JP2006260917A - Fuel cell and fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・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燃料電池及び燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack having an electrolyte / electrode structure configured by sandwiching an electrolyte between a pair of electrodes, and alternately stacking the electrolyte / electrode structure and a separator.
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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなる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(電解質・電極構造体)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。 For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode side electrode and a cathode side electrode each made of an electrode catalyst and porous carbon are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane is separated into a separator. It is configured by being sandwiched between (bipolar plates). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of the fuel cells are stacked is used.
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)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 (reactive gas channel) for flowing a fuel gas opposite to the anode side electrode and an oxidant gas for flowing the cathode gas facing the cathode side electrode in the plane of the separator. The oxidant gas flow path (reaction gas flow path) is provided. Furthermore, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.
この種のセパレータとしては、通常、カーボン系材料で構成されるカーボンセパレータや、金属プレートで構成される金属セパレータが用いられている。この場合、特に金属セパレータでは、プレス加工によって反応ガス流路の流路形状が設定されると、前記反応ガス流路の裏面側には、必然的に流路形状が決定された冷却媒体流路が形成されることになる。 As this type of separator, a carbon separator composed of a carbon-based material or a metal separator composed of a metal plate is usually used. In this case, particularly in the case of a metal separator, when the flow path shape of the reaction gas flow path is set by pressing, the cooling medium flow path is inevitably determined on the back side of the reaction gas flow path. Will be formed.
このため、例えば、反応ガス流路をサーペンタイン流路で構成すると、冷却媒体流路の流路形状が著しく制限されてしまい、電極面を均一に冷却して安定した発電性能を得ることが困難になるという問題がある。 For this reason, for example, if the reaction gas flow path is composed of a serpentine flow path, the flow path shape of the cooling medium flow path is significantly limited, making it difficult to cool the electrode surface uniformly and obtain stable power generation performance. There is a problem of becoming.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池では、冷却媒体流路が冷却媒体入口連通孔に入口連結流路を介して連通する2以上の入口バッファ部と、冷却媒体出口連通孔に出口連結流路を介して連通する2以上の出口バッファ部とを設けている。そして、第1及び第2の入口バッファ部を冷却媒体入口連通孔に連通する第1及び第2の入口連結流路は、それぞれの流路本数が異なる一方、第1及び第2の出口バッファ部を冷却媒体出口連通孔に連通する第1及び第2の出口連結流路は、それぞれの流路本数が異なるように設定されている。 Therefore, for example, in the fuel cell disclosed in Patent Document 1, two or more inlet buffer portions in which the cooling medium flow path communicates with the cooling medium inlet communication hole via the inlet connection flow path, and the cooling medium outlet communication hole. Two or more outlet buffer portions communicating with each other through the outlet connecting flow path are provided. The first and second inlet buffer channels communicating the first and second inlet buffer portions with the cooling medium inlet communication hole are different from each other in the number of the first and second outlet buffer portions. The first and second outlet connection channels that communicate with the cooling medium outlet communication hole are set to have different numbers of channels.
これにより、冷却媒体は、冷却媒体流路内で圧力を打ち消し合うことがなく、所望の流速及び所望の流れ状態を確保することができ、セパレータ面内を均一に流れることが可能になる。このため、電極面全体を均一に冷却し、安定した発電性能を得ることができる。 As a result, the cooling medium does not cancel out the pressure in the cooling medium flow path, can ensure a desired flow velocity and a desired flow state, and can flow uniformly in the separator surface. For this reason, the whole electrode surface can be cooled uniformly and stable power generation performance can be obtained.
ところで、燃料電池内において、反応ガス流路の入口側では、高濃度の酸化剤ガスや燃料ガス(以下、反応ガスともいう)が供給されるため、反応が集中して発生し易く、発熱量が大きくなる一方、前記反応ガス流路の出口側では、反応ガス濃度の低下によって発電能力が低くなり、凝縮水が発生し易い。 By the way, in the fuel cell, a high concentration of oxidant gas or fuel gas (hereinafter also referred to as reaction gas) is supplied on the inlet side of the reaction gas flow path. On the other hand, on the outlet side of the reaction gas flow path, the power generation capacity is lowered due to the decrease in the reaction gas concentration, and condensed water is likely to be generated.
