JP4542640B2

JP4542640B2 - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP4542640B2
Application number: JP07200699A
Authority: JP
Inventors: 洋介藤井; 征治鈴木; 成利杉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-03-17
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: JP2000311696A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セルを、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。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、アノード側電極およびカソード側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するために、通常、触媒電極層（電極面）に導電性を有する多孔質層、例えば、多孔質カーボンペーパがセパレータにより挟持されるとともに、各セパレータの互いに対向する面には、均一な幅寸法に設定された１本または複数本のガス流路が設けられている。
【０００５】
この場合、ガス流路内には、凝結水分や反応によって生成された水分が、液体（水）の状態で存在することがある。この水が多孔質層に蓄積されると、燃料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下してしまい、セル性能が著しく悪くなるおそれがある。
【０００６】
そこで、例えば、特開平９−５０８１９号公報に開示されているように、セパレータに設けられた燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させる流路溝の壁面に付着した水滴の除去を可能とする固体高分子電解質型燃料電池が知られている。具体的には、図５に示すように、セパレータ１には、触媒電極層の両側に対応して酸化剤ガス用貫通孔２ａ、２ｂ、熱媒用貫通孔３ａ、３ｂおよび燃料ガス用貫通孔４ａ、４ｂがそれぞれ互いに対角となる位置に設けられている。
【０００７】
カソード側電極に対向するセパレータ１の一方の面１ａには、例えば、酸化剤ガス用貫通孔２ａ、２ｂを連通する水平流路溝５ａと鉛直流路溝５ｂとが、互いに直交して複数設けられている。セパレータ１の他方の面側には、熱媒用貫通孔３ａ、３ｂを連通するために、同様に、互いに直交する複数の溝が形成されている。なお、アノード側電極に対向するセパレータ１には、燃料ガス用貫通孔４ａ、４ｂを連通するために、同様に、水平方向および鉛直方向にそれぞれ直交して蛇行する図示しない溝が形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の燃料電池は、例えば、自動車等の車体に積載して使用することが望まれている。その際、燃料電池を自動車の床下に設置することが最も実用的であるが、車室内における居住空間を十分に確保するためには、車高が上がることは好ましくない。従って、燃料電池全体の高さ方向を低く設定する必要がある。
【０００９】
しかしながら、上記の従来技術では、触媒電極層が縦長の長方形状に設定されるとともに、セパレータ１全体が略正方形状に構成されている。このため、セパレータ１の高さ方向を低くしようとすると、触媒電極層の面積が相当に小さくなってスタック電極面積を有効に確保することができず、所望の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。そこで、例えば、複数台の燃料電池スタックを並設することが考えられるが、構造が複雑化するとともに、経済的ではないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、例えば、車載時に高さ方向の寸法を有効に低く抑えるとともに、簡単な構成で所望の発電性能を確実に得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。
【００１１】
【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、セパレータの平面が長方形状に設定されており、前記平面の短辺が重力方向に指向して配置される。このため、燃料電池スタック全体の高さ方向を有効に低く抑えることができ、所望の発電性能を維持しつつレイアウトが容易に遂行可能になる。これにより、例えば、車載時に燃料電池スタックを車体の床下に配置する際、車高が高くなることを有効に阻止して居住空間を確保することができる。
【００１２】
しかも、セパレータの平面に設けられた流体用通路は、前記平面内において長辺方向に沿って延在しかつ短辺側で折り返す蛇行形状に設定されている。従って、流体用通路で生成される水は、この流体用通路を流れる燃料ガスまたは酸化剤ガスを介して重力方向に円滑に移動し、燃料電池スタック内から前記水を確実に排出することができる。
【００１３】
また、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が平面内において燃料ガス入口および酸化剤ガス入口から燃料ガス出口および酸化剤ガス出口に連通する複数本の流路溝を有するとともに、前記流路溝は、所定の本数ずつ複数の流路溝群に分割され、各流路溝群が、長辺方向に前記流路溝群と同数に分割された範囲内で、それぞれ短辺方向に蛇行している。これにより、スタック電極面積を大きくするためにセパレータの面積を拡大する際にも、流路長が長尺になることを阻止し、このセパレータの面内におけるガス濃度の均一化を図ることができる。従って、ガス濃度の不均一による出力密度の低下を阻止することが可能になる。
【００１４】
また、セパレータの短辺側両端縁部に冷却媒体入口および冷却媒体出口が設けられている。このため、セパレータの高さ方向を有効に短尺化することができ、燃料電池スタック全体の高さを一層低く設定することが可能になる。
【００１５】
また、燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路が燃料ガス入口および酸化剤ガス入口から燃料ガス出口および酸化剤ガス出口に向かって流路開口面積が狭くなるように設定されている。従って、燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路に供給された燃料ガスや酸化剤ガスがセパレータの面内で消費される際、燃料ガス出口および酸化剤ガス出口に向かって流路開口面積が狭くなるために、この燃料ガス出口側および酸化剤ガス出口側の単位面積当たりの反応分子数が前記燃料ガス入口側および酸化剤ガス入口側に比べて減少することがなく、電極面内での反応の均一化を図ることができる。
【００１６】
さらにまた、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の本数が燃料ガス出口側および酸化剤ガス出口側で減少されることにより、例えば、前記セパレータに形成される溝の深さを調整して断面積を減らす構成に比べ、前記セパレータの厚さを可及的に肉薄に設定することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略縦断面説明図である。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セル１２と、この単位燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だけ積層されている。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、例えば、車載時には、短辺方向（矢印Ａ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｂ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００１９】
