JP2005285682A - Fuel cell stack - Google Patents

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JP2005285682A JP2004100975A JP2004100975A JP2005285682A JP 2005285682 A JP2005285682 A JP 2005285682A JP 2004100975 A JP2004100975 A JP 2004100975A JP 2004100975 A JP2004100975 A JP 2004100975A JP 2005285682 A JP2005285682 A JP 2005285682A
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Takamasa Matsubayashi
孝昌 松林
Akira Hamada
陽 濱田
Hirokazu Izaki
博和 井崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suitably heat cells at both ends and stably operate a fuel cell. <P>SOLUTION: The solid polymer fuel cell stack 10 is constituted so that cooling water used for cooling a cell 20 and cooling water flowing through a cooling water draining manifold 44 are made to flow in a stack end part passage installed in an almost continuous S shape in accordance with a high temperature region of the cell 20 in an upper region of an end plate 70 and an end plate 80. Cooling water flowing from the cell 20 at the end part of the stack into the cooling water draining manifold 44 is kept at prescribed temperature with a flow rate control element 34. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。より具体的には、本発明はセルの温度の適正化が図られた燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack. More specifically, the present invention relates to a fuel cell stack in which the cell temperature is optimized.

一般に、固体高分子形燃料電池スタックは、固体高分子膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合して膜電極接合体(以下、「MEA」と表記する)を構成し、このMEAのアノードに対向して燃料流路を設けたアノード側プレートと、MEAのカソードに対向して酸化剤流路を設けたカソード側プレートとで挟んでセルを構成し、さらに、このセル間に冷却プレートを介在させて複数積層することにより積層体を形成し、この積層体の両端に端板を添えて締め付けることにより構成される。   Generally, a polymer electrolyte fuel cell stack comprises a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) by joining an anode to one surface of a solid polymer membrane and a cathode to the other surface. A cell is constituted by sandwiching an anode side plate provided with a fuel flow path facing the anode of the MEA and a cathode side plate provided with an oxidant flow path facing the cathode of the MEA. A laminate is formed by laminating a plurality of layers with a cooling plate interposed therebetween, and end plates are attached to both ends of the laminate and tightened.

固体高分子形燃料電池スタックは、アノード側プレートに改質ガス等の燃料ガスを流通させるとともに、カソード側プレートに空気等の酸化剤ガスを流通させ、電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることにより直流電力を発電する。電気化学反応は発熱反応であるため、冷却プレートに冷却水を流通させて各セルを冷却することにより、固体高分子形燃料電池スタックの正常な運転温度(たとえば、約70〜80[℃])の維持が図られている。   In the polymer electrolyte fuel cell stack, fuel gas such as reformed gas is circulated through the anode side plate, and oxidant gas such as air is circulated through the cathode side plate to cause an electrochemical reaction through the electrolyte membrane. To generate DC power. Since the electrochemical reaction is an exothermic reaction, the normal operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell stack (for example, about 70 to 80 [° C.]) is obtained by circulating cooling water through the cooling plate to cool each cell. Is maintained.

固体高分子形燃料電池スタックにおいて、端板に隣接する両端部のセルは外気の影響を受けやすい。このため、両端部のセルは他の部分のセルに比べて温度が低くなる。セルの温度が低下すると、アノード側プレートまたはカソード側プレートの流路を流れる反応ガス中の水蒸気が流路内で凝縮する。水蒸気が凝縮してできた凝縮水は、反応ガスの流れを阻害し、電池性能の低下を引き起こす。   In the polymer electrolyte fuel cell stack, the cells at both ends adjacent to the end plate are easily affected by outside air. For this reason, the temperature of the cells at both ends is lower than that of the other cells. When the temperature of the cell decreases, water vapor in the reaction gas flowing through the flow path of the anode side plate or the cathode side plate condenses in the flow path. Condensed water formed by condensing water vapor obstructs the flow of the reaction gas and causes deterioration in battery performance.

このような現状を踏まえて、固体高分子形燃料電池スタックにおいて両端部のセルの温度低下を抑制する技術が望まれている。この種の技術としては、たとえば、両端の端板に冷却水を流すための流路を設け、運転温度に近い温度に昇温され、発電後に排出される冷却水を端板全面に設けられた流路に流して両端部のセルを加温する技術が知られている(たとえば、特許文献1)。
特開2001−68141号公報
In view of such a current situation, a technology for suppressing a temperature drop of cells at both ends in a polymer electrolyte fuel cell stack is desired. As this type of technology, for example, a flow path for flowing cooling water is provided on the end plates at both ends, the temperature is raised to a temperature close to the operating temperature, and cooling water discharged after power generation is provided over the entire end plate. A technique for heating a cell at both ends by flowing in a flow path is known (for example, Patent Document 1).
JP 2001-68141 A

一般に、セルは冷却プレートを内の冷却水の流通により温度分布が生じる。すなわち、冷却プレートに供給されたばかりの冷却水は、効率的にセルを冷却するが、冷却プレートを流れるにつれて冷却水の温度は上昇し、セルの冷却効果が薄れる。このため、冷却水の流れ方向に沿って、セルに温度勾配が生じる。なお、「冷却水の流れ方向」とは、冷却プレートに設けられた冷却水流路の経路に沿った方向そのものではなく、冷却水流路の入口から出口に向かう方向を指す。   Generally, the temperature distribution of the cell is caused by the flow of cooling water inside the cooling plate. That is, the cooling water just supplied to the cooling plate cools the cell efficiently, but the temperature of the cooling water rises as it flows through the cooling plate, and the cooling effect of the cell is diminished. For this reason, a temperature gradient is generated in the cell along the flow direction of the cooling water. The “cooling water flow direction” refers to the direction from the inlet to the outlet of the cooling water channel, not the direction itself along the path of the cooling water channel provided in the cooling plate.

しかしながら、従来のように、発電後に排出される冷却水を端板全面に設けられた流路に流してしまうと、両端部のセルが均等に加温されてしまう。これにより、両端部のセルと他の部分のセルとで、温度分布に差異が生じ、両端部のセルと他の部分のセルとで、凝縮水が生じる部分が異なるため、固体高分子形燃料電池が発生する電圧が不安定となり、固体高分子形燃料電池を安定的に動作させることが困難になる。   However, if the cooling water discharged after power generation is caused to flow through the flow path provided on the entire end plate as in the prior art, the cells at both ends are evenly heated. As a result, there is a difference in temperature distribution between the cells at both ends and the cells at other portions, and the portions where condensed water is generated are different between the cells at both ends and the other portions. The voltage generated by the battery becomes unstable, and it becomes difficult to stably operate the polymer electrolyte fuel cell.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池を安定的に動作させるために、両端部のセルを適度に加温することができる燃料電池スタックの提供にある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a fuel cell stack capable of appropriately heating cells at both ends in order to stably operate the fuel cell.

本発明の燃料電池スタックのある態様は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、を備える燃料電池スタックであって、前記冷却プレートを通過した熱媒体が流れるスタック端部流路が前記端板の一部に設けられ、前記スタック端部流路が前記セルの高温領域に対応する領域に位置することを特徴とする。   An aspect of the fuel cell stack of the present invention includes a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and the anode Cooling provided with a cell having an anode side plate having a fuel flow path facing the cathode, a cathode side plate having an oxidant flow path facing the cathode, and a heat medium flow path through which the heat medium for cooling the cell flows A fuel cell stack comprising: a laminated body in which a plurality of plates are laminated; and end plates that are provided at both ends of the laminated body via current collector plates and insulating plates and fasten the laminated body, wherein the cooling plate is A stack end flow path through which the passed heat medium flows is provided in a part of the end plate, and the stack end flow path is located in a region corresponding to a high temperature region of the cell. .

