JP4590050B2

JP4590050B2 - Fuel cell stack

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Publication number: JP4590050B2
Application number: JP29735599A
Authority: JP
Inventors: 隆鴻村; 成利杉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2019-10-19
Also published as: JP2001118596A

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と、前記単位燃料電池セルを挟持するセパレータとを水平方向に積層して構成された、特に車載用に適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る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おり、通常、この単位燃料電池セルを所定数だけ積層して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、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスという）は、触媒電極上で水素がイオン化され、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、主に酸素を含有するガス（以下、酸素含有ガスという）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、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池スタックでは、積層されている各単位燃料電池セルの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（反応ガス）を供給するために、内部マニホールドを構成することが行われている。この内部マニホールドは、具体的には、積層されている各単位燃料電池セルおよびセパレータに一体的に連通して設けられた複数の連通孔を備えており、供給用の連通孔に反応ガスが供給されると、前記反応ガスが各単位燃料電池セル毎に分散供給される一方、使用済みの反応ガスが排出用の連通孔に一体的に排出されるように構成されている。
【０００５】
ところで、特に、酸化剤ガスが流れる連通孔内には、電極発電面で生成された反応生成水が導入され易く、この連通孔内に滞留水が存在する場合が多い。一方、燃料ガスが流される連通孔内には、結露等による滞留水が発生するおそれがある。このため、連通孔が滞留水によって縮小または閉塞されてしまい、反応ガスの流れが妨げられて発電性能が低下するという不具合が指摘されている。
【０００６】
そこで、例えば、特開平８−１３８６９２号公報に開示されているように、集電極の積層面に形成された燃料ガス流路および酸化ガス流路に親水性被膜が設けられた燃料電池が知られている。具体的には、図１５に示すように、集電極１の両側部に燃料ガスの給排流路２ａ、２ｂが貫通形成されるとともに、この集電極１の上下には、酸化ガスの給排流路３ａ、３ｂが貫通形成されている。集電極１の発電面側には、上下方向に沿って複数本の酸化ガス流路４が互いに平行しかつ直線上に設けられるとともに、前記酸化ガス流路４に親水性被膜５が形成されている。さらに、酸化ガスの給排流路３ｂには、多孔質部材６が配置されている。
【０００７】
このような構成において、燃料電池の運転に伴って発電面側で生成された水が、酸化ガス流路４に導入されると、この生成水は、前記酸化ガス流路４に形成された親水性被膜５を湿潤状態にする。この生成水は、自重により親水性被膜５およびその表面を伝って鉛直下方向に流れ、酸化ガス流路４から排出される。さらに、生成水が酸化ガスの給排流路３ｂに配置された多孔質部材６により吸収されるため、この生成水を酸化ガス流路４からより確実に排出することができるとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術では、集電極１の上下に酸化ガスの給排流路３ａ、３ｂが形成されるため、燃料電池全体の高さ方向の寸法を短尺化することが困難なものとなってしまう。特に、車載用燃料電池スタックとして使用する際には、自動車車体の床下等のスペースを有効活用する必要があり、燃料電池全体の高さ方向を可及的に短尺化したいとう要請がある。しかしながら、上記の従来技術では、この種の要請に効果的に対応することができないという問題がある。
【０００９】
しかも、酸化ガスの給排流路３ａ、３ｂは、集電極１の上下に横方向に長尺に構成されている。これにより、集電極１の剛性を確保するためには、この集電極１の厚さを比較的大きく設定する必要があり、燃料電池スタック全体の積層方向の寸法が長尺化してしまうという問題が指摘されている。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、円滑かつ確実な排水機能を有するとともに、高さ方向の寸法を可及的に短尺化し、かつセパレータの厚さを有効に薄肉化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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池スタックでは、セパレータの側部外周縁部に貫通して燃料ガスまたは酸化剤ガスを含む反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔および前記反応ガスを排出するための反応ガス排出連通孔が設けられるとともに、この反応ガス供給連通孔およびこの反応ガス排出連通孔には、前記セパレータの電極発電面内に水平方向に折り返しながら重力方向に向かって反応ガスを流すためのガス流路が連通している。このため、セパレータの高さ方向の寸法を有効に短尺化することができ、車載用に適する燃料電池スタックを構成することが可能になる。
【００１２】
そこで、車両の姿勢等によって燃料電池スタックが傾斜すると、連通孔に滞留する反応生成水の結露水がガス流路に逆流して発電性能が低下するおそれがある。その際、連通孔内には、生成水を排出するための多孔質吸水管体が配設されている。従って、連通孔に導入された水は、毛細管現象によって多孔質吸水管体内に浸透するとともに、前記連通孔内における反応ガスの圧力差によって前記水が該連通孔の出口側に向かって押し出される。
【００１３】
これにより、連通孔内の水は、毛細管現象と反応ガスの上下流における圧力差とによって、前記連通孔から確実に排出され、前記水がガス流路に逆流することを阻止して発電性能を有効に維持することが可能になる。
【００１４】
また、ガス流路が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とともに、多孔質吸水管体は、燃料電池スタックから外部に延在する部分が、反応ガスの排出用連通孔よりも上方に配置されている。このため、燃料電池スタックの側部に各種の配管を有効に集約することができ、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法が大きくなることがなく、しかも、配管レイアウトの自由度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略縦断面説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視図である。
【００１６】
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、これらが複数組だけ積層されている。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カソード側電極２０およびアノード側電極２２とを有するとともに、前記カソード側電極２０および前記アノード側電極２２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
【００１７】
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、カソード側電極２０および第１ガス拡散層２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、前記第２ガスケット３０は、アノード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部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とともに、この第２セパレータ１６には第３ガスケット３５が配設される。
【００１８】
第１セパレータ１４は、その横方向両端上部側に水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための入口側燃料ガス連通孔３６ａと、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入口側酸化剤ガス連通孔３８ａとを設ける。
【００１９】
第１セパレータ１４の横方向両端中央側には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を通過させるための入口側冷却媒体連通孔４０ａと、使用後の前記冷却媒体を通過させるための出口側冷却媒体連通孔４０ｂとが設けられる。第１セパレータ１４の横方向両端下部側には、燃料ガスを通過させるための出口側燃料ガス連通孔３６ｂと、酸化剤ガスを通過させるための出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂとが、入口側燃料ガス連通孔３６ａおよび入口側酸化剤ガス連通孔３８ａと対角位置になるように設けられている。
【００２０】
