JP2014086263A - Fuel cell module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質膜・電極構造体と、複数のセパレータとを備え、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体とが交互に積層され、且つ、積層方向両端に前記セパレータが配置される燃料電池モジュールに関する。 The present invention comprises a plurality of electrolyte membrane / electrode structures provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte membrane, and a plurality of separators, wherein the separators and the electrolyte membrane / electrode structures are alternately laminated, and The present invention also relates to a fuel cell module in which the separator is disposed at both ends in the stacking direction.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セル(単位セル)を備えている。燃料電池では、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between separators. Power generation cells (unit cells). In a fuel cell, several tens to several hundreds of power generation cells are usually stacked and used, for example, as an in-vehicle fuel cell stack.
燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、所謂、内部マニホールドを構成する場合が多い。 In a fuel cell, a so-called internal manifold is often configured to supply a fuel gas and an oxidant gas, which are reaction gases, to the anode electrode and the cathode electrode of each of the stacked power generation cells.
内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス連通孔(燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔)及び冷却媒体連通孔を備えている。反応ガス連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路(燃料ガス流路、酸化剤ガス流路)に連通する一方、冷却媒体連通孔は、セパレータ間に電極面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路に連通している。 The internal manifold includes a reaction gas communication hole (a fuel gas communication hole and an oxidant gas communication hole) provided through the power generation cell in the stacking direction and a cooling medium communication hole. The reaction gas communication hole communicates with a reaction gas flow channel (fuel gas flow channel, oxidant gas flow channel) that supplies the reaction gas along the electrode surface, while the cooling medium communication hole extends in the electrode surface direction between the separators. A cooling medium flow path for supplying a cooling medium along the communication path.
この場合、2以上の複数の発電セル毎に冷却媒体流路を形成することにより、前記複数の発電セル毎に冷却を行う、所謂、間引き冷却構造が採用されている。セパレータ数を削減することができるとともに、構成が簡素化し、燃料電池スタック全体の小型化及び簡素化を図ることが可能になるからである。 In this case, a so-called thinning cooling structure is employed in which a cooling medium flow path is formed for each of the two or more power generation cells to cool the plurality of power generation cells. This is because the number of separators can be reduced, the configuration is simplified, and the entire fuel cell stack can be reduced in size and simplified.
この種の間引き冷却構造の燃料電池スタックとして、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。図14に示すように、燃料電池1は、複数の燃料電池セル2を積層して構成されている。燃料電池セル2は、電極構造体3a、3bを複数のセパレータ4a、4b及び4c間に交互に挟持して構成されている。セパレータ4a、4b間及びセパレータ4b、4c間には、シール部材5a、5bが配置されて燃料ガス流路6と酸化剤ガス流路(図示せず)とを密封状態に遮断している。
As a fuel cell stack of this kind of thinning cooling structure, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 14, the fuel cell 1 is configured by stacking a plurality of fuel cells 2. The fuel cell 2 is configured by alternately sandwiching
セパレータ4a、4b間には、燃料ガス供給口7に連通する連結通路8aが形成されるとともに、セパレータ4c、4a間には、前記燃料ガス供給口7に連通する連結通路8bが設けられている。セパレータ4b、4aには、それぞれ積層方向に対して互いにオフセットした位置に貫通路9a、9bが形成されている。連結通路8aは、貫通路9aを通って一方の燃料ガス流路6に連通するとともに、連結通路8bは、貫通路9bを通って他方の燃料ガス流路6に連通している。
A connecting
ところで、上記の燃料電池1では、貫通路9a、9bが積層方向に対して互いにオフセットしているため、燃料ガス供給口7から各貫通路9a、9bまでの連結通路8a、8bの通路長さが異なっている。すなわち、連結通路8aは、連結通路8bよりも通路長さが短尺になっている。一方、貫通路9a、9bから各発電部までの通路長さも異なっている。特に、この間は、通路断面積が他の部位に比べて小さく、圧損が高くなっている。このため、通路長さが異なることにより、貫通路9a側の圧損が相当に高くなってしまう。これにより、電極構造体3bに供給される燃料ガスの流量が相対的に少なくなり、発電性能が低下するという問題がある。
Incidentally, in the fuel cell 1 described above, since the
本発明は、この種の問題を解決するものであり、隣接して同一の反応ガスを流通させる各反応ガス流路の圧力損失を均一に調整することができ、良好な発電性能を確保することが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and it is possible to uniformly adjust the pressure loss of each reaction gas flow channel that circulates the same reaction gas adjacently to ensure good power generation performance. An object of the present invention is to provide a fuel cell module capable of satisfying the requirements.
