JP3811382B2

JP3811382B2 - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP3811382B2
Application number: JP2001323994A
Authority: JP
Inventors: 征治鈴木; 洋介藤井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-10-22
Also published as: JP2003132934A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体を、セパレータを介して複数個積層した燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池は、通常、電解質（電解質膜）・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。前記燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックを車両等に搭載して使用する場合、所望の電力を得るために相当に多数の燃料電池が必要となる。従って、燃料電池スタック全体が大型化し易くなってしまうため、前記燃料電池スタックの構成部品を積層方向に薄肉化することが望まれている。
【０００５】
そこで、例えば、米国特許第５，８０４，３２６号公報に開示されているように、燃料電池スタック全体を直方体状に構成するとともに、セパレータの面内に冷却媒体用流路を設けず、燃料電池の積層方向に連通孔を設けて、この連通孔に冷却媒体を流すように構成された燃料電池スタックが知られている。具体的には、図１１に示すように、燃料電池スタック１は、鉛直方向（矢印Ｘ方向）に積層されており、上下両端にエンドプレート２ａ、２ｂが設けられている。
【０００６】
エンドプレート２ａ、２ｂ間には、セパレータである流路プレート３が配置されており、この流路プレート３の短辺側両端縁部には、酸化剤ガス供給口４ａおよび燃料ガス供給口５ａと、酸化剤ガス排出口４ｂおよび燃料ガス排出口５ｂとが設けられている。酸化剤ガス供給口４ａと酸化剤ガス排出口４ｂとは、流路プレート３の面内を長辺側で折り返して蛇行する酸化剤ガス流路溝６により連通している。
【０００７】
流路プレート３の長辺側両端縁部には、積層方向に貫通する複数の貫通孔７が設けられており、前記貫通孔７を介して冷却媒体通路８が形成されるとともに、冷却媒体が、この冷却媒体通路８に沿って矢印方向に流れるように構成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、所望の電極冷却性を確保するためには、電極中心部と冷却媒体との距離を短く設定する必要があり、流路プレート３のアスペクト比（縦横比）を大きくしなければならない。従って、流路プレート３に設けられている酸化剤ガス流路溝６（および図示しない燃料ガス流路溝）が相当に長尺化することになる。
【０００９】
この場合、流路プレート３の短辺側の寸法を短尺化しても、図１１中、Ａ０−Ａ０線に沿った短辺側の温度は、図１２に示す温度分布を有することになる。これにより、流路プレート３の短辺方向に対して貫通孔７同士の間隔を可及的に短尺化させても、前記流路プレート３の短辺方向略中央部と前記流路プレート３の短辺方向両端縁部との間に、比較的大きな温度差ΔＴｅ（℃）が発生してしまう。この結果、電極を良好に冷却することができず、安定した発電性能を得ることが困難になるという問題が指摘されている。
【００１０】
さらに、燃料電池スタック１の長辺側が水平方向に設置されることにより、前記酸化剤ガス流路溝６が鉛直方向に蛇行することになる。このため、酸化剤ガス流路溝６内で結露した生成水は、前記酸化剤ガス流路溝６に沿って反重力方向に移動することが困難となり、流路プレート３の面内に生成水が残存して燃料電池スタック１の発電性能が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質・電極構造体を容易かつ確実に冷却するとともに、セパレータの厚さを有効に薄肉化してスタック全体の小型化を容易に図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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、セパレータの平面が長方形状に設定されており、この平面には、燃料ガスおよび／または酸化剤ガスである反応ガスを流すための反応ガス流路が短辺方向に複数に分割されて設けられている。反応ガス流路の外周には、電解質・電極構造体の積層方向に貫通して外側冷却媒体流路が設けられる一方、分割された前記反応ガス流路の間には、前記電解質・電極構造体の積層方向に貫通して内側冷却媒体流路が設けられている。
【００１３】
このため、セパレータの平面内に冷却媒体流路溝を設ける必要がなく、電解質・電極構造体を容易かつ確実に冷却するとともに、前記セパレータの積層方向の厚さを可及的に薄肉化することができ、燃料電池スタック全体の小型化が容易に図られる。
【００１４】
しかも、分割された反応ガス流路間に内側冷却媒体流路が設けられるため、セパレータの面方向に沿って冷却媒体を流す構成に比べ、少量の冷却媒体で所望の冷却機能を確実に維持することが可能になる。
【００１５】
さらに、例えば、冷却媒体が、内側冷却媒体流路を介して積層方向に流れた後、折り返して外側冷却媒体流路を介し積層方向に流れることにより、通常、高温となり易い燃料電池スタック内の中央部分を有効に冷却することができる。その上、温度が高くなった冷却媒体が、外側冷却媒体流路に供給されるため、燃料電池スタックの側面（例えば、上面および下面）からの放熱量を抑えることが可能になる。これにより、燃料電池スタック内での生成水の結露による反応ガス流路の閉塞を阻止し、安定した発電特性を確実に得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視図である。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、複数個の単位燃料電池セル１２を備え、前記単位燃料電池セル１２は、複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。燃料電池スタック１０は、全体として直方体状を有しており、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００１８】
図２に示すように、単位燃料電池セル１２は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。
【００１９】
電解質膜・電極構造体１４は、固体高分子電解質膜１９と、この電解質膜１９を挟んで配設されるカソード側電極２０およびアノード側電極２２とを有するとともに、前記カソード側電極２０および前記アノード側電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパやカーボンクロス等からなる第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。カソード側電極２０、アノード側電極２２並びに第１および第２ガス拡散層２４、２６は、短辺方向に複数、例えば、２つに分割されている。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１４の両側には、第１および第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケット２８は、それぞれカソード側電極２０および第１ガス拡散層２４を収納するための大きな開口部３２ａ、３２ｂを上下に有する一方、前記第２ガスケット３０は、それぞれアノード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４ａ、３４ｂを上下に有する。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２ガスケット２８、３０とが、第１および第２セパレータ１６、１８によって挟持される。第１および第２セパレータ１６、１８は、例えば、長辺３５ａが水平方向に指向するとともに、短辺３５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００２２】
電解質膜・電極構造体１４、第１および第２ガスケット２８、３０並びに第１および第２セパレータ１６、１８の一方の短辺３５ｂ側には、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス出口３６ｂ、酸素含有ガス等の酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口３８ａ、燃料ガス入口４０ａおよび酸化剤ガス出口４２ｂが、上部側から下部側に向かって、順次、設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１４、第１および第２ガスケット２８、３０並びに第１および第２セパレータ１６、１８の他方の短辺３５ｂ側には、酸化剤ガス出口３８ｂ、燃料ガス入口３６ａ、酸化剤ガス入口４２ａおよび燃料ガス出口４０ｂが、上部側から下部側に向かって、順次、設けられる。
【００２４】
電解質膜・電極構造体１４、第１および第２ガスケット２８、３０並びに第１および第２セパレータ１６、１８の略中央部には、長辺３５ａに沿って矢印Ｃ方向に延在する冷却媒体入口４４ａが設けられるとともに、この冷却媒体入口４４ａの上下には、矢印Ｃ方向に延在して互いに平行な冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃが設けられる。冷却媒体入口４４ａには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００２５】
第１セパレータ１６のカソード側電極２０に対向する面１６ａには、酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａに連通するそれぞれ独立した複数の酸化剤ガス流路溝からなる酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４８ａ、４８ｂが、水平方向に蛇行しながら反重力方向および重力方向に向かって設けられており、前記酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂの下流は、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂに連通している。
