JP2013152942A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、100℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている(特許文献1参照)。 In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or lower is known (see Patent Document 1).
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。 A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode contains hydrogen and the air electrode contains oxygen. It is a device that supplies the agent gas and generates power by the following electrochemical reaction.
燃料極:H2→2H++2e−(1)
空気極:1/2O2+2H++2e−→H2O(2)
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式(1)に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式(2)に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
At the fuel electrode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among these, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the air electrode, oxygen contained in the oxidant gas supplied to the air electrode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above formula (2). In this way, in the external circuit, electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is taken out.
また、燃料極および空気極の外側にはセパレータが設けられる。燃料極側のセパレータには燃料ガス流路が設けられており、燃料極に燃料ガスが供給される。同様に、空気極側のセパレータには酸化剤ガス流路が設けられ、空気極に酸化剤ガスが供給される。なお、本明細書において、燃料ガスおよび酸化剤ガスを合わせて「反応ガス」と呼ぶ。また、これらのセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水の流路が設けられる。 A separator is provided outside the fuel electrode and the air electrode. The separator on the fuel electrode side is provided with a fuel gas flow path, and fuel gas is supplied to the fuel electrode. Similarly, an oxidant gas flow path is provided in the separator on the air electrode side, and oxidant gas is supplied to the air electrode. In this specification, the fuel gas and the oxidant gas are collectively referred to as “reaction gas”. In addition, a flow path of cooling water for cooling the electrodes is provided between these separators.
上述の構成の固体高分子形燃料電池において、反応ガスは、通常加湿器により加湿されて導入されるが、反応ガス供給用のマニホールド内において冷却されると、大量の凝縮水が発生する。反応ガス由来の凝縮水が反応ガス流路に浸入し、反応ガスの流路が凝縮水によって閉塞されると、電極表面への均一な反応ガスの供給が阻害され、燃料電池の出力が低下することがあった。 In the polymer electrolyte fuel cell having the above-described configuration, the reaction gas is usually humidified and introduced by a humidifier, but a large amount of condensed water is generated when cooled in the reaction gas supply manifold. If the condensed water derived from the reaction gas enters the reaction gas channel and the reaction gas channel is blocked by the condensed water, the supply of the uniform reaction gas to the electrode surface is hindered and the output of the fuel cell decreases. There was a thing.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、反応ガス供給用のマニホールド内における気水分離の度合いを高め、反応ガス供給用のマニホールド内に発生した凝縮水が反応ガス流路に浸入する可能性を低減する技術の提供にある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to increase the degree of gas-water separation in the reaction gas supply manifold, and the condensed water generated in the reaction gas supply manifold is supplied to the reaction gas flow. It is to provide a technique for reducing the possibility of entering the road.
本発明のある態様は、燃料電池スタックである。この燃料電池スタックは、一対の電極の間に電解質膜が設けられた単電池が複数積層された積層体と、積層体を貫通し、各単電池に反応ガスを供給する第1の反応ガス供給マニホールドおよび第2の反応ガス供給マニホールドと、第1の反応ガス供給マニホールドと第2の反応ガス供給マニホールドとをつなぐ連通孔と、を備え、第2の反応ガス供給マニホールドは、第1の反応ガス供給マニホールドの鉛直方向上側に配置され、反応ガスは、外部から第1の反応ガス供給マニホールドに供給されて、連通孔を通って第2の反応ガス供給マニホールドに流入し、第2の反応ガス供給マニホールドから各単電池に分配され、第1の反応ガス供給マニホールドは、凝縮水を排出するための排水路となっている。 One embodiment of the present invention is a fuel cell stack. The fuel cell stack includes a stacked body in which a plurality of unit cells each provided with an electrolyte membrane between a pair of electrodes are stacked, and a first reactive gas supply that passes through the stacked body and supplies a reactive gas to each unit cell. A manifold and a second reaction gas supply manifold; and a communication hole connecting the first reaction gas supply manifold and the second reaction gas supply manifold. The second reaction gas supply manifold includes a first reaction gas. Arranged vertically above the supply manifold, the reaction gas is supplied from the outside to the first reaction gas supply manifold, flows into the second reaction gas supply manifold through the communication hole, and is supplied to the second reaction gas supply. The first reaction gas supply manifold is distributed from the manifold to each single cell, and serves as a drainage channel for discharging condensed water.
