JP3957254B2

JP3957254B2 - Fuel cell stack

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Publication number: JP3957254B2
Application number: JP2000227413A
Authority: JP
Inventors: 成利杉田; 典昭尾棹
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: JP2001143740A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層され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て構成された単位燃料電池セルを、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。この固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セル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。
【０００３】
この種の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する。そ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、酸素含有ガスあるいは空気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、燃料電池スタックを車両等に搭載しようとする場合、所望の電力を得るために各単位燃料電池セルの発電面積を大きく設定する必要があり、前記燃料電池スタック全体が相当に大型化してしまう。ところが、車両内では、燃料電池スタックの収容場所として床下が適しており、車載用燃料電池スタックとしては、高さ方向の寸法を低く設定した横長の長方形状に構成されることが望ましい。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、長方形状の単位燃料電池セルを構成し、前記単位燃料電池セルをセパレータにより挟持して複数個積層した燃料電池スタックが知られている。
【０００５】
【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、セパレータの同一の面内に反応ガス流路と冷却水流路とが設けられており、この冷却水流路が前記反応ガス流路を挟みかつ長辺方向に直線状に延在している。このため、発電面全面に沿って冷却水を供給することができず、この発電面を効率的に冷却することができないおそれがある。
【０００６】
しかも、冷却水流路が長方形状セパレータの長手方向に沿って延在している。これにより、冷却水流路が長尺化してしまい、大きな圧損が発生するとともに、このセパレータ面内で温度分布が生ずるという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を低く抑えるとともに、発電面を均一かつ円滑に冷却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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池スタックでは、単位燃料電池セルが横長の長方形状に構成されており、前記燃料電池スタック内には、横方向両端上下に位置してそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単位燃料電池セルに供給するための燃料ガス給排路および酸化剤ガス給排路が設けられる一方、長辺側上下に位置して冷却媒体を供給するための冷却媒体給排路が設けられるとともに、前記長辺側下部には、前記冷却媒体給排路の供給側が設けられ、かつ、前記長辺側上部には、前記冷却媒体給排路の排出側が設けられる。このため、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効に低く設定することができ、この燃料電池スタックを、例えば、自動車車体の床下等の低いスペースにも容易に搭載することが可能になる。
【０００９】
また、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給側が冷却媒体の入口側に近接し、供給される前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの温度を低く設定することができる。燃料ガスおよび酸化剤ガスの温度を単位燃料電池セルの温度に近似させればよいからである。従って、燃料ガスおよび酸化剤ガスの加湿量を減少させることが可能になり、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを加湿するための加湿装置自体の小型化が容易に図られる。
【００１０】
さらに、単位燃料電池セルの横方向両端下部に、燃料ガス給排路および酸化剤ガス給排路の供給側が設けられる一方、前記単位燃料電池セルの横方向両端上部に、前記燃料ガス給排路および前記酸化剤ガス給排路の排出側が設けられている。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの出口側が燃料電池スタックの上部側に設定され、生成水が前記燃料電池スタック内に逆流しないように、前記出口側の配管を該燃料電池スタックの燃料ガスおよび酸化剤ガスの出口高さよりも下方に配置する際に、前記配管を可能にするために十分な高さを確保することができる。
【００１１】
さらにまた、単位燃料電池セルの横方向両端上下には、それぞれ燃料ガス給排路と酸化剤ガス給排路に連通する燃料ガス供給口および燃料ガス排出口と酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口とが設けられ、前記燃料ガス供給口、前記燃料ガス排出口、前記酸化剤ガス供給口および前記酸化剤ガス排出口が縦長の長方形状に設定されている。これにより、例えば、円形状の供給口や排出口に比べてガス流量を有効に増加させることができ、燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単位燃料電池セルを構成するアノード側電極およびカソード側電極に確実に供給することが可能になる。
【００１２】
また、単位燃料電池セルが横長の長方形状に構成されており、横方向両端上下に位置して燃料ガス供給口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口が設けられる一方、長辺側下部および長辺側上部にそれぞれ複数の冷却媒体供給口および冷却媒体排出口が設けられている。このため、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効に低く設定することができ、この燃料電池スタックを、例えば、自動車車体の床下等の低いスペースに有効に搭載することが可能になる。
【００１３】
しかも、冷却媒体は、冷却媒体流路に沿って燃料電池スタックの下部側から上部側に向かって流れるため、この冷却媒体に混在している空気を前記冷却媒体流路に沿って冷却媒体排出口に円滑に排出することができる。さらに、冷却媒体が燃料電池スタックの短辺方向に沿って流れるため、冷却媒体流路が短尺化されて圧損が小さくなるとともに、発電面内で温度分布が発生することを有効に阻止することが可能になる。
【００１４】
さらに、燃料ガス供給口および酸化剤ガス供給口が横方向両端下部に設けられる一方、燃料ガス排出口および酸化剤ガス排出口が前記横方向両端上部に設けられ、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路は下方から上方に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスを流している。従って、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、冷却媒体と同様に下方から上方に向かって移動し、供給される前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの温度を低く設定することができる。
【００１５】
また、冷却媒体供給口および冷却媒体排出口のそれぞれの間に形成される貫通孔に締め付けボルトが挿入され、燃料電池スタックが一体的に固定される。これにより、燃料電池スタック内の余剰スペースを有効に利用することができるとともに、前記燃料電池スタックの高さ方向の寸法を有効に小さく設定することが可能になる。
【００１６】
さらにまた、燃料電池スタックの積層方向一端部に配置されるエンドプレートの鉛直面の略中央部に、複数の冷却媒体供給口に連通する単一の冷却媒体導入口と、複数の冷却媒体排出口に連通する単一の冷却媒体導出口とが設けられる。これにより、エンドプレートに接続される配管構造が簡素化され、燃料電池スタックの高さ方向の寸法を一層低く設定することが可能になり、この燃料電池スタックを、自動車車体の床下等の低いスペースに容易に搭載することができる。
【００１７】
【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を組み込む燃料電池システム１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の側面説明図である。
【００１８】
燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行に配列される第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の一端部鉛直面を構成する第１エンドプレート１６、１８には、正極である第１電力取り出し端子２０および負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる。
【００１９】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の他端部鉛直面である第２エンドプレート２４、２６側には、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の供給と排出を行うための配管機構２８が組み込まれる。第１および第２燃料電池スタック１２、１４は、取り付け機構３０を介して車両を構成する取り付けプレート３１に固定される。
【００２０】
第１燃料電池スタック１２は、図３および図４に示すように、単位燃料電池セル３２と、この単位燃料電池セル３２を挟持する第１および第２セパレータ３４、３６とを備え、これらが複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。第１燃料電池スタック１２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。
【００２１】
単位燃料電池セル３２は、固体高分子電解質膜３８と、この電解質膜３８を挟んで配設されるカソード側電極４０およびアノード側電極４２とを有するとともに、前記カソード側電極４０および前記アノード側電極４２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層４４、４６が配設される。
【００２２】
単位燃料電池セル３２の両側には、第１および第２ガスケット４８、５０が設けられ、前記第１ガスケット４８は、カソード側電極４０および第１ガス拡散層４４を収納するための大きな開口部５２を有する一方、前記第２ガスケット５０は、アノード側電極４２および第２ガス拡散層４６を収納するための大きな開口部５４を有する。単位燃料電池セル３２と第１および第２ガスケット４８、５０とが、第１および第２セパレータ３４、３６によって挟持される。
【００２３】
第１セパレータ３４は、カソード側電極４０に対向する面３４ａおよび反対側の面３４ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺５５ａが水平方向に指向するとともに、短辺５５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００２４】
第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部上部側には、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口５６ａと、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入口５８ａとが、上下方向に長尺な長方形状を有して設けられる。第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口５６ｂと燃料ガス出口５８ｂとが、酸化剤ガス入口５６ａおよび燃料ガス入口５８ａと対角位置になるようにかつ上下方向に長尺な長方形状を有して設けられている。
【００２５】
第１セパレータ３４の長辺５５ａの下端部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄが設けられるとともに、この第１セパレータ３４の長辺５５ａ側の上部には、同様に、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体出口６０ｅ〜６０ｈが設けられる。冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄ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。
【００２６】
第１セパレータ３４の面３４ａには、酸化剤ガス入口５６ａに連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝６２が、短辺５５ｂ側で折り返して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝６２は、５本の第２酸化剤ガス流路溝６５に合流し、前記第２酸化剤ガス流路溝６５が酸化剤ガス出口５６ｂに連通する。第１セパレータ３４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００２７】
第２セパレータ３６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ３６の短辺６４ｂ側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口６６ａおよび燃料ガス入口６８ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口６６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂが、前記酸化剤ガス入口６６ａおよび前記燃料ガス入口６８ａと対角位置になるように貫通形成されている。
【００２８】
第２セパレータ３６の長辺６４ａ側の下部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄが貫通形成され、この長辺６４ａ側の上部には、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈが、同様に、矢印Ｃ方向に長尺に貫通形成される。
【００２９】
図５に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａには、燃料ガス入口６８ａに連通して１０本の第１燃料ガス流路溝７２が形成される。第１燃料ガス流路溝７２は、短辺６４ｂ側で折り返し水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられ、この第１燃料ガス流路溝７２が５本の第２燃料ガス流路溝７３に合流し、前記第２燃料ガス流路溝７３が燃料ガス出口６８ｂに連通する。
