JP2009117138A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池スタックに係り、特に、膜電極アセンブリと、膜電極アセンブリを挟持する1組のセパレータとを含む単位セルが複数個積層された燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell stack in which a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly are stacked.
環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックを構成する単位セルのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。この反応のために燃料電池は発熱し、その冷却のために燃料電池スタック内に冷却水等の冷媒が流される。 Since there is little impact on the environment, fuel cells are installed in vehicles. A fuel cell, for example, supplies a fuel gas such as hydrogen to the anode side of unit cells constituting a fuel cell stack, supplies an oxidizing gas containing oxygen, such as air, to the cathode side, and requires electric power required for reaction through an electrolyte membrane. Take out. The fuel cell generates heat due to this reaction, and a coolant such as cooling water flows through the fuel cell stack for cooling.
燃料電池スタックを構成する単位セルは、電解質膜とその両側に配置されるアノード側電極とカソード側電極とを有する膜電極アセンブリ(Membrane Electrode Assembly:MEA)と、MEAを挟持する1組のセパレータを含んで構成されるが、冷却用冷媒は、燃料ガス、酸化ガスと共に、このセパレータに流路を設けて流される。 The unit cell constituting the fuel cell stack includes a membrane electrode assembly (MEA) having an electrolyte membrane, an anode side electrode and a cathode side electrode arranged on both sides thereof, and a pair of separators sandwiching the MEA. Although it is configured, the cooling refrigerant flows along with the fuel gas and the oxidizing gas by providing a flow path in the separator.
例えば、特許文献1には、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料、空気及び冷媒等の流体が供給される流体通路が形成されている各通路板を供えた固体高分子電解質型燃料電池において、各通路板に形成されている隣り合う流体通路の流れの方向を逆にすることが開示されている。ここで各流体通路は蛇行形態を有している。また、第2実施形態として、供給流体が導入される導入口と余剰の前記供給流体が排出される排出口との間を連絡する流体流路を形成する溝が複数穿設されることが述べられている。 For example, Patent Document 1 discloses a solid polymer electrolyte fuel cell that includes each passage plate in which fluid passages to which fluids such as fuel, air, and refrigerant are supplied are formed in the solid polymer electrolyte fuel cell. It is disclosed that the flow directions of adjacent fluid passages formed in each passage plate are reversed. Here, each fluid passage has a meandering form. Further, as a second embodiment, it is stated that a plurality of grooves that form a fluid flow path that communicates between an introduction port through which a supply fluid is introduced and a discharge port through which excess supply fluid is discharged are provided. It has been.
また、特許文献2には、燃料電池スタックにおいて、第1セパレータと第2セパレータとで挟持される接合体を有する単位セルを積層する燃料電池スタックにおいて、第2セパレータは、凸部と凹部とを有する第1金属薄板と、同様な第2金属薄板とが板ばねを介して当接されて構成され、第1金属板の凹部と板ばねとの間、第2金属板の凹部と板ばねとの間には、それぞれ冷却水等の冷却媒体が流通されることが開示されている。ここでは、第1金属板の凹部と板ばねとの間に流通された冷却媒体は、板ばねの一端部を折り返して該板ばねと第2金属板の凹部との間に導入される。なお、凹部は、直線状に延在して設けられることが述べられている。 Patent Document 2 discloses that in a fuel cell stack in which a unit cell having a joined body sandwiched between a first separator and a second separator is stacked, the second separator has a convex portion and a concave portion. A first metal thin plate having the same structure as a second metal thin plate is in contact with each other via a leaf spring, and is formed between the recess of the first metal plate and the leaf spring, and the recess of the second metal plate and the leaf spring. It is disclosed that a cooling medium such as cooling water is circulated between the two. Here, the cooling medium circulated between the concave portion of the first metal plate and the leaf spring is folded between one end portion of the leaf spring and introduced between the leaf spring and the concave portion of the second metal plate. In addition, it is described that the recessed part is provided extending linearly.
