JP2010272361A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向に沿って反応ガスを通流させる反応ガス連通孔及び冷却媒体を通流させる冷却媒体連通孔が設けられる燃料電池スタックに関する。 The present invention includes a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked and reacted along the stacking direction. The present invention relates to a fuel cell stack provided with a reaction gas communication hole through which a gas flows and a cooling medium communication hole through which a cooling medium flows.
燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス)をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。 A fuel cell supplies a fuel gas (mainly hydrogen-containing gas) and an oxidant gas (mainly oxygen-containing gas) to the anode-side electrode and the cathode-side electrode and causes them to react electrochemically. It is a system that obtains electrical energy.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. Has a cell. This power generation cell is normally used as a fuel cell stack by alternately laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
この種の燃料電池では、起動時に前記燃料電池の温度を発電に適した温度に速やかに昇温させることが望まれている。そこで、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子電解質型燃料電池(スタック)では、図5に示すように、複数の単電池1が積層されるとともに、前記単電池1の積層方向両端と集電板2との間には、発熱体3が介装されている。集電板2の外方には、電気絶縁板4及び加圧板5が積層されている。
In this type of fuel cell, it is desired to quickly raise the temperature of the fuel cell to a temperature suitable for power generation at startup. Therefore, for example, in the solid polymer electrolyte fuel cell (stack) disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 5, a plurality of single cells 1 are stacked and both ends of the single cells 1 in the stacking direction. A
発熱体3には、スタックから出力される電流が、その厚さ方向に通流されることにより、前記発熱体3は、電気発熱体として機能している。従って、発熱体3で発生されるジュール熱の値を、スタックの単電池1の積層方向の端部から放散される熱量に見合った値にすることにより、前記単電池1の積層方向における温度の分布が均一化される、としている。
A current output from the stack is passed through the
しかしながら、上記の特許文献1では、スタックを昇温させるために、専用の発熱体3が用いられている。このため、スタック全体が大型化するとともに、設備費が高騰するという問題がある。しかも、特に低温起動時には、スタック全体を所望の発電開始温度に均一且つ迅速に昇温させることができないという問題がある。
However, in Patent Document 1 described above, a
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池スタック全体を所望の発電開始温度に均一且つ迅速に昇温させることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell stack that can raise the temperature of the entire fuel cell stack uniformly and quickly to a desired power generation start temperature with a simple configuration. And
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向に沿って反応ガスを通流させる反応ガス連通孔及び冷却媒体を通流させる冷却媒体連通孔が設けられる燃料電池スタックに関するものである。 The present invention includes a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked and reacted along the stacking direction. The present invention relates to a fuel cell stack provided with a reaction gas communication hole through which a gas flows and a cooling medium communication hole through which a cooling medium flows.
この燃料電池スタックは、積層される複数の燃料電池の側部の中、冷却媒体連通孔が設けられた側部には、放電用抵抗が配設されている。 In this fuel cell stack, a discharge resistor is disposed on the side portion of the plurality of fuel cells to be stacked, on the side portion where the cooling medium communication hole is provided.
また、この燃料電池スタックは、燃料電池の側部の中、入口側の冷却媒体連通孔が設けられた側部には、前記側部に沿って放電用抵抗が蛇行形状に配設されることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, a discharge resistor is arranged in a meandering manner along the side portion of the side portion of the fuel cell where the cooling medium communication hole is provided on the inlet side. Is preferred.
本発明では、冷却媒体連通孔が設けられた側部に、放電用抵抗が配設されている。このため、特に低温起動時には、放電用抵抗に通電するだけで、燃料電池スタックの放電処理(ディスチャージ処理)が行われるとともに、前記放電用抵抗から発生される熱が冷却媒体に伝達される。 In the present invention, the discharge resistor is disposed on the side portion provided with the cooling medium communication hole. For this reason, especially at the time of low temperature startup, the discharge process (discharge process) of the fuel cell stack is performed only by energizing the discharge resistor, and the heat generated from the discharge resistor is transmitted to the cooling medium.
これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック全体を所望の発電開始温度に均一且つ迅速に昇温させることが可能になる。従って、燃料電池スタックの始動性が向上するとともに、前記燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。 This makes it possible to raise the temperature of the entire fuel cell stack uniformly and quickly to a desired power generation start temperature with a simple configuration. Therefore, the startability of the fuel cell stack can be improved, and deterioration of the fuel cell stack can be suppressed.