これによれば、スタック両端部のセルの高温部分が他の部分のセルの温度分布に応じて適度に加温されるため、スタック両端部のセルの高温部分が他の部分のセルの温度分布と近似する。これにより、スタック両端部のセルにおいて生じる凝縮水の量が低減して、セル内の反応ガス流路の閉塞が抑制される、各セル内におい凝縮水が生じる部分が均一化するため、各セルで発生する電圧のばらつきが抑制され、燃料電池を安定的に動作させることができる。なお、熱媒体としては水が好適であるが、水の他の流動体を用いることも可能である。   According to this, since the high temperature part of the cells at both ends of the stack is appropriately heated according to the temperature distribution of the cells at the other part, the high temperature part of the cells at both ends of the stack is the temperature distribution of the cells at the other part. And approximate. As a result, the amount of condensed water generated in the cells at both ends of the stack is reduced, and the clogging of the reaction gas flow paths in the cells is suppressed. Variation of the voltage generated in the above is suppressed, and the fuel cell can be operated stably. Water is suitable as the heat medium, but other fluids of water can be used.

上記態様において、前記スタック端部流路に流入する前記熱媒体の流量を前記熱媒体の温度に応じて制御する第1の流量制御素子を有してもよい。これにより、燃料電池スタックの出力が変動した場合であっても、スタック端部流路を流通する熱媒体の温度を調節することにより、両端部のセルの温度勾配を一定に保つことができるので、燃料電池スタックの動作安定性を向上させることができる。   The said aspect WHEREIN: You may have a 1st flow control element which controls the flow volume of the said heat medium which flows in into the said stack edge part flow path according to the temperature of the said heat medium. As a result, even if the output of the fuel cell stack fluctuates, the temperature gradient of the cells at both ends can be kept constant by adjusting the temperature of the heat medium flowing through the stack end channel. The operational stability of the fuel cell stack can be improved.

また、上記態様において、前記積層体を貫通し、スタック端部流路に連通する冷却水排出用マニホールドに流入するとともに、前記積層体の端部に設けられた冷却プレートを通過する熱媒体の流量を、前記冷却プレートを通過した熱媒体の温度に応じて制御する第2の流量制御素子を有してもよい。これによれば、燃料電池スタックの出力が変動した場合であっても、積層体端部の冷却プレートを通過する熱媒体の温度を調節することにより、両端部のセルの温度勾配を一定に保つことができるので、燃料電池スタックの動作安定性を向上させることができる。
さらに、上記態様において、前記スタック端部流路が設けられていない前記端板の残りの部分における前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向の熱伝達量が、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向と垂直方向の熱伝達量より小さくしてもよい。これによれば、スタック端部流路を流れる熱媒体でスタック端部のセルの高温領域を加温するとともに、スタック端部流路が設けられていない端板の部分にもセルの温度分布に応じた温度分布を与えることができるので、スタック端部のセルの温度分布を他の部分のセルの温度分布により近づけることができる。なお、「熱媒体の流れ方向」とは、冷却プレートに設けられた熱媒体流路の経路に沿った方向そのものではなく、熱媒体流路の入口から出口に向かう方向を指す。
In the above aspect, the flow rate of the heat medium that passes through the cooling plate provided at the end of the laminated body while flowing into the cooling water discharge manifold penetrating the laminated body and communicating with the stack end flow path. May be provided according to the temperature of the heat medium that has passed through the cooling plate. According to this, even when the output of the fuel cell stack fluctuates, the temperature gradient of the cells at both ends is kept constant by adjusting the temperature of the heat medium passing through the cooling plate at the end of the stack. Therefore, the operational stability of the fuel cell stack can be improved.
Further, in the above aspect, the heat transfer amount in the flow direction of the heat medium flowing through the heat medium flow channel in the remaining part of the end plate where the stack end flow channel is not provided flows through the heat medium flow channel. It may be smaller than the heat transfer amount in the direction perpendicular to the flow direction of the heat medium. According to this, the high temperature region of the cell at the stack end is heated by the heat medium flowing through the stack end flow path, and the temperature distribution of the cell is also applied to the end plate portion where the stack end flow path is not provided. Accordingly, the temperature distribution of the cells at the stack end can be made closer to the temperature distribution of the cells at other portions. Note that “the flow direction of the heat medium” refers not to the direction along the path of the heat medium flow path provided in the cooling plate but to the direction from the inlet of the heat medium flow path to the outlet.

さらに、上記態様において、前記燃料流路、前記酸化剤流路および前記熱媒体流路がそれぞれ複数の直線状の流路で構成され、前記燃料流路を流れる燃料と前記酸化剤流路を流れる酸化剤とが上方から下方へ流れる並行流をなし、前記熱媒体流路を流れる熱媒体が前記燃料および前記酸化剤に対して並行流または対向流をなしてもよい。燃料流路、酸化剤流路および熱媒体流路が蛇行している場合は、部分的に不規則な温度分布が生じるが、上記構成によれば、各流路に沿った連続的な温度分布が形成されるため燃料電池スタックの安定性を改善することができる。   Furthermore, in the above aspect, each of the fuel flow path, the oxidant flow path, and the heat medium flow path is configured by a plurality of linear flow paths, and flows through the fuel flow path and the oxidant flow path. The oxidant may form a parallel flow that flows downward from above, and the heat medium that flows through the heat medium flow path may form a parallel flow or a counterflow with respect to the fuel and the oxidant. When the fuel flow path, the oxidant flow path, and the heat medium flow path meander, a partially irregular temperature distribution occurs, but according to the above configuration, the continuous temperature distribution along each flow path Therefore, the stability of the fuel cell stack can be improved.

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。   A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.

本発明の装置によれば、燃料電池を安定的に動作させることができる。   According to the apparatus of the present invention, the fuel cell can be stably operated.

(実施例1)
図1は、実施例1に係る固体高分子形燃料電池スタック10の構成を示す概略図である。固体高分子形燃料電池スタック10は、複数のセル20およびセル20の間に介在する冷却プレート30が積層した積層体40、ならびに積層体40の両端から集電板50及び絶縁板60を介して積層体40を締め付ける端板70,80を備える。
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack 10 according to a first embodiment. The polymer electrolyte fuel cell stack 10 includes a stacked body 40 in which a plurality of cells 20 and a cooling plate 30 interposed between the cells 20 are stacked, and a current collector plate 50 and an insulating plate 60 from both ends of the stacked body 40. End plates 70 and 80 for fastening the laminate 40 are provided.

セル20は、MEA22、MEA22のアノードに対向して燃料流路を設けたアノード側プレート24、およびMEA22のカソードに対向して酸化剤流路を設けたカソード側プレート26を有する。   The cell 20 includes an MEA 22, an anode side plate 24 provided with a fuel flow path facing the anode of the MEA 22, and a cathode side plate 26 provided with an oxidant flow path facing the cathode of the MEA 22.

冷却プレート30は、熱媒体として用いられる冷却水が流れる冷却水流路32を有する。積層体40の両端に位置する冷却プレート30の冷却水流路32の出口付近には、冷却水流路32から後述する冷却水排出用マニホールド44に流れ込む冷却水の流量を調節する流量制御素子34が設けられている。流量制御素子34については後述する。   The cooling plate 30 has a cooling water passage 32 through which cooling water used as a heat medium flows. Near the outlet of the cooling water channel 32 of the cooling plate 30 located at both ends of the stacked body 40, a flow rate control element 34 for adjusting the flow rate of cooling water flowing from the cooling water channel 32 into a cooling water discharge manifold 44 described later is provided. It has been. The flow control element 34 will be described later.

なお、冷却水流路32は、アノード側プレート24および/またはカソード側プレート26のMEA22と反対側に設けることも可能である。この場合には、アノード側プレート24および/またはカソード側プレート26が冷却プレート30を兼ねる。また、一枚のプレートの一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤流路を設けた、いわゆるバイポーラプレートを部分的に用いた場合も本発明に含まれる。   The cooling water flow path 32 can also be provided on the opposite side of the anode side plate 24 and / or the cathode side plate 26 from the MEA 22. In this case, the anode side plate 24 and / or the cathode side plate 26 also serves as the cooling plate 30. Further, the present invention includes a case where a so-called bipolar plate in which a fuel channel is provided on one surface of one plate and an oxidant channel is provided on the other surface is partially used.

積層体40の下部には、セル20の積層方向に連通する冷却水供給用マニホールド42が設けられている。また、積層体40の上部には、セル20の積層方向に連通する冷却水排出用マニホールド44が設けられている。   A cooling water supply manifold 42 that communicates in the stacking direction of the cells 20 is provided below the stacked body 40. In addition, a cooling water discharge manifold 44 that communicates in the stacking direction of the cells 20 is provided on the upper portion of the stacked body 40.

