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JP2008004309A - Fuel cell device - Google Patents

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JP2008004309A
JP2008004309A JP2006170619A JP2006170619A JP2008004309A JP 2008004309 A JP2008004309 A JP 2008004309A JP 2006170619 A JP2006170619 A JP 2006170619A JP 2006170619 A JP2006170619 A JP 2006170619A JP 2008004309 A JP2008004309 A JP 2008004309A
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reaction gas
fuel cell
flow path
air
cell device
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JP2006170619A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Morita
幸治 盛田
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent temperature drop in the vicinity of a reaction gas inlet in cooling by the evaporation latent heat of water supplied to an electrode together with reaction gas. <P>SOLUTION: Water is added to an air supply passage 37 supplying air to a fuel cell 1 through a water supply passage 59. A part of air is supplied from the air supply passage 37 through an air inlet manifold 19 at the upstream end of an air passage 3, and the remaining air is supplied from an intermediate inlet manifold 49 in the intermediate position of the air passage 3 through an air branch passage 47 branching from the air supply passage 37. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給して、発電とともに水の気化潜熱により冷却を行う燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell apparatus that supplies water together with a reaction gas to an electrode of a fuel cell, and cools it by generating latent heat of vaporization of water as well as power generation.

一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。   In general, a fuel cell is a device that directly converts a chemical energy of a fuel into electric energy by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen as a reaction gas and an oxidant gas such as air.

このような燃料電池装置においては、電解質のイオン伝導度と、発電により発生した熱を冷却する機能が必要とされる。例えば、ナフィオン(デュポン株式会社の商品名)に代表される電解質として使用する高分子膜の多くは、電解質が湿潤した状態でイオン伝導度が確保される。このため、燃料電池に使用する反応ガスであるカソードガスやアノードガスは加湿した状態で利用する。   Such a fuel cell device requires a function of cooling the ionic conductivity of the electrolyte and the heat generated by the power generation. For example, in many polymer membranes used as an electrolyte typified by Nafion (trade name of DuPont), ionic conductivity is ensured in a wet state of the electrolyte. For this reason, the cathode gas and anode gas, which are reaction gases used in the fuel cell, are used in a humidified state.

また、燃料電池は発電時に発熱するが、その際の冷却には、バイポーラプレートと呼ばれるカソードガスとアノードガスを分離する部品の内部に冷却水を流すことが一般的である。   In addition, the fuel cell generates heat during power generation. For cooling at that time, cooling water is generally flowed into a part called a bipolar plate that separates the cathode gas and the anode gas.

一方、下記特許文献1に記載されているように、燃料電池に供給する反応ガスに、直接液体の水を混入させて燃料電池内部で蒸発させることにより、加湿と気化潜熱による冷却を行う燃料電池が知られている。
特開2001−210348号公報
On the other hand, as described in Patent Document 1 below, a fuel cell that performs humidification and cooling by latent heat of vaporization by directly mixing liquid water into a reaction gas supplied to the fuel cell and evaporating it inside the fuel cell. It has been known.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-210348

ところで、上記したような加湿と気化潜熱による冷却を行う燃料電池装置では、発電に伴う発熱によって気化した水蒸気が飽和するように、反応ガスの流れに沿って温度上昇が見られる。   By the way, in the fuel cell device that performs the above-described humidification and cooling by latent heat of vaporization, the temperature rise is observed along the flow of the reaction gas so that the water vapor vaporized by the heat generated by the power generation is saturated.

このような温度上昇は、反応ガスの入口付近では、局所的に見れば反応ガスの利用率は極めて低いので、水蒸気圧が低く、それに対応して温度も反応ガスの出口付近に比べて低くなる。このため、図6のように、実線Aで示す冷却水で冷却する一般的な燃料電池と比べて、破線Bで示す気化潜熱で冷却する燃料電池では、温度が低い部分が多くなる。   Such a temperature rise near the reaction gas inlet is because the utilization rate of the reaction gas is extremely low when viewed locally, so that the water vapor pressure is low, and the temperature is correspondingly lower than that near the reaction gas outlet. . For this reason, as shown in FIG. 6, the fuel cell cooled by the latent heat of vaporization indicated by the broken line B has a lower temperature portion than the general fuel cell cooled by the cooling water indicated by the solid line A.

温度が低い部分では、電極での触媒活性が低いため発電性能が低下する。発電性能の低下から、反応ガス入口付近の温度の低い部分での電流密度が減少するため、燃料電池の電流−電圧特性が低下するという問題がある。   In the portion where the temperature is low, the catalytic activity at the electrode is low, so the power generation performance is reduced. Due to the decrease in the power generation performance, the current density at the low temperature portion near the reaction gas inlet is decreased, which causes a problem that the current-voltage characteristic of the fuel cell is degraded.

そこで、本発明は、反応ガスとともに電極へ供給する水の気化線熱により冷却を行う際に、反応ガス入口付近の温度低下を防止することを目的としている。   Therefore, the present invention aims to prevent a temperature drop in the vicinity of the reaction gas inlet when cooling is performed by vaporization heat of water supplied to the electrode together with the reaction gas.

