JP2009152069A - Fuel cell stack - Google Patents
Fuel cell stack Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009152069A JP2009152069A JP2007329013A JP2007329013A JP2009152069A JP 2009152069 A JP2009152069 A JP 2009152069A JP 2007329013 A JP2007329013 A JP 2007329013A JP 2007329013 A JP2007329013 A JP 2007329013A JP 2009152069 A JP2009152069 A JP 2009152069A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- manifold
- gas
- fuel
- seal member
- separator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、複数の燃料電池が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 in which a plurality of fuel cells are stacked.
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. This fuel cell is environmentally superior and can realize high energy efficiency, and therefore has been widely developed as a future energy supply system. In particular, since the polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature among various types of fuel cells, it has a good startability. For this reason, research has been actively conducted for practical application in various fields.
燃料電池は、複数積層されてスタックとして用いられることが多い。この場合、反応ガスが流動するためのマニホールドがスタック内に形成されている。特に、オフガスのマニホールドに液水が溜まりやすいことが知られている。この液水は氷点下において氷結によって膨張することから、シール部材が損傷してガス漏れが発生するおそれがある。そこで、オフガスマニホールド内で生成された水を排出するために、旋回流発生手段を用いる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In many cases, a plurality of fuel cells are stacked and used as a stack. In this case, a manifold for the reaction gas to flow is formed in the stack. In particular, it is known that liquid water tends to accumulate in an off-gas manifold. Since this liquid water expands by freezing below freezing point, the sealing member may be damaged and gas leakage may occur. Therefore, a technique using a swirling flow generating means for discharging water generated in the off-gas manifold has been disclosed (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の技術では、マニホールド内の段差によって水の排出が阻害されることがある。この場合、液水を排出できないおそれがある。 However, in the technique of Patent Document 1, water discharge may be hindered by a step in the manifold. In this case, liquid water may not be discharged.
本発明は、オフガスマニホールド内の液水の排出を促進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。 An object of this invention is to provide the fuel cell stack which can accelerate | stimulate discharge | emission of the liquid water in an off-gas manifold.
本発明に係る燃料電池スタックは、シール部材を備える膜−電極接合体とセパレータとが交互に積層されシール部材およびセパレータを積層方向に貫通するオフガスマニホールドが形成された積層体と、オフガスマニホールド内に設けられオフガスマニホールドを流動するガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段と、を備え、隣接してオフガスマニホールドの内壁を構成するセパレータおよびシール部材の一方は、他方に対してマニホールドの内側に凸である凸部と、他方に対して凹である凹部と、を備えることを特徴とするものである。 The fuel cell stack according to the present invention includes a laminate in which membrane-electrode assemblies having a seal member and separators are alternately stacked and an off-gas manifold is formed that penetrates the seal member and the separator in the stacking direction. And a swirling flow generating means for generating a swirling flow in the gas flowing in the off-gas manifold, and one of the separator and the seal member constituting the inner wall of the off-gas manifold adjacent to the other protrudes inside the manifold. And a concave portion that is concave with respect to the other.
本発明に係る燃料電池スタックにおいては、旋回流発生手段によってオフガスに旋回流が付与される。この旋回流によって、シール部材の凹部に溜まった液水が旋回流方向に移動する。この場合、液水は、シール部材の凹部から凸部へと移動することから、セパレータを乗り越えることができる。それにより、液水は、オフガスマニホールドの軸方向に排出される。また、オフガスによって排出されなかった液水は、セパレータの凹部に溜まる。しかしながら、この液水は、オフガスの旋回流方向にさらに移動する。この場合、液水は、セパレータの凹部から凸部へと移動することから、シール部材を乗り越えることができる。それにより、液水は、オフガスマニホールドの軸方向に排出される。以上のことから、オフガスマニホールド内の液水の排出を促進することができる。 In the fuel cell stack according to the present invention, the swirling flow is imparted to the off gas by the swirling flow generating means. By this swirling flow, the liquid water accumulated in the concave portion of the seal member moves in the swirling flow direction. In this case, since the liquid water moves from the concave portion to the convex portion of the seal member, it can get over the separator. Thereby, the liquid water is discharged in the axial direction of the off-gas manifold. Moreover, the liquid water which was not discharged | emitted by offgas accumulates in the recessed part of a separator. However, this liquid water further moves in the swirl direction of the off gas. In this case, since the liquid water moves from the concave portion to the convex portion of the separator, it can get over the seal member. Thereby, the liquid water is discharged in the axial direction of the off-gas manifold. From the above, the discharge of liquid water in the off-gas manifold can be promoted.