第１セパレータ１４のカソード側電極２０に対向する面１４ａには、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに近接して複数本、例えば、６本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝（ガス流路）４２が、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４２は、３本の第２酸化剤ガス流路溝（ガス流路）４４に合流し、この第２酸化剤ガス流路溝４４が出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに近接して終端する。
【００２１】
図２〜図４に示すように、第１セパレータ１４には、この第１セパレータ１４を貫通するとともに、一端が面１４ａとは反対側の面１４ｂで入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第１酸化剤ガス流路溝４２に連通する第１酸化剤ガス連結流路４６と、一端が前記面１４ｂ側で出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する一方、他端が前記面１４ａ側で第２酸化剤ガス流路溝４４に連通する第２酸化剤ガス連結流路４８とが、前記第１セパレータ１４を貫通して設けられる。
【００２２】
図２に示すように、第２セパレータ１６の横方向両端側には、第１セパレータ１４と同様に、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂおよび出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが形成されている。
【００２３】
図５に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａには、入口側燃料ガス連通孔３６ａに近接して複数本、例えば、６本の第１燃料ガス流路溝（ガス流路）６０が形成される。この第１燃料ガス流路溝６０は、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって延在し、３本の第２燃料ガス流路溝（ガス流路）６２に合流してこの第２燃料ガス流路溝６２が出口側燃料ガス連通孔３６ｂの近傍で終端する。
【００２４】
第２セパレータ１６には、入口側燃料ガス連通孔３６ａを面１６ｂ側から第１燃料ガス流路溝６０に連通する第１燃料ガス連結流路６４と、出口側燃料ガス連通孔３６ｂを前記面１６ｂ側から第２燃料ガス流路溝６２に連通する第２燃料ガス連結流路６６とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられる。
【００２５】
図３および図６に示すように、第２セパレータ１６の面１６ｂには、第３ガスケット３５の開口部６８に対応する段差部７０が形成され、段差部７０内には、入口側冷却媒体連通孔４０ａおよび出口側冷却媒体連通孔４０ｂに近接して冷却媒体流路を構成する複数本の主流路溝７２ａ、７２ｂが形成される。主流路溝７２ａ、７２ｂ間には、それぞれ複数本に分岐する分岐流路溝７４が水平方向に延在して設けられている。
【００２６】
第２セパレータ１６には、入口側冷却媒体連通孔４０ａと主流路溝７２ａとを連通する第１冷却媒体連結流路７６と、出口側冷却媒体連通孔４０ｂと主流路溝７２ｂとを連通する第２冷却媒体連結流路７８とが、前記第２セパレータ１６を貫通して設けられる。
【００２７】
図２に示すように、第１、第２および第３ガスケット２８、３０および３５の横方向両端部には、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体貫通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂおよび出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが設けられる。
【００２８】
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の積層方向両端部には、第１および第２エンドプレート８０、８２が配置され、タイロッド８４を介して前記第１および第２エンドプレート８０、８２が一体的に締め付け固定されている。
【００２９】
燃料電池スタック１０内には、少なくとも出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂおよび必要に応じて出口側燃料ガス連通孔３６ｂに、それぞれ多孔質吸水管体８６が積層方向に延在して配設される。図１および図７に示すように、多孔質吸水管体８６は、金属、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）製のパイプ状芯材８８と、この芯材８８の外周部に巻き付けられる複数の線材９０とを備える。
【００３０】
図８に示すように、線材９０は表面に凹凸状を有しており、各線材９０が束ねられることによって空間９２が形成される。この空間９２は、芯材８８の長手方向（燃料電池スタック１０の積層方向）に沿って延在している。芯材８８は、その両端を閉塞して構成してもよく、この芯材８８が燃料電池スタック１０内に図示しない固定手段を介して固定されている。
【００３１】
図４および図５に示すように、多孔質吸水管体８６は、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ内および出口側燃料ガス連通孔３６ｂ内において、重力方向下側にかつ第２酸化剤ガス連結流路４８および第２燃料ガス連結流路６６から離間する位置に設置されている。
【００３２】
図１に示すように、第１エンドプレート８０には、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに連通する孔部９４が形成されるとともに、前記第１エンドプレート８０に継手９６を介して前記孔部９４に連通するマニホールド管体９８が接続される。マニホールド管体９８は、継手９６から上方に湾曲される外側管体１００を備え、この外側管体１００内には、多孔質吸水管体８６に接続され、または前記多孔質吸水管体８６から延長された多孔質吸水管体１０２が配置されている。この多孔質吸水管体１０２は、例えば、ガス加湿用や改質用に使用可能な水を貯留する貯水タンク（図示せず）に接続される。
【００３３】
なお、第１エンドプレート８０には、出口側燃料ガス連通孔３６ｂに連通する孔部１０４が形成され、この孔部１０４には、上述したマニホールド管体９８と同様に構成されるマニホールド管体１０６が連結されており、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
このように構成される第１の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。
【００３５】
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含有ガス（以下、単に空気ともいう）が供給され、さらに単位燃料電池セル１２の発電面を冷却するために、冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１０内の入口側燃料ガス連通孔３６ａに供給された燃料ガスは、図３および図５に示すように、第１燃料ガス連結流路６４を介して面１６ｂ側から面１６ａ側に移動し、この面１６ａ側に形成されている第１燃料ガス流路溝６０に供給される。
【００３６】
第１燃料ガス流路溝６０に供給された燃料ガスは、第２セパレータ１６の面１６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。その際、燃料ガス中の水素含有ガスは、第２ガス拡散層２６を通って単位燃料電池セル１２のアノード側電極２２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６０に沿って移動しながらアノード側電極２２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６２を介して第２燃料ガス連結流路６６に導入され、面１６ｂ側に移動した後に出口側燃料ガス連通孔３６ｂに排出される。
【００３７】
また、燃料電池スタック１０内の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに供給された空気は、図３に示すように、第１セパレータ１４の入口側酸化剤ガス連通孔３８ａに連通する第１酸化剤ガス連結流路４６を介して第１酸化剤ガス流路溝４２に導入される。図２に示すように、第１酸化剤ガス流路溝４２に供給された空気は、水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する間、この空気中の酸素含有ガスが第１ガス拡散層２４からカソード側電極２０に供給される。一方、未使用の空気は、第２酸化剤ガス流路溝４４を介して第２酸化剤ガス連結流路４８から出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに排出される。これにより、単位燃料電池セル１２で発電が行われ、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。
【００３８】
さらにまた、燃料電池スタック１０内に供給された冷却媒体は、入口側冷却媒体連通孔４０ａに導入された後、図６に示すように、第２セパレータ１６の第１冷却媒体連結流路７６を介して面１６ｂ側の主流路溝７２ａに供給される。冷却媒体は、主流路溝７２ａから分岐する複数本の分岐流路溝７４を通って単位燃料電池セル１２の発電面を冷却した後、主流路溝７２ｂに合流する。そして、使用後の冷却媒体は、第２冷却媒体連結流路７８を通って出口側冷却媒体連通孔４０ｂから排出される。
【００３９】
