JP2018037284A - Separator, fuel cell and regenerative fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セパレータ、燃料電池及び再生型燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a separator, a fuel cell, and a regenerative fuel cell system.
再生型燃料電池システムは、例えば、水素と酸素とを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたガスから水を回収して水素と酸素とを生成し、再度燃料電池での発電に利用させる水電解装置とを備える。このような再生型燃料電池システムは、充電可能であるとともに、副産物が水のみであることから、省エネ化や二酸化炭素の削減が可能であるため、宇宙空間や航空機等への適用が期待されている。 The regenerative fuel cell system is, for example, a fuel cell that generates power using hydrogen and oxygen, and recovers water from gas discharged from the fuel cell to generate hydrogen and oxygen, and again generates power in the fuel cell. A water electrolysis apparatus to be used. Such a regenerative fuel cell system can be charged and the only by-product is water, so it can save energy and reduce carbon dioxide, so it is expected to be applied to outer space and aircraft. Yes.
このような再生型燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が採用される。固体高分子形燃料電池は、イオン伝導性を有する固体高分子膜である電解質膜と、電解質膜の一方の側に隣接する燃料極としてのアノードと、電解質膜の他方の側に隣接する酸素極としてのカソードとからなる単位セルを含む。一般に、単位セルは、固体高分子形燃料電池内に複数存在し、複数の単位セルは、セパレータを介して積層されている。 As a fuel cell used in such a regenerative fuel cell system, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is employed. A polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane that is a solid polymer membrane having ion conductivity, an anode as a fuel electrode adjacent to one side of the electrolyte membrane, and an oxygen electrode adjacent to the other side of the electrolyte membrane. As a unit cell. In general, a plurality of unit cells exist in the polymer electrolyte fuel cell, and the plurality of unit cells are stacked via separators.
セパレータは、ガス拡散層を介してアノード又はカソードに接する側の表面上に、燃料ガス又は酸化剤ガスを流通させる流路溝を有する。一般に、流路溝は、アノード又はカソードの反応領域に対して可能な限り満遍なくガスを行き渡らせるために複数本存在し、かつ、発電性能を維持するために、複数の流路溝においてガスの流れの均一化が図られている。また、流路溝は、このようにガスを流通させる機能の他に、反応で生じた生成水を燃料電池１の外部に排出する機能も有する。 The separator has a flow channel through which fuel gas or oxidant gas flows on the surface on the side in contact with the anode or cathode via the gas diffusion layer. In general, there are a plurality of flow grooves in order to spread the gas as evenly as possible to the reaction region of the anode or the cathode, and in order to maintain power generation performance, the flow of the gas in the plurality of flow grooves Is made uniform. In addition to the function of circulating the gas in this way, the flow channel has a function of discharging generated water generated by the reaction to the outside of the fuel cell 1.
特許文献１は、複数の流路溝を有するセパレータを含む燃料電池スタックを開示している。特許文献１に示す流路溝では、特に、ガス出口側の流路溝から生成水を効率よく除去するために、ガス出口側の溝本数をガス入口側の溝本数よりも減少させることで、ガス出口側でのガスの流速を増加させている。 Patent Document 1 discloses a fuel cell stack including a separator having a plurality of flow channel grooves. In the flow channel shown in Patent Document 1, in particular, in order to efficiently remove the generated water from the flow channel on the gas outlet side, by reducing the number of grooves on the gas outlet side than the number of grooves on the gas inlet side, The gas flow rate on the gas outlet side is increased.
ここで、燃料電池の発電性能や運転時の安定性を向上させるためには、セパレータとガス拡散層との間でガス交換作用のムラを減らすこと、換言すれば、反応面に対して均一にガスを行き渡らせることが重要である。そして、このように反応面に均一にガスを行き渡らせるためには、反応面の形状に合わせて配置されている流路溝において、流れるガスの量を均一化させる、すなわち、ガスの流速を均一化させることが望ましい。 Here, in order to improve the power generation performance of the fuel cell and the stability during operation, it is necessary to reduce the unevenness of the gas exchange action between the separator and the gas diffusion layer, in other words, to the reaction surface uniformly. It is important to distribute gas. In order to distribute the gas uniformly to the reaction surface in this way, the amount of flowing gas is made uniform in the channel groove arranged according to the shape of the reaction surface, that is, the gas flow rate is made uniform. It is desirable to make it.
一方、流路溝を流れるガスは、徐々にガス拡散層に吸収されてアノード及びカソード側での反応に用いられるので、流路溝を流れるガスの量は次第に減少し、それに伴ってガスの流速も次第に落ちる。しかし、特許文献１では、このような燃料電池の運転中におけるガスの消費について適切に考慮されていない。したがって、特許文献１に示されているようにガス出口側に向かうにつれて溝本数を減少させるだけでは、実際には、流路溝を流れるガスの流速を最適化することは難しい。 On the other hand, since the gas flowing through the flow channel is gradually absorbed by the gas diffusion layer and used for the reaction on the anode and cathode side, the amount of gas flowing through the flow channel gradually decreases, and the gas flow velocity is accordingly reduced. Also gradually falls. However, Patent Document 1 does not properly consider the gas consumption during the operation of such a fuel cell. Therefore, as shown in Patent Document 1, it is actually difficult to optimize the flow velocity of the gas flowing through the flow channel groove only by reducing the number of grooves toward the gas outlet side.
また、セパレータの反応面において、複数の流路溝が並行して曲がるような屈曲部がある場合、屈曲部の内側の流路溝は、外側の流路溝と比較して曲率が小さくなるため、ガスの流れの抵抗となりやすい。そこで、特許文献１に示すセパレータでは、屈曲部の直前で複数の流路溝を連結させることで、屈曲部の内側の流路溝を流れるガスを外側の流路溝に分配し、屈曲部における圧損の均一化を図っている。しかし、このような構成では、並行して延設されている複数の流路溝のうちの内側の流路溝を流れるガスの量は、減少していくことになる。すなわち、ガスの流速は、流れる流路溝によって異なっている。 In addition, when there is a bent portion where a plurality of flow channel grooves bend in parallel on the reaction surface of the separator, the flow channel groove inside the bent portion has a smaller curvature than the outer flow channel groove. , Easy to resist gas flow. Thus, in the separator shown in Patent Document 1, by connecting a plurality of flow channel grooves immediately before the bent portion, the gas flowing through the flow channel grooves inside the bent portion is distributed to the outer flow channel grooves, and in the bent portion, The pressure loss is made uniform. However, in such a configuration, the amount of gas flowing through the inner channel groove among the plurality of channel grooves extending in parallel decreases. That is, the flow velocity of the gas differs depending on the flow channel groove.
そこで、本発明は、反応面内の流路を流れるガスの流速を均一化するのに有利な燃料電池用のセパレータを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a separator for a fuel cell that is advantageous for making the flow velocity of a gas flowing through a flow path in a reaction surface uniform.
本発明の一態様によれば、燃料電池用のセパレータは、主平面上に反応面が設定された板状の本体部と、反応面に設けられ、それぞれ並伸し、ガスを流通させる流路を構成する複数の流路溝と、複数の流路溝にガスを導入させる導入口と、複数の流路溝を通過したガスを外部に排出する排出口と、を有し、複数の流路溝は、流路溝の幅を維持しながら、隣り合う流路溝と連通し、排出口の側にある流路溝の本数は、導入口の側にある流路溝の本数よりも少なく、流路溝の本数は、反応面でのガスの流量分布に基づいて決定される。 According to one aspect of the present invention, a separator for a fuel cell includes a plate-like main body portion having a reaction surface set on a main plane, and a flow path that is provided on the reaction surface and extends in parallel to distribute gas. A plurality of flow channel grooves, an introduction port for introducing gas into the plurality of flow channel grooves, and a discharge port for discharging the gas that has passed through the plurality of flow channel grooves to the outside. The groove communicates with the adjacent channel groove while maintaining the width of the channel groove, and the number of the channel grooves on the discharge port side is less than the number of the channel grooves on the inlet side, The number of channel grooves is determined based on the gas flow distribution on the reaction surface.
