JP2006032054A - Fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To allow air mixed in a cooling medium to surely escape and a fuel stack to have a good cooling function with a simple structure. <P>SOLUTION: A piping manifold 46, on which a cooling medium supply port 58a is formed communicating with a cooling medium supply communication hole 30a, is placed on one end in the stacking direction of a fuel cell stack 10. The piping manifold 46 has the cooling medium supply port 58a and an air vent port 62, where the air vent port 62 is in a higher position than the cooling medium supply port 58a and communicates with the cooling medium supply communication hole 30a. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックに関する。   The present invention has an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and the electrolyte / electrode structure and the separator are alternately stacked, and at least a cooling medium penetrates in the stacking direction. The present invention relates to a fuel cell stack in which a supply communication hole and a cooling medium discharge communication hole are formed.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between separators. It has a power generation cell. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。   In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。   In the above fuel cell, a fuel gas channel for flowing fuel gas to the anode side electrode and an oxidant gas channel for flowing oxidant gas to the cathode side electrode are provided in the plane of the separator. . Furthermore, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する流体供給連通孔及び流体排出連通孔が燃料電池内部に設けられた内部マニホールドを構成している。そして、流体である燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流体供給連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流体排出連通孔に排出されている。   Generally, a fuel cell constitutes an internal manifold in which a fluid supply communication hole and a fluid discharge communication hole penetrating in the stacking direction of the separator are provided inside the fuel cell. The fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium, which are fluids, are supplied to the fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the cooling medium flow path from the fluid supply communication holes, and then the fluid discharge communication holes. Have been discharged.

この種の内部マニホールド型燃料電池として、特許文献１の「燃料電池のマニホールド」が知られている。この特許文献１では、図５に示すように、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを重ねて構成される単セル１を備えており、前記単セル１を複数積層したモジュール２の積層方向両端には、ターミナル３、インシュレータ４及びエンドプレート５が配設され、燃料電池スタック６が構成されている。   As this type of internal manifold type fuel cell, “Fuel Cell Manifold” of Patent Document 1 is known. In Patent Document 1, as shown in FIG. 5, a single cell 1 configured by stacking a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator is provided, and a stacking direction of a module 2 in which a plurality of single cells 1 are stacked is provided. A terminal 3, an insulator 4 and an end plate 5 are disposed at both ends, and a fuel cell stack 6 is configured.

燃料電池スタック６内には、積層方向に貫通して冷媒マニホールド７ａ、７ｂが設けられており、前記冷媒マニホールド７ａ、７ｂは、各単セル１に設けられている図示しない冷媒流路に連通している。燃料電池スタック６の一端に設けられているエンドプレート５には、冷媒を冷媒マニホールド７ａ、７ｂに供給及び排出する冷媒配管８ａ、８ｂが接続されている。入口側の冷媒配管８ａから冷媒マニホールド７ａに供給された冷媒は、燃料電池スタック６内に導入され、各単セル１を冷却した後に冷媒マニホールド７ｂから出口側の冷媒配管８ｂに排出されている。   In the fuel cell stack 6, refrigerant manifolds 7 a and 7 b are provided penetrating in the stacking direction, and the refrigerant manifolds 7 a and 7 b communicate with a refrigerant flow path (not shown) provided in each single cell 1. ing. Refrigerant pipes 8a and 8b for supplying and discharging refrigerant to and from the refrigerant manifolds 7a and 7b are connected to the end plate 5 provided at one end of the fuel cell stack 6. The refrigerant supplied from the inlet side refrigerant pipe 8a to the refrigerant manifold 7a is introduced into the fuel cell stack 6, and after cooling each single cell 1, it is discharged from the refrigerant manifold 7b to the outlet side refrigerant pipe 8b.