本発明は、燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給して、発電とともに水の気化潜熱により冷却を行う燃料電池装置において、前記電極にて前記反応ガスが流れる反応ガス流路の一端に前記反応ガスが流入する反応ガス入口を、同他端に前記反応ガスが排出される反応ガス出口をそれぞれ設け、前記燃料電池の発電に必要な反応ガスのうちの一部を、前記反応ガス入口に前記水とともに供給すると同時に、前記反応ガス入口と前記反応ガス出口との間の前記反応ガス流路の途中部位に前記反応ガスの他の一部を供給することを最も主要な特徴とする。   The present invention provides a fuel cell device in which water is supplied together with a reaction gas to an electrode of a fuel cell, and cooling is performed by latent heat of vaporization of water as well as power generation. A reaction gas inlet into which the reaction gas flows is provided, a reaction gas outlet from which the reaction gas is discharged is provided at the other end, and a part of the reaction gas necessary for power generation of the fuel cell is provided at the reaction gas inlet. The main feature is that the other part of the reaction gas is supplied to an intermediate portion of the reaction gas flow path between the reaction gas inlet and the reaction gas outlet simultaneously with the supply with the water.

本発明によれば、燃料電池の発電に必要な反応ガスを、反応ガス流路の上流端の反応ガス入口と反応ガス流路の途中部位とに分割して供給するようにしたので、反応ガス入口付近における局所的な反応ガスの供給量が相対的に減少して反応ガスの利用率が増加し、水蒸気分圧が上昇して反応ガス入口付近の温度低下を防止することができる。   According to the present invention, the reaction gas necessary for power generation of the fuel cell is divided and supplied to the reaction gas inlet at the upstream end of the reaction gas channel and the middle part of the reaction gas channel. The local reaction gas supply amount in the vicinity of the inlet is relatively reduced to increase the utilization rate of the reaction gas, and the water vapor partial pressure is increased to prevent a temperature drop in the vicinity of the reaction gas inlet.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。図1では、燃料電池1の構成部品の一つであるバイポーラプレート(セパレータとも呼ぶ)5を平面図として示している。図1に示すように、バイポーラプレート5には、後述の図2に示す電極11,13を備える発電領域にて反応ガス(ここでは酸素を含む空気とする)が流れる反応ガス流路としての空気流路3を形成してある。   FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device showing a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a bipolar plate (also referred to as a separator) 5 which is one of the components of the fuel cell 1 is shown as a plan view. As shown in FIG. 1, the bipolar plate 5 has air as a reaction gas channel through which a reaction gas (here, oxygen-containing air) flows in a power generation region including electrodes 11 and 13 shown in FIG. A flow path 3 is formed.

図2は、上記した燃料電池1の一部を示す、図1のA−A線断面に相当する断面図であり、ここでの燃料電池1は、電解質に固体高分子を用いる固体高分子電解質形燃料電池としている。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the above-described fuel cell 1 and corresponding to the cross section taken along line AA of FIG. 1. The fuel cell 1 here is a solid polymer electrolyte using a solid polymer as an electrolyte It is a fuel cell.

この燃料電池1は、一つの電池セル7が、中央に位置する固体高分子膜からなる電解質膜9と、電解質膜9を挟持するように電解質膜9の両面に配設される二つの電極11,13と、その外側に配置されて電池セル7相互間の隔壁を成すバイポーラプレート5,15とを備えており、通常は、この電池セル7を複数積層して構成して燃料電池スタックを構成している。   The fuel cell 1 includes an electrolyte membrane 9 made of a solid polymer membrane located in the center of one battery cell 7 and two electrodes 11 disposed on both surfaces of the electrolyte membrane 9 so as to sandwich the electrolyte membrane 9. , 13 and bipolar plates 5 and 15 arranged outside thereof to form a partition wall between the battery cells 7, and a fuel cell stack is usually constructed by stacking a plurality of these battery cells 7. is doing.

電解質膜9は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料により、プロトン伝導性の膜として形成している。この電解質膜9の両面の二つの電極11,13は、白金または、白金とその他の金属とからなる触媒を担持するカーボン微粒子を塗布したカーボンクロス、またはカーボンペーパからなり、触媒の存在する塗布面が電解質膜9と接触している。   The electrolyte membrane 9 is formed as a proton conductive membrane from a solid polymer material such as a fluorine resin. The two electrodes 11, 13 on both surfaces of the electrolyte membrane 9 are made of platinum, carbon cloth coated with carbon fine particles carrying a catalyst made of platinum and other metals, or carbon paper, and a coated surface on which the catalyst exists. Is in contact with the electrolyte membrane 9.

バイポーラプレート5,15は、ガス不透過である緻密性カーボン材で構成している。一方のバイポーラプレート5は、電極11に対向する面に、前記した反応ガスである酸素を含む空気が流通する前記図1に示した空気流路3を形成している。他方のバイポーラプレート15は、電極13に対向する面に、燃料ガスとして水素が流通する水素流路17を形成している。   The bipolar plates 5 and 15 are made of a dense carbon material that is impermeable to gas. One bipolar plate 5 is formed on the surface facing the electrode 11 with the air flow path 3 shown in FIG. The other bipolar plate 15 has a hydrogen flow path 17 through which hydrogen flows as a fuel gas on the surface facing the electrode 13.

