JP2000090943A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JP2000090943A
JP2000090943A JP10262600A JP26260098A JP2000090943A JP 2000090943 A JP2000090943 A JP 2000090943A JP 10262600 A JP10262600 A JP 10262600A JP 26260098 A JP26260098 A JP 26260098A JP 2000090943 A JP2000090943 A JP 2000090943A
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refrigerant
temperature
fuel cell
flow path
refrigerant flow
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JP10262600A
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Japanese (ja)
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Tomohisa Wakasugi
知寿 若杉
Masahiko Asaoka
賢彦 朝岡
Takashi Shimazu
孝 志満津
Kazutaka Hiroshima
一崇 廣嶋
Hiroshi Aoki
博史 青木
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Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell having high cooling efficiency and a less temperature distribution in an in-plane direction and a stacking direction even when the stacked number of unit cells increases, or even under the condition of large current discharging. SOLUTION: Regarding a fuel cell 30 with a stack of unit cells 32 having an electrode-electrolyte jointed body 34 having a pair of gas diffusing electrodes jointed to both surfaces of an electrolyte, and separators 36 and 37 for clamping the electrode-electrolyte jointed body 34 from both surfaces, a plurality of coolant flow passages 38 are formed through the unit cells 32, and the flowrate and/or flow velocity of a coolant running through a plurality of coolant flow passages 38 is controlled, thereby eliminating the temperature distribution of the unit cells 32 in an in-plane direction and/or stacking direction. More specifically, each coolant flow passage 38 is arranged so as to narrow a gap toward a high temperature part, so that much coolant flows to the high temperature part of the unit cells 32.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
さらに詳しくは、車載動力源、定置型の小型発電器等に
好適な燃料電池に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell,
More specifically, the present invention relates to a fuel cell suitable for an in-vehicle power source, a stationary small generator, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、燃料の供給と燃焼生成物の
排出とを連続的に行い、燃料の持つ化学エネルギーを直
接電気エネルギーに変換する電池であり、発電効率が高
いこと、大気汚染物質の放出量が少ないこと、騒音が少
ないこと、規模を自由に選べること、等の特徴を有して
いる。燃料電池は、使用する電解質の種類により、固体
高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体
酸化物型等に分類される。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a battery that continuously supplies fuel and discharges combustion products, and directly converts chemical energy of the fuel into electric energy. It has features such as low emission amount, low noise and free choice of scale. Fuel cells are classified into polymer electrolyte type, phosphoric acid type, alkali type, molten carbonate type, solid oxide type, and the like, depending on the type of electrolyte used.

【0003】燃料電池の発電単位となる単電池は、電解
質の両面にガス拡散電極を接合し、その両面をガス流路
を備えたセパレータで挟持した構造をとっている。燃料
電池の発電原理は、このような構造を有する単電池の一
方のガス拡散電極(燃料極)側に改質ガス等の水素を含
むガスを流し、他方のガス拡散電極(空気極)側に空気
等の酸素を含むガスを流すことにより、水素と酸素から
水を生成させ、その際の自由エネルギー変化を単電池の
両端に配したセパレータから直接、電気エネルギーとし
て取り出すものである。
[0003] A unit cell, which is a power generation unit of a fuel cell, has a structure in which gas diffusion electrodes are joined to both surfaces of an electrolyte, and both surfaces are sandwiched between separators having gas channels. The principle of power generation of a fuel cell is as follows. In a unit cell having such a structure, a gas containing hydrogen, such as a reformed gas, flows on one gas diffusion electrode (fuel electrode) side, and flows on the other gas diffusion electrode (air electrode) side. Water is generated from hydrogen and oxygen by flowing a gas containing oxygen such as air, and the change in free energy at that time is directly taken out as electrical energy from separators arranged at both ends of the cell.

【0004】ところで、このような単電池の起電力は1
V前後であり、そのままでは実用に供することができな
い。そのため、通常は、高出力電圧を得るために、単電
池を直列に数百セル積層した燃料電池スタックとして実
用に供されている。
By the way, the electromotive force of such a cell is 1
V, and cannot be put to practical use as it is. Therefore, in order to obtain a high output voltage, the fuel cell is usually put into practical use as a fuel cell stack in which several hundred cells are stacked in series.

【0005】また、燃料電池の出力と電池温度(電解質
膜の温度)との間には、密接な関係があり、最大出力を
得るには、電池温度を最適温度に維持する必要があるこ
とが知られている。
Further, there is a close relationship between the output of the fuel cell and the battery temperature (temperature of the electrolyte membrane), and it is necessary to maintain the battery temperature at an optimum temperature in order to obtain the maximum output. Are known.

【0006】例えば、燃料ガスとして改質ガスを用いる
固体高分子型燃料電池の場合、電池温度が低すぎると、
ガス拡散電極中に含まれる電極触媒が改質ガス中の一酸
化炭素に被毒され、放電性能が低下する。また、電池温
度が固体高分子電解質膜に含まれる加湿水の沸点以上の
温度になると、水蒸気挙動が変化し、放電性能が低下す
る。
For example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell using a reformed gas as a fuel gas, if the cell temperature is too low,
The electrode catalyst contained in the gas diffusion electrode is poisoned by carbon monoxide in the reformed gas, and the discharge performance decreases. Further, when the battery temperature reaches a temperature equal to or higher than the boiling point of the humidified water contained in the solid polymer electrolyte membrane, the behavior of steam changes, and the discharge performance decreases.

【0007】従って、多数の単電池が直列に接続された
燃料電池において、1つの単電池の温度が最適温度から
はずれて出力が低下すると、燃料電池全体の出力が低下
することになる。そのため、燃料電池においては、最大
出力を得るために、通常、冷却装置が設けられ、各単電
池を最適温度に維持することが行われている。
Therefore, in a fuel cell in which a number of cells are connected in series, if the temperature of one cell deviates from the optimum temperature and the output decreases, the output of the entire fuel cell decreases. Therefore, in order to obtain the maximum output, a fuel cell is usually provided with a cooling device to maintain each unit cell at an optimum temperature.

【0008】各単電池を最適温度に維持するための冷却
方法としては、単電池を数セル積層する毎に、燃料/酸
化剤通路に平行に冷却面を設け、セパレータを介して電
解質膜を冷却する方法(以下、これを「面内冷却」とい
う)と、単電池を貫通する冷媒流路を設け、冷媒流路を
介して電解質膜を直接冷却する方法(以下、これを「貫
通冷却」という)が知られている(特開昭61−131
370号公報参照)。
As a cooling method for maintaining each cell at an optimum temperature, a cooling surface is provided in parallel with a fuel / oxidant passage every time several cells are stacked, and the electrolyte membrane is cooled via a separator. (Hereinafter referred to as “in-plane cooling”) and a method of providing a coolant flow path through the cell and directly cooling the electrolyte membrane through the coolant flow path (hereinafter referred to as “penetration cooling”). ) Is known (JP-A-61-131).
No. 370).

【0009】図11(a)に、面内冷却による燃料電池
の一例を示す。図11(a)に示す燃料電池10は、電
解質膜の両面に一対のガス拡散電極を接合した電極・電
解質接合体14をセパレータ16、16で挟持して単電
池12とし、この単電池12を複数個積層する毎に冷却
板18を配置した構造を有するものである。冷媒は、冷
却板18内を単電池12に対して平行に流れるようにな
っている。
FIG. 11A shows an example of a fuel cell using in-plane cooling. The fuel cell 10 shown in FIG. 11A has a unit cell 12 in which an electrode-electrolyte assembly 14 in which a pair of gas diffusion electrodes is joined to both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between separators 16, 16. It has a structure in which a cooling plate 18 is arranged every time a plurality of layers are stacked. The refrigerant flows in the cooling plate 18 in parallel with the unit cells 12.

【00010】しかしながら、図11(a)に示すよう
に、面内冷却による燃料電池10においては、電極・電
解質接合体14がセパレータ16を介して間接的に冷却
されるので、セパレータの熱伝導率が低い場合には、高
い冷却効率は期待できない。
However, as shown in FIG. 11A, in the fuel cell 10 by in-plane cooling, since the electrode / electrolyte assembly 14 is indirectly cooled via the separator 16, the thermal conductivity of the separator If the temperature is low, high cooling efficiency cannot be expected.

【0011】また、単電池12を数セル積層する毎に冷
却板18が配置されるので、冷却板18から離れた位置
にある電解質膜の冷却が不十分となる。そのため、積層
方向の温度分布が大きくなるという問題がある。
Further, since the cooling plate 18 is disposed every time several cells 12 are stacked, cooling of the electrolyte membrane at a position away from the cooling plate 18 becomes insufficient. Therefore, there is a problem that the temperature distribution in the stacking direction becomes large.

【0012】また、燃料ガスと酸化剤ガスを直角に流
す、いわゆるクロスフロー方式で反応ガスを流す場合に
は、図11(b)の右側面図に示すように、燃料ガスと
空気の入り口付近が高温部となり、単電池12の面内方
向に温度分布が発生する。特に、高電流で放電する条件
下においては、反応ガスの入り口付近で相対的に多くの
反応が生じるために温度が上昇し、面内方向の温度分布
が拡大するという問題がある。
When the reactant gas is supplied in a so-called cross-flow manner, in which the fuel gas and the oxidizing gas are supplied at right angles, as shown in the right side view of FIG. Becomes a high temperature portion, and a temperature distribution occurs in the in-plane direction of the unit cell 12. In particular, under the condition of discharging at a high current, there is a problem that the temperature rises because relatively many reactions occur near the inlet of the reaction gas, and the temperature distribution in the in-plane direction expands.

【0013】そこで、このような問題を解決するための
貫通冷却法が開発された(特開昭61−131370号
公報)。図12(a)に、貫通冷却による燃料電池の一
例を示す。図12(a)に示す燃料電池20は、電極・
電解質接合体24をセパレータ26で挟持した単電池2
2を直列に積層すると共に、全ての単電池22を垂直に
貫通する複数の冷媒流路28、28…を設けた構造を有
するものである。各冷媒流路28は、同一断面積を有
し、単電池22の面内に均等に配置されている。また、
冷媒は、冷媒流路28内を単電池22に対して垂直に流
れるようになっている。
In order to solve such a problem, a penetration cooling method has been developed (Japanese Patent Laid-Open No. 61-131370). FIG. 12A shows an example of a fuel cell using through cooling. The fuel cell 20 shown in FIG.
Cell 2 in which electrolyte joined body 24 is sandwiched between separators 26
2 are stacked in series, and a plurality of refrigerant channels 28, 28,... Vertically penetrating all the cells 22 are provided. Each of the coolant channels 28 has the same cross-sectional area and is evenly arranged in the plane of the unit cell 22. Also,
The coolant flows in the coolant channel 28 perpendicularly to the unit cells 22.

