JP2021082486A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、燃料電池スタックに関する。 The present disclosure relates to a fuel cell stack.
複数の単セルの積層体の積層方向の両端を、一対のターミナルと一対のエンドプレートとで挟持した構成を有する燃料電池スタックの内部には、各単セルへの反応ガスの供給や、各単セルからのオフガスの排出、および各単セルへの冷却媒体の供給と排出を行うための複数のマニホールドが積層方向と平行に形成されている。少なくとも一方のエンドプレートには、燃料電池スタック内部の各マニホールドと連通するように複数の貫通孔が形成されている。特許文献1に記載のエンドプレートには、各単セルへの反応ガスの供給を行うためのマニホールドと連通する貫通孔に水溜まり部を設け、燃料電池の発電により生成された水や、燃料電池の起動前に燃料電池の内部に残っていた水を一時的に貯留している。 Inside the fuel cell stack, which has a structure in which both ends of a stack of a plurality of single cells in the stacking direction are sandwiched between a pair of terminals and a pair of end plates, reaction gas is supplied to each single cell and each single cell is supplied. A plurality of manifolds for discharging off-gas from the cells and supplying and discharging the cooling medium to each single cell are formed parallel to the stacking direction. At least one end plate is formed with a plurality of through holes so as to communicate with each manifold inside the fuel cell stack. The end plate described in Patent Document 1 is provided with a water pool in a through hole communicating with a manifold for supplying reaction gas to each single cell, and water generated by power generation of the fuel cell or fuel cell. The water remaining inside the fuel cell before startup is temporarily stored.
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池スタックが車両に搭載される場合、燃料電池スタックが水平方向から傾いた状態で車両に取り付けられる場合や、車両の走行状況によって燃料電池スタックが水平方向から傾く場合がある。このような場合、水貯まり部に貯留されている水が各単セルの入口に流入して、各単セルに水が過剰に流入するおそれがある。 However, when the fuel cell stack described in Patent Document 1 is mounted on a vehicle, the fuel cell stack is mounted on the vehicle in a state of being tilted from the horizontal direction, or the fuel cell stack is tilted from the horizontal direction depending on the traveling condition of the vehicle. In some cases. In such a case, the water stored in the water reservoir may flow into the inlet of each single cell, and the water may flow excessively into each single cell.
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。 The present disclosure can be realized in the following forms.
(1)本開示の一形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、積層された複数の単セルを含む積層体と、前記積層体の両端部に配置され、前記積層体に燃料ガスを供給するための流路が形成されたエンドプレートと、を備え、前記流路は、前記燃料ガスの流入側の端部と前記積層体側の端部との間に段差を有し、前記燃料ガスの流入側の端部から前記段差に向かうにつれて内径が小さくなる。
この形態の燃料電池スタックによれば、燃料ガスを供給するための流路は、燃料ガスの流入側の端部と積層体側の端部との間に段差を有し、燃料ガスの流入側の端部から段差に向かうにつれて内径が小さくなるので、段差において、逆流を発生させることができる。このため、流路内を流れる液水が逆流の渦によって細かく分離されることによって、液水を液滴化できる。この結果、単セルの入口に液水が過剰に流入することを抑制できる。
(1) According to one form of the present disclosure, a fuel cell stack is provided. The fuel cell stack includes a laminate including a plurality of stacked single cells, an end plate arranged at both ends of the laminate, and a flow path for supplying fuel gas to the laminate. The flow path has a step between the end on the inflow side of the fuel gas and the end on the laminated body side, and the inner diameter increases from the end on the inflow side of the fuel gas toward the step. It becomes smaller.
According to this form of the fuel cell stack, the flow path for supplying the fuel gas has a step between the end on the inflow side of the fuel gas and the end on the laminate side, and is on the inflow side of the fuel gas. Since the inner diameter decreases from the end toward the step, backflow can be generated at the step. Therefore, the liquid water flowing in the flow path is finely separated by the backflow vortex, so that the liquid water can be made into droplets. As a result, it is possible to prevent excessive inflow of liquid water into the inlet of the single cell.
本開示は、種々の実施形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックを備える燃料電池システム、かかる燃料電池システムを備える車両等の形態で実現できる。 The present disclosure can also be realized in various embodiments. For example, it can be realized in the form of a fuel cell system including a fuel cell stack, a vehicle equipped with such a fuel cell system, or the like.
