JP2008059874A - Fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make the temperature in the stacking direction uniform without increasing the dimension in the stacking direction and requiring the wide installation space by increasing heat radiation of a unit cell arranged around the central part in the stacking direction more than that around the ends, and lengthen the life of the unit cell. <P>SOLUTION: Fuel cells each interposing an electrolyte layer between a fuel electrode and an oxygen electrode are stacked through a separator unit, and the heat radiation property of the fuel cell around the central part in the stacking direction is made higher than that of the fuel cell around the ends. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell stack.

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、純水素を燃料ガスとした固体高分子型燃料電池(PEMFC)は、出力当たりのシステム体積及び重量を小さくすることができることから、積極的に用いられている。   Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. The fuel cell may be of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. However, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) using pure hydrogen as a fuel gas is actively used because it can reduce the system volume and weight per output.

この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料ガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。   In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into solid polymer. Permeates the electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.

そして、固体高分子型燃料電池は、MEAの外側に燃料ガスとしての水素ガスや酸素等の酸化剤ガスのような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配した積層構造を有する。前記セパレータは、積層方向に隣り合うMEAへの反応ガスの透過を防止するとともに、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。このように、MEAとセパレータとから成る単位セルを多数積層して燃料電池スタックが構成される。   The polymer electrolyte fuel cell has a laminated structure in which a separator that forms a supply passage for a reactive gas such as hydrogen gas as a fuel gas or an oxidant gas such as oxygen is disposed outside the MEA. The separator prevents current gas from passing through the MEAs adjacent to each other in the stacking direction, and collects current to extract the generated current to the outside. In this way, a fuel cell stack is configured by laminating a large number of unit cells composed of MEAs and separators.

ところで、前記電気化学反応によって反応熱が発生するが、積層構造を有する燃料電池スタックでは、中央付近に配設された単位セルは、両端に配設された単位セルと比較して放熱性が低いので、温度が上昇してしまう。そのため、積層方向に関して温度分布が生じてしまう。そこで、燃料電池スタックの積層方向に関する中央部付近に配設された単位セルの空気の流路断面積を、端部付近に配設された単位セルの空気の流路断面積よりも大きくすることによって、積層方向に関して温度を均一化させる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2000−149967号公報
By the way, although reaction heat is generated by the electrochemical reaction, in the fuel cell stack having a laminated structure, the unit cells arranged in the vicinity of the center have lower heat dissipation than the unit cells arranged at both ends. So the temperature will rise. For this reason, a temperature distribution occurs in the stacking direction. Therefore, the air channel cross-sectional area of the unit cell arranged near the center in the stacking direction of the fuel cell stack should be larger than the air channel cross-sectional area of the unit cell arranged near the end. Has proposed a technique for making the temperature uniform in the stacking direction (see, for example, Patent Document 1).
JP 2000-149967 A

しかしながら、前記従来の燃料電池スタックにおいては、中央部付近に配設された単位セルの空気の流路断面積を大きくするので、積層方向に関する寸法が大きくなってしまう。そのため、燃料電池スタックが大型化してしまい、設置するために大きなスペースが必要になってしまう。   However, in the conventional fuel cell stack, since the cross-sectional area of the air flow path of the unit cells arranged near the center is increased, the dimensions in the stacking direction are increased. For this reason, the fuel cell stack becomes large, and a large space is required for installation.

本発明は、前記従来の燃料電池スタックの問題点を解決して、積層方向に関する中央部付近に配設された単位セルの放熱性を端部付近よりも高めることによって、積層方向に関する寸法が増加することなく、大きな設置スペースを必要とすることなく、積層方向に関して温度を均一化させることができ、各単位セルの寿命を長くすることができる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 the problems of the conventional fuel cell stack and increases the heat dissipation of the unit cells arranged near the center in the stacking direction more than in the vicinity of the end, thereby increasing the dimension in the stacking direction. Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack in which the temperature can be made uniform in the stacking direction without requiring a large installation space and the life of each unit cell can be extended.

そのために、本発明の燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池がセパレータユニットを挟んで積層され、積層方向に関する中央部付近における燃料電池の放熱性が端部付近における燃料電池の放熱性よりも高くなるように構成されている。   Therefore, in the fuel cell stack of the present invention, the fuel cell in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode is stacked with the separator unit interposed therebetween, and the heat dissipation of the fuel cell in the vicinity of the center in the stacking direction is the end. It is comprised so that it may become higher than the heat dissipation of the fuel cell in the vicinity.

本発明の他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記セパレータユニットは酸化剤流路の出口から外側に延出する延長部を備え、前記積層方向に関する中央部付近の延長部は端部付近の延長部よりも小さく形成されている。   In another fuel cell stack of the present invention, the separator unit further includes an extension extending outward from an outlet of the oxidant flow path, and the extension near the center with respect to the stacking direction is an extension near the end. It is formed smaller than the part.

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記セパレータユニットは、酸化剤流路の内部に突出し、酸化剤の流れ方向に延在する複数のリブを備え、前記積層方向に関する中央部付近における隣接するリブ同士の間隔は端部付近における隣接するリブ同士の間隔よりも大きく形成されている。   In still another fuel cell stack of the present invention, the separator unit further includes a plurality of ribs protruding into the oxidant flow path and extending in the flow direction of the oxidant, and near a central portion in the stacking direction. The interval between the adjacent ribs is larger than the interval between the adjacent ribs in the vicinity of the end portion.

本発明の更に他の燃料電池スタックにおいては、さらに、前記セパレータユニットは熱伝導率の異なる材料で形成され、前記積層方向に関する中央部付近におけるセパレータユニットは端部付近におけるセパレータユニットよりも熱伝導率の高い材料で形成されている。   In still another fuel cell stack of the present invention, the separator unit is made of a material having different thermal conductivity, and the separator unit near the center in the stacking direction is more thermally conductive than the separator unit near the end. It is made of a high material.

請求項1の構成によれば、積層方向に関する寸法が増加することなく、大きな設置スペースを必要とすることなく、積層方向に関して温度を均一化させることができ、各単位セルの寿命を長くすることができる。   According to the structure of claim 1, the temperature in the stacking direction can be made uniform without increasing the size in the stacking direction, and without requiring a large installation space, and the life of each unit cell is increased. Can do.

