JP7830282B2 - activation device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用の電解質膜・電極構造体を活性化する活性化装置に関する。 This invention relates to an activation device for activating electrolyte membranes and electrode structures for fuel cells.
従来、気候変動の緩和又は影響軽減を目的とした取り組みが継続され、この実現に向けてCO2削減に関する研究開発が行われている。この観点から、燃料電池を搭載した燃料電池車(FCV/Fuel Cell Vehicle)が注目されている。燃料電池車は水蒸気を排出するのみであり、CO2、NOx及びSOx等を排出することがないからである。 Traditionally, efforts have been made to mitigate or reduce the impact of climate change, and research and development on CO2 reduction has been conducted to achieve this. From this perspective, fuel cell vehicles (FCVs) equipped with fuel cells are attracting attention. This is because fuel cell vehicles emit only water vapor and do not emit CO2 , NOx , SOx, etc.
燃料電池は、電解質膜・電極構造体(MEA)を備える。MEAは、第1端面及び第2端面を有する固体高分子からなる電解質膜と、電解質膜の第1端面に設けられたアノード電極と、電解質膜の第2端面に設けられたカソード電極とを備える。すなわち、MEAは、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟んで構成される。MEAが1組のセパレータで挟まれることで、燃料電池の単位セルが組み立てられる。 A fuel cell comprises an electrolyte membrane-electrode structure (MEA). The MEA includes an electrolyte membrane made of a solid polymer having a first end face and a second end face, an anode electrode provided on the first end face of the electrolyte membrane, and a cathode electrode provided on the second end face of the electrolyte membrane. That is, the MEA is constructed by sandwiching the electrolyte membrane between the anode electrode and the cathode electrode. The unit cell of the fuel cell is assembled by sandwiching the MEA between a set of separators.
組み立てられた直後の単位セルでは、電解質膜の含水量が十分ではない。従って、該単位セルでは十分な発電性能が得られない。これを回避するため、初回の運転前に燃料電池に対して活性化が行われる。一般的には、複数個の単位セルを積層した燃料電池スタックが活性化される。これに対し、特許文献1において、個々の単位セルに対して活性化を行うことが開示されている。この場合、活性化された単位セルを積層して燃料電池スタックが組み立てられる。 Immediately after assembly, the electrolyte membrane of a unit cell does not have sufficient water content. Therefore, sufficient power generation performance cannot be obtained from this unit cell. To avoid this, the fuel cell is activated before the first operation. Generally, a fuel cell stack, consisting of multiple unit cells stacked together, is activated. In contrast, Patent Document 1 discloses activating individual unit cells. In this case, the fuel cell stack is assembled by stacking the activated unit cells.
1組のセパレータのうち一方には、第1ガス流路が形成される。1組のセパレータのうち他方には、第2ガス流路が形成される。電解質膜・電極構造体(MEA)を活性化する過程で、第1ガス流路及び第2ガス流路に湿潤ガスが流通される場合がある。湿潤ガスがアノード電極及びカソード電極にそれぞれ接触することにより、アノード電極及びカソード電極に湿分が付与される。 A first gas channel is formed in one of the separators in a pair. A second gas channel is formed in the other of the separators in a pair. During the activation process of the electrolyte membrane/electrode structure (MEA), a moist gas may flow through the first and second gas channels. When the moist gas comes into contact with the anode and cathode electrodes, moisture is imparted to the anode and cathode electrodes, respectively.
アノード電極又はカソード電極に湿分が過度に付与されると、アノード電極又はカソード電極に液膜が形成される。すなわち、いわゆるフラッディングが起こる。このような状況下では、アノード電極又はカソード電極の各々の電極触媒に湿潤ガスが浸透し難い。この場合、電極触媒の活性化の進行が妨げられる。 When excessive moisture is applied to the anode or cathode electrode, a liquid film forms on the electrode. This is known as flooding. Under these conditions, the wet gas has difficulty penetrating each electrode catalyst of the anode or cathode electrode. In this case, the activation of the electrode catalyst is hindered.
また、高い電流密度で活性化を実施すると、特に第2ガス流路のガス出口の近傍において、活性化ガスの分圧が低下して水蒸気の分圧が上昇する。このため、第2ガス流路のガス出口の近傍では、フラッディングが起こり易い。これを回避するには、例えば、湿潤ガスに付与する湿分を少なくし、これにより該湿潤ガスの相対湿度を低くする。しかしながら、この場合、MEAの活性化効率が低くなる。 Furthermore, when activation is performed at a high current density, the partial pressure of the activated gas decreases and the partial pressure of water vapor increases, particularly near the gas outlet of the second gas channel. Therefore, flooding is likely to occur near the gas outlet of the second gas channel. To avoid this, for example, the amount of moisture added to the humidified gas can be reduced, thereby lowering the relative humidity of the humidified gas. However, in this case, the activation efficiency of the MEA decreases.
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。 The present invention aims to solve the problems described above.
本発明の一実施形態によれば、燃料電池を構成するアノード電極及びカソード電極の間に電解質膜が挟まれた電解質膜・電極構造体を活性化するための活性化装置において、互いの間に前記電解質膜・電極構造体を挟んだ状態で積層される複数個の治具と、前記複数個の治具の各々に設けられたヒートパイプと、前記ヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、前記熱供給部から前記ヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、第1活性化ガスを供給する第1活性化ガス供給源と、第2活性化ガスを供給する第2活性化ガス供給源と、を備え、前記複数個の治具の各々は、前記アノード電極を向く第1面と、前記カソード電極を向く第2面と、該複数個の治具の積層方向に沿って延び且つ前記第1活性化ガスが流入する第1入口と、前記第1面に沿って延び且つ前記第1入口に連通する第1流路と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第1流路を流通した前記第1活性化ガスが流出する第1出口と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第2活性化ガスが流入する第2入口と、前記第2面に沿って延び且つ前記第2入口に連通する第2流路と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第2流路を流通した前記第2活性化ガスが流出する第2出口と、を有し、前記第1流路及び前記第2流路は、前記ヒートパイプに対して平行又は交差する方向に延び、前記複数個の治具の各々の前記第1面又は前記第2面を見たとき、前記第1入口、前記第1出口、前記第2入口及び前記第2出口は、前記ヒートパイプの延在方向において互いに離間し、且つ前記延在方向に直交する方向において互いに離間する、活性化装置が提供される。 According to one embodiment of the present invention, an activation device for activating an electrolyte membrane/electrode structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode constituting a fuel cell comprises a plurality of jigs stacked with the electrolyte membrane/electrode structure sandwiched between them, a heat pipe provided on each of the plurality of jigs, a heat supply unit for supplying heat to the heat pipe, a control unit for controlling the heat supplied from the heat supply unit to the heat pipe, a first activation gas supply source for supplying a first activation gas, and a second activation gas supply source for supplying a second activation gas, wherein each of the plurality of jigs has a first surface facing the anode electrode, a second surface facing the cathode electrode, a first inlet extending along the stacking direction of the plurality of jigs and into which the first activation gas flows, and a second inlet extending along the first surface Furthermore, an activation device is provided, comprising: a first channel communicating with the first inlet; a first outlet extending along the stacking direction and through which the first activated gas flowing through the first channel flows out; a second inlet extending along the stacking direction and through which the second activated gas flows in; a second channel extending along the second surface and communicating with the second inlet; and a second outlet extending along the stacking direction and through which the second activated gas flowing through the second channel flows out. The first and second channels extend in directions parallel to or intersecting the heat pipe, and when viewing the first or second surface of each of the plurality of jigs, the first inlet, first outlet, second inlet, and second outlet are spaced apart from each other in the direction of extension of the heat pipe and in directions perpendicular to the direction of extension.
上記から理解されるように、第1入口、第1出口、第2入口及び第2出口は、治具において互いに個別に形成される。すなわち、第1入口、第1出口、第2入口及び第2出口の形成箇所は、互いに一致しない。また、第1流路及び第2流路は互いに独立したガス流路であり、互いに連通していない。 As can be understood from the above, the first inlet, first outlet, second inlet, and second outlet are formed individually in the jig. That is, the formation locations of the first inlet, first outlet, second inlet, and second outlet do not coincide with each other. Furthermore, the first and second flow paths are independent gas flow paths and do not communicate with each other.
本発明においては、第1活性化ガス及び第2活性化ガスの温度を調節するために、治具にヒートパイプを設けている。ヒートパイプは、入熱又は出熱に対する応答速度が大きい。従って、ヒートパイプと、第1活性化ガス及び第2活性化ガスとの間で熱を授受することで、第1活性化ガス及び第2活性化ガスの各々の温度を迅速に調節することができる。すなわち、第1活性化ガス及び第2活性化ガスの各々の温度が所定の範囲内に調節される。 In this invention, a heat pipe is provided in the jig to adjust the temperatures of the first and second activated gases. The heat pipe has a high response speed to heat input or output. Therefore, by exchanging heat between the heat pipe and the first and second activated gases, the temperatures of the first and second activated gases can be rapidly adjusted. That is, the temperatures of the first and second activated gases are adjusted to a predetermined range.
これにより、治具における第1流路及び第2流路の液水量が適切な範囲に保たれる。従って、本発明によれば、第1流路及び第2流路においてフラッディングが生じることを回避しつつ、複数個の電解質膜・電極構造体に対し適切に湿分を付与して活性化を施すことができる。 This ensures that the liquid water levels in the first and second channels of the jig are maintained within an appropriate range. Therefore, according to the present invention, it is possible to appropriately moisten and activate multiple electrolyte membrane and electrode structures while avoiding flooding in the first and second channels.
しかも、第1入口、第1出口、第2入口及び第2出口が治具の第1面内及び第2面内において、互いに離間して配置される。このため、治具の小型化を図ることができる。 Furthermore, the first inlet, first outlet, second inlet, and second outlet are spaced apart from each other within the first and second surfaces of the jig. This allows for miniaturization of the jig.
図1は、本実施形態に係る活性化装置40の概略システム図である。活性化装置40は、電解質膜・電極構造体10を挟む複数個の治具42を備える。先ず、電解質膜・電極構造体10について、図2を参照して概略説明する。なお、以下では、電解質膜・電極構造体を「MEA」と表記することもある。 Figure 1 is a schematic system diagram of the activation device 40 according to this embodiment. The activation device 40 includes a plurality of jigs 42 that sandwich the electrolyte membrane/electrode structure 10. First, the electrolyte membrane/electrode structure 10 will be briefly described with reference to Figure 2. In the following description, the electrolyte membrane/electrode structure may also be referred to as "MEA".
MEA10は、固体高分子からなる電解質膜12を備える。固体高分子としては、パーフルオロスルホン酸等が例示される。電解質膜12は、カソード電極14とアノード電極16との間に挟まれる。カソード電極14は、電極触媒を含む第1電極触媒層18と、第1電極触媒層18にガスを供給するための第1ガス拡散層20とを有する。アノード電極16は、電極触媒を含む第2電極触媒層22と、第2電極触媒層22にガスを供給するための第2ガス拡散層24とを有する。MEA10は、薄膜である。 The MEA 10 comprises an electrolyte membrane 12 made of a solid polymer. Examples of solid polymers include perfluorosulfonic acid. The electrolyte membrane 12 is sandwiched between the cathode electrode 14 and the anode electrode 16. The cathode electrode 14 has a first electrode catalyst layer 18 containing an electrode catalyst and a first gas diffusion layer 20 for supplying gas to the first electrode catalyst layer 18. The anode electrode 16 has a second electrode catalyst layer 22 containing an electrode catalyst and a second gas diffusion layer 24 for supplying gas to the second electrode catalyst layer 22. The MEA 10 is a thin film.
