JP2022165808A - 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 fuel cell stacks.
従来、燃料電池スタックとして、例えば、特許文献1に示すものが知られている。こうした燃料電池スタックは、複数の発電セルをその厚さ方向に積層することによって形成されている。各発電セルは、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体を挟持する第1金属セパレータ及び第2金属セパレータと、を備えている。電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持するアノード側電極及びカソード側電極とを備えている。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a fuel cell stack, for example, the one disclosed in Patent Document 1 is known. Such a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of power generation cells in its thickness direction. Each power generation cell includes an electrolyte membrane/electrode assembly, and a first metal separator and a second metal separator sandwiching the electrolyte membrane/electrode assembly. The electrolyte membrane/electrode assembly includes a solid polymer electrolyte membrane, and an anode-side electrode and a cathode-side electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane.
各発電セルの一端縁部には、積層方向に互いに連通して、例えば酸素を含有するガスである酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔及び例えば水素を含有するガスである燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔が設けられている。各発電セルの他端縁部には、積層方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔及び燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔が設けられている。 At one end edge of each power generation cell, an oxidant gas inlet communication hole for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, and a fuel, for example, a hydrogen-containing gas, are provided in communication with each other in the stacking direction. A fuel gas outlet passage is provided for discharging the gas. The other edge of each power generation cell is provided with an oxidant gas outlet communication hole for discharging the oxidant gas and a fuel gas inlet communication hole for supplying the fuel gas, which communicate with each other in the stacking direction. there is
第2金属セパレータにおける電解質膜・電極構造体側の面には、酸化剤ガス流路が設けられている。酸化剤ガス流路は、酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とを連通している。第1金属セパレータにおける電解質膜・電極構造体側の面には、燃料ガス流路が設けられている。さらに、第1金属セパレータには、複数の供給孔部と、複数の排出孔部とが設けられている。複数の供給孔部は、燃料ガス入口連通孔と燃料ガス流路とを連通している。複数の排出孔部は、燃料ガス流路と燃料ガス出口連通孔とを連通している。 An oxidant gas channel is provided on the surface of the second metal separator on the electrolyte membrane/electrode assembly side. The oxidant gas channel communicates the oxidant gas inlet communication hole and the oxidant gas outlet communication hole. A fuel gas flow path is provided on the surface of the first metal separator on the electrolyte membrane electrode assembly side. Furthermore, the first metal separator is provided with a plurality of supply holes and a plurality of discharge holes. The plurality of supply holes communicate the fuel gas inlet communication hole and the fuel gas flow path. The plurality of discharge holes communicate the fuel gas flow path and the fuel gas outlet communication hole.
そして、燃料電池スタックによって発電を行う場合には、まず、酸化剤ガス入口連通孔から酸化剤ガスを供給するとともに、燃料ガス入口連通孔から燃料ガスを供給する。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔から第2金属セパレータの酸化剤ガス流路に導入されて電解質膜・電極構造体のカソード側電極に供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔から供給孔部を通って第1金属セパレータの燃料ガス流路に導入されて電解質膜・電極構造体のアノード側電極に供給される。そして、これら燃料ガス及び酸化剤ガスの電解質膜・電極構造体での電気化学反応に基づき発電が行われる。 When power is generated by the fuel cell stack, first, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas inlet communication hole, and the fuel gas is supplied from the fuel gas inlet communication hole. The oxidizing gas is introduced from the oxidizing gas inlet communication hole into the oxidizing gas channel of the second metal separator and supplied to the cathode side electrode of the electrolyte membrane electrode assembly. The fuel gas is introduced from the fuel gas inlet communication hole through the supply hole into the fuel gas channel of the first metal separator and supplied to the anode side electrode of the electrolyte membrane electrode assembly. Electricity is generated based on the electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas in the electrolyte membrane/electrode assembly.
ところで、上述のような燃料電池スタックでは、未反応の燃料ガスが回収されて再利用される。この再利用される燃料ガスには、発電を行った際に生成される液水が含まれている。このため、液水が含まれた燃料ガスが電解質膜・電極構造体のアノード側電極に供給されてしまう。この結果、電解質膜・電極構造体での燃料ガスの電気化学反応が液水によって阻害されて電圧が低下するという問題がある。 By the way, in the fuel cell stack as described above, unreacted fuel gas is recovered and reused. This reused fuel gas contains liquid water generated during power generation. As a result, fuel gas containing liquid water is supplied to the anode side electrode of the electrolyte membrane electrode assembly. As a result, there is a problem that the electrochemical reaction of the fuel gas in the electrolyte membrane/electrode assembly is inhibited by the liquid water and the voltage drops.
