JP2006054117A - Fuel battery device and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックを有する燃料電池装置、及びその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell device having a fuel cell stack formed by alternately laminating a unit fuel cell having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode and a separator, and an operating method thereof.
燃料電池は、水素やメタノール等の燃料気体と酸素等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として注目されており、例えば、自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。 A fuel cell is a power generation element that generates power by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen or methanol with an oxidant gas such as oxygen. A fuel cell is attracting attention as a power generation element that does not pollute the environment because the product generated by power generation is water. For example, attempts have been made to use it as a drive power source for driving an automobile. Yes.
燃料電池は、電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源として有望である。この固体高分子電解質型燃料電池は、水素を燃料とするが、その他にメタノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノールの改質を行わずに直接燃料電池に供給して発電を行う直接メタノール型燃料電池も開発されている。 Fuel cells are classified into various types depending on the difference in electrolytes and the like, and representatively, fuel cells using a solid polymer electrolyte as an electrolyte are known. Solid polymer electrolyte fuel cells are promising as drive power sources for electronic devices because they can be reduced in cost, are easy to reduce in size, thickness and weight, and have high output density in terms of battery performance. is there. In this solid polymer electrolyte fuel cell, hydrogen is used as a fuel. In addition, a fuel cell that is produced by reforming methanol or natural gas to produce hydrogen has been developed. In recent years, a direct methanol fuel cell has also been developed in which power is generated by directly supplying a fuel cell without reforming methanol.
図１０は、従来の直接メタノール型燃料電池装置９０のシステム構成の一例を示した図である。燃料であるメタノールは、メタノール供給ポンプ９２によって、メタノールタンク９１からCO2除去および燃料混合器９３に供給される。CO2除去および燃料混合器９３にてメタノールは、水分貯蔵器９８から供給される水により希釈されて、３wt％程度のメタノール水溶液となる。このメタノール水溶液は、メタノール水溶液循環ポンプ９４によって燃料電池スタック９６へ供給される。燃料電池スタック９６に供給されたメタノール水溶液は、燃料電池スタック９６内で一部消費されて、再びCO2除去および燃料混合器９３とメタノール水溶液循環ポンプ９４とを循環する。この際、分離されたCO2は大気に放出される。 FIG. 10 is a diagram showing an example of a system configuration of a conventional direct methanol fuel cell device 90. As shown in FIG. Methanol as fuel is supplied from the methanol tank 91 to the CO 2 removal and fuel mixer 93 by a methanol supply pump 92. In the CO 2 removal and fuel mixer 93, the methanol is diluted with water supplied from the water reservoir 98 to become a methanol aqueous solution of about 3 wt%. This methanol aqueous solution is supplied to the fuel cell stack 96 by a methanol aqueous solution circulation pump 94. The methanol aqueous solution supplied to the fuel cell stack 96 is partially consumed in the fuel cell stack 96 and circulates between the CO 2 removal and fuel mixer 93 and the methanol aqueous solution circulation pump 94 again. At this time, the separated CO 2 is released to the atmosphere.
一方、酸化剤である空気は、大気から空気供給器９５により燃料電池スタック９６へ供給される。燃料電池スタック９６から排出された空気は、気液分離器９７および水分貯蔵器９８にて水分が液化され、生成水の回収が行われる。また、余った空気は大気に放出される。 On the other hand, air as an oxidant is supplied from the atmosphere to the fuel cell stack 96 by the air supplier 95. The air discharged from the fuel cell stack 96 is liquefied by the gas-liquid separator 97 and the water reservoir 98, and the produced water is recovered. Excess air is released into the atmosphere.
このように、図１０に示した従来例では、大気から吸入した空気が外気温度のままで燃料電池スタックに流入するため、燃料電池スタックの温度が低下するという問題がある。燃料電池スタックの温度が低下すると、燃料電池装置の出力電圧が低下し、燃料消費量が増加する。また、空気中の水蒸気が凝縮しやすくなり、その凝縮水によって燃料電池スタック内の空気の流れが阻害され、燃料電池装置の電池性能が低下する。したがって、燃料電池装置の性能向上のためには、燃料電池スタックの温度を高く維持する対策が必要である。 As described above, the conventional example shown in FIG. 10 has a problem that the temperature of the fuel cell stack is lowered because the air sucked from the atmosphere flows into the fuel cell stack at the outside air temperature. When the temperature of the fuel cell stack decreases, the output voltage of the fuel cell device decreases and the fuel consumption increases. Further, water vapor in the air is likely to condense, the condensed water obstructs the flow of air in the fuel cell stack, and the cell performance of the fuel cell device is degraded. Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell device, it is necessary to take measures to keep the temperature of the fuel cell stack high.
