JP2008176986A - Fuel cell and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system.
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等がある。このうち、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜がカソードとアノードとにより挟まれた膜電極接合体(MEA)がさらにセパレータによって挟まれたセルが複数積層されたスタック構造を有する。固体高分子型燃料電池においては、燃料ガスがアノードに供給され、酸化剤ガスがカソードに供給される。その結果、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して水が生成される。この水が生成されるときに発生する電流が外部に取り出されることにより、燃料電池は発電する。 Examples of the fuel cell using a solid electrolyte include a solid polymer fuel cell and a solid oxide fuel cell. Among these, the polymer electrolyte fuel cell has a stack structure in which a plurality of cells each having a membrane electrode assembly (MEA) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a cathode and an anode and further sandwiched between separators are stacked. In a polymer electrolyte fuel cell, fuel gas is supplied to the anode and oxidant gas is supplied to the cathode. As a result, the fuel gas and the oxidant gas undergo an electrochemical reaction to generate water. The fuel cell generates electricity by taking out the current generated when the water is generated.
燃料電池の発電によって生成された水は、主として燃料電池内の反応ガス流路を通って外部に排出される。しかしながら、生成水の一部は、反応ガス流路内に滞留する場合がある。特に、端部セルに生成水が滞留しやすい。端部セルにおいては放熱量が大きいからである。反応ガス流路内に水が滞留していると、反応ガスの拡散性が低下する。この場合、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。そこで、生成水の滞留を抑制するための方法として、燃料電池の停止時に、乾燥した掃気ガスを反応ガス流路内に流す方法が考えられている(例えば、特許文献1参照)。 The water generated by the power generation of the fuel cell is discharged to the outside mainly through the reaction gas flow path in the fuel cell. However, some of the generated water may stay in the reaction gas flow path. In particular, the generated water tends to stay in the end cells. This is because the end cell has a large heat dissipation amount. If water stays in the reaction gas flow path, the diffusibility of the reaction gas decreases. In this case, the power generation performance of the fuel cell may be reduced. Therefore, as a method for suppressing the retention of the generated water, a method of flowing a dry scavenging gas into the reaction gas channel when the fuel cell is stopped is considered (for example, see Patent Document 1).
特許文献1には、滞留水が流路内にあると判断した場合に、通常の掃気時よりも掃気ガスを大量に流すことによって、滞留水を除去する方法が開示されている。 Patent Document 1 discloses a method of removing stagnant water by flowing a larger amount of scavenging gas than normal scavenging when it is determined that the stagnant water is in the flow path.
しかしながら、特許文献1に係る掃気方法では、掃気ガスを大量に流す必要があるため、コンプレッサの負荷が大きくなり、燃料電池システムのシステム効率が低下する。また、掃気ガスを大量に流すための特別な制御装置も必要となる。 However, in the scavenging method according to Patent Document 1, since it is necessary to flow a large amount of scavenging gas, the load on the compressor increases and the system efficiency of the fuel cell system decreases. In addition, a special control device for flowing a large amount of scavenging gas is also required.
本発明は、システム効率低下を抑制することができるとともにガス流路内の滞留水を効率よく除去することができる燃料電池を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the fuel cell which can suppress a system efficiency fall and can remove efficiently the stagnant water in a gas flow path.
本発明に係る燃料電池は、ガス流路が設けられたセルが複数積層されたスタックを備え、スタックには、ガス流路に接続されガス流路にガスを供給するための供給マニホールドと、ガス流路に接続されガス流路からガスを排出するための排出マニホールドとが設けられ、スタックの少なくとも一方の端部セルのガス流路に供給マニホールドから供給されるガスの流速は、スタック内の各ガス流路に供給マニホールドから供給されるガスの平均流速よりも大きくなることを特徴とする。本発明に係る燃料電池によれば、端部セルのガス流路を通るガスの流速は、スタック内のガス流路の平均流速に比較して大きくなる。それにより、ガス流路内の滞留水を効率よく除去することが可能となる。また、掃気ガス量を増加させる必要がないことから、システム効率低下を抑制することができる。 A fuel cell according to the present invention includes a stack in which a plurality of cells each provided with a gas flow path are stacked. The stack includes a supply manifold connected to the gas flow path and supplying gas to the gas flow path. A discharge manifold connected to the flow path for discharging gas from the gas flow path, and the flow rate of the gas supplied from the supply manifold to the gas flow path of at least one end cell of the stack depends on each flow rate in the stack. The gas flow rate is larger than the average flow velocity of the gas supplied from the supply manifold. According to the fuel cell of the present invention, the flow rate of the gas passing through the gas flow path of the end cell is larger than the average flow speed of the gas flow path in the stack. Thereby, it is possible to efficiently remove the stagnant water in the gas flow path. Further, since it is not necessary to increase the amount of scavenging gas, it is possible to suppress a decrease in system efficiency.