図1に示すように、バイポーラプレート5を含む燃料電池構成部品は、図1中で左右方向に長い長方形状を呈しており、その長手方向に沿って前記した空気流路3を形成している。そして、図1中の左側端部にて紙面に直交する方向、すなわち燃料電池1の各構成部品の積層方向に沿って、燃料電池1を貫通する反応ガス入口となる空気入口マニホールド19を設け、同右側端部にて紙面に直交する方向に沿って、燃料電池1を貫通する反応ガス出口となる空気出口マニホールド21を設け、これら各空気入口,出口マニホールド19,21相互を、前記した空気流路3により連通している。   As shown in FIG. 1, the fuel cell component including the bipolar plate 5 has a rectangular shape that is long in the left-right direction in FIG. 1, and forms the air flow path 3 along the longitudinal direction thereof. . Then, an air inlet manifold 19 serving as a reaction gas inlet penetrating the fuel cell 1 is provided along the direction orthogonal to the paper surface at the left end in FIG. 1, that is, the stacking direction of each component of the fuel cell 1. An air outlet manifold 21 serving as a reaction gas outlet penetrating the fuel cell 1 is provided along a direction orthogonal to the paper surface at the right end portion, and each of the air inlets and the outlet manifolds 19 and 21 is connected to the air flow described above. It communicates by way 3.

すなわち、上記した空気入口マニホールド19を流れる空気が、各電池セル7の空気流路3にそれぞれ分配供給される。   That is, the air flowing through the air inlet manifold 19 is distributed and supplied to the air flow path 3 of each battery cell 7.

同様にして、上記した空気入口,出口マニホールド19,21にそれぞれ隣接して、水素入口,出口マニホールド23,25を、図1中の紙面に直交する方向に貫通して設けている。そして、この水素においても、上記した空気と同様に、各電池セル7の水素流路17に分配供給される。   Similarly, hydrogen inlet and outlet manifolds 23 and 25 are provided adjacent to the air inlet and outlet manifolds 19 and 21, respectively, in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. And this hydrogen is also distributed and supplied to the hydrogen flow path 17 of each battery cell 7 like the above-mentioned air.

ここで、図1に示すように、本実施形態における空気流路3は、上流側流路27と下流側流路29との二つに分割し、これら相互間に中間領域31を設けている。また、上流側流路27と空気入口マニホールド19との間には、分散領域33を、下流側領域29と空気出口マニホールド21との間には、集合領域35をそれぞれ設けている。   Here, as shown in FIG. 1, the air flow path 3 in the present embodiment is divided into two, an upstream flow path 27 and a downstream flow path 29, and an intermediate region 31 is provided between them. . Further, a dispersion region 33 is provided between the upstream flow path 27 and the air inlet manifold 19, and a collecting region 35 is provided between the downstream region 29 and the air outlet manifold 21.

そして、図1に示すように、空気入口マニホールド19には、反応ガス供給通路としての空気供給通路37を接続する一方、空気出口マニホールド21には空気排出通路38を接続する。空気供給通路37には、吸気口39から外気を吸入して吐出するコンプレッサ41を設置する一方、空気排出通路38には調圧弁43を設置し、吸気口39から取り入れた空気を、燃料電池1の運転負荷に応じた空気量と圧力になるように、コントローラ45がコンプレッサ41および調圧弁43を制御する。   As shown in FIG. 1, an air supply passage 37 as a reaction gas supply passage is connected to the air inlet manifold 19, while an air discharge passage 38 is connected to the air outlet manifold 21. The air supply passage 37 is provided with a compressor 41 that sucks and discharges outside air from the intake port 39, while the air discharge passage 38 is provided with a pressure regulating valve 43, and the air taken in from the intake port 39 is supplied to the fuel cell 1. The controller 45 controls the compressor 41 and the pressure regulating valve 43 so that the air amount and the pressure correspond to the operating load.

空気供給通路37は、反応ガス分岐通路としての空気分岐通路47を途中で分岐して設け、この空気分岐通路47を、前記した中間領域31に連通しかつ、反応ガス入口と反応ガス出口との間の反応ガス流路の途中部位に相当する中間入口マニホールド49に接続する。この中間入口マニホールド49は、空気入口,出口マニホールド19,21と同様に、図1中で紙面に直交する方向に貫通して設けており、各電池セル7の中間領域31に分岐した空気をそれぞれ分配供給する。   The air supply passage 37 is provided by branching an air branch passage 47 as a reaction gas branch passage in the middle. The air branch passage 47 communicates with the intermediate region 31 and is connected between the reaction gas inlet and the reaction gas outlet. It is connected to an intermediate inlet manifold 49 corresponding to a midway portion of the reaction gas flow path therebetween. Similar to the air inlet and outlet manifolds 19 and 21, the intermediate inlet manifold 49 is provided so as to penetrate in a direction orthogonal to the paper surface in FIG. 1, and the air branched into the intermediate region 31 of each battery cell 7 is respectively provided. Distribute supply.