燃料電池スタックの温度を高く維持するための従来の技術としては、空気をヒータにより加熱してから空気極に供給するという方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、燃料電池スタックと空気供給器の間にバッテリによって駆動するヒータを配置して、燃料電池スタックに供給する空気を暖めている。
上述したように、空気の流入による燃料電池スタックの温度低下は燃料電池装置の性能を低下させるため、これを防止するための対策が必要である。上述した特許文献１に記載されている技術は、燃料電池スタックを高温に維持できるが、燃料電池装置が複雑化、大型化するという難点がある。 As described above, since the temperature drop of the fuel cell stack due to the inflow of air deteriorates the performance of the fuel cell device, it is necessary to take measures to prevent this. Although the technique described in Patent Document 1 described above can maintain the fuel cell stack at a high temperature, there is a problem that the fuel cell device becomes complicated and large.
したがって、本発明は、機器を増設することなく、燃料電池スタックが高温維持可能な燃料電池装置及び燃料電池装置の運転方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell device and a method for operating the fuel cell device in which the fuel cell stack can be maintained at a high temperature without adding equipment.
上記の課題を解決するため、本発明に係る燃料電池装置は、電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた少なくとも一つの空気昇温流路と、該空気昇温流路に接続され、空気を前記空気極に供給する空気供給器とを有する構成とする。この構成により、前記燃料電池スタックの温度を利用して前記空気を昇温することが可能となる。 In order to solve the above problems, a fuel cell device according to the present invention includes a fuel cell stack in which unit fuel cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and separators are alternately stacked, At least one air heating channel provided through the fuel cell stack in the stacking direction of the fuel cells, and an air supplier connected to the air heating channel and supplying air to the air electrode It is set as the structure which has. With this configuration, the temperature of the air can be raised using the temperature of the fuel cell stack.
また、上記構成において、空気昇温流路は、燃料電池スタックを積層する際に使用した位置合わせ用の穴を利用することができる。これにより、燃料電池スタックに新たな貫通穴を設ける手間を省くことが可能となるとともに、上記構成を簡素化することが可能となる。 Further, in the above configuration, the air temperature rising channel can utilize the alignment hole used when stacking the fuel cell stack. As a result, it is possible to save the trouble of providing a new through hole in the fuel cell stack and to simplify the above configuration.
更に、上記構成において、空気昇温流路は、積層した前記燃料電池セルを固定する中空の締結部材を利用することができる。これにより、燃料電池スタックに新たな貫通穴を設ける手間を省くことが可能となるとともに、上記構成を簡素化することが可能となる。 Further, in the above configuration, the air temperature raising channel can use a hollow fastening member that fixes the stacked fuel cells. As a result, it is possible to save the trouble of providing a new through hole in the fuel cell stack and to simplify the above configuration.
次に本発明に係る燃料電池装置は、電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた複数の空気昇温流路と、複数の前記空気昇温流路を直列に接続する接続部材と前記空気昇温流路に接続され、空気を前記空気極に供給する空気供給器とを有する構成とする。この構成により、前記燃料電池スタックの温度を利用して前記空気を昇温することが可能となるとともに、前記燃料電池スタックの積層方向の長さよりも長い前記空気昇温流路を設けることが可能となる。 Next, a fuel cell device according to the present invention includes a unit fuel cell in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, a fuel cell stack in which separators are alternately stacked, and the fuel cell stack as described above. A plurality of air temperature rising channels provided penetrating in the stacking direction of the fuel cells, a connection member connecting a plurality of the air temperature rising channels in series and the air temperature rising channel, It is set as the structure which has an air supply device supplied to an air electrode. With this configuration, it is possible to raise the temperature of the air by using the temperature of the fuel cell stack, and it is possible to provide the air temperature raising passage longer than the length of the fuel cell stack in the stacking direction. It becomes.
次に本発明に係る燃料電池の運転方法は、電解質膜を燃料極および空気極で挟持してなる単位燃料電池セルと、セパレータとを交互に積層してなる燃料電池スタックを有する燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた空気昇温流路に空気を通すことにより該空気を昇温する工程と、昇温した空気を前記空気極に供給する工程とを備える。この運転方法により、機器を増設することなく、昇温された空気を空気極に供給することが可能となる。 Next, a method of operating a fuel cell according to the present invention is an operation of a fuel cell having a fuel cell stack in which unit fuel cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode and separators are alternately stacked. A method of raising the temperature of the air by passing air through an air temperature raising channel provided through the fuel cell stack in the stacking direction of the fuel cells; Supplying to the pole. With this operation method, it is possible to supply the heated air to the air electrode without adding equipment.
本発明に係る燃料電池装置は、燃料電池スタックの温度を利用して空気を昇温するため、空気を昇温するための特別な機器を必要としない。また、昇温した空気を空気極に供給するため、空気を供給した際の燃料電池スタックの温度を高く維持することができる。このことによって、前記燃料電池スタックの出力電力及び発電効率の向上を図ることが可能となる。さらに、燃料電池スタック内に発生する凝縮水の量が減少するため、生成水の除去を良好に行うことができる。 Since the fuel cell apparatus according to the present invention raises the temperature of the air using the temperature of the fuel cell stack, it does not require a special device for raising the temperature of the air. Further, since the heated air is supplied to the air electrode, the temperature of the fuel cell stack when the air is supplied can be kept high. As a result, the output power and power generation efficiency of the fuel cell stack can be improved. Further, since the amount of condensed water generated in the fuel cell stack is reduced, the generated water can be removed satisfactorily.