次に、図1~図6を参照し、活性化装置40につき説明する。図1及び図2に示すように、活性化装置40は複数個の治具42を備える。治具42は略プレート形状であり、薄肉である。1個の治具42と1個のMEA10とが交互に積層されることにより、2個の治具42の間にMEA10が挟まれた積層体44が形成される。従って、積層体44においては、1個の治具42の両端面に対して2個のMEA10が当接する。 Next, the activation device 40 will be described with reference to Figures 1 to 6. As shown in Figures 1 and 2, the activation device 40 is equipped with multiple jigs 42. The jigs 42 are roughly plate-shaped and thin-walled. By alternately stacking one jig 42 and one MEA 10, a laminate 44 is formed in which an MEA 10 is sandwiched between two jigs 42. Therefore, in the laminate 44, two MEA 10s abut against both end faces of one jig 42.
以下、便宜的に、図2において治具42の下方に位置するMEA10を第1MEA10aと呼び、図2において治具42の上方に位置するMEA10を第2MEA10bと呼ぶ。治具42は、第1MEA10aのアノード電極16を向く第1面46と、第2MEA10bのカソード電極14を向く第2面48とを有する。なお、他のMEA10も、第1MEA10a及び第2MEA10bと同様に、カソード電極14が図2における下方を向き、且つアノード電極16が図2における上方を向くようにして、2個の治具42の間に配置されている。 For convenience, in Figure 2, the MEA 10 located below the jig 42 will be referred to as the first MEA 10a, and the MEA 10 located above the jig 42 will be referred to as the second MEA 10b. The jig 42 has a first surface 46 facing the anode electrode 16 of the first MEA 10a and a second surface 48 facing the cathode electrode 14 of the second MEA 10b. The other MEA 10 is also positioned between the two jigs 42, similar to the first MEA 10a and the second MEA 10b, with the cathode electrode 14 facing downwards in Figure 2 and the anode electrode 16 facing upwards in Figure 2.
図3は、治具42を第1面46から見たときの概略全体正面図である。図4は、治具42を第2面48から見たときの概略全体正面図である。図1~図4に示すように、治具42は、2枚のベースプレート50a、50bを有する。2枚のベースプレート50a、50bの間には、複数個のヒートパイプ52が挟まれている。ヒートパイプ52は、積層体44の積層方向に対して直交する方向に延びている。 Figure 3 is a schematic overall front view of the jig 42 as seen from the first surface 46. Figure 4 is a schematic overall front view of the jig 42 as seen from the second surface 48. As shown in Figures 1 to 4, the jig 42 has two base plates 50a and 50b. Multiple heat pipes 52 are sandwiched between the two base plates 50a and 50b. The heat pipes 52 extend in a direction perpendicular to the stacking direction of the laminate 44.
ヒートパイプ52には、ヒータ又はペルチェ素子等からなる熱供給部54が接続される。この態様では、熱供給部54は、ヒートパイプ52の延在方向の端部に配置されている。熱供給部54は、ヒートパイプ52に対して熱を付与する。 A heat supply unit 54, consisting of a heater or Peltier element, is connected to the heat pipe 52. In this embodiment, the heat supply unit 54 is positioned at the end of the heat pipe 52 in the direction of its extension. The heat supply unit 54 applies heat to the heat pipe 52.
2枚のベースプレート50a、50bには、四方の隅部に第1入口56、第1出口58、第2入口60及び第2出口62がそれぞれ形成される。第1入口56、第1出口58、第2入口60及び第2出口62は、ヒートパイプ52の延在方向において互いに離間する。第1入口56、第1出口58、第2入口60及び第2出口62は、ヒートパイプ52の延在方向に直交する方向においても互いに離間する。典型的には、第1入口56及び第1出口58は、互いに対角の位置関係にある。第2入口60及び第2出口62も同様に、互いに対角の位置関係にある。 The two base plates 50a and 50b have a first inlet 56, a first outlet 58, a second inlet 60, and a second outlet 62 formed at their four corners, respectively. The first inlet 56, first outlet 58, second inlet 60, and second outlet 62 are spaced apart from each other in the direction of extension of the heat pipe 52. They are also spaced apart from each other in the direction perpendicular to the direction of extension of the heat pipe 52. Typically, the first inlet 56 and first outlet 58 are diagonally opposite each other. Similarly, the second inlet 60 and second outlet 62 are also diagonally opposite each other.
積層体44においては、複数個の治具42の第1入口56が積層方向に沿って互いに連なる。これにより、複数個の第1入口56が連通した第1入口連通路56aが形成される。同様に、複数個の治具42の第1出口58も、積層体44の積層方向に沿って互いに連なる。その結果、図5に示すように、複数個の第1出口58が連通した第1出口連通路58aが形成される。さらに、第2入口60及び第2出口62も、積層体44の積層方向に沿って互いに連なる。その結果、複数個の第2入口60が連通した第2入口連通路60aと、複数個の第2出口62が連通した第2出口連通路62aとが形成される。 In the laminate 44, the first inlets 56 of multiple jigs 42 are connected to each other along the stacking direction. This forms a first inlet passage 56a through which multiple first inlets 56 are connected. Similarly, the first outlets 58 of multiple jigs 42 are also connected to each other along the stacking direction of the laminate 44. As a result, as shown in Figure 5, a first outlet passage 58a is formed through which multiple first outlets 58 are connected. Furthermore, the second inlets 60 and second outlets 62 are also connected to each other along the stacking direction of the laminate 44. As a result, a second inlet passage 60a is formed through which multiple second inlets 60 are connected, and a second outlet passage 62a is formed through which multiple second outlets 62 are connected.
第1入口連通路56a及び第1出口連通路58aは、第1活性化ガスを積層体44の積層方向に沿って流すための流通路である。第1入口連通路56a(第1入口56)及び第1出口連通路58a(第1出口58)は、図3に示す第1流路64を介して連通する。第2入口連通路60a及び第2出口連通路62aは、第2活性化ガスを積層体44の積層方向に沿って流すための流通路である。第2入口連通路60a(第2入口60)及び第2出口連通路62a(第2出口62)は、図4に示す第2流路72を介して連通する。第1入口連通路56aは、第2入口連通路60a及び第2出口連通路62aに連通していない。同様に、第2入口連通路60aは、第1入口連通路56a及び第1出口連通路58aに連通していない。 The first inlet passage 56a and the first outlet passage 58a are flow passages for flowing the first activated gas along the stacking direction of the laminate 44. The first inlet passage 56a (first inlet 56) and the first outlet passage 58a (first outlet 58) are connected via the first flow path 64 shown in Figure 3. The second inlet passage 60a and the second outlet passage 62a are flow passages for flowing the second activated gas along the stacking direction of the laminate 44. The second inlet passage 60a (second inlet 60) and the second outlet passage 62a (second outlet 62) are connected via the second flow path 72 shown in Figure 4. The first inlet passage 56a is not connected to the second inlet passage 60a and the second outlet passage 62a. Similarly, the second inlet passage 60a is not connected to the first inlet passage 56a and the first outlet passage 58a.
図2から理解されるように、ベースプレート50aは、第1MEA10aのアノード電極16(第2電極触媒層22)を向く第1面46を形成する。図3に示すように、第1面46には、積層方向に沿って凹み、且つ該第1面46の面方向に沿って延びる第1流路64が形成される。第1流路64は、1個の第1分配路66と、複数個の第1分岐路68と、1個の第1集合路70とを有する。第1分配路66は、第1入口56(第1入口連通路56a)に連なる。複数個の第1分岐路68は、第1分配路66から分岐している。複数個の第1分岐路68は、第1集合路70に集まっている。第1集合路70は、第1出口58(第1出口連通路58a)に連なる。このように、第1入口56及び第1出口58は、第1流路64を介して連通する。 As can be seen from Figure 2, the base plate 50a forms a first surface 46 facing the anode electrode 16 (second electrode catalyst layer 22) of the first MEA 10a. As shown in Figure 3, the first surface 46 has a first channel 64 that is recessed along the stacking direction and extends along the surface direction of the first surface 46. The first channel 64 has one first distribution channel 66, a plurality of first branch channels 68, and one first aggregation channel 70. The first distribution channel 66 is connected to the first inlet 56 (first inlet connecting passage 56a). The plurality of first branch channels 68 branch off from the first distribution channel 66. The plurality of first branch channels 68 converge at the first aggregation channel 70. The first aggregation channel 70 is connected to the first outlet 58 (first outlet connecting passage 58a). In this way, the first inlet 56 and the first outlet 58 are in communication via the first channel 64.
図2から理解されるように、ベースプレート50bは、第2MEA10bのカソード電極14(第1電極触媒層18)を向く第2面48を形成する。図4に示すように、第2面48には、積層方向に沿って凹み、且つ該第2面48の面方向に沿って延びる第2流路72が形成される。第2流路72は、複数個の第2分岐路74を有する。複数個の第2分岐路74は、例えば、第2入口60(第2入口連通路60a)にそれぞれ連なる。又は、図示例のように、第2入口60と2個以上の第2分岐路74との間に第2分配路76を介在させてもよい。複数個の第2分岐路74は、例えば、第2出口62(第2出口連通路62a)にそれぞれ連なる。又は、図示例のように、2個以上の第2分岐路74と第2出口62との間に第2集合路78を介在させてもよい。 As can be seen from Figure 2, the base plate 50b forms a second surface 48 facing the cathode electrode 14 (first electrode catalyst layer 18) of the second MEA 10b. As shown in Figure 4, the second surface 48 has a second channel 72 that is recessed along the stacking direction and extends along the surface direction of the second surface 48. The second channel 72 has a plurality of second branch passages 74. The plurality of second branch passages 74 are each connected to, for example, the second inlet 60 (second inlet connecting passage 60a). Alternatively, as shown in the illustrated example, a second distribution passage 76 may be interposed between the second inlet 60 and two or more second branch passages 74. The plurality of second branch passages 74 are each connected to, for example, the second outlet 62 (second outlet connecting passage 62a). Alternatively, as shown in the illustrated example, a second collection passage 78 may be interposed between two or more second branch passages 74 and the second outlet 62.
図3及び図4に示すように、本実施形態では、第1分岐路68及び第2分岐路74がヒートパイプ52に対して直交する。 As shown in Figures 3 and 4, in this embodiment, the first branch 68 and the second branch 74 are perpendicular to the heat pipe 52.
複数個の第2分岐路74には、第1蓄熱部80及び第2蓄熱部82がそれぞれ設けられる。この場合、第1蓄熱部80及び第2蓄熱部82は、それぞれ、第2分岐路74を起点とし、且つ積層体44の積層方向に沿って凹んだ凹部からなる。すなわち、この場合、第1蓄熱部80及び第2蓄熱部82は、第2分岐路74から積層体44の積層方向に向かって延びる空間である。 Multiple second branch lines 74 are provided with a first heat storage section 80 and a second heat storage section 82, respectively. In this case, the first heat storage section 80 and the second heat storage section 82 each consist of a recess that starts from the second branch line 74 and is recessed along the stacking direction of the laminate 44. That is, in this case, the first heat storage section 80 and the second heat storage section 82 are spaces that extend from the second branch line 74 toward the stacking direction of the laminate 44.