【００２６】
図３に示すように、第２セパレータ１８のアノード側電極２２側の面１８ａには、燃料ガス入口３６ａ、４０ａに連通してそれぞれ独立した複数本の燃料ガス流路溝からなる燃料ガス流路（反応ガス流路）５０ａ、５０ｂが形成される。この燃料ガス流路５０ａ、５０ｂは、水平方向に蛇行しながら反重力方向および重力方向に向かって設けられ、燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂに連通している。
【００２７】
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８とを備えた単位燃料電池セル１２は、矢印Ａ方向に所定組数だけ積層され、その積層方向両端には、第１エンドプレート５２と第２エンドプレート５４とが配設される。第１および第２エンドプレート５２、５４がタイロッド（図示せず）を介して一体的に締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【００２８】
図４に示すように、燃料電池スタック１０内には、各単位燃料電池セル１２に形成されている酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａおよび酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂを連通して略Ｕ字状に構成される酸化剤ガス給排路５６ａ、５６ｂと、燃料ガス入口３６ａ、４０ａおよび燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂを連通して略Ｕ字状に構成される燃料ガス給排路５８ａ、５８ｂと、冷却媒体入口４４ａを連通して構成される内側冷却媒体流路６０と、冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃを連通して構成される外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂとが設けられる。
【００２９】
第２エンドプレート５４には、冷却媒体入口４４ａを通って積層方向後方（第２エンドプレート５４側）に流れてくる冷却媒体を、上下に振り分けて冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃに連通する外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに供給するための分配通路６４が形成される。
【００３０】
図１に示すように、第１エンドプレート５２には、配管構造７０が設けられる。この配管構造７０は、酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａに連通する酸化剤ガス供給管７２と、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂに連通する酸化剤ガス排出管７４と、燃料ガス入口３６ａ、４０ａに連通する燃料ガス供給管７６と、燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂに連通する燃料ガス排出管７８と、冷却媒体入口４４ａに連通する冷却媒体供給管８０と、冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃに連通する冷却媒体排出管８２とを備える。
【００３１】
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。
【００３２】
図１に示すように、酸化剤ガス供給管７２に酸化剤ガスとして空気等の酸素含有ガス（以下、単に空気という）が供給されるとともに、燃料ガス供給管７６には、燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給される。さらに、冷却媒体供給管８０には冷却媒体が供給される。酸化剤ガス供給管７２に供給された空気は、図４に示すように、酸化剤ガス給排路５６ａ、５６ｂに分配された後、第１セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａに供給される。
【００３３】
第１セパレータ１６では、酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａに供給された空気が、面１６ａ内の酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂに導入され、この酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂに沿って水平方向に蛇行しながら反重力方向および重力方向に移動する。その際、空気中の酸素ガスは、図２に示すように、第１ガス拡散層２４からカソード側電極２０に供給される一方、未使用の空気が酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂに排出される。この酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂに排出された空気は、酸化剤ガス給排路５６ａ、５６ｂの出口側に設けられている酸化剤ガス排出管７４を介して燃料電池スタック１０の外部に排出される（図１参照）。
【００３４】
一方、燃料ガス供給管７６に供給された燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス給排路５８ａ、５８ｂに分配された後、第２セパレータ１８の燃料ガス入口３６ａ、４０ａに送られる。燃料ガス入口３６ａ、４０ａに導入された燃料ガスは、燃料ガス流路５０ａ、５０ｂに供給されることにより、第２セパレータ１８の面１８ａに沿って水平方向に蛇行しながら反重力方向および重力方向に移動する。その際、図３に示すように、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層２６を通って電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極２２に供給される。
【００３５】
そして、未使用の燃料ガスは、燃料ガス流路５０ａ、５０ｂから燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂに導出され、燃料ガス給排路５８ａ、５８ｂの出口側から燃料ガス排出管７８に排出される（図１参照）。これにより、各電解質膜・電極構造体１４で発電が行われ、燃料電池スタック１０に接続される負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００３６】
また、燃料電池スタック１０内は、冷却媒体により冷却される。すなわち、冷却媒体供給管８０に供給された冷却媒体は、図４に示すように、内側冷却媒体流路６０に導入され、各電解質膜・電極構造体１４に形成されている冷却媒体入口４４ａを通って積層方向後方側に移動する（図２参照）。その際、冷却媒体は、各電解質膜・電極構造体１４の略中央部を通って前記電解質膜・電極構造体１４を中央側から冷却した後、積層方向後方側に配置されている第２エンドプレート５４の分配通路６４に導入される。
【００３７】
この分配通路６４に導入された冷却媒体は、図４に示すように、矢印Ｂ方向（上下方向）両端側に移動して外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに供給される。外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂを流れる冷却媒体は、各単位燃料電池セル１２の電解質膜・電極構造体１４を外側から冷却した後、冷却媒体排出管８２から排出される（図１参照）。
【００３８】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０全体が直方体状に設定されるとともに、第１および第２セパレータ１６、１８の面１６ａ、１８ａには、反応ガス流路である酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび燃料ガス流路５０ａ、５０ｂが、短辺方向（矢印Ｂ方向）に分割して形成される。
【００３９】
酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂ間および燃料ガス流路５０ａ、５０ｂ間には、冷却媒体を流すための内側冷却媒体流路６０を構成する冷却媒体入口４４ａが積層方向に貫通して形成されるとともに、前記酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび前記燃料ガス流路５０ａ、５０ｂの外方に位置して、冷却媒体を流すための外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂを構成する冷却媒体出口４４ｂ、４４ｃが積層方向に貫通して設けられている。
【００４０】
このため、電解質膜・電極構造体１４の積層方向に貫通して設けられている内側冷却媒体流路６０から外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに沿って冷却媒体を流すだけで、前記電解質膜・電極構造体１４の発電面を内側および外側から良好に冷却することができる。従って、第１セパレータ１６の面１６ｂ側または第２セパレータ１８の面１８ｂ側に、面方向に沿って冷却媒体流路溝を形成する必要がなく、前記第１セパレータ１６または前記第２セパレータ１８の積層方向の厚さが可及的に薄肉化される。
【００４１】
これにより、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０の積層方向の寸法を有効に短尺化することが可能になり、前記燃料電池スタック１０全体の小型化が容易に図られるという効果が得られる。
【００４２】