ところで、上記のように燃料電池スタック１０が運転されている際、特にカソード側電極２０側で比較的多くの水が生成されており、この水が第１および第２酸化剤ガス流路溝４２、４４を介して出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに導出される。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに多孔質吸水管体８６が配置されており、この出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに導入された水が、前記多孔質吸水管体８６を構成する複数の線材９０を毛細管現象によって透過し、前記線材９０間に形成されている空間９２に導かれる。ここで、燃料電池スタック１０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが、図９に示すような静圧分布を有している。このため、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの出口側の圧力が内部側の圧力よりも低くなり、空気の上下流の圧力差によって多孔質吸水管体８６の空間９２に導入された水は、図１中、矢印Ａ方向に示すように、第１エンドプレート８０側、すなわち、マニホールド管体９８側に押し出される。
【００４１】
これにより、第１の実施形態では、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに導入された水は、多孔質吸水管体８６の毛細管現象とこの出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ内の空気の圧力差とによって、マニホールド管体９８内の多孔質吸水管体１０２側に円滑かつ確実に排出され、簡単な構成で滞留する生成水等の結露水の排水性が有効に向上するという効果が得られる。
【００４２】
特に、燃料電池スタック１０が車両に搭載される際には、走行路の傾き等によって前記燃料電池スタック１０が傾斜しても、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂに導入された水が第２酸化剤ガス流路溝４４側に逆流することがない。従って、燃料電池スタック１０内で電極発電面が生成水で覆われることを防止し、発電性能の低下を確実に阻止することが可能になるという利点がある。
【００４３】
さらに、多孔質吸水管体８６は、図４に示すように、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂの重力方向下側でかつ第２酸化剤ガス連結流路４８から離間する位置に配置されている。このため、生成水の吸水性が向上するとともに、第１セパレータ１４の電極発電面側での空気の流れ分布を乱すことを阻止することができる。しかも、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ内での空気の圧損を増加させることがない。
【００４４】
さらにまた、図１に示すように、マニホールド管体９８は上方に湾曲しており、このマニホールド管体９８内に配置されている多孔質吸水管体１０２が、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂよりも上方に配置される。これにより、第１エンドプレート８０の面内でマニホールド管体９８をレイアウトすることが可能になり、燃料電池スタック１０全体の高さ方向の寸法が大きくなることがない。従って、配管レイアウトの自由度が向上するとともに、燃料電池スタック１０全体の高さ方向を有効に短尺化し、特に車載用に優れるという利点が得られる。
【００４５】
また、第１の実施形態では、図２に示すように、入口側燃料ガス連通孔３６ａ、入口側酸化剤ガス連通孔３８ａ、入口側冷却媒体連通孔４０ａ、出口側冷却媒体連通孔４０ｂ、出口側燃料ガス連通孔３６ｂおよび出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂが、燃料電池スタック１０の横方向両端部に設けられている。このため、燃料電池スタック１０の上部および下部に、横方向に長尺な連通孔を設ける必要がなく、前記燃料電池スタック１０全体の高さ方向を可及的に短尺化し得るとともに、強度の向上が図られ、前記燃料電池スタック１０全体の積層方向を有効に薄型化することができる。
【００４６】
なお、第１の実施形態では、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ側についてのみ説明したが、出口側燃料ガス連通孔３６ｂ側においても同様に凝縮水が発生しており、多孔質吸水管体８６を用いることによって効率的かつ確実な排水機能を有することが可能になる。また、多孔質吸水管体８６がパイプ状の芯材８８を有しているが、これに代替して棒状部材を用いてもよい。
【００４７】
さらにまた、第１の実施形態では、第１セパレータ１４の面１４ａにガス流路である第１および第２酸化剤ガス流路溝４２、４４が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一方、第２セパレータ１６の面１６ａにガス流路である第１および第２燃料ガス流路溝６０、６２が水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられているが、これに代替して、前記第１および第２セパレータ１４、１６の面１４ａ、１６ａに、それそれのガス流路を水平方向に蛇行しながら反重力方向に向かって設けることができる。その際、多孔質吸水管体８６は、第１および第２セパレータ１４、１６の上部側に配設されることになるが、前記多孔質吸水管体８６の毛細管現象と空気等の圧力差とによって、滞留する結露水の排水性が有効に向上する等、同様の効果が得られる。なお、以下に示す第２の実施形態以降でも、同様である。
【００４８】
図１０は、第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する多孔質吸水管体１２０および第１セパレータ１４の斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０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。
【００４９】
多孔質吸水管体１２０は、金属、例えば、ＳＵＳ製のパイプ１２２と、このパイプ１２２内に収容される複数本の線材１２４とを備えている。このパイプ１２２は、外周部に複数の孔部１２６を有しており、水がこの孔部１２６から前記パイプ１２２内に透過し得るように構成されている。線材１２４は、線材９０と同様に表面形状が凹凸状を有している。
【００５０】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する多孔質吸水管体１３０の一部斜視説明図であり、図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する多孔質吸水管体１４０の一部斜視説明図である。
【００５１】
多孔質吸水管体１３０は、多数の孔部１３２を有し、断面四角形状の角パイプ１３４と、この角パイプ１３４内に配置される複数本の線材１３６とを備える一方、多孔質吸水管体１４０は、複数の孔部１４２を有し、断面三角形状の三角パイプ１４４と、この三角パイプ１４４内に収容される複数本の線材１４６とを備える。角パイプ１３４および三角パイプ１４４は、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂおよび出口側燃料ガス連通孔３６ｂの角部形状に沿って配置される。
【００５２】
このように構成される多孔質吸水管体１２０、１３０および１４０では、それぞれの孔部１２６、１３２および１４２から水が浸透し、複数本の線材１２４、１３６および１４６の毛細管現象と空気の圧力差とによって水を円滑かつ確実に排出することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５３】
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１６０の縦断面説明図である。この燃料電池スタック１６０では、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂと出口側燃料ガス連通孔３６ｂに多孔質吸水管体１６２が配置されており、前記多孔質吸水管体１６２は、パイプ部材１６４と、このパイプ部材１６４内に配置される複数本の線材１６６とを備える。
【００５４】
パイプ部材１６４は、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂおよび出口側燃料ガス連通孔３６ｂに配置される部分に複数の孔部１６８を設けており、水の透過を可能にする一方、燃料電池スタック１６０の外部に露呈する部分には、孔部が設けられていない。なお、パイプ部材１６４は一体的に構成されているが、孔部１６８を設ける管体と孔部を有しない管体とを個別に設け、それらを継手等によって固定するように構成してもよい。また、線材１６６に代替して各種の吸水材を用いてもよい。
【００５５】
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する多孔質吸水管体１８０の縦断面説明図である。この多孔質吸水管体１８０は、出口側酸化剤ガス連通孔３８ｂおよび出口側燃料ガス連通孔３６ｂの重力方向下側に埋め込まれた断面固形状の吸水材１８２を備えており、この吸水材１８２は、例えば、スポンジ等によって構成されている。吸水材１８２の上面は、第２酸化剤ガス連結流路４８および第２燃料ガス連結流路６６から所定の隙間Ｓを設ける位置に設定されており、水の逆流を阻止することが可能になる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セパレータの側部外周縁部に反応ガスを流すための連通孔を設けることにより、高さ方向の寸法を可及的に短尺化するとともに、薄型化が容易に図られる。さらに、連通孔内に配設される多孔質吸水管体を介し、毛細管現象と反応ガスの圧力差とによって前記連通孔内の水を円滑かつ確実に排出することが可能になる。これにより、車両の傾斜等によって燃料電池スタックが傾いて配置されても、ガス流路への水の逆流を有効に阻止し、発電性能を確保するとともに、簡単な構成で排水性を大幅に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池スタックの概略断面説明図である。