特許文献1に記載される構成によれば、セパレータの面内において隣接する蛇行流体流路を流れる流体の方向が互いに逆向きとされている。また、特許文献1によれば、第2セパレータが板ばねを挟んで配置される凹凸状の第1金属薄板と凹凸状の第2金属板とで構成され、第1金属板の凹部を流れる冷却媒体が板ばねの一端部で折り返して第2金属板の凹部を流れる。このように、セパレータ内の流路に、互いに逆向きに冷却媒体を流すことで、燃料電池セルの冷却を均一化でき、MEAにおける面内温度分布の均一化を図ることができる。 According to the configuration described in Patent Document 1, the directions of fluids flowing through adjacent meandering fluid flow paths in the plane of the separator are opposite to each other. Further, according to Patent Document 1, the second separator is composed of an uneven first metal plate and an uneven second metal plate arranged with a leaf spring interposed therebetween, and cooling that flows through the recess of the first metal plate. The medium is folded at one end of the leaf spring and flows through the recess of the second metal plate. In this way, by flowing the cooling medium in the flow paths in the separator in opposite directions, the cooling of the fuel cells can be made uniform, and the in-plane temperature distribution in the MEA can be made uniform.
しかしながら、特許文献1の構成では、流路が蛇行し、流体抵抗が大きくなる。また、特許文献2の構成では、冷却媒体が折り返して流されるので、やはり流体抵抗が増大する。このために冷媒を流すための循環ポンプの小型化等に制限が生じえる。 However, in the configuration of Patent Document 1, the flow path meanders and the fluid resistance increases. Further, in the configuration of Patent Document 2, since the cooling medium is folded and flowed, the fluid resistance is also increased. For this reason, there may be a limitation on the miniaturization of the circulation pump for flowing the refrigerant.
本発明の目的は、MEAの面内温度分布の均一化を図りながら、冷媒が流されるときの流体抵抗の増大を抑制できる燃料電池スタックを提供することである。 The objective of this invention is providing the fuel cell stack which can suppress the increase in fluid resistance when a refrigerant | coolant is flowed, aiming at equalization of in-plane temperature distribution of MEA.
本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜とその両側に配置されるアノード側電極とカソード側電極とを有する膜電極アセンブリと、膜電極アセンブリを挟持する1組のセパレータと、を含む単位セルが複数個積層された積層体を備える燃料電池スタックにおいて、少なくとも1つのセパレータは、凹部と凸部とが連続しながら交互に複数回繰り返されて形成され、各凸部の頂部がアノード側電極にそれぞれ当接して、隣接する凸部の間の凹部とアノード側電極との間に燃料ガス流路を形成するアノード側金属板と、凹部と凸部とが連続しながら交互に複数回繰り返されて形成され、各凸部がカソード側電極にそれぞれ当接して、隣接する凸部の間の凹部とカソード側電極との間に酸化ガス流路を形成するカソード側金属板と、アノード側金属板とカソード側金属板との間に設けられ、一方側の面でアノード側金属板の各凹部の底部にそれぞれ当接し、他方側の面でカソード側金属板の各凹部の底部にそれぞれ当接する仕切板であって、アノード側金属板の隣接する当接部の間の空間を冷媒が第1方向に流れる複数の第1冷媒流路として形成し、カソード側金属板の隣接する当接部の間の空間を冷媒が第1方向と逆方向の第2方向に流れる複数の第2冷媒流路として形成する仕切板と、を含み、複数の第1冷媒流路は、1つの冷媒第1供給口から1つの冷媒第1排出口へ直線的形状で形成されて互いに並列に接続され、複数の第2冷媒流路は、冷媒第1供給口及び冷媒第1排出口とは独立に設けられる1つの冷媒第2供給口から、冷媒第1供給口及び冷媒第1排出口とは独立に設けられる1つの冷媒第2排出口へ直線的形状で形成されて互いに並列に接続されることを特徴とする。 A fuel cell stack according to the present invention includes a unit cell including an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having an anode side electrode and a cathode side electrode disposed on both sides thereof, and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly. In a fuel cell stack including a stacked body in which a plurality of layers are stacked, at least one separator is formed by alternately repeating a plurality of times while a concave portion and a convex portion are continuous, and a top portion of each convex portion is formed on the anode side electrode. Anode-side metal plate that forms a fuel gas flow path between the concave portion between the adjacent convex portions and the anode-side electrode, and the concave portions and the convex portions are alternately and repeatedly formed a plurality of times. A cathode-side metal plate that forms an oxidizing gas flow path between a concave portion between adjacent convex portions and the cathode-side electrode, with each convex portion abutting on the cathode-side electrode, and an anode side The metal plate is provided between the metal plate and the cathode side metal plate, abuts against the bottom of each recess of the anode side metal plate on one side, and contacts the bottom of each recess on the cathode side metal plate on the other side. A partition plate in contact with each other, wherein a space between adjacent contact portions of the anode side metal plate is formed as a plurality of first refrigerant flow paths in which the refrigerant flows in the first direction, and adjacent contact portions of the cathode side metal plate A plurality of second refrigerant flow paths that form a plurality of second refrigerant flow paths in which the refrigerant flows in a second direction opposite to the first direction. A plurality of second refrigerant flow paths are provided independently of the refrigerant first supply port and the refrigerant first discharge port, formed in a linear shape from the supply port to one refrigerant first discharge port and connected in parallel to each other. A refrigerant first supply port and a refrigerant first discharge port are provided independently from one refrigerant second supply port. One is formed in a linear shape to the refrigerant second discharge ports which are characterized by being connected in parallel with each other.