本発明に係る燃料電池の運転方法は、燃料電池スタックの温度を利用して空気を昇温するため、空気を昇温するための特別な機器を必要としない。また、昇温した空気を空気極に供給するため、空気を供給した際の燃料電池スタックの温度を高く維持することができる。このことによって、前記燃料電池スタックの出力電力及び発電効率の向上を図ることが可能となる。さらに、燃料電池スタック内に発生する凝縮水の量が減少するため、生成水の除去を良好に行うことができる。 The fuel cell operating method according to the present invention uses the temperature of the fuel cell stack to raise the temperature of the air, and thus does not require special equipment for raising the temperature of the air. Further, since the heated air is supplied to the air electrode, the temperature of the fuel cell stack when the air is supplied can be kept high. As a result, the output power and power generation efficiency of the fuel cell stack can be improved. Further, since the amount of condensed water generated in the fuel cell stack is reduced, the generated water can be removed satisfactorily.
以下、本発明に係る実施形態を図と共に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the following description, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池装置の要部断面図であり、図２は燃料電池スタック１０の一部拡大分解図である。図１に示す燃料電池スタック１０は本実施形態を概略的に説明するための図であり、実際には、隣合うセパレータ１２同士は単位燃料電池セル１１を挟持しつつ隙間なく接合されている。図１および図２に示すように、燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セル１１とセパレータ１２とが所定の数だけ交互に積層されたセル積層体と、その積層方向両端部に配置された第1エンドプレート１３と第２エンドプレート１４とで構成され、これらはタイロッドなどの締結部材（図示せず）によって一体に固定されている。また、第1エンドプレート１３から第２エンドプレート１４にかけて燃料電池スタック１０を貫通して、第１空気昇温流路１７と第２空気昇温流路１８とが設けられている。さらに、第１空気昇温流路１７および第２空気昇温流路１８は、第２エンドプレート１４側で空気供給器４５に汎用的な接続部材１５ａ、１５ｂを介して接続されている。第１空気昇温流路１７、第２空気昇温流路１８および空気供給器４５をこのように接続することで、燃料電池スタック１０の熱を利用して、空気極２１に供給する空気を昇温させることが可能となる。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged exploded view of a fuel cell stack 10. A fuel cell stack 10 shown in FIG. 1 is a diagram for schematically explaining the present embodiment. Actually, adjacent separators 12 are joined with no gap while sandwiching unit fuel cells 11. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 10 includes a cell stack in which a predetermined number of unit fuel cells 11 and separators 12 are alternately stacked, and first stacks disposed at both ends in the stacking direction. 1 end plate 13 and 2nd end plate 14 are comprised, and these are integrally fixed by fastening members (not shown), such as a tie rod. A first air temperature rising channel 17 and a second air temperature increasing channel 18 are provided through the fuel cell stack 10 from the first end plate 13 to the second end plate 14. Furthermore, the 1st air temperature rising flow path 17 and the 2nd air temperature rising flow path 18 are connected to the air supply device 45 via the general-purpose connection members 15a and 15b by the 2nd endplate 14 side. By connecting the first air temperature raising channel 17, the second air temperature raising channel 18, and the air supplier 45 in this way, the air supplied to the air electrode 21 using the heat of the fuel cell stack 10 is supplied. It is possible to raise the temperature.
図２に示すように、単位燃料電池セル１１は、固体高分子電解質膜１９と、この固体高分子電解質膜１９を挟んで配置される燃料極２０および空気極２１とで構成されている。固体高分子電解質膜１９としては、例えばスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いることができる。また、燃料極と空気極としては、発電反応を促進するための触媒が担持された電極を用いることができる。 As shown in FIG. 2, the unit fuel cell 11 includes a solid polymer electrolyte membrane 19, and a fuel electrode 20 and an air electrode 21 that are disposed with the solid polymer electrolyte membrane 19 interposed therebetween. As the solid polymer electrolyte membrane 19, for example, a sulfonic acid-based solid polymer electrolyte membrane can be used. As the fuel electrode and the air electrode, electrodes on which a catalyst for promoting a power generation reaction is supported can be used.
