JP2009170314A - Fuel cell stack and its manufacturing method - Google Patents

Fuel cell stack and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2009170314A
JP2009170314A JP2008008443A JP2008008443A JP2009170314A JP 2009170314 A JP2009170314 A JP 2009170314A JP 2008008443 A JP2008008443 A JP 2008008443A JP 2008008443 A JP2008008443 A JP 2008008443A JP 2009170314 A JP2009170314 A JP 2009170314A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel gas
flow path
resistance
gas flow
inlet
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.)
Granted
Application number
JP2008008443A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5163142B2 (en
Inventor
Hideaki Kume
英明 久米
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2008008443A priority Critical patent/JP5163142B2/en
Publication of JP2009170314A publication Critical patent/JP2009170314A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5163142B2 publication Critical patent/JP5163142B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack for suppressing the backflow of impure gas into a fuel gas flow path, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The fuel cell stack 100 comprises a plurality of laminated single cells 130 having the fuel gas flow paths, wherein a resistance part 25 is provided in each fuel gas flow path for suppressing the flow of fuel gas. It satisfies ΔOc/ΔPo≥r/(2(St2-1)), where ΔP<SB>c</SB>is pressure drop from the inlet to the outlet of the fuel gas flow path, ΔP<SB>o</SB>is pressure loss from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance part, (1+r) is a maximum dispersion of flow path resistance from the inlet of the fuel gas flow path to the resistance part between the single cells, and St<SB>2</SB>is the stoichiometric ratio of fuel gas in the fuel gas flow path having minimum flow path resistance. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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).

特開2007−66784号公報JP 2007-66784 A

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 Patent Document 1, impure gas discharged from a single cell may flow back to another single cell due to pressure loss variation between the single cells.

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ΔPとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP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Stとした場合に、ΔP/ΔP≧r/(2(St−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N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ΔPとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP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Stとした場合に、ΔP/ΔP≧r/(2(St−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N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ΔPとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP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St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、ΔP/ΔP≧r/{2(St−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N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N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ΔPとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP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Stとした場合に、ΔP/ΔP≧r/(2(St−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ΔPとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP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Stとした場合に、ΔP/ΔP≧r/(2(St−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ΔPとし、燃料ガス流路の入口から抵抗部までの圧損をΔP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St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、ΔP/ΔP≧r/{2(St−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 fuel cell stack 100 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 100 has a structure in which a stacked body 110 is sandwiched between an end plate 120a and an end plate 120b. The stacked body 110 has a structure in which a plurality of single cells 130 are stacked. Further, the fuel cell stack 100 is provided with an exhaust valve 140 connected to a fuel gas discharge manifold 41b described later.

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 single cell 130 will be described. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the single cell 130. FIG. 2 shows a case where a plurality of single cells 130 are stacked. As shown in FIG. 2, the single cell 130 has a structure in which a seal gasket-integrated MEA (membrane electrode assembly) 20 is sandwiched between two separators 10. The separator 10 has a structure in which an intermediate plate 12 is sandwiched between a cathode facing plate 11 and an anode facing plate 13. These three plates constituting the separator 10 are joined by hot pressing or the like.

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 MEA 20 includes an MEA 21 and a seal gasket 22. The MEA 21 has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially formed on both surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity. The catalyst layer is made of a conductive material that supports a catalyst, such as platinum-supported carbon. The gas diffusion layer is made of a conductive material having gas permeability, for example, carbon cloth, carbon paper or the like. In this embodiment, the upper surface side of the MEA 21 functions as an anode, and the lower surface side of the MEA 21 functions as a cathode.

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 porous channel 23 is disposed on the MEA 21. A porous body flow path 24 is disposed under the MEA 21. The porous body channels 23 and 24 are made of a conductive material harder than the gas diffusion layer, and are made of a metal porous body such as a foam metal made of titanium or the like, a metal mesh, or a lath metal. It is preferable that the porous channels 23 and 24 have such strength that the thickness is substantially constant regardless of the presence or absence of dimples in the separator 10. In this case, the porosity hardly changes regardless of the presence or absence of dimples. Further, the surface pressure on the diffusion layer can be made substantially constant in the surface regardless of the presence or absence of dimples. Therefore, since the local compression in the diffusion layer can be reduced, the drainage performance is improved.