このため、反応ガス流路の上流側では、電解質膜・電極構造体が高温となって、電気抵抗の増加が発生し易くなるとともに、前記反応ガス流路の下流側では、凝縮水が滞留して排水処理が確実に行われないという問題がある。 For this reason, the electrolyte membrane / electrode structure becomes high temperature on the upstream side of the reaction gas flow path, and an increase in electrical resistance is likely to occur, and condensed water stays on the downstream side of the reaction gas flow path. Therefore, there is a problem that wastewater treatment is not performed reliably.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、冷却媒体流路における冷却媒体の流れを調整することができ、発電面内の温度分布を均一化することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and can adjust the flow of the cooling medium in the cooling medium flow path with a simple configuration, and can make the temperature distribution in the power generation surface uniform. An object is to provide a battery.
また、本発明は、複数の燃料電池が積層されたスタックにおいて、簡単な構成で、積層方向端部側の燃料電池と積層方向中央部側の燃料電池とで冷却媒体の流量を良好に調整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。 Further, according to the present invention, in a stack in which a plurality of fuel cells are stacked, the flow rate of the cooling medium is adjusted favorably with a simple configuration between the fuel cell at the stacking direction end and the fuel cell at the stacking center. It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack that can be used.
本発明は、電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体を備え、前記電解質・電極構造体を第1及び第2セパレータで挟持するとともに、積層方向に貫通して反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成され、互いに積層される前記第1及び第2セパレータ間には、前記冷却媒体入口連通孔と前記冷却媒体出口連通孔とに連通する冷却媒体流路が形成される燃料電池である。 The present invention includes an electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is sandwiched between a pair of electrodes, the electrolyte / electrode structure is sandwiched between first and second separators, and penetrates in a stacking direction to communicate with a reaction gas inlet, A reaction gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole are formed, and the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole are provided between the first and second separators stacked on each other. This is a fuel cell in which a cooling medium flow path communicating with the fuel cell is formed.
冷却媒体流路は、冷却媒体入口連通孔に少なくとも2つの入口バッファ部を介して連通するとともに、前記2つの入口バッファ部の中、少なくとも反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部には、冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部が設けられている。 The cooling medium flow path communicates with the cooling medium inlet communication hole via at least two inlet buffer portions, and at least the inlet buffer portion close to the reaction gas outlet communication hole among the two inlet buffer portions is cooled. A pressure loss generation unit that suppresses the flow of the medium is provided.
また、入口バッファ部は、エンボスを有しており、圧損発生部は、前記エンボスに着脱自在な圧損要素を備えることが好ましい。さらに、圧損発生部は、少なくとも2種類の大きさの異なる圧損要素を備え、入口バッファ部に応じて前記圧損要素の大きさを選択することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the inlet buffer part has embossing, and the pressure loss generation | occurrence | production part is provided with the pressure loss element which can be attached or detached to the said embossing. Furthermore, it is preferable that the pressure loss generating portion includes at least two types of pressure loss elements having different sizes, and the size of the pressure loss element is selected according to the inlet buffer portion.
さらにまた、本発明に係る燃料電池スタックでは、冷却媒体流路が、冷却媒体入口連通孔に少なくとも2つの入口バッファ部を介して連通するとともに、前記2つの入口バッファ部の中、少なくとも反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部には、冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部が設けられ、積層方向端部側の燃料電池の圧損発生部は、積層方向中央部側の燃料電池の圧損発生部よりも大きな寸法に設定されている。 Furthermore, in the fuel cell stack according to the present invention, the cooling medium flow path communicates with the cooling medium inlet communication hole via at least two inlet buffer portions, and at least the reaction gas outlet in the two inlet buffer portions. The inlet buffer near the communication hole is provided with a pressure loss generating part that suppresses the flow of the cooling medium, and the pressure loss generating part of the fuel cell on the end side in the stacking direction The dimension is set to be larger than the part.