図３は、第１エンドプレート１３側から見たセパレータ１２の平面図である。セパレータ１２の上部側には連通孔として空気マニホールド入口２２、第１空気昇温流路１７および燃料マニホールド入口２３が設けられており、下部側には、連通孔として燃料マニホールド出口２４、第２空気昇温流路１８および空気マニホールド出口２５が設けられている。また、セパレータ１２の中央部には空気を空気極２１に供給するための空気側流路２６が設けられている。また、燃料マニホールド入口２３、燃料マニホールド出口２４およびセパレータ１２の外周付近にはシール材２７が設けられており、隣合うセパレータ１２同士が燃料電池セル１１を挟持しつつ隙間なく接合できるようになっている。さらに、セパレータ１２の裏面には、空気側流路２６と同様の流路が設けられており、この流路は燃料を燃料極２０に供給するための燃料側流路２９（図示せず）である。また、裏面においては、空気マニホールド入口２２および空気マニホールド出口２５の外周付近にシール材２７が設けられている。 FIG. 3 is a plan view of the separator 12 as viewed from the first end plate 13 side. An air manifold inlet 22, a first air heating channel 17 and a fuel manifold inlet 23 are provided as communication holes on the upper side of the separator 12, and a fuel manifold outlet 24 and second air are provided as communication holes on the lower side. A temperature raising channel 18 and an air manifold outlet 25 are provided. In addition, an air-side channel 26 for supplying air to the air electrode 21 is provided in the central portion of the separator 12. Further, a seal material 27 is provided in the vicinity of the outer periphery of the fuel manifold inlet 23, the fuel manifold outlet 24 and the separator 12, so that adjacent separators 12 can be joined with no gap while sandwiching the fuel cell 11. Yes. Further, a flow path similar to the air-side flow path 26 is provided on the back surface of the separator 12, and this flow path is a fuel-side flow path 29 (not shown) for supplying fuel to the fuel electrode 20. is there. Further, on the back surface, a sealing material 27 is provided near the outer periphery of the air manifold inlet 22 and the air manifold outlet 25.
図４は、第１エンドプレート１３側から見た燃料電池スタック１０の斜視図である。第１エンドプレート１３の上部側には、第１空気昇温流路１７が設けられており、下部側には燃料マニホールド出口２４に連通する燃料出口３０、第２空気昇温流路１８および空気マニホールド出口２５に連通する空気出口３１が設けられている。 FIG. 4 is a perspective view of the fuel cell stack 10 as viewed from the first end plate 13 side. A first air temperature raising channel 17 is provided on the upper side of the first end plate 13, and a fuel outlet 30, a second air temperature raising channel 18 and an air communicating with the fuel manifold outlet 24 are provided on the lower side. An air outlet 31 communicating with the manifold outlet 25 is provided.
図５は、第２エンドプレート１４側から見た燃料電池スタック１０の斜視図である。第２エンドプレート１４の上部側には、燃料マニホールド入口２３に連通する燃料入口３２、第１空気昇温流路燃料１７および空気マニホールド入口２２に連通する空気入口３３が設けられており、下部側には第２空気昇温流路１８が設けられている。 FIG. 5 is a perspective view of the fuel cell stack 10 as viewed from the second end plate 14 side. An upper side of the second end plate 14 is provided with a fuel inlet 32 communicating with the fuel manifold inlet 23, an air inlet 33 communicating with the first air heating channel fuel 17 and the air manifold inlet 22. Is provided with a second air heating channel 18.
図６は、本実施形態に係る燃料電池装置４０のシステム構成の一例である。この燃料電池装置４０は、燃料電池スタック１０、第１空気昇温流路１７、第２空気昇温流路１８、空気供給器４５、燃料循環系および空気処理系で構成されている。燃料循環系は、メタノールタンク４１、メタノール供給ポンプ４２、CO2除去および燃料混合器４３およびメタノール水溶液循環ポンプ４４を含んでおり、空気処理系は、気液分離器４７と水分貯蔵器４８とを含んでいる。また、これら各機器の接続は、汎用的な接続方法を用いる。 FIG. 6 is an example of a system configuration of the fuel cell device 40 according to the present embodiment. The fuel cell device 40 includes a fuel cell stack 10, a first air temperature raising channel 17, a second air temperature raising channel 18, an air supplier 45, a fuel circulation system, and an air processing system. The fuel circulation system includes a methanol tank 41, a methanol supply pump 42, a CO 2 removal and fuel mixer 43, and a methanol aqueous solution circulation pump 44. The air treatment system includes a gas-liquid separator 47 and a water reservoir 48. Contains. Further, a general-purpose connection method is used for connecting these devices.
メタノールタンク４１は、メタノールを貯留する容器であり、メタノール供給ポンプ４２を介して、CO2除去および燃料混合器４３に接続されている。また、メタノール供給ポンプ４２は、メタノールをCO2除去および燃料混合器４３に供給する機器である。 The methanol tank 41 is a container for storing methanol, and is connected to the CO 2 removal and fuel mixer 43 via a methanol supply pump 42. The methanol supply pump 42 is a device that supplies methanol to the CO 2 removal and fuel mixer 43.
