JP5810068B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack having a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and in which a plurality of the fuel cells are stacked.
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、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、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 an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by a pair of separators. A unit cell is provided. This type of fuel cell is normally used as an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。 In the fuel cell described above, a fuel gas flow path is provided in the surface of one separator so as to flow the fuel gas so as to face the anode electrode, and oxidation is performed in the surface of the other separator so as to face the cathode electrode. An oxidant gas flow path for flowing the agent gas is provided. Furthermore, between each separator which comprises each fuel cell and adjoins mutually, the cooling medium flow path for flowing a cooling medium in the electrode range is formed along the separator surface.
さらに、この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。 Further, in this type of fuel cell, the fuel gas inlet communication hole and the fuel gas outlet communication hole for flowing the fuel gas through the unit cell in the stacking direction, and the oxidant gas inlet communication hole for flowing the oxidant gas In many cases, a so-called internal manifold type fuel cell is provided which includes an oxidant gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole for flowing a cooling medium, and a cooling medium outlet communication hole.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックは、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と平面が矩形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する波形状ガス流路が設けられる発電ユニットを備え、前記発電ユニットの間に前記波形状ガス流路の裏面形状である冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層されている。 For example, a fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 includes an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a metal separator having a rectangular plane, and the electrode of the metal separator. The opposing surface includes a power generation unit provided with a corrugated gas flow path for supplying a reaction gas that is a fuel gas or an oxidant gas along the electrode, and the back surface of the corrugated gas flow path is provided between the power generation units. The power generation units are stacked on each other so as to form a cooling medium flow path having a shape.
そして、金属セパレータの互いに対向する一方の2辺には、積層方向に貫通し、反応ガスを流すための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、前記金属セパレータの互いに対向する他方の2辺には、前記積層方向に貫通し、少なくとも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近接するとともに、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が設けられている。 The two opposite sides of the metal separator are provided with a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole through which the reaction gas flows through in the stacking direction. A pair of cooling medium inlets that penetrate in the stacking direction and are close to at least the reaction gas inlet communication hole or the reaction gas outlet communication hole, and are distributed to the respective sides to flow the cooling medium. A communication hole and a pair of cooling medium outlet communication holes are provided.
従って、一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が、それぞれ振り分けて設けられるため、冷却媒体流路全域に対して冷却媒体を均一且つ確実に供給することができる。 Accordingly, since the pair of cooling medium inlet communication holes and the pair of cooling medium outlet communication holes are provided separately, the cooling medium can be uniformly and reliably supplied to the entire cooling medium flow path.
ところで、上記の燃料電池では、実際上、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体流路との間は、複数本の連結流路を介して連通するとともに、前記冷却媒体流路の入口側には、一対の冷却媒体入口連通孔間に位置してバッファ部が設けられている場合が多い。 By the way, in the fuel cell described above, the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium flow path are actually communicated via a plurality of connecting flow paths, and at the inlet side of the cooling medium flow path, In many cases, a buffer portion is provided between the pair of cooling medium inlet communication holes.
このため、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔から連結流路を通って冷却媒体流路(発電部)に供給されるとともに、バッファ部にバイパスすることにより、前記発電部の中央部位まで供給されている。 For this reason, the cooling medium is supplied from the cooling medium inlet communication hole to the cooling medium flow path (power generation section) through the connection flow path, and is also supplied to the central portion of the power generation section by bypassing to the buffer section. ing.
ところで、バッファ部は、例えば、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔の開口形状や、補強部材や位置決め部材等の他の構成要素の位置、形状等に起因して、非対称形状に構成され易い。例えば、非対称三角形のバッファ部が用いられている。従って、バッファ部の幅形状は、冷却媒体流路の幅方向に沿って非対称であるため、一対の冷却媒体入口連通孔からそれぞれ前記バッファ部に供給される冷却媒体は、該バッファ部を不均一に流通し易い。これにより、発電部内の温度が不均一になり、局所的な劣化や滞留水が発生するおそれがある。 By the way, the buffer portion is configured in an asymmetric shape due to, for example, the opening shape of the reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole, and the position and shape of other components such as a reinforcing member and a positioning member. easy. For example, an asymmetric triangular buffer unit is used. Therefore, since the width shape of the buffer part is asymmetrical along the width direction of the cooling medium flow path, the cooling medium supplied to the buffer part from each of the pair of cooling medium inlet communication holes causes the buffer part to be uneven. Easy to distribute. As a result, the temperature in the power generation unit becomes non-uniform, and local deterioration or stagnant water may occur.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、発電部全面にわたって冷却媒体を均等に供給することができ、温度の不均一による局所的な劣化や滞留水の発生を可及的に抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and with a simple configuration, the cooling medium can be supplied uniformly over the entire surface of the power generation unit. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can be suppressed as much as possible.