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質膜・電極構造体と、複数のセパレータとを備え、前記セパレータと前記電解質膜・電極構造体とが交互に積層され、且つ、積層方向両端に前記セパレータが配置される燃料電池モジュールに関するものである。 The present invention comprises a plurality of electrolyte membrane / electrode structures provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte membrane, and a plurality of separators, wherein the separators and the electrolyte membrane / electrode structures are alternately laminated, and The present invention relates to a fuel cell module in which the separator is disposed at both ends in the stacking direction.
この燃料電池モジュールでは、一方の反応ガスを各電解質膜・電極構造体の一方の電極に沿って流通させる複数の第1反応ガス流路と、他方の反応ガスを各電解質膜・電極構造体の他方の電極に沿って流通させる複数の第2反応ガス流路と、を有し、各燃料電池モジュール間にのみ冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されている。 In this fuel cell module, a plurality of first reaction gas passages for allowing one reaction gas to flow along one electrode of each electrolyte membrane / electrode structure, and the other reaction gas to each electrolyte membrane / electrode structure And a plurality of second reaction gas flow paths that circulate along the other electrode, and a cooling medium flow path that circulates the cooling medium only between the fuel cell modules is formed.
そして、少なくとも1つの第1反応ガス流路の入口に連通する入口側連結流路又は出口に連通する出口側連結流路のいずれか一方に、一方の反応ガスの圧損を調整する圧損調整部材が設けられている。 A pressure loss adjusting member that adjusts the pressure loss of one of the reaction gases is provided in either the inlet side connection channel that communicates with the inlet of the at least one first reaction gas channel or the outlet side connection channel that communicates with the outlet. Is provided.
また、この燃料電池モジュールでは、少なくとも1つの第1反応ガス流路の入口側連結流路にのみ圧損調整部材が設けられることが好ましい。 Further, in this fuel cell module, it is preferable that the pressure loss adjusting member is provided only in the inlet side connection channel of at least one first reaction gas channel.
さらに、この燃料電池モジュールでは、セパレータには、積層方向に貫通して一方の反応ガスを流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられ、入口側連結流路又は出口側連結流路は、前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に連通し、前記セパレータの面方向に延在する第1通路部と、前記第1通路部に連通し、前記セパレータを貫通する貫通孔部と、前記貫通孔部に連通し、前記セパレータの面方向に延在して前記第1反応ガス流路に連通する第2通路部と、を有するとともに、一方の前記入口側連結流路又は一方の前記出口側連結流路の前記貫通孔部と、他方の前記入口側連結流路又は他方の前記出口側連結流路の前記貫通孔部とは、積層方向に対してそれぞれの位置がオフセットして配置され、いずれかの前記第1通路部には、圧損調整部材が設けられることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell module, the separator is provided with a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole that allow one reaction gas to flow through in the stacking direction. The passage communicates with the reaction gas inlet communication hole or the reaction gas outlet communication hole, and communicates with the first passage portion extending in the surface direction of the separator and the first passage portion, and passes through the separator. One inlet-side connection flow path, and a second passage part that communicates with the through-hole part and extends in the surface direction of the separator and communicates with the first reaction gas flow path. Alternatively, the through-hole portion of one of the outlet-side connection channels and the through-hole portion of the other inlet-side connection channel or the other outlet-side connection channel are positioned in the stacking direction. Offset and placed The Kano said first passage portion, it is preferable that the pressure loss adjusting member is provided.
さらにまた、この燃料電池モジュールでは、貫通孔部に対向するセパレータ面に圧損調整部材が設けられることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell module, it is preferable that a pressure loss adjusting member is provided on the separator surface facing the through hole.
