JP2015138720A

JP2015138720A - Solid polymer fuel cell power generation system

Info

Publication number: JP2015138720A
Application number: JP2014010880A
Authority: JP
Inventors: 昭男佐藤; Akio Sato; 谷　俊宏; Toshihiro Tani; 俊宏谷; 伊藤　栄基; Eiki Ito; 栄基伊藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-07-30

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer fuel cell power generation system which can stably perform a power generating operation without causing the reduction in cell voltage.SOLUTION: A solid polymer fuel cell power generation system 100 comprises: sub-stacks 111 and 112, each arranged by stacking cells 10 and separators 20, and connected to form a fuel gas circulation path like a serial loop; a hydrogen gas cylinder 130 connected to each of fuel gas inlets of the sub-stacks 111 and 112, valves 101 and 102 provided between the hydrogen gas cylinder 130 and fuel gas inlets of the sub-stacks 111 and 112; and valves 103 and 104 provided in the fuel gas circulation path between the sub-stacks 111 and 112. With a gas diffusion layer 12b of a fuel electrode 12 of each cell 10, the ratio L of a pressure loss to a transmission amount in a circulating direction when water is caused to pass therethrough is 20 kPa min/cmor less, and the rate W of water occupying gaps with water included is 50% or less.

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell power generation system.

固体高分子形燃料電池発電システムは、触媒層及びガス拡散層からなる燃料極と酸化極とでプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を挟んだセルと、水素ガスを含有する燃料ガスを流通させる燃料ガス流路及び酸素を含有する酸化ガスを流通させる酸化ガス流路をそれぞれ形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池を有し、燃料ガス供給手段から固体高分子形燃料電池の上記セパレータの燃料ガス流路を介して上記セルの燃料極に燃料ガスを供給すると共に、酸化ガス供給手段から固体高分子形燃料電池の上記セパレータの酸化ガス流路を介して上記セルの酸化極に酸化ガスを供給して、燃料ガス中の水素ガスと酸化ガス中の酸素ガスとを当該セルで電気化学的に反応させることにより、水の生成を伴いながら電力を発生させるようにしたものである。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system distributes a fuel gas containing hydrogen gas and a cell in which a polymer electrolyte having proton conductivity is sandwiched between a fuel electrode composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer and an oxidation electrode. A solid polymer type fuel cell having a fuel gas channel and a plurality of separators each having an oxidant gas channel through which oxygen-containing oxidant gas is circulated is alternately stacked. The fuel gas is supplied to the fuel electrode of the cell via the fuel gas flow path of the separator of the fuel cell, and the cell is supplied from the oxidizing gas supply means via the oxidizing gas flow path of the separator of the polymer electrolyte fuel cell. An oxidizing gas is supplied to the oxidizing electrode of the gas, and the hydrogen gas in the fuel gas and the oxygen gas in the oxidizing gas are reacted electrochemically in the cell, thereby generating electricity while generating water. It is obtained so as to generate.

このような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、燃料ガスとして水素ガスそのものを使用すると共に、酸化ガスとして酸素ガスそのものを使用するときには、前記固体高分子形燃料電池内で消費される量よりも多い水素ガス及び酸素ガスを前記供給手段から固体高分子形燃料電池内に供給して、当該固体高分子形燃料電池内で消費されずに残った上記ガスを前記ガス流路に流通させて固体高分子形燃料電池から排出することにより、電気化学反応に伴って生成した水を当該ガス流路に滞留させることなく固体高分子形燃料電池内から排出すると共に、消費されずに当該固体高分子形燃料電池から排出された上記ガスをブロアにより当該固体高分子形燃料電池の内部に再び供給して循環利用するようにしている。 In such a polymer electrolyte fuel cell power generation system, when hydrogen gas itself is used as the fuel gas and oxygen gas itself is used as the oxidizing gas, it is more than the amount consumed in the polymer electrolyte fuel cell. A large amount of hydrogen gas and oxygen gas are supplied from the supply means into the polymer electrolyte fuel cell, and the gas remaining without being consumed in the polymer electrolyte fuel cell is circulated through the gas flow path to form a solid. By discharging from the polymer fuel cell, water generated by the electrochemical reaction is discharged from the solid polymer fuel cell without staying in the gas flow path, and the solid polymer is not consumed. The gas discharged from the fuel cell is again supplied to the interior of the polymer electrolyte fuel cell by a blower for circulation.

このようにブロアを用いて前記ガスを循環再利用すると、当該ブロアの作動に電力を要してしまうと共に当該ブロアの設置にスペースを要してしまうことから、例えば、下記特許文献１，２においては、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路及び前記酸化ガスの流通経路をそれぞれ直列ループ状にするように複数接続し、上記ガスの流通方向最下流側に位置する上記サブスタックを当該ガスの流通方向上流側に位置させるように順次切り換えて、最下流側に位置していたサブスタックに当該サブスタックでの消費量以上の当該ガスを供給して、当該サブスタック内に滞留している水を当該サブスタック内から排出することにより、前記ブロアを省略できるようにしている。 When the gas is circulated and reused using a blower as described above, power is required for the operation of the blower and space is required for the installation of the blower. A plurality of sub-stacks in which the cells and the separators are alternately stacked are connected so that the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are in a series loop shape, respectively, and the gas flow direction is the maximum. The sub stack located on the downstream side is sequentially switched so as to be located on the upstream side in the gas flow direction, and the gas that exceeds the consumption of the sub stack is supplied to the sub stack located on the most downstream side. Thus, the blower can be omitted by discharging water staying in the sub-stack from the sub-stack.

特開２００８−１４７１７８号公報JP 2008-147178 A 特開２００８−１４７１７９号公報JP 2008-147179 A 特開２００６−１６４９６６号公報JP 2006-164966 A 特開２０１３−１６１５９９号公報JP 2013-161599 A

しかしながら、前記特許文献１，２に記載されている固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、発電運転を連続して行っていると、サブスタックのセル電圧が次第に低下して不安定になってしまう場合があった。 However, in the polymer electrolyte fuel cell power generation system described in Patent Documents 1 and 2, when the power generation operation is continuously performed, the cell voltage of the sub stack gradually decreases and becomes unstable. There was a case.

このようなことから、本発明は、ガスの流通経路を直列ループ状にするようにサブスタックを複数接続して、ガスの流通方向最下流側に位置するサブスタックをガスの流通方向上流側に位置させるように順次切り換えるように発電運転を連続して行っていても、セル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。 For this reason, the present invention connects a plurality of sub-stacks so that the gas flow path is a series loop, and the sub-stack located on the most downstream side in the gas flow direction is located upstream in the gas flow direction. To provide a polymer electrolyte fuel cell power generation system capable of stably performing a power generation operation without causing a decrease in cell voltage even if the power generation operation is continuously performed so as to be sequentially switched. With the goal.

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、触媒層及びガス拡散層からなる燃料極と酸化極とで固体高分子電解質を挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備え、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記燃料ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの燃料ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された燃料ガス用気液分離手段と、前記燃料ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記燃料ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記燃料ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する燃料ガス用最下流位置切換手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記セルの前記燃料極の前記ガス拡散層の、水が透過するときの流通方向の圧力損失と透過量との比が、２０ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³以下であると共に、含水しているときの空隙に対する水占有率が、５０％以下であることを特徴とする。 A polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a first invention for solving the above-described problem includes a cell in which a solid polymer electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer. A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of separators each having a flow path for a fuel gas and an oxidizing gas are alternately laminated; a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the polymer electrolyte fuel cell; and the solid An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the polymer fuel cell, wherein the solid polymer fuel cell includes a sub-stack in which a plurality of the cells and the separator are alternately stacked, and the fuel gas flow path Are connected to form a series loop, and the fuel gas supply means is connected to the fuel gas inlets of the sub-stacks of the polymer electrolyte fuel cell, respectively. A gas-liquid separation means for fuel gas respectively disposed in the flow path of the fuel gas between the sub-stacks connected to the polymer electrolyte fuel cell, the fuel gas supply means, and the solid height Between the fuel gas most upstream position switching means for cutting or connecting between each of the sub-stacks of each of the sub-stacks of the molecular fuel cell, and between the sub-stacks of which the polymer electrolyte fuel cell is connected In the polymer electrolyte fuel cell power generation system, comprising a fuel gas most downstream position switching means for cutting or connecting each of the flow paths of the fuel gas, the gas diffusion layer of the fuel electrode of the cell, The ratio of the pressure loss in the flow direction and the amount of permeation when water permeates is 20 kPa · min / cm ³ or less, and the water occupancy ratio with respect to the voids when water is contained is 50 % Or less.