また、空気分岐通路47とコンプレッサ41との間の空気供給通路37には圧力センサ51を、空気分岐通路47には、その上流側から調圧弁53および圧力センサ55をそれぞれ設け、これら各圧力センサ51,55の検出値は、前記したコントローラ45に入力され、調圧弁53はコントローラ45によって制御される。   A pressure sensor 51 is provided in the air supply passage 37 between the air branch passage 47 and the compressor 41, and a pressure regulating valve 53 and a pressure sensor 55 are provided in the air branch passage 47 from the upstream side thereof. The detected values 51 and 55 are input to the controller 45 described above, and the pressure regulating valve 53 is controlled by the controller 45.

そして、上記した圧力センサ51と空気分岐通路47との間の空気供給通路37には、液相の水をインジェクタ57により供給する水供給通路59を接続し、水供給通路59を通して空気供給通路37に水を加える。   A water supply passage 59 for supplying liquid phase water by an injector 57 is connected to the air supply passage 37 between the pressure sensor 51 and the air branch passage 47, and the air supply passage 37 passes through the water supply passage 59. Add water.

なお、インジェクタ57から噴出する水の供給源としては、例えば、空気排出通路38を流れる排出空気中の水蒸気を凝縮させた水を貯留するタンクなどでよい。   The supply source of the water ejected from the injector 57 may be, for example, a tank that stores water condensed with water vapor in the exhaust air flowing through the air exhaust passage 38.

一方、水素入口マニホールド23には、水素供給通路65を接続し、水素供給通路65には、上流側から、水素を高圧で貯蔵する水素タンク67,前記コントローラ45によって制御される調圧弁69,水素循環装置であるエジェクタ71を順次設置する。また、水素出口マニホールド25に水素循環通路73の一端を接続し、水素循環通路73の他端を上記したエジェクタ71に接続し、このエジェクタ71により、水素循環通路73を流れる排出水素を、再度水素入口マニホールド23に供給するよう循環させる。   On the other hand, a hydrogen supply passage 65 is connected to the hydrogen inlet manifold 23, and a hydrogen tank 67 that stores hydrogen at high pressure from the upstream side, a pressure regulating valve 69 controlled by the controller 45, hydrogen Ejectors 71 that are circulation devices are sequentially installed. Further, one end of the hydrogen circulation passage 73 is connected to the hydrogen outlet manifold 25, and the other end of the hydrogen circulation passage 73 is connected to the above-described ejector 71. The ejector 71 causes the discharged hydrogen flowing through the hydrogen circulation passage 73 to be re-hydrogenated. Circulate to supply to the inlet manifold 23.

次に作用を説明する。コンプレッサ41が吸気口39から空気を取り入れるが、この際コントローラ45が、上記取り入れた空気を、燃料電池1の運転負荷に応じた空気量と空気圧力となるように、圧力センサ51の検出値を取り込みつつコンプレッサ41および調圧弁43を制御する。   Next, the operation will be described. The compressor 41 takes in air from the intake port 39. At this time, the controller 45 sets the detected value of the pressure sensor 51 so that the intake air becomes the air amount and air pressure corresponding to the operating load of the fuel cell 1. The compressor 41 and the pressure regulating valve 43 are controlled while taking in.

そして、上記コンプレッサ41にて空気供給通路37に吐出した空気に、インジェクタ57からの水を、水供給通路59を通して供給する。これにより、反応ガスとしては、気液2相流の状態で燃料電池1に送ることになり、一部は空気入口マニホールド19から、上流側流路27に対応する上流発電部61に供給し、他の一部は空気分岐通路47を通して中間入口マニホールド49から下流側流路29に対応する下流発電部63に供給する。   Then, water from the injector 57 is supplied through the water supply passage 59 to the air discharged to the air supply passage 37 by the compressor 41. As a result, the reaction gas is sent to the fuel cell 1 in a gas-liquid two-phase flow state, and a part is supplied from the air inlet manifold 19 to the upstream power generation unit 61 corresponding to the upstream flow path 27. The other part is supplied from the intermediate inlet manifold 49 to the downstream power generation unit 63 corresponding to the downstream channel 29 through the air branch passage 47.

この際、中間入口マニホールド49から中間領域31に供給した空気に、上流発電部61で未利用の空気が混合されて下流発電部63に供給され、その後、未使用の空気が空気出口マニホールド21から空気排出通路38に排出される。   At this time, the air supplied from the intermediate inlet manifold 49 to the intermediate region 31 is mixed with unused air in the upstream power generation unit 61 and supplied to the downstream power generation unit 63, and then unused air is supplied from the air outlet manifold 21. It is discharged to the air discharge passage 38.

