JP2015220142A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが、複数積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関する。 The present invention comprises a laminate in which a plurality of power generation cells each having an electrolyte / electrode structure and a separator on which electrodes are arranged on both sides of the electrolyte are laminated, and a terminal plate on both sides in the lamination direction of the laminate. The present invention relates to a fuel cell stack in which an insulator and an end plate are disposed.
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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)及び多孔質カーボン(ガス拡散層)を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)間に挟持されることにより発電セルが構成されている。燃料電池は、発電セルを所定の数だけ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使用されている。 For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell comprises an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane ( MEA). The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to constitute a power generation cell. A fuel cell is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル(以下、端部発電セルともいう)は、例えば、電力取り出し用ターミナルプレート(集電板)や、エンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。 By the way, in the fuel cell stack, there is a power generation cell in which a temperature drop is likely to be caused by heat radiation to the outside as compared with other power generation cells. For example, a power generation cell (hereinafter also referred to as an end power generation cell) arranged at the end in the stacking direction has a large amount of heat released from, for example, a power extraction terminal plate (current collector plate) or an end plate. The temperature drop is remarkable.
この温度低下によって、端部発電セルでは、燃料電池スタックの中央部分の発電セルに比べて結露が発生し易くなる。このため、生成水の排出性が低下して、発電性能が低下するという不具合が指摘されている。 Due to this temperature decrease, condensation is more likely to occur in the end power generation cells than in the central power generation cell of the fuel cell stack. For this reason, the malfunction that the discharge | emission property of produced water falls and power generation performance falls is pointed out.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、図16に示すように、セル1の積層体の各端部には、エンドプレート2a、2bが配置されている。燃料電池内には、冷却システム3が設けられている。冷却システム3は、各セル1内を積層方向に延在する循環ダクト4を備えるとともに、前記循環ダクト4には、流体ポンプ5を介して冷却材が循環供給されている。
Thus, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, as shown in FIG. 16,
エンドプレート2a、2bの外方には、熱取り出し手段6が配設される。各熱取り出し手段6は、複数本のヒートパイプ7を備えるとともに、前記ヒートパイプ7は、エンドプレート2a、2b内に挿入されている。ヒートパイプ7は、エンドプレート2a、2bの内部を循環ダクト4に沿って流通する冷却材の熱を受熱し、セル1の冷却を迅速に行うことができる、としている。
Heat extraction means 6 is disposed outside the
しかしながら、上記の燃料電池では、エンドプレート2a、2bの外方に、それぞれセル1の積層方向に延在する複数本のヒートパイプ7を備えた熱取り出し手段6が配設されている。このため、システム全体は、セル1の積層方向に沿って相当に長尺化されるという問題がある。
However, in the fuel cell described above, the heat extraction means 6 including a plurality of
しかも、燃料電池の暖機時には、エンドプレート2a、2bからヒートパイプ7に受熱されてしまう。これにより、特に端部に配置されるセル1では、暖機時の保温が困難になるという問題がある。
Moreover, when the fuel cell is warmed up, the
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行す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 it is a simple and compact configuration that can reliably prevent a temperature drop of an end power generation cell and can perform warm-up well. The purpose is to provide.
本発明に係る燃料電池スタックは、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが、複数積層される積層体を備えている。燃料電池スタックには、積層体の積層方向に延在して燃料ガス、酸化剤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ている。積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設されている。 The fuel cell stack according to the present invention includes a laminate in which a plurality of power generation cells each including an electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte and a separator are laminated. The fuel cell stack is formed with fluid communication holes that extend in the stacking direction of the stack and allow a fluid that is a fuel gas, an oxidant gas, or a cooling medium to flow therethrough. A terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed on both sides in the stacking direction of the stack.
そして、少なくとも一方のエンドプレート側には、棒状を有するヒートパイプ構造体が燃料電池スタックの内部に設けられている。ヒートパイプ構造体は、それぞれ個別の流体連通孔に配置され、流体から受熱する一対の受熱部と、発電セルの発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部で受熱した熱を放出する放熱部とを備えている。放熱部の両端には、受熱部が一体に設けられている。 A heat pipe structure having a rod shape is provided inside the fuel cell stack on at least one end plate side. The heat pipe structure is disposed in each fluid communication hole, and extends along a plane direction parallel to the power generation surface of the power generation cell and a pair of heat reception portions that receive heat from the fluid, and heat received by each heat reception portion. And a heat dissipating part that emits. A heat receiving portion is integrally provided at both ends of the heat radiating portion.