また、この燃料電池モジュールでは、圧損調整部材は、セパレータ面にシール部材と一体に設けられることが好ましい。 In this fuel cell module, the pressure loss adjusting member is preferably provided integrally with the seal member on the separator surface.
本発明によれば、少なくとも1つの第1反応ガス流路の入口又は出口の圧損が調整されている。このため、少なくとも1つの第1反応ガス流路における圧損は、他の第1反応ガス流路における圧損と均一化することができ、複数の前記第1反応ガス流路に供給される反応ガスの流量が同等に調整される。従って、隣接して同一の反応ガスを流通させる各第1反応ガス流路の圧力損失を均一に調整することができ、良好な発電性能を確保することが可能になる。 According to the present invention, the pressure loss at the inlet or outlet of the at least one first reaction gas channel is adjusted. For this reason, the pressure loss in at least one first reaction gas channel can be made uniform with the pressure loss in other first reaction gas channels, and the reaction gas supplied to the plurality of first reaction gas channels can be made uniform. The flow rate is adjusted equally. Therefore, it is possible to uniformly adjust the pressure loss of the first reaction gas flow paths adjacent to each other to allow the same reaction gas to flow, and to ensure good power generation performance.
図1〜図3に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池モジュール10は、発電ユニット12を備え、複数の前記発電ユニット12が水平方向(矢印A方向)又は鉛直方向(矢印C方向)に沿って互いに積層される。発電ユニット12は、第1金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体(MEA)16a、第2金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体(MEA)16b及び第3金属セパレータ20を設ける。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
なお、第1の実施形態では、燃料電池モジュール10は、2枚のMEAと3枚のセパレータとを備えているが、これに限定されるものではない。燃料電池モジュール10は、例えば、3枚のMEAと4枚のセパレータ、又は、4枚のMEAと5枚のセパレータとを備えていてもよい。
In the first embodiment, the
第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した横長形状の金属板により構成される。第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、例えば、カーボンセパレータにより構成することができる。
The
図1に示すように、発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、具体的には、第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20の長辺方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔22a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔23a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔24bが設けられる。
As shown in FIG. 1, specifically, the length of the
発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔24a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔23b及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔22bが設けられる。
The other end edge of the
図4に示すように、第1金属セパレータ14の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとに連通する第1酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)26が形成される。
As shown in FIG. 4, the
第1酸化剤ガス流路26は、矢印B方向に延在する複数の直線状流路溝部(波状流路溝部でもよい)26aを有するとともに、前記第1酸化剤ガス流路26の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ酸化剤ガス入口バッファ部28a及び酸化剤ガス出口バッファ部28bが設けられる。酸化剤ガス入口バッファ部28a及び酸化剤ガス出口バッファ部28bは、それぞれ複数のエンボスにより構成しているが、例えば、複数本の流路溝により構成してもよい。なお、以下に説明する各バッファ部でも、同様である。
The first oxidant
酸化剤ガス入口バッファ部28aと酸化剤ガス入口連通孔22aとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝30aが形成される一方、酸化剤ガス出口バッファ部28bと酸化剤ガス出口連通孔22bとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝30bが形成される。入口連結溝30a及び出口連結溝30bには、蓋部材31a、31bが配設される。
Between the oxidant gas
