JP4672989B2

JP4672989B2 - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP4672989B2
Application number: JP2004059154A
Authority: JP
Inventors: 洋介藤井; 充郎市川; 実越沼; 昌弘毛里; 真也渡邉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2024-03-03
Also published as: JP2005251526A

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を一組の電極で挟んで構成される電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとを水平方向に交互に積層する燃料電池スタックに関する。 The present invention includes an electrolyte membrane / electrode structure configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes, and a fuel cell stack in which the electrolyte membrane / electrode structure and a separator are alternately stacked in a horizontal direction. About.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合している。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane with a separator. Each of the anode side electrode and the cathode side electrode has a noble metal-based electrode catalyst layer bonded to a base material mainly composed of carbon.

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、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あるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、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は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。 In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

ところで、固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００℃）であるため、燃料電池スタックに導入された後に電解質膜に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、前記燃料電池スタックの反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び／又は燃料ガス流路）内や該燃料電池スタックから排出された後に配管内で冷却され、液体の状態で存在し易い。 By the way, since the operation temperature of the polymer electrolyte fuel cell is relatively low (˜100 ° C.), moisture that has not been absorbed by the electrolyte membrane after being introduced into the fuel cell stack, or moisture generated by the reaction is present. The fuel cell stack is cooled in the reaction gas flow path (oxidant gas flow path and / or fuel gas flow path) and in the pipe after being discharged from the fuel cell stack, and tends to exist in a liquid state.

しかしながら、上記のように、燃料電池スタックの反応ガス流路内に水が存在すると、各単位セルに酸化剤ガスや燃料ガスを十分に供給することが困難になってしまう。これにより、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスの電極触媒層への拡散性が低下し、発電性能が著しく悪化するという問題が指摘されている。 However, as described above, when water is present in the reaction gas flow path of the fuel cell stack, it becomes difficult to sufficiently supply the oxidant gas and the fuel gas to each unit cell. Thereby, the problem that the diffusibility to the electrode catalyst layer of the fuel gas and oxidizing gas which are reaction gas falls and the power generation performance deteriorates remarkably is pointed out.

そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、燃料電池スタック内の反応ガス流路の入口側に連結される供給配管と、前記反応ガス流路の出口側に連結される排出配管とを備えるとともに、少なくとも１つの配管が、管路の一部分に他の部分よりも下方に突出する段差部位を有した拡大部を設け、あるいは、少なくとも１つの配管が、燃料電池スタックに向かって上方に傾斜する傾斜部を設けた燃料電池スタックが知られている。 Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 1, a supply pipe connected to the inlet side of the reaction gas flow path in the fuel cell stack, and a discharge pipe connected to the outlet side of the reaction gas flow path, And at least one pipe is provided with an enlarged portion having a stepped portion projecting downward from the other part in a part of the pipe line, or at least one pipe is directed upward toward the fuel cell stack. A fuel cell stack provided with an inclined portion that is inclined is known.

このように、配管に設けられた拡大部には、下方に突出する段差部位が形成されており、配管内の水が前記段差部位に貯留される。一方、配管には、燃料電池スタックに向かって上方に傾斜する傾斜部が設けられており、前記燃料電池スタック内のガス流路に水が逆流することを有効に阻止することが可能になる。 As described above, a stepped portion protruding downward is formed in the enlarged portion provided in the pipe, and water in the pipe is stored in the stepped portion. On the other hand, the pipe is provided with an inclined portion that is inclined upward toward the fuel cell stack, so that it is possible to effectively prevent water from flowing back into the gas flow path in the fuel cell stack.

