JP2009170314A - Fuel cell stack and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack and a method for manufacturing the same.
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を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。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
この燃料電池においては、アノードに燃料ガスが供給されカソードにエアが供給されることによって、発電が行われる。燃料ガス中の水素は、アノードにおいて消費される。この燃料電池において、アノードからの水素の排出量を抑制するために、単セルの燃料ガス流路の排出口に、単セルに供給された燃料ガスに対して0.02〜4体積%のガスを排出する排出制御機構を設ける技術が開示されている(特許文献1参照)。 In this fuel cell, power is generated by supplying fuel gas to the anode and air to the cathode. Hydrogen in the fuel gas is consumed at the anode. In this fuel cell, in order to suppress the discharge amount of hydrogen from the anode, 0.02 to 4% by volume of gas with respect to the fuel gas supplied to the single cell at the discharge port of the fuel gas flow path of the single cell. Has been disclosed (see Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の技術を用いた燃料電池スタックにおいては、単セル間の圧力損失ばらつきにより、単セルから排出された不純ガスが他の単セルに逆流するおそれがある。
However, in the fuel cell stack using the technique of
本発明は、燃料ガス流路への不純ガスの逆流を抑制することができる燃料電池スタックおよびその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of suppressing the backflow of impure gas into the fuel gas flow path and a method for manufacturing the same.
本発明に係る燃料電池スタックは、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、各燃料ガス流路には、燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔPcとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP0とし、各単セル間の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とし、最小の流路抵抗を有する燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をSt2とした場合に、ΔPc/ΔP0≧r/(2(St2−1))を満たすことを特徴とするものである。 A fuel cell stack according to the present invention is a fuel cell stack in which a plurality of single cells each having a fuel gas channel formed therein are stacked, and each fuel gas channel has a resistance for suppressing the flow of fuel gas. The pressure loss from the inlet to the outlet of the fuel gas flow path is ΔP c , the pressure loss from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance portion is ΔP 0, and the fuel gas flow path between the single cells is When the maximum flow resistance variation from the inlet to the resistance portion is (1 + r) and the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path having the minimum flow resistance is St 2 , ΔP c / ΔP 0 ≧ r / (2 (St 2 -1)) is satisfied.
本発明に係る燃料電池スタックにおいては、各単セル間における燃料オフガスの逆流を抑制することができる。この場合、カソードから透過してきたN2ガス等の不純ガスの燃料ガス流路への逆流が抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池スタックの出力低下、触媒の劣化等を抑制することができる。 In the fuel cell stack according to the present invention, the back flow of the fuel off gas between the single cells can be suppressed. In this case, the backflow of impure gas such as N 2 gas that has permeated from the cathode to the fuel gas flow path is suppressed. As a result, output reduction of the fuel cell stack according to the present invention, catalyst deterioration, and the like can be suppressed.
本発明に係る他の燃料電池スタックは、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、各燃料ガス流路には燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔPcとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP0とし、各単セル間の燃料ガス流路の流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とし、最大の流路抵抗を有する単セルを除く他の単セルにおいて燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をSt2とした場合に、ΔPc/ΔP0≧r/(2(St2−1))を満たすことを特徴とするものである。 Another fuel cell stack according to the present invention is a fuel cell stack in which a plurality of single cells each having a fuel gas channel formed therein are stacked, and each fuel gas channel is provided for suppressing the flow of fuel gas. A resistance part is provided, a pressure loss from the inlet to the outlet of the fuel gas flow path is ΔP c , a pressure loss from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance part is ΔP 0, and the fuel gas flow path between each single cell ΔP c / ΔP, where (1 + r) is the maximum variation in flow path resistance and St 2 is the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path in other single cells except the single cell having the maximum flow path resistance. 0 ≧ r / (2 (St 2 −1)) is satisfied.
本発明に係る他の燃料電池スタックにおいては、各単セル間における燃料オフガスの逆流を抑制することができる。この場合、カソードから透過してきたN2ガス等の不純ガスの燃料ガス流路への逆流が抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池スタックの出力低下、触媒の劣化等を抑制することができる。 In another fuel cell stack according to the present invention, the back flow of the fuel off gas between the single cells can be suppressed. In this case, the backflow of impure gas such as N 2 gas that has permeated from the cathode to the fuel gas flow path is suppressed. As a result, output reduction of the fuel cell stack according to the present invention, catalyst deterioration, and the like can be suppressed.
