JP2005302455A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。より具体的には、本発明はガス流路の閉塞を抑制する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 that suppresses blockage of gas flow paths.
一般に、固体高分子形燃料電池スタックでは、固体高分子電解質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MEAを挟んでセルを構成する。このような構造のセルを複数積層して積層体を形成し、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燃料電池が構成される。 In general, in a polymer electrolyte fuel cell stack, a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) is configured by joining an anode to one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode to the other surface, A cell is configured by sandwiching the MEA between 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 fuel cell is configured by stacking a plurality of cells having such a structure to form a laminate, and attaching and tightening end plates to both ends of the laminate.
固体高分子形燃料電池は、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。 In the polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas such as a reformed gas is circulated through the anode side plate, and an 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.
固体高分子形燃料電池は、運転中に固体高分子電解質膜のイオン導電性を確保するために電解質膜を保湿する必要があるため、従来から燃料ガスや空気を加湿して供給する方式が多く用いられている。また、アノード側ガス流路に燃料ガスと液体の水を分配してともに流通させることによって、アノードに対する燃料ガスの供給と電解質膜の保湿を効率よく行うとともに、電池の冷却も行うことのできる固体高分子形燃料電池も開発されている。 In the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to moisturize the electrolyte membrane in order to ensure the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane during operation. Therefore, there are many conventional methods of supplying fuel gas and air after humidification It is used. In addition, by distributing fuel gas and liquid water to the anode side gas flow path and distributing them together, the fuel gas can be efficiently supplied to the anode and the electrolyte membrane can be efficiently moisturized, and the battery can be cooled. Polymer fuel cells have also been developed.
燃料電池において優れた電池特性を得るためには、アノードまたはカソードの全体に燃料ガスや酸化剤ガスを行き渡らせることが必要である。そのためには、アノード側およびカソード側のガス流路溝が水で閉塞して燃料ガスや酸化剤ガスの流れを妨げることのないようにする必要がある。 In order to obtain excellent battery characteristics in a fuel cell, it is necessary to distribute fuel gas and oxidant gas throughout the anode or cathode. For this purpose, it is necessary to prevent the gas flow grooves on the anode side and the cathode side from being blocked with water to obstruct the flow of the fuel gas and the oxidant gas.
このため、従来、燃料ガス流路溝を鉛直方向に向けて燃料ガスを下方向に流通させることで水を排出し易くし、さらにガス流路溝出口に吸水材を配したものが知られている(たとえば、特許文献1)。これによると、燃料ガス流路で生成された水は吸水材を介してマニホールドに排出されるため、燃料ガス流路溝出口付近から速やかに水を除去することができるので、燃料ガス流路溝の閉塞が少なくなる。
しかしながら、通常、燃料ガス流路溝や酸化剤ガス流路溝の出口に設けられる出口ヘッダは非常に浅いため、水がこの出口ヘッダに滞留しやすい。この滞留水の量はセルによって異なり、滞留水の多いセルではセルへの燃料ガスや酸化剤ガスの供給量が低下して、電圧低下を招くことになる。 However, since the outlet header provided at the outlet of the fuel gas channel groove or the oxidant gas channel groove is usually very shallow, water tends to stay in the outlet header. The amount of the staying water varies depending on the cell, and in a cell having a lot of staying water, the supply amount of the fuel gas and the oxidant gas to the cell is lowered, resulting in a voltage drop.
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、ガス流路溝で生成される水を速やかにマニホールドに排出して、燃料電池を安定的に動作させることのできる燃料電池スタックを提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to quickly discharge water generated in the gas flow channel into the manifold so that the fuel cell can be stably operated. Is to provide.
本発明のある態様は、電解質膜の一方の面にアノードを配し他方の面にカソードを配した膜電極接合体と、前記アノードに対向するアノードガス流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向するカソードガス流路が形成されたカソード側プレートと、から構成されるセルを複数積層した積層体を備え、前記アノード側プレートおよびカソード側プレートに前記積層体を貫通するガス排出マニホールドが形成されている燃料電池スタックに関する。前記セルは前記アノードガス流路またはカソードガス流路の少なくとも一方の下流に配置された吸水部材をさらに備え、該吸水部材が前記ガス排出マニホールド内まで延在する延在部を有している。 An aspect of the present invention includes a membrane electrode assembly in which an anode is disposed on one surface of an electrolyte membrane and a cathode is disposed on the other surface, an anode side plate in which an anode gas flow path facing the anode is formed, A gas exhaust manifold that includes a stacked body in which a plurality of cells composed of a cathode side plate formed with a cathode gas flow path facing the cathode is stacked, and penetrates the stacked body through the anode side plate and the cathode side plate The present invention relates to a fuel cell stack in which is formed. The cell further includes a water absorbing member disposed downstream of at least one of the anode gas channel and the cathode gas channel, and the water absorbing member has an extending portion extending into the gas discharge manifold.