【0014】図12(a)に示すように、貫通冷却によ
る燃料電池20によれば、単電池22を貫通する冷媒流
路28により、電解質膜が直接冷却されるので、高い冷
却効率が期待できる。また、冷媒流路28により、全て
の電解質膜が直接冷却されるので、面内冷却に比較し
て、積層方向の温度分布が小さくなるという利点があ
る。
As shown in FIG. 12 (a), in the fuel cell 20 by the through cooling, the electrolyte membrane is directly cooled by the coolant passage 28 penetrating through the unit cell 22, so that high cooling efficiency can be expected. . Further, since all the electrolyte membranes are directly cooled by the coolant channel 28, there is an advantage that the temperature distribution in the stacking direction is smaller than that in the in-plane cooling.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、貫通冷
却では、冷媒が積層された全ての単電池22を通過して
いくため、単電池22の積層数が増大すると、冷媒流路
28の入り口付近において十分な冷却能力を有する場合
であっても、冷媒流路28の出口付近では、冷媒の温度
が上昇し、冷却能力が低下する。そのため、特に、高電
流で放電する条件下では、冷媒流路28の出口付近では
十分な冷却能力が得られず、出口付近における温度分布
が拡大するという問題がある。
However, in the through-cooling, since the refrigerant passes through all the stacked cells 22, when the number of stacked cells 22 increases, the coolant near the entrance of the coolant channel 28 increases. Even when the refrigerant has a sufficient cooling capacity, the temperature of the refrigerant increases near the outlet of the refrigerant flow passage 28, and the cooling capacity decreases. Therefore, particularly under conditions of high current discharge, sufficient cooling capacity cannot be obtained near the outlet of the refrigerant flow passage 28, and there is a problem that the temperature distribution near the outlet expands.

【0016】また、貫通冷却においても、図12(b)
に示すように、同一断面積を有する冷媒流路を均等に配
置した場合には、反応ガスをクロスフロー方式で流し、
高電流で放電する条件下で電極反応を行わせると、反応
ガスの入り口付近が高温になり、面内方向に温度分布が
発生するという問題がある。このような問題を解決する
ための具体的手段については、特開昭61−13137
0号公報等、先行技術文献には何ら開示されていない。
In the case of through cooling, FIG.
As shown in the figure, when the refrigerant flow paths having the same cross-sectional area are evenly arranged, the reaction gas flows in a cross-flow method,
When the electrode reaction is performed under the condition of discharging at a high current, there is a problem that the temperature near the inlet of the reaction gas becomes high and a temperature distribution occurs in the in-plane direction. For specific means for solving such a problem, see JP-A-61-113737.
No publications such as Japanese Patent Publication No. 0 are disclosed.

【0017】本発明が解決しようとする課題は、高い冷
却効率を有し、しかも単電池の積層数が多くなった場
合、あるいは、高電流で放電する条件下においても、面
内方向及び積層方向の温度分布の少ない燃料電池を提供
することにある。
The problem to be solved by the present invention is that it has a high cooling efficiency and has an in-plane direction and a laminating direction even when the number of stacked cells is large or under the condition of discharging at a high current. To provide a fuel cell having a low temperature distribution.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、電解質の両面に一対のガス拡散電極が接合
された電極・電解質接合体と、該電極・電解質接合体を
両面から挟持するセパレータとを備えた単電池が積層さ
れた燃料電池において、前記単電池を貫通する複数の冷
媒流路と、前記単電池の面内方向及び/又は積層方向の
温度分布が解消されるように、前記複数の冷媒流路にお
ける冷媒の流れを制御する温度分布解消手段とをさらに
備えていることを要旨とするものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an electrode-electrolyte assembly in which a pair of gas diffusion electrodes are joined to both surfaces of an electrolyte, and the electrode-electrolyte assembly is sandwiched from both sides. In a fuel cell in which unit cells provided with a separator are stacked, a plurality of refrigerant flow paths penetrating the unit cell and a temperature distribution in an in-plane direction and / or a stacking direction of the unit cell are eliminated. And a temperature distribution eliminating means for controlling the flow of the refrigerant in the plurality of refrigerant flow paths.

【0019】上記構成を有する本発明に係る燃料電池に
よれば、温度分布解消手段を用いて複数の冷媒流路にお
ける冷媒の流れ、例えば各冷媒流路を流れる冷媒の流量
及び/又は流速、が制御されるので、高温部に配置され
た冷媒流路に対し、低温部に配置された冷媒流路よりも
多くの冷媒を流すことができる。
According to the fuel cell of the present invention having the above-described structure, the flow of the refrigerant in the plurality of refrigerant flow paths, for example, the flow rate and / or the flow velocity of the refrigerant flowing through each of the refrigerant flow paths is determined by using the temperature distribution eliminating means. Since the control is performed, more refrigerant can flow in the refrigerant flow path arranged in the high temperature part than in the refrigerant flow path arranged in the low temperature part.

【0020】また、温度分布解消手段として、高温部に
おける冷媒流路の断面積を大きくしたり、あるいは冷媒
流路の間隔を狭くする手段を用いた場合には、高温部に
おける反応面積が小さくなり、高温部における発熱量が
抑制される。
Further, when a means for increasing the cross-sectional area of the refrigerant flow path in the high-temperature portion or reducing the space between the refrigerant flow paths is used as the temperature distribution eliminating means, the reaction area in the high-temperature portion becomes small. In addition, the amount of heat generated in the high temperature section is suppressed.

【0021】これにより、単電池の積層数が多くなった
場合、あるいは高電流で放電する場合であっても、各単
電池の面内方向の温度分布及び/又は積層方向の温度分
布を小さくすることができる。
Thus, even when the number of stacked cells is increased or when a high current is discharged, the temperature distribution in the in-plane direction and / or the temperature distribution in the stacked direction of each cell is reduced. be able to.

【0022】ここで、前記温度分布解消手段としては、
前記電極・電解質接合体の面積に対する前記冷媒流路の
断面積の割合が高温部で大きくなるように、前記複数の
冷媒流路の断面積及び/又は間隔を変化させる手段を用
いるとよい。また、これと同時に、高温部において、電
極の反応面積が小さくなるようにしてもよい。
Here, the temperature distribution eliminating means includes:
It is preferable to use means for changing the cross-sectional areas and / or intervals of the plurality of refrigerant flow paths so that the ratio of the cross-sectional area of the refrigerant flow path to the area of the electrode-electrolyte assembly increases in the high-temperature portion. At the same time, the reaction area of the electrode may be reduced in the high temperature section.

【0023】高温部に配置された冷媒流路の断面積大き
くするか、あるいは冷媒流路の間隔を小さくすると、高
温部に配置された冷媒流路を流れる冷媒の総流量が多く
なり、高温部における冷却能力を大きくすることができ
る。そのため、高電流で放電する場合、あるいは単電池
の積層数が多くなった場合であっても、面内方向及び積
層方向の温度分布を小さくすることができる。
When the cross-sectional area of the refrigerant flow path disposed in the high temperature section is increased or the interval between the refrigerant flow paths is reduced, the total flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path disposed in the high temperature section is increased. , The cooling capacity can be increased. Therefore, even when discharging at a high current or when the number of stacked cells increases, the temperature distribution in the in-plane direction and the stacking direction can be reduced.

【0024】また、前記温度分布解消手段は、低温部に
配置された複数の冷媒流路から排出される冷媒を、高温
部に配置された冷媒流路であって、前記低温部に配置さ
れた冷媒流路の数よりも少ない数の冷媒流路に還流させ
る手段を用いてもよい。
[0024] The temperature distribution eliminating means may be arranged such that the refrigerant discharged from the plurality of refrigerant flow paths arranged in the low-temperature part is a refrigerant flow path arranged in the high-temperature part and is disposed in the low-temperature part. Means for recirculating the refrigerant to a smaller number of refrigerant flow paths than the number of refrigerant flow paths may be used.

【0025】低温部に配置された複数の冷媒流路から排
出される多量の冷媒を、高温部に配置された冷媒流路で
あって、低温部に配置された冷媒流路の数より少ない数
の冷媒流路に還流すれば、高温部に配置された冷媒流路
を流れる冷媒の流速を大きくすることができる。そのた
め、高温部における冷却能力が大きくなり、高電流で放
電する場合、あるいは単電池の積層数が多くなった場合
であっても、面内方向及び積層方向の温度分布を小さく
することができる。
[0025] A large amount of refrigerant discharged from the plurality of refrigerant channels arranged in the low-temperature section is reduced by a number smaller than the number of refrigerant channels arranged in the high-temperature section and arranged in the low-temperature section. When the refrigerant is returned to the refrigerant flow path, the flow velocity of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path arranged in the high-temperature portion can be increased. Therefore, even when the cooling capacity in the high-temperature portion increases and discharge is performed at a high current, or when the number of stacked unit cells increases, the temperature distribution in the in-plane direction and the stacking direction can be reduced.

【0026】また、前記温度分布解消手段は、高温部に
配置された冷媒流路を流れる冷媒と、低温部に配置され
た冷媒流路を流れる冷媒とを入れ替える流路変更手段で
あってもよい。
Further, the temperature distribution eliminating means may be a flow path changing means for exchanging the refrigerant flowing in the refrigerant flow path arranged in the high temperature part and the refrigerant flowing in the refrigerant flow path arranged in the low temperature part. .

【0027】高温部に配置された冷媒流路を流れる冷媒
と、低温部に配置された冷媒流路を流れる冷媒を途中で
入れ替えるようにすれば、高温部には相対的に温度の低
い冷媒が流れ、低温部には相対的に温度の高い冷媒が流
れることになる。そのため、高温部における冷却能力を
高く維持することができ、高電流で放電する場合、ある
いは単電池の積層数が多くなった場合であっても、面内
方向及び積層方向の温度分布を小さくすることができ
る。
If the refrigerant flowing through the refrigerant flow path arranged in the high-temperature part and the refrigerant flowing through the refrigerant flow path arranged in the low-temperature part are exchanged on the way, the refrigerant having a relatively low temperature is placed in the high-temperature part. The refrigerant having a relatively high temperature flows in the low-temperature portion. Therefore, it is possible to maintain a high cooling capacity in the high-temperature portion, and to reduce the temperature distribution in the in-plane direction and the stacking direction even when discharging with a high current or when the number of stacked cells is increased. be able to.