本発明に係る他の燃料電池スタックは、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、各燃料ガス流路には燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔPcとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP0とし、各単セル間の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とし、最小の流路抵抗を有する燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をSt2とし、燃料ガス流路の入口から出口までの距離を1とした場合の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの距離の比率をLとした場合に、ΔPc/ΔP0≧r/{2(St2−1)−r(1−L)}を満たすことを特徴とするものである。 Another fuel cell stack according to the present invention is a fuel cell stack in which a plurality of single cells each having a fuel gas channel formed therein are stacked, and each fuel gas channel is provided for suppressing the flow of fuel gas. A resistance part is provided, a pressure loss from the inlet to the outlet of the fuel gas flow path is ΔP c , a pressure loss from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance part is ΔP 0, and the fuel gas flow path between each single cell The maximum flow resistance variation from the inlet to the resistance portion is (1 + r), the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path having the minimum flow resistance is St 2 , and the fuel gas flow path from the inlet to the outlet ΔP c / ΔP 0 ≧ r / {2 (St 2 −1) −r (1−L) where L is the ratio of the distance from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance portion when the distance is 1. )} Is satisfied.
本発明に係る他の燃料電池スタックにおいては、各単セル間における燃料オフガスの逆流を抑制することができる。この場合、カソードから透過してきたN2ガス等の不純ガスの燃料ガス流路への逆流が抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池スタックの出力低下、触媒の劣化等を抑制することができる。 In another fuel cell stack according to the present invention, the back flow of the fuel off gas between the single cells can be suppressed. In this case, the backflow of impure gas such as N 2 gas that has permeated from the cathode to the fuel gas flow path is suppressed. As a result, output reduction of the fuel cell stack according to the present invention, catalyst deterioration, and the like can be suppressed.
本発明に係る設計方法は、燃料ガス流路が形成された複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて燃料ガスの流動を抑制するために燃料ガス流路に設けられた抵抗部の流路抵抗を設計する設計方法であって、燃料電池スタックを構成する単セルの燃料ガス流路の圧力損失ばらつきに基づいて流路抵抗を設計する設計ステップを含むことを特徴とするものである。 The design method according to the present invention includes a flow path of a resistance portion provided in a fuel gas flow path in order to suppress a flow of fuel gas in a fuel cell stack in which a plurality of single cells each having a fuel gas flow path formed are stacked. A design method for designing a resistance, which includes a design step of designing a flow resistance based on a pressure loss variation of a fuel gas flow path of a single cell constituting a fuel cell stack.
本発明に係る設計方法においては、燃料ガス流路の圧力損失ばらつきに基づいて流路抵抗が設計されることから、各単セル間における燃料オフガスの逆流を抑制することができる。この場合、カソードから透過してきたN2ガス等の不純ガスの燃料ガス流路への逆流が抑制される。その結果、本発明に係る燃料電池スタックの出力低下、触媒の劣化等を抑制することができる。 In the design method according to the present invention, the flow resistance is designed based on the pressure loss variation of the fuel gas flow path, so that the back flow of the fuel off gas between the single cells can be suppressed. In this case, the backflow of impure gas such as N 2 gas that has permeated from the cathode to the fuel gas flow path is suppressed. As a result, output reduction of the fuel cell stack according to the present invention, catalyst deterioration, and the like can be suppressed.
設計ステップは、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔPcとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP0とし、各単セル間の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とし、最小の流路抵抗を有する燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をSt2とした場合に、ΔPc/ΔP0≧r/(2(St2−1))を満たすように流路抵抗を設計するステップであってもよい。 In the design step, the pressure loss from the inlet to the outlet of the fuel gas passage is ΔP c , the pressure loss from the inlet of the fuel gas passage to the resistance portion is ΔP 0, and the resistance from the inlet of the fuel gas passage between each single cell is ΔP c / ΔP 0 ≧ r / (2 (2 ()), where the maximum variation in flow resistance to the portion is (1 + r) and the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow channel having the minimum flow resistance is St 2 It may be a step of designing the channel resistance so as to satisfy St 2 -1)).
設計ステップは、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔPcとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP0とし、各単セル間の燃料ガス流路の流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とし、最大の流路抵抗を有する単セルを除く他の単セルにおいて燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をSt2とした場合に、ΔPc/ΔP0≧r/(2(St2−1))を満たすように流路抵抗を設計するステップであってもよい。 The design step is such that the pressure loss from the inlet to the outlet of the fuel gas flow path is ΔP c , the pressure loss from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance portion is ΔP 0, and the flow resistance of the fuel gas flow path between each single cell When the maximum variation is (1 + r) and the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path is St 2 in other single cells excluding the single cell having the maximum flow path resistance, ΔP c / ΔP 0 ≧ r / It may be a step of designing the channel resistance so as to satisfy (2 (St 2 -1)).