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、互いに隣接する前記セパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路の入口側及び前記冷却媒体流路の出口側には、それぞれバッファ部が設けられる一方、前記冷却媒体流路の入口側には、流路幅方向の両側に前記バッファ部を挟んで一対の冷却媒体入口連通孔が設けられ、且つ、前記冷却媒体流路の出口側には、前記流路幅方向の両側に前記バッファ部を挟んで一対の冷却媒体出口連通孔が設けられる燃料電池スタックに関するものである。 The present invention includes a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked and the separators adjacent to each other In the meantime, a cooling medium flow path for circulating the cooling medium along the separator surface is formed, and buffer portions are respectively provided on the inlet side of the cooling medium flow path and the outlet side of the cooling medium flow path, On the inlet side of the cooling medium flow path, a pair of cooling medium inlet communication holes are provided on both sides in the flow path width direction with the buffer portion interposed therebetween, and on the outlet side of the cooling medium flow path, The present invention relates to a fuel cell stack in which a pair of cooling medium outlet communication holes are provided on both sides in the road width direction with the buffer portion interposed therebetween.
この燃料電池スタックでは、バッファ部は、冷却媒体流路の流路幅方向の中央から前記流路幅方向の一方に離間した位置に頂点を有する非対称三角形に構成され、一対の冷却媒体入口連通孔と入口側の前記バッファ部とは、それぞれ連結流路により連通するとともに、一対の冷却媒体出口連通孔と出口側の前記バッファ部とは、それぞれ連結流路により連通している。そして、少なくとも入口側のバッファ部又は出口側のバッファ部は、前記バッファ部の頂点が近接する側の連結流路の流路本数が、前記バッファ部の前記頂点が離間する側の前記連結流路の流路本数よりも少ない数に設定されている。 In this fuel cell stack, the buffer portion is configured in an asymmetrical triangle having a vertex at a position spaced from the center in the flow path width direction of the cooling medium flow path to one side in the flow path width direction, and a pair of cooling medium inlet communication holes And the buffer portion on the inlet side are communicated with each other through a connection channel, and the pair of cooling medium outlet communication holes and the buffer portion on the outlet side are communicated with each other through a connection channel. And at least the buffer section on the inlet side or the buffer section on the outlet side has the number of flow paths of the connection flow path on the side where the apex of the buffer section is close to the connection flow path on the side where the apex of the buffer section is separated The number is set to be smaller than the number of flow paths.
さらに、この燃料電池スタックでは、バッファ部に近接して酸化剤ガスを燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔とが、流路幅方向に沿って設けられるとともに、前記酸化剤ガス連通孔の開口面積は、前記燃料ガス連通孔の開口面積よりも大きく設定され、前記バッファ部の頂点位置は、前記流路幅方向の中央から前記燃料ガス連通孔側に離間して設けられることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, an oxidant gas communication hole that allows the oxidant gas to flow in the stacking direction of the fuel cell in the vicinity of the buffer portion and a fuel gas communication hole that allows the fuel gas to flow in the stacking direction flow. And the opening area of the oxidant gas communication hole is set larger than the opening area of the fuel gas communication hole, and the apex position of the buffer portion is the center in the flow path width direction. It is preferable that it is spaced apart from the fuel gas communication hole side.
本発明によれば、非対称三角形のバッファ部に対応して、一対の連通孔を構成するそれぞれの連結流路同士が、互いに異なる流路本数に設定されている。このため、バッファ部において、冷却媒体が流れ難い部位には、他の部位よりも前記冷却媒体を多量に供給することができ、冷却媒体流路全体に該冷却媒体を均等に供給することが可能になる。 According to the present invention, each of the connection flow paths constituting the pair of communication holes is set to have a different number of flow paths corresponding to the asymmetric triangular buffer portion. For this reason, in the buffer part, it is possible to supply a larger amount of the cooling medium to the part where the cooling medium is difficult to flow than other parts, and to supply the cooling medium evenly to the entire cooling medium flow path. become.