また、この燃料電池スタックでは、互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されることが好ましい。その際、冷却媒体流路の入口側には、前記冷却媒体流路を流路幅方向に挟んで流体連通孔である一対の冷却媒体入口連通孔が設けられることが好ましい。一方、冷却媒体流路の出口側には、前記冷却媒体流路を流路幅方向に挟んで流体連通孔である一対の冷却媒体出口連通孔が設けられることが好ましい。 Moreover, in this fuel cell stack, it is preferable that a cooling medium flow path for flowing the cooling medium along the separator surface is formed between the separators adjacent to each other. At this time, it is preferable that a pair of cooling medium inlet communication holes which are fluid communication holes are provided on the inlet side of the cooling medium flow path so as to sandwich the cooling medium flow path in the flow width direction. On the other hand, it is preferable that a pair of cooling medium outlet communication holes that are fluid communication holes are provided on the outlet side of the cooling medium flow path so as to sandwich the cooling medium flow path in the flow width direction.
さらに、この燃料電池スタックでは、ヒートパイプ構造体は、各受熱部が一対の冷却媒体入口連通孔に、一対の冷却媒体出口連通孔に、又は一つの冷却媒体入口連通孔と一つの冷却媒体出口連通孔とに、配置されることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, the heat pipe structure has each heat receiving portion as a pair of cooling medium inlet communication holes, a pair of cooling medium outlet communication holes, or one cooling medium inlet communication hole and one cooling medium outlet. It is preferable to arrange in the communication hole.
さらにまた、この燃料電池スタックでは、複数本のヒートパイプ構造体が取り付けられることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell stack, it is preferable that a plurality of heat pipe structures are attached.
本発明によれば、ヒートパイプ構造体では、冷却媒体又は反応ガスを流通させる流体連通孔から一対の受熱部に受熱されるとともに、前記一対の受熱部に連結されている放熱部から発電面に平行な面方向に沿って放熱されている。このため、ヒートパイプ構造体の両端部を熱入力部(受熱部)として用いることにより、受熱面積を確保することができ、熱供給流体経路の圧損が増加することを抑制することが可能になる。 According to the present invention, in the heat pipe structure, heat is received by the pair of heat receiving portions from the fluid communication hole through which the cooling medium or the reaction gas flows, and from the heat radiating portion connected to the pair of heat receiving portions to the power generation surface. Heat is dissipated along the parallel surface direction. For this reason, by using the both ends of the heat pipe structure as a heat input part (heat receiving part), it is possible to secure a heat receiving area and to suppress an increase in pressure loss of the heat supply fluid path. .
従って、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックの積層方向端部は、特に積層体の端部に配置される端部発電セルは、発電時の中央側の発電セルの温度と同等の温度に保温される。 Therefore, the end of the fuel cell stack in the stacking direction, particularly the end power generation cell arranged at the end of the stack, has a temperature equivalent to the temperature of the power generation cell on the center side during power generation. Keep warm.
さらに、放熱部近傍の温度が、流体連通孔の流体温度よりも低温であると、熱交換が行われる。すなわち、ヒートパイプ構造体は、熱ダイオードとしての機能を有する。従って、暖機時にも良好に保温することができる。これにより、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる。 Furthermore, heat exchange is performed when the temperature in the vicinity of the heat radiating portion is lower than the fluid temperature of the fluid communication hole. That is, the heat pipe structure has a function as a thermal diode. Therefore, it is possible to maintain a good temperature even when warming up. As a result, it is possible to reliably prevent a temperature drop of the end power generation cell and to perform warm-up well.