特開２０００−９０９５４号公報（図２、図５）JP 2000-90954 A (FIGS. 2 and 5)

ところで、上記の特許文献１では、反応ガス流路に連結された供給配管及び排出配管を備え、この配管に拡大部を設けたり、該配管に傾斜部を設けたりしている。このため、配管から燃料電池スタック内に水が逆流することがないものの、この燃料電池スタック内に反応ガス流路の排出側に連通する反応ガス出口マニホールドが設けられている場合、この反応ガス出口マニホールドに水が滞留してしまうおそれがある。これにより、特に、０℃以下の低温始動時には、反応ガス出口マニホールド内の水が凍結し易く、反応ガスを円滑に流すことができない場合がある。しかも、反応ガス流路の排出側では、反応ガス出口マニホールドが設けられている一端側とは反対の他端側にも、水が滞留するおそれがあり、この水の処理が困難となっている。 By the way, in said patent document 1, the supply piping and discharge piping connected with the reaction gas flow path were provided, and the expansion part was provided in this piping, or the inclination part was provided in this piping. For this reason, although water does not flow backward from the piping into the fuel cell stack, when a reaction gas outlet manifold communicating with the discharge side of the reaction gas flow path is provided in the fuel cell stack, the reaction gas outlet Water may accumulate in the manifold. Thereby, especially at the time of a low temperature start of 0 ° C. or less, the water in the reaction gas outlet manifold is likely to be frozen, and the reaction gas may not flow smoothly. Moreover, on the discharge side of the reaction gas flow path, water may stay on the other end side opposite to the one end side where the reaction gas outlet manifold is provided, and it is difficult to treat this water. .

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池スタック内の水を容易且つ確実に排出することができ、所望の発電性能を保持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。 The present invention solves this type of problem, and with a simple configuration, the water in the fuel cell stack can be easily and reliably discharged, and the fuel cell stack capable of maintaining the desired power generation performance. The purpose is to provide.

本発明は、固体高分子電解質膜を一組の電極で挟んで構成される電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとを水平方向に交互に積層するとともに、前記電極に供給された少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔が積層方向に延在して設けられる燃料電池スタックである。 The present invention includes an electrolyte membrane / electrode structure configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes, and alternately stacks the electrolyte membrane / electrode structure and a separator in a horizontal direction, This is a fuel cell stack in which reaction gas discharge communication holes for discharging at least a reaction gas which is a fuel gas or an oxidant gas supplied to an electrode are provided extending in the stacking direction.

燃料電池スタックの積層方向一端には、反応ガス排出連通孔の一端側に連通する第１排水用配管が設けられ、前記燃料電池スタックの積層方向他端には、前記反応ガス排出連通孔の他端側に連通する第２排水用配管が設けられている。 One end of the fuel cell stack in the stacking direction is provided with a first drain pipe that communicates with one end of the reaction gas discharge communication hole, and the other end of the fuel cell stack in the stacking direction has the reaction gas discharge communication hole. A second drainage pipe communicating with the end side is provided.

また、第１及び第２排水用配管は、排水処理部に接続されており、少なくとも前記第２排水用配管は、燃料電池スタックの積層方向他端と前記排水処理部との間で配管高低差Ｈ１を設けるとともに、前記燃料電池スタックの積層方向他端と前記排水処理部との圧力差に対応する水中高さＨ２は、前記配管高低差Ｈ１よりも高く設定されることが好ましい。排水処理部は、例えば、排水チャンバや車載時の排気管により構成される。 The first and second drainage pipes are connected to a wastewater treatment section, and at least the second drainage pipe has a pipe height difference between the other end in the stacking direction of the fuel cell stack and the wastewater treatment section. While providing H1, underwater height H2 corresponding to the pressure difference between the other end in the stacking direction of the fuel cell stack and the waste water treatment unit is preferably set higher than the pipe height difference H1. The waste water treatment unit is constituted by, for example, a waste water chamber or an exhaust pipe when mounted on a vehicle.