また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、仕切板の一方側の面のアノード側金属板の当接部の位置は、仕切板の他方側の面のカソード側金属板の当接部の位置と、仕切板を挟んで同じ位置に配置され、第1冷媒流路と第2冷媒流路とが仕切板を挟んで同じ位置に互いに逆方向で冷媒を流すように配置されることが好ましい。 In the fuel cell stack according to the present invention, the position of the contact portion of the anode-side metal plate on one side of the partition plate is the same as the position of the contact portion of the cathode-side metal plate on the other side of the partition plate. Preferably, the first refrigerant channel and the second refrigerant channel are arranged at the same position across the partition plate, and the first refrigerant channel and the second refrigerant channel are arranged so that the refrigerant flows in the opposite direction to the same position across the partition plate.
また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、仕切板の一方側の面のアノード側金属板の当接部の位置は、仕切板の他方側の面のカソード側金属板の当接部の位置と、仕切板を挟んで凹部と凸部の繰り返しのピッチである凹凸ピッチの半ピッチ分ずらして配置され、第1冷媒流路と第2冷媒流路とが仕切板を挟んで凹凸ピッチの半ピッチ分ずらして互いに逆方向で冷媒を流すように配置されることが好ましい。 In the fuel cell stack according to the present invention, the position of the contact portion of the anode-side metal plate on one side of the partition plate is the same as the position of the contact portion of the cathode-side metal plate on the other side of the partition plate. The first refrigerant flow path and the second refrigerant flow path are arranged at a half pitch of the concave / convex pitch with the partition plate sandwiched between the first refrigerant flow path and the second refrigerant flow path. It is preferable that the refrigerant is arranged so as to flow in the opposite directions with a shift.
上記構成により、燃料電池スタックは、セパレータが、凹部と凸部とが連続しながら交互に複数回繰り返されて形成される構成のアノード側金属板とカソード側金属板と、この間に設けられる仕切板とを含む。ここで、アノード側金属板の凹凸を用いて、アノード側電極の方に燃料ガスが、仕切板の方に冷媒が流れ、カソード側金属板の凹凸を用いて、カソード側電極の方に酸化ガスが、仕切板の方に冷媒が流される。ここで、アノード側金属板を流れる冷媒と、カソード側金属板を流れる冷媒とは、互いに独立の供給口から排出口へ直線的に流れ、また、流れる方向が互いに逆方向である。 With the above-described configuration, the fuel cell stack includes an anode-side metal plate and a cathode-side metal plate, and a partition plate provided between the anode-side metal plate and the separator-type metal plate. Including. Here, the fuel gas flows toward the anode side electrode using the unevenness of the anode side metal plate, the refrigerant flows toward the partition plate, and the oxidizing gas flows toward the cathode side electrode using the unevenness of the cathode side metal plate. However, the refrigerant flows toward the partition plate. Here, the refrigerant flowing through the anode side metal plate and the refrigerant flowing through the cathode side metal plate linearly flow from the independent supply port to the discharge port, and the flowing directions are opposite to each other.
このように、仕切板を介して、アノード側とカソード側にそれぞれ直線的に流れる流路を設け、これらを互いに独立の供給口から排出口に、互いに逆方向に流れるように冷媒を流すので、MEAの面内温度分布の均一化を図りながら、冷媒が流されるときの流体抵抗の増大を抑制できる。 In this way, through the partition plate, a flow path that flows linearly on the anode side and the cathode side is provided, and these flow from the independent supply port to the discharge port, so that the refrigerant flows in the opposite directions to each other, While making the in-plane temperature distribution of the MEA uniform, an increase in fluid resistance when the refrigerant is flowed can be suppressed.