特開２００２−３４３４０６号公報（図１）Japanese Patent Laid-Open No. 2002-343406 (FIG. 1)

しかしながら、上記の特許文献１では、冷媒配管８ａから冷媒マニホールド７ａに供給される冷媒中にエアが混在している際や、燃料電池スタック６の組み立て後に冷媒を注入することによりエアが混在している際、前記エアが前記冷媒マニホールド７ａの上方領域に残存するおそれがある。これにより、冷媒マニホールド７ａの上部には、冷却機能を有しない空間部が存在し、各単セル１の発電面全体を良好に冷却することができないという問題がある。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, when air is mixed in the refrigerant supplied from the refrigerant pipe 8a to the refrigerant manifold 7a, or when the refrigerant is injected after the fuel cell stack 6 is assembled, the air is mixed. The air may remain in the upper region of the refrigerant manifold 7a. Thereby, there exists a space part which does not have a cooling function in the upper part of the refrigerant | coolant manifold 7a, and there exists a problem that the whole electric power generation surface of each single cell 1 cannot be cooled favorably.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、冷却媒体中に混在するエアを確実に排出することができ、簡単な構成で、良好な冷却機能を維持することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and can provide a fuel cell stack that can reliably discharge air mixed in a cooling medium and can maintain a good cooling function with a simple configuration. The purpose is to provide.

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックである。   The present invention has an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and the electrolyte / electrode structure and the separator are alternately stacked, and at least a cooling medium penetrates in the stacking direction. It is a fuel cell stack in which a supply communication hole and a cooling medium discharge communication hole are formed.

この燃料電池スタックは、冷却媒体供給連通孔に連通する冷却媒体供給口が設けられるマニホールド部材を備えており、前記マニホールド部材は、前記冷却媒体供給口よりも高い位置に前記冷却媒体供給連通孔に連通するエア抜き口を設けている。   The fuel cell stack includes a manifold member provided with a cooling medium supply port communicating with the cooling medium supply communication hole, and the manifold member is located at a position higher than the cooling medium supply port in the cooling medium supply communication hole. An air vent is provided for communication.

また、本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックである。   Further, the present invention has an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte, and the electrolyte / electrode structure and the separator are alternately stacked, and at least penetrates in the stacking direction. It is a fuel cell stack in which a cooling medium supply communication hole and a cooling medium discharge communication hole are formed.

この燃料電池スタックは、冷却媒体排出連通孔に連通する冷却媒排出口が設けられるマニホールド部材を備えており、前記マニホールド部材は、前記冷却媒体排出口よりも高い位置に前記冷却媒体排出連通孔に連通するエア抜き口を設けている。   The fuel cell stack includes a manifold member provided with a cooling medium discharge port communicating with the cooling medium discharge communication hole, and the manifold member is located at a position higher than the cooling medium discharge port in the cooling medium discharge communication hole. An air vent is provided for communication.

さらに、エア抜き口に一端が接続される配管部材を備え、前記配管部材は、前記エア抜き口よりも高い位置に維持されるとともに、他端に開閉弁が装着されることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that a pipe member having one end connected to the air vent port is provided, the pipe member is maintained at a position higher than the air vent port, and an opening / closing valve is mounted on the other end.

さらにまた、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔は、燃料電池スタックの外部を循環する冷却媒体循環路に連通することが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the cooling medium supply communication hole and the cooling medium discharge communication hole communicate with a cooling medium circulation path that circulates outside the fuel cell stack.

本発明によれば、冷却媒体が冷却媒体供給口に供給されると、この冷却媒体に混在するエアが、前記冷却媒体供給口の鉛直方向上方に移動してエア抜き口から円滑且つ確実に排出される。このため、冷却媒体供給連通孔にエアが導入されることを有効に阻止することができ、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の冷却効率が良好に向上する。   According to the present invention, when the cooling medium is supplied to the cooling medium supply port, the air mixed in the cooling medium moves vertically above the cooling medium supply port and is smoothly and reliably discharged from the air vent port. Is done. For this reason, air can be effectively prevented from being introduced into the cooling medium supply communication hole, and the cooling efficiency of the entire fuel cell stack can be improved satisfactorily with a simple configuration.

また、本発明によれば、冷却媒体が冷却媒体排出口に排出されると、この冷却媒体に混在するエアが、前記冷却媒体排出口の鉛直方向上方に移動してエア抜き口から円滑且つ確実に排出される。従って、冷却媒体排出口から冷却媒体供給口に冷却媒体を循環させる際に、冷却媒体供給連通孔にエアが導入されることを有効に阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の冷却効率が良好に向上する。   Further, according to the present invention, when the cooling medium is discharged to the cooling medium discharge port, the air mixed in the cooling medium moves vertically above the cooling medium discharge port and smoothly and reliably passes through the air discharge port. To be discharged. Therefore, when the cooling medium is circulated from the cooling medium discharge port to the cooling medium supply port, it is possible to effectively prevent air from being introduced into the cooling medium supply communication hole. As a result, the cooling efficiency of the entire fuel cell stack is improved with a simple configuration.