さらに、第２排水用配管は、排水処理部に接続されており、前記第２排水用配管の途上に該第２排水用配管よりも短尺な第１排水用配管が接続されるとともに、前記第１排水用配管には、圧損増加手段が配設されることが好ましい。圧損増加手段は、例えば、オリフィスを備える他、第１排水用配管の開口径を細く設定することにより構成される。 Further, the second drainage pipe is connected to the wastewater treatment section, and the first drainage pipe shorter than the second drainage pipe is connected to the second drainage pipe, and the second drainage pipe is connected to the second drainage pipe. One drainage pipe is preferably provided with a pressure loss increasing means. The pressure loss increasing means includes, for example, an orifice and a narrow opening diameter of the first drainage pipe.

さらにまた、少なくとも第１排水用配管又は第２排水用配管は、配管マニホールドの下部に設けられることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that at least the first drainage pipe or the second drainage pipe is provided in the lower part of the pipe manifold.

本発明によれば、反応ガス排出連通孔の一端側に第１排水用配管が設けられる一方、前記反応ガス排出連通孔の他端側に第２排水用配管が設けられ、前記第１及び第２排水用配管から個別に排水することが可能になる。これにより、第１及び第２排水用配管内の圧力差があっても、影響を受けることがなく、簡単な構成で、反応ガス排出連通孔内の結露水を良好且つ確実に排出することが可能になる。 According to the present invention, the first drainage pipe is provided on one end side of the reaction gas discharge communication hole, while the second drainage pipe is provided on the other end side of the reaction gas discharge communication hole. 2 It becomes possible to drain individually from the drain pipe. As a result, even if there is a pressure difference between the first and second drainage pipes, the dew condensation water in the reaction gas discharge communication hole can be discharged well and reliably with a simple configuration without being affected. It becomes possible.

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視説明図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell stack 10.

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端部には、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。燃料電池スタック１０の積層方向一端に設けられる第１エンドプレート２０ａには、後述する６つの連通孔にそれぞれ反応ガスや冷却媒体の供給、排出を行う配管マニホールド２２ａ、２２ｂが複数のねじ２４によって固定される。なお、燃料電池スタック１０は、図示しないが、例えば、ボックス状のケーシングにより締め付け保持される。 The fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of fuel cells 12 are stacked. At both ends of the stacked body 14 in the stacking direction (arrow A direction), first and second terminal plates 16a and 16b, First and second insulating plates 18a and 18b and first and second end plates 20a and 20b are sequentially provided. On the first end plate 20 a provided at one end in the stacking direction of the fuel cell stack 10, piping manifolds 22 a and 22 b for supplying and discharging reaction gas and cooling medium are fixed to a plurality of communication holes described later by a plurality of screws 24. Is done. Although not shown, the fuel cell stack 10 is clamped and held by, for example, a box-shaped casing.

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。 As shown in FIG. 2, the fuel cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure 30, and first and second metal separators 32, 34 having a thin plate shape that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 30. Instead of the first and second metal separators 32 and 34, for example, a carbon separator may be adopted.

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス排出連通孔）４０ｂが設けられる。 An oxidant gas inlet communication hole 36a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, and a cooling medium are supplied to one end edge of the fuel cell 12 in the arrow B direction so as to communicate with each other in the arrow A direction. There are provided a cooling medium inlet communication hole 38a and a fuel gas outlet communication hole (reactive gas discharge communication hole) 40b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas.

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス排出連通孔）３６ｂが設けられる。 The other end edge of the fuel cell 12 in the direction of the arrow B communicates with each other in the direction of the arrow A, the fuel gas inlet communication hole 40a for supplying the fuel gas, and the cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 38b and an oxidant gas outlet communication hole (reaction gas discharge communication hole) 36b for discharging the oxidant gas.

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。この燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体入口連通孔３８ａと冷却媒体出口連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。 A fuel gas flow path 42 that connects the fuel gas inlet communication hole 40 a and the fuel gas outlet communication hole 40 b is formed on the surface 32 a of the first metal separator 32 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The fuel gas channel 42 is constituted by, for example, a plurality of grooves extending in the arrow B direction. A cooling medium flow path 44 that connects the cooling medium inlet communication hole 38 a and the cooling medium outlet communication hole 38 b is formed on the surface 32 b of the first metal separator 32. The cooling medium flow path 44 is constituted by a plurality of grooves extending in the arrow B direction.