【図４】図１に示す燃料電池スタックを構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】図１に示す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】図１に示す燃料電池スタックを構成する多孔質吸水管体および第１セパレータの斜視説明図である。
【図８】前記多孔質吸水管体を構成する線材の一部断面斜視説明図である。
【図９】図１に示す燃料電池スタック内の静圧分布説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する多孔質吸水管体および第１セパレータの斜視説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する多孔質吸水管体の一部斜視説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する多孔質吸水管体の一部斜視説明図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの縦断面説明図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成を構成する多孔質吸水管体の縦断面説明図である。
【図１５】従来技術に係る集電極の斜視説明図である。
【符号の説明】
１０、１６０…燃料電池スタック１２…単位燃料電池セル
１４、１６…セパレータ１８…電解質膜
２０…カソード側電極２２…アノード側電極
３６ａ…入口側燃料ガス連通孔３６ｂ…出口側燃料ガス連通孔
３８ａ…入口側酸化剤ガス連通孔３８ｂ…出口側酸化剤ガス連通孔
４０ａ…入口側冷却媒体連通孔４０ｂ…出口側冷却媒体連通孔
４２、４４…酸化剤ガス流路溝４６、４８…酸化剤ガス連結流路
６０、６２…燃料ガス流路溝６４、６６…燃料ガス連結流路
８０、８２…エンドプレート
８６、１０２、１２０、１３０、１４０、１６２、１８０…多孔質吸水管体
８８…芯材
９０、１２４、１３６、１４６、１６６…線材
９２…空間９８、１０６…マニホールド管体
１００…外側管体１２２…パイプ
１２６、１３２、１４２、１６８…孔部
１３４…角パイプ１４４…三角パイプ
１６４…パイプ部材１８２…吸水材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is configured by laminating a unit fuel cell constituted by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode side electrode and a cathode side electrode, and a separator sandwiching the unit fuel cell in the horizontal direction. In particular, the present invention relates to a fuel cell stack suitable for in-vehicle use.
[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 composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane), and a separator. In general, a predetermined number of the unit fuel cells are stacked and used as a fuel cell stack.
[0003]
In this type of fuel cell stack, the fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter referred to as hydrogen-containing gas) is appropriately humidified by hydrogen ionization on the catalyst electrode. It moves to the cathode side electrode side through the electrolyte. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen (hereinafter referred to as oxygen-containing gas) or air is supplied to the cathode side electrode, hydrogen ions, electrons and oxygen are supplied to the cathode side electrode. Reaction produces water.
[0004]
In the fuel cell stack described above, an internal manifold may be configured to supply fuel gas and oxidant gas (reactive gas) to the anode side electrode and cathode side electrode of each unit fuel cell stacked. Has been done. Specifically, the internal manifold includes a plurality of communication holes provided integrally connected to the stacked unit fuel cells and separators, and the reaction gas is supplied to the supply communication holes. Then, the reaction gas is supplied in a distributed manner for each unit fuel cell, while the used reaction gas is integrally discharged into the discharge communication hole.
[0005]
By the way, in particular, reaction product water generated on the electrode power generation surface is easily introduced into the communication hole through which the oxidant gas flows, and in many cases, stagnant water exists in the communication hole. On the other hand, stagnant water due to condensation or the like may be generated in the communication hole through which the fuel gas flows. For this reason, it has been pointed out that the communication hole is reduced or blocked by the staying water, the flow of the reaction gas is hindered, and the power generation performance is lowered.
[0006]
Therefore, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-138869, there is known a fuel cell in which a hydrophilic film is provided on a fuel gas channel and an oxidizing gas channel formed on a stacked surface of a collector electrode. ing. Specifically, as shown in FIG. 15, fuel gas supply / discharge passages 2 a and 2 b are formed through both sides of the collector electrode 1, and an oxidizing gas supply and discharge is formed above and below the collector electrode 1. The flow paths 3a and 3b are formed through. On the power generation surface side of the collector electrode 1, a plurality of oxidizing gas flow paths 4 are provided in parallel with each other along the vertical direction, and a hydrophilic coating 5 is formed on the oxidizing gas flow path 4. Yes. Further, a porous member 6 is disposed in the oxidizing gas supply / discharge flow path 3b.