【００３０】
図６に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａとは反対側の面３６ｂには、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈにそれぞれ個別に連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄが重力方向に向かって設けられる。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄは、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通するそれぞれ９本の第１流路溝７６ａ、７６ｂを備えるとともに、前記第１流路溝７６ａ、７６ｂ間には、それぞれ２本の第２流路溝７８が互いに重力方向に平行しかつ所定間隔ずつ離間して設けられる。
【００３１】
第２セパレータ３６には、第１セパレータ３４と同様に、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に設けられている。孔部６３は、冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄ、７０ａ〜７０ｄおよび冷却媒体出口６０ｅ〜６０ｈ、７０ｅ〜７０ｈの間に対応して第１および第２セパレータ３４、３６に設けられている。
【００３２】
図７に示すように、所定数だけ積層された単位燃料電池セル３２の積層方向両端には、ターミナルプレートである端子板８０と第１導電プレート８２とが配設される。端子板８０には、絶縁板８４を介して第１エンドプレート１６が積層されるとともに、この端子板８０に第１電力取り出し端子２０が装着される。
【００３３】
図８に示すように、第１電力取り出し端子２０は、円柱状の大径部８６の両端に小径なねじ部８８ａ、８８ｂを設けている。このねじ部８８ａは、端子板８０に形成された孔部９０を通って第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａ内に突出し、前記ねじ部８８ａにナット部材９２が螺着される。大径部８６の肩部には、端子板８０との間のシール性を向上させるためにシール部材９４が介装されるとともに、前記大径部８６の外周と第１エンドプレート１６に形成された孔部９６との間に絶縁リング９８が介装される。
【００３４】
図９に示すように、第１導電プレート８２は、第２セパレータ３６とほぼ同一形状、すなわち、長方形状に設定されており、短辺側の両端縁部には、酸化剤ガス入口１００ａ、燃料ガス入口１０２ａおよび酸化剤ガス出口１００ｂ、燃料ガス出口１０２ｂが互いに対角位置に設けられている。第１導電プレート８２の長辺側下部および上部には、それぞれ４つの冷却媒体入口１０４ａ〜１０４ｄと冷却媒体出口１０４ｅ〜１０４ｈが設けられるとともに、これらの間に対応してタイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３５】
第１導電プレート８２には、第１燃料電池スタック１２の下側にかつ第２燃料電池スタック１４に近接して延在する第１接続板部１０６が設けられる。第１接続板部１０６には、下方に突出して２本のボルト部１０８ａ、１０８ｂが設けられ、このボルト部１０８ａ、１０８ｂおよび第１導電プレート８２は、導電性を有する材料、例えば、ＳＵＳや銅等で構成されている。図７に示すように、第１導電プレート８２には、絶縁板１１０、蓋板１１２およびシール部材１１４を介して第２エンドプレート２４が積層される。
【００３６】
図１０および図１１に示すように、第２エンドプレート２４は長方形状に構成されており、その短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口１２０ａと燃料ガス入口１２２ａとが貫通形成されるとともに、その短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口１２０ｂと燃料ガス出口１２２ｂとが前記酸化剤ガス入口１２０ａおよび前記燃料ガス入口１２２ａと対角位置になるように設けられる。
【００３７】
第２エンドプレート２４の内側の面２４ａには、第２セパレータ３６の冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄと、前記第２セパレータ３６の冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通する第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈが、水平方向に長尺でかつ所定の深さを有して形成される。第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄは、それぞれ１２本の第１溝部１２６ａの端部に連通する。第１溝部１２６ａは、互いに平行に上方に延在した後、それぞれ２本ずつ合流して第２溝部１２６ｂが設けられ、前記第２溝部１２６ｂがそれぞれ２本ずつ第３溝部１２６ｃに合流して単一の冷却媒体導入口１２８に連通する。
【００３８】
第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈは、同様に、それぞれ１２本の第１溝部１３０ａに連通し、前記第１溝部１３０ａが鉛直下方向に延在して第２溝部１３０ｂに２本ずつ合流する。第２溝部１３０ｂは、２本ずつ第３溝部１３０ｃに合流して単一の冷却媒体導出口１３２に連通する。冷却媒体導入口１２８および冷却媒体導出口１３２には、図１０に示すように、供給管路１３４と排出管路１３６が連結されており、この供給管路１３４およびこの排出管路１３６が、第１燃料電池スタック１２の外方に所定の長さだけ突出している。第２エンドプレート２４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている（図１１参照）。
【００３９】
第１燃料電池スタック１２内には、第２エンドプレート２４の酸化剤ガス入口１２０ａ、第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａ、酸化剤ガス出口５６ｂおよび前記第２エンドプレート２４の酸化剤ガス出口１２０ｂを連通してＵ字状に構成される酸化剤ガス給排路１３８ａと、前記第２エンドプレート２４の燃料ガス入口１２２ａ、第２セパレータ３６の燃料ガス入口６８ａ、燃料ガス出口６８ｂおよび前記第２エンドプレート２４の燃料ガス出口１２２ｂを連通してＵ字形状に構成される燃料ガス給排路１３８ｂと、前記第２エンドプレート２４の供給管路１３４、前記第２セパレータ３６の冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄ、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈおよび前記第２エンドプレート２４の排出管路１３６に連通してＵ字形状に構成される冷却媒体給排路１３８ｃが設けられる。酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂは、第１燃料電池スタック１２内の横方向（長尺方向）両端上下に位置して設けられている。
【００４０】
図１０および図１３に示すように、冷却媒体導入口１２８および冷却媒体導出口１３２は、第２エンドプレート２４の面内の略中央部に、すなわち、酸化剤ガス入口１２０ａ、燃料ガス入口１２２ａ、酸化剤ガス出口１２０ｂおよび燃料ガス出口１２２ｂの上下方向および左右方向内方に位置して設けられている。
【００４１】
図７に示すように、第１燃料電池スタック１２は、締め付け機構１４０を介して積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付け固定される。締め付け機構１４０は、第１エンドプレート１６の外面側に設けられる液体チャンバ１４２と、この液体チャンバ１４２内に封入される非圧縮性の面圧付与用液体、例えば、シリコンオイル１４４と、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、前記第２エンドプレート２４を前記第１エンドプレート１６側に押圧するために水平方向に所定間隔ずつ離間して配置される３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃとを備える。
【００４２】
液体チャンバ１４２を挟んで第１エンドプレート１６に対向してバックアッププレート１４８が配設され、このバックアッププレート１４８とアルミニウムまたはステンレススチールの薄板１５０との間に液体チャンバ１４２が構成される。皿ばね１４６ａ〜１４６ｃは、第２エンドプレート２４の面内に略等間隔ずつ離間して配置されるとともに、取り付け板１５２により支持される。取り付け板１５２から第１燃料電池スタック１２を貫通してバックアッププレート１４８に６本のタイロッド１５４が挿入される。タイロッド１５４の端部にナット１５６がねじ込まれることにより、第１燃料電池スタック１２が一体的に保持される。
【００４３】
図２および図１２に示すように、取り付け機構３０は、第１エンドプレート１６の下部側に一体的に設けられるブラケット部１６０ａ、１６０ｂと、第２エンドプレート２４の下部側にねじ止めされるマウントブラケット１６２ａ、１６２ｂとを備える。ブラケット部１６０ａ、１６０ｂには、第１燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）に長尺な長孔１６４ａ、１６４ｂが形成される一方、マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂに孔部１６６ａ、１６６ｂが形成される。
【００４４】
長孔１６４ａ、１６４ｂおよび孔部１６６ａ、１６６ｂには、それぞれゴムマウント１６８が配置される。ゴムマウント１６８は、上下にねじ部１７０ａ、１７０ｂが設けられており、上部に突出する前記ねじ部１７０ａにカラー１７２が配置されてこのカラー１７２がここから長孔１６４ａ、１６４ｂに挿入されるとともに、該ねじ部１７０ａにナット１７４が螺合される。マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂ側では、ゴムマウント１６８のねじ部１７０ａが孔部１６６ａ、１６６ｂに挿入されてその先端部にナット１７４が螺合される。ゴムマウント１６８の下部側に突出するねじ部１７０ｂは、取り付けプレート３１に挿入されてナット１７６が螺合されることにより、第１燃料電池スタック１２を車両等に固定する。
【００４５】
図１３に示すように、第２燃料電池スタック１４は、上述した第１燃料電池スタック１２とは対称的に構成されるとともに、電解質膜３８に対してカソード側電極４０とアノード側電極４２とが逆側に配置されており、第１エンドプレート１８側に負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる（図１４参照）。第２燃料電池スタック１４は、基本的には第１燃料電池スタック１２と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４６】
図１５に示すように、第２燃料電池スタック１４は、第２導電プレート１８０を備えており、この第２導電プレート１８０には、前記第２燃料電池スタック１４の下側に延在しかつ第１燃料電池スタック１２に設けられている第１導電プレート８２の第１接続板部１０６に近接する第２接続板部１８２を設けている。第１および第２接続板部１０６、１８２には、それぞれ一対のボルト部１０８ａ、１０８ｂと１８４ａ、１８４ｂとが設けられている。
【００４７】
ボルト部１０８ａと１８４ａおよびボルト部１０８ｂと１８４ｂには、それぞれ可撓性接続体、例えば、撚り線１８６ａ、１８６ｂが接続される。撚り線１８６ａ、１８６ｂは、多数の細線状の導線を網状に撚ることにより構成されており、それぞれゴムカバー１８８ａ、１８８ｂにより覆われている。
【００４８】
図１３に示すように、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６には、それぞれ燃料ガス入口１２２ａと酸化剤ガス出口１２０ｂとが互いに近接する位置に配置されており、この第２エンドプレート２４、２６に配管機構２８が組み込まれる。
【００４９】
図１および図１６に示すように、配管機構２８は、互いに並設される第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａを覆って前記第２エンドプレート２４、２６に一体的に固定される第１ブラケット１９０を備える。この第１ブラケット１９０には、各燃料ガス入口１２２ａにそれぞれ連通する燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが設けられ、前記燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが合流して燃料ガス供給口１９４に連通する。
【００５０】
第２エンドプレート２４、２６には、各酸化剤ガス出口１２０ｂを覆って第２ブラケット１９６が固定される。この第２ブラケット１９６に設けられ酸化剤ガス出口１２０ｂにそれぞれ連通する酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂの先端部が、酸化剤ガス排出口２００に一体的に連通する。
【００５１】
第２エンドプレート２４、２６には、それぞれの酸化剤ガス入口１２０ａおよび燃料ガス出口１２２ｂを覆って第３および第４ブラケット２０２、２０４が固定される。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、酸化剤ガス入口１２０ａに連通する酸化剤ガス供給管２０６の両端が連通するとともに、この酸化剤ガス供給管２０６の途上に酸化剤ガス供給口２０８が設けられる。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、燃料ガス出口１２２ｂに連通する燃料ガス排出管２１０の両端が連通し、この燃料ガス排出管２１０の途上に燃料ガス排出口２１２が設けられる。
【００５２】
第２エンドプレート２４、２６に設けられている各供給管路１３４に冷却媒体供給管２１４の両端が連結され、この冷却媒体供給管２１４に冷却媒体供給口２１６が設けられる。第２エンドプレート２４、２６に設けられている各排出管路１３６に冷却媒体排出管２１８が連結されるとともに、この冷却媒体排出管２１８に冷却媒体排出口２２０が設けられる。
【００５３】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５４】
図１に示すように、燃料電池システム１０には、燃料ガス供給口１９４から燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給口２０８に酸化剤ガスとして空気または酸素含有ガス（以下、単に空気ともいう）が供給され、さらに、冷却媒体供給口２１６に冷却媒体が供給される。
【００５５】
燃料ガス供給口１９４に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂを通って第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａに送られ、さらに第２セパレータ３６の各燃料ガス入口６８ａから第１燃料ガス流路溝７２に導入される。図５に示すように、第１燃料ガス流路溝７２に供給された燃料ガスは、第２セパレータ３６の面３６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５６】
