JP4643969B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された内部マニホールド型燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。   The present invention provides an internal manifold in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas introduction port and a reaction gas discharge port are formed through the stacking direction. The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between separators. It has a power generation cell. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。   In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

この場合、アノード側電極に供給される燃料ガスには、消費されずに燃料電池から排出される未反応部分が存在しており、この未反応部分が廃棄されることによる燃費の低下が懸念されている。このため、燃料電池から排出される未反応部分を新たな燃料ガスに混合し、再度、アノード側電極に供給する燃料ガス循環路を備える構造が採用されている。   In this case, the fuel gas supplied to the anode side electrode includes an unreacted portion that is discharged from the fuel cell without being consumed, and there is a concern that the fuel consumption may be reduced due to the disposal of the unreacted portion. ing. For this reason, a structure including a fuel gas circulation path in which an unreacted portion discharged from the fuel cell is mixed with new fuel gas and supplied to the anode side electrode again is adopted.

ところで、固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００℃）であるため、燃料電池スタックに導入された後に電解質膜に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、前記燃料電池スタックの反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び／又は燃料ガス流路）内や該燃料電池スタックを積層方向に貫通し且つ前記反応ガス流路に連通するマニホールドである反応ガス連通孔（酸化剤ガス連通孔及び／又は燃料ガス連通孔）内で冷却され、液体の状態で存在し易い。   By the way, since the operation temperature of the polymer electrolyte fuel cell is relatively low (˜100 ° C.), moisture that has not been absorbed by the electrolyte membrane after being introduced into the fuel cell stack, or moisture generated by the reaction is present. A reaction gas that is a manifold that passes through the fuel cell stack in the stacking direction and communicates with the reaction gas passage in the reaction gas passage (oxidant gas passage and / or fuel gas passage) of the fuel cell stack It is cooled in the communication hole (oxidant gas communication hole and / or fuel gas communication hole) and tends to exist in a liquid state.

しかしながら、上記のように、燃料ガスを燃料電池に循環供給する構造では、前記燃料電池から排出される水分（生成水）が、前記燃料電池に戻されてしまい、アノード側電極にフラッディングが惹起されるという問題がある。また、カソード側電極に供給される空気中の窒素が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガスに混入し、前記窒素濃度が高くなるおそれがある。   However, as described above, in the structure in which the fuel gas is circulated and supplied to the fuel cell, the water (product water) discharged from the fuel cell is returned to the fuel cell, and flooding is caused in the anode side electrode. There is a problem that. Further, nitrogen in the air supplied to the cathode side electrode may pass through the solid polymer electrolyte membrane and enter the fuel gas, and the nitrogen concentration may increase.

このため、燃料ガス循環路から水分や窒素等を含む燃料ガスをパージする処理が行われており、例えば、特許文献１に開示されている水素パージ制御装置が知られている。この水素パージ制御装置を組み込む燃料電池システムは、図４に示すように、燃料電池１を備えており、この燃料電池１のカソード（図示せず）には、コンプレッサ２を介して所定圧力に加圧された空気が空気供給流路３を介して供給されるとともに、前記燃料電池１のアノード（図示せず）には、水素タンク４から水素ガス供給流路５を通って水素ガスが供給されている。   For this reason, the process which purges fuel gas containing a water | moisture content, nitrogen, etc. from a fuel gas circulation path is performed, for example, the hydrogen purge control apparatus currently disclosed by patent document 1 is known. As shown in FIG. 4, the fuel cell system incorporating the hydrogen purge control device includes a fuel cell 1, and a cathode (not shown) of the fuel cell 1 is applied with a predetermined pressure via a compressor 2. Pressurized air is supplied through the air supply passage 3, and hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 4 through the hydrogen gas supply passage 5 to the anode (not shown) of the fuel cell 1. ing.

燃料電池１で消費されなかった未反応の水素ガスは、生成水と共に水素ガス循環流路６に排出され、エゼクタ７を介して水素ガス供給流路５に導入されている。水素ガス循環流路６には、パージ弁８を介してパージ水素希釈器９が接続される一方、前記燃料電池１から排出される空気は、生成水と共に空気排出流路３ａを介して前記パージ水素希釈器９に導入されている。   Unreacted hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell 1 is discharged into the hydrogen gas circulation channel 6 together with the produced water, and is introduced into the hydrogen gas supply channel 5 via the ejector 7. A purge hydrogen diluter 9 is connected to the hydrogen gas circulation flow path 6 via a purge valve 8, while the air discharged from the fuel cell 1 is purged together with generated water via the air discharge flow path 3 a. A hydrogen diluter 9 is introduced.

