JP4681411B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a flat membrane humidifier provided with a water permeable membrane for humidifying one reaction gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell with a humidified fluid. The present invention relates to a fuel cell system to be stacked.
通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a polymer electrolyte fuel cell has a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. I have. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給する構成が知られている。 In the fuel cell described above, it is necessary to maintain the electrolyte membrane in an appropriate wet state in order to exhibit an effective power generation function. For this reason, a humidifier that humidifies fuel gas and oxidant gas in advance through water is prepared, and the humidified fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell by connecting the humidifier to the fuel cell. The supply configuration is known.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックは、図13に示すように、発電ユニット1と加湿ユニット2とを積層方向に組み付けて構成されている。発電ユニット1は、複数のセル1aを積層する一方、加湿ユニット2は、水素ガスを加湿する水素ガス加湿器2aと、酸素含有ガス(空気)を加湿する酸素含有ガス加湿器2bとを有する。 For example, the fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 is configured by assembling a power generation unit 1 and a humidification unit 2 in the stacking direction as shown in FIG. While the power generation unit 1 stacks a plurality of cells 1a, the humidification unit 2 includes a hydrogen gas humidifier 2a that humidifies hydrogen gas and an oxygen-containing gas humidifier 2b that humidifies oxygen-containing gas (air).
水素ガス加湿器2aは、多孔質膜3aの両面に水素ガス流路4a及び水流路4bが形成されるとともに、酸素含有ガス加湿器2bは、多孔質膜3bの両側に酸素ガス流路4c及び水流路4dが形成されている。各セル1aの冷却水流路(図示せず)には、ポンプ5を介して水通路5aから冷却水が供給され、前記セル1aの冷却水出口側には、水通路5bが接続されている。この水通路5bは、加湿ユニット2の水流路4b、4dに連通している。
The hydrogen gas humidifier 2a has hydrogen
加湿ユニット2の水素ガス流路4aには、ブロア6を介して水素ガスが水素ガス通路6aから送られるとともに、前記水素ガス流路4aの出口側には、水素ガス通路6bを介して各セル1aの水素ガス流路(図示せず)が連通している。加湿ユニット2の酸素ガス流路4cには、ブロア7を介して空気が酸素ガス通路7aから送られる一方、前記酸素ガス流路4cの出口側には、酸素ガス通路7bを介して各セル1aの酸素ガス流路(図示せず)が連通している。
Hydrogen gas is sent from the
ところで、上記の燃料電池スタックでは、水通路5a、5b、水素ガス通路6a、6b及び酸素ガス通路7a、7bをスタック外部に設けられた外部マニホールド型で燃料電池スタックを構成しようとすると、配管が煩雑になるとともに、屈曲する配管内で圧損が増加するという問題がある。
By the way, in the fuel cell stack described above, if the fuel cell stack is configured by an external manifold type in which the
そこで、発電ユニット1及び加湿ユニット2の内部に、水素ガス連通孔や酸化剤ガス連通孔を形成する内部マニホールド型燃料電池スタックを構成することが考えられる。しかしながら、特に、加湿ユニット2内において、水素ガス、空気及び冷却水を互いにシールするためのシール構造が相当に複雑化するという問題がある。 Therefore, it is conceivable to configure an internal manifold type fuel cell stack in which hydrogen gas communication holes and oxidant gas communication holes are formed inside the power generation unit 1 and the humidification unit 2. However, in particular, there is a problem in that the sealing structure for sealing hydrogen gas, air and cooling water to each other in the humidifying unit 2 is considerably complicated.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、平膜型加湿器内のシール構造を有効に簡素化するとともに、圧損の低減を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell system capable of effectively simplifying the sealing structure in a flat membrane humidifier and reducing pressure loss with a simple configuration. The purpose is to do.