第2蓄熱部82の容積は、第1蓄熱部80の容積よりも大きい。すなわち、蓄熱部は、第2入口60から第2出口62に向かって容積が大きくなる順に並ぶ。第2蓄熱部82は、第1蓄熱部80よりも多量の第2湿潤ガスを捕捉する。 The volume of the second heat storage unit 82 is larger than the volume of the first heat storage unit 80. That is, the heat storage units are arranged in order of increasing volume from the second inlet 60 to the second outlet 62. The second heat storage unit 82 captures a larger amount of the second humid gas than the first heat storage unit 80.
なお、1個の第2分岐路74に設けられる蓄熱部の個数は、図示例の2個に特に限定されない。第2分岐路74に蓄熱部を設けることも必須ではない。また、第1分岐路68に蓄熱部を設けてもよい。 The number of heat storage units provided in one second branch circuit 74 is not particularly limited to the two shown in the illustrated example. Providing a heat storage unit in the second branch circuit 74 is not mandatory. Furthermore, a heat storage unit may also be provided in the first branch circuit 68.
ベースプレート50a、50bには、第1電気端子84及び第2電気端子86がそれぞれ設けられる。 The base plates 50a and 50b are provided with a first electrical terminal 84 and a second electrical terminal 86, respectively.
図1に示すように、活性化装置40は第1ガスライン90を備える。第1ガスライン90の一端には、水素ガス供給部92と、窒素ガス供給部94とが第1三方バルブ96を介して接続される。水素ガス供給部92は、例えば、水素ガスタンクである。窒素ガス供給部94は、例えば、窒素ガスタンクである。第1ガスライン90には第1加湿器98が設けられる。水素ガス供給部92及び第1加湿器98は第1湿潤ガス供給部であり、第1加湿器98にて湿分が付与された水素ガスは、第1活性化ガスとしての第1湿潤ガスである。 As shown in Figure 1, the activation device 40 includes a first gas line 90. A hydrogen gas supply unit 92 and a nitrogen gas supply unit 94 are connected to one end of the first gas line 90 via a first three-way valve 96. The hydrogen gas supply unit 92 is, for example, a hydrogen gas tank. The nitrogen gas supply unit 94 is, for example, a nitrogen gas tank. A first humidifier 98 is provided in the first gas line 90. The hydrogen gas supply unit 92 and the first humidifier 98 constitute the first humidifying gas supply unit, and the hydrogen gas to which moisture has been added by the first humidifier 98 is the first humidifying gas, acting as the first activation gas.
第1ガスライン90の他端は、管継手を介して第1入口連通路56aに接続される。第1ガスライン90の他端から第1入口連通路56a(積層体44の内部)に流入した第1湿潤ガス(湿潤水素ガス)は、個々の治具42に形成された第1流路64を流通する。 The other end of the first gas line 90 is connected to the first inlet passage 56a via a pipe fitting. The first humid gas (humid hydrogen gas) flowing from the other end of the first gas line 90 into the first inlet passage 56a (inside the laminate 44) circulates through the first flow channels 64 formed in each jig 42.
活性化装置40は、第2ガスライン100を備える。第2ガスライン100の一端は、管継手を介して第1出口連通路58aに接続される。第2ガスライン100の他端には、第1排気バルブ102を介して第1排気ライン104が設けられる。第1流路64を流通した余剰の第1湿潤ガスは、第2ガスライン100及び第1排気バルブ102を経て、第1排気ライン104から排出される。又は、第1排気ライン104に図示しない回収装置を設け、第1湿潤ガスを回収してもよい。 The activation device 40 includes a second gas line 100. One end of the second gas line 100 is connected to the first outlet passage 58a via a pipe fitting. The other end of the second gas line 100 is connected to a first exhaust line 104 via a first exhaust valve 102. Excess first humidified gas that has flowed through the first passage 64 is discharged from the first exhaust line 104 via the second gas line 100 and the first exhaust valve 102. Alternatively, a recovery device (not shown) may be provided in the first exhaust line 104 to recover the first humidified gas.
活性化装置40は、第3ガスライン110を備える。第3ガスライン110の一端には、窒素ガス供給部112及び酸化剤ガス供給部114が第2三方バルブ116を介して接続される。窒素ガス供給部112は、例えば、上記と同様に窒素ガスタンクである。窒素ガスは不活性な第2ガスとして供給される。本実施形態では、第1ガスライン90に接続される窒素ガス供給部94と、第3ガスライン110に接続される窒素ガス供給部112とを別個に設けている。しかしながら、1個の窒素ガス供給部を第1ガスライン90及び第3ガスライン110の双方に接続してもよい。 The activation device 40 includes a third gas line 110. A nitrogen gas supply unit 112 and an oxidizer gas supply unit 114 are connected to one end of the third gas line 110 via a second three-way valve 116. The nitrogen gas supply unit 112 is, for example, a nitrogen gas tank, as described above. The nitrogen gas is supplied as an inert second gas. In this embodiment, the nitrogen gas supply unit 94 connected to the first gas line 90 and the nitrogen gas supply unit 112 connected to the third gas line 110 are provided separately. However, a single nitrogen gas supply unit may be connected to both the first gas line 90 and the third gas line 110.
酸化剤ガス供給部114は、例えば、大気を圧縮するコンプレッサである。又は、酸化剤ガス供給部114は、酸素ガスボンベであってもよい。第3ガスライン110には、第2加湿器118が設けられる。酸化剤ガス供給部114及び第2加湿器118は、第2湿潤ガス供給部を構成する。第2加湿器118にて湿分を付与された酸化剤ガスは、第2活性化ガスとしての第2湿潤ガスである。 The oxidizer gas supply unit 114 is, for example, a compressor that compresses the atmosphere. Alternatively, the oxidizer gas supply unit 114 may be an oxygen gas cylinder. A second humidifier 118 is provided in the third gas line 110. The oxidizer gas supply unit 114 and the second humidifier 118 constitute the second humidifying gas supply unit. The oxidizer gas to which moisture has been added by the second humidifier 118 is the second humidifying gas, acting as the second activating gas.
第3ガスライン110の他端は、管継手を介して第2入口連通路60aに接続される。第3ガスライン110の他端から第2入口連通路60a(積層体44の内部)に流入した第2湿潤ガス(湿潤酸化剤ガス)は、個々の治具42に形成された第2流路72を流通する。 The other end of the third gas line 110 is connected to the second inlet passage 60a via a pipe fitting. The second wet gas (wet oxidizing gas) flowing from the other end of the third gas line 110 into the second inlet passage 60a (inside the laminate 44) circulates through the second flow channels 72 formed in the individual jigs 42.
活性化装置40は、第4ガスライン120を備える。第4ガスライン120の一端は、管継手を介して第2出口連通路62aに接続される。第4ガスライン120の他端には、第2排気バルブ122を介して第2排気ライン124が設けられる。第2流路72を流通した余剰の第2湿潤ガスは、第4ガスライン120及び第2排気バルブ122を経て、第2排気ライン124から排出される。又は、第2排気ライン124に図示しない回収装置を設け、第2湿潤ガスを回収してもよい。 The activation device 40 includes a fourth gas line 120. One end of the fourth gas line 120 is connected to the second outlet passage 62a via a pipe fitting. The other end of the fourth gas line 120 is connected to a second exhaust line 124 via a second exhaust valve 122. Excess second humid gas that has flowed through the second passage 72 is discharged from the second exhaust line 124 via the fourth gas line 120 and the second exhaust valve 122. Alternatively, a recovery device (not shown) may be provided in the second exhaust line 124 to recover the second humid gas.
活性化装置40は、電気パラメータ検出部130と、制御部134とを有する。電気パラメータ検出部130は、例えば、電圧測定器136とを有する。1個の電圧測定器136は、1個の治具42の第1電気端子84と、別の1個の治具42の第2電気端子86とに対して電気的に接続され、これにより1個のMEA10の電圧を測定する。以下、この電圧を便宜的に「セル電圧」と呼ぶ。電気パラメータ検出部130は、抵抗測定器、電流測定器又はインピーダンス測定器であってもよい。電気パラメータ検出部130は、これらの測定器を全て有してもよい。 The activation device 40 includes an electrical parameter detection unit 130 and a control unit 134. The electrical parameter detection unit 130 includes, for example, a voltage measuring instrument 136. One voltage measuring instrument 136 is electrically connected to the first electrical terminal 84 of one jig 42 and the second electrical terminal 86 of another jig 42, thereby measuring the voltage of one MEA 10. Hereinafter, this voltage will be conveniently referred to as the "cell voltage." The electrical parameter detection unit 130 may also be a resistance measuring instrument, a current measuring instrument, or an impedance measuring instrument. The electrical parameter detection unit 130 may have all of these measuring instruments.
活性化装置40は、圧力パラメータ検出部140をさらに有する。圧力パラメータ検出部140は、アノード差圧計142とカソード差圧計144とを含む。 The activation device 40 further includes a pressure parameter detection unit 140. The pressure parameter detection unit 140 includes an anode differential pressure gauge 142 and a cathode differential pressure gauge 144.
アノード差圧計142は、第1ガスライン90のガス圧と第2ガスライン100のガス圧との差圧を検出する。この差圧は、第1流路64におけるアノード電極16への入口と、第1流路64におけるアノード電極16からの出口との差圧に等しい。カソード差圧計144は、第3ガスライン110のガス圧と第4ガスライン120のガス圧との差圧を検出する。この差圧は、第2分岐路74におけるカソード電極14への入口と、第2分岐路74におけるカソード電極14からの出口との差圧に等しい。 The anode differential pressure gauge 142 detects the differential pressure between the gas pressure in the first gas line 90 and the gas pressure in the second gas line 100. This differential pressure is equal to the differential pressure between the inlet to the anode electrode 16 in the first flow path 64 and the outlet from the anode electrode 16 in the first flow path 64. The cathode differential pressure gauge 144 detects the differential pressure between the gas pressure in the third gas line 110 and the gas pressure in the fourth gas line 120. This differential pressure is equal to the differential pressure between the inlet to the cathode electrode 14 in the second branch path 74 and the outlet from the cathode electrode 14 in the second branch path 74.
制御部134は、熱供給部54、電圧測定器136、アノード差圧計142及びカソード差圧計144に対して電気的に接続されている。電圧測定器136によって測定されたセル電圧に関する情報は、情報信号として制御部134に送信される。制御部134には、アノード差圧計142及びカソード差圧計144のそれぞれによって測定されたガス差圧に関する情報信号も入力される。 The control unit 134 is electrically connected to the heat supply unit 54, the voltage measuring instrument 136, the anode differential pressure gauge 142, and the cathode differential pressure gauge 144. Information regarding the cell voltage measured by the voltage measuring instrument 136 is transmitted to the control unit 134 as an information signal. The control unit 134 also receives information signals regarding the gas differential pressure measured by the anode differential pressure gauge 142 and the cathode differential pressure gauge 144, respectively.
後述するように、本実施形態では発電エージングを行う。このため、積層体44には、第1外部接続端子150及び第2外部接続端子152を介して、外部負荷154が電気的に接続される。 As described later, this embodiment performs power generation aging. Therefore, an external load 154 is electrically connected to the laminate 44 via the first external connection terminal 150 and the second external connection terminal 152.