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。 The surface 34a of the second metal separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30 is provided with, for example, an oxidant gas flow path 46 composed of a plurality of grooves extending in the direction of arrow B, and this oxidant gas. The channel 46 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 36a and the oxidant gas outlet communication hole 36b. A cooling medium flow path 44 is integrally formed on the surface 34 b of the second metal separator 34 so as to overlap the surface 32 b of the first metal separator 32.

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端部を周回して第１シール部材４８が一体成形される。第１シール部材４８は、面３２ａで燃料ガス入口連通孔４０ａ、燃料ガス出口連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路４４を囲繞してこれらを連通させる。 A first seal member 48 is integrally formed on the surfaces 32 a and 32 b of the first metal separator 32 around the outer peripheral end portion of the first metal separator 32. The first seal member 48 surrounds and communicates the fuel gas inlet communication hole 40a, the fuel gas outlet communication hole 40b, and the fuel gas flow path 42 with the surface 32a, while the surface 32b communicates with the cooling medium inlet communication hole 38a. The medium outlet communication hole 38b and the cooling medium flow path 44 are surrounded and communicated with each other.

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端部を周回して第２シール部材５０が一体成形される。第２シール部材５０は、面３４ａで酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路４６を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路４４を囲繞してこれらを連通させる。 A second seal member 50 is integrally formed on the surfaces 34 a and 34 b of the second metal separator 34 around the outer peripheral end of the second metal separator 34. The second seal member 50 surrounds and communicates the oxidant gas inlet communication hole 36a, the oxidant gas outlet communication hole 36b, and the oxidant gas flow path 46 at the surface 34a, while the cooling medium inlet communication hole at the surface 34b. 38a, the cooling medium outlet communication hole 38b, and the cooling medium flow path 44 are surrounded and communicated with each other.

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するアノード側電極５４及びカソード側電極５６とを備える。 The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 52 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, and an anode side electrode 54 and a cathode side electrode 56 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 52. With.

アノード側電極５４及びカソード側電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に接合される。 The anode side electrode 54 and the cathode side electrode 56 are composed of a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And have. The electrode catalyst layer is bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 52.

図１及び図３に示すように、配管マニホールド２２ａには、第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通する酸化剤ガス供給口６０ａ、冷却媒体供給口６２ａ及び燃料ガス排出口６４ｂが形成される。配管マニホールド２２ａには、燃料ガス排出口６４ｂに連通して下方に延在する第１ドレン排出口６６ａが形成される。 As shown in FIGS. 1 and 3, the piping manifold 22a is supplied with an oxidant gas communicating with the oxidant gas inlet communication hole 36a, the cooling medium inlet communication hole 38a, and the fuel gas outlet communication hole 40b of the first end plate 20a. A port 60a, a cooling medium supply port 62a, and a fuel gas discharge port 64b are formed. The pipe manifold 22a is formed with a first drain discharge port 66a that communicates with the fuel gas discharge port 64b and extends downward.

酸化剤ガス供給口６０ａ、冷却媒体供給口６２ａ及び燃料ガス排出口６４ｂには、それぞれ配管６８ａ、７０ａ及び７２ｂが設けられる一方、第１ドレン排出口６６ａには、第１排水用配管７４ａが設けられる。この第１排水用配管７４ａは、排水処理部、例えば、大気圧雰囲気の排水チャンバ７６ａに接続される。 The oxidant gas supply port 60a, the cooling medium supply port 62a and the fuel gas discharge port 64b are provided with pipes 68a, 70a and 72b, respectively, while the first drain discharge port 66a is provided with a first drainage pipe 74a. It is done. The first drain pipe 74a is connected to a drain processing section, for example, a drain chamber 76a in an atmospheric pressure atmosphere.