図1に示すように、第1金属セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔23aと冷却媒体出口連通孔23bとを連通する冷却媒体流路32の一部が形成される。冷却媒体流路32の一部は、直線状流路溝部26aの裏面形状であり、矢印B方向に延在する複数の直線状流路溝部32aを有する。冷却媒体流路32の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ冷却媒体入口バッファ部33a及び冷却媒体出口バッファ部33bが設けられる。冷却媒体入口バッファ部33a及び冷却媒体出口バッファ部33bは、酸化剤ガス入口バッファ部28a及び酸化剤ガス出口バッファ部28bの裏面形状である。
As shown in FIG. 1, a part of the cooling
図5に示すように、第2金属セパレータ18の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bとを連通する第1燃料ガス流路(第1反応ガス流路)34が形成される。第1燃料ガス流路34は、矢印B方向に延在する複数の直線状流路溝部(波状流路溝部でもよい)34aを有する。
As shown in FIG. 5, the first fuel gas that communicates the fuel gas
第1燃料ガス流路34の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ燃料ガス入口バッファ部35a及び燃料ガス出口バッファ部35bが設けられる。燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、複数の供給孔部(貫通孔部)36aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、複数の排出孔部(貫通孔部)36bが形成される。
A fuel gas
図6に示すように、第2金属セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとを連通する第2酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)38が形成される。第2酸化剤ガス流路38は、矢印B方向に延在する複数の直線状流路溝部(波状流路溝部でもよい)38aを有する。
As shown in FIG. 6, the
第2酸化剤ガス流路38の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ酸化剤ガス入口バッファ部39a及び酸化剤ガス出口バッファ部39bが設けられる。酸化剤ガス入口バッファ部39a及び酸化剤ガス出口バッファ部39bは、燃料ガス出口バッファ部35b及び燃料ガス入口バッファ部35aの裏面形状である。
An oxidant gas
酸化剤ガス入口バッファ部39aと酸化剤ガス入口連通孔22aとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝40aが形成される一方、酸化剤ガス出口バッファ部39bと酸化剤ガス出口連通孔22bとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝40bが形成される。入口連結溝40a及び出口連結溝40bには、蓋部材41a、41bが配設される。
Between the oxidant gas
図7に示すように、第3金属セパレータ20の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bに連通する第2燃料ガス流路(第1反応ガス流路)42が形成される。第2燃料ガス流路42は、矢印B方向に延在する複数の直線状流路溝部(波状流路溝部でもよい)42aを有する。第2燃料ガス流路42の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ燃料ガス入口バッファ部43a及び燃料ガス出口バッファ部43bが設けられる。
As shown in FIG. 7, the second fuel gas flow communicating with the fuel gas
燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、複数の供給孔部(貫通孔部)44aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、複数の排出孔部(貫通孔部)44bが形成される。図2に示すように、供給孔部44aは、第2金属セパレータ18の供給孔部36aよりも内側(燃料ガス流路側)に配置される一方、図3に示すように、排出孔部44bは、前記第2金属セパレータ18の排出孔部36bよりも内側(燃料ガス流路側)に配置される。
A plurality of supply holes (through holes) 44a are formed in the vicinity of the fuel gas
図8に示すように、第3金属セパレータ20の面20bには、第2燃料ガス流路42の裏面形状である冷却媒体流路32の一部が形成される。冷却媒体流路32の一部は、直線状流路溝部42aの裏面形状であり、矢印B方向に延在する複数の直線状流路溝部32bを有する。
As shown in FIG. 8, a part of the cooling
冷却媒体流路32の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ冷却媒体入口バッファ部45a及び冷却媒体出口バッファ部45bが設けられる。冷却媒体出口バッファ部45b及び冷却媒体入口バッファ部45aは、燃料ガス入口バッファ部43a及び燃料ガス出口バッファ部43bの裏面形状である。
A cooling
図1に示すように、発電ユニット12同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット12を構成する第1金属セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3金属セパレータ20との間には、冷却媒体流路32が形成される。
As shown in FIG. 1, the
第1金属セパレータ14の面14a、14bには、この第1金属セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材46が一体成形される。第2金属セパレータ18の面18a、18bには、この第2金属セパレータ18の外周端縁部を周回して第2シール部材48が一体成形されるとともに、第3金属セパレータ20の面20a、20bには、この第3金属セパレータ20の外周端縁部を周回して第3シール部材50が一体成形される。