設計ステップは、燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔPcとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP0とし、各単セル間の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とし、最小の流路抵抗を有する燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をSt2とし、燃料ガス流路の入口から出口までの距離を1とした場合の燃料ガス流路の入口から抵抗部までの距離の比率をLとした場合に、ΔPc/ΔP0≧r/{2(St2−1)−r(1−L)}を満たすように流路抵抗を設計するステップであってもよい。 In the design step, the pressure loss from the inlet to the outlet of the fuel gas passage is ΔP c , the pressure loss from the inlet of the fuel gas passage to the resistance portion is ΔP 0, and the resistance from the inlet of the fuel gas passage between each single cell is The maximum variation in flow resistance to the part is (1 + r), the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path having the minimum flow resistance is St 2, and the distance from the inlet to the outlet of the fuel gas flow path is 1. When the ratio of the distance from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance portion is L, ΔP c / ΔP 0 ≧ r / {2 (St 2 −1) −r (1−L)} is satisfied. Thus, the step of designing the flow path resistance may be used.
燃料ガス流路は、多孔体流路であってもよい。また、燃料電池スタックは、アノードガス循環レス型の燃料電池スタックであってもよい。 The fuel gas channel may be a porous channel. The fuel cell stack may be an anode gas circulation-less fuel cell stack.
本発明によれば、燃料ガス流路への不純ガスの逆流を抑制することができる。 According to the present invention, the backflow of impure gas into the fuel gas channel can be suppressed.
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の概略を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池スタック100は、積層体110がエンドプレート120aとエンドプレート120bとによって挟持された構造を有する。積層体110は、複数の単セル130が積層された構造を有する。また、燃料電池スタック100には、後述する燃料ガス排出マニホールド41bに接続される排気バルブ140が設けられている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a
続いて、単セル130の詳細について説明する。図2は、単セル130の模式的断面図である。図2においては、複数の単セル130が積層されている場合が示されている。図2に示すように、単セル130は、シールガスケット一体型MEA(膜電極接合体)20が2枚のセパレータ10によって挟持された構造を有する。セパレータ10は、カソード対向プレート11とアノード対向プレート13とによって、中間プレート12が挟持された構造を有する。セパレータ10を構成するこれら3枚のプレートは、ホットプレス等によって接合されている。
Next, details of the
シールガスケット一体型MEA20は、MEA21およびシールガスケット22を備える。MEA21は、プロトン導電性を備える電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成された構造を有する。触媒層は、触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボン等からなる。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性材料からなり、例えばカーボンクロス、カーボンペーパ等からなる。本実施例においては、MEA21の上面側がアノードとして機能し、MEA21の下面側がカソードとして機能する。
The seal gasket-integrated
MEA21の上には、多孔体流路23が配置されている。MEA21の下には、多孔体流路24が配置されている。多孔体流路23,24は、ガス拡散層よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ、ラスメタル等の金属多孔体からなる。多孔体流路23,24は、セパレータ10のディンプルの有無にかかわらず、厚みが略一定になるような強度を有していることが好ましい。この場合、ディンプルの有無にかかわらず、気孔率がほとんど変化しない。また、ディンプルの有無にかかわらず、拡散層に対する面圧を面内略一定にすることができる。したがって、拡散層における局所的圧縮を低減することができるため、排水性が向上する。
A
図3は、セパレータ10およびシールガスケット一体型MEA20の詳細について説明するための図である。図3(a)はカソード対向プレート11の模式的平面図であり、図3(b)はアノード対向プレート13の模式的平面図であり、図3(c)は中間プレート12の模式的平面図であり、図3(d)はシールガスケット一体型MEA20の模式的平面図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the details of the
カソード対向プレート11は矩形の金属製のプレートである。この金属製プレートとしては、チタン、チタン合金、ステンレス等の表面に腐食防止のためのメッキ処理が施されたものを用いることができる。 The cathode facing plate 11 is a rectangular metal plate. As the metal plate, a plate made of titanium, titanium alloy, stainless steel, or the like that has been subjected to plating treatment for corrosion prevention can be used.