図1及び図2に示すように、本発明の第1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車載用燃料電池スタックとして使用される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
燃料電池スタック10は、複数の発電セル12が水平方向(矢印A方向)又は鉛直方向(矢印C方向)に積層された積層体14を備える。積層体14の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、インシュレータ(絶縁プレート)18a及びエンドプレート20aが積層方向外方に向かって、順次、配設される(図2参照)。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、インシュレータ(絶縁プレート)18b及びエンドプレート20bが積層方向外方に向かって、順次、配設される。
The
図1に示すように、エンドプレート20a、20bは、金属材又は樹脂材で構成され、横長(縦長でもよい)の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー24が配置される。各連結バー24は、両端をエンドプレート20a、20bの面内にボルト26を介して固定され、複数の積層された発電セル12に積層方向(矢印A方向)の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック10では、エンドプレート20a、20bを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体14を収容するように構成してもよい。
As shown in FIG. 1, the
発電セル12は、図3及び図4に示すように、電解質膜・電極構造体30が、第1セパレータ(カソードセパレータ)32及び第2セパレータ(アノードセパレータ)34に挟持される。第1セパレータ32及び第2セパレータ34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、あるいは金属薄板を波形にプレス成形した金属セパレータにより構成される。なお、第1セパレータ32及び第2セパレータ34は、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。
As shown in FIGS. 3 and 4, in the
発電セル12の矢印B方向(図4中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔(流体連通孔)36a及び燃料ガス出口連通孔(流体連通孔)38bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38bは、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔36aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔38bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
One end edge of the
発電セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔(流体連通孔)38a及び酸化剤ガス出口連通孔(流体連通孔)36bが、矢印C方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔38aは、燃料ガスを供給する一方、酸化剤ガス出口連通孔36bは、酸化剤ガスを排出する。
A fuel gas inlet communication hole (fluid communication hole) 38a and an oxidant gas outlet communication hole (fluid communication hole) 36b communicate with each other in the arrow A direction at the other end edge of the
発電セル12の矢印C方向の両端縁部一方側には、すなわち、酸化剤ガス入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38b側には、それぞれ冷却媒体入口連通孔(流体連通孔)40aが設けられる。発電セル12の矢印C方向の両端縁部他方側には、すなわち、燃料ガス入口連通孔38a及び酸化剤ガス出口連通孔36b側には、それぞれ冷却媒体出口連通孔(流体連通孔)40bが設けられる。
Cooling medium inlet communication holes (fluid communication holes) 40a are provided on one side of both ends in the direction of arrow C of the
第1セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、酸化剤ガス入口連通孔36aと酸化剤ガス出口連通孔36bとに連通する酸化剤ガス流路42が設けられる。酸化剤ガス流路42は、水平方向(矢印B方向)に延在する複数本の流路溝(波状流路溝又は直線状流路溝)42aを有する。
An oxidant
第2セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとに連通する燃料ガス流路44が設けられる。燃料ガス流路44は、水平方向(矢印B方向)に延在する複数本の流路溝(波状流路溝又は直線状流路溝)44aを有する。
A
互いに隣接する発電セル12を構成する第1セパレータ32の面32bと、第2セパレータ34の面34bとの間には、一対の冷却媒体入口連通孔40aと一対の冷却媒体出口連通孔40bとを連通する冷却媒体流路46が設けられる。冷却媒体流路46は、水平方向(矢印B方向)に延在する複数本の流路溝(波状流路溝又は直線状流路溝)46aを有する。
A pair of cooling medium
第1セパレータ32と第2セパレータ34とには、第1シール部材48と第2シール部材50とが、一体的又は個別に設けられる。第1シール部材48及び第2シール部材50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使用される。
The