A
第1シール部材46、第2シール部材48及び第3シール部材50としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
Examples of the
図4に示すように、第1シール部材46は、第1金属セパレータ14の面14aにおいて、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bと第1酸化剤ガス流路26との外周を連通する第1凸状シール部46aを有する。
As shown in FIG. 4, the
図5に示すように、第2シール部材48は、第2金属セパレータ18の面18aにおいて、供給孔部36a及び排出孔部36bと第1燃料ガス流路34とを囲繞してこれらを連通させる第1凸状シール部48aを有する。
As shown in FIG. 5, the
図6に示すように、第2シール部材48は、面18bにおいて、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bと第2酸化剤ガス流路38との外周を連通する第2凸状シール部48bを有する。
As shown in FIG. 6, the
図7に示すように、第3シール部材50は、第3金属セパレータ20の面20aにおいて、供給孔部44a及び排出孔部44bと第2燃料ガス流路42とを囲繞してこれらを連通する第1凸状シール部50aを有する。
As shown in FIG. 7, the
図8に示すように、第3シール部材50は、第3金属セパレータ20の面20bにおいて、冷却媒体入口連通孔23a及び冷却媒体出口連通孔23bと冷却媒体流路32との外周を連通する第2凸状シール部50bを有する。
As shown in FIG. 8, the
図2に示すように、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜52と、前記固体高分子電解質膜52を挟持するカソード電極54及びアノード電極56とを備える。固体高分子電解質膜52は、カソード電極54及びアノード電極56の平面寸法(表面積)よりも大きな平面寸法(表面積)を有する。第1電解質膜・電極構造体16aは、第2電解質膜・電極構造体16bよりも大きな平面寸法に設定される。
As shown in FIG. 2, the first electrolyte membrane /
カソード電極54及びアノード電極56は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層54a、56aと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層54a、56aの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層54b、56bとを有する。電極触媒層54b、56bは、固体高分子電解質膜52の両面に形成される。第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bでは、それぞれの発電領域が同一の領域内に設定される(図1参照)。
The
図2に示すように、燃料ガス入口連通孔24aと第1燃料ガス流路34の入口とは、第1入口側連結流路58により連通する。燃料ガス入口連通孔24aと第2燃料ガス流路42の入口とは、第2入口側連結流路60により連通する。図3に示すように、燃料ガス出口連通孔24bと第1燃料ガス流路34の出口とは、第1出口側連結流路62により連通する。燃料ガス出口連通孔24bと第2燃料ガス流路42の出口とは、第2出口側連結流路64により連通する。
As shown in FIG. 2, the fuel gas
図2に示すように、第1入口側連結流路58は、燃料ガス入口連通孔24aに連通し、第2金属セパレータ18と第3金属セパレータ20との間でセパレータ面方向(矢印B方向)に延在する第1通路部58aと、前記第1通路部58aに連通する供給孔部36aと、前記供給孔部36aに連通し、前記第2金属セパレータ18と第1電解質膜・電極構造体16aとの間でセパレータ面方向に延在して前記第1燃料ガス流路34に連通する第2通路部58bとを有する。
As shown in FIG. 2, the first inlet
第2入口側連結流路60は、燃料ガス入口連通孔24aに連通し、第3金属セパレータ20と隣接する発電ユニット12の第1金属セパレータ14との間でセパレータ面方向に延在する第1通路部60aと、前記第1通路部60aに連通する供給孔部44aと、前記供給孔部44aに連通し、前記第3金属セパレータ20と第2電解質膜・電極構造体16bとの間でセパレータ面方向に延在して前記第2燃料ガス流路42に連通する第2通路部60bとを有する。
The second inlet side
第1の実施形態では、第2燃料ガス流路42の入口に連通する第2入口側連結流路60に、燃料ガスの圧損を調整する圧損調整部材66を備える。圧損調整部材66は、第1通路部60aに供給孔部44aに対向するセパレータ面、すなわち、第1金属セパレータ14の面14bに第1シール部材46と一体に設けられる。圧損調整部材66は、燃料ガス入口連通孔24aの近傍から供給孔部44aの上方を覆う位置まで延在している。なお、圧損調整部材66は、第1シール部材46とは異なる材質で構成してもよい。
In the first embodiment, a pressure
図3に示すように、第1出口側連結流路62は、燃料ガス出口連通孔24bに連通し、第2金属セパレータ18と第3金属セパレータ20との間でセパレータ面方向(矢印B方向)に延在する第1通路部62aと、前記第1通路部62aに連通する排出孔部36bと、前記排出孔部36bに連通し、前記第2金属セパレータ18と第1電解質膜・電極構造体16aとの間でセパレータ面方向に延在して前記第1燃料ガス流路34に連通する第2通路部62bとを有する。
As shown in FIG. 3, the first outlet
第2出口側連結流路64は、燃料ガス出口連通孔24bに連通し、第3金属セパレータ20と隣接する発電ユニット12の第1金属セパレータ14との間でセパレータ面方向に延在する第1通路部64aと、前記第1通路部64aに連通する排出孔部44bと、前記排出孔部44bに連通し、前記第3金属セパレータ20と第2電解質膜・電極構造体16bとの間でセパレータ面方向に延在して前記第2燃料ガス流路42に連通する第2通路部64bとを有する。
The second outlet