図１に示すように、配管マニホールド２２ｂには、第１エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する燃料ガス供給口６４ａ、冷却媒体排出口６２ｂ及び酸化剤ガス排出口６０ｂが形成される。配管マニホールド２２ｂには、酸化剤ガス排出口６０ｂに連通して下方に延在する第１ドレン排出口６６ｂが形成される。 As shown in FIG. 1, the piping manifold 22b has a fuel gas supply port 64a that communicates with the fuel gas inlet communication hole 40a, the cooling medium outlet communication hole 38b, and the oxidant gas outlet communication hole 36b of the first end plate 20a. A medium outlet 62b and an oxidant gas outlet 60b are formed. The pipe manifold 22b is formed with a first drain outlet 66b that communicates with the oxidant gas outlet 60b and extends downward.

燃料ガス供給口６４ａ、冷却媒体排出口６２ｂ及び酸化剤ガス排出口６０ｂには、それぞれ配管７２ａ、７０ｂ及び６８ｂが設けられる一方、第１ドレン排出口６６ｂには、第１排水用配管７４ｂが設けられる。この第１排水用配管７４ｂは、排水処理部、例えば、大気圧雰囲気の排水チャンバ７６ｂに接続される。なお、排水チャンバ７６ａ、７６ｂは、単一の排水チャンバで構成してもよい。 The fuel gas supply port 64a, the coolant discharge port 62b, and the oxidant gas discharge port 60b are provided with pipes 72a, 70b, and 68b, respectively, while the first drain discharge port 66b is provided with a first drain pipe 74b. It is done. The first drain pipe 74b is connected to a drain treatment section, for example, a drain chamber 76b in an atmospheric pressure atmosphere. The drain chambers 76a and 76b may be constituted by a single drain chamber.

図１及び図３に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向他端に設けられる第２エンドプレート２０ｂには、燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通して下方に延在する第２ドレン排出口７８ａと、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通して下方に延在する第２ドレン排出口７８ｂとが形成される。第２ドレン排出口７８ａ、７８ｂには、それぞれ第２排水用配管８０ａ、８０ｂが設けられるとともに、前記第２排水用配管８０ａ、８０ｂは、排水チャンバ７６ａ、７６ｂに接続される。 As shown in FIGS. 1 and 3, the second end plate 20 b provided at the other end in the stacking direction of the fuel cell stack 10 has a second drain outlet that communicates with the fuel gas outlet communication hole 40 b and extends downward. 78a and a second drain discharge port 78b that communicates with the oxidant gas outlet communication hole 36b and extends downward are formed. Second drain pipes 80a and 80b are provided at the second drain discharge ports 78a and 78b, respectively, and the second drain pipes 80a and 80b are connected to drain chambers 76a and 76b.

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。 The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、配管マニホールド２２ａの配管６８ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、配管マニホールド２２ｂの配管７２ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、配管マニホールド２２ａの配管７０ａから純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、各燃料電池１２に対して酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。 First, as shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 10, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied from a pipe 68a of the pipe manifold 22a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied from a pipe 72a of the pipe manifold 22b. Is supplied. Further, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is supplied from the pipe 70a of the pipe manifold 22a. For this reason, oxidant gas, fuel gas, and a cooling medium are supplied to each fuel cell 12 in the direction of arrow A.

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極５４に沿って移動する。 As shown in FIG. 2, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet communication hole 36 a into the oxidant gas flow path 46 of the second metal separator 34, and along the cathode side electrode 56 of the electrolyte membrane / electrode structure 30. Move. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 42 of the first metal separator 32 from the fuel gas inlet communication hole 40 a and moves along the anode side electrode 54 of the electrolyte membrane / electrode structure 30.