A.実施形態:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本開示の一実施形態における燃料電池スタック30を備える燃料電池システム100の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム100は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム100は、燃料電池スタック30と、燃料ガス供給排出部50とを備える。
A. Embodiment:
A1. Fuel cell system configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック30は、積層体10と、第1エンドプレート20と、第2エンドプレート21とを備えている。積層体10は、積層方向に沿って積層された複数の単セル11を含んで構成されている。具体的には、積層体10は、複数の単セル11と、図示しないターミナルプレートと、図示しないインシュレータとを備えている。なお、図1では、燃料電池スタック30の積層方向に沿った断面を示している。図1において、Z軸は鉛直方向と平行であり、X軸およびY軸は水平方向と平行である。+Z方向は鉛直上方に、−Z方向は鉛直下方にそれぞれ相当する。積層方向は、X軸と平行である。
The
各単セル11は、固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜を挟んで設けられたアノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層に供給される反応ガスを用いた電気化学反応により電力を発生する。各単セル11において各極の触媒電極層の外側には、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。また、各極のガス拡散層の外側には、導電性を有するセパレータが配置されている。燃料電池スタック30の内部には、各単セル11に対する反応ガスの供給、各単セル11からのオフガスの排出、および各単セル11への冷却媒体の供給と排出を行うための複数のマニホールドが、積層方向と平行に形成されている。
Each
第1エンドプレート20は、積層体10の積層方向の2つの端面のうちの一方の端面に対し、積層方向の外側(+X方向)に位置する。具体的には、単セル11の+X方向側の端面には図示しないターミナルプレートが接して配置され、第1エンドプレート20は、かかるターミナルプレートに対して図示しないインシュレータを介在して積層方向の外側に配置されている。
The
第1エンドプレート20は、板状の部材であり、例えば、アルミニウム合金により形成されている。なお、アルミニウム合金に代えて、チタニウム合金や、ステンレス等の任意の金属で形成されてもよい。第1エンドプレート20の平面視形状は、略矩形であり、その面積は、積層体10の積層方向の端面の平面視形状の面積よりも大きい。第1エンドプレート20には、厚さ方向、換言すると、積層体10の積層方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。これら複数の貫通孔は、積層体10の内部に形成されている複数のマニホールドと連通する流体流路として機能する。具体的には、積層体10への反応ガスおよび冷却媒体を供給するための流体流路(例えば、後述の燃料ガス流路25)や、積層体10からのオフガスおよび冷却媒体を排出するための流体流路として機能する。
The
第2エンドプレート21は、積層体10の積層方向の2つの端面のうち、第1エンドプレート20が配置された側とは反対側の端面に対し、積層方向の外側(−X方向)に位置する。
上述の第1エンドプレート20と同様、単セル11の他方の端面には、ターミナルプレートが接して配置され、第2エンドプレート21は、かかるターミナルプレートに対してインシュレータを介在して積層方向の外側に配置されている。第2エンドプレート21は、第1エンドプレート20と同様の形状を有し、第1エンドプレート20と同様の材料から構成されている。第1エンドプレート20および第2エンドプレート21は、所定の圧力で積層体10を挟み込み、図示しないボルトにより締結されることにより、積層体10の積層状態が保持される。
The
Similar to the
燃料ガス供給排出部50は、燃料ガスとしての水素ガスを積層体10に供給し、燃料オフガスを積層体10から外部へと排出する。燃料ガス供給排出部50は、燃料ガス配管51と、燃料ガスタンク52と、開閉弁53と、調圧弁54と、インジェクタ55と、燃料オフガス配管61と、気液分離器62と、排気排水弁63と、排出配管64と、循環配管65と、水素ポンプ66とを備える。
The fuel gas supply /
燃料ガス配管51は、燃料ガスタンク52と積層体10の内部に形成された燃料ガス供給マニホールドとを接続し、燃料ガスタンク52内の水素ガスおよび水素ポンプ66から送られる水素ガスを積層体10に供給する。開閉弁53、調圧弁54およびインジェクタ55は、この順序で燃料ガスタンク52から積層体10に向かって燃料ガス配管51に配置されている。開閉弁53は、燃料ガスタンク52からインジェクタ55への水素ガスの流入を制御する。調圧弁54は、インジェクタ55に供給する水素ガスの圧力を所定の圧力に調整する。インジェクタ55は、積層体10に水素ガスを供給すると共にその供給量を調整する。
The
燃料オフガス配管61は、積層体10の内部に形成された燃料オフガス排出マニホールドと気液分離器62とを接続する。燃料オフガス配管61は、積層体10から燃料オフガスを排出するための流路である。燃料オフガスには、発電反応に用いられなかった水素ガスや窒素ガス、積層体10の発電により生じた生成水が含まれる。燃料オフガス配管61は、燃料オフガスを気液分離器62へと誘導する。
The fuel off-
気液分離器62は、燃料オフガス配管61と循環配管65との間に接続されている。気液分離器62は、燃料オフガス配管61内の燃料オフガスに含まれるガスと液水とを分離し、水素ガスを含むガスを循環配管65へ流入させる。なお、気液分離器62により分離されなかった一部の液水は、循環配管65に流入する。
The gas-