本実施形態に係る活性化装置40は、基本的には以上のように構成される。次に、本実施形態に係る活性化装置40の効果について説明する。 The activation device 40 according to this embodiment is basically configured as described above. Next, the effects of the activation device 40 according to this embodiment will be explained.
MEA10を活性化する場合、はじめに、作業者は、単位セルに組み上げられる前のMEA10と治具42とを交互に積層する。これにより積層体44が形成される。積層体44は、第1入口連通路56a、第1出口連通路58a、第2入口連通路60a及び第2出口連通路62aを有する。第1入口連通路56a、第1出口連通路58a、第2入口連通路60a及び第2出口連通路62aは、積層方向に沿って延びる。 To activate the MEA 10, the operator first alternately stacks the MEA 10 units (before assembly into unit cells) and the jig 42. This forms a laminate 44. The laminate 44 has a first inlet passage 56a, a first outlet passage 58a, a second inlet passage 60a, and a second outlet passage 62a. The first inlet passage 56a, the first outlet passage 58a, the second inlet passage 60a, and the second outlet passage 62a extend along the stacking direction.
作業者は、第1入口連通路56aに第1ガスライン90を接続し、且つ第1出口連通路58aに第2ガスライン100を接続する。同様に、作業者は、第2入口連通路60aに第3ガスライン110を接続し、且つ第2出口連通路62aに第4ガスライン120を接続する。 The worker connects the first gas line 90 to the first inlet passage 56a and the second gas line 100 to the first outlet passage 58a. Similarly, the worker connects the third gas line 110 to the second inlet passage 60a and the fourth gas line 120 to the second outlet passage 62a.
この状態で、作業者は、制御部134に対して「活性化を開始する」との指令信号を付与する。この指令信号に基づき、制御部134は、先ず、第1流路64及び第2分岐路74内の空気を湿潤窒素ガスに置換する。 In this state, the operator issues a command signal to the control unit 134 to "start activation." Based on this command signal, the control unit 134 first replaces the air in the first flow path 64 and the second branch path 74 with moist nitrogen gas.
指令信号が付与された制御部134は、第1三方バルブ96を、窒素ガス供給部94が第1ガスライン90に連通する方向に動作させる。且つ制御部134は、第2三方バルブ116を、窒素ガス供給部112が第3ガスライン110に連通する方向に動作させる。また、制御部134は、第1排気バルブ102及び第2排気バルブ122を開く。 Upon receiving a command signal, the control unit 134 operates the first three-way valve 96 in a direction that connects the nitrogen gas supply unit 94 to the first gas line 90. Furthermore, the control unit 134 operates the second three-way valve 116 in a direction that connects the nitrogen gas supply unit 112 to the third gas line 110. The control unit 134 also opens the first exhaust valve 102 and the second exhaust valve 122.
窒素ガス供給部94から供給された窒素ガスは、第1加湿器98を通過して湿潤窒素ガスとなった後、第1ガスライン90を流通する。湿潤窒素ガスは、治具42の第1入口連通路56a(第1入口56)を経て、第1流路64に流入する。湿潤窒素ガスは、第1入口56から第1分配路66に移動し、次に、第1分配路66から第1分岐路68に分配される。湿潤窒素ガスの一部は、第1分岐路68を流通する最中、第1MEA10aのアノード電極16の第2ガス拡散層24を経て第2電極触媒層22に到達する。これにより、アノード電極16及び電解質膜12に湿分が付与される。 The nitrogen gas supplied from the nitrogen gas supply unit 94 passes through the first humidifier 98 to become moist nitrogen gas, and then flows through the first gas line 90. The moist nitrogen gas flows into the first flow path 64 via the first inlet connecting passage 56a (first inlet 56) of the jig 42. The moist nitrogen gas moves from the first inlet 56 to the first distribution path 66, and then from the first distribution path 66 to the first branch path 68. While flowing through the first branch path 68, a portion of the moist nitrogen gas reaches the second electrode catalyst layer 22 via the second gas diffusion layer 24 of the anode electrode 16 of the first MEA 10a. This imparts moisture to the anode electrode 16 and the electrolyte membrane 12.
第1分岐路68を流通した余剰の湿潤窒素ガスは、第1集合路70で合流する。合流した湿潤窒素ガスは、第1集合路70から第1出口58(第1出口連通路58a)に移動する。湿潤窒素ガスは、さらに、第2ガスライン100に流入した後、第1排気バルブ102を通過して第1排気ライン104から排出される。 The excess moist nitrogen gas that has flowed through the first branching channel 68 merges in the first confluence channel 70. The merged moist nitrogen gas then moves from the first confluence channel 70 to the first outlet 58 (first outlet connecting passage 58a). The moist nitrogen gas then flows into the second gas line 100, passes through the first exhaust valve 102, and is discharged from the first exhaust line 104.
窒素ガス供給部112から供給された窒素ガスは、第2加湿器118を通過して湿潤窒素ガスとなった後、第3ガスライン110を流通する。湿潤窒素ガスは、治具42の第2入口連通路60a(第2入口60)を経て、第2流路72(第2分岐路74)に流入する。湿潤窒素ガスの一部は、第2分岐路74を流通する最中、第2MEA10bのカソード電極14の第1ガス拡散層20を経て第1電極触媒層18に到達する。これにより、カソード電極14及び電解質膜12に湿分が付与される。 The nitrogen gas supplied from the nitrogen gas supply unit 112 passes through the second humidifier 118 to become moist nitrogen gas, and then flows through the third gas line 110. The moist nitrogen gas flows into the second flow path 72 (second branch path 74) via the second inlet connecting passage 60a (second inlet 60) of the jig 42. While flowing through the second branch path 74, a portion of the moist nitrogen gas reaches the first electrode catalyst layer 18 via the first gas diffusion layer 20 of the cathode electrode 14 of the second MEA 10b. This imparts moisture to the cathode electrode 14 and the electrolyte membrane 12.
第2分岐路74を流通した余剰の湿潤窒素ガスは、例えば、第2出口62(第2出口連通路62a)で合流する。合流した湿潤窒素ガスは、第4ガスライン120に流入した後、第2排気バルブ122を通過して第2排気ライン124から排出される。 The excess moist nitrogen gas that has flowed through the second branch passage 74 merges, for example, at the second outlet 62 (second outlet connecting passage 62a). The merged moist nitrogen gas flows into the fourth gas line 120, then passes through the second exhaust valve 122 and is discharged from the second exhaust line 124.
以上により、第1流路64及び第2流路72から空気が排出されて湿潤窒素ガスに置換される。所定時間の経過後、制御部134は、第1三方バルブ96を、水素ガス供給部92が第1ガスライン90に連通する方向に動作させる。 As a result, air is discharged from the first channel 64 and the second channel 72 and replaced with moist nitrogen gas. After a predetermined time has elapsed, the control unit 134 operates the first three-way valve 96 in a direction that connects the hydrogen gas supply unit 92 to the first gas line 90.
水素ガス供給部92から供給された水素ガスは、第1加湿器98を通過して湿潤水素ガス(第1湿潤ガス)となった後、治具42の第1入口連通路56a(第1入口56)を経て、第1流路64に流入する。第1湿潤ガスが第1流路64を流通する最中、第1湿潤ガスの一部が、第1MEA10aのアノード電極16の第2ガス拡散層24を経て第2電極触媒層22に到達する。従って、アノード電極16及び電解質膜12への湿分の付与が継続される。第1流路64を流通した余剰の第1湿潤ガスは、第1出口連通路58aから第2ガスライン100に移動した後、第1排気バルブ102を通過して第1排気ライン104から排出される。この第1湿潤ガスを、図示しない回収機構で回収してもよい。 The hydrogen gas supplied from the hydrogen gas supply unit 92 passes through the first humidifier 98 to become humidified hydrogen gas (first humidified gas), and then flows into the first flow path 64 via the first inlet communication passage 56a (first inlet 56) of the jig 42. While the first humidified gas flows through the first flow path 64, a portion of it reaches the second electrode catalyst layer 22 via the second gas diffusion layer 24 of the anode electrode 16 of the first MEA 10a. Therefore, the application of moisture to the anode electrode 16 and electrolyte membrane 12 continues. The excess first humidified gas that has flowed through the first flow path 64 moves to the second gas line 100 via the first outlet communication passage 58a, and then passes through the first exhaust valve 102 and is discharged from the first exhaust line 104. This first humidified gas may be recovered by a recovery mechanism (not shown).
また、制御部134は、第2三方バルブ116を切り替え、窒素ガス供給部112と第3ガスライン110との連通を遮断し、且つ酸化剤ガス供給部114と第3ガスライン110とを連通させる。これにより、酸素ガスを含んだ酸化剤ガス(典型的には圧縮空気)が供給される。酸化剤ガスは、第2加湿器118を通過して湿潤酸化剤ガス(第2湿潤ガス)となった後、治具42の第2入口連通路60aを経て、第2流路72(第2分岐路74)に流入する。 Furthermore, the control unit 134 switches the second three-way valve 116, blocking communication between the nitrogen gas supply unit 112 and the third gas line 110, while simultaneously connecting the oxidizer gas supply unit 114 and the third gas line 110. This supplies an oxidizer gas (typically compressed air) containing oxygen. The oxidizer gas passes through the second humidifier 118 to become a humidified oxidizer gas (second humidified gas), and then flows into the second flow path 72 (second branch path 74) via the second inlet communication passage 60a of the jig 42.
第2湿潤ガスの一部は、第2分岐路74を流通する最中、第2MEA10bのカソード電極14の第1ガス拡散層20を経て第1電極触媒層18に到達する。従って、カソード電極14及び電解質膜12への湿分の付与が継続される。第2分岐路74を流通した余剰の第2湿潤ガスは、第2出口連通路62aを経て第4ガスライン120に流入する。その後、第2湿潤ガスは、第2排気バルブ122を通過して第2排気ライン124から排出される。 A portion of the second humidified gas, while flowing through the second branch passage 74, reaches the first electrode catalyst layer 18 via the first gas diffusion layer 20 of the cathode electrode 14 of the second MEA 10b. Therefore, the application of moisture to the cathode electrode 14 and the electrolyte membrane 12 continues. The excess second humidified gas that has flowed through the second branch passage 74 flows into the fourth gas line 120 via the second outlet communication passage 62a. Subsequently, the second humidified gas passes through the second exhaust valve 122 and is discharged from the second exhaust line 124.
第2湿潤ガスが第2分岐路74を流通する最中、第2湿潤ガスの別の一部が、第1蓄熱部80及び第2蓄熱部82に個別に進入する。第2湿潤ガスの温度が数十℃~百数十℃であるので、この進入に伴い、第1蓄熱部80及び第2蓄熱部82が熱をそれぞれ蓄える。上記したように、第2蓄熱部82の蓄熱容量は、第1蓄熱部80の蓄熱容量よりも大きい。なお、第1蓄熱部80及び第2蓄熱部82に進入した第2湿潤ガスは、これら蓄熱部の内部に一時的に滞留する。 While the second humid gas flows through the second branch 74, a portion of the second humid gas enters the first heat storage unit 80 and the second heat storage unit 82 individually. Since the temperature of the second humid gas is several tens of degrees Celsius to over one hundred degrees Celsius, the first heat storage unit 80 and the second heat storage unit 82 each store heat as this enters. As described above, the heat storage capacity of the second heat storage unit 82 is greater than that of the first heat storage unit 80. The second humid gas that enters the first heat storage unit 80 and the second heat storage unit 82 temporarily remains inside these heat storage units.