単位燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８を挟んで配設されるアノード側電極２０およびカソード側電極２２とを有するとともに、前記アノード側電極２０および前記カソード側電極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。
【００２０】
単位燃料電池セル１２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、アノード側電極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３２を有する一方、前記第２ガスケット３０は、カソード側電極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３４を有する。単位燃料電池セル１２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１４、１６によって挟持される。
【００２１】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１４は、アノード側電極２０に対向する面（平面）１４ａおよび反対側の面（平面）１４ｂが長方形状に設定されており、車載時には長辺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。長辺３５ａと短辺３５ｂとの比は、例えば、１．５〜３：１、より好ましくは、略２：１に設定されている。
【００２２】
第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部上部側には、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口３６ａと、酸素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３８ａとが設けられる。第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部略中央側には、純水やエチレングリコール等の冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂが設けられるとともに、前記第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部下部側には、燃料ガス出口３６ｂと酸化剤ガス出口３８ｂとが燃料ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス入口３８ａとは対角の位置に設けられている。
【００２３】
第１セパレータ１４の面１４ａには、燃料ガス入口３６ａと燃料ガス出口３６ｂとに連通する燃料ガス流路（流体用通路）４２が形成される。燃料ガス流路４２は、複数本、例えば、１２本の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｌを備え、前記第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｌの一端側が燃料ガス入口３６ａに連通するとともに、前記第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｌが第１セパレータ１４の長辺方向（矢印Ｂ方向）に一旦延在し、この長辺方向に複数、例えば、２つのグループに分割される。
【００２４】
具体的には、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆ（流路溝群）が燃料ガス入口３６ａから酸化剤ガス入口３８ａ近傍まで延在する一方、第１ガス流路溝４４ｇ〜４４ｌ（流路溝群）が第１セパレータ１４の長辺方向略中央部位（以下、中央部位Ｐという）近傍まで延在する。第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆは、面１４ａ内において中央部位Ｐから、図３中、右側の分割範囲内で矢印Ｂ方向に延在しかつ短辺３５ｂ側で折り返す蛇行形状に沿って重力方向に設けられている。第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆは、その途上で２本ずつ合流して第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃが設けられ、この第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃは、同様に矢印Ｂ方向に指向しかつ短辺３５ｂ側で折り返して重力方向に蛇行した後、燃料ガス出口３６ｂに連通する。
【００２５】
第１ガス流路溝４４ｇ〜４４ｌは、面１４ａ内において中央部位Ｐから、図３中、左側の分割範囲内で矢印Ｂ方向に指向しかつ短辺３５ｂ側で折り返し、重力方向に蛇行する。第１ガス流路溝４４ｇ〜４４ｌは、その途上で２本ずつ合流して第２ガス流路溝４６ｄ〜４６ｆが設けられ、この第２ガス流路溝４６ｄ〜４６ｆは、矢印Ｂ方向に指向しかつ短辺３５ｂ側で折り返して蛇行しながら重力方向に延在し、燃料ガス出口３６ｂに連通する。
【００２６】
図４に示すように、セパレータ１４の面１４ａとは反対側の面１４ｂには、冷却媒体入口４０ａと冷却媒体出口４０ｂとに連通して冷却媒体流路（流体用通路）４８ａ〜４８ｆが設けられる。冷却媒体流路４８ａ〜４８ｆは、冷却媒体入口４０ａおよび冷却媒体出口４０ｂに連通するそれぞれ１本の主流路溝５０ａ、５０ｂと、前記主流路溝５０ａ、５０ｂ間に設けられる複数本、例えば、４本の分岐流路溝５１とを備える。
【００２７】
図１に示すように、第２セパレータ１６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ１６の短辺側の両端縁部上部側には、燃料ガス入口５２ａおよび酸化剤ガス入口５４ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部略中央部には、冷却媒体入口５６ａおよび冷却媒体出口５６ｂが貫通形成される。第２セパレータ１６の短辺側の両端縁部下部側には、燃料ガス出口５２ｂおよび酸化剤ガス出口５４ｂが燃料ガス入口５２ａおよび酸化剤ガス入口５４ａ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１６のカソード側電極２２に対向する面１６ａには、図２に示すように、酸化剤ガス入口５４ａと酸化剤ガス出口５４ｂとを連通する酸化剤ガス流路（流体用通路）５８が形成される。酸化剤ガス流路５８は、燃料ガス流路４２と同様に、第１ガス流路溝６０ａ〜６０ｌと第２ガス流路溝６１ａ〜６１ｆとを備えており、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
第２セパレータ１６の面１６ａとは反対側の面１６ｂには、図１に示すように、冷却媒体入口５６ａと冷却媒体５６ｂとを連通する冷却媒体流路６２ａ〜６２ｆが形成される。冷却媒体流路６２ａ〜６２ｆは、第１セパレータ１４に設けられている冷却媒体流路４８ａ〜４８ｆ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。
【００３０】
このように構成される本実施形態に係る燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３１】
燃料電池スタック１０内には、燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気（または酸素ガス）が供給され、この燃料ガスが第１セパレータ１４の燃料ガス入口３６ａから燃料ガス流路４２に導入される。図３に示すように、燃料ガス流路４２に供給された燃料ガスは、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｌに導入されて第１セパレータ１４の面１４ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）に沿って蛇行しながら重力方向に移動する。
【００３２】
