if the fuel cell stack 20 is installed horizontally, that is, so that the top surface of the fuel flow path is horizontal. However, the water in the fuel flow path flows obliquely downward along the bottom surface 18 and is quickly and smoothly discharged from the fuel flow path without staying in the fuel flow path. It flows into the through hole 35b. Therefore, drainage from the fuel flow path is high, the fuel electrode is not covered with water, and the performance of the unit cell 12 can be prevented from deteriorating and the fuel electrode can be prevented from deteriorating.

特に、起動又は停止時における異常電位の発生を効果的に防止することができ、触媒層の劣化を防止することができる。また、燃料電池スタック２０を車両に搭載する場合に燃料電池スタック２０全体を傾斜させる必要がないので、広いスペースが不要となり、搭載性が高くなる。   In particular, it is possible to effectively prevent the occurrence of an abnormal potential at the time of starting or stopping, and to prevent deterioration of the catalyst layer. In addition, when the fuel cell stack 20 is mounted on a vehicle, it is not necessary to incline the entire fuel cell stack 20, so that a large space is not required and the mountability is improved.

なお、単位セル１２の燃料極の形状を台形としているので、燃料極の形状を長方形とした場合よりも、燃料極の面積がわずかながら減少するが、台形としたことによって削減された部分は、燃料極における最下端に位置し、水が溜まりやすく、発電にあまり寄与しないだけでなく、劣化を引き起こしやすい部分であるので、面積が減少しても、当該部分を削減する方がむしろ望ましい。   In addition, since the shape of the fuel electrode of the unit cell 12 is a trapezoid, the area of the fuel electrode is slightly reduced compared to the case where the shape of the fuel electrode is a rectangle, but the portion reduced by the trapezoid is as follows: It is located at the lowermost end of the fuel electrode, and it is a part that not only contributes to power generation but also tends to cause deterioration. Therefore, even if the area is reduced, it is preferable to reduce the part.

さらに、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部にドレイン管３８が接続されているので、燃料流路から排出されて排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入した水は、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部からドレイン管３８を通って円滑に排出される。そのため、燃料流路からの排水性がより高くなる。   Further, since the drain pipe 38 is connected to the bottom of the discharge-side fuel through hole 35b, the water discharged from the fuel flow path and flowing into the discharge-side fuel through-hole 35b passes through the discharge-side fuel through-hole 35b. It is smoothly discharged from the bottom through the drain pipe 38. Therefore, the drainage from the fuel flow path becomes higher.

さらに、燃料極側コレクタ１５に形成された溝１５ｂが傾斜して底面１８と平行になっているので、燃料流路内における水は、より迅速に、かつ、より円滑に燃料流路から排出される。   Furthermore, since the groove 15b formed in the fuel electrode side collector 15 is inclined and parallel to the bottom surface 18, water in the fuel flow path is discharged from the fuel flow path more quickly and smoothly. The

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. The description of the same operation and the same effect as those of the first embodiment is also omitted.

図６は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図、図７は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの燃料流路の構成を示す図である。なお、図７（ａ）は奇数番目のセルモジュールにおける燃料流路の構成を示し、図７（ｂ）は偶数番目のセルモジュールにおける燃料流路の構成を示している。   FIG. 6 is a perspective view showing the configuration of the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the fuel flow path of the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention. . FIG. 7A shows the configuration of the fuel flow paths in the odd-numbered cell modules, and FIG. 7B shows the configuration of the fuel flow paths in the even-numbered cell modules.

本実施の形態においては、水素ガスの流れが、図６における矢印Ｃで示されるように、水平面内においてセルモジュール２１毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇行状になっている。図６に示される例において、燃料電池スタック２０は、第１番目セルモジュール２１−１〜第４番目セルモジュール２１−４の４つのセルモジュール２１を含んでいる。この場合、奇数番目のセルモジュール２１、すなわち、第１番目セルモジュール２１−１及び第３番目セルモジュール２１−３における水素ガスの流れは左から右に向いたものとなっており、偶数番目のセルモジュール２１、すなわち、第２番目セルモジュール２１−２及び第４番目セルモジュール２１−４における水素ガスの流れは右から左に向いたものとなっている。   In the present embodiment, as indicated by an arrow C in FIG. 6, the flow of hydrogen gas is in a serpentine shape that folds for each cell module 21 in a horizontal plane, that is, in a meandering shape. In the example shown in FIG. 6, the fuel cell stack 20 includes four cell modules 21, a first cell module 21-1 to a fourth cell module 21-4. In this case, the flow of hydrogen gas in the odd-numbered cell modules 21, that is, the first cell module 21-1 and the third cell module 21-3 is directed from the left to the right. The flow of hydrogen gas in the cell module 21, that is, the second cell module 21-2 and the fourth cell module 21-4 is from right to left.