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池スタックは、ガスを用いて発電する複数の発電セルが積層され、且つ複数の前記発電セルの積層方向の一端部に位置する前記発電セルに発電しないダミーセルが積層された燃料電池スタックであって、前記各発電セルは、膜電極接合体を支持した支持フレームと、前記支持フレームを挟む一対のセパレータとを備え、前記各発電セル及び前記ダミーセルには、前記積層方向に延びて前記ガスが供給されるガスマニホールドを形成する第1孔が形成され、前記各発電セルにおける前記第1孔と前記膜電極接合体との間には、前記積層方向に延びる通路を形成する第2孔が形成され、前記通路は、前記ガスマニホールド及び前記膜電極接合体の両方と連通していることを要旨とする。
Means for solving the above problems and their effects will be described below.
A fuel cell stack that solves the above-mentioned problems is provided by stacking a plurality of power generation cells that generate power using gas, and a dummy cell that does not generate power is stacked on the power generation cell positioned at one end in the stacking direction of the plurality of power generation cells. In the fuel cell stack, each power generation cell includes a support frame that supports a membrane electrode assembly, and a pair of separators that sandwich the support frame, and each power generation cell and the dummy cell are provided in the stacking direction. A first hole extending to form a gas manifold to which the gas is supplied is formed, and a passage extending in the stacking direction is formed between the first hole and the membrane electrode assembly in each power generation cell. A second hole is formed, and the passage communicates with both the gas manifold and the membrane electrode assembly.
この構成によれば、ガスマニホールドにおけるダミーセル側とは反対側からガスを勢いよく供給すると、ガスの勢いによってガスに含まれる液水(水蒸気)がガスマニホールドを通ってダミーセルまで飛ばされて分離される。液水が分離されたガスは、通路を介してダミーセルよりも手前側(上流側)にある各発電セルの膜電極接合体に供給される。したがって、各発電セルの膜電極接合体に液水が流れることを抑制できる。 According to this configuration, when the gas is vigorously supplied from the side opposite to the dummy cell side of the gas manifold, liquid water (water vapor) contained in the gas is flown through the gas manifold to the dummy cells by the force of the gas and separated. . The gas from which the liquid water is separated is supplied to the membrane electrode assembly of each power generating cell located on the front side (upstream side) of the dummy cell through the passage. Therefore, it is possible to suppress liquid water from flowing to the membrane electrode assembly of each power generation cell.
以下、燃料電池スタックの一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、燃料電池スタック11は、例えば水素を含む燃料ガス及び例えば酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する複数の矩形板状の発電セル12及び発電しない1つの矩形板状のダミーセル13がそれらの厚さ方向に積層されたセル積層体14を備えている。ダミーセル13は、複数の発電セル12の積層方向Xの一端部に位置する発電セル12に積層されている。すなわち、ダミーセル13は、セル積層体14の積層方向Xの一端部に位置している。セル積層体14の積層方向Xの両端には、集電を行うターミナルプレート15及び絶縁を行う絶縁プレート16を介してエンドプレート17がそれぞれ配置されている。