さらに、反応ガス流路である酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび燃料ガス流路５０ａ、５０ｂは、第１および第２セパレータ１６、１８の短辺方向に分割されている。このため、酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび燃料ガス流路５０ａ、５０ｂを水平方向に蛇行して鉛直方向に向かうサーペンタイン流路として構成することにより、特に前記酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂ内で生成された生成水が、酸化剤ガス入口３８ａおよび酸化剤ガス出口４２ｂ側に確実に排出され、燃料電池スタック１０の発電性能が低下することを確実に阻止することが可能になる。
【００４３】
なお、反応ガス流路は、短辺方向に２つ以上に分割することができ、また、アスペクト比等によって３分割や４分割等に設定することも可能である。
【００４４】
しかも、分割された酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂ間および燃料ガス流路５０ａ、５０ｂ間には、内側冷却媒体流路６０が設けられている。従って、第１および第２セパレータ１６、１８間に面方向に沿って冷却媒体を流す従来の構成に比べ、少量の冷却媒体で所望の冷却機能を確実に維持することができるという利点がある。このため、冷却媒体を送るポンプ（図示せず）の動力を低減することが可能になり、発電システム全体の効率化を図ることができる。
【００４５】
さらにまた、第１の実施形態では、内側冷却媒体流路６０に冷却媒体を供給した後、この冷却媒体を第２エンドプレート５４の分配通路６４を介して外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに導入し、この外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂの出口側から排出している。これにより、各電解質膜・電極構造体１４において、温度の高い略中央部に温度の低い冷却媒体が供給されることになり、前記電解質膜・電極構造体１４の冷却効率を有効に向上させることが可能になる。
【００４６】
その上、内側冷却媒体流路６０を通って温度が高くなった冷却媒体が、外側冷却媒体流路６２ａ、６２ｂに供給される。このため、燃料電池スタック１０の側面、例えば、上面および下面からの放熱量を抑えることができ、前記燃料電池スタック１０内での生成水の結露による酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂや燃料ガス流路５０ａ、５０ｂの閉塞を阻止し、安定した発電性能を確実に得ることが可能になる。しかも、酸化剤ガス流路４８ａ、４８ｂおよび燃料ガス流路５０ａ、５０ｂの酸化剤ガスおよび燃料ガスの流れ方向は、冷却媒体の流れ方向と一致している。従って、特に酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂ側の温度が高くなり、生成水を効果的に排出することができる。
【００４７】
ところで、図１に示すように、燃料電池スタック１０に対し、所定数の単位燃料電池セル１２の間毎に導電板９０を介装してもよい。この導電板９０は、冷却媒体が通過することによって比較的迅速に面方向に冷却されるため、前記導電板９０の面に接する各電解質膜・電極構造体１４の発電面が一層効率的に冷却されるという効果がある。
【００４８】
また、図５に示すように、内側冷却媒体流路６０内において、積層方向後方（冷却媒体流れ方向）に向かって第２セパレータ１８の貫通孔（冷却媒体入口４４ａ）を、順次、内方に向かって段状に突出させるようにすれば、第２セパレータ１８の段部を構成する部分と冷却媒体との接触面積が増大し、該第２セパレータ１８を一層効率的に冷却することが可能になる。なお、第２セパレータ１８に代替し、あるいは、前記第２セパレータ１８の他に、第１セパレータ１６の貫通孔を段状に突出させてもよい。
【００４９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータ１００の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第１セパレータ１６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。また、以下に説明する第３乃至第５の実施形態においても同様である。
【００５０】
第１セパレータ１００には、略中央部に長辺方向（矢印Ｃ方向）に沿って冷却媒体入口１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃがそれぞれ所定の長さに形成されるとともに、前記冷却媒体入口１０２ａ、１０２ｂ間および前記冷却媒体入口１０２ｂ、１０２ｃ間にリブ部１０４が設けられている。第１セパレータ１００の上部側には、矢印Ｃ方向に沿って冷却媒体出口１０６ａ、１０６ｂおよび１０６ｃがそれぞれ所定の長さに設けられるとともに、前記冷却媒体出口１０６ａ、１０６ｂ間および前記冷却媒体出口１０６ｂ、１０６ｃ間にリブ部１０８が設けられている。
【００５１】
同様に、第１セパレータ１００の下部側には、矢印Ｃ方向に沿ってそれぞれ冷却媒体出口１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃが所定の長さ毎に設けられ、前記冷却媒体出口１１０ａ、１１０ｂ間および前記冷却媒体出口１１０ｂ、１１０ｃ間には、リブ部１１２が設けられている。
【００５２】
このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体入口１０２ａ乃至１０２ｃ間にリブ部１０４が設けられるとともに、冷却媒体出口１０６ａ乃至１０６ｃ間および１１０ａ乃至１１０ｃ間にそれぞれリブ部１０８、１１２が設けられている。このため、第１セパレータ１００が比較的薄肉状に構成されている場合であっても、前記第１セパレータ１００の強度を有効に維持することが可能になる。
【００５３】
しかも、第１セパレータ１００では、短辺方向（矢印Ｂ方向）に沿った（Ａ−Ａ線）温度分布が、第１の実施形態と同様に均一化される（図７参照）。その際、第１セパレータ１００の短辺方向に沿った温度差ΔＴｎ（℃）は、図１２に示すように、従来構造の燃料電池スタック１における温度差ΔＴｅ（℃）に比べて相当に小さな値となり、電極の冷却性が大幅に向上するという効果が得られる。
【００５４】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータ１２０の正面説明図である。
【００５５】
この第１セパレータ１２０では、上下両端側に矢印Ｃ方向に延在し、かつ冷却媒体入口４４ａよりも短尺な冷却媒体出口１２２ａ、１２２ｂが形成される。冷却媒体出口１２２ａの両端側には、略Ｌ字状に屈曲する冷却媒体出口１２４ａ、１２６ａが、酸化剤ガス出口３８ｂおよび燃料ガス出口３６ｂを２面で囲うようにして設けられている。一方、冷却媒体出口１２２ｂの両端側には、同様に略Ｌ字状に屈曲する冷却媒体出口１２４ｂ、１２６ｂが、燃料ガス出口４０ｂおよび酸化剤ガス出口４２ｂを２面で囲うようにして設けられている。
【００５６】
このように構成される第３の実施形態では、特に、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂを囲って冷却媒体出口１２４ａ、１２６ｂが設けられている。このため、冷却媒体入口４４ａに導入されて温度が高くなった冷却媒体が冷却媒体出口１２４ａ、１２６ｂを流れることにより、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂ側の温度が上昇する。従って、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂにおける生成水の結露を有効に阻止し、安定した発電性能を確実に得ることができるという効果が得られる。
【００５７】
また、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂでは、この酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂを３面で囲うようにして酸化剤ガス出口１２８ａ、１２８ｂを設けることができる。これにより、酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂを温まった冷却水により一層良好に昇温させることができ、生成水の結露を可及的に阻止することが可能になる。
【００５８】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータ１３０の正面説明図である。
【００５９】
この第１セパレータ１３０の一方の面（カソード側電極に対向する面）１３０ａには、酸化剤ガス入口３８ａ、４２ａと酸化剤ガス出口３８ｂ、４２ｂとをそれぞれ連通する酸化剤ガス流路１３２ａ、１３２ｂが個別に形成される。酸化剤ガス流路１３２ａ、１３２ｂは、水平方向（矢印Ｃ方向）に延在する複数本のストレート流路溝により構成されている。
【００６０】
これにより、第４の実施形態では、酸化剤ガス流路１３２ａ、１３２ｂで結露される生成水を、一層円滑かつ確実に排出することが可能になるという利点がある。
【００６１】
なお、第４の実施形態では、図示していないが、燃料ガス入口３６ａ、４０ａと燃料ガス出口３６ｂ、４０ｂとは、ストレート流路溝により構成される個別の燃料ガス流路を介して連通している。
【００６２】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１４０内の流路説明図である。
【００６３】
この燃料電池スタック１４０を構成する第１および第２セパレータ１４２、１４４には、その中央部側に水平方向に配列されて冷却媒体入口１４６ａ、１４６ｂおよび１４６ｃが貫通形成される。第１および第２セパレータ１４２、１４４の長辺側上下両端縁部には、それぞれ冷却媒体出口１４８ａ、１４８ｂおよび１４８ｃと、冷却媒体出口１４８ｄ、１４８ｅおよび１４８ｆとが貫通形成されている。
【００６４】
燃料電池スタック１４０内には、冷却媒体入口１４６ａ乃至１４６ｃを連通して内側冷却媒体流路１５０が形成されるとともに、冷却媒体出口１４８ａ乃至１４８ｃおよび冷却媒体出口１４８ｄ乃至１４８ｆを連通して外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂが形成されている。