本発明に係る燃料電池では、反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部は、圧損発生部を介して冷却媒体の流れが抑制される。このため、反応ガス流路では、発電能力が低下し易い、すなわち、凝縮水が発生し易い下流側(反応ガス出口連通孔の近傍)の温度が上昇して反応ガスが温められるため、前記反応ガス流路中の凝縮水等が水蒸気化して前記反応ガス中に取り込まれる。これにより、反応ガス流路に凝縮水が滞留することを抑制し、良好な排水処理が確実に遂行可能になる。 In the fuel cell according to the present invention, the flow of the cooling medium is suppressed in the inlet buffer portion close to the reactive gas outlet communication hole via the pressure loss generating portion. For this reason, in the reaction gas flow path, the power generation capacity is likely to be reduced, that is, the temperature on the downstream side (in the vicinity of the reaction gas outlet communication hole) where condensation water is easily generated rises and the reaction gas is warmed. Condensed water or the like in the gas flow path is steamed and taken into the reaction gas. Thereby, it is possible to suppress the condensate from staying in the reaction gas flow path, and to reliably perform good wastewater treatment.
一方、他の入口バッファ部は、反応ガス入口連通孔に近接しており、前記他の入口バッファ部では、冷却媒体の流量が増加する。従って、反応ガス流路では、反応が集中し易い上流側(反応ガス入口連通孔の近傍)に供給される冷却媒体が増量され、前記上流側を効果的に冷却することができる。このため、電解質が高温になることを阻止し、安定した発電が遂行可能になる。 On the other hand, the other inlet buffer section is close to the reaction gas inlet communication hole, and the flow rate of the cooling medium increases in the other inlet buffer section. Therefore, in the reaction gas flow path, the amount of the cooling medium supplied to the upstream side (in the vicinity of the reaction gas inlet communication hole) where the reaction tends to concentrate is increased, and the upstream side can be effectively cooled. For this reason, it becomes possible to prevent the electrolyte from becoming high temperature and perform stable power generation.
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、積層方向端部側の燃料電池の圧損発生部は、積層方向中央部側の燃料電池の圧損発生部よりも大きな寸法に設定されている。ここで、積層方向端部側の燃料電池は、放熱等によって積層方向中央部側の燃料電池よりも低温になり易い。 Further, in the fuel cell stack according to the present invention, the pressure loss generation part of the fuel cell on the end side in the stacking direction is set to a size larger than the pressure loss generation part of the fuel cell on the center side in the stacking direction. Here, the fuel cell on the end side in the stacking direction tends to be at a lower temperature than the fuel cell on the center side in the stacking direction due to heat radiation or the like.
その際、本発明では、圧損発生部の大きさを選択するだけで、積層方向端部側の燃料電池に供給される冷却媒体の流量を、積層方向中央部側の燃料電池に供給される冷却媒体の流量よりも少なく設定することができる。これにより、積層方向端部側の燃料電池は、結露による濃度過電圧の増加や触媒活性の低下等を阻止することが可能になり、燃料電池スタック全体として効率的な発電が行われる。 In this case, in the present invention, the flow rate of the cooling medium supplied to the fuel cell at the stacking direction end is changed to the cooling supplied to the fuel cell at the stacking center by simply selecting the size of the pressure loss generating portion. It can be set smaller than the flow rate of the medium. As a result, the fuel cell on the end side in the stacking direction can prevent an increase in concentration overvoltage or a decrease in catalyst activity due to condensation, and the fuel cell stack as a whole can efficiently generate power.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の要部分解斜視図であり、図2は、前記燃料電池10を積層した燃料電池スタック11の一部断面説明図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池10は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)12とセパレータ13とを交互に積層して構成されるとともに、このセパレータ13は、互いに積層される第1及び第2金属プレート(第1及び第2セパレータ)14、16を備える。