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極５６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。 Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 30, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 56 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 54 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

次いで、カソード側電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ方向に流動した後、配管マニホールド２２ｂの配管６８ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂに排出されて矢印Ａ方向に流動し、配管マニホールド２２ａの配管７２ｂに排出される。 Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 56 flows in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 36b, and is then discharged to the pipe 68b of the pipe manifold 22b (see FIG. 1). ). Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 54 is discharged to the fuel gas outlet communication hole 40b, flows in the direction of arrow A, and is discharged to the pipe 72b of the pipe manifold 22a.

また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体入口連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３８ｂを移動して配管マニホールド２２ｂの配管７０ｂに排出される（図１参照）。 Further, as shown in FIG. 2, the cooling medium is introduced into the cooling medium flow path 44 between the first and second metal separators 32 and 34 from the cooling medium inlet communication hole 38a, and then flows along the arrow B direction. To do. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 30, and then moves through the cooling medium outlet communication hole 38b and is discharged to the pipe 70b of the pipe manifold 22b (see FIG. 1).

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、燃料ガス出口連通孔４０ｂの一端側に連通する第１排水用配管７４ａと、前記燃料ガス出口連通孔４０ｂの他端側に連通する第２排水用配管８０ａとを備えており、前記第１及び第２排水用配管７４ａ、８０ａは、大気圧雰囲気の排水チャンバ７６ａに接続されている。 In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the first drainage pipe 74a communicated with one end side of the fuel gas outlet communication hole 40b and the other end side of the fuel gas outlet communication hole 40b communicate with each other. The second and second drainage pipes 74a and 80a are connected to a drainage chamber 76a in an atmospheric pressure atmosphere.

従って、燃料ガス出口連通孔４０ｂに発生する結露水が、第１排水用配管７４ａと第２排水用配管８０ａとから個別に排出されるため、前記第１及び第２排水用配管７４ａ、８０ａ内の圧力差を有効に確保することができる。これにより、簡単な構成で、燃料ガス出口連通孔４０ｂ内の結露水を良好且つ確実に排出することが可能になるという効果が得られる。しかも、第１排水用配管７４ａは、配管マニホールド２２ａの下部に設けられており、水が前記配管マニホールド２２ａの底部に滞留することがない。 Accordingly, the dew condensation water generated in the fuel gas outlet communication hole 40b is separately discharged from the first drainage pipe 74a and the second drainage pipe 80a, so that the inside of the first and second drainage pipes 74a and 80a. The pressure difference can be effectively ensured. Thereby, the effect that it becomes possible to discharge | emit the dew condensation water in the fuel gas outlet communicating hole 40b favorably and reliably with a simple structure is acquired. Moreover, the first drain pipe 74a is provided in the lower part of the pipe manifold 22a, and water does not stay at the bottom of the pipe manifold 22a.

一方、図１に示すように、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの一端側に第１排水用配管７４ｂが連通するとともに、前記酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの他端側に第２排水用配管８０ｂが連通している。このため、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに生成される水は、第１及び第２排水用配管７４ｂ、８０ｂから個別に排出され、簡単な構成で、排水性が良好に向上する。 On the other hand, as shown in FIG. 1, the first drainage pipe 74b communicates with one end of the oxidant gas outlet communication hole 36b, and the second drainage pipe 80b communicates with the other end of the oxidant gas outlet communication hole 36b. Are communicating. For this reason, the water produced | generated in the oxidizing agent gas outlet communicating hole 36b is separately discharged | emitted from the 1st and 2nd drainage piping 74b and 80b, and drainage property improves favorably by simple structure.

なお、第１及び第２排水用配管７４ｂ、８０ｂは、排水チャンバ７６ｂに接続することなく、例えば、車載時に排気管等の大気開放部分に別々に接続してもよい。 Note that the first and second drain pipes 74b and 80b may be separately connected to an air release portion such as an exhaust pipe when mounted on the vehicle, for example, without being connected to the drain chamber 76b.