電解質膜・電極構造体30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52と、前記固体高分子電解質膜52を挟持するカソード電極54及びアノード電極56とを備える。
The electrolyte membrane /
固体高分子電解質膜52は、カソード電極54及びアノード電極56よりも大きな平面寸法を有している。なお、カソード電極54とアノード電極56とは、同一の表面寸法に設定されているが、互いに異なる平面寸法に設定される、所謂、段差MEAを構成してもよい。
The solid
カソード電極54及びアノード電極56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、例えば、固体高分子電解質膜52の両面に形成されている。
The
図2に示すように、ターミナルプレート16a、16bの一辺には、面方向外方に突出するターミナル端子板(ターミナル端子)58a、58bが設けられる。ターミナル端子板58a、58bには、ハーネス60a、60bが接続される。
As shown in FIG. 2, terminal terminal plates (terminal terminals) 58 a and 58 b projecting outward in the surface direction are provided on one side of the
インシュレータ18a、18bは、電気絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート(PC)やフェノール樹脂等で形成される。インシュレータ18a、18bには、ターミナルプレート16a、16bを収容するための凹部62a、62bが形成される。インシュレータ18a、18bには、凹部62a、62bに一端が連通してターミナル端子板58a、58bを挿通させる溝部64a、64bが形成される。インシュレータ18a、18bは、積層体14と略同一の平面寸法に設定される。
The
図2に示すように、少なくとも一方のエンドプレート側、例えば、エンドプレート20b側には、燃料電池スタック10の内部、例えば、インシュレータ18bに配置されてそれぞれ複数本の棒状ヒートパイプ構造体70a、70bが設けられる。なお、エンドプレート20a側にも、ヒートパイプ構造体70a、70bを設けてもよい。
As shown in FIG. 2, at least one end plate side, for example, the
図2及び図5に示すように、インシュレータ18bにおいて、例えば、3本のヒートパイプ構造体70aは、それぞれ上下一対の冷却媒体入口連通孔(流体連通孔)40aに配置される。インシュレータ18bにおいて、例えば、3本のヒートパイプ構造体70bは、それぞれ上下一対の冷却媒体出口連通孔(流体連通孔)40bに配置される。
As shown in FIGS. 2 and 5, in the
ヒートパイプ構造体70aの両端には、各冷却媒体入口連通孔40aに直接配置され、冷却媒体(流体)から受熱する一対の受熱部72aが設けられる。一対の受熱部72aは、発電セル12の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部72aで受熱した熱を放出する単一の放熱部74aに一体に連結される。放熱部74aは、インシュレータ18bの凹部62bの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。3本の放熱部74aは、発電領域内の中央部から冷却媒体入口連通孔40a側に略等間隔に配置される。
At both ends of the
図2、図3及び図5に示すように、ヒートパイプ構造体70bの両端には、各冷却媒体出口連通孔40bに直接配置され、冷却媒体(流体)から受熱する一対の受熱部72bが設けられる。一対の受熱部72bは、発電セル12の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部72bで受熱した熱を放出する単一の放熱部74bに一体に連結される。放熱部74bは、インシュレータ18bの凹部62bの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。3本の放熱部74bは、発電領域内の中央部から冷却媒体出口連通孔40b側に略等間隔に配置される。
As shown in FIGS. 2, 3, and 5, a pair of
ターミナルプレート16bは、各放熱部74a、74bに接触する面を平坦面に構成してもよく、又は、前記放熱部74a、74bの外周面形状に沿って湾曲する円弧状面に構成してもよい。あるいは、放熱部74a、74bは、ターミナルプレート16bに接する面を平坦に形成してもよく、前記ターミナルプレート16bの内部に、前記放熱部74a、74b全体又は一部を埋設してもよい。
The
なお、受熱部72a、72bの配置部位は、冷却媒体入口連通孔40a及び冷却媒体出口連通孔40bに限定されるものではない。受熱部72aは、酸化剤ガス入口連通孔36a又は燃料ガス入口連通孔38aに配置してもよい。受熱部72bは、酸化剤ガス出口連通孔36b又は燃料ガス出口連通孔38bに配置してもよい。また、放熱部74a、74bは、ターミナルプレート16a側にも設けてもよく、あるいは、インシュレータ18bのエンドプレート20bに向かう面や前記エンドプレート20bの表面や内部に設けてもよい。以下に説明する第2以降の実施形態でも、同様である。
In addition, the arrangement | positioning site | part of the
ヒートパイプ構造体70a、70bは、密閉容器を構成しており、図示しないが、高温部である受熱部72a、72bの内壁で作動液が熱を吸収して蒸発すると、作動液蒸気が空洞を通って低温部である各放熱部74a、74bに移動する。放熱部74a、74bで冷却された作動液蒸気は、凝集して液体に戻り、内壁のウィック(毛細管構造の芯)に吸収される。さらに、作動液は、ウィックを伝わって受熱部72a、72bに戻される。受熱部72a、72bは、放熱部74a、74bよりも重力方向下方に配置されることが好ましい。凝縮した液体が、重力の作用で受熱部72a、72bに戻るからである。但し、ヒートパイプ構造体70a、70bは、内部にウィックが設けられているため、配置の方向は特に限定されない。
The