An embodiment of a fuel cell stack will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the
図1及び図2に示すように、各発電セル12は、枠状に形成されて中央の開口部に矩形シート状をなす膜電極接合体18(MEA:Membrane Electrode Assembly)を支持した合成樹脂製の支持フレーム19と、膜電極接合体18及び支持フレーム19を厚さ方向に挟む一対の金属製のセパレータ20とを有している。各発電セル12は、膜電極接合体18の厚さ方向の一方側(アノード側)の部分に燃料ガスが供給され且つ膜電極接合体18の厚さ方向の他方側(カソード側)の部分に酸化剤ガスが供給されると、それら燃料ガス及び酸化剤ガスの膜電極接合体18での電気化学反応に基づき発電を行う。
As shown in FIGS. 1 and 2, each
各発電セル12の長手方向の両端部、すなわち各支持フレーム19及び各セパレータ20の長手方向の両端部には、第1孔の一例としての燃料ガス供給孔21、第2孔の一例としての通路形成孔22、燃料ガス排出孔23、酸化剤ガス供給孔24、酸化剤ガス排出孔25、冷却媒体供給孔26、及び冷却媒体排出孔27が貫通して形成されている。各燃料ガス供給孔21は、積層方向Xに延びてガスの一例としての燃料ガスが供給されるガスマニホールドの一例としての燃料ガス供給通路28を形成する。
At both ends in the longitudinal direction of each
各通路形成孔22は、燃料ガス供給孔21と膜電極接合体18との間に配置され、積層方向Xに延びる通路29を形成する。通路29は、燃料ガス供給通路28と各膜電極接合体18との間に配置され、燃料ガス供給通路28及び膜電極接合体18の両方と連通している。
Each
図3に示すように、各燃料ガス供給孔21と各通路形成孔22とは、互いに隣り合って配置されている。本実施形態における各燃料ガス供給孔21は、一例として、楕円形状をなしている。本実施形態における各通路形成孔22は、一例として、L字状をなしている。燃料ガス供給孔21は、通路形成孔22よりも面積が小さくなっている。
As shown in FIG. 3, each fuel
図1及び図2に示すように、各燃料ガス排出孔23は、積層方向Xに延びて燃料ガスが排出される燃料ガス排出通路30を形成する。各酸化剤ガス供給孔24は、積層方向Xに延びて酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給通路(図示略)を形成する。各酸化剤ガス排出孔25は、積層方向Xに延びて酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出通路(図示略)を形成する。各冷却媒体供給孔26は、積層方向Xに延びて例えば冷却水などの冷却媒体が供給される冷却媒体供給通路(図示略)を形成する。各冷却媒体排出孔27は、積層方向Xに延びて冷却媒体が排出される冷却媒体排出通路(図示略)を形成する。
As shown in FIGS. 1 and 2, each fuel
図1及び図4に示すように、ダミーセル13は、発電セル12において膜電極接合体18を矩形シート状の導電体31に変更し且つ支持フレーム19を合成樹脂製のダミーフレーム32に変更したものであり、セパレータ20が発電セル12と共通になっている。すなわち、ダミーセル13は、枠状に形成されて中央の開口部に導電体31を支持したダミーフレーム32と、導電体31及びダミーフレーム32を厚さ方向に挟む一対のセパレータ20とを有している。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
ダミーフレーム32は、発電セル12の支持フレーム19から通路形成孔22を省略したものであり、これ以外は支持フレーム19と同一の構成になっている。つまり、ダミーフレーム32には、燃料ガス供給孔21が形成されているが、通路形成孔22が形成されていない。ダミーセル13は、膜電極接合体18を有していないので、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されても発電しない。
The
図1に示すように、燃料電池スタック11において、ターミナルプレート15とセパレータ20との間、ダミーフレーム32とセパレータ20との間、支持フレーム19とセパレータ20との間、及びセパレータ20同士の間は、ガスケット33によってシールされている。
As shown in FIG. 1, in the
燃料電池スタック11における積層方向Xにおけるダミーセル13側とは反対側の端部に位置するターミナルプレート15、絶縁プレート16、及びエンドプレート17には、これらを貫通してなる燃料ガス供給口34及び燃料ガス排出口35がそれぞれ形成されている。燃料ガス供給口34及び燃料ガス排出口35は、燃料ガス供給通路28及び燃料ガス排出通路30とそれぞれ連通している。燃料ガス供給口34は、燃料ガス供給通路28を形成する燃料ガス供給孔21と断面形状及び断面積が同じになっている。
The