これにより、簡単な構成で、発電部全面にわたって冷却媒体を均等に供給することができ、温度の不均一による局所的な劣化や滞留水の発生を可及的に抑制することが可能になる。 Thereby, with a simple configuration, the cooling medium can be supplied uniformly over the entire surface of the power generation unit, and local deterioration due to temperature nonuniformity and generation of stagnant water can be suppressed as much as possible.
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の燃料電池11が立位姿勢(電極面が鉛直方向に平行)にて矢印A方向に積層される。燃料電池11は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持するカソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16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薄板状金属セパレータにより構成される。金属セパレータは、平面が矩形状を有するとともに、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、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
The
カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、横長形状を有するとともに、短辺が重力方向(矢印C方向)に向かい且つ長辺が水平方向(矢印B方向)に向かう(水平方向の積層)ように構成される。なお、短辺が水平方向に向かい且つ長辺が重力方向に向かうように構成してもよく、また、セパレータ面が水平方向に向かう(鉛直方向の積層)ように構成してもよい。
The cathode-
燃料電池11の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔18aと、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20bとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bは、略三角形状を有するとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔18aは、前記燃料ガス出口連通孔20bよりも大きな開口面積に設定される。
An oxidant gas
燃料電池11の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔20aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔18bとが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔18b及び燃料ガス入口連通孔20aは、略三角形状を有するとともに、前記酸化剤ガス出口連通孔18bは、前記燃料ガス入口連通孔20aよりも大きな開口面積に設定される。
The other end edge in the long side direction of the
燃料電池11の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部一方には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための2つの冷却媒体入口連通孔22aが設けられる。燃料電池11の短辺方向の両端縁部他方には、冷却媒体を排出するための2つの冷却媒体出口連通孔22bが設けられる。
Two cooling medium
冷却媒体入口連通孔22aは、開口形状が冷却媒体流路38の流れ方向(矢印B方向)に沿って長尺な長方形状に設定される。冷却媒体入口連通孔22aは、長方形状の長手方向の中間部位には、前記長方形状を第1領域22a1及び第2領域22a2に分割するリブ部22a(rib)が設けられる。なお、リブ部22a(rib)は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
The cooling medium
冷却媒体出口連通孔22bは、開口形状が冷却媒体流路38の流れ方向(矢印B方向)に沿って長尺な長方形状に設定される。冷却媒体出口連通孔22bは、長方形状の長手方向の中間部位には、前記長方形状を第1領域22b1及び第2領域22b2に分割するリブ部22b(rib)が設けられる。なお、リブ部22b(rib)は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
The cooling medium
電解質膜・電極構造体12は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜24と、前記固体高分子電解質膜24を挟持するカソード電極26及びアノード電極28とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード電極26及びアノード電極28は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)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の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜24の両面に形成される。
The
図1に示すように、カソード側セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔18aと酸化剤ガス出口連通孔18bとを連通する酸化剤ガス流路30が形成される。酸化剤ガス流路30の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部32a及び出口バッファ部32bが設けられる。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas flow path that connects an oxidant gas
入口バッファ部32aは、酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点位置が高さ方向中央(矢印C方向)から下方に離間して設定される。入口バッファ部32aは、流路幅方向を底辺として1辺の長さと他辺の長さとが異なる。出口バッファ部32bは、燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点位置が高さ方向中央(矢印C方向)から上方に離間して設定される。
The
図3に示すように、アノード側セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、燃料ガス入口連通孔20aと燃料ガス出口連通孔20bとを連通する燃料ガス流路34が形成される。燃料ガス流路34の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部36a及び出口バッファ部36bが設けられる。
As shown in FIG. 3, a fuel
入口バッファ部36aは、燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、水平方向の頂点位置が高さ方向中央から上方に離間して設定される。出口バッファ部36bは、酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bの形状に沿って非対称三角形を有するとともに、頂点位置が高さ方向中央(矢印C方向)から下方に離間して設定される。