このため、パージを行う際には、パージ弁８が開放されて燃料電池１から排出される水素ガスが、生成水と共にパージ水素希釈器９に流入する一方、このパージ水素希釈器９内には、前記燃料電池１から排出される空気及び生成水が供給されている。従って、水素ガスは、排出空気と混合されて希釈され、水素濃度が所定濃度以下に調整された後、外部に排出されている。   For this reason, when purging, the purge valve 8 is opened and the hydrogen gas discharged from the fuel cell 1 flows into the purge hydrogen diluter 9 together with the produced water. The air and generated water discharged from the fuel cell 1 are supplied. Accordingly, the hydrogen gas is mixed with the discharge air and diluted, and after the hydrogen concentration is adjusted to a predetermined concentration or less, it is discharged outside.

特開２００４−５５２８７号公報（図１）JP 2004-55287 A (FIG. 1)

ところで、上記の特許文献１では、燃料電池１に供給された空気は、カソードにおける反応によって生成される生成水と共に空気排出流路３ａに排出されるため、前記生成水の量の変化によって前記燃料電池１内における空気圧力が変動し易い。これにより、燃料電池１に供給される空気流量の制御が困難になるおそれがある。   By the way, in the above-mentioned Patent Document 1, since the air supplied to the fuel cell 1 is discharged to the air discharge passage 3a together with the generated water generated by the reaction at the cathode, the fuel is generated by the change in the amount of the generated water. The air pressure in the battery 1 is likely to fluctuate. This may make it difficult to control the flow rate of air supplied to the fuel cell 1.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックから生成水を効率的に排出して酸化剤ガス流量の制御を容易に行うとともに、燃費を良好に向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and can efficiently discharge the generated water from the fuel cell stack to easily control the oxidant gas flow rate and improve the fuel efficiency. An object is to provide a battery system.

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された燃料電池スタックと、前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に連通する希釈機構と、流路の一端が前記反応ガス排出口の他方である酸化剤ガス排出口に連通し、流路の他端が前記希釈機構に連通する排ガス流路と、流路の一端が前記排ガス流路とは個別に前記酸化剤ガス排出口に連通して前記燃料電池スタックの外部に露呈し、流路の他端が前記希釈機構に連通して前記酸化剤ガス排出口から前記希釈機構に、主として液滴を排出するドレン流路と、前記希釈機構に連通し、前記希釈機構からガス成分及び液滴を排出する排出流路とを備えている。   The present invention provides a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas introduction port and a reaction gas discharge port are formed through the stacking direction. A stack, a dilution mechanism communicating with the fuel gas outlet that is one of the reactant gas outlets, and one end of the flow path communicating with the oxidant gas outlet that is the other of the reactant gas outlets, An exhaust gas flow channel having an end communicating with the dilution mechanism, and one end of the flow channel separately communicated with the oxidant gas discharge port separately from the exhaust gas flow channel and exposed to the outside of the fuel cell stack. An end communicates with the dilution mechanism, and a drain channel mainly for discharging droplets from the oxidant gas discharge port to the dilution mechanism, and communicates with the dilution mechanism and discharges gas components and droplets from the dilution mechanism. And a discharge channel .

また、少なくともドレン流路には、流量制御機構が配設されることが好ましい。流量制御機構を操作することにより、ドレン流路の開閉が行われ、排水制御が確実に遂行されるからである。   Further, it is preferable that a flow rate control mechanism is disposed at least in the drain flow path. This is because by operating the flow rate control mechanism, the drain flow path is opened and closed, and drainage control is reliably performed.

本発明によれば、酸化剤ガス排出口の生成水（液滴）は、排水を主とするドレン流路に排出されて希釈機構に供給される。このため、酸化剤ガス排出口内の水分量が有効に削減され、この酸化剤ガス排出口から排ガス流路に排出される排ガス中に生成水が混入することを抑制することができる。これにより、酸化剤ガスの圧力変動を良好に阻止することが可能になり、前記酸化剤ガスの流量を容易且つ確実に制御することができる。   According to the present invention, the generated water (droplet) at the oxidant gas discharge port is discharged to a drain channel mainly including waste water and supplied to the dilution mechanism. For this reason, the amount of water in the oxidant gas discharge port is effectively reduced, and it is possible to suppress the generation water from being mixed into the exhaust gas discharged from the oxidant gas discharge port to the exhaust gas passage. Thereby, it becomes possible to satisfactorily prevent the pressure fluctuation of the oxidant gas, and the flow rate of the oxidant gas can be controlled easily and reliably.