図2は、端板70の構成を示す概略図である。端板70は、冷却水供給口71、スタック端部流路72、流量制御素子73、冷却水排出口74、冷却水入口75、燃料入口76、燃料出口77、酸化剤入口78および酸化剤出口79を有する。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the end plate 70. The end plate 70 includes a cooling water supply port 71, a stack end channel 72, a flow rate control element 73, a cooling water discharge port 74, a cooling water inlet 75, a fuel inlet 76, a fuel outlet 77, an oxidant inlet 78, and an oxidant outlet. 79.

冷却水供給口71は、冷却水排出用マニホールド44と連通し、冷却水供給口71を経由して冷却水排出用マニホールド44からスタック端部流路72に運転温度に近い温度に昇温した冷却水が流れ込む。スタック端部流路72は、端板70に設けられた凹溝状の上に閉塞プレート81を取り付けることによりトンネル状に形成される。閉塞プレート81は、熱伝導性の良好な材料で形成することが望ましい。スタック端部流路72は、セル20の高温領域に対応して、端板70の上部領域に略連続S字形の経路に形成されている。   The cooling water supply port 71 communicates with the cooling water discharge manifold 44, and is cooled to a temperature close to the operating temperature from the cooling water discharge manifold 44 to the stack end channel 72 via the cooling water supply port 71. Water flows in. The stack end flow path 72 is formed in a tunnel shape by attaching the closing plate 81 on the concave groove shape provided in the end plate 70. The closing plate 81 is preferably formed of a material having good thermal conductivity. The stack end channel 72 is formed in a substantially continuous S-shaped path in the upper region of the end plate 70 corresponding to the high temperature region of the cell 20.

流量制御素子73は、スタック端部流路72の冷却水排出口74付近に設けられ、スタック端部流路72に流れ込む冷却水の流量を調節して、スタック端部流路72内の冷却水の水温を所定温度に維持する。流量制御素子73は、たとえば、スタック端部流路72を流通して熱交換した後の冷却水の温度に応じて変形する感温式流量制御素子で構成され、スタック端部流路72内の冷却水の温度に応じて開閉する弁の機能を有する。感温式流量制御素子の具体例としては、バイメタル、形状記憶合金、サーモロイドなどが挙げられる。なお、感温式流量制御素子を用いる以外に、冷却水の水温、端板70の温度、または両端部のセル20の温度を検出する温度センサおよび開閉駆動が制御可能なバルブを設け、温度センサで検出されたスタック端部流路72内の冷却水の水温に応じて、バルブの開閉を制御してもよい。この場合、バルブの位置は、スタック端部流路72の付近でもよい。   The flow rate control element 73 is provided in the vicinity of the cooling water discharge port 74 of the stack end channel 72, and adjusts the flow rate of the cooling water flowing into the stack end channel 72, thereby cooling the cooling water in the stack end channel 72. The water temperature is maintained at a predetermined temperature. The flow rate control element 73 is composed of, for example, a temperature-sensitive flow rate control element that is deformed according to the temperature of the cooling water after flowing through the stack end flow path 72 and exchanging heat, and in the stack end flow path 72 It has the function of a valve that opens and closes according to the temperature of the cooling water. Specific examples of the temperature-sensitive flow rate control element include bimetal, shape memory alloy, and thermoloid. In addition to using a temperature-sensitive flow rate control element, a temperature sensor for detecting the temperature of the cooling water, the temperature of the end plate 70, or the temperature of the cell 20 at both ends, and a valve capable of controlling the opening and closing drive are provided. The opening / closing of the valve may be controlled in accordance with the coolant temperature in the stack end flow path 72 detected in (1). In this case, the position of the valve may be near the stack end channel 72.

図3(A)は、バイメタルを流量制御素子73に用いた場合の構成を示し、図3(B)は、図3(A)のA−A線上の断面図を示す。流量制御素子73は、スタック端部流路72を流通して熱交換した後の冷却水の温度を感知してスタック端部流路72内を流れる冷却水の流量を調節する。具体的には、流量制御素子73は、冷却水の温度が所定の温度のときに、所定流量が流れるような基準状態にあるが、冷却水の温度が所定の温度以上の場合には、基準状態から図3(B)の矢印Hの方向へ変形し、スタック端部流路72の断面積を小さくしてスタック端部流路72を流れる冷却水の流量を減少させる。また、冷却水の温度が所定の温度以下の場合には、基準状態から図3(B)の矢印Lの方向へ変形し、スタック端部流路72の断面積を大きくしてスタック端部流路72を流れる冷却水の流量を増加させる。   3A shows a configuration in the case where a bimetal is used for the flow rate control element 73, and FIG. 3B shows a cross-sectional view along the line AA in FIG. 3A. The flow rate control element 73 senses the temperature of the cooling water after flowing through the stack end channel 72 and exchanging heat, and adjusts the flow rate of the cooling water flowing in the stack end channel 72. Specifically, the flow rate control element 73 is in a reference state in which a predetermined flow rate flows when the temperature of the cooling water is a predetermined temperature, but when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the predetermined temperature, The state is deformed from the state in the direction of arrow H in FIG. 3B, and the cross-sectional area of the stack end channel 72 is reduced to reduce the flow rate of the cooling water flowing through the stack end channel 72. When the temperature of the cooling water is equal to or lower than a predetermined temperature, the cooling water is deformed from the reference state in the direction of arrow L in FIG. 3B, and the cross-sectional area of the stack end channel 72 is increased to increase the stack end flow. The flow rate of the cooling water flowing through the path 72 is increased.

これによれば、固体高分子形燃料電池スタック10の出力が変動して、セル20の温度が変動した場合に、スタック端部流路72内の冷却水の水温を一定に保つことにより、両端部のセル20の温度分布を一定に保つことができ、固体高分子形燃料電池スタック10の動作を安定化することができる。   According to this, when the output of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 fluctuates and the temperature of the cell 20 fluctuates, the temperature of the cooling water in the stack end channel 72 is kept constant, thereby Therefore, the temperature distribution of the cells 20 in the part can be kept constant, and the operation of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 can be stabilized.

冷却水排出口74は、スタック端部流路72の出口部分に連通し、スタック端部流路72を流れた冷却水を排出する。冷却水入口75は、冷却水供給用マニホールド42に連通する。燃料入口76、燃料出口77、酸化剤入口78および酸化剤出口79については後述する。   The cooling water discharge port 74 communicates with the outlet portion of the stack end flow path 72 and discharges the cooling water flowing through the stack end flow path 72. The cooling water inlet 75 communicates with the cooling water supply manifold 42. The fuel inlet 76, fuel outlet 77, oxidant inlet 78 and oxidant outlet 79 will be described later.

なお、冷却水供給口71は、固体高分子形燃料電池スタック10の外部へも連通しており、スタック端部流路72に流れ込まない余分な冷却水を排出することができる。   The cooling water supply port 71 communicates with the outside of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 and can discharge excess cooling water that does not flow into the stack end channel 72.

他方の端板80の構成も端板70と基本構成は同様であるが、冷却水入口75、燃料入口76、燃料出口77、酸化剤入口78および酸化剤出口79は設けられていない。   The basic configuration of the other end plate 80 is the same as that of the end plate 70, but the cooling water inlet 75, the fuel inlet 76, the fuel outlet 77, the oxidant inlet 78, and the oxidant outlet 79 are not provided.