その際、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層４６を通って単位燃料電池セル３２のアノード側電極４２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝７２に沿って移動しながらアノード側電極４２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝７３を介して燃料ガス出口６８ｂから排出される。この未使用の燃料ガスは、第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス出口１２２ｂを通って燃料ガス排出管２１０に導入され、燃料ガス排出口２１２を介して燃料電池システム１０から排出される。
【００５７】
一方、酸化剤ガス供給口２０８に供給された空気は、酸化剤ガス供給管２０６を介して第２エンドプレート２４、２６に設けられた各酸化剤ガス入口１２０ａに送られ、さらに第１および第２燃料電池スタック１２、１４内に組み込まれた第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａに供給される（図３参照）。第１セパレータ３４では、酸化剤ガス入口５６ａに供給された空気が面３４ａ内の第１酸化剤ガス流路溝６２に導入され、この第１酸化剤ガス流路溝６２に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５８】
その際、空気中の酸素ガスは、第１ガス拡散層４４からカソード側電極４０に供給される一方、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝６５を介して酸化剤ガス出口５６ｂから排出される。この酸化剤ガス出口５６ｂに排出された空気は、第２エンドプレート２４、２６に設けられた酸化剤ガス出口１２０ｂから酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂを介して酸化剤ガス排出口２００より排出される（図１参照）。
【００５９】
これにより、第１および第２燃料電池スタック１２、１４で発電が行われ、それぞれ特性の異なる第１および第２電力取り出し端子２０、２２間に接続される負荷、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。
【００６０】
また、第１および第２燃料電池スタック１２、１４内は、冷却媒体により有効に冷却される。すなわち、冷却媒体供給口２１６に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給管２１４から第２エンドプレート２４、２６に設けられている供給管路１３４に導入される。この冷却媒体は、図１１に示すように、第２エンドプレート２４、２６の冷却媒体導入口１２８に導入され、複数の第２溝部１２６ｂから第１溝部１２６ａを通って第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに送られる。
【００６１】
第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに導入された冷却媒体は、第２セパレータ３６の下部側に形成された冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに導入され、図６に示すように、前記冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄに沿って下方から上方に向かって移動する。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを通って各単位燃料電池セル３２を冷却した冷却媒体は、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈを通って第２エンドプレート２４、２６の第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入される（図１１参照）。
【００６２】
この第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入された冷却媒体は、第１溝部１３０ａから第２溝部１３０ｂを介して冷却媒体導出口１３２に送られ、排出管路１３６から冷却媒体排出管２１８を通って冷却媒体排出口２２０より排出される。
【００６３】
この場合、第１の実施形態では、図１０に示すように、第１燃料電池スタック１２内に横方向（矢印Ｃ方向）両端上下に位置して酸化剤ガス入口５６ａ、燃料ガス入口６８ａ、酸化剤ガス出口５６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂ等が設けられるとともに、長辺側下部および上部には、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄおよび冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈ等が設けられている。このため、第１燃料電池スタック１２を横長に設定することができ、この第１燃料電池スタック１２の高さ方向の寸法を低く構成することが可能になる。
【００６４】
特に、第１の実施形態では、第１燃料電池スタック１２内の横方向（長尺方向）両端上下に位置して、酸化剤ガス給排路１３８ａおよび燃料ガス給排路１３８ｂが設けられる一方、この第１燃料電池スタック１２内の横方向両端には冷却媒体給排路１３８ｃが設けられていない。これにより、第１燃料電池スタック１２の高さ方向の寸法を一層低く設定することができ、燃料電池システム１０を自動車車体の床下等の低いスペースにも容易に搭載することが可能になるという効果がある。
【００６５】
しかも、酸化剤ガス入口５６ａ、燃料ガス入口６８ａ、酸化剤ガス出口５６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂ等が、上下方向に長尺な長方形状に設定されている。このため、例えば、円形状に比べて酸化剤ガスおよび燃料ガスの流量が有効に増加され、各単位燃料電池セル３２を構成するカソード側電極４０およびアノード側電極４２に前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスを確実に分散供給することができる。
【００６６】
さらに、第１の実施形態では、図６に示すように、冷却媒体が第２セパレータ３６の下部側に設けられている冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄに沿って下方から上方に向かって移動した後、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに排出される。従って、冷却媒体に混在している空気は、冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄに沿って下から上に円滑かつ確実に移動し、空気抜き処理が効果的に遂行されるという利点がある。
【００６７】
しかも、冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄは、第２セパレータ３６の短辺方向（重力方向）に沿って設けられている。これにより、冷却媒体が第２セパレータ３６の面３６ａ内で流れる距離が短尺化されて圧損が小さくなるとともに、発電面内での温度分布の発生を抑えることができ、冷却媒体による冷却効率が有効に向上するという効果が得られる。
【００６８】
さらにまた、第１の実施形態では、図１１および図１３に示すように、第２エンドプレート２４の面２４ａの略中央部に位置して冷却媒体導入口１２８および冷却媒体導出口１３２が設けられ、前記冷却媒体導出口１２８に導入される冷却媒体を冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに分割供給する一方、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈを介して排出された冷却媒体を前記冷却媒体導出口１３２に一体的に導出する。このため、冷却媒体用配管構造が有効に簡素化され、第１燃料電池スタック１２の高さ方向の寸法を一層容易に短尺化することが可能になる。従って、燃料電池システム１０を有効に薄肉化し、例えば、自動車車体の床下に前記燃料電池システム１０を容易に搭載することができる。
【００６９】
また、第１の実施形態では、第１燃料電池スタック１２内に冷却媒体給排路１３８ｃの間に位置して孔部６３が形成され、この孔部６３にタイロッド１５４が挿入されて、前記第１燃料電池スタック１２が一体的に保持されている。このため、第１および第２セパレータ３４、３６の余剰部分を有効に利用することができるとともに、第１燃料電池スタック１２全体の高さ方向の寸法を小さく設定することが可能になる。
【００７０】
なお、第１の実施形態では、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を積層方向に並列して燃料電池システム１０を構成しているが、この第１燃料電池スタック１２のみを用いても同様の効果が得られる。
【００７１】
図１７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック２４０内の流体の流れを示す流路説明図であり、図１８は、前記燃料電池スタック２４０の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る第１燃料電池スタック１２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。
【００７２】
燃料電池スタック２４０を構成する第１および第２セパレータ２４２、２４４は、長方形状に設定されており、前記第１および第２セパレータ２４２、２４４の短辺５５ｂ、６４ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス入口５６ａ、６６ａと燃料ガス入口５８ａ、６８ａとが設けられる。第１および第２セパレータ２４２、２４４の短辺５５ｂ、６４ｂ側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス出口５６ｂ、６６ｂと燃料ガス出口５８ｂ、６８ｂとが設けられる。
【００７３】
第１セパレータ２４２の面２４２ａには、酸化剤ガス入口５６ａに連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝６２が、短辺５５ｂ側で折り返して水平方向に蛇行しながら反重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝６２は、５本の第２酸化剤ガス流路溝６５に合流し、前記第２酸化剤ガス流路溝６５が酸化剤ガス出口５６ｂに連通する。
【００７４】
図１９に示すように、第２セパレータ２４４の面２４４ａには、燃料ガス入口６８ａに連通して１０本の第１燃料ガス流路溝７２が形成される。第１燃料ガス流路溝７２は、短辺６４ｂ側で折り返して水平方向に蛇行しながら反重力方向に設けられ、５本の第２燃料ガス流路溝７３に合流した後、この第２燃料ガス流路溝７３が燃料ガス出口６８ｂに連通する。
【００７５】
図１７に示すように、燃料電池スタック２４０内には、酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂと冷却媒体給排路１３８ｃとが設けられる。酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂは、冷却媒体給排路１３８ｃと同様に燃料電池スタック２４０内の横方向両端下部に供給側が設けられる一方、横方向両端上部に排出側が設けられる。
【００７６】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック２４０内の横方向両端下部から酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂとに空気と燃料ガスとが供給される。この空気は、第１セパレータ２４２の面２４２ａ内の第１酸化剤ガス流路溝６２に導入され、水平方向に蛇行しながら反重力方向に移動する。そして、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝６５を介して酸化剤ガス出口５６ｂに排出され、燃料電池スタック２４０の横方向両端上部から排出される。
【００７７】
一方、燃料ガスは、第２セパレータ２４４の面２４４ａ内の第１燃料ガス流路溝７２に導入され、水平方向に蛇行しながら反重力方向に移動する。そして、未使用の燃料ガスは、燃料電池スタック２４０の横方向両端上部から排出される。
【００７８】
このように、第２の実施形態では、酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂの供給側が冷却媒体給排路１３８ｃの供給側と同様に燃料電池スタック２４０の下部側に設けられている。このため、供給される燃料ガスおよび空気の温度は、入口側の冷却媒体の温度に対応して低く設定することができ、この結果、前記燃料ガスおよび前記空気の加湿量を少なくすることが可能になる。従って、燃料ガスおよび空気を加湿するための加湿装置（図示せず）を容易に小型化することができ、設備全体の簡素化およびコストの削減が図られるという効果が得られる。
【００７９】
さらに、酸化剤ガス給排路１３８ａと燃料ガス給排路１３８ｂの排出側が燃料電池スタック２４０の横方向両端上部に設けられている。このため、酸化剤ガス給排路１３８ａおよび燃料ガス給排路１３８ｂの出口に接続される配管（図示せず）は、生成水の逆流を阻止するために前記出口よりも下方向に配置する際、高さ方向のスペースを有効に確保することが可能になる。これにより、特に、車載用として使用される場合のように、燃料電池スタック２４０の載置面が床下面であっても、酸化剤ガス給排路１３８ａおよび燃料ガス給排路１３８ｂの出口側の配管を有効に下げた状態で配置することができるという利点がある。
【００８０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、単位燃料電池セルが横長の長方形状に構成されており、前記燃料電池スタック内には、横方向両端上下に位置して燃料ガス給排路および酸化剤ガス給排路が設けられるため、前記燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効に低く設定することができる。従って、燃料電池スタックを、例えば、自動車車体の床下等の低いスペースにも容易に搭載することが可能になる。
【００８１】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、横方向両端上下に燃料ガス給排口および酸化剤ガス給排口を設けるとともに、上下に複数の冷却媒体供給口および冷却媒体排出口を設けることにより、前記燃料電池スタック全体を横長構造に設定することができる。しかも、冷却媒体が下から上に向かって流れるため、この冷却媒体に混在する空気を円滑に排出することができるとともに、冷却媒体流路が短尺化されて圧損の低減を図り、かつ温度分布の発生を阻止す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を組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの側面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの要部縦断面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する電力取り出し端子の接続構造を示す説明図である。