以下に本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図1は、燃料電池スタック10の構成を示す図である。燃料電池スタック10は、単位セルとも呼ばれる燃料電池セル20を複数組み合わせて、約200Vから約300V程度の高電圧の発電電力を取り出せるように構成された一種の組電池である。ここで、各燃料電池セル20は、アノード側に燃料ガスとして水素を供給し、カソード側に酸化ガスとして空気を供給し、固体高分子膜である電解質膜を通しての電気化学反応によって必要な電力を取り出す機能を有する。
Embodiments according to the present invention will be described in detail below. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the
電気化学反応は発熱を伴い、また反応の適温があるので、燃料電池スタック10には、冷却用冷媒として冷却水が流される。燃料電池セル20は複数個が積層されるが、その両端には結束用の端末部材12,14が設けられる。また積層の両端には、発電された電力を取り出す端子13,15が取り付けられる。また、端末部材12には、燃料ガス、酸化ガス、冷却水を供給し、排出するマニフォールド部が設けられる。図1には、手前側に示される端末部材12に、8つの開口部16が示されているが、これらが燃料ガスの供給口と排出口、酸化ガスの供給口と排出口、後述する2系統の冷却水のそれぞれの供給口と排出口に相当する。
Since the electrochemical reaction is exothermic and has an appropriate temperature for the reaction, cooling water flows through the
図2は、燃料電池セル20の基本構成を分解して示す図である。なお、以下では図1の符号を用いて説明する。燃料電池セル20は、電解質膜とその両側に配置されるアノード側電極とカソード側電極とを有する膜電極アセンブリ(MEA)22と、MEA22を挟持する1組のセパレータ30,50を含んで構成される。ここで、1組のセパレータのそれぞれを区別して、第1のセパレータ30、第2のセパレータ50と呼ぶことにすると、燃料電池スタック10は、例えば、第1のセパレータ30、MEA22、第2のセパレータ50、MEA22、第1のセパレータ30、MEA22、第2のセパレータ50・・といった順序に順次積層されて構成される。図2ではその中の第1のセパレータ30とMEA22と第2のセパレータ50とが積層される部分が示されている。
FIG. 2 is an exploded view showing the basic configuration of the
図2に示されるMEA22は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ設けられた触媒層及び拡散電極層の積層体である。固体高分子電解質膜を挟んで、一方側の触媒層と拡散電極層が例えばアノード側電極となり、他方側の触媒層と拡散電極層がカソード側電極となる。実際には、MEA22は、この積層体を配置して支持する部材として構成される。例えば、図2に示されるように、積層体を支持して配置する板材として構成し、その積層体の配置の両端部には、燃料ガス、酸化ガス、冷却水が通る穴がそれぞれ4つずつ配置される。
The
セパレータ30,50は、MEA22のアノード側電極、あるいはカソード側電極に電気的に接触し、燃料電池の電気化学反応によって発電された電力を取り出す機能を有する導電板である。セパレータ30,50は、燃料電池セル20ごとにMEA22の両側にそれぞれ配置されるので、2つのセパレータ30,50の間には、1つの燃料電池セル20の起電力に相当する電圧、例えば約1Vから約1.5Vの電圧がかかることになる。
The
セパレータ30,50のもう1つの機能は、MEA22を両端から機械的に保持することである。そのために、セパレータ30,50は、適当な機械的強度のための適当な厚みを有する金属板材で構成される。また、セパレータ30,50は、MEA22に対し、アノード電極側に燃料ガスを供給し、カソード側電極に酸化ガスを供給し、また、冷却用媒体を流す機能を有する。
Another function of the
図2において、セパレータ30,50は、MEA22の両端部にそれぞれ4つずつ設けられた開口部に対応して、両端部にそれぞれ4つずつの開口部が設けられる。図2では、図の下側が図1で説明した端末部材12の開口部16側として示されている。そこで、これらの開口部のうち、図2において手前側に示されている4つは、左側からそれぞれ、燃料ガス供給口、第2の冷却用冷媒排出口、第1の冷却用冷媒供給口、酸化ガス排出口である。また、図2において奥側に示されている4つは、左側からそれぞれ、酸化ガス供給口、第1の冷却用冷媒排出口、第2の冷却用冷媒供給口、燃料ガス排出口である。
In FIG. 2, the
ここで、第1の冷却用冷媒供給口と、第2の冷却用冷媒供給口とにおいては、それぞれ独立に冷却用冷媒が供給され、また、第1の冷却用冷媒排出口と、第2の冷却用冷媒排出口とにおいては、それぞれ独立に冷却用冷媒が排出される。ここで、それぞれ独立に、とは、例えば第1の冷却用冷媒排出口から排出された冷却用冷媒が、第1のセパレータ30または第2のセパレータ50の上面と下面において折り返し、再び第2の冷却用冷媒供給口にそのまま供給されるということがないこと等を意味する。図1で説明すると、開口部16において、第1の冷却用冷媒供給口に対応する開口部、第2の冷却用冷媒供給口に対応する開口部、第1の冷却用冷媒排出口に対応する開口部、第2の冷却用冷媒排出口に対応する開口部がそれぞれ別個に設けられることになる。