一方、水素タンク67からの水素は、燃料電池1の運転負荷に応じた循環水素量となり、かつエジェクタ71の供給圧力となるように、コントローラ45が調圧弁69を制御する。この際、水素は水素入口マニホールド23から燃料電池1に導入され、水素出口マニホールド25から排出される未利用水素は、エジェクタ71で水素タンク67からの水素と混合され循環する。   On the other hand, the controller 45 controls the pressure regulating valve 69 so that the hydrogen from the hydrogen tank 67 becomes the amount of circulating hydrogen corresponding to the operating load of the fuel cell 1 and the supply pressure of the ejector 71. At this time, hydrogen is introduced into the fuel cell 1 from the hydrogen inlet manifold 23, and unused hydrogen discharged from the hydrogen outlet manifold 25 is mixed with hydrogen from the hydrogen tank 67 by the ejector 71 and circulated.

このときコントローラ45は、空気入口マニホールド19から上流発電部61に供給される空気量と、空気分岐通路47を通って中間入口マニホールド49に供給される空気量とが互いに等しくなるように、圧力センサ55の出力値を参照しつつ調圧弁53の開度を調整する。すなわち、コントローラ45と調圧弁53と圧力センサ55とで、反応ガス流量調整手段を構成している。   At this time, the controller 45 adjusts the pressure sensor so that the amount of air supplied from the air inlet manifold 19 to the upstream power generation unit 61 and the amount of air supplied to the intermediate inlet manifold 49 through the air branch passage 47 are equal to each other. The opening degree of the pressure regulating valve 53 is adjusted while referring to the output value 55. That is, the controller 45, the pressure regulating valve 53, and the pressure sensor 55 constitute a reaction gas flow rate adjusting means.

ここで、燃料電池1が空気利用率67%で運転するとすれば、吸気口39から取り入れられる空気は、理論上必要な空気量の1.5倍となる。その後、上流発電部61と下流発電部63には、空気入口マニホールド19と中間入口マニホールド49から、理論上必要な空気量のそれぞれ0.75倍ずつの空気が導入される。   Here, if the fuel cell 1 is operated at an air utilization rate of 67%, the air taken from the intake port 39 is 1.5 times the theoretically required air amount. Thereafter, the upstream power generation unit 61 and the downstream power generation unit 63 are introduced with 0.75 times as much air as theoretically necessary from the air inlet manifold 19 and the intermediate inlet manifold 49.

この場合、全体の発電部の半分の領域となる上流発電部61だけでみれば、本実施形態では上流発電部61に供給される空気量は理論上必要な空気量の1.5倍となる。一方、従来のように空気入口マニホールドから全量の空気を、上記と同様に全体の発電部の半分の領域に供給するとした場合には、理論上必要な空気量の3.0倍となる。   In this case, if only the upstream power generation unit 61 that is a half region of the entire power generation unit is viewed, in this embodiment, the amount of air supplied to the upstream power generation unit 61 is 1.5 times the theoretically required air amount. . On the other hand, when the entire amount of air is supplied from the air inlet manifold to the half region of the entire power generation unit in the same manner as described above, it is 3.0 times the theoretically required amount of air.

このため、水蒸気は発電時の発熱に応じて発生することから、大きく変化しないが、水蒸気以外の反応ガス量(ここでは空気量)が、従来に比べて本実施形態の方が少ないことになる。このため、従来に比べて本実施形態では、上流発電部61の水蒸気分圧は高くなり、蒸気圧が飽和状態に平衡する温度になるために、上流発電部61の温度は、図3の実線Cで示すように、従来の一点鎖線Dに比べて高くなる。   For this reason, since water vapor | steam is generated according to the heat_generation | fever at the time of electric power generation, although it does not change a lot, the amount of reaction gas (here air content) other than water vapor | steam is smaller in this embodiment compared with the past. . For this reason, in the present embodiment, the steam partial pressure of the upstream power generation unit 61 is higher than the conventional one, and the steam pressure reaches a temperature at which the steam pressure is in a saturated state. Therefore, the temperature of the upstream power generation unit 61 is the solid line in FIG. As shown by C, it becomes higher than the conventional one-dot chain line D.

以上より、本実施形態によれば、空気流路3の入口に接続する空気供給通路37を分岐させた空気分岐通路47を、空気流路3の途中部位の中間入口マニホールド49に接続し、反応ガスである空気を、空気入口マニホールド19と中間入口マニホールド49とに分割して供給するようにしたので、空気入口マニホールド19付近の空気流路3における局所的な空気の利用率を高めることができ、空気入口マニホールド19入口付近の発電部の温度低下を防止して、燃料電池1の発電性能を高めることができる。   As described above, according to the present embodiment, the air branch passage 47 obtained by branching the air supply passage 37 connected to the inlet of the air flow path 3 is connected to the intermediate inlet manifold 49 in the middle of the air flow path 3 to react. Since the gas air is divided and supplied to the air inlet manifold 19 and the intermediate inlet manifold 49, the local air utilization rate in the air flow path 3 near the air inlet manifold 19 can be increased. In addition, the power generation performance of the fuel cell 1 can be improved by preventing a temperature drop of the power generation unit near the inlet of the air inlet manifold 19.

なお、上記した実施形態では、中間入口マニホールド49を空気流路3の長手方向中央位置に設定してこの中央位置に空気分岐通路47を接続しているが、この接続位置は、中央位置に限定されるものではない。   In the above-described embodiment, the intermediate inlet manifold 49 is set at the center position in the longitudinal direction of the air flow path 3 and the air branch passage 47 is connected to this center position. However, this connection position is limited to the center position. Is not to be done.