CO2除去および燃料混合器４３は、メタノール水溶液循環ポンプ４４を介して、燃料電池スタック１０に設けられた燃料入口３２に接続されており、さらに、これとは別の接続で、燃料電池スタック１０に設けられた燃料出口３０に接続されている。CO2除去および燃料混合器４３は、燃料電池スタック１０から排出されたメタノール水溶液に含まれるCO2を除去するとともに、適当な濃度のメタノール水溶液を調整する機器である。また、メタノール水溶液循環ポンプ４４は、メタノール水溶液を燃料電池スタック１０に供給する機器である。 The CO 2 removal and fuel mixer 43 is connected to a fuel inlet 32 provided in the fuel cell stack 10 via a methanol aqueous solution circulation pump 44, and is connected to the fuel cell stack 10 in a different connection. Is connected to a fuel outlet 30 provided in The CO 2 removal and fuel mixer 43 is a device that removes CO 2 contained in the aqueous methanol solution discharged from the fuel cell stack 10 and adjusts the aqueous methanol solution having an appropriate concentration. The methanol aqueous solution circulation pump 44 is a device that supplies the methanol aqueous solution to the fuel cell stack 10.
気液分離器４７は、燃料電池スタック１０に設けられた空気出口３１と接続されており、燃料電池スタック１０から排出された空気に含まれている水分を空気から分離する機器である。また、気液分離器４７は水分貯蔵器４８とも接続されており、燃料電池スタック１０から排出された空気に含まれていた水分を水分貯蔵器４８に送る。一方で、水分貯蔵器４８はCO2除去および燃料混合器４３にも接続されており、メタノールを希釈するための水をCO2除去および燃料混合器４３に供給する。 The gas-liquid separator 47 is connected to the air outlet 31 provided in the fuel cell stack 10, and is a device that separates moisture contained in the air discharged from the fuel cell stack 10 from the air. The gas-liquid separator 47 is also connected to a moisture reservoir 48, and sends moisture contained in the air discharged from the fuel cell stack 10 to the moisture reservoir 48. On the other hand, the water reservoir 48 is also connected to the CO 2 removal and the fuel mixer 43, to supply water for diluting methanol to CO 2 removal and the fuel mixer 43.
空気供給器４５は、大気から空気を吸引して、その空気を空気極２１に供給するための機器である。空気供給器４５の吸引口は、第１空気昇温流路１７および第２空気昇温流路１８と第２エンドプレート１４側で接続されており、空気供給器４５の吹出口が第２エンドプレート１４に設けられた空気入口３３に接続されている。空気供給器４５の例としては、ポンプやファン等が挙げられるが、空気入口に空気を送ることができるものであればこれらに限定されるものではない。 The air supplier 45 is a device for sucking air from the atmosphere and supplying the air to the air electrode 21. The suction port of the air supply unit 45 is connected to the first air heating channel 17 and the second air heating channel 18 on the second end plate 14 side, and the air outlet of the air supply unit 45 is connected to the second end. It is connected to an air inlet 33 provided on the plate 14. Examples of the air supply unit 45 include a pump and a fan, but are not limited to these as long as air can be sent to the air inlet.
このように構成される燃料電池装置の運転方法について、以下に説明する。 A method for operating the fuel cell device configured as described above will be described below.
燃料であるメタノールは、メタノールタンク４１からメタノール供給ポンプ４２で吸い上げられ、CO2除去および燃料混合器４３に送られる。CO2除去および燃料混合器４３に送られたメタノールは、水で希釈されて適当な濃度のメタノール水溶液となる。このメタノール水溶液はメタノール水溶液循環ポンプ４４によって、第１エンドプレート１３に設けられた燃料入口３２に供給される。一方、酸化剤である空気は、第１空気昇温流路１７もしくは第２空気昇温流路１８で昇温され、大気から第１空気昇温流路１７もしくは第２空気昇温流路１８を経て空気供給器４５に吸引される。その後、昇温された空気は、空気供給器４５により第２エンドプレート１４の空気入口３３に供給される。 Methanol as fuel is sucked up from the methanol tank 41 by the methanol supply pump 42 and sent to the CO 2 removal and fuel mixer 43. The methanol sent to the CO 2 removal and fuel mixer 43 is diluted with water to form an aqueous methanol solution having an appropriate concentration. This aqueous methanol solution is supplied to the fuel inlet 32 provided in the first end plate 13 by the aqueous methanol circulation pump 44. On the other hand, the air that is an oxidant is heated in the first air temperature rising channel 17 or the second air temperature rising channel 18, and from the atmosphere, the first air temperature rising channel 17 or the second air temperature rising channel 18. Then, the air is supplied to the air supply unit 45. Thereafter, the heated air is supplied to the air inlet 33 of the second end plate 14 by the air supplier 45.