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 separator 10 and the seal gasket-integrated MEA 20. 3A is a schematic plan view of the cathode facing plate 11, FIG. 3B is a schematic plan view of the anode facing plate 13, and FIG. 3C is a schematic plan view of the intermediate plate 12. FIG. 3D is a schematic plan view of the seal gasket-integrated MEA 20.

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 gas supply manifold 41a, a fuel gas discharge manifold 41b, an oxidant gas supply manifold 42a, an oxidant gas discharge manifold 42b, a cooling medium supply manifold 43a, and a cooling medium discharge manifold 43b are formed on the outer peripheral edge of the cathode facing plate 11. Has been. The cathode facing plate 11 has a plurality of oxidant gas supply holes 44a and a plurality of oxidant gas discharge holes 44b. The manifolds and the holes penetrate the cathode facing plate 11 in the thickness direction.

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 anode facing plate 13 is a rectangular metal plate having substantially the same shape as the cathode facing plate 11 and is made of the same material as the cathode facing plate 11. The power generation region X in the anode facing plate 13 is a plane.

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 anode facing plate 13, there are a fuel gas supply manifold 41a, a fuel gas discharge manifold 41b, an oxidant gas supply manifold 42a, an oxidant gas discharge manifold 42b, and a cooling medium supply manifold 43a. In addition, a cooling medium discharge manifold 43b is formed. The anode facing plate 13 is formed with a common rail 45a for supplying fuel gas and a common rail 45b for discharging fuel gas. The manifolds and the common rails penetrate the anode facing plate 13 in the thickness direction.

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 intermediate plate 12 is a rectangular metal plate having the same shape as the cathode facing plate 11 and is made of the same material as the cathode facing plate 11. Similar to the cathode facing plate 11, a fuel gas supply manifold 41a, a fuel gas discharge manifold 41b, an oxidant gas supply manifold 42a and an oxidant gas discharge manifold 42b are formed on the outer peripheral edge of the intermediate plate 12.

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 intermediate plate 12 is formed with a plurality of fuel gas supply passages 46a having one end communicating with the fuel gas supply manifold 41a and the other end communicating with the common rail 45a. Similarly, the intermediate plate 12 is formed with a plurality of fuel gas discharge passages 46b having one end communicating with the fuel gas discharge manifold 41b and the other end communicating with the common rail 45b.

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 intermediate plate 12 is formed with a plurality of fuel gas supply passages 46a having one end communicating with the oxidant gas supply manifold 42a and the other end communicating with the oxidant gas supply hole 44a. Similarly, the intermediate plate 12 is formed with a plurality of oxidant gas discharge passages 47b having one end communicating with the oxidant gas discharge manifold 42b and the other end communicating with the oxidant gas discharge hole 44b. Further, the intermediate plate 12 is formed with a plurality of cooling medium flow paths 48 having one end communicating with the cooling medium supply manifold 43a and the other end communicating with the cooling medium discharge manifold 43b. Each flow path penetrates the intermediate plate 12 in the thickness direction.

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 MEA 20 has a structure in which a seal gasket 22 is joined to the outer peripheral edge of the MEA 21. The seal gasket 22 is made of a resin material such as silicon rubber, butyl rubber, or fluorine rubber, for example. The seal gasket 22 is manufactured by injection-molding the resin material with the outer peripheral end of the MEA 21 facing the mold cavity. According to this method, the MEA 21 and the seal gasket 22 are joined without a gap. Thereby, leakage from the junction of the cooling medium, the oxidant gas, and the fuel gas can be prevented.

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 seal gasket 22 includes a fuel gas supply manifold 41a, a fuel gas discharge manifold 41b, an oxidant gas supply manifold 42a, an oxidant gas discharge manifold 42b, a cooling medium supply manifold 43a, and a cooling medium discharge manifold. 43b is formed. The seal gasket 22 seals the two separators 10 in contact with the upper surface and the lower surface. The seal gasket 22 seals between the outer periphery of the MEA 21 and the outer periphery of each manifold.