(反応ガスの流れ)
改質ガス等の燃料ガスは、燃料入口76から供給され、固体高分子形燃料電池スタック10の積層方向に連通して設けられた燃料供給用マニホールド(図示せず)を通って、各セル20に分配供給される。各セル20に供給された燃料ガスは、燃料流路を流通する。一方、空気等の酸化剤ガスは、酸化剤入口78から供給され、固体高分子形燃料電池スタック10の積層方向に連通して設けられた酸化剤ガス供給用マニホールド(図示せず)を通って、各セル20に分配供給される。各セル20に供給された酸化剤ガスは、酸化剤流路を流通する。
(Reactive gas flow)
A fuel gas such as a reformed gas is supplied from the fuel inlet 76 and passes through a fuel supply manifold (not shown) provided in communication with the polymer electrolyte fuel cell stack 10 in the stacking direction. To be distributed. The fuel gas supplied to each cell 20 flows through the fuel flow path. On the other hand, an oxidant gas such as air is supplied from an oxidant inlet 78 and passes through an oxidant gas supply manifold (not shown) provided in communication with the solid polymer fuel cell stack 10 in the stacking direction. , Distributed to each cell 20. The oxidant gas supplied to each cell 20 flows through the oxidant flow path.

燃料ガスおよび酸化剤ガスが流通する各セル20では、電解質膜を介して電気化学反応が生じることにより発電が行われる。各セル20から排出される未反応の燃料ガスは、固体高分子形燃料電池スタック10の積層方向に連通して設けられた燃料排出マニホールド(図示せず)で合流し、燃料排出マニホールドを通って燃料出口77から外部に排出される。燃料出口77から排出された未反応燃料ガスは、図示しない燃料改質装置の改質器バーナに導入されて燃焼するのが一般的である。   In each cell 20 in which the fuel gas and the oxidant gas circulate, electric power is generated by an electrochemical reaction through the electrolyte membrane. Unreacted fuel gas discharged from each cell 20 joins at a fuel discharge manifold (not shown) provided in communication with the polymer electrolyte fuel cell stack 10 in the stacking direction, and passes through the fuel discharge manifold. The fuel is discharged from the fuel outlet 77 to the outside. In general, the unreacted fuel gas discharged from the fuel outlet 77 is introduced into a reformer burner of a fuel reformer (not shown) and burned.

発電後に各セル20から排出される未反応の酸化剤ガスは、固体高分子形燃料電池スタック10の積層方向に連通して設けられた酸化剤排出マニホールド(図示せず)で合流し、酸化剤排出マニホールドを通って酸化剤出口79から外部に排出される。   The unreacted oxidant gas discharged from each cell 20 after power generation is merged by an oxidant discharge manifold (not shown) provided in communication with the stacking direction of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 to be oxidant. It is discharged from the oxidant outlet 79 through the discharge manifold.

(冷却水の流れ)
冷却水は、冷却水入口75から供給され、固体高分子形燃料電池スタック10の積層方向に連通して設けられた冷却水供給用マニホールド42を通って各冷却水流路32に分配供給される。各冷却水流路32を流通する冷却水は、各セル20を冷却することにより、各セル20を適正運転温度(たとえば、約70〜80[℃])に保持する。
(Cooling water flow)
The cooling water is supplied from the cooling water inlet 75 and distributed and supplied to each cooling water flow path 32 through the cooling water supply manifold 42 provided in communication with the stacking direction of the polymer electrolyte fuel cell stack 10. The cooling water flowing through each cooling water flow path 32 cools each cell 20 to maintain each cell 20 at an appropriate operating temperature (for example, about 70 to 80 [° C.]).

冷却水流路32から排出される冷却水は、各セル20で発生する反応熱により昇温されて温度が約72〜75[℃]になる。温度が上昇した冷却水は、冷却水排出用マニホールド44内に流入する。なお、冷却水排出用マニホールド44の固体高分子形燃料電池スタック10の積層方向中央部付近に、仕切り(図示せず)を設け、仕切りを境として昇温された冷却水を2方向に分けてもよい。   The cooling water discharged from the cooling water flow path 32 is heated by the reaction heat generated in each cell 20 to a temperature of about 72 to 75 [° C.]. The cooling water whose temperature has risen flows into the cooling water discharge manifold 44. A partition (not shown) is provided in the vicinity of the central portion in the stacking direction of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 of the cooling water discharge manifold 44, and the cooling water heated up at the partition is divided into two directions. Also good.

なお、積層体40の両端に位置する冷却水流路32の出口付近に設けられた流量制御素子34は、端板70に設けられた流量制御素子73と基本的な構成は同様である。ただし、流量制御素子34は、端部に位置する冷却水流路32を流通した冷却水の温度が所定の温度のときに、所定流量が流れるような基準状態にあるが、冷却水流路32を流通した冷却水の温度が所定の温度以上の場合には、端部の冷却水流路32の断面積を大きくして端部の冷却水流路32を流れる冷却水の流量を増加させる。また、冷却水の温度が所定の温度以下の場合には、端部の冷却水流路32の断面積を小さくして端部の冷却水流路32を流れる冷却水の流量を減少させる。   The flow rate control element 34 provided in the vicinity of the outlet of the cooling water flow path 32 located at both ends of the laminate 40 has the same basic configuration as the flow rate control element 73 provided on the end plate 70. However, the flow rate control element 34 is in a reference state in which a predetermined flow rate flows when the temperature of the cooling water flowing through the cooling water flow channel 32 located at the end is a predetermined temperature. When the temperature of the cooling water is equal to or higher than a predetermined temperature, the flow rate of the cooling water flowing through the end cooling water passage 32 is increased by increasing the cross-sectional area of the end cooling water passage 32. When the temperature of the cooling water is equal to or lower than a predetermined temperature, the flow rate of the cooling water flowing through the cooling water flow path 32 at the end is reduced by reducing the cross-sectional area of the cooling water flow path 32 at the end.

これによれば、固体高分子形燃料電池スタック10の出力が変動して、セル20の温度が変動した場合に、端部の冷却水流路32内の冷却水の水温を一定に保つことにより、両端部のセル20の温度分布を一定に保つことができ、固体高分子形燃料電池スタック10の動作を安定化することができる。   According to this, when the output of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 fluctuates and the temperature of the cell 20 fluctuates, by keeping the cooling water temperature in the cooling water flow path 32 at the end constant, The temperature distribution of the cells 20 at both ends can be kept constant, and the operation of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 can be stabilized.

冷却水排出用マニホールド44内を端板70の方へ流通する冷却水は、端板70の冷却水供給口71からスタック端部流路72に流入し、端板70の上方部から下方部へ向けて蛇行しながら流れる。スタック端部流路72内の昇温された冷却水の流れによって、閉塞プレート81、集電板50及び絶縁板60を介して、端板70に隣接する端部のセル20を加温することができる。しかも、スタック端部流路72は、セル20の高温領域に対応して端板70の上部領域にその経路を有し、スタック端部流路72を流れる冷却水は、スタック端部流路72の下流に行くにしたがって徐々に温度が低下する。このため、端板70側端部のセル20の高温領域が効率よく加温されるとともに、端板70側端部のセル20と他の部分のセル20の温度分布を近似させることができる。   Cooling water flowing through the cooling water discharge manifold 44 toward the end plate 70 flows into the stack end flow path 72 from the cooling water supply port 71 of the end plate 70, and from the upper portion of the end plate 70 to the lower portion. It flows while meandering. Heating the cell 20 at the end adjacent to the end plate 70 through the closing plate 81, the current collector plate 50, and the insulating plate 60 by the flow of the heated cooling water in the stack end channel 72 Can do. In addition, the stack end channel 72 has a path in the upper region of the end plate 70 corresponding to the high temperature region of the cell 20, and the cooling water flowing through the stack end channel 72 is the stack end channel 72. The temperature gradually decreases as it goes downstream. For this reason, while the high temperature area | region of the cell 20 of the edge part on the end plate 70 side is heated efficiently, the temperature distribution of the cell 20 of the edge part on the side of the end plate 70 and the cell 20 of another part can be approximated.