【0028】さらに、前記温度分布解消手段は、異なる
冷媒流路に冷媒をカウンターフローで流すものであって
もよい。異なる冷媒流路に冷媒をカウンターフローで流
すことにより、全ての冷媒流路に冷媒を同一方向に流す
場合に比較して、積層方向の温度分布を小さくすること
ができる。
Further, the temperature distribution eliminating means may flow the refrigerant in different refrigerant flow paths in a counter flow. By causing the refrigerant to flow through the different refrigerant channels in a counter flow, the temperature distribution in the stacking direction can be reduced as compared with the case where the refrigerant flows through all the refrigerant channels in the same direction.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の第1
の実施の形態に係る燃料電池の概略構成図を示したもの
である。図1(a)において、燃料電池30は、単電池
32と、冷媒流路38とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell according to an embodiment. In FIG. 1A, the fuel cell 30 includes a unit cell 32 and a refrigerant channel 38.

【0030】単電池32は、電解質(図示せず)の両面
に一対のガス拡散電極(図示せず)が接合された電極・
電解質接合体34を、ガス通路36a、37aを備えた
セパレータ36、37で挟持したものであり、各単電池
32は、直列に積層されている。また、電極・電解質接
合体34及びセパレータ36、37には、それぞれ、冷
媒流路38が設けられている。また、冷媒流路38は、
電気絶縁性、耐食性、耐熱性、及びガスシール性の良好
な材料で形成される。
The cell 32 has an electrode in which a pair of gas diffusion electrodes (not shown) are joined to both surfaces of an electrolyte (not shown).
The electrolyte joined body 34 is sandwiched between separators 36 and 37 having gas passages 36a and 37a, and the cells 32 are stacked in series. The electrode / electrolyte assembly 34 and the separators 36 and 37 are each provided with a coolant channel 38. Further, the refrigerant channel 38 is
It is formed of a material having good electrical insulation, corrosion resistance, heat resistance, and gas sealing properties.

【0031】冷媒流路38は、各単電池32を垂直に貫
通しており、その内部を、水、不活性ガス等の冷媒を流
せるようになっている。また、図1に例示する燃料電池
30においては、断面積の等しい合計16本の冷媒流路
38が格子状に配置され、各冷媒流路38は、高温部に
おける冷却能力が大きくなるように、高温部に行くほど
その間隔が狭くなるように配置されている。
The coolant channel 38 vertically penetrates each unit cell 32 and allows a coolant such as water or an inert gas to flow therein. Further, in the fuel cell 30 illustrated in FIG. 1, a total of 16 refrigerant channels 38 having the same cross-sectional area are arranged in a lattice shape, and each of the refrigerant channels 38 has a large cooling capacity in a high-temperature portion. It is arranged so that the interval becomes narrower as it goes to the high temperature part.

【0032】すなわち、図1(a)の斜視図に示すよう
に、空気等の酸化剤を正面から背面に向かって流すと共
に、燃料ガスを上面から下面に向かって流す、いわゆる
クロスフロー方式で反応ガスを流す場合には、図3の右
側面図に示すように、単電池32の左上付近が高温部と
なる。
That is, as shown in the perspective view of FIG. 1A, a so-called cross-flow reaction is performed in which an oxidizing agent such as air flows from the front to the back and a fuel gas flows from the upper surface to the lower surface. When flowing gas, as shown in the right side view of FIG.

【0033】そのため、本実施の形態では、図1(b)
の右側面図に示すように、各冷媒通路38の横方向の間
隔を左から右に向かってa、a及びaとすると、
各冷媒流路38は、a<a<aとなるように配置
されている。同様に、各冷媒流路38の縦方向の間隔を
上から下に向かってb、b及びbとすると、各冷
媒流路38は、b<b<bとなるように配置され
ている。
For this reason, in this embodiment, FIG.
When the as shown in the right side view, and a 1, a 2 and a 3 a lateral spacing of the respective refrigerant passage 38 from left to right,
Each refrigerant flow path 38 is arranged so that a 1 <a 2 <a 3 . Similarly, when b 1, b 2 and b 3 a longitudinal spacing of each of the refrigerant flow passage 38 from top to bottom, each of the refrigerant flow paths 38, b 1 <b 2 so that <b 3 Are located.

【0034】なお、各冷媒流路38は、a=b(i
=1、2、3)となるように対称に配置してもよく、あ
るいは、横方向の間隔aと、縦方向の間隔bとが異
なるように非対称に配置しても良い。
[0034] Incidentally, the refrigerant passage 38, a i = b i (i
= 1, 2, 3) and a way may be arranged symmetrically, or the distance a i in the lateral direction, the longitudinal spacing b i may be disposed asymmetrically to be different.

【0035】具体的には、セパレータ36、37とし
て、図2に示すように、溝部(ガス通路)36a、37
aと山部36b、37bとを有するセパレータを用いる
場合には、隣接する山部36b、37bの間隔が左から
右に向かってa、a及びa となるように、山部3
6b、37bの間隔を調整したものを用いると良い。
Specifically, the separators 36 and 37 are used.
As shown in FIG. 2, grooves (gas passages) 36a, 37
a and a separator having peaks 36b and 37b are used.
In this case, the interval between the adjacent peaks 36b and 37b is set from the left.
A to the right1, A2And a 3Yamabe 3
It is preferable to use one in which the interval between 6b and 37b is adjusted.

【0036】山部36b、37bをこのように配置する
と、溝部36a、37aが直交するようにセパレータ3
6、37を重ねたときに、対向するセパレータ36の山
部36bとセパレータ37の山部37bとが交差する位
置に、冷媒流路38を設けることができる。そのため、
反応ガスの流れを阻害することなく冷媒流路38を設け
ることができるという利点がある。
When the peaks 36b and 37b are arranged in this manner, the separator 3 is arranged so that the grooves 36a and 37a are orthogonal to each other.
A coolant channel 38 can be provided at a position where the ridge 36b of the separator 36 and the ridge 37b of the separator 37 cross each other when the layers 6 and 37 overlap. for that reason,
There is an advantage that the coolant channel 38 can be provided without obstructing the flow of the reaction gas.

【0037】さらに、積層された燃料電池30の冷媒流
路38の入口側には、図4に示すように、左上付近の高
温部に冷媒導入口39aを設けると共に、高温部により
多くの冷媒を供給するためのしきい板を内部に設けた流
量分配器39を配置するとよい。このような構成を有す
る流量分配器39を用いると、高温部に大量の冷媒が分
配されるので、各冷媒流路38に均一な流速で冷媒を流
すことができるという利点がある。
Further, as shown in FIG. 4, a refrigerant inlet 39a is provided in a high temperature part near the upper left at the inlet side of the refrigerant flow path 38 of the stacked fuel cells 30, and more refrigerant is supplied to the high temperature part. It is preferable to arrange a flow distributor 39 in which a threshold plate for supplying is provided. When the flow distributor 39 having such a configuration is used, a large amount of the refrigerant is distributed to the high-temperature portion, and therefore, there is an advantage that the refrigerant can flow through each of the refrigerant flow paths 38 at a uniform flow rate.

【0038】次に、図1に示す構成を有する燃料電池3
0の作用について説明する。燃料電池30一方のセパレ
ータ36に備えられたガス通路36aに酸化剤を流し、
他方のセパレータ37に備えられるガス通路37bに燃
料ガスを流すと、電極反応が進行して発電が行われると
同時に、非効率分が熱に変わって発熱する。
Next, the fuel cell 3 having the structure shown in FIG.
The operation of 0 will be described. An oxidant is passed through a gas passage 36a provided in one separator 36 of the fuel cell 30,
When the fuel gas flows through the gas passage 37b provided in the other separator 37, the electrode reaction proceeds to generate electric power, and at the same time, the inefficiency is changed to heat and heat is generated.

【0039】この時、反応ガスの入り口付近では、相対
的に多くの反応が進行するため、温度が上昇しやすくな
っており、面内方向に温度分布が発生する。しかし、本
発明に係る燃料電池30においては、冷媒流路38が、
高温部に近くなるほど密に配置されているので、高温部
に流れる冷媒の総流量が多くなり、高温部における冷却
能力が増大する。
At this time, since a relatively large amount of reaction proceeds near the inlet of the reaction gas, the temperature tends to rise, and a temperature distribution occurs in the in-plane direction. However, in the fuel cell 30 according to the present invention, the refrigerant flow path 38
The closer the temperature is to the high temperature part, the more densely arranged the refrigerant is. Therefore, the total flow rate of the refrigerant flowing in the high temperature part increases, and the cooling capacity in the high temperature part increases.

【0040】そのため、低空気量、高電流放電等、高負
荷運転時であっても、面内方向の温度分布を小さくする
ことができる。しかも、電解質を貫通する冷媒流路38
により全ての電解質が直接冷却されるので、面内冷却に
比較して、高い冷却効率が得られ、積層方向の温度分布
も小さくなる。
Therefore, the temperature distribution in the in-plane direction can be reduced even during high load operation such as low air flow and high current discharge. Moreover, the coolant passage 38 penetrating the electrolyte
As a result, all the electrolytes are directly cooled, so that a higher cooling efficiency is obtained and the temperature distribution in the laminating direction is smaller than in-plane cooling.

【0041】また、高温部において冷媒流路38を密に
配置したことにより、高温部における反応面積が小さく
なる。そのため、反応ガス入り口付近での発熱量が抑制
され、面内方向の温度分布をさらに小さくすることがで
きる。
Further, since the refrigerant flow paths 38 are densely arranged in the high temperature section, the reaction area in the high temperature section is reduced. Therefore, the amount of heat generated near the inlet of the reaction gas is suppressed, and the temperature distribution in the in-plane direction can be further reduced.

【0042】また、冷媒流路を均等に配置した従来の貫
通冷却では、全ての単電池32を貫通する冷媒流路38
に一方から他方に向かって冷媒を流した場合、冷媒流路
38の入り口付近では冷媒の温度が低く、十分な冷却能
力を有する場合であっても、出口付近では、冷媒の温度
が上昇し、冷却能力が低下する。この出口付近での冷却
能力の低下は、単電池32の積層数が増大するに伴い、
著しくなる。
In the conventional through-cooling in which the coolant flow paths are evenly arranged, the coolant flow paths 38 penetrating all the cells 32 are provided.
When the refrigerant flows from one side to the other, the temperature of the refrigerant is low near the entrance of the refrigerant flow path 38, and even when the refrigerant has a sufficient cooling capacity, the temperature of the refrigerant increases near the exit, Cooling capacity decreases. This decrease in cooling capacity near the outlet is caused by an increase in the number of stacked cells 32.
It becomes remarkable.