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 fuel cell stack 100 during power generation will be described. First, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel gas supply manifold 41a. This fuel gas is supplied to the porous body flow path 23 via the fuel gas supply flow path 46a and the common rail 45a. Thereafter, the fuel gas is supplied to the anode side gas diffusion layer of the MEA 21 while flowing through the porous body flow path 23. Hydrogen in the fuel gas is converted into protons in the catalyst layer of the MEA 21. The converted protons conduct through the electrolyte membrane of MEA 21 and reach the cathode catalyst layer.

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 gas supply manifold 42a. This oxidant gas is supplied to the porous body flow path 24 via the oxidant gas supply flow path 47a. Thereafter, the oxidant gas is supplied to the cathode side gas diffusion layer of the MEA 21 while flowing through the porous body flow path 24. In the cathode side catalyst layer of the MEA 21, water is generated and oxygen is generated from oxygen and protons in the oxidant gas. The generated electric power is collected through the separator 10.

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 medium supply manifold 43a. This cooling medium flows through the cooling medium flow path 48 to cool the fuel cell stack 100. Thereby, the temperature of the fuel cell stack 100 can be adjusted to an appropriate temperature. The cooling medium flowing through the cooling medium flow path 48 is discharged to the outside through the cooling medium discharge manifold 43b. The oxidant gas that has not been used for power generation is discharged to the outside through the oxidant gas discharge passage 47b and the oxidant gas discharge manifold 42b.

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 common rail 45b, the fuel gas discharge passage 46b, and the fuel gas discharge manifold 41b. The exhaust valve 140 in FIG. 1 is controlled to be closed when the fuel cell stack 100 generates power. In this case, the fuel gas is not discharged to the outside, and is not circulated and supplied to the fuel cell stack 100 again. Thereby, hydrogen contained in fuel gas can be consumed efficiently. However, impure gas such as nitrogen may permeate from the cathode side to the anode side. When such an impure gas concentration becomes high on the anode side, the exhaust valve 140 is controlled to open. Thereby, the impure gas staying on the anode side can be purged. Thus, the fuel cell stack 100 according to the present embodiment is an anode gas circulation-less type.

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 common rails 45a and 45b and the porous body channel 23 will be described. FIG. 4A is a schematic diagram showing the relationship between the common rails 45 a and 45 b and the porous body flow path 23. The porous body flow path 23 is provided in the power generation region X shown in FIG. One end of the common rail 45 a is located at a predetermined corner portion of the porous body flow path 23. This one end functions as a fuel gas inlet in the common rail 45a. The common rail 45 a extends from the inlet in the long side direction of the porous body flow path 23. Since the common rail 45a is a space, the flow resistance of the common rail 45a is smaller than the flow resistance of the porous flow path 23.

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 common rail 45b is formed at a position corresponding to the opposite side of the common rail 45a in the porous body flow path 23 so as to extend in the long side direction of the porous body flow path 23. The resistor 25 is connected to the other end of the common rail 45b. The resistance portion 25 communicates with the fuel gas discharge manifold 41b. The resistance portion 25 is made of a porous body, a resin, or the like, and has a flow path resistance higher than that of the porous body flow path 23. The resistance unit 25 may be a stop.

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 common rail 45a from the inlet of the common rail 45a flows through the porous body flow path 23, is collected by the common rail 45b, and is discharged from the fuel gas discharge manifold 41b.

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 common rail 45a to the fuel gas discharge manifold 41b during power generation. As shown in FIG. 4B, since hydrogen is consumed with power generation, the fuel gas flow rate decreases almost linearly from the common rail 45a toward the fuel gas discharge manifold 41b. On the other hand, the flow path resistance becomes a substantially constant value in the porous body flow path 23 and rapidly increases in the resistance portion 25. Therefore, the fuel gas pressure gradually decreases in the porous body flow path 23 and rapidly decreases in the resistance portion 25. From the above, by arranging the resistance portion 25, the flow of the fuel gas in the porous body flow path 23 is suppressed.