図3(a)に示すように、カソード対向プレート11においてMEA21と対向する部分(以下、発電領域Xと称する)は平面である。カソード対向プレート11の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド41a、燃料ガス排出マニホールド41b、酸化剤ガス供給マニホールド42a、酸化剤ガス排出マニホールド42b、冷却媒体供給マニホールド43aおよび冷却媒体排出マニホールド43bが形成されている。また、カソード対向プレート11には、複数の酸化剤ガス供給孔44aおよび複数の酸化剤ガス排出孔44bが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、カソード対向プレート11を厚さ方向に貫通している。
As shown in FIG. 3A, a portion of the cathode facing plate 11 facing the MEA 21 (hereinafter referred to as a power generation region X) is a plane. A fuel
図3(b)に示すように、アノード対向プレート13は、カソード対向プレート11と略同形状の矩形の金属製のプレートであり、カソード対向プレート11と同様の材料から構成される。アノード対向プレート13における発電領域Xは平面である。
As shown in FIG. 3B, the
カソード対向プレート11と同様に、アノード対向プレート13の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド41a、燃料ガス排出マニホールド41b、酸化剤ガス供給マニホールド42a、酸化剤ガス排出マニホールド42b、冷却媒体供給マニホールド43aおよび冷却媒体排出マニホールド43bが形成されている。また、アノード対向プレート13には、燃料ガス供給用のコモンレール45aおよび燃料ガス排出用のコモンレール45bが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各コモンレールは、アノード対向プレート13を厚さ方向に貫通している。
Similar to the cathode facing plate 11, on the outer peripheral edge of the
図3(c)に示すように、中間プレート12は、カソード対向プレート11と同形状の矩形の金属製プレートであり、カソード対向プレート11と同様の材料から構成される。カソード対向プレート11と同様に、中間プレート12の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド41a、燃料ガス排出マニホールド41b、酸化剤ガス供給マニホールド42aおよび酸化剤ガス排出マニホールド42bが形成されている。
As shown in FIG. 3C, the
また、中間プレート12には、一端が燃料ガス供給マニホールド41aに連通し、他端がコモンレール45aに連通する複数の燃料ガス供給流路46aが形成されている。同様に、中間プレート12には、一端が燃料ガス排出マニホールド41bに連通し、他端がコモンレール45bに連通する複数の燃料ガス排出流路46bが形成されている。
The
さらに、中間プレート12には、一端が酸化剤ガス供給マニホールド42aに連通し、他端が酸化剤ガス供給孔44aに連通する複数の燃料ガス供給流路46aが形成されている。同様に、中間プレート12には、一端が酸化剤ガス排出マニホールド42bに連通し、他端が酸化剤ガス排出孔44bに連通する複数の酸化剤ガス排出流路47bが形成されている。また、中間プレート12には、一端が冷却媒体供給マニホールド43aに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド43bに連通する複数の冷却媒体流路48が形成されている。上記各流路は、中間プレート12を厚さ方向に貫通している。
Further, the
図3(d)に示すように、シールガスケット一体型MEA20は、MEA21の外周縁部にシールガスケット22が接合された構造を有する。シールガスケット22は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料から構成される。シールガスケット22は、金型のキャビティにMEA21の外周端部を臨ませて、上記樹脂材料を射出成形することによって作製される。この方法によれば、MEA21とシールガスケット22とが隙間なく接合される。それにより、冷却媒体、酸化剤ガスおよび燃料ガスの接合部からの漏出を防止することができる。
As shown in FIG. 3 (d), the seal gasket-integrated
カソード対向プレート11と同様に、シールガスケット22には、燃料ガス供給マニホールド41a、燃料ガス排出マニホールド41b、酸化剤ガス供給マニホールド42a、酸化剤ガス排出マニホールド42b、冷却媒体供給マニホールド43aおよび冷却媒体排出マニホールド43bが形成されている。シールガスケット22は、上面および下面に当接する2枚のセパレータ10をシールしている。また、シールガスケット22は、MEA21の外周と各マニホールドの外周との間をシールしている。
Similar to the cathode facing plate 11, the
続いて、燃料電池スタック100の発電時の動作の概要について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが燃料ガス供給マニホールド41aに供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給流路46aおよびコモンレール45aを介して、多孔体流路23に供給される。その後、燃料ガスは、多孔体流路23を流動しつつ、MEA21のアノード側ガス拡散層に供給される。燃料ガス中の水素は、MEA21の触媒層においてプロトンに変換される。変換されたプロトンはMEA21の電解質膜を伝導し、カソード側の触媒層に到達する。
Next, an outline of the operation of the
一方、酸化剤ガス供給マニホールド42aには、酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路47aを介して、多孔体流路24に供給される。その後、酸化剤ガスは、多孔体流路24を流動しつつ、MEA21のカソード側ガス拡散層に供給される。MEA21のカソード側触媒層においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ10を介して回収される。