本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるとともに、冷却媒体が供給される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムである。そして、固体高分子型燃料電池の両端には、第1及び第2エンドプレートが配置されるとともに、前記第2エンドプレートに平膜型加湿器の一端側が積層され且つ前記平膜型加湿器の他端側に第3エンドプレートが配置され、前記平膜型加湿器は、水透過性膜、前記水透過性膜の一方の面に配設される第1セパレータ及び前記水透過性膜の他方の面に配設される第2セパレータを備え、他方の反応ガス又は冷却媒体の少なくともいずれかを流す配管部材が、前記水透過性膜、前記第1セパレータ及び前記第2セパレータを積層方向に貫通して前記第2エンドプレートから前記第3エンドプレートまで一体に挿入されている。 In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a fuel gas and an oxidant gas which are reaction gases are supplied, and a solid to which a cooling medium is supplied and a polymer electrolyte fuel cell, a reactant gas hand that will be supplied to the polymer electrolyte fuel cell, and a flat membrane-type humidifier providing water permeable membrane to humidify the humidified fluid, are stacked in the stacking direction It is a fuel cell system. The first and second end plates are disposed at both ends of the polymer electrolyte fuel cell, and one end side of the flat membrane humidifier is stacked on the second end plate, and the flat membrane humidifier A third end plate is disposed on the other end side, and the flat membrane humidifier includes a water permeable membrane, a first separator disposed on one surface of the water permeable membrane, and the other of the water permeable membrane. And a piping member that flows at least one of the other reaction gas and the cooling medium passes through the water permeable membrane, the first separator, and the second separator in the stacking direction. Then, the second end plate to the third end plate are integrally inserted.
さらに、加湿流体は、固体高分子型燃料電池から排出される一方の反応ガス又は他方の反応ガスの排ガスであり、前記排ガス中の水分が水透過性膜を透過して前記一方の反応ガスを加湿することが好ましい。 Further, the humidified fluid is exhaust gas of one reaction gas or the other reaction gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell, and moisture in the exhaust gas permeates the water permeable membrane to remove the one reaction gas. It is preferable to humidify.
本発明では、配管部材が平膜型加湿器内に積層方向に貫通して挿入されるため、燃料ガス又は酸化剤ガスである他方の反応ガスや冷却媒体をシールするためのシール構造が不要になる。従って、平膜型加湿器全体のシール構造が有効に簡素化されるとともに、シール性の向上が容易に図られる。 In the present invention, since the piping member is inserted into the flat membrane humidifier in the stacking direction, a sealing structure for sealing the other reaction gas, which is fuel gas or oxidant gas, or the cooling medium is unnecessary. Become. Therefore, the sealing structure of the entire flat membrane humidifier is effectively simplified and the sealing performance can be easily improved.
しかも、配管部材が挿入されることにより、平膜型加湿器全体に横ずれ等が惹起することがなく、強度の向上を図ることができる。さらに、配管部材内は、段差がなく滑らかに形成されるため、圧損が良好に低減される。 In addition, the insertion of the piping member does not cause a lateral shift or the like in the entire flat membrane humidifier, and the strength can be improved. Furthermore, since the inside of the piping member is smoothly formed without a step, the pressure loss is reduced well.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10の概略構成説明図であり、図2は、前記燃料電池システム10の概略斜視図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a