The
図1に示すように、燃料電池10の矢印B方向の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス(反応ガス)、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔(反応ガス入口連通孔)20a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔22a、及び燃料ガス(反応ガス)、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔(反応ガス出口連通孔)24bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas (reactive gas), for example, an oxygen-containing gas is supplied to one end edge of the
燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔(反応ガス入口連通孔)24a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス出口連通孔)20bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
図1及び図2に示すように、電解質膜・電極構造体12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(電解質)26と、該固体高分子電解質膜26を挟持するアノード側電極28及びカソード側電極30とを備える。アノード側電極28は、カソード側電極30よりも小さな表面積に設定されるとともに、前記カソード側電極30は、固体高分子電解質膜26の全面を覆って設けられる(所謂、段差MEA)。
As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane /
アノード側電極28及びカソード側電極30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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜26の両面に形成されている。
The
図1及び図3に示すように、第1金属プレート14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、酸化剤ガス流路32が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路32は、酸化剤ガス入口連通孔20aと酸化剤ガス出口連通孔20bとに連通する。酸化剤ガス流路32は、酸化剤ガス入口連通孔20aに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部34と、酸化剤ガス出口連通孔20bに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部36とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidant
入口バッファ部34と出口バッファ部36とは、複数のエンボス34a、36aを有しており、酸化剤ガス流路32を構成する複数の酸化剤ガス流路溝32aを介して連通している。酸化剤ガス流路32は、第1金属プレート14の面14a内に偶数回、例えば、2回の折り返し部位を有するサーペンタイン流路を構成する。
The
第1金属プレート14の面14aには、酸化剤ガス入口連通孔20a、酸化剤ガス出口連通孔20b及び酸化剤ガス流路32を周回して酸化剤ガスのシールを行う平面状シール40aが設けられる。
A
第1金属プレート14と第2金属プレート16との互いに対向する面14b、16b間には、後述する冷却媒体流路42が一体的に形成される。図4に示すように、第1金属プレート14の面14bには、面14a側に形成される酸化剤ガス流路32の裏側形状として、冷却媒体流路42の一部である流路部42aがサーペンタイン形状に形成される。
Between the
面14bには、冷却媒体入口連通孔22aに、例えば、2本の入口連絡流路43を介して連通する略直角三角形状の入口バッファ部44と、冷却媒体出口連通孔22bに、例えば、2本の出口連絡流路48を介して連通する略直角三角形状の出口バッファ部50とが設けられる。入口バッファ部44及び出口バッファ部50は、複数のエンボス44a、50aを有する。
The
第1金属プレート14の面14bには、冷却媒体入口連通孔22a、冷却媒体出口連通孔22b及び冷却媒体流路42を周回して冷却媒体のシールを行う平面状シール40bが設けられる。平面状シール40a、40bは、第1金属プレート14の外周端部を覆って一体的に設けられる第1シール部材40を構成している(図2参照)。
A
図5に示すように、第2金属プレート16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、燃料ガス流路52が設けられる。燃料ガス流路52は、燃料ガス入口連通孔24aに近接して設けられる略直角三角形状の入口バッファ部54と、燃料ガス出口連通孔24bに近接して設けられる略直角三角形状の出口バッファ部56とを備える。
As shown in FIG. 5, a fuel
入口バッファ部54及び出口バッファ部56は、複数のエンボス54a、56aを有し、互いに略対称形状に構成されるとともに、前記入口バッファ部54及び前記出口バッファ部56の近傍には、複数の燃料ガス入口孔部58a及び燃料ガス出口孔部58bが形成される。
The
入口バッファ部54と出口バッファ部56とは、燃料ガス流路52を構成する複数の燃料ガス流路溝52aを介して連通している。燃料ガス流路52は、第2金属セパレータ16の面16b内に偶数回、例えば、2回の折り返し部位を有するサーペンタイン流路を構成する。
The
図6に示すように、第2金属プレート16の面16bには、面16aに形成される燃料ガス流路52の裏側形状として、冷却媒体流路42の一部である流路部42bがサーペンタイン形状に形成される。面16bには、冷却媒体入口連通孔22aに、例えば、4本の入口連絡流路60を介して連通する略直角三角形状の入口バッファ部62と、冷却媒体出口連通孔22bに、例えば、4本の出口連絡流路64を介して連通する略直角三角形状の出口バッファ部66とが設けられる。入口バッファ部62及び出口バッファ部66は、複数のエンボス62a、66aを有する。
As shown in FIG. 6, on the
図7に示すように、冷却媒体流路42は、第1金属プレート14と第2金属プレート16とが積層される際、酸化剤ガス流路32の裏側と燃料ガス流路52の裏側とが重なり合って一体的に形成される。
As shown in FIG. 7, when the