しかも、排ガス流路に排出される生成水量が削減されるため、酸化剤ガスを燃料電池スタックから希釈機構に供給するためのファンや過給機等の消費電力を抑えることが可能になり、燃費の向上が容易に図られる。   In addition, since the amount of generated water discharged into the exhaust gas flow path is reduced, it becomes possible to suppress power consumption of a fan, a supercharger, etc. for supplying oxidant gas from the fuel cell stack to the dilution mechanism, and fuel consumption Can be easily improved.

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略説明図である。   FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention.

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備える。この燃料電池スタック１２は、複数の単位セル１４が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及び第１エンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性プレート１８ｂ及び第２エンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。   The fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12. In the fuel cell stack 12, a plurality of unit cells 14 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction), and at one end in the stacking direction, a terminal plate 16a, an insulating plate 18a, and a first end plate 20a face outward. Are arranged sequentially. At the other end in the stacking direction of the unit cells 14, a terminal plate 16b, an insulating plate 18b, and a second end plate 20b are sequentially arranged outward.

図１及び図２に示すように、各単位セル１４は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2, each unit cell 14 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 22, and a thin plate-shaped first and second sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 22. Second metal separators 24 and 26 are provided. Instead of the first and second metal separators 24 and 26, for example, a carbon separator may be employed.

単位セル１４の長辺方向（図２中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（導入口）２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３０ａ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（排出口）３２ｂが設けられる。   One end edge of the unit cell 14 in the long side direction (in the direction of arrow B in FIG. 2) communicates with each other in the direction of arrow A to supply an oxidant gas (introduction port). 28a, a cooling medium inlet communication hole 30a for supplying the cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole (discharge port) 32b for discharging the fuel gas are provided.

単位セル１４の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（導入口）３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（排出口）２８ｂが設けられる。   The other end edge of the unit cell 14 in the long side direction communicates with each other in the direction of the arrow A, a fuel gas inlet communication hole (inlet port) 32a for supplying fuel gas, and cooling for discharging the cooling medium A medium outlet communication hole 30b and an oxidant gas outlet communication hole (discharge port) 28b for discharging the oxidant gas are provided.

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 22 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 34 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 36 and a cathode side electrode 38 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 34. With.

アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。   The anode side electrode 36 and the cathode side electrode 38 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 34.

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路４０が形成される。第１金属セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４２が形成される。   A fuel gas flow path 40 that connects the fuel gas inlet communication hole 32a and the fuel gas outlet communication hole 32b is formed on the surface 24a of the first metal separator 24 facing the electrolyte membrane / electrode structure 22. A cooling medium flow path 42 that connects the cooling medium inlet communication hole 30 a and the cooling medium outlet communication hole 30 b is formed on the surface 24 b of the first metal separator 24.

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、酸化剤ガス流路４４が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス入口連通孔２８ａと酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとに連通する。第２金属セパレータ２６の面２６ｂには、第１金属セパレータ２４の面２４ｂと重なり合って冷却媒体流路４２が一体的に形成される。   The surface 26a of the second metal separator 26 facing the electrolyte membrane / electrode structure 22 is provided with an oxidant gas flow path 44. The oxidant gas flow path 44 is connected to the oxidant gas inlet communication hole 28a and the oxidant. It communicates with the gas outlet communication hole 28b. A cooling medium flow path 42 is integrally formed on the surface 26 b of the second metal separator 26 so as to overlap the surface 24 b of the first metal separator 24.

第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形されるとともに、第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。   On the surfaces 24a and 24b of the first metal separator 24, a first seal member 46 is integrally formed around the outer peripheral edge of the first metal separator 24, and the surfaces 26a and 26b of the second metal separator 26 are integrally formed. The second seal member 48 is integrally molded around the outer peripheral edge of the second metal separator 26.