具体的には、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆに導入された燃料ガスは、酸化剤ガス入口３８ａの近傍まで長辺方向に沿って延在した後に短辺３５ｂ側で折り返し、さらに面１４ａの中央部位Ｐの近傍で折り返して重力方向に蛇行する。このため、燃料ガスは、面１４ａの１／２の分割範囲内を重力方向に蛇行しながら移動した後、第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃに導入されて燃料ガス出口３６ｂに送り出される。その際、燃料ガス中の水素ガスが第１ガス拡散層２４を通って単位燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｃを通って燃料ガス出口３６ｂから排出される。
【００３３】
一方、第１ガス流路溝４４ｇ〜４４ｌに導入された燃料ガスは、面１４ａ内において中央部位Ｐで折り返される。そして、燃料ガスは、面１４ａの１／２の分割範囲内を長辺方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在しかつ短辺３５ｂ側で折り返され、重力方向に蛇行しながらアノード側電極２０に供給されるとともに、燃料ガス出口３６ｂにその未使用部分が排出される。
【００３４】
第２セパレータ１６では、酸化剤ガス入口５４ａから酸化剤ガス流路５８に供給された空気が、面１６ａの長辺方向に２分割された各範囲内でそれぞれ重力方向へと蛇行しながら移動する。その際、燃料ガス流路４２に供給された燃料ガスと同様に、空気中の酸素ガスが第２ガス拡散層２６からカソード側電極２２に供給される一方、未使用の空気が酸化剤ガス出口５４ｂから排出される。
【００３５】
また、燃料電池スタック１０には冷却媒体が供給されており、この冷却媒体は、第１および第２セパレータ１４、１６の冷却媒体入口４０ａ、５６ａに供給される。図４に示すように、第１セパレータ１４の冷却媒体入口４０ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路４８ａ〜４８ｆを構成する各主流路溝５０ａに導入され、前記主流路溝５０ａに沿って上方向、水平方向および下方向に向かって流れる。冷却媒体は、それぞれの主流路溝５０ａから分岐された複数の分岐流路溝５１に導入され、前記分岐流路溝５１に沿って面１４ｂ内の略全面にわたり水平方向に流れた後、前記分岐流路溝５１が合流する主流路溝５０ｂを通って冷却媒体出口４０ｂから排出される。
【００３６】
一方、第２セパレータ１６の冷却媒体入口５６ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体流路６２ａ〜６２ｆを通り面１６ｂの略全面にわたって直線的に移動した後、冷却媒体出口５２ｂから排出される。
【００３７】
この場合、本実施形態では、図１に示すように、単位燃料電池セル１２と第１および第２セパレータ１４、１６とが長方形状に設定されており、例えば、その長辺と短辺との比が、例えば、１．５〜３：１、より好ましくは、略２：１に設定されている。そして、短辺側を重力方向に指向して互いに積層することにより燃料電池スタック１０が構成され、この燃料電池スタック１０が、例えば、図示しない自動車の車体等に積載される。
【００３８】
このため、燃料電池スタック１０は、高さ方向の寸法が大幅に短尺化され、前記燃料電池スタック１０を車体の床下に配置する際、車高が高くなることを阻止して居住空間を有効に確保することができる。しかも、単位燃料電池セル１２は、水平方向に長尺に構成されるため、スタック電極面積を確保して所望の発電性能を確実に得ることができるという効果がある。
【００３９】
さらに、例えば、第１セパレータ１４の面１４ａに設けられた燃料ガス流路４２は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に延在しかつ短辺３５ｂ側で折り返して重力方向に蛇行する形状に設定されている。従って、燃料ガス流路４２で生成される水が重力方向に容易に移動し、この第１セパレータ１４の面１４ａから確実に排水することが可能になる。
【００４０】
また、燃料ガス流路４２は、１２本の第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｌを有し、これらが６本ずつに分割されて前記第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆが面１４ａの中央部位Ｐから一方側の分割範囲内で蛇行しながら重力方向に設けられる一方、前記第１ガス流路溝４４ｇ〜４４ｌが前記中央部位Ｐから他方の分割範囲内に沿って蛇行しながら重力方向に設けられている。これにより、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｌを、面１４ａに沿って連続して蛇行しながら燃料ガス出口３６ｂに導く構造に比べ、流路長が半減されるため、電極面内でのガス濃度の均一化を図ることができ、出力密度の低下を有効に防止することが可能になる。
【００４１】
しかも、第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｌは、その途上で２本ずつ合流して第２ガス流路溝４６ａ〜４６ｆに連なった後、燃料ガス出口３６ｂに連通している。
このため、燃料ガス入口３６ａから燃料ガス出口３６ｂに向かって流れる燃料ガスが消費される際、この燃料ガス出口３６ｂ側の単位面積当たりの反応分子数の減少を阻止し、電極面内での反応の均一化が図られる。ここで、溝の深さを変えることによって流路開口面積を変化させる従来の構成に比べ、第１セパレータ１４の厚さを薄くすることができ、燃料電池スタック１０全体の小型化が容易に図られる。
【００４２】
さらにまた、燃料ガス入口３６ａ、酸化剤ガス入口３８ａ、冷却媒体入口４０ａ、燃料ガス出口３６ｂ、酸化剤ガス出口３８ｂおよび冷却媒体出口４０ｂは、第１セパレータ１４の短辺３５ｂ側の両端縁部に設けられている。従って、第１セパレータ１４の短辺３５ｂの寸法を有効に短尺化することができ、燃料電池スタック１０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。
【００４３】
なお、本実施形態では、第１セパレータ１４の面１４ａを長辺方向に２分割してそれぞれの分割範囲内に第１ガス流路溝４４ａ〜４４ｆ、４４ｇ〜４４ｌを設けているが、この面１４ａの長辺方向の寸法等に応じて前記面１４ａを３分割以上に分割してもよい。さらに、第２セパレータ１６においても、上記の第１セパレータ１４と同様である。また、燃料電池スタック１０は、車載の他、用途に応じて種々の設置場所に有効に配置可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を小さく設定することができ、例えば、車載時に車高を高くすることなく車体の床下等に有効に設置することができる。しかも、セパレータが水平方向に長尺形状を有するため、簡単な構成で、スタック電極面積を十分に確保して所望の発電性能を確実に得ることが可能になる。さらに、セパレータに設けられた燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が、平面内において長辺方向に沿って延在しかつ短辺側で折り返す蛇行形状に設定されるため、この燃料ガス流路およびこの酸化剤ガス流路内の生成水を円滑かつ確実に外部へと排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図４】前記第１セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図５】従来技術に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池１２…燃料電池セル
１４、１６…セパレータ１８…固体高分子電解質膜
２０…アノード側電極２２…カソード側電極
３５ａ…長辺３５ｂ…短辺
３６ａ、５２ａ…燃料ガス入口３６ｂ、５２ｂ…燃料ガス出口
３８ａ、５４ａ…酸化剤ガス入口３８ｂ、５４ｂ…酸化剤ガス出口
４０ａ、５６ａ…冷却媒体入口４０ｂ、５６ｂ…冷却媒体出口
４２…燃料ガス流路