[0007]
In such a configuration, when water generated on the power generation surface side with the operation of the fuel cell is introduced into the oxidant gas channel 4, the generated water becomes hydrophilic in the oxidant gas channel 4. The wet coat 5 is brought into a wet state. This generated water flows along the hydrophilic coating 5 and its surface by its own weight and flows vertically downward, and is discharged from the oxidizing gas flow path 4. Furthermore, since the generated water is absorbed by the porous member 6 disposed in the oxidizing gas supply / discharge flow path 3b, the generated water can be more reliably discharged from the oxidizing gas flow path 4.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described prior art, the supply and discharge passages 3a and 3b for the oxidizing gas are formed above and below the collector electrode 1, so that it is difficult to shorten the height dimension of the entire fuel cell. End up. In particular, when used as an in-vehicle fuel cell stack, it is necessary to effectively utilize the space under the floor of an automobile body, and there is a demand for shortening the height direction of the entire fuel cell as much as possible. However, the above-described conventional technology has a problem that it cannot effectively respond to this type of request.
[0009]
Moreover, the supply and discharge flow paths 3 a and 3 b for the oxidizing gas are configured to be long in the horizontal direction above and below the collector electrode 1. Thus, in order to ensure the rigidity of the collector electrode 1, it is necessary to set the thickness of the collector electrode 1 to be relatively large, and the dimension in the stacking direction of the entire fuel cell stack becomes long. It has been pointed out.
[0010]
The present invention solves this type of problem, has a smooth and reliable drainage function, shortens the dimension in the height direction as much as possible, and effectively reduces the thickness of the separator. An object is to provide a possible fuel cell stack.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell stack of the present invention, the reaction gas containing fuel gas or oxidant gas is penetrated through the outer peripheral edge of the side portion of the separator. The reaction gas supply communication hole to be supplied and the reaction gas are discharged. for Reaction gas discharge A communication hole is provided and this Reaction gas supply hole and this reaction gas discharge The communication hole communicates with a gas flow path for flowing the reaction gas in the direction of gravity while being folded back horizontally in the electrode power generation surface of the separator. For this reason, the dimension of the height direction of a separator can be shortened effectively, and it becomes possible to comprise the fuel cell stack suitable for vehicle-mounted use.
[0012]
Therefore, when the fuel cell stack is inclined due to the posture of the vehicle or the like, the dew condensation water of the reaction product water staying in the communication hole may flow backward to the gas flow path and the power generation performance may be reduced. At that time, a porous water-absorbing tube for discharging the generated water is disposed in the communication hole. Accordingly, the water introduced into the communication hole penetrates into the porous water absorption tube by a capillary phenomenon, and the water is pushed out toward the outlet side of the communication hole due to the pressure difference of the reaction gas in the communication hole.
[0013]
As a result, the water in the communication hole is surely discharged from the communication hole due to the capillary phenomenon and the pressure difference between the upstream and downstream of the reaction gas, and the water is prevented from flowing back into the gas flow path, thereby improving the power generation performance. It becomes possible to maintain it effectively.
[0014]
The gas flow path is provided in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction, and the porous water absorption pipe The body has a part extending from the fuel cell stack to the outside. Above the reaction gas discharge hole Arrangement Has been. For this reason, various pipes can be effectively gathered on the side of the fuel cell stack, the height dimension of the entire fuel cell stack is not increased, and the degree of freedom of the pipe layout is improved.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell stack 10.
[0016]
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 these are stacked. The unit fuel cell 12 includes a solid polymer electrolyte membrane 18, a cathode side electrode 20 and an anode side electrode 22 disposed with the electrolyte membrane 18 interposed therebetween, and the cathode side electrode 20 and the anode 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.
[0017]
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 cathode 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 anode 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, and a third gasket 35 is disposed on the second separator 16.
[0018]
The first separator 14 has an inlet-side fuel gas communication hole 36a for allowing a fuel gas such as a hydrogen-containing gas to pass through the upper portions on both lateral ends, and an inlet for allowing an oxidant gas that is an oxygen-containing gas or air to pass therethrough. A side oxidant gas communication hole 38a is provided.
[0019]
An inlet-side cooling medium communication hole 40a for passing a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil, and an outlet for allowing the used cooling medium to pass through are provided at the center of both lateral ends of the first separator 14. A side cooling medium communication hole 40b is provided. The outlet side fuel gas communication hole 36b for allowing the fuel gas to pass therethrough and the outlet side oxidant gas communication hole 38b for allowing the oxidant gas to pass are provided on the lower side of both ends of the first separator 14 in the lateral direction. The fuel gas communication hole 36a and the inlet-side oxidant gas communication hole 38a are provided at diagonal positions.
[0020]
On the surface 14a of the first separator 14 facing the cathode side electrode 20, a plurality of, for example, six independent first oxidant gas flow channel grooves (gases) are provided in the vicinity of the inlet side oxidant gas communication hole 38a. A flow path) 42 is provided in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction. The first oxidant gas flow channel 42 joins three second oxidant gas flow channels (gas flow channels) 44, and the second oxidant gas flow channel 44 serves as an outlet-side oxidant gas communication hole. Terminate close to 38b.
[0021]
As shown in FIGS. 2 to 4, the first separator 14 passes through the first separator 14, and one end thereof communicates with the inlet-side oxidant gas communication hole 38 a on the surface 14 b opposite to the surface 14 a. On the other hand, the other end communicates with the first oxidant gas passage groove 42 on the surface 14a side, and one end communicates with the outlet-side oxidant gas communication hole 38b on the surface 14b side. On the other hand, a second oxidant gas connection channel 48, the other end of which communicates with the second oxidant gas channel groove 44 on the surface 14a side, is provided through the first separator 14.
[0022]
As shown in FIG. 2, similarly to the first separator 14, the inlet-side fuel gas communication hole 36 a, the inlet-side oxidant gas communication hole 38 a, and the inlet-side cooling medium communication hole are provided at both lateral ends of the second separator 16. 40a, an outlet side cooling medium communication hole 40b, an outlet side fuel gas communication hole 36b, and an outlet side oxidant gas communication hole 38b are formed.