また、前述した課題を解決するための、第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、触媒層及びガス拡散層からなる燃料極と酸化極とで固体高分子電解質を挟んだセルと燃料ガス及び酸化ガスの流路をそれぞれ形成されたセパレータとを交互に複数積層した固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備え、前記固体高分子形燃料電池が、前記セルと前記セパレータとを交互に複数積層したサブスタックを、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記セルの前記酸化極の前記ガス拡散層の、水が透過するときの流通方向の圧力損失と透過量との比が、２０ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³以下であると共に、含水しているときの空隙に対する水占有率が、５０％以下であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the solid polymer fuel cell power generation system according to the second invention is configured such that a solid polymer electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer. A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of cells and separators each having a flow path for fuel gas and oxidizing gas are alternately stacked; and a fuel gas supply means for supplying fuel gas to the polymer electrolyte fuel cell; An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the polymer electrolyte fuel cell, wherein the polymer electrolyte fuel cell has a sub-stack in which a plurality of the cells and the separator are alternately stacked. A plurality of flow paths are connected so as to form a series loop, and the oxidizing gas supply means is connected to the oxidizing gas inlets of the sub-stacks of the polymer electrolyte fuel cell, respectively. And gas-liquid separation means for oxidizing gas respectively disposed in the flow path of the oxidizing gas between the sub-stacks connected to the polymer electrolyte fuel cell, the oxidizing gas supply means, and the solid The most upstream position switching means for oxidizing gas that cuts or connects each of the sub-stacks of each of the sub-stacks of the polymer fuel cell, and the sub-stacks that are connected to the solid polymer fuel cell In the polymer electrolyte fuel cell power generation system, comprising the most downstream position switching means for oxidizing gas for cutting or connecting the flow path of the oxidizing gas therebetween, the gas diffusion layer of the oxidation electrode of the cell The ratio of the pressure loss in the flow direction when water permeates and the amount of permeation is 20 kPa · min / cm ³ or less, and the water occupancy with respect to the voids when water is contained is 50% or less.

また、第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記固体高分子形燃料電池が、前記酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように前記サブスタックを複数接続したものであり、前記酸化ガス供給手段が、前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの酸化ガス受入口にそれぞれ接続されると共に、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路にそれぞれ配設された酸化ガス用気液分離手段と、前記酸化ガス供給手段と前記固体高分子形燃料電池の各前記サブスタックの前記酸化ガス受入口との間をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最上流位置切換手段と、前記固体高分子形燃料電池の接続する前記サブスタック同士の間の前記酸化ガスの前記流通経路をそれぞれ切断又は接続する酸化ガス用最下流位置切換手段とを備え、前記セルの前記酸化極の前記ガス拡散層の、水が透過するときの流通方向の圧力損失と透過量との比が、２０ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³以下であると共に、含水しているときの空隙に対する水占有率が、５０％以下であることを特徴とする。 The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to a third aspect of the present invention is the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the first aspect of the present invention, wherein the polymer electrolyte fuel cell is arranged such that the flow path of the oxidizing gas is a series loop. A plurality of sub-stacks are connected, and the oxidant gas supply means is connected to the oxidant gas inlets of the sub-stacks of the polymer electrolyte fuel cell, respectively, and the connection of the polymer electrolyte fuel cell Gas-liquid separation means for oxidizing gas respectively disposed in the flow path of the oxidizing gas between the sub-stacks, the oxidizing gas supply means, and the sub-stacks of the polymer electrolyte fuel cells. The most upstream position switching means for oxidizing gas that cuts or connects each of the oxidizing gas inlets and the oxidation between the sub-stacks to which the polymer electrolyte fuel cell is connected Pressure gas flow rate and amount of permeation when water permeates through the gas diffusion layer of the oxidation electrode of the cell. the ratio between, together with or less 20kPa · min / cm ^3, water occupancy per void when being hydrated, characterized in that 50% or less.

また、第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、Ｃｅ，Ｔｌ，Ｍｎ，Ａｇ，Ｙｂのうちの少なくとも一種の金属のイオンを含有する金属イオン含有層が、前記固体高分子形燃料電池の前記セルの前記固体高分子電解質と前記燃料極との間及び前記固体高分子電解質と前記酸化極との間の少なくとも一方に配設されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of the first to third aspects of the present invention, wherein at least one metal of Ce, Tl, Mn, Ag, and Yb is used. A metal ion-containing layer containing ions is provided at least between the solid polymer electrolyte and the fuel electrode and between the solid polymer electrolyte and the oxidation electrode of the cell of the solid polymer fuel cell. It is characterized by being arranged.

また、第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第五番目の発明において、前記金属イオン含有層が、前記金属を０．００１〜１．０ｍｇ／ｃｍ²の範囲で含むように当該金属のイオンを生じる化合物を含有しているものであることを特徴とする。 Moreover, the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the fifth invention is the fifth polymer, wherein the metal ion-containing layer contains the metal in a range of 0.001 to 1.0 mg / cm ^2. Thus, it is characterized by containing a compound that generates ions of the metal.

また、第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものであることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the sixth invention, in any one of the first to fifth inventions, the fuel gas supply means supplies hydrogen gas having a concentration of 99% or more. It is characterized by being.

また、第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものであることを特徴とする。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the seventh invention, in any one of the first to sixth inventions, the oxidizing gas supply means supplies oxygen gas having a concentration of 99% or more. It is characterized by being.

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、ガス拡散層の前記比が、２０ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³以下であると共に、ガス拡散層の前記水占有率が、５０％以下であることから、発電運転を連続して行っても、ガス拡散層の空隙内に水を滞留させることなく排出して、ガスを触媒層に確実に到達させることができるので、サブスタックのセル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができる。 According to the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention, the ratio of the gas diffusion layer is 20 kPa · min / cm ³ or less, and the water occupancy of the gas diffusion layer is 50% or less. Therefore, even if the power generation operation is continuously performed, water can be discharged without stagnation in the gap of the gas diffusion layer, and the gas can surely reach the catalyst layer. The power generation operation can be stably performed without causing a decrease.

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態のセル及びセパレータの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the cell and separator of main embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system which concern on this invention. 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の燃料ガスの流通系統側の概略構成図である。It is a schematic block diagram by the side of the distribution system of the fuel gas of main embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の酸化ガスの流通系統側の概略構成図である。It is a schematic block diagram by the side of the distribution system of the oxidizing gas of main embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の燃料ガスの流通系統側の作動説明図である。It is operation | movement explanatory drawing by the side of the distribution system of the fuel gas of main embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態の酸化ガスの流通系統側の作動説明図である。It is operation | movement explanatory drawing by the side of the distribution system side of oxidizing gas of main embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの試験例の運転時間とセル電圧との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the operation time and the cell voltage of the test example of the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention. 従来の固体高分子形燃料電池発電システムの比較例の運転時間とセル電圧との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the operation time and cell voltage of the comparative example of the conventional polymer electrolyte fuel cell power generation system. 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの他の実施形態のセル及びセパレータの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the cell and separator of other embodiment of the polymer electrolyte fuel cell power generation system which concerns on this invention.

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。 Embodiments of a polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the polymer electrolyte fuel cells according to the present invention are limited to the following embodiments described with reference to the drawings. It is not something.

〈主な実施形態〉
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの主な実施形態を図１〜７に基づいて説明する。 <Main embodiment>
A main embodiment of a polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図１に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質１１の一方面側（図１中、左側）には、導電性及びガス透過性を有する燃料極１２が配設されている。前記固体高分子電解質１２の他方面側（図１中、右側）には、導電性及びガス透過性を有する酸化極１３が配設されている。前記燃料極１２の一方面側（図１中、左側）には、燃料ガスである濃度９９％以上の水素ガス１を流通させる燃料ガス流路２０ａを他方面側（図１中、右側）に形成されて酸化ガスである濃度９９％以上の酸素ガス２を流通させる酸化ガス流路２０ｂを一方面側（図１中、左側）に形成された導電性を有するセパレータ２０が他方面側を当該燃料極１２側へ向けるようにして配設されている。前記酸化極１３の他方面側（図１中、右側）には、前記セパレータ２０が一方面側を当該酸化極１３側へ向けるようにして配設されている。 As shown in FIG. 1, a fuel electrode 12 having electrical conductivity and gas permeability is disposed on one side of the solid polymer electrolyte 11 having proton conductivity (left side in FIG. 1). On the other surface side (right side in FIG. 1) of the solid polymer electrolyte 12, an oxidation electrode 13 having conductivity and gas permeability is disposed. On one side (left side in FIG. 1) of the fuel electrode 12, a fuel gas passage 20a through which hydrogen gas 1 having a concentration of 99% or more, which is a fuel gas, flows is provided on the other side (right side in FIG. 1). A conductive separator 20 formed on one side (left side in FIG. 1) of the oxidizing gas flow path 20b through which the oxygen gas 2 having a concentration of 99% or more, which is an oxidizing gas, is formed is disposed on the other side. It is arranged so as to face the fuel electrode 12 side. The separator 20 is disposed on the other surface side (right side in FIG. 1) of the oxidation electrode 13 so that the one surface side faces the oxidation electrode 13 side.