【0043】しかしながら、本実施の形態では、高温部
に大量の冷媒を供給するようにしているので、単電池3
2の積層数が増大した場合であっても、冷媒流路38の
出口付近における冷媒の温度上昇が抑制され、冷却能力
を高く維持することができる。そのため、同一断面積の
冷媒流路38を均等に配置する場合に比較して、出口付
近における面内方向の温度分布を小さくすることができ
る。
However, in this embodiment, since a large amount of refrigerant is supplied to the high-temperature portion, the unit cells 3
Even if the number of stacked layers 2 increases, the temperature rise of the refrigerant near the outlet of the refrigerant channel 38 is suppressed, and the cooling capacity can be maintained high. Therefore, the temperature distribution in the in-plane direction near the outlet can be reduced as compared with the case where the coolant channels 38 having the same cross-sectional area are evenly arranged.

【0044】さらに、図4に示すような流量分配器39
を用いれば、各冷媒流路38を流れる冷媒の流速を一定
にすることができるので、高温部に配置された冷媒流路
38に大量の冷媒を確実に流すことができ、さらに面内
方向及び積層方向の温度分布を小さくすることができ
る。
Further, a flow distributor 39 as shown in FIG.
Is used, the flow rate of the refrigerant flowing through each of the refrigerant flow paths 38 can be made constant, so that a large amount of refrigerant can reliably flow through the refrigerant flow path 38 disposed in the high-temperature portion, The temperature distribution in the stacking direction can be reduced.

【0045】次に、本発明の第2の実施の形態に係る燃
料電池について説明する。図5(a)に示す燃料電池4
0は、電極・電解質接合体44を、ガス流路46a、4
7aを備えたセパレータ46、47で挟持して単電池4
2としている点、各単電池42が直列に積層されている
点、及び各単電池42を貫通する複数の冷媒流路48が
設けられている点は、図1に示す燃料電池30と同様で
あるが、各冷媒流路48を等間隔に配置すると共に、各
冷媒流路48の断面積を非同一とし、高温部に近くなる
ほど冷媒流路48の断面積を大きくした点が異なるもの
である。
Next, a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell 4 shown in FIG.
0 indicates that the electrode-electrolyte assembly 44 is
Cell 4 sandwiched between separators 46 and 47 provided with
2, the point that the unit cells 42 are stacked in series, and the point that a plurality of refrigerant channels 48 penetrating the unit cells 42 are provided are the same as the fuel cell 30 illustrated in FIG. 1. However, the difference is that the refrigerant flow paths 48 are arranged at equal intervals, the cross-sectional area of each refrigerant flow path 48 is not the same, and the cross-sectional area of the refrigerant flow path 48 increases as the temperature becomes closer to the high-temperature portion. .

【0046】すなわち、図5(b)に示すように、16
本の冷媒流路48は、単電池42の面内において等間隔
の格子状に配置されている。また、もっとも高温になる
左上隅に配置された冷媒流路48aの直径dは、ガス
が流れるための流路が確保できる範囲で最大になってお
り、もっとも温度が低くなる右辺に配置された冷媒流路
48d、48h、及び48l、並びに下辺に配置された
冷媒流路48m、48n、48p及び48qの直径d
が最小になっている。
That is, as shown in FIG.
The refrigerant channels 48 are arranged in a grid pattern at equal intervals in the plane of the unit cell 42. The most upper left corner to the deployed diameter d 1 of the refrigerant passage 48a to become a high temperature, which is the maximum within a range in which a flow path for gas to flow can be secured, is arranged on the right side of most temperature drops refrigerant passage 48d, 48h, and 48l, as well as lower the arranged coolant channel 48m, 48n, 48p and 48q diameter d 4 of the
Is minimized.

【0047】また、左上隅の冷媒流路48aに隣接して
設けられた冷媒流路48b、48e及び48fの直径d
は、冷媒流路48aの直径dより小さくなってい
る。さらに、最も温度が低くなる右片及び下辺の冷媒流
路48d等に隣接して設けられた冷媒流路48c、48
g、48i、48j、及び48kの直径dは、d
り小さく、かつdより大きくなっている。
The diameter d of the refrigerant channels 48b, 48e and 48f provided adjacent to the refrigerant channel 48a at the upper left corner.
2 is smaller than the diameter d 1 of the coolant channel 48a. Furthermore, the refrigerant flow paths 48c and 48 provided adjacent to the right and lower refrigerant flow paths 48d and the like where the temperature is lowest.
g, 48i, 48j, and the diameter d 3 of 48k is less than d 2, and is greater than d 4.

【0048】このような構成を有する燃料電池40にク
ロスフロー方式で反応ガスを流すと、反応ガスの入り口
付近で相対的に多くの反応が進行し、面内方向に温度分
布が発生する。しかしながら、本発明に係る燃料電池4
0においては、冷媒流路48の断面積が、高温部に近く
なるほど大きくなっているので、高温部に流れる冷媒の
総流量が多くなるため、また、伝熱面積も増大するた
め、高温部における冷却能力が増大する。
When a reactant gas is supplied to the fuel cell 40 having such a configuration in a cross-flow manner, a relatively large amount of reaction proceeds near the inlet of the reactant gas, and a temperature distribution is generated in an in-plane direction. However, the fuel cell 4 according to the present invention
At 0, since the cross-sectional area of the refrigerant flow path 48 becomes larger as it approaches the high-temperature portion, the total flow rate of the refrigerant flowing through the high-temperature portion increases, and the heat transfer area also increases. The cooling capacity increases.

【0049】そのため、低空気量、高電流放電等、高負
荷運転時であっても、面内方向の温度分布を小さくする
ことができる。しかも、電解質を貫通する冷媒流路48
により全ての電解質が直接冷却されるので、面内冷却に
比較して、高い冷却効率が得られ、積層方向の温度分布
も小さくなる。
Therefore, the temperature distribution in the in-plane direction can be reduced even during high load operation such as low air flow and high current discharge. Moreover, the coolant flow path 48 penetrating the electrolyte
As a result, all the electrolytes are directly cooled, so that a higher cooling efficiency is obtained and the temperature distribution in the laminating direction is smaller than in-plane cooling.

【0050】また、高温部に配置された冷媒流路48の
断面積を大きくしたことにより、高温部における伝熱面
積は増大し、反応面積が小さくなる。そのため、反応ガ
ス入り口付近での発熱量が抑制され、面内方向の温度分
布をさらに小さくすることができる。
In addition, by increasing the cross-sectional area of the refrigerant flow path 48 disposed in the high-temperature section, the heat transfer area in the high-temperature section increases, and the reaction area decreases. Therefore, the amount of heat generated near the inlet of the reaction gas is suppressed, and the temperature distribution in the in-plane direction can be further reduced.

【0051】また、高温部に配置された冷媒流路48の
断面積を大きくすることにより、高温部に大量の冷媒が
供給されるので、単電池32の積層数が増大した場合で
あっても、冷媒流路38の出口付近における冷媒の温度
上昇が抑制され、冷却能力を高く維持することができ
る。そのため、同一断面積の冷媒流路38を均等に配置
する場合に比較して、出口付近における面内方向の温度
分布を小さくすることができる。
Further, by increasing the cross-sectional area of the refrigerant flow path 48 disposed in the high-temperature section, a large amount of refrigerant is supplied to the high-temperature section, so that even if the number of stacked cells 32 increases. In addition, a rise in the temperature of the refrigerant near the outlet of the refrigerant channel 38 is suppressed, and the cooling capacity can be maintained high. Therefore, the temperature distribution in the in-plane direction near the outlet can be reduced as compared with the case where the coolant channels 38 having the same cross-sectional area are evenly arranged.

【0052】さらに、高温側に配置された冷媒流路48
の断面積を大きくすると同時に、低温側に配置された冷
媒流路48の断面積を小さくすれば、1セル当たりの反
応面積を、図1に示す燃料電池30と同等の大きさに維
持することができる。これにより、燃料電池40の出力
を犠牲にすることなく、面内方向及び積層方向の温度分
布を小さくすることができる。
Further, the refrigerant flow path 48 disposed on the high temperature side
By increasing the cross-sectional area of the fuel cell and reducing the cross-sectional area of the refrigerant flow path 48 arranged on the low temperature side, the reaction area per cell can be maintained at the same size as the fuel cell 30 shown in FIG. Can be. Thus, the temperature distribution in the in-plane direction and the stacking direction can be reduced without sacrificing the output of the fuel cell 40.

【0053】なお、図4に示すような流量分配器39を
用いれば、各冷媒流路48を流れる冷媒の流速を一定に
することができるので、高温部に配置された冷媒流路4
8に大量の冷媒を確実に流すことができ、さらに面内方
向の温度分布を小さくすることができる点は、図1に示
す燃料電池30と同様である。
When the flow distributor 39 as shown in FIG. 4 is used, the flow rate of the refrigerant flowing through each of the refrigerant flow paths 48 can be kept constant.
8 is similar to the fuel cell 30 shown in FIG. 1 in that a large amount of refrigerant can be reliably flowed through the fuel cell 8 and the temperature distribution in the in-plane direction can be reduced.

【0054】次に、本発明の第3の実施の形態に係る燃
料電池について説明する。図6に示す燃料電池50は、
電極・電解質接合体54を、ガス流路56a、57aを
備えたセパレータ56、57で挟持して単電池52とし
ている点、各単電池52を直列に積層している点、及び
各単電池52を貫通する複数の冷媒流路58が設けられ
ている点は、図1に示す燃料電池30と同様であるが、
断面積の等しい冷媒流路58を等間隔に配置すると共
に、低温部から高温部に向かって冷媒をUターンさせる
点が異なるものである。
Next, a fuel cell according to a third embodiment of the present invention will be described. The fuel cell 50 shown in FIG.
The electrode / electrolyte assembly 54 is sandwiched between separators 56 and 57 having gas flow paths 56a and 57a to form the unit cells 52, the unit cells 52 are stacked in series, and the unit cells 52 The point that a plurality of refrigerant channels 58 penetrating through is provided is the same as the fuel cell 30 shown in FIG.
The difference lies in that the coolant channels 58 having the same cross-sectional area are arranged at equal intervals, and the coolant is U-turned from the low-temperature portion to the high-temperature portion.

【0055】すなわち、図6(b)に示すように、16
本の冷媒流路48は、単電池42の面内において等間隔
の格子状に配置されており、各冷媒流路48の断面積は
等しくなっている。また、図6(a)に示す燃料電池5
0においては、燃料ガスを上面から下面に流すと共に、
酸化剤を背面から正面に向かって流すようになっている
ので、図6(b)の右側面図に示すように、右上隅が高
温部となる。
That is, as shown in FIG.
The refrigerant channels 48 are arranged in a grid pattern at equal intervals in the plane of the unit cell 42, and the cross-sectional areas of the respective refrigerant channels 48 are equal. Further, the fuel cell 5 shown in FIG.
At 0, the fuel gas flows from the upper surface to the lower surface,
Since the oxidizing agent is caused to flow from the back to the front, the upper right corner is a high temperature portion as shown in the right side view of FIG.