図5に示すように、第2金属プレート16の外周端部を覆って第2シール部材70が一体成形される。第2シール部材70は、面16aに設けられる外側線状シール72と、この外側線状シール72から内方に所定の距離だけ離間する内側線状シール74とを有する。
As shown in FIG. 5, the
外側線状シール72は、電解質膜・電極構造体12の外周を周回しており、図2に示すように、第1金属プレート14に設けられている平面状シール40aに重合する。内側線状シール74は、アノード側電極28を周回して固体高分子電解質膜26の外周縁部に接して燃料ガス流路52を閉塞する(図2参照)。
The outer
第2シール部材70は、図6に示すように、面16bに設けられる線状シール76と、この線状シール76の内側に所定の距離だけ離間して設けられる裏受け用凸状部78とを有する。線状シール76は、冷却媒体流路42を覆って冷却媒体をシールする冷媒シールを構成する。一方、凸状部78は、面16aに設けられた内側線状シール74と積層方向に重なり合う位置に設けられ、前記内側線状シール74の積層方向のシール圧を受ける裏受けとして機能する。
As shown in FIG. 6, the
図7に示すように、冷却媒体入口連通孔22aには、2つの入口バッファ部44、62が連通するとともに、少なくとも燃料ガス出口連通孔24bに近接する入口バッファ部44には、冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部80aが設けられる。この圧損発生部80aは、エンボス44aに着脱自在な圧損要素82aを備える。
As shown in FIG. 7, the cooling medium
圧損要素82aは、入口バッファ部44の形状に対応して略直角三角形状を有するとともに、エンボス44aに対応するエンボス84aを設ける。圧損要素82aは、入口バッファ部44に装着されてそれぞれのエンボス44a、84aが重なり合う。これにより、圧損要素82aの面方向に沿って冷却媒体の流れが阻止され、入口バッファ部44の開口面積が実質的に減少される。
The
入口バッファ部62には、必要に応じて圧損発生部80bが設けられる。この圧損発生部80bは、略直角三角形状の圧損要素82bを備え、前記圧損要素82bには、入口バッファ部62のエンボス62aに対応するエンボス84bが形成される。圧損要素82bは、圧損要素82aよりも小さな寸法に設定される。なお、入口バッファ部62は、酸化剤ガス入口連通孔20a側に供給される冷却媒体の流量を所望の流量に維持し得る開口断面積を有することが必要であり、圧損要素82bの寸法は、この要請に対応して設定される。従って、圧損要素82bを用いない場合もある。
The
冷却媒体出口連通孔22bには、2つの出口バッファ部50、66が連通しており、この出口バッファ部50、66には、必要に応じて同様の圧損発生部80c、80dが設けられる。圧損発生部80c、80dは、略直角三角形状の圧損要素82c、82dを備えるとともに、前記圧損要素82c、82dには、エンボス50a、66aに対応してエンボス84c、84dが形成される。
Two
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔20aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔22aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔20aから第1金属プレート14の酸化剤ガス流路32に導入される。酸化剤ガス流路32では、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部34に導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝32aに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝38を介して蛇行しながら、電解質膜・電極構造体12のカソード側電極30に沿って移動する。
The oxidant gas is introduced into the
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔24aから第2金属プレート16の燃料ガス入口孔部58aを通って燃料ガス流路52に導入される。この燃料ガス流路52では、図5に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部54に導入された後、複数の燃料ガス流路溝52aに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝52aを介して蛇行し、電解質膜・電極構造体12のアノード側電極28に沿って移動する。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、電解質膜・電極構造体12では、カソード側電極30に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極28に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極30に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部36から酸化剤ガス出口連通孔20bに排出される(図1参照)。同様に、アノード側電極28に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部56から燃料ガス出口孔部58bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される(図5参照)。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
一方、冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、第1及び第2金属プレート14、16間に形成された冷却媒体流路42に導入される。この冷却媒体流路42では、図7に示すように、冷却媒体入口連通孔22aから矢印C方向に延在する入口連絡流路43、60を介して入口バッファ部44、62に冷却媒体が一旦導入される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium
入口バッファ部44、62に導入された冷却媒体は、複数の流路部42a、42bに分散されて水平方向(矢印B方向)及び鉛直方向(矢印C方向)に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体12の電極面全面にわたって供給された後、出口バッファ部50、66に一旦導入され、さらに出口連絡流路48、64を介して冷却媒体出口連通孔22bに排出される。
The cooling medium introduced into the
この場合、第1の実施形態では、図7に示すように、冷却媒体入口連通孔22aに連通する2つの入口バッファ部44、62の中、少なくとも燃料ガス出口連通孔24bに近接する前記入口バッファ部44は、圧損発生部80aを介して冷却媒体の流れが抑制される。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 7, among the two