このように構成される燃料電池モジュール10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔22aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔23aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔22aから入口連結溝30a及び酸化剤ガス入口バッファ部28aを通って第1金属セパレータ14の第1酸化剤ガス流路26に供給される。また、酸化剤ガスは、図6に示すように、酸化剤ガス入口連通孔22aから入口連結溝40a及び酸化剤ガス入口バッファ部39aを通って第2金属セパレータ18の第2酸化剤ガス流路38に導入される。
For this reason, as shown in FIG. 4, the oxidant gas flows from the oxidant gas
酸化剤ガスは、図1、図4及び図6に示すように、第1酸化剤ガス流路26に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのカソード電極54に供給されるとともに、第2酸化剤ガス流路38に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード電極54に供給される。
As shown in FIGS. 1, 4 and 6, the oxidant gas moves in the direction of arrow B (horizontal direction) along the first oxidant
一方、燃料ガスは、図2及び図5に示すように、燃料ガス入口連通孔24aから第2金属セパレータ18の供給孔部36aを通って燃料ガス入口バッファ部35aに供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口バッファ部35aを通って第2金属セパレータ18の第1燃料ガス流路34に供給される。
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 5, the fuel gas is supplied from the fuel gas
燃料ガスは、図2及び図7に示すように、燃料ガス入口連通孔24aから第3金属セパレータ20の供給孔部44aを通って燃料ガス入口バッファ部43aに供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口バッファ部43aを通って第3金属セパレータ20の第2燃料ガス流路42に供給される。
The fuel gas is supplied from the fuel gas
燃料ガスは、図1、図5及び図7に示すように、第1燃料ガス流路34に沿って矢印B方向に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのアノード電極56に供給されるとともに、第2燃料ガス流路42に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極56に供給される。
As shown in FIGS. 1, 5 and 7, the fuel gas moves in the direction of arrow B along the first fuel
従って、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bでは、各カソード電極54に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極56に供給される燃料ガスとが、電極触媒層54b、56b内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Therefore, in the first electrolyte membrane /
次いで、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bの各カソード電極54に供給されて消費された酸化剤ガスは、図4及び図6に示すように、酸化剤ガス出口バッファ部28b、39bから酸化剤ガス出口連通孔22bに排出される。
Next, as shown in FIGS. 4 and 6, the oxidant gas supplied to and consumed by the
第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極56に供給されて消費された燃料ガスは、図5及び図7に示すように、燃料ガス出口バッファ部35b、43bに導入される。燃料ガスは、図3に示すように、排出孔部36b、44bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される。
The fuel gas consumed by being supplied to the
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔23aに供給された冷却媒体は、図1に示すように、冷却媒体流路32に導入される。冷却媒体は、矢印B方向に移動して第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bを冷却する。この冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔23bに排出される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the pair of left and right cooling medium
この場合、図9に示すように、燃料ガス入口連通孔24aと第1燃料ガス流路34の入口(発電部端部)とを連通する第1入口側連結流路58は、通路長さL1を有する第1通路部58a、供給孔部36a及び通路長さL2を有する第2通路部58bを設けている。ここで、通路長さL1+通路長さL2=全通路長さL0となる。
In this case, as shown in FIG. 9, the first inlet-side connecting
一方、燃料ガス入口連通孔24aと第2燃料ガス流路42の入口(発電部端部)とを連通する第2入口側連結流路60は、通路長さL3を有する第1通路部60a、供給孔部44a及び通路長さL4を有する第2通路部60bを設けている。ここで、通路長さL3+通路長さL4=全通路長さL0となる。
On the other hand, the second inlet side
そして、供給孔部36aと供給孔部44aとは、積層方向(矢印A方向)に対して矢印B方向にオフセットしている。このため、通路長さL1<通路長さL3及び通路長さL4<通路長さL2の関係に設定されている。従って、特に第2通路部58b、60bでは、断面積が小さいため、前記第2通路部58bの圧損は、前記第2通路部60bの圧損よりも高くなる。