例えば、本発明の第2の実施形態として、中間入口マニホールド49を空気流路3の長手方向中央位置より上流側に配置することで、図3の実線Eで示すように、上流側の温度の低い部分の温度をより高温にすることができる。   For example, as a second embodiment of the present invention, the intermediate inlet manifold 49 is arranged upstream of the longitudinal center position of the air flow path 3, so that the temperature of the upstream side is increased as shown by the solid line E in FIG. The temperature of the lower part can be made higher.

この場合、上流発電部61の発電面積(電極面積)と、下流発電部63の発電面積(電極面積)に応じて空気の流量を変化させる。すなわち、上記のように中間入口マニホールド49を空気流路3の長手方向中央位置より上流側に配置すると、上流発電部61の電極面積が下流発電部63の電極面積より小さくなるが、その小さくなった分だけ空気入口マニホールド19への空気供給量を、中間入口マニホールド49への空気供給量より少なくする。空気供給量が少なくなることで、実線Eで示すように、実線Dの場合に比較して上流側での温度が高くかつ急激に上昇する。   In this case, the air flow rate is changed according to the power generation area (electrode area) of the upstream power generation unit 61 and the power generation area (electrode area) of the downstream power generation unit 63. That is, when the intermediate inlet manifold 49 is arranged upstream from the longitudinal center position of the air flow path 3 as described above, the electrode area of the upstream power generation unit 61 is smaller than the electrode area of the downstream power generation unit 63, but it is reduced. Accordingly, the air supply amount to the air inlet manifold 19 is made smaller than the air supply amount to the intermediate inlet manifold 49. As the air supply amount decreases, as shown by the solid line E, the temperature on the upstream side is higher than that of the solid line D and rapidly increases.

図4は、本発明の第3の実施形態示す、前記したバイポーラプレート5に対応するバイポーラプレート5Aの平面図である。この実施形態は、燃料電池1Aの上流発電部61Aにおける上流側流路27Aに対し、下流発電部63Aにおける下流側流路29Aを、中間領域31Aの部分で空気が折り返して流れるように、これら各流路27A,29A相互を、隣接して並行配置している。   FIG. 4 is a plan view of a bipolar plate 5A corresponding to the bipolar plate 5 described above according to the third embodiment of the present invention. In this embodiment, each of the upstream flow path 27A in the upstream power generation section 61A of the fuel cell 1A flows through the downstream flow path 29A in the downstream power generation section 63A so that the air flows in the middle region 31A. The flow paths 27A and 29A are adjacently arranged in parallel.

この場合には、図1における上流発電部61と下流発電部63の図1中で左右方向(長手方向)の長尺部の長さと、図1中で上下方向の短尺部の長さとの比が、2:1を超える程度に左右方向の長さが長いものに限り、上流発電部61Aおよび下流発電部63Aの周囲を取り囲む非発電部分の面積が、図1の例に比較して減少し、燃料電池1Aとしてコンパクト化を図ることができる。   In this case, the ratio of the length of the long portion in the left-right direction (longitudinal direction) in FIG. 1 of the upstream power generation portion 61 and the downstream power generation portion 63 in FIG. 1 to the length of the short length portion in the vertical direction in FIG. However, as long as the length in the left-right direction is long enough to exceed 2: 1, the area of the non-power generation portion surrounding the upstream power generation unit 61A and the downstream power generation unit 63A is reduced compared to the example of FIG. The fuel cell 1A can be made compact.

図5は、本発明の第4の実施形態示す、前記したバイポーラプレート5に対応するバイポーラプレート5Bの平面図である。この実施形態は、前記図4に示した第3の実施形態と同様に、燃料電池1Bの上流発電部61Bにおける上流側流路27Bに対し、下流発電部63Bにおける下流側流路29Bを、中間領域31Bの部分で空気が折り返して流れるように、これら各流路27B,29B相互を、隣接して並行配置しているが、ここでは、下流側流路29Bを、上流側流路27Bの両側に設けている。   FIG. 5 is a plan view of a bipolar plate 5B corresponding to the bipolar plate 5 described above, showing a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, as in the third embodiment shown in FIG. 4, the downstream flow path 29B in the downstream power generation unit 63B is placed in the middle of the upstream flow path 27B in the upstream power generation unit 61B of the fuel cell 1B. These flow paths 27B and 29B are adjacently arranged in parallel so that the air flows back in the region 31B. Here, the downstream flow path 29B is arranged on both sides of the upstream flow path 27B. Provided.

これにより、温度の低い上流発電部61Bの両側を、温度高い下流側発電部63Bで囲い込む形となり、下流側発電部63Bに比較して温度の低い上流発電部61Bから燃料電池外部への放熱を低減できる。   Thus, both sides of the upstream power generation unit 61B having a low temperature are enclosed by the downstream power generation unit 63B having a high temperature, and heat is radiated from the upstream power generation unit 61B having a lower temperature than the downstream power generation unit 63B to the outside of the fuel cell. Can be reduced.