この態様によれば、反応ガスは、外部から第1の反応ガス供給マニホールドに供給され、連通孔を介して、鉛直方向上方に配置された第2の反応ガス供給マニホールドに導入されて、各単電池に分配される。反応ガスに混じった凝縮水は、第1の反応ガス供給マニホールド内に留まるとともに、第1の反応ガス供給マニホールド内を通って燃料電池スタックの外部に排出される。そのため、反応ガス供給マニホールド内における気水分離の度合いが高まり、反応ガス供給マニホールド内に発生した凝縮水が反応ガス流路に浸入する可能性が低減する。 According to this aspect, the reaction gas is supplied from the outside to the first reaction gas supply manifold, and is introduced into the second reaction gas supply manifold arranged vertically above the communication hole. Distributed to the batteries. Condensed water mixed with the reaction gas stays in the first reaction gas supply manifold and is discharged outside the fuel cell stack through the first reaction gas supply manifold. Therefore, the degree of gas-water separation in the reaction gas supply manifold is increased, and the possibility that condensed water generated in the reaction gas supply manifold enters the reaction gas flow path is reduced.
上記態様において、単電池は一対のセパレータに挟持され、連通孔は、積層体中の隣り合うセパレータ間に設けられていてもよい。 In the above aspect, the unit cell may be sandwiched between a pair of separators, and the communication hole may be provided between adjacent separators in the laminate.
上記態様において、第1の反応ガス供給マニホールドおよび第2の反応ガス供給マニホールドをシールするシール材がセパレータ間に設けられ、シール材は、第1の反応ガス供給マニホールドと第2の反応ガス供給マニホールドとの間に延在する仕切片を有し、仕切片の非延在領域において、連通孔は形成されていてもよい。 In the above aspect, a seal material that seals the first reaction gas supply manifold and the second reaction gas supply manifold is provided between the separators, and the seal materials include the first reaction gas supply manifold and the second reaction gas supply manifold. And a communicating hole may be formed in a non-extending region of the partitioning piece.
本発明の他の態様もまた、燃料電池スタックである。この燃料電池スタックは、一対の電極の間に電解質膜が設けられた単電池が複数積層された積層体と、鉛直方向に蛇行しながら積層体を貫通し、上部屈曲領域から各単電池に反応ガスを供給する反応ガス供給マニホールドと、積層体を貫通し、反応ガス供給マニホールドの下部と交わっている排水路と、を備える。 Another aspect of the present invention is also a fuel cell stack. This fuel cell stack has a laminate in which a plurality of unit cells each provided with an electrolyte membrane between a pair of electrodes are laminated, and passes through the laminate while meandering in the vertical direction, and reacts to each unit cell from an upper bent region. A reaction gas supply manifold that supplies gas; and a drainage passage that penetrates the stack and intersects with a lower portion of the reaction gas supply manifold.
この態様によれば、反応ガスは、鉛直方向に蛇行する反応ガス供給マニホールドに供給され、その上部屈曲領域から反応ガス流路に導入されて、各単電池に分配される。反応ガスに混じった凝縮水は、屈曲する反応ガス供給マニホールドの壁面に当たって流れ落ち、反応ガス供給マニホールドの下部に設けた排水路を通って反応ガス供給マニホールドの外部に排出される。そのため、反応ガス供給マニホールド内における気水分離の度合いが高まり、反応ガス供給マニホールド内に発生した凝縮水が反応ガス流路に浸入する可能性が低減する。 According to this aspect, the reaction gas is supplied to the reaction gas supply manifold meandering in the vertical direction, introduced into the reaction gas flow path from the upper bent region, and distributed to each unit cell. The condensed water mixed with the reaction gas flows down against the wall surface of the reaction gas supply manifold that is bent, and is discharged to the outside of the reaction gas supply manifold through a drainage channel provided at the lower part of the reaction gas supply manifold. Therefore, the degree of gas-water separation in the reaction gas supply manifold is increased, and the possibility that condensed water generated in the reaction gas supply manifold enters the reaction gas flow path is reduced.
上記態様において、単電池は一対のセパレータに挟持され、セパレータには、反応ガス供給マニホールドの一部を構成する反応ガス用貫通孔と、排水路の一部を構成する排水用貫通孔が形成され、反応ガス用貫通孔は、積層体中の隣り合うセパレータ間で鉛直方向に異なる位置に形成されていてもよい。 In the above aspect, the unit cell is sandwiched between a pair of separators, and the separator is formed with a reaction gas through hole that forms part of the reaction gas supply manifold and a drain through hole that forms part of the drainage channel. The reactive gas through holes may be formed at different positions in the vertical direction between adjacent separators in the laminate.