On the other hand, the oxidizing gas containing oxygen is supplied to the oxidizing
冷却媒体供給マニホールド43aには冷却水等の冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路48を流動して燃料電池スタック100を冷却する。それにより、燃料電池スタック100の温度を適切な温度に調整することができる。なお、冷却媒体流路48を流動した冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールド43bを介して外部に排出される。また、発電に用いられなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路47bおよび酸化剤ガス排出マニホールド42bを介して外部に排出される。
A cooling medium such as cooling water is supplied to the cooling
発電に用いられなかった燃料ガスは、コモンレール45b、燃料ガス排出流路46bおよび燃料ガス排出マニホールド41bに流動する。図1の排気バルブ140は、燃料電池スタック100の発電時には閉に制御されている。この場合、燃料ガスは外部に排出されず、循環して燃料電池スタック100に再度供給されることもない。それにより、燃料ガスに含まれる水素を効率よく消費することができる。ただし、カソード側からアノード側に窒素等の不純ガスが透過してくることがある。アノード側においてこのような不純ガス濃度が高くなった場合には、排気バルブ140は開に制御される。それにより、アノード側に滞留する不純ガスをパージすることができる。このように、本実施例に係る燃料電池スタック100は、アノードガス循環レス型である。
The fuel gas that has not been used for power generation flows to the
続いて、コモンレール45a,45bと多孔体流路23との関係について説明する。図4(a)は、コモンレール45a,45bと多孔体流路23との関係を示す模式図である。多孔体流路23は、図3で示した発電領域Xに設けられている。コモンレール45aの一端は、多孔体流路23の所定の角部の位置に位置している。この一端がコモンレール45aにおける燃料ガス入口として機能する。コモンレール45aは、入口から多孔体流路23の長辺方向に伸びている。コモンレール45aは空間であることから、コモンレール45aの流路抵抗は、多孔体流路23の流路抵抗よりも小さくなっている。
Next, the relationship between the
また、コモンレール45bは、多孔体流路23におけるコモンレール45aの対辺に対応する位置に、多孔体流路23の長辺方向に伸びるように形成されている。コモンレール45bの他端には、抵抗部25が接続されている。抵抗部25は、燃料ガス排出マニホールド41bに連通している。抵抗部25は、多孔体、樹脂等からなり、多孔体流路23よりも高い流路抵抗を有している。なお、抵抗部25は、絞りであってもよい。
Further, the
以上のことから、コモンレール45a入口からコモンレール45aに流入した燃料ガスは、多孔体流路23を流動し、コモンレール45bによって回収され、燃料ガス排出マニホールド41bから排出される。
From the above, the fuel gas flowing into the
図4(b)は、発電時における、コモンレール45aから燃料ガス排出マニホールド41bまでの流路位置における流路抵抗、燃料ガス圧力および燃料ガス流量を示す図である。図4(b)に示すように、発電に伴って水素が消費されることから、燃料ガス流量はコモンレール45aから燃料ガス排出マニホールド41bに向かってほぼ線形に減少する。一方、流路抵抗は、多孔体流路23においては略一定値となり、抵抗部25において急激に大きくなる。したがって、燃料ガス圧力は、多孔体流路23においては漸減し、抵抗部25において急減する。以上のことから、抵抗部25を配置することによって、多孔体流路23における燃料ガスの流動が抑制されることになる。
FIG. 4B is a diagram showing flow path resistance, fuel gas pressure, and fuel gas flow rate at a flow path position from the
ここで、非発電時において多孔体流路23にストイキ比1の純H2ガスを流した場合のセル圧損をΔPcとする。なお、セル圧損とは、各セルに備わる燃料ガスの流路のガス圧損のことをいう。また、ストイキ比とは、目的とする電流密度を実現するために必要な水素ガス量に対する供給水素ガス量の比のことをいう。したがって、ストイキ比が1である場合、目的とする電流密度が実現されていれば、全ての水素が発電に消費される。
Here, ΔP c is a cell pressure loss when pure H 2 gas having a stoichiometric ratio of 1 is caused to flow through the
コモンレール45a入口における燃料ガス圧力をPinとし燃料ガス排出マニホールド41bにおける燃料ガス圧力をPoutとした場合、ΔPcは、下記式(1)のように表される。
ΔPc = Pin − Pout (1)
If the fuel gas pressure at the
ΔP c = P in −P out (1)
また、抵抗部25の上流端における燃料ガスの圧力をP2とし、コモンレール45a入口から抵抗部25の上流端までのセル圧損をΔP0とした場合、ΔP0は、下記式(2)のように表される。
ΔP0 = Pin − P2 (2)
Further, the pressure of the fuel gas at the upstream end of the
ΔP 0 = P in −P 2 (2)
この場合、ストイキ比がStで発電中のセル圧損ΔP(St)は、下記式(3)で表される。
ΔP(St) = (St−1)×ΔPc+ΔP0/2 (3)
In this case, the cell pressure loss ΔP (St) during power generation when the stoichiometric ratio is St is expressed by the following equation (3).