上記構成において、端部セルのガス流路は、供給マニホールドから排出マニホールドにかけて、一本の流路になっているものであってもよい。この構成によれば、端部セルのいずれの箇所に生成水が滞留していても、端部セルから滞留水を効率よく排出することができる。 In the above configuration, the gas flow path of the end cell may be a single flow path from the supply manifold to the discharge manifold. According to this configuration, even if the generated water is retained in any part of the end cell, the retained water can be efficiently discharged from the end cell.
上記構成において、供給マニホールドは、第1供給マニホールドと第2供給マニホールドとを含み、排出マニホールドは、第1排出マニホールドと第2排出マニホールドとを含み、第1供給マニホールド、第1排出マニホールド、第2供給マニホールドおよび第2排出マニホールドの順に連通し、第2供給マニホールドは、少なくとも端部セルに接続されていることを特徴とするものであってもよい。 In the above configuration, the supply manifold includes a first supply manifold and a second supply manifold, the discharge manifold includes a first discharge manifold and a second discharge manifold, the first supply manifold, the first discharge manifold, the second The supply manifold and the second discharge manifold communicate with each other in order, and the second supply manifold may be connected to at least the end cell.
上記構成において、第2供給マニホールドは、端部セルから連続して隣接する複数のセルに接続され、第2供給マニホールドが接続されたセルの数は、第1供給マニホールドが接続されたセルの数に比較して小さいことを特徴とするものであってもよい。 In the above configuration, the second supply manifold is connected to a plurality of adjacent cells continuously from the end cell, and the number of cells to which the second supply manifold is connected is the number of cells to which the first supply manifold is connected. It may be characterized by being small compared to.
上記構成において、供給マニホールドは、第1供給マニホールドと第2供給マニホールドとを含み、排出マニホールドは、第1排出マニホールドと第2排出マニホールドとを含み、第1供給マニホールド、第1排出マニホールド、第2供給マニホールドおよび第2排出マニホールドの順に連通し、第1供給マニホールドは、少なくとも端部セルに接続されていることを特徴とするものであってもよい。 In the above configuration, the supply manifold includes a first supply manifold and a second supply manifold, the discharge manifold includes a first discharge manifold and a second discharge manifold, the first supply manifold, the first discharge manifold, the second The supply manifold and the second discharge manifold are communicated in this order, and the first supply manifold may be connected to at least the end cell.
上記構成において、第1供給マニホールドは、端部セルから連続して隣接する複数のセルに接続され、第1供給マニホールドが接続されたセルの数は、第2供給マニホールドが接続されたセルの数に比較して小さいことを特徴とするものであってもよい。 In the above configuration, the first supply manifold is connected to a plurality of cells that are continuously adjacent from the end cell, and the number of cells to which the first supply manifold is connected is the number of cells to which the second supply manifold is connected. It may be characterized by being small compared to.
上記構成において、端部セルは、マイナス側の端部セルであることを特徴とするものであってもよい。この構成によれば、マイナス側端部セルのガス流路の滞留水を効率よく除去することができる。 In the above configuration, the end cell may be a minus side end cell. According to this configuration, the accumulated water in the gas flow path of the minus side end cell can be efficiently removed.
本発明に係る燃料電池システムは、請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池と、ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、端部セルの電気抵抗を検出する検出手段と、検出手段の検出結果が所定値以上になるまでガス流路に掃気ガスが供給されるように掃気ガス供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。本発明に係る燃料電池システムによれば、端部セルのガス流路を通るガスの流速は、スタック内のガス流路の平均流速に比較して大きくなる。それにより、ガス流路内の滞留水を効率よく除去することが可能となる。また、掃気ガス量を増加させる必要がないことから、システム効率低下を抑制することができる。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell according to any one of claims 1 to 7, a scavenging gas supply means for supplying a scavenging gas to a gas flow path, and a detection means for detecting an electrical resistance of an end cell. And a control means for controlling the scavenging gas supply means so that the scavenging gas is supplied to the gas flow path until the detection result of the detection means reaches a predetermined value or more. According to the fuel cell system of the present invention, the flow rate of the gas passing through the gas flow path of the end cell is larger than the average flow speed of the gas flow path in the stack. Thereby, it is possible to efficiently remove the stagnant water in the gas flow path. Further, since it is not necessary to increase the amount of scavenging gas, it is possible to suppress a decrease in system efficiency.
上記構成において、ガス流路に掃気ガスと逆向きに反応ガスを供給する反応ガス供給手段をさらに備えることを特徴とするものであってもよい。 In the above configuration, the gas flow path may further include a reaction gas supply unit that supplies the reaction gas in a direction opposite to the scavenging gas.