上記セパレータにおいて、排出口に連接される流路溝の本数をｎとし、反応面におけるガスの利用率をｓとし、反応面において、導入口に連接される流路溝の入口と、排出口に連接される流路溝の出口との間の長さをＬとし、流路溝の入口からの距離をｘとすると、距離ｘの位置における流路溝の本数Ｎ（ｘ）は、
Ｎ（ｘ）＝（ｎ／（１−ｓ））・（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ）
で表されるものとしてもよい。
In the separator, the number of flow channel grooves connected to the discharge port is n, the gas utilization rate on the reaction surface is s, and at the reaction surface, the flow channel groove connected to the introduction port is connected to the inlet and the discharge port. When the length between the connected channel groove outlets is L and the distance from the channel groove inlet is x, the number N (x) of channel grooves at the position of the distance x is
N (x) = (n / (1-s)). (1- (s / L) .x)
It is good also as what is represented by.
本発明によれば、反応面内の流路を流れるガスの流速を均一化するのに有利な燃料電池用のセパレータを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the separator for fuel cells advantageous to equalize the flow rate of the gas which flows through the flow path in the reaction surface can be provided.
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、明細書及び図面において実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。更に、以下の各図では、鉛直方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内において、燃料電池を構成する各構成要素が積層される方向にＹ軸を取り、かつ、Ｙ軸に垂直な方向にＸ軸を取っている。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the following description are merely examples for facilitating understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, in each of the following drawings, the Z axis is taken in the vertical direction, and the Y axis is taken in the direction in which the components constituting the fuel cell are stacked in the plane perpendicular to the Z axis, and is perpendicular to the Y axis. The X axis is taken in various directions.
まず、本発明の一実施形態に係る再生型燃料電池システムの構成について説明する。本実施形態に係る再生型燃料電池システムでは、燃料電池が特に純水素と純酸素とを用いて発電するものを想定している。このような再生型燃料電池システムは、高空を飛行する航空機、海中を航行する潜水艦、宇宙ステーション等、大気から酸素を取り込むことができない環境や閉鎖空間などで、水分解により発生した酸素を貯蔵し燃料電池で発電することができる点で有利である。 First, the configuration of a regenerative fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described. In the regenerative fuel cell system according to the present embodiment, it is assumed that the fuel cell generates power using particularly pure hydrogen and pure oxygen. Such a regenerative fuel cell system stores oxygen generated by water decomposition in an environment or closed space where oxygen cannot be taken from the atmosphere, such as an aircraft flying in the high sky, a submarine navigating in the sea, or a space station. This is advantageous in that power can be generated by a fuel cell.
図１は、本実施形態に係る再生型燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。再生型燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット２０と、水分解ユニット３０と、ガス貯蔵ユニット４０とを含む。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a regenerative fuel cell system 100 according to the present embodiment. The regenerative fuel cell system 100 includes a fuel cell unit 20, a water splitting unit 30, and a gas storage unit 40.
燃料電池ユニット２０は、燃料電池１と、気水分離器２と、第１ガス循環ブロワ３と、水タンク４と、第２ガス循環ブロワ５とを含む。 The fuel cell unit 20 includes a fuel cell 1, a steam / water separator 2, a first gas circulation blower 3, a water tank 4, and a second gas circulation blower 5.
図２は、本実施形態に係る燃料電池１の構成を示す概略断面図である。燃料電池１は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、燃料としての純水素と、酸化剤としての純酸素とを用いた反応により発電する。なお、以下の説明では、純水素を単に水素と、純酸素を単に酸素と、それぞれ略記する。固体高分子形燃料電池は、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池である。すなわち、燃料電池１は、固体高分子膜である電解質膜７０と、燃料極としてのアノード７１と、酸素極としてのカソード７２とを含む。アノード７１及びカソード７２は、共に、水素と酸素との反応を促進させるための触媒を含む触媒層である。この触媒としては、主に白金などの貴金属が用いられる。なお、不図示であるが、アノード７１及びカソード７２は、後述する第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４と接触する面に、カーボンペーパー等からなる多孔質のガス拡散層を連設している。そして、アノード７１とカソード７２とは、電解質膜７０を挟み込むように配置される。以下、アノード７１、電解質膜７０及びカソード７２を貼り合わせて一体化したものを、「膜／電極接合体」と表記する。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell 1 according to the present embodiment. The fuel cell 1 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and generates power by a reaction using pure hydrogen as a fuel and pure oxygen as an oxidant. In the following description, pure hydrogen is simply abbreviated as hydrogen, and pure oxygen is simply abbreviated as oxygen. A polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a polymer membrane having ion conductivity as an electrolyte. That is, the fuel cell 1 includes an electrolyte membrane 70 that is a solid polymer membrane, an anode 71 as a fuel electrode, and a cathode 72 as an oxygen electrode. Both the anode 71 and the cathode 72 are catalyst layers including a catalyst for promoting the reaction between hydrogen and oxygen. As this catalyst, precious metals such as platinum are mainly used. Although not shown, the anode 71 and the cathode 72 have a porous gas diffusion layer made of carbon paper or the like continuously provided on a surface that comes into contact with a first separator 73 or a second separator 74 described later. And the anode 71 and the cathode 72 are arrange | positioned so that the electrolyte membrane 70 may be pinched | interposed. Hereinafter, the anode 71, the electrolyte membrane 70, and the cathode 72 that are bonded and integrated are referred to as a “membrane / electrode assembly”.
また、燃料電池１は、膜／電極接合体を挟み込むように配置される２つのセパレータ、すなわち、アノード７１側に配置される第１セパレータ７３と、カソード７２側に配置される第２セパレータ７４とを含む。第１セパレータ７３は、アノード７１に接する側の表面に、水素を流通させる流路７３ａを有する。水素は、流路７３ａを流通している間に、徐々にアノード７１に浸透する。一方、第２セパレータ７４は、カソード７２に接する側の表面に、酸素を流通させる流路７４ａを有する。酸素は、流路７４ａを流通している間に、徐々にカソード７２に浸透する。また、流路７４ａは、酸素を流通させる機能の他、膜／電極接合体内で生成された水を除去する機能も有する。第１セパレータ７３及び第２セパレータ７４の材質としては、金属、カーボン又は導電性プラスチック等が採用可能である。なお、第１セパレータ７３及び第２セパレータ７４の形状については、以下で詳説する。 The fuel cell 1 includes two separators arranged so as to sandwich the membrane / electrode assembly, that is, a first separator 73 arranged on the anode 71 side and a second separator 74 arranged on the cathode 72 side. including. The first separator 73 has a flow path 73 a for circulating hydrogen on the surface in contact with the anode 71. The hydrogen gradually permeates the anode 71 while flowing through the flow path 73a. On the other hand, the second separator 74 has a flow path 74 a for circulating oxygen on the surface in contact with the cathode 72. Oxygen gradually permeates the cathode 72 while flowing through the flow path 74a. Further, the channel 74a has a function of removing water generated in the membrane / electrode assembly in addition to a function of circulating oxygen. As the material of the first separator 73 and the second separator 74, metal, carbon, conductive plastic, or the like can be adopted. The shapes of the first separator 73 and the second separator 74 will be described in detail below.
燃料電池１では、アノード７１は、流路７３ａから水素が供給され、式（１）の反応によって、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
プロトンは、電解質膜７０を通って、電子は、不図示であるが、一端がアノード７１に接続され、他端がカソード７２に接続されている導線を通って、それぞれカソード７２に移動する。
In the fuel cell 1, the anode 71 is supplied with hydrogen from the flow path 73a and decomposes into protons (H + ) and electrons (e − ) by the reaction of the formula (1).