旋回流発生手段は、螺旋のフィン形状を有していてもよい。また、旋回流発生手段は、捻られた複数のワイヤであってもよい。また、オフガスマニホールドにおいて、セパレータおよびシール部材の一方は、略矩形の孔形状を有し、他方は、楕円形の孔形状を有していてもよい。また、オフガスマニホールドは、燃料ガスのオフガスマニホールドであってもよい。 The swirling flow generating means may have a spiral fin shape. The swirl flow generating means may be a plurality of twisted wires. In the off-gas manifold, one of the separator and the seal member may have a substantially rectangular hole shape, and the other may have an elliptical hole shape. The off gas manifold may be a fuel gas off gas manifold.
本発明によれば、オフガスマニホールド内の液水の排出を促進することができる。 According to the present invention, the discharge of liquid water in the off-gas manifold can be promoted.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施例に係る燃料電池スタック100を説明するための図である。図1(a)は、燃料電池スタック100の模式的な概観図である。図1(a)に示すように、燃料電池スタック100は、複数のセル10が積層された積層体の両端をエンドプレート20aおよびエンドプレート20bによって締結された構造を有する。
FIG. 1 is a view for explaining a
次に、セル10の積層体について説明する。図1(b)は、セル10の積層体の模式的な断面図である。図1(b)に示すように、セル10の積層体は、シール部材付き膜−電極接合体30がセパレータ40を介して積層された構造を有する。シール部材付き膜−電極接合体30は、発電部31およびシール部材32を備える。発電部31は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜がアノードおよびカソードによって挟持された構造を有する。シール部材32は、ガス漏れ等を抑制するための部材であり、例えばゴム等からなる。シール部材32の詳細は、後述する。セパレータ40は、ステンレス等の導電性部材からなる。セパレータ40には、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流動するための流路が形成されている。
Next, the stacked body of the
図2(a)は、シール部材付き膜−電極接合体30の平面図である。図2(b)は、セパレータ40の平面図である。図2(a)に示すように、シール部材付き膜−電極接合体30は、発電部31の周囲をシール部材32が覆う構造を有している。シール部材32には、孔33〜孔38が形成されている。また、図2(b)に示すように、セパレータ40には、孔43〜孔48が形成されている。
FIG. 2A is a plan view of the membrane-
孔33および孔43は、互いに連通し、酸化剤ガスマニホールドを形成する。孔34および孔44は、互いに連通し、燃料ガスマニホールドを形成する。孔35および孔45は、互いに連通し、冷媒入口マニホールドを形成する。孔36および孔46は、互いに連通し、燃料オフガスマニホールドを形成する。孔37および孔47は、互いに連通し、冷媒出口マニホールドを形成する。孔38および孔48は、互いに連通し、酸化剤オフガスマニホールドを形成する。
The
燃料ガスマニホールドは、図示しない燃料ガス流路を介してアノードおよび燃料オフガスマニホールドに連通する。酸化剤マニホールドは、図示しない酸化剤ガス流路を介してカソードおよび酸化剤オフガスマニホールドに連通する。冷媒入口マニホールドは、図示しない冷媒流路を介して冷媒出口マニホールドに連通する。 The fuel gas manifold communicates with the anode and the fuel off gas manifold via a fuel gas passage (not shown). The oxidant manifold communicates with the cathode and the oxidant offgas manifold via an oxidant gas flow path (not shown). The refrigerant inlet manifold communicates with the refrigerant outlet manifold via a refrigerant channel (not shown).