上記態様において、反応ガス用貫通孔の、反応ガスの流れの上流側の開口部周囲に、凸部が設けられていてもよい。 In the above aspect, a convex portion may be provided around the opening portion of the reactive gas through hole upstream of the reactive gas flow.
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。 A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.
本発明によれば、反応ガス供給用のマニホールド内における気水分離の度合いを高め、反応ガス供給用のマニホールド内に発生した凝縮水が反応ガス流路に浸入する可能性を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to increase the degree of gas-water separation in the reaction gas supply manifold, and to reduce the possibility that condensed water generated in the reaction gas supply manifold enters the reaction gas flow path. .
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る燃料電池スタック10の構成を示す概略斜視図である。図2は、図1の燃料電池スタック10をA1方向からみたときの概略側面図である。図3は、図1の燃料電池スタック10をA2方向からみたときの概略側面図である。図4は、図1の燃料電池スタック10をA3方向からみたときの概略側面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating a configuration of a
燃料電池スタック10は、カソードとアノード(一対の電極)との間に電解質膜が設けられたセル(単電池)が複数積層された積層体20と、一対の集電体30a,30b(以下、適宜、集電体30という)と、一対の端板32a,32b(以下、適宜、端板32という)と、を備える。なお、本実施形態では、端板32a,32bは絶縁体、たとえば絶縁性樹脂で形成される。
The
積層体20は、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜が設けられたセルが複数積層されたものである。集電体30は、セルが発電した電流を外部へ導くために、積層体20の両端部に位置するセルにそれぞれ接している。集電体30には、外部との接続用の接続端子31が設けられている。端板32は、積層体20を締め付ける締め付け力が集電体30を介して積層体20の両端にかかるように、ボルト、ナットなどの締結機構(図示せず)により締め付けられている。
The laminate 20 is formed by laminating a plurality of cells each provided with a solid polymer electrolyte membrane between an anode and a cathode. The current collectors 30 are in contact with the cells located at both ends of the stacked
燃料電池スタック10には、酸化剤供給マニホールド100(反応ガス供給マニホールド)、酸化剤排出マニホールド110、燃料供給マニホールド120(反応ガス供給マニホールド)、燃料排出マニホールド130、冷却水供給マニホールド140および冷却水排出マニホールド150が設けられている。
The
酸化剤供給マニホールド100に供給された酸化剤としての空気は、各セルのカソードに分配される。酸化剤供給マニホールド100は、燃料電池スタック10を貫通し、燃料電池スタック10の端板32a,32bにそれぞれ入口および出口を有する。酸化剤供給マニホールド100の出口側は、凝縮水排出用の配管に接続される。各セルを未反応のまま通過した空気は、酸化剤排出マニホールド110に集められ、燃料電池スタック10から排出される。なお、酸化剤排出マニホールド110は、積層体20および端板32bを貫通し、端板32bに出口を有する。酸化剤供給マニホールド100の構成の詳細については後述する。
The air as the oxidant supplied to the
一方、燃料供給マニホールド120に供給された燃料ガス(改質ガス)は、各セルのアノードに分配される。燃料供給マニホールド120は、燃料電池スタック10を貫通し、燃料電池スタック10の端板32a,32bにそれぞれ入口および出口を有する。燃料供給マニホールド120の出口側は、凝縮水排出用の配管に接続される。各セルを未反応のまま通過した燃料ガスは、燃料排出マニホールド130に集められ、燃料電池スタック10から排出される。なお、燃料排出マニホールド130は、積層体20および端板32bを貫通し、端板32bに出口を有する。燃料供給マニホールド120の構成の詳細については、後述する酸化剤供給マニホールド100の構成と同様である。
On the other hand, the fuel gas (reformed gas) supplied to the