H 2 → 2H + + 2e − (1)
Protons move through the electrolyte membrane 70, and electrons move to the cathode 72 through a lead wire (not shown) having one end connected to the anode 71 and the other end connected to the cathode 72.
カソード７２は、式（２）に示すように、電解質膜７０から来たプロトンと、上記導線から来た電子とが酸素と反応して、水を生成する。
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ・・・（２）
In the cathode 72, as shown in the formula (2), protons coming from the electrolyte membrane 70 and electrons coming from the conductive wire react with oxygen to generate water.
4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O (2)
そして、燃料電池１は、電子を通す上記導線の部分を電力負荷とすることで、発電することができる。なお、１つの膜／電極接合体と、その膜／電極接合体を挟み込む第１セパレータ７３及び第２セパレータ７４とは、図２に示すような単位セルを構成する。燃料電池１は、より高電圧を得るために、このような単位セルを複数個積層した、いわゆるスタック構造を有するのが一般的である。そのため、例えば、隣り合って積層される２つの単位セルにおいて、単位セル同士の間に配置される１つのセパレータを共用するという構成もあり得る。具体的には、単位セル同士の間のセパレータでは、一方の表面に、水素を流通させるための流路が設けられ、反対側の表面に、酸素を流通させるための流路が設けられるという構成もあり得る。これにより、燃料電池スタックとしての燃料電池１の小型化が実現される。 And the fuel cell 1 can generate electric power by using the part of the said conducting wire which lets an electron pass as an electric power load. One membrane / electrode assembly, and the first separator 73 and the second separator 74 sandwiching the membrane / electrode assembly constitute a unit cell as shown in FIG. In order to obtain a higher voltage, the fuel cell 1 generally has a so-called stack structure in which a plurality of such unit cells are stacked. Therefore, for example, in two unit cells stacked next to each other, there can be a configuration in which one separator disposed between the unit cells is shared. Specifically, in the separator between the unit cells, a flow path for flowing hydrogen is provided on one surface, and a flow path for flowing oxygen is provided on the opposite surface. There is also a possibility. Thereby, size reduction of the fuel cell 1 as a fuel cell stack is implement | achieved.
気水分離器２は、燃料電池１における反応後のガスを酸素と水とに分離する。第１ガス循環ブロワ３は、気水分離器２で分離された酸素を燃料電池１の酸素入口側にリサイクルする。水タンク４は、気水分離器２で分離された水を一時的に貯留する。第２ガス循環ブロワ５は、燃料電池１から排出された水素の余剰分を燃料電池１の水素入口側にリサイクルする。 The steam separator 2 separates the gas after the reaction in the fuel cell 1 into oxygen and water. The first gas circulation blower 3 recycles the oxygen separated by the steam separator 2 to the oxygen inlet side of the fuel cell 1. The water tank 4 temporarily stores the water separated by the steam separator 2. The second gas circulation blower 5 recycles the excess hydrogen discharged from the fuel cell 1 to the hydrogen inlet side of the fuel cell 1.
水分解ユニット３０は、給水ポンプ６と、循環ポンプ７と、水電解装置８と、第１配管系３１と、第２配管系３２と、放熱器１１とを含む。 The water splitting unit 30 includes a water supply pump 6, a circulation pump 7, a water electrolysis device 8, a first piping system 31, a second piping system 32, and a radiator 11.
給水ポンプ６は、燃料電池ユニット２０内の水タンク４に貯留されている水を、循環ポンプ７を用いて回収し、水電解装置８に供給する。循環ポンプ７は、給水ポンプ６や、第１配管系３１及び第２配管系３２から供給された水を、水電解装置８を通じて水分解ユニット３０内で循環させる。 The water supply pump 6 collects water stored in the water tank 4 in the fuel cell unit 20 using the circulation pump 7 and supplies the water to the water electrolysis device 8. The circulation pump 7 circulates the water supplied from the water supply pump 6, the first piping system 31 and the second piping system 32 in the water splitting unit 30 through the water electrolysis device 8.
水電解装置８は、導入された水を電気分解して、水素と酸素とを生成する。水電解装置８は、不図示であるが、燃料電池１と同様に、固体高分子膜である電解質膜と、アノードと、カソードとを含む。ここで、水電解装置８では、外部電源を用いてアノードとカソードとの間に電圧を印加することで、燃料電池１と逆の反応、すなわち、式（１）及び式（２）と逆の反応が生じて、水素と酸素とが生成される。そして、生成された水素及び酸素は、後述する水素貯蔵用タンク１２ａ又は酸素貯蔵用タンク１２ｂに戻される。 The water electrolysis device 8 electrolyzes the introduced water to generate hydrogen and oxygen. Although not shown, the water electrolysis apparatus 8 includes an electrolyte membrane that is a solid polymer membrane, an anode, and a cathode, as in the fuel cell 1. Here, in the water electrolysis apparatus 8, by applying a voltage between the anode and the cathode using an external power source, the reaction opposite to that of the fuel cell 1, that is, the opposite of the expressions (1) and (2). A reaction occurs to produce hydrogen and oxygen. The generated hydrogen and oxygen are returned to a hydrogen storage tank 12a or an oxygen storage tank 12b described later.
第１配管系３１は、水電解装置８で生成された水素が導入される配管系である。第１配管系３１は、第１気水分離器９ａと、第１水タンク１０ａとを含む。ここで、水電解装置８で生成された水素には、水が混合されている。そこで、第１気水分離器９ａは、水電解装置８で生成された水素と、混合している水とを分離する。第１気水分離器９ａで分離された水素は、ガス貯蔵ユニット４０へ送られる。第１水タンク１０ａは、第１気水分離器９ａで分離された水を一時的に貯留する。 The first piping system 31 is a piping system into which hydrogen generated by the water electrolysis device 8 is introduced. The first piping system 31 includes a first steam separator 9a and a first water tank 10a. Here, the hydrogen produced by the water electrolysis apparatus 8 is mixed with water. Therefore, the first steam separator 9a separates the hydrogen generated by the water electrolysis device 8 from the water being mixed. The hydrogen separated by the first steam separator 9 a is sent to the gas storage unit 40. The first water tank 10a temporarily stores the water separated by the first steam separator 9a.
第２配管系３２は、水電解装置８で生成された酸素が導入される配管系である。第２配管系３２は、第２気水分離器９ｂと、第２水タンク１０ｂとを含む。ここで、水電解装置８で生成された酸素には、水が混合されている。そこで、第２気水分離器９ｂは、水電解装置８で生成された酸素と、混合している水とを分離する。第２気水分離器９ｂで分離された酸素も、ガス貯蔵ユニット４０へ送られる。第２水タンク１０ｂは、第２気水分離器９ｂで分離された水を一時的に貯留する。 The second piping system 32 is a piping system into which oxygen generated by the water electrolysis device 8 is introduced. The second piping system 32 includes a second steam / water separator 9b and a second water tank 10b. Here, water is mixed with the oxygen generated by the water electrolysis apparatus 8. Therefore, the second steam separator 9b separates the oxygen produced by the water electrolysis device 8 and the mixed water. The oxygen separated by the second steam separator 9b is also sent to the gas storage unit 40. The second water tank 10b temporarily stores the water separated by the second steam separator 9b.
放熱器１１は、第１水タンク１０ａ又は第２水タンク１０ｂから排出されて水電解装置８に導入される水を冷却水として利用することで、水電解装置８を冷却する。なお、不図示であるが、燃料電池ユニット２０内にも、同様に冷却水を循環させることで燃料電池１を冷却する放熱器を設置するものとしてもよい。 The radiator 11 cools the water electrolysis device 8 by using water discharged from the first water tank 10a or the second water tank 10b and introduced into the water electrolysis device 8 as cooling water. Although not shown, a radiator that cools the fuel cell 1 by circulating cooling water may be installed in the fuel cell unit 20 as well.