【図９】前記燃料電池スタックを構成する導電プレートの斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタック内の流体の流れを示す流路説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックを構成する第２エンドプレートの内方側の面の正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックの平面説明図である。
【図１３】配管機構が省略された状態の前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図１４】前記燃料電池システムの背面説明図である。
【図１５】前記燃料電池システムの下側を示す斜視説明図である。
【図１６】前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック内の流体の流れを示す流路説明図である。
【図１８】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図１９】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム１２、１４、２４０…燃料電池スタック
１６、１８、２４、２６…エンドプレート
２０、２２…電力取り出し端子２８…配管機構
３０…取り付け機構３２…単位燃料電池セル
３４、３６、２４２、２４４…セパレータ
３８…電解質膜４０…カソード側電極
４２…アノード側電極
５６ａ、６６ａ、１００ａ、１２０ａ…酸化剤ガス入口
５６ｂ、６６ｂ、１００ｂ、１２０ｂ…酸化剤ガス出口
５８ａ、６８ａ、１０２ａ、１２２ａ…燃料ガス入口
５８ｂ、６８ｂ、１０２ｂ、１２２ｂ…燃料ガス出口
６０ａ〜６０ｄ、７０ａ〜７０ｄ、１０４ａ〜１０４ｄ…冷却媒体入口
６０ｅ〜６０ｈ、７０ｅ〜７０ｈ、１０４ｅ〜１０４ｈ…冷却媒体出口
６２、６５…酸化剤ガス流路溝７２、７３…燃料ガス流路溝
７４ａ〜７４ｄ…冷却媒体流路８０…端子板
８２、１８０…導電プレート１０６、１８２…接続板部
１２４ａ〜１２４ｈ…冷却媒体流路溝
１２８…冷却媒体導入口１３２…冷却媒体導出口
１３４…供給管路１３６…排出管路
１３８ａ…酸化剤ガス給排路１３８ｂ…燃料ガス給排路
１３８ｃ…冷却媒体給排路１４０…締め付け機構
１４２…液体チャンバ１４６ａ〜１４６ｃ…皿ばね
１６０ａ、１６０ｂ…ブラケット部
１６２ａ、１６２ｂ…マウントブラケット
１６８…ゴムマウント[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of unit fuel cells each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode are stacked in a horizontal direction via a separator.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell is a unit fuel cell that is configured by arranging an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). It is comprised by pinching with a separator. This polymer electrolyte fuel cell is usually used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit fuel cells and separators.
[0003]
In this type of fuel cell stack, fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, hydrogen-containing gas, is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode side electrode side through an appropriately humidified electrolyte membrane. To do. Electrons generated in the meantime 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 or air, the hydrogen ions, the electrons, and the oxygen gas react with each other to generate water at the cathode side electrode.
[0004]
By the way, when the fuel cell stack is to be mounted on a vehicle or the like, it is necessary to set a large power generation area of each unit fuel cell in order to obtain a desired power, and the entire fuel cell stack is considerably increased in size. . However, in the vehicle, the underfloor is suitable as a storage location for the fuel cell stack, and the in-vehicle fuel cell stack is preferably configured in a horizontally long rectangular shape with a low dimension in the height direction. Therefore, for example, as disclosed in US Pat. No. 5,804,326, a fuel cell in which a rectangular unit fuel cell is configured and a plurality of the unit fuel cells are sandwiched by separators and stacked. The stack is known.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above prior art, the reaction gas flow path and the cooling water flow path are provided in the same plane of the separator, and the cooling water flow path sandwiches the reaction gas flow path and is linear in the long side direction. It is extended. For this reason, cooling water cannot be supplied along the entire power generation surface, and there is a possibility that the power generation surface cannot be efficiently cooled.
[0006]
Moreover, the cooling water flow path extends along the longitudinal direction of the rectangular separator. As a result, the cooling water flow path is lengthened, a large pressure loss is generated, and a temperature distribution is generated in the separator surface.
[0007]
The present invention solves this kind of problem, and provides a fuel cell stack that can keep the height dimension of the entire fuel cell stack low and can cool the power generation surface uniformly and smoothly. Objective.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Main departure Clearly In such a fuel cell stack, the unit fuel cells are configured in a horizontally-long rectangular shape, and the fuel gas and the oxidant gas are respectively placed in the fuel cell stack at the upper and lower ends in the lateral direction. A fuel gas supply / discharge passage and an oxidant gas supply / discharge passage are provided for supplying the cooling medium, and a cooling medium supply / discharge passage for supplying the cooling medium is provided at the upper and lower sides of the long side. In addition, the lower side of the long side is provided with the supply side of the cooling medium supply / discharge path, and the upper side of the long side is provided with the discharge side of the cooling medium supply / discharge path. . For this reason, the height direction dimension of the entire fuel cell stack can be effectively set low, and this fuel cell stack can be easily mounted in a low space such as under the floor of an automobile body. .
[0009]
Also , Burning The supply side of the fuel gas and the oxidant gas is close to the inlet side of the cooling medium, and the temperature of the supplied fuel gas and the oxidant gas can be set low. This is because the temperature of the fuel gas and the oxidant gas may be approximated to the temperature of the unit fuel cell. Therefore, the humidification amount of the fuel gas and the oxidant gas can be reduced, and the humidification device itself for humidifying the fuel gas and the oxidant gas can be easily downsized.
[0010]
further ,single A fuel gas supply / discharge passage and an oxidant gas supply / discharge passage supply side are provided at the lower ends of both lateral ends of the unit fuel cells, while the fuel gas supply / discharge passages and A discharge side of the oxidant gas supply / discharge path is provided. Thereby, the outlet side of the fuel gas and the oxidant gas is set to the upper side of the fuel cell stack, and the piping on the outlet side is connected to the fuel gas of the fuel cell stack so that the generated water does not flow back into the fuel cell stack. When it is arranged below the outlet height of the oxidant gas, a sufficient height can be secured to enable the piping.
[0011]
Furthermore ,single The fuel gas supply port, the fuel gas discharge port, the oxidant gas supply port, and the oxidant gas discharge port that communicate with the fuel gas supply / discharge passage and the oxidant gas supply / discharge passage are respectively provided at the upper and lower ends of the lateral fuel cell. The fuel gas supply port, the fuel gas discharge port, the oxidant gas supply port, and the oxidant gas discharge port are set in a vertically long rectangular shape. Thereby, for example, the gas flow rate can be effectively increased as compared with the circular supply port and discharge port, and the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the anode side electrode and the cathode side electrode constituting each unit fuel cell. It becomes possible to supply reliably.