本発明によれば、システム効率低下を抑制することができるとともにガス流路内の滞留水を効率よく除去することができる燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can suppress a stagnant water in a gas flow path while being able to suppress a system efficiency fall can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
まず、本発明の第1実施例に係る燃料電池200を含む燃料電池システム300全体について説明する。図1は、燃料電池システム300の構成を示すブロック図である。図1に示すように、燃料電池システム300は、反応ガス供給手段40、掃気ガス供給手段50、検出手段60、制御手段70および燃料電池200を備える。
First, the entire
燃料電池200は、セル10が複数積層されたスタック構造を有する。セル10の積層体の一方端にはエンドプレート20が配置され、他方端にはエンドプレート22が配置されている。エンドプレート20,22にはそれぞれ、反応ガス等を各セル10に供給するための配管が接続される。
The
反応ガス供給手段40は、燃料ガス供給手段(図示せず)および酸化剤ガス供給手段(図示せず)を備える。燃料ガス供給手段は、燃料電池200に燃料ガスを供給する手段である。酸化剤ガス供給手段は、燃料電池200に酸化剤ガスを供給する手段である。燃料ガスとしては、例えば水素が用いられる。酸化剤ガスとしては、例えば酸素を含んだエアが用いられる。以下、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスと総称する。反応ガス供給手段40は、制御手段70の指示に従って、エンドプレート22側から各セル10のガス流路に反応ガスを供給する。それにより、各セル10において発電が行われる。
The reactive gas supply means 40 includes a fuel gas supply means (not shown) and an oxidant gas supply means (not shown). The fuel gas supply means is means for supplying fuel gas to the
掃気ガス供給手段50は、燃料電池200に掃気ガスを供給する手段である。掃気ガスとしては、特に限定はされないが、乾燥した反応ガス等が用いられる。掃気ガス供給手段50は、制御手段70の指示に従って、エンドプレート20側から各セル10のガス流路に掃気ガスを供給する。それにより、各セル10のガス流路に滞留する水が除去される。
The scavenging gas supply means 50 is means for supplying scavenging gas to the
検出手段60は、セル10の電気抵抗値を検出し、制御手段70にその検出結果を伝える。制御手段70は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成される。制御手段70は、検出手段60の検出結果に基づいて、反応ガス供給手段40および掃気ガス供給手段50を制御する。
The detection means 60 detects the electric resistance value of the
図2にセル10の模式的断面図を示す。図2に示すように、セル10はセパレータ110a、拡散層108a、カソード触媒層104、電解質膜102、アノード触媒層106、拡散層108bおよびセパレータ110bが順に積層された構造を有する。電解質膜102は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなり、例えばパーフルオロスルフォン酸型ポリマからなる。
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the
カソード触媒層104は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層である。アノード触媒層106は、水素のプロトン化を促進する触媒層である。カソード触媒層104およびアノード触媒層106は、例えば、白金担持カーボンからなる。拡散層108aは、酸素を含有する酸化剤ガスを透過する層である。拡散層108bは水素を含有する燃料ガスを透過する層である。拡散層108a,108bは、例えば、カーボンペーパからなる。セパレータ110aには、酸化剤ガス流路90が設けられている。セパレータ110bには、燃料ガス流路91が設けられている。
The
燃料ガス流路91には、燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、拡散層108bを透過してアノード触媒層106に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層106の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜102を伝導してカソード触媒層104に到達する。
Fuel gas is supplied to the
酸化剤ガス流路90には、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、拡散層108aを透過してカソード触媒層104に到達する。カソード触媒層104においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水が生成される。発電によって生成された水は、主として酸化剤ガス流路90および燃料ガス流路91を通って外部へ排出される。
Oxidant gas is supplied to the oxidant
続いて、燃料電池200に形成されたマニホールドおよび各セル10に形成されたガス流路について説明する。説明を簡略化するため、酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路について説明する。図3(a)は、酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路の模式図である。例えば、図3(a)に示すように、燃料電池200は、セル10が10層積層されたスタック構造を有すると仮定する。また、燃料電池200のエンドプレート20側端のセル10を、端部セル12と称する。端部セル12以外のセル10の酸化剤ガス流路をそれぞれ酸化剤ガス流路90aと称し、端部セル12の酸化剤ガス流路を酸化剤ガス流路90bと称する。
Next, the manifold formed in the
燃料電池200には、供給マニホールドおよび排出マニホールドが設けられている。供給マニホールドは、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給するためのマニホールドである。供給マニホールドは、マニホールド80aおよびマニホールド80cを含む。マニホールド80aは、各酸化剤ガス流路90aに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドである。マニホールド80cは、酸化剤ガス流路90bに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドであり、端部セル12に接続されている。