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略斜視図である。   FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell system 12 incorporating a fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池システム１２は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、冷却媒体循環供給部１４に接続される燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０には、図示しないが、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給する酸化剤ガス供給部と、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する燃料ガス供給部とが接続される。   The fuel cell system 12 is mounted on a vehicle such as an automobile, for example, and includes a fuel cell stack 10 connected to the coolant circulation supply unit 14. Although not shown, the fuel cell stack 10 includes an oxidant gas supply unit that supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas (such as air), and a fuel gas supply unit that supplies a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas. Is connected.

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層された積層体１８を備え、前記積層体１８の積層方向両端には、エンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられる。   The fuel cell stack 10 includes a stacked body 18 in which a plurality of power generation cells 16 are stacked in the direction of arrow A, and end plates 20 a and 20 b are disposed at both ends of the stacked body 18 in the stacking direction. The end plates 20a and 20b are fastened in the stacking direction by fastening bolts (not shown).

図２に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。   As shown in FIG. 2, each power generation cell 16 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 22, and a thin plate-shaped first and second metal sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 22. Separators 24 and 26 are provided.

発電セル１６の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。   In order to supply an oxidant gas supply communication hole 28a for supplying an oxidant gas to one end edge of the power generation cell 16 in the long side direction (arrow B direction) and for supplying an oxidant gas to each other in the arrow A direction. The cooling medium supply communication hole 30a and the fuel gas discharge communication hole 32b for discharging the fuel gas are provided.

発電セル１６の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。   The other end edge in the long side direction of the power generation cell 16 communicates with each other in the direction of the arrow A, the fuel gas supply communication hole 32a for supplying fuel gas, and the cooling medium discharge communication hole for discharging the cooling medium. 30b and an oxidant gas discharge communication hole 28b for discharging the oxidant gas are provided.

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 22 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 34 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 36 and a cathode side electrode 38 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 34. With.

アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面側に形成される。   The anode side electrode 36 and the cathode side electrode 38 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 34.

第１金属セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面に燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路４０を設ける。第１金属セパレータ２４は、反対の面に冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４２を設ける。   The first metal separator 24 is provided with a fuel gas flow path 40 that communicates the fuel gas supply communication hole 32 a and the fuel gas discharge communication hole 32 b on the surface facing the electrolyte membrane / electrode structure 22. The first metal separator 24 is provided with a cooling medium flow path 42 that communicates the cooling medium supply communication hole 30a and the cooling medium discharge communication hole 30b on the opposite surface.

第２金属セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面に酸化剤ガス流路４４を設けるとともに、この酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとに連通する。第２金属セパレータ２６は、反対の面に第１金属セパレータ２４と重なり合って冷却媒体流路４２が一体的に形成される。   The second metal separator 26 is provided with an oxidant gas flow path 44 on the surface facing the electrolyte membrane / electrode structure 22, and the oxidant gas flow path 44 communicates with the oxidant gas supply communication hole 28 a and the oxidant gas discharge communication. It communicates with the hole 28b. The second metal separator 26 overlaps with the first metal separator 24 on the opposite surface, and the cooling medium flow path 42 is integrally formed.

燃料ガス流路４０、冷却媒体流路４２及び酸化剤ガス流路４４は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１及び第２金属セパレータ２４、２６の面には、図示しないシール部材が一体成形される。   The fuel gas flow path 40, the cooling medium flow path 42, and the oxidant gas flow path 44 are configured by, for example, a plurality of grooves extending in the direction of arrow B. Sealing members (not shown) are integrally formed on the surfaces of the first and second metal separators 24 and 26.

エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂを囲繞して複数のねじ孔４５ａが形成されるとともに、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを囲繞して複数のねじ孔４５ｂが形成される。   A plurality of screw holes 45a are formed in the end plate 20a to surround the oxidant gas supply communication hole 28a, the cooling medium supply communication hole 30a, and the fuel gas discharge communication hole 32b. A plurality of screw holes 45b are formed surrounding the medium discharge communication hole 30b and the oxidant gas discharge communication hole 28b.