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の一部断面側面図である。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、その詳細な説明を省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。 FIG. 4 is a partial cross-sectional side view of the fuel cell stack 100 according to the second embodiment of the present invention. 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. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池スタック１００は、燃料ガス出口連通孔４０ｂの一端側に連通する第１排水用配管７４ａと、前記燃料ガス出口連通孔４０ｂの他端側に連通する第２排水用配管１０２ａと、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの一端側に連通する第１排水用配管７４ｂと、前記酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの他端側に連通する第２排水用配管１０２ｂとを備えている。 The fuel cell stack 100 includes a first drainage pipe 74a that communicates with one end of the fuel gas outlet communication hole 40b, a second drainage pipe 102a that communicates with the other end of the fuel gas outlet communication hole 40b, and an oxidant. A first drainage pipe 74b communicating with one end side of the gas outlet communication hole 36b and a second drainage pipe 102b communicating with the other end side of the oxidant gas outlet communication hole 36b are provided.

第２排水用配管１０２ａ、１０２ｂでは、例えば、配管レイアウト上、配管高低差Ｈ１が設けられている。その際、第２排水用配管１０２ａ、１０２ｂの一端部と第２エンドプレート２０ｂとの連通部分の圧力Ｐ１は、排水チャンバ７６ａ、７６ｂの圧力Ｐ２（大気圧）に対して、
配管高低差Ｈ１＜圧力差（Ｐ１−Ｐ２）に対応する水中高さＨ２
の関係を有するように設定されている。 In the second drainage pipes 102a and 102b, for example, a pipe height difference H1 is provided on the pipe layout. At that time, the pressure P1 of the communication portion between the one end of the second drain pipes 102a and 102b and the second end plate 20b is relative to the pressure P2 (atmospheric pressure) of the drain chambers 76a and 76b.
Pipe height difference H1 <Underwater height H2 corresponding to pressure difference (P1-P2)
It is set to have the relationship.

これにより、第２エンドプレート２０ｂから第２排水用配管１０２ａ、１０２ｂに排出された結露水は、配管高低差Ｈ１が存在していても、前記第２排水用配管１０２ａ、１０２ｂを円滑に流れて排水チャンバ７６ａ、７６ｂに確実に排出される。従って、配管レイアウトが容易に遂行されるとともに、排水性の低下を阻止することが可能になるという効果が得られる。 As a result, the condensed water discharged from the second end plate 20b to the second drainage pipes 102a and 102b flows smoothly through the second drainage pipes 102a and 102b even if the pipe height difference H1 exists. It is reliably discharged into the drainage chambers 76a and 76b. Therefore, it is possible to easily perform the piping layout and to prevent the drainage from being deteriorated.

図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の一部断面側面図である。 FIG. 5 is a partial cross-sectional side view of a fuel cell stack 110 according to the third embodiment of the present invention.

燃料電池スタック１１０は、燃料ガス出口連通孔４０ｂの一端側に連通する第１排水用配管１１２ａと、前記燃料ガス出口連通孔４０ｂの他端側に連通する第２排水用配管１１４ａと、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの一端側に連通する第１排水用配管１１２ｂと、前記酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの他端側に連通する第２排水用配管１１４ｂとを備える。 The fuel cell stack 110 includes a first drainage pipe 112a that communicates with one end of the fuel gas outlet communication hole 40b, a second drainage pipe 114a that communicates with the other end of the fuel gas outlet communication hole 40b, and an oxidant. A first drainage pipe 112b communicating with one end side of the gas outlet communication hole 36b and a second drainage pipe 114b communicating with the other end side of the oxidant gas outlet communication hole 36b are provided.

第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂは、第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂの途上に合流部１１６ａ、１１６ｂで連結されるとともに、前記第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂが排水チャンバ７６ａ、７６ｂに連通する。第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂには、圧損増加手段、例えば、オリフィス１１８ａ、１１８ｂが配設される。 The first drainage pipes 112a and 112b are connected to the second drainage pipes 114a and 114b at the junctions 116a and 116b, and the second drainage pipes 114a and 114b communicate with the drainage chambers 76a and 76b. . Pressure loss increasing means, for example, orifices 118a and 118b are disposed in the first drain pipes 112a and 112b.