排気排水弁63は、気液分離器62の下部に設けられた開閉弁である。排気排水弁63は、気液分離器62により分離された液水および燃料オフガスに含まれている窒素ガス等の不純物ガスを排出配管64へ排出する。排出配管64は、排気排水弁63から排出された液水および燃料オフガスを燃料電池システム100の外部(大気中)へ排出する。
The
循環配管65は、インジェクタ55よりも下流側において燃料ガス配管51と接続している。循環配管65には、水素ポンプ66が配置されている。水素ポンプ66は、気液分離器62において分離されたガス(水素ガスを含むガス)を燃料ガス配管51に送り出す。燃料電池システム100では、燃料オフガスに含まれる水素ガスを含むガスを循環させて、再び積層体10に供給することにより、水素ガスの利用効率を向上させている。
The
燃料電池システム100は、上述の構成の他、酸化剤ガスとしての空気を外気から取り入れて積層体10に供給し、酸化オフガスを積層体10から外部へと排出する酸化剤ガス供給排出部、積層体10内に冷却媒体を循環させることにより積層体10の温度を調整する冷却媒体循環部、積層体10から出力される電圧を昇圧するコンバータ、車両の動力を発生するモータ等の負荷への電力の供給を制御するパワーコントロールユニット、制御装置等を備えるが、本実施形態の説明においては必須ではないので、図示および説明を省略する。
In addition to the above-described configuration, the
A2.第1エンドプレートの詳細構成:
図2は、第1エンドプレート20の構成を拡大して示す断面図である。図2では、図1に示す燃料電池スタック30の+X方向端部側を拡大して示している。第1エンドプレート20は、燃料ガス流路25を備える。上述のように、燃料ガス流路25は、第1エンドプレート20の厚さ方向、換言すると、積層体10の積層方向に沿って形成された貫通孔である。燃料ガス流路25は、燃料ガス配管51と、積層体10に形成されているマニホールドと連通しており、燃料ガス配管51から供給される燃料ガスを各単セル11に導く。図2では、燃料ガスの流れを破線矢印に示している。
A2. Detailed configuration of the first end plate:
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the
本実施形態において、燃料ガス流路25は、燃料ガスとともに流入する液水を液滴化させるために、その形状が構成されている。具体的には、燃料ガス流路25は、燃料ガスの流入側の端部ES1(第1エンドプレート20における+X方向の端部)と、積層体10側の端部ES2(第1エンドプレート20における−X方向の端部)との間に、段差26を備える。本実施形態において、段差26の大きさd1(Z軸方向の寸法)は、0.5ミリメートルである。なお、段差26は、0.5ミリメートルに代えて、0.5ミリメートル以上1.0ミリメートル以下の範囲内の任意の大きさであってもよい。
In the present embodiment, the fuel
燃料ガス流路25は、燃料ガスの流入側の端部ES1から段差26に向かうにつれて内径が小さくなる。燃料ガス流路25は、段差26から積層体10側の端部ES2までにおいては、燃料ガスの流入側の端部ES1における内径と同じ内径である。したがって、燃料ガス流路25は、端部ES1から段差26までにおいては、積層体10側へ向かうにつれて内径が小さくなるテーパ状に形成され、段差26から端部ES2までにおいては、円筒状に形成されている。
The inner diameter of the fuel
図3は、燃料ガス流路25内の液水を液滴化するメカニズムを説明するための説明図である。図3に示すように、燃料ガス流路25に流入した燃料ガスは、実線矢印に示すように、積層体10側に向かって流れる。燃料ガス流路25のZ軸方向における中央近傍では、燃料ガス流路25の内壁近傍に比べて、燃料ガスの流速が大きく、また、慣性も大きいため、燃料ガスは、積層体10側まで到達する。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a mechanism for atomizing the liquid water in the fuel
これに対して、燃料ガス流路25に流入した液水Lwは、燃料ガスの圧力によって燃料ガス流路25の内壁面に押しつけられつつ、積層体10側に向かって流れる。上述のように、燃料ガス流路25の内壁近傍では、流速が小さく、また、慣性も小さいので、流速はさらに低下する。このため、段差26近傍において、速度勾配が0(ゼロ)となり、段差26の下流側(積層体10側)において、いわゆる流れの剥離が生じる。そして、流れの剥離によって、逆流が発生して渦が生じ、燃料ガスの流れが乱れる。このとき、段差26近傍の液水Lwは、内壁面から浮いた状態となり、流れの剥離によって生じた逆流の渦によって細かく分離されて、液滴Drとなる。そして、液滴Drは、燃料ガスとともに、積層体10側に流れる。液滴Drの質量は、液滴化されることによって、液水Lwの質量よりも小さくなっているため、液滴Drは、積層体10の積層方向のより下流側へと流される。このため、積層体10の入口(端部ES2近傍)に液水が集中することを抑制できる。この結果、各単セル11の入口に液水が過剰に流入することを抑制できるので、各単セル11の入口が液水によって閉塞して単セル11の発電効率が低下することを抑制できる。
On the other hand, the liquid water Lw flowing into the fuel
図4は、段差26の大きさd1と単セル11への液水の流入量との関係を示す説明図である。図4において、横軸は段差26の大きさd1(mm)を示し、縦軸は単セル11への液水の流入量(%)を示している。「単セル11への液水の流入量」とは、積層体10の発電中に単セル11に流入してもよい水の量を100%とした場合における、単セル11への液水の流入量を意味し、流体解析ソフトウェアを用いて算出された。図4において、積層体10の発電中に単セル11に流入してもよい水の量を2.0cc/secの場合を100%とすると、積層体10の発電中に単セル11に流入する水の量が3.0cc/secの場合、単セル11への液水の流入量は150%となり、積層体10の発電中に単セル11に流入する水の量が1.0cc/secの場合には、単セル11への液水の流入量は50%となる。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the size d1 of the