前記燃料極１２は、前記固体高分子電解質１１側（他方面側）に位置して導電性及びガス透過性を有すると共に触媒を含有する触媒層１２ａと、前記セパレータ２０側（一方面側）に位置して導電性及びガス透過性を有するガス拡散層１２ｂとからなっている。前記酸化極１３は、前記固体高分子電解質１１側（一方面側）に位置して導電性及びガス透過性を有すると共に触媒を含有する触媒層１３ａと、前記セパレータ２０側（他方面側）に位置して導電性及びガス透過性を有するガス拡散層１３ｂとからなっている。 The fuel electrode 12 is located on the solid polymer electrolyte 11 side (the other surface side), has conductivity and gas permeability, and contains a catalyst, and a catalyst layer 12a on the separator 20 side (one surface side). The gas diffusion layer 12b is located and has conductivity and gas permeability. The oxidation electrode 13 is located on the solid polymer electrolyte 11 side (one surface side), has conductivity and gas permeability and contains a catalyst, and on the separator 20 side (the other surface side). The gas diffusion layer 13b is located and has conductivity and gas permeability.

前記燃料極１２及び前記酸化極１３の前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂは、ガスや水の透過を可能とする空隙を有するように、カーボンファイバがクロス（織布）状やフェルト（不織布）状やペーパ状に形成されたものであり、水が透過するときの流通方向（図１中、左右方向）の圧力損失と透過量との比Ｌが２０ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³以下（好ましくは２〜５ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³）であると共に、含水しているときの空隙に対する水占有率Ｗが５０％以下（好ましくは５〜２５％）となっている。 The gas diffusion layers 12b and 13b of the fuel electrode 12 and the oxidation electrode 13 have carbon fibers made of cloth (woven fabric), felt (nonwoven fabric), It is formed in a paper shape, and the ratio L between the pressure loss and the permeation amount in the flow direction (in the left-right direction in FIG. 1) when water permeates is 20 kPa · min / cm ³ or less (preferably 2 to ⁵ kPa) Min / cm ³ ) and the water occupancy W with respect to the voids when containing water is 50% or less (preferably 5 to 25%).

ここで、前記水占有率Ｗは、前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの重量を計測してから、水を入れたバット内に当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂを浸漬し、当該バットを密閉容器に入れて当該密閉容器内を減圧吸引することにより、上記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの前記空隙内の脱気（脱泡）を十分に行った後、当該密閉容器から当該バットを取り出すと共に当該バットから当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂを取り出して、当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの重量を計測することにより、含有した水の重量を算出して、当該水の容量Ｖを算出し、予め求められている当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの空隙の容量Ｓと併せて、下記の式（１）に基づいて求められる値である。 Here, the water occupancy W is determined by measuring the weight of the gas diffusion layers 12b and 13b, immersing the gas diffusion layers 12b and 13b in a bat filled with water, and placing the bat in a sealed container. Then, after the degassing (defoaming) of the gas diffusion layers 12b and 13b is sufficiently performed by sucking the inside of the sealed container under reduced pressure, the bat is taken out from the sealed container and the bat is The gas diffusion layers 12b and 13b are taken out, and the weight of the contained water is calculated by measuring the weight of the gas diffusion layers 12b and 13b, and the capacity V of the water is calculated. It is a value obtained on the basis of the following formula (1) together with the void volume S of the gas diffusion layers 12b and 13b.

Ｗ＝（Ｖ／Ｓ）×１００（％）（１） W = (V / S) × 100 (%) (1)

また、前記比Ｌは、前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂに対して厚さ方向に各種の流量Ｑ（ｃｍ³／ｍｉｎ．）で水を送給したときの当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂへの送給水圧Ｐ１（ｋＰａ）と当該ガス拡散層１２ｂ，１３ｂからの排出水圧Ｐ２（ｋＰａ）との差圧（圧損）ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）を各流量Ｑごとにそれぞれ求め、これらの流量Ｑと差圧（圧損）ΔＰとの関係をグラフにプロットしたときに得られる直線の傾き（ｋＰａ・ｍｉｎ．／ｃｍ³）から求められる値である。 In addition, the ratio L is determined when the water is supplied to the gas diffusion layers 12b and 13b at various flow rates Q (cm ³ / min.) In the thickness direction. A differential pressure (pressure loss) ΔP (= P1−P2) between the water supply pressure P1 (kPa) and the discharge water pressure P2 (kPa) from the gas diffusion layers 12b and 13b is obtained for each flow rate Q. This is a value obtained from the slope (kPa · min. / Cm ³ ) of the straight line obtained when the relationship with the differential pressure (pressure loss) ΔP is plotted on a graph.

このような前記燃料極１２と前記酸化極１３とで前記固体高分子電解質１１を挟んだセル１０と前記セパレータ２０とを交互に複数積層することにより、図２，３に示すように、複数（本実施形態では２つ）の第一，二のサブスタック１１１，１１２が構成され、当該サブスタック１１１，１１２の燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続すると共に酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように接続することにより、固体高分子形燃料電池（スタック）１１０が構成されている。 By stacking a plurality of cells 10 and separators 20 with the solid polymer electrolyte 11 sandwiched between the fuel electrode 12 and the oxidation electrode 13 as shown in FIGS. In this embodiment, two) first and second sub-stacks 111 and 112 are configured, and the fuel gas flow paths of the sub-stacks 111 and 112 are connected to form a series loop, and the oxidizing gas flow path. Are connected in a series loop shape to form a polymer electrolyte fuel cell (stack) 110.

図２に示すように、各前記サブスタック１１１，１１２の各燃料ガス受入口には、燃料ガス供給手段である水素ガスボンベ１３０が電磁式の二方型のバルブ１０１，１０２を介してそれぞれ接続している。 As shown in FIG. 2, a hydrogen gas cylinder 130 as a fuel gas supply means is connected to each fuel gas inlet of each of the sub-stacks 111 and 112 via electromagnetic two-way valves 101 and 102, respectively. ing.

前記第一のサブスタック１１１の燃料ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２１及び電磁式の二方型のバルブ１０３が介在している。前記ドレントラップ１２１の下部には、電磁式の二方型のバルブ１０５が設けられている。 Between the fuel gas outlet of the first sub-stack 111 and the fuel gas inlet of the second sub-stack 112, there is a drain trap 121 which is a gas-liquid separation means for fuel gas and two electromagnetic types A mold valve 103 is interposed. Below the drain trap 121, an electromagnetic two-way valve 105 is provided.

前記第二のサブスタック１１２の燃料ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記燃料ガス受入口との間には、燃料ガス用気液分離手段であるドレントラップ１２２及び電磁式の二方型のバルブ１０４が介在している。前記ドレントラップ１２２の下部には、電磁式の二方型のバルブ１０６が設けられている。 Between the fuel gas outlet of the second sub-stack 112 and the fuel gas inlet of the first sub-stack 111, there is a drain trap 122 which is a gas-liquid separation means for fuel gas and two electromagnetic types A mold valve 104 is interposed. An electromagnetic two-way valve 106 is provided below the drain trap 122.

図３に示すように、各前記サブスタック１１１，１１２の各酸化ガス受入口には、酸化ガス供給手段である酸素ガスボンベ１６０が電磁式の二方型のバルブ１４１，１４２を介してそれぞれ接続している。 As shown in FIG. 3, an oxygen gas cylinder 160 as an oxidizing gas supply means is connected to each oxidizing gas inlet of each of the sub-stacks 111 and 112 via electromagnetic two-way valves 141 and 142, respectively. ing.

前記第一のサブスタック１１１の酸化ガス排出口と前記第二のサブスタック１１２の前記酸化ガス受入口との間には、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ１５１及び電磁式の二方型のバルブ１４３が介在している。前記ドレントラップ１５１の下部には、電磁式の二方型のバルブ１４５が設けられている。 Between the oxidizing gas outlet of the first sub-stack 111 and the oxidizing gas inlet of the second sub-stack 112, there is a drain trap 151 which is a gas-liquid separation means for oxidizing gas and two electromagnetic types. A mold valve 143 is interposed. An electromagnetic two-way valve 145 is provided below the drain trap 151.

前記第二のサブスタック１１２の酸化ガス排出口と前記第一のサブスタック１１１の前記酸化ガス受入口との間には、酸化ガス用気液分離手段であるドレントラップ１５２及び電磁式の二方型のバルブ１４４が介在している。前記ドレントラップ１５２の下部には、電磁式の二方型のバルブ１４６が設けられている。 Between the oxidizing gas outlet of the second sub-stack 112 and the oxidizing gas inlet of the first sub-stack 111, there are a drain trap 152 which is a gas-liquid separation means for oxidizing gas and two electromagnetic types. A mold valve 144 is interposed. An electromagnetic two-way valve 146 is provided below the drain trap 152.