[0023]
As shown in FIG. 5, a plurality of, for example, six first fuel gas passage grooves (gas passages) 60 are provided on the surface 16a of the second separator 16 in the vicinity of the inlet-side fuel gas communication hole 36a. It is formed. The first fuel gas channel groove 60 extends in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction, and merges with the three second fuel gas channel grooves (gas channels) 62 to form the second fuel gas. The gas passage groove 62 terminates in the vicinity of the outlet side fuel gas communication hole 36b.
[0024]
The second separator 16 has a first fuel gas connection channel 64 communicating the inlet side fuel gas communication hole 36a from the surface 16b side to the first fuel gas channel groove 60, and an outlet side fuel gas communication hole 36b. A second fuel gas connection channel 66 communicating with the second fuel gas channel groove 62 from the 16b side is provided through the second separator 16.
[0025]
As shown in FIGS. 3 and 6, a stepped portion 70 corresponding to the opening 68 of the third gasket 35 is formed on the surface 16 b of the second separator 16, and the inlet side cooling medium communication is formed in the stepped portion 70. A plurality of main flow path grooves 72a and 72b constituting the cooling medium flow path are formed in the vicinity of the hole 40a and the outlet side cooling medium communication hole 40b. Between the main flow path grooves 72a and 72b, branch flow path grooves 74 that branch into a plurality of lines are provided extending in the horizontal direction.
[0026]
The second separator 16 has a first cooling medium connection channel 76 that communicates the inlet side cooling medium communication hole 40a and the main channel groove 72a, and an outlet side cooling medium communication hole 40b and the main channel groove 72b that communicates with each other. A second cooling medium connection channel 78 is provided through the second separator 16.
[0027]
As shown in FIG. 2, the inlet side fuel gas communication hole 36a, the inlet side oxidant gas communication hole 38a, the inlet side cooling medium are provided at both lateral ends of the first, second and third gaskets 28, 30 and 35. A through hole 40a, an outlet side cooling medium communication hole 40b, an outlet side fuel gas communication hole 36b, and an outlet side oxidant gas communication hole 38b are provided.
[0028]
As shown in FIG. 1, first and second end plates 80 and 82 are disposed at both ends of the unit fuel cell 12 and the first and second separators 14 and 16 in the stacking direction, and the tie rod 84 is interposed between the first and second end plates 80 and 82. The first and second end plates 80 and 82 are integrally fastened and fixed.
[0029]
In the fuel cell stack 10, at least the outlet-side oxidant gas communication hole 38b and, if necessary, the outlet-side fuel gas communication hole 36b are provided with porous water absorption tubes 86 extending in the stacking direction. . As shown in FIGS. 1 and 7, the porous water-absorbing tube body 86 includes a pipe-shaped core 88 made of metal, for example, SUS (stainless steel), and a plurality of wires 90 wound around the outer periphery of the core 88. With.
[0030]
As shown in FIG. 8, the wire 90 has an uneven shape on the surface, and a space 92 is formed by bundling each wire 90. The space 92 extends along the longitudinal direction of the core member 88 (the stacking direction of the fuel cell stack 10). The core material 88 may be configured by closing both ends thereof, and the core material 88 is fixed in the fuel cell stack 10 via fixing means (not shown).
[0031]
As shown in FIGS. 4 and 5, the porous water absorption pipe body 86 is connected to the second oxidant gas connection on the lower side in the gravity direction in the outlet side oxidant gas communication hole 38 b and the outlet side fuel gas communication hole 36 b. It is installed at a position away from the flow path 48 and the second fuel gas connection flow path 66.
[0032]
As shown in FIG. 1, the first end plate 80 is formed with a hole portion 94 communicating with the outlet-side oxidant gas communication hole 38 b, and the hole portion is connected to the first end plate 80 via a joint 96. A manifold tube 98 communicated with 94 is connected. The manifold tube 98 includes an outer tube 100 that is bent upward from the joint 96, and is connected to or extends from the porous water-absorbing tube 86 in the outer tube 100. The porous water absorption pipe body 102 is disposed. The porous water absorption tube body 102 is connected to a water storage tank (not shown) for storing water that can be used for gas humidification or reforming, for example.
[0033]
The first end plate 80 is formed with a hole portion 104 communicating with the outlet side fuel gas communication hole 36b, and the manifold tube body 106 having the same configuration as the manifold tube body 98 described above is formed in the hole portion 104. Are connected, and a detailed description thereof is omitted.
[0034]
The operation of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment configured as described above will be described below.
[0035]
In the fuel cell stack 10, a fuel gas, for example, a gas containing hydrogen obtained by reforming a hydrocarbon is supplied, and air or an oxygen-containing gas (hereinafter also simply referred to as air) is supplied as an oxidant gas. Further, a cooling medium is supplied to cool the power generation surface of the unit fuel cell 12. The fuel gas supplied to the inlet side fuel gas communication hole 36a in the fuel cell stack 10 passes from the surface 16b side to the surface 16a side via the first fuel gas connection channel 64, as shown in FIGS. It moves and is supplied to the first fuel gas passage groove 60 formed on the surface 16a side.
[0036]
The fuel gas supplied to the first fuel gas channel groove 60 moves in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction along the surface 16a of the second separator 16. At that time, the hydrogen-containing gas in the fuel gas is supplied to the anode-side electrode 22 of the unit fuel cell 12 through the second gas diffusion layer 26. Unused fuel gas is supplied to the anode-side electrode 22 while moving along the first fuel gas channel groove 60, while unused fuel gas passes through the second fuel gas channel groove 62. After being introduced into the second fuel gas connection channel 66 and moving to the surface 16b side, it is discharged to the outlet side fuel gas communication hole 36b.
[0037]
Further, as shown in FIG. 3, the air supplied to the inlet-side oxidant gas communication hole 38a in the fuel cell stack 10 is communicated with the inlet-side oxidant gas communication hole 38a of the first separator 14. The gas is introduced into the first oxidant gas passage groove 42 through the gas connection passage 46. As shown in FIG. 2, while the air supplied to the first oxidant gas flow channel 42 moves in the gravitational direction while meandering in the horizontal direction, the oxygen-containing gas in the air moves to the first gas diffusion layer 24. To the cathode side electrode 20. On the other hand, unused air is discharged from the second oxidant gas connection channel 48 to the outlet side oxidant gas communication hole 38 b via the second oxidant gas channel groove 44. As a result, power is generated in the unit fuel cells 12 and, for example, power is supplied to a motor (not shown).