【0056】また、冷媒は、左下隅の低温部に位置する
6本の冷媒流路58aを左側面から右側面に向かって流
れるようになっている。また、この6本の冷媒流路58
aから排出される冷媒は、左上から右下の対角線上に並
ぶ4本の冷媒流路58bに還流され、この4本の冷媒流
路58bを右側面から左側面に向かって流れるようにな
っている。
The refrigerant flows from the left side to the right side through the six refrigerant passages 58a located in the low-temperature portion at the lower left corner. In addition, the six refrigerant flow paths 58
The refrigerant discharged from a is returned to four refrigerant flow paths 58b arranged on the diagonal line from the upper left to the lower right, and flows through the four refrigerant flow paths 58b from the right side to the left side. I have.

【0057】同様に、対角線上に並ぶ4本の冷媒流路5
8bから排出された冷媒は、この4本の冷媒流路58b
より高温部側に位置する3本の冷媒流路58cに還流さ
れ、この3本の冷媒流路58cを左側面から右側面に向
かって流れるようになっている。
Similarly, four refrigerant flow paths 5 arranged diagonally
The refrigerant discharged from the refrigerant passages 8b is connected to the four refrigerant passages 58b.
The refrigerant is returned to the three refrigerant channels 58c located on the higher temperature side, and flows from the left side to the right side in the three refrigerant channels 58c.

【0058】同様に、3本の冷媒流路58cから排出さ
れた冷媒は、この3本の冷媒流路58cよりさらに高温
部側に位置する2本の冷媒流路58dに還流され、この
2本の冷媒流路58dを右側面から左側面に向かって流
れるようになっている。
Similarly, the refrigerant discharged from the three refrigerant channels 58c is recirculated to two refrigerant channels 58d located on the higher temperature side than the three refrigerant channels 58c. Flows from the right side surface to the left side surface in the refrigerant passage 58d.

【0059】さらに、2本の冷媒流路58dから排出さ
れた冷媒は、もっとも高温部側に位置する1本の冷媒流
路58eに還流され、この1本の冷媒流路58eを左側
面から右側面に向かって流れるようになっている。
Further, the refrigerant discharged from the two refrigerant passages 58d is recirculated to one refrigerant passage 58e located at the highest temperature side, and the one refrigerant passage 58e is moved from the left side to the right side. It flows toward the surface.

【0060】このように、低温側から高温側へとUター
ンさせて冷媒を流すと共に、冷媒流路58の本数を順次
減らすようにすると、高温部に近づくにつれて、冷媒流
路58を流れる冷媒の流速が速くなる。そのため、低空
気量、高電流放電等、高負荷運転時、あるいは単電池5
2の積層数が増大した場合であっても、高温部における
冷却能力を高く維持することができ、面内方向及び積層
方向の温度分布を小さくすることができる。
As described above, when the refrigerant is caused to flow in a U-turn from the low temperature side to the high temperature side and the number of the refrigerant flow paths 58 is sequentially reduced, the refrigerant flowing through the refrigerant flow path 58 becomes closer to the high temperature part. The flow velocity increases. Therefore, during high load operation such as low air flow, high current discharge, etc.
Even when the number of stacked layers 2 increases, the cooling capacity in the high-temperature portion can be maintained high, and the temperature distribution in the in-plane direction and the stacking direction can be reduced.

【0061】次に、本発明の第4の実施の形態に係る燃
料電池について説明する。図7に示す燃料電池60は、
単電池62を貫通する冷媒流路64を備えると共に、単
電池62を3セル積層する毎に、2つの流路変更装置6
6が積層さている。
Next, a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention will be described. The fuel cell 60 shown in FIG.
A refrigerant flow path 64 penetrating through the cell 62 is provided, and each time three cells 62 are stacked, two flow path changing devices 6
6 are stacked.

【0062】単電池62は、図1に示す燃料電池30と
同様、電極・電解質接合体(図示せず)を、ガス流路を
備えたセパレータ(図示せず)で挟持した構造を有して
いるものである。
The unit cell 62 has a structure in which an electrode-electrolyte assembly (not shown) is sandwiched between separators (not shown) provided with gas channels, similarly to the fuel cell 30 shown in FIG. Is what it is.

【0063】また、単電池62は、図7(b)に示すよ
うに、面内方向の温度分布を考慮し、セル面内において
冷却空間を対角線方向に沿って4つの領域(以下、これ
らをそれぞれ「領域a」、「領域b」、「領域c」及び
「領域d」という)に分割され、各領域には、それぞれ
4個の冷媒流路64が設けられている。
As shown in FIG. 7 (b), in consideration of the temperature distribution in the in-plane direction, the cell 62 extends the cooling space along the diagonal direction in the cell plane into four regions (hereinafter, referred to as four regions). Each is divided into “region a”, “region b”, “region c”, and “region d”), and each region is provided with four refrigerant channels 64.

【0064】また、燃料電池60の両端には、流量分配
器68a、68bが設けられ、流量分配器68aから、
各冷媒流路64に冷媒を分配し、各冷媒流路64から排
出される冷媒を、流量分配器64bで集めて燃料電池6
0から排出するようになっている。
At both ends of the fuel cell 60, flow distributors 68a and 68b are provided.
The refrigerant is distributed to each of the refrigerant flow paths 64, and the refrigerant discharged from each of the refrigerant flow paths 64 is collected by the flow distributor 64 b and collected by the fuel cell 6.
It is designed to discharge from 0.

【0065】流路変更装置66は、図8(a)の斜視図
に示すように、対角線方向に隔壁66aが設けられ、内
部が4分割されている(以下、これらを「分割室A」、
「分割室B」、「分割室C」及び「分割室D」とい
う)。各分割室は、図8(b)の略図に示すように、2
つの隔壁66aで仕切られ、その内の一方の隔壁66a
の下部には、開口部66bが設けられている。
As shown in the perspective view of FIG. 8 (a), the flow path changing device 66 is provided with a partition wall 66a in a diagonal direction, and is internally divided into four parts (hereinafter, these will be referred to as "division chamber A",
“Division room B”, “division room C” and “division room D”). As shown in the schematic diagram of FIG.
Partition 66a, and one of the partitions 66a
An opening 66b is provided in the lower part of.

【0066】また、各分割室は、斜め方向に設けられた
三角形の誘導板66cにより上下に仕切られ、各分割室
の上部に流れ込んだ冷媒を、誘導板66cに沿って開口
部66bに誘導し、隣接する分割室の下部に排出するよ
うになっている。すなわち、流路変更装置66は、冷媒
の流れる方向を90゜回転させる働きを有しているもの
である。
Each of the divided chambers is vertically divided by a triangular guide plate 66c provided in an oblique direction, and the refrigerant flowing into the upper part of each divided chamber is guided to the opening 66b along the guide plate 66c. Is discharged to the lower part of the adjacent divided chamber. That is, the flow path changing device 66 has a function of rotating the flowing direction of the refrigerant by 90 °.

【0067】なお、流路変更装置66の材質には、導電
性の良好な物質を用いることが望ましい。流路変更装置
66の材質として、導電性の良好な物質を用いると、単
電池62と直列に接続することが可能となり、燃料電池
60の構造が単純化されるためである。
The material of the flow path changing device 66 is desirably a material having good conductivity. This is because, if a material having good conductivity is used as the material of the flow path changing device 66, it can be connected in series with the unit cell 62, and the structure of the fuel cell 60 is simplified.

【0068】また、積層方向の電気的導通を確保するた
め、誘導板66cには、複数の突起を設けてもよい。さ
らに、流路変更装置66と単電池62との接触面積は、
電気的な導通を確保するため、できるだけ大きくとるこ
とが望ましい。
Further, a plurality of protrusions may be provided on the guide plate 66c in order to secure electrical conduction in the stacking direction. Furthermore, the contact area between the flow path changing device 66 and the cell 62 is:
In order to ensure electrical continuity, it is desirable that the distance be as large as possible.

【0069】次に、図7に示す燃料電池60の作用につ
いて説明する。本実施の形態の場合、単電池62を3セ
ル積層する毎に、2つの流路変更装置66、66を積層
するようにしているので、流路変更装置66、66の上
流側に位置する単電池62に設けられた冷媒流路64か
ら排出された冷媒は、流路変更装置66、66により流
れの方向が180゜回転させられ、流路変更装置66、
66の下流側に位置する単電池62に設けられた冷媒流
路64に流入することになる。
Next, the operation of the fuel cell 60 shown in FIG. 7 will be described. In the case of the present embodiment, each time three unit cells 62 are stacked, the two flow path changing devices 66, 66 are stacked. The refrigerant discharged from the refrigerant flow path 64 provided in the battery 62 has its flow direction rotated by 180 ° by the flow path changing devices 66, 66, and the flow direction changing device 66,
The refrigerant flows into the refrigerant channel 64 provided in the unit cell 62 located downstream of the cell 66.

【0070】例えば、流路変更装置66の上流側に位置
する単電池62の領域aに配置された冷媒流路64から
排出された冷媒は、図8(b)に示すように、一段目の
流路変更装置66の分割室Aの上部に流入する。分割室
Aの上部に流入した冷媒は、分割室Aに設けられた誘導
板66cに沿って、分割室Bの下部に誘導される。
For example, as shown in FIG. 8 (b), the refrigerant discharged from the refrigerant flow path 64 disposed in the area a of the unit cell 62 located on the upstream side of the flow path changing device 66 It flows into the upper part of the division chamber A of the flow path changing device 66. The refrigerant flowing into the upper part of the divided room A is guided to the lower part of the divided room B along the guide plate 66c provided in the divided room A.

【0071】また、一段目の流路変更装置66の分割室
Bの下部から排出された冷媒は、2段目の流路変更装置
66の分割室Bの上部に流入する。分割室Bの上部に流
入した冷媒は、さらに分割室Bに設けられた誘導板66
cに沿って、分割室Cの下部に誘導され、流路変更装置
66の下流側に位置する単電池62の領域cに配置され
た冷媒流路64に流れ込む。
The refrigerant discharged from the lower part of the division chamber B of the first-stage flow path changing device 66 flows into the upper part of the division chamber B of the second-stage flow path changing device 66. The refrigerant that has flowed into the upper part of the divided room B is further supplied to the guide plate 66 provided in the divided room B.
Along the line c, the refrigerant is guided to the lower part of the divided chamber C and flows into the refrigerant flow path 64 arranged in the area c of the unit cell 62 located on the downstream side of the flow path changing device 66.