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Hガスを流した場合のセル圧損をΔP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 porous body channel 23 during non-power generation. The cell pressure loss refers to a gas pressure loss in the flow path of the fuel gas provided in each cell. The stoichiometric ratio refers to the ratio of the amount of supplied hydrogen gas to the amount of hydrogen gas necessary to realize the target current density. Therefore, when the stoichiometric ratio is 1, all hydrogen is consumed for power generation if the target current density is achieved.

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、ΔPは、下記式(1)のように表される。
ΔP = Pin − Pout (1)
If the fuel gas pressure at the common rail 45a inlet and fuel gas pressure at the P in the fuel gas discharge manifold 41b and P out, [Delta] P c is expressed by the following equation (1).
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P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ΔPとした場合、ΔPは、下記式(2)のように表される。
ΔP = Pin − P (2)
Further, the pressure of the fuel gas at the upstream end of the resistance portion 25 and P 2, when the [Delta] P 0 cell pressure drop from the common rail 45a inlet to the upstream end of the resistance portion 25, [Delta] P 0 is the following equation (2) It is expressed in
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)×ΔP+ΔP/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Stとする。 Here, consider a case where two single cells 130 are stacked as shown in FIG. The ratio of the flow resistance of the fuel gas flow path of the single cell 130a to the flow resistance of the fuel gas flow path of the single cell 130b is Rk = (1 + r). That is, it is assumed that the channel resistance of the single cell 130b is smaller than the channel resistance of the single cell 130a. Further, a stoichiometric ratio in the unit cell 130a and 1, the stoichiometric ratio in the unit cell 130b and St 2.

この場合、ΔP(St)=Rk×ΔP(1)となるので、下記式(4)〜(6)が導かれる。
(St−1)×ΔP+ΔP/2=(1+r)×ΔP/2 (4)
2(St−1)×ΔP/ΔP+1=1+r (5)
ΔP/ΔP=r/(2(St−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ST以下にしたい場合には、下記式(7)を満たす必要がある。
ΔP/ΔP≧r/(2(St−1)) (7)
When it is desired to average stoichiometric ratio St of each single cell 130 to ST 2 or less, it is necessary to satisfy the following equation (7).
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N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 resistance portion 25 is set in the porous body flow path 23 so as to satisfy the above formula (7). In this case, the backflow of the fuel off gas from the fuel gas discharge manifold 41b to the single cell 130b can be suppressed. Thereby, inflow of N 2 gas or the like that has permeated from the cathode into the single cell 130 is suppressed. As a result, output reduction of the fuel cell stack 100, catalyst deterioration, and the like can be suppressed.

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 resistance portion 25 can be set using Equation (7). Here, the maximum flow resistance variation refers to the ratio of the flow resistance having the largest flow resistance difference from the average flow resistance of each cell to the average flow resistance.

また、平均ストイキ比StとSt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。
St=(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ΔP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、ΔP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ΔPに上限を設けるとすると、下記式(9)が導かれる。
ΔP(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 fuel cell stack 100 can be replaced with air with ΔT (for example, about 1 second). If an upper limit is provided for c , the following formula (9) is derived.
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St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 resistance portion 25 is provided outside the porous channel 23, but may be provided in the porous channel 23. FIG. 6A to FIG. 6F are schematic views showing other examples of the porous channel 23. FIGS. 6A, 6 </ b> C, and 6 </ b> E are schematic plan views of other examples of the porous channel 23. FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 6D is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. FIG.6 (f) is CC sectional view taken on the line of FIG.6 (e).

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 resistance portion 25 is disposed so as to surround the upstream end portion of the common rail 45b. In FIG. 6C and FIG. 6D, the resistance portion 25 is connected to the upstream end of the common rail 45b. Moreover, in FIG.6 (e) and FIG.6 (f), the resistance part 25 is arrange | positioned in the porous body flow path 23 upstream from the common rail 45b. In the case of FIG. 6A to FIG. 6F, the resistance portion 25 can be formed by injecting resin or the like into the porous body flow path 23.