The
アノード側セパレータ16の面16bとカソード側セパレータ14の面14bとの間には、冷却媒体入口連通孔22a、22aと冷却媒体出口連通孔22b、22bとに連通する冷却媒体流路38が形成される(図1及び図4参照)。冷却媒体流路38は、電解質膜・電極構造体12の電極範囲に亘って冷却媒体を流通させるとともに、前記冷却媒体流路38の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ入口バッファ部40a及び出口バッファ部40bが設けられる。
Between the
アノード側セパレータ16では、冷却媒体流路38は、燃料ガス流路34の裏面形状であり、且つ、入口バッファ部40a及び出口バッファ部40bは、出口バッファ部36b及び入口バッファ部36aの裏面形状として形成される。カソード側セパレータ14では、冷却媒体流路38は、酸化剤ガス流路30の裏面形状であり、且つ、入口バッファ部40a及び出口バッファ部40bは、入口バッファ部32a及び出口バッファ部32bの裏面形状として形成される。以下、アノード側セパレータ16を用いて説明する。
In the anode-
図4に示すように、入口バッファ部40aは、酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bの形状に沿って非対称三角形を有するとともに、頂点40aeの位置が、高さ方向(流路幅方向)中央(矢印C方向)から下方に距離h1だけ離間して設定される。出口バッファ部40bは、燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bの形状に沿って非対称三角形を有するとともに、頂点40beの位置が、高さ方向(流路幅方向)中央(矢印C方向)から上方に距離h2だけ離間して設定される。
As shown in FIG. 4, the
カソード側セパレータ14の面14a、14bには、このカソード側セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材42が一体成形される。アノード側セパレータ16の面16a、16bには、このアノード側セパレータ16の外周端縁部を周回して第2シール部材44が一体成形される。第1シール部材42及び第2シール部材44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部材が用いられる。
A
カソード側セパレータ14の面14aには、第1シール部材42を切り欠いて、入口バッファ部32aと酸化剤ガス入口連通孔18aとを連通する複数本の入口連結流路46a、及び出口バッファ部32bと酸化剤ガス出口連通孔18bとを連通する複数本の出口連結流路46bが形成される。図3に示すように、アノード側セパレータ16の面16aには、第2シール部材44を切り欠いて、入口バッファ部36aと燃料ガス入口連通孔20aとを連通する複数本の入口連結流路48a、及び出口バッファ部36bと燃料ガス出口連通孔20bとを連通する複数本の出口連結流路48bが形成される。
A
図4に示すように、アノード側セパレータ16の面16bには、第2シール部材44を切り欠いて、上方側の冷却媒体入口連通孔22aの近傍に、入口連結流路50au1、50au2が形成され、下方側の冷却媒体入口連通孔22aの近傍に、入口連結流路50ad1、50ad2が形成される。入口連結流路50au1、50au2は、第2シール部材44と一体に形成してもよく、また、アノード側セパレータ16自体で形成してもよい。
As shown in FIG. 4, on the
入口連結流路50au1は、上方側の冷却媒体入口連通孔22aと入口バッファ部40aとを連通する一方、入口連結流路50ad1は、下方側の冷却媒体入口連通孔22aと前記入口バッファ部40aとを連通する。入口連結流路50au1と入口連結流路50ad1とは、互いに異なる流路本数に設定され、第1の実施形態では、前記入口連結流路50au1が、例えば、4本に、前記入口連結流路50ad1が、例えば、2本に、それぞれ設定される。
The inlet connection flow path 50au1 communicates the upper cooling medium
入口連結流路50au1及び入口連結流路50ad1は、それぞれ流路断面積が同一で、且つ、等ピッチに設定されることが好ましい。なお、流路本数は、入口バッファ部40aの形状に対応して種々変更可能であり、少なくとも入口連結流路50au1の流路本数を入口連結流路50ad1の流路本数よりも多く設定すればよい。
It is preferable that the inlet connection channel 50au1 and the inlet connection channel 50ad1 have the same channel cross-sectional area and are set at an equal pitch. The number of flow paths can be variously changed according to the shape of the
入口連結流路50au2は、上方側の冷却媒体入口連通孔22aと冷却媒体流路38とを連通する。入口連結流路50ad2は、下方側の冷却媒体入口連通孔22aと前記冷却媒体流路38とを連通する。
The inlet connection flow path 50au2 communicates the cooling medium
アノード側セパレータ16の面16bには、第2シール部材44を切り欠いて、上方側の冷却媒体出口連通孔22bと出口バッファ部40bとを連通する複数本の出口連結流路50bu1、50bu2、及び下方側の冷却媒体出口連通孔22bと前記出口バッファ部40bとを連通する複数本の出口連結流路50bd1、50bd2が形成される。
The
出口連結流路50bu1は、上方側の冷却媒体出口連通孔22bと出口バッファ部40bとを連通する一方、出口連結流路50bd1は、下方側の冷却媒体出口連通孔22bと出口バッファ部40bとを連通する。出口連結流路50bu1と出口連結流路50bd1とは、異なる流路本数に設定され、第1の実施形態では、前記出口連結流路50bu1が2本に、前記出口連結流路50bd1が4本に、それぞれ設定される。
The outlet connection flow path 50bu1 communicates the upper cooling medium
出口連結流路50bu1及び出口連結流路50bd1は、それぞれ流路断面積が同一で、且つ、等ピッチに設定されることが好ましい。入口連結流路50au1と出口連結流路50bd1とは、同一流路本数に設定されるとともに、入口連結流路50ad1と出口連結流路50bu1とは、同一流路本数に設定されることが好ましい。 It is preferable that the outlet connection channel 50bu1 and the outlet connection channel 50bd1 have the same channel cross-sectional area and are set at an equal pitch. The inlet connection channel 50au1 and the outlet connection channel 50bd1 are preferably set to the same number of channels, and the inlet connection channel 50ad1 and the outlet connection channel 50bu1 are preferably set to the same number of channels.