この場合、アノード電極16の第2電極触媒層22では、水素が電離してプロトン及び電子が生じる。プロトンは、電解質膜12内を伝導し、カソード電極14の第1電極触媒層18に到達する。電子は、外部負荷154を経由してカソード電極14の第1電極触媒層18に到達する。該第1電極触媒層18では、酸素、プロトン及び電子が化学的に結合し、水が生成される。 In this case, in the second electrode catalyst layer 22 of the anode electrode 16, hydrogen is ionized to produce protons and electrons. The protons conduct through the electrolyte membrane 12 and reach the first electrode catalyst layer 18 of the cathode electrode 14. Electrons reach the first electrode catalyst layer 18 of the cathode electrode 14 via the external load 154. In the first electrode catalyst layer 18, oxygen, protons, and electrons chemically combine to produce water.
上記した電気化学反応は、発熱反応である。すなわち、MEA10が熱を帯びる。この熱が第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスに伝達されると、第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスの温度が上昇する。このとき、ヒートパイプ52は、第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスから熱を奪う。このように、ヒートパイプ52は、通常、第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスをそれぞれ冷却する。 The electrochemical reaction described above is an exothermic reaction. That is, MEA 10 becomes heated. When this heat is transferred to the first and second humidified gases, their temperatures rise. At this time, the heat pipe 52 absorbs heat from the first and second humidified gases. In this way, the heat pipe 52 typically cools the first and second humidified gases, respectively.
制御部134は、MEA10のセル電圧に関する情報信号を常時受信している。制御部134は、セル電圧に基づいて濃度過電圧を求める。MEA10内の湿度の上昇に基づいて濃度過電圧が所定の上限値に到達したことを認識した制御部134は、「MEA10の加湿状態は、適正の上限である」と判断する。 The control unit 134 constantly receives information signals regarding the cell voltage of the MEA 10. Based on the cell voltage, the control unit 134 determines the concentration overvoltage. Recognizing that the concentration overvoltage has reached a predetermined upper limit based on the increase in humidity within the MEA 10, the control unit 134 determines that "the humidification state of the MEA 10 is at an appropriate upper limit."
制御部134には、アノード差圧計142によって測定された差圧と、カソード差圧計144によって測定された差圧とがさらに入力される。上記したように、アノード差圧計142によって測定された差圧は、第1流路64におけるアノード電極16への入口と、第1流路64におけるアノード電極16からの出口との差圧に等しい。カソード差圧計144によって測定された差圧は、第2分岐路74におけるカソード電極14への入口と、第2分岐路74におけるカソード電極14からの出口との差圧に等しい。どちらかの差圧が所定の上限値に到達した場合にも、制御部134は、「MEA10の加湿状態は、適正の上限である」と判断する。 The control unit 134 receives input from both the anode differential pressure gauge 142 and the cathode differential pressure gauge 144. As described above, the differential pressure measured by the anode differential pressure gauge 142 is equal to the differential pressure between the inlet to the anode electrode 16 in the first flow path 64 and the outlet from the anode electrode 16 in the first flow path 64. The differential pressure measured by the cathode differential pressure gauge 144 is equal to the differential pressure between the inlet to the cathode electrode 14 in the second branch path 74 and the outlet from the cathode electrode 14 in the second branch path 74. Even if either differential pressure reaches a predetermined upper limit, the control unit 134 determines that "the humidification state of the MEA 10 is at the appropriate upper limit."
上記のように判断した制御部134は、ヒートパイプ52の温度を上昇させる。具体的に、制御部134は、熱供給部54の発熱量を増加させることで、熱供給部54からヒートパイプ52に伝達される熱量を増加させる。 Having made the above determination, the control unit 134 increases the temperature of the heat pipe 52. Specifically, the control unit 134 increases the amount of heat transferred from the heat supply unit 54 to the heat pipe 52 by increasing the heat output of the heat supply unit 54.
この制御により、ヒートパイプ52から第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスに付与される熱量が増加する。従って、第1湿潤ガスにおける実質的な露点温度及び第2湿潤ガスにおける実質的な露点温度が高くなる。その結果、第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスにおいて、凝縮が起こり難くなる。これにより、第1流路64及び第2流路72内の各々の液水量が徐々に低減する。液水量が低減することに伴い、セル電圧に基づいて求められる濃度過電圧が小さくなる。 This control increases the amount of heat supplied from the heat pipe 52 to the first and second humidified gases. Consequently, the effective dew point temperatures of both the first and second humidified gases increase. As a result, condensation becomes less likely in both gases. This gradually reduces the amount of liquid water in the first and second flow paths 64 and 72. As the liquid water volume decreases, the concentration overvoltage, calculated based on the cell voltage, also decreases.
ここで、第1湿潤ガスにおける実質的な露点温度とは、第1流路64の各箇所における第1湿潤ガスの局所的な露点温度である。同様に、第2湿潤ガスにおける実質的な露点温度とは、第2流路72の各箇所における第2湿潤ガスの局所的な露点温度である。第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスの各々の実質的な露点温度は、ヒートパイプ52から第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスの各々に付与される熱量によって定まる。 Here, the effective dew point temperature of the first humid gas is the local dew point temperature of the first humid gas at each point in the first flow path 64. Similarly, the effective dew point temperature of the second humid gas is the local dew point temperature of the second humid gas at each point in the second flow path 72. The effective dew point temperatures of the first and second humid gases are determined by the amount of heat supplied from the heat pipe 52 to each of the first and second humid gases.
第1流路64及び第2分岐路74内の各々の液水量が過度に低減した場合、電解質膜12が乾燥する懸念がある。そこで、制御部134は、濃度過電圧が所定の下限値に到達したとき、「MEA10の加湿状態は、適正の下限である」と判断する。なお、制御部134は、第1ガスライン90と第2ガスライン100との差圧が所定の下限値に達したときにも上記と同様に判断する。 If the liquid water levels in the first channel 64 and the second branch channel 74 decrease excessively, there is a concern that the electrolyte membrane 12 may dry out. Therefore, when the concentration overvoltage reaches a predetermined lower limit, the control unit 134 determines that "the humidification state of the MEA 10 is at the appropriate lower limit." The control unit 134 also makes the same determination when the differential pressure between the first gas line 90 and the second gas line 100 reaches a predetermined lower limit.
上記のように判断した制御部134は、ヒートパイプ52の温度を低下させる。具体的に、制御部134は、熱供給部54の発熱量を減少させることで、熱供給部54からヒートパイプ52に伝達される熱量を減少させる。 Having made the above determination, the control unit 134 lowers the temperature of the heat pipe 52. Specifically, the control unit 134 reduces the amount of heat transferred from the heat supply unit 54 to the heat pipe 52 by reducing the amount of heat generated by the heat supply unit 54.
この制御により、ヒートパイプ52から第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスに付与される熱量が減少する。従って、第1湿潤ガスにおける実質的な露点温度及び第2湿潤ガスにおける実質的な露点温度が低くなる。その結果、第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスにおいて、凝縮が起こり易くなる。これにより、第1流路64及び第2流路72内の各々の液水量が徐々に増加する。液水量が増加することに伴い、セル電圧に基づいて求められる濃度過電圧が大きくなる。また、第1ガスライン90と第2ガスライン100との差圧が増大する。 This control reduces the amount of heat supplied from the heat pipe 52 to the first and second humidified gases. Consequently, the effective dew point temperatures of both the first and second humidified gases decrease. As a result, condensation becomes more likely in both gases. This causes a gradual increase in the liquid water content in the first and second flow paths 64 and 72. As the liquid water content increases, the concentration overvoltage, calculated based on the cell voltage, increases. Furthermore, the differential pressure between the first gas line 90 and the second gas line 100 increases.
ヒートパイプ52は、熱付与又は熱付与停止に対する応答速度が大きい。従って、熱供給部54からヒートパイプ52に熱が付与されたとき、第1流路64内の第1湿潤ガスの温度と、第2流路72内の第2湿潤ガスの温度とが迅速に上昇する。これとは逆に、熱供給部54からヒートパイプ52への熱の付与が停止されたとき、第1流路64内の第1湿潤ガスの温度と、第2流路72内の第2湿潤ガスの温度とが迅速に下降する。 The heat pipe 52 has a high response speed to heat supply and cessation. Therefore, when heat is supplied to the heat pipe 52 from the heat supply unit 54, the temperature of the first humidified gas in the first channel 64 and the temperature of the second humidified gas in the second channel 72 rise rapidly. Conversely, when the supply of heat from the heat supply unit 54 to the heat pipe 52 stops, the temperature of the first humidified gas in the first channel 64 and the temperature of the second humidified gas in the second channel 72 fall rapidly.
以上のようにして、第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスの各温度が迅速に調節される。すなわち、第1湿潤ガス及び第2湿潤ガスの各々の温度を略一定に維持することができる。従って、第1流路64及び第2流路72の各々における液水量を適正量に保つことができるので、フラッディングが起こることが回避される。このように、本実施形態によれば、複数個のMEA10を同時に活性化する場合において、治具42の第1流路64及び第2流路72にフラッディングが起こることを防止することができる。 As described above, the temperatures of the first and second humidified gases are rapidly adjusted. That is, the temperatures of the first and second humidified gases can be maintained at approximately constant levels. Therefore, the liquid water volume in each of the first and second flow paths 64 and 72 can be maintained at appropriate levels, thus preventing flooding. Thus, according to this embodiment, when activating multiple MEAs 10 simultaneously, flooding in the first and second flow paths 64 and 72 of the jig 42 can be prevented.
その結果、アノード電極16の第2電極触媒層22に十分な量の第1湿潤ガスが到達し、且つカソード電極14の第1電極触媒層18に十分な量の第2湿潤ガスが到達する。これにより、MEA10を十分に活性化することができる。 As a result, a sufficient amount of the first humidifying gas reaches the second electrode catalyst layer 22 of the anode electrode 16, and a sufficient amount of the second humidifying gas reaches the first electrode catalyst layer 18 of the cathode electrode 14. This allows the MEA 10 to be sufficiently activated.
加えて、第2分岐路74の途中には、第1蓄熱部80及び第2蓄熱部82が形成されている。第1蓄熱部80及び第2蓄熱部82には、第2湿潤ガスが進入することに伴って熱が蓄えられている。従って、第2分岐路74を流通する第2湿潤ガスに対し、第1蓄熱部80及び第2蓄熱部82から熱が伝達される。第2蓄熱部82の蓄熱容量が第1蓄熱部80の蓄熱容量よりも大きいので、第2湿潤ガスには、第2出口62に接近するにつれて大きな熱量が付与される。 In addition, a first heat storage section 80 and a second heat storage section 82 are formed in the middle of the second branching passage 74. Heat is stored in the first heat storage section 80 and the second heat storage section 82 as the second humid gas enters. Therefore, heat is transferred from the first heat storage section 80 and the second heat storage section 82 to the second humid gas flowing through the second branching passage 74. Since the heat storage capacity of the second heat storage section 82 is larger than that of the first heat storage section 80, a larger amount of heat is transferred to the second humid gas as it approaches the second outlet 62.