また、冷却水供給マニホールド140に供給された冷却水は、各セルを冷却するための冷却水流路に分配される。冷却水流路を通過した冷却水は、冷却水排出マニホールド150に集められ、燃料電池スタック10から排出される。冷却水供給マニホールド140は、燃料電池スタック10を貫通し、燃料電池スタック10の端板32b,32aにそれぞれ入口および出口を有する。冷却水供給マニホールド140の出口側は、冷却水供給マニホールド140に入り込んだガスを抜くためのガス抜き口として用いられる。
The cooling water supplied to the cooling
(マニホールドの構成)
図5は、実施形態1に係る燃料電池スタック10に用いられるカソード用セパレータの概略平面図、図6は、アノード用セパレータの概略平面図、図7は、アノード用セパレータの裏面の概略平面図である。また、図8は、燃料電池スタック10の内部における酸化剤供給マニホールド100の構成を示す、図3におけるA−A線分で切断した概略断面図、図9は、酸化剤供給マニホールド100の一部(図8のA部分)を示す拡大部分断面図である。
(Manifold configuration)
5 is a schematic plan view of a cathode separator used in the
各セルのカソードには図5に示すカソード用セパレータ400が接し、また各セルのアノードには図6に示すアノード用セパレータ420が接している。すなわち、各セルはそれぞれ一対のセパレータに挟持されている。また、各図に示すように、燃料電池スタック10の内部で、酸化剤供給マニホールド100は、第1の酸化剤供給マニホールド102(第1の反応ガス供給マニホールド)と第2の酸化剤供給マニホールド104(第2の反応ガス供給マニホールド)とに分割されている。そして、第2の酸化剤供給マニホールド104は第1の酸化剤供給マニホールド102の鉛直方向上側に配置されている。燃料供給マニホールド120についても酸化剤供給マニホールド100と同様に、第1の燃料供給マニホールド122(第1の反応ガス供給マニホールド)と第2の燃料供給マニホールド124(第2の反応ガス供給マニホールド)とに分割されている。そして、第2の燃料供給マニホールド124は第1の燃料供給マニホールド122の鉛直方向上方に配置されている。
The
カソード用セパレータ400には、図5に示すように、空気が流通するガス流路402が設けられている。また、カソード用セパレータ400には、第2の酸化剤供給マニホールド104とガス流路402とを接続するガス導入路404が設けられている。さらに、カソード用セパレータ400には、ガス流路402と酸化剤排出マニホールド110とを接続するガス排出路406が設けられている。
The
アノード用セパレータ420には、図6に示すように、燃料ガスが流通するガス流路422が設けられている。また、アノード用セパレータ420には、第2の燃料供給マニホールド124とガス流路422とを接続するガス導入路424が設けられている。さらに、アノード用セパレータ420には、ガス流路422と燃料排出マニホールド130とを接続するガス排出路426が設けられている。
As shown in FIG. 6, the
アノード用セパレータ420の裏面側には、図7に示すように、冷却水流路410が設けられている。また、アノード用セパレータ420の裏面側には、冷却水供給マニホールド140と冷却水流路410とを接続する冷却水導入路412が設けられている。さらに、アノード用セパレータ420の裏面側には、冷却水流路410と冷却水排出マニホールド150とを接続する冷却水排出414が設けられている。
As shown in FIG. 7, a cooling
以上のように構成された燃料電池スタック10は、燃料としてたとえば水素ガスを用いるとともに、酸化剤としてたとえば空気を用いて発電を行う。具体的には、燃料電池スタック10を構成する各セル(単電池)において、固体高分子電解質膜の一方の面に接するアノードでは、式(1)で示す電極反応が起きる。一方、固体高分子膜の一方の面に接するカソードでは、式(2)で示す電極反応が起きる。各セルは、冷却水プレートを流通する冷却水によって冷却され、約70〜80℃の適温に調節される。
The
つづいて、空気を例に酸化剤供給マニホールド100内での空気の流れと、凝縮水の排出について説明する。
Next, the flow of air in the
図8に示すように、カソード用セパレータ400とアノード用セパレータ420との間にはシール材108が設けられ、各セパレータ間をシールして酸化剤供給マニホールド100内を気密に保っている。そして、各セパレータがシール材108を挟んで配置されることで、隣り合うセパレータ間に、第1の酸化剤供給マニホールド102と第2の酸化剤供給マニホールド104とをつなぐ連通孔106が形成されている。ここで、シール材108は、第1の酸化剤供給マニホールド102と第2の酸化剤供給マニホールド104との間に延在する仕切片108aを有していてもよい。図9は、酸化剤供給マニホールド100および燃料供給マニホールド120に仕切片108aを有するシール材108を設けた状態を示すカソード用セパレータ400の概略平面図である。図9に示すように、第1の酸化剤供給マニホールド102と第2の酸化剤供給マニホールド104との間には、2つの仕切片108aが互いに対向して延在している。そして、仕切片108aの非延在領域において、連通孔106は形成されている。そのため、連通孔106の連通面積は、仕切片108aの長さによって調節可能となっている。
As shown in FIG. 8, a sealing
空気は、外部から第1の酸化剤供給マニホールド102に供給される。第1の酸化剤供給マニホールド102に供給された空気は、図10に矢印で示すように、第1の酸化剤供給マニホールド102から、連通孔106を通って鉛直方向上方にある第2の酸化剤供給マニホールド104に流入する。そして、空気は第2の酸化剤供給マニホールド104からガス導入路404を通ってガス流路402に至り、各セルに分配される。このとき、空気に混じった凝縮水は、その多くが第1の酸化剤供給マニホールド102の内壁に当たって、第1の酸化剤供給マニホールド102内に流れ落ちる。このため、第2の酸化剤供給マニホールド104への凝縮水の流入が抑制される。この結果、凝縮水が空気とともにカソード用セパレータ400に設けられたガス流路402に混入することが抑制される。
Air is supplied to the first
また、第1の酸化剤供給マニホールド102に流れ落ちた凝縮水は、第1の酸化剤供給マニホールド102内を通って、酸化剤供給マニホールド100の出口から凝縮水排出用の配管に流れ込む。すなわち、第1の酸化剤供給マニホールドは、凝縮水を排出するための排水路となっている。なお、本実施形態では、酸化剤供給マニホールド100を例に空気の流れと凝縮水の排出について説明したが、燃料供給マニホールド120についても同様である。
The condensed water that has flowed down to the first
以上、本実施形態の燃料電池スタック10は、反応ガス供給マニホールドを、第1および第2の反応ガス供給マニホールドに分割している。そして反応ガスは、外部から第1の反応ガス供給マニホールドに供給され、連通孔を介して、鉛直方向上方に配置された第2の反応ガス供給マニホールドに導入されて、第2の反応ガス供給マニホールドから各セルに分配される。反応ガスに混じった凝縮水は、第1の反応ガス供給マニホールド内に流れ落ちるとともに、第1の反応ガス供給マニホールド内を通って反応ガス供給マニホールドの外部に排出される。そのため、反応ガス供給マニホールド内における気水分離の度合いが高まり、反応ガス供給マニホールド内に発生した凝縮水が反応ガス流路に浸入する可能性が低減する。
As described above, in the
また、第1の反応ガス供給マニホールドに供給された反応ガスは、比較的径の小さい連通孔106を通って第2の反応ガス供給マニホールドに流入する。そのため、反応ガスの流れの上流側において過剰の反応ガスがセルに分配されて、反応ガスの流れの下流側においてセルに分配される反応ガスが不足することが抑制される。この結果、各セルに分配される反応ガスの均一化を図ることができる。
Further, the reaction gas supplied to the first reaction gas supply manifold flows into the second reaction gas supply manifold through the
(実施形態2)
図11は、実施形態2に係る燃料電池スタック10に用いられるカソード用セパレータの概略平面図、図12は、アノード用セパレータの概略平面図、図13は、アノード用セパレータの裏面の概略平面図である。また、図14は、燃料電池スタック10の内部における酸化剤供給マニホールド100の構成を示す、図3におけるA−A線分で切断した概略断面図、図15は、酸化剤供給マニホールド100の一部(図14のB部分)を示す拡大部分断面図である。
(Embodiment 2)
11 is a schematic plan view of a cathode separator used in the
本実施形態では、反応ガス供給マニホールドを鉛直方向に蛇行させながら積層体を貫通させ、その蛇行部分の上部屈曲領域からガス流路に反応ガスを導入する点、および積層体を貫通し、反応ガス供給マニホールドの下部と交わっている排水路を備える点が実施形態1と異なる。それ以外の燃料電池スタックの構成、およびアノード用セパレータの裏面側に設けられた冷却水供給用の構成については実施形態1と同様であるため、同一の図面を用いるとともに説明は省略する。 In the present embodiment, the reaction gas supply manifold is meandered in the vertical direction, the laminated body is penetrated, the reaction gas is introduced from the upper bent region of the meandering portion into the gas flow path, and the laminated body is penetrated to react gas. The difference from Embodiment 1 is that a drainage channel intersecting with the lower part of the supply manifold is provided. Since the other configuration of the fuel cell stack and the configuration for supplying the cooling water provided on the back side of the anode separator are the same as those in the first embodiment, the same drawings are used and the description thereof is omitted.
図11に示すように、カソード用セパレータ400の酸化剤供給マニホールド100には、仕切部材101が設けられている。仕切部材101の上部領域には酸化剤用貫通孔103a(反応ガス用貫通孔)が形成され、仕切部材101の下部には排水用貫通孔105が形成されている。また、燃料供給マニホールド120には、仕切部材121が設けられている。仕切部材121の下部領域には、燃料用貫通孔123b(反応ガス用貫通孔)が形成され、仕切部材121の下部であって燃料用貫通孔123bよりも下方に排水用貫通孔125が形成されている。また、酸化剤用貫通孔103aおよび燃料用貫通孔123bの、空気あるいは燃料ガスの流れの上流側の開口部周囲には、それぞれ凸部107、127が設けられている。なお、仕切部材101、121および凸部107、127は、カソード用セパレータ400と一体成形された構成であってもよい。
As shown in FIG. 11, a
図12、13に示すように、アノード用セパレータ420の酸化剤供給マニホールド100には、仕切部材101が設けられている。仕切部材101の下部領域には、酸化剤用貫通孔103b(反応ガス用貫通孔)が形成され、仕切部材101の下部であって酸化剤用貫通孔103bよりも下方に排水用貫通孔105が形成されている。また、燃料供給マニホールド120には、仕切部材121が設けられている。仕切部材121の上部領域には、燃料用貫通孔123a(反応ガス用貫通孔)が形成され、仕切部材121の下部に排水用貫通孔125が形成されている。また、酸化剤用貫通孔103bおよび燃料用貫通孔123aの、空気あるいは燃料ガスの流れの上流側の開口部周囲には、それぞれ凸部107、127が設けられている。なお、仕切部材101、121および凸部107、127は、アノード用セパレータ420と一体成形された構成であってもよい。
As shown in FIGS. 12 and 13, a
ここで、酸化剤供給マニホールド100を例に説明すると、酸化剤供給マニホールド100に供給された空気は、酸化剤用貫通孔103a、103bを通過しながら、酸化剤供給マニホールド100内を移動する。すなわち、酸化剤用貫通孔103a、103bは酸化剤供給マニホールド100の一部を構成している。また、図14に示すように、酸化剤用貫通孔103a、103bは、隣り合うセパレータ間で鉛直方向に異なる位置に形成されている。すなわち、酸化剤用貫通孔103aが酸化剤用貫通孔103bに対して、鉛直方向上方にずらして配置されている。そのため、酸化剤供給マニホールド100は、鉛直方向に蛇行しながら積層体20を貫通することとなる。
Here, the
外部から酸化剤供給マニホールド100に供給された空気は、図15に矢印で示すように、酸化剤用貫通孔103bを通過するとカソード用セパレータ400の仕切部材101により方向を変えられて上昇する。そして、ガス導入路404を通ってガス流路402に至り、各セルに分配される。また、ガス導入路404に導入されなかった空気は、酸化剤用貫通孔103aを通過して下流側のアノード用セパレータ420の仕切部材101により方向を変えられて下降する。ことのき、空気に混じった凝縮水は、仕切部材101に当たって、酸化剤供給マニホールド100内に流れ落ちる。酸化剤供給マニホールド100の下部には排水路が交わっており、排水用貫通孔105は排水路の一部を形成している。酸化剤供給マニホールド100内に流れ落ちた凝縮水は、排水路を通って、酸化剤供給マニホールド100から外部に排出される。
As shown by the arrow in FIG. 15, the air supplied from the outside to the
このように、空気は、蛇行する酸化剤供給マニホールド100内を移動し、空気に混じった凝縮水が屈曲する反応ガス供給マニホールドの壁面に当たって空気から取り除かれた後に、酸化剤供給マニホールド100の蛇行部分の上部屈曲領域から各セルに供給される。この結果、凝縮水が空気とともにカソード用セパレータ400に設けられたガス流路402に混入することが抑制される。なお、本実施形態では、酸化剤供給マニホールド100を例に空気の流れと凝縮水の排出について説明したが、燃料供給マニホールド120についても同様である。また、本実施形態では、全てのセパレータに仕切部材を設けているが、たとえば反応ガスの流入口側にある所定数のセパレータに仕切部材を設けるようにしてもよい。
As described above, the air moves in the meandering
以上、本実施形態の燃料電池スタック10は、反応ガス供給マニホールドを、鉛直方向に蛇行させながら積層体を貫通させ、その上部屈曲領域からガス流路に反応ガスを導入している。反応ガスに混じった凝縮水は、仕切部材に当たって流れ落ち、積層体20を貫通するとともに反応ガス供給マニホールドの下部と交わっている排水路を通って反応ガス供給マニホールドの外部に排出される。そのため、反応ガス供給マニホールド内における気水分離の度合いが高まり、反応ガス供給マニホールド内に発生した凝縮水が反応ガス流路に浸入する可能性が低減する。
As described above, in the
また、反応ガス用貫通孔の、反応ガスの流れの上流側の開口部周囲には凸部が設けられている。そのため、反応ガス用貫通孔の上側から仕切部材101に沿って流れ落ちてきた凝縮水は、凸部に沿って開口部を迂回しながらさらに下方に流れ落ちていく。これにより凝縮水が反応ガス用貫通孔を通って下流側のセパレータに移動するのが抑制されるため、反応ガス供給マニホールド内における気水分離の度合いがさらに高まり、反応ガス供給マニホールド内に発生した凝縮水が反応ガス流路に進入する可能性が低減する。
In addition, a convex portion is provided around the opening portion of the reactive gas through hole on the upstream side of the reactive gas flow. Therefore, the condensed water that has flowed down along the
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. Embodiments to which such modifications are added Can also be included in the scope of the present invention.
たとえば、上述の実施の形態では、電解質膜として、固体高分子膜が用いられているが、電解質膜は、これに限られず、無機/有機複合高分子電解質膜を用いてもよい。 For example, in the above-described embodiment, a solid polymer membrane is used as the electrolyte membrane. However, the electrolyte membrane is not limited to this, and an inorganic / organic composite polymer electrolyte membrane may be used.
1 燃料電池スタック、 20 積層体、 100 酸化剤供給マニホールド、 101 仕切部材、 102 第1の酸化剤供給マニホールド、 103a、103b 酸化剤用貫通孔、 104 第2の酸化剤供給マニホールド、 105、125 排水用貫通孔、 106 連通孔、 108 シール材、 108a 仕切片、 120 燃料供給マニホールド、 121 仕切部材、 122 第1の燃料供給マニホールド、 123a、123b 燃料用貫通孔、 124 第2の燃料供給マニホールド、 107、127 凸部、 400 カソード用セパレータ、 402、422 ガス流路、 404、424 ガス導入路、 420 アノード用セパレータ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack, 20 Stack, 100 Oxidant supply manifold, 101 Partition member, 102 First oxidant supply manifold, 103a, 103b Oxidant through-hole, 104 Second oxidant supply manifold, 105, 125 Drain Through hole, 106 Communication hole, 108 Sealing material, 108a Partition piece, 120 Fuel supply manifold, 121 Partition member, 122 First fuel supply manifold, 123a, 123b Fuel through hole, 124 Second fuel supply manifold, 107 127, convex portion, 400 separator for cathode, 402, 422 gas flow path, 404, 424 gas introduction path, 420 anode separator.
Claims (3)
鉛直方向に蛇行しながら前記積層体を貫通し、蛇行部分の上部屈曲領域から各単電池に反応ガスを供給する反応ガス供給マニホールドと、
前記積層体を貫通し、前記反応ガス供給マニホールドの下部と交わっている排水路と、
を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。 A laminated body in which a plurality of unit cells each provided with an electrolyte membrane between a pair of electrodes are laminated;
A reaction gas supply manifold that passes through the laminate while meandering in the vertical direction, and supplies a reaction gas to each single cell from the upper bent region of the meandering portion;
A drainage channel penetrating the laminate and intersecting with the lower part of the reaction gas supply manifold;
A fuel cell stack comprising:
前記セパレータには、前記反応ガス供給マニホールドの一部を構成する反応ガス用貫通孔と、前記排水路の一部を構成する排水用貫通孔が形成され、
前記反応ガス用貫通孔は、前記積層体中の隣り合う前記セパレータ間で鉛直方向に異なる位置に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。 The unit cell is sandwiched between a pair of separators,
The separator is formed with a reaction gas through-hole constituting a part of the reaction gas supply manifold and a drainage through-hole constituting a part of the drainage channel,
2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the reactive gas through-holes are formed at different positions in the vertical direction between adjacent separators in the stack.
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