[0012]
Also ,single The fuel cell unit is configured in a horizontally long rectangular shape, and is provided with a fuel gas supply port, a fuel gas discharge port, an oxidant gas supply port, and an oxidant gas discharge port at the upper and lower ends of the lateral direction. A plurality of cooling medium supply ports and cooling medium discharge ports are provided in the lower part on the side and the upper part on the long side, respectively. For this reason, the height direction dimension of the entire fuel cell stack can be effectively set low, and the fuel cell stack can be effectively mounted in a low space such as under the floor of an automobile body.
[0013]
Moreover, since the cooling medium flows along the cooling medium flow path from the lower side to the upper side of the fuel cell stack, the air mixed in the cooling medium flows along the cooling medium flow path to the cooling medium discharge port. Can be discharged smoothly. Further, since the cooling medium flows along the short side direction of the fuel cell stack, the cooling medium flow path is shortened to reduce the pressure loss, and it is possible to effectively prevent the temperature distribution from occurring in the power generation surface. It becomes possible.
[0014]
further , Burning The fuel gas supply port and the oxidant gas supply port are provided at the lower portions at both ends in the lateral direction, while the fuel gas discharge port and the oxidant gas discharge port are provided at the upper portions at both lateral ends. Flows a fuel gas and an oxidant gas from below to above. Accordingly, the fuel gas and the oxidant gas move from the lower side to the upper side like the cooling medium, and the temperature of the supplied fuel gas and the oxidant gas can be set low.
[0015]
Also ,cold Fastening bolts are inserted into through holes formed between the reject medium supply port and the cooling medium discharge port, and the fuel cell stack is fixed integrally. As a result, the surplus space in the fuel cell stack can be used effectively, and the height dimension of the fuel cell stack can be set to be effectively small.
[0016]
Furthermore , Burning A single cooling medium introduction port that communicates with a plurality of cooling medium supply ports and a plurality of cooling medium discharge ports that communicate with a plurality of cooling medium supply ports at a substantially central portion of the vertical surface of the end plate disposed at one end in the stacking direction of the battery stack A single cooling medium outlet is provided. As a result, the piping structure connected to the end plate is simplified, and the height dimension of the fuel cell stack can be set lower. This fuel cell stack can be placed in a low space such as under the floor of an automobile body. Can be easily mounted.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell system 10 incorporating a fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side explanatory view of the fuel cell system 10.
[0018]
The fuel cell system 10 includes a first fuel cell stack 12 and a second fuel cell stack 14 that are arranged in parallel to each other along a horizontal direction (arrow A direction). The first end plates 16 and 18 constituting the one end vertical surface on the same side of the first and second fuel cell stacks 12 and 14 have a first power extraction terminal 20 as a positive electrode and a second power extraction terminal as a negative electrode. 22 is provided.
[0019]
A fuel gas with respect to the first and second fuel cell stacks 12, 14 is provided on the second end plates 24, 26 side, which is the other end vertical surface on the same side of the first and second fuel cell stacks 12, 14. A piping mechanism 28 for supplying and discharging the oxidant gas and the cooling medium is incorporated. The first and second fuel cell stacks 12 and 14 are fixed to an attachment plate 31 constituting the vehicle via an attachment mechanism 30.
[0020]
As shown in FIGS. 3 and 4, the first fuel cell stack 12 includes a unit fuel cell 32 and first and second separators 34 and 36 that sandwich the unit fuel cell 32, and a plurality of these are provided. Only one set is stacked in the horizontal direction (arrow A direction). The first fuel cell stack 12 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. Is done.
[0021]
The unit fuel cell 32 includes a solid polymer electrolyte membrane 38, a cathode side electrode 40 and an anode side electrode 42 disposed with the electrolyte membrane 38 interposed therebetween, and the cathode side electrode 40 and the anode side electrode. 42 is provided with first and second gas diffusion layers 44 and 46 made of, for example, porous carbon paper that is a porous layer.
[0022]
First and second gaskets 48 and 50 are provided on both sides of the unit fuel cell 32, and the first gasket 48 has a large opening 52 for accommodating the cathode side electrode 40 and the first gas diffusion layer 44. On the other hand, the second gasket 50 has a large opening 54 for accommodating the anode side electrode 42 and the second gas diffusion layer 46. The unit fuel cell 32 and the first and second gaskets 48 and 50 are sandwiched between the first and second separators 34 and 36.
[0023]
The first separator 34 has a surface 34a facing the cathode side electrode 40 and an opposite surface 34b set in a rectangular shape. For example, the long side 55a is oriented in the horizontal direction, and the short side 55b is directed in the gravitational direction. Oriented.
[0024]
An oxidant gas inlet 56a for passing an oxidant gas, which is an oxygen-containing gas or air, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas are passed through the upper ends of both edge portions on the short side 55b side of the first separator 34. The fuel gas inlet 58a is provided with a rectangular shape that is long in the vertical direction. The oxidant gas outlet 56b and the fuel gas outlet 58b are diagonally positioned on the lower side of both edge portions on the short side 55b side of the first separator 34 with respect to the oxidant gas inlet 56a and the fuel gas inlet 58a. It has a rectangular shape that is long in the vertical direction.
[0025]
At the lower end portion of the long side 55a of the first separator 34, four cooling medium inlets 60a to 60d that are long in the direction of arrow C are provided, and the upper portion of the first separator 34 on the long side 55a side is the same. In addition, four coolant outlets 60e to 60h that are long in the direction of arrow C are provided. A cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlets 60a to 60d.
[0026]
On the surface 34a of the first separator 34, ten independent first oxidant gas flow channels 62 communicating with the oxidant gas inlet 56a are folded on the short side 55b side and meandering in the horizontal direction while meandering in the horizontal direction. It is provided toward. The first oxidant gas flow channel 62 merges with the five second oxidant gas flow channels 65, and the second oxidant gas flow channel 65 communicates with the oxidant gas outlet 56b. The first separator 34 has six holes 63 for inserting tie rods.
[0027]
The second separator 36 is formed in a rectangular shape, and an oxidant gas inlet 66a and a fuel gas inlet 68a are formed through the upper side of both end edges on the short side 64b side of the second separator 36. An oxidant gas outlet 66b and a fuel gas outlet 68b are formed through the lower ends of the both end edges so as to be diagonal to the oxidant gas inlet 66a and the fuel gas inlet 68a.
[0028]
Four cooling medium inlets 70a to 70d that are long in the direction of arrow C are formed through the lower portion of the second separator 36 on the long side 64a side, and cooling medium outlets 70e to 70h are formed on the upper side of the long side 64a. In the same manner, a long penetration is formed in the direction of arrow C.
[0029]
As shown in FIG. 5, ten first fuel gas passage grooves 72 are formed on the surface 36a of the second separator 36 so as to communicate with the fuel gas inlet 68a. The first fuel gas channel groove 72 is provided toward the direction of gravity while meandering in the horizontal direction by folding back on the short side 64b side, and the first fuel gas channel groove 72 has five second fuel gas channel grooves. 73, the second fuel gas passage groove 73 communicates with the fuel gas outlet 68b.
[0030]
As shown in FIG. 6, on the surface 36b opposite to the surface 36a of the second separator 36, cooling medium flow paths 74a to 74d that individually communicate with the cooling medium inlets 70a to 70d and the cooling medium outlets 70e to 70h, respectively. Are provided in the direction of gravity. The cooling medium channels 74a to 74d include nine first channel grooves 76a and 76b that communicate with the cooling medium inlets 70a to 70d and the cooling medium outlets 70e to 70h, respectively, and the first channel grooves 76a and 76b. In between, two second flow path grooves 78 are provided in parallel to each other in the direction of gravity and spaced apart by a predetermined distance.
[0031]
Similar to the first separator 34, the second separator 36 is provided with six holes 63 for inserting tie rods. The hole 63 is provided in the first and second separators 34 and 36 corresponding to the space between the cooling medium inlets 60a to 60d and 70a to 70d and the cooling medium outlets 60e to 60h and 70e to 70h.
[0032]
As shown in FIG. 7, a terminal plate 80 as a terminal plate and a first conductive plate 82 are disposed at both ends in the stacking direction of the unit fuel cells 32 stacked by a predetermined number. The terminal plate 80 is laminated with the first end plate 16 via the insulating plate 84, and the first power extraction terminal 20 is attached to the terminal plate 80.
[0033]
As shown in FIG. 8, the first power extraction terminal 20 is provided with small-diameter screw portions 88 a and 88 b at both ends of a cylindrical large-diameter portion 86. The threaded portion 88a protrudes into the oxidant gas inlet 56a of the first separator 34 through the hole 90 formed in the terminal plate 80, and the nut member 92 is screwed to the threaded portion 88a. A seal member 94 is interposed on the shoulder portion of the large diameter portion 86 to improve the sealing performance between the large diameter portion 86 and the outer periphery of the large diameter portion 86 and the first end plate 16. An insulating ring 98 is interposed between the holes 96.
[0034]
As shown in FIG. 9, the first conductive plate 82 is set to have substantially the same shape as the second separator 36, that is, a rectangular shape, and an oxidant gas inlet 100 a, a fuel is provided at both end edges on the short side. The gas inlet 102a, the oxidant gas outlet 100b, and the fuel gas outlet 102b are provided at diagonal positions. Four cooling medium inlets 104a to 104d and cooling medium outlets 104e to 104h are provided at the lower part and the upper part of the long side of the first conductive plate 82, respectively, and a hole portion 63 for inserting a tie rod is provided between them. Are formed in six places.
[0035]
The first conductive plate 82 is provided with a first connection plate portion 106 that extends below the first fuel cell stack 12 and close to the second fuel cell stack 14. The first connecting plate portion 106 is provided with two bolt portions 108a and 108b protruding downward. The bolt portions 108a and 108b and the first conductive plate 82 are made of a conductive material such as SUS or copper. Etc. As shown in FIG. 7, the second end plate 24 is laminated on the first conductive plate 82 via the insulating plate 110, the lid plate 112 and the seal member 114.