図１に示すように、燃料電池スタック１２には、燃料ガス供給系５０、酸化剤ガス供給系５２及び冷却媒体供給系（図示せず）が組み込まれる。燃料ガス供給系５０は、水素タンク５４を備え、この水素タンク５４は、バルブ５６からエゼクタ５８を介して燃料ガス循環路６０に接続される。この燃料ガス循環路６０は、第１エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３２ａに連結される。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 12 includes a fuel gas supply system 50, an oxidant gas supply system 52, and a cooling medium supply system (not shown). The fuel gas supply system 50 includes a hydrogen tank 54, and the hydrogen tank 54 is connected to a fuel gas circulation path 60 through a valve 56 and an ejector 58. The fuel gas circulation path 60 is connected to the fuel gas inlet communication hole 32a of the first end plate 20a.

第１エンドプレート２０ａの燃料ガス出口連通孔３２ｂは、燃料ガス排出路６２を介してエゼクタ５８に連通するとともに、前記燃料ガス排出路６２の途上には、パージ流路６４が設けられ、このパージ流路６４は、バルブ６６を介して希釈ボックス（希釈機構）６８に接続される。   The fuel gas outlet communication hole 32b of the first end plate 20a communicates with the ejector 58 through the fuel gas discharge path 62, and a purge flow path 64 is provided in the middle of the fuel gas discharge path 62. The flow path 64 is connected to a dilution box (dilution mechanism) 68 via a valve 66.

酸化剤ガス供給系５２は、加圧空気を発生させる、例えば、コンプレッサ７０を備え、このコンプレッサ７０は、酸化剤ガス供給路７２を介して第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔２８ａに連通する。第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス出口連通孔２８ｂには、希釈ガス流路（排ガス流路）７４が接続されるとともに、前記希釈ガス流路７４は、希釈ボックス６８に連通する。   The oxidant gas supply system 52 includes, for example, a compressor 70 that generates pressurized air. The compressor 70 is connected to the oxidant gas inlet communication hole 28a of the first end plate 20a via the oxidant gas supply path 72. Communicate. A dilution gas flow path (exhaust gas flow path) 74 is connected to the oxidizing gas outlet communication hole 28 b of the first end plate 20 a, and the dilution gas flow path 74 communicates with the dilution box 68.

第２エンドプレート２０ｂの酸化剤ガス出口連通孔２８ｂには、希釈ガス流路７４とは個別に希釈ボックス６８に連通するドレン流路７６が接続される。ドレン流路７６は、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに対して希釈ガス流路７４よりも下方に配置されるとともに、前記希釈ガス流路７４よりも小径に設定されることが好ましい。このドレン流路７６には、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに近接してバルブユニット７８が設けられている。   A drain flow path 76 communicating with the dilution box 68 separately from the dilution gas flow path 74 is connected to the oxidizing gas outlet communication hole 28b of the second end plate 20b. The drain channel 76 is preferably disposed below the dilution gas channel 74 with respect to the oxidant gas outlet communication hole 28 b and is set to have a smaller diameter than the dilution gas channel 74. The drain channel 76 is provided with a valve unit 78 in the vicinity of the oxidant gas outlet communication hole 28b.

図３に示すように、バルブユニット７８は、ドレン流路７６に配設され、このドレン流路７６に所定量の液滴が溜まったことを検出するためのセンサ、例えば、静電容量センサ８０と、前記静電容量センサ８０の近傍に配置されて前記ドレン流路７６を開閉するバルブ８２と、前記静電容量センサ８０からの信号に基づいて前記バルブ８２を制御する制御部８４とを備える。なお、センサとしては、静電容量センサ８０に代替して、例えば、超音波センサ等、管内の液滴の有無を検出可能な種々のセンサが使用可能である。   As shown in FIG. 3, the valve unit 78 is disposed in the drain channel 76, and a sensor for detecting that a predetermined amount of liquid has accumulated in the drain channel 76, for example, a capacitance sensor 80. A valve 82 that is disposed in the vicinity of the capacitance sensor 80 and opens and closes the drain flow path 76, and a controller 84 that controls the valve 82 based on a signal from the capacitance sensor 80. . As the sensor, various sensors capable of detecting the presence or absence of liquid droplets in the tube, such as an ultrasonic sensor, can be used instead of the capacitance sensor 80.

図１に示すように、希釈ボックス６８には、この希釈ボックス６８内の生成水及びガス成分（主として希釈された燃料ガス成分）を外部に排出するための排出流路８６が接続される。この排出流路８６には、開閉用のバルブ８８が設けられる。   As shown in FIG. 1, the dilution box 68 is connected to a discharge flow path 86 for discharging generated water and gas components (mainly diluted fuel gas components) in the dilution box 68 to the outside. The discharge channel 86 is provided with a valve 88 for opening and closing.