ΔP (St) = (St- 1) × ΔP c + ΔP 0/2 (3)
ここで、図5に示すように、単セル130が2枚積みになっている場合を考える。単セル130bの燃料ガス流路の流路抵抗に対する単セル130aの燃料ガス流路の流路抵抗の比をRk=(1+r)とする。すなわち、単セル130bの流路抵抗は、単セル130aの流路抵抗に比較して小さくなっているとする。また、単セル130aにおけるストイキ比を1とし、単セル130bにおけるストイキ比をSt2とする。
Here, consider a case where two
この場合、ΔP(St2)=Rk×ΔP(1)となるので、下記式(4)〜(6)が導かれる。
(St2−1)×ΔPc+ΔP0/2=(1+r)×ΔP0/2 (4)
2(St2−1)×ΔPc/ΔP0+1=1+r (5)
ΔPc/ΔP0=r/(2(St2−1)) (6)
In this case, since ΔP (St 2 ) = Rk × ΔP (1), the following equations (4) to (6) are derived.
(St 2 -1) × ΔP c + ΔP 0/2 = (1 + r) × ΔP 0/2 (4)
2 (St 2 −1) × ΔP c / ΔP 0 + 1 = 1 + r (5)
ΔP c / ΔP 0 = r / (2 (St 2 −1)) (6)
なお、各単セル130の平均ストイキ比StをST2以下にしたい場合には、下記式(7)を満たす必要がある。
ΔPc/ΔP0≧r/(2(St2−1)) (7)
When it is desired to average stoichiometric ratio St of each
ΔP c / ΔP 0 ≧ r / (2 (St 2 −1)) (7)
本実施例においては、多孔体流路23において、上記式(7)を満たすように抵抗部25の流路抵抗が設定されている。この場合、燃料ガス排出マニホールド41bから単セル130bへの燃料オフガスの逆流を抑制することができる。それにより、カソードから透過してきたN2ガス等の単セル130への流入が抑制される。その結果、燃料電池スタック100の出力低下、触媒の劣化等を抑制することができる。
In the present embodiment, the flow path resistance of the
なお、上記式(7)は、2枚以上の単セルが積層されている場合にも適用することができる。この場合、各単セル間の燃料ガス流路の流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とすれば、式(7)を用いて抵抗部25の流路抵抗を設定することができる。ここで、流路抵抗最大ばらつきとは、各セルの平均流路抵抗との流路抵抗差が最も大きい流路抵抗の平均流路抵抗に対する比をいう。
The above formula (7) can also be applied when two or more single cells are stacked. In this case, if the maximum flow resistance variation of the fuel gas flow path between the single cells is (1 + r), the flow path resistance of the
また、平均ストイキ比StとSt2との関係は、積層単セル数をnとすると、下記式(8)で表される。
St2=(St−1)×n/(n−1)+1 (8)
Further, the relationship between the average stoichiometric ratio St and St 2 is expressed by the following formula (8), where n is the number of stacked single cells.
St 2 = (St-1) × n / (n-1) +1 (8)
なお、St<1.02程度の微小排出の場合、式(3)に示すように、発電時の圧損はΔPcよりもかなり小さくなる。しかしながら、起動時または発電停止の際のパージ時には、ΔPcの流路抵抗が流動ガスにかかることになる。したがって、パージ時の圧力差ΔPmax(約100kPa)において、燃料電池スタック100のガス流路総容積QV(例えば、約5リットル)をΔT(例えば、約1秒)でエアで置換できるようにΔPcに上限を設けるとすると、下記式(9)が導かれる。
ΔPc(流量QV/ΔT、エア) < ΔPmax (9)
In the case St <about 1.02 micro discharge, as shown in equation (3), the pressure loss at the time of power generation is considerably smaller than [Delta] P c. However, at the time of purging during the start-up or power generation is stopped, the flow path resistance of the [Delta] P c is that according to the flowing gas. Therefore, at the pressure difference ΔP max (about 100 kPa) at the time of purging, ΔP so that the total gas flow path volume QV (for example, about 5 liters) of the
ΔP c (flow rate QV / ΔT, air) <ΔP max (9)
なお、3枚以上の単セルを積層した燃料電池スタックにおいては、全セルの平均ストイキ比をSt2としてもよい。 Incidentally, three or more unit cells in the fuel cell stack formed by stacking, or an average stoichiometric ratio of all the cells as St 2.