[0036]
As shown in FIGS. 10 and 11, the second end plate 24 is configured in a rectangular shape, and an oxidant gas inlet 120 a and a fuel gas inlet 122 a pass through the upper side of both edge portions on the short side. The oxidant gas outlet 120b and the fuel gas outlet 122b are formed diagonally to the oxidant gas inlet 120a and the fuel gas inlet 122a at the lower side of both edge portions on the short side. Provided.
[0037]
On the inner surface 24 a of the second end plate 24, first cooling medium passage grooves 124 a to 124 d communicating with the cooling medium inlets 70 a to 70 d of the second separator 36, and cooling medium outlets 70 e to 70 e of the second separator 36. Second cooling medium passage grooves 124e to 124h communicating with 70h are formed to be long in the horizontal direction and have a predetermined depth. The first coolant passage grooves 124a to 124d communicate with the end portions of the twelve first groove portions 126a, respectively. The first groove portions 126a extend upward in parallel with each other, and then two first groove portions 126b are joined together to provide second groove portions 126b. The second groove portions 126b are joined to the third groove portion 126c, and two second groove portions 126b are joined together. One cooling medium introduction port 128 communicates.
[0038]
Similarly, each of the second cooling medium passage grooves 124e to 124h communicates with twelve first groove portions 130a, and the first groove portions 130a extend vertically downward to join two second groove portions 130b. To do. Two second groove portions 130b join the third groove portion 130c two by two and communicate with a single cooling medium outlet 132. As shown in FIG. 10, a supply pipe 134 and a discharge pipe 136 are connected to the cooling medium inlet 128 and the cooling medium outlet 132, and the supply pipe 134 and the discharge pipe 136 are connected to each other. One fuel cell stack 12 protrudes outward by a predetermined length. The second end plate 24 has six holes 63 for inserting tie rods (see FIG. 11).
[0039]
In the first fuel cell stack 12, an oxidant gas inlet 120 a of the second end plate 24, an oxidant gas inlet 56 a of the first separator 34, an oxidant gas outlet 56 b, and an oxidant gas outlet of the second end plate 24. An oxidant gas supply / discharge path 138a configured in a U shape by communicating with 120b, a fuel gas inlet 122a of the second end plate 24, a fuel gas inlet 68a of the second separator 36, a fuel gas outlet 68b, and the first A fuel gas supply / discharge passage 138b configured in a U shape by communicating with the fuel gas outlet 122b of the two end plates 24, a supply pipe 134 of the second end plate 24, and a cooling medium inlet 70a of the second separator 36 ˜70d, cooling medium outlets 70e˜70h and the discharge pipe 136 of the second end plate 24 communicated with each other and configured in a U shape Coolant supply and discharge path 138c is provided to be. The oxidant gas supply / exhaust passage 138a and the fuel gas supply / exhaust passage 138b are provided at the upper and lower ends in the lateral direction (longitudinal direction) in the first fuel cell stack 12.
[0040]
As shown in FIGS. 10 and 13, the cooling medium introduction port 128 and the cooling medium outlet port 132 are formed at substantially the center in the plane of the second end plate 24, that is, the oxidant gas inlet 120 a, the fuel gas inlet 122 a, The oxidant gas outlet 120b and the fuel gas outlet 122b are provided in the vertical direction and inward in the horizontal direction.
[0041]
As shown in FIG. 7, the first fuel cell stack 12 is integrally fastened and fixed in the stacking direction (arrow A direction) via the fastening mechanism 140. The tightening mechanism 140 includes a liquid chamber 142 provided on the outer surface side of the first end plate 16, an incompressible surface pressure applying liquid enclosed in the liquid chamber 142, such as silicon oil 144, and a second end. Three disc springs 146a to 146c that are provided on the outer surface side of the plate 24 and are spaced apart by a predetermined interval in the horizontal direction in order to press the second end plate 24 toward the first end plate 16 side. .
[0042]
A backup plate 148 is disposed opposite the first end plate 16 with the liquid chamber 142 interposed therebetween, and the liquid chamber 142 is formed between the backup plate 148 and the aluminum or stainless steel thin plate 150. The disc springs 146a to 146c are arranged in the plane of the second end plate 24 so as to be spaced apart at substantially equal intervals, and are supported by the mounting plate 152. Six tie rods 154 are inserted into the backup plate 148 through the first fuel cell stack 12 from the mounting plate 152. When the nut 156 is screwed into the end portion of the tie rod 154, the first fuel cell stack 12 is integrally held.
[0043]
As shown in FIGS. 2 and 12, the attachment mechanism 30 includes bracket portions 160 a and 160 b that are integrally provided on the lower side of the first end plate 16, and a mount that is screwed to the lower side of the second end plate 24. Brackets 162a and 162b are provided. The bracket portions 160a and 160b are formed with long holes 164a and 164b elongated in the stacking direction (arrow A direction) of the first fuel cell stack 12, while the mounting brackets 162a and 162b are formed with holes 166a and 166b. Is done.
[0044]
Rubber mounts 168 are disposed in the long holes 164a and 164b and the hole portions 166a and 166b, respectively. The rubber mount 168 is provided with screw portions 170a and 170b on the upper and lower sides, a collar 172 is disposed on the screw portion 170a protruding upward, and the collar 172 is inserted into the elongated holes 164a and 164b from here. A nut 174 is screwed into the threaded portion 170a. On the side of the mount brackets 162a and 162b, the threaded portion 170a of the rubber mount 168 is inserted into the holes 166a and 166b, and the nut 174 is screwed to the tip portion thereof. The threaded portion 170b protruding to the lower side of the rubber mount 168 is inserted into the mounting plate 31 and screwed into the nut 176, thereby fixing the first fuel cell stack 12 to the vehicle or the like.
[0045]
As shown in FIG. 13, the second fuel cell stack 14 is configured symmetrically with the first fuel cell stack 12 described above, and a cathode side electrode 40 and an anode side electrode 42 are provided with respect to the electrolyte membrane 38. The second power extraction terminal 22, which is disposed on the opposite side and is a negative electrode, is provided on the first end plate 18 side (see FIG. 14). The second fuel cell stack 14 is basically configured in the same manner as the first fuel cell stack 12, and the same components are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
[0046]
As shown in FIG. 15, the second fuel cell stack 14 includes a second conductive plate 180, which extends below the second fuel cell stack 14 and has a second conductive plate 180. A second connection plate portion 182 is provided adjacent to the first connection plate portion 106 of the first conductive plate 82 provided in the one fuel cell stack 12. The first and second connecting plate portions 106 and 182 are provided with a pair of bolt portions 108a and 108b and 184a and 184b, respectively.
[0047]
Flexible connection bodies, for example, stranded wires 186a and 186b are connected to the bolt portions 108a and 184a and the bolt portions 108b and 184b, respectively. The stranded wires 186a and 186b are formed by twisting a large number of thin wire wires in a net shape, and are covered with rubber covers 188a and 188b, respectively.
[0048]
As shown in FIG. 13, the second end plates 24 and 26 constituting the first and second fuel cell stacks 12 and 14 are respectively arranged at positions where the fuel gas inlet 122a and the oxidant gas outlet 120b are close to each other. The piping mechanism 28 is incorporated in the second end plates 24 and 26.
[0049]
As shown in FIGS. 1 and 16, the piping mechanism 28 covers the fuel gas inlets 122a of the second end plates 24, 26 constituting the first and second fuel cell stacks 12, 14 arranged in parallel with each other. A first bracket 190 is integrally fixed to the second end plates 24 and 26. The first bracket 190 is provided with fuel gas supply pipes 192a and 192b communicating with the respective fuel gas inlets 122a, and the fuel gas supply pipes 192a and 192b join to communicate with the fuel gas supply port 194.
[0050]
A second bracket 196 is fixed to the second end plates 24 and 26 so as to cover the oxidant gas outlets 120b. The tip portions of the oxidant gas discharge pipes 198 a and 198 b provided on the second bracket 196 and communicating with the oxidant gas outlet 120 b respectively communicate with the oxidant gas discharge port 200 integrally.
[0051]
Third and fourth brackets 202 and 204 are fixed to the second end plates 24 and 26 so as to cover the oxidant gas inlet 120a and the fuel gas outlet 122b, respectively. Both ends of an oxidant gas supply pipe 206 communicating with the oxidant gas inlet 120 a communicate with the third and fourth brackets 202 and 204, and an oxidant gas supply port 208 is provided along the oxidant gas supply pipe 206. Provided. Both ends of a fuel gas discharge pipe 210 communicating with the fuel gas outlet 122 b communicate with the third and fourth brackets 202 and 204, and a fuel gas discharge port 212 is provided in the middle of the fuel gas discharge pipe 210.
[0052]
Both ends of the cooling medium supply pipe 214 are connected to the supply pipe lines 134 provided in the second end plates 24 and 26, and a cooling medium supply port 216 is provided in the cooling medium supply pipe 214. A cooling medium discharge pipe 218 is connected to each discharge pipe path 136 provided in the second end plates 24 and 26, and a cooling medium discharge port 220 is provided in the cooling medium discharge pipe 218.
[0053]
The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.
[0054]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 is supplied with fuel gas (for example, a gas containing hydrogen obtained by reforming hydrocarbons) from a fuel gas supply port 194 and is oxidized at an oxidant gas supply port 208. Air or an oxygen-containing gas (hereinafter also simply referred to as air) is supplied as the agent gas, and a cooling medium is supplied to the cooling medium supply port 216.