【0072】流路変更装置66の上流側に位置する単電
池62の領域b、領域c及び領域dに配置された冷媒流
路64を流れる冷媒も同様であり、流路変更装置66、
66により、流れの方向が180゜回転させられ、それ
ぞれ、流路変更装置66の下流側に位置する単電池62
の領域d、領域a及び領域bに配置された冷媒流路64
に流れ込む。
The same applies to the refrigerant flowing through the refrigerant flow paths 64 arranged in the areas b, c and d of the unit cell 62 located on the upstream side of the flow path changing device 66.
66, the flow direction is rotated by 180 °, and each of the cells 62 located downstream of the flow path changing device 66
Refrigerant passage 64 arranged in the region d, the region a and the region b
Flow into

【0073】従って、図7(b)の右側面図に示すよう
に、反応ガスをクロスフロー方式で流した場合には、領
域a及び領域dが高温部となり、領域b及び領域cが低
温部になるが、流路変更装置66、66を通過させるこ
とにより、初めに高温部に配置された冷媒流路64を流
れていた冷媒は、低温部に配置された冷媒流路64を流
れるようになり、逆に初めに低温部に配置された冷媒流
路64を流れていた冷媒は、高温部に配置された冷媒流
路64を流れるようになる。
Therefore, as shown in the right side view of FIG. 7 (b), when the reactant gas is flowed by the cross flow method, the regions a and d become the high temperature parts, and the regions b and c become the low temperature parts. However, by allowing the refrigerant to pass through the flow path change devices 66, 66, the refrigerant initially flowing through the refrigerant flow path 64 disposed in the high-temperature part flows through the refrigerant flow path 64 disposed in the low-temperature part. In other words, conversely, the refrigerant initially flowing in the refrigerant flow path 64 disposed in the low-temperature part flows through the refrigerant flow path 64 disposed in the high-temperature part.

【0074】このように、冷媒が燃料電池60を通過す
る途中で、低温部を流れる冷媒と、高温部を流れる冷媒
とを入れ替えるようにすれば、低温部には、相対的に温
度の高い冷媒が流れ、高温部には相対的に温度の低い冷
媒が流れることになる。そのため、高温部に配置された
冷媒流路64を流れる冷媒の冷却能力を高く維持するこ
とができ、流路変更装置66を設けない場合に比較し
て、面内方向及び積層方向の温度分布を小さくすること
ができる。
As described above, if the refrigerant flowing through the low-temperature part and the refrigerant flowing through the high-temperature part are exchanged during the passage of the refrigerant through the fuel cell 60, the refrigerant having a relatively high temperature is added to the low-temperature part. Flows, and a relatively low-temperature refrigerant flows through the high-temperature portion. Therefore, the cooling capacity of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path 64 disposed in the high-temperature portion can be maintained high, and the temperature distribution in the in-plane direction and the stacking direction can be reduced as compared with the case where the flow path changing device 66 is not provided. Can be smaller.

【0075】なお、流路変更装置66を用いて、冷媒流
路64を流れる冷媒を入れ替える代わりに、積層された
単電池62に供給される反応ガスのガス流方向を変更す
ることにより、流路変更装置66を用いた場合と同様の
効果を得ることもできる。
It is to be noted that the flow direction of the reactant gas supplied to the stacked unit cells 62 is changed by using the flow path changing device 66 instead of replacing the refrigerant flowing through the refrigerant flow path 64, whereby the flow path is changed. The same effect as when the changing device 66 is used can be obtained.

【0076】すなわち、図9に示すように、単電池72
を直列に積層して燃料電池70を構成すると共に、各単
電池72をいくつかのブロックに分割する。図9(a)
に例示する燃料電池70においては、単電池72を3セ
ル積層して1つのブロックを構成し、合計3つのブロッ
クに分割されている。
That is, as shown in FIG.
Are stacked in series to form a fuel cell 70, and each cell 72 is divided into several blocks. FIG. 9 (a)
In the fuel cell 70 exemplified in (1), three single cells 72 are stacked to form one block, which is divided into a total of three blocks.

【0077】そして、冷媒流路74の入口側に位置する
第1ブロックでは、図9(b)の右側面図に示すよう
に、燃料ガスを上面から下面に向かって流すと共に、酸
化剤を正面から背面に向かって流す。これにより、第1
ブロックでは、領域a及び領域dが高温部となり、領域
b及び領域cが低温部となる。
In the first block located on the inlet side of the refrigerant passage 74, as shown in the right side view of FIG. 9B, the fuel gas flows from the upper surface to the lower surface, and the oxidant flows in the front surface. From the back to the back. Thereby, the first
In the block, the area a and the area d become high temperature parts, and the area b and the area c become low temperature parts.

【0078】また、中間に位置する第2ブロックでは、
図9(c)の右側面図に示すように、第1ブロックとは
ガス流方向を反転させ、燃料ガスを下面から上面に向か
って流すと共に、酸化剤を背面から正面に向かって流
す。これにより、第2ブロックでは、領域b及び領域c
が高温部となり、領域a及び領域dが低温部となる。す
なわち、ガス流方向を途中で逆転させることにより、高
温部と低温部が180゜回転したことになる。
In the second block located in the middle,
As shown in the right side view of FIG. 9C, the gas flow direction is reversed from that of the first block so that the fuel gas flows from the lower surface to the upper surface and the oxidant flows from the back surface to the front surface. Thereby, in the second block, the area b and the area c
Is a high-temperature portion, and regions a and d are low-temperature portions. That is, by reversing the gas flow direction in the middle, the high temperature part and the low temperature part are rotated by 180 °.

【0079】さらに、冷媒流路78の出口側にある第3
ブロックでは、再度、ガス流方向を反転させ、図9
(b)に示すように、燃料ガスを上面から下面に向かっ
て流すと共に、酸化剤を正面から背面に向かって流す。
これにより、第3ブロックでは、領域a及び領域dが高
温部となり、領域b及び領域cが低温部となる。
Further, the third flow path at the outlet side of the refrigerant flow path 78
In the block, the gas flow direction is reversed again, and FIG.
As shown in (b), the fuel gas flows from the upper surface to the lower surface, and the oxidant flows from the front to the rear.
As a result, in the third block, the regions a and d become high-temperature portions, and the regions b and c become low-temperature portions.

【0080】以上のように、流路変更装置を用いて、高
温部を流れる冷媒と低温部を流れる冷媒とを入れ替える
代わりに、ガス流方向を途中で反転させれば、冷媒流路
74を流れる冷媒は、高温部と低温部を交互に流れるこ
とになる。そのため、高温部に配置された冷媒流路74
を流れる冷媒の冷却能力を高く維持することができ、高
負荷運転時、あるいは単電池72の積層数が多くなった
場合であっても、面内方向及び積層方向の温度分布を小
さくすることができる。
As described above, instead of using the flow path changing device to exchange the refrigerant flowing in the high temperature section and the refrigerant flowing in the low temperature section, the gas flow direction is reversed halfway, so that the refrigerant flows through the refrigerant flow path 74. The refrigerant flows between the high temperature part and the low temperature part alternately. Therefore, the refrigerant flow path 74 arranged in the high temperature section
The cooling capacity of the refrigerant flowing through the battery can be maintained high, and the temperature distribution in the in-plane direction and the stacking direction can be reduced even under high load operation or when the number of stacked cells 72 is increased. it can.

【0081】次に、本発明の第5の実施の形態に係る燃
料電池について説明する。図10に示す燃料電池80
は、電極・電解質接合体84を、ガス流路86a、87
aを備えたセパレータ86、87で挟持して単電池82
としている点、各単電池82を直列に積層している点、
各単電池82を貫通する複数の冷媒流路88が設けられ
ている点、及び断面積の等しい冷媒流路88を等間隔に
配置している点は、図6に示す燃料電池50と同様であ
るが、冷媒流路88を2つのグループに分け、カウンタ
ーフローとなるように冷媒を流す点が異なるものであ
る。
Next, a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention will be described. The fuel cell 80 shown in FIG.
Is used to connect the electrode-electrolyte assembly 84 to the gas flow paths 86a, 87
a between the separators 86 and 87 provided with
That each cell 82 is stacked in series,
The point that a plurality of refrigerant channels 88 penetrating each unit cell 82 are provided and that the refrigerant channels 88 having the same cross-sectional area are arranged at equal intervals are the same as the fuel cell 50 shown in FIG. However, the difference lies in that the coolant channel 88 is divided into two groups and the coolant flows so as to have a counter flow.

【0082】すなわち、図10(b)の右側面図に示す
ように、16本の冷媒流路88は、単電池82の面内に
おいて等間隔の格子状に配置されており、各冷媒流路8
8の断面積は等しくなっている。また、図10(a)に
示す燃料電池80においては、燃料ガスを上面から下面
に流すと共に、酸化剤を正面から背面に向かって流すよ
うになっている。
That is, as shown in the right side view of FIG. 10B, the sixteen coolant channels 88 are arranged in a grid at equal intervals in the plane of the unit cell 82, and each coolant channel 88 8
8 have the same cross-sectional area. In the fuel cell 80 shown in FIG. 10A, the fuel gas flows from the upper surface to the lower surface, and the oxidant flows from the front to the rear.

【0083】また、各冷媒流路88は、右側面から左側
面に向かって冷媒を流す第1グループ(図10(b)
中、「X」で表示)と、左側面から右側面に向かって冷
媒を流す第2グループ(図10(b)中、「・」で表
示)に分けられ、第1グループに属する冷媒流路88a
同士、又は第2グループに属する冷媒流路88b同士が
隣り合わないように、冷媒流路88a及び冷媒流路88
bが交互に配置されている。
Each of the refrigerant flow paths 88 is formed by a first group (FIG. 10B) through which the refrigerant flows from the right side to the left side.
And a second group (indicated by “•” in FIG. 10 (b)) through which the refrigerant flows from the left side to the right side, and refrigerant flow paths belonging to the first group. 88a
The refrigerant flow paths 88a and the refrigerant flow paths 88a so that the refrigerant flow paths 88b belonging to the second group do not adjoin each other.
b are alternately arranged.

【0084】このように、各冷媒流路88を2つのグル
ープに分け、互いにカウンターフローとなるように冷媒
を流すと、第1グループに属する冷媒流路88aを流れ
る冷媒の冷却能力は、燃料電池80の右側で大きくなる
が、燃料電池80の左側に向かうにつれて、冷媒の温度
が上昇し、冷却能力が低下する。
As described above, when the refrigerant flow paths 88 are divided into two groups and the refrigerant flows in such a manner as to have a counterflow with each other, the cooling capacity of the refrigerant flowing through the refrigerant flow paths 88a belonging to the first group is reduced by the fuel cell. Although it increases on the right side of the fuel cell 80, the temperature of the refrigerant rises toward the left side of the fuel cell 80, and the cooling capacity decreases.