この態様によれば、アノードガス流路またはカソードガス流路の下端で吸水部材に吸収された水が吸水部材によりガス排出マニホールドまで速やかに排水されるため、アノード側プレートまたはカソード側プレートの出口ヘッダに水が滞留することがなくなるので、水詰まりによるガス流路の閉塞が抑制される。したがって、各セルの電圧の低下のばらつきが減少し、燃料電池を安定的に動作させることができる。なお、ガス流路から水を効果的に排出するには、ガス流路の下流がプレートの鉛直方向下側にあることが好ましい。 According to this aspect, since the water absorbed by the water absorbing member at the lower end of the anode gas channel or the cathode gas channel is quickly drained to the gas discharge manifold by the water absorbing member, the outlet header of the anode side plate or the cathode side plate In this case, water does not stay in the gas flow path, so that blockage of the gas flow path due to water clogging is suppressed. Therefore, the variation in the voltage drop of each cell is reduced, and the fuel cell can be stably operated. In order to effectively discharge water from the gas channel, the downstream side of the gas channel is preferably on the lower side in the vertical direction of the plate.
本発明の別の態様は、電解質膜の一方の面にアノードを配し他方の面にカソードを配した膜電極接合体と、前記アノードに対向するアノードガス流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向するカソードガス流路が形成されたカソード側プレートと、から構成されるセルを複数積層した積層体を備え、前記アノード側プレートおよびカソード側プレートに前記積層体を貫通するガス排出マニホールドが形成されている燃料電池スタックに関する。前記セルは、前記アノードガス流路またはカソードガス流路の少なくとも一方を流路底と対向するように覆い、各ガス流路に対応して開口部が設けられているトンネル流路形成プレートと、該トンネル流路形成プレート上に配置され前記開口部を覆う吸水部材と、をさらに備える。 Another aspect of the present invention is a membrane electrode assembly in which an anode is disposed on one surface of an electrolyte membrane and a cathode is disposed on the other surface, an anode side plate having an anode gas flow path facing the anode, And a cathode side plate in which a cathode gas flow path facing the cathode is formed, and a laminated body in which a plurality of cells are laminated, and gas discharge through the anode body plate and the cathode side plate through the laminated body The present invention relates to a fuel cell stack in which a manifold is formed. The cell covers at least one of the anode gas channel or the cathode gas channel so as to face the channel bottom, and a tunnel channel forming plate provided with an opening corresponding to each gas channel; A water absorbing member disposed on the tunnel flow path forming plate and covering the opening.
この態様によれば、トンネル流路形成用プレートのガス流路溝側を伝わる水が当該プレートに開けられた開口部に浸入し、開口部上面に置かれた吸水部材により吸収されるので、ガス流路溝下端部での水詰まりによる閉塞が抑制される。なお、開口部は種々の形状を取ることができ、例えば貫通孔やスリットを含む。前記吸水部材は、前記ガス排出マニホールド内まで延在する延在部を有していてもよい。これにより、開口部から吸水された水をガス排出マニホールドまで導くことができる。なお、吸水部材は単一の部材であっても二部材以上の重ねあわせにより構成されていてもよい。 According to this aspect, the water traveling on the gas channel groove side of the tunnel channel forming plate enters the opening opened in the plate and is absorbed by the water absorbing member placed on the upper surface of the opening. Blockage due to water clogging at the lower end of the channel groove is suppressed. In addition, an opening part can take various shapes, for example, includes a through-hole and a slit. The water absorbing member may have an extending portion that extends into the gas discharge manifold. Thereby, the water absorbed from the opening can be guided to the gas discharge manifold. In addition, even if a water absorbing member is a single member, it may be comprised by the lamination | stacking of two or more members.
各セルの吸水部材の延在部が前記ガス排出マニホールド内において相互に連結していてもよい。これによると、各セルから排出される水がガス排出マニホールド内の吸水部材を次々と伝わるので、燃料電池スタックの外部に水を排出することができる。なお、「相互に連結」とは、延在部が一方向に向かって隣接するセルと連結する場合と、両側のセルと連結する場合を含む。 The extension part of the water absorption member of each cell may be mutually connected in the said gas exhaust manifold. According to this, since water discharged from each cell is successively transmitted through the water absorbing member in the gas discharge manifold, it is possible to discharge water to the outside of the fuel cell stack. In addition, the term “connected to each other” includes a case where the extended portion is connected to a cell adjacent in one direction and a case where the extended portion is connected to cells on both sides.