The
排出マニホールドは、酸化剤ガス流路から酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。排出マニホールドは、マニホールド80bおよびマニホールド80dを含む。マニホールド80bは、各酸化剤ガス流路90aから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。マニホールド80dは、酸化剤ガス流路90bから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。
The discharge manifold is a manifold for discharging the oxidant gas from the oxidant gas flow path. The discharge manifold includes a manifold 80b and a manifold 80d. The manifold 80b is a manifold for discharging the oxidant gas from each oxidant
各マニホールドは、マニホールド80a、マニホールド80b、マニホールド80cおよびマニホールド80dの順に連通している。また、マニホールド80bは、酸化剤ガス流路を介さずにマニホールド80cに接続されている。酸化剤ガスは、マニホールド80aから供給され、各酸化剤ガス流路90a、マニホールド80b、マニホールド80cおよび酸化剤ガス流路90bを通り、マニホールド80dから排出される。図3(a)において、酸化剤ガスの流れ方向を、矢印で示す。
Each manifold communicates in the order of a manifold 80a, a manifold 80b, a manifold 80c, and a manifold 80d. The manifold 80b is connected to the manifold 80c without passing through the oxidant gas flow path. The oxidant gas is supplied from the manifold 80a, passes through each oxidant
この場合、各酸化剤ガス流路90aを流動する酸化剤ガスは、集約されて酸化剤ガス流路90bを流動する。それにより、酸化剤ガス流路90bを流動する酸化剤ガスの流速は、各酸化剤ガス流路90aを流動する酸化剤ガスの流速に比較して大きくなる。したがって、酸化剤ガス流路90bを流動する酸化剤ガスの流速は、燃料電池200の各ガス流路を流動する酸化剤ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル12に滞留する水分が効率よく除去される。
In this case, the oxidant gas flowing through each oxidant
続いて、図3(a)の燃料電池200において、酸化剤ガスと逆向きに掃気ガスを供給した場合のマニホールドおよびガス流路の模式図を図3(b)に示す。この場合の掃気ガスとしては、例えば、乾燥したエアを用いることができる。掃気ガスは、マニホールド80dから供給され、酸化剤ガス流路90b、マニホールド80c、マニホールド80bおよび各酸化剤ガス流路90aを通り、マニホールド80aから排出される。図3(b)において、掃気ガスの流れ方向を、矢印で示す。
Subsequently, in the
酸化剤ガス流路90bを流動する掃気ガスの流速は、各酸化剤ガス流路90aを流動する掃気ガスの流速に比較して大きくなる。したがって、酸化剤ガス流路90bを流動する掃気ガスの流速は、燃料電池200の各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル12に滞留する水分が効率よく除去される。また、乾燥した掃気ガスが酸化剤ガス流路90aよりも先に酸化剤ガス流路90bに供給されることから、酸化剤ガス流路90bの乾燥が促進される。この場合、氷点下等の低温環境下における生成水の凍結が抑制される。その結果、燃料電池200の起動性が向上する。
The flow rate of the scavenging gas flowing through the oxidant
本実施例に係る燃料電池200によれば、通常の量の掃気ガスを流せば、端部セル12の酸化剤ガス流路90bを流動する掃気ガスの流速は、燃料電池200の各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル12の酸化剤ガス流路90bの滞留水を効率よく除去することが可能となる。したがって、掃気ガスの総量を多くすることなく、端部セル12の滞留水を効率よく除去することができる。その結果、燃料電池システム300のシステム効率低下を抑制することができる。また、掃気ガスの総量を多くするための特別な装置を設ける必要がない。
According to the
続いて、燃料電池システム300の動作について説明する。図4に、燃料電池システム300の起動から停止までのフローチャートを示す。燃料電池システム300のスイッチがオンされると、制御手段70は、反応ガスを燃料電池200に供給するように、反応ガス供給手段40を制御する(ステップS1)。反応ガスが燃料電池200に供給されると、各セル10において水素と酸素から水が電気化学反応により生成され、それに伴って電力が発生し、発電が開始される(ステップS2)。
Next, the operation of the
次に、制御手段70は、発電停止信号があるか否かを判定する(ステップS3)。制御手段70が発電停止信号がないと判断した場合は、制御手段70は、そのまま発電を継続する。一方、制御手段70が発電停止信号があると判断した場合は、制御手段70は燃料電池200の発電を停止する(ステップS4)。次に、制御手段70は、掃気ガスを燃料電池200に供給するように掃気ガス供給手段50を制御する(ステップS5)。 Next, the control means 70 determines whether or not there is a power generation stop signal (step S3). When the control means 70 determines that there is no power generation stop signal, the control means 70 continues the power generation as it is. On the other hand, when the control means 70 determines that there is a power generation stop signal, the control means 70 stops the power generation of the fuel cell 200 (step S4). Next, the control means 70 controls the scavenging gas supply means 50 so as to supply the scavenging gas to the fuel cell 200 (step S5).