Here, in the first cooling refrigerant supply port and the second cooling refrigerant supply port, the cooling refrigerant is supplied independently, and the first cooling refrigerant discharge port, The cooling refrigerant is discharged independently from the cooling refrigerant discharge port. Here, each independently means that, for example, the cooling refrigerant discharged from the first cooling refrigerant discharge port is folded back on the upper surface and the lower surface of the
そして、これらの手前側または奥側に配置される供給口と排出口との間に、平行して配置される複数の直線的流体流路がセパレータ30,50にそれぞれ設けられる。セパレータ30,50の構成は同じものであるので、代表して、図3に第1のセパレータ30の構成を示す。図3において、(a)は、図2における第1のセパレータ30を抜き出して示すもので、(b)は、(a)におけるB−B線に沿った断面図である。ここで、B−B線は、第1のセパレータ30において直線的流体流路の直線的方向をY方向として、これに垂直なX方向に平行な線である。
A plurality of linear fluid flow paths arranged in parallel are provided in the
第1のセパレータ30は、3つの金属板から構成される。そのうちの2つは、凹部と凸部とが連続しながら交互に複数回繰り返されて形成される第1金属板32と第2金属板34で、他の1つは第1金属板32と第2金属板34との間に設けられ、一方側の面で第1金属板32の各凹部の底部にそれぞれ当接し、他方側の面で第2金属板34の各凹部の底部にそれぞれ当接する仕切板36である。ここで、凹部と凸部とは交互に複数回繰り返すので、いずれを凹部または凸部と呼んでもよいが、ここでは、仕切板36に当接するところを凹部の底部と呼ぶことにする。
The
このように構成された第1のセパレータ30は、仕切板36の一方側の面に第1金属板32の凹部の底部がX方向に凹凸のピッチで繰り返し当接する。この隣接する当接部と仕切板36とによって、Y方向に平行な直線的空間が凹凸のピッチで複数形成される。この空間には、第1の冷却用冷媒が流されるので、図3(b)では、この隣接する当接部と仕切板36とによって形成される空間に冷却用冷媒の一例である冷却水を示す(W)の記号を付してある。同様に、第1のセパレータ30は、仕切板36の他方側の面に第2金属板34の凹部の底部がX方向に凹凸のピッチで繰り返し当接する。この隣接する当接部と仕切板36とによって、Y方向に平行な直線的空間が凹凸のピッチで複数形成される。この空間には、第2の冷却用冷媒が、先ほどの第1の冷却用媒体とは逆方向に流される。そこで、図3(b)では、この隣接する当接部と仕切板36とによって形成される空間に、先ほどの(W)とは流れる方向が異なることを区別するために、Wにバー(−)記号を付したものが示されている。
In the
図2で説明したように、燃料電池セル20は、・・MEA22、第1のセパレータ30、MEA22・・と配置されるので、第1金属板32の凸部の頂部は、MEA22の他方側の面に当接し、第2金属板34の凸部の頂部は、他のMEA22の一方側の面に当接する。そして、第1金属板32の隣接する当接部とMEA22とによって、Y方向に平行な直線的空間が凹凸のピッチで複数形成されることになる。また、同様に第2金属板34の隣接する当接部とMEA22とによって、Y方向に平行な直線的空間が凹凸のピッチで複数形成されることになる。このように、第1金属板32の凹凸とMEA22との間に形成される直線的空間、第2金属板34の凹凸とMEA22との間に形成される直線的空間には、燃料ガス、あるいは酸化ガスが流されるので、図3(b)では、これらの空間にガスを示す(G)の記号を付してある。
As described in FIG. 2, the
図4には、燃料電池セル20が繰り返し積層される構造の一部について、図3で説明したB−B線に沿った断面図が示されている。以下では、図1から図3と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では、図1から図3の符号を用いて説明する。図4においては燃料電池セル20の積層方向をZ方向として示してある。Z方向は、図3で説明したX方向とY方向のいずれにも垂直な方向である。図4では、Z方向に、紙面の下方から上方に向かって、MEA22−第2のセパレータ50−MEA22−第1のセパレータ30−MEA22の順に積層されている様子が示される。