図２，３に示すように、前記バルブ１０１〜１０６，１４１〜１４６は、制御手段である制御装置１７０の出力部に電気的に接続されており、当該制御装置１７０は、燃料ガス用切換時期確認手段である内蔵された図示しないタイマからの情報（運転時間）に基づいて、当該バルブ１０１〜１０６，１４１〜１４６の開閉を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。 As shown in FIGS. 2 and 3, the valves 101 to 106 and 141 to 146 are electrically connected to an output portion of a control device 170 that is a control means, and the control device 170 has a fuel gas switching timing. On the basis of information (operation time) from a built-in timer (not shown) which is a confirmation means, the opening and closing of the valves 101 to 106 and 141 to 146 can be controlled (details will be described later).

このような本実施形態では、前記バルブ１０１，１０２等により燃料ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ１０３，１０４等により燃料ガス用最下流位置切換手段を構成し、前記バルブ１４１，１４２等により酸化ガス用最上流位置切換手段を構成し、前記バルブ１４３，１４４等により酸化ガス用最下流位置切換手段を構成している。 In this embodiment, the valves 101, 102 and the like constitute fuel gas most upstream position switching means, the valves 103, 104 and the like constitute fuel gas most downstream position switching means, and the valves 141, 142 or the like constitutes the most upstream position switching means for oxidizing gas, and the valves 143 and 144 constitute the most downstream position switching means for oxidizing gas.

なお、本実施形態においては、図面の煩雑化を避けるため、図２，３において、固体高分子形燃料電池発電システム１００の温調水流通手段等の温調水系統等の記載を省略し、燃料ガス系統や酸化ガス系統等の主要部のみを記載しているが、温調水系統等も従来の場合と同様にして備えられている。 In the present embodiment, in order to avoid complication of the drawings, in FIGS. 2 and 3, the description of the temperature control water system such as the temperature control water distribution means of the polymer electrolyte fuel cell power generation system 100 is omitted, Only main parts such as a fuel gas system and an oxidizing gas system are shown, but a temperature control water system and the like are provided in the same manner as in the conventional case.

このようにして構成される本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。 Next, the operation of the polymer electrolyte fuel cell power generation system 100 according to this embodiment configured as described above will be described.

前記制御装置１７０を作動させると、当該制御装置１７０は、前記バルブ１０２，１０４，１４２，１４４を閉鎖する一方、前記バルブ１０１，１０３，１４１，１４３を開放するように、これらバルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４を制御する（図４Ａ，図５Ａ参照）。 When the control device 170 is operated, the control device 170 closes the valves 102, 104, 142, 144, while opening the valves 101, 103, 141, 143. 141 to 144 are controlled (see FIGS. 4A and 5A).

これにより、水素ガスボンベ１３０内の水素ガス１が、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、酸素ガスボンベ１６０内の酸素ガス２が、前記バルブ１４１を経由して第一のサブスタック１１１の酸化ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第一のサブスタック１１１において、上記水素ガス１が前記セル１０の前記燃料極１２の前記ガス拡散層１２ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれると共に、上記酸化ガス２が当該セル１０の前記酸化極１３の前記ガス拡散層１３ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれることにより、当該セル１０で電気化学的に反応して電力を発生すると共に水３を生成する。 As a result, the hydrogen gas 1 in the hydrogen gas cylinder 130 is supplied to the fuel gas inlet of the first sub-stack 111 via the valve 101 and flows through the fuel gas flow path 20 a of the separator 20. At the same time, the oxygen gas 2 in the oxygen gas cylinder 160 is supplied to the oxidizing gas inlet of the first sub-stack 111 via the valve 141 and flows through the oxidizing gas channel 20b of the separator 20. Thus, in the first sub-stack 111, the hydrogen gas 1 is supplied to the gas diffusion layer 12b of the fuel electrode 12 of the cell 10, and is sent to the catalyst layer 12a while being diffused, and the oxidizing gas 2 is supplied to the gas diffusion layer 13b of the oxidation electrode 13 of the cell 10 and sent to the catalyst layer 12a while being diffused. Rukoto by to produce water 3 with generating power by electrochemical reaction in the cell 10.

そして、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、上記電気化学反応に伴って上記セル１０で生成した水３と共に前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａを流通して、燃料ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１２１で当該水３を分離された後、前記バルブ１０３を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、使用済みの酸素ガス２（約１／２を使用された残りの約１／２）が、上記電気化学反応に伴って上記セル１０で生成した水３と共に前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂを流通して、酸化ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１５１で当該水３を分離された後、前記バルブ１４３を経由して第二のサブスタック１１２の酸化ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第二のサブスタック１１２において、上記水素ガス１が前記セル１０の前記燃料極１２の前記ガス拡散層１２ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれると共に、上記酸化ガス２が当該セル１０の前記酸化極１３の前記ガス拡散層１３ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれることにより、当該セル１０で電気化学的に反応して電力を発生すると共に水３を生成する。 Then, the spent hydrogen gas 1 (the remaining about 1/2 of which about 1/2 is used) flows together with the water 3 generated in the cell 10 by the electrochemical reaction, and the fuel gas flow of the separator 20. The water 3 is discharged from the fuel gas discharge port through the passage 20 a, separated from the water 3 by the drain trap 121, and then supplied to the fuel gas reception port of the second sub-stack 112 via the valve 103. The oxygen gas 2 that has been used (about 1/2 of the remaining about 1/2) is circulated in the fuel gas flow path 20a of the separator 20 and the cell is subjected to the electrochemical reaction. 10 is circulated through the oxidant gas flow path 20b of the separator 20 together with the water 3 generated in 10, and is discharged from the oxidant gas discharge port. After the water 3 is separated by the drain trap 151, the valve 143 is Therefore, the hydrogen gas 1 is supplied to the oxidizing gas inlet of the second sub-stack 112 and flows through the oxidizing gas flow path 20b of the separator 20 so that the hydrogen gas 1 is supplied to the second sub-stack 112 in the second sub-stack 112. The gas 10 is supplied to the gas diffusion layer 12b of the fuel electrode 12 of the cell 10 and sent to the catalyst layer 12a while being diffused, and the oxidizing gas 2 is supplied to the gas diffusion layer 13b of the oxidation electrode 13 of the cell 10. By being supplied and sent to the catalyst layer 12a while being diffused, the cell 10 reacts electrochemically to generate electric power and to generate water 3.

このとき、前記第二のサブスタック１１２においては、供給された水素ガス１及び酸素ガス２（残りの約１／２）のほとんどが消費されて、前記ガス排出口から排出されるガスがほとんどないので、上記電気化学反応に伴って前記セル１０で生成した水３が、前記セパレータ２０の前記ガス流路２０ａ，２０ｂ内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。 At this time, in the second sub-stack 112, most of the supplied hydrogen gas 1 and oxygen gas 2 (the remaining about 1/2) are consumed, and there is almost no gas discharged from the gas discharge port. Therefore, the water 3 generated in the cell 10 with the electrochemical reaction gradually starts to stay in the gas flow paths 20a and 20b of the separator 20, and the power generation performance decreases.

ここで、前記制御装置１７０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バルブ１０２，１０４，１４２，１４４を開放すると共に、前記バルブ１０１，１０３，１４１，１４３を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４を制御する（図４Ｂ，図５Ｂ参照）。 Here, the controller 170 opens the valves 102, 104, 142, 144 and opens the valves 101, 103, 141, when a preset operation time has elapsed based on information from the timer. The valves 101 to 104 and 141 to 144 are controlled so as to close 143 (see FIGS. 4B and 5B).

つまり、前記制御装置１７０は、前記ガス１，２の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、前記ガスボンベ１３０，１６０からの全流量の前記ガス１，２の供給先を、第一のサブスタック１１１から第二のサブスタック１１２に切り換えると共に、第一のサブスタック１１１を前記ガス１，２の流通方向最下流側に位置させるように第二のサブスタック１１２から切り換えるのである。 That is, the control device 170 is located on the most upstream side in the flow direction of the gases 1 and 2, in other words, the supply destination of the gas 1 and 2 at the total flow rate from the gas cylinders 130 and 160 The stack 111 is switched to the second sub-stack 112, and the first sub-stack 111 is switched from the second sub-stack 112 so as to be positioned on the most downstream side in the flow direction of the gases 1 and 2.

これにより、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バルブ１０２を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、酸素ガスボンベ１６０からの全流量の酸素ガス２が、前記バルブ１４２を経由して第二のサブスタック１１２の酸化ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第二のサブスタック１１２において、当該セパレータ２０の当該ガス流路２０ａ，２０ｂ内に滞留している水３を押し出しながら、上記水素ガス１と上記酸素ガス２とが、前述したように、前記セル１０の前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂに供給され、拡散されながら前記触媒層１２ａ，１３ａに送り込まれて、電気化学的に反応して電力を発生する。 As a result, the hydrogen gas 1 having a full flow rate from the hydrogen gas cylinder 130 is supplied to the fuel gas inlet of the second sub-stack 112 via the valve 102, and the inside of the fuel gas flow path 20 a of the separator 20. , And the oxygen gas 2 having a total flow rate from the oxygen gas cylinder 160 is supplied to the oxidizing gas inlet of the second sub-stack 112 via the valve 142, and the oxidizing gas flow path of the separator 20. In the second sub-stack 112, the hydrogen gas 1 and the oxygen gas 2 are pushed out while the water 3 staying in the gas flow paths 20a and 20b of the separator 20 is pushed out in the second sub-stack 112. As described above, the gas is supplied to the gas diffusion layers 12b and 13b of the cell 10 and sent to the catalyst layers 12a and 13a while being diffused. Filled-in, to generate electric power by electrochemical reaction.