従って、この態様では、第2湿潤ガスが第2出口62に近接するにつれて該第2湿潤ガスに大きな熱量が付与される。従って、第2流路72において、ヒートパイプ52からの熱の付与量が急速に低減した場合であっても、特に第2出口62の近傍で、実質的な露点温度が低下することが回避される。従って、第2流路72においてフラッディングが起こることが抑制される。すなわち、複数個のMEA10を同時に活性化する場合においても、フラッディングを防止することが容易である。 Therefore, in this embodiment, a large amount of heat is supplied to the second humid gas as it approaches the second outlet 62. Consequently, even if the amount of heat supplied from the heat pipe 52 rapidly decreases in the second flow path 72, a decrease in the effective dew point temperature is avoided, particularly near the second outlet 62. Therefore, flooding in the second flow path 72 is suppressed. In other words, flooding can be easily prevented even when multiple MEAs 10 are activated simultaneously.
また、この態様では、第2出口62に近接するにつれて蓄熱部の蓄熱容量を大きくしている。このため、第2流路72では、第2入口60から第2出口62に向かって露点温度が高くなる。すなわち、第2流路72では、第2湿潤ガスの上流から下流となるにつれて、実質的な露点温度に正の勾配が形成される。このため、第2流路72において第2湿潤ガスの実質的な露点温度が低下したときであっても、第2流路72の全体にわたって凝縮水(液水)が生じることが抑制される。 Furthermore, in this embodiment, the heat storage capacity of the heat storage section is increased as it approaches the second outlet 62. Therefore, in the second flow path 72, the dew point temperature increases from the second inlet 60 towards the second outlet 62. That is, in the second flow path 72, a positive gradient is formed in the effective dew point temperature as the second humid gas flows from upstream to downstream. Therefore, even when the effective dew point temperature of the second humid gas decreases in the second flow path 72, the formation of condensed water (liquid water) is suppressed throughout the entire second flow path 72.
さらに、この態様においては、第2流路72では第2出口62の近傍で実質的な露点温度が最も高くなる。従って、第2出口62では凝縮水が生じ難い。このため、第2出口62が凝縮水で閉塞されることが回避される。従って、第2流路72の途中で生じた凝縮水を、第2出口62から速やかに排出することができる。 Furthermore, in this embodiment, the effective dew point temperature is highest near the second outlet 62 in the second flow path 72. Therefore, condensation is less likely to form at the second outlet 62. This prevents the second outlet 62 from being blocked by condensation. Consequently, any condensation generated along the second flow path 72 can be quickly discharged from the second outlet 62.
以上のようにしてMEA10の活性化が終了した後、制御部134は、第1三方バルブ96を制御することで、水素ガス供給部92と第1ガスライン90との連通を遮断し、且つ窒素ガス供給部94と第1ガスライン90とを連通させる。また、制御部134は第2三方バルブ116を制御し、第3ガスライン110と酸化剤ガス供給部114との連通を遮断し、且つ第3ガスライン110と窒素ガス供給部112とを連通させる。 After the activation of MEA10 is completed as described above, the control unit 134 controls the first three-way valve 96 to block the connection between the hydrogen gas supply unit 92 and the first gas line 90, and to open the connection between the nitrogen gas supply unit 94 and the first gas line 90. Furthermore, the control unit 134 controls the second three-way valve 116 to block the connection between the third gas line 110 and the oxidizer gas supply unit 114, and to open the connection between the third gas line 110 and the nitrogen gas supply unit 112.
この状態で、窒素ガス供給部94から第1流路64に窒素ガスが供給され、且つ窒素ガス供給部112から第2流路72に窒素ガスが供給される。窒素ガスは湿潤窒素ガスとなり、アノード電極16及びカソード電極14に供給される。湿潤窒素ガスは、第2ガスライン100及び第4ガスライン120を経て第1排気バルブ102及び第2排気バルブ122からそれぞれ排出される。以上により、第1流路64及び第2流路72が湿潤窒素ガスで置換される。 In this state, nitrogen gas is supplied from the nitrogen gas supply unit 94 to the first channel 64, and nitrogen gas is supplied from the nitrogen gas supply unit 112 to the second channel 72. The nitrogen gas becomes moist nitrogen gas and is supplied to the anode electrode 16 and the cathode electrode 14. The moist nitrogen gas is discharged from the first exhaust valve 102 and the second exhaust valve 122, respectively, via the second gas line 100 and the fourth gas line 120. As a result, the first channel 64 and the second channel 72 are replaced with moist nitrogen gas.
本実施形態では、ヒートパイプ52が第1分岐路68及び第2分岐路74に対して直交する方向に延びる態様を例示している。しかしながら、ヒートパイプ52の延びる方向はこれに特に限定されない。例えば、図6及び図7に示すように、ヒートパイプ52は、第1分岐路68及び第2分岐路74に対して平行に延びていてもよい。なお、図6及び図7において、図1~図5に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。 In this embodiment, an example is shown in which the heat pipe 52 extends in a direction perpendicular to the first branch 68 and the second branch 74. However, the direction in which the heat pipe 52 extends is not particularly limited. For example, as shown in Figures 6 and 7, the heat pipe 52 may extend parallel to the first branch 68 and the second branch 74. Note that in Figures 6 and 7, the same reference numerals are used for components that are the same as those shown in Figures 1 to 5.
この態様では、熱供給部54を、例えば、第1入口56と第2出口62との間に配置することが可能である。この場合、熱供給部54の少なくとも一部(好ましくは全部)が治具42内に収まる。このため、活性化装置40の小型化を図ることができる。 In this embodiment, the heat supply unit 54 can be positioned, for example, between the first inlet 56 and the second outlet 62. In this case, at least a portion (preferably all) of the heat supply unit 54 fits within the jig 42. Therefore, the activation device 40 can be miniaturized.
以上説明したように、本実施形態は、燃料電池を構成するアノード電極(16)及びカソード電極(14)の間に電解質膜(12)が挟まれた電解質膜・電極構造体(10)を活性化するための活性化装置(40)において、互いの間に前記電解質膜・電極構造体を挟んだ状態で積層される複数個の治具(42)と、前記複数個の治具の各々に設けられたヒートパイプ(52)と、前記ヒートパイプに熱を付与する熱供給部(54)と、前記熱供給部から前記ヒートパイプに付与される熱を制御する制御部(134)と、第1活性化ガスを供給する第1活性化ガス供給源と、第2活性化ガスを供給する第2活性化ガス供給源と、を備え、前記複数個の治具の各々は、前記アノード電極を向く第1面(46)と、前記カソード電極を向く第2面(48)と、該複数個の治具の積層方向に沿って延び且つ前記第1活性化ガスが流入する第1入口(56)と、前記第1面に沿って延び且つ前記第1入口に連通する第1流路(64)と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第1流路を流通した前記第1活性化ガスが流出する第1出口(58)と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第2活性化ガスが流入する第2入口(60)と、前記第2面に沿って延び且つ前記第2入口に連通する第2流路(72)と、前記積層方向に沿って延び且つ前記第2流路を流通した前記第2活性化ガスが流出する第2出口(62)と、を有し、前記第1流路及び前記第2流路は、前記ヒートパイプに対して平行又は交差する方向に延び、前記複数個の治具の各々の前記第1面又は前記第2面を見たとき、前記第1入口、前記第1出口、前記第2入口及び前記第2出口は、前記ヒートパイプの延在方向において互いに離間し、且つ前記延在方向に直交する方向において互いに離間する、活性化装置を開示する。 As described above, this embodiment is an activation device (40) for activating an electrolyte membrane/electrode structure (10) in which an electrolyte membrane (12) is sandwiched between an anode electrode (16) and a cathode electrode (14) constituting a fuel cell, and comprises a plurality of jigs (42) stacked with the electrolyte membrane/electrode structure sandwiched between them, a heat pipe (52) provided on each of the plurality of jigs, a heat supply unit (54) that applies heat to the heat pipe, a control unit (134) that controls the heat applied from the heat supply unit to the heat pipe, a first activation gas supply source that supplies a first activation gas, and a second activation gas supply source that supplies a second activation gas, wherein each of the plurality of jigs has a first surface (46) facing the anode electrode, a second surface (48) facing the cathode electrode, and a first inlet extending along the stacking direction of the plurality of jigs and into which the first activation gas flows. The present invention discloses an activation device comprising: (56); a first flow path (64) extending along the first surface and communicating with the first inlet; a first outlet (58) extending along the stacking direction and through which the first activated gas that has flowed through the first flow path flows out; a second inlet (60) extending along the stacking direction and through which the second activated gas flows in; a second flow path (72) extending along the second surface and communicating with the second inlet; and a second outlet (62) extending along the stacking direction and through which the second activated gas that has flowed through the second flow path flows out. The first and second flow paths extend in directions parallel to or perpendicular to the heat pipe, and when viewing the first or second surface of each of the plurality of fixtures, the first inlet, first outlet, second inlet, and second outlet are spaced apart from each other in the direction of extension of the heat pipe and in directions perpendicular to the direction of extension.
ヒートパイプは、入熱又は出熱に対する応答速度が大きい。従って、ヒートパイプと、第1活性化ガス及び第2活性化ガスとの間で熱を授受することで、第1活性化ガス及び第2活性化ガスの各々の温度を迅速に調節することができる。すなわち、第1活性化ガス及び第2活性化ガスの各々の温度が所定の範囲内に調節される。 Heat pipes exhibit a high response speed to heat input or output. Therefore, by exchanging heat between the heat pipe and the first and second activated gases, the temperatures of the first and second activated gases can be rapidly adjusted. In other words, the temperatures of the first and second activated gases are adjusted to a predetermined range.
これにより、第1活性化ガス及び第2活性化ガスの実質的な露点温度が適切な温度範囲に調整される。その結果、治具における第1流路及び第2流路の液水量が適切な範囲に保たれる。従って、第1流路及び第2流路においてフラッディングが生じることを回避しつつ、複数個の電解質膜・電極構造体に対して適切に湿分を付与することが可能である。このようにして、複数個の電解質膜・電極構造体を同時に活性化することができる。 This adjusts the effective dew point temperatures of the first and second activating gases to an appropriate temperature range. As a result, the liquid water content in the first and second channels of the jig is maintained within an appropriate range. Therefore, it is possible to appropriately apply moisture to multiple electrolyte membrane and electrode structures while avoiding flooding in the first and second channels. In this way, multiple electrolyte membrane and electrode structures can be activated simultaneously.
本実施形態は、前記第1流路は複数個の第1分岐路(68)を有し、前記複数個の第1分岐路は、前記第1入口又は第1分配路(66)から分岐し且つ第1集合路(70)又は前記第1出口で集合し、前記第2流路は複数個の第2分岐路(74)を有し、前記複数個の第2分岐路は、前記第2入口又は第2分配路(76)から分岐し且つ第2集合路(78)又は前記第2出口で集合する、活性化装置を開示する。 This embodiment discloses an activation device in which the first flow path has a plurality of first branch paths (68), the plurality of first branch paths branching from the first inlet or first distribution path (66) and converging at the first gathering path (70) or the first outlet, and the second flow path has a plurality of second branch paths (74), the plurality of second branch paths branching from the second inlet or second distribution path (76) and converging at the second gathering path (78) or the second outlet.