燃料電池システム10は、例えば、自動車等の燃料電池車両に搭載されており、固体高分子型燃料電池12と、平膜型加湿器14とを積層方向(矢印A方向)にスタックして構成される。燃料電池12は、複数の発電セル16を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にターミナルプレート17a、17b及び絶縁プレート19a、19bを介装して第1及び第2エンドプレート18a、18bが配置される。
The
第2エンドプレート18bには、加湿器14が直接積層される。加湿器14を構成する第3エンドプレート18cは、第1エンドプレート18aに対し、第2エンドプレート18bを介装して複数の締め付けボルト21により積層方向に締め付けられる(図2参照)。
The
図1及び図3に示すように、発電セル16は、固体高分子電解質膜20aの両側にアノード側電極20bとカソード側電極20cとを配置した電解質膜・電極構造体20と、前記電解質膜・電極構造体20を挟持する一対の金属製又はカーボン製セパレータ22、24とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
図3に示すように、発電セル16の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔26a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔28a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔30bが設けられる。
As shown in FIG. 3, an oxidation for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge in the long side direction (arrow B direction) of the
発電セル16の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔28b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔26bが設けられる。
The other end edge in the long side direction of the
セパレータ22の電解質膜・電極構造体20に向かう面には、燃料ガス供給連通孔30aと燃料ガス排出連通孔30bとを連通する燃料ガス流路32が形成される。セパレータ22の反対側の面には、冷却媒体供給連通孔28aと冷却媒体排出連通孔28bとを連通する冷却媒体流路34が形成される。
On the surface of the
セパレータ24の電解質膜・電極構造体20に向かう面には、酸化剤ガス供給連通孔26aと酸化剤ガス排出連通孔26bとに連通する酸化剤ガス流路36が設けられる。セパレータ24の反対側の面には、セパレータ22と重なり合って冷却媒体流路34が一体的に形成される。
An oxidant
図4に示すように、加湿器14は、水透過性膜40の一方の面40aに配設される第1セパレータ42と、前記水透過性膜40の他方の面40bに配設される第2セパレータ44とを備える。第1及び第2セパレータ42、44は、水透過性膜40を介装して交互に矢印A方向に積層されて積層体46を構成する。第1及び第2セパレータ42、44は、金属製プレートを波形状に成形して構成される。なお、この第1及び第2セパレータ42、44は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して構成してもよい。
As shown in FIG. 4, the
積層体46の矢印B方向の一端縁部には、互いに矢印A方向に貫通して、反応前の空気(一方の反応ガス)を供給する空気入口連通孔48aと、加湿された反応前の空気を排出する空気出口連通孔48bとが矢印C方向に配列して形成される。
At one end edge of the laminated
積層体46の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、空気オフガスが供給される空気オフガス入口連通孔50aと、反応前の空気を加湿した後の前記空気オフガスを排出する空気オフガス出口連通孔50bとが矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the laminated
積層体46の空気オフガス出口連通孔50bの上方には、燃料ガス供給連通孔30aと積層方向に重なり合って燃料ガス入口連通孔51aが設けられるとともに、前記積層体46の空気入口連通孔48aの下方には、燃料ガス排出連通孔30bと積層方向に重なり合って燃料オフガス出口連通孔51bが設けられる。
A fuel gas
第1セパレータ42は、水透過性膜40の一方の面40aに向かう第1面42a側に、空気入口連通孔48aと空気出口連通孔48bとを連通し、略U字状に屈曲乃至湾曲する複数の溝部を有する第1流路52を設ける。
The
第1セパレータ42の第1面42aとは反対の第2面42b側には、空気入口連通孔48aと空気出口連通孔48bとを連通し、略U字状の複数の溝部を有する第2流路54が設けられる。この第2流路54は、第1流路52と交互に形成され、全体として波形状を有している(図5参照)。
On the
第2セパレータ44は、水透過性膜40の他方の面40bに向かう面44a側に空気オフガス入口連通孔50aと空気オフガス出口連通孔50bとを連通する略U字状の複数の溝部を有する第3流路56を設ける。
The
第2セパレータ44は、面44aとは反対の面44b側に、空気オフガス入口連通孔50aと空気オフガス出口連通孔50bとを連通する略U字状の複数の溝部を有する第4流路58を設ける。この第4流路58は、第3流路56と交互に配設される。