[0038]
Furthermore, after the cooling medium supplied into the fuel cell stack 10 is introduced into the inlet side cooling medium communication hole 40a, as shown in FIG. 6, the first cooling medium connection channel 76 of the second separator 16 is provided. To the main flow path groove 72a on the surface 16b side. The cooling medium cools the power generation surface of the unit fuel cell 12 through a plurality of branch channel grooves 74 branched from the main channel groove 72a, and then merges with the main channel groove 72b. Then, the used cooling medium is discharged from the outlet side cooling medium communication hole 40 b through the second cooling medium connection channel 78.
[0039]
By the way, when the fuel cell stack 10 is operated as described above, a relatively large amount of water is generated particularly on the cathode side electrode 20 side, and this water is the first and second oxidant gas flow channel grooves 42. , 44 to the outlet side oxidant gas communication hole 38b.
[0040]
In this case, in the first embodiment, the porous water absorption tube body 86 is disposed in the outlet-side oxidant gas communication hole 38b, and the water introduced into the outlet-side oxidant gas communication hole 38b is the porous material. The plurality of wires 90 constituting the water absorption tube body 86 are permeated by capillary action and guided to the space 92 formed between the wires 90. Here, in the fuel cell stack 10, the oxidant gas and the fuel gas have a static pressure distribution as shown in FIG. For this reason, the pressure on the outlet side of the outlet-side oxidant gas communication hole 38b is lower than the pressure on the inner side, and the water introduced into the space 92 of the porous water absorption tube body 86 by the pressure difference between the upstream and downstream of the air is In FIG. 1, as shown in the direction of arrow A, it is pushed out to the first end plate 80 side, that is, the manifold tube body 98 side.
[0041]
Thereby, in the first embodiment, the water introduced into the outlet side oxidant gas communication hole 38b is caused by the capillary phenomenon of the porous water absorption pipe body 86 and the pressure difference between the air in the outlet side oxidant gas communication hole 38b. As a result, an effect is obtained that drainage of condensed water such as generated water that is smoothly and reliably discharged to the porous water absorption tube 102 side in the manifold tube 98 and stays with a simple configuration is effectively improved.
[0042]
In particular, when the fuel cell stack 10 is mounted on a vehicle, the water introduced into the outlet-side oxidant gas communication hole 38b is subjected to the second oxidation even if the fuel cell stack 10 is inclined due to the inclination of the travel path or the like. There is no backflow toward the agent gas flow channel 44 side. Therefore, there is an advantage that it is possible to prevent the electrode power generation surface from being covered with the generated water in the fuel cell stack 10 and to reliably prevent a decrease in power generation performance.
[0043]
Further, as shown in FIG. 4, the porous water absorption tube body 86 is disposed at a position below the outlet side oxidant gas communication hole 38 b in the gravity direction and away from the second oxidant gas connection channel 48. . For this reason, while the water absorption of produced water improves, it can prevent disturbing the air flow distribution on the electrode power generation surface side of the first separator 14. Moreover, the air pressure loss in the outlet side oxidant gas communication hole 38b is not increased.
[0044]
Furthermore, as shown in FIG. 1, the manifold tube 98 is curved upward, and the porous water absorption tube 102 disposed in the manifold tube 98 is connected to the outlet side oxidizing gas communication hole 38b. Is also disposed above. As a result, the manifold tube body 98 can be laid out in the plane of the first end plate 80, and the overall height of the fuel cell stack 10 does not increase. Therefore, the degree of freedom of the piping layout is improved, and the height direction of the entire fuel cell stack 10 is effectively shortened, and the advantage of being particularly excellent for in-vehicle use is obtained.
[0045]
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the inlet side fuel gas communication hole 36a, the inlet side oxidant gas communication hole 38a, the inlet side cooling medium communication hole 40a, the outlet side cooling medium communication hole 40b, and the outlet Side fuel gas communication holes 36 b and outlet side oxidant gas communication holes 38 b are provided at both lateral ends of the fuel cell stack 10. For this reason, there is no need to provide laterally long communication holes in the upper and lower portions of the fuel cell stack 10, the overall height of the fuel cell stack 10 can be shortened as much as possible, and the strength can be improved. The stacking direction of the entire fuel cell stack 10 can be effectively reduced.
[0046]
In the first embodiment, only the outlet-side oxidant gas communication hole 38b side has been described. However, condensed water is similarly generated on the outlet-side fuel gas communication hole 36b side, and the porous water absorption pipe body 86 is formed. By using this, it becomes possible to have an efficient and reliable drainage function. Moreover, although the porous water absorption pipe body 86 has the pipe-shaped core material 88, it may replace with this and may use a rod-shaped member.
[0047]
Furthermore, in the first embodiment, the first and second oxidant gas flow channel grooves 42 and 44 that are gas flow paths are provided on the surface 14a of the first separator 14 in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction. On the other hand, the first and second fuel gas flow channel grooves 60 and 62, which are gas flow channels, are provided on the surface 16a of the second separator 16 in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction. Then, the gas flow paths can be provided on the surfaces 14a and 16a of the first and second separators 14 and 16 in the anti-gravity direction while meandering in the horizontal direction. At this time, the porous water absorption tube body 86 is disposed on the upper side of the first and second separators 14 and 16, but the capillary phenomenon of the porous water absorption tube body 86 and the pressure difference such as air As a result, a similar effect can be obtained, such as effectively improving the drainage of the condensed water that remains. The same applies to the second and subsequent embodiments described below.
[0048]
FIG. 10 is a perspective explanatory view of the porous water absorption tube body 120 and the first separator 14 constituting the fuel cell stack according to the second embodiment. The same components as those of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0049]
The porous water absorption tube body 120 includes a pipe 122 made of metal, for example, SUS, and a plurality of wires 124 accommodated in the pipe 122. The pipe 122 has a plurality of holes 126 on the outer peripheral portion, and is configured such that water can permeate into the pipe 122 from the holes 126. Similar to the wire 90, the surface of the wire 124 has an uneven shape.
[0050]
FIG. 11 is a partial perspective explanatory view of a porous water absorbing tube body 130 constituting a fuel cell stack according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a fuel according to the fourth embodiment of the present invention. It is a partial perspective explanatory view of a porous water absorption tube body 140 constituting a battery stack.