【0085】しかしながら、第2グループに属する冷媒
流路88bは、燃料電池80の左側から右側に向かって
冷媒を流すようになっているので、冷媒流路88bを流
れる冷媒の冷却能力は、燃料電池80の左側で大きくな
り、第1グループに属する冷媒流路88aを流れる冷媒
の冷却能力の低下を補うことができる。そのため、全て
の冷媒流路に対し、同一方向に冷媒を流す従来の方法に
比較して、積層方向の温度分布を小さくすることができ
る。
However, since the refrigerant flow channel 88b belonging to the second group allows the refrigerant to flow from the left side to the right side of the fuel cell 80, the cooling capacity of the refrigerant flowing through the refrigerant flow channel 88b is It becomes larger on the left side of 80 and can compensate for a decrease in the cooling capacity of the refrigerant flowing through the refrigerant channel 88a belonging to the first group. Therefore, the temperature distribution in the stacking direction can be reduced as compared with the conventional method in which the coolant flows in the same direction in all the coolant channels.

【0086】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention. is there.

【0087】例えば、上記実施の形態において、面内方
向及び/又は積層方向の温度分布を解消するための各種
の方法を示したが、これらの実施の形態は、単独で用い
ても良く、あるいは上記各実施の形態を組み合わせて用
いても良い。
For example, in the above embodiments, various methods for eliminating the temperature distribution in the in-plane direction and / or the laminating direction have been described. However, these embodiments may be used alone or The above embodiments may be used in combination.

【0088】例えば、第1の実施の形態と第5の実施の
形態を組み合わせ、等断面積を有する冷媒流路を、高温
部に近づくほどその間隔が狭くなるように配置すると共
に、配置された冷媒流路を互いに隣り合わないように2
つのグループに分け、カウンターフローとなるように冷
媒を流しても良い。これにより、面内方向の温度分布
と、積層方向の温度分布の双方を同時に小さくすること
ができる。
For example, by combining the first embodiment and the fifth embodiment, the refrigerant flow paths having the same cross-sectional area are arranged so that the distance between them becomes narrower as approaching the high-temperature part. Make sure that the refrigerant channels are not adjacent to each other.
The refrigerant may be divided into two groups and the refrigerant may be flowed so as to have a counter flow. Thereby, both the temperature distribution in the in-plane direction and the temperature distribution in the stacking direction can be reduced at the same time.

【0089】また、第2の実施の形態と第5の実施の形
態を組み合わせ、冷媒流路を等間隔に配置し、高温部に
近づくほど冷媒流路の断面積を大きくすると共に、配置
された冷媒流路を互いに隣り合わないように2つのグル
ープに分け、カウンターフローとなるように冷媒を流し
ても良い。このような組み合わせであっても、面内方向
の温度分布と、積層方向の温度分布の双方を同時に小さ
くすることができる。
Further, by combining the second and fifth embodiments, the refrigerant flow paths are arranged at regular intervals, and the cross-sectional area of the refrigerant flow path is increased as the temperature becomes closer to the high temperature portion. The refrigerant channels may be divided into two groups so as not to be adjacent to each other, and the refrigerant may be flowed so as to have a counter flow. Even in such a combination, both the temperature distribution in the in-plane direction and the temperature distribution in the stacking direction can be reduced at the same time.

【0090】また、第4の実施の形態では、単電池を3
セル積層する毎に2つの流路変更装置を積層するように
しているが、単電池を2セル、あるいは4セル以上積層
する毎に2つの流路変更装置を積層しても良い。
Further, in the fourth embodiment, three cells are used.
Although two flow path change devices are stacked every time cells are stacked, two flow path change devices may be stacked every time two or four or more cells are stacked.

【0091】また、上記実施の形態では、6セル〜9セ
ルの単電池を積層し、積層された単電池に対して16本
の冷媒流路を貫通させた燃料電池について説明したが、
図示された単電池の積層数、冷媒流路の本数等は、単な
る例示であり、大面積を有する単電池を数百セル積層
し、17本以上の冷媒流路を貫通させるようにしてもよ
い。そして、各冷媒流路を流れる冷媒の流速及び/又は
流量を適宜制御すれば、上記実施の形態と同様、面内方
向及び積層方向の温度分布の小さい燃料電池を得ること
ができる。
In the above-described embodiment, the fuel cell has been described in which unit cells of 6 to 9 cells are stacked, and 16 refrigerant channels are passed through the stacked unit cells.
The illustrated number of stacked cells, the number of refrigerant flow paths, and the like are merely examples, and several hundred cells having a large area may be stacked and penetrated through 17 or more refrigerant flow paths. . Then, by appropriately controlling the flow velocity and / or flow rate of the refrigerant flowing through each refrigerant flow path, it is possible to obtain a fuel cell having a small temperature distribution in the in-plane direction and the lamination direction, as in the above embodiment.

【0092】さらに、本発明が適用される燃料電池の種
類については、特に限定されるものではなく、固体高分
子型燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電
池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等、
あらゆる種類の燃料電池に適用でき、これにより上記実
施の形態と同様の効果を得ることができる。
Further, the type of the fuel cell to which the present invention is applied is not particularly limited, and a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, a molten carbonate fuel cell , Solid oxide fuel cells, etc.
The present invention can be applied to all kinds of fuel cells, whereby the same effects as those of the above embodiment can be obtained.

【0093】[0093]

【発明の効果】本発明は、電解質の両面に一対のガス拡
散電極が接合された電極・電解質接合体と、該電極・電
解質接合体を両面から挟持するセパレータとを備えた単
電池が積層された燃料電池において、前記単電池を貫通
する複数の冷媒流路と、前記複数の冷媒流路における冷
媒の流れを制御する温度分布解消手段とをさらに備えて
いるので、高い冷却効率が得られると共に、面内方向及
び積層方向の温度分布を小さくすることができるという
効果がある。
According to the present invention, a unit cell comprising an electrode / electrolyte joined body having a pair of gas diffusion electrodes joined to both sides of an electrolyte and a separator sandwiching the electrode / electrolyte joined body from both sides is laminated. The fuel cell further comprises a plurality of refrigerant flow paths penetrating the unit cell, and a temperature distribution eliminating means for controlling the flow of the refrigerant in the plurality of refrigerant flow paths, so that high cooling efficiency is obtained. This has the effect that the temperature distribution in the in-plane direction and the lamination direction can be reduced.

【0094】また、前記温度分布解消手段として、前記
電極・電解質接合体の面積に対する前記冷媒流路の断面
積の割合が高温部で大きくなるように、前記複数の冷媒
流路の断面積及び/又は間隔を変化させる手段を用いれ
ば、高温部に配置された冷媒流路を流れる冷媒の総流量
が大きくなると共に、高温部における反応面積が小さく
なるので、面内方向及び積層方向の温度分布を小さくす
ることができるという効果がある。
[0094] The temperature distribution eliminating means may have a cross-sectional area and / or a cross-sectional area of the plurality of refrigerant flow paths such that a ratio of a cross-sectional area of the refrigerant flow path to an area of the electrode-electrolyte assembly is increased in a high-temperature portion. Or, if the means for changing the interval is used, the total flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path arranged in the high-temperature portion increases, and the reaction area in the high-temperature portion decreases, so that the temperature distribution in the in-plane direction and the stacking direction is reduced. There is an effect that it can be reduced.

【0095】また、前記温度分布解消手段として、低温
部に配置された複数の冷媒流路から排出される冷媒を、
高温部に配置された冷媒流路であって、前記低温部に配
置された冷媒流路の数よりも少ない数の冷媒流路に還流
させる手段を用いれば、高温部に配置された冷媒流路を
流れる冷媒の流速が大きくなり、面内方向及び積層方向
の温度分布を小さくすることができるという効果があ
る。
Further, as the temperature distribution eliminating means, the refrigerant discharged from a plurality of refrigerant passages arranged in the low temperature section is used.
A refrigerant flow path arranged in the high-temperature portion, wherein a means for returning to a smaller number of refrigerant flow passages than the number of refrigerant flow passages arranged in the low-temperature portion is used. This has the effect of increasing the flow velocity of the refrigerant flowing through the substrate and reducing the temperature distribution in the in-plane direction and the lamination direction.

【0096】また、前記温度分布解消手段として、高温
部に配置された冷媒流路を流れる冷媒と、低温部に配置
された冷媒流路を流れる冷媒とを入れ替える流路変更手
段を用いれば、高温部に配置された冷媒流路には相対的
に温度の低い冷媒が流れ、低温部に配置された冷媒流路
には相対的に温度の高い冷媒が流れるので、高温部を流
れる冷媒の冷却能力を高く維持することができ、面内方
向及び積層方向の温度分布を小さくすることができると
いう効果がある。
Further, if the flow distribution changing means for exchanging the refrigerant flowing in the refrigerant flow path arranged in the high temperature part and the refrigerant flowing in the refrigerant flow path arranged in the low temperature part is used as the temperature distribution eliminating means, The relatively low-temperature refrigerant flows through the refrigerant flow path disposed in the low-temperature part, and the relatively high-temperature refrigerant flows through the refrigerant flow path disposed in the low-temperature part. And the temperature distribution in the in-plane direction and the lamination direction can be reduced.

【0097】さらに、前記温度分布解消手段として、異
なる冷媒流路に冷媒をカウンターフローで流す手段を用
いれば、全ての冷媒流路に冷媒を同一方向に流す場合に
比較して、積層方向の温度分布を小さくすることができ
るという効果がある。
Further, when the means for flowing the refrigerant in different refrigerant flow paths by the counter flow is used as the temperature distribution eliminating means, the temperature in the stacking direction can be reduced as compared with the case where the refrigerant flows in the same direction in all the refrigerant flow paths. There is an effect that the distribution can be reduced.

【0098】以上のように、本発明によれば、単電池が
積層された燃料電池の面内方向及び積層方向の温度分布
が容易に解消され、全ての単電池を最適温度内で放電さ
せることができるので、燃料電池の最大出力を、容易か
つ安定して得ることが可能となる。そのため、これを例
えば自動車用の燃料電池システムに応用すれば、自動車
の高出力化、高効率化等に寄与するものであり、産業上
その効果の極めて大きい発明である。
As described above, according to the present invention, the temperature distribution in the in-plane direction and the stacking direction of the fuel cells in which the cells are stacked is easily eliminated, and all the cells are discharged within the optimum temperature. Therefore, the maximum output of the fuel cell can be easily and stably obtained. Therefore, if this is applied to, for example, a fuel cell system for an automobile, it contributes to higher output and higher efficiency of the automobile, etc., and is an invention which has an extremely large industrial effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1(a)は、本発明の第1の実施の形態に係
る燃料電池の斜視図であり、図1(b)は、その右側面
図である。
FIG. 1A is a perspective view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a right side view thereof.

【図2】図1に示す燃料電池に用いられるセパレータの
一例を示す平面図及び正面図である。
FIG. 2 is a plan view and a front view showing an example of a separator used in the fuel cell shown in FIG.