燃料入口３２に供給されたメタノール水溶液は、燃料マニホールド入口２３を経て燃料側流路２９に導入され、燃料極２０に供給される。また、空気入口３３に供給された空気は、空気マニホールド入口２２を経て空気側流路２６に導入され、空気極２１に供給される。これにより、燃料極２０で水素イオンが発生して、発生した水素イオンが固体高分子電解質膜１９を介して空気極２１へと移動するとともに、各単位燃料電池セル１１で発電が行われる。また、水素イオンの空気極２１への移動により、空気極２１では水分が生成される。 The aqueous methanol solution supplied to the fuel inlet 32 is introduced into the fuel side passage 29 via the fuel manifold inlet 23 and supplied to the fuel electrode 20. The air supplied to the air inlet 33 is introduced into the air-side flow path 26 via the air manifold inlet 22 and supplied to the air electrode 21. Thereby, hydrogen ions are generated at the fuel electrode 20, and the generated hydrogen ions move to the air electrode 21 through the solid polymer electrolyte membrane 19, and power is generated at each unit fuel cell 11. In addition, moisture is generated in the air electrode 21 due to the movement of hydrogen ions to the air electrode 21.
なお、燃料極２０に供給されたメタノール水溶液は、メタノールが一部消費されて第１エンドプレート１３に設けられた燃料出口３０から排出される。排出されたメタノール水溶液は、CO2除去および燃料混合器４３によって再び適当な濃度のメタノール水溶液となる。この際に分離されたCO2は大気に放出される。また、空気極２１に供給された空気は、第１エンドプレート１３に設けられた空気出口３１から排出される。空気出口３１から排出された空気は、気液分離器４７で液体と気体とに分離された後、水分は水分貯蔵器４８に送られ、気体は大気に放出される。 The methanol aqueous solution supplied to the fuel electrode 20 is partially consumed and discharged from the fuel outlet 30 provided in the first end plate 13. The discharged methanol aqueous solution becomes a methanol aqueous solution having an appropriate concentration again by the CO 2 removal and fuel mixer 43. The CO 2 separated at this time is released to the atmosphere. Further, the air supplied to the air electrode 21 is discharged from an air outlet 31 provided in the first end plate 13. After the air discharged from the air outlet 31 is separated into a liquid and a gas by the gas-liquid separator 47, the moisture is sent to the moisture reservoir 48, and the gas is released to the atmosphere.
ところで、上述したように、空気マニホールド入口２２および空気極２１に外気温度の空気をそのまま供給すると、燃料電池スタック１０の温度が低下してしまう。また、低い温度の空気は空気極２１および空気側流路２６に発生する凝縮水の量を増加させる。 By the way, as described above, if the air at the outside temperature is supplied to the air manifold inlet 22 and the air electrode 21 as they are, the temperature of the fuel cell stack 10 is lowered. In addition, the low temperature air increases the amount of condensed water generated in the air electrode 21 and the air side passage 26.
そこで、本実施形態では、第１空気昇温流路１７もしくは第２空気昇温流路１８に空気を通して昇温した後、空気マニホールド入口２２および空気極２１に供給する。このようにすることによって、外気温度の空気をそのまま供給する場合に比べて、燃料電池スタック１０の温度を高く維持することが可能となる。また、空気が昇温されていることにより、燃料電池スタック１０内に発生する凝固水の量が減少するため、生成水の除去を良好に行うことが可能となる。 Therefore, in the present embodiment, the temperature is raised through the first air temperature raising channel 17 or the second air temperature raising channel 18 and then supplied to the air manifold inlet 22 and the air electrode 21. By doing in this way, it becomes possible to maintain the temperature of the fuel cell stack 10 higher than in the case where the air at the outside temperature is supplied as it is. Moreover, since the amount of coagulated water generated in the fuel cell stack 10 is reduced by raising the temperature of the air, it is possible to remove the generated water satisfactorily.
また、本実施形態において、セパレータ１２、第１エンドプレート１３および第２エンドプレート１４に、それぞれをずれなく積層するための位置合わせ用の穴があらかじめ設けられていた場合は、その位置合わせ用の穴を空気昇温流路として利用することができる。例えば、第１エンドプレート１３、セパレータ１２および第２エンドプレート１４に設けられている第１空気昇温流路１７および第２空気昇温流路１８が、元々は位置合わせ用の穴だった場合である。このように、位置合わせ用の穴を空気昇温流路とした場合は、燃料電池スタック１０に新たな貫通穴を設ける手間を省くことが可能であるとともに、燃料電池スタック１０の構成を簡素化することが可能である。 In the present embodiment, if the separator 12, the first end plate 13 and the second end plate 14 are previously provided with alignment holes for stacking without deviation, the alignment holes are provided. The hole can be used as an air temperature rising channel. For example, when the first air temperature rising channel 17 and the second air temperature increasing channel 18 provided in the first end plate 13, the separator 12, and the second end plate 14 are originally alignment holes. It is. As described above, when the positioning hole is an air heating channel, it is possible to save the trouble of providing a new through hole in the fuel cell stack 10 and simplify the configuration of the fuel cell stack 10. Is possible.