なお、出口連結流路50bu1と出口連結流路50bd1とは、同一の流路本数に設定されてもよい。また、出口連結流路50bu1と出口連結流路50bd1とが、異なる流路本数に設定される一方、入口連結流路50au1と入口連結流路50ad1とは、同一の流路本数に設定されてもよい。 The outlet connection channel 50bu1 and the outlet connection channel 50bd1 may be set to the same number of channels. In addition, the outlet connection channel 50bu1 and the outlet connection channel 50bd1 are set to different numbers of channels, while the inlet connection channel 50au1 and the inlet connection channel 50ad1 are set to the same number of channels. Good.
出口連結流路50bu2は、上方側の冷却媒体出口連通孔22bと冷却媒体流路38とを連通する。出口連結流路50bd2は、下方側の冷却媒体出口連通孔22bと前記冷却媒体流路38とを連通する。
The outlet connection flow path 50bu2 communicates the cooling medium
このように構成される燃料電池11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18aには、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20aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔22aには、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、酸化剤ガス入口連通孔18aからカソード側セパレータ14の酸化剤ガス流路30に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路30に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、電解質膜・電極構造体12のカソード電極26に供給される。
For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔20aからアノード側セパレータ16の燃料ガス流路34に供給される。燃料ガスは、図3に示すように、燃料ガス流路34に沿って水平方向(矢印B方向)に移動し、電解質膜・電極構造体12のアノード電極28に供給される(図1参照)。
On the other hand, the fuel gas is supplied to the fuel
従って、電解質膜・電極構造体12では、カソード電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード電極28に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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 electrolyte membrane /
次いで、電解質膜・電極構造体12のカソード電極26に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔18bに沿って矢印A方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体12のアノード電極28に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔20bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、一対の冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16間の冷却媒体流路38に導入される。冷却媒体は、図1及び図4に示すように、一旦矢印C方向(重力方向)内方に沿って流動した後、矢印B方向(水平方向)に移動して電解質膜・電極構造体12を冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔22bに排出される。
The cooling medium supplied to the pair of cooling medium inlet communication holes 22 a is introduced into the cooling
この場合、第1の実施形態では、非対称三角形の入口バッファ部40aに対応して、それぞれの入口連結流路50au1、50ad1同士が、互いに異なる流路本数に設定されている。このため、入口バッファ部40aにおいて、冷却媒体が流れ難い部位には、他の部位よりも前記冷却媒体を多量に供給することができ、冷却媒体流路38全体に該冷却媒体を均等に供給することが可能になる。
In this case, in the first embodiment, each of the inlet connection channels 50au1 and 50ad1 is set to have a different number of channels corresponding to the asymmetric triangular
具体的には、入口バッファ部40aは、頂点40aeの位置が、高さ方向中央から下方に距離h1だけ離間して設定されている。そして、上方の入口連結流路50au1が4本に、下方の入口連結流路50ad1が2本に、それぞれ設定されている。
Specifically, in the
ここで、入口連結流路50au1と入口連結流路50ad1とが、同一の流路本数に設定された構造(従来例)と、前記入口連結流路50au1が4本に、且つ、前記入口連結流路50ad1が2本に設定された構造(本願例)とを用いて、冷却媒体流路38に供給される冷却媒体の分配状態を比較した。
Here, the structure (conventional example) in which the inlet connection channel 50au1 and the inlet connection channel 50ad1 are set to the same number of channels, the inlet connection channel 50au1 is four, and the inlet connection flow The distribution state of the cooling medium supplied to the cooling