The
加湿器14の燃料ガス入口連通孔51a及び燃料オフガス出口連通孔51bには、配管部材60a、60bが、積層方向に貫通して挿入される。図4及び図6に示すように、配管部材60a、60bは、例えば、金属で形成されており、端部にフランジ部62a、62bが形成される。
図6に示すように、配管部材60a、60bは、第2エンドプレート18bに圧入、接着又は溶接されるとともに、シール部材64a、64bにより軸方向にシールされる。なお、配管部材60a、60bは、樹脂で形成されてもよく、その際、前記配管部材60a、60bは、第2エンドプレート18bに圧入、接着、溶着又は射出成形により一体化してもよい。配管部材60a、60bが第2エンドプレート18bに一体化される際には、シール部材64aのみを用いてもよい。また、第3エンドプレート18cにマニホールドを取り付けてもよい。
As shown in FIG. 6, the
図1に示すように、燃料電池システム10は、加湿器14側に設けられる酸化剤ガス供給系70及び燃料ガス供給系72と、燃料電池12側に設けられる冷却媒体供給系74とを備える。
As shown in FIG. 1, the
酸化剤ガス供給系70は、第3エンドプレート18cに接続されて加湿器14の空気入口連通孔48aに空気を供給する空気供給流路76と、前記加湿器14の空気オフガス出口連通孔50bから排出される空気オフガスを、外部に排気するための空気排出流路78とを備える。空気供給流路76には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ(又はポンプ)80が設けられる。
The oxidant
燃料ガス供給系72は、配管部材60aを介して燃料電池12に水素ガスを供給するための水素供給流路82と、前記燃料電池12から配管部材60bを介して排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路82の途上に戻して該燃料電池12に供給するための水素循環流路84とを備える。
The fuel
水素供給流路82には、高圧水素を貯留する水素タンク86と、前記水素タンク86から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ88と、減圧された前記水素ガスを燃料電池12に供給するとともに、水素循環流路84から排ガスを吸引して前記燃料電池12に戻すためのエゼクタ90とが配設される。
The
冷却媒体供給系74は、第1エンドプレート18aに接続されて燃料電池12の冷却媒体供給連通孔28aに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路92と、前記燃料電池12の冷却媒体排出連通孔28bから排出される冷却媒体を冷却媒体タンク94に戻す冷却媒体循環流路96と、前記冷却媒体タンク94内の前記冷却媒体を循環させるポンプ98とを備える。
The cooling
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1に示すように、水素タンク86から水素供給流路82に供給される水素ガスは、レギュレータ88を介して所定の圧力に減圧された後、エゼクタ90を通って加湿器14の燃料ガス入口連通孔51aに送られる。この燃料ガス入口連通孔51aには、配管部材60aが挿入されており、水素ガスは、前記配管部材60a内を通って燃料電池12の燃料ガス供給連通孔30aに供給される。
As shown in FIG. 1, the hydrogen gas supplied from the
図3に示すように、水素ガスは、各発電セル16を構成する燃料ガス流路32に沿って矢印B方向に移動し、アノード側電極20bに供給された後、未使用の水素を含む燃料オフガスが、燃料ガス排出連通孔30bに排出される。この燃料オフガスは、加湿器14の燃料オフガス出口連通孔51bに挿入されている配管部材60b内を通って水素循環流路84に排出される。さらに、燃料オフガスは、エゼクタ90の吸引作用下に水素供給流路82に途上に戻された後、再度、燃料電池12に燃料ガスとして供給される。
As shown in FIG. 3, the hydrogen gas moves in the direction of arrow B along the fuel
一方、スーパーチャージャ80を介して、空気供給流路76に空気が供給される。この空気は、第3エンドプレート18cから加湿器14を構成する積層体46の空気入口連通孔48aに供給される。
On the other hand, air is supplied to the
図4に示すように、加湿器14では、第1セパレータ42の第1及び第2流路52、54が空気入口連通孔48aに連通している。この空気入口連通孔48aに導入された空気は、略U字状の第1及び第2流路52、54に沿って移動する。第1流路52を流れる空気は、水透過性膜40の一方の面40aに接触するとともに、第2流路54に沿って移動する空気は、他の水透過性膜40の他方の面40bに接触する(図5参照)。
As shown in FIG. 4, in the
加湿器14では、燃料電池12の発電に使用された反応済みの空気である空気オフガスが、空気オフガス入口連通孔50aに供給される。この空気オフガスは、第2セパレータ44の空気オフガス入口連通孔50aに連通する第3及び第4流路56、58に導入される。第3流路56を移動する空気オフガスは、水透過性膜40の他方の面40bに接触する一方、第4流路58に沿って移動する空気オフガスは、他の水透過性膜40の一方の面40aに接触する(図5参照)。
In the
従って、第2セパレータ44の第3流路56に沿って移動する空気オフガス中の水分は、水透過性膜40を透過し第1流路52に沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。さらに、第2流路54に沿って移動する反応前の空気は、第4流路58に沿って移動する空気オフガス中の水分により加湿される。そして、加湿された空気は、第1及び第2流路52、54に連通する空気出口連通孔48bから燃料電池12の酸化剤ガス供給連通孔26aに供給される。
Therefore, the moisture in the air off-gas that moves along the