ΔP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H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)×ΔP + ΔP/2 + ΔP(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 body flow path 23 during non-power generation before injecting the resistance portion 25, the stoichiometric ratio is being generated at St. The cell pressure loss ΔP (St) is expressed by the following formula (10).
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 common rail 45a inlet to the upstream end of the resistance portion 25 when the distance from the common rail 45a inlet to the fuel gas discharge manifold 41b is 1.

この場合、ΔP(St)=Rk×ΔP(1)とするためには、下記式(11)を満たす必要がある。
ΔP/ΔP=r/{2(St−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ST以下にした場合には、下記式(12)を満たす必要がある。
ΔP/ΔP≧r/{2(St−1)−r(1−L)} (12)
Further, when the average stoichiometric ratio St of each single cell 130 was ST 2 below, it is necessary to satisfy the following equation (12).
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(St−1)−r(1−L)}とr/(2(St−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。
ΔP/ΔP≧r/(2(St−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 separator 10, but is not limited thereto. For example, a press separator may be used as the separator 10. Here, the press separator is a plate-like member having a substantially constant thickness, a convex portion on one surface corresponding to a concave portion on the other surface, and a concave portion on one surface corresponding to a convex portion on the other surface. I mean. The flat separator can be formed, for example, by pressing a substantially flat metal plate such as stainless steel or titanium with a press die. The flat separator may be formed by pressing a conductive material made of conductive particles such as carbon and a binder such as resin.

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 common rail 45a corresponds to the inlet of the fuel gas passage, and the fuel gas discharge manifold 41b corresponds to the outlet of the fuel gas passage.

本発明の第1実施例に係る燃料電池スタックの概略を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline of the fuel cell stack which concerns on 1st Example of this invention. 単セルの模式的断面図である。It is typical sectional drawing of a single cell. セパレータおよびシールガスケット一体型MEAの詳細について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the detail of a separator and seal gasket integrated MEA. コモンレールと多孔体流路との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a common rail and a porous body flow path. 2枚積みの単セルを示す図である。It is a figure which shows the single cell of 2 sheets. 多孔体流路の他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of a porous body flow path.

符号の説明Explanation of symbols

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 Separator 20 Seal gasket integrated MEA
21 MEA
22 Seal gasket 23, 24 Porous flow path 25 Resistance part 41b Fuel gas discharge manifold 45a, 45b Common rail 100 Fuel cell stack 130 Single cell

Claims (11)