ガス貯蔵ユニット４０は、水素貯蔵用タンク１２ａと、酸素貯蔵用タンク１２ｂと、水素配管系の２つの切替弁１３ａ，１３ｂ及び１つの調圧弁１５ａと、酸素配管系の２つの切替弁１４ａ，１４ｂ及び１つの調圧弁１５ｂとを含む。 The gas storage unit 40 includes a hydrogen storage tank 12a, an oxygen storage tank 12b, two switching valves 13a and 13b and one pressure regulating valve 15a in the hydrogen piping system, and two switching valves 14a and 14b in the oxygen piping system. And one pressure regulating valve 15b.
水素貯蔵用タンク１２ａは、水素を貯蔵可能な水素貯蔵部である。水素配管系の切替弁１３ａ，１３ｂは、それぞれ、第１気水分離器９ａと水素貯蔵用タンク１２ａとを結ぶ配管に設置され、遠隔操作可能な開閉弁である。水素配管系の調圧弁１５ａは、２つの切替弁１３ａ，１３ｂの間と、燃料電池１とを結ぶ配管に設置される圧力調整弁であり、遠隔操作可能であることが望ましい。 The hydrogen storage tank 12a is a hydrogen storage unit capable of storing hydrogen. The switching valves 13a and 13b of the hydrogen piping system are open / close valves that are installed in piping connecting the first steam separator 9a and the hydrogen storage tank 12a and can be remotely operated. The pressure regulating valve 15a of the hydrogen piping system is a pressure regulating valve installed in a pipe connecting the two switching valves 13a and 13b and the fuel cell 1, and is preferably remotely operable.
酸素貯蔵用タンク１２ｂは、酸素を貯蔵可能な酸素貯蔵部である。酸素配管系の切替弁１４ａ，１４ｂは、それぞれ、第２気水分離器９ｂと酸素貯蔵用タンク１２ｂとを結ぶ配管に設置され、遠隔操作可能な開閉弁である。酸素配管系の調圧弁１５ｂは、２つの切替弁１４ａ，１４ｂの間と、燃料電池１とを結ぶ配管に設置される圧力調整弁であり、遠隔操作可能であることが望ましい。 The oxygen storage tank 12b is an oxygen storage unit capable of storing oxygen. The oxygen piping system switching valves 14a and 14b are on-off valves that are installed in piping connecting the second steam separator 9b and the oxygen storage tank 12b, respectively, and can be remotely operated. The pressure control valve 15b of the oxygen piping system is a pressure adjusting valve installed in a pipe connecting the two switching valves 14a and 14b and the fuel cell 1, and is preferably remotely operable.
ここで、切替弁１３ａを閉とし、切替弁１３ｂを開とし、調圧弁１５ａを適宜調整することで、水素貯蔵用タンク１２ａから燃料電池１へ水素が供給される。一方、調圧弁１５ａを閉とし、切替弁１３ａ及び切替弁１３ｂを共に開とすることで、第１気水分離器９ａから水素貯蔵用タンク１２ａへ水素が注入される。 Here, hydrogen is supplied from the hydrogen storage tank 12a to the fuel cell 1 by closing the switching valve 13a, opening the switching valve 13b, and appropriately adjusting the pressure regulating valve 15a. On the other hand, by closing the pressure regulating valve 15a and opening both the switching valve 13a and the switching valve 13b, hydrogen is injected from the first steam separator 9a into the hydrogen storage tank 12a.
同様に、切替弁１４ａを閉とし、切替弁１４ｂを開とし、調圧弁１５ｂを適宜調整することで、酸素貯蔵用タンク１２ｂから燃料電池１へ酸素が供給される。一方、調圧弁１５ｂを閉とし、切替弁１４ａ及び切替弁１４ｂを共に開とすることで、第２気水分離器９ｂから酸素貯蔵用タンク１２ｂへ酸素が注入される。 Similarly, oxygen is supplied from the oxygen storage tank 12b to the fuel cell 1 by closing the switching valve 14a, opening the switching valve 14b, and appropriately adjusting the pressure regulating valve 15b. On the other hand, by closing the pressure regulating valve 15b and opening both the switching valve 14a and the switching valve 14b, oxygen is injected from the second steam separator 9b into the oxygen storage tank 12b.
上記のような構成のもと、水電解装置８が、燃料電池１で生成された水を用いて水素と酸素とを生成し、一方、燃料電池１が、水電解装置８で生成された水素と酸素とを用いて発電する再生型燃料電池システム１００が構築される。特に本実施形態では、燃料電池１は、上記の通り、純水素と純酸素とを用いるので、式（１）及び式（２）により、純水素と純酸素とが反応して純水が生成されることになる。したがって、再生型燃料電池システム１００は、純水をリサイクルすることで、省エネ化や二酸化炭素の削減に寄与する。 Under the configuration as described above, the water electrolysis apparatus 8 generates hydrogen and oxygen using the water generated in the fuel cell 1, while the fuel cell 1 generates hydrogen generated in the water electrolysis apparatus 8. A regenerative fuel cell system 100 that generates electricity using oxygen and oxygen is constructed. In particular, in the present embodiment, since the fuel cell 1 uses pure hydrogen and pure oxygen as described above, pure water and pure oxygen react to generate pure water according to the equations (1) and (2). Will be. Therefore, the regenerative fuel cell system 100 contributes to energy saving and carbon dioxide reduction by recycling pure water.
次に、第１セパレータ７３及び第２セパレータ７４の形状について説明する。なお、第１セパレータ７３と第２セパレータ７４との形状は、共に以下に示す概念で決定されるものである。そこで、以下では、第１セパレータ７３を例に説明する。 Next, the shapes of the first separator 73 and the second separator 74 will be described. The shapes of the first separator 73 and the second separator 74 are both determined by the concept shown below. Therefore, hereinafter, the first separator 73 will be described as an example.
図３は、第１セパレータ７３の形状を示す概略平面図である。第１セパレータ７３は、主平面上に反応面７３ｂが設定された板状の本体部からなる。なお、本実施形態では、第１セパレータ７３は、燃料電池１の一構成要素として使用されるときには、図３に示すように、Ｚ方向に沿って立設される、すなわち縦置きになるものとする。また、第１セパレータ７３の主平面上には、燃料電池１の一構成要素として組み合わされたときに、アノード７１の反応領域に対向するように、反応面７３ｂが設定されている。反応面７３ｂは、反応効率を向上させるために、第１セパレータ７３の主平面の面積に対して可能な限り広く設定されることが望ましい。 FIG. 3 is a schematic plan view showing the shape of the first separator 73. The 1st separator 73 consists of a plate-shaped main-body part by which the reaction surface 73b was set on the main plane. In the present embodiment, when the first separator 73 is used as one component of the fuel cell 1, as shown in FIG. 3, the first separator 73 is erected along the Z direction, that is, vertically placed. To do. On the main plane of the first separator 73, a reaction surface 73 b is set so as to face the reaction region of the anode 71 when combined as one component of the fuel cell 1. The reaction surface 73b is desirably set as wide as possible with respect to the area of the main plane of the first separator 73 in order to improve reaction efficiency.
第１セパレータ７３は、主平面上において反応面７３ｂ以外の領域に形成されている複数の開口部と、ガスを流通させる流路７３ａとを有する。なお、本実施形態では、流路７３ａを流通するガスは、水素ガスである。 The first separator 73 has a plurality of openings formed in a region other than the reaction surface 73b on the main plane, and a flow path 73a through which gas flows. In the present embodiment, the gas flowing through the flow path 73a is hydrogen gas.
第１セパレータ７３に形成されている複数の開口部には、例えば、第１ガス導入口７３ｃと、第１ガス排出口７３ｄと、第２ガス排出口７３ｅと、第２ガス導入口７３ｆと、第１開口７３ｇと、第２開口７３ｈとが含まれる。 The plurality of openings formed in the first separator 73 include, for example, a first gas inlet 73c, a first gas outlet 73d, a second gas outlet 73e, and a second gas inlet 73f, A first opening 73g and a second opening 73h are included.