【００６５】
燃料電池スタック１４０の積層方向両端に第１および第２エンドプレート１５４、１５６が配置され、前記エンドプレート１５４には、内側冷却媒体流路１５０を折り返す内側リターン流路１５６と、外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂを折り返す外側リターン流路１５８ａ、１５８ｂとが設けられている。第２エンドプレート１５６には、内側冷却媒体流路１５０を折り返す内側リターン流路１６０と、外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂを折り返す内側リターン流路１６２ａ、１６２ｂと、前記内側冷却媒体流路１５０を前記外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂに連通するリターン流路１６４とが設けられている。
【００６６】
このように構成される燃料電池スタック１４０では、内側冷却媒体流路１５０に供給される冷却媒体は、この燃料電池スタック１４０内で積層方向に折り返して冷却媒体入口１４６ａ乃至１４６ｃに、順次、導入され、発電面の中央部側を冷却する。さらに、冷却媒体は、外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂに導入され、冷却媒体出口１４８ａ乃至１４８ｃおよび冷却媒体出口１４８ｄ乃至１４８ｆを、順次、通って発電面の外側から冷却を行った後、外部に排出される。
【００６７】
これにより、燃料電池スタック１４０では、冷却媒体が比較的長尺な内側冷却媒体流路１５０と外側冷却媒体流路１５２ａ、１５２ｂに沿って流れるため、発電面を一層確実に冷却することができるという効果が得られる。
【００６８】
なお、上記した第１乃至第５の実施形態では、酸化剤ガスおよび燃料ガスを下部側から上部側に向かって流すように構成されているが、この酸化剤ガスおよび燃料ガスを上部側から下部側に向かって流すようにしてもよい。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セパレータの平面内に冷却媒体流路溝を設ける必要がなく、電解質・電極構造体を容易かつ確実に冷却するとともに、前記セパレータの積層方向の厚さを可及的に薄肉化することができ、燃料電池スタック全体の小型化が容易に図られる。
【００７０】
しかも、分割された反応ガス流路間に内側冷却媒体流路が設けられるため、セパレータの面方向に沿って冷却媒体を流す構成に比べ、少量の冷却媒体で所望の冷却機能を確実に維持することが可能になる。従って、冷却媒体を送るポンプの動力を低減することができ、燃料電池スタックによる発電システム全体の効率化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックに組み込まれる第２セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタック内の流路説明図である。
【図５】前記燃料電池スタック内で第２セパレータの貫通孔を段状に配置した際の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図７】前記第１セパレータの短辺方向に沿った温度分布の説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図１０】
本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック内の流路説明図である。
【図１１】従来技術に係る燃料電池スタックの斜視図である。
【図１２】図１１の燃料電池スタックの短辺方向に沿った温度分布の説明図である。
【符号の説明】
１０、１４０…燃料電池スタック１２…単位燃料電池セル
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、１００、１２０、１３０、１４２、１４４…セパレータ
２０…カソード側電極２２…アノード側電極
３６ａ、４０ａ…燃料ガス入口３６ｂ、４０ｂ…燃料ガス出口
３８ａ、４２ａ…酸化剤ガス入口３８ｂ、４２ｂ…酸化剤ガス出口
４４ａ、１０２ａ〜１０２ｃ、１４６ａ〜１４６ｃ…冷却媒体入口
４４ｂ、４４ｃ、１０６ａ〜１０６ｃ、１１０ａ〜１１０ｃ、１２２ａ、１２２ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２６ａ、１２６ｂ、１４８ａ〜１４８ｆ…冷却媒体出口
４８ａ、４８ｂ…酸化剤ガス流路５０ａ、５０ｂ…燃料ガス流路
５２、５４…エンドプレート６０、１５０…内側冷却媒体流路
６２ａ、６２ｂ、１５２ａ、１５２ｂ…外側冷却媒体流路
６４…分配通路７０…配管構造
１０４、１０８、１１２…リブ部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of electrolyte / electrode structures each having an electrolyte sandwiched between a pair of electrodes are stacked via a separator.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are respectively provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is separated by a separator. It is comprised by pinching.
[0003]
This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolytes (electrolyte membranes) / electrode structures and separators. In the fuel cell stack, the fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a hydrogen-containing gas, is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode side electrode side through an appropriately humidified electrolyte membrane, Electrons generated during the movement are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air, the hydrogen ions, the electrons and the oxygen gas react to generate water at the cathode side electrode. .
[0004]
By the way, when the fuel cell stack is used in a vehicle or the like, a large number of fuel cells are required to obtain desired power. Accordingly, since the entire fuel cell stack is likely to be increased in size, it is desired to reduce the thickness of the components of the fuel cell stack in the stacking direction.
[0005]
Therefore, for example, as disclosed in US Pat. No. 5,804,326, the entire fuel cell stack is formed in a rectangular parallelepiped shape, and the cooling medium flow path is not provided in the plane of the separator. There is known a fuel cell stack that is configured so that a communication hole is provided in the stacking direction and a cooling medium flows through the communication hole. Specifically, as shown in FIG. 11, the fuel cell stack 1 is stacked in the vertical direction (arrow X direction), and end plates 2a and 2b are provided at both upper and lower ends.
[0006]
A flow path plate 3 as a separator is disposed between the end plates 2a and 2b, and an oxidant gas supply port 4a and a fuel gas supply port 5a are provided at both ends of the short side of the flow path plate 3. An oxidant gas discharge port 4b and a fuel gas discharge port 5b are provided. The oxidant gas supply port 4a and the oxidant gas discharge port 4b communicate with each other through an oxidant gas flow channel groove 6 that folds in the plane of the flow channel plate 3 on the long side and meanders.