図3に示すように、加湿された空気は、各発電セル16のセパレータ24に形成される酸化剤ガス流路36を流れることによって、カソード側電極20cに供給される。未使用の空気を含む空気オフガスは、上記のように、加湿器14内で加湿処理に用いられた後、空気オフガス出口連通孔50bに排出される。これにより、各発電セル16では、アノード側電極20bに供給される水素と、カソード側電極20cに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
As shown in FIG. 3, the humidified air is supplied to the cathode-
また、図1に示すように、冷却媒体供給系74では、ポンプ98の作用下に冷却媒体タンク94内の冷却媒体が、冷却媒体供給流路92から燃料電池12の冷却媒体供給連通孔28aに供給される。この冷却媒体は、図3に示すように、セパレータ22、24間に形成される冷却媒体流路34を通ることによって各発電セル16を冷却した後、冷却媒体排出連通孔28bから冷却媒体循環流路96に排出され、冷却媒体タンク94に戻される。
Further, as shown in FIG. 1, in the cooling
この場合、第1の実施形態では、燃料電池12と加湿器14とが積層方向にスタックされるとともに、前記加湿器14に形成される燃料ガス入口連通孔51a及び燃料オフガス出口連通孔51bには、それぞれ配管部材60a、60bが積層方向に貫通して挿入されている(図6参照)。
In this case, in the first embodiment, the
このため、加湿器14では、例えば、第1及び第2セパレータ42、44に燃料ガス入口連通孔51a及び燃料オフガス出口連通孔51bを覆ってシール部材を用いる必要がなく、前記加湿器14全体のシール構造が有効に簡素化されるとともに、シール性の向上が図られるという効果が得られる。
For this reason, in the
しかも、加湿器14に形成された燃料ガス入口連通孔51a及び燃料オフガス出口連通孔51bに、配管部材60a、60bが積層方向に貫通して挿入されるため、前記加湿器14全体に横ずれ等が惹起することがなく、該加湿器14の強度の向上を図ることができる。特に、車両に搭載される燃料電池システム10では、燃料電池12に振動や慣性力が作用するため、配管部材60a、60bにより横ずれを有効に防止することが可能になる。
Moreover, since the
さらに、配管部材60a、60b内は、段差がなく、その内壁面が滑らかに形成されるため、水素ガスの圧損が良好に低減されるという利点がある。
Furthermore, the
図7は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム100の概略構成説明図であり、図8は、前記燃料電池システム100の一部分解斜視説明図である。
FIG. 7 is a schematic configuration explanatory view of a
なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3〜第6の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
The same components as those of the
燃料電池システム100は、平膜型加湿器102を備える。この加湿器102は、水透過性膜104の一方の面104aに配設される第1セパレータ106と、前記水透過性膜104の他方の面104bに配設される第2セパレータ108とを設ける。
The
第1及び第2セパレータ106、108は、水透過性膜104を介装して交互に矢印A方向に積層されることにより積層体110を構成する。積層体110には、空気出口連通孔48bの下方に位置し、燃料電池12の冷却媒体供給連通孔28aと積層方向に重なり合って冷却媒体入口連通孔112aが設けられるとともに、空気オフガス入口連通孔50aの上方に位置し、前記燃料電池12の冷却媒体排出連通孔28bと積層方向に重なり合って冷却媒体出口連通孔112bが設けられる。
The first and
加湿器102の冷却媒体入口連通孔112a及び冷却媒体出口連通孔112bには、配管部材60c、60dが積層方向に貫通して挿入される。配管部材60c、60dは、上記の配管部材60a、60bと同様に構成されている。図7に示すように、燃料電池システム100は、加湿器102側に酸化剤ガス供給系70、燃料ガス供給系72及び冷却媒体供給系74を備える。
この第2の実施形態では、加湿器102内に酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素ガス及び冷却媒体を流通されることにより、燃料電池12に前記空気、水素ガス及び冷却媒体を供給するように構成している。その際、加湿器102で加湿処理に使用されない水素ガス及び燃料オフガスは、配管部材60a、60b内を通るとともに、冷却媒体は、同様に配管部材60c、60d内を通過している。
In the second embodiment, air, which is an oxidant gas, hydrogen gas, which is a fuel gas, and a cooling medium are circulated in the
従って、水素の他、冷却媒体をシールするためのシール構造が不要になり、加湿器102全体のシール構造が有効に簡素化されるとともに、シール性の向上が図られるという効果が得られる。しかも、4本の配管部材60a〜60dが、加湿器102内に貫通して挿入されるため、前記加湿器102の強度の向上を図ることができる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, there is no need for a sealing structure for sealing the cooling medium in addition to hydrogen, so that the sealing structure of the
さらに、燃料電池システム100では、スタックの一方側に、すなわち、第3エンドプレート18c側に、全ての配管(水素ガス、空気及び冷却媒体の出入り用配管)が集められている。このため、配管作業が一層簡素化されるとともに、一体型の配管構造を採用することが可能になる。