請求項2の構成によれば、延長部の大きさを調整することによって、空気流路抵抗を積層方向に関して調整することができる。これにより、空気による冷却の度合いを積層方向に関して容易に調整することができ、積層方向に関する温度分布を均一化することができる。   According to the configuration of the second aspect, the air flow path resistance can be adjusted with respect to the stacking direction by adjusting the size of the extension. Thereby, the degree of cooling by air can be easily adjusted in the stacking direction, and the temperature distribution in the stacking direction can be made uniform.

請求項3の構成によれば、隣接するリブ同士の間隔を調整することによって、空気流路抵抗を積層方向に関して調整することができる。これにより、酸化剤による冷却の度合いを積層方向に関して容易に調整することができ、積層方向に関する温度分布を容易に均一化することができる。   According to the configuration of the third aspect, the air flow path resistance can be adjusted with respect to the stacking direction by adjusting the interval between the adjacent ribs. Thereby, the degree of cooling by the oxidizing agent can be easily adjusted in the stacking direction, and the temperature distribution in the stacking direction can be easily made uniform.

請求項4の構成によれば、熱伝導率の異なる材料で形成されたセパレータユニットを組み合わせることによって、酸化剤による冷却の度合いを積層方向に関して変化させることができる。これにより、積層方向に関する温度分布を容易に均一化することができる。   According to the configuration of the fourth aspect, the degree of cooling by the oxidizing agent can be changed with respect to the stacking direction by combining the separator units formed of materials having different thermal conductivities. Thereby, the temperature distribution in the stacking direction can be easily made uniform.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2は本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式斜視図、図3は本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。   FIG. 2 is a schematic perspective view showing the configuration of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the cell module of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.

図において、11は燃料電池(FC)装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック11と図示されない蓄電手段としての二次電池又はキャパシタとを併用して使用することが望ましい。   In the figure, reference numeral 11 denotes a fuel cell stack as a fuel cell (FC) device, which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, trucks, passenger carts and luggage carts. Here, the vehicle includes a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as a lighting device, a radio, and a power window, which are used even when the vehicle is stopped. Since the required output range is extremely wide, it is desirable to use a fuel cell stack 11 as a power source in combination with a secondary battery or capacitor as a power storage means (not shown).

そして、燃料電池スタック11は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。   The fuel cell stack 11 may be of an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but is preferably a solid polymer type fuel cell. .

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。   More preferably, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) using hydrogen gas as fuel gas, that is, anode gas, and oxygen or air as oxidant, that is, cathode gas. ) Type fuel cell. Here, the PEM type fuel cell is generally a stack in which a plurality of cells (Fuel Cell) in which a catalyst, an electrode and a separator are combined on both sides of an electrolyte layer that transmits ions such as protons are connected in series. Consists of.

本実施の形態において、燃料電池スタック11は、複数のセルモジュール10を有する。該セルモジュール10は、燃料電池としての単位セル(MEA:Membrane Electrode Assembly)10Aと、該単位セル10A同士を電気的に接続するとともに、単位セル10Aに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカソードガスとしての空気の流路とを分離するセパレータユニット10Bとを1セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュール10は、単位セル10A同士が所定の間隙(げき)を隔てて配置されるように、単位セル10Aとセパレータユニット10Bとが、フレーム17とともに、多段に重ねられて積層されている。この場合、セルモジュール10は、導電可能に、かつ、燃料ガス流路、すなわち、水素ガス流路が連続するように相互に接続されている。   In the present embodiment, the fuel cell stack 11 includes a plurality of cell modules 10. The cell module 10 includes a unit cell (MEA) 10A as a fuel cell, and the unit cell 10A electrically connected to each other, and hydrogen gas as an anode gas introduced into the unit cell 10A. The separator unit 10B that separates the flow path and the air flow path as the cathode gas is set as one set, and a plurality of sets are stacked in the thickness direction. In the cell module 10, the unit cells 10 </ b> A and the separator unit 10 </ b> B are stacked in multiple stages and stacked together with the frame 17 so that the unit cells 10 </ b> A are arranged with a predetermined gap (gap) therebetween. . In this case, the cell modules 10 are connected to each other so that they can conduct electricity and have a fuel gas flow path, that is, a hydrogen gas flow path continuous.

そして、単位セル10Aは、電解質層としての固体高分子電解質膜、並びに、該固体高分子電解質膜の一側に設けられた酸素極としての空気極(カソード極)及び他側に設けられた燃料極(アノード極)から成る。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。   The unit cell 10A includes a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer, an air electrode (cathode electrode) as an oxygen electrode provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane, and a fuel provided on the other side. It consists of a pole (anode pole). The air electrode and the fuel electrode include an electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst layer formed on the electrode diffusion layer and supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane. Consists of.

前記単位セル10Aにおいては水が移動する。この場合、セパレータユニット10Bの燃料極側に形成された燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、セパレータユニット10Bの空気極側に形成された空気流路である酸化剤流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。   Water moves in the unit cell 10A. In this case, when a fuel gas, that is, hydrogen gas as an anode gas is supplied into the fuel chamber formed on the fuel electrode side of the separator unit 10B, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions use proton-entrained water. Along with this, it passes through the solid polymer electrolyte membrane. When the air electrode is a cathode electrode and an oxidant, that is, air as a cathode gas is supplied into an oxygen chamber as an oxidant flow path that is an air flow path formed on the air electrode side of the separator unit 10B, Oxygen therein is combined with the hydrogen ions and electrons to produce water. Moisture permeates through the solid polymer electrolyte membrane as reverse diffusion water and moves into the fuel chamber. Here, the reverse diffusion water means that water generated in the oxygen chamber diffuses into the solid polymer electrolyte membrane and permeates into the fuel chamber through the solid polymer electrolyte membrane in the direction opposite to the hydrogen ions. It is a thing.