(抵抗部の位置の他の例)
図4においては、抵抗部25が多孔体流路23の外部に設けられていたが、多孔体流路23内に設けられていてもよい。図6(a)〜図6(f)は、多孔体流路23の他の例を示す模式図である。図6(a)、図6(c)および図6(e)は、それぞれ、多孔体流路23の他の例の模式的平面図である。図6(b)は、図6(a)のA−A線断面図である。図6(d)は、図6(c)のB−B線断面図である。図6(f)は、図6(e)のC−C線断面図である。
(Another example of the position of the resistance part)
In FIG. 4, the
図6(a)および図6(b)においては、コモンレール45bの上流端部を囲むように抵抗部25が配置されている。また、図6(c)および図6(d)においては、コモンレール45bの上流端に抵抗部25が接続されている。また、図6(e)および図6(f)においては、抵抗部25は、多孔体流路23においてコモンレール45bよりも上流側に配置されている。図6(a)〜図6(f)の場合、抵抗部25は、多孔体流路23に樹脂等を注入することによって形成可能である。
In FIG. 6A and FIG. 6B, the
ΔP0が、抵抗部25を注入する前の非発電時において多孔体流路23にストイキ比1の純H2ガスを流した場合のセル圧損であるとすると、ストイキ比がStで発電中のセル圧損ΔP(St)は、下記式(10)で表される。
ΔP(St) = (St−1)×ΔPc + ΔP0/2 + ΔPc(1−L)/2 (10)
Assuming that ΔP 0 is a cell pressure loss when pure H 2 gas having a stoichiometric ratio of 1 is passed through the porous
ΔP (St) = (St- 1) × ΔP c + ΔP 0/2 + ΔP c (1-L) / 2 (10)
なお、式(10)において、Lは、コモンレール45a入口から燃料ガス排出マニホールド41bまでの距離を1とした場合の、コモンレール45a入口から抵抗部25の上流端までの距離の比率を示す。
In Expression (10), L represents the ratio of the distance from the
この場合、ΔP(St2)=Rk×ΔP(1)とするためには、下記式(11)を満たす必要がある。
ΔPc/ΔP0=r/{2(St2−1)−r(1−L)} (11)
In this case, in order to satisfy ΔP (St 2 ) = Rk × ΔP (1), the following formula (11) needs to be satisfied.
ΔP c / ΔP 0 = r / {2 (St 2 -1) -r (1-L)} (11)
また、各単セル130の平均ストイキ比StをST2以下にした場合には、下記式(12)を満たす必要がある。
ΔPc/ΔP0≧r/{2(St2−1)−r(1−L)} (12)
Further, when the average stoichiometric ratio St of each
ΔP c / ΔP 0 ≧ r / {2 (St 2 -1) -r (1-L)} (12)
しかしながら、実用的な範囲(L>0.95、r<0.1)においては、r/{2(St2−1)−r(1−L)}とr/(2(St2−1))との比はほぼ1になるので、Lの値に関係なく、下記式(13)を満たせばよいことになる。なお、下記式(13)は、上記式(7)と同じである。
ΔPc/ΔP0≧r/(2(St2−1)) (13)
However, in a practical range (L> 0.95, r <0.1), r / {2 (St 2 -1) -r (1-L)} and r / (2 (St 2 -1). )) Is approximately 1, so that the following equation (13) should be satisfied regardless of the value of L. The following formula (13) is the same as the above formula (7).