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB described in FIG. 3 for a part of the structure in which the
いま、図4において中央部に燃料電池セル20として示された部分のMEA22について、紙面において上方側の面をアノード側電極とし、下側の面をカソード側電極とする。
Now, regarding the
この配置の場合、第2のセパレータ50の第2金属板34の凸部の頂部が、MEA22のカソード側電極に当接する。つまり、第2のセパレータ50の第2金属板34がカソード側電極板として作用する。そして、隣接する凸部の間の空間には、酸化ガスが流される。図4では、これらの空間に酸化ガスを示す(O2)の記号を付してある。一方で、図3で説明したように、仕切板36の他方側の面には第2金属板34の凹部の底部がX方向に凹凸のピッチで繰り返し当接する。そして、この隣接する当接部と仕切板36とによって、Y方向に平行な直線的空間が凹凸のピッチで複数形成され、この空間には、第2の冷却用冷媒が流される。図4では、この空間に、冷却用冷媒を示すWにバー(−)記号を付してある。バー(−)が付されているのは、図3で説明したように、ここで流される冷却用冷媒の流れる方向が、仕切板36と第1金属板32との間に流される冷却用冷媒の流れる方向と逆方向だからである。
In the case of this arrangement, the top of the convex portion of the
また、この配置において、第1のセパレータ30の第1金属板32の凸部の頂部が、MEA22のアノード側電極に当接する。つまり、第1のセパレータ30の第1金属板32がアノード側電極板として作用する。そして、隣接する凸部の間の空間には、燃料ガスが流される。図4では、これらの空間に燃料ガスを示す(H2)の記号を付してある。一方で、図3で説明したように、仕切板36の一方側の面には第1金属板32の凹部の底部がX方向に凹凸のピッチで繰り返し当接する。そして、この隣接する当接部と仕切板36とによって、Y方向に平行な直線的空間が凹凸のピッチで複数形成され、この空間には、第1の冷却用冷媒が流される。図4では、この空間に、冷却用冷媒を示すWの記号を付してある。ここで、図3で説明したように、ここで流される冷却用冷媒の流れる方向が、仕切板36と第2金属板34との間に流される冷却用冷媒の流れる方向とは逆方向である。
In this arrangement, the top of the convex portion of the
このようにして、仕切板36を介して、アノード側とカソード側にそれぞれ直線的に流れる流路を設け、これらを互いに独立の供給口から排出口に、互いに逆方向に流れるように冷却用冷媒を流すので、MEA22の面内温度分布の均一化を図りながら、冷却用冷媒が流されるときの流体抵抗の増大を抑制できる。
In this way, the flow paths that flow linearly on the anode side and the cathode side via the
上記では、仕切板36の一方側の面のアノード側金属板の当接部の位置が、仕切板36の他方側の面のカソード側金属板の当接部の位置と、仕切板36を挟んで同じ位置に配置され、第1の冷却用冷媒が流される流路と第2の冷却用冷媒が流される流路とが仕切板36を挟んで対称的に同じ位置に配置され、第1の冷却用冷媒と第2の冷却用冷媒とは互いに逆方向に流される。これに代えて、仕切板36の一方側の面のアノード側金属板の当接部の位置を、仕切板の他方側の面のカソード側金属板の当接部の位置と、仕切板36を挟んで凹部と凸部の繰り返しのピッチである凹凸ピッチの半ピッチ分ずらして配置するものとできる。以下では、図1から図4と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
In the above description, the position of the contact portion of the anode side metal plate on the one side surface of the
図5と図6はそのような構成の例を示す図である。図5は、図3に対応する図である。ここでは、第1のセパレータ31において、第1金属板33が仕切板36に当接する当接部の位置が、第2金属板35が仕切板36に当接する位置に対して、凹凸ピッチの半ピッチ分ずらされていることが示されている。
5 and 6 are diagrams showing examples of such a configuration. FIG. 5 is a diagram corresponding to FIG. Here, in the
図6は、図4に対応する図である。ここでは、中央部に示される燃料電池セル21において、第1のセパレータ31、第2のセパレータ51のそれぞれについて、第1金属板33が仕切板36に当接する当接部の位置が、第2金属板35が仕切板36に当接する位置に対して、凹凸ピッチの半ピッチ分ずらされていることが示されている。これによって、第1の冷却用冷媒が流される流路と第2の冷却用冷媒が流される流路とが仕切板36を挟んで凹凸ピッチの半ピッチ分ずらされた位置に配置され、第1の冷却用冷媒と第2の冷却用冷媒とは互いに逆方向に流される。
FIG. 6 corresponds to FIG. Here, in the