また、燃料電池スタック11に酸化剤としての空気を供給する図示されない装置が示されている。この場合、空気は、エアフィルタを通って、酸化剤供給源としての空気供給ファンに吸引され、該空気供給ファンから、空気供給管路、吸気マニホールド等を通って、燃料電池スタック11の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は、大気圧程度の常圧であってもよいし、より高い圧力であってもよい。なお、前記空気供給ファンは、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよく、高圧の空気を供給するためのポンプであってもよい。また、前記エアフィルタは、空気に含まれる塵埃(じんあい)、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、図示されない排気マニホールドを通って大気中へ排出される。図に示される例において、空気は燃料電池スタック11内を流通する。   In addition, a device (not shown) for supplying air as an oxidant to the fuel cell stack 11 is shown. In this case, the air passes through the air filter and is sucked into an air supply fan as an oxidant supply source, and from the air supply fan through an air supply line, an intake manifold, and the like, the oxygen chamber of the fuel cell stack 11. That is, it is supplied to the air flow path. In this case, the pressure of the supplied air may be a normal pressure of about atmospheric pressure or a higher pressure. The air supply fan may be of any type as long as it can suck and discharge air, and may be a pump for supplying high-pressure air. The air filter may be of any type as long as it can remove dust, impurities, etc. contained in the air. Note that oxygen can be used as the oxidizing agent instead of air. And the air discharged | emitted from an air flow path is discharged | emitted in air | atmosphere through the exhaust manifold which is not shown in figure. In the example shown in the figure, air flows through the fuel cell stack 11.

また、前記空気供給管路には、必要に応じて、空気流路に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック11の空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルを配設することもできる。さらに、前記排気マニホールドの端部に、前記燃料電池スタック11から排出される空気中の水分を凝縮して除去するための凝縮器を配設することもできる。この場合、該凝縮器によって凝縮された水は図示されない水タンクに回収されることが望ましい。そして、該水タンク内の水を前記水供給ノズルに供給することによって水を無駄に廃棄することなく、循環させて再利用することができる。   In addition, the air supply pipe is supplied with water sprayed into the air supplied to the air flow path as necessary, and water for maintaining the air electrode of the fuel cell stack 11 in a wet state. A supply nozzle can also be provided. Further, a condenser for condensing and removing moisture in the air discharged from the fuel cell stack 11 may be disposed at the end of the exhaust manifold. In this case, it is desirable that the water condensed by the condenser is collected in a water tank (not shown). By supplying the water in the water tank to the water supply nozzle, the water can be circulated and reused without being wasted.

一方、燃料ガスとしての水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等から成る図示されない燃料貯蔵手段から燃料供給管路を通って、燃料電池スタック11の燃料ガス流路の入口に供給される。図に示される例において、水素ガスは燃料電池スタック11内を流通する。そして、該燃料電池スタック11の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、図示されない燃料排出管路を通って燃料電池スタック11外に排出される。なお、前記燃料排出管路には、排出された水素ガスが含まれる水分を分離して回収するための水回収ドレインタンクが配設されていることが望ましい。これにより、水分が分離されて水回収ドレインタンクから排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック11の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。   On the other hand, hydrogen gas as a fuel gas passes through a fuel supply line from a fuel storage means (not shown) including a container storing a hydrogen storage alloy, a container storing a hydrogen storage liquid such as decalin, a hydrogen gas cylinder, etc. It is supplied to the inlet of the fuel gas flow path of the battery stack 11. In the example shown in the figure, hydrogen gas flows through the fuel cell stack 11. Then, hydrogen gas discharged as an unreacted component from the outlet of the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11 is discharged out of the fuel cell stack 11 through a fuel discharge pipe (not shown). In addition, it is desirable that a water recovery drain tank for separating and recovering water containing the discharged hydrogen gas is disposed in the fuel discharge pipe. Thereby, the hydrogen gas separated from the water and discharged from the water recovery drain tank can be recovered, supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack 11 and reused.

この場合、燃料電池スタック11は、全体として扁(へん)平な直方体状の形状を有し、内部における空気の流れは、図2において矢印Aで示されるように、重力方向、すなわち、上から下に直線状になっている。また、水素ガスの流れは、矢印Bで示されるように、重力方向、すなわち、前記矢印Aで示される方向とほぼ直交する水平面内において、セルモジュール10毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇行状になっている。   In this case, the fuel cell stack 11 as a whole has a flattened rectangular parallelepiped shape, and the air flow inside is in the direction of gravity, that is, from above, as indicated by an arrow A in FIG. It is linear below. In addition, as indicated by an arrow B, the flow of hydrogen gas is in a serpentine shape that folds for each cell module 10 in a gravitational direction, that is, in a horizontal plane that is substantially orthogonal to the direction indicated by the arrow A, that is, a meandering shape. It has become.

また、前記燃料電池スタック11は、水素ガスの入口側及び出口側に配設された図示されないエンドプレートによって積層方向に締め付けられている。なお、前記エンドプレートは締付用シャフトによって、セルモジュール10を締め付ける力が付与された状態で、相互に接続されている。   The fuel cell stack 11 is fastened in the stacking direction by end plates (not shown) disposed on the inlet side and the outlet side of the hydrogen gas. The end plates are connected to each other in a state where a force for fastening the cell module 10 is applied by a fastening shaft.

次に、前記燃料電池スタック11の構成を詳細に説明する。   Next, the configuration of the fuel cell stack 11 will be described in detail.

図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの形状を示す模式断面図であり図5及び6のE−E矢視断面図、図4は本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第1の図、図5は本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第2の図、図6は本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第3の図、図7は本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの温度分布及び空気流量を示す図である。なお、図1及び7における(a)及び(b)は従来例及び本実施の形態を示し、図4における(a)及び(b)は平面図及びそのD−D矢視断面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the shape of a fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line EE of FIGS. 5 and 6, and FIG. FIG. 5 is a second diagram showing the configuration of the fuel cell separator unit according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 6 is the first diagram of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing the structure of the separator unit of the fuel cell in this embodiment, and FIG. 7 is a diagram showing the temperature distribution and air flow rate of the fuel cell stack in the first embodiment of the present invention. 1 and 7 show a conventional example and the present embodiment, and FIGS. 4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view taken along line DD in FIG.