[0055]
The fuel gas supplied to the fuel gas supply port 194 passes through the fuel gas supply pipes 192a and 192b, and the fuel gas inlets 122a of the second end plates 24 and 26 constituting the first and second fuel cell stacks 12 and 14, respectively. And is introduced into the first fuel gas passage groove 72 from each fuel gas inlet 68 a of the second separator 36. As shown in FIG. 5, the fuel gas supplied to the first fuel gas channel groove 72 moves in the direction of gravity while meandering along the surface 36 a of the second separator 36 in the horizontal direction.
[0056]
At that time, the hydrogen gas in the fuel gas is supplied to the anode electrode 42 of the unit fuel cell 32 through the second gas diffusion layer 46. The unused fuel gas is supplied to the anode side electrode 42 while moving along the first fuel gas channel groove 72, while the unused fuel gas passes through the second fuel gas channel groove 73. It is discharged from the fuel gas outlet 68b. The unused fuel gas is introduced into the fuel gas discharge pipe 210 through the fuel gas outlets 122b of the second end plates 24 and 26, and is discharged from the fuel cell system 10 through the fuel gas discharge port 212.
[0057]
On the other hand, the air supplied to the oxidant gas supply port 208 is sent to the oxidant gas inlets 120a provided in the second end plates 24 and 26 via the oxidant gas supply pipe 206, and further, the first and first oxidant gas supply ports 208 are supplied. 2 is supplied to the oxidant gas inlet 56a of the first separator 34 incorporated in the fuel cell stacks 12 and 14 (see FIG. 3). In the first separator 34, the air supplied to the oxidant gas inlet 56 a is introduced into the first oxidant gas flow channel 62 in the surface 34 a and horizontally along the first oxidant gas flow channel 62. Move in the direction of gravity while meandering.
[0058]
At that time, oxygen gas in the air is supplied from the first gas diffusion layer 44 to the cathode-side electrode 40, while unused air flows from the oxidant gas outlet 56 b through the second oxidant gas flow channel groove 65. Discharged. The air discharged to the oxidant gas outlet 56b is discharged from the oxidant gas discharge port 200 via the oxidant gas discharge pipes 198a and 198b from the oxidant gas outlet 120b provided in the second end plates 24 and 26. (See FIG. 1).
[0059]
As a result, power is generated in the first and second fuel cell stacks 12 and 14, and power is supplied to loads connected between the first and second power extraction terminals 20 and 22 having different characteristics, for example, motors (not shown). Will be supplied.
[0060]
Further, the inside of the first and second fuel cell stacks 12 and 14 is effectively cooled by the cooling medium. That is, the cooling medium supplied to the cooling medium supply port 216 is introduced from the cooling medium supply pipe 214 to the supply pipe line 134 provided in the second end plates 24 and 26. As shown in FIG. 11, this cooling medium is introduced into the cooling medium inlet 128 of the second end plates 24, 26, and passes through the first groove 126a from the plurality of second grooves 126b to the first cooling medium flow channel. 124a to 124d.
[0061]
The cooling medium introduced into the first cooling medium flow grooves 124a to 124d is introduced into the cooling medium inlets 70a to 70d formed on the lower side of the second separator 36, and as shown in FIG. It moves from the bottom to the top along the coolant flow paths 74a to 74d communicating with 70a to 70d. The cooling medium that has cooled each unit fuel cell 32 through the cooling medium channels 74a to 74d passes through the cooling medium outlets 70e to 70h, and the second cooling medium channel grooves 124e to 124h of the second end plates 24, 26. (See FIG. 11).
[0062]
The cooling medium introduced into the second cooling medium flow path grooves 124e to 124h is sent from the first groove part 130a to the cooling medium outlet 132 through the second groove part 130b, and from the discharge pipe 136 to the cooling medium discharge pipe 218. And is discharged from the cooling medium discharge port 220.
[0063]
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 10, the oxidant gas inlet 56a, the fuel gas inlet 68a, the oxidant gas inlet 56a are positioned in the first fuel cell stack 12 at the upper and lower ends in the lateral direction (arrow C direction). The agent gas outlet 56b, the fuel gas outlet 68b, and the like are provided, and the cooling medium inlets 70a to 70d and the cooling medium outlets 70e to 70h are provided at the lower part and the upper part of the long side. Therefore, the first fuel cell stack 12 can be set to be horizontally long, and the height dimension of the first fuel cell stack 12 can be reduced.
[0064]
In particular, in the first embodiment, an oxidant gas supply / discharge passage 138a and a fuel gas supply / discharge passage 138b are provided at both upper and lower ends in the lateral direction (longitudinal direction) in the first fuel cell stack 12, while The coolant supply / discharge passages 138c are not provided at both ends in the lateral direction in the first fuel cell stack 12. Thereby, the dimension in the height direction of the first fuel cell stack 12 can be set further lower, and the fuel cell system 10 can be easily mounted in a low space such as under the floor of an automobile body. There is.
[0065]
Moreover, the oxidant gas inlet 56a, the fuel gas inlet 68a, the oxidant gas outlet 56b, the fuel gas outlet 68b, and the like are set in a rectangular shape that is long in the vertical direction. For this reason, for example, the flow rates of the oxidant gas and the fuel gas are effectively increased compared to the circular shape, and the oxidant gas and the fuel are added to the cathode side electrode 40 and the anode side electrode 42 constituting each unit fuel cell 32. Gas can be reliably distributed and supplied.
[0066]
Furthermore, in the first embodiment, as shown in FIG. 6, the cooling medium flows along cooling medium flow paths 74 a to 74 d communicating with cooling medium inlets 70 a to 70 d provided on the lower side of the second separator 36. After moving from below to above, it is discharged to the cooling medium outlets 70e to 70h. Therefore, there is an advantage that the air mixed in the cooling medium moves smoothly and reliably from the bottom along the cooling medium flow paths 74a to 74d, and the air venting process is effectively performed.
[0067]
Moreover, the coolant flow paths 74 a to 74 d are provided along the short side direction (gravity direction) of the second separator 36. As a result, the distance that the cooling medium flows in the surface 36a of the second separator 36 is shortened, the pressure loss is reduced, the occurrence of temperature distribution in the power generation surface can be suppressed, and the cooling efficiency by the cooling medium is effective. The effect of improving is obtained.
[0068]
Furthermore, in the first embodiment, as shown in FIGS. 11 and 13, a cooling medium introduction port 128 and a cooling medium outlet port 132 are provided at a substantially central portion of the surface 24 a of the second end plate 24. The cooling medium introduced into the cooling medium outlet 128 is dividedly supplied to the cooling medium inlets 70a to 70d, while the cooling medium discharged through the cooling medium outlets 70e to 70h is integrated with the cooling medium outlet 132. To derive. For this reason, the piping structure for the cooling medium is effectively simplified, and the dimension in the height direction of the first fuel cell stack 12 can be shortened more easily. Therefore, the fuel cell system 10 can be effectively thinned, and the fuel cell system 10 can be easily mounted, for example, under the floor of an automobile body.
[0069]
Further, in the first embodiment, a hole 63 is formed in the first fuel cell stack 12 between the coolant supply / discharge passage 138c, and a tie rod 154 is inserted into the hole 63 so that the first One fuel cell stack 12 is integrally held. For this reason, the surplus portions of the first and second separators 34 and 36 can be used effectively, and the height dimension of the entire first fuel cell stack 12 can be set small.
[0070]
In the first embodiment, the fuel cell system 10 is configured by arranging the first and second fuel cell stacks 12 and 14 in parallel in the stacking direction. However, only the first fuel cell stack 12 may be used. Similar effects can be obtained.
[0071]
FIG. 17 is a flow path explanatory view showing the flow of the fluid in the fuel cell stack 240 according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 18 is an exploded perspective view of the main part of the fuel cell stack 240. The same components as those of the first fuel cell stack 12 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0072]
The first and second separators 242 and 244 constituting the fuel cell stack 240 are set in a rectangular shape, and the first and second separators 242 and 244 have short side edges 55b and 64b on the lower side of both end edges. Are provided with oxidant gas inlets 56a, 66a and fuel gas inlets 58a, 68a. Oxidant gas outlets 56b and 66b and fuel gas outlets 58b and 68b are provided on the upper sides of both edge portions on the short sides 55b and 64b side of the first and second separators 242 and 244, respectively.
[0073]
On the surface 242a of the first separator 242, ten independent first oxidant gas channel grooves 62 communicating with the oxidant gas inlet 56a are folded back on the short side 55b side and meandering horizontally while meandering. It is provided toward the direction. The first oxidant gas flow channel 62 merges with the five second oxidant gas flow channels 65, and the second oxidant gas flow channel 65 communicates with the oxidant gas outlet 56b.
[0074]
As shown in FIG. 19, ten first fuel gas passage grooves 72 are formed on the surface 244a of the second separator 244 so as to communicate with the fuel gas inlet 68a. The first fuel gas channel groove 72 is provided in the antigravity direction while being folded back on the short side 64b side and meandering in the horizontal direction, and after joining the five second fuel gas channel grooves 73, the second fuel gas The gas channel groove 73 communicates with the fuel gas outlet 68b.
[0075]
As shown in FIG. 17, in the fuel cell stack 240, an oxidant gas supply / discharge passage 138a, a fuel gas supply / discharge passage 138b, and a coolant supply / discharge passage 138c are provided. The oxidant gas supply / discharge path 138a and the fuel gas supply / discharge path 138b are provided with supply sides at the lower ends in the lateral direction in the fuel cell stack 240, as with the coolant supply / discharge paths 138c. It is done.