４４ａ〜４４ｌ、４６ａ〜４６ｆ、６０ａ〜６０ｌ、６１ａ〜６１ｆ…ガス流路溝
４８ａ〜４８ｆ…冷却媒体流路５８…酸化剤ガス流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of unit fuel cells each having an electrolyte sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode are stacked via a separator.
[0002]
[Prior art]
For example, a solid polymer type fuel cell has a unit fuel cell formed by arranging an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of an electrolyte made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). It is comprised by pinching by. Usually, a predetermined number of unit fuel cells and separators are stacked to be used as a fuel cell stack.
[0003]
In this type of fuel cell, fuel gas, for example, hydrogen gas, supplied to the anode electrode is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode electrode side via an appropriately humidified electrolyte. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidant gas, for example, oxygen gas or air, is supplied to the cathode side electrode, 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, in order to supply the fuel gas and the oxidant gas to the anode side electrode and the cathode side electrode, respectively, a porous layer having conductivity on the catalyst electrode layer (electrode surface), for example, porous carbon paper is usually separated by a separator. One or a plurality of gas flow paths having a uniform width dimension are provided on the surfaces of the separators that are sandwiched and opposed to each other.
[0005]
In this case, condensed moisture and moisture generated by the reaction may exist in a liquid (water) state in the gas channel. When this water is accumulated in the porous layer, the diffusibility of the fuel gas and the oxidant gas to the catalyst electrode layer is lowered, and the cell performance may be remarkably deteriorated.
[0006]
Therefore, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-50819, a solid that enables removal of water droplets attached to the wall surface of a channel groove through which fuel gas and oxidant gas provided in the separator are allowed to flow. A polymer electrolyte fuel cell is known. Specifically, as shown in FIG. 5, the separator 1 includes the oxidant gas through holes 2a and 2b, the heating medium through holes 3a and 3b, and the fuel gas through holes corresponding to both sides of the catalyst electrode layer. 4a and 4b are provided at positions that are diagonal to each other.
[0007]
On one surface 1a of the separator 1 facing the cathode side electrode, for example, a plurality of horizontal flow channel grooves 5a and vertical flow channel grooves 5b communicating with the oxidant gas through holes 2a and 2b are provided orthogonal to each other. It has been. Similarly, a plurality of grooves orthogonal to each other are formed on the other surface side of the separator 1 so as to communicate the heat medium through holes 3a and 3b. In addition, in the separator 1 facing the anode side electrode, in order to communicate the fuel gas through holes 4a, 4b, similarly, grooves (not shown) meandering perpendicularly to the horizontal direction and the vertical direction are formed. .
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, this type of fuel cell is desired to be used by being mounted on a vehicle body such as an automobile. At that time, it is most practical to install the fuel cell under the floor of the automobile. However, it is not preferable to raise the vehicle height in order to secure a sufficient living space in the passenger compartment. Therefore, the height direction of the entire fuel cell needs to be set low.