エンドプレート２０ａには、配管マニホールド（マニホールド部材）４６、４８が積層体１８とは反対の面に固定される。配管マニホールド４６、４８は、エンドプレート２０ａの横方向（矢印Ｂ方向）両端に配置される取り付け板状部５０ａ、５０ｂを設ける。各取り付け板状部５０ａ、５０ｂには、エンドプレート２０ａのねじ孔４５ａ、４５ｂと同軸的に複数の孔部５２ａ、５２ｂが形成される。孔部５２ａ、５２ｂにねじ５４が挿入され、該ねじ５４の先端がねじ孔４５ａ、４５ｂにねじ込まれることにより、配管マニホールド４６、４８がエンドプレート２０ａに固定される。   Piping manifolds (manifold members) 46 and 48 are fixed to the end plate 20 a on the surface opposite to the stacked body 18. The piping manifolds 46 and 48 are provided with mounting plate-like portions 50a and 50b arranged at both ends in the lateral direction (arrow B direction) of the end plate 20a. A plurality of holes 52a and 52b are formed coaxially with the screw holes 45a and 45b of the end plate 20a in each of the mounting plate-like parts 50a and 50b. Screws 54 are inserted into the holes 52a and 52b, and the ends of the screws 54 are screwed into the screw holes 45a and 45b, whereby the pipe manifolds 46 and 48 are fixed to the end plate 20a.

図２及び図３に示すように、配管マニホールド４６には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する酸化剤ガス供給口５６ａ、冷却媒体供給口５８ａ及び燃料ガス排出口６０ｂが形成される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the piping manifold 46 has an oxidant gas supply communication hole 28a, an oxidant gas supply port 56a communicating with the cooling medium supply communication hole 30a and the fuel gas discharge communication hole 32b, and a cooling medium supply. A port 58a and a fuel gas discharge port 60b are formed.

配管マニホールド４６は、冷却媒体供給口５８ａよりも高い位置に冷却媒体供給連通孔３０ａに連通するエア抜き口６２を設ける。酸化剤ガス供給口５６ａ、冷却媒体供給口５８ａ及び燃料ガス排出口６０ｂは、円筒部内に形成されるとともに、エア抜き口６２が小径な円筒部内に形成される。   The pipe manifold 46 is provided with an air vent port 62 that communicates with the coolant supply passage 30a at a position higher than the coolant supply port 58a. The oxidant gas supply port 56a, the cooling medium supply port 58a, and the fuel gas discharge port 60b are formed in the cylindrical portion, and the air vent port 62 is formed in the small-diameter cylindrical portion.

図２に示すように、配管マニホールド４８には、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する燃料ガス供給口６０ａ、冷却媒体排出口５８ｂ及び酸化剤ガス排出口５６ｂが形成される。   As shown in FIG. 2, the pipe manifold 48 has a fuel gas supply port 60a, a coolant discharge port 58b, and an oxidation port that communicate with the fuel gas supply passage 32a, the coolant discharge passage 30b, and the oxidant gas discharge passage 28b. An agent gas discharge port 56b is formed.

図１に示すように、冷却媒体循環供給部１４は、冷却媒体供給口５８ａに接続される供給配管６４ａと、冷却媒体排出口５８ｂに接続される排出配管６４ｂとを備えるとともに、前記供給配管６４ａと前記排出配管６４ｂとが循環用ポンプ６６に接続される。   As shown in FIG. 1, the cooling medium circulation supply unit 14 includes a supply pipe 64a connected to the cooling medium supply port 58a and a discharge pipe 64b connected to the cooling medium discharge port 58b, and the supply pipe 64a. And the discharge pipe 64b are connected to a circulation pump 66.

酸化剤ガス供給口５６ａと酸化剤ガス排出口５６ｂとは、図示しない酸化剤ガス供給部に接続される一方、燃料ガス供給口６０ａと燃料ガス排出口６０ｂとは、図示しない燃料ガス供給部に接続される。   The oxidant gas supply port 56a and the oxidant gas discharge port 56b are connected to an oxidant gas supply unit (not shown), while the fuel gas supply port 60a and the fuel gas discharge port 60b are connected to a fuel gas supply unit (not shown). Connected.