そのため、図７（ａ）に示されるように、奇数番目のセルモジュール２１の単位セル１２における燃料極の形状は、下側の辺が右斜め下に向けて傾斜している台形であり、燃料流路の底面１８も右斜め下に向けて傾斜している。一方、図７（ｂ）に示されるように、偶数番目のセルモジュール２１の単位セル１２における燃料極の形状は、下側の辺が左斜め下に向けて傾斜している台形であり、燃料流路の底面１８も左斜め下に向けて傾斜している。   Therefore, as shown in FIG. 7A, the shape of the fuel electrode in the unit cell 12 of the odd-numbered cell module 21 is a trapezoid whose lower side is inclined to the lower right. The bottom surface 18 of the flow path is also inclined downward and to the right. On the other hand, as shown in FIG. 7 (b), the shape of the fuel electrode in the unit cell 12 of the even-numbered cell module 21 is a trapezoid whose lower side is inclined obliquely downward to the left. The bottom surface 18 of the flow path is also inclined to the lower left.

なお、本実施の形態において、導入側燃料用貫通孔３５ａの上下方向の寸法と、排出側燃料用貫通孔３５ｂの上下方向の寸法とは等しくなっている。また、奇数番目のセルモジュール２１においては、導入側燃料用貫通孔３５ａが左側に位置し、排出側燃料用貫通孔３５ｂが右側に位置しているが、偶数番目のセルモジュール２１においては、導入側燃料用貫通孔３５ａが右側に位置し、排出側燃料用貫通孔３５ｂが左側に位置している。   In the present embodiment, the vertical dimension of the introduction-side fuel through hole 35a is equal to the vertical dimension of the discharge-side fuel through hole 35b. Further, in the odd-numbered cell module 21, the introduction side fuel through hole 35a is located on the left side, and the discharge side fuel through hole 35b is located on the right side. The side fuel through hole 35a is located on the right side, and the discharge side fuel through hole 35b is located on the left side.

そして、奇数番目のセルモジュール２１の燃料流路内において凝縮した水は、自重によって燃料流路を落下して底面１８に到達すると、矢印Ｄで示されるように、傾斜している底面１８に沿って右斜め下に向けて流れ、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。前記底面１８が傾斜しているので、燃料流路内における水素ガスの流れの流速が低くても、水は、自重によって底面１８に沿って右斜め下に向けて流れるので、燃料流路内に滞留することなく、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。   The water condensed in the fuel flow paths of the odd-numbered cell modules 21 falls along the inclined bottom surface 18 as indicated by an arrow D when the water flow drops by its own weight and reaches the bottom surface 18. Then, it flows toward the lower right and flows into the exhaust-side fuel through hole 35b. Since the bottom surface 18 is inclined, even if the flow rate of the hydrogen gas in the fuel flow path is low, water flows toward the lower right along the bottom surface 18 by its own weight. It flows into the discharge side fuel through hole 35b without staying.

また、偶数番目のセルモジュール２１の燃料流路内において凝縮した水は、自重によって燃料流路を落下して底面１８に到達すると、矢印Ｅで示されるように、傾斜している底面１８に沿って左斜め下に向けて流れ、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。前記底面１８が傾斜しているので、燃料流路内における水素ガスの流れの流速が低くても、水は、自重によって底面１８に沿って左斜め下に向けて流れるので、燃料流路内に滞留することなく、排出側燃料用貫通孔３５ｂに流入する。   Further, when the water condensed in the fuel flow paths of the even-numbered cell modules 21 falls down the fuel flow path by its own weight and reaches the bottom surface 18, as shown by an arrow E, along the inclined bottom surface 18. Then, it flows toward the lower left and flows into the exhaust side fuel through hole 35b. Since the bottom surface 18 is inclined, even if the flow rate of hydrogen gas in the fuel flow path is low, water flows toward the lower left along the bottom surface 18 by its own weight. It flows into the discharge side fuel through hole 35b without staying.