続いて、燃料電池スタック100における発電について説明する。まず、燃料ガスは、燃料ガスマニホールドを経由してアノードに供給される。燃料ガスに含まれる水素は、アノードの触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、固体高分子電解質膜を伝導してカソードに到達する。一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガスマニホールドを経由してカソードに供給される。カソードにおいては、触媒を介してプロトンと酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応する。それにより、電力が発生するとともに水が生成される。
Next, power generation in the
なお、発電に供された後の燃料オフガスは、アノードから燃料オフガスマニホールドを経由して排出される。発電に供された後の酸化剤オフガスは、カソードから酸化剤オフガスマニホールドを経由して排出される。また、冷媒は、冷媒入口マニホールドを経由して冷媒流路に供給され。冷媒出口マニホールドを経由して排出される。それにより、燃料電池スタック100が所定の温度に維持される。
In addition, the fuel off gas after being used for power generation is discharged from the anode via the fuel off gas manifold. The oxidant off gas after being used for power generation is discharged from the cathode via the oxidant off gas manifold. Further, the refrigerant is supplied to the refrigerant flow path via the refrigerant inlet manifold. It is discharged via the refrigerant outlet manifold. Thereby, the
続いて、燃料オフガスマニホールドの詳細について説明する。図3(a)は、燃料電池スタック100における燃料オフガスマニホールドを表した模式図である。図3(a)に示すように、燃料オフガスマニホールドには、旋回流発生手段50がガス流動方向に伸びるように配置されている。この旋回流発生手段50は、燃料オフガスに旋回流を付与する構造を有する。例えば、図3(b)に示すように、旋回流発生手段50は、螺旋のフィン形状を有していてもよい。また、旋回流発生手段50は、図3(c)に示すように、複数のワイヤを捻って形成されたものでもよい。このように、旋回流発生手段50は、燃料オフガスに旋回流を付与する構造であればどのような構造を有していてもよい。
Next, details of the fuel off-gas manifold will be described. FIG. 3A is a schematic diagram showing a fuel off-gas manifold in the
図4(a)は、シール部材32における孔36の形状を示す図である。図4(a)に示すように、孔36は、楕円形状を有する。図4(b)は、セパレータ40における孔46の形状を示す図である。図4(b)に示すように、孔46は、矩形状を有する。この場合の燃料オフガスマニホールドの内壁面について説明する。
FIG. 4A is a diagram illustrating the shape of the
図4(c)は、燃料オフガスマニホールドを燃料オフガスの流動方向から見た図である。図4(d)は、図4(c)のO−A面断面図である。図4(e)は、図4(c)のO−B面断面図である。図4(d)に示すように、O−A面断面においては、セパレータ40は、隣接するシール部材32に対して燃料オフガスマニホールドの内側に凸である。この凸のことを、セパレータ40の凸部と称する。また、シール部材32は、このセパレータ40に対して燃料オフガスマニホールドの内側に凹である。この凹のことを、シール部材32の凹部と称する。
FIG. 4C is a view of the fuel off-gas manifold as viewed from the flow direction of the fuel off-gas. FIG.4 (d) is OA plane sectional drawing of FIG.4 (c). FIG. 4E is a cross-sectional view taken along the plane OB of FIG. As shown in FIG. 4D, in the cross section taken along the plane OA, the
一方、図4(e)に示すように、O−B面断面においては、セパレータ40は、隣接するシール部材32に対して燃料オフガスマニホールドの内側に凹である。この凹のことを、セパレータ40の凹部と称する。また、シール部材32は、このセパレータ40に対して、燃料オフガスマニホールドの内側に凸である。この凸のことを、シール部材32の凸部と称する。
On the other hand, as shown in FIG. 4 (e), in the O-B cross section, the
続いて、燃料オフガスマニホールド内における燃料オフガスと液水との関係について説明する。図5(a)は、燃料オフガスマニホールド内に旋回流発生手段50が配置された様子を示す模式図である。図5(a)に示すように、燃料オフガスマニホールドに燃料オフガスが流入すると、旋回流発生手段50によって燃料オフガスに旋回流が付与される。 Next, the relationship between the fuel off gas and the liquid water in the fuel off gas manifold will be described. FIG. 5A is a schematic diagram showing a state in which the swirl flow generating means 50 is disposed in the fuel off-gas manifold. As shown in FIG. 5A, when the fuel off-gas flows into the fuel off-gas manifold, the swirling flow generating means 50 imparts a swirling flow to the fuel off-gas.