第１ガス導入口７３ｃは、流路７３ａのガス入口側の端部に連接される開口である。燃料電池１が単位セルを複数積層した燃料電池スタックである場合、各単位セルに含まれる第１ガス導入口７３ｃは、連続した管路を形成する。そして、燃料電池１の外部から導入されたガスは、当該管路を流通しながら、各単位セル内の流路７３ａに供給されていく。 The first gas inlet 73c is an opening connected to the end of the flow path 73a on the gas inlet side. When the fuel cell 1 is a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked, the first gas introduction port 73c included in each unit cell forms a continuous pipe line. And the gas introduced from the outside of the fuel cell 1 is supplied to the flow path 73a in each unit cell while flowing through the pipe line.
第２ガス排出口７３ｄは、流路７３ａのガス出口側の端部に連接される開口である。この第２ガス排出口７３ｄに関しても、燃料電池１が燃料電池スタックである場合、各単位セルに含まれる第２ガス排出口７３ｄは、連続した管路を形成する。そして、各単位セル内の流路７３ａから排出されたガスは、当該管路に集められて流通し、燃料電池１の外部へ排出される。 The second gas discharge port 73d is an opening connected to the end of the flow path 73a on the gas outlet side. Regarding the second gas discharge port 73d, when the fuel cell 1 is a fuel cell stack, the second gas discharge port 73d included in each unit cell forms a continuous pipe line. And the gas discharged | emitted from the flow path 73a in each unit cell is collected and distribute | circulated to the said pipe line, and is discharged | emitted outside the fuel cell 1. FIG.
第２ガス排出口７３ｅ及び第２ガス導入口７３ｆは、一例として、第１セパレータ７３において、流路７３ａが設けられている主平面の裏面側に、流路７３ａと同様の流路が形成されている場合に適用される開口である。第２ガス排出口７３ｅ及び第２ガス導入口７３ｆの機能は、第１ガス導入口７３ｃ及び第１ガス排出口７３ｄの機能と同一である。 As an example, the second gas discharge port 73e and the second gas introduction port 73f have a flow path similar to the flow path 73a on the back surface side of the main plane where the flow path 73a is provided in the first separator 73. This is the opening that is applied. The functions of the second gas outlet 73e and the second gas inlet 73f are the same as the functions of the first gas inlet 73c and the first gas outlet 73d.
第１開口７３ｇ及び第２開口７３ｈは、例えば、燃料電池１を冷却するための冷却水が通過する。燃料電池１が燃料電池スタックである場合、各単位セルに含まれる第１開口７３ｇ及び第２開口７３ｈも、それぞれ連続した管路を形成し、冷却水を流通可能とする。 For example, cooling water for cooling the fuel cell 1 passes through the first opening 73g and the second opening 73h. In the case where the fuel cell 1 is a fuel cell stack, the first opening 73g and the second opening 73h included in each unit cell also form continuous conduits, respectively, so that cooling water can flow.
なお、本実施形態では、第１セパレータ７３の主平面上において、Ｚ方向の中央領域を反応面７３ｂとしている。そして、反応面７３ｂに隣接するＺ方向のプラス側の領域に、第１ガス導入口７３ｃ、第１開口７３ｇ及び第２ガス排出口７３ｅが設けられている。一方、反応面７３ｂに隣接するＺ方向のプラス側の領域に、第２ガス導入口７３ｆ、第２開口７３ｈ及び第１ガス排出口７３ｄが設けられている。 In the present embodiment, the central region in the Z direction on the main plane of the first separator 73 is the reaction surface 73b. A first gas introduction port 73c, a first opening 73g, and a second gas discharge port 73e are provided in a positive side region in the Z direction adjacent to the reaction surface 73b. On the other hand, a second gas introduction port 73f, a second opening 73h, and a first gas discharge port 73d are provided in a positive region in the Z direction adjacent to the reaction surface 73b.
流路７３ａは、主平面上に形成された溝であり、特に反応面７３ｂ上では、反応面７３ｂを可能な限り覆うように、複数本の直線状の溝が、それぞれ間隔を密にして規定のパターンで組み合わされたものである。なお、流路７３ａを構成する溝を、以下「流路溝」と表記する。そして、本実施形態における流路溝は、以下の条件に従って形成される。 The flow path 73a is a groove formed on the main plane. In particular, on the reaction surface 73b, a plurality of linear grooves are defined with close intervals so as to cover the reaction surface 73b as much as possible. It is a combination of the patterns. The grooves constituting the flow path 73a are hereinafter referred to as “flow path grooves”. And the flow-path groove | channel in this embodiment is formed according to the following conditions.
まず、第１ガス導入口７３ｃには、流路７３ａの一方の端部としての複数の流路溝が連接されている。これに対して、第１ガス排出口７３ｄには、流路７３ａの他方の端部としての単数又は複数の流路溝が連接されている。すなわち、流路７３ａは、全体的には、ガスがＺ方向プラス側からＺ方向マイナス側へ向けて流通するように形成される。 First, a plurality of flow channel grooves as one end of the flow channel 73a are connected to the first gas introduction port 73c. On the other hand, the 1st gas exhaust port 73d is connected with the one or several flow-path groove | channel as the other edge part of the flow path 73a. That is, the flow path 73a is generally formed so that the gas flows from the Z direction plus side to the Z direction minus side.
次に、複数の流路溝は、反応面７３ｂ全体に可能な限り均一にガスを行き渡らせるために、ガスの流通方向が所々で変化するように並伸している。例えば、図３に示すように、複数の流路溝は、全体的にはＸ方向に対して平行となるように並伸しているが、反応面７３ｂのＸ方向の両端部の領域で、おおよそ直角となる屈曲を２回繰り返し、Ｘ方向で往復しながらＺ方向マイナス側へ進むような形状を有する。 Next, the plurality of flow channel grooves extend in parallel so that the gas flow direction changes in some places in order to distribute the gas as uniformly as possible to the entire reaction surface 73b. For example, as shown in FIG. 3, the plurality of flow channel grooves extend in parallel so as to be parallel to the X direction as a whole, but in the regions at both ends in the X direction of the reaction surface 73b, It has a shape such that it bends approximately at a right angle twice and proceeds in the Z direction minus side while reciprocating in the X direction.
次に、流路７３ａでは、複数の流路溝の幅が維持されていると想定する。この場合、第１ガス排出口７３ｄに連接するガス出口側の流路溝の本数は、第１ガス導入口７３ｃに連接するガス入口側の流路溝の本数よりも少ない。ここで、一の流路溝は、上記屈曲する屈曲部のいずれかにおいて、隣り合う他の流路溝と連通する。そして、この連通部を適宜設定することで、流路溝の本数を調整することができる。また、屈曲部ではガスの流れが乱れやすいので、屈曲部のいずれかに連通部を設けることは、ガスの混合をより促進することができる点で望ましい。 Next, it is assumed that the width of the plurality of flow channel grooves is maintained in the flow channel 73a. In this case, the number of gas outlet side channel grooves connected to the first gas discharge port 73d is smaller than the number of gas inlet side channel grooves connected to the first gas inlet port 73c. Here, one channel groove communicates with another adjacent channel groove in any of the bent portions. And the number of flow-path grooves can be adjusted by setting this communication part suitably. In addition, since the gas flow is likely to be disturbed in the bent portion, it is desirable to provide a communicating portion in any of the bent portions because the gas mixing can be further promoted.