[0076]
In the second embodiment configured as described above, air and fuel gas are supplied to the oxidant gas supply / discharge passage 138a and the fuel gas supply / discharge passage 138b from the lower portions of both ends in the lateral direction in the fuel cell stack 240. This air is introduced into the first oxidant gas flow channel 62 in the surface 242a of the first separator 242, and moves in the antigravity direction while meandering in the horizontal direction. Then, unused air is discharged to the oxidant gas outlet 56 b through the second oxidant gas flow channel groove 65, and is discharged from the upper portions of both ends of the fuel cell stack 240 in the lateral direction.
[0077]
On the other hand, the fuel gas is introduced into the first fuel gas passage groove 72 in the surface 244a of the second separator 244, and moves in the antigravity direction while meandering in the horizontal direction. Unused fuel gas is discharged from the upper portions of both ends of the fuel cell stack 240 in the lateral direction.
[0078]
Thus, in the second embodiment, the supply side of the oxidant gas supply / discharge passage 138a and the fuel gas supply / discharge passage 138b is provided on the lower side of the fuel cell stack 240 in the same manner as the supply side of the coolant supply / discharge passage 138c. ing. Therefore, the temperature of the supplied fuel gas and air can be set low corresponding to the temperature of the cooling medium on the inlet side, and as a result, the humidification amount of the fuel gas and the air can be reduced. become. Therefore, a humidifier (not shown) for humidifying the fuel gas and air can be easily reduced in size, and the effect of simplifying the entire facility and reducing costs can be obtained.
[0079]
Further, the discharge sides of the oxidant gas supply / discharge passage 138 a and the fuel gas supply / discharge passage 138 b are provided at the upper ends in the lateral direction of the fuel cell stack 240. Therefore, a pipe (not shown) connected to the outlets of the oxidant gas supply / exhaust passage 138a and the fuel gas supply / exhaust passage 138b is disposed below the outlet in order to prevent the backflow of generated water. It is possible to effectively secure a space in the height direction. Thereby, even when the mounting surface of the fuel cell stack 240 is a floor lower surface, particularly when used for in-vehicle use, the oxidant gas supply / discharge passage 138a and the fuel gas supply / discharge passage 138b are disposed on the outlet side. There exists an advantage that it can arrange | position in the state which lowered | hung piping effectively.
[0080]
【The invention's effect】
In the fuel cell stack according to the present invention, the unit fuel cells are configured in a horizontally long rectangular shape, and the fuel gas supply / discharge passage and the oxidant gas supply are positioned in the fuel cell stack at the upper and lower ends in the lateral direction. Since the drainage path is provided, the dimension in the height direction of the entire fuel cell stack can be set effectively low. Therefore, the fuel cell stack can be easily mounted in a low space such as under the floor of an automobile body.
[0081]
Further, in the fuel cell stack according to the present invention, by providing the fuel gas supply and discharge ports and the oxidant gas supply and discharge ports at the upper and lower sides in the lateral direction, and by providing a plurality of cooling medium supply ports and cooling medium discharge ports at the upper and lower sides, The entire fuel cell stack can be set in a horizontally long structure. Moreover, since the cooling medium flows from the bottom to the top, the air mixed in the cooling medium can be discharged smoothly, the cooling medium flow path is shortened to reduce pressure loss, and the temperature distribution is reduced. It is possible to prevent the occurrence.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell system incorporating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory side view of the fuel cell system.
FIG. 3 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell stack.
FIG. 4 is an explanatory view of a longitudinal section of a main part of the fuel cell stack.
FIG. 5 is a front explanatory view of one surface of a second separator constituting the fuel cell stack.
FIG. 6 is a front explanatory view of the other surface of the second separator.
FIG. 7 is a schematic longitudinal sectional view of the fuel cell stack.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a connection structure of power extraction terminals constituting the fuel cell stack.
FIG. 9 is a perspective explanatory view of a conductive plate constituting the fuel cell stack.
FIG. 10 is a flow path explanatory diagram showing the flow of fluid in the fuel cell stack.
FIG. 11 is an explanatory front view of an inner surface of a second end plate constituting the fuel cell stack.
FIG. 12 is an explanatory plan view of the fuel cell stack.
FIG. 13 is a front explanatory view of the fuel cell system in a state where a piping mechanism is omitted.
FIG. 14 is a rear view of the fuel cell system.
FIG. 15 is a perspective explanatory view showing a lower side of the fuel cell system.
FIG. 16 is a front explanatory view of the fuel cell system.
FIG. 17 is a flow chart illustrating the flow of fluid in the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell stack.
FIG. 19 is a front explanatory view of one surface of a second separator constituting the fuel cell stack.
[Explanation of symbols]
10. Fuel cell system 12, 14, 240 ... Fuel cell stack
16, 18, 24, 26 ... End plate
20, 22 ... Power extraction terminal 28 ... Piping mechanism
30 ... Mounting mechanism 32 ... Unit fuel cell
34, 36, 242, 244 ... Separator
38 ... Electrolyte membrane 40 ... Cathode side electrode
42 ... Anode side electrode
56a, 66a, 100a, 120a ... oxidant gas inlet
56b, 66b, 100b, 120b ... Oxidant gas outlet
58a, 68a, 102a, 122a ... Fuel gas inlet
58b, 68b, 102b, 122b ... Fuel gas outlet
60a-60d, 70a-70d, 104a-104d ... Cooling medium inlet
60e-60h, 70e-70h, 104e-104h ... Cooling medium outlet
62, 65 ... Oxidant gas channel groove 72, 73 ... Fuel gas channel groove
74a-74d ... Cooling medium flow path 80 ... Terminal board
82, 180 ... conductive plate 106, 182 ... connection plate
124a-124h ... Cooling medium flow channel
128 ... Cooling medium inlet 132 ... Cooling medium outlet
134 ... Supply line 136 ... Discharge line
138a ... Oxidant gas supply / discharge passage 138b ... Fuel gas supply / discharge passage
138c ... Cooling medium supply / discharge path 140 ... Tightening mechanism
142 ... Liquid chambers 146a to 146c ... Disc springs
160a, 160b ... Bracket part
162a, 162b ... Mount bracket
168 ... Rubber mount

Claims

A unit fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode is a fuel cell stack in which a plurality of unit fuel cells are stacked in a horizontal direction via a separator,
The unit fuel cell is configured in a horizontally long rectangular shape,
In the fuel cell stack, there are provided a fuel gas supply / discharge passage and an oxidant gas supply / discharge passage for supplying fuel gas and oxidant gas to each unit fuel cell, respectively, located above and below the lateral ends. ,
A cooling medium supply / discharge path for supplying a cooling medium is provided on the upper and lower sides of the long side , and
The length side bottom, the supply side of the cooling medium supply and discharge passage is provided, and, in the long-side upper fuel cell stacks, characterized in that the discharge side of the cooling medium supply and discharge path is provided.

While the fuel cell stack according to claim 1 Symbol mounting, the lateral ends below the unit cell, the supply side of the fuel gas supply and exhaust passage and the oxidant gas supply and exhaust passage is provided,
The fuel cell stack, wherein the unit gas fuel cell is provided with discharge sides of the fuel gas supply / discharge passage and the oxidant gas supply / discharge passage at upper portions of both ends in the lateral direction.

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a fuel gas supply port and a fuel gas discharge port that communicate with the fuel gas supply / discharge path are provided at both upper and lower ends in the lateral direction of the unit fuel cell,
An oxidant gas supply port and an oxidant gas discharge port communicating with the oxidant gas supply / discharge path;
Is provided,
The fuel cell stack, wherein the fuel gas supply port, the fuel gas discharge port, the oxidant gas supply port, and the oxidant gas discharge port are set in a vertically long rectangular shape.

A unit fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode is a fuel cell stack in which a plurality of unit fuel cells are stacked in a horizontal direction via a separator,
The unit fuel cell is configured in a horizontally long rectangular shape,
A fuel gas supply port, a fuel gas discharge port, an oxidant gas supply port, and an oxidant gas discharge port that are provided in the fuel cell stack so as to be positioned above and below the lateral ends,
In order to supply fuel gas to the anode side electrode, a plurality of continuous fuel gas flow paths that communicate with the fuel gas supply port and the fuel gas discharge port and are folded back on the short side;
In order to supply an oxidant gas to the cathode side electrode, a plurality of continuous oxidant gas flow paths communicating the oxidant gas supply port and the oxidant gas discharge port and turning back on the short side,
In the fuel cell stack, a plurality of cooling medium supply ports provided in the lower part on the long side side and spaced apart from each other;
In the fuel cell stack, a plurality of cooling medium discharge ports provided on the upper part of the long side and spaced apart from each other;
A cooling medium flow path that connects the cooling medium supply port and the cooling medium discharge port, and causes the cooling medium to flow upward from below;
A fuel cell stack comprising:

5. The fuel cell stack according to claim 4 , wherein the fuel gas supply port and the oxidant gas supply port are provided at lower portions of both lateral ends,
A fuel gas discharge port and an oxidant gas discharge port are provided at the upper ends in the lateral direction,
The fuel cell stack, wherein the fuel gas channel and the oxidant gas channel flow fuel gas and oxidant gas from below to above.

5. The fuel cell stack according to claim 4 , wherein through holes are formed between the cooling medium supply ports and between the cooling medium discharge ports, and a fastening bolt is inserted into the through holes. A fuel cell stack characterized in that is integrally fixed.

7. The fuel cell stack according to claim 4 , wherein a plurality of cooling medium supply ports are provided at a substantially central portion of a vertical surface of an end plate disposed at one end portion in the stacking direction of the fuel cell stack. A fuel cell stack, comprising: a single cooling medium introduction port communicating with the plurality of cooling medium discharge ports; and a single cooling medium outlet port communicating with the plurality of cooling medium discharge ports.