図1に示すように、エンドプレート20aには、酸化剤ガス入口連通孔36a、酸化剤ガス出口連通孔36b、燃料ガス入口連通孔38a、燃料ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔40a及び冷却媒体出口連通孔40bが形成される。なお、エンドプレート20aとエンドプレート20bとには、所定の連通孔を振り分けて形成してもよい。例えば、一方のエンドプレート(エンドプレート20a又は20b)に、酸化剤ガス入口連通孔36a、酸化剤ガス出口連通孔36b、燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bを設けることができる。その際、他方のエンドプレート(エンドプレート20b又は20a)に、冷却媒体入口連通孔40a及び冷却媒体出口連通孔40bを設けることができる。
As shown in FIG. 1, 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1に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート20aの酸化剤ガス入口連通孔36aに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート20aの燃料ガス入口連通孔38aに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート20aの上下一対の冷却媒体入口連通孔40aに供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
図4に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔36aから第1セパレータ32の酸化剤ガス流路42に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路42に沿って水平方向(矢印B方向)に流動しながら、電解質膜・電極構造体30を構成するカソード電極54に供給される。
As shown in FIG. 4, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔38aから第2セパレータ34の燃料ガス流路44に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路44に沿って水平方向(矢印B方向)に流動しながら、電解質膜・電極構造体30を構成するアノード電極56に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、電解質膜・電極構造体30では、カソード電極54に供給される酸化剤ガスと、アノード電極56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。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、カソード電極54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36bに沿って矢印A方向に排出される。一方、アノード電極56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38b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、対向する長辺の上下に設けられた一対の冷却媒体入口連通孔40aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ32及び第2セパレータ34間の冷却媒体流路46に導入される。冷却媒体は、一旦矢印C方向(セパレータ短辺方向)内方に沿って流動した後、矢印B方向(セパレータ長辺方向)に移動して電解質膜・電極構造体30を冷却する。冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔40bに沿って矢印A方向に排出される。
Further, the cooling medium supplied to the pair of cooling medium inlet communication holes 40 a provided above and below the opposing long sides is introduced into the cooling
この場合、第1の実施形態では、図2及び図5に示すように、各ヒートパイプ構造体70aを構成する一対の受熱部72aは、上下一対の冷却媒体入口連通孔40aに挿入されている。このため、各受熱部72aは、各冷却媒体入口連通孔40aを流通する冷却媒体から受熱することができる。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 5, the pair of
一方、図2、図3及び図5に示すように、各ヒートパイプ構造体70bを構成する一対の受熱部72bは、上下一対の冷却媒体出口連通孔40bに挿入されている。従って、各受熱部72bは、各冷却媒体出口連通孔40bを流通する使用後の冷却媒体、すなわち、各発電セル12を冷却して昇温された冷却媒体から受熱することが可能になる。
On the other hand, as shown in FIGS. 2, 3 and 5, the pair of
そして、受熱部72a、72bで受熱した熱は、燃料電池スタック10の内部に発電面に沿って延在する各放熱部74a、74bからターミナルプレート16b全体に放熱されている。これにより、燃料電池スタック10の積層方向端部であるターミナルプレート16aが迅速に加温され、積層体14の端部に配置される端部発電セル12eからの放熱を良好に抑制することが可能になる(図3参照)。
The heat received by the
図6には、ヒートパイプ構造体70a、70bの有無による燃料電池スタック10の各部位の温度(代表温度)が検出された。その結果、ヒートパイプ構造体70a、70bが用いられた場合には、燃料電池スタック10の内部からエンドプレート20bの外面に至る間、適正MEA温度範囲内に維持されている。一方、ヒートパイプ構造体70a、70bが用いられない場合には、燃料電池スタック10の内部温度に比べて、端部発電セル12eから外方の温度が適正MEA温度範囲未満になっている。
In FIG. 6, the temperature (representative temperature) of each part of the