第1分岐路及び第2分岐路により、電解質膜・電極構造体における広範囲に第1活性化ガス及び第2活性化ガスを到達させることができる。すなわち、電解質膜・電極構造体を広範囲にわたって活性化することができる。また、第1分岐路を集合させることで、第1活性化ガスが流入する第1入口が1箇所に集約される。第1活性化ガスが流出する第1出口も1箇所に集約される。第2分岐路についても同様である。従って、治具の小型化を図ることができる。 The first and second branching pathways allow the first and second activating gases to reach a wide area of the electrolyte membrane and electrode structure. That is, the electrolyte membrane and electrode structure can be activated over a wide area. Furthermore, by combining the first branching pathways, the first inlet where the first activating gas flows in is consolidated into a single location. The first outlet where the first activating gas flows out is also consolidated into a single location. The same applies to the second branching pathway. Therefore, the size of the jig can be reduced.
しかも、複数個の治具を積層したとき、第1入口、第1出口、第2入口及び第2出口の位置を揃えることで、治具の積層方向に延びる第1入口連通路、第1出口連通路、第2入口連通路及び第2出口連通路を容易に形成することができる。 Furthermore, when multiple jigs are stacked, aligning the positions of the first entrance, first exit, second entrance, and second exit makes it easy to form the first entrance passage, first exit passage, second entrance passage, and second exit passage extending in the direction of jig stacking.
本実施形態は、前記第1流路又は前記第2流路の少なくともいずれかに設けられた蓄熱部(80、82)を有する、活性化装置を開示する。 This embodiment discloses an activation device having a heat storage section (80, 82) provided in at least one of the first or second flow channels.
ヒートパイプは、熱付与又は熱付与停止に対する応答速度が大きい。従って、活性化装置のガス流路を流通する活性化ガスの温度をヒートパイプで制御した場合、活性化ガスの局所的な温度(実質的な露点温度)が略均一となると推測される。この場合において、ヒートパイプから活性化ガスに付与される熱量が急速に低下したとき、ガス流路内における活性化ガスの実質的な露点温度が一斉に低下して、ガス流路の全体にわたって凝縮水が発生することがあり得る。この現象に起因して、熱の入出に対するヒートパイプの応答速度が大きいにも拘わらず、フラッディングが起こることが想定される。特に、トラック等の大型車両に搭載される燃料電池スタックでは、MEAが大型化する。このようなMEAを活性化する場合、活性化装置におけるガス流路の流路長が比較的長くなる。流路長が長いガス流路において凝縮水が発生すると、その発生量が多いのでフラッディングが発生し易くなる懸念がある。 Heat pipes exhibit a high response speed to heat supply and/or cessation of heat supply. Therefore, when the temperature of the activated gas flowing through the gas channel of an activation device is controlled by a heat pipe, it is presumed that the local temperature (effective dew point temperature) of the activated gas becomes nearly uniform. In this case, when the amount of heat supplied to the activated gas from the heat pipe rapidly decreases, the effective dew point temperature of the activated gas within the gas channel may drop simultaneously, potentially causing condensation throughout the entire gas channel. This phenomenon is expected to cause flooding, despite the high response speed of the heat pipe to heat inflow and outflow. In particular, fuel cell stacks installed in large vehicles such as trucks tend to have larger MEAs. When activating such MEAs, the flow path length of the gas channel in the activation device becomes relatively long. In gas channels with long flow paths, the amount of condensation generated is large, raising concerns about the likelihood of flooding.
これに対し、蓄熱部を設けた態様においては、ガス流路を流通する活性化ガスに対し、蓄熱部の熱が伝達される。この熱伝達に伴い、活性化ガスの実質的な露点温度が上昇する。その結果、ガス流路内で水蒸気が凝縮することが一層抑制される。従って、フラッディングを防止することが一層容易である。 In contrast, in a configuration with a heat storage unit, heat from the heat storage unit is transferred to the activated gas flowing through the gas channel. This heat transfer increases the effective dew point temperature of the activated gas. As a result, condensation of water vapor within the gas channel is further suppressed. Therefore, preventing flooding becomes even easier.
本実施形態は、前記蓄熱部は、前記第1流路又は前記第2流路を起点として該第1流路又は該第2流路から離間するように凹んだ1個以上の凹部である、活性化装置を開示する。 This embodiment discloses an activation device in which the heat storage section is one or more recesses that are recessed starting from the first or second flow path and spaced apart from the first or second flow path.
この場合、凹部に活性化ガスが進入する。活性化ガスは数十℃~百数十℃であるので、蓄熱部が熱を蓄える。このように、この構成によれば、蓄熱部を構成することが容易である。 In this case, the activated gas enters the recess. Since the activated gas is tens of degrees Celsius to over a hundred degrees Celsius, the heat storage section stores heat. Thus, this configuration makes it easy to construct the heat storage section.
本実施形態は、前記蓄熱部は、前記第1流路又は前記第2流路を起点として該第1流路又は前記第2流路から離間するように凹んだ2個以上の凹部であり、前記2個以上の凹部の蓄熱容量が互いに相違し、前記2個以上の凹部は、前記第1流路において前記第1入口から前記第1出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶか、又は、前記第2流路において前記第2入口から前記第2出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶ、活性化装置を開示する。 This embodiment discloses an activation device in which the heat storage section consists of two or more recesses that are recessed from the first or second flow path, with the heat storage capacities of the two or more recesses being different from each other, and the two or more recesses are arranged in the first flow path from the first inlet to the first outlet in order from the recess with the smallest heat storage capacity to the recess with the largest heat storage capacity, or in the second flow path from the second inlet to the second outlet in order from the recess with the smallest heat storage capacity to the recess with the largest heat storage capacity.
この場合、第1流路又は前記第2流路(ガス流路)の上流から下流となるにつれて実質的な露点温度が高くなる。すなわち、実質的な露点温度に正の温度勾配が形成される。このため、ガス流路の入口から出口に向かうに従って、活性化ガスから凝縮水が発生し難くなる。このような理由から、ガス流路の全体にわたって一斉に凝縮水が発生することが回避される。しかも、ガス流路の出口近傍で実質的な露点温度を高くすることができるので、ガス流路の出口において凝縮水の発生が抑制される。従って、ガス流路の出口が凝縮水で閉塞されることが回避される。このため、ガス流路の途中で活性化ガスから凝縮水が発生する状況であっても、該凝縮水を速やかに出口から排出することができる。 In this case, the effective dew point temperature increases as you move from the upstream to the downstream of the first or second flow path (gas flow path). That is, a positive temperature gradient is formed in the effective dew point temperature. Therefore, condensation from the activated gas becomes less likely as you move from the inlet to the outlet of the gas flow path. For this reason, simultaneous condensation throughout the entire gas flow path is avoided. Furthermore, since the effective dew point temperature can be increased near the outlet of the gas flow path, condensation is suppressed at the outlet. Therefore, blockage of the gas flow path outlet by condensation is avoided. For this reason, even if condensation is generated from the activated gas midway through the gas flow path, the condensation can be quickly discharged from the outlet.
特に、発電エージングでは、活性化の進行に伴って、カソード電極において水が生成される。このため、フラッディングは、カソード電極を向く第2流路の第2出口近傍で発生し易い。しかしながら、上記の構成においては、第1流路又は第2流路を流通して第1出口近傍又は第2出口近傍に到達した活性化ガスに対し、第1出口近傍又は第2出口近傍に位置する蓄熱部から大きな熱量を付与することが可能である。このため、出口近傍で活性化ガスの実質的な露点温度が低下することを回避することができる。これにより、フラッディングが発生することが一層抑制される。 In particular, during power generation aging, water is generated at the cathode electrode as activation progresses. Therefore, flooding is likely to occur near the second outlet of the second channel facing the cathode electrode. However, in the above configuration, it is possible to supply a large amount of heat from the heat storage unit located near the first or second outlet to the activated gas that has flowed through the first or second channel and reached the vicinity of the first or second outlet. Therefore, a decrease in the effective dew point temperature of the activated gas near the outlet can be avoided. This further suppresses the occurrence of flooding.
本実施形態は、前記第1流路及び前記第2流路と前記ヒートパイプとが交差するように延び、且つ前記熱供給部が前記ヒートパイプの前記延在方向の端部に配置される、活性化装置を開示する。 This embodiment discloses an activation device in which the first and second flow paths extend so as to intersect with the heat pipe, and the heat supply unit is positioned at the end of the heat pipe in the direction of extension.
本実施形態は、前記第1流路及び前記第2流路と前記ヒートパイプとが平行に延び、且つ前記熱供給部が前記第1入口、前記第1出口、前記第2入口、前記第2出口のうち2個の間に配置される、活性化装置を開示する。 This embodiment discloses an activation device in which the first and second flow paths and the heat pipe extend parallel to each other, and the heat supply unit is positioned between two of the first inlet, first outlet, second inlet, and second outlet.
いずれの場合においても、治具からの熱供給部の突出量を小さくすることが可能である。従って、治具及び活性化装置の小型化を図ることができる。 In either case, it is possible to reduce the protrusion of the heat supply section from the jig. Therefore, the jig and activation device can be miniaturized.
典型的には、第1入口及び第1出口は、互いに対角となる位置に形成される。第2入口及び第2出口も同様に、互いの対角となる位置に形成される。すなわち、本実施形態は、前記第1入口と前記第1出口とが対角の位置関係にあり、且つ前記第2入口と前記第2出口とが対角の位置関係にある、活性化装置を開示する。 Typically, the first inlet and first outlet are formed at diagonal positions to each other. Similarly, the second inlet and second outlet are formed at diagonal positions to each other. That is, this embodiment discloses an activation device in which the first inlet and first outlet are diagonally positioned, and the second inlet and second outlet are also diagonally positioned.
この場合、アノード電極の全体にわたって第1活性化ガスを万遍なく接触させることが容易である。同様に、カソード電極の全体にわたって第2活性化ガスを万遍なく接触させることが容易である。従って、MEAを全体にわたって略均等に活性化することができる。 In this case, it is easy to evenly contact the entire anode electrode with the first activating gas. Similarly, it is easy to evenly contact the entire cathode electrode with the second activating gas. Therefore, the MEA can be activated almost uniformly throughout.
なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。 Furthermore, the present invention is not limited to the disclosures described above, and various configurations can be adopted without departing from the spirit of the invention.