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の燃料電池12が矢印A方向(水平方向又は鉛直方向)に積層される。燃料電池12の積層方向一端には、第1ターミナルプレート14a、第1絶縁プレート16a及び第1エンドプレート18aが積層される一方、積層方向他端には、第2ターミナルプレート14b、第2絶縁プレート16b及び第2エンドプレート18bが積層される。第1ターミナルプレート14a及び第2ターミナルプレート14bには、端子板19a、19bが一体に設けられる。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
図3に示すように、燃料電池12は、電解質膜・電極構造体20が、第1及び第2セパレータ22、24に挟持される。第1及び第2セパレータ22、24は、カーボンセパレータで構成されているが、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータにより構成してもよい。第1セパレータ22、電解質膜・電極構造体20及び第2セパレータ24は、互いに図示しないシール部材を介装して積層される。
As shown in FIG. 3, in the
燃料電池12の矢印C方向(図3中、鉛直方向)の一端縁部(上端縁部)には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔26a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔28aが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。
One end edge (upper edge) of the
燃料電池12の矢印C方向の他端縁部(下端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔28b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔26bが、矢印B方向に配列して設けられる。
The other end edge (lower end edge) of the
燃料電池12の矢印B方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための複数、例えば、4つの冷却媒体入口連通孔30a、及び前記冷却媒体を排出するための4つの冷却媒体出口連通孔30bが設けられる。
A plurality of, for example, four cooling medium
第1セパレータ22の電解質膜・電極構造体20に向かう面22aには、酸化剤ガス入口連通孔26aと酸化剤ガス出口連通孔26bとに連通する酸化剤ガス流路32が設けられる。
An oxidant
第2セパレータ24の電解質膜・電極構造体20に向かう面24aには、燃料ガス入口連通孔28aと燃料ガス出口連通孔28bとに連通する燃料ガス流路34が設けられる。
A fuel gas passage 34 communicating with the fuel gas
互いに隣接する燃料電池12を構成する第1セパレータ22の面22bと、第2セパレータ24の面24bとの間には、冷却媒体入口連通孔30aと冷却媒体出口連通孔30bとを連通する冷却媒体流路36が設けられる。
A cooling medium that connects the cooling medium
電解質膜・電極構造体20は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜38と、前記固体高分子電解質膜38を挟持するカソード側電極40及びアノード側電極42とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード側電極40及びアノード側電極42は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜38の両面に形成されている。
The
図1及び図2に示すように、燃料電池スタック10は、積層される複数の燃料電池12の側部の中、冷却媒体入口連通孔30a(冷却媒体連通孔)が設けられた側部10aに、抵抗ユニット44が配設される。抵抗ユニット44は、側部10aに沿って配設されるケーシング46を備えるとともに、前記ケーシング46内には、放電用抵抗48が収容される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
放電用抵抗48は、側部10aに沿って蛇行する、すなわち、矢印C方向両端で交互に折り返して前記側部10aの面方向に延在する。この放電用抵抗48の両端部48a、48bは、第1ターミナルプレート14a及び第2ターミナルプレート14bに電気的に接続される。
The
図4に示すように、燃料電池スタック10は、車両用燃料電池システム50に組み込まれる。この燃料電池システム50は、燃料電池スタック10の端子板19a、19bに電力線52a、52bを接続するとともに、前記電力線52a、52bの途上には、コンタクタ54a、54bを介して抵抗ユニット44が接続される。なお、抵抗ユニット44は、放電用抵抗48の他、熱害から前記抵抗ユニット44及び周辺部品を保護するために、必要に応じて温度ヒューズ56を設けてもよい。
As shown in FIG. 4, the
電力線52a、52bには、コンタクタ54a、54bを介して車両駆動モータユニット58が接続される。この車両駆動モータユニット58は、インバータ及びモータ(図示せず)を備える。
The vehicle
図1及び図4に示すように、燃料電池スタック10には、抵抗ユニット44から離間する側部に、比較的熱による影響を受け易い部品60が配設される。この種の部品としては、例えば、セル電圧監視ユニットや電流バイパスユニット等がある。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図3に示すように、酸化剤ガス入口連通孔26aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔28aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔30aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 3, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔26aから第1セパレータ22の酸化剤ガス流路32に導入される。酸化剤ガスは、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体20を構成するカソード側電極40に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔28aから第2セパレータ24の燃料ガス流路34に導入される。この燃料ガスは、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体20を構成するアノード側電極42に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 34 of the