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給系５２を介して燃料電池スタック１２を構成する第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔２８ａに、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気が供給される。一方、燃料ガス供給系５０を構成する水素タンク５４は、バルブ５６を介して燃料ガス循環路６０に水素含有ガス等の燃料ガスを供給する。この燃料ガスは、第１エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３２ａに供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas, for example, an oxygen-containing gas is introduced into the oxidant gas inlet communication hole 28a of the first end plate 20a constituting the fuel cell stack 12 via the oxidant gas supply system 52. Air is supplied. On the other hand, the hydrogen tank 54 constituting the fuel gas supply system 50 supplies a fuel gas such as a hydrogen-containing gas to the fuel gas circulation path 60 via the valve 56. This fuel gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 32a of the first end plate 20a.

さらに、図示しない冷却媒体供給系を介して、第１エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３０ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が循環供給される。   Furthermore, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is circulated and supplied to the cooling medium inlet communication hole 30a of the first end plate 20a through a cooling medium supply system (not shown).

図２に示すように、燃料電池スタック１２内では、酸化剤ガスが、酸化剤ガス入口連通孔２８ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６に沿って移動する。   As shown in FIG. 2, in the fuel cell stack 12, oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet communication hole 28 a into the oxidant gas flow path 44 of the second metal separator 26, and the electrolyte membrane / electrode structure 22. It moves along the cathode side electrode 38. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 40 of the first metal separator 24 from the fuel gas inlet communication hole 32 a and moves along the anode side electrode 36 of the electrolyte membrane / electrode structure 22.

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 22, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 38 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 36 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

また、冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３０ｂを移動して第１エンドプレート２０ａに連結された図示しない循環流路に排出され、循環使用される。   The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling medium flow path 42 between the first and second metal separators 24, 26. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 22, then moves through the cooling medium outlet communication hole 30 b and is discharged to a circulation channel (not shown) connected to the first end plate 20 a for circulation.

次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに沿って流動した後、第１エンドプレート２０ａに連結された希釈ガス流路７４に排出される（図１参照）。この希釈ガス流路７４に排出された酸化剤ガスは、希釈ボックス６８に、常時、供給される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 38 flows along the oxidant gas outlet communication hole 28b, and is then discharged to the dilution gas flow path 74 connected to the first end plate 20a. (See FIG. 1). The oxidant gas discharged to the dilution gas channel 74 is always supplied to the dilution box 68.

同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガス（以下、消費燃料ガスともいう）は、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出されて流動し、第１エンドプレート２０ａに連結された燃料ガス排出路６２に排出される。この消費燃料ガスは、エゼクタ５８の作用下に燃料ガス循環路６０に戻され、新たな燃料ガスと混在されて第１エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３２ａに循環供給される。   Similarly, the fuel gas that is consumed by being supplied to the anode side electrode 36 (hereinafter also referred to as “consumed fuel gas”) is discharged to the fuel gas outlet communication hole 32b, flows, and is connected to the first end plate 20a. It is discharged to the gas discharge path 62. The consumed fuel gas is returned to the fuel gas circulation path 60 under the action of the ejector 58, mixed with new fuel gas, and circulated and supplied to the fuel gas inlet communication hole 32a of the first end plate 20a.

この場合、本実施形態では、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂの第２エンドプレート２０ｂ側の端部には、ドレン流路７６が接続されるとともに、このドレン流路７６の高さ位置は、希釈ガス流路７４の高さ位置よりも低く設定されている。従って、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂの生成水は、ドレン流路７６に円滑に排出され、バルブユニット７８の作用下に希釈ボックス６８に供給される。   In this case, in this embodiment, the drain channel 76 is connected to the end of the oxidant gas outlet communication hole 28b on the second end plate 20b side, and the height position of the drain channel 76 is diluted. It is set lower than the height position of the gas flow path 74. Accordingly, the generated water in the oxidant gas outlet communication hole 28 b is smoothly discharged to the drain channel 76 and supplied to the dilution box 68 under the action of the valve unit 78.