[0009]
However, in the above prior art, the catalyst electrode layer is set in a vertically long rectangular shape, and the entire separator 1 is formed in a substantially square shape. For this reason, when it is going to make the height direction of the separator 1 low, the area of a catalyst electrode layer becomes considerably small, and a stack electrode area cannot be ensured effectively, and it becomes difficult to obtain desired power generation performance. The problem is pointed out. Thus, for example, it is conceivable to arrange a plurality of fuel cell stacks in parallel, but there are problems that the structure becomes complicated and is not economical.
[0010]
The present invention solves this type of problem. For example, a fuel cell stack capable of effectively reducing the height dimension when mounted on a vehicle and reliably obtaining desired power generation performance with a simple configuration is provided. The purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In a fuel cell stack according to the present onset Ming, the plane of the separator is set to a rectangular shape, the short sides of said plane are arranged directed in the direction of gravity. For this reason, the height direction of the whole fuel cell stack can be effectively kept low, and the layout can be easily performed while maintaining the desired power generation performance. Thereby, for example, when the fuel cell stack is disposed under the floor of the vehicle body when the vehicle is mounted, it is possible to effectively prevent the vehicle height from increasing and to secure a living space.
[0012]
Moreover, the fluid passage provided in the plane of the separator is set in a meandering shape extending along the long side direction and turning back on the short side in the plane. Accordingly, the water generated in the fluid passage smoothly moves in the direction of gravity via the fuel gas or oxidant gas flowing through the fluid passage, and the water can be reliably discharged from the fuel cell stack. .
[0013]
The fuel gas channel and the oxidant gas channel have a plurality of channel grooves communicating from the fuel gas inlet and the oxidant gas inlet to the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet in a plane. It is divided into a plurality of flow grooves group by a predetermined number, the flow channel groups, within which is divided into the same number and the channel groove group in the long side direction, respectively meandering in the short-side direction ing. Thereby, even when the area of the separator is enlarged in order to increase the stack electrode area, the flow path length is prevented from becoming long, and the gas concentration in the surface of the separator can be made uniform. . Accordingly, it is possible to prevent a decrease in output density due to nonuniform gas concentration.
[0014]
The cooling medium body inlet port and the coolant outlet is provided at the short side end edges of the separator. For this reason, the height direction of a separator can be shortened effectively and it becomes possible to set the height of the whole fuel cell stack still lower.
[0015]
The fuel gas flow path and the oxidant gas flow path fuel gas inlet and the flow path opening area toward the fuel gas outlet and an oxidant gas outlet from the oxidant gas inlet is set to be narrower. Therefore, when the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel gas channel and the oxidant gas channel are consumed in the plane of the separator, the channel opening area is directed toward the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet. Therefore, the number of reaction molecules per unit area on the fuel gas outlet side and the oxidant gas outlet side does not decrease as compared with the fuel gas inlet side and the oxidant gas inlet side , The reaction can be made uniform.
[0016]
Furthermore, the number of fuel gas channels and oxidant gas channels is reduced on the fuel gas outlet side and oxidant gas outlet side , for example, by adjusting the depth of the groove formed in the separator. Compared to the configuration in which the area is reduced, the thickness of the separator can be set as thin as possible.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional explanatory view of the fuel cell stack 10.
[0018]
The fuel cell stack 10 includes a unit fuel cell 12 and first and second separators 14 and 16 that sandwich the unit fuel cell 12, and a plurality of sets of these are stacked as necessary. The fuel cell stack 10 has a rectangular parallelepiped shape as a whole. For example, when mounted on a vehicle, the short side direction (arrow A direction) is directed in the direction of gravity and the long side direction (arrow B direction) is directed in the horizontal direction. Arranged.
[0019]
The unit fuel cell 12 includes a solid polymer electrolyte membrane 18, and an anode side electrode 20 and a cathode side electrode 22 disposed with the electrolyte membrane 18 interposed therebetween, and the anode side electrode 20 and the cathode side electrode. 22 is provided with first and second gas diffusion layers 24 and 26 made of, for example, porous carbon paper that is a porous layer.
[0020]
First and second gaskets 28 and 30 are provided on both sides of the unit fuel cell 12, and the first gasket 28 has a large opening 32 for accommodating the anode side electrode 20 and the first gas diffusion layer 24. On the other hand, the second gasket 30 has a large opening 34 for accommodating the cathode side electrode 22 and the second gas diffusion layer 26. The unit fuel cell 12 and the first and second gaskets 28 and 30 are sandwiched between the first and second separators 14 and 16.
[0021]
As shown in FIGS. 1 and 3, the first separator 14 has a surface (plane) 14 a facing the anode side electrode 20 and a surface (plane) 14 b on the opposite side set in a rectangular shape. 35a is oriented in the horizontal direction, and the short side 35b is oriented in the direction of gravity. The ratio of the long side 35a to the short side 35b is set to, for example, 1.5 to 3: 1, more preferably about 2: 1.
[0022]
A fuel gas inlet 36a for allowing a fuel gas such as hydrogen gas to pass therethrough and an oxidant for allowing an oxidant gas such as oxygen gas or air to pass over the upper ends of both end portions on the short side 35b side of the first separator 14 An agent gas inlet 38a is provided. A cooling medium inlet 40a and a cooling medium outlet 40b for allowing a cooling medium such as pure water or ethylene glycol to pass therethrough are provided at substantially the center side of both end edges of the first separator 14 on the short side 35b side. A fuel gas outlet 36b and an oxidant gas outlet 38b are provided at a position opposite to the fuel gas inlet 36a and the oxidant gas inlet 38a on the lower side of both edge portions on the short side 35b side of the separator 14.