次に、反応面７３ｂ内の特定の位置における流路溝の本数は、その位置におけるガスの流量分布に基づいて決定される。以下、図３に示す流路７３ａを例に説明する。まず、燃料電池１におけるガスの利用率を決定する。特に本実施形態では、燃料電池１は、純水素と純酸素とを用いて発電し、再生型燃料電池システム１００に適用されることを想定しているため、ガス利用率は高く、ここでの例では８０％とする。次に、第１ガス排出口７３ｄに連接するガス出口側の流路溝の本数を決定する。ここでの例では２本とする。このようにガス利用率とガス出口側の流路溝の本数とが決定されると、流路溝１本あたりに流通させるガスの流量が決定する。そして、流路溝の本数は、決定された流量になるように、反応面７３ｂ内の特定の位置で流れる流量に合わせて設定すればよい。 Next, the number of flow channel grooves at a specific position in the reaction surface 73b is determined based on the gas flow rate distribution at that position. Hereinafter, the flow path 73a shown in FIG. 3 will be described as an example. First, the gas utilization rate in the fuel cell 1 is determined. In particular, in the present embodiment, since the fuel cell 1 is assumed to generate electricity using pure hydrogen and pure oxygen and be applied to the regenerative fuel cell system 100, the gas utilization rate is high. In the example, it is 80%. Next, the number of flow outlet grooves on the gas outlet side connected to the first gas discharge port 73d is determined. In this example, there are two. When the gas utilization rate and the number of flow channel grooves on the gas outlet side are determined in this way, the flow rate of gas to be circulated per flow channel groove is determined. The number of flow channel grooves may be set according to the flow rate flowing at a specific position in the reaction surface 73b so that the determined flow rate is obtained.
この場合、ガス利用率が８０％であり、また、ガス出口側の流路溝の本数が２本であるから、第１ガス導入口７３ｃに連接するガス入口側の流路溝の本数は、２本／（１−０．８）＝１０本となる。次に、反応面７３ｂ上の流路７３ａにおいて、第１ガス導入口７３ｃから第１屈曲部Ｒ１までの流路溝の本数は、その前の屈曲部で１０本から９本に減少する。そして、この間の流路溝の位置における流量分布は、１００％から８０％へと変化する。次に、第１屈曲部Ｒ１から第２屈曲部Ｒ２までの流路溝の本数は、第１屈曲部Ｒ１で９本から８本に減少し、次の屈曲部で８本から７本に減少する。そして、この間の流路溝の位置における流量分布は、８０％から６０％へと変化する。次に、第２屈曲部Ｒ２から第３屈曲部Ｒ３までの流路溝の本数は、第２屈曲部Ｒ２で７本から６本に減少し、その後２つ目の屈曲部で６本から５本に減少する。そして、この間の流路溝の位置における流量分布は、６０％から４０％へと変化する。さらに、第３屈曲部Ｒ３から第１ガス排出口７３ｄまでの流路溝の本数は、第３屈曲部Ｒ３で５本から４本に減少し、その後２つ目の屈曲部で４本から３本に減少し、さらにその後２つ目の屈曲部で３本から２本に減少する。そして、この間の流路溝の位置における流量分布は、４０％から２０％へと変化する。 In this case, since the gas utilization rate is 80% and the number of flow channel grooves on the gas outlet side is two, the number of flow channel grooves on the gas inlet side connected to the first gas introduction port 73c is 2 / (1-0.8) = 10. Then, the reaction surface 73b Ueno passage 73a, the number of flow grooves in the first gas inlet 73c to the first bent portion R 1 decreases at the previous bending portion to nine from ten. And the flow volume distribution in the position of the channel groove in the meantime changes from 100% to 80%. Next, the number of flow grooves in the first bend portion R 1 to the second bent portion R 2 is a first bent portion R 1 decreased to eight from nine, from eight in the next bend 7 Reduce to book. And the flow volume distribution in the position of the channel groove in the meantime changes from 80% to 60%. Next, the number of flow grooves in the second bending portion R 2 to the third bent portion R 3 is a second bent portion decreased to six from R 2 in seven, then the second bent portion 6 Decrease from 5 to 5. And the flow volume distribution in the position of the channel groove in the meantime changes from 60% to 40%. Furthermore, the number of flow grooves in the third bent portion R 3 to the first gas discharge port 73d is the third bent portion R 3 decreased from five to four, four in a subsequent second bend portion From 3 to 2 at the second bend after that. And the flow volume distribution in the position of the channel groove in the meantime changes from 40% to 20%.
次に、反応面７３ｂ内の特定の位置における流路溝の本数の最適化について、より具体的に説明する。図４は、この反応面７３ｂ内の特定の位置における流路溝の本数の最適化を説明するための概念図である。図４（ａ）は、第１セパレータ７３の主平面上にある反応面７３ｂの設置位置及び寸法を示す図であり、基本的に図３に示す形状と同様である。ここで、下記の式を導く前提として、反応面７３ｂにおけるＺ方向の長さ、すなわち、第１ガス導入口７３ｃに連接される流路溝の入口と、第１ガス排出口７３ｄに連接される流路溝の出口との間の長さをＬとする。 Next, optimization of the number of flow channel grooves at specific positions in the reaction surface 73b will be described more specifically. FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining optimization of the number of flow channel grooves at specific positions in the reaction surface 73b. FIG. 4A is a diagram showing the installation position and dimensions of the reaction surface 73b on the main plane of the first separator 73, and is basically the same as the shape shown in FIG. Here, as a premise for deriving the following equation, the length in the Z direction of the reaction surface 73b, that is, the inlet of the flow channel connected to the first gas inlet 73c, and the first gas outlet 73d are connected. Let L be the length between the outlet of the channel groove.
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す反応面７３ｂ内の特定の位置に対して、ガスの供給量及び消費量と、最適となる流路溝の本数とを示す図である。具体的には、図４（ｂ）に記載の正方形は、図４（ａ）に示す反応面７３ｂに対応している。正方形の縦方向は、ガス入口側からガス出口側に向かう距離ｘを示している。一方、正方形の横方向は、反応面７３ｂを流れるガスの流量を示している。ここで、入口において供給されたガス量をＭとする。また、供給されたガスは、流路７３ａの流路溝を流通するにつれて次第に消費されていくので、流路７３ａを通じて消費されたガス量をＭ’とする。このとき、ガス利用率ｓは、ｓ＝Ｍ’／Ｍである。また、ガス出口側の流路溝の本数をｎとする。さらに、出口で排出されるガス量は、Ｍ−Ｍ’＝Ｍ−ｓＭ＝Ｍ（１−ｓ）となる。したがって、ガス出口側での流路溝１本あたりのガス量ｍは、ｍ＝Ｍ（１−ｓ）／ｎとなる。 FIG. 4B is a diagram showing the amount of gas supply and consumption and the optimum number of channel grooves for a specific position in the reaction surface 73b shown in FIG. 4A. Specifically, the square shown in FIG. 4B corresponds to the reaction surface 73b shown in FIG. The vertical direction of the square indicates the distance x from the gas inlet side to the gas outlet side. On the other hand, the horizontal direction of the square indicates the flow rate of the gas flowing through the reaction surface 73b. Here, let M be the amount of gas supplied at the inlet. Further, since the supplied gas is gradually consumed as it flows through the flow channel groove of the flow channel 73a, the amount of gas consumed through the flow channel 73a is defined as M '. At this time, the gas utilization rate s is s = M ′ / M. Further, the number of flow channel grooves on the gas outlet side is n. Further, the amount of gas discharged at the outlet is M−M ′ = M−sM = M (1−s). Therefore, the gas amount m per channel groove on the gas outlet side is m = M (1-s) / n.
この場合、入口からの距離ｘで消費されるガス量Ｍ’（ｘ）は、式（３）で表される。
Ｍ’（ｘ）＝（Ｍ’／Ｌ）・ｘ （１）
したがって、入口からの距離ｘで流れているガス量Ｍ−Ｍ（ｘ）’は、式（３）から、式（４）で表される。
Ｍ−Ｍ’（ｘ）＝Ｍ−（Ｍ’／Ｌ）・ｘ
＝Ｍ−（ｓＭ／Ｌ）・ｘ
＝Ｍ（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ） （４）
In this case, the gas amount M ′ (x) consumed at the distance x from the inlet is expressed by Expression (3).
M ′ (x) = (M ′ / L) · x (1)
Therefore, the gas amount MM (x) ′ flowing at the distance x from the inlet is expressed by the equation (4) from the equation (3).