続いて、制御手段70は、検出手段60から端部セル12の電気抵抗値を受け取る(ステップS6)。続いて、制御手段70は、端部セル12の電気抵抗値が所定の値(例えば、500mΩ・cm2)より大きいか否かを判定する(ステップS7)。この場合、端部セル12の滞留水が除去されたか否かを判定することができる。なお、端部セル12の電気抵抗値ではなく、スタック全体の電気抵抗値を検出することによっても、端部セル12の滞留水の量を推測することは可能である。
Subsequently, the control means 70 receives the electrical resistance value of the
ステップS7において端部セル12の電気抵抗値が所定の値よりも大きいと判定されなかった場合、制御手段70は、ステップS6を実行する。一方、ステップS7において、端部セル12の電気抵抗値が所定の値よりも大きいと判定された場合、制御手段70は、掃気ガス供給を停止するように掃気ガス供給手段50を制御する(ステップS8)。その後、制御手段70は、フローチャートの実行を終了する。
If it is not determined in step S7 that the electrical resistance value of the
なお、本実施例においては、マニホールドおよびガス流路の例として、酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路を示したが、燃料ガスが流動するマニホールドおよびガス流路が、本実施例のような流路構造を有するものであってもよい。さらに、酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路および燃料ガスが流動するマニホールドおよびガス流路の両方とも、本実施例のような流路構造を有するものであってもよい。 In this embodiment, as an example of the manifold and the gas flow path, the manifold and the gas flow path in which the oxidant gas flows are shown. However, the manifold and the gas flow path in which the fuel gas flows are as in the present embodiment. It may have a simple channel structure. Furthermore, both the manifold and the gas flow path in which the oxidant gas flows and the manifold and the gas flow path in which the fuel gas flow may have a flow path structure as in this embodiment.
また、本実施例において、掃気ガスを反応ガスと同じ方向に流すものであってもよい。すなわち、図3(a)に示す燃料電池200において、酸化剤ガスの代わりに掃気ガスを流すものであってもよい。この場合においても、端部セル12の酸化剤ガス流路90bを通る掃気ガスの流速は、燃料電池200の各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル12の酸化剤ガス流路90bの滞留水を効率よく除去することが可能となる。
In this embodiment, the scavenging gas may be flowed in the same direction as the reaction gas. That is, in the
また、端部セル12は、燃料電池200のマイナス端に設けてあることが好ましい。燃料電池200のプラス端のセルに比較して、マイナス端のセルに生成水が滞留しやすい傾向になるからである。
Further, the
また、本実施例において、マニホールド80cは、端部セル12から連続して隣接する複数のセル10に接続されていてもよい。この場合においても、マニホールド80cが接続されたセル10の数が、マニホールド80aが接続されたセル10の数に比較して小さい場合には、端部セル12の酸化剤ガス流路90bを流動するガスの流速は、燃料電池200の各ガス流路を流動するガスの平均流速よりも大きくなる。例えばセル10が100層積層された燃料電池200の場合、マニホールド80cは端部セル12から連続して隣接する20層程度のセル10に接続されていてもよい。
In the present embodiment, the manifold 80 c may be connected to a plurality of
本実施例の図3(a)と請求項3との対応関係において、マニホールド80aが第1供給マニホールドに相当し、マニホールド80bが第1排出マニホールドに相当し、マニホールド80cが第2供給マニホールドに相当し、マニホールド80dが第2排出マニホールドに相当する。また、本実施例の図3(b)と請求項5との対応関係において、マニホールド80dが第1供給マニホールドに相当し、マニホールド80cが第1排出マニホールドに相当し、マニホールド80bが第2供給マニホールドに相当し、マニホールド80aが第2排出マニホールドに相当する。
In the correspondence relationship between FIG. 3A of this embodiment and claim 3, the
(変形例1)
また、本実施例において、マイナス側およびプラス側の両方の端部セルのガス流路を流動するガスの流速が、スタック内の各ガス流路の平均流速よりも大きいものであってもよい。図5(a)および図5(b)に、マイナス側端部セルおよびプラス側端部セルのガス流路を流動するガスの流速が、スタック内の各ガス流路の平均流速よりも大きい燃料電池200aのマニホールドおよびガス流路の模式図を示す。
(Modification 1)
Further, in this embodiment, the flow velocity of the gas flowing through the gas flow paths of both the negative side and positive side end cells may be larger than the average flow speed of each gas flow path in the stack. 5 (a) and 5 (b), a fuel in which the flow velocity of the gas flowing through the gas flow paths of the negative side end cell and the positive side end cell is larger than the average flow speed of each gas flow path in the stack. The schematic diagram of the manifold and gas flow path of the