エア抜き口６２には、配管部材６８の一端が接続される。この配管部材６８は、エア抜き口６２の高さ位置Ｐよりも高い位置（矢印Ｃ１方向）に維持されるとともに、他端には開閉弁７０が装着されて車外に開放可能である。開閉弁７０は、配管部材６８からエア抜きを行う際や、冷却媒体を燃料電池スタック１０内に充填する際に開放される。   One end of a piping member 68 is connected to the air vent port 62. The piping member 68 is maintained at a position (in the direction of the arrow C1) higher than the height position P of the air vent port 62, and an opening / closing valve 70 is attached to the other end and can be opened outside the vehicle. The on-off valve 70 is opened when air is vented from the piping member 68 or when the cooling medium is filled in the fuel cell stack 10.

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 12 configured as described above will be described below.

先ず、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口５６ａから燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給口６０ａから燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。   First, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply port 56 a to the oxidant gas supply communication hole 28 a of the fuel cell stack 10. On the other hand, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply port 60 a to the fuel gas supply communication hole 32 a of the fuel cell stack 10.

図２に示すように、燃料電池スタック１０内では、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２アノード側電極３６に沿って移動する。   As shown in FIG. 2, in the fuel cell stack 10, oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 44 of the second metal separator 26 from the oxidant gas supply communication hole 28 a, and the electrolyte membrane / electrode structure 22. It moves along the cathode side electrode 38. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 40 of the first metal separator 24 from the fuel gas supply communication hole 32 a and moves along the electrolyte membrane / electrode structure 22 anode side electrode 36.

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 22, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 38 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 36 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａに連結された酸化剤ガス排出口５６ｂに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａに連結された燃料ガス排出口６０ｂに排出される。   Next, the oxidant gas supplied and consumed to the cathode side electrode 38 flows along the oxidant gas discharge communication hole 28b, and is then discharged to the oxidant gas discharge port 56b connected to the end plate 20a. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 36 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 32b, flows, and discharged to the fuel gas discharge port 60b connected to the end plate 20a.

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体循環供給部１４を構成するポンプ６６の作用下に、供給配管６４ａから冷却媒体供給口５８ａに送られ、燃料電池スタック１０内の冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。冷却媒体は、図２に示すように、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂを移動してエンドプレート２０ａに連結された冷却媒体排出口５８ｂから排出配管６４ｂに排出され、循環使用される。   Further, as shown in FIG. 1, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is sent from the supply pipe 64 a to the cooling medium supply port 58 a under the action of the pump 66 that constitutes the cooling medium circulation supply unit 14. The cooling medium supply communication hole 30a in the battery stack 10 is supplied. As shown in FIG. 2, the cooling medium flows into the cooling medium flow path 42 between the first and second metal separators 24 and 26 and then flows along the direction of arrow B. This cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 22, and then moves through the cooling medium discharge communication hole 30b and is discharged from the cooling medium discharge port 58b connected to the end plate 20a to the discharge pipe 64b for circulation. The

この場合、第１の実施形態では、エンドプレート２０ａに固定される配管マニホールド４６を備え、この配管マニホールド４６には、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体供給口５８ａが設けられるとともに、この冷却媒体供給口５８ａよりも高い位置に、前記冷却媒体供給連通孔３０ａに連通するエア抜き口６２が設けられている。   In this case, the first embodiment includes a pipe manifold 46 fixed to the end plate 20a. The pipe manifold 46 is provided with a cooling medium supply port 58a communicating with the cooling medium supply communication hole 30a. An air vent port 62 communicating with the cooling medium supply communication hole 30a is provided at a position higher than the cooling medium supply port 58a.

このため、冷却媒体循環供給部１４を介して冷却媒体供給口５８ａに冷却媒体が供給されると、この冷却媒体に混在するエアは、前記冷却媒体供給口５８ａの上方に移動してエア抜き口６２から円滑且つ確実に排出される。   For this reason, when the cooling medium is supplied to the cooling medium supply port 58a via the cooling medium circulation supply unit 14, the air mixed in the cooling medium moves above the cooling medium supply port 58a and moves to the air vent port. 62 is smoothly and reliably discharged.