図4(a)に示されるように、セパレータユニット10Bは、概略長方形状を備える平板状のコレクタ14を有し、該コレクタ14は長方形の短辺方向に延在する複数のリブ14bを備える。該リブ14bは、空気流路の内部に突出し、空気の流れ方向に延在する。そして、燃料電池スタック11に供給される空気は、複数のリブ14b同士の間に形成された凹部14c内を通って、矢印Cで示される方向に流れる。また、単位セル10Aも、前記コレクタ14とほぼ同様の大きさの長方形状の形状を備える。なお、図4は、説明の都合上、単位セル10A及びセパレータユニット10Bの一組のみを示しており、セルモジュール10においては、図4(b)における上下に、隣接する単位セル10A及びセパレータユニット10Bの組が積層される。   As shown in FIG. 4A, the separator unit 10B includes a flat plate-like collector 14 having a substantially rectangular shape, and the collector 14 includes a plurality of ribs 14b extending in the short side direction of the rectangle. The rib 14b protrudes into the air flow path and extends in the air flow direction. Then, the air supplied to the fuel cell stack 11 flows in the direction indicated by the arrow C through the recess 14c formed between the plurality of ribs 14b. The unit cell 10 </ b> A also has a rectangular shape that is almost the same size as the collector 14. FIG. 4 shows only one unit cell 10A and a separator unit 10B for convenience of description. In the cell module 10, the unit cell 10A and the separator unit adjacent to each other vertically in FIG. A set of 10B is stacked.

そして、単位セル10Aとセパレータユニット10Bとの位置関係を保持するように、コレクタ14の左右両側に配設されたフレーム17は、図5及び6に示されるように、上下端を相互にバックアッププレート17a及び17bで連結されて枠状となっている。   The frames 17 disposed on the left and right sides of the collector 14 so as to maintain the positional relationship between the unit cell 10A and the separator unit 10B are configured so that the upper and lower ends are mutually backed up as shown in FIGS. The frame is connected by 17a and 17b.

本実施の形態においては、燃料電池スタック11の空気流路内を流れる空気の抵抗を調整するために、図5及び6に示されるように、コレクタ14における空気の出口側端(図5及び6における下側端)に流路抵抗を調節する延長部14aが接続されている。なお、該延長部14aは、空気流路の出口から外側に延出する部材であり、コレクタ14と一体的に形成されたものであってもよい。   In the present embodiment, in order to adjust the resistance of the air flowing in the air flow path of the fuel cell stack 11, as shown in FIGS. 5 and 6, the air outlet side end of the collector 14 (FIGS. 5 and 6). Is connected to an extension portion 14a for adjusting the flow resistance. The extension portion 14 a is a member that extends outward from the outlet of the air flow path, and may be formed integrally with the collector 14.

前述のように、単位セル10Aは、固体高分子電解質膜、空気極及び燃料極を備え、電気化学反応によって起電力を発生するものであり、前記電気化学反応によって反応熱が発生する。そして、該反応熱は、主として、燃料電池スタック11に供給される空気によって奪われる。すなわち、燃料電池スタック11に供給される空気は、酸化剤として機能するとともに、単位セル10Aを冷却する冷媒としても機能する。なお、燃料電池スタック11の空気極を湿潤な状態に維持するために供給される空気中に水をスプレーして供給した場合には、冷却能力がより増大する。   As described above, the unit cell 10A includes a solid polymer electrolyte membrane, an air electrode, and a fuel electrode, and generates an electromotive force by an electrochemical reaction. Reaction heat is generated by the electrochemical reaction. The reaction heat is mainly taken away by the air supplied to the fuel cell stack 11. That is, the air supplied to the fuel cell stack 11 functions as an oxidant and also functions as a refrigerant for cooling the unit cell 10A. In addition, when water is sprayed and supplied in the air supplied in order to maintain the air electrode of the fuel cell stack 11 in a wet state, the cooling capacity is further increased.

ここで、延長部14aをコレクタ14における空気の出口側端に接続すると、コレクタ14から排出された空気の流れに対する抵抗が増大し、燃料電池スタック11の空気流路内を流れる空気の流量が低下する。すなわち、空気流路抵抗が増大して空気流量が低下する。そのため、空気による冷却能力も低下する。そこで、本実施の形態においては、燃料電池スタック11において、放熱性が良好で温度が低い部位に大きな延長部14aを配設するとともに、放熱性が良好でなく温度が高い部位に小さな延長部14aを配設することによって、各部の温度を均一化するようになっている。   Here, when the extension portion 14a is connected to the air outlet side end of the collector 14, the resistance to the air flow discharged from the collector 14 increases, and the flow rate of the air flowing in the air flow path of the fuel cell stack 11 decreases. To do. That is, the air flow path resistance increases and the air flow rate decreases. Therefore, the cooling capacity by air also decreases. Therefore, in the present embodiment, in the fuel cell stack 11, a large extension portion 14a is disposed at a portion where heat dissipation is good and the temperature is low, and a small extension portion 14a is provided at a portion where heat dissipation is not good and the temperature is high. By arranging the above, the temperature of each part is made uniform.

図1(a)に示されるように、従来の燃料電池スタックにおいては、延長部14aが配設されていない。この場合、「背景技術」の項において説明したように、セルモジュール10の積層方向に関する中央付近に配設された単位セル10Aは、両端に配設された単位セル10Aと比較して放熱性が低いので、温度が上昇してしまう。そのため、セルモジュール10の積層方向に関する温度分布は、図7(a)に示されるように、中央付近が高く両端に近付くにつれて低くなっている。なお、空気流量はほぼ均一である。   As shown in FIG. 1A, in the conventional fuel cell stack, the extension portion 14a is not provided. In this case, as described in the section “Background Art”, the unit cell 10A disposed near the center in the stacking direction of the cell modules 10 has a heat dissipation property compared to the unit cells 10A disposed at both ends. Since it is low, the temperature will rise. Therefore, as shown in FIG. 7A, the temperature distribution in the stacking direction of the cell modules 10 is higher near the center and lower as it approaches both ends. The air flow rate is almost uniform.