バルブユニット７８では、図３に示すように、予めバルブ８２を介してドレン流路７６が閉塞されており、静電容量センサ８０が前記ドレン流路７６に排出される水分量を検出する。そして、検出された水分量が所定量となる際に、制御部８４を介して前記バルブ８２が開放される。このため、コンプレッサ７０を介して燃料電池スタック１２内に供給される圧縮酸化剤ガス（空気）の圧力によって、ドレン流路７６の生成水は、希釈ボックス６８に確実に導入される。   In the valve unit 78, as shown in FIG. 3, the drain flow path 76 is previously closed via the valve 82, and the capacitance sensor 80 detects the amount of moisture discharged into the drain flow path 76. Then, when the detected amount of water reaches a predetermined amount, the valve 82 is opened via the control unit 84. Therefore, the generated water in the drain passage 76 is reliably introduced into the dilution box 68 by the pressure of the compressed oxidant gas (air) supplied into the fuel cell stack 12 via the compressor 70.

これにより、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ内の水分量が有効に削減され、この酸化剤ガス出口連通孔２８ｂから希釈ガス流路７４に排出される希釈ガス（使用済み酸化剤ガス）中に、生成水が混入することを抑制することができる。   As a result, the amount of water in the oxidant gas outlet communication hole 28b is effectively reduced, and in the dilution gas (used oxidant gas) discharged from the oxidant gas outlet communication hole 28b to the dilution gas channel 74, It can suppress that produced water mixes.

これにより、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスの圧力変動を良好に阻止することが可能になり、前記酸化剤ガスの流量を容易且つ確実に制御することができるという効果が得られる。しかも、希釈ガス流路７４に排出される生成水量が削減されるため、酸化剤ガスを燃料電池スタック１２から希釈ボックス６８に供給するためのコンプレッサ７０の消費電力を抑えることが可能になり、燃費の向上が容易に図られる。   Thereby, it becomes possible to satisfactorily prevent the pressure fluctuation of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 12, and the effect that the flow rate of the oxidant gas can be easily and reliably controlled is obtained. In addition, since the amount of generated water discharged to the dilution gas flow path 74 is reduced, it is possible to suppress the power consumption of the compressor 70 for supplying the oxidant gas from the fuel cell stack 12 to the dilution box 68, and the fuel consumption Can be easily improved.

ところで、燃料ガスのパージを行う際には、パージ流路６４に設けられているバルブ６６が開放され、燃料ガス排出路６２から水分、窒素ガス及び燃料ガスを含むパージガスが希釈ボックス６８に導出される。この希釈ボックス６８では、希釈ガス流路７４を介して希釈ガスが、常時、供給されており、水素濃度が所定値以下になったガス成分及び生成水は、バルブ８８の開放作用下に排出流路８６から外部に排出される。   By the way, when purging the fuel gas, the valve 66 provided in the purge flow path 64 is opened, and the purge gas containing moisture, nitrogen gas and fuel gas is led out from the fuel gas discharge path 62 to the dilution box 68. The In this dilution box 68, the dilution gas is constantly supplied via the dilution gas flow path 74, and the gas component and the generated water whose hydrogen concentration has become a predetermined value or less are discharged while the valve 88 is opened. It is discharged from the path 86 to the outside.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムを構成する単位セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the unit cell which comprises the said fuel cell system. 前記燃料電池システムを構成するバルブユニットの説明図である。It is explanatory drawing of the valve unit which comprises the said fuel cell system. 特許文献１の燃料電池システムの説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell system of Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…単位セル ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…金属セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３０ａ…冷却媒体入口連通孔 ３０ｂ…冷却媒体出口連通孔
３２ａ…燃料ガス入口連通孔 ３２ｂ…燃料ガス出口連通孔
３４…固体高分子電解質膜 ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極 ４０…燃料ガス流路
４２…冷却媒体流路 ４４…酸化剤ガス流路
５０…燃料ガス供給系 ５２…酸化剤ガス供給系
５４…水素タンク ５６、６６、８２、８８…バルブ
５８…エゼクタ ６０…燃料ガス循環路
６２…燃料ガス排出路 ６４…パージ流路
６８…希釈ボックス ７０…コンプレッサ
７２…酸化剤ガス供給路 ７４…希釈ガス流路
７６…ドレン流路 ７８…バルブユニット
８６…排出流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Unit cell 20a, 20b ... End plate 22 ... Electrolyte membrane and electrode structure 24, 26 ... Metal separator 28a ... Oxidant gas inlet communication hole 28b ... Oxidant gas outlet communication hole 30a ... Cooling medium inlet communication hole 30b ... Cooling medium outlet communication hole 32a ... Fuel gas inlet communication hole 32b ... Fuel gas outlet communication hole 34 ... Solid polymer electrolyte membrane 36 ... Anode side electrode 38 ... Cathode side electrode 40 ... Fuel gas flow Path 42 ... Cooling medium flow path 44 ... Oxidant gas flow path 50 ... Fuel gas supply system 52 ... Oxidant gas supply system 54 ... Hydrogen tank 56, 66, 82, 88 ... Valve 58 ... Ejector 60 ... Fuel gas circulation path 62 ... Fuel gas discharge path 64 ... Purge flow path 68 ... Dilution box 70 ... Compressor 72 ... Oxidant gas supply path 74 ... Dilution gas flow path 7 ... drain channel 78 ... valve unit 86 ... discharge channel