このため、冷却媒体入口連通孔22aから入口バッファ部44を介して冷却媒体流路42に供給される冷却媒体の流量が減少する。その際、燃料ガス流路52及び酸化剤ガス流路32では、それぞれ下流側の発電能力が低下し易く、凝縮水が発生するおそれがある。
For this reason, the flow rate of the cooling medium supplied to the cooling
そこで、燃料ガス流路52及び酸化剤ガス流路32の下流側に対応して冷却媒体の流量が減少されることにより、前記下流側の温度が上昇し、燃料ガス及び酸化剤ガスが温められて燃料ガス流路52及び酸化剤ガス流路32中の凝縮水が水蒸気化し、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガス中に取り込まれる。これにより、燃料ガス流路52及び酸化剤ガス流路32に凝縮水が滞留することを抑制し、良好な排水処理が確実に遂行可能になるという効果が得られる。
Therefore, the flow rate of the cooling medium is reduced corresponding to the downstream side of the
一方、他の入口バッファ部62は、酸化剤ガス入口連通孔20aに近接しており、酸化剤ガス流路32の入口側に対応して冷却媒体流路42に供給される冷却媒体の流量が増加する。従って、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路52では、反応が集中し易い上流側に冷却媒体が増量され、前記上流側を効果的に冷却することができる。このため、電解質膜・電極構造体12が高温になることを阻止し、安定した発電が遂行可能になる。
On the other hand, the
また、入口バッファ部62及び出口バッファ部50、66には、必要に応じて圧損発生部80b〜80dが設けられている。これにより、冷却媒体流路42内における冷却媒体の流量の調整が良好に行われ、発電面全面の電流密度分布を均一化することが可能になる。
The
しかも、圧損発生部80a〜80dを構成する圧損要素82a〜82dは、それぞれエンボス44a、62a、50a及び66aに着脱自在である。従って、圧損要素82a〜82dの寸法を設定するだけで、種々の燃料電池10に適用することができ、汎用性に優れるという利点がある。
Moreover, the
図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック100の概略斜視図である。
FIG. 8 is a schematic perspective view of a
燃料電池スタック100は、積層方向中央側に所定数の燃料電池10が積層された第1積層体102aを設けるとともに、この第1積層体102aの両側には、同様に所定数の燃料電池10が積層された第2積層体102bが積層される。さらに、第2積層体102bの両側には、所定数の燃料電池10が積層された第3積層体102cが積層される。
The
積層方向両端の第3積層体102cには、ターミナルプレート104a、104b、インシュレータプレート106a、106b及びエンドプレート108a、108bが積層され、これらが図示しないタイロッド等によって一体的に締め付け保持される。
第1積層体102aに配置される燃料電池10は、冷却媒体入口連通孔22aに連通して燃料ガス出口連通孔24bに近接する入口バッファ部(図7中、入口バッファ部44参照)に圧損発生部110aが設けられる。同様に、第2及び第3積層体102b、102cを構成するそれぞれの燃料電池10には、図示しない入口バッファ部に圧損発生部110b、110cが設けられる。
The
圧損発生部110a〜110cは、それぞれ着脱自在で且つ大きさの異なる圧損要素112a〜112cを備える。圧損要素112aが最小寸法に設定される一方、圧損要素112cが最大寸法に設定されており、前記圧損要素112a〜112cには、エンボス114a〜114cが設けられる。
Each of the pressure
このように構成される燃料電池スタック100では、第1〜第3積層体102a〜102cにそれぞれ大きさの異なる圧損要素112a〜112cが設けられており、図9に示すように、前記第1〜第3積層体102a〜102cにおける冷却媒体流量が変更される。
In the
このため、特に燃料電池スタック100の積層方向端部に設けられる第3積層体102cでは、放熱によって低温になり易いが、この第3積層体102cに供給される冷却媒体の流量は、中央部側の第1積層体102a及びこの第1積層体102aの両側の第2積層体102bに供給される冷却媒体の流量よりも小さく設定することができる。
For this reason, in particular, in the third
これにより、第3積層体102cを構成する燃料電池10は、結露による濃度過電圧の増加や触媒活性の低下等を阻止することが可能になり、燃料電池スタック100全体として効率的な発電が行われるという効果が得られる。しかも、第1〜第3積層体102a〜102cでは、同一の燃料電池10を用いることができ、汎用性に優れるとともに、経済的であるという利点が得られる。
As a result, the
なお、図7に示すように、他の入口バッファ部62及び出口バッファ部50、66においても同様に、第1〜第3積層体102a〜102cに対してそれぞれ大きさの異なる圧損要素(図示せず)を設けることにより、燃料電池スタック100の積層方向に対する冷却媒体の供給流量を調整してもよい。
In addition, as shown in FIG. 7, in the other
また、第1及び第2の実施形態では、冷却媒体流路42は、それぞれ矢印B方向に一往復半するサーペンタイン流路の酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路52の裏面側が重なり合って一体的に設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス流路32及び燃料ガス流路52は、略U字状流路であってもよい。
Further, in the first and second embodiments, the
10…燃料電池 11、100…燃料電池スタック
12…電解質膜・電極構造体 13…セパレータ
14、16…金属プレート 14a、14b、16a、16b…面
20a…酸化剤ガス入口連通孔 20b…酸化剤ガス出口連通孔
22a…冷却媒体入口連通孔 22b…冷却媒体出口連通孔
24a…燃料ガス入口連通孔 24b…燃料ガス出口連通孔
26…固体高分子電解質膜 28…アノード側電極
30…カソード側電極 32…酸化剤ガス流路
34、44、54、62…入口バッファ部
34a、36a、44a、50a、54a、56a、62a、66a、84a〜84d、114a〜114c…エンボス
36、50、56、66…出口バッファ部
42…冷却媒体流路 52…燃料ガス流路
80a〜80d、110a〜110c…圧損発生部
82a〜82d、112a〜112c…圧損要素
102a〜102c…積層体
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記冷却媒体流路は、前記冷却媒体入口連通孔に少なくとも2つの入口バッファ部を介して連通するとともに、