[0007]
A plurality of through holes 7 penetrating in the laminating direction are provided at both edge portions on the long side of the flow path plate 3, a cooling medium passage 8 is formed through the through holes 7, and the cooling medium The cooling medium passage 8 is configured to flow in the direction of the arrow.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above prior art, in order to ensure the desired electrode cooling performance, it is necessary to set the distance between the electrode central portion and the cooling medium short, and the aspect ratio (aspect ratio) of the flow path plate 3 is increased. Must. Therefore, the oxidant gas passage groove 6 (and the fuel gas passage groove (not shown)) provided in the passage plate 3 is considerably lengthened.
[0009]
In this case, even if the dimension on the short side of the flow path plate 3 is shortened, the temperature on the short side along the line A0-A0 in FIG. 11 has the temperature distribution shown in FIG. Thereby, even if the interval between the through holes 7 is shortened as much as possible with respect to the short side direction of the flow path plate 3, the substantially central portion of the flow path plate 3 in the short side direction and the flow path plate 3 A relatively large temperature difference ΔTe (° C.) occurs between both ends of the short side direction. As a result, it has been pointed out that the electrode cannot be cooled well and it is difficult to obtain stable power generation performance.
[0010]
Furthermore, when the long side of the fuel cell stack 1 is installed in the horizontal direction, the oxidant gas passage groove 6 meanders in the vertical direction. For this reason, it is difficult for the generated water condensed in the oxidant gas flow channel 6 to move in the antigravity direction along the oxidant gas flow channel 6, and the generated water is formed in the plane of the flow channel plate 3. Remains and the power generation performance of the fuel cell stack 1 is reduced.
[0011]
The present invention solves this type of problem, and it is possible to easily and reliably cool the electrolyte / electrode structure and to effectively reduce the thickness of the separator to easily reduce the size of the entire stack. An object of the present invention is to provide a simple fuel cell stack.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell stack according to claim 1 of the present invention, the plane of the separator is set to a rectangular shape, and on this plane, a reaction gas flow path for flowing a reaction gas which is a fuel gas and / or an oxidant gas is provided. Are divided into a plurality in the short side direction. On the outer periphery of the reaction gas channel, an outer cooling medium channel is provided penetrating in the stacking direction of the electrolyte / electrode structure, while the electrolyte / electrode structure is provided between the divided reaction gas channels. An inner cooling medium flow path is provided so as to penetrate in the laminating direction.
[0013]
Therefore, there is no need to provide a cooling medium flow channel in the plane of the separator, and the electrolyte / electrode structure can be easily and reliably cooled, and the thickness of the separator in the stacking direction can be reduced as much as possible. Thus, the entire fuel cell stack can be easily reduced in size.
[0014]
Moreover, since the inner cooling medium flow path is provided between the divided reaction gas flow paths, the desired cooling function can be reliably maintained with a small amount of cooling medium as compared with the configuration in which the cooling medium flows along the surface direction of the separator. It becomes possible.
[0015]
Further, for example, the cooling medium flows in the stacking direction through the inner cooling medium flow path, and then turns back and flows in the stacking direction through the outer cooling medium flow path. The part can be cooled effectively. In addition, since the coolant whose temperature has been increased is supplied to the outer coolant flow path, it is possible to suppress the amount of heat released from the side surfaces (for example, the upper surface and the lower surface) of the fuel cell stack. As a result, it is possible to prevent the reaction gas flow path from being blocked due to condensation of generated water in the fuel cell stack, and to reliably obtain stable power generation characteristics.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell stack 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell stack 10.
[0017]
The fuel cell stack 10 includes a plurality of unit fuel cells 12, and a plurality of the unit fuel cells 12 are stacked in the horizontal direction (the direction of arrow A). The fuel cell stack 10 has a rectangular parallelepiped shape as a whole, and the short side direction (arrow B direction) is oriented in the gravity direction, and the long side direction (arrow C direction) is oriented in the horizontal direction. .
[0018]
As shown in FIG. 2, the unit fuel cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure 14 and first and second separators 16 and 18 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 14.
[0019]
The electrolyte membrane / electrode structure 14 includes a solid polymer electrolyte membrane 19, and a cathode side electrode 20 and an anode side electrode 22 disposed with the electrolyte membrane 19 interposed therebetween, and the cathode side electrode 20 and the anode The side electrode 22 is provided with first and second gas diffusion layers 24 and 26 made of, for example, porous carbon paper or carbon cloth that is a porous layer. The cathode side electrode 20, the anode side electrode 22, and the first and second gas diffusion layers 24 and 26 are divided into a plurality of, for example, two in the short side direction.
[0020]
First and second gaskets 28 and 30 are provided on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure 14, and the first gasket 28 is large for accommodating the cathode side electrode 20 and the first gas diffusion layer 24, respectively. The second gasket 30 has upper and lower large openings 34a and 34b for accommodating the anode-side electrode 22 and the second gas diffusion layer 26, respectively, while having the upper and lower openings 32a and 32b.
[0021]
The electrolyte membrane / electrode structure 14 and the first and second gaskets 28 and 30 are sandwiched between the first and second separators 16 and 18. For example, the first and second separators 16 and 18 are arranged such that the long side 35a is oriented in the horizontal direction and the short side 35b is oriented in the direction of gravity.
[0022]
A fuel for allowing a fuel gas such as a hydrogen-containing gas to pass through the electrolyte membrane / electrode structure 14, the first and second gaskets 28 and 30, and the first short side 35b of the first and second separators 16 and 18. A gas outlet 36b, an oxidant gas inlet 38a for passing an oxidant gas such as an oxygen-containing gas, a fuel gas inlet 40a, and an oxidant gas outlet 42b are sequentially provided from the upper side toward the lower side.
[0023]
On the other short side 35b side of the electrolyte membrane / electrode structure 14, the first and second gaskets 28, 30, and the first and second separators 16, 18, an oxidant gas outlet 38b, a fuel gas inlet 36a, an oxidant A gas inlet 42a and a fuel gas outlet 40b are sequentially provided from the upper side to the lower side.
[0024]
A cooling medium inlet extending in the direction of arrow C along the long side 35a is provided at the substantially central portion of the electrolyte membrane / electrode structure 14, the first and second gaskets 28 and 30, and the first and second separators 16 and 18. 44a is provided, and cooling medium outlets 44b and 44c extending in the direction of arrow C and parallel to each other are provided above and below the cooling medium inlet 44a. A cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet 44a.
[0025]
On the surface 16a of the first separator 16 facing the cathode side electrode 20, an oxidant gas channel (reactive gas channel) comprising a plurality of independent oxidant gas channel grooves communicating with the oxidant gas inlets 38a and 42a. ) 48a and 48b are provided in the anti-gravity direction and the gravitational direction while meandering in the horizontal direction, and downstream of the oxidant gas flow paths 48a and 48b communicate with the oxidant gas outlets 38b and 42b. Yes.
[0026]
As shown in FIG. 3, a fuel gas flow path comprising a plurality of independent fuel gas flow path grooves communicating with the fuel gas inlets 36 a and 40 a on the surface 18 a on the anode side electrode 22 side of the second separator 18. (Reaction gas flow paths) 50a and 50b are formed. The fuel gas flow paths 50a and 50b are provided in the antigravity direction and the gravity direction while meandering in the horizontal direction, and communicate with the fuel gas outlets 36b and 40b.