このような構成においても、仕切板36を介して、アノード側とカソード側にそれぞれ直線的に流れる流路を設け、これらを互いに独立の供給口から排出口に、互いに逆方向に流れるように冷却用冷媒を流すので、MEA22の面内温度分布の均一化を図りながら、冷却用冷媒が流されるときの流体抵抗の増大を抑制できる。
Even in such a configuration, a flow path that flows linearly on the anode side and the cathode side is provided via the
次に、セパレータにおける流体供給口から直線的流体流路に流体が流される様子について説明する。以下では、図1から図6の符号を用いて説明する。図7は、第1のセパレータ30あるいは第2のセパレータ50において、第2金属板34と仕切板36の図示を省略し、第1金属板32と図示されていない仕切板36との間に流される第1の冷却用冷媒の様子を示す図である。
Next, how the fluid flows from the fluid supply port in the separator to the linear fluid flow path will be described. Below, it demonstrates using the code | symbol of FIGS. 1-6. In FIG. 7, in the
ここでは、第1金属板32に設けられる第1の冷却用冷媒供給口60が示される。また、第1金属板32においてX方向に繰り返される凹凸について、Y方向に直線的に延びる複数の凹部が示されている。そして、第1の冷却用冷媒供給口60と、この複数の凹部との間には、複数の流れ拡散用突起62が設けられる。この流れ拡散用突起62によって、X方向に比較的短い開口長さを有する第1の冷却用冷媒供給口60から流れ出る冷却用冷媒が、適当にX方向に拡散され、X方向に比較的長い範囲で複数配置される凹部にそれぞれ流れ込むようにできる。
Here, the first cooling
この流れ拡散用突起62は、第1金属板32において冷却用冷媒が流される面の側において配置されるが、同様な流れ拡散用突起64が、第1金属板32において冷却用冷媒が流される面の裏側の面にも配置される。この流れ拡散用突起64は、第1金属板32裏側において、燃料ガスの流れをX方向に適当に拡散させる機能を有する。
The
このように、流体拡散用突起を、流体の供給口と直線的流体流路との間に、また、直線的流体流路と流体の排出口との間に、それぞれ適当に設けることで、比較的狭い範囲の開口を有する流体供給口から比較的広い範囲に配置される直線的な流体流路にスムーズに流体を導入し、また、比較的広い範囲に配置される直線的な流体流路から比較的狭い範囲の開口を有する流体排出口に流体を導出することが可能となる。 In this way, by properly providing the fluid diffusion protrusion between the fluid supply port and the linear fluid flow path, and between the linear fluid flow path and the fluid discharge port, the comparison is made. Fluid is smoothly introduced from a fluid supply port having an opening in a relatively narrow range into a linear fluid flow path disposed in a relatively wide range, and from the linear fluid flow path disposed in a relatively wide range. It becomes possible to lead the fluid to a fluid outlet having a relatively narrow range of openings.
かかる構造を有する第1金属板32,33、第2金属板34,35、仕切板36は、金属の薄板を例えばプレス加工等によって成形したものを用いることができる。また、これらを適当な接合手段によって相互に接合することで、第1のセパレータ30,31、第2のセパレータ50,51を形成することができる。
As the
10 燃料電池スタック、12,14 端末部材、13,15 端子、16 開口部、20,21 燃料電池セル、30,31 第1セパレータ、32,33 第1金属板、34,35 第2金属板、36 仕切板、50,51 セパレータ、60 冷却用冷媒供給口、62,64 流れ拡散用突起。 10 fuel cell stack, 12, 14 terminal member, 13, 15 terminal, 16 opening, 20, 21 fuel cell, 30, 31 first separator, 32, 33 first metal plate, 34, 35 second metal plate, 36 Partition plate, 50, 51 Separator, 60 Cooling refrigerant supply port, 62, 64 Flow diffusion protrusion.