燃料電池スタック11における積層方向Xにおけるダミーセル13側とは反対側の端部に位置するターミナルプレート15、絶縁プレート16、及びエンドプレート17には、これらを貫通してなる酸化剤ガス供給口(図示略)及び酸化剤ガス排出口(図示略)がそれぞれ形成されている。これら酸化剤ガス供給口及び酸化剤ガス排出口は、上記酸化剤ガス供給通路(図示略)及び上記酸化剤ガス排出通路(図示略)とそれぞれ連通している。
The
燃料電池スタック11における積層方向Xにおけるダミーセル13側とは反対側の端部に位置するターミナルプレート15、絶縁プレート16、及びエンドプレート17には、これらを貫通してなる冷却媒体供給口(図示略)及び冷却媒体排出口(図示略)がそれぞれ形成されている。これら冷却媒体供給口及び冷却媒体排出口は、上記冷却媒体供給通路(図示略)及び上記冷却媒体排出通路(図示略)とそれぞれ連通している。
The
各発電セル12の支持フレーム19におけるアノード側の面(本例ではダミーセル13側の面)には、通路29と膜電極接合体18とを連通する第1連通路36と、膜電極接合体18と燃料ガス排出通路30とを連通する第2連通路37とが形成されている。ダミーセル13のダミーフレーム32における発電セル12側とは反対側の面には、燃料ガス供給通路28と導電体31とを連通する第3連通路38と、導電体31と燃料ガス排出通路30とを連通する第4連通路39とが形成されている。
The
各発電セル12の支持フレーム19におけるカソード側の面(本例ではダミーセル13側とは反対側の面)には、膜電極接合体18と、上記酸化剤ガス供給通路(図示略)及び上記酸化剤ガス排出通路(図示略)のそれぞれとを連通する2種類の連通路(図示略)が形成されている。
The
次に、燃料電池スタック11の作用について説明する。
図1及び図5に示すように、燃料電池スタック11において発電を行う際には、燃料ガス供給口34から燃料ガス供給通路28に勢いよく燃料ガスが供給される。このとき、燃料ガスには、液水W(水蒸気)が含まれている。このため、液水Wは、その重みに基づく燃料ガスの流れによる慣性力で一部の燃料ガスと一緒に燃料ガス供給通路28を通ってダミーセル13のダミーフレーム32における発電セル12側とは反対側の面まで飛ばされて分離される。
Next, the action of the
As shown in FIGS. 1 and 5, when the
この分離された液水Wは、一部の燃料ガスと一緒に、第3連通路38、導電体31、及び第4連通路39を通って燃料ガス排出通路30へ流れた後、燃料ガス排出口35から排出される。このとき、導電体31が液水Wによって濡れるが、導電体31では発電が行われないので、燃料電池スタック11の発電効率への影響は全く無い。
The separated liquid water W passes through the
一方、ほとんどの液水Wが分離された後の燃料ガスは、燃料ガス供給通路28から通路29及び第1連通路36を介してダミーセル13よりも手前側(上流側)にある各発電セル12の膜電極接合体18におけるアノード側の面に供給される。すなわち、各発電セル12の膜電極接合体18におけるアノード側の面には液水Wがほとんど含まれていない燃料ガスが供給されるため、膜電極接合体18におけるアノード側の面が液水Wで濡れることが抑制される。このとき、ダミーフレーム32には通路29を形成する通路形成孔22が形成されていないため、液水Wが分離された後の燃料ガスが通路29からダミーフレーム32における発電セル12側とは反対側の面に流れることはない。
On the other hand, the fuel gas from which most of the liquid water W has been separated passes from the fuel
また、各発電セル12の膜電極接合体18におけるカソード側の面には、酸化剤ガス供給口(図示略)から酸化剤ガス供給通路(図示略)及び連通路(図示略)を介して酸化剤ガスが供給される。そして、燃料電池スタック11では、各発電セル12の膜電極接合体18におけるカソード側の面に供給された酸化剤ガスと、各発電セル12の膜電極接合体18におけるアノード側の面に供給された燃料ガスとの膜電極接合体18での電気化学反応に基づいて発電される。
Further, on the cathode side surface of the
膜電極接合体18での未反応の燃料ガスは、第2連通路37及び燃料ガス排出通路30を介して燃料ガス排出口35から排出される。膜電極接合体18での未反応の酸化剤ガスは、連通路(図示略)及び酸化剤ガス排出通路(図示略)を介して酸化剤ガス供給口(図示略)から排出される。
Unreacted fuel gas in the
以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
(1)燃料電池スタック11は、燃料ガスを用いて発電する複数の発電セル12が積層され、且つ複数の発電セル12の積層方向Xの一端部に位置する発電セル12に発電しないダミーセル13が積層されたセル積層体14を備える。各発電セル12は、膜電極接合体18を支持した支持フレーム19と、支持フレーム19を挟む一対のセパレータ20とを備える。各発電セル12及びダミーセル13には、積層方向Xに延びて燃料ガスが供給される燃料ガス供給通路28を形成する燃料ガス供給孔21が形成される。各発電セル12における燃料ガス供給孔21と膜電極接合体18との間には、積層方向Xに延びる通路29を形成する通路形成孔22が形成される。通路29は、燃料ガス供給通路28及び膜電極接合体18の両方と連通している。
According to the embodiment detailed above, the following effects are exhibited.