[0027]
As shown in FIG. 1, unit fuel cells 12 each including an electrolyte membrane / electrode structure 14 and first and second separators 16 and 18 are stacked in a predetermined number in the direction of arrow A, and both ends in the stacking direction. The first end plate 52 and the second end plate 54 are disposed in the front. The first and second end plates 52 and 54 are integrally clamped via tie rods (not shown), whereby the fuel cell stack 10 is configured.
[0028]
As shown in FIG. 4, in the fuel cell stack 10, the oxidant gas inlets 38a and 42a and the oxidant gas outlets 38b and 42b formed in each unit fuel cell 12 communicate with each other in a substantially U shape. The oxidant gas supply / discharge passages 56a, 56b configured, the fuel gas inlets 36a, 40a and the fuel gas outlets 36b, 40b communicating with each other, the fuel gas supply / discharge channels 58a, 58b configured in a substantially U shape, and cooling An inner cooling medium flow path 60 configured to communicate with the medium inlet 44a and outer cooling medium flow paths 62a, 62b configured to communicate with the cooling medium outlets 44b, 44c are provided.
[0029]
The second end plate 54 distributes the cooling medium flowing through the cooling medium inlet 44a rearward in the stacking direction (second end plate 54 side) up and down and communicates with the cooling medium outlets 44b and 44c. A distribution passage 64 for supplying the flow paths 62a and 62b is formed.
[0030]
As shown in FIG. 1, the first end plate 52 is provided with a piping structure 70. The piping structure 70 communicates with an oxidant gas supply pipe 72 that communicates with the oxidant gas inlets 38a and 42a, an oxidant gas discharge pipe 74 that communicates with the oxidant gas outlets 38b and 42b, and the fuel gas inlets 36a and 40a. A fuel gas supply pipe 76, a fuel gas discharge pipe 78 communicating with the fuel gas outlets 36b and 40b, a cooling medium supply pipe 80 communicating with the cooling medium inlet 44a, and a cooling medium discharge communicating with the cooling medium outlets 44b and 44c. A tube 82.
[0031]
The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.
[0032]
As shown in FIG. 1, an oxygen-containing gas such as air (hereinafter simply referred to as air) is supplied to the oxidant gas supply pipe 72 as an oxidant gas, and a fuel gas (for example, Gas containing hydrogen obtained by reforming hydrocarbons). Further, a cooling medium is supplied to the cooling medium supply pipe 80. As shown in FIG. 4, the air supplied to the oxidant gas supply pipe 72 is distributed to the oxidant gas supply / discharge passages 56 a and 56 b and then the oxidant gas inlet 38 a provided in the first separator 16. 42a.
[0033]
In the first separator 16, the air supplied to the oxidant gas inlets 38a and 42a is introduced into the oxidant gas flow paths 48a and 48b in the surface 16a, and the horizontal direction along the oxidant gas flow paths 48a and 48b. Move in the antigravity direction and gravity direction while meandering. At that time, as shown in FIG. 2, oxygen gas in the air is supplied from the first gas diffusion layer 24 to the cathode-side electrode 20, while unused air is discharged to the oxidant gas outlets 38b and 42b. . The air discharged to the oxidant gas outlets 38b and 42b is discharged to the outside of the fuel cell stack 10 through an oxidant gas discharge pipe 74 provided on the outlet side of the oxidant gas supply and discharge passages 56a and 56b. (See FIG. 1).
[0034]
On the other hand, as shown in FIG. 4, the fuel gas supplied to the fuel gas supply pipe 76 is distributed to the fuel gas supply / discharge passages 58 a and 58 b and then sent to the fuel gas inlets 36 a and 40 a of the second separator 18. . The fuel gas introduced into the fuel gas inlets 36a, 40a is supplied to the fuel gas flow paths 50a, 50b, thereby anti-gravity and gravity directions meandering horizontally along the surface 18a of the second separator 18 Move to. At this time, as shown in FIG. 3, the hydrogen gas in the fuel gas is supplied to the anode side electrode 22 of the electrolyte membrane / electrode structure 14 through the second gas diffusion layer 26.
[0035]
Unused fuel gas is led out from the fuel gas passages 50a and 50b to the fuel gas outlets 36b and 40b, and discharged from the outlet side of the fuel gas supply / discharge passages 58a and 58b to the fuel gas discharge pipe 78 (FIG. 1). As a result, power is generated by each electrolyte membrane / electrode structure 14, and power is supplied to a load connected to the fuel cell stack 10, for example, a motor (not shown).
[0036]
Further, the inside of the fuel cell stack 10 is cooled by a cooling medium. That is, as shown in FIG. 4, the cooling medium supplied to the cooling medium supply pipe 80 is introduced into the inner cooling medium flow path 60, and enters the cooling medium inlet 44a formed in each electrolyte membrane / electrode structure 14. It moves to the rear side in the stacking direction (see FIG. 2). At this time, the cooling medium passes through the substantially central portion of each electrolyte membrane / electrode structure 14 to cool the electrolyte membrane / electrode structure 14 from the center side, and then is arranged at the second end arranged on the rear side in the stacking direction. It is introduced into the distribution passage 64 of the plate 54.
[0037]
As shown in FIG. 4, the cooling medium introduced into the distribution passage 64 moves to both ends in the direction of arrow B (vertical direction) and is supplied to the outer cooling medium flow paths 62a and 62b. The cooling medium flowing through the outer cooling medium flow paths 62a and 62b is discharged from the cooling medium discharge pipe 82 after the electrolyte membrane / electrode structure 14 of each unit fuel cell 12 is cooled from the outside (see FIG. 1).
[0038]
In this case, in the first embodiment, the entire fuel cell stack 10 is set in a rectangular parallelepiped shape, and an oxidant gas which is a reaction gas flow path is formed on the surfaces 16a and 18a of the first and second separators 16 and 18. The flow paths 48a and 48b and the fuel gas flow paths 50a and 50b are formed by being divided in the short side direction (arrow B direction).
[0039]
Between the oxidant gas flow paths 48a and 48b and between the fuel gas flow paths 50a and 50b, a cooling medium inlet 44a constituting an inner cooling medium flow path 60 for flowing the cooling medium is formed so as to penetrate in the stacking direction. In addition, a coolant outlet 44b, which is located outside the oxidant gas passages 48a and 48b and the fuel gas passages 50a and 50b and constitutes outer coolant passages 62a and 62b for flowing a coolant, 44c is provided penetrating in the stacking direction.
[0040]
For this reason, only by flowing a cooling medium along the outer cooling medium flow paths 62a and 62b from the inner cooling medium flow path 60 penetrating in the stacking direction of the electrolyte membrane / electrode structure 14, the electrolyte film The power generation surface of the electrode structure 14 can be satisfactorily cooled from the inside and the outside. Therefore, it is not necessary to form a cooling medium flow channel along the surface direction on the surface 16b side of the first separator 16 or the surface 18b side of the second separator 18, and the first separator 16 or the second separator 18 The thickness in the stacking direction is made as thin as possible.