そして、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、当該電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３及び滞留していた上記水３と共に前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａを流通して、燃料ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１２２で当該水３を分離された後、前記バルブ１０４を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、使用済みの酸素ガス２（約１／２を使用された残りの約１／２）が、当該電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３及び滞留していた上記水３と共に前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂを流通して、酸化ガス排出口から排出され、前記ドレントラップ１５２で当該水３を分離された後、前記バルブ１４４を経由して第一のサブスタック１１１の酸化ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第一のサブスタック１１１において、上記水素ガス１が前記セル１０の前記燃料極１２の前記ガス拡散層１２ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれると共に、上記酸化ガス２が当該セル１０の前記酸化極１３の前記ガス拡散層１３ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれることにより、当該セル１０で電気化学的に反応して電力を発生すると共に水３を生成する。 Then, the spent hydrogen gas 1 (the remaining about 1/2 of which about 1/2 is used) is the water 3 newly generated in the cell 10 in association with the electrochemical reaction and the water that has stayed. 3 and the fuel gas flow path 20a of the separator 20 together with the water 3 and discharged from the fuel gas discharge port. After the water 3 is separated by the drain trap 122, the first sub-passage is passed through the valve 104. The fuel gas is supplied to the fuel gas inlet of the stack 111 and circulates in the fuel gas flow path 20a of the separator 20, and the used oxygen gas 2 (about 1/2 of the used oxygen gas) is used. In addition, the water 3 newly generated in the cell 10 in association with the electrochemical reaction and the water 3 that has stayed are circulated through the oxidizing gas flow path 20b of the separator 20 and discharged from the oxidizing gas discharge port. The dore After the water 3 is separated by the trap 152, the water 3 is supplied to the oxidizing gas inlet of the first sub-stack 111 via the valve 144 and flows through the oxidizing gas flow path 20 b of the separator 20. In the first sub-stack 111, the hydrogen gas 1 is supplied to the gas diffusion layer 12b of the fuel electrode 12 of the cell 10 and is sent to the catalyst layer 12a while being diffused. Is supplied to the gas diffusion layer 13b of the oxidation electrode 13 of the cell 10 and sent to the catalyst layer 12a while being diffused, thereby generating electric power by reacting electrochemically in the cell 10 and water. 3 is generated.

このとき、前記第二のサブスタック１１２においては、前記ガスボンベ１３０，１６０からの全流量の水素ガス１及び酸素ガス２が供給されるようになるので、前記セパレータ２０の前記ガス流路２０ａ，２０ｂ内に滞留している水３が押し出されて、電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３と共に排出されることから、発電性能の低下が防止されるようになるものの、今度は、新たに、前記第一のサブスタック１１１において、供給された水素ガス１及び酸素ガス２のほとんどが消費されて、前記ガス排出口から排出されるガスがほとんどなくなるので、上記電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３が、前記セパレータ２０の前記ガス流路２０ａ，２０ｂ内に次第に滞留し始め、発電性能が低下するようになる。 At this time, in the second sub-stack 112, the hydrogen gas 1 and the oxygen gas 2 of the entire flow rate from the gas cylinders 130 and 160 are supplied, so the gas flow paths 20a and 20b of the separator 20 are supplied. Although the water 3 staying inside is pushed out and discharged together with the water 3 newly generated in the cell 10 in accordance with the electrochemical reaction, the power generation performance is prevented from being lowered. In the first sub-stack 111, most of the supplied hydrogen gas 1 and oxygen gas 2 are consumed, and almost no gas is discharged from the gas discharge port. Along with this, the water 3 newly generated in the cell 10 gradually starts to stay in the gas flow paths 20a and 20b of the separator 20 so that the power generation performance decreases. It made.

ここで、前記制御装置１７０は、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間が経過すると、前記バルブ１０１，１０３，１４１，１４３を開放すると共に、前記バルブ１０２，１０４，１４２，１４４を閉鎖するように、当該バルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４を制御する（図４Ａ，図５Ａ参照）。 Here, the control device 170 opens the valves 101, 103, 141, and 143 when the preset operation time elapses based on the information from the timer, and the valves 102, 104, 142, The valves 101 to 104 and 141 to 144 are controlled so as to close 144 (see FIGS. 4A and 5A).

つまり、前記制御装置１７０は、前記ガス１，２の流通方向最上流側に位置する、言い換えれば、前記ガスボンベ１３０，１６０からの全流量の前記ガス１，２の供給先を、第二のサブスタック１１２から第一のサブスタック１１１に切り換えると共に、第二のサブスタック１１２を前記ガス１，２の流通方向最下流側に位置させるように第一のサブスタック１１１から切り換える、すなわち、当初の状態に戻すのである。 That is, the control device 170 is located on the most upstream side in the flow direction of the gases 1 and 2, in other words, the supply destination of the gas 1 and 2 at the full flow rate from the gas cylinders 130 and 160 The stack 112 is switched to the first sub-stack 111, and the second sub-stack 112 is switched from the first sub-stack 111 so as to be located on the most downstream side in the flow direction of the gases 1 and 2, that is, the initial state. It returns to.

これにより、先に説明した当初の状態の場合と同様に、水素ガスボンベ１３０からの全流量の水素ガス１が、前記バルブ１０１を経由して第一のサブスタック１１１の燃料ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、酸素ガスボンベ１６０からの全流量の酸素ガス２が、前記バルブ１４１を経由して第一のサブスタック１１１の酸化ガス受入口へ供給されて、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第一のサブスタック１１１において、当該セパレータ２０の当該ガス流路２０ａ，２０ｂ内に滞留している水３を押し出しながら、上記水素ガス１と上記酸素ガス２とが、前述したように、前記セル１０の前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂに供給され、拡散されながら前記触媒層１２ａ，１３ａに送り込まれて、電気化学的に反応して電力を発生する。 As a result, as in the case of the initial state described above, the entire flow rate of hydrogen gas 1 from the hydrogen gas cylinder 130 is supplied to the fuel gas inlet of the first substack 111 via the valve 101. In addition, the oxygen gas 2 flowing through the fuel gas flow path 20a of the separator 20 from the oxygen gas cylinder 160 is supplied to the oxidizing gas inlet of the first sub-stack 111 via the valve 141. By supplying and flowing in the oxidizing gas flow path 20b of the separator 20, the water 3 staying in the gas flow paths 20a and 20b of the separator 20 in the first substack 111 is allowed to flow. While extruding, the hydrogen gas 1 and the oxygen gas 2 are supplied to the gas diffusion layers 12b and 13b of the cell 10 and diffused as described above. Is the catalyst layer 12a, is sent to 13a while, to generate electric power by electrochemical reaction.

そして、使用済みの水素ガス１（約１／２を使用された残りの約１／２）が、上記電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３及び滞留していた上記水３と共に前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａを流通して、燃料ガス排出口から排出され、ドレントラップ１２１で当該水３を分離された後、前記バルブ１０３を経由して第二のサブスタック１１２の燃料ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記燃料ガス流路２０ａ内を流通すると共に、使用済みの酸素ガス２（約１／２を使用された残りの約１／２）が、上記電気化学反応に伴って前記セル１０で新たに生成した水３及び滞留していた上記水３と共に前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂを流通して、酸化ガス排出口から排出され、ドレントラップ１５１で当該水３を分離された後、前記バルブ１４３を経由して第二のサブスタック１１２の酸化ガス受入口へ供給され、前記セパレータ２０の前記酸化ガス流路２０ｂ内を流通することにより、当該第二のサブスタック１１２において、上記水素ガス１が前記セル１０の前記燃料極１２の前記ガス拡散層１２ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれると共に、上記酸化ガス２が当該セル１０の前記酸化極１３の前記ガス拡散層１３ｂに供給されて、拡散されながら前記触媒層１２ａに送り込まれることにより、当該セル１０で電気化学的に反応して電力を発生すると共に水３を生成する。 Then, the spent hydrogen gas 1 (the remaining about 1/2 of which about 1/2 is used) is the water 3 newly generated in the cell 10 due to the electrochemical reaction and the water that has stayed. 3 and the fuel gas flow path 20a of the separator 20 together with the water 3 and discharged from the fuel gas discharge port. After the water 3 is separated by the drain trap 121, the second sub-stack is passed through the valve 103. 112 is supplied to the fuel gas receiving port 112 and circulates in the fuel gas flow path 20a of the separator 20, and the used oxygen gas 2 (about 1/2 of which about 1/2 is used) Along with the water 3 newly generated in the cell 10 accompanying the electrochemical reaction and the water 3 staying there, the water flows through the oxidizing gas flow path 20b of the separator 20 and is discharged from the oxidizing gas discharge port. After the water 3 is separated at 151, the water 3 is supplied to the oxidizing gas inlet of the second sub-stack 112 via the valve 143, and flows through the oxidizing gas flow path 20b of the separator 20, In the second sub-stack 112, the hydrogen gas 1 is supplied to the gas diffusion layer 12b of the fuel electrode 12 of the cell 10 and is sent to the catalyst layer 12a while being diffused. By being supplied to the gas diffusion layer 13b of the oxidation electrode 13 of the cell 10 and being sent to the catalyst layer 12a while being diffused, the cell 10 reacts electrochemically to generate electric power and water 3 Is generated.