その結果、図5に示すように、従来例の構造では、冷却媒体流路38の上方側に多量の冷却媒体が供給されてしまい、前記冷却媒体流路38の下方側には、少量の前記冷却媒体が供給されている。入口バッファ部40aは、水平方向の頂点40aeの位置が下方にオフセットした非対称三角形であるため、下方側の幅寸法(矢印B方向の寸法)が広くなって、前記入口バッファ部40aの下方に供給される冷却媒体は、該入口バッファ部40aの上方側に流動し易くなるからである。
As a result, as shown in FIG. 5, in the structure of the conventional example, a large amount of cooling medium is supplied to the upper side of the cooling
このため、冷却媒体流路38の幅方向に沿って供給される冷却媒体の流量が異なってしまい、前記冷却媒体流路38内の幅方向に大きな温度差が発生し易い。従って、耐久性及び発電安定性が低下するという問題がある。
For this reason, the flow rate of the cooling medium supplied along the width direction of the cooling
これに対して、本願例では、下方側の入口連結流路50ad1の流路本数を、上方側の入口連結流路50ad1の流路本数よりも少数に設定している。これにより、図6に示すように、入口連結流路50au1から供給される冷却媒体の流量は、入口連結流路50ad1から供給される冷却媒体の流量よりも多量になる。 On the other hand, in the example of the present application, the number of flow paths of the lower inlet connection flow path 50ad1 is set to be smaller than the number of flow paths of the upper inlet connection flow path 50ad1. Thereby, as shown in FIG. 6, the flow rate of the cooling medium supplied from the inlet connection channel 50au1 becomes larger than the flow rate of the cooling medium supplied from the inlet connection channel 50ad1.
すなわち、従来例では、図6中、入口バッファ部40aの頂点40ae近傍に、冷却媒体の淀みが発生したのに対し、本願例では、入口連結流路50au1と入口連結流路50ad1との流路本数を異ならせることにより、前記頂点40ae近傍の淀みが解消された。このため、図5に示すように、冷却媒体流路38の幅方向に沿って冷却媒体を均等に供給することができる。
That is, in the conventional example, the stagnation of the cooling medium occurs in the vicinity of the vertex 40ae of the
従って、簡単な構成で、発電部全面にわたって冷却媒体を供給することができ、温度の不均一による局所的な劣化や滞留水の発生を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。 Therefore, it is possible to supply the cooling medium over the entire surface of the power generation unit with a simple configuration, and it is possible to suppress the local deterioration due to the uneven temperature and the generation of stagnant water as much as possible. It is done.
なお、冷却媒体出口連通孔22b側では、上記の冷却媒体入口連通孔22aと同様に構成されており、同様の効果が得られる。
The cooling medium
さらに、第1の実施形態では、単一の電解質膜・電極構造体12、すなわち、単一のMEAと、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16、すなわち、2枚のセパレータとにより構成される燃料電池11を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、2つのMEAと3枚のセパレータとで構成される(セパレータ間にMEAを介装)ユニットセルを備え、前記ユニットセル間に構成される冷却媒体流体に適用してもよい。
Further, in the first embodiment, a fuel constituted by a single electrolyte membrane /
図7は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するアノード側セパレータ60の正面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10を構成するアノード側セパレータ16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. 7 is an explanatory front view of the anode-
アノード側セパレータ60の冷却媒体流路38が形成される面60aにおいて、各冷却媒体入口連通孔22aは、矢印B方向に長尺な長方形状に設定される。冷却媒体入口連通孔22aは、入口バッファ部40aに近接する端部側に傾斜部22arを設ける。
On the
上方側の冷却媒体入口連通孔22aの近傍には、傾斜部22arに沿って入口連結流路50au1が形成される。下方側の冷却媒体入口連通孔22aの近傍には、傾斜部22arに沿って入口連結流路50ad1が形成される。
In the vicinity of the upper
アノード側セパレータ60の冷却媒体流路38が形成される面60aにおいて、各冷却媒体出口連通孔22bは、矢印B方向に長尺な長方形状に設定され、出口バッファ部40bに近接する端部側に傾斜部22brを設ける。上方側の冷却媒体出口連通孔22bの近傍には、傾斜部22brに沿って出口連結流路50bu1が形成される。下方側の冷却媒体出口連通孔22bの近傍には、傾斜部22brに沿って出口連結流路50bd1が形成される。
On the
このように構成される第2の実施形態では、非対称三角形の入口バッファ部40aに対応して、それぞれの入口連結流路50au1、50ad1同士が、互いに異なる流路本数に設定されている。このため、冷却媒体流路38全体に該冷却媒体を均等に供給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 inlet connection flow paths 50au1 and 50ad1 are set to have different numbers of flow paths corresponding to the asymmetric triangular