一方、冷却水排出用マニホールド44内を端板80の方へ流通する冷却水は、端板70の冷却水供給口71からスタック端部流路72に流入し、端板70の上方部から下方部へ向けて蛇行しながら流れる。スタック端部流路72内の昇温された冷却水の流れによって、閉塞プレート81、集電板50及び絶縁板60を介して、端板80に隣接する端部のセル20を加温することができる。しかも、スタック端部流路72は、セル20の高温領域に対応して端板80の上部領域にその経路を有し、スタック端部流路72を流れる冷却水は、スタック端部流路72の下流に行くにしたがって徐々に温度が低下する。このため、端板80側端部のセル20の高温領域が効率よく加温されるとともに、端板80側端部のセル20と他の部分のセル20の温度分布を近似させることができる。   On the other hand, the cooling water flowing through the cooling water discharge manifold 44 toward the end plate 80 flows from the cooling water supply port 71 of the end plate 70 into the stack end flow path 72 and downward from the upper portion of the end plate 70. It flows while meandering towards the club. Heating the cell 20 at the end adjacent to the end plate 80 through the closing plate 81, the current collector plate 50, and the insulating plate 60 by the flow of the heated coolant in the stack end channel 72. Can do. Moreover, the stack end channel 72 has a path in the upper region of the end plate 80 corresponding to the high temperature region of the cell 20, and the cooling water flowing through the stack end channel 72 is the stack end channel 72. The temperature gradually decreases as it goes downstream. For this reason, while the high temperature area | region of the cell 20 of the edge part on the end plate 80 side is heated efficiently, the temperature distribution of the cell 20 of the edge part on the side of the end plate 80 and the cell 20 of another part can be approximated.

両端部のセル20の高温領域が加温される結果として、両端部のセル20で生じる凝縮水の量が低減するとともに、両端部のセル20の温度分布が他の部分のセル20の温度分布に近づくため、各セル20内で凝縮水が生じる箇所がほぼ一致し、各セル20の発電効率を均等に向上させることができる。   As a result of heating the high temperature region of the cells 20 at both ends, the amount of condensed water generated in the cells 20 at both ends is reduced, and the temperature distribution of the cells 20 at both ends is the temperature distribution of the cells 20 at other portions. Therefore, the locations where the condensed water is generated in each cell 20 are almost the same, and the power generation efficiency of each cell 20 can be improved evenly.

なお、固体高分子形燃料電池スタック10を動作させるときに各セル20の温度分布を適正化する観点から、燃料流路、酸化剤流路および冷却水流路32が、それぞれ複数の直線状の流路で構成され、燃料流路を流れる燃料ガスと酸化剤流路を流れる酸化剤ガスが上方から下方へ流れる並行流であり、冷却水流路32を流れる冷却水が燃料ガスおよび酸化剤ガスと並行流または対向流であることが望ましく、冷却水流路32を流れる冷却水が燃料ガスおよび酸化剤ガスと対向流、すなわち、冷却水が下方から上方へ流通することがより望ましい。これによれば流路に沿った連続的な温度分布が形成されるため固体高分子形燃料電池スタック10の安定性を改善することができる。   From the viewpoint of optimizing the temperature distribution of each cell 20 when the polymer electrolyte fuel cell stack 10 is operated, the fuel flow path, the oxidant flow path, and the cooling water flow path 32 each include a plurality of linear flow paths. The fuel gas flowing through the fuel flow channel and the oxidant gas flowing through the oxidant flow channel are parallel flows that flow downward from above, and the cooling water flowing through the cooling water flow channel 32 is in parallel with the fuel gas and the oxidant gas. Preferably, the cooling water flowing in the cooling water flow path 32 is opposed to the fuel gas and the oxidant gas, that is, it is more preferable that the cooling water flows from below to above. According to this, since a continuous temperature distribution along the flow path is formed, the stability of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 can be improved.

(比較例1)
図4は、上記実施例1と比較するために構成した比較例1に係る固体高分子形燃料電池スタック10Aを示す。固体高分子形燃料電池スタック10Aの基本的な構成は、実施例1の固体高分子形燃料電池スタック10と同様であるので、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。固体高分子形燃料電池スタック10Aでは、両端部の冷却水流路32に流量制御素子34が設けられておらず、さらに端板70A、80Aに設けられた水流路の形態が実施例1とは相違する。すなわち、端板70Aと端板80Aとはほぼ同じ構成であるから端板70Aについて説明すると、図5に示すように、スタック端部流路72Aが端板70Aのほぼ全面にわたり略連続S字形に形成されている点、流量制御素子73が設けられておらず、冷却水供給口71から供給される全ての冷却水がスタック端部流路72Aに流入するという点で比較例1は実施例1と異なる。
(Comparative Example 1)
FIG. 4 shows a polymer electrolyte fuel cell stack 10A according to Comparative Example 1 configured for comparison with Example 1 described above. Since the basic configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack 10A is the same as that of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 of the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted. In the polymer electrolyte fuel cell stack 10A, the flow rate control element 34 is not provided in the cooling water flow path 32 at both ends, and the form of the water flow path provided in the end plates 70A and 80A is different from that of the first embodiment. To do. That is, since the end plate 70A and the end plate 80A have substantially the same configuration, the end plate 70A will be described. As shown in FIG. 5, the stack end channel 72A has a substantially continuous S-shape over almost the entire surface of the end plate 70A. Comparative Example 1 is the first embodiment in that the flow rate control element 73 is not provided and all the cooling water supplied from the cooling water supply port 71 flows into the stack end channel 72A. And different.

比較例1においては、発電後に各セル20から排出される昇温後の冷却水は、冷却水排出用マニホールド44Aを通ってからスタック端部流路72Aに流れ込み、その上方部から下方部に向けて蛇行しながら流れ、下端部に設けられた冷却水排出口74Aから外部に排出される。   In Comparative Example 1, the cooling water after the temperature rise discharged from each cell 20 after power generation flows through the cooling water discharge manifold 44A and then flows into the stack end flow path 72A, from the upper part toward the lower part. The water flows while meandering and is discharged to the outside from a cooling water discharge port 74A provided at the lower end.

比較例1では、スタック端部流路72Aが端板70Aのほぼ全面にわたり設けられており、さらに、冷却水供給口71から供給される全ての冷却水が無制限にスタック端部流路72Aに流入するため、端板70Aに温度分布が生じず一定の温度になるとともに、固体高分子形燃料電池スタックの出力が変動すると、それにともなって端板70Aの温度が変動してしまう。   In Comparative Example 1, the stack end channel 72A is provided over almost the entire surface of the end plate 70A, and all the cooling water supplied from the cooling water supply port 71 flows into the stack end channel 72A without limitation. Therefore, the temperature distribution in the end plate 70A does not occur and the temperature is constant, and when the output of the polymer electrolyte fuel cell stack varies, the temperature of the end plate 70A varies accordingly.

(比較例2)
図6は、上記実施例1と比較するために構成した比較例2に係る固体高分子形燃料電池スタック10Bを示す。固体高分子形燃料電池スタック10Bの基本的な構成は、実施例1の固体高分子形燃料電池スタック10と同様であるので、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。固体高分子形燃料電池スタック10Bの端板70B、80Bは水流路を有しない点で、実施例1の固体高分子形燃料電池スタック10とは著しく相違する。ただし、端板70Bに冷却水排出用マニホールド44に連通する冷却水排出口74Bが設けられている。
(Comparative Example 2)
FIG. 6 shows a polymer electrolyte fuel cell stack 10B according to Comparative Example 2 configured for comparison with Example 1 described above. Since the basic configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack 10B is the same as that of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 of the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted. The end plates 70B and 80B of the polymer electrolyte fuel cell stack 10B are significantly different from the polymer electrolyte fuel cell stack 10 of Example 1 in that they do not have a water channel. However, a cooling water discharge port 74B communicating with the cooling water discharge manifold 44 is provided in the end plate 70B.

比較例2では、発電後に各セル20から排出される昇温された冷却水は、冷却水排出用マニホールド44を通って、端板70Bの冷却水排出口74Bから外部に排水される。したがって、昇温後の冷却水を用いた両端部のセル20の加温は行われない。   In the comparative example 2, the heated cooling water discharged from each cell 20 after power generation passes through the cooling water discharge manifold 44 and is drained to the outside from the cooling water discharge port 74B of the end plate 70B. Therefore, heating of the cells 20 at both ends using the cooling water after the temperature rise is not performed.