図5(b)は、燃料オフガスマニホールドにおける液水の流れを示す模式図である。図5(b)に示すように、シール部材32の凹部に液水が溜まっているとする。この場合、セパレータ40が壁となることから、液水の燃料オフガスマニホールドの軸方向への排出が困難となる。しかしながら、燃料オフガスに旋回流が付与されると、シール部材32の凹部に溜まった液水が燃料オフガスの旋回流方向に移動する。この場合、液水は、シール部材32の凹部から凸部へと移動することから、セパレータ40を乗り越えることができる。それにより、液水は、燃料オフガスマニホールドの軸方向に排出される。
FIG. 5B is a schematic diagram showing the flow of liquid water in the fuel off-gas manifold. As shown in FIG. 5B, it is assumed that liquid water is accumulated in the recess of the
なお、燃料オフガスによって排出されなかった液水は、セパレータ40の凹部に溜まる。しかしながら、この液水は、燃料オフガスの旋回流方向によってさらに移動する。この場合、液水は、セパレータ40の凹部から凸部へと移動することから、シール部材32を乗り越えることができる。それにより、液水は、燃料オフガスマニホールドの軸方向に排出される。
Note that liquid water that has not been discharged by the fuel off-gas accumulates in the recesses of the
このように、シール部材32およびセパレータ40に凹部および凸部を設けて、旋回流発生手段50を配置することによって、燃料オフガスマニホールドの段差に溜まった液水の排出を促進することができる。それにより、液水の氷結を抑制することができる。その結果、シール部材32の損傷を抑制して、ガス漏れを抑制することができる。
As described above, by providing the
なお、本実施例においては孔36の形状を楕円形状にして孔46の形状を矩形状にしたが、それに限られない。隣接するセパレータ40およびシール部材32の一方が他方に対してマニホールドの内側に凸である凸部と他方に対して凹である凹部とを備えていれば、孔36および孔46の形状は特に限定されない。例えば、図6に示すように、孔36および孔46は、ともに楕円形を有していてもよい。
In this embodiment, the shape of the
また、図7(a)に示すように、シール部材32は、セパレータ40に対して凹になる部分と、マニホールドの内側に山型に突出するはみ出し部とを有していてもよい、また、図7(b)に示すように、セパレータ40は、シール部材32に対してマニホールドの内側に突出する部分と、シール部材32に対してマニホールドの内側に凹部となる切欠きとを有していてもよい。
Further, as shown in FIG. 7A, the
なお、孔36と孔46とで形成される壁面が平面になるように、孔36および孔46の形状を合わせることも考えられる。しかしながら、シール部材32を構成する部材はゴムであり、セパレータ40を構成する部材は金属であることから、熱膨張率に差が生じる。また、締結圧力によって、シール部材32がマニホールドの内側に突出することも考えられる。それにより、孔36と孔46とで形成される壁面には段差が生じてしまう。したがって、本実施例のように、凹部と凸部とをあらかじめ設けておくことによって、マニホールド内の液水の排出を促進することができる。
It is also conceivable to match the shapes of the
また、本実施例においては、燃料オフガスマニホールドに旋回流発生手段と凹凸部とを設けたが、それに限られない。液水が溜まる可能性のあるマニホールドに旋回流発生手段と凹凸部とを設けることによって、液水の排出を促進することができる。例えば、酸化剤オフガスマニホールドに旋回流発生手段と凹凸部とを設けてもよい。ただし、燃料ガスの循環レスシステムにおいては、燃料オフガスの流量が微小であるため、燃料オフガスマニホールドに液水が溜まりやすい。したがって、燃料ガスの循環レスシステムにおいては、燃料オフガスマニホールドに旋回流発生手段と凹凸部とを設けることが好ましい。 In this embodiment, the fuel off-gas manifold is provided with the swirl flow generating means and the concavo-convex portion, but is not limited thereto. Discharge of liquid water can be promoted by providing the swirl flow generating means and the concavo-convex portion in the manifold in which liquid water may accumulate. For example, the swirl flow generating means and the concavo-convex portion may be provided in the oxidant off-gas manifold. However, in the fuel gas circulation-less system, since the flow rate of the fuel off gas is very small, liquid water tends to accumulate in the fuel off gas manifold. Therefore, in the fuel gas circulation-less system, it is preferable to provide the fuel off-gas manifold with the swirl flow generating means and the uneven portion.