Further, in the
図9は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム120の一部分解斜視説明図である。
FIG. 9 is a partially exploded perspective view of a
燃料電池システム120は、燃料電池12と平膜型加湿器122とを積層方向にスタックして構成される。加湿器122は、使用前の水素ガスを空気オフガスにより加湿するものであり、水透過性膜124の一方の面124aに配設される第1セパレータ126と、前記水透過性膜124の他方の面124bに配設される第2セパレータ128とを備え、これらが複数積層されて積層体130を構成する。
The
積層体130の矢印B方向の一端縁部には、空気出口連通孔48b、空気オフガス出口連通孔50b、燃料ガス入口連通孔51a及び燃料オフガス出口連通孔51bが形成される。積層体130の矢印B方向の他端縁部には、燃料ガス出口連通孔51c及び空気オフガス入口連通孔50aが形成される。
An air
第1セパレータ126の両面には、燃料ガス入口連通孔51aと燃料ガス出口連通孔51cとを連通し、矢印B方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第1及び第2流路132、134が設けられる。第2セパレータ128の両面には、空気オフガス入口連通孔50aと空気オフガス出口連通孔50bとを連通し、矢印B方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第3及び第4流路136、138が設けられる。
First and
燃料オフガス出口連通孔51bには、配管部材60bが積層方向に貫通して挿入されるとともに、空気出口連通孔48bには、配管部材60eが積層方向に貫通して挿入される。
The piping
このように構成される第3の実施形態では、加湿器122の燃料ガス入口連通孔51aに供給される水素ガスは、第1セパレータ126の両面に設けられた第1及び第2流路132、134に沿って流動する一方、空気オフガス入口連通孔50aに排出される空気オフガスは、第2セパレータ128の両面に設けられた第3及び第4流路136、138に沿って流動する。
In the third embodiment configured as described above, the hydrogen gas supplied to the fuel gas
このため、空気オフガス中の水分は、水透過性膜124を透過して第1及び第2流路132、134に沿って移動する水素ガスに送られ、加湿された水素ガスが、燃料電池12の燃料ガス供給連通孔30aに供給される。その際、加湿器122で加湿処理に使用されない反応前の空気は、配管部材60e内を通って燃料電池12の酸化剤ガス供給連通孔26aに供給される一方、加湿処理に使用されない燃料オフガスは、配管部材60b内を通って加湿器122から排出される。これにより、第3の実施形態では、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
For this reason, the moisture in the air off-gas is sent to the hydrogen gas that passes through the water-
図10は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池システム140の一部分解斜視説明図である。
FIG. 10 is a partially exploded perspective view of a
燃料電池システム140は、燃料電池12に積層方向にスタックされる平膜型加湿器142を備える。加湿器142は、第2の実施形態と同様に、この加湿器142側に水素ガス、空気及び冷却媒体の供給系が設けられており、第2の実施形態及び第3の実施形態と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
The
加湿器142は、水透過性膜144を挟んで配置される第1及び第2セパレータ146、148を備える。第1セパレータ146には、サーペンタイン流路である第1及び第2流路132、134が設けられるとともに、第2セパレータ148には、同様にサーペンタイン流路である第3及び第4流路136、138が設けられる。水透過性膜144と第1及び第2セパレータ146、148とが積層されて積層体150を構成する。
The
積層体150は、空気出口連通孔48b、冷却媒体入口連通孔112a、燃料オフガス出口連通孔51b及び冷却媒体出口連通孔112bに配管部材60e、60c、60b及び60dが積層方向に貫通して挿入される。
In the laminate 150, piping
このように構成される第4の実施形態では、反応前の水素ガスが、空気オフガス中の水分により加湿される一方、加湿処理に使用されない反応前の空気、冷却媒体及び燃料オフガスは、配管部材60d〜60e内を通って移動している。このため、これらのシール構造が不要になり、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。 In the fourth embodiment configured as described above, the hydrogen gas before the reaction is humidified by the moisture in the air off gas, while the air, the cooling medium, and the fuel off gas before the reaction that are not used for the humidification treatment are the piping member. It moves through 60d-60e. For this reason, these seal structures are unnecessary, and the same effects as those in the first to third embodiments can be obtained.