さらに、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様に、燃料流路内における水の流れをより円滑にするために、燃料極側コレクタ１５に形成された溝１５ｂは、前記底面１８と同様に、傾斜している。すなわち、奇数番目のセルモジュール２１における燃料極側コレクタ１５は、図７（ａ）に示されるような単位セル１２の燃料流路側の面と同様の形状を備え、下側の辺１５ａが底面１８と同様に右斜め下に向けて傾斜し、溝１５ｂも底面１８と平行に、右斜め下に向けて傾斜している。   Further, in the present embodiment, as in the first embodiment, in order to make the flow of water in the fuel flow path smoother, the groove 15b formed in the fuel electrode side collector 15 is Like the bottom surface 18, it is inclined. That is, the fuel electrode side collector 15 in the odd-numbered cell module 21 has the same shape as the surface on the fuel flow path of the unit cell 12 as shown in FIG. 7A, and the lower side 15a is the bottom surface 18. Similarly, the groove 15b is inclined to the lower right, and the groove 15b is also inclined to the lower right in parallel with the bottom surface 18.

また、偶数番目のセルモジュール２１における燃料極側コレクタ１５は、図７（ｂ）に示されるような単位セル１２の燃料流路側の面と同様の形状を備え、下側の辺１５ａが底面１８と同様に左斜め下に向けて傾斜し、溝１５ｂも底面１８と平行に、左斜め下に向けて傾斜している。   The fuel electrode side collector 15 in the even-numbered cell module 21 has the same shape as the surface on the fuel flow path of the unit cell 12 as shown in FIG. 7B, and the lower side 15a is the bottom surface 18. Similarly, the groove 15b is inclined diagonally to the left, and the groove 15b is inclined parallel to the bottom surface 18 and diagonally downward to the left.

そして、排出側燃料用貫通孔３５ｂの底部の適所には図示されない水排出開口が形成され、該水排出開口にドレイン管３８が接続されている。図６に示される例においては、各セルモジュール２１に１個ずつ水排出開口が形成され、該水排出開口の各々にドレイン枝管３８ａが接続されている。この場合、奇数番目のセルモジュール２１における排出側燃料用貫通孔３５ｂが右側に位置し、偶数番目のセルモジュール２１における排出側燃料用貫通孔３５ｂが左側に位置しているので、ドレイン管３８は左右に各々配設されている。なお、図６においては、第１番目セルモジュール２１−１及び第３番目セルモジュール２１−３における排出側燃料用貫通孔３５ｂに接続された右側のドレイン管３８のみが描画され、第２番目セルモジュール２１−２及び第４番目セルモジュール２１−４における排出側燃料用貫通孔３５ｂに接続された左側のドレイン管３８は、燃料電池スタック２０の陰に隠れているので、描画されていない。そして、左右のドレイン管３８は、各々を連結する連結管３８ｃを介して、ドレイン集合管３８ｂに接続されている。   A water discharge opening (not shown) is formed at an appropriate position at the bottom of the discharge-side fuel through hole 35b, and a drain pipe 38 is connected to the water discharge opening. In the example shown in FIG. 6, one water discharge opening is formed in each cell module 21, and a drain branch pipe 38a is connected to each of the water discharge openings. In this case, the drain side fuel through hole 35b in the odd-numbered cell module 21 is located on the right side, and the drain side fuel through hole 35b in the even numbered cell module 21 is located on the left side. They are arranged on the left and right respectively. In FIG. 6, only the right drain pipe 38 connected to the discharge side fuel through hole 35b in the first cell module 21-1 and the third cell module 21-3 is drawn, and the second cell is drawn. The left drain pipe 38 connected to the discharge side fuel through hole 35b in the module 21-2 and the fourth cell module 21-4 is hidden behind the fuel cell stack 20, and is not drawn. The left and right drain pipes 38 are connected to a drain collecting pipe 38b via a connecting pipe 38c that connects the drain pipes 38 to each other.

なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。   Since the configuration and operation of other points are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

このように、本実施の形態においては、奇数番目のセルモジュール２１における燃料流路の底面１８の傾斜する方向と、偶数番目のセルモジュール２１における燃料流路の底面１８の傾斜する方向とが互いに逆になっている。そのため、燃料電池スタック２０における水素ガスの流れを蛇行状にすることができ、水素ガスの流路長を長く設定することができる。   Thus, in the present embodiment, the direction in which the bottom surface 18 of the fuel flow path in the odd-numbered cell module 21 inclines and the direction in which the bottom surface 18 of the fuel flow path in the even-numbered cell module 21 inclines are mutually. It is reversed. Therefore, the flow of hydrogen gas in the fuel cell stack 20 can be made meandering, and the flow path length of the hydrogen gas can be set long.

また、ドレイン管３８を左右に各々配設することによって、左右いずれに位置する排出側燃料用貫通孔３５ｂからも水を円滑に排出することができる。   Further, by disposing the drain pipes 38 on the left and right, respectively, water can be smoothly discharged from the discharge side fuel through holes 35b located on either the left or right.

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料流路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel flow path of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態における単位セル及びセパレータのセットの構成を示す分解図である。It is an exploded view which shows the structure of the set of the unit cell and separator in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの燃料極側コレクタの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel electrode side collector of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell stack in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの燃料流路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel flow path of the fuel cell stack in the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１２ 単位セル
１４ 空気極側コレクタ
１５ 燃料極側コレクタ
１５ｂ 溝
１６ セパレータ
１８ 底面
２０ 燃料電池スタック
２１ セルモジュール
３５ 燃料用貫通孔
３５ａ 導入側燃料用貫通孔
３５ｂ 排出側燃料用貫通孔
３８ ドレイン管 12 unit cell 14 air electrode side collector 15 fuel electrode side collector 15b groove 16 separator 18 bottom surface 20 fuel cell stack 21 cell module 35 fuel through hole 35a introduction side fuel through hole 35b discharge side fuel through hole 38 drain pipe

Claims (4)

電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、
前記燃料極に沿って燃料ガス流路を形成する第１の集電体と、
酸素極に沿って酸化剤ガス流路を形成する第２の集電体と、
燃料ガスと酸化剤ガスを遮断するセパレータとを挟んで積層された燃料電池装置であって、
前記燃料極の下側の辺は、前記燃料ガス流路の下流側が低くなるように傾斜している燃料電池装置。 A fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode.
A first current collector forming a fuel gas flow path along the fuel electrode;
A second current collector that forms an oxidant gas flow path along the oxygen electrode;
A fuel cell device laminated with a fuel gas and a separator for blocking oxidant gas interposed therebetween,
A fuel cell device in which a lower side of the fuel electrode is inclined so that a downstream side of the fuel gas flow path is lowered. 前記燃料電池の積層方向に貫通して隣接する複数の燃料ガス流路を接続する燃料用貫通孔と、
前記燃料ガス流路の下流側に位置する燃料用貫通孔の少なくとも一部の底部に接続された水排出管路とを有する請求項１に記載の燃料電池装置。 A through-hole for fuel connecting a plurality of adjacent fuel gas flow paths penetrating in the stacking direction of the fuel cell; and
2. The fuel cell device according to claim 1, further comprising: a water discharge pipe connected to a bottom part of at least a part of the fuel through hole located downstream of the fuel gas flow path. 前記第１の集電体は、前記燃料ガス流路の下流側が低くなるように傾斜した溝を備える請求項１に記載の燃料電池装置。   2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the first current collector includes a groove that is inclined so that a downstream side of the fuel gas flow path is lowered. 前記燃料電池を複数積層したセルモジュールを複数有し、
燃料ガスの流れる方向は、セルモジュール毎に折り返すように蛇行している請求項１に記載の燃料電池装置。 A plurality of cell modules in which a plurality of the fuel cells are stacked,
The fuel cell device according to claim 1, wherein the flow direction of the fuel gas meanders so as to be folded back for each cell module.
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