図4に示すように、段差26の大きさd1が大きくなるにつれて、単セル11への液水の流入量は小さくなり、段差26の大きさd1が0.5mmの場合、単セル11への液水の流入量は100%以下となり、段差26の大きさd1が1.0mmの場合には、単セル11への液水の流入量は更に小さくなっている。このため、段差26の大きさd1は、0.5mm以上1.0以下であることがより好ましい。
As shown in FIG. 4, as the size d1 of the
以上の構成を有する本実施形態の燃料電池スタック30によれば、燃料ガス流路25は、燃料ガスの流入側の端部ES1と積層体10側の端部ES2との間に段差26を有し、燃料ガスの流入側の端部ES1から段差26に向かうにつれて内径が小さくなるので、段差26において、逆流を発生させることができる。このため、燃料ガス流路25内を流れる液水Lwが逆流の渦によって細かく分離されることによって、液水Lwを液滴化できる。この結果、積層体10の入口(より詳細には、端部ES2近傍における単セル11の入口)に液水が過剰に流入することを抑制できる。したがって、各単セル11の入口が液水によって閉塞して単セル11の発電効率が低下することを抑制できる。
According to the
B.他の実施形態:
(1)燃料ガス流路25は、燃料ガスの流路として用いられていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、冷却媒体の流路として用いてもよい。このような構成においても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
B. Other embodiments:
(1) The fuel
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and can be realized by various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each form described in the column of the outline of the invention may be used to solve some or all of the above-mentioned problems, or one of the above-mentioned effects. It is possible to replace or combine as appropriate to achieve part or all. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10…積層体、11…単セル、20…第1エンドプレート、21…第2エンドプレート、25…燃料ガス流路、26…段差、30…燃料電池スタック、50…燃料ガス供給排出部、51…燃料ガス配管、52…燃料ガスタンク、53…開閉弁、54…調圧弁、55…インジェクタ、61…燃料オフガス配管、62…気液分離器、63…排気排水弁、64…排出配管、65…循環配管、66…水素ポンプ、100…燃料電池システム、ES1…端部、ES2…端部、Dr…液滴、Lw…液水 10 ... Laminate, 11 ... Single cell, 20 ... 1st end plate, 21 ... 2nd end plate, 25 ... Fuel gas flow path, 26 ... Step, 30 ... Fuel cell stack, 50 ... Fuel gas supply / discharge section, 51 ... Fuel gas pipe, 52 ... Fuel gas tank, 53 ... On-off valve, 54 ... Pressure regulating valve, 55 ... Injector, 61 ... Fuel off gas pipe, 62 ... Gas-liquid separator, 63 ... Exhaust drain valve, 64 ... Discharge pipe, 65 ... Circulation piping, 66 ... hydrogen pump, 100 ... fuel cell system, ES1 ... end, ES2 ... end, Dr ... droplet, Lw ... liquid water
Claims (1)
積層された複数の単セルを含む積層体と、
前記積層体の両端部に配置され、前記積層体に燃料ガスを供給するための流路が形成されたエンドプレートと、
を備え、
前記流路は、
前記燃料ガスの流入側の端部と前記積層体側の端部との間に段差を有し、
前記燃料ガスの流入側の端部から前記段差に向かうにつれて内径が小さくなる、
燃料電池スタック。 It ’s a fuel cell stack,
A laminated body containing a plurality of laminated single cells and
End plates arranged at both ends of the laminate and formed with flow paths for supplying fuel gas to the laminate.
With
The flow path is
There is a step between the end on the inflow side of the fuel gas and the end on the laminate side.
The inner diameter decreases from the end on the inflow side of the fuel gas toward the step.
Fuel cell stack.
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