次に、本実施形態に係る空気昇温流路の別の実施例を示す。図７に示す中空の締結部材３４ａ、３４ｂは、中空部３５を備えた中空管３６を基本要素として、中空管３６の両端付近の外壁にネジ山３７とナット３８とからなるナット締結部を備えている。このような中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いて燃料電池スタックを一体に固定した場合は、中空部３５を空気昇温流路として利用することができる。なお、他の配管と接続することを考慮して、中空管３６の両端付近の内壁にネジ溝を設けてもよい。また、燃料電池スタックを一体に固定できるのであれば、ナット締結部の構成は上述に限られるものではない。 Next, another example of the air temperature raising channel according to the present embodiment will be shown. The hollow fastening members 34a and 34b shown in FIG. 7 are nut fastening portions including a thread 37 and a nut 38 on the outer wall near both ends of the hollow tube 36, with the hollow tube 36 having the hollow portion 35 as a basic element. It has. When the fuel cell stack is integrally fixed using such hollow fastening members 34a and 34b, the hollow portion 35 can be used as an air temperature rising channel. In consideration of connection with other pipes, a thread groove may be provided on the inner wall near both ends of the hollow tube 36. In addition, as long as the fuel cell stack can be fixed integrally, the configuration of the nut fastening portion is not limited to the above.
図８に、中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いて一体に固定された燃料電池スタック１０ａの斜視図を示す。このように、燃料電池スタック１０aを一体に固定する締結部材として中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いた場合は、燃料電池スタック１０ａの構成を簡素化することが可能である。第１エンドプレート１３、セパレータ１２および第２エンドプレート１４に位置決め用の穴があれば、この中空の締結部材３４ａ、３４ｂを容易に空気昇温流路として用いることができる。また、タイロッドなどの通常の締結部材がセパレータ１２を貫通して燃料電池スタック１０aを固定していた場合は、この固定に中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いることにより、燃料電池スタック１０aに貫通穴を新たに設けることなく、空気昇温流路を設けることが可能である。なお、既述の実施例で説明した要素には同一の符号を付してその説明を省略する。 FIG. 8 is a perspective view of the fuel cell stack 10a fixed integrally using hollow fastening members 34a and 34b. As described above, when the hollow fastening members 34a and 34b are used as fastening members for integrally fixing the fuel cell stack 10a, the configuration of the fuel cell stack 10a can be simplified. If the first end plate 13, the separator 12 and the second end plate 14 have positioning holes, the hollow fastening members 34a and 34b can be easily used as an air temperature rising channel. Further, when a normal fastening member such as a tie rod penetrates the separator 12 and fixes the fuel cell stack 10a, the hollow fastening members 34a and 34b are used for the fixing so that a through hole is formed in the fuel cell stack 10a. It is possible to provide an air temperature rising channel without providing a new one. Note that the same reference numerals are given to the elements described in the above-described embodiments, and the description thereof is omitted.
図９は、本実施形態に係る空気昇温流路を接続部材を用いて直列に接続した実施例である。図９に示す燃料電池スタック１０ｂは本実施形態を概略的に説明するための図であり、実際には、隣合うセパレータ１２同士は単位燃料電池セル１１を挟持しつつ隙間なく接合されている。この実施例では、第１空気昇温流路１７ｂと第２空気昇温流路１８ｂとが、第１エンドプレート１３側で接続部材３５によって直列に接続されている。また、この接続部材３５としては、汎用的な配管を利用することができる。 FIG. 9 is an example in which the air temperature rising channels according to the present embodiment are connected in series using a connecting member. A fuel cell stack 10b shown in FIG. 9 is a diagram for schematically explaining the present embodiment. In practice, adjacent separators 12 are joined with no gap while sandwiching the unit fuel cells 11. In this embodiment, the first air temperature raising channel 17b and the second air temperature raising channel 18b are connected in series by the connecting member 35 on the first end plate 13 side. Moreover, as this connection member 35, general purpose piping can be utilized.
このように、二つの空気昇温流路を第１エンドプレート１３側で直列に接続した場合は、第１空気昇温流路１７ｂと空気供給器４５の吸引口を第２エンドプレート１４側で接続するか、もしくは、第２空気昇温流路１８ｂと空気供給器４５の吸引口を第２エンドプレート１４側で接続することにより、燃料電池スタック１０ｂの全長よりも長い空気昇温流路を設けることが可能となるとともに、空気をより高い温度まで昇温することが可能となる。本実施例では第１空気昇温流路１７ｂと空気供給器４５とが、第２エンドプレート１４側で汎用的な接続部材１５ｃを介して接続されている。このように接続した本実施例の場合、直列に接続された空気昇温流路の空気入口３９は、第２空気昇温流路１８ｂの第２エンドプレート１４側となる。また、本実施例は、上述した中空の締結部材３４ａ、３４ｂを用いた空気昇温流路に対しても適用することができる。さらに、接続部材３５を複数設けることによって、三つ以上の空気昇温流路を直列に接続することも可能である。 Thus, when two air temperature rising flow paths are connected in series on the first end plate 13 side, the first air temperature rising flow path 17b and the suction port of the air supply 45 are connected to the second end plate 14 side. By connecting the second air temperature rising channel 18b and the suction port of the air supply unit 45 on the second end plate 14 side, an air temperature rising channel longer than the entire length of the fuel cell stack 10b is formed. It becomes possible to increase the temperature of the air to a higher temperature. In the present embodiment, the first air temperature raising channel 17b and the air supply unit 45 are connected to each other on the second end plate 14 side via a general-purpose connecting member 15c. In the case of this embodiment connected in this way, the air inlet 39 of the air temperature rising channel connected in series is on the second end plate 14 side of the second air temperature rising channel 18b. The present embodiment can also be applied to an air temperature rising channel using the hollow fastening members 34a and 34b described above. Furthermore, it is also possible to connect three or more air temperature rising channels in series by providing a plurality of connecting members 35.