M−M ′ (x) = M− (M ′ / L) · x
= M- (sM / L) .x
= M (1- (s / L) .x) (4)
そして、入口からの距離ｘでの流路溝１本あたりを流れるガス量と、ガス出口側での流路溝１本あたりを流れるガス量ｍとが等しくなるように、式（５）に示すように、流路本数Ｎ（ｘ）を設定する。
Ｎ（ｘ）＝（Ｍ−Ｍ’（ｘ））／（Ｍ（１−ｓ）／ｎ）
＝（Ｍ（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ））／（Ｍ（１−ｓ）／ｎ）
＝（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ）／（（１−ｓ）／ｎ）
＝（ｎ／（１−ｓ））・（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ） （５）
Then, the equation (5) shows that the amount of gas flowing per channel groove at a distance x from the inlet is equal to the amount of gas m flowing per channel groove on the gas outlet side. In this way, the number of flow paths N (x) is set.
N (x) = (M−M ′ (x)) / (M (1−s) / n)
= (M (1- (s / L) · x)) / (M (1-s) / n)
= (1- (s / L) .x) / ((1-s) / n)
= (N / (1-s)). (1- (s / L) .x) (5)
このように、式（５）によれば、入口からの距離ｘの位置におけるガスの流量分布に基づいた最適な流路溝の本数を求めることができる。例えば、図４（ｂ）では、流路溝の本数を、数字を丸で囲んで表記し、入口からの距離ｘの位置において最適となる流路溝の本数は、図中斜線で示す分布で表すことができる。なお、図４（ｂ）に示す例では、入口からの距離ｘの位置において最適となる流路溝の本数が８本であることがわかる。 Thus, according to the equation (5), it is possible to obtain the optimum number of flow channel grooves based on the gas flow rate distribution at the position of the distance x from the inlet. For example, in FIG. 4B, the number of flow channel grooves is expressed by enclosing the numbers in circles, and the optimal number of flow channel grooves at the position of the distance x from the inlet is a distribution indicated by hatching in the figure. Can be represented. In the example shown in FIG. 4B, it can be seen that the optimum number of flow channel grooves at the position of the distance x from the inlet is eight.
次に、本実施形態に係るセパレータ、燃料電池及び再生型燃料電池システムの作用及び効果について説明する。 Next, operations and effects of the separator, the fuel cell, and the regenerative fuel cell system according to the present embodiment will be described.
第１に、第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４において、流路７３ａ等の流路を構成する流路溝を流れるガスは、徐々にガス拡散層に吸収されてアノード７１又はカソード７２側での反応に用いられる。したがって、その流量は、次第に減少し、反応面７３ｂ等におけるガスの流量分布が変化する。ここで、なんら対策を講じない場合には、ガスの流量の減少に伴ってガスの流速も次第に落ちるため、その結果、セパレータと、それに隣接するガス拡散層との間でガス交換作用のムラを生じさせるおそれがある。そこで、本実施形態では、予めガスの流量分布の変化を考慮し、上記のように流量分布に合わせて流路溝の本数を減らすことで、流路７３ａ等の流路溝を流れるガスの体積流量すなわち流速の均一化を図ることが可能となる。 First, in the first separator 73 or the second separator 74, the gas flowing in the flow channel grooves that constitute the flow channel, such as the flow channel 73a, is gradually absorbed by the gas diffusion layer so that the gas flows on the anode 71 or cathode 72 side. Used for reaction. Therefore, the flow rate gradually decreases, and the gas flow rate distribution on the reaction surface 73b and the like changes. Here, if no measures are taken, the gas flow rate gradually decreases as the gas flow rate decreases, and as a result, unevenness in the gas exchange action between the separator and the gas diffusion layer adjacent to the separator occurs. May cause it. Therefore, in the present embodiment, the volume of the gas flowing through the flow channel groove such as the flow channel 73a is reduced by reducing the number of flow channel grooves in accordance with the flow rate distribution as described above in consideration of the change in the gas flow rate distribution. The flow rate, that is, the flow velocity can be made uniform.
また、本実施形態に係る燃料電池１は、上記のような効果を奏する第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４を備えるので、第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４とそれに隣接するガス拡散層とのガス交換作用のムラを極力少なくすることができる。そのため、燃料電池１は、アノード７１又はカソード７２において触媒を有効に活用することができ、ひいては、発電性能や運転時の安定性を向上させることができる。さらに、本実施形態に係る再生型燃料電池システム１００は、このような燃料電池１を備えるので、システム全体としても、発電性能や運転時の安定性を向上させることができる。 Moreover, since the fuel cell 1 according to the present embodiment includes the first separator 73 or the second separator 74 that exhibits the above-described effects, the first separator 73 or the second separator 74 and the gas diffusion layer adjacent thereto are provided. The unevenness of the gas exchange action can be reduced as much as possible. Therefore, the fuel cell 1 can effectively utilize the catalyst at the anode 71 or the cathode 72, and as a result, the power generation performance and the stability during operation can be improved. Furthermore, since the regenerative fuel cell system 100 according to the present embodiment includes such a fuel cell 1, the power generation performance and stability during operation can be improved as a whole system.
第２に、本実施形態に係る第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４によれば、上記のとおりガスの流速の均一化を図ることができるため、ガス出口側の流路でも、ガスの流速を確保することができる。ここで、本実施形態の利点を説明するに際し、まず、従来のセパレータで生じ得る流路における水つまりについて略説する。 Second, according to the first separator 73 or the second separator 74 according to the present embodiment, the gas flow rate can be made uniform as described above. Can be secured. Here, in describing the advantages of the present embodiment, first, the water clogging that may occur in a conventional separator is briefly outlined.
図６は、従来の燃料電池の構成を示す概略断面図である。ここで、従来の燃料電池は、電解質膜８０と、燃料極としてのアノード８１及び酸素極としてのカソード８２と、酸素を流通させる流路８３ａを有する第２セパレータ８３とを含む。ここで、流路８３ａは、Ｚ方向プラス側からマイナス側へ連接されており、不図示であるが、Ｚ方向プラス側の入口から導入されたガスは、Ｚ方向マイナス側の出口から排出される。特に第２セパレータ８３の流路８３ａには、燃料電池１内での反応で生じた水が導入され、導入された水は、流路８３ａ内を伝ってガス出口側へ向かう。したがって、流路８３ａ内の水は、図６に示すように、特にガス出口側に近い流路８３ａに溜まりやすく、好適に排出しなければ、水つまりが生じるおそれがあった。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a conventional fuel cell. Here, the conventional fuel cell includes an electrolyte membrane 80, an anode 81 as a fuel electrode, a cathode 82 as an oxygen electrode, and a second separator 83 having a flow path 83a for circulating oxygen. Here, the flow path 83a is connected from the Z direction plus side to the minus side, and although not shown, the gas introduced from the Z direction plus side inlet is discharged from the Z direction minus side outlet. . In particular, water generated by the reaction in the fuel cell 1 is introduced into the flow path 83a of the second separator 83, and the introduced water travels through the flow path 83a toward the gas outlet side. Therefore, as shown in FIG. 6, the water in the flow path 83a tends to accumulate in the flow path 83a particularly near the gas outlet side, and there is a possibility that water clogging may occur unless it is suitably discharged.