さらに、ヒートパイプ構造体が無い構成、片側にのみ受熱部が設けられた比較例、及び第1の実施形態の構成を用いて、冷却媒体流量と冷却媒体連通孔の流路圧損との関係を検出した結果が、図7に示されている。このため、ヒートパイプ構造体が必要受熱面積を確保する際、両端に受熱部72a(72b)が設けられたヒートパイプ構造体70a(70b)を用いることにより、片側受熱部構造(比較例)に比べて、冷却媒体連通孔の流路圧損が良好に低下するという効果が得られる。
Furthermore, using the configuration without the heat pipe structure, the comparative example in which the heat receiving portion is provided only on one side, and the configuration of the first embodiment, the relationship between the cooling medium flow rate and the flow path pressure loss of the cooling medium communication hole is The detected result is shown in FIG. For this reason, when the heat pipe structure secures a necessary heat receiving area, by using the
従って、第1の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、特に積層方向端部に配置されている端部発電セル12eの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になるという効果が得られる。
Therefore, in the first embodiment, with a simple and compact configuration, it is possible to reliably prevent the temperature reduction of the end
図8に示すように、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック80は、例えば、ターミナルプレート16bの内部又は前記ターミナルプレート16bの表面とインシュレータ18bとの間に配設される棒状ヒートパイプ構造体82a、82bを備える。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と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。
As shown in FIG. 8, the
図8及び図9に示すように、インシュレータ18bにおいて、例えば、2本のヒートパイプ構造体82aは、上方の冷却媒体入口連通孔40aと上方の冷却媒体出口連通孔40bとに配置される。インシュレータ18bにおいて、例えば、2本のヒートパイプ構造体82bは、下方の冷却媒体入口連通孔40aと下方の冷却媒体出口連通孔40bとに配置される。
As shown in FIGS. 8 and 9, in the
ヒートパイプ構造体82aの両端には、上方の冷却媒体入口連通孔40aと上方の冷却媒体出口連通孔40bとに直接配置され、冷却媒体(流体)から受熱する一対の受熱部84aが設けられる。一対の受熱部84aは、発電セル12の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部84aで受熱した熱を放出する単一の放熱部86aに一体に連結される。放熱部86aは、インシュレータ18bの凹部62bの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。2本の放熱部86aは、発電領域内の中央部から上方側に所定の間隔で配置される。
At both ends of the
ヒートパイプ構造体82bの両端には、下方の冷却媒体入口連通孔40aと下方の冷却媒体出口連通孔40bとに直接配置され、冷却媒体(流体)から受熱する一対の受熱部84bが設けられる。一対の受熱部84bは、発電セル12の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部84bで受熱した熱を放出する単一の放熱部86bに一体に連結される。放熱部86bは、インシュレータ18bの凹部62bの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。2本の放熱部86bは、発電領域内の中央部から下方側に所定の間隔で配置される。
At both ends of the
ターミナルプレート16bは、各放熱部86a、86bに接触する面を平坦面に構成してもよく、又は、前記放熱部86a、86bの外周面形状に沿って湾曲する円弧状面に構成してもよい。あるいは、ターミナルプレート16bの内部に、放熱部86a、86b全体又は一部を埋設してもよい。
The
このように構成される第2の実施形態では、各ヒートパイプ構造体82aを構成する一対の受熱部84aは、上方の冷却媒体入口連通孔40aと上方の冷却媒体出口連通孔40bとに配置されている。このため、一対の受熱部84aは、冷却媒体入口連通孔40aを流通する冷却媒体及び冷却媒体出口連通孔40bを流通する冷却媒体から受熱し、放熱部86aからターミナルプレート16bに放熱することができる。
In the second embodiment configured as described above, the pair of
一方、各ヒートパイプ構造体82bを構成する一対の受熱部84bは、下方の冷却媒体入口連通孔40aと下方の冷却媒体出口連通孔40bとに配置されている。従って、一対の受熱部84bは、冷却媒体入口連通孔40aを流通する冷却媒体及び冷却媒体出口連通孔40bを流通する冷却媒体から受熱し、放熱部86bからターミナルプレート16bに放熱することが可能になる。これにより、ターミナルプレート16b全体を迅速且つ確実に加温することができ、端部発電セル12eの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
On the other hand, the pair of