[0023]
A fuel gas passage (fluid passage) 42 communicating with the fuel gas inlet 36a and the fuel gas outlet 36b is formed on the surface 14a of the first separator 14. The fuel gas passage 42 includes a plurality of, for example, twelve first gas passage grooves 44a to 44l. One end side of the first gas passage grooves 44a to 44l communicates with the fuel gas inlet 36a, and The first gas flow channel grooves 44a to 44l once extend in the long side direction (arrow B direction) of the first separator 14, and are divided into a plurality of, for example, two groups in the long side direction.
[0024]
Specifically, the first gas channel grooves 44a to 44f (channel groove group ) extend from the fuel gas inlet 36a to the vicinity of the oxidant gas inlet 38a, while the first gas channel grooves 44g to 44l (channels). The groove group) extends to the vicinity of the central portion (hereinafter referred to as the central portion P) in the long side direction of the first separator 14. The first gas flow channel grooves 44a to 44f extend from the central portion P in the surface 14a to the gravity along the meandering shape extending in the arrow B direction in the right division range in FIG. 3 and turning back on the short side 35b side. In the direction. The first gas flow channel grooves 44a to 44f are joined two by two on the way to be provided with second gas flow channel grooves 46a to 46c. The second gas flow channel grooves 46a to 46c are similarly formed in the direction of arrow B. And is folded on the short side 35b and meanders in the direction of gravity, and then communicates with the fuel gas outlet 36b.
[0025]
The first gas flow path grooves 44g to 44l are directed from the central portion P in the surface 14a to the arrow B direction in the left-side divided range in FIG. 3, folded back on the short side 35b side, and meander in the gravity direction. The first gas flow channel grooves 44g to 44l are joined two by two on the way to be provided with second gas flow channel grooves 46d to 46f. The second gas flow channel grooves 46d to 46f are oriented in the direction of arrow B. In addition, it extends in the direction of gravity while turning back and meandering on the short side 35b side, and communicates with the fuel gas outlet 36b.
[0026]
As shown in FIG. 4, on the surface 14b opposite to the surface 14a of the separator 14, cooling medium flow paths (fluid passages) 48a to 48f are provided in communication with the cooling medium inlet 40a and the cooling medium outlet 40b. It is done. The cooling medium flow paths 48a to 48f include one main flow path groove 50a and 50b communicating with the cooling medium inlet 40a and the cooling medium outlet 40b, respectively, and a plurality of cooling medium flow paths 50a and 50b, for example, 4 And two branch flow channel grooves 51.
[0027]
As shown in FIG. 1, the second separator 16 is formed in a rectangular shape, and a fuel gas inlet 52 a and an oxidant gas inlet 54 a penetrate the upper side of both end portions on the short side of the second separator 16. In addition to being formed, a cooling medium inlet 56a and a cooling medium outlet 56b are formed penetratingly at substantially the center of both end edges. A fuel gas outlet 52b and an oxidant gas outlet 54b are formed at the lower side of both edge portions on the short side of the second separator 16 so as to be diagonal to the fuel gas inlet 52a and the oxidant gas inlet 54a. Yes.
[0028]
As shown in FIG. 2, the surface 16a of the second separator 16 facing the cathode side electrode 22 is connected to an oxidant gas passage (fluid passage) 58 that connects the oxidant gas inlet 54a and the oxidant gas outlet 54b. Is formed. The oxidant gas flow path 58 includes first gas flow path grooves 60a to 60l and second gas flow path grooves 61a to 61f, similarly to the fuel gas flow path 42, and a detailed description thereof is omitted.
[0029]
As shown in FIG. 1, cooling medium flow paths 62 a to 62 f that connect the cooling medium inlet 56 a and the cooling medium 56 b are formed on the surface 16 b opposite to the surface 16 a of the second separator 16. The cooling medium flow paths 62a to 62f are configured in the same manner as the cooling medium flow paths 48a to 48f provided in the first separator 14, and the same components are denoted by the same reference numerals, and details thereof are described. The detailed explanation is omitted.
[0030]
The operation of the fuel cell stack 10 according to this embodiment configured as described above will be described below.
[0031]
In the fuel cell stack 10, a fuel gas (for example, a gas containing hydrogen obtained by reforming hydrocarbons) is supplied, and air (or oxygen gas) is supplied as an oxidant gas. The fuel gas is introduced into the fuel gas passage 42 from the fuel gas inlet 36 a of the separator 14. As shown in FIG. 3, the fuel gas supplied to the fuel gas passage 42 is introduced into the first gas passage grooves 44 a to 44 l in the long side direction (arrow B direction) of the surface 14 a of the first separator 14. Move in the direction of gravity while meandering along.
[0032]
Specifically, the fuel gas introduced into the first gas flow path grooves 44a to 44f extends along the long side direction to the vicinity of the oxidant gas inlet 38a and then turns back on the short side 35b side, and further, the surface 14a. It folds in the vicinity of the central part P and meanders in the direction of gravity. For this reason, the fuel gas moves while meandering in the direction of gravity in the half-divided range of the surface 14a, and then introduced into the second gas passage grooves 46a to 46c and sent out to the fuel gas outlet 36b. At this time, hydrogen gas in the fuel gas is supplied to the anode side electrode 20 of the unit fuel cell 12 through the first gas diffusion layer 24, while unused fuel gas is supplied to the second gas flow channel grooves 46a to 46c. And is discharged from the fuel gas outlet 36b.