Claims (3)

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された燃料電池スタックと、
前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に連通する希釈機構と、
前記燃料電池スタックの下方に位置し且つ積層方向一端に設けられる前記反応ガス排出口の他方である酸化剤ガス排出口に、流路の一端が連通し、流路の他端が前記希釈機構に連通して希釈ガス及び生成水が排出される希釈ガス流路と、
流路の一端が、前記燃料電池スタックの積層方向他端に設けられる前記酸化剤ガス排出口に連通して前記燃料電池スタックの外部に露呈し、流路の他端が前記希釈機構に連通して前記酸化剤ガス排出口から前記希釈機構に、主として液滴を排出するドレン流路と、
前記希釈機構に連通し、前記希釈機構からガス成分及び液滴を排出する排出流路と、
を備え、
前記ドレン流路は、前記酸化剤ガス排出口に対して前記希釈ガス流路よりも下方に配置されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas introduction port and a reaction gas discharge port are formed through the stacking direction;
A dilution mechanism communicating with the fuel gas outlet that is one of the reaction gas outlets;
One end of the flow path communicates with the oxidant gas discharge port, which is the other of the reaction gas discharge ports located below the fuel cell stack and provided at one end in the stacking direction, and the other end of the flow channel is connected to the dilution mechanism. a dilution gas flow path diluent gas and produced water by communicating with Ru is discharged,
One end of the flow path communicates with the oxidant gas discharge port provided at the other end in the stacking direction of the fuel cell stack and is exposed to the outside of the fuel cell stack, and the other end of the flow path communicates with the dilution mechanism. A drain passage for mainly discharging droplets from the oxidant gas outlet to the dilution mechanism;
A discharge channel communicating with the dilution mechanism and discharging gas components and droplets from the dilution mechanism;
Equipped with a,
Said drain passage, said than said dilution gas flow path with respect to the oxidant gas discharge port is disposed below the fuel cell system according to claim Rukoto. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも前記ドレン流路には、流量制御機構が配設されることを特徴とする燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a flow rate control mechanism is disposed at least in the drain flow path. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記ドレン流路は、前記希釈ガス流路よりも小径に設定されることを特徴とする燃料電池システム。3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the drain channel is set to have a smaller diameter than the dilution gas channel.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11204126A (en) * 1998-01-19 1999-07-30 Aisin Seiki Co Ltd Solid polyelectrolyte type fuel cell
JP2001266925A (en) * 2000-03-16 2001-09-28 Honda Motor Co Ltd Fuel cell stack
JP2003092130A (en) * 2001-09-14 2003-03-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell
JP2004055287A (en) * 2002-07-18 2004-02-19 Honda Motor Co Ltd Hydrogen purge control device
JP2005203150A (en) * 2004-01-13 2005-07-28 Toyota Motor Corp Fuel cell system, and vehicle equipped with the same
JP2005259422A (en) * 2004-03-10 2005-09-22 Toyota Motor Corp Fuel cell system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11204126A (en) * 1998-01-19 1999-07-30 Aisin Seiki Co Ltd Solid polyelectrolyte type fuel cell
JP2001266925A (en) * 2000-03-16 2001-09-28 Honda Motor Co Ltd Fuel cell stack
JP2003092130A (en) * 2001-09-14 2003-03-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell
JP2004055287A (en) * 2002-07-18 2004-02-19 Honda Motor Co Ltd Hydrogen purge control device
JP2005203150A (en) * 2004-01-13 2005-07-28 Toyota Motor Corp Fuel cell system, and vehicle equipped with the same
JP2005259422A (en) * 2004-03-10 2005-09-22 Toyota Motor Corp Fuel cell system

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