なお、上記図4,図5においては、図1と同一構成部分には、図1の数字の後に、アルファベットのA,Bをそれぞれ付加して示している。また、図4,図5では、前記図1における空気供給通路37や空気分岐通路47、水素供給通路65や水素循環通路73の一部のみ示しているが、これらは、基本的には、図1と同様の接続形態となっている。   4 and 5, the same components as those in FIG. 1 are indicated by adding alphabets A and B after the numbers in FIG. 4 and 5, only a part of the air supply passage 37, the air branch passage 47, the hydrogen supply passage 65, and the hydrogen circulation passage 73 in FIG. 1 are shown. 1 is the same connection form.

本発明の第5の実施形態として、燃料電池1,1A,1Bの暖機運転時には、上流発電部61,61A,61Bに供給する空気の量を、定常運転時よりも減少させる。これは、第1の実施形態で、上流発電部61の空気量を減らすことにより、この部位の温度上昇を達成できることとした点を利用している。したがって、この場合、暖機運転中で温度を早く上昇させたい場合に有効であり、暖機運転時間の短縮化を図ることができる。   As a fifth embodiment of the present invention, during the warm-up operation of the fuel cells 1, 1A, 1B, the amount of air supplied to the upstream power generation units 61, 61A, 61B is reduced as compared with the steady operation. This utilizes the point that the temperature increase of this part can be achieved by reducing the amount of air in the upstream power generation unit 61 in the first embodiment. Therefore, this case is effective when it is desired to quickly raise the temperature during the warm-up operation, and the warm-up operation time can be shortened.

なお、上記した各実施形態は、空気側のみで気化潜熱を利用する方法を示したが、水素側で気化潜熱を利用するものに対して実施することを否定するものではない。また、本実施形態では、気化するための液相の水を供給する方法は、燃料電池1の外側で、インジェクタ57を用いて供給する方法を示したが、その他の方法を否定するものではない。   In addition, although each above-mentioned embodiment showed the method of utilizing vaporization latent heat only by the air side, it does not deny performing with respect to what uses vaporization latent heat on the hydrogen side. In the present embodiment, the method of supplying liquid phase water for vaporization has been described as a method of supplying using the injector 57 outside the fuel cell 1, but other methods are not denied. .

また、上記した実施形態では、空気供給通路37から空気分岐通路47を分岐させているが、コンプレッサ41などの空気供給源を2系統設置して、空気入口マニホールド19と中間入口マニホールド49とに空気を別々に供給するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the air branch passage 47 is branched from the air supply passage 37. However, two air supply sources such as the compressor 41 are installed, and air is supplied to the air inlet manifold 19 and the intermediate inlet manifold 49. May be supplied separately.

本発明の第1の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device showing a first embodiment of the present invention. 燃料電池の一部を示す、図1のA−A線断面に相当する断面図である。It is sectional drawing equivalent to the AA sectional view of FIG. 1 which shows a part of fuel cell. 空気流路に沿った温度変化を、従来例と本実施形態とを比較して示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the temperature change along an air flow path by comparing a prior art example and this embodiment. 本発明の第3の実施形態示すバイポーラプレートの平面図である。It is a top view of the bipolar plate which shows the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態示すバイポーラプレートの平面図である。It is a top view of the bipolar plate which shows the 4th Embodiment of this invention. 空気流路に沿った温度変化を、冷却水冷却と気化潜熱冷却とを比較して示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the temperature change along an air flow path by comparing cooling water cooling and vaporization latent heat cooling.

符号の説明Explanation of symbols

1, 1A,1B 燃料電池
3,3A,3B 空気流路(反応ガス流路)
11,13 電極
19,19A,19B 空気入口マニホールド(反応ガス入口)
21,21A,21B 空気出口マニホールド(反応ガス出口)
37 空気供給通路(反応ガス供給通路)
45 コントローラ(反応ガス流量調整手段)
47 空気分岐通路
49 中間入口マニホールド(反応ガス入口と反応ガス出口との間の反応ガス流路の途中部位)
53 調圧弁(反応ガス流量調整手段)
55 圧力センサ(反応ガス流量調整手段)
61,61A,61B 空気流路の上流側流路
63,63A,63B 空気流路の下流側流路
1, 1A, 1B Fuel cell 3, 3A, 3B Air flow path (reactive gas flow path)
11, 13 Electrode 19, 19A, 19B Air inlet manifold (reactive gas inlet)
21, 21A, 21B Air outlet manifold (reactive gas outlet)
37 Air supply passage (reactive gas supply passage)
45 Controller (reaction gas flow rate adjusting means)
47 Air branch passage 49 Intermediate inlet manifold (part of the reaction gas flow path between the reaction gas inlet and the reaction gas outlet)
53 Pressure regulating valve (reaction gas flow rate adjusting means)
55 Pressure sensor (reaction gas flow rate adjusting means)
61, 61A, 61B Upstream flow path of air flow path 63, 63A, 63B Downstream flow path of air flow path

Claims (9)

燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給して、発電とともに水の気化潜熱により冷却を行う燃料電池装置において、前記電極にて前記反応ガスが流れる反応ガス流路の一端に前記反応ガスが流入する反応ガス入口を、同他端に前記反応ガスが排出される反応ガス出口をそれぞれ設け、前記燃料電池の発電に必要な反応ガスのうちの一部を、前記反応ガス入口に前記水とともに供給すると同時に、前記反応ガス入口と前記反応ガス出口との間の前記反応ガス流路の途中部位に前記反応ガスの他の一部を供給することを特徴とする燃料電池装置。   In a fuel cell device that supplies water together with a reaction gas to an electrode of a fuel cell and cools by generating latent heat of vaporization of water together with power generation, the reaction gas flows into one end of a reaction gas channel through which the reaction gas flows in the electrode The reaction gas inlet is provided with a reaction gas outlet for discharging the reaction gas at the other end, and a part of the reaction gas necessary for power generation of the fuel cell is supplied to the reaction gas inlet together with the water. At the same time, another part of the reaction gas is supplied to an intermediate portion of the reaction gas flow path between the reaction gas inlet and the reaction gas outlet. 前記反応ガス入口と前記反応ガス出口との間の前記反応ガス流路の途中部位に前記反応ガスの他の一部を前記水とともに供給することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。   2. The fuel cell device according to claim 1, wherein another part of the reaction gas is supplied together with the water to an intermediate portion of the reaction gas flow path between the reaction gas inlet and the reaction gas outlet. . 請求項1または2に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス入口に前記反応ガスを供給する反応ガス供給通路を接続するとともに、この反応ガス供給通路を分岐させて設けた反応ガス分岐通路を、前記反応ガス流路の途中部位に接続したことを特徴とする燃料電池装置。   The fuel cell device according to claim 1 or 2, wherein a reaction gas supply passage for supplying the reaction gas to the reaction gas inlet is connected and a reaction gas branch passage provided by branching the reaction gas supply passage is provided. A fuel cell device connected to an intermediate portion of the reaction gas flow path. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス流路の途中部位は、前記反応ガス流路における前記反応ガスの流れ方向中央位置より上流側としたことを特徴とする燃料電池装置。   4. The fuel cell device according to claim 1, wherein an intermediate portion of the reaction gas flow path is located upstream of a central position in the reaction gas flow direction in the reaction gas flow path. A fuel cell device. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス流路を、前記反応ガスが前記反応ガス流路の途中部位で折り返して流れるように、前記反応ガス入口と前記途中部位とを結ぶ上流側流路と、前記途中部位と前記反応ガス出口とを結ぶ下流側流路とを有する構成として、これら上流側流路および下流側流路を互いに隣接して並行配置したことを特徴とする燃料電池装置。   5. The fuel cell device according to claim 1, wherein the reaction gas inlet and the reaction gas flow path are arranged so that the reaction gas flows back at a midpoint of the reaction gas flow path. As a configuration having an upstream flow path connecting a midway part and a downstream flow path connecting the midway part and the reactive gas outlet, the upstream flow path and the downstream flow path are arranged adjacent to each other in parallel. A fuel cell device. 請求項5に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス流路の下流側流路を、前記反応ガス流路の上流側流路の両側に配置したことを特徴とする燃料電池装置。   6. The fuel cell device according to claim 5, wherein the downstream flow path of the reaction gas flow path is disposed on both sides of the upstream flow path of the reaction gas flow path. 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス入口から前記反応ガス流路に供給する反応ガスの流量と、前記反応ガス流路の途中部位に供給する反応ガスの流量とを調整する反応ガス流量調整手段を設けたことを特徴とする燃料電池装置。   7. The fuel cell device according to claim 1, wherein a flow rate of the reaction gas supplied from the reaction gas inlet to the reaction gas channel and a reaction gas supplied to an intermediate portion of the reaction gas channel. A fuel cell device comprising a reactive gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the fuel gas. 請求項7に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス流量調整手段は、前記反応ガス入口と前記反応ガス流路の途中部位との間の電極面積と、前記反応ガス流路の途中部位と前記反応ガス出口との間の電極面積に応じて反応ガスの流量を変化させることを特徴とする燃料電池装置。   8. The fuel cell device according to claim 7, wherein the reactive gas flow rate adjusting means includes an electrode area between the reactive gas inlet and an intermediate part of the reactive gas channel, an intermediate part of the reactive gas channel, and the A fuel cell device, wherein a flow rate of a reaction gas is changed according to an electrode area between the reaction gas outlet and the reaction gas outlet. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の燃料電池装置において、前記燃料電池の暖機運転時に、前記反応ガス入口に供給する反応ガスの流量を、定常運転時よりも減少させることを特徴する燃料電池装置。   9. The fuel cell device according to claim 1, wherein the flow rate of the reaction gas supplied to the reaction gas inlet during the warm-up operation of the fuel cell is reduced as compared with the steady operation. A fuel cell device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2960704A1 (en) * 2010-05-27 2011-12-02 Air Liquide Plate i.e. cathodic plate, for proton-exchange membrane type fuel cell, has reactive face transmitting fuel gas towards electrode assembly, and gas supply channel comprising downstream portion that is realized by one of openings in edges

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