以上、本発明の実施形態について説明した。本実施形態で使用している被希釈燃料のメタノールは、これに限られるものではなく、通常の燃料電池で使用されている燃料を使用することもできる。例えば、エタノールやジメチルエーテルなどを使用することもできる。
The embodiment of the present invention has been described above. The diluted fuel methanol used in the present embodiment is not limited to this, and a fuel used in a normal fuel cell can also be used. For example, ethanol or dimethyl ether can also be used.
１０、１０ａ、１０ｂ、９６...燃料電池スタック
１１...単位燃料電池セル
１２...セパレータ
１３...第１エンドプレート
１４...第２エンドプレート
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、３５...接続部材
１７、１７ｂ...第１空気昇温流路
１８、１８ｂ...第２空気昇温流路
１９...固体高分子電解質膜
２０...燃料極
２１...空気極
２２...空気マニホールド入口
２３...燃料マニホールド入口
２４...燃料マニホールド出口
２５...空気マニホールド出口
２６...空気側流路
２７...シール材
２９...燃料側流路
３０...燃料出口
３１...空気出口
３２...燃料入口
３３...空気入口
３４ａ、３４ｂ...中空の締結部材
３５...中空部
３６...中空管
３７...ネジ山
３８...ナット
３９...直列に接続された空気昇温流路の空気入口
４０、９０...燃料電池装置
４１、９１...メタノールタンク
４２、９２...メタノール供給ポンプ
４３、９３...CO2除去及び燃料混合器
４４、９４...メタノール水溶液循環ポンプ
４５、９５...空気供給器
４７、９７...気液分離器
４８、９８...水分貯蔵器
10, 10a, 10b, 96 ... Fuel cell stack 11 ... Unit fuel cell 12 ... Separator 13 ... First end plate 14 ... Second end plate 15a, 15b, 15c, 35. .. Connection members 17, 17b ... first air temperature rising channel 18, 18b ... second air temperature rising channel 19 ... solid polymer electrolyte membrane 20 ... fuel electrode 21 ... air Pole 22 ... Air manifold inlet 23 ... Fuel manifold inlet 24 ... Fuel manifold outlet 25 ... Air manifold outlet 26 ... Air side flow path 27 ... Seal material 29 ... Fuel side flow Path 30 ... Fuel outlet 31 ... Air outlet 32 ... Fuel inlet 33 ... Air inlets 34a, 34b ... Hollow fastening member 35 ... Hollow portion 36 ... Hollow tube 37. Thread 38 ... Nut 39 ... Air inlet 40, 90 ... Fuel cell devices 41, 91 ... Methanol tanks 42,92. ..Methanol supply pumps 43, 93 ... CO 2 removal and fuel mixers 44,94 ... Methanol aqueous solution circulation pumps 45,95 ... Air supply units 47,97 ... Gas-liquid separators 48,98 ... moisture reservoir
Claims (5)
該燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた少なくとも一つの空気昇温流路と、
該空気昇温流路に接続され、空気を前記空気極に供給する空気供給器と
を有することを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell stack formed by alternately laminating unit fuel cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a separator;
At least one air heating channel provided through the fuel cell stack in the stacking direction of the fuel cells; and
An air supply device connected to the air temperature raising flow path and supplying air to the air electrode.
該燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた複数の空気昇温流路と、
複数の前記空気昇温流路を直列に接続する接続部材と
前記空気昇温流路に接続され、空気を前記空気極に供給する空気供給器と
を有することを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell stack formed by alternately laminating unit fuel cells each having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a separator;
A plurality of air heating channels provided through the fuel cell stack in the stacking direction of the fuel cells, and
A fuel cell device comprising: a connecting member that connects a plurality of the air temperature rising channels in series; and an air supplier that is connected to the air temperature rising channel and supplies air to the air electrode.
前記燃料電池スタックを前記燃料電池セルの積層方向に貫通して設けた空気昇温流路に空気を通すことにより該空気を昇温する工程と、
昇温した空気を前記空気極に供給する工程と
を有することを特徴とする燃料電池装置の運転方法。
A method of operating a fuel cell device having a fuel cell stack in which unit fuel cells sandwiching an electrolyte membrane between a fuel electrode and an air electrode and separators are alternately stacked,
A step of heating the air by passing air through an air heating channel provided through the fuel cell stack in the stacking direction of the fuel cells, and
And a step of supplying the heated air to the air electrode.
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