The
そこで、第1の実施形態では、第1通路部60aに燃料ガスの圧損を調整する圧損調整部材66が設けられている。すなわち、第1通路部58aの通路高さaに対して、第1通路部60aの通路高さbを小さく設定している(通路高さa>通路高さb)。第2通路部58b、60bは、それぞれ小さな通路高さcに設定されている。各通路高さa、b及びcは、図10に示す関係を有している。
Therefore, in the first embodiment, a pressure
これにより、第1通路部60aの断面積は、第1通路部58aの断面積よりも小さく設定され、前記第1通路部60aの圧損は、前記第1通路部58aの圧損よりも大きく調整される。このため、図11に示すように、第1燃料ガス流路34全体の圧損は、第2燃料ガス流路42全体の圧損と同等に調整されている。
Thereby, the cross-sectional area of the
従って、第1燃料ガス流路34における圧損は、第2燃料ガス流路42における圧損と均一化することができ、前記第1燃料ガス流路34及び前記第2燃料ガス流路42に供給される燃料ガスの流量が同等に調整される。これにより、隣接して同一の燃料ガスを流通させる第1燃料ガス流路34及び第2燃料ガス流路42の圧力損失を均一に調整することができ、良好な発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。
Accordingly, the pressure loss in the first fuel
さらに、第1の実施形態では、圧損調整部材66は、第1通路部60aに供給孔部44aに対向して第1金属セパレータ14の面14bに設けられている。このため、第1通路部60a内に段差が形成されることがなく、燃料ガスを前記第1通路部60aに沿って円滑に流通させることができる。
Furthermore, in the first embodiment, the pressure
しかも、圧損調整部材66は、第1シール部材46と一体に設けられている。従って、圧損調整部材66の製造作業が有効に簡素化される。また、圧損調整部材66を設けることにより、燃料ガス入口連通孔24aから第1通路部60aに水が導入されることを抑制することが可能になる。
Moreover, the pressure
さらに、第1出口側連結流路62及び第2出口側連結流路64には、圧損調整部材66が設けられていない。これにより、排出水による圧損調整部材66の膨潤、劣化又は剥離による通路閉塞を有効に回避することができる。
Further, the first outlet
なお、第1の実施形態では、第2入口側連結流路60に、燃料ガスの圧損を調整する圧損調整部材66を備えているが、必要に応じて、前記第2入口側連結流路60に代えて第2出口側連結流路64に前記圧損調整部材66を設けてもよい。
In the first embodiment, the second inlet side connecting
図12は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池モジュール80を構成する発電ユニット82の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池モジュール10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 12 is an exploded perspective view of the main part of the
燃料電池モジュール80は、複数の発電ユニット82を積層して構成される。発電ユニット82では、第3金属セパレータ20の面20bに、第2燃料ガス流路42の入口と燃料ガス入口連通孔24aとの間に位置して圧損調整部材84が設けられる。
The
図13に示すように、圧損調整部材84は、第2燃料ガス流路42の入口に連通する第2入口側連結流路60に配設される。この圧損調整部材84は、例えば、第3シール部材50と一体に設けられるが、前記第3シール部材50とは異なる材料で形成されてもよい。
As shown in FIG. 13, the pressure
このように構成される第2の実施形態では、第2燃料ガス流路42の入口に連通する第2入口側連結流路60の第1通路部60aに、燃料ガスの圧損を調整する圧損調整部材84が設けられている。このため、第1通路部60aの圧損は、第1通路部58aの圧損よりも大きく調整され、第1燃料ガス流路34及び第2燃料ガス流路42の圧力損失を均一に調整することができ、良好な発電性能を確保することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment configured as described above, the pressure loss adjustment for adjusting the pressure loss of the fuel gas in the
なお、第1及び第2の実施形態では、第2燃料ガス流路42の入口に連通する第2入口側連結流路60の第1通路部60aに、圧損調整部材66、84が設けられている。これに代えて、又は、これに加えて、第1酸化剤ガス流路26又は第2酸化剤ガス流路38のいずれか一方の入口又は出口の圧損を調整するために、圧損調整部材(図示せず)を設けてもよい。
In the first and second embodiments, the pressure
また、第1酸化剤ガス流路26及び第2酸化剤ガス流路38では、第1燃料ガス流路34及び第2燃料ガス流路42に設けられている供給孔部36a、44aと排出孔部36b、44bとを設ける構成を採用することができる。その際、第1酸化剤ガス流路26又は第2酸化剤ガス流路38の入口に、圧損調整部材66又は圧損調整部材84を配設することが可能である。
Further, in the first oxidant
10、80…燃料電池モジュール 12、82…発電ユニット
14、18、20…金属セパレータ
16a、16b…電解質膜・電極構造体
22a…酸化剤ガス入口連通孔 22b…酸化剤ガス出口連通孔
23a…冷却媒体入口連通孔 23b…冷却媒体出口連通孔
24a…燃料ガス入口連通孔 24b…燃料ガス出口連通孔
26、38…酸化剤ガス流路 32…冷却媒体流路
34、42…燃料ガス流路 36a、44a…供給孔部
36b、44b…排出孔部 46、48、50…シール部材
52…固体高分子電解質膜 54…カソード電極
56…アノード電極 58、60…入口側連結流路
58a、58b、60a、60b…通路部
62、64…出口側連結流路 66、84…圧損調整部材
DESCRIPTION OF
Claims (5)