[0041]
Thereby, in the first embodiment, it is possible to effectively shorten the dimension of the fuel cell stack 10 in the stacking direction, and the effect that the entire fuel cell stack 10 can be easily reduced in size is obtained. .
[0042]
Further, the oxidant gas channels 48 a and 48 b and the fuel gas channels 50 a and 50 b which are reaction gas channels are divided in the short side direction of the first and second separators 16 and 18. For this reason, the oxidant gas flow paths 48a and 48b and the fuel gas flow paths 50a and 50b are configured as serpentine flow paths that meander in the horizontal direction and go in the vertical direction. The generated water generated in step (1) is reliably discharged to the oxidant gas inlet 38a and oxidant gas outlet 42b side, and it is possible to reliably prevent the power generation performance of the fuel cell stack 10 from being lowered.
[0043]
Note that the reaction gas channel can be divided into two or more in the short side direction, and can be set to three divisions, four divisions, or the like depending on the aspect ratio or the like.
[0044]
In addition, an inner coolant flow path 60 is provided between the divided oxidant gas flow paths 48a and 48b and between the fuel gas flow paths 50a and 50b. Therefore, there is an advantage that a desired cooling function can be reliably maintained with a small amount of cooling medium, compared to the conventional configuration in which the cooling medium is passed along the surface direction between the first and second separators 16 and 18. For this reason, it becomes possible to reduce the motive power of the pump (not shown) which sends a cooling medium, and can improve the efficiency of the whole electric power generation system.
[0045]
Furthermore, in the first embodiment, after supplying the cooling medium to the inner cooling medium flow path 60, the cooling medium is introduced into the outer cooling medium flow paths 62 a and 62 b via the distribution path 64 of the second end plate 54. The outer cooling medium channels 62a and 62b are discharged from the outlet side. Thereby, in each electrolyte membrane / electrode structure 14, a cooling medium having a low temperature is supplied to a substantially central portion where the temperature is high, and the cooling efficiency of the electrolyte membrane / electrode structure 14 is effectively improved. Is possible.
[0046]
In addition, the cooling medium whose temperature has increased through the inner cooling medium flow path 60 is supplied to the outer cooling medium flow paths 62a and 62b. Therefore, the amount of heat released from the side surfaces of the fuel cell stack 10, for example, the upper surface and the lower surface can be suppressed, and the oxidant gas flow paths 48 a and 48 b and the fuel gas flow due to condensation of generated water in the fuel cell stack 10 It is possible to prevent the passages 50a and 50b from being blocked and to reliably obtain stable power generation performance. Moreover, the flow directions of the oxidant gas and the fuel gas in the oxidant gas flow paths 48a and 48b and the fuel gas flow paths 50a and 50b coincide with the flow direction of the cooling medium. Accordingly, the temperature on the side of the oxidant gas outlets 38b and 42b is particularly high, and the generated water can be discharged effectively.
[0047]
By the way, as shown in FIG. 1, a conductive plate 90 may be interposed between a predetermined number of unit fuel cells 12 in the fuel cell stack 10. Since the conductive plate 90 is cooled relatively quickly in the surface direction as the cooling medium passes, the power generation surface of each electrolyte membrane / electrode structure 14 in contact with the surface of the conductive plate 90 is more efficiently cooled. There is an effect that.
[0048]
Further, as shown in FIG. 5, in the inner cooling medium flow path 60, the through holes (cooling medium inlet 44 a) of the second separator 18 are sequentially inward toward the rear in the stacking direction (cooling medium flow direction). By projecting toward the step, the contact area between the portion constituting the step of the second separator 18 and the cooling medium is increased, and the second separator 18 can be cooled more efficiently. Become. Note that, instead of the second separator 18, the through-holes of the first separator 16 may be protruded stepwise in addition to the second separator 18.
[0049]
FIG. 6 is an explanatory front view of the first separator 100 constituting the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the 1st separator 16 which comprises the fuel cell stack 10 which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted. The same applies to the third to fifth embodiments described below.
[0050]
In the first separator 100, cooling medium inlets 102a, 102b and 102c are formed in a substantially central portion along the long side direction (arrow C direction) to a predetermined length, and between the cooling medium inlets 102a and 102b. A rib 104 is provided between the cooling medium inlets 102b and 102c. On the upper side of the first separator 100, cooling medium outlets 106a, 106b and 106c are respectively provided in predetermined lengths along the direction of arrow C, and between the cooling medium outlets 106a and 106b and between the cooling medium outlets 106b, Ribs 108 are provided between 106c.
[0051]
Similarly, cooling medium outlets 110a, 110b, and 110c are provided at predetermined lengths along the direction of arrow C on the lower side of the first separator 100, respectively, and between the cooling medium outlets 110a and 110b and the cooling medium. A rib portion 112 is provided between the outlets 110b and 110c.
[0052]
In the second embodiment configured as described above, the rib 104 is provided between the cooling medium inlets 102a to 102c, and the ribs 108 and 112 are provided between the cooling medium outlets 106a to 106c and 110a to 110c, respectively. It has been. For this reason, even when the first separator 100 is configured to be relatively thin, the strength of the first separator 100 can be effectively maintained.
[0053]
Moreover, in the first separator 100, the temperature distribution along the short side direction (arrow B direction) (A-A line) is uniformed as in the first embodiment (see FIG. 7). At this time, the temperature difference ΔTn (° C.) along the short side direction of the first separator 100 is considerably smaller than the temperature difference ΔTe (° C.) in the conventional fuel cell stack 1 as shown in FIG. Thus, the effect of greatly improving the cooling performance of the electrode can be obtained.
[0054]
FIG. 8 is an explanatory front view of the first separator 120 constituting the fuel cell stack according to the third embodiment of the present invention.
[0055]
In the first separator 120, cooling medium outlets 122 a and 122 b that extend in the direction of arrow C on both the upper and lower ends and are shorter than the cooling medium inlet 44 a are formed. At both ends of the cooling medium outlet 122a, cooling medium outlets 124a and 126a bent in a substantially L shape are provided so as to surround the oxidant gas outlet 38b and the fuel gas outlet 36b with two surfaces. On the other hand, cooling medium outlets 124b and 126b, which are similarly bent in a substantially L shape, are provided at both ends of the cooling medium outlet 122b so as to surround the fuel gas outlet 40b and the oxidant gas outlet 42b on two sides. Yes.
[0056]
In the third embodiment configured as described above, in particular, cooling medium outlets 124a and 126b are provided so as to surround the oxidant gas outlets 38b and 42b. For this reason, the temperature of the oxidant gas outlets 38b and 42b rises when the coolant introduced into the coolant inlet 44a and having a high temperature flows through the coolant outlets 124a and 126b. Therefore, it is possible to effectively prevent condensation of the produced water at the oxidant gas outlets 38b and 42b, and to obtain a stable power generation performance with certainty.