以下、制御装置１７０は、上述した前記バルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４の制御を繰り返す。これにより、固体高分子形燃料電池１１０は、前記ガス１，２の流通方向最上流側及び最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２が運転経過時間に対応して順次切り換えられる、すなわち、前記ガス１，２の流通方向最下流側に位置する前記サブスタック１１１，１１２を当該流通方向最上流側に位置させるように前記バルブ１０１〜１０４，１４１〜１４４が切り換え制御される。 Hereinafter, the control device 170 repeats the control of the valves 101 to 104 and 141 to 144 described above. Thereby, in the polymer electrolyte fuel cell 110, the sub-stacks 111 and 112 positioned on the most upstream side and the most downstream side in the flow direction of the gases 1 and 2 are sequentially switched corresponding to the operation elapsed time, that is, The valves 101 to 104 and 141 to 144 are switched and controlled so that the sub-stacks 111 and 112 positioned on the most downstream side in the flow direction of the gases 1 and 2 are positioned on the most upstream side in the flow direction.

このため、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００では、ブロア等を用いて前記ガス１，２を循環再利用しなくても、前記固体高分子形燃料電池１１０の前記サブスタック１１１，１１２内に滞留している水３を当該サブスタック１１１，１１２内から排出することができる（詳細は前記特許文献１，２等参照）。 Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, the sub-stack of the polymer electrolyte fuel cell 110 can be used without circulating and reusing the gases 1 and 2 using a blower or the like. The water 3 staying in 111, 112 can be discharged from the sub-stacks 111, 112 (refer to Patent Documents 1, 2, etc. for details).

なお、前記ドレントラップ１２１，１２２，１５１，１５２内に回収された水３は、前記制御装置１７０が、前記タイマからの情報に基づいて、予め設定された運転時間経過毎に前記バルブ１０５，１０６，１４５，１４６の開閉を行うことにより、系外へ適宜排出される。 The water 3 collected in the drain traps 121, 122, 151, 152 is stored in the valves 105, 106 by the controller 170 every time a preset operating time has elapsed based on information from the timer. , 145, and 146 are appropriately discharged out of the system.

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、前記セル１０の前記燃料極１２及び前記酸化極１３の前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの前記比Ｌが２０ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³以下（好ましくは２〜５ｋＰａ・ｍｉｎ／ｃｍ³）であると共に、前記ガス拡散層１２ｂ，１３ｂの前記水占有率Ｗが５０％以下（好ましくは５〜２５％）となっていることから、上述したように発電運転を連続して行っても、前記サブスタック１１１，１１２のセル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができる。この理由を以下に説明する。 In the polymer electrolyte fuel cell power generation system 100 according to this embodiment, the ratio L of the gas diffusion layers 12b and 13b of the fuel electrode 12 and the oxidation electrode 13 of the cell 10 is 20 kPa · min /. It is cm ³ or less (preferably 2 to 5 kPa · min / cm ³ ), and the water occupancy W of the gas diffusion layers 12b and 13b is 50% or less (preferably 5 to 25%). As described above, even if the power generation operation is continuously performed, the power generation operation can be stably performed without causing the cell voltage of the sub stacks 111 and 112 to decrease. The reason for this will be described below.

先に説明したように、前記ガス１，２の流通経路を直列ループ状にするように複数のサブスタックを接続して、当該ガス１，２の流通方向最下流側に位置するサブスタックを当該ガス１，２の流通方向上流側に位置させるように順次切り換えるように発電運転を行う（以下「ブロアレスタイプ」という。）固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、発電運転を連続して行っていると、サブスタックのセル電圧が次第に低下して不安定になってしまう場合があった。 As described above, a plurality of sub-stacks are connected so that the flow paths of the gases 1 and 2 are connected in series, and the sub-stack located on the most downstream side in the flow direction of the gases 1 and 2 is connected to the sub-stack. In the polymer electrolyte fuel cell power generation system, the power generation operation is performed so that the gas 1 and 2 are sequentially switched so as to be positioned upstream in the flow direction (hereinafter referred to as “blowerless type”). In some cases, the cell voltage of the sub stack gradually decreases and becomes unstable.

このため、本発明者らが鋭意調査したところ、ブロアレスタイプの固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、ブロアを備えた従来のものよりも、サブスタックの内部から水を排出させる吐出力が小さいため、発電運転を行っていくうちに、セルのガス拡散層の空隙内に水が少しずつ溜まってしまい、前記ガス１，２が触媒層に次第に到達できなくなってしまうことが判明した。 For this reason, as a result of intensive investigations by the present inventors, in the blower-less type polymer electrolyte fuel cell power generation system, the discharge force for discharging water from the inside of the sub-stack is higher than that of the conventional one provided with the blower. Since it is small, it has been found that as the power generation operation is performed, water gradually accumulates in the gaps in the gas diffusion layer of the cell, and the gases 1 and 2 cannot gradually reach the catalyst layer.

そこで、本発明者らがさらに鋭意研究した結果、セルのガス拡散層の前記比Ｌ及び前記水占有率Ｗが上述した値であると、ブロアレスタイプの固体高分子形燃料電池発電システムで発電運転を連続して行っても、セルのガス拡散層の空隙内に水を滞留させることなく排出して、前記ガス１，２を触媒層に確実に到達させられることを見出して、本発明を完成するに至ったのである。 Therefore, as a result of further diligent research by the present inventors, if the ratio L and the water occupancy W of the gas diffusion layer of the cell are the values described above, power is generated by a blowerless type polymer electrolyte fuel cell power generation system. Even if the operation is continuously performed, the present invention finds that the gas 1 and 2 can reliably reach the catalyst layer by discharging water without retaining it in the gap of the gas diffusion layer of the cell. It has been completed.

ここで、下記の表１に示す前記水占有率Ｗ及び前記比Ｌを有するガス拡散層（試験例及び比較例）を用意し、これらガス拡散層（試験例及び比較例）を適用して燃料極及び酸化極を構成し、当該燃料極及び当該酸化極を用いたセルを使用して（５枚）サブスタックを構成し、当該サブスタックを２組備えたブロアレスタイプの固体高分子形燃料電池発電システムを上述したように発電運転して（温度：６０℃、圧力：２００ｋＰａＧ、サブスタック切替：２分間隔）、各サブスタック内のガス流通方向最下流側に位置するセル（ガス流通方向上流側から数えて５枚目のセル）の電圧の安定性（セル電圧の低下の有無）を確認した結果を下記の表１及び図６，７に示す。 Here, gas diffusion layers (test examples and comparative examples) having the water occupancy W and the ratio L shown in Table 1 below are prepared, and fuel is produced by applying these gas diffusion layers (test examples and comparative examples). A blower-less type solid polymer fuel comprising an electrode and an oxidation electrode, a cell using the fuel electrode and the oxidation electrode (5 sheets), a sub-stack, and two sets of the sub-stack The battery power generation system is operated as described above (temperature: 60 ° C., pressure: 200 kPaG, sub-stack switching: every 2 minutes), and the cell (gas flow direction) located in the gas flow direction most downstream side in each sub-stack. Table 1 below and FIGS. 6 and 7 show the results of confirming the voltage stability (presence or absence of decrease in cell voltage) of the fifth cell counted from the upstream side.

上記表１及び図６，７からわかるように、比較例（従来／図７）は、発電運転を連続して行っていくと、サブスタック内のガス流通方向最下流側に位置するセル（ガス流通方向上流側から数えて５枚目のセル）の電圧が次第に低下して不安定になってしまった。これに対し、試験例（本発明／図６）は、発電運転を連続して行っても、サブスタック内のガス流通方向最下流側に位置するセル（ガス流通方向上流側から数えて５枚目のセル）の電圧の低下が見られず、安定して発電運転することができた。 As can be seen from Table 1 and FIGS. 6 and 7, in the comparative example (conventional / FIG. 7), when the power generation operation is continuously performed, the cell (gas The voltage of the fifth cell (counting from the upstream side in the flow direction) gradually decreased and became unstable. In contrast, in the test example (the present invention / FIG. 6), even when the power generation operation is continuously performed, five cells counted from the upstream side in the gas flow direction in the gas flow direction in the sub stack (5 sheets from the upstream side in the gas flow direction). No drop in the voltage of the eye cell) was observed, and the power generation operation was stable.