10、10a、10b…電解質膜・電極構造体 12…電解質膜
14…カソード電極 16…アノード電極
40…活性化装置 42…治具
44…積層体 46…第1面
48…第2面 52…ヒートパイプ
54…熱供給部 56…第1入口
56a…第1入口連通路 58…第1出口
58a…第1出口連通路 60…第2入口
60a…第2入口連通路 62…第2出口
62a…第2出口連通路 64…第1流路
66…第1分配路 68…第1分岐路
70…第1集合路 72…第2流路
74…第2分岐路 76…第2分配路
78…第2集合路 80…第1蓄熱部
82…第2蓄熱部 90…第1ガスライン
92…水素ガス供給部 98…第1加湿器
100…第2ガスライン 110…第3ガスライン
114…酸化剤ガス供給部 118…第2加湿器
120…第4ガスライン 130…電気パラメータ検出部
134…制御部 136…電圧測定器
140…圧力パラメータ検出部 142…アノード差圧計
144…カソード差圧計 154…外部負荷
10, 10a, 10b...Electrolyte membrane/electrode structure 12...Electrolyte membrane 14...Cathode electrode 16...Anode electrode 40...Activation device 42...Jig 44...Laminate 46...First surface 48...Second surface 52...Heat pipe 54...Heat supply section 56...First inlet 56a...First inlet connecting passage 58...First outlet 58a...First outlet connecting passage 60...Second inlet 60a...Second inlet connecting passage 62...Second outlet 62a...Second outlet connecting passage 64...First flow path 66...First distribution path 68...First branch path 70...First assembly path 72...Second flow path 74...Second branch path 76...Second distribution path 78...Second assembly path 80...First heat storage section 82...Second heat storage section 90...First gas line 92...Hydrogen gas supply section 98...First humidifier 100...Second gas line 110...Third gas line 114...Oxidizer gas supply unit 118...Second humidifier 120...Fourth gas line 130...Electrical parameter detection unit 134...Control unit 136...Voltage measuring instrument 140...Pressure parameter detection unit 142...Anode differential pressure gauge 144...Cathode differential pressure gauge 154...External load
Claims (6)
互いの間に前記電解質膜・電極構造体を挟んだ状態で積層される複数個の治具と、
前記複数個の治具の各々に設けられたヒートパイプと、
前記ヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、
前記熱供給部から前記ヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、
第1活性化ガスを供給する第1活性化ガス供給源と、
第2活性化ガスを供給する第2活性化ガス供給源と、
を備え、
前記複数個の治具の各々は、前記アノード電極を向く第1面と、
前記カソード電極を向く第2面と、
該複数個の治具の積層方向に沿って延び且つ前記第1活性化ガスが流入する第1入口と、
前記第1面に沿って延び且つ前記第1入口に連通する第1流路と、
前記積層方向に沿って延び且つ前記第1流路を流通した前記第1活性化ガスが流出する第1出口と、
前記積層方向に沿って延び且つ前記第2活性化ガスが流入する第2入口と、
前記第2面に沿って延び且つ前記第2入口に連通する第2流路と、
前記積層方向に沿って延び且つ前記第2流路を流通した前記第2活性化ガスが流出する第2出口と、
を有し、
前記第1流路及び前記第2流路は、前記ヒートパイプに対して平行又は交差する方向に延び、
前記複数個の治具の各々の前記第1面又は前記第2面を見たとき、前記第1入口、前記第1出口、前記第2入口及び前記第2出口は、前記ヒートパイプの延在方向において互いに離間し、且つ前記延在方向に直交する方向において互いに離間し、
前記活性化装置は、前記第1流路又は前記第2流路の少なくともいずれかに設けられた蓄熱部をさらに備え、
前記蓄熱部は、前記第1流路又は前記第2流路を起点として該第1流路又は該第2流路から離間するように凹んだ1個以上の凹部である、活性化装置。 In an activation device for activating an electrolyte membrane/electrode structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between the anode electrode and cathode electrode constituting a fuel cell,
Multiple jigs are stacked with the electrolyte membrane/electrode structure sandwiched between them,
A heat pipe is provided on each of the aforementioned multiple jigs,
A heat supply unit that applies heat to the heat pipe,
A control unit that controls the heat supplied from the heat supply unit to the heat pipe,
A first activated gas supply source that supplies the first activated gas,
A second activated gas supply source that supplies the second activated gas,
Equipped with,
Each of the aforementioned multiple jigs has a first surface facing the anode electrode,
The second surface facing the cathode electrode,
A first inlet extending along the stacking direction of the plurality of jigs and into which the first activated gas flows,
A first channel extending along the first surface and communicating with the first inlet,
A first outlet extending along the stacking direction and through which the first activated gas that has flowed through the first channel flows out,
A second inlet extending along the stacking direction and into which the second activated gas flows,
A second flow path extending along the second surface and communicating with the second inlet,
A second outlet extending along the stacking direction and through which the second activated gas that has flowed through the second channel flows out,
It has,
The first and second flow paths extend in directions parallel to or intersecting the heat pipe.
When the first or second surface of each of the plurality of jigs is viewed, the first inlet, the first outlet, the second inlet, and the second outlet are spaced apart from each other in the direction in which the heat pipe extends, and are also spaced apart from each other in a direction perpendicular to the direction in which the heat pipe extends.
The activation device further comprises a heat storage unit provided in at least one of the first or second flow channels.
The heat storage section is one or more recesses that are recessed starting from the first flow path or the second flow path and spaced apart from the first flow path or the second flow path , in an activation device.
互いの間に前記電解質膜・電極構造体を挟んだ状態で積層される複数個の治具と、
前記複数個の治具の各々に設けられたヒートパイプと、
前記ヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、
前記熱供給部から前記ヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、
第1活性化ガスを供給する第1活性化ガス供給源と、
第2活性化ガスを供給する第2活性化ガス供給源と、
を備え、
前記複数個の治具の各々は、前記アノード電極を向く第1面と、
前記カソード電極を向く第2面と、
該複数個の治具の積層方向に沿って延び且つ前記第1活性化ガスが流入する第1入口と、
前記第1面に沿って延び且つ前記第1入口に連通する第1流路と、
前記積層方向に沿って延び且つ前記第1流路を流通した前記第1活性化ガスが流出する第1出口と、
前記積層方向に沿って延び且つ前記第2活性化ガスが流入する第2入口と、
前記第2面に沿って延び且つ前記第2入口に連通する第2流路と、
前記積層方向に沿って延び且つ前記第2流路を流通した前記第2活性化ガスが流出する第2出口と、
を有し、
前記第1流路及び前記第2流路は、前記ヒートパイプに対して平行又は交差する方向に延び、
前記複数個の治具の各々の前記第1面又は前記第2面を見たとき、前記第1入口、前記第1出口、前記第2入口及び前記第2出口は、前記ヒートパイプの延在方向において互いに離間し、且つ前記延在方向に直交する方向において互いに離間し、
前記活性化装置は、前記第1流路又は前記第2流路の少なくともいずれかに設けられた蓄熱部をさらに備え、
前記蓄熱部は、前記第1流路又は前記第2流路を起点として該第1流路又は前記第2流路から離間するように凹んだ2個以上の凹部であり、
前記2個以上の凹部の蓄熱容量が互いに相違し、
前記2個以上の凹部は、前記第1流路において前記第1入口から前記第1出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶか、又は、前記第2流路において前記第2入口から前記第2出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶ、活性化装置。 In an activation device for activating an electrolyte membrane/electrode structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between the anode electrode and cathode electrode constituting a fuel cell,
Multiple jigs are stacked with the electrolyte membrane/electrode structure sandwiched between them,
A heat pipe is provided on each of the aforementioned multiple jigs,
A heat supply unit that applies heat to the heat pipe,
A control unit that controls the heat supplied from the heat supply unit to the heat pipe,
A first activated gas supply source that supplies the first activated gas,
A second activated gas supply source that supplies the second activated gas,
Equipped with,
Each of the aforementioned multiple jigs has a first surface facing the anode electrode,
The second surface facing the cathode electrode,
A first inlet extending along the stacking direction of the plurality of jigs and into which the first activated gas flows,
A first channel extending along the first surface and communicating with the first inlet,
A first outlet extending along the stacking direction and through which the first activated gas that has flowed through the first channel flows out,
A second inlet extending along the stacking direction and into which the second activated gas flows,
A second flow path extending along the second surface and communicating with the second inlet,
A second outlet extending along the stacking direction and through which the second activated gas that has flowed through the second channel flows out,
It has,
The first and second flow paths extend in directions parallel to or intersecting the heat pipe.
When the first or second surface of each of the plurality of jigs is viewed, the first inlet, the first outlet, the second inlet, and the second outlet are spaced apart from each other in the direction in which the heat pipe extends, and are also spaced apart from each other in a direction perpendicular to the direction in which the heat pipe extends.
The activation device further comprises a heat storage unit provided in at least one of the first or second flow channels.
The heat storage section is a set of two or more recesses that are recessed starting from the first or second flow path and spaced apart from the first or second flow path.
The heat storage capacities of the two or more recesses differ from each other.
An activation device in which the two or more recesses are arranged in the first flow path from the first inlet to the first outlet in order from recesses with small heat storage capacity to recesses with large heat storage capacity, or in the second flow path from the second inlet to the second outlet in order from recesses with small heat storage capacity to recesses with large heat storage capacity.
互いの間に前記電解質膜・電極構造体を挟んだ状態で積層される複数個の治具と、
前記複数個の治具の各々に設けられたヒートパイプと、
前記ヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、
前記熱供給部から前記ヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、
第1活性化ガスを供給する第1活性化ガス供給源と、
第2活性化ガスを供給する第2活性化ガス供給源と、
を備え、
前記複数個の治具の各々は、前記アノード電極を向く第1面と、
前記カソード電極を向く第2面と、
該複数個の治具の積層方向に沿って延び且つ前記第1活性化ガスが流入する第1入口と、
前記第1面に沿って延び且つ前記第1入口に連通する第1流路と、
前記積層方向に沿って延び且つ前記第1流路を流通した前記第1活性化ガスが流出する第1出口と、
前記積層方向に沿って延び且つ前記第2活性化ガスが流入する第2入口と、
前記第2面に沿って延び且つ前記第2入口に連通する第2流路と、
前記積層方向に沿って延び且つ前記第2流路を流通した前記第2活性化ガスが流出する第2出口と、
を有し、
前記第1流路及び前記第2流路は、前記ヒートパイプに対して平行又は交差する方向に延び、
前記複数個の治具の各々の前記第1面又は前記第2面を見たとき、前記第1入口、前記第1出口、前記第2入口及び前記第2出口は、前記ヒートパイプの延在方向において互いに離間し、且つ前記延在方向に直交する方向において互いに離間し、
前記第1流路及び前記第2流路と前記ヒートパイプとが平行に延び、且つ前記熱供給部が前記第1入口、前記第1出口、前記第2入口、前記第2出口のうち2個の間に配置される、活性化装置。 In an activation device for activating an electrolyte membrane/electrode structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between the anode electrode and cathode electrode constituting a fuel cell,
Multiple jigs are stacked with the electrolyte membrane/electrode structure sandwiched between them,
A heat pipe is provided on each of the aforementioned multiple jigs,
A heat supply unit that applies heat to the heat pipe,
A control unit that controls the heat supplied from the heat supply unit to the heat pipe,
A first activated gas supply source that supplies the first activated gas,
A second activated gas supply source that supplies the second activated gas,
Equipped with,
Each of the aforementioned multiple jigs has a first surface facing the anode electrode,
The second surface facing the cathode electrode,
A first inlet extending along the stacking direction of the plurality of jigs and into which the first activated gas flows,
A first channel extending along the first surface and communicating with the first inlet,
A first outlet extending along the stacking direction and through which the first activated gas that has flowed through the first channel flows out,
A second inlet extending along the stacking direction and into which the second activated gas flows,
A second flow path extending along the second surface and communicating with the second inlet,
A second outlet extending along the stacking direction and through which the second activated gas that has flowed through the second channel flows out,
It has,
The first and second flow paths extend in directions parallel to or intersecting the heat pipe.
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An activation device in which the first flow path and the second flow path and the heat pipe extend in parallel, and the heat supply unit is positioned between two of the first inlet, first outlet, second inlet, and second outlet.
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