(実施例および比較例の評価)
実施例1、比較例1および比較例2の3種類の固体高分子形燃料電池スタック(セル数65個)を作製し、発電中における各セルの温度分布の測定実験を行った。図7は、セルの温度分布測定の実験結果を示す。各セルの温度は、セル最下部、セル中央部およびセル最上部にて測定された。図7に示すように、実施例1は、セル最下部の温度T10、セル中央部の温度T12、セル最上部の温度T14ともに、両端セルと他のセルとに差異が生じず、各セルの温度分布が極めて近似することが確認された。
(Evaluation of Examples and Comparative Examples)
Three types of polymer electrolyte fuel cell stacks (65 cells) of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were produced, and a temperature distribution measurement experiment of each cell during power generation was performed. FIG. 7 shows the experimental results of cell temperature distribution measurement. The temperature of each cell was measured at the cell bottom, cell center and cell top. As shown in FIG. 7, in Example 1, the temperature T10 at the bottom of the cell, the temperature T12 at the center of the cell, and the temperature T14 at the top of the cell are not different from each other cell and other cells. It was confirmed that the temperature distribution was very close.

これに対して、比較例2では、両端セルにおいて他のセルよりセル最下部の温度T20、セル中央部の温度T22、セル最上部の温度T24ともに低下しており、特に、セル最上部の温度T24の両端セルにおける温度低下が顕著であった。   On the other hand, in Comparative Example 2, the temperature T20 at the bottom of the cell, the temperature T22 at the center of the cell, and the temperature T24 at the top of the cell are lower than the other cells in both end cells. The temperature drop in both end cells of T24 was significant.

比較例1では、両端セルにおける温度低下が温度T30、セル中央部の温度T32、セル最上部の温度T34ともに比較例2に比べると改善されてはいるが、両端セルと他の部分のセルの温度分布は依然として異なっていることが確認された。   In Comparative Example 1, the temperature drop at both end cells is improved compared to Comparative Example 2 in terms of temperature T30, cell center temperature T32, and cell topmost temperature T34, but both end cells and other portions of the cell are not. It was confirmed that the temperature distribution was still different.

以上の実験結果から、実施例1の固体高分子形燃料電池スタックは、セルの高温領域に対応する端板70および端板80の一部に、温度が制御された昇温後の冷却水を流すことにより、各セルの温度分布を近似させることができることがわかった。   From the above experimental results, in the polymer electrolyte fuel cell stack of Example 1, the temperature-controlled cooling water was applied to part of the end plate 70 and the end plate 80 corresponding to the high temperature region of the cell. It was found that the temperature distribution of each cell can be approximated by flowing.

なお、固体高分子形燃料電池スタックの端板70、80におけるスタック端部流路72の経路は、実施例1の形態に限られない。以下で説明する実施例2および実施例3は、端板70、80のスタック端部流路72の構成が異なる他は、実施例1と基本的な構成は同様であるため、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。   In addition, the path | route of the stack edge part flow path 72 in the end plates 70 and 80 of a polymer electrolyte fuel cell stack is not restricted to the form of Example 1. FIG. Example 2 and Example 3 described below have the same basic configuration as Example 1 except that the configuration of the stack end flow path 72 of the end plates 70 and 80 is the same. A detailed description is omitted with reference numerals.

(実施例2)
図8は、実施例2に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板70Cの構成を示す概略図である。実施例2の端板70Cにおけるスタック端部流路72Cは、セル20の高温領域に対応して端板70Cの上部領域に略連続S字形に設けられている点では、実施例1と共通する。ただし、実施例2のスタック端部流路72Cは、端板70Cの上部に位置するほど、断面積が大きい。これにより、スタック端部のセル20の上部がより効果的にスタック端部流路72Cを流れる冷却水によって加温されるので、スタック端部のセル20の温度分布を他の部分のセル20の温度分布により近づけることができる。
(Example 2)
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a configuration of an end plate 70C of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the second embodiment. The stack end channel 72C in the end plate 70C of the second embodiment is common to the first embodiment in that it is provided in a substantially continuous S shape in the upper region of the end plate 70C corresponding to the high temperature region of the cell 20. . However, the stack end flow path 72C of the second embodiment has a larger cross-sectional area as it is located above the end plate 70C. As a result, the upper part of the cell 20 at the stack end is more effectively heated by the cooling water flowing through the stack end channel 72C, so that the temperature distribution of the cell 20 at the stack end can It can be closer to the temperature distribution.

(実施例3)
図9は、実施例3に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板70Dの構成を示す概略図である。実施例3の端板70Dにおけるスタック端部流路72Dは、セル20の高温領域に対応して端板70Dの上部領域に略連続S字形に設けられている点では、実施例1と共通する。ただし、実施例3のスタック端部流路72Dは、端板70Dの上部に位置するほど、折り返された経路間の間隔が密になっている。これにより、スタック端部のセル20の上部がより効果的にスタック端部流路72Cを流れる冷却水によって加温されるので、スタック端部のセル20の温度分布を他の部分のセル20の温度分布により近づけることができる。
(Example 3)
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a configuration of an end plate 70D of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the third embodiment. The stack end channel 72D in the end plate 70D of the third embodiment is common to the first embodiment in that it is provided in a substantially continuous S shape in the upper region of the end plate 70D corresponding to the high temperature region of the cell 20. . However, as the stack end portion flow path 72D of the third embodiment is positioned above the end plate 70D, the interval between the folded paths is closer. As a result, the upper part of the cell 20 at the stack end is more effectively heated by the cooling water flowing through the stack end channel 72C, so that the temperature distribution of the cell 20 at the stack end can It can be closer to the temperature distribution.

なお、実施例1−3に示したスタック端部流路は端板70、80に形成されているが、端板70、80のみならず、集電板50または絶縁板60に形成されてもよく、さらには、端板70、80が絶縁板60を兼ねる構成に形成されてもよい。たとえば、端板70、80及び絶縁板60の両者に溝を形成し、端板70、80と絶縁板60をそれぞれ張り合わせることにより、スタック端部流路を形成することが可能である。   In addition, although the stack edge part flow path shown in Example 1-3 is formed in the end plates 70 and 80, it may be formed not only in the end plates 70 and 80 but in the current collecting plate 50 or the insulating plate 60. In addition, the end plates 70 and 80 may be formed so as to also serve as the insulating plate 60. For example, it is possible to form a stack end flow path by forming grooves in both of the end plates 70 and 80 and the insulating plate 60 and bonding the end plates 70 and 80 and the insulating plate 60 together.

以上説明した実施例1−3は、セルの反応熱で温度が上昇した冷却水を利用してスタック端部のセルに適度な温度分布を与える形態である。次に、実施例1−3とは異なる形態で、スタック両端のセルの温度分布を適正化する構成について説明する。   Example 1-3 demonstrated above is a form which gives moderate temperature distribution to the cell of a stack | stuck edge part using the cooling water which temperature rose with the reaction heat of the cell. Next, a configuration for optimizing the temperature distribution of the cells at both ends of the stack in a form different from that of Example 1-3 will be described.

(実施例4)
図10は、実施例4に係る固体高分子形燃料電池スタック10Eの構成を示す。固体高分子形燃料電池スタック10Eの基本的な構成は、実施例1の固体高分子形燃料電池スタック10と同様であるので、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。端板70Eと端板80Eとはほぼ同じ構成であるため、以下では端板70Eについて説明する。ただし、固体高分子形燃料電池スタック10Eには、端板70Eに冷却水排出用マニホールド44に連通する冷却水排出口74Eが設けられている。
Example 4
FIG. 10 shows a configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack 10E according to the fourth embodiment. The basic configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack 10E is the same as that of the polymer electrolyte fuel cell stack 10 of the first embodiment. Since the end plate 70E and the end plate 80E have substantially the same configuration, the end plate 70E will be described below. However, the polymer electrolyte fuel cell stack 10E is provided with a cooling water discharge port 74E communicating with the cooling water discharge manifold 44 in the end plate 70E.

図11は、実施例4に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板70Eの構成を示す概略図である。端板70Eは、矢印Tで示すセル20内の冷却水の流れの方向に対して垂直方向に複数の切り込み90が設けられている。   FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a configuration of an end plate 70E of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the fourth embodiment. The end plate 70E is provided with a plurality of cuts 90 in a direction perpendicular to the direction of the flow of the cooling water in the cell 20 indicated by the arrow T.