10…燃料電池スタック 11…燃料電池
12…電解質膜・電極構造体 14…カソード側セパレータ
16、60…アノード側セパレータ 18a…酸化剤ガス入口連通孔
18b…酸化剤ガス出口連通孔 20a…燃料ガス入口連通孔
20b…燃料ガス出口連通孔 22a…冷却媒体入口連通孔
22a1、22a2、22b1、22b2…領域
22a(rib)、22b(rib)…リブ部
22ar、22br…傾斜部 22b…冷却媒体出口連通孔
24…固体高分子電解質膜 26…カソード電極
28…アノード電極 30…酸化剤ガス流路
32a、36a、40a…入口バッファ部
32b、36b、40b…出口バッファ部
34…燃料ガス流路 38…冷却媒体流路
40ae、40be…頂点
50ad1、50ad2、50au1、50au2…入口連結流路
50bd1、50bd2、50bu1、50bu2…出口連結流路
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記バッファ部は、前記冷却媒体流路の前記流路幅方向の中央から前記流路幅方向の一方に離間した位置に頂点を有する非対称三角形に構成され、
前記一対の冷却媒体入口連通孔と入口側の前記バッファ部とは、それぞれ連結流路により連通するとともに、
前記一対の冷却媒体出口連通孔と出口側の前記バッファ部とは、それぞれ連結流路により連通し、
少なくとも入口側の前記バッファ部又は出口側の前記バッファ部は、前記バッファ部の前記頂点が近接する側の前記連結流路の流路本数が、前記バッファ部の前記頂点が離間する側の前記連結流路の流路本数よりも少ない数に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked, and between the separators adjacent to each other, A cooling medium flow path for circulating the cooling medium along the separator surface is formed, and a buffer portion is provided on each of the inlet side of the cooling medium flow path and the outlet side of the cooling medium flow path. On the inlet side of the passage, a pair of cooling medium inlet communication holes are provided on both sides in the flow path width direction with the buffer portion interposed therebetween, and on the outlet side of the cooling medium flow path, A fuel cell stack in which a pair of cooling medium outlet communication holes are provided on both sides of the buffer portion,
The buffer section is configured in an asymmetric triangle having a vertex at a position spaced apart from the center in the flow path width direction of the cooling medium flow path to one of the flow path width directions,
The pair of cooling medium inlet communication holes and the buffer portion on the inlet side communicate with each other through a connection channel,
The pair of cooling medium outlet communication holes and the buffer part on the outlet side communicate with each other through a connection channel,
At least the buffer unit or the outlet side of the buffer unit of the inlet side, the flow path number of the connecting channel on the side where the apex of the buffer portion is proximate is the connection of the side of the apex of the buffer portion is separated A fuel cell stack characterized in that the number of channels is set to be smaller than the number of channels .
前記酸化剤ガス連通孔の開口面積は、前記燃料ガス連通孔の開口面積よりも大きく設定され、前記バッファ部の前記頂点位置は、前記流路幅方向の中央から前記燃料ガス連通孔側に離間して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 Symbol placement, and oxygen-containing gas hole for flowing oxidant gas in proximity to the buffer unit in the stacking direction of the fuel cell, the fuel gas communication circulating the fuel gas in the stacking direction A hole is provided along the flow path width direction,
The opening area of the oxidant gas communication hole is set larger than the opening area of the fuel gas communication hole, and the apex position of the buffer portion is spaced from the center in the flow path width direction to the fuel gas communication hole side. A fuel cell stack characterized by being provided.
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