したがって、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００によれば、発電運転を連続して行っていても、前記サブスタック１１１，１１２のセル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができる。 Therefore, according to the polymer electrolyte fuel cell power generation system 100 according to the present embodiment, even if the power generation operation is continuously performed, the power generation operation is performed without causing the cell voltage of the sub stacks 111 and 112 to decrease. It can be performed stably.

〈他の実施形態〉
なお、例えば、図８に示すように、前記固体高分子電解質１１と前記燃料極１２の前記触媒層１２ａとの間及び前記固体高分子電解質１１と前記酸化極１３の前記触媒層１３ａとの間に、Ｃｅ，Ｔｌ，Ｍｎ，Ａｇ，Ｙｂのうちの少なくとも一種（特に好ましくはＣｅ）の金属のイオンを含有する金属イオン含有層１４をそれぞれ配設してセル１０を構成すると、当該固体高分子電解質１１の加湿が大きく抑制されているときでも、当該固体高分子電解質１１の劣化を抑制することができるので、前記サブスタック１１１，１１２のセル電圧の低下をさらに確実に抑制して連続発電運転のさらなる安定化を図ることができる（詳細には、例えば、前記特許文献３等参照）。 <Other embodiments>
For example, as shown in FIG. 8, between the solid polymer electrolyte 11 and the catalyst layer 12 a of the fuel electrode 12 and between the solid polymer electrolyte 11 and the catalyst layer 13 a of the oxidation electrode 13. In addition, when the cell 10 is configured by disposing a metal ion-containing layer 14 containing ions of at least one of Ce, Tl, Mn, Ag, and Yb (particularly preferably Ce), the solid polymer is formed. Even when the humidification of the electrolyte 11 is largely suppressed, the deterioration of the solid polymer electrolyte 11 can be suppressed, so that the decrease in the cell voltage of the sub-stacks 111 and 112 can be further reliably suppressed and the continuous power generation operation can be performed. Can be further stabilized (for details, see, for example, Patent Document 3).

このような上記金属イオン含有層１４は、前記金属のイオンを生じる化合物（例えば、上記金属の酸化物（例えば、酸化セリウム等）や水酸化物（例えば、水酸化セリウム等）やハロゲン化物（塩化物、弗化物（例えば、弗化セリウム、弗化第一セリウム等）等）や無機酸塩類化合物（硫酸塩（例えば、硫酸セリウム（III）五水和物、硫酸セリウム（IV）四水和物等）、炭酸塩（例えば、炭酸セリウム（III）八水和物等）、硝酸塩（例えば、硝酸セリウム（III）六水和物等）、リン酸塩（例えば、リン酸セリウム（III）水和物）等）や有機酸塩類化合物（酢酸塩、シュウ酸塩（例えば、シュウ酸セリウム等）等）等）を陽イオン交換体高分子等のプロトン伝導性を有する高分子電解質（例えば、前記固体高分子電解質１１と同一材料）からなるバインダで層状に結着することにより、容易に得ることができる。 The metal ion-containing layer 14 has a compound that generates metal ions (for example, oxides of the metal (for example, cerium oxide), hydroxides (for example, cerium hydroxide), and halides (chloride). Products, fluorides (eg, cerium fluoride, primary cerium fluoride, etc.) and inorganic acid salt compounds (sulfates (eg, cerium (III) sulfate pentahydrate, cerium (IV) sulfate tetrahydrate) Etc.), carbonates (eg cerium (III) carbonate octahydrate), nitrates (eg cerium (III) nitrate hexahydrate etc.), phosphates (eg cerium (III) phosphate hydrate) Compound) and organic acid salt compounds (acetates, oxalates (eg, cerium oxalate), etc.)) and other polymer electrolytes having proton conductivity such as cation exchanger polymers (eg The same material as the molecular electrolyte 11) By binding layered with a binder, it can be easily obtained.

このとき、前記金属イオン含有層１４は、前記金属を０．００１〜１．０ｍｇ／ｃｍ²（特には０．０１〜０．１ｍｇ／ｃｍ²）の範囲で含むように当該金属のイオンを生じる化合物を含有していると好ましい。なぜなら、上記含有量が０．００１ｍｇ／ｃｍ²未満であると、前記金属のイオンによる前述した機能が十分に発現されず、上記含有量が１．０ｍｇ／ｃｍ²を超えると、十分な発電性能を得ることが困難となってしまうからである。 At this time, the metal ion-containing layer 14 generates ions of the metal so as to contain the metal in a range of 0.001 to 1.0 mg / cm ² (particularly 0.01 to 0.1 mg / cm ² ). It preferably contains a compound. Because, when the content is less than 0.001 mg / cm ² , the above-described function by the metal ions is not sufficiently expressed, and when the content exceeds 1.0 mg / cm ² , sufficient power generation performance is achieved. This is because it becomes difficult to obtain the value.

ここで、前記金属イオン含有層１４を前記固体高分子電解質１１と前記燃料極１２の前記触媒層１２ａとの間及び前記固体高分子電解質１１と前記酸化極１３の前記触媒層１３ａとの間の両方にそれぞれ配設すると最も好ましいが、各種条件によっては、前記金属イオン含有層１４を前記固体高分子電解質１１と前記燃料極１２の前記触媒層１２ａとの間及び前記固体高分子電解質１１と前記酸化極１３の前記触媒層１３ａとの間のいずれか一方の全体又は一部にだけ配設することも可能である。 Here, the metal ion-containing layer 14 is disposed between the solid polymer electrolyte 11 and the catalyst layer 12 a of the fuel electrode 12 and between the solid polymer electrolyte 11 and the catalyst layer 13 a of the oxidation electrode 13. Most preferably, the metal ion-containing layer 14 is disposed between the solid polymer electrolyte 11 and the catalyst layer 12a of the fuel electrode 12 and between the solid polymer electrolyte 11 and the above, depending on various conditions. It is also possible to dispose only the whole or a part of any one of the oxidation electrode 13 and the catalyst layer 13a.

また、前述した実施形態では、燃料ガス供給手段として、濃度９９％以上の水素ガス１を充填した水素ガスボンベ１３０を適用し、酸化ガス供給手段として、濃度９９％以上の酸素ガス２を充填した酸素ガスボンベ１６０を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、燃料ガス供給手段や燃料ガス補助供給手段として、濃度９９％以上の水素ガス１を発生させる水素ガス発生装置や、濃度９９％以上の水素ガス１を製造する水素ガス製造装置等を適用することや、酸化ガス供給手段として、濃度９９％以上の酸素ガス２を発生させる酸素ガス発生装置や、濃度９９％以上の酸素ガス２を製造する酸素ガス製造装置等を適用することも可能である。 In the above-described embodiment, the hydrogen gas cylinder 130 filled with the hydrogen gas 1 having a concentration of 99% or more is applied as the fuel gas supply means, and the oxygen gas 2 filled with the oxygen gas 2 having a concentration of 99% or more is used as the oxidizing gas supply means. Although the case where the gas cylinder 160 is applied has been described, as another embodiment, for example, as a fuel gas supply unit or a fuel gas auxiliary supply unit, a hydrogen gas generator that generates hydrogen gas 1 having a concentration of 99% or more, a concentration 99 A hydrogen gas production apparatus for producing hydrogen gas 1 or the like that produces at least 99%, an oxygen gas generator for generating oxygen gas 2 at a concentration of 99% or more, or an oxygen gas that has a concentration of 99% or more as an oxidizing gas supply means It is also possible to apply an oxygen gas production apparatus or the like for producing 2.

また、前述した実施形態では、水素ガス１そのものを燃料ガスとして使用すると共に、酸素ガス２そのものを酸化ガスとして使用する場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、水素ガス１そのものを燃料ガスとして使用すると共に、酸素ガス以外の成分を比較的多く含む酸化ガス（酸素ガス濃度９９％未満、例えば空気等）を使用する場合には、燃料ガス系統のみ前述した実施形態のように構成することや、水素ガス以外の成分を比較的多く含む燃料ガス（水素ガス濃度９９％未満、例えば炭化水素の改質ガス等）を使用すると共に、酸素ガス２そのものを酸化ガスとして使用する場合には、酸化ガス系統のみ前述した実施形態のように構成することも可能である。 In the above-described embodiment, the case where the hydrogen gas 1 itself is used as the fuel gas and the oxygen gas 2 itself is used as the oxidizing gas has been described. However, as another embodiment, for example, the hydrogen gas 1 itself is used as the fuel. When an oxidizing gas (oxygen gas concentration of less than 99%, for example, air) containing a relatively large amount of components other than oxygen gas is used, only the fuel gas system is configured as in the above-described embodiment. In addition, when using a fuel gas containing a relatively large amount of components other than hydrogen gas (hydrogen gas concentration less than 99%, for example, a reformed gas of hydrocarbon, etc.) and using oxygen gas 2 itself as an oxidizing gas, Only the oxidizing gas system can be configured as in the above-described embodiment.