前記2つの入口バッファ部の中、少なくとも前記反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部には、前記冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部が設けられることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte / electrode structure having an electrolyte sandwiched between a pair of electrodes, the electrolyte / electrode structure sandwiched between first and second separators, and penetrating in the stacking direction to communicate with a reaction gas inlet and a reaction gas outlet A cooling medium communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole is formed between the first and second separators, which are formed with a hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole. A fuel cell in which a medium flow path is formed,
The cooling medium flow path communicates with the cooling medium inlet communication hole via at least two inlet buffer portions, and
The fuel cell according to claim 1, wherein a pressure loss generation portion that suppresses the flow of the cooling medium is provided at least in the inlet buffer portion adjacent to the reaction gas outlet communication hole among the two inlet buffer portions.
前記圧損発生部は、前記エンボスに着脱自在な圧損要素を備えることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the inlet buffer portion has an embossing.
The fuel cell according to claim 1, wherein the pressure loss generator includes a pressure loss element that is detachable from the emboss.
前記冷却媒体流路は、前記冷却媒体入口連通孔に少なくとも2つの入口バッファ部を介して連通するとともに、
前記2つの入口バッファ部の中、少なくとも前記反応ガス出口連通孔に近接する入口バッファ部には、前記冷却媒体の流れを抑制する圧損発生部が設けられ、
積層方向端部側の燃料電池の圧損発生部は、積層方向中央部側の燃料電池の圧損発生部よりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 An electrolyte / electrode structure having an electrolyte sandwiched between a pair of electrodes, the electrolyte / electrode structure sandwiched between first and second separators, and penetrating in the stacking direction to communicate with a reaction gas inlet and a reaction gas outlet A cooling medium communicating with the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole is formed between the first and second separators, which are formed with a hole, a cooling medium inlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole. A fuel cell stack comprising a fuel cell in which a medium flow path is formed and laminating a plurality of the fuel cells,
The cooling medium flow path communicates with the cooling medium inlet communication hole via at least two inlet buffer portions, and
Among the two inlet buffer portions, at least the inlet buffer portion close to the reaction gas outlet communication hole is provided with a pressure loss generating portion that suppresses the flow of the cooling medium,
The fuel cell stack characterized in that the pressure loss generation part of the fuel cell on the end side in the stacking direction is set to a size larger than the pressure loss generation part of the fuel cell on the center side in the stacking direction.
前記圧損発生部は、前記エンボスに着脱自在な少なくとも2種類の大きさの異なる圧損要素を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 5. The fuel cell stack according to claim 4, wherein the inlet buffer portion has embossing,
The fuel cell stack, wherein the pressure loss generating portion includes at least two different types of pressure loss elements that are detachably attached to the emboss.
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