そこで、本実施の形態においては、コレクタ14における空気の出口側端に延長部14aを接続するとともに、図1(b)に示されるように、セルモジュール10の積層方向に関する中央部付近に配設される延長部14aを小さくし、端部付近に配設される延長部14aを大きくしている。なお、該延長部14aの大きさは、空気の出口方向(図における下方向)への突出量を調整することによって、調整することができる。これにより、空気流路抵抗は、セルモジュール10の積層方向に関する中央部付近において小さく、端部付近において大きくなるので、セルモジュール10の積層方向に関する空気流量の分布は、図7(b)に示されるように、中央部付近が高く、端部に近付くにつれて低くなっている。そのため、空気の冷却能力は、中央部付近が高く、端部に近付くにつれて低くなる。したがって、セルモジュール10の積層方向に関する温度分布はほぼ均一となる。   Therefore, in the present embodiment, the extension portion 14a is connected to the air outlet side end of the collector 14, and as shown in FIG. 1 (b), disposed near the central portion in the stacking direction of the cell modules 10. The extended portion 14a is made smaller and the extended portion 14a disposed near the end portion is made larger. In addition, the magnitude | size of this extension part 14a can be adjusted by adjusting the protrusion amount to the exit direction (downward direction in a figure) of air. As a result, the air flow resistance is small near the center in the stacking direction of the cell modules 10 and is large near the ends. Therefore, the air flow distribution in the stacking direction of the cell modules 10 is shown in FIG. As shown in the figure, the vicinity of the central portion is high, and it is low as it approaches the end portion. For this reason, the cooling capacity of the air is high in the vicinity of the central portion, and decreases as it approaches the end portion. Therefore, the temperature distribution in the stacking direction of the cell modules 10 is almost uniform.

なお、図5及び6に示される例においては、延長部14aの下端縁が水平でなく、傾斜しており、延長部14aの形状が三角形となっている。これは、燃料電池スタック11の空気流路内において凝縮した水分を燃料電池スタック11外に排出しやすくするためである。延長部14aの形状が三角形となっているので、コレクタ14の表面を伝って延長部14aまで流下してきた水分は、傾斜した延長部14aの下端縁を伝って一方向(図5及び6における右方向)に移動し、前記三角形の頂点から滴下しやすくなる。これにより、前記水分は、延長部14aの下端縁近傍に滞留することなく、スムーズに燃料電池スタック11外に排出される。   In the examples shown in FIGS. 5 and 6, the lower end edge of the extension portion 14a is not horizontal but is inclined, and the shape of the extension portion 14a is a triangle. This is for facilitating the discharge of moisture condensed in the air flow path of the fuel cell stack 11 to the outside of the fuel cell stack 11. Since the shape of the extension portion 14a is a triangle, the moisture flowing down to the extension portion 14a along the surface of the collector 14 passes along the lower end edge of the inclined extension portion 14a in one direction (right in FIGS. 5 and 6). Direction) and it becomes easy to drip from the apex of the triangle. Accordingly, the moisture is smoothly discharged out of the fuel cell stack 11 without staying in the vicinity of the lower end edge of the extension portion 14a.

このように、本実施の形態においては、コレクタ14における空気の出口側端に接続される延長部14aの大きさをセルモジュール10の積層方向に関して変化させることによって、空気流路抵抗をセルモジュール10の積層方向に関して変化させ、これにより、空気による冷却の度合いをセルモジュール10の積層方向に関して変化させてセルモジュール10の積層方向に関する温度分布を均一化するようになっている。   As described above, in the present embodiment, the size of the extension portion 14a connected to the air outlet side end of the collector 14 is changed with respect to the stacking direction of the cell modules 10, thereby reducing the air flow path resistance. Thus, the degree of cooling by air is changed with respect to the stacking direction of the cell modules 10 to make the temperature distribution in the stacking direction of the cell modules 10 uniform.

これにより、セルモジュール10の積層方向に関する中央部付近に配設された単位セル10Aの放熱性を高めることができ、燃料電池スタック11の寸法が増加することなく、大きな設置スペースを必要とすることなく、セルモジュール10の積層方向に関して温度を均一化させることができ、各単位セル10Aの寿命を長くすることができる。   Thereby, the heat dissipation of the unit cell 10A disposed near the center in the stacking direction of the cell modules 10 can be improved, and a large installation space is required without increasing the size of the fuel cell stack 11. In addition, the temperature can be made uniform in the stacking direction of the cell modules 10, and the life of each unit cell 10A can be extended.

なお、本実施の形態においては、一つのセルモジュール10に含まれる単位セル10A及びコレクタ14の組の延長部14aの大きさを変化させる場合について説明したが、燃料電池スタック11全体に含まれるすべての単位セル10A及びコレクタ14の組の延長部14aを変化させることもできる。この場合、セルモジュール10の積層方向に関して燃料電池スタック11の中央部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組の延長部14aを小さくして、燃料電池スタック11の端部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組の延長部14aを大きくする。   In the present embodiment, the case where the size of the extension part 14a of the unit cell 10A and the collector 14 included in one cell module 10 is changed has been described. However, all the elements included in the entire fuel cell stack 11 are described. The extension 14a of the unit cell 10A and collector 14 set can be changed. In this case, with respect to the stacking direction of the cell modules 10, the extension portion 14 a of the unit cell 10 </ b> A and the collector 14 disposed near the center of the fuel cell stack 11 is made small and arranged near the end of the fuel cell stack 11. The extension part 14a of the unit cell 10A and the collector 14 provided is enlarged.