[0033]
On the other hand, the fuel gas introduced into the first gas flow channel grooves 44g to 44l is folded at the central portion P in the surface 14a. The fuel gas extends along the long side direction (in the direction of arrow B) within a half range of the surface 14a and is folded back on the short side 35b side, meandering in the direction of gravity while the anode electrode 20 And the unused portion is discharged to the fuel gas outlet 36b.
[0034]
In the second separator 16, the air supplied from the oxidant gas inlet 54a to the oxidant gas flow path 58 moves while meandering in the direction of gravity within each range divided into two in the long side direction of the surface 16a. . At that time, similarly to the fuel gas supplied to the fuel gas passage 42, oxygen gas in the air is supplied from the second gas diffusion layer 26 to the cathode side electrode 22, while unused air is supplied to the oxidant gas outlet. It is discharged from 54b.
[0035]
Further, a cooling medium is supplied to the fuel cell stack 10, and this cooling medium is supplied to the cooling medium inlets 40 a and 56 a of the first and second separators 14 and 16. As shown in FIG. 4, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet 40a of the first separator 14 is introduced into each main flow path groove 50a constituting the cooling medium flow paths 48a to 48f, and along the main flow path groove 50a. Flows upward, horizontally and downward. The cooling medium is introduced into the plurality of branch channel grooves 51 branched from the respective main channel grooves 50a, flows in the horizontal direction over substantially the entire surface 14b along the branch channel grooves 51, and then the branch It is discharged from the cooling medium outlet 40b through the main flow channel 50b where the flow channel 51 joins.
[0036]
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet 56a of the second separator 16 passes through the cooling medium flow paths 62a to 62f, moves linearly over substantially the entire surface 16b, and then is discharged from the cooling medium outlet 52b.
[0037]
In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the unit fuel cell 12 and the first and second separators 14 and 16 are set in a rectangular shape. For example, the long side and the short side The ratio is set to, for example, 1.5 to 3: 1, more preferably about 2: 1. Then, the fuel cell stack 10 is configured by stacking each other with the short sides directed in the direction of gravity, and the fuel cell stack 10 is loaded on, for example, a vehicle body (not shown).
[0038]
For this reason, the fuel cell stack 10 is significantly shortened in the height direction, and when the fuel cell stack 10 is disposed under the floor of the vehicle body, the height of the vehicle is prevented and the living space is made effective. Can be secured. In addition, since the unit fuel cells 12 are configured to be long in the horizontal direction, there is an effect that a desired power generation performance can be obtained reliably by securing the stack electrode area.
[0039]
Further, for example, the fuel gas flow path 42 provided on the surface 14a of the first separator 14 is set in a shape that extends in the long side direction (arrow B direction) and folds on the short side 35b side to meander in the gravity direction. Has been. Therefore, the water generated in the fuel gas channel 42 can easily move in the direction of gravity and can be reliably drained from the surface 14a of the first separator 14.
[0040]
The fuel gas passage 42 has twelve first gas passage grooves 44a to 44l, each of which is divided into six portions so that the first gas passage grooves 44a to 44f are the central portion of the surface 14a. The first gas flow path grooves 44g to 44l are provided in the gravity direction while meandering from the central portion P along the other division range while meandering within the division range on one side from P. It has been. As a result, the flow path length is halved compared to the structure in which the first gas flow path grooves 44a to 44l are guided to the fuel gas outlet 36b while meandering continuously along the surface 14a. It is possible to make the density uniform and to effectively prevent a decrease in output density.
[0041]
In addition, the first gas flow channel grooves 44a to 44l are joined two by two on the way and connected to the second gas flow channel grooves 46a to 46f, and then communicated with the fuel gas outlet 36b.
For this reason, when the fuel gas flowing from the fuel gas inlet 36a toward the fuel gas outlet 36b is consumed, a decrease in the number of reaction molecules per unit area on the fuel gas outlet 36b side is prevented, and the reaction within the electrode surface is prevented. Can be made uniform. Here, the thickness of the first separator 14 can be reduced compared with the conventional configuration in which the flow path opening area is changed by changing the depth of the groove, and the entire fuel cell stack 10 can be easily reduced in size. It is done.
[0042]
Furthermore, the fuel gas inlet 36a, the oxidant gas inlet 38a, the cooling medium inlet 40a, the fuel gas outlet 36b, the oxidant gas outlet 38b, and the cooling medium outlet 40b are provided at both ends of the first separator 14 on the short side 35b side. Is provided. Accordingly, the dimension of the short side 35b of the first separator 14 can be effectively shortened, and the dimension in the height direction of the entire fuel cell stack 10 can be set small.
[0043]
In the present embodiment, the surface 14a of the first separator 14 is divided into two in the long side direction, and the first gas passage grooves 44a to 44f and 44g to 44l are provided in the respective divided ranges. The surface 14a may be divided into three or more parts according to the dimension of the long side direction of 14a. Further, the second separator 16 is the same as the first separator 14 described above. Moreover, the fuel cell stack 10 can be effectively arranged at various installation locations in addition to the vehicle-mounted device, depending on the application.
[0044]
【The invention's effect】
In the fuel cell stack according to the present invention, the overall height of the fuel cell stack can be set small. For example, the fuel cell stack can be effectively installed under the floor of the vehicle body without increasing the vehicle height when mounted on the vehicle. . In addition, since the separator has a long shape in the horizontal direction, it is possible to secure a sufficient power generation performance by ensuring a sufficient stack electrode area with a simple configuration. Furthermore, the fuel gas channel and the oxidant gas flow passage provided in the separator, because it is set in a meandering shape wrap extending Mashimashi and short side along the long side direction in the plane, the fuel gas flow And the generated water in the oxidant gas flow path can be smoothly and reliably discharged to the outside.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic vertical sectional view of the fuel cell stack.
FIG. 3 is a front explanatory view of one surface of a first separator constituting the fuel cell stack.
FIG. 4 is a front explanatory view of the other surface of the first separator.
FIG. 5 is an explanatory front view of a separator constituting a fuel cell according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Fuel cell 14, 16 ... Separator 18 ... Solid polymer electrolyte membrane 20 ... Anode side electrode 22 ... Cathode side electrode 35a ... Long side 35b ... Short side 36a, 52a ... Fuel gas inlet 36b, 52b ... Fuel gas outlets 38a, 54a ... Oxidant gas inlets 38b, 54b ... Oxidant gas outlets 40a, 56a ... Cooling medium inlets 40b, 56b ... Cooling medium outlets 42 ... Fuel gas flow paths 44a-44l, 46a-46f, 60a-60l , 61a to 61f ... gas passage grooves 48a to 48f ... cooling medium passage 58 ... oxidant gas passage

Claims

A fuel cell stack in which a plurality of unit fuel cells each having an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode are stacked via a separator,
As for the separator, the plane is set to a rectangular shape, and the short side of the plane is arranged in the direction of gravity when being mounted,
The fuel gas inlet and the oxidant gas inlet are disposed at the upper end and the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet are disposed at the lower end edges of the separator,
Wherein the plane, the oxidant gas flow path for flowing the oxidizing agent gas supplied to the anode fuel gas flow passage for flowing a fuel gas supplied to the side electrodes and the cathode electrodes are provided,
The fuel cell stack, wherein the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are set in a meandering shape extending along the long side direction and folded back on the short side side in the plane.

The fuel cell stack according to claim 1 Symbol placement, the fuel gas flow path and the oxidant gas flow passage, the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet from the fuel gas inlet and the oxidant gas inlet in said plane And having a plurality of channel grooves communicating with the
The flow path groove is divided into a plurality of flow grooves group by a predetermined number, the flow channel group, to the extent that the long side direction is divided into the same number and the channel groove group, each short A fuel cell stack characterized by meandering in a side direction.

According to claim 1 or 2 fuel cell stack according to the short-side end edges of the separator, and characterized in that the cooling medium body inlet port and a coolant outlet for cooling the fuel cell unit is provided Fuel cell stack.

The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel gas flow path and the oxidant gas flow passage, the fuel gas outlet and said oxide from said fuel gas inlet and the oxidant gas inlet A fuel cell stack, characterized in that the flow path opening area is narrowed toward the agent gas outlet .

5. The fuel cell stack according to claim 4 , wherein the number of the fuel gas channel and the oxidant gas channel is reduced on the fuel gas outlet side and the oxidant gas outlet side. .

A fuel cell stack in which a plurality of unit fuel cells each having an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode are stacked via a separator,
As for the separator, the plane is set to a rectangular shape, and the short side of the plane is arranged in the direction of gravity when being mounted,
The fuel gas inlet and the oxidant gas inlet are disposed at the upper end and the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet are disposed at the lower end edges of the separator,
Wherein the plane, the oxidant gas flow path for flowing the oxidizing agent gas supplied to the anode fuel gas flow passage for flowing a fuel gas supplied to the side electrodes and the cathode electrodes are provided,
The fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are set in a meandering shape extending along the long side direction and folded back on the short side in the plane, and the fuel gas inlet and the oxidant gas A plurality of channel grooves communicating from the inlet to the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet ;
The flow path groove is divided into a plurality of flow grooves group by a predetermined number, the flow channel group, to the extent that the long side direction is divided into the same number and the channel groove group, each short A fuel cell stack characterized by meandering in a side direction.

A fuel cell stack in which a plurality of unit fuel cells each having an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode are stacked via a separator,
As for the separator, the plane is set to a rectangular shape, and the short side of the plane is arranged in the direction of gravity when being mounted,
The fuel gas inlet and the oxidant gas inlet are disposed at the upper end and the fuel gas outlet and the oxidant gas outlet are disposed at the lower end edges of the separator,
Wherein the plane, the oxidant gas flow path for flowing the oxidizing agent gas supplied to the anode fuel gas flow passage for flowing a fuel gas supplied to the side electrodes and the cathode electrodes are provided,
The fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are set in a meandering shape extending along the long side direction in the plane and turning back on the short side side,
The short-side end edges of the separator, the fuel cell stack, wherein the cooling medium body inlet port and a coolant outlet for cooling the fuel cell unit is provided.