Claims (3)
少なくとも1つのセパレータは、
凹部と凸部とが連続しながら交互に複数回繰り返されて形成され、各凸部の頂部がアノード側電極にそれぞれ当接して、隣接する凸部の間の凹部とアノード側電極との間に燃料ガス流路を形成するアノード側金属板と、
凹部と凸部とが連続しながら交互に複数回繰り返されて形成され、各凸部がカソード側電極にそれぞれ当接して、隣接する凸部の間の凹部とカソード側電極との間に酸化ガス流路を形成するするカソード側金属板と、
アノード側金属板とカソード側金属板との間に設けられ、一方側の面でアノード側金属板の各凹部の底部にそれぞれ当接し、他方側の面でカソード側金属板の各凹部の底部にそれぞれ当接する仕切板であって、アノード側金属板の隣接する当接部の間の空間を冷媒が第1方向に流れる複数の第1冷媒流路として形成し、カソード側金属板の隣接する当接部の間の空間を冷媒が第1方向と逆方向の第2方向に流れる複数の第2冷媒流路として形成する仕切板と、
を含み、
複数の第1冷媒流路は、1つの冷媒第1供給口から1つの冷媒第1排出口へ直線的形状で形成されて互いに並列に接続され、
複数の第2冷媒流路は、冷媒第1供給口及び冷媒第1排出口とは独立に設けられる1つの冷媒第2供給口から、冷媒第1供給口及び冷媒第1排出口とは独立に設けられる1つの冷媒第2排出口へ直線的形状で形成されて互いに並列に接続されることを特徴とする燃料電池スタック。 A laminate comprising a plurality of unit cells each including an electrolyte membrane, a membrane electrode assembly having an anode electrode and a cathode electrode disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly is provided. In the fuel cell stack,
At least one separator is
Concave portions and convex portions are formed alternately and repeatedly repeated a plurality of times, and the top portions of the respective convex portions are in contact with the anode side electrodes, respectively, between the concave portions between the adjacent convex portions and the anode side electrodes. An anode side metal plate forming a fuel gas flow path;
Concave portions and convex portions are formed alternately and repeatedly repeated a plurality of times, and each convex portion abuts on the cathode side electrode, and an oxidizing gas is formed between the concave portion and the cathode side electrode between adjacent convex portions. A cathode-side metal plate that forms a flow path;
Provided between the anode-side metal plate and the cathode-side metal plate, one surface is in contact with the bottom of each recess in the anode-side metal plate, and the other surface is in contact with the bottom of each recess in the cathode-side metal plate. Each of the partition plates is in contact with each other, and a space between adjacent contact portions of the anode side metal plate is formed as a plurality of first coolant channels through which the coolant flows in the first direction, and the contact side adjacent to the cathode side metal plate is formed. A partition plate that forms a plurality of second refrigerant flow paths through which the refrigerant flows in a second direction opposite to the first direction in the space between the contact parts;
Including
The plurality of first refrigerant flow paths are formed in a linear shape from one refrigerant first supply port to one refrigerant first discharge port and are connected in parallel to each other,
The plurality of second refrigerant flow paths are independent of the refrigerant first supply port and the refrigerant first discharge port from one refrigerant second supply port provided independently of the refrigerant first supply port and the refrigerant first discharge port. A fuel cell stack, wherein the fuel cell stack is formed in a straight line shape and connected in parallel to one refrigerant second discharge port provided.
仕切板の一方側の面のアノード側金属板の当接部の位置は、仕切板の他方側の面のカソード側金属板の当接部の位置と、仕切板を挟んで同じ位置に配置され、第1冷媒流路と第2冷媒流路とが仕切板を挟んで同じ位置に互いに逆方向で冷媒を流すように配置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, wherein
The position of the contact portion of the anode side metal plate on one side of the partition plate is the same as the position of the contact portion of the cathode side metal plate on the other side of the partition plate with the partition plate in between. The fuel cell stack, wherein the first refrigerant channel and the second refrigerant channel are arranged so that the refrigerant flows in the opposite directions to the same position with the partition plate interposed therebetween.
仕切板の一方側の面のアノード側金属板の当接部の位置は、仕切板の他方側の面のカソード側金属板の当接部の位置と、仕切板を挟んで凹部と凸部の繰り返しのピッチである凹凸ピッチの半ピッチ分ずらして配置され、第1冷媒流路と第2冷媒流路とが仕切板を挟んで凹凸ピッチの半ピッチ分ずらして互いに逆方向で冷媒を流すように配置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, wherein
The position of the contact portion of the anode side metal plate on the one side surface of the partition plate is the position of the contact portion of the cathode side metal plate on the other side surface of the partition plate, and the position of the concave portion and the convex portion across the partition plate. The first refrigerant flow path and the second refrigerant flow path are shifted by a half pitch of the concavo-convex pitch with the partition plate interposed therebetween so that the refrigerant flows in opposite directions. A fuel cell stack, wherein
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WO2016195045A1 (en) * | 2015-06-03 | 2016-12-08 | 日産自動車株式会社 | Metal separator structure body for fuel cell, fuel cell and fuel cell stack using same separator structure body |
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