ΔP c / ΔP 0 ≧ r / (2 (St 2 −1)) (13)
なお、本実施例においては、セパレータ10としてフラットセパレータを用いたが、それに限られない。例えば、プレスセパレータをセパレータ10として用いてもよい。ここで、プレスセパレータとは、略一定の厚みを有し、一方の面における凸部が他方の面における凹部に対応し、一方の面における凹部が他方の面における凸部に対応する板状部材のことをいう。フラットセパレータは、例えば、ステンレス、チタンなどの略フラットな金属プレートをプレス型で押圧することによって形成することができる。また、フラットセパレータは、カーボン等の導電性粒子と樹脂等のバインダとからなる導電性材料をプレスすることによって形成してもよい。
In the present embodiment, a flat separator is used as the
本実施例においては、コモンレール45aの入口が燃料ガス流路の入口に相当し、燃料ガス排出マニホールド41bが燃料ガス流路の出口に相当する。
In the present embodiment, the inlet of the
10 セパレータ
20 シールガスケット一体型MEA
21 MEA
22 シールガスケット
23,24 多孔体流路
25 抵抗部
41b 燃料ガス排出マニホールド
45a,45b コモンレール
100 燃料電池スタック
130 単セル
10
21 MEA
22
Claims (11)
各燃料ガス流路には、燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、
前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔPcとし、前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの圧損をΔP0とし、各単セル間の前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とし、最小の流路抵抗を有する前記燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をSt2とした場合に、ΔPc/ΔP0≧r/(2(St2−1))を満たすことを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack in which a plurality of single cells each having a fuel gas flow path are stacked,
Each fuel gas flow path is provided with a resistance portion for suppressing the flow of fuel gas,
The pressure loss from the inlet of the fuel gas channel to the outlet is ΔP c , the pressure loss from the inlet of the fuel gas channel to the resistance portion is ΔP 0, and from the inlet of the fuel gas channel between the single cells to the ΔP c / ΔP 0 ≧ r / (, where (1 + r) is the maximum flow resistance variation up to the resistance, and St 2 is the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path having the minimum flow resistance. 2 (St 2 -1)).
各燃料ガス流路には、燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、
前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔPcとし、前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの圧損をΔP0とし、各単セル間の前記燃料ガス流路の流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とし、最大の流路抵抗を有する単セルを除く他の単セルにおいて前記燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をSt2とした場合に、ΔPc/ΔP0≧r/(2(St2−1))を満たすことを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack in which a plurality of single cells each having a fuel gas flow path are stacked,
Each fuel gas flow path is provided with a resistance portion for suppressing the flow of fuel gas,
The pressure loss from the inlet to the outlet of the fuel gas flow path is ΔP c , the pressure loss from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance portion is ΔP 0, and the flow resistance of the fuel gas flow path between each single cell When the maximum variation is (1 + r) and the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path is St 2 in other single cells excluding the single cell having the maximum flow path resistance, ΔP c / ΔP 0 ≧ r / (2 (St 2 -1)) is satisfied, The fuel cell stack characterized by the above-mentioned.
各燃料ガス流路には、燃料ガスの流動を抑制するための抵抗部が設けられており、
前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔPcとし、前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの圧損をΔP0とし、各単セル間の前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの流路抵抗最大ばらつきを(1+r)とし、最小の流路抵抗を有する前記燃料ガス流路における燃料ガスのストイキ比をSt2とし、前記燃料ガス流路の入口から出口までの距離を1とした場合の前記燃料ガス流路の入口から前記抵抗部までの距離の比率をLとした場合に、ΔPc/ΔP0≧r/{2(St2−1)−r(1−L)}を満たすことを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack in which a plurality of single cells each having a fuel gas flow path are stacked,
Each fuel gas flow path is provided with a resistance portion for suppressing the flow of fuel gas,
The pressure loss from the inlet of the fuel gas channel to the outlet is ΔP c , the pressure loss from the inlet of the fuel gas channel to the resistance portion is ΔP 0, and from the inlet of the fuel gas channel between the single cells to the The maximum variation in flow resistance to the resistance portion is (1 + r), the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow channel having the minimum flow resistance is St 2, and the distance from the inlet to the outlet of the fuel gas flow channel ΔP c / ΔP 0 ≧ r / {2 (St 2 −1) −r (1−1) where L is the ratio of the distance from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance portion when L)} is satisfied.
前記燃料電池スタックを構成する単セルの前記燃料ガス流路の圧力損失ばらつきに基づいて前記流路抵抗を設計する設計ステップを含むことを特徴とする設計方法。 A design method for designing the flow resistance of a resistance portion provided in the fuel gas flow path in order to suppress the flow of fuel gas in a fuel cell stack in which a plurality of single cells formed with fuel gas flow paths are stacked. There,
A design method comprising: a design step of designing the flow path resistance based on pressure loss variation of the fuel gas flow path of the single cell constituting the fuel cell stack.
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