また、延長部14aの大きさが漸次変化する場合について説明したが、延長部14aの大きさを段階的に変化させることもできる。例えば、セルモジュール10の積層方向に関して燃料電池スタック11の中央部付近に配設されたセルモジュール10における延長部14aを小さくして、燃料電池スタック11の端部付近に配設されたセルモジュール10における延長部14aを大きくする。この場合、同一のセルモジュール10に含まれる単位セル10A及びコレクタ14の組の延長部14aは互いに等しくなるようにする。   Moreover, although the case where the magnitude | size of the extension part 14a changes gradually was demonstrated, the magnitude | size of the extension part 14a can also be changed in steps. For example, the cell module 10 disposed in the vicinity of the end of the fuel cell stack 11 is made smaller by reducing the extension portion 14 a of the cell module 10 disposed in the vicinity of the center of the fuel cell stack 11 in the stacking direction of the cell modules 10. The extension part 14a is enlarged. In this case, the extension portions 14a of the unit cell 10A and the collector 14 included in the same cell module 10 are set to be equal to each other.

次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. The description of the same operation and the same effect as those of the first embodiment is also omitted.

図8は本発明の第2の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの要部拡大図、図9は本発明の第2の実施の形態における燃料電池スタックの温度分布及び空気流量を示す図である。なお、図9における(a)及び(b)は従来例及び本実施の形態を示している。   FIG. 8 is an enlarged view of the main part of the cell module of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram showing the temperature distribution and the air flow rate of the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention. is there. 9A and 9B show a conventional example and the present embodiment.

本実施の形態において、コレクタ14の隣接するリブ14b同士の間隔は、図8に示されるように、セルモジュール10の積層方向に関する中央部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組では広く、燃料電池スタック11の端部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組では狭くなっている。   In the present embodiment, the interval between the adjacent ribs 14b of the collector 14 is such that the unit cell 10A and the collector 14 disposed near the center in the stacking direction of the cell modules 10 as shown in FIG. Widely, the unit cell 10A and the collector 14 arranged near the end of the fuel cell stack 11 are narrow.

従来の燃料電池スタックにおいては、リブ14bの間隔はセルモジュール10の積層方向に関して変化しない。この場合、「背景技術」の項において説明したように、セルモジュール10の積層方向に関する中央付近に配設された単位セル10Aは、両端に配設された単位セル10Aと比較して放熱性が低いので、温度が上昇してしまう。そのため、セルモジュール10の積層方向に関する温度分布は、図9(a)に示されるように、中央付近が高く両端に近付くにつれて低くなっている。なお、空気流量はほぼ均一である。   In the conventional fuel cell stack, the interval between the ribs 14 b does not change with respect to the stacking direction of the cell modules 10. In this case, as described in the section “Background Art”, the unit cell 10A disposed near the center in the stacking direction of the cell modules 10 has a heat dissipation property compared to the unit cells 10A disposed at both ends. Since it is low, the temperature will rise. Therefore, as shown in FIG. 9A, the temperature distribution in the stacking direction of the cell modules 10 is higher near the center and lower as it approaches both ends. The air flow rate is almost uniform.

これに対し、本実施の形態においては、コレクタ14の隣接するリブ14b同士の間隔がセルモジュール10の積層方向に関する中央部付近において大きく、端部付近において小さくなるので、セルモジュール10の積層方向に関する空気流量の分布は、図9(b)に示されるように、中央部付近が高く、端部に近付くにつれて低くなっている。そのため、空気の冷却能力は、中央部付近が高く、端部に近付くにつれて低くなる。したがって、セルモジュール10の積層方向に関する温度分布はほぼ均一となる。   On the other hand, in the present embodiment, the interval between the adjacent ribs 14b of the collector 14 is large in the vicinity of the central portion in the stacking direction of the cell module 10 and is decreased in the vicinity of the end portion. As shown in FIG. 9B, the air flow rate distribution is high in the vicinity of the central portion and becomes lower as the end portion is approached. For this reason, the cooling capacity of the air is high in the vicinity of the central portion, and decreases as it approaches the end portion. Therefore, the temperature distribution in the stacking direction of the cell modules 10 is almost uniform.

このように、本実施の形態においては、コレクタ14の隣接するリブ14b同士の間隔をセルモジュール10の積層方向に関して変化させることによって、空気流路抵抗をセルモジュール10の積層方向に関して変化させ、これにより、空気による冷却の度合いをセルモジュール10の積層方向に関して変化させてセルモジュール10の積層方向に関する温度分布を均一化するようになっている。   Thus, in the present embodiment, by changing the interval between the adjacent ribs 14b of the collector 14 with respect to the stacking direction of the cell module 10, the air flow resistance is changed with respect to the stacking direction of the cell module 10, Thus, the degree of cooling by air is changed with respect to the stacking direction of the cell modules 10, and the temperature distribution in the stacking direction of the cell modules 10 is made uniform.

これにより、セルモジュール10の積層方向に関する中央部付近に配設された単位セル10Aの放熱性を高めることができ、燃料電池スタック11の寸法が増加することなく、大きな設置スペースを必要とすることなく、セルモジュール10の積層方向に関して温度を均一化させることができ、各単位セル10Aの寿命を長くすることができる。   Thereby, the heat dissipation of the unit cell 10A disposed near the center in the stacking direction of the cell modules 10 can be improved, and a large installation space is required without increasing the size of the fuel cell stack 11. In addition, the temperature can be made uniform in the stacking direction of the cell modules 10, and the life of each unit cell 10A can be extended.

なお、本実施の形態においては、一つのセルモジュール10に含まれる単位セル10A及びコレクタ14の組のリブ14b同士の間隔を変化させる場合について説明したが、燃料電池スタック11全体に含まれるすべての単位セル10A及びコレクタ14の組のリブ14b同士の間隔を変化させることもできる。この場合、セルモジュール10の積層方向に関して燃料電池スタック11の中央部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組のリブ14b同士の間隔を小さくして、燃料電池スタック11の端部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組のリブ14b同士の間隔を大きくする。   In the present embodiment, the case has been described in which the interval between the ribs 14b of the unit cell 10A and the collector 14 included in one cell module 10 is changed. The interval between the ribs 14b of the set of the unit cell 10A and the collector 14 can also be changed. In this case, the gap between the ribs 14b of the unit cell 10A and the collector 14 arranged near the center of the fuel cell stack 11 in the stacking direction of the cell modules 10 is reduced, and the vicinity of the end of the fuel cell stack 11 is reduced. The interval between the ribs 14b of the set of the unit cell 10A and the collector 14 arranged in the above is increased.