(1) In the
この構成によれば、燃料ガス供給通路28におけるダミーセル13側とは反対側から燃料ガスを勢いよく供給すると、燃料ガスの勢いによって燃料ガスに含まれる液水W(水蒸気)が燃料ガス供給通路28を通ってダミーセル13まで飛ばされて分離される。液水Wが分離された燃料ガスは、通路29を介してダミーセル13よりも手前側(上流側)にある各発電セル12の膜電極接合体18に供給される。したがって、各発電セル12の膜電極接合体18に液水Wが流れることを抑制できる。
According to this configuration, when the fuel gas is vigorously supplied from the opposite side of the
(2)燃料電池スタック11において、燃料ガス供給孔21は、通路形成孔22よりも面積が小さくなっている。
この構成によれば、複数の燃料ガス供給孔21によって形成される燃料ガス供給通路28を流れる燃料ガスに含まれる液水Wの流速を速くすることができる。このため、燃料ガスに含まれる液水Wを燃料ガス供給通路28に供給される燃料ガスの勢いによってより確実にダミーセル13まで飛ばすことができる。したがって、液水Wを含む燃料ガスから液水Wを効果的に分離できる。
(2) In the
According to this configuration, the flow velocity of the liquid water W contained in the fuel gas flowing through the fuel
(変更例)
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
(Change example)
The above embodiment can be implemented with the following modifications. Moreover, the above embodiments and the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
・図6に示すように、支持フレーム19及びセパレータ20において、燃料ガス供給孔21を三角形状にするとともに通路形成孔22を略五角形状にしてもよい。
・図7に示すように、支持フレーム19及びセパレータ20において、燃料ガス供給孔21及び通路形成孔22を共に長方形状にしてもよい。
- As shown in FIG. 6, in the
- As shown in FIG. 7, in the
・支持フレーム19及びセパレータ20において、燃料ガス供給孔21及び通路形成孔22は、任意の形状に変更してもよい。
・ダミーセル13のセパレータ20における通路形成孔22は、省略してもよい。
- In the
- The
・支持フレーム19及びセパレータ20において、燃料ガス供給孔21は、通路形成孔22と面積が同じであってもよいし、通路形成孔22よりも面積が大きくてもよい。
・燃料電池スタック11において、第1孔を酸化剤ガス供給孔24とし、酸化剤ガス供給通路(図示略)と各発電セル12の膜電極接合体18とを連通するように通路29を形成してもよい。このようにすれば、特に酸化剤ガスを加湿して使用する場合に、酸化剤ガスに含まれる液水Wが膜電極接合体18に流れることを効果的に抑制できる。
- In the
In the
・燃料電池スタック11は、積層方向Xが鉛直方向と一致する姿勢で使用してもよいし、積層方向Xが鉛直方向と交差する姿勢で使用してもよい。
- The
11…燃料電池スタック
12…発電セル
13…ダミーセル
14…セル積層体
15…ターミナルプレート
16…絶縁プレート
17…エンドプレート
18…膜電極接合体
19…支持フレーム
20…セパレータ
21…第1孔の一例としての燃料ガス供給孔
22…第2孔の一例としての通路形成孔
23…燃料ガス排出孔
24…酸化剤ガス供給孔
25…酸化剤ガス排出孔
26…冷却媒体供給孔
27…冷却媒体排出孔
28…燃料ガス供給通路
29…通路
30…燃料ガス排出通路
31…導電体
32…ダミーフレーム
33…ガスケット
34…燃料ガス供給口
35…燃料ガス排出口
36…第1連通路
37…第2連通路
38…第3連通路
39…第4連通路
W…液水
X…積層方向
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記各発電セルは、膜電極接合体を支持した支持フレームと、前記支持フレームを挟む一対のセパレータとを備え、
前記各発電セル及び前記ダミーセルには、前記積層方向に延びて前記ガスが供給されるガスマニホールドを形成する第1孔が形成され、
前記各発電セルにおける前記第1孔と前記膜電極接合体との間には、前記積層方向に延びる通路を形成する第2孔が形成され、
前記通路は、前記ガスマニホールド及び前記膜電極接合体の両方と連通していることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack in which a plurality of power generation cells that generate power using gas are stacked, and a dummy cell that does not generate power is stacked on the power generation cell positioned at one end in the stacking direction of the plurality of power generation cells,
Each power generation cell includes a support frame that supports a membrane electrode assembly, and a pair of separators sandwiching the support frame,
Each of the power generation cells and the dummy cells is formed with a first hole extending in the stacking direction and forming a gas manifold to which the gas is supplied,
A second hole forming a passage extending in the stacking direction is formed between the first hole and the membrane electrode assembly in each power generation cell,
The fuel cell stack, wherein the passage communicates with both the gas manifold and the membrane electrode assembly.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2021071319A JP2022165808A (en) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2021071319A JP2022165808A (en) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | fuel cell stack |
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JP2021071319A Pending JP2022165808A (en) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | fuel cell stack |
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Country | Link |
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2021
- 2021-04-20 JP JP2021071319A patent/JP2022165808A/en active Pending
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