図10に示すように、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック90は、複数の発電セル92が水平方向(矢印A方向)又は鉛直方向(矢印C方向)に積層された積層体94を備える。積層体94の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、インシュレータ(絶縁プレート)96a及びエンドプレート98aが積層方向外方に向かって、順次、配設される。積層体94の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、インシュレータ(絶縁プレート)96b及びエンドプレート98bが積層方向外方に向かって、順次、配設される。
As shown in FIG. 10, a
発電セル92は、図11に示すように、電解質膜・電極構造体100と、前記電解質膜・電極構造体100を挟持する第1セパレータ102及び第2セパレータ104とを備える。第1セパレータ102及び第2セパレータ104は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
As shown in FIG. 11, the
発電セル92の長辺方向である矢印B方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔36a、冷却媒体入口連通孔40a及び燃料ガス出口連通孔38bが設けられる。発電セル92の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔40b及び酸化剤ガス出口連通孔36bが、矢印C方向に配列して設けられる。
An oxidant gas
図10に示すように、少なくとも一方のエンドプレート側、例えば、エンドプレート98b側には、燃料電池スタック90の内部に配置されてそれぞれ複数本の棒状ヒートパイプ構造体106が設けられる。図10及び図12に示すように、インシュレータ96bにおいて、例えば、4本のヒートパイプ構造体106は、それぞれ水平方向に延在するとともに、冷却媒体入口連通孔40a及び冷却媒体出口連通孔40bの間に配置される。
As shown in FIG. 10, on at least one end plate side, for example, the
各ヒートパイプ構造体106の両端には、冷却媒体入口連通孔40aと冷却媒体出口連通孔40bとに直接配置され、冷却媒体(流体)から受熱する一対の受熱部108a、108bが設けられる。受熱部108a、108bは、発電セル92の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部108a、108bで受熱した熱を放出する単一の放熱部110に一体に連結される。放熱部110は、インシュレータ96bの凹部62bの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。4本の放熱部110は、発電領域内の高さ方向に略等間隔に配置されて水平方向に延在する。
At both ends of each
このように構成される第3の実施形態では、各ヒートパイプ構造体106を構成する一対の受熱部108a、108bは、冷却媒体入口連通孔40aと冷却媒体出口連通孔40bとに直接配置されている。このため、一対の受熱部108a、108bは、冷却媒体入口連通孔40aを流通する冷却媒体及び冷却媒体出口連通孔40bを流通する冷却媒体から受熱し、放熱部110からターミナルプレート16bに放熱することができる。
In the third embodiment configured as described above, the pair of
従って、ターミナルプレート16b全体を迅速且つ確実に加温することができ、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, the entire
図13に示すように、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタック120は、ヒートパイプ構造体122を備える。なお、上記の第3の実施形態に係る燃料電池スタック90と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。
As shown in FIG. 13, the
図13及び図14に示すように、例えば、エンドプレート98b側には、燃料電池スタック120の内部に配置されてそれぞれ複数本の棒状ヒートパイプ構造体122が設けられる。インシュレータ96bにおいて、例えば、3本のヒートパイプ構造体122は、それぞれ水平方向に延在するとともに、燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bの間に配置される。
As shown in FIGS. 13 and 14, for example, a plurality of rod-like
各ヒートパイプ構造体122の両端には、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとに直接配置され、燃料ガス(流体)から受熱する一対の受熱部124a、124bが設けられる。受熱部124a、124bは、発電セル92の発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部124a、124bで受熱した熱を放出する単一の放熱部126に一体に連結される。放熱部126は、インシュレータ96bの凹部62bの底面に沿って、又は、前記底面に一部が埋設されて配置される。3本の放熱部126は、発電領域内の高さ方向に略等間隔に配置されて水平方向に延在する。なお、ヒートパイプ構造体122は、酸化剤ガス入口連通孔36aと酸化剤ガス出口連通孔36b間に設けてもよい。
At both ends of each
このように構成される第4の実施形態では、各ヒートパイプ構造体122を構成する一対の受熱部124a、124bは、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとに直接配置されている。このため、一対の受熱部124a、124bは、燃料ガス入口連通孔38aを流通する燃料ガス及び燃料ガス出口連通孔38bを流通する燃料ガスから受熱し、放熱部126からターミナルプレート16bに放熱することができる。
In the fourth embodiment configured as described above, the pair of
従って、ターミナルプレート16b全体を迅速且つ確実に加温することができ、端部発電セルの温度低下を確実に阻止するとともに、暖機を良好に遂行することが可能になる等、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, the entire