これにより、冷却媒体供給連通孔３０ａにエアが導入されることを有効に阻止することができ、簡単な構成で、燃料電池スタック１０全体の冷却効率が良好に向上するという効果が得られる。   As a result, it is possible to effectively prevent air from being introduced into the cooling medium supply communication hole 30a, and the effect of improving the cooling efficiency of the entire fuel cell stack 10 with a simple configuration can be obtained.

さらに、第１の実施形態では、エア抜き口６２に一端が接続される配管部材６８は、このエア抜き口６２の高さよりも高い位置に維持されている。従って、配管部材６８内のエア抜き等が良好に遂行される。なお、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０が設置された際の高さ方向を基準にして、エア抜き口６２の位置が設定されている。   Furthermore, in the first embodiment, the piping member 68 whose one end is connected to the air vent port 62 is maintained at a position higher than the height of the air vent port 62. Therefore, air venting and the like in the piping member 68 are performed satisfactorily. In the first embodiment, the position of the air vent 62 is set based on the height direction when the fuel cell stack 10 is installed.

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０を組み込む燃料電池システム８２の概略斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 4 is a schematic perspective view of a fuel cell system 82 incorporating a fuel cell stack 80 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell system 12 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池スタック８０では、配管マニホールド４８が冷却媒体排出口５８ｂよりも高い位置に冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通するエア抜き口８４を設けている。エア抜き口８４には、配管部材８６の一端が接続され、この配管部材８６は、前記エア抜き口８４の高さ位置Ｐよりも上方に維持されるとともに、他端に開閉弁８８が装置される。   In the fuel cell stack 80, an air vent port 84 that communicates with the coolant discharge passage 30b is provided at a position where the pipe manifold 48 is higher than the coolant discharge port 58b. One end of a pipe member 86 is connected to the air vent port 84. The pipe member 86 is maintained above the height position P of the air vent port 84, and an opening / closing valve 88 is provided at the other end. The

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体循環供給部１４によって排出配管６４ｂから供給配管６４ａに冷却媒体が循環され、前記冷却媒体が燃料電池スタック８０内に供給される。ここで、冷却媒体に混在するエアは、冷却媒体排出口５８ｂの上方に移動してエア抜き口８４から円滑且つ確実に排出される。その際、開閉弁８８を制御することによってエア圧が調整され、エア抜き口８４から車外にエア抜き処理を良好に行うことが可能になる。   In the second embodiment configured as described above, the cooling medium circulation supply unit 14 circulates the cooling medium from the discharge pipe 64 b to the supply pipe 64 a, and the cooling medium is supplied into the fuel cell stack 80. Here, the air mixed in the cooling medium moves above the cooling medium discharge port 58 b and is smoothly and reliably discharged from the air vent port 84. At that time, the air pressure is adjusted by controlling the on-off valve 88, so that the air venting process can be satisfactorily performed from the air vent port 84 to the outside of the vehicle.

これにより、冷却媒体排出口５８ｂから冷却媒体供給口５８ａに循環される冷却媒体には、エアが混在することがなく、冷却媒体供給連通孔３０ａにエアが導入されることを確実に阻止することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。   Thereby, air is not mixed in the cooling medium circulated from the cooling medium discharge port 58b to the cooling medium supply port 58a, and air is reliably prevented from being introduced into the cooling medium supply communication hole 30a. And the same effect as the first embodiment can be obtained.