さらに、水素ガス１そのものを燃料ガスとして使用すると共に、酸素ガス２そのものを酸化ガスとして使用する場合であっても、燃料ガス系統及び酸化ガス系統のいずれか一方のみを前述した実施形態のように構成することも可能である。このとき、水素ガス１側よりも酸素ガス２側の方が水３を多く生成しやすいため、少なくとも酸化ガス系統を前記した各実施形態のように構成することが好ましい。 Further, even when the hydrogen gas 1 itself is used as the fuel gas and the oxygen gas 2 itself is used as the oxidizing gas, only one of the fuel gas system and the oxidizing gas system is used as in the above-described embodiment. It is also possible to configure. At this time, since the oxygen gas 2 side is more likely to produce more water 3 than the hydrogen gas 1 side, at least the oxidizing gas system is preferably configured as in each of the embodiments described above.

しかしながら、燃料ガス系統及び酸化ガス系統の両方共に前述した実施形態のように構成すれば、酸化ガス系統側よりも少ないながらも燃料ガス系統側に生成する水３も確実に排出することができるので、非常に好ましい。 However, if both the fuel gas system and the oxidant gas system are configured as in the above-described embodiment, the water 3 generated on the fuel gas system side can be reliably discharged even though it is smaller than the oxidant gas system side. Very preferred.

また、前述した各実施形態においては、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように２つの前記サブスタック１１１，１１２を接続した固体高分子形燃料電池１１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料ガスの流通経路や酸化ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つ以上の前記サブスタックを接続した固体高分子形燃料電池の場合であっても、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができ、前述した実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。 In each of the above-described embodiments, the polymer electrolyte fuel cell 110 in which the two substacks 111 and 112 are connected so that the fuel gas flow path and the oxidizing gas flow path are in a series loop shape. Although described above, the present invention is not limited to this, and as another embodiment, for example, a solid state in which three or more sub-stacks are connected so that a fuel gas flow path and an oxidizing gas flow path are formed in a series loop shape. Even in the case of a polymer fuel cell, it can be applied in the same manner as in the above-described embodiment, and the same effect as in the above-described embodiment can be obtained.

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、発電運転を連続して行っても、サブスタックのセル電圧の低下を生じさせることなく発電運転を安定して行うことができるので、各種産業において、極めて有益に利用することができる。 The polymer electrolyte fuel cell power generation system according to the present invention can stably perform the power generation operation without causing a decrease in the cell voltage of the sub stack even if the power generation operation is continuously performed. Can be used extremely beneficially.

１水素ガス
２酸素ガス
３水
１０セル
１１固体高分子電解質
１２燃料極
１２ａ触媒層
１２ｂガス拡散層
１３酸化極
１３ａ触媒層
１３ｂガス拡散層
１４金属イオン含有層
２０セパレータ
２０ａ燃料ガス流路
２０ｂ酸化ガス流路
１００固体高分子形燃料電池発電システム
１０１〜１０６，１４１〜１４６バルブ
１１０固体高分子形燃料電池（スタック）
１１１第一のスタック
１１２第二のスタック
１２１，１２２，１５１，１５２ドレントラップ
１３０水素ガスボンベ
１６０酸素ガスボンベ
１７０制御装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen gas 2 Oxygen gas 3 Water 10 cell 11 Solid polymer electrolyte 12 Fuel electrode 12a Catalyst layer 12b Gas diffusion layer 13 Oxidation electrode 13a Catalyst layer 13b Gas diffusion layer 14 Metal ion containing layer 20 Separator 20a Fuel gas flow path 20b Oxidation gas Flow path 100 Polymer electrolyte fuel cell power generation system 101-106, 141-146 Valve 110 Polymer electrolyte fuel cell (stack)
111 First Stack 112 Second Stack 121, 122, 151, 152 Drain Trap 130 Hydrogen Gas Cylinder 160 Oxygen Gas Cylinder 170 Controller

Claims

A polymer electrolyte fuel in which a plurality of cells each having a solid polymer electrolyte sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer and separators each having a flow path for fuel gas and oxidation gas are stacked. Battery,
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the polymer electrolyte fuel cell;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the polymer electrolyte fuel cell,
In the polymer electrolyte fuel cell, a plurality of sub-stacks in which the cells and the separators are alternately stacked are connected so as to form a series loop shape in the flow path of the fuel gas,
The fuel gas supply means is connected to the fuel gas inlet of each of the sub-stacks of the polymer electrolyte fuel cell;
Gas-liquid separation means for fuel gas respectively disposed in the flow path of the fuel gas between the sub-stacks connected to the polymer electrolyte fuel cell;
A fuel gas most upstream position switching means for cutting or connecting between the fuel gas supply means and the fuel gas inlet of each of the sub-stacks of the polymer electrolyte fuel cell;
Solid polymer fuel cell power generation comprising: a fuel gas most downstream position switching means for cutting or connecting the flow path of the fuel gas between the sub-stacks connected to the polymer electrolyte fuel cell In the system,
The gas diffusion layer of the fuel electrode of the cell has a ratio between the pressure loss in the flow direction when water permeates and the amount of permeation is 20 kPa · min / cm ³ or less, and the voids when water is contained The solid polymer fuel cell power generation system is characterized in that the water occupancy with respect to is 50% or less.

A polymer electrolyte fuel in which a plurality of cells each having a solid polymer electrolyte sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer and separators each having a flow path for fuel gas and oxidation gas are stacked. Battery,
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the polymer electrolyte fuel cell;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the polymer electrolyte fuel cell,
The polymer electrolyte fuel cell is formed by connecting a plurality of sub-stacks in which the cells and the separators are alternately stacked, so that the flow path of the oxidizing gas is in a series loop shape,
The oxidizing gas supply means is connected to the oxidizing gas inlet of each of the sub-stacks of the polymer electrolyte fuel cell;
Gas-liquid separation means for oxidizing gas respectively disposed in the flow path of the oxidizing gas between the sub-stacks connected to the polymer electrolyte fuel cell;
The most upstream position switching means for oxidizing gas for cutting or connecting between the oxidizing gas supply means and the oxidizing gas inlet of each sub-stack of the polymer electrolyte fuel cell;
Solid polymer fuel cell power generation comprising: an oxidizing gas most downstream position switching means for cutting or connecting the flow path of the oxidizing gas between the sub-stacks connected to the solid polymer fuel cell In the system,
The gas diffusion layer of the oxidation electrode of the cell has a ratio between the pressure loss in the flow direction when water permeates and the amount of permeation is 20 kPa · min / cm ³ or less, and voids when water is contained. The solid polymer fuel cell power generation system is characterized in that the water occupancy with respect to is 50% or less.

In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to claim 1,
In the polymer electrolyte fuel cell, a plurality of the sub-stacks are connected so that the flow path of the oxidizing gas is in a series loop shape,
The oxidizing gas supply means is connected to the oxidizing gas inlet of each of the sub-stacks of the polymer electrolyte fuel cell;
Gas-liquid separation means for oxidizing gas respectively disposed in the flow path of the oxidizing gas between the sub-stacks connected to the polymer electrolyte fuel cell;
The most upstream position switching means for oxidizing gas for cutting or connecting between the oxidizing gas supply means and the oxidizing gas inlet of each sub-stack of the polymer electrolyte fuel cell;
An oxidizing gas most downstream position switching means for cutting or connecting the flow path of the oxidizing gas between the sub-stacks connected to the polymer electrolyte fuel cell,
The gas diffusion layer of the oxidation electrode of the cell has a ratio between the pressure loss in the flow direction when water permeates and the amount of permeation is 20 kPa · min / cm ³ or less, and voids when water is contained. The solid polymer fuel cell power generation system is characterized in that the water occupancy with respect to is 50% or less.

In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3,
A metal ion-containing layer containing ions of at least one metal of Ce, Tl, Mn, Ag, and Yb is disposed between the solid polymer electrolyte and the fuel electrode of the cell of the solid polymer fuel cell. And at least one of the solid polymer electrolyte and the oxidation electrode. A solid polymer fuel cell power generation system.

In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to claim 4,
The solid polymer form characterized in that the metal ion-containing layer contains a compound that generates ions of the metal so as to contain the metal in a range of 0.001 to 1.0 mg / cm ^2. Fuel cell power generation system.

In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 5,
The fuel gas supply means supplies hydrogen gas having a concentration of 99% or more. A solid polymer fuel cell power generation system, wherein:

In the polymer electrolyte fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 6,
The solid polymer fuel cell power generation system, characterized in that the oxidizing gas supply means supplies oxygen gas having a concentration of 99% or more.