図5(a)は酸化剤ガスが流動する場合の模式図であり、図5(b)は掃気ガスが流動する場合の模式図である。図5(a)において、燃料電池200aのマイナス側端部セル10を端部セル12と称し、プラス側端部セル10を端部セル13と称する。端部セル13の酸化剤ガス流路を、酸化剤ガス流路90aと称し、端部セル12および端部セル13以外の各セル10の酸化剤ガス流路を、それぞれ酸化剤ガス流路90bと称し、端部セル12の酸化剤ガス流路を、酸化剤ガス流路90cと称する。
FIG. 5A is a schematic diagram when the oxidizing gas flows, and FIG. 5B is a schematic diagram when the scavenging gas flows. In FIG. 5A, the minus
供給マニホールドは、マニホールド81a、マニホールド81cおよびマニホールド81eを含む。マニホールド81aは、酸化剤ガス流路90aに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドであり、端部セル13に接続されている。マニホールド81cは、各酸化剤ガス流路90bに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドである。マニホールド81eは、酸化剤ガス流路90cに酸化剤ガスを供給するためのマニホールドであり、端部セル12に接続されている。
The supply manifold includes a manifold 81a, a manifold 81c, and a manifold 81e. The manifold 81 a is a manifold for supplying an oxidant gas to the oxidant
排出マニホールドは、マニホールド81b、マニホールド81dおよびマニホールド81fを含む。マニホールド81bは、酸化剤ガス流路90aから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。マニホールド81dは、各酸化剤ガス流路90bから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。マニホールド81fは、酸化剤ガス流路90cから酸化剤ガスを排出するためのマニホールドである。
The discharge manifold includes a manifold 81b, a
各マニホールドは、マニホールド81a、マニホールド81b、マニホールド81c、マニホールド81d、マニホールド81eおよびマニホールド81fの順に連通している。また、マニホールド81bは、酸化剤ガス流路を介さずにマニホールド81cに接続されている。さらに、マニホールド81dは、酸化剤ガス流路を介さずにマニホールド81eに接続されている。酸化剤ガスは、マニホールド81aから供給され、酸化剤ガス流路90aを通り、マニホールド81b、マニホールド81c、各酸化剤ガス流路90b、マニホールド81d、マニホールド81eおよび酸化剤ガス流路90cを通りマニホールド81fから外部へ排出される。図5(a)において、酸化剤ガスの流れ方向を、矢印で示す。
Each manifold communicates in the order of a manifold 81a, a manifold 81b, a manifold 81c, a
また、図5(b)に示すように、掃気ガスは、マニホールド81fから供給され、酸化剤ガス流路90c、マニホールド81e、マニホールド81d、各酸化剤ガス流路90b、マニホールド81c、マニホールド81bおよび酸化剤ガス流路90aを通り、マニホールド81aから外部へ排出される。
Further, as shown in FIG. 5B, the scavenging gas is supplied from the manifold 81f, and the oxidizing
図5(a)に示すように、燃料電池200aの流路構造によれば、酸化剤ガスの全量が酸化剤ガス流路90aを流動する。また、各酸化剤ガス流路90bを流動する酸化剤ガスは、集約されて酸化剤ガス流路90cを流動する。それにより、酸化剤ガス流路90aおよび酸化剤ガス流路90cを流動する酸化剤ガスの流速は、燃料電池200aの各ガス流路を流動する酸化剤ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル12および端部セル13に滞留する水分が効率よく除去される。
As shown in FIG. 5A, according to the flow path structure of the
また、図5(b)に示すように、燃料電池200aの流路構造によれば、酸化剤ガス流路90aおよび酸化剤ガス流路90cを流動する掃気ガスの流速は、燃料電池200aの各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル12および端部セル13に滞留する水分が効率よく除去される。この場合、氷点下等の低温環境下における生成水の凍結が抑制される。その結果、燃料電池200aの起動性が向上する。
Further, as shown in FIG. 5 (b), according to the flow path structure of the
なお、燃料電池200aにおいて、マニホールド81eは、端部セル12から連続して隣接する複数のセル10に接続されていてもよい。この場合においても、マニホールド81eが接続されたセル10の数が、マニホールド81cが接続されたセル10の数に比較して小さい場合には、端部セル12の酸化剤ガス流路90cを流動するガスの流速は、燃料電池200aの各ガス流路を流動するガスの平均流速よりも大きくなる。
In the
また、燃料電池200aにおいて、マニホールド81aが、端部セル13から連続して隣接する複数のセル10に接続されていてもよい。この場合においても、マニホールド81aが接続されたセル10の数が、マニホールド81cが接続されたセル10の数に比較して小さい場合には、端部セル13の酸化剤ガス流路90aを流動するガスの流速は、燃料電池200aの各ガス流路を流動するガスの平均流速よりも大きくなる。
Further, in the
さらに、燃料電池200aにおいて、マニホールド81eは端部セル12から連続して隣接する複数のセル10に接続され、かつ、マニホールド81aは端部セル13から連続して隣接する複数のセル10に接続されていてもよい。この場合においても、マニホールド81eが接続された複数のセル10およびマニホールド81aが接続された複数のセル10の合計数が、マニホールド81cが接続されたセル10の数に比較して小さい場合には、端部セル12および端部セル13のそれぞれの酸化剤ガス流路90c,90aを流動するガスの流速は、燃料電池200aの各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなる。例えばセル10が100層積層された燃料電池200aの場合、マニホールド81aおよびマニホールド81eはそれぞれ20層のセル10に接続されていてもよい。
Further, in the