そのため、従来は、ガス出口側に近い流路８３ａにおいて、ガスの流速を増加させ、流路８３ａ内の水を外部に排出させることで水つまりの発生を抑えている。このとき、ガスの流速を増加させる方法としては、予め反応に必要なガスの流量以上のガスを燃料電池１内に供給させ、反応に用いられなかった余剰ガスの流れで、反応により生成された水を排出していた。しかし、余剰ガスを外部に投棄する非再生型の燃料電池システムでは、余剰ガスが増加すると、燃料利用率が下がり、燃費が悪化するため、望ましくない。一方、余剰ガスを循環させて再利用する再生型燃料電池システムでは、余剰ガスが増加すると、循環ポンプなどの容量を大きくする必要が生じるため、望ましくない。 Therefore, conventionally, in the flow path 83a near the gas outlet side, the generation of water clogging is suppressed by increasing the gas flow rate and discharging the water in the flow path 83a to the outside. At this time, as a method for increasing the gas flow rate, a gas having a flow rate higher than that required for the reaction is supplied into the fuel cell 1 in advance, and a surplus gas flow that has not been used for the reaction is generated by the reaction. It was draining water. However, in a non-regenerative fuel cell system in which surplus gas is dumped to the outside, an increase in surplus gas is undesirable because the fuel utilization rate decreases and fuel consumption deteriorates. On the other hand, in a regenerative fuel cell system in which surplus gas is circulated and reused, if the surplus gas increases, the capacity of a circulation pump or the like needs to be increased, which is not desirable.
これに対して、本実施形態では、ガス出口側の流路でもガスの流速を確保することができるので、排水性能を向上させ、水つまりの発生を抑えることができる。そして、本実施形態によれば、従来のように余剰ガスを増加させる必要がない。このことは、非再生型でも、余剰ガスを循環する動力を極力抑え、高い利用率での運転を求められる燃料電池や、本実施形態に係る燃料電池１のように、純水素及び純酸素を用いる再生型としての燃料電池に、特に好適である。 On the other hand, in this embodiment, since the gas flow rate can be ensured even in the flow path on the gas outlet side, the drainage performance can be improved and the generation of water clogging can be suppressed. And according to this embodiment, it is not necessary to increase surplus gas unlike the past. This means that, even in the non-regenerative type, pure hydrogen and pure oxygen are reduced as in a fuel cell that is required to operate with a high utilization rate by suppressing the power to circulate surplus gas as much as possible. It is particularly suitable for a fuel cell as a regeneration type to be used.
以上のように、本実施形態に係る、燃料電池用のセパレータによれば、反応面内の流路を流れるガスの流速を均一化するのに有利となる。また、本実施形態に係る燃料電池、又はそれを用いた再生型燃料電池システムによれば、このようなセパレータを有することから、発電性能や運転時の安定性を向上させる点で有利となる。 As described above, the fuel cell separator according to the present embodiment is advantageous in making the flow velocity of the gas flowing in the flow path in the reaction surface uniform. Further, the fuel cell according to the present embodiment or the regenerative fuel cell system using the fuel cell has such a separator, which is advantageous in improving the power generation performance and the stability during operation.
なお、本実施形態に係る第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４によれば、燃料電池１が内部自己加湿を行う構成を有する場合でも、流路７３ａ等の流路においてスムーズに水を移動させることができる点で有利となる。 In addition, according to the 1st separator 73 or the 2nd separator 74 which concerns on this embodiment, even when the fuel cell 1 has the structure which performs internal self-humidification, water is moved smoothly in flow paths, such as the flow path 73a. This is advantageous in that
図５は、内部自己加湿の原理について説明するための図である。内部自己加湿を行う燃料電池１では、アノード７１を流れるガスとカソード７２を流れるガスとを対向させて流す。このような対向流を実現するためには、アノード７１又はカソード７２のどちらか一方において、重力に逆らってガスを流すことが必要となる。この場合、例えば、図５（ａ）に示すように、アノード７１を、図３に示す場合とはＺ方向で反対となるように設置すればよい。これにより、図５（ｂ）に示すように、カソード７２で生成された水が電解質膜７０を浸透してアノード７１へ達し、カソード７２の出口付近から供給された、乾いたアノードガスを加湿することで、当該浸透してきた水を、その後の反応に利用させることができる。燃料電池１は、このような内部自己加湿を行うことで、別途、加湿器を設置する必要がなくなる。 FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of internal self-humidification. In the fuel cell 1 that performs internal self-humidification, the gas flowing through the anode 71 and the gas flowing through the cathode 72 are caused to flow opposite to each other. In order to realize such counterflow, it is necessary to flow gas against gravity in either the anode 71 or the cathode 72. In this case, for example, as shown in FIG. 5A, the anode 71 may be installed so as to be opposite to the case shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 5B, water generated at the cathode 72 penetrates the electrolyte membrane 70 to reach the anode 71, and humidifies the dry anode gas supplied from the vicinity of the outlet of the cathode 72. Thus, the permeated water can be used for the subsequent reaction. By performing such internal self-humidification, the fuel cell 1 does not require a separate humidifier.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
７３ 第１セパレータ
７３ａ 流路
７３ｂ 反応面
７３ｃ 第１ガス導入口
７３ｄ 第１ガス排出口
７４ 第２セパレータ
73 First separator 73a Flow path 73b Reaction surface 73c First gas inlet 73d First gas outlet 74 Second separator
Claims (4)
前記反応面に設けられ、それぞれ並伸し、ガスを流通させる流路を構成する複数の流路溝と、
前記複数の流路溝にガスを導入させる導入口と、
前記複数の流路溝を通過したガスを外部に排出する排出口と、を有し、
前記複数の流路溝は、前記流路溝の幅を維持しながら、隣り合う前記流路溝と連通し、
前記排出口の側にある前記流路溝の本数は、前記導入口の側にある前記流路溝の本数よりも少なく、
前記流路溝の本数は、前記反応面でのガスの流量分布に基づいて決定される、燃料電池用のセパレータ。 A plate-shaped main body with a reaction surface set on the main plane;
A plurality of channel grooves provided on the reaction surface, each extending in parallel and constituting a channel through which gas flows;
An inlet for introducing gas into the plurality of flow channel grooves;
A discharge port for discharging the gas that has passed through the plurality of flow channel grooves to the outside,
The plurality of flow channel grooves communicate with the adjacent flow channel grooves while maintaining the width of the flow channel groove,
The number of the channel grooves on the discharge port side is less than the number of the channel grooves on the inlet side,
The separator for a fuel cell, wherein the number of the channel grooves is determined based on a gas flow rate distribution on the reaction surface.
前記反応面におけるガスの利用率をｓとし、
前記反応面において、前記導入口に連接される前記流路溝の入口と、前記排出口に連接される前記流路溝の出口との間の長さをＬとし、
前記流路溝の入口からの距離をｘとすると、
前記距離ｘの位置における前記流路溝の本数Ｎ（ｘ）は、
Ｎ（ｘ）＝（ｎ／（１−ｓ））・（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ）
で表される、請求項１に記載のセパレータ。 The number of the channel grooves connected to the discharge port is n,
S is the gas utilization rate on the reaction surface,
In the reaction surface, the length between the inlet of the flow channel connected to the inlet and the outlet of the flow channel connected to the outlet is L,
If the distance from the inlet of the channel groove is x,
The number N (x) of the channel grooves at the position of the distance x is
N (x) = (n / (1-s)). (1- (s / L) .x)
The separator of Claim 1 represented by these.
前記電解質膜を挟み込むアノード及びカソードと、
前記電解質膜、前記アノード及び前記カソードを含む接合体を挟み込み、前記アノード又は前記カソードに、反応面からガスを供給する請求項１又は２に記載のセパレータと、
を有する燃料電池。 An electrolyte membrane;
An anode and a cathode sandwiching the electrolyte membrane;
The separator according to claim 1 or 2, wherein a separator including the electrolyte membrane, the anode, and the cathode is sandwiched, and gas is supplied to the anode or the cathode from a reaction surface.
A fuel cell.
前記燃料電池から排出されたガスから水を回収して水素と酸素とを生成し、前記燃料電池での発電に利用させる水電解装置と、
を有する再生型燃料電池システム。 The fuel cell according to claim 3, wherein the fuel cell generates power using hydrogen and oxygen;
A water electrolyzer that recovers water from the gas discharged from the fuel cell to generate hydrogen and oxygen, and that is used for power generation in the fuel cell;
A regenerative fuel cell system.
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