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、
前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔP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ΔP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Stとした場合に、ΔP/ΔP≧r/(2(St−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)).
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、
前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔP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ΔP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Stとした場合に、ΔP/ΔP≧r/(2(St−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.
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、
前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔP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ΔP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St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、ΔP/ΔP≧r/{2(St−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.
前記燃料ガス流路は、多孔体流路であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池スタック。   The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel gas channel is a porous channel. 前記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ることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池スタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell stack is an anode gas circulation-less fuel cell stack. 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前記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、
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.
前記設計ステップは、前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔP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ΔP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Stとした場合に、ΔP/ΔP≧r/(2(St−1))を満たすように前記流路抵抗を設計するステップであることを特徴とする請求項6記載の設計方法。 In the design step, 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 between the single cells is ΔP c / ΔP, where (1 + r) is the maximum flow resistance variation from the entrance to the resistance portion and the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path having the minimum flow resistance is St 2 The design method according to claim 6, wherein the flow path resistance is designed to satisfy 0 ≧ r / (2 (St 2 −1)). 前記設計ステップは、前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔP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ΔP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Stとした場合に、ΔP/ΔP≧r/(2(St−1))を満たすように前記流路抵抗を設計するステップであることを特徴とする請求項6記載の設計方法。 In the design step, 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 between the single cells is ΔP c when the flow path resistance maximum variation of the path is (1 + r) and the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path is St 2 in other single cells except the single cell having the maximum flow path resistance. The design method according to claim 6, wherein the flow path resistance is designed to satisfy / ΔP 0 ≧ r / (2 (St 2 −1)). 前記設計ステップは、前記燃料ガス流路の入口から出口までの圧損をΔP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ΔP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St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、ΔP/ΔP≧r/{2(St−1)−r(1−L)}を満たすように前記流路抵抗を設計するステップであることを特徴とする請求項6記載の設計方法。 In the design step, 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 between the single cells is The maximum variation in flow path resistance from the path entrance to the resistance portion is (1 + r), the stoichiometric ratio of the fuel gas in the fuel gas flow path having the minimum flow path resistance is St 2 , and the fuel gas flow path entrance ΔP c / ΔP 0 ≧ r / {2 (St 2 −1), where L is the ratio of the distance from the inlet of the fuel gas flow path to the resistor when the distance from the outlet to the outlet is 1. The design method according to claim 6, wherein the flow path resistance is designed to satisfy −r (1-L)}. 前記燃料ガス流路は、多孔体流路であることを特徴とする請求項6〜9のいずれかに記載の設計方法。   The design method according to claim 6, wherein the fuel gas channel is a porous channel. 前記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ることを特徴とする請求項6〜10のいずれかに記載の設計方法。   The design method according to claim 6, wherein the fuel cell stack is an anode gas circulation-less fuel cell stack.
JP2008008443A 2008-01-17 2008-01-17 Fuel cell stack and design method Expired - Fee Related JP5163142B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008008443A JP5163142B2 (en) 2008-01-17 2008-01-17 Fuel cell stack and design method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008008443A JP5163142B2 (en) 2008-01-17 2008-01-17 Fuel cell stack and design method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009170314A true JP2009170314A (en) 2009-07-30
JP5163142B2 JP5163142B2 (en) 2013-03-13

Family

ID=40971250

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008008443A Expired - Fee Related JP5163142B2 (en) 2008-01-17 2008-01-17 Fuel cell stack and design method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5163142B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003157887A (en) * 2001-11-21 2003-05-30 Fuji Electric Co Ltd Solid high polymer fuel cell
JP2005056671A (en) * 2003-08-04 2005-03-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell
JP2007227365A (en) * 2006-01-25 2007-09-06 Canon Inc Fuel cell system
JP2008177123A (en) * 2007-01-22 2008-07-31 Toyota Motor Corp Fuel cell system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003157887A (en) * 2001-11-21 2003-05-30 Fuji Electric Co Ltd Solid high polymer fuel cell
JP2005056671A (en) * 2003-08-04 2005-03-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell
JP2007227365A (en) * 2006-01-25 2007-09-06 Canon Inc Fuel cell system
JP2008177123A (en) * 2007-01-22 2008-07-31 Toyota Motor Corp Fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
JP5163142B2 (en) 2013-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4876766B2 (en) Fuel cell
JP5318382B2 (en) Fuel cell stack
EP2461403B1 (en) Air-cooled metal separator for fuel cell and fuel cell stack using same
JP5648293B2 (en) Fuel cell
US20100129694A1 (en) Fuel cell
JP2011028939A (en) Fuel cell stack
JP4692001B2 (en) Fuel cell separator
JP5436670B2 (en) Metal separator for fuel cell and fuel cell stack provided with the same
JP2008277185A (en) Fuel cell
JP4876401B2 (en) Fuel cell
JP4214027B2 (en) Fuel cell
JP2008311047A (en) Fuel cell
JP4572252B2 (en) Fuel cell stack
JP5163142B2 (en) Fuel cell stack and design method
JP5123824B2 (en) FUEL CELL STACK AND METHOD OF OPERATING FUEL CELL STACK
JP4734880B2 (en) Fuel cell
JP2006024465A (en) Fuel cell
JP2009266684A (en) Fuel cell
US20230223563A1 (en) Power generation cell
JP2006221955A (en) Separator of fuel cell
JP2009230936A (en) Fuel cell
JP2008171587A (en) Fuel cell system
JP2008034159A (en) Fuel cell, and manufacturing method of fuel cell
JP2006164766A (en) Fuel cell
JP2006286557A (en) Fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20091217

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120828

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120918

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121120

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121203

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151228

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151228

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees