JP2014157776A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack having a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked.
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一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・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。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両に組み込まれている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode is disposed on one side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface side ( MEA) is provided with a power generation cell sandwiched between separators. A fuel cell is usually incorporated in a fuel cell vehicle as an in-vehicle fuel cell stack, for example, by stacking a predetermined number of power generation cells.
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。 In the above fuel cell, a fuel gas channel for flowing fuel gas to the anode electrode and an oxidant gas channel for flowing oxidant gas to the cathode electrode are provided in the plane of the separator. Furthermore, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.
積層方向一端に配設されるエンドプレートには、少なくとも燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔、及び前記酸化剤ガス流路から使用済みの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔等の流体連通孔が形成されている。 The end plate disposed at one end in the stacking direction has at least a fuel gas supply passage for supplying fuel gas to the fuel gas passage, a fuel gas discharge passage for discharging spent fuel gas from the fuel gas passage, Fluid communication holes such as an oxidant gas supply communication hole for supplying oxidant gas to the oxidant gas flow path and an oxidant gas discharge communication hole for discharging used oxidant gas from the oxidant gas flow path are formed. ing.
この場合、燃料電池には、例えば、酸化剤ガスや燃料ガスをこの燃料電池に供給する前に加湿する加湿装置等の外部設備が接続されている。その際、外部設備に設けられる外部配管は、円筒形状に設定されるものが多く、一方、エンドプレートに形成されている流体連通孔は、矩形状や三角形状(非円形状)を有している。このため、円形状の外部配管と非円形状の流体連通孔とを、気密に接続することが困難であるという問題がある。 In this case, the fuel cell is connected to external equipment such as a humidifier that humidifies the oxidant gas or the fuel gas before the fuel cell is supplied to the fuel cell. At that time, the external piping provided in the external equipment is often set in a cylindrical shape, while the fluid communication hole formed in the end plate has a rectangular shape or a triangular shape (non-circular shape). Yes. For this reason, there is a problem that it is difficult to airtightly connect the circular external pipe and the noncircular fluid communication hole.
そこで、特許文献1に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、一方のエンドプレートには、非円形状の連通孔と円形状の外部配管とを連通する樹脂製連結配管が設けられている。この樹脂製連結配管は、非円形状の連通孔に連通する非円形状筒部と、円形状の外部配管に連通する円形状筒部と、一方のエンドプレートの厚さ方向に沿って前記非円形状筒部と前記円形状筒部とを連通する連結形状筒部と、を一体に設けている。 Therefore, a fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell stack, one end plate is provided with a resin connection pipe that connects a non-circular communication hole and a circular external pipe. The resin connection pipe includes a non-circular cylindrical part communicating with a non-circular communication hole, a circular cylindrical part communicating with a circular external pipe, and the non-circular cylindrical part along the thickness direction of one end plate. A circular cylindrical portion and a connecting cylindrical portion that communicates the circular cylindrical portion are integrally provided.
ところで、上記の樹脂製連結配管には、円形状の外部配管の一端が接続されるとともに、前記円形状の外部配管の他端は、外部機器に接続されている。この場合、特に外部配管から樹脂製連結配管を流通して燃料電池スタックに流体が供給される際、配管内部に圧力損失が発生し易い。このため、配管内部において、流体の円滑な流通が遂行されないという問題がある。 By the way, one end of a circular external pipe is connected to the resin-made connecting pipe, and the other end of the circular external pipe is connected to an external device. In this case, particularly when fluid is supplied to the fuel cell stack through the resin connection pipe from the external pipe, pressure loss is likely to occur inside the pipe. For this reason, there exists a problem that the smooth distribution | circulation of the fluid is not performed within piping.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、配管内の圧力損失を可及的に抑制することができ、流体を円滑に流通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 of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of suppressing pressure loss in piping as much as possible and allowing fluid to flow smoothly. And
本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、前記燃料電池の積層方向に少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が形成され、少なくとも一方の前記エンドプレートには、前記流体連通孔と外部配管とを連通する連結配管が接続される燃料電池スタックに関するものである。 The present invention has a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked and end plates are arranged at both ends in the stacking direction. And at least one of the end plates communicates with the fluid communication hole and external piping in the stacking direction of the fuel cell. The present invention relates to a fuel cell stack to which a connecting pipe is connected.
この燃料電池スタックでは、連結配管は、配管中間部位の開口断面積が、流体入口の開口断面積及び流体出口の開口断面積よりも大きな値に設定されている。 In this fuel cell stack, the connecting pipe is set such that the opening cross-sectional area of the pipe intermediate portion is larger than the opening cross-sectional area of the fluid inlet and the opening cross-sectional area of the fluid outlet.
また、この燃料電池スタックでは、連結配管の内壁面は、流体入口から配管中間部位に亘って、及び流体出口から前記配管中間部位に亘って、それぞれ滑らかに形成されるとともに、配管長さ方向に向かって外方に湾曲する外方湾曲面のみにより構成されることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, the inner wall surface of the connection pipe is formed smoothly from the fluid inlet to the pipe intermediate part and from the fluid outlet to the pipe intermediate part, and in the pipe length direction. It is preferable to be configured only by an outward curved surface that curves outward.
さらに、この燃料電池スタックでは、連結配管は、2つの配管中間部位、2つの流体出口及び1つの流体入口を一体に有し、2つの前記配管中間部位の開口断面積を合計した総中間部位開口断面積は、前記流体入口の開口断面積よりも大きな値に設定される一方、前記総中間部位開口断面積は、2つの前記流体出口の開口断面積を合計した総出口側開口断面積よりも大きな値に設定されることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, the connection pipe has two pipe intermediate parts, two fluid outlets and one fluid inlet integrally, and a total intermediate part opening obtained by adding up the opening cross-sectional areas of the two pipe intermediate parts. The cross-sectional area is set to a value larger than the opening cross-sectional area of the fluid inlet, while the total intermediate portion opening cross-sectional area is larger than the total outlet-side opening cross-sectional area obtained by adding the opening cross-sectional areas of the two fluid outlets. It is preferable to set a large value.
本発明によれば、連結配管の配管中間部位は、流体入口の開口断面積及び流体出口の開口断面積よりも大きな開口断面積に設定されている。従って、連結配管内では、流体の圧力損失が可及的に抑制されるため、流体を円滑且つ確実に流通させることが可能になる。特に、連結配管は、途上で湾曲される際にも、内部の圧力損失が増大することがなく、流体の良好な流通が遂行される。 According to the present invention, the pipe intermediate portion of the connection pipe is set to have an opening cross-sectional area larger than the opening cross-sectional area of the fluid inlet and the opening cross-sectional area of the fluid outlet. Accordingly, the pressure loss of the fluid is suppressed as much as possible in the connecting pipe, so that the fluid can be circulated smoothly and reliably. In particular, even when the connecting pipe is bent in the middle, the internal pressure loss does not increase, and a good fluid flow is performed.
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、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。燃料電池スタック10は、複数の燃料電池12が電極面を立位姿勢にして水平方向(矢印B方向)に積層される。なお、複数の燃料電池12を重力方向に積層して燃料電池スタック10を構成してもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
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、外方に向かって順次配設される。燃料電池12の積層方向他端には、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、外方に向かって順次配設される。
At one end in the stacking direction of the
横長形状の第1エンドプレート18aの中央部からは、第1ターミナルプレート14aに接続された第1電力出力端子20aが外方に向かって延在する(図1参照)。横長形状の第2エンドプレート18bの中央部からは、第2ターミナルプレート14bに接続された第2電力出力端子20bが外方に向かって延在する(図2参照)。
A first
第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bの各辺間には、連結バー22の両端がねじ24により固定され、複数の積層された燃料電池12に積層方向(矢印B方向)の締め付け荷重を付与する。
Between the sides of the
図3に示すように、燃料電池12は、電解質膜・電極構造体26と、前記電解質膜・電極構造体26を挟持する第1金属セパレータ28及び第2金属セパレータ30とを備える。
As shown in FIG. 3, the
第1金属セパレータ28及び第2金属セパレータ30は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第1金属セパレータ28及び第2金属セパレータ30は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第1金属セパレータ28及び第2金属セパレータ30に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
The
第1金属セパレータ28及び第2金属セパレータ30は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向(矢印A方向)に延在し且つ短辺が重力方向(矢印C方向)に延在するように構成される。なお、短辺が水平方向に延在し且つ長辺が重力方向に延在するように構成してもよい。
The
燃料電池12の長辺方向(矢印A方向)の一端縁部には、矢印B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長方形等の矩形状(又は三角形状)の酸化剤ガス供給連通孔32aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する長方形等の矩形状(又は三角形状)の燃料ガス供給連通孔34aとが設けられる。
A rectangular shape (or a triangular shape) such as a rectangular shape that communicates with each other in the arrow B direction and supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to one edge of the long side direction (arrow A direction) of the
燃料電池12の長辺方向の他端縁部には、矢印B方向に互いに連通して、燃料ガスを排出する長方形等の矩形状(又は三角形状)の燃料ガス排出連通孔34bと、酸化剤ガスを排出する長方形等の矩形状(又は三角形状)の酸化剤ガス排出連通孔32bとが設けられる。
The other end edge in the long side direction of the
燃料電池12の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部一方側(水平方向一端側)には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔32a及び燃料ガス供給連通孔34a側には、矢印B方向に互いに連通して、冷却媒体を供給する長方形等の矩形状(又は三角形状)の2つの冷却媒体供給連通孔36aが、対向する辺に上下に設けられる。
Both ends of the
燃料電池12の短辺方向の両端縁部他方側(水平方向他端側)には、すなわち、燃料ガス排出連通孔34b及び酸化剤ガス排出連通孔32b側には、矢印B方向に互いに連通して、冷却媒体を排出する長方形等の矩形状(又は三角形状)の2つの冷却媒体排出連通孔36bが、対向する辺に上下に設けられる。
The
電解質膜・電極構造体26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電極40及びアノード電極42とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード電極40及びアノード電極42は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)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(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜38の両面に形成される。
The cathode electrode 40 and the
第1金属セパレータ28の電解質膜・電極構造体26に向かう面28aには、酸化剤ガス供給連通孔32aと酸化剤ガス排出連通孔32bとを連通する酸化剤ガス流路44が形成される。酸化剤ガス流路44は、矢印A方向に延在する複数本の波状流路溝(又は直線状流路溝)により形成される。
An oxidant
第2金属セパレータ30の電解質膜・電極構造体26に向かう面30aには、燃料ガス供給連通孔34aと燃料ガス排出連通孔34bとを連通する燃料ガス流路46が形成される。燃料ガス流路46は、矢印A方向に延在する複数本の波状流路溝(又は直線状流路溝)により形成される。
A fuel
第2金属セパレータ30の面30bと隣接する第1金属セパレータ28の面28bとの間には、冷却媒体供給連通孔36a、36aと冷却媒体排出連通孔36b、36bとに連通する冷却媒体流路48が形成される。この冷却媒体流路48は、水平方向に延在しており、電解質膜・電極構造体26の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。
Between the
第1金属セパレータ28の面28a、28bには、この第1金属セパレータ28の外周端縁部を周回して第1シール部材50が一体成形される。第2金属セパレータ30の面30a、30bには、この第2金属セパレータ30の外周端縁部を周回して第2シール部材52が一体成形される。
A
第1シール部材50及び第2シール部材52としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
As the
図1に示すように、第1エンドプレート18aには、酸化剤ガス供給連通孔32a、酸化剤ガス排出連通孔32b、燃料ガス供給連通孔34a及び燃料ガス排出連通孔34bに連通する酸化剤ガス供給連結配管54a、酸化剤ガス排出連結配管54b、燃料ガス供給連結配管56a及び燃料ガス排出連結配管56bが取り付けられる。
As shown in FIG. 1, the oxidant gas communicating with the oxidant gas
酸化剤ガス供給連結配管54aは、板状取り付け部58を有し、前記板状取り付け部58は、シール60を介し第1エンドプレート18aの酸化剤ガス供給連通孔32aに対応して配置される。板状取り付け部58は、ねじ62により第1エンドプレート18aに固定される。板状取り付け部58から本体部64が一体成形されるとともに、前記本体部64の先端には、円形状の酸化剤ガス入口(流体入口)66が設けられる。
The oxidant gas
図4に示すように、板状取り付け部58には、酸化剤ガス供給連通孔32aに連通する矩形状(又は三角形状)の酸化剤ガス出口(流体出口)68が形成される。酸化剤ガス供給連結配管54aは、酸化剤ガス入口66と酸化剤ガス出口68との間に位置して配管中間部位70を有する。
As shown in FIG. 4, a rectangular (or triangular) oxidant gas outlet (fluid outlet) 68 that communicates with the oxidant gas
図4及び図5に示すように、配管中間部位70の開口断面積W1は、酸化剤ガス入口66の開口断面積W2及び酸化剤ガス出口68の開口断面積W3よりも大きな値に設定される(W1>W2、W1>W3)。
As shown in FIGS. 4 and 5, the opening cross-sectional area W1 of the pipe
酸化剤ガス供給連結配管54aの内壁面54aiは、酸化剤ガス入口66から配管中間部位70に亘って、及び酸化剤ガス出口68から前記配管中間部位70に亘って、それぞれ滑らかに形成される。酸化剤ガス供給連結配管54aの内壁面54aiは、全体として滑らかに連続するとともに、配管長さ方向に向かって外方に湾曲する外方湾曲面のみにより構成される。すなわち、酸化剤ガス供給連結配管54aの内壁面54aiには、内側に湾曲乃至屈曲する部位(縮小部位)が設けられていない。
The inner wall surface 54ai of the oxidant gas
なお、酸化剤ガス排出連結配管54bは、上記の酸化剤ガス供給連結配管54aと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。酸化剤ガス供給連結配管54a及び酸化剤ガス排出連結配管54bは、図示しない外部機器に外部配管を介して接続される。
The oxidant gas
図1に示すように、燃料ガス供給連結配管56aは、板状取り付け部72を有し、前記板状取り付け部72は、シール74を介し第1エンドプレート18aの燃料ガス供給連通孔34aに対応して配置される。板状取り付け部72は、ねじ76により第1エンドプレート18aに固定される。板状取り付け部72から本体部78が一体成形されるとともに、前記本体部78の先端には、円形状の燃料ガス入口(流体入口)80が設けられる。本体部78は、略90゜の角度を有して湾曲成形される。すなわち、燃料ガス入口80の燃料ガス流れ方向は、燃料ガス供給連通孔34aの燃料ガス流れ方向に対して直交する方向に設定される。
As shown in FIG. 1, the fuel gas
図6に示すように、板状取り付け部72には、燃料ガス供給連通孔34aに連通する矩形状(又は三角形状)の燃料ガス出口(流体出口)82が形成される。燃料ガス供給連結配管56aは、燃料ガス入口80と燃料ガス出口82との間に位置して配管中間部位84を有する。
As shown in FIG. 6, a rectangular (or triangular) fuel gas outlet (fluid outlet) 82 communicating with the fuel gas
図6及び図7に示すように、配管中間部位84の開口断面積W4は、燃料ガス入口80の開口断面積W5及び燃料ガス出口82の開口断面積W6よりも大きな値に設定される(W4>W5、W4>W6)。
6 and 7, the opening cross-sectional area W4 of the pipe
燃料ガス供給連結配管56aの内壁面56aiは、燃料ガス入口80から配管中間部位84に亘って、及び燃料ガス出口82から前記配管中間部位84に亘って、それぞれ滑らかに形成される。燃料ガス供給連結配管56aの内壁面56aiは、全体として滑らかに連続するとともに、配管長さ方向に向かって外方に湾曲する外方湾曲面のみにより構成される。すなわち、燃料ガス供給連結配管56aの内壁面56aiには、内側に湾曲乃至屈曲する部位(縮小部位)が設けられていない。
The inner wall surface 56ai of the fuel gas
なお、燃料ガス排出連結配管56bは、上記の燃料ガス供給連結配管56aと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。燃料ガス供給連結配管56a及び燃料ガス排出連結配管56bは、図示しない外部機器に外部配管を介して接続される。
The fuel gas
図2に示すように、第2エンドプレート18bには、上下の冷却媒体供給連通孔36a、36aに一体に連通する冷却媒体供給連結配管86a及び上下の冷却媒体排出連通孔36b、36bに一体に連通する冷却媒体排出連結配管86bが取り付けられる。
As shown in FIG. 2, the
冷却媒体供給連結配管86aは、一対の板状取り付け部88を有し、各板状取り付け部88は、それぞれシール90を介し第2エンドプレート18bの各冷却媒体供給連通孔36aに配置される。板状取り付け部88は、ねじ92により第2エンドプレート18bに固定される。各板状取り付け部88から本体部94が一体成形されるとともに、前記本体部94の中央部には、湾曲する配管部96が一体に設けられる。配管部96の先端には、円形状の冷却媒体入口(流体入口)98が形成される。
The cooling medium
図8に示すように、各板状取り付け部88には、冷却媒体供給連通孔36aに連通する矩形状(又は三角形状)の冷却媒体出口(流体出口)100が形成される。冷却媒体供給連結配管86aは、冷却媒体入口98と各冷却媒体出口100との間に位置して一対の配管中間部位102を有する。
As shown in FIG. 8, each plate-
各配管中間部位102の開口断面積W7を合計した総中間部位開口断面積2×W7は、冷却媒体入口98の開口断面積W8及び各冷却媒体出口100の開口断面積W9を合計した総出口側開口断面積2×W9よりも大きな値に設定される(2×W7>W8、2×W7>2×W9)。
The total intermediate portion opening cross-sectional area 2 × W7 obtained by summing the opening cross-sectional areas W7 of the respective pipe
冷却媒体供給連結配管86aの内壁面86aiは、冷却媒体入口98から配管中間部位102に亘って、及び各冷却媒体出口100から前記配管中間部位102に亘って、それぞれ滑らかに形成される。冷却媒体供給連結配管86aの内壁面86aiは、全体として滑らかに連続するとともに、配管長さ方向に向かって外方に湾曲する外方湾曲面のみにより構成される。すなわち、冷却媒体供給連結配管86aの内壁面86aiには、内側に湾曲乃至屈曲する部位が設けられていない。
The inner wall surface 86ai of the cooling medium
なお、冷却媒体排出連結配管86bは、上記の冷却媒体供給連結配管86aと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照数字に符号aを付して、その詳細な説明は省略する。冷却媒体供給連結配管86a及び冷却媒体排出連結配管86bは、図示しない外部機器に外部配管を介して接続される。
The cooling medium
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1に示すように、第1エンドプレート18aの酸化剤ガス供給連結配管54aから酸化剤ガス供給連通孔32aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第1エンドプレート18aの燃料ガス供給連結配管56aから燃料ガス供給連通孔34aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied from the oxidant gas
一方、図2に示すように、第2エンドプレート18bの冷却媒体供給連結配管86aから一対の冷却媒体供給連通孔36aには、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。
On the other hand, as shown in FIG. 2, a coolant such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied from the coolant
これにより、図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔32aから第1金属セパレータ28の酸化剤ガス流路44に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路44に沿って矢印A方向に移動し、電解質膜・電極構造体26のカソード電極40に供給される。
Thereby, as shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔34aから第2金属セパレータ30の燃料ガス流路46に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路46に沿って矢印A方向に移動し、電解質膜・電極構造体26のアノード電極42に供給される。
On the other hand, the fuel gas is supplied to the fuel
このため、電解質膜・電極構造体26では、カソード電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード電極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て発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、電解質膜・電極構造体26のカソード電極40に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔32bに沿って矢印B方向に流通し、酸化剤ガス排出連結配管54bから排出される(図1参照)。一方、電解質膜・電極構造体26のアノード電極42に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔34bに沿って矢印B方向に流通し、燃料ガス排出連結配管56bから排出される。
Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode electrode 40 of the electrolyte membrane /
また、一対の冷却媒体供給連通孔36aに供給された冷却媒体は、第1金属セパレータ28及び第2金属セパレータ30間の冷却媒体流路48に導入される。冷却媒体は、一旦矢印C方向内方に沿って流動した後、矢印A方向に移動して電解質膜・電極構造体26を冷却する。冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔36bに沿って矢印B方向に流通し、冷却媒体排出連結配管86bから排出される(図2参照)。
The cooling medium supplied to the pair of cooling medium supply communication holes 36 a is introduced into the cooling
この場合、本実施形態では、図4及び図5に示すように、酸化剤ガス供給連結配管54aは、配管中間部位70の開口断面積W1が、酸化剤ガス入口66の開口断面積W2及び酸化剤ガス出口68の開口断面積W3よりも大きな値に設定されている(W1>W2、W1>W3)。
In this case, in this embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the oxidant gas
このため、酸化剤ガス供給連結配管54a内では、酸化剤ガスの圧力損失が可及的に抑制される。従って、外部配管から酸化剤ガス供給連結配管54aを介して酸化剤ガス供給連通孔32aに酸化剤ガスを円滑且つ確実に流通させることが可能になるという効果が得られる。
For this reason, the pressure loss of the oxidant gas is suppressed as much as possible in the oxidant gas
ここで、配管中間部位70の開口断面積が、酸化剤ガス入口66の開口断面積と同一の値を有するとともに、前記配管中間部位70の開口断面形状と前記酸化剤ガス入口66の開口断面形状とが異形状を有する酸化剤ガス供給連結配管(以下、比較例という)を用い、本実施形態の酸化剤ガス供給連結配管54aと圧力損失を比較する実験を行った。その結果が、図9に示されている。
Here, the opening cross-sectional area of the pipe
これにより、比較例では、配管長さが長くなるのに伴って内部の圧力損失が急激に増加するのに対し、本実施形態では、圧力損失の増加が良好に抑制されるという結果が得られた。なお、以下に説明する燃料ガス供給連結配管56a及び冷却媒体供給連結配管86aでも、同様である。
As a result, in the comparative example, the internal pressure loss rapidly increases as the pipe length becomes longer, whereas in the present embodiment, the result that the increase in pressure loss is well suppressed is obtained. It was. The same applies to the fuel gas
また、本実施形態では、図6及び図7に示すように、燃料ガス供給連結配管56aは、配管中間部位84の開口断面積W4が、燃料ガス入口80の開口断面積W5及び燃料ガス出口82の開口断面積W6よりも大きな値に設定されている(W4>W5、W4>W6)。
In this embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7, the fuel gas
このため、燃料ガス供給連結配管56a内では、燃料ガスの圧力損失が可及的に抑制される。従って、外部配管から燃料ガス供給連結配管56aを介して燃料ガス供給連通孔34aに燃料ガスを円滑且つ確実に流通させることが可能になる。特に、燃料ガス供給連結配管56aでは、本体部78が略90゜の角度を有して湾曲成形される際にも、内部の圧力損失が増大することがなく、燃料ガスの良好な流通が遂行される。
For this reason, the pressure loss of the fuel gas is suppressed as much as possible in the fuel gas
さらにまた、本実施形態では、図8に示すように、冷却媒体供給連結配管86aは、各配管中間部位102の総中間部位開口断面積2×W7が、冷却媒体入口98の開口断面積W8及び各冷却媒体出口100の総出口側開口断面積2×W9よりも大きな値に設定されている(2×W7>W8、2×W7>2×W9)。
Furthermore, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, the cooling medium
これにより、冷却媒体供給連結配管86a内では、冷却媒体の圧力損失が可及的に抑制される。このため、外部配管から冷却媒体供給連結配管86aを介して冷却媒体供給連通孔36aに冷却媒体を円滑且つ確実に流通させることが可能になるという効果が得られる。
Thereby, the pressure loss of the cooling medium is suppressed as much as possible in the cooling medium
10…燃料電池スタック 12…燃料電池
18a、18b…エンドプレート 26…電解質膜・電極構造体
28、30…金属セパレータ 32a…酸化剤ガス供給連通孔
32b…酸化剤ガス排出連通孔 34a…燃料ガス供給連通孔
34b…燃料ガス排出連通孔 36a…冷却媒体供給連通孔
36b…冷却媒体排出連通孔 38…固体高分子電解質膜
40…カソード電極 42…アノード電極
44…酸化剤ガス流路 46…燃料ガス流路
48…冷却媒体流路 54a…酸化剤ガス供給連結配管
54b…酸化剤ガス排出連結配管 56a…燃料ガス供給連結配管
56b…燃料ガス排出連結配管 66…酸化剤ガス入口
68…酸化剤ガス出口 70、84、102…配管中間部位
80…燃料ガス入口 82…燃料ガス出口
86a…冷却媒体供給連結配管 86b…冷却媒体排出連結配管
98…冷却媒体入口 100…冷却媒体出口
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記連結配管は、配管中間部位の開口断面積が、流体入口の開口断面積及び流体出口の開口断面積よりも大きな値に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure having electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane and a separator are stacked; a plurality of the fuel cells are stacked; end plates are disposed at both ends in the stacking direction; In addition, a fluid communication hole for flowing at least a reaction gas or a fluid as a cooling medium is formed in the stacking direction of the fuel cell, and at least one of the end plates has a connection pipe that connects the fluid communication hole and an external pipe. A connected fuel cell stack,
The connecting pipe is configured such that an opening cross-sectional area of a pipe intermediate portion is set to a value larger than an opening cross-sectional area of a fluid inlet and an opening cross-sectional area of a fluid outlet.
配管長さ方向に向かって外方に湾曲する外方湾曲面のみにより構成されることを特徴とする燃料電池スタック。 2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein an inner wall surface of the connection pipe is smoothly formed from the fluid inlet to the pipe intermediate part and from the fluid outlet to the pipe intermediate part. ,
A fuel cell stack comprising only an outwardly curved surface that curves outwardly in a pipe length direction.
2つの前記配管中間部位の開口断面積を合計した総中間部位開口断面積は、前記流体入口の開口断面積よりも大きな値に設定される一方、
前記総中間部位開口断面積は、2つの前記流体出口の開口断面積を合計した総出口側開口断面積よりも大きな値に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein the connection pipe integrally includes two of the pipe intermediate portions, the two fluid outlets, and the one fluid inlet.
The total intermediate site opening cross-sectional area, which is the sum of the opening cross-sectional areas of the two pipe intermediate sites, is set to a value larger than the opening cross-sectional area of the fluid inlet,
The total intermediate portion opening cross-sectional area is set to a value larger than a total outlet-side opening cross-sectional area obtained by adding up the opening cross-sectional areas of the two fluid outlets.
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