一方の反応ガスを各電解質膜・電極構造体の一方の電極に沿って流通させる複数の第1反応ガス流路と、
他方の反応ガスを各電解質膜・電極構造体の他方の電極に沿って流通させる複数の第2反応ガス流路と、
を有し、各燃料電池モジュール間にのみ冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、
少なくとも1つの前記第1反応ガス流路の入口に連通する入口側連結流路又は出口に連通する出口側連結流路のいずれか一方に、前記一方の反応ガスの圧損を調整する圧損調整部材が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。 A plurality of electrolyte membrane / electrode structures each having a pair of electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane, and a plurality of separators, wherein the separators and the electrolyte membrane / electrode structures are alternately stacked, and both ends in the stacking direction A fuel cell module in which the separator is disposed,
A plurality of first reaction gas flow paths for allowing one reaction gas to flow along one electrode of each electrolyte membrane / electrode structure;
A plurality of second reaction gas flow paths for allowing the other reaction gas to flow along the other electrode of each electrolyte membrane / electrode structure;
And a cooling medium flow path for circulating the cooling medium only between the fuel cell modules is formed,
A pressure loss adjusting member that adjusts the pressure loss of the one reaction gas is provided in either one of the inlet side connection channel that communicates with the inlet of the at least one first reaction gas channel or the outlet side connection channel that communicates with the outlet. A fuel cell module provided.
前記入口側連結流路又は前記出口側連結流路は、前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に連通し、前記セパレータの面方向に延在する第1通路部と、
前記第1通路部に連通し、前記セパレータを貫通する貫通孔部と、
前記貫通孔部に連通し、前記セパレータの面方向に延在して前記第1反応ガス流路に連通する第2通路部と、
を有するとともに、
一方の前記入口側連結流路又は一方の前記出口側連結流路の前記貫通孔部と、他方の前記入口側連結流路又は他方の前記出口側連結流路の前記貫通孔部とは、積層方向に対してそれぞれの位置がオフセットして配置され、
いずれかの前記第1通路部には、前記圧損調整部材が設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。 The fuel cell module according to claim 1 or 2, wherein the separator is provided with a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole through which the one reaction gas flows in the stacking direction,
The inlet-side connection channel or the outlet-side connection channel communicates with the reaction gas inlet communication hole or the reaction gas outlet communication hole and extends in the surface direction of the separator;
A through-hole portion communicating with the first passage portion and penetrating the separator;
A second passage portion that communicates with the through-hole portion, extends in the surface direction of the separator, and communicates with the first reaction gas flow path;
And having
The through-hole portion of one of the inlet-side connection channels or one of the outlet-side connection channels and the other through-hole portion of the inlet-side connection channel or the other outlet-side connection channel are laminated. Each position is offset relative to the direction,
In any one of the first passage portions, the pressure loss adjusting member is provided.
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