切り込み90により、端板70Eの矢印T方向への熱の伝導が阻害され、セル20内の冷却水の流れの方向の熱伝達量がセル20内の冷却水の流れの方向に垂直方向の熱伝達量に比べて低くなる。このため、端板70Eの上部と下部との間で温度差が保たれ、端板70Eに集電板50及び絶縁板60を介して隣接するセル20の上部の温度低下が抑制され、スタック端部のセル20の温度分布が他の部分のセル20の温度分布に近似したものになる。   The notch 90 inhibits heat conduction in the direction of arrow T of the end plate 70E, and the amount of heat transfer in the direction of the cooling water flow in the cell 20 is perpendicular to the direction of the cooling water flow in the cell 20. Lower than the amount of transmission. For this reason, a temperature difference is maintained between the upper part and the lower part of the end plate 70E, and the temperature drop of the upper part of the cell 20 adjacent to the end plate 70E via the current collecting plate 50 and the insulating plate 60 is suppressed, and the stack end The temperature distribution of the part cell 20 is approximate to the temperature distribution of the other part cell 20.

実施例4では、端板70Eの横方向の一方の辺から複数の切り込み90が入れられているが、端板70Eの横方向の両方の辺から、互い違いに複数の切り込み90を入れてもよい。   In the fourth embodiment, a plurality of cuts 90 are made from one side in the lateral direction of the end plate 70E. However, a plurality of cuts 90 may be made alternately from both sides in the lateral direction of the end plate 70E. .

なお、固体高分子形燃料電池スタックの端板70Eの熱伝達量を冷却水の流れの方向とその垂直方向とで差をつける形態は、実施例4の構成に限られない。以下で説明する実施例5および実施例6は、端板70E、80Eの構成が異なる他は、実施例4と基本的な構成は同様であるため、同一部材に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。   In addition, the form which makes the heat transfer amount of the end plate 70E of the polymer electrolyte fuel cell stack different in the direction of the flow of the cooling water and the vertical direction thereof is not limited to the configuration of the fourth embodiment. Example 5 and Example 6 described below are the same in basic configuration as Example 4 except that the configurations of the end plates 70E and 80E are different. Is omitted.

(実施例5)
図12は、実施例5に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板70Fの構成を示す。端板70Fは、矢印Tで示す冷却水流路32内の冷却水の流れの方向に沿って複数の穴92が設けられている。穴92の形状は、上記冷却水の流れの方向に対して垂直方向に長手方向が向いていることが望ましい。
(Example 5)
FIG. 12 shows the configuration of the end plate 70F of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the fifth embodiment. The end plate 70F is provided with a plurality of holes 92 along the direction of the flow of the cooling water in the cooling water flow path 32 indicated by the arrow T. As for the shape of the hole 92, it is desirable that the longitudinal direction is perpendicular to the direction of the cooling water flow.

穴92により、端板70Fの矢印T方向への熱の伝導が阻害され、セル20内の反応ガスの流れの方向の熱伝達量が冷却水流路32内の冷却水の流れの方向に垂直方向の熱伝達量に比べて低くなる。このため、端板70Fの上部と下部との間で温度差が保たれ、端板70Fに集電板50及び絶縁板60を介して隣接するセル20の上部の温度低下が抑制され、スタック端部のセル20の温度分布が他の部分のセル20の温度分布に近似したものになる。   The hole 92 inhibits heat conduction in the direction of the arrow T of the end plate 70F, and the amount of heat transfer in the direction of the flow of the reaction gas in the cell 20 is perpendicular to the direction of the flow of the cooling water in the cooling water channel 32. The amount of heat transfer is low. For this reason, the temperature difference is maintained between the upper part and the lower part of the end plate 70F, and the temperature drop of the upper part of the cell 20 adjacent to the end plate 70F via the current collector plate 50 and the insulating plate 60 is suppressed, and the stack end The temperature distribution of the part cell 20 is approximate to the temperature distribution of the other part cell 20.

(実施例6)
図13は、実施例6に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板70Gの構成を示す。端板70Gは、矢印Tで示す冷却水流路32内の冷却水の流れの方向に対して複数に分割されている。端板70Gが上記冷却水の流れの方向に対して複数に分割されている結果、分割された端板70G間での熱伝導が著しく阻害され、冷却水流路32内の冷却水の流れの方向の熱伝達量が冷却水流路32内の冷却水の流れの方向に垂直方向の熱伝達量に比べて低くなる。このため、端板70Gの上部と下部との間で温度差が保たれ、端板70Gに集電板50及び絶縁板60を介して隣接するセル20の上部の温度低下が抑制され、スタック端部のセル20の温度分布が他の部分のセル20の温度分布に近似したものになる。
(Example 6)
FIG. 13 shows a configuration of an end plate 70G of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the sixth embodiment. The end plate 70G is divided into a plurality of parts with respect to the flow direction of the cooling water in the cooling water flow path 32 indicated by the arrow T. As a result of the end plate 70G being divided into a plurality of directions with respect to the flow direction of the cooling water, the heat conduction between the divided end plates 70G is remarkably hindered, and the direction of the flow of cooling water in the cooling water passage 32 The heat transfer amount is lower than the heat transfer amount in the direction perpendicular to the flow direction of the cooling water in the cooling water flow path 32. For this reason, the temperature difference between the upper part and the lower part of the end plate 70G is maintained, and the temperature drop of the upper part of the cell 20 adjacent to the end plate 70G via the current collecting plate 50 and the insulating plate 60 is suppressed, and the stack end The temperature distribution of the part cell 20 is approximate to the temperature distribution of the other part cell 20.

なお、端板70Gを複数に分割した場合には、端板70Gの分割部分ごとに、ロッド等で固体高分子形燃料電池スタック全体を締め付ける。   When the end plate 70G is divided into a plurality of portions, the entire polymer electrolyte fuel cell stack is tightened with a rod or the like for each divided portion of the end plate 70G.

なお、実施例4−6に示した端板の板形状は、端板70、80のみならず、集電板50または絶縁板60にも適用可能であり、さらには、端板70、80が絶縁板60を兼ねる構成にも適用可能である。このようないずれの構成によっても、集電板50または絶縁板60の冷却水流路32内の冷却水の流れの方向の熱伝導を阻害し、集電板50または絶縁板60の冷却水流路32内の冷却水の流れの方向の熱伝達量を冷却水流路32内の冷却水の流れの方向に垂直方向の熱伝達量に比べて低くすることができる。このため、集電板50または絶縁板60の上部と下部との間で温度差が保たれ、スタック端部のセル20の上部の温度低下が抑制され、スタック端部のセル20の温度分布が他の部分のセル20の温度分布に近似したものになる。   The plate shape of the end plate shown in Example 4-6 is applicable not only to the end plates 70 and 80 but also to the current collector plate 50 or the insulating plate 60. Furthermore, the end plates 70 and 80 are The present invention can also be applied to a configuration that also serves as the insulating plate 60. Any of such configurations inhibits heat conduction in the direction of the flow of the cooling water in the cooling water flow path 32 of the current collecting plate 50 or the insulating plate 60, and the cooling water flow path 32 of the current collecting plate 50 or the insulating plate 60. The amount of heat transfer in the direction of the cooling water flow in the cooling water channel 32 can be made lower than the amount of heat transfer in the direction perpendicular to the direction of the flow of cooling water in the cooling water channel 32. For this reason, a temperature difference is maintained between the upper part and the lower part of the current collector plate 50 or the insulating plate 60, the temperature drop of the upper part of the cell 20 at the stack end is suppressed, and the temperature distribution of the cell 20 at the stack end is reduced. It approximates the temperature distribution of the cell 20 in the other part.

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。また、上記実施例1−3のいずれかの形態と上記実施例4−6のいずれかの形態とを組み合わせることにより、スタック端部のセル20の温度分布とそれ以外の部分のセル20の温度分布により近くすることができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention. Further, by combining any one of the embodiments 1-3 and any one of the embodiments 4-6, the temperature distribution of the cell 20 at the end of the stack and the temperature of the cell 20 at the other portion are combined. Can be closer to the distribution.