前記延在部が前記ガス排出マニホールド内で屈曲しており、この屈曲部分が隣接するセルの吸水部材の延在部と接触するように燃料電池スタックを構成してもよい。または、前記延在部が前記ガス排出マニホールド内で屈曲しており、前記ガス排出マニホールドの積層方向に延び各セルの吸水部材の延在部と接触するような連結用吸水部材をさらに備えるようにしてもよい。これによると、各セルから排出される水がガス排出マニホールド内の吸水部材を次々と伝わるので、燃料電池スタックの外部に水を排出することができる。なお、「屈曲」とは、吸水部材が折り曲げられている場合と、滑らかに曲げられている場合の両方を含む。また、「接触」とは、吸水部材同士が単に接している場合と、重ねあわされている場合の両方を含む。 The extension portion is bent in the gas discharge manifold, and the fuel cell stack may be configured such that the bent portion contacts the extension portion of the water absorbing member of the adjacent cell. Or, the extension portion is bent in the gas discharge manifold, and further includes a connection water absorption member that extends in the stacking direction of the gas discharge manifold and contacts the extension portion of the water absorption member of each cell. May be. According to this, since water discharged from each cell is successively transmitted through the water absorbing member in the gas discharge manifold, it is possible to discharge water to the outside of the fuel cell stack. Note that “bending” includes both a case where the water absorbing member is bent and a case where the water absorbing member is bent smoothly. Further, “contact” includes both a case where the water absorbing members are simply in contact with each other and a case where they are overlapped.
前記吸水部材が前記アノード側プレートまたはカソード側プレートのガス流路出口部分の形状に合わせて形成されていてもよい。例えば、アノード側プレートのアノードガス流路またはカソード側プレートのカソードガス流路の下流に出口ヘッダが設けられているような燃料電池スタックの場合は、出口ヘッダの形状と吸水部材の形状をほぼ同じにし、出口ヘッダの全体にわたって吸水部材を配するようにすれば、出口ヘッダに水が滞留することがなくなる。また、出口ヘッダが設けられておらず、アノードガス流路またはカソードガス流路が直接ガス排出マニホールド孔に開口しているような形状のアノード側プレートまたはカソード側プレートを備える燃料電池スタックの場合は、ガス流路の下端からガス排出マニホールド孔に突出するような吸水部材を各ガス流路に備えるようにしてもよい。 The water absorbing member may be formed in accordance with the shape of the gas flow path outlet portion of the anode side plate or the cathode side plate. For example, in the case of a fuel cell stack in which an outlet header is provided downstream of the anode gas passage of the anode side plate or the cathode gas passage of the cathode side plate, the shape of the outlet header and the shape of the water absorbing member are substantially the same. If the water absorbing member is arranged over the entire outlet header, water does not stay in the outlet header. In addition, in the case of a fuel cell stack provided with an anode side plate or a cathode side plate that is not provided with an outlet header and has a shape in which the anode gas channel or the cathode gas channel opens directly into the gas discharge manifold hole. A water absorbing member that protrudes from the lower end of the gas flow path into the gas discharge manifold hole may be provided in each gas flow path.
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.
本発明の燃料電池スタックによれば、水によるガス流路溝の閉塞が抑制されるので、固体高分子形燃料電池を安定的に動作させることができる。 According to the fuel cell stack of the present invention, since the blockage of the gas flow channel groove by water is suppressed, the polymer electrolyte fuel cell can be stably operated.
実施の形態1.
図1(a)、(b)を参照して、実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池の構成を説明する。図1(a)は、アノード側プレート20の平面図であり、図1(b)は、固体高分子形燃料電池スタックの積層体10Aの一部分を図1(a)のA−A'断面で切り出した断面図である。
The configuration of the polymer electrolyte fuel cell according to
MEA70は、固体高分子電解質膜76にアノード72およびカソード74を配して構成されている。アノード側プレート20には、MEA70のアノード72に対向して複数の燃料ガス流路溝22を設けてあり、カソード側プレート80には、MEA70のカソード74に対向して酸化剤ガス流路溝82を設けてある。主に、MEA70を、アノード側プレート20とカソード側プレート80とで挟持することで単位セルが構成され、このセルを所定枚数積層することで、積層体10Aが構成される。積層体10Aの両端には、当該積層体を締め付ける一対の端板(図示せず)が配されており、これによって固体高分子形燃料電池スタックの一部を構成している。
The MEA 70 is configured by disposing an
アノード側プレート20の上部には、燃料ガス供給マニホールド孔32と、冷却水供給マニホールド孔34と、酸化剤ガス供給マニホールド孔36とが開設されている。アノード側プレート20の燃料ガス供給マニホールド孔32の下部には入口ヘッダ38が設けられ、入口ヘッダ38からは、鉛直方向下方に延びる複数の燃料ガス流路溝22が設けられている。このようにアノード側プレート20を配置することによって、重力の効果により水詰まりの影響を低減することができる。燃料ガス流路溝22のサイズは、例えば、幅0.5mm、深さ0.3mmである。燃料ガス流路溝22は、MEA70のアノード72に対向している。燃料ガス流路溝22の下側には、複数の燃料ガス流路溝22と連通する空間である出口ヘッダ48が設けられている。
A fuel gas
アノード側プレート20の下側には、燃料ガス排出マニホールド孔42と、冷却水排出マニホールド孔44と、酸化剤ガス排出マニホールド孔46とが開設されている。図1(b)の断面図からわかるように、燃料ガス供給マニホールド孔32は入口ヘッダ38と連通し、燃料ガス排出マニホールド孔42は出口ヘッダ48と連通している。
A fuel gas
入口ヘッダ38と燃料ガス流路溝22の上部に面して、トンネル流路を形成するためのプレート30が配設されている。同様に、出口ヘッダ48と燃料ガス流路溝22の下部に面して、トンネル流路を形成するためのプレート40が配設されている。
A
アノード側プレート20と同様に、カソード側プレート80にも供給マニホールド孔32、34、36および排出マニホールド孔42、44、46が開設されている。カソード側プレート80には、それぞれ酸化剤ガス供給マニホールド孔36に連通する図示しない入口ヘッダと、酸化剤ガス排出マニホールド孔46に連通する図示しない出口ヘッダが設けられている。入口ヘッダと出口ヘッダの間には、燃料ガス流路溝22のような酸化剤ガス流路溝82(図1(b)参照)が設けられ、この酸化剤ガス流路溝82がMEA70のカソード74に対向するようになっている。
Similarly to the
また、アノード側プレート20およびカソード側プレート80のそれぞれの背面側、つまりMEA70に対向する面と反対側の面には凹部が形成されている。アノード側プレート20とカソード側プレート80の背面を重ね合わせることで、凹部が組み合わされて冷却水流路58が形成される。
Further, a concave portion is formed on the back side of each of the
図1(b)に示すように、アノード側プレート20およびカソード側プレート80が積層されることで、供給マニホールド孔32、34、36、および排出マニホールド孔42、44、46が連結され、積層体10Aの積層方向に連通するマニホールドが形成される。アノード側プレート20とカソード側プレート80の間にはガスケット54が挟まれており、これによって、MEA70の四辺をシールするとともにマニホールドをシールしている。
As shown in FIG. 1B, the
燃料ガス流路溝22の終端部に接して、燃料ガス流路溝22内で生成する水を速やかに吸水し排水するべく、吸水部材60Aが配設されている。この吸水部材60Aは、図1(a)および図1(b)に、ドットを付して示されている。図1(b)に示すように、吸水部材60Aは、アノード側プレート20に形成された凹部に填め込まれ、出口ヘッダ48のほぼ全面に広がるようになっている。
A water absorbing member 60 </ b> A is disposed in contact with the terminal portion of the fuel
この実施の形態では、吸水部材60Aは燃料ガス排出マニホールド孔42まで突出し、吸水部材60Aのマニホールド側先端が、マニホールド内に滞留する水の水面より高い位置にあるようにされる。
In this embodiment, the
吸水部材60Aは、例えばポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、レーヨン、レーヨン/ポリエチレンテレフタレート、ナイロン/ポリエチレンテレフタレート、レーヨン/ポリクラールのいずれかを主成分とする織布、不織布またはフェルト等の材料、または、多孔質カーボン等の多孔質材料を用いて形成することができる。
The
次に、積層体10A内の反応ガスの流れについて説明する。
Next, the flow of the reactive gas in the
燃料ガスは、積層体10Aの積層方向に連通する燃料ガス供給マニホールド孔32を通って各セルに分配供給される。燃料ガスは、水中にバブリングして加湿されたものを使用する。各セルに供給された燃料ガスは、入口ヘッダ38を通過して燃料ガス流路溝22を流通し、アノードに水素を供給するとともに、固体高分子電解質膜を加湿する。燃料ガスとして、水素ガスあるいは水素を主成分とする天然ガス、プロパン、ブタン、メタノールなどの改質ガスを用いることができる。
The fuel gas is distributed and supplied to each cell through a fuel gas
一方、空気等の酸化剤ガスは、積層体10Aの積層方向に連通する酸化剤ガス供給マニホールド孔36を通って各セルに分配供給される。各セルに供給された酸化剤ガスは、入口ヘッダを通過して酸化剤ガス流路溝82を流通し、カソードに酸素を供給する。
On the other hand, an oxidant gas such as air is distributed and supplied to each cell through an oxidant gas
燃料ガスおよび酸化剤ガスが流通する各セルでは、固体高分子電解質膜76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。各セルから排出される未反応の燃料ガスは、出口ヘッダ48において合流し、積層体10Aの積層方向に連通する燃料ガス排出マニホールド孔42を通って積層体10Aの外部に排出される。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 in which the fuel gas and the oxidant gas flow, electric power is generated by an electrochemical reaction through the solid
また、発電後に各セルから排出される未反応の酸化剤ガスは、出口ヘッダにおいて合流し、積層体10Aの積層方向に連通する酸化剤ガス排出マニホールド孔46を通って積層体10Aの外部に排出される。
Further, the unreacted oxidant gas discharged from each cell after power generation merges at the outlet header, and is discharged to the outside of the
冷却水は、積層体10Aの積層方向に連通する冷却水供給マニホールド孔34を通って各冷却水流路58に分配供給される。各冷却水流路58を流通する冷却水は、各セルを冷却して適正運転温度(たとえば、約70〜80[℃])に保持する。冷却水は、積層体10Aの積層方向に連通する冷却水排出マニホールド孔44を通って積層体10Aの外部に排出される。
The cooling water is distributed and supplied to the respective cooling
アノード側プレート20の燃料ガス流路溝22で生成された水は、出口ヘッダ48に排出される。出口ヘッダ48は燃料ガス排出マニホールド孔42に向かって傾斜しているので、水は燃料ガス排出マニホールド孔42に排出される。しかしながら、燃料ガスと水の混合物が狭い燃料ガス流路溝内を流れるので、流路溝途中で水が滞留してしまい、これにより流路に水詰まりが生じてガスの流通が阻害されてしまう。また、出口ヘッダ48は非常に浅いため、出口ヘッダ48に排出された水は出口ヘッダ内に滞留しやすい。この滞留水の量はセルによって異なり、滞留水の多いセルでは、アノードに対する燃料ガスの供給が不均一になり、電圧低下を招来してしまう。
The water generated in the fuel
この実施形態では、燃料ガス流路溝22の最下流部に滞留する水は、燃料ガス流路溝22の片側の壁面に埋め込まれた吸水部材により吸水され、かつ、吸水部材が出口ヘッダ48の形状に合わせて成形されているので、吸水部材中の水勾配にしたがって水が滞留せずに速やかに燃料ガス排出マニホールド孔42に排出される。
In this embodiment, the water staying in the most downstream portion of the fuel gas
以上説明した実施の形態により、以下のような効果が得られる。すなわち、燃料ガス供給溝の下端に接するように出口ヘッダ内に吸水部材を設け、かつ吸水部材の端部が出口ヘッダの最下端よりも低い位置にあると、出口ヘッダ内の滞留水はこの吸水部材に吸い取られ、燃料ガス排出マニホールド内に排出される。これによって、電解質膜を加湿するための水分により生じるガス流路の水詰まりを軽減できるとともに、出口ヘッダ内の滞留水を速やかに除去することができる。また、出口ヘッダ内の滞留水が速やかに排除されることで燃料ガスの通路が確保され、各燃料ガス流路溝に流通するガスの流れを均一なものとなるので、電池特性を向上させることができる。また、発電電圧の経時的な低下を抑制できるため、長時間の運転後であっても高い電圧を得ることができる。なお、燃料ガス供給溝の下端と吸水部材との間に微小な隙間、例えば0.5mm程度の隙間を空けるように出口ヘッダ内に吸水部材を設けても、上記と同様の効果を得ることができる。 According to the embodiment described above, the following effects can be obtained. That is, if a water absorbing member is provided in the outlet header so as to be in contact with the lower end of the fuel gas supply groove, and the end of the water absorbing member is at a position lower than the lowermost end of the outlet header, the accumulated water in the outlet header is absorbed by the water absorbing member. The material is sucked and discharged into the fuel gas discharge manifold. This can reduce clogging of the gas flow path caused by moisture for humidifying the electrolyte membrane, and can quickly remove the accumulated water in the outlet header. In addition, since the stagnant water in the outlet header is quickly removed, fuel gas passages are secured, and the flow of gas flowing through each fuel gas passage groove becomes uniform, improving battery characteristics. Can do. Moreover, since the time-dependent fall of generated voltage can be suppressed, a high voltage can be obtained even after long-time operation. Even if a water absorbing member is provided in the outlet header so as to leave a minute gap, for example, a gap of about 0.5 mm, between the lower end of the fuel gas supply groove and the water absorbing member, the same effect as described above can be obtained. it can.
実施の形態2.
図2(a)、(b)は、実施の形態2に係る固体高分子形燃料電池スタックの構成を説明する図である。図2(a)は、アノード側プレート20の平面図であり、図2(b)は、固体高分子形燃料電池スタックの積層体10Bの一部分を図2(a)のA−A'断面で切り出した断面図である。実施の形態2は、吸水部材60Bの形状以外は実施の形態1と同様の構成をとる。したがって、同一部材に同一の符号を付することによって詳しい説明を省略する。
FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating the configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack according to
図3は、実施の形態2に係る吸水部材60Bの形状を示す。図示するように、吸水部材60Bは、台形部分62以外に、燃料ガス排出マニホールド孔42内まで延びる延在部64を有する。この延在部64は、燃料ガス排出マニホールド孔42の底面に接する手前で屈曲しており、屈曲した部分から先は、隣のセルのアノード側プレート20から延びている吸水部材60Bの延在部64に接するだけの長さを有している。これによって、図2(b)の断面図に示すように、隣接するセルそれぞれのアノード側プレート20から延びる吸水部材60Bを次々に接触させることで、吸水部材を積層体10Bの積層方向に連結することができる。
FIG. 3 shows the shape of the
この構成をとることによって、出口ヘッダ48から燃料ガス排出マニホールド孔42内に吸水部材を介して伝わってきた水分は、吸水部材60Bの水勾配により次々に隣接する吸水部材60Bに移動することで燃料ガス排出マニホールド孔42内を移動し、速やかに積層体10B外に排出される。
By adopting this configuration, moisture transferred from the
実施の形態3.
図4(a)、(b)は、実施の形態3に係る固体高分子形燃料電池スタックの構成を説明する図である。図4(a)は、アノード側プレート20の平面図であり、図4(b)は、固体高分子形燃料電池スタックの積層体10Cの一部分を図4(a)のA−A'断面で切り出した断面図である。実施の形態3は、吸水部材60Cの延在部が燃料ガス排出マニホールド孔42内まで伸びている点では、実施の形態2と共通する。ただし、実施の形態3では、吸水部材60C以外にも別の連結用吸水部材が燃料ガス排出マニホールド孔42内に設けられている点で、実施の形態2と相違する。この相違点を、図5を参照して説明する。
Embodiment 3 FIG.
4 (a) and 4 (b) are diagrams illustrating the configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 3. FIG. FIG. 4A is a plan view of the
図5は、実施の形態3に係る吸水部材60Cの形状を示す。図示するように、吸水部材60Cは、台形部分62以外に、燃料ガス排出マニホールド孔42内まで延びる延在部66を有する。この延在部66は、燃料ガス排出マニホールド孔42の底面に接して広がる平面部分67を有している。そして、連結用吸水部材68が、各セルのアノード側プレート部分にあるこの平面部分67の上に重なるように配置される。これによって、図4(b)の断面図に示すように、各セルのアノード側プレート20から延びる吸水部材60Cを、積層体10Cの積層方向に連結することができる。なお、連結用吸水部材68は、平面部分67の下側に置くようにしてもよい。
FIG. 5 shows the shape of a
この構成をとることによって、出口ヘッダ48から燃料ガス排出マニホールド孔42内に吸水部材を介して伝わってきた水分は、吸水部材60Bの水勾配により次々に隣接する吸水部材60Bに移動することで燃料ガス排出マニホールド孔42内を移動し、速やかに積層体10B外に排出される。
By adopting this configuration, moisture transferred from the
以上説明した実施の形態1ないし3は、燃料ガス流路溝22の下端に接するように吸水部材60A〜Cを配するようにした形態である。次に、実施の形態1ないし3とは異なる構成を持つ形態について説明する。
In the first to third embodiments described above, the water absorbing members 60 </ b> A to 60 </ b> C are arranged so as to be in contact with the lower end of the fuel
実施の形態4.
図6(a)、(b)は、実施の形態4に係る固体高分子形燃料電池スタックの構成を説明する図である。図6(a)は、アノード側プレート20の平面図であり、図6(b)は、固体高分子形燃料電池スタックの積層体10Dの一部分を図6(a)のA−A'断面で切り出した断面図である。積層体10Dの基本的な構成は、実施の形態1の積層体10Aと同様であるので、同一部材に同一の符号を付することによって詳しい説明を省略する。
Embodiment 4 FIG.
FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating the configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 4. FIG. FIG. 6A is a plan view of the
この実施の形態4では、トンネル流路形成用プレート90に、燃料ガス流路溝ごとに小さい貫通孔92が設けられている。また、トンネル流路形成用プレート90には台形状の窓が開設されており、そこに第2吸水部材60Dの台形部分がはめ込まれる。第1吸水部材94は、トンネル流路形成用プレート90の貫通孔92を覆い、かつ、第2吸水部材60Dと重なるように配置される(図7参照)。この第2吸水部材60Dの形状は、実施の形態1における吸水部材60Aと同じである。なお、トンネル流路形成用プレート90には、貫通孔の代わりに燃料ガス流路溝22ごとにスリットを設けてもよい。
In the fourth embodiment, the tunnel flow
上記の構成において、燃料ガス流路溝22内で生成された水は、トンネル流路形成用プレート90を伝わって鉛直方向下向きに移動し、トンネル流路形成用プレート90に開設された貫通孔92を通って、まず第1吸水部材94に吸収される。次に、第1吸水部材94と接触している第2吸水部材60Dに吸収される。そして、吸水部材60Dの水勾配により水が流動して、燃料ガス排出マニホールド孔42内に水が排出される。
In the above configuration, the water generated in the fuel
トンネル流路形成用プレートの上側に吸水部材を配する形態は、実施の形態4の構成に限られない。以下で説明する実施の形態5および実施の形態6は、吸水部材の形状が異なる以外は、実施の形態4と同様の構成をとる。したがって、同一部材に同一の符号を付することによって詳しい説明を省略する。 The form in which the water absorbing member is arranged on the upper side of the tunnel flow path forming plate is not limited to the configuration of the fourth embodiment. Embodiments 5 and 6 described below have the same configuration as that of Embodiment 4 except that the shape of the water absorbing member is different. Therefore, detailed description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol to the same member.
実施の形態5.
図8(a)、(b)は、実施の形態5に係る固体高分子形燃料電池スタックの構成を説明する図である。図8(a)は、アノード側プレート20の平面図であり、図8(b)は、固体高分子形燃料電池スタックの積層体10Eの一部分を図8(a)のA−A'断面で切り出した断面図である。実施の形態5では、第2吸水部材60Eは、図3に示した吸水部材60Bと同様の形状をなす。すなわち、第2吸水部材60Eは、台形部分62以外に、燃料ガス排出マニホールド孔42内まで延びる延在部64を有する。この延在部64は、燃料ガス排出マニホールド孔42の底面に接する手前で屈曲しており、屈曲した部分から先は、隣のセルのアノード側プレート20から延びている吸水部材60Eの延在部64に接するだけの長さを有している。これによって、図8(b)の断面図に示すように、隣接するセルそれぞれのアノード側プレート20から延びる吸水部材60Eを次々に接触させることで、吸水部材を積層体10Eの積層方向に連結することができる。燃料ガス流路溝22内で生成された水の移動については、上述の実施の形態2の場合と同様である。
Embodiment 5 FIG.
FIGS. 8A and 8B are diagrams illustrating the configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack according to Embodiment 5. FIG. FIG. 8A is a plan view of the anode-
実施の形態6.
図9(a)、(b)は、実施の形態2に係る固体高分子形燃料電池スタックの構成を説明する図である。図9(a)は、アノード側プレート20の平面図であり、図9(b)は、固体高分子形燃料電池スタックの積層体10Fの一部分を図9(a)のA−A'断面で切り出した断面図である。実施の形態6では、第2吸水部材60Fは、図5に示した吸水部材60Cと同様の形状をなす。すなわち、吸水部材60Fは、台形部分62以外に、燃料ガス排出マニホールド孔42内まで延びる延在部66を有する。この延在部66は、燃料ガス排出マニホールド孔42の底面に接して広がる平面部分67を有している。そして、連結用吸水部材68が、各セルのアノード側プレート部分にあるこの平面部分67の上に重なるように配置される。これによって、図9(b)の断面図に示すように、各セルのアノード側プレート20から延びる吸水部材60Fを、積層体10Fの積層方向に連結することができる。燃料ガス流路溝22内で生成された水の移動については、上述の実施の形態3の場合と同様である。
Embodiment 6 FIG.
FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating the configuration of the polymer electrolyte fuel cell stack according to
以上、いくつかの実施の形態をもとに本発明を説明した。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。 The present invention has been described based on some embodiments. 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.
実施の形態では、アノード側プレートを例にして説明したが、カソード側プレートに酸化剤ガスとともに水分を供給する場合にも同様に、本発明を適用することができる。 In the embodiment, the anode side plate has been described as an example, but the present invention can be similarly applied to the case where moisture is supplied to the cathode side plate together with the oxidizing gas.
また、電解質体として固体高分子電解質膜以外のほかの電解質体を用いた燃料電池においても、上記説明した吸水部材をカソード側プレートに適用することで、燃料電池内の反応によって生じる反応生成水による水詰まりの影響を低減することができる。 Further, even in a fuel cell using an electrolyte body other than the solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte body, by applying the water absorbing member described above to the cathode side plate, the reaction product water generated by the reaction in the fuel cell can be used. The influence of water clogging can be reduced.
実施の形態では、アノード側プレートに形成された燃料ガス流路溝が、ガス流れ方向を鉛直方向下方側として配置されているものとして説明したが、必ずしも燃料ガス流路溝が鉛直方向に配設される必要はなく、斜め方向に配設されていてもよい。また、実施の形態では、燃料ガス流路溝または酸化剤ガス流路溝の下端部に出口ヘッダが設けられているものについて説明したが、出口ヘッダが設けられておらず、燃料ガス流路溝または酸化剤ガス流路溝が直接ガス排出マニホールド孔に開口しているような形状のアノード側プレートまたはカソード側プレートを備える燃料電池スタックにおいても、ガス流路溝の下端からガス排出マニホールド孔に突出するような吸水部材を備えることで、本発明を適用することができる。 In the embodiment, the fuel gas flow channel groove formed in the anode side plate has been described as being arranged with the gas flow direction set to the lower side in the vertical direction. However, the fuel gas flow channel groove is not necessarily arranged in the vertical direction. It is not necessary to be arranged and may be arranged in an oblique direction. In the embodiment, the description has been given of the case where the outlet header is provided at the lower end of the fuel gas passage groove or the oxidant gas passage groove. However, the outlet header is not provided, and the fuel gas passage groove is provided. Alternatively, in a fuel cell stack having an anode side plate or a cathode side plate shaped so that the oxidant gas flow channel groove opens directly into the gas discharge manifold hole, it protrudes from the lower end of the gas flow channel groove to the gas discharge manifold hole. By providing such a water-absorbing member, the present invention can be applied.
10A〜10F 燃料電池スタック、 20 アノード側プレート、 22 燃料ガス流路溝、 30 トンネル流路形成用プレート、 32 燃料ガス供給マニホールド孔、 34 冷却水供給マニホールド孔、 36 酸化剤ガス供給マニホールド孔、 38 入口ヘッダ、 40 トンネル流路形成用プレート、 42 燃料ガス排出マニホールド孔、 44 冷却水排出マニホールド孔、 46 酸化剤ガス排出マニホールド孔、 48 出口ヘッダ、 54 ガスケット、 58 冷却水流路、 60A〜60C 吸水部材、 60D〜60F 第2吸水部材、 62 ヘッダ部、 64、66 延在部、 67 平面部分、 68 連結用吸水部材、 70 MEA、 72 アノード、 74 カソード、 76 固体高分子電解質膜、 80 カソード側プレート、 82 酸化剤ガス流路溝、 90 トンネル流路形成用プレート、 92 貫通孔、 94 第1吸水部材。
10A to 10F Fuel cell stack, 20 Anode side plate, 22 Fuel gas channel groove, 30 Tunnel channel forming plate, 32 Fuel gas supply manifold hole, 34 Cooling water supply manifold hole, 36 Oxidant gas supply manifold hole, 38 Inlet header, 40 Tunnel flow path forming plate, 42 Fuel gas discharge manifold hole, 44 Cooling water discharge manifold hole, 46 Oxidant gas discharge manifold hole, 48 Outlet header, 54 Gasket, 58 Cooling water flow path, 60A-60C Water absorbing member 60D-60F 2nd water absorption member, 62 header part, 64, 66 extension part, 67 plane part, 68 water absorption member for connection, 70 MEA, 72 anode, 74 cathode, 76 solid polymer electrolyte membrane, 80 cathode side plate , 82 oxidizing
Claims (7)
前記セルは前記アノードガス流路またはカソードガス流路の少なくとも一方の下流に配置された吸水部材をさらに備え、該吸水部材が前記ガス排出マニホールド内まで延在する延在部を有していることを特徴とする燃料電池スタック。 A membrane electrode assembly in which an anode is disposed on one surface of the electrolyte membrane and a cathode is disposed on the other surface, an anode side plate in which an anode gas flow channel facing the anode is formed, and a cathode gas facing the cathode A fuel cell comprising a laminate in which a plurality of cells composed of a cathode side plate formed with a flow path is laminated, and a gas exhaust manifold penetrating the laminate is formed in the anode side plate and the cathode side plate A stack,
The cell further includes a water absorbing member disposed downstream of at least one of the anode gas channel and the cathode gas channel, and the water absorbing member has an extending portion extending into the gas discharge manifold. A fuel cell stack characterized by
前記セルは、前記アノードガス流路またはカソードガス流路の少なくとも一方を流路底と対向するように覆い、各ガス流路に対応して開口部が設けられているトンネル流路形成プレートと、該トンネル流路形成プレート上に配置され前記開口部を覆う吸水部材と、をさらに備えることを特徴とする燃料電池スタック。 A membrane electrode assembly in which an anode is disposed on one surface of the electrolyte membrane and a cathode is disposed on the other surface, an anode side plate in which an anode gas flow channel facing the anode is formed, and a cathode gas facing the cathode A fuel cell comprising a laminate in which a plurality of cells composed of a cathode side plate formed with a flow path is laminated, and a gas exhaust manifold penetrating the laminate is formed in the anode side plate and the cathode side plate A stack,
The cell covers at least one of the anode gas channel or the cathode gas channel so as to face the channel bottom, and a tunnel channel forming plate provided with an opening corresponding to each gas channel; And a water absorbing member disposed on the tunnel flow path forming plate and covering the opening.
前記ガス排出マニホールドの積層方向に延び各セルの吸水部材の延在部と接触する連結用吸水部材をさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池スタック。 The extension is bent in the gas discharge manifold;
5. The fuel cell stack according to claim 4, further comprising a connection water absorbing member that extends in a stacking direction of the gas discharge manifold and contacts an extending portion of the water absorbing member of each cell.
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2004
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