図11は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池システム160の一部分解斜視説明図である。
FIG. 11 is a partially exploded perspective view of a
燃料電池システム160は、加湿器162を備える。この加湿器162は、水素ガスと燃料オフガスとの間で水交換を行うものであり、水透過性膜164を挟んで第1及び第2セパレータ166、168が配設され、これらが積層されることにより積層体170が構成される。
The
積層体170の矢印B方向の一端縁部には、空気出口連通孔48b、燃料オフガス出口連通孔51b及び燃料オフガス入口連通孔51dが設けられる。この積層体170の矢印B方向の他端縁部には、燃料ガス出口連通孔51c、燃料ガス入口連通孔51a及び空気オフガス出口連通孔50bが設けられる。
An air
第1セパレータ166の両面には、燃料ガス入口連通孔51aと燃料ガス出口連通孔51cとに連通し、略U字状に湾曲する第1及び第2流路172、174が形成される。第2セパレータ168の両面には、燃料オフガス入口連通孔51dと燃料オフガス出口連通孔51bとに連通し、略U字状に湾曲する第3及び第4流路176、178が形成される。空気出口連通孔48b及び空気オフガス出口連通孔50bには、配管部材60e、60fが積層方向に貫通して挿入される。
On both surfaces of the
このように構成される第5の実施形態では、加湿器162の燃料ガス入口連通孔51aに供給される水素ガスは、第1セパレータ166の第1及び第2流路172、174に沿って供給される一方、燃料電池12から燃料オフガス入口連通孔51dに排出される燃料オフガスは、第2セパレータ168の第3及び第4流路176、178に沿って移動する。
In the fifth embodiment configured as described above, the hydrogen gas supplied to the fuel gas
このため、燃料オフガス中の水分は、水透過性膜164を透過して水素ガスに供給され、加湿された水素ガスが、燃料ガス出口連通孔51cから燃料電池12に供給される。その際、反応前の空気は、配管部材60e内を通って燃料電池12に供給されるとともに、空気オフガスは、配管部材60f内を通って加湿器162の外部に排出される。従って、空気出口連通孔48b及び空気オフガス出口連通孔50bに、専用のシール構造が不要になるという効果が得られる。
For this reason, the water in the fuel off-gas passes through the water
図12は、本発明の第6の実施形態に係る燃料電池システム180の一部分解斜視説明図である。
FIG. 12 is a partially exploded perspective view of a
燃料電池システム180は、第2及び第5の実施形態を併せた構成を採用しており、加湿器182を備える。この加湿器182は、水透過性膜184を挟んで配置される第1及び第2セパレータ186、188を備え、これらが積層されて積層体190が構成される。
The
積層体190の矢印B方向の一端縁部には、空気出口連通孔48b、燃料オフガス出口連通孔51b、冷却媒体入口連通孔122a及び燃料オフガス入口連通孔51dが設けられる。積層体190の矢印B方向の他端縁部には、燃料ガス出口連通孔51c、冷却媒体出口連通孔112b、燃料ガス入口連通孔51a及び空気オフガス出口連通孔50bが設けられる。
An air
空気出口連通孔48b、冷却媒体入口連通孔112a、冷却媒体出口連通孔112b及び空気オフガス出口連通孔50bには、配管部材60e、60c、60d及び60fが積層方向に貫通して挿入される。
なお、第1及び第2の実施形態では、反応前の空気を空気オフガスにより加湿する構造を採用し、第2、第3及び第4の実施形態では、反応前の水素ガスを空気オフガスにより加湿構造を採用し、さらに第5及び第6の実施形態では、反応前の水素ガスを燃料オフガスにより加湿する構造を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、反応前の空気を燃料オフガスにより加湿する構造を採用してもよく、さらに流路形状は、略U字状やサーペンタインに限定されず、種々の形状が採用可能である。また、冷却媒体として、例えば、純水が使用される場合には、この冷却媒体により反応前の水素ガス及び/又は空気を加湿してもよい。 In the first and second embodiments, a structure in which air before reaction is humidified by air off-gas is adopted, and in the second, third and fourth embodiments, hydrogen gas before reaction is humidified by air off-gas. Further, in the fifth and sixth embodiments, the structure in which the hydrogen gas before the reaction is humidified by the fuel off gas is employed, but the present invention is not limited to this. For example, a structure in which air before reaction is humidified by a fuel off gas may be employed, and the shape of the flow path is not limited to a substantially U shape or serpentine, and various shapes can be employed. For example, when pure water is used as the cooling medium, the hydrogen gas and / or air before the reaction may be humidified by the cooling medium.