(実施例7)
たとえば、図14は、実施例7に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板70Hの構成を示す。実施例7に係る固体高分子形燃料電池スタックは実施例1と基本構成が共通する。実施例7では、端板70Hに、セル20の高温領域に対応して、その上部領域に略連続S字形の経路に形成されてたスタック端部流路72Hが設けられたことに加えて、その下部領域に矢印Tで示す冷却水流路32内の冷却水の流れの方向に沿って複数の穴92Hが設けられている。
(Example 7)
For example, FIG. 14 shows the structure of the end plate 70H of the polymer electrolyte fuel cell stack according to the seventh embodiment. The polymer electrolyte fuel cell stack according to Example 7 has the same basic configuration as that of Example 1. In Example 7, in addition to the end plate 70H being provided with a stack end channel 72H formed in a substantially continuous S-shaped path in the upper region corresponding to the high temperature region of the cell 20, A plurality of holes 92H are provided in the lower region along the direction of the flow of the cooling water in the cooling water flow path 32 indicated by the arrow T.

これによれば、端板70Hの上部領域をセル20の高温領域に対応して適度に加温するとともに、端板70Hの下部領域では、セル20内の冷却水の流れの方向に下部になるにつれて温度が低くなるような温度勾配が生じるため、スタック端部のセル20の温度分布とそれ以外の部分のセル20の温度分布により近くすることができる。   According to this, the upper region of the end plate 70H is appropriately heated corresponding to the high temperature region of the cell 20, and the lower region of the end plate 70H is lower in the direction of the cooling water flow in the cell 20. Therefore, the temperature distribution of the cell 20 at the stack end and the temperature distribution of the cell 20 at other portions can be made closer to each other.

また、上記各実施例では、スタック端部流路が端板に形成された溝により構成されているが、スタック端部流路を端板の外側に設けてもよい。この場合、保温の観点から、スタック端部流路を断熱材で被覆することが好適である。   In each of the above embodiments, the stack end channel is formed by a groove formed in the end plate. However, the stack end channel may be provided outside the end plate. In this case, from the viewpoint of heat retention, it is preferable to cover the stack end channel with a heat insulating material.

実施例1に係る固体高分子形燃料電池スタックの構成を示す概略図である。1 is a schematic view showing a configuration of a solid polymer fuel cell stack according to Example 1. FIG. 固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the end plate of a polymer electrolyte fuel cell stack. (A)は、端板に設けられた流量制御素子を示す図であり、(B)は、図3(A)に示す流量制御素子のA−A線上の断面図である。(A) is a figure which shows the flow control element provided in the end plate, (B) is sectional drawing on the AA line of the flow control element shown to FIG. 3 (A). 比較例1に係る固体高分子形燃料電池スタックを示す概略図である。2 is a schematic view showing a polymer electrolyte fuel cell stack according to Comparative Example 1. FIG. 比較例1に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an end plate of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Comparative Example 1. 比較例2に係る固体高分子形燃料電池スタックを示す概略図である。6 is a schematic view showing a polymer electrolyte fuel cell stack according to Comparative Example 2. FIG. 実施例1、比較例1および比較例2の固体高分子形燃料電池スタックの各セルの温度分布測定の実験結果を示すグラフである。6 is a graph showing experimental results of temperature distribution measurement of each cell of the polymer electrolyte fuel cell stacks of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. 実施例2に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic view showing a configuration of an end plate of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Example 2. 実施例3に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic view showing a configuration of an end plate of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Example 3. 実施例4に係る固体高分子形燃料電池スタックの構成を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic view showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Example 4. 実施例4に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing a configuration of an end plate of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Example 4. 実施例5に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す図である。FIG. 10 is a view showing a configuration of an end plate of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Example 5. 実施例6に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a configuration of an end plate of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Example 6. 実施例7に係る固体高分子形燃料電池スタックの端板の構成を示す図である。FIG. 10 is a view showing a configuration of an end plate of a polymer electrolyte fuel cell stack according to Example 7.

符号の説明Explanation of symbols

10 固体高分子形燃料電池スタック、20 セル、22 MEA、24 アノード側プレート、26 カソード側プレート、30 冷却プレート、40 積層体、42 冷却水供給用マニホールド、44 冷却水排出用マニホールド、50 集電板、60 絶縁板、70,80 端板、71 冷却水供給口、72 スタック端部流路、73 流量制御素子、74、冷却水排出口、76 燃料入口、77 燃料出口、78 酸化剤入口、79 酸化剤出口。   10 Polymer Polymer Fuel Cell Stack, 20 Cells, 22 MEA, 24 Anode Side Plate, 26 Cathode Side Plate, 30 Cooling Plate, 40 Laminate, 42 Cooling Water Supply Manifold, 44 Cooling Water Discharge Manifold, 50 Current Collector Plate, 60 insulating plate, 70, 80 end plate, 71 cooling water supply port, 72 stack end channel, 73 flow control element, 74, cooling water discharge port, 76 fuel inlet, 77 fuel outlet, 78 oxidant inlet, 79 Oxidant outlet.

Claims (5)

電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路を有するアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路を有するカソード側プレートとを有するセルと、前記セルを冷却する熱媒体が流れる熱媒体流路が設けられた冷却プレートとを複数積層した積層体と、
集電板および絶縁板を介して前記積層体の両端に設けられ、前記積層体を締め付ける端板と、
を備える燃料電池スタックであって、
前記冷却プレートを通過した熱媒体が流れるスタック端部流路が前記端板の一部に設けられ、
前記スタック端部流路が前記セルの高温領域に対応する領域に位置することを特徴とする燃料電池スタック。
A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the electrolyte membrane, and an anode side plate having a fuel flow channel facing the anode A laminate in which a plurality of cells including a cathode plate having an oxidant flow path facing the cathode and a cooling plate provided with a heat medium flow path through which a heat medium for cooling the cell is provided;
An end plate that is provided at both ends of the laminate through a current collector plate and an insulating plate, and clamps the laminate;
A fuel cell stack comprising:
A stack end flow path through which the heat medium that has passed through the cooling plate flows is provided in a part of the end plate,
The fuel cell stack, wherein the stack end channel is located in a region corresponding to a high temperature region of the cell.
前記スタック端部流路に流入する前記熱媒体の流量を前記熱媒体の温度に応じて制御する第1の流量制御素子を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。   2. The fuel cell stack according to claim 1, further comprising a first flow rate control element that controls a flow rate of the heat medium flowing into the stack end flow path according to a temperature of the heat medium. 前記積層体を貫通し、スタック端部流路に連通する冷却水排出用マニホールドに流入するとともに、前記積層体の端部に設けられた冷却プレートを通過する熱媒体の流量を、前記冷却プレートを通過した熱媒体の温度に応じて制御する第2の流量制御素子を有することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池スタック。   The flow rate of the heat medium passing through the cooling plate provided at the end of the laminated body and flowing into the cooling water discharge manifold that passes through the laminated body and communicates with the stack end flow path is determined by the cooling plate. 3. The fuel cell stack according to claim 1, further comprising a second flow rate control element that controls the temperature of the heat medium that has passed. 前記スタック端部流路が設けられていない前記端板の残りの部分における前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向の熱伝達量が、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流れ方向と垂直方向の熱伝達量より小さいことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   The heat transfer amount in the flow direction of the heat medium flowing through the heat medium flow path in the remaining part of the end plate where the stack end flow path is not provided is the flow direction of the heat medium flowing through the heat medium flow path. The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell stack is smaller than a heat transfer amount in a vertical direction. 前記燃料流路、前記酸化剤流路および前記熱媒体流路がそれぞれ複数の直線状の流路で構成され、
前記燃料流路を流れる燃料と前記酸化剤流路を流れる酸化剤とが上方から下方へ流れる並行流をなし、前記熱媒体流路を流れる熱媒体が前記燃料および前記酸化剤に対して並行流または対向流をなすことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
Each of the fuel flow path, the oxidant flow path, and the heat medium flow path is composed of a plurality of linear flow paths,
The fuel flowing through the fuel flow channel and the oxidant flowing through the oxidant flow channel form a parallel flow that flows downward from above, and the heat medium flowing through the heat medium flow channel flows in parallel to the fuel and the oxidant. The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell stack has a counterflow.
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