本変形例の図5(a)と請求項3との対応関係において、マニホールド81cが第1供給マニホールドに相当し、マニホールド81dが第1排出マニホールドに相当し、マニホールド81eが第2供給マニホールドに相当し、マニホールド81fが第2排出マニホールドに相当する。また、本変形例の図5(b)と請求項5との対応関係において、マニホールド81fが第1供給マニホールドに相当し、マニホールド81eが第1排出マニホールドに相当し、マニホールド81dが第2供給マニホールドに相当し、マニホールド81cが第2排出マニホールドに相当する。
In the correspondence relationship between FIG. 5A of this modification and claim 3, the manifold 81c corresponds to the first supply manifold, the
続いて、本発明の第2実施例に係る燃料電池200bについて説明する。図6(a)は、実施例2に係る燃料電池200bの酸化剤ガスが流動するマニホールドおよびガス流路の模式図である。図6(a)に示す燃料電池200bは、図3(a)に示す燃料電池200と異なり、端部セル12の代わりに端部セル12bを備え、マニホールド80aの代わりにマニホールド82aを備え、マニホールド80bの代わりにマニホールド82bを備える。端部セル12bは、酸化剤ガス流路90bの代わりに酸化剤ガス流路91bを備える。また、図6(a)の燃料電池200bにおいて、酸化剤ガスと逆向きに掃気ガスを供給した場合のマニホールドおよびガス流路の模式図を、図6(b)に示す。その他の構成は実施例1に係る燃料電池200と同じであるため、説明を省略する。
Subsequently, a
図6(a)および図6(b)に示すように、マニホールド82aおよびマニホールド82bはそれぞれ、端部セル12bを含む燃料電池200bを構成する各セル10に接続されている。図6(a)において、酸化剤ガスは、マニホールド82aから供給され各酸化剤ガス流路90aおよび酸化剤ガス流路91bを通り、マニホールド82bから外部へ排出される。また、図6(b)において、掃気ガスは、マニホールド82bから供給され、各酸化剤ガス流路90aおよび酸化剤ガス流路91bを通り、マニホールド82aから外部へ排出される。
As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the
続いて、燃料電池200bの酸化剤ガス流路91bについて説明する。図7(a)は、図6(b)における端部セル12bの模式的平面図である。図7(a)に示すように、端部セル12bの酸化剤ガス流路91bは、マニホールド82aからマニホールド82bにかけて、蛇行しつつ伸びる一本の流路(以下、一本流路と称する)状に形成されている。図7(a)において、掃気ガスはマニホールド82bから供給され酸化剤ガス流路91bを通り、マニホールド82aから外部へ排出される。
Next, the oxidant
一方、図7(b)に、図6(b)における端部セル12b以外のセル10の模式的平面図を示す。図7(b)において、酸化剤ガス流路90aはセル10内に複数形成されている。図7(b)において、掃気ガスは、マニホールド82bから供給され、各酸化剤ガス流路90aを通り、マニホールド82aから外部へ排出される。
On the other hand, FIG. 7B shows a schematic plan view of the
この場合、図7(a)に示す酸化剤ガス流路91bを流動する掃気ガスの流速は、図7(b)に示す各酸化剤ガス流路90aを流動する掃気ガスの流速に比較して、大きくなる。すなわち、端部セル12bのガス流路が1本流路であることにより、端部セル12bのガス流路を流動するガスの流速は、各酸化剤ガス流路90aを流動するガスの平均流速よりも大きくなる。したがって、酸化剤ガス流路91bを流動する酸化剤ガスの流速は、燃料電池200bの各ガス流路を流動する酸化剤ガスの平均流速よりも大きくなる。それにより、端部セル12bに滞留する水分が効率よく除去される。
In this case, the flow rate of the scavenging gas flowing through the oxidant
また、酸化剤ガス流路91bが一本流路になっていれば、マニホールド82bから供給された掃気ガスは端部セル12bに形成された酸化剤ガス流路91bを流動してからマニホールド82aに排出される。したがって、端部セル12bのいずれの箇所に生成水が滞留していても、端部セル12bから生成水を効率よく排出することができる。
If the oxidant
なお、酸化剤ガス流路91bは、2本以上の流路を備えていてもよい。この場合においても、酸化剤ガス流路91bを流動する掃気ガスの流速が燃料電池200bの各ガス流路を流動する掃気ガスの平均流速よりも大きくなるように酸化剤ガス流路91bの本数が限定されていれば、本発明の効果が得られる。また、図3(a)および図3(b)に示す燃料電池200において、端部セル12の酸化剤ガス流路90bが、1本流路になっていてもよい。また、図5(a)および図5(b)に示す燃料電池200aにおいて、端部セル12の酸化剤ガス流路90bおよび端部セル13の酸化剤ガス流路90aが、それぞれ1本流路になっていてもよい。
The
本変形例の図6(a)と請求項1との対応関係において、マニホールド82aが供給マニホールドに相当し、マニホールド82bが排出マニホールドに相当する。また、本実施例の図6(b)と請求項1との対応関係において、マニホールド82bが供給マニホールドに相当し、マニホールド82aが排出マニホールドに相当する。
In the correspondence relationship between FIG. 6A of this modification and claim 1, the
10 セル
12 端部セル
40 反応ガス供給手段
50 掃気ガス供給手段
60 検出手段
70 制御手段
80a マニホールド
80b マニホールド
80c マニホールド
80d マニホールド
90a ガス流路
90b ガス流路
200 燃料電池
300 燃料電池システム
10
Claims (9)
前記スタックには、前記ガス流路に接続され前記ガス流路にガスを供給するための供給マニホールドと、前記ガス流路に接続され前記ガス流路から前記ガスを排出するための排出マニホールドとが設けられ、
前記スタックの少なくとも一方の端部セルのガス流路に前記供給マニホールドから供給されるガスの流速は、前記スタック内の各ガス流路に前記供給マニホールドから供給されるガスの平均流速よりも大きくなることを特徴とする燃料電池。 A stack in which a plurality of cells provided with gas flow paths are stacked,
The stack includes a supply manifold connected to the gas flow path for supplying gas to the gas flow path, and a discharge manifold connected to the gas flow path for discharging the gas from the gas flow path. Provided,