図15は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタック130の一部分解概略斜視図である。なお、上記の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と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。
FIG. 15 is a partially exploded schematic perspective view of a
ターミナルプレート16a、16bの略中央には、積層方向外方に延在する端子部132a、132bが設けられる。端子部132aは、絶縁性筒体134に挿入されて、インシュレータ18aの孔部136a及びエンドプレート20aの孔部138aを貫通して前記エンドプレート20aの外部に突出する。端子部132bは、絶縁性筒体134に挿入されて、インシュレータ18bの孔部136b及びエンドプレート20bの孔部138bを貫通して前記エンドプレート20bの外部に突出する。
インシュレータ18bには、ヒートパイプ構造体70a、70bが設けられる。なお、ヒートパイプ構造体70a、70bに代えて、ヒートパイプ構造体82a、82bを使用してもよく、また、ヒートパイプ構造体106を採用してもよい。さらに、ヒートパイプ構造体70a、70bに代えて、ヒートパイプ構造体122を用いることができる。
The
このように構成される第5の実施形態では、上記の第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。 In the fifth embodiment configured as described above, the same effects as in the first to fourth embodiments can be obtained.
10、80、90、120、130…燃料電池スタック
12、92…発電セル 14、94…積層体
16a、16b…ターミナルプレート
18a、18b、96a、96b…インシュレータ
20a、20b、98a、98b…エンドプレート
30、100…電解質膜・電極構造体
32、34、102、104…セパレータ
36a…酸化剤ガス入口連通孔 36b…酸化剤ガス出口連通孔
38a…燃料ガス入口連通孔 38b…燃料ガス出口連通孔
40a…冷却媒体入口連通孔 40b…冷却媒体出口連通孔
42…酸化剤ガス流路 44…燃料ガス流路
46…冷却媒体流路 48、50…シール部材
52…固体高分子電解質膜 54…カソード電極
56…アノード電極
70a、70b、82a、82b、106、122…ヒートパイプ構造体
72a、72b、84a、84b、108a、108b、124a、124b…受熱部
74a、74b、86a、86b、110、126…放熱部
10, 80, 90, 120, 130 ... Fuel cell stacks 12, 92 ...
Claims (4)
少なくとも一方のエンドプレート側には、棒状を有するヒートパイプ構造体が前記燃料電池スタックの内部に設けられるとともに、
前記ヒートパイプ構造体は、それぞれ個別の前記流体連通孔に配置され、前記流体から受熱する一対の受熱部と、
前記発電セルの発電面に平行な面方向に沿って延在し、各受熱部で受熱した熱を放出する放熱部と、
を備え、
前記放熱部の両端に前記受熱部が一体に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 A power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte and a separator is provided with a stack in which a plurality of stacks are stacked, and extends in the stacking direction of the stacks to form a fuel gas and an oxidant gas Alternatively, a fuel cell stack in which a fluid communication hole for flowing a fluid as a cooling medium is formed and a terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed on both sides in the stacking direction of the stack,
At least one end plate side is provided with a rod-shaped heat pipe structure inside the fuel cell stack,
The heat pipe structure is disposed in each of the individual fluid communication holes, and a pair of heat receiving portions that receive heat from the fluid;
Extending along a plane direction parallel to the power generation surface of the power generation cell, and a heat radiating part that releases heat received by each heat receiving part, and
With
The fuel cell stack, wherein the heat receiving portion is integrally provided at both ends of the heat radiating portion.
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JP2020126804A (en) * | 2019-02-06 | 2020-08-20 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell stack |
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2014
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