従って、電解質膜・電極構造体20では、カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極42に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、図4に示すように、コンタクタ54c、54dが閉じられると、燃料電池スタック10から車両駆動モータユニット58に電力が供給され、車両の走行が可能になる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極40に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔26bに沿って矢印A方向に排出される。一方、アノード側電極42に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔28bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、各冷却媒体入口連通孔30aに供給された冷却媒体は、第1及び第2セパレータ22、24間の冷却媒体流路36に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体20を冷却した後、各冷却媒体出口連通孔30bから排出される。
The cooling medium supplied to each cooling medium
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック10の側部10aに沿って抵抗ユニット44が配設されている。そして、燃料電池システム50では、起動時や停止時に、コンタクタ54a、54bを閉じて、燃料電池スタック10の放電処理(ディスチャージ処理)が行われている。
In this case, in this embodiment, the
その際、抵抗ユニット44では、放電用抵抗48が発熱して燃料電池スタック10を昇温させることができる。特に、抵抗ユニット44は、冷却媒体入口連通孔30aが設けられた側部10aに配設されており、放電用抵抗48から前記冷却媒体入口連通孔30aを流通する冷却媒体(上流側の冷却媒体)に熱が伝達される。一方、放電用抵抗48は、良好に放熱することができ、前記放電用抵抗48の過熱を抑制し、抵抗ユニット44自体の小型化が容易に図られる。
At that time, in the
従って、昇温された冷却媒体は、各冷却媒体流路36を流通して冷却媒体出口連通孔30bに排出される際、各燃料電池12を昇温させることができ、燃料電池スタック10全体を均一に昇温させることが可能になる。
Therefore, when the temperature of the raised cooling medium flows through each cooling
例えば、燃料電池システム50の運転停止時に、放電用抵抗48の発熱を介して燃料電池スタック10を昇温させることにより、停止中の前記燃料電池スタック10は、温度の低下速度が緩やかになる。このため、燃料電池スタック10が氷点下に晒される時間を短縮させることができる。しかも、次回の始動時には、比較的高温状態から燃料電池スタック10を起動させることが可能になり、起動時間の短縮化が図られる。
For example, when the operation of the
一方、燃料電池システム50の起動時に、放電用抵抗48の発熱を介して燃料電池スタック10を昇温させることにより、前記燃料電池スタック10は、発電に適した温度に均一且つ迅速に昇温することができる。これにより、燃料電池スタック10の起動時間が良好に短縮され、前記燃料電池スタック10の始動性が向上する効果が得られる。しかも、放電用抵抗48の発熱により急激な温度低下が阻止されるため、停止時に急激に温度が低下することによる燃料電池スタック10の劣化を抑制することが可能になる。
On the other hand, when the
10…燃料電池スタック 10a…側部
12…燃料電池 14a、14b…ターミナルプレート
16a、16b…絶縁プレート 18a、18b…エンドプレート
19a、19b…端子板 20…電解質膜・電極構造体
22、24…セパレータ 26a…酸化剤ガス入口連通孔
26b…酸化剤ガス出口連通孔 28a…燃料ガス入口連通孔
28b…燃料ガス出口連通孔 30a…冷却媒体入口連通孔
30b…冷却媒体出口連通孔 32…酸化剤ガス流路
34…燃料ガス流路 36…冷却媒体流路
38…固体高分子電解質膜 40…カソード側電極
42…アノード側電極 44…抵抗ユニット
46…ケーシング 48…放電用抵抗
50…燃料電池システム 58…車両駆動モータユニット
60…部品
DESCRIPTION OF
Claims (2)
積層される複数の前記燃料電池の側部の中、前記冷却媒体連通孔が設けられた側部には、放電用抵抗が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。 Provided with a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked, and a reaction gas is passed along the stacking direction. A fuel cell stack provided with a reaction gas communication hole and a cooling medium communication hole through which a cooling medium flows.
A fuel cell stack, wherein a discharge resistor is disposed on a side portion provided with the cooling medium communication hole among side portions of the plurality of stacked fuel cells.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2009123311A JP2010272361A (en) | 2009-05-21 | 2009-05-21 | Fuel cell stack |
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Cited By (1)
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WO2017065496A1 (en) * | 2015-10-15 | 2017-04-20 | 주식회사 엘지화학 | Battery pack |
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2009
- 2009-05-21 JP JP2009123311A patent/JP2010272361A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
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WO2017065496A1 (en) * | 2015-10-15 | 2017-04-20 | 주식회사 엘지화학 | Battery pack |
US10381622B2 (en) | 2015-10-15 | 2019-08-13 | Lg Chem, Ltd. | Battery pack |
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