なお、第１及び第２の実施形態では、エア抜き口６２、８４が冷却媒体供給口５８ａや冷却媒体排出口５８ｂに対して重なることなく、独立して設けられているが、前記冷却媒体供給口５８ａや前記冷却媒体排出口５８ｂの高さ方向に対して一部が重なって設けられていてもよい。   In the first and second embodiments, the air vent ports 62 and 84 are provided independently without overlapping the cooling medium supply port 58a and the cooling medium discharge port 58b. A part thereof may be provided so as to overlap with the height direction of the opening 58a and the cooling medium discharge port 58b.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a fuel cell system incorporating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する配管マニホールドの断面説明図である。FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of a piping manifold that constitutes the fuel cell stack. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the fuel cell system incorporating the fuel cell stack which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 特許文献１の燃料電池のマニホールドの概略説明図である。6 is a schematic explanatory diagram of a manifold of a fuel cell of Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０、８０…燃料電池スタック １２、８２…燃料電池システム
１４…冷却媒体循環供給部 １６…発電セル
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…セパレータ ２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３０ａ…冷却媒体供給連通孔
３０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３４…固体高分子電解質膜
３６…アノード側電極 ３８…カソード側電極
４０…燃料ガス流路 ４２…冷却媒体流路
４４…酸化剤ガス流路 ４６、４８…配管マニホールド
５６ａ…酸化剤ガス供給口 ５６ｂ…酸化剤ガス排出口
５８ａ…冷却媒体供給口 ５８ｂ…冷却媒体排出口
６０ａ…燃料ガス供給口 ６０ｂ…燃料ガス排出口
６２、８４…エア抜き口 ６４ａ…供給配管
６４ｂ…排出配管 ６６…ポンプ
６８、８６…配管部材 ７０、８８…開閉弁

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,80 ... Fuel cell stack 12, 82 ... Fuel cell system 14 ... Cooling medium circulation supply part 16 ... Power generation cell 20a, 20b ... End plate 22 ... Electrolyte membrane and electrode structure 24, 26 ... Separator 28a ... Oxidant gas supply Communication hole 28b ... Oxidant gas discharge communication hole 30a ... Cooling medium supply communication hole 30b ... Cooling medium discharge communication hole 32a ... Fuel gas supply communication hole 32b ... Fuel gas discharge communication hole 34 ... Solid polymer electrolyte membrane 36 ... Anode side electrode 38 ... Cathode side electrode 40 ... Fuel gas flow path 42 ... Cooling medium flow path 44 ... Oxidant gas flow path 46, 48 ... Pipe manifold 56a ... Oxidant gas supply port 56b ... Oxidant gas discharge port 58a ... Cooling medium supply port 58b ... Cooling medium discharge port 60a ... Fuel gas supply port 60b ... Fuel gas discharge port 62, 84 ... Air vent 64a ... Supply piping 6 b ... exhaust pipe 66 ... pump 68,86 ... piping member 70,88 ... off valve

Claims (4)

電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
前記冷却媒体供給連通孔に連通する冷却媒体供給口が設けられるマニホールド部材を備え、
前記マニホールド部材は、前記冷却媒体供給口よりも高い位置に前記冷却媒体供給連通孔に連通するエア抜き口を設けることを特徴とする燃料電池スタック。 An electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte, and alternately stacking the electrolyte / electrode structure and the separator, and penetrating in the stacking direction; A fuel cell stack in which a cooling medium discharge communication hole is formed,
A manifold member provided with a cooling medium supply port communicating with the cooling medium supply communication hole;
The fuel cell stack, wherein the manifold member is provided with an air vent port communicating with the coolant supply passage at a position higher than the coolant supply port. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
前記冷却媒体排出連通孔に連通する冷却媒排出口が設けられるマニホールド部材を備え、
前記マニホールド部材は、前記冷却媒体排出口よりも高い位置に前記冷却媒体排出連通孔に連通するエア抜き口を設けることを特徴とする燃料電池スタック。 An electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte, and alternately stacking the electrolyte / electrode structure and the separator, and penetrating in the stacking direction; A fuel cell stack in which a cooling medium discharge communication hole is formed,
A manifold member provided with a cooling medium discharge port communicating with the cooling medium discharge communication hole;
The fuel cell stack, wherein the manifold member is provided with an air vent port communicating with the coolant discharge passage at a position higher than the coolant discharge port. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記エア抜き口に一端が接続される配管部材を備え、
前記配管部材は、前記エア抜き口よりも高い位置に維持されるとともに、他端に開閉弁が装着されることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2, further comprising a piping member having one end connected to the air vent.
The piping member is maintained at a position higher than the air vent, and an open / close valve is attached to the other end of the fuel cell stack. 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において、前記冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔は、前記燃料電池スタックの外部を循環する冷却媒体循環路に連通することを特徴とする燃料電池スタック。

4. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the coolant supply passage and the coolant discharge passage communicate with a coolant circulation path that circulates outside the fuel cell stack. 5. A fuel cell stack characterized by

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