【図3】反応ガスのガス流方向と、単電池の面内方向に
発生する温度分布の関係を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a gas flow direction of a reaction gas and a temperature distribution generated in an in-plane direction of a unit cell.

【図4】図1に示す燃料電池に用いられる流量分配器の
正面図及び右側面図である。
FIG. 4 is a front view and a right side view of a flow distributor used in the fuel cell shown in FIG. 1;

【図5】図5(a)は、本発明の第2の実施の形態に係
る燃料電池の斜視図であり、図5(b)は、その右側面
図である。
FIG. 5 (a) is a perspective view of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 (b) is a right side view thereof.

【図6】図6(a)は、本発明の第3の実施の形態に係
る燃料電池の斜視図であり、図6(b)は、その右側面
図である。
FIG. 6 (a) is a perspective view of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 (b) is a right side view thereof.

【図7】図7(a)は、本発明の第4の実施の形態に係
る燃料電池の側面断面図であり、図7(b)は、その右
側面図である。
FIG. 7A is a side sectional view of a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a right side view thereof.

【図8】図8(a)は、図7に示す燃料電池に用いられ
る流路変更装置の斜視図であり、図8(b)は、図8
(a)に示す流路変更装置中の冷媒の流れを説明するた
めの略図である。
FIG. 8A is a perspective view of a flow path changing device used in the fuel cell shown in FIG. 7, and FIG.
It is the schematic for demonstrating the flow of the refrigerant | coolant in the flow-path change apparatus shown to (a).

【図9】図9(a)は、本発明の他の実施の形態に係る
燃料電池の側面断面図であり、図9(b)及び図9
(c)は、反応ガスのガス流方向を反転させた場合の高
温部の発生位置を説明する図である。
9A is a side sectional view of a fuel cell according to another embodiment of the present invention, and FIG. 9B and FIG.
(C) is a diagram illustrating a generation position of a high-temperature portion when the gas flow direction of the reaction gas is reversed.

【図10】図10(a)は、本発明の第5の実施の形態
に係る燃料電池の斜視図であり、図10(b)は、その
右側面図である。
FIG. 10 (a) is a perspective view of a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 10 (b) is a right side view thereof.

【図11】図11(a)は、従来の面内冷却による燃料
電池を示す斜視図であり、図11(b)は、その右側面
図である。
FIG. 11 (a) is a perspective view showing a conventional fuel cell by in-plane cooling, and FIG. 11 (b) is a right side view thereof.

【図12】図12(a)は、従来の貫通冷却による燃料
電池を示す斜視図であり、図12(b)は、その右側面
図である。
FIG. 12 (a) is a perspective view showing a conventional fuel cell by through cooling, and FIG. 12 (b) is a right side view thereof.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

30 燃料電池 32 単電池 34 電極・電解質接合体 36、37 セパレータ 38 冷媒流路 Reference Signs List 30 fuel cell 32 unit cell 34 electrode / electrolyte assembly 36, 37 separator 38 refrigerant channel

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 志満津 孝 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 廣嶋 一崇 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 青木 博史 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 Fターム(参考) 5H026 AA02 CC03 CC10 HH02 5H027 AA02 CC02 CC06  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Takashi Shimantsu 41-41, Chuchu-Yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture Inside Toyota Central Research Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Kazutaka Hiroshima Nagakute, Aichi-gun, Aichi Prefecture No. 41, Toyoda Central Research Laboratories, Machidai-Cho, Chumoku Yokomichi (72) Inventor Hiroshi Aoki Inventor Hiroshi Aoki 41, Odai-Chochu Yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi F-term (reference) 5H026 AA02 CC03 CC10 HH02 5H027 AA02 CC02 CC06

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質の両面に一対のガス拡散電極が接
合された電極・電解質接合体と、該電極・電解質接合体
を両面から挟持するセパレータとを備えた単電池が積層
された燃料電池において、 前記単電池を貫通する複数の冷媒流路と、 前記単電池の面内方向及び/又は積層方向の温度分布が
解消されるように、前記複数の冷媒流路における冷媒の
流れを制御する温度分布解消手段とをさらに備えている
ことを特徴とする燃料電池。
1. A fuel cell comprising a unit cell comprising an electrode / electrolyte assembly in which a pair of gas diffusion electrodes are joined to both surfaces of an electrolyte, and a separator sandwiching the electrode / electrolyte assembly from both surfaces. A plurality of refrigerant flow paths penetrating the cell, and a temperature controlling a flow of the refrigerant in the plurality of refrigerant flow paths such that a temperature distribution in an in-plane direction and / or a stacking direction of the cell is eliminated. A fuel cell further comprising a distribution eliminating means.
【請求項2】 前記温度分布解消手段は、前記電極・電
解質接合体の面積に対する前記冷媒流路の断面積の割合
が高温部で大きくなるように、前記複数の冷媒流路の断
面積及び/又は間隔を変化させたものであることを特徴
とする請求項1に記載の燃料電池。
2. The method according to claim 1, wherein the temperature distribution eliminating unit is configured to increase a cross-sectional area of the plurality of refrigerant flow paths and / or a cross-sectional area of the plurality of refrigerant flow paths such that a ratio of a cross-sectional area of the refrigerant flow path to an area of the electrode-electrolyte assembly increases in a high-temperature part. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the distance is changed.
【請求項3】 前記温度分布解消手段は、低温部に配置
された複数の冷媒流路から排出される冷媒を、高温部に
配置された冷媒流路であって、前記低温部に配置された
冷媒流路の数よりも少ない数の冷媒流路に還流させたも
のであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
3. The cooling device according to claim 1, wherein the temperature distribution eliminating unit is configured to transfer the refrigerant discharged from the plurality of refrigerant channels disposed in the low-temperature section to the refrigerant channel disposed in the high-temperature section and to be disposed in the low-temperature section. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is recirculated to a smaller number of refrigerant flow paths than the number of refrigerant flow paths.
【請求項4】 前記温度分布解消手段は、高温部に配置
された冷媒流路を流れる冷媒と、低温部に配置された冷
媒流路を流れる冷媒とを入れ替える流路変更手段である
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
4. The temperature distribution eliminating means is a flow path changing means for exchanging a refrigerant flowing in a refrigerant flow path arranged in a high temperature part and a refrigerant flowing in a refrigerant flow path arranged in a low temperature part. The fuel cell according to claim 1, wherein
【請求項5】 前記温度分布解消手段は、異なる冷媒流
路に冷媒をカウンターフローで流すものであることを特
徴とする請求項1に記載の燃料電池。
5. The fuel cell according to claim 1, wherein the temperature distribution eliminating means causes the refrigerant to flow through different refrigerant channels in a counter flow.
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Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1160904A2 (en) * 2000-05-24 2001-12-05 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell stack with cooling cells
EP1211745A2 (en) * 2000-11-29 2002-06-05 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell stack comprising an arrangement for passage of a temperature regulating medium
JP2005340173A (en) * 2004-04-27 2005-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell stack
KR100637504B1 (en) 2004-08-30 2006-10-20 삼성에스디아이 주식회사 Fuel cell system and stack of the same
WO2007043636A1 (en) * 2005-10-11 2007-04-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gas separator for fuel cell and fuel cell
JP2008059754A (en) * 2006-08-29 2008-03-13 Equos Research Co Ltd Fuel cell system
JP2008159362A (en) * 2006-12-22 2008-07-10 Osaka Gas Co Ltd Solid oxide fuel cell system
CN100428552C (en) * 2001-08-30 2008-10-22 三洋电机株式会社 Fuel battery
EP3145011A1 (en) * 2015-09-21 2017-03-22 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Determination of a spatial distribution of a heat-discharge parameter of an electrochemical cell
JP2017112095A (en) * 2015-09-21 2017-06-22 コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ Determination of spatial distribution of power generation parameter of electrochemical cell
FR3059473A1 (en) * 2016-11-25 2018-06-01 Valeo Systemes Thermiques FUEL CELL WITH INTEGRATED COOLING CIRCUIT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
CN111952623A (en) * 2020-07-16 2020-11-17 合肥工业大学 Bipolar plate of fuel cell

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1160904A2 (en) * 2000-05-24 2001-12-05 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell stack with cooling cells
EP1160904A3 (en) * 2000-05-24 2005-08-03 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell stack with cooling cells
EP1211745A2 (en) * 2000-11-29 2002-06-05 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell stack comprising an arrangement for passage of a temperature regulating medium
US6713203B2 (en) 2000-11-29 2004-03-30 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell
EP1211745A3 (en) * 2000-11-29 2004-11-17 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell stack comprising an arrangement for passage of a temperature regulating medium
CN100428552C (en) * 2001-08-30 2008-10-22 三洋电机株式会社 Fuel battery
JP2005340173A (en) * 2004-04-27 2005-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell stack
KR100637504B1 (en) 2004-08-30 2006-10-20 삼성에스디아이 주식회사 Fuel cell system and stack of the same
US7879504B2 (en) * 2004-08-30 2011-02-01 Samsung Sdi Co., Ltd. Fuel cell stack having improved cooling structure
JP2007109425A (en) * 2005-10-11 2007-04-26 Toyota Motor Corp Gas separator for fuel cell and fuel cell
WO2007043636A1 (en) * 2005-10-11 2007-04-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gas separator for fuel cell and fuel cell
US8518601B2 (en) 2005-10-11 2013-08-27 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gas separator for fuel cells and fuel cell equipped with gas separator
JP2008059754A (en) * 2006-08-29 2008-03-13 Equos Research Co Ltd Fuel cell system
JP2008159362A (en) * 2006-12-22 2008-07-10 Osaka Gas Co Ltd Solid oxide fuel cell system
EP3145011A1 (en) * 2015-09-21 2017-03-22 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Determination of a spatial distribution of a heat-discharge parameter of an electrochemical cell
FR3041482A1 (en) * 2015-09-21 2017-03-24 Commissariat Energie Atomique DETERMINING A SPATIAL DISTRIBUTION OF A THERMAL EVACUATION PARAMETER OF AN ELECTROCHEMICAL CELL
JP2017107834A (en) * 2015-09-21 2017-06-15 コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ Determination of spatial distribution of heat removal parameter of electrochemical cell
JP2017112095A (en) * 2015-09-21 2017-06-22 コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ Determination of spatial distribution of power generation parameter of electrochemical cell
FR3059473A1 (en) * 2016-11-25 2018-06-01 Valeo Systemes Thermiques FUEL CELL WITH INTEGRATED COOLING CIRCUIT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
CN111952623A (en) * 2020-07-16 2020-11-17 合肥工业大学 Bipolar plate of fuel cell

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