[0057]
The oxidant gas outlets 38b and 42b can be provided with oxidant gas outlets 128a and 128b so as to surround the oxidant gas outlets 38b and 42b with three surfaces. As a result, the temperature of the oxidant gas outlets 38b and 42b can be raised more satisfactorily by the warmed cooling water, and it becomes possible to prevent condensation of the generated water as much as possible.
[0058]
FIG. 9 is an explanatory front view of the first separator 130 constituting the fuel cell stack according to the fourth embodiment of the present invention.
[0059]
One surface of the first separator 130 (the surface facing the cathode side electrode) 130a has oxidizing gas channels 132a and 132b communicating with the oxidizing gas inlets 38a and 42a and the oxidizing gas outlets 38b and 42b, respectively. Are formed individually. The oxidant gas flow paths 132a and 132b are constituted by a plurality of straight flow path grooves extending in the horizontal direction (direction of arrow C).
[0060]
Thereby, in 4th Embodiment, there exists an advantage that it becomes possible to discharge | emit the produced water condensed by oxidant gas flow path 132a, 132b more smoothly and reliably.
[0061]
Although not shown in the fourth embodiment, the fuel gas inlets 36a, 40a and the fuel gas outlets 36b, 40b communicate with each other via individual fuel gas flow paths constituted by straight flow path grooves. ing.
[0062]
FIG. 10 is an explanatory view of the flow path in the fuel cell stack 140 according to the fifth embodiment of the present invention.
[0063]
Cooling medium inlets 146a, 146b and 146c are formed through the first and second separators 142 and 144 constituting the fuel cell stack 140 in the horizontal direction at the center thereof. Cooling medium outlets 148a, 148b, and 148c and cooling medium outlets 148d, 148e, and 148f are formed through the first and second separators 142, 144 at the upper and lower end edges, respectively.
[0064]
Inside the fuel cell stack 140, the cooling medium inlets 146a to 146c are connected to form an inner cooling medium flow path 150, and the cooling medium outlets 148a to 148c and the cooling medium outlets 148d to 148f are connected to the outer cooling medium. Channels 152a and 152b are formed.
[0065]
First and second end plates 154 and 156 are disposed at both ends of the fuel cell stack 140 in the stacking direction. The end plate 154 has an inner return channel 156 that folds the inner coolant channel 150 and an outer coolant channel. Outer return flow paths 158a and 158b that fold back 152a and 152b are provided. The second end plate 156 includes an inner return flow path 160 that folds the inner cooling medium flow path 150, inner return flow paths 162a and 162b that fold the outer cooling medium flow paths 152a and 152b, and the inner cooling medium flow path 150. A return flow path 164 communicating with the outer cooling medium flow paths 152a and 152b is provided.
[0066]
In the fuel cell stack 140 configured as described above, the cooling medium supplied to the inner cooling medium flow path 150 is folded back in the stacking direction in the fuel cell stack 140 and sequentially introduced into the cooling medium inlets 146a to 146c. Cool the central part of the power generation surface. Further, the cooling medium is introduced into the outer cooling medium flow paths 152a and 152b, and sequentially cooled through the cooling medium outlets 148a to 148c and the cooling medium outlets 148d to 148f from the outside of the power generation surface, and then to the outside. Discharged.
[0067]
Thereby, in the fuel cell stack 140, the cooling medium flows along the relatively long inner cooling medium flow path 150 and outer cooling medium flow paths 152a and 152b, so that the power generation surface can be cooled more reliably. An effect is obtained.
[0068]
In the first to fifth embodiments described above, the oxidant gas and the fuel gas are configured to flow from the lower side toward the upper side. However, the oxidant gas and the fuel gas are flowed from the upper side to the lower side. You may make it flow toward the side.
[0069]
【The invention's effect】
In the fuel cell stack according to the present invention, it is not necessary to provide a cooling medium flow channel in the plane of the separator, and the electrolyte / electrode structure can be cooled easily and reliably and the thickness of the separator in the stacking direction can be made as large as possible. Therefore, the entire fuel cell stack can be easily reduced in size.
[0070]
Moreover, since the inner cooling medium flow path is provided between the divided reaction gas flow paths, the desired cooling function can be reliably maintained with a small amount of cooling medium as compared with the configuration in which the cooling medium flows along the surface direction of the separator. It becomes possible. Therefore, the power of the pump that sends the cooling medium can be reduced, and the efficiency of the entire power generation system using the fuel cell stack can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell stack.
FIG. 3 is an explanatory front view of a second separator incorporated in the fuel cell stack.
FIG. 4 is an explanatory view of a flow path in the fuel cell stack.
FIG. 5 is an explanatory diagram when the through holes of the second separator are arranged stepwise in the fuel cell stack.
FIG. 6 is an explanatory front view of a first separator constituting a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a temperature distribution along the short side direction of the first separator.
FIG. 8 is a front explanatory view of a first separator constituting a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory front view of a first separator constituting a fuel cell stack according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10
It is flow path explanatory drawing in the fuel cell stack which concerns on the 5th Embodiment of this invention.
FIG. 11 is a perspective view of a fuel cell stack according to the prior art.
12 is an explanatory diagram of a temperature distribution along the short side direction of the fuel cell stack of FIG. 11. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 140 ... Fuel cell stack 12 ... Unit fuel cell
14 ... Electrolyte membrane / electrode structure
16, 18, 100, 120, 130, 142, 144 ... separator
20 ... Cathode side electrode 22 ... Anode side electrode
36a, 40a ... Fuel gas inlet 36b, 40b ... Fuel gas outlet
38a, 42a ... Oxidant gas inlet 38b, 42b ... Oxidant gas outlet
44a, 102a-102c, 146a-146c ... Cooling medium inlet
44b, 44c, 106a to 106c, 110a to 110c, 122a, 122b, 124a, 124b, 126a, 126b, 148a to 148f ... Cooling medium outlet
48a, 48b ... Oxidant gas channel 50a, 50b ... Fuel gas channel
52, 54 ... End plate 60, 150 ... Inner coolant flow path
62a, 62b, 152a, 152b ... outside cooling medium flow path
64 ... distribution passage 70 ... piping structure
104, 108, 112 ... rib part

Claims

A fuel cell stack in which a plurality of electrolyte / electrode structures sandwiching an electrolyte between a pair of electrodes are stacked via a separator, and end plates are disposed at both ends in the stacking direction ,
The separator is set to have a rectangular plane.
On the surface of the flat surface facing the electrolyte / electrode structure, a reaction gas that is at least one of a fuel gas and an oxidant gas flows, and a plurality of reaction gas flow paths divided into a plurality in the short side direction; ,
An outer cooling medium flow path for passing a cooling medium that is arranged in the outer periphery of the reaction gas flow path and penetrates in the stacking direction of the electrolyte / electrode structure;
An inner cooling medium flow path for flowing a cooling medium disposed between the reaction gas flow paths penetrating in the stacking direction of the electrolyte / electrode structure;
Is provided ,
The said end plate disposed in the stacking direction end side of the front Symbol fuel cell stack, distribution passage for supplying the outer coolant flow wrap a cooling medium through the inner cooling medium passage formed A fuel cell stack.