10 セル
30 シール部材付き膜−電極接合体
31 発電部
32 シール部材
40 セパレータ
50 旋回流発生手段
100 燃料電池スタック
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記オフガスマニホールド内に設けられ、前記オフガスマニホールドを流動するガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段と、を備え、
隣接して前記オフガスマニホールドの内壁を構成する前記セパレータおよび前記シール部材の一方は、他方に対して前記マニホールドの内側に凸である凸部と、前記他方に対して凹である凹部と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 A laminate in which membrane-electrode assemblies including a seal member and separators are alternately stacked, and an off-gas manifold penetrating the seal member and the separator in the stacking direction is formed;
A swirl flow generating means provided in the off gas manifold for generating a swirl flow in the gas flowing through the off gas manifold, and
One of the separator and the seal member adjacent to each other that constitutes the inner wall of the off-gas manifold includes a convex portion that is convex to the inside of the manifold with respect to the other, and a concave portion that is concave to the other. A fuel cell stack characterized by that.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007329013A JP2009152069A (en) | 2007-12-20 | 2007-12-20 | Fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007329013A JP2009152069A (en) | 2007-12-20 | 2007-12-20 | Fuel cell stack |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009152069A true JP2009152069A (en) | 2009-07-09 |
Family
ID=40920968
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007329013A Pending JP2009152069A (en) | 2007-12-20 | 2007-12-20 | Fuel cell stack |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009152069A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9373854B2 (en) | 2011-05-17 | 2016-06-21 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Solid polymer fuel cell |
JP2021180154A (en) * | 2020-05-15 | 2021-11-18 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell stack |
US11211631B2 (en) | 2018-02-23 | 2021-12-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
-
2007
- 2007-12-20 JP JP2007329013A patent/JP2009152069A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9373854B2 (en) | 2011-05-17 | 2016-06-21 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Solid polymer fuel cell |
US11211631B2 (en) | 2018-02-23 | 2021-12-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
JP2021180154A (en) * | 2020-05-15 | 2021-11-18 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell stack |
JP7226392B2 (en) | 2020-05-15 | 2023-02-21 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell stack |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7799482B2 (en) | Stack of generators and fuel cell system having the same | |
US10141584B2 (en) | Separator of fuel cell and fuel cell having the same | |
US10297854B2 (en) | Fuel cell stack | |
KR102055514B1 (en) | Assembly method and arrangement for a cell system | |
CN109728322B (en) | Cell frame for fuel cell and fuel cell stack | |
JP2010192291A (en) | Fuel cell stack | |
US20090023047A1 (en) | Fuel cell | |
KR101013853B1 (en) | Separator for fuel cell | |
JP2010067592A (en) | Metal support and solid oxide fuel cell containing it | |
JP2009152069A (en) | Fuel cell stack | |
JP2008130350A (en) | Fuel battery | |
KR101315622B1 (en) | Fuelcell stack using branched channel | |
JP5255849B2 (en) | Fuel cell and separator / seal structure | |
KR20130033824A (en) | Fuel cell stack | |
JP4461949B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP2008004494A (en) | Fuel cell | |
JP2012099382A (en) | Separator for fuel cell, fuel cell | |
KR101542970B1 (en) | Fuel cell stack | |
JP5633504B2 (en) | Fuel cell separator | |
JP2008152979A (en) | Fuel battery cell and laminate | |
JP2005310586A (en) | Fuel battery | |
JP2007018800A (en) | Fuel cell stack | |
JP2008171587A (en) | Fuel cell system | |
JP2006100016A (en) | Fuel cell stack | |
JP2006092991A (en) | Fuel cell stack |