また、リブ14b同士の間隔が漸次変化する場合について説明したが、リブ14b同士の間隔を段階的に変化させることもできる。例えば、セルモジュール10の積層方向に関して燃料電池スタック11の中央部付近に配設されたセルモジュール10におけるリブ14b同士の間隔を大きくして、燃料電池スタック11の端部付近に配設されたセルモジュール10におけるリブ14b同士の間隔を小さくする。この場合、同一のセルモジュール10に含まれる単位セル10A及びコレクタ14の組のリブ14b同士の間隔は互いに等しくなるようにする。   Moreover, although the case where the space | interval of ribs 14b changes gradually was demonstrated, the space | interval of ribs 14b can also be changed in steps. For example, with respect to the stacking direction of the cell modules 10, cells disposed near the ends of the fuel cell stack 11 are increased by increasing the interval between the ribs 14 b in the cell module 10 disposed near the center of the fuel cell stack 11. The interval between the ribs 14b in the module 10 is reduced. In this case, the interval between the ribs 14b of the set of the unit cell 10A and the collector 14 included in the same cell module 10 is set to be equal to each other.

次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、第1及び第2の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1及び第2の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st and 2nd embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. Also, the description of the same operations and effects as those of the first and second embodiments is omitted.

図10は本発明の第3の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの要部拡大図、図11は本発明の第3の実施の形態における燃料電池スタックの温度分布及び空気流量を示す図である。なお、図11における(a)及び(b)は従来例及び本実施の形態を示している。   FIG. 10 is an enlarged view of the main part of the cell module of the fuel cell in the third embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a diagram showing the temperature distribution and air flow rate of the fuel cell stack in the third embodiment of the present invention. is there. 11A and 11B show a conventional example and the present embodiment.

本実施の形態において、コレクタ14は、図10に示されるように、熱伝導率の異なる材料21〜23で形成されている。図10に示される例において、燃料電池スタック11の端部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組では、コレクタ14は熱伝導率の値が小さい材料21、例えば、ステンレス鋼で形成され、燃料電池スタック11のやや中央に近い部位に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組では、コレクタ14は材料21より熱伝導率の値が大きい材料22、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成され、燃料電池スタック11の中央部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組では、コレクタ14は材料22より熱伝導率の値が大きい材料23、例えば、銅又は銅合金で形成されている。   In the present embodiment, the collector 14 is formed of materials 21 to 23 having different thermal conductivities, as shown in FIG. In the example shown in FIG. 10, in the unit cell 10A and collector 14 set near the end of the fuel cell stack 11, the collector 14 is made of a material 21 having a low thermal conductivity, for example, stainless steel. In the set of the unit cell 10A and the collector 14 disposed at a position slightly close to the center of the fuel cell stack 11, the collector 14 is made of a material 22 having a higher thermal conductivity than the material 21, such as aluminum or an aluminum alloy. In the unit cell 10A and collector 14 formed and disposed near the center of the fuel cell stack 11, the collector 14 is formed of a material 23 having a higher thermal conductivity than the material 22, such as copper or a copper alloy. Has been.

従来の燃料電池スタックにおいては、コレクタ14を形成する材料の熱伝導率はセルモジュール10の積層方向に関して変化しない。この場合、「背景技術」の項において説明したように、セルモジュール10の積層方向に関する中央付近に配設された単位セル10Aは、両端に配設された単位セル10Aと比較して放熱性が低いので、温度が上昇してしまう。そのため、セルモジュール10の積層方向に関する温度分布は、図11(a)に示されるように、中央付近が高く両端に近付くにつれて低くなっている。なお、コレクタ14を形成する材料の熱伝導率はほぼ均一である。   In the conventional fuel cell stack, the thermal conductivity of the material forming the collector 14 does not change with respect to the stacking direction of the cell modules 10. In this case, as described in the section “Background Art”, the unit cell 10A disposed near the center in the stacking direction of the cell modules 10 has a heat dissipation property compared to the unit cells 10A disposed at both ends. Since it is low, the temperature will rise. Therefore, as shown in FIG. 11A, the temperature distribution in the stacking direction of the cell modules 10 is higher near the center and lower as it approaches both ends. Note that the thermal conductivity of the material forming the collector 14 is substantially uniform.

これに対し、本実施の形態においては、コレクタ14はセルモジュール10の積層方向に関する中央部付近において熱伝導率の値が大きい材料から形成され、端部付近において熱伝導率が値が小さい材料から形成されるので、セルモジュール10の積層方向に関するコレクタ14の熱伝導率の値の分布は、図11(b)に示されるように、中央部付近が高く、端部に近付くにつれて小さくなっている。そのため、空気の冷却能力は、中央部付近が高く、端部に近付くにつれて低くなる。したがって、セルモジュール10の積層方向に関する温度分布はほぼ均一となる。   On the other hand, in the present embodiment, the collector 14 is formed from a material having a large value of thermal conductivity near the central portion in the stacking direction of the cell modules 10, and from a material having a small value of thermal conductivity near the end portion. Thus, as shown in FIG. 11B, the distribution of the thermal conductivity value of the collector 14 in the stacking direction of the cell modules 10 is high near the center and decreases as it approaches the end. . For this reason, the cooling capacity of the air is high in the vicinity of the central portion, and decreases as it approaches the end portion. Therefore, the temperature distribution in the stacking direction of the cell modules 10 is almost uniform.

このように、本実施の形態においては、コレクタ14を形成する材料の熱伝導率をセルモジュール10の積層方向に関して変化させることによって、空気による冷却の度合いをセルモジュール10の積層方向に関して変化させ、これにより、セルモジュール10の積層方向に関する温度分布を均一化するようになっている。   Thus, in the present embodiment, by changing the thermal conductivity of the material forming the collector 14 with respect to the stacking direction of the cell module 10, the degree of cooling by air is changed with respect to the stacking direction of the cell module 10, Thereby, the temperature distribution in the stacking direction of the cell modules 10 is made uniform.