[0051]
The porous water absorption tube body 130 has a large number of holes 132 and includes a square pipe 134 having a quadrangular cross section and a plurality of wire rods 136 disposed in the square pipe 134, while the porous water absorption tube body 130. 140 has a plurality of hole portions 142, and includes a triangular pipe 144 having a triangular cross section and a plurality of wires 146 accommodated in the triangular pipe 144. The square pipe 134 and the triangular pipe 144 are disposed along the corner shapes of the outlet-side oxidant gas communication hole 38b and the outlet-side fuel gas communication hole 36b.
[0052]
In the porous water absorption tube bodies 120, 130, and 140 configured in this manner, water permeates from the respective holes 126, 132, and 142, and the capillary phenomenon of the plurality of wires 124, 136, and 146 and the pressure difference between the air As a result, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
[0053]
FIG. 13 is a longitudinal sectional view illustrating a fuel cell stack 160 according to the fifth embodiment of the present invention. In this fuel cell stack 160, a porous water absorption pipe body 162 is disposed in the outlet side oxidant gas communication hole 38b and the outlet side fuel gas communication hole 36b, and the porous water absorption pipe body 162 includes a pipe member 164, A plurality of wire rods 166 disposed in the pipe member 164.
[0054]
The pipe member 164 is provided with a plurality of holes 168 in portions disposed in the outlet-side oxidant gas communication hole 38b and the outlet-side fuel gas communication hole 36b. A hole is not provided in a portion exposed to the outside of the. In addition, although the pipe member 164 is comprised integrally, you may comprise so that the pipe body which provides the hole part 168, and the pipe body which does not have a hole part may be provided separately, and they may be fixed by a joint etc. . Further, various water absorbing materials may be used instead of the wire 166.
[0055]
FIG. 14 is an explanatory longitudinal cross-sectional view of a porous water absorption pipe body 180 constituting a fuel cell stack according to a sixth embodiment of the present invention. The porous water absorption pipe body 180 includes a water absorption material 182 having a solid cross section embedded in the gravity direction lower side of the outlet side oxidant gas communication hole 38b and the outlet side fuel gas communication hole 36b. Is constituted by, for example, a sponge or the like. The upper surface of the water-absorbing material 182 is set at a position where a predetermined gap S is provided from the second oxidant gas connection channel 48 and the second fuel gas connection channel 66, and it becomes possible to prevent the reverse flow of water. .
[0056]
【The invention's effect】
In the fuel cell stack according to the present invention, by providing a communication hole for flowing the reaction gas in the outer peripheral edge of the side portion of the separator, the height dimension can be shortened as much as possible and the thickness can be easily reduced. Figured. Furthermore, the water in the communication hole can be smoothly and reliably discharged by the capillary phenomenon and the pressure difference of the reaction gas through the porous water absorption tube disposed in the communication hole. As a result, even if the fuel cell stack is tilted due to the inclination of the vehicle, it effectively prevents the back flow of water into the gas flow path, ensures power generation performance, and greatly improves drainage with a simple configuration. It becomes possible to make it.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell stack shown in FIG.
3 is a schematic cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack shown in FIG. 1. FIG.
4 is a front explanatory view of a first separator constituting the fuel cell stack shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a front explanatory view of one surface of a second separator constituting the fuel cell stack shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a front explanatory view of the other surface of the second separator.
7 is a perspective explanatory view of a porous water absorption tube body and a first separator constituting the fuel cell stack shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 8 is a partial cross-sectional perspective view of a wire constituting the porous water absorption tube body.
FIG. 9 is an explanatory diagram of static pressure distribution in the fuel cell stack shown in FIG. 1;
FIG. 10 is a perspective explanatory view of a porous water absorption tube body and a first separator constituting a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a partial perspective explanatory view of a porous water absorption tube constituting a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a partial perspective explanatory view of a porous water absorption tube constituting a fuel cell stack according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an explanatory view of a longitudinal section of a fuel cell stack according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a longitudinal cross-sectional explanatory view of a porous water absorption tube constituting a fuel cell stack according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory perspective view of a collecting electrode according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
10, 160 ... Fuel cell stack 12 ... Unit fuel cell
14, 16 ... separator 18 ... electrolyte membrane
20 ... Cathode side electrode 22 ... Anode side electrode
36a ... Inlet side fuel gas communication hole 36b ... Outlet side fuel gas communication hole
38a: Inlet side oxidant gas communication hole 38b: Outlet side oxidant gas communication hole
40a: Inlet side cooling medium communication hole 40b: Outlet side cooling medium communication hole
42, 44 ... oxidizing gas channel groove 46, 48 ... oxidizing gas connection channel
60, 62 ... Fuel gas passage groove 64, 66 ... Fuel gas connection passage
80, 82 ... End plate
86, 102, 120, 130, 140, 162, 180 ... porous water absorption pipe body
88 ... Core
90, 124, 136, 146, 166 ... Wire
92 ... Space 98, 106 ... Manifold tube
100 ... outer tube 122 ... pipe
126, 132, 142, 168 ... hole
134 ... Square pipe 144 ... Triangle pipe
164 ... Pipe member 182 ... Water absorbing material

Claims

A fuel cell stack configured by horizontally laminating a unit fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode, and a separator sandwiching the unit fuel cell. There,
A reaction gas supply communication hole for supplying a reaction gas containing a fuel gas or an oxidant gas and a reaction gas discharge communication hole for discharging the reaction gas ;
The reaction gas supply communication hole and the reaction gas discharge communication hole communicate with each other, and are provided in the gravity direction while being folded back horizontally in the electrode power generation surface of the separator, and the reaction gas flows in the gravity direction. a gas flow path for supplying to the anode electrode or the cathode electrode by,
A porous water-absorbing tube disposed in the reaction gas discharge communication hole provided in the lower part of the fuel cell stack , for discharging water;
A fuel cell stack comprising:

The fuel cell stack according to claim 1, wherein the gas flow path is provided in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction,
The porous water-absorbing tube body is configured such that a portion extending from the fuel cell stack to the outside is disposed above the communication hole for discharging the reaction gas.

3. The fuel cell stack according to claim 1 , wherein the reaction gas discharge communication hole is provided below the reaction gas supply communication hole in the direction of gravity. 4.