The flow rate of the gas supplied from the supply manifold to the gas flow path of at least one end cell of the stack is larger than the average flow rate of the gas supplied from the supply manifold to each gas flow path in the stack. The fuel cell characterized by the above-mentioned.
前記排出マニホールドは、第1排出マニホールドと第2排出マニホールドとを含み、
前記第1供給マニホールド、前記第1排出マニホールド、前記第2供給マニホールドおよび前記第2排出マニホールドの順に連通し、
前記第2供給マニホールドは、少なくとも前記端部セルに接続されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 The supply manifold includes a first supply manifold and a second supply manifold,
The discharge manifold includes a first discharge manifold and a second discharge manifold,
The first supply manifold, the first discharge manifold, the second supply manifold, and the second discharge manifold communicate in this order,
The fuel cell according to claim 1, wherein the second supply manifold is connected to at least the end cell.
前記第2供給マニホールドが接続された前記セルの数は、前記第1供給マニホールドが接続された前記セルの数に比較して小さいことを特徴とする請求項3記載の燃料電池。 The second supply manifold is connected to a plurality of adjacent cells continuously from the end cell,
4. The fuel cell according to claim 3, wherein the number of cells connected to the second supply manifold is smaller than the number of cells connected to the first supply manifold.
前記排出マニホールドは、第1排出マニホールドと第2排出マニホールドとを含み、
前記第1供給マニホールド、前記第1排出マニホールド、前記第2供給マニホールドおよび前記第2排出マニホールドの順に連通し、
前記第1供給マニホールドは、少なくとも前記端部セルに接続されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。 The supply manifold includes a first supply manifold and a second supply manifold,
The discharge manifold includes a first discharge manifold and a second discharge manifold,
The first supply manifold, the first discharge manifold, the second supply manifold, and the second discharge manifold communicate in this order,
The fuel cell according to claim 1, wherein the first supply manifold is connected to at least the end cell.
前記第1供給マニホールドが接続された前記セルの数は、前記第2供給マニホールドが接続された前記セルの数に比較して小さいことを特徴とする請求項5記載の燃料電池。 The first supply manifold is connected to a plurality of adjacent cells continuously from the end cell,
6. The fuel cell according to claim 5, wherein the number of the cells connected to the first supply manifold is smaller than the number of the cells connected to the second supply manifold.
前記ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段と、
前記端部セルの電気抵抗を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果が所定値以上になるまで前記ガス流路に掃気ガスが供給されるように前記掃気ガス供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
A scavenging gas supply means for supplying a scavenging gas to the gas flow path;
Detecting means for detecting an electrical resistance of the end cell;
A fuel cell system comprising: control means for controlling the scavenging gas supply means so that the scavenging gas is supplied to the gas flow path until a detection result of the detection means reaches a predetermined value or more.
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JP2010165629A (en) * | 2009-01-19 | 2010-07-29 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid electrolyte fuel battery |
JP2022154399A (en) * | 2021-03-30 | 2022-10-13 | 本田技研工業株式会社 | fuel cell system |
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