10、100、120、140、160、180…燃料電池システム
12…燃料電池
14、102、122、142、162、182…加湿器
16…発電セル 18a〜18c…エンドプレート
20a…固体高分子電解質膜 20b…アノード側電極
20c…カソード側電極
22、24、42、44、106、108、126、128、146、148、166、168、186、188…セパレータ
26a…酸化剤ガス供給連通孔 26b…酸化剤ガス排出連通孔
28a…冷却媒体供給連通孔 28b…冷却媒体排出連通孔
30a…燃料ガス供給連通孔 30b…燃料ガス排出連通孔
32…燃料ガス流路 34…冷却媒体流路
36…酸化剤ガス流路
40、104、124、144、164、184…水透過性膜
46、110、130、150、170、190…積層体
48a…空気入口連通孔 48b…空気出口連通孔
50a…空気オフガス入口連通孔 50b…空気オフガス出口連通孔
51a…燃料ガス入口連通孔 51b…燃料オフガス出口連通孔
51c…燃料ガス出口連通孔 51d…燃料オフガス入口連通孔
52、54、56、58、132、134、136、138、172、174、176、178…流路
60a〜60f…配管部材 70…酸化剤ガス供給系
72…燃料ガス供給系 74…冷却媒体供給系
112a…冷却媒体入口連通孔 112b…冷却媒体出口連通孔
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記固体高分子型燃料電池の両端には、第1及び第2エンドプレートが配置されるとともに、
前記第2エンドプレートに前記平膜型加湿器の一端側が積層され且つ前記平膜型加湿器の他端側に第3エンドプレートが配置され、
前記平膜型加湿器は、水透過性膜、前記水透過性膜の一方の面に配設される第1セパレータ及び前記水透過性膜の他方の面に配設される第2セパレータを備え、
他方の反応ガス又は冷却媒体の少なくともいずれかを流す配管部材が、前記水透過性膜、前記第1セパレータ及び前記第2セパレータを積層方向に貫通して前記第2エンドプレートから前記第3エンドプレートまで一体に挿入されることを特徴とする燃料電池システム。 Solid polymer fuel in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and fuel gas and oxidant gas as reaction gases are supplied and a cooling medium is supplied a battery, a reaction gas of hand that will be supplied to the polymer electrolyte fuel cell, and a flat membrane-type humidifier providing water permeable membrane to humidify the humidified fluid, the fuel cell system to be stacked in the stacking direction There,
First and second end plates are disposed at both ends of the polymer electrolyte fuel cell,
One end side of the flat membrane humidifier is stacked on the second end plate, and a third end plate is disposed on the other end side of the flat membrane humidifier,
The flat membrane humidifier includes a water permeable membrane, a first separator disposed on one surface of the water permeable membrane, and a second separator disposed on the other surface of the water permeable membrane. ,
A piping member that flows at least one of the other reaction gas or the cooling medium passes through the water permeable membrane, the first separator, and the second separator in the stacking direction, and extends from the second end plate to the third end plate. A fuel cell system, wherein the fuel cell system is integrally inserted.
前記排ガス中の水分が前記水透過性膜を透過して前記一方の反応ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。 In claim 1 Symbol placement of the fuel cell system, wherein the humidified fluid is exhaust gas of said one reaction gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell,
A fuel cell system characterized in that moisture in the exhaust gas permeates the water permeable membrane and humidifies the one reaction gas.
前記排ガス中の水分が前記水透過性膜を透過して前記一方の反応ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell system characterized in that moisture in the exhaust gas permeates the water permeable membrane and humidifies the one reaction gas.
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