これにより、セルモジュール10の積層方向に関する中央部付近に配設された単位セル10Aの放熱性を高めることができ、燃料電池スタック11の寸法が増加することなく、大きな設置スペースを必要とすることなく、セルモジュール10の積層方向に関して温度を均一化させることができ、各単位セル10Aの寿命を長くすることができる。   Thereby, the heat dissipation of the unit cell 10A disposed near the center in the stacking direction of the cell modules 10 can be improved, and a large installation space is required without increasing the size of the fuel cell stack 11. In addition, the temperature can be made uniform in the stacking direction of the cell modules 10, and the life of each unit cell 10A can be extended.

なお、本実施の形態においては、一つのセルモジュール10に含まれる単位セル10A及びコレクタ14の組のコレクタ14を形成する材料の熱伝導率を変化させる場合について説明したが、燃料電池スタック11全体に含まれるすべての単位セル10A及びコレクタ14の組のコレクタ14を形成する材料の熱伝導率を変化させることもできる。この場合、セルモジュール10の積層方向に関して燃料電池スタック11の中央部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組のコレクタ14を形成する材料の熱伝導率の値を小さくして、燃料電池スタック11の端部付近に配設された単位セル10A及びコレクタ14の組のコレクタ14を形成する材料の熱伝導率の値を高くする。   In the present embodiment, the case of changing the thermal conductivity of the material forming the collector 14 of the set of the unit cell 10A and the collector 14 included in one cell module 10 has been described. It is also possible to change the thermal conductivity of the material forming the collector 14 of the set of all the unit cells 10A and the collectors 14 included in FIG. In this case, the value of the thermal conductivity of the material forming the collector 14 of the set of the unit cell 10A and the collector 14 disposed near the center of the fuel cell stack 11 in the stacking direction of the cell modules 10 is reduced to reduce the fuel The value of the thermal conductivity of the material forming the collector 14 of the set of the unit cell 10A and the collector 14 disposed near the end of the battery stack 11 is increased.

また、コレクタ14を形成する材料の熱伝導率が段階的に変化する場合について説明したが、コレクタ14を形成する材料の熱伝導率が漸次変化するようにしてもよい。さらに、例えば、セルモジュール10の積層方向に関して燃料電池スタック11の中央部付近に配設されたセルモジュール10におけるコレクタ14を形成する材料の熱伝導率の値を大きくして、燃料電池スタック11の端部付近に配設されたセルモジュール10におけるコレクタ14を形成する材料の熱伝導率の値を小さくすることもできる。この場合、同一のセルモジュール10に含まれる単位セル10A及びコレクタ14の組のコレクタ14を形成する材料の熱伝導率の値は等しくなるようにする。   Moreover, although the case where the thermal conductivity of the material which forms the collector 14 changes in steps was demonstrated, you may make it the thermal conductivity of the material which forms the collector 14 change gradually. Furthermore, for example, the value of the thermal conductivity of the material forming the collector 14 in the cell module 10 disposed near the center of the fuel cell stack 11 in the stacking direction of the cell modules 10 is increased, and the fuel cell stack 11 The value of the thermal conductivity of the material forming the collector 14 in the cell module 10 disposed in the vicinity of the end can also be reduced. In this case, the thermal conductivity values of the materials forming the collector 14 of the set of the unit cell 10A and the collector 14 included in the same cell module 10 are made equal.

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.

本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの形状を示す模式断面図であり図5及び6のE−E矢視断面図である。It is a schematic cross section which shows the shape of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention, and is EE arrow sectional drawing of FIG. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す模式斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a configuration of a fuel cell stack in a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cell module of the fuel cell in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第1の図である。It is a 1st figure which shows the structure of the separator unit of the fuel cell in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第2の図である。It is a 2nd figure which shows the structure of the separator unit of the fuel cell in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池のセパレータユニットの構成を示す第3の図である。It is a 3rd figure which shows the structure of the separator unit of the fuel cell in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの温度分布及び空気流量を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution and air flow rate of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the cell module of the fuel cell in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における燃料電池スタックの温度分布及び空気流量を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution and air flow rate of the fuel cell stack in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the cell module of the fuel cell in the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態における燃料電池スタックの温度分布及び空気流量を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution and air flow rate of the fuel cell stack in the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10A 単位セル
10B セパレータユニット
11 燃料電池スタック
14a 延長部
14b リブ
10A unit cell 10B separator unit 11 fuel cell stack 14a extension 14b rib

Claims (4)

電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池がセパレータユニットを挟んで積層され、
積層方向に関する中央部付近における燃料電池の放熱性が端部付近における燃料電池の放熱性よりも高くなるように構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
A fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator unit in between,
A fuel cell stack characterized in that the heat dissipation performance of the fuel cell in the vicinity of the center in the stacking direction is higher than the heat dissipation performance of the fuel cell in the vicinity of the end portion.
前記セパレータユニットは酸化剤流路の出口から外側に延出する延長部を備え、
前記積層方向に関する中央部付近の延長部は端部付近の延長部よりも小さく形成されている請求項1に記載の燃料電池スタック。
The separator unit includes an extension extending outward from the outlet of the oxidant flow path,
2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein an extension portion near a central portion in the stacking direction is formed smaller than an extension portion near an end portion.
前記セパレータユニットは、酸化剤流路の内部に突出し、酸化剤の流れ方向に延在する複数のリブを備え、
前記積層方向に関する中央部付近における隣接するリブ同士の間隔は端部付近における隣接するリブ同士の間隔よりも大きく形成されている請求項1に記載の燃料電池スタック。
The separator unit includes a plurality of ribs that protrude into the oxidant flow path and extend in the flow direction of the oxidant.
2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein an interval between adjacent ribs near a central portion in the stacking direction is formed larger than an interval between adjacent ribs near an end portion.
前記セパレータユニットは熱伝導率の異なる材料で形成され、
前記積層方向に関する中央部付近におけるセパレータユニットは端部付近におけるセパレータユニットよりも熱伝導率の高い材料で形成されている請求項1に記載の燃料電池スタック。
The separator unit is formed of materials having different thermal conductivities,
2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the separator unit in the vicinity of the central portion in the stacking direction is formed of a material having higher thermal conductivity than the separator unit in the vicinity of the end portion.
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