この場合、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂと第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂとは、合流部１１６ａ、１１６ｂの上流側で前記第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂの流路長が前記第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂの流路長よりも相当に短尺である。このため、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂの圧損は、第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂの圧損よりも低くなっている。 In this case, the first drainage pipes 112a and 112b and the second drainage pipes 114a and 114b are arranged such that the first drainage pipes 112a and 112b have a flow path length on the upstream side of the joining portions 116a and 116b. It is considerably shorter than the flow path length of the pipes 114a, 114b. For this reason, the pressure loss of the first drainage pipes 112a and 112b is lower than the pressure loss of the second drainage pipes 114a and 114b.

そこで、第３の実施形態では、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂの圧損を高く設定するために、オリフィス１１８ａ、１１８ｂが設けられる。これにより、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂと第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂとにおいて、均等に圧力差が発生して結露水が第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂから第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂに逆流を阻止することができ、該結露水を排水チャンバ７６ａ、７６ｂに有効且つ円滑に排出させることが可能になる。 Therefore, in the third embodiment, orifices 118a and 118b are provided in order to set the pressure loss of the first drainage pipes 112a and 112b high. As a result, a pressure difference is uniformly generated between the first drainage pipes 112a and 112b and the second drainage pipes 114a and 114b, so that the dew condensation water flows from the first drainage pipes 112a and 112b to the second drainage pipe 114a, It is possible to prevent the backflow in 114b, and the condensed water can be effectively and smoothly discharged into the drainage chambers 76a and 76b.

なお、圧損増加手段としては、オリフィス１１８ａ、１１８ｂに代えて、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂの開口径を細く設定してもよい。 As the pressure loss increasing means, instead of the orifices 118a and 118b, the opening diameters of the first drain pipes 112a and 112b may be set narrow.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the said fuel cell stack. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the fuel cell stack concerning the 2nd Embodiment of the present invention. 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the fuel cell stack concerning the 3rd Embodiment of the present invention.

Explanation of symbols

１０、１００…燃料電池スタック１２…燃料電池
１４…積層体２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２ａ、２２ｂ…マニホールド配管３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔３８ａ…冷却媒体入口連通孔
３８ｂ…冷却媒体出口連通孔４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路４６…酸化剤ガス流路
５２…固体高分子電解質膜５４…アノード側電極
５６…カソード側電極６０ａ…酸化剤ガス供給口
６０ｂ…酸化剤ガス排出口６２ａ…冷却媒体供給口
６２ｂ…冷却媒体排出口６４ａ…燃料ガス供給口
６４ｂ…燃料ガス排出口
６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ…ドレン排出口
７４ａ、７４ｂ、８０ａ、８０ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…排水用配管
７６ａ、７６ｂ…排水チャンバ１１６ａ、１１６ｂ…合流部
１１８ａ、１１８ｂ…オリフィス

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 ... Fuel cell stack 12 ... Fuel cell 14 ... Laminated body 20a, 20b ... End plate 22a, 22b ... Manifold piping 30 ... Electrolyte membrane and electrode structure 32, 34 ... Metal separator 36a ... Oxidant gas inlet communication hole 36b ... Oxidant gas outlet communication hole 38a ... Cooling medium inlet communication hole 38b ... Cooling medium outlet communication hole 40a ... Fuel gas inlet communication hole 40b ... Fuel gas outlet communication hole 42 ... Fuel gas flow path 44 ... Cooling medium flow path 46 ... Oxidation Agent gas flow path 52 ... Solid polymer electrolyte membrane 54 ... Anode side electrode 56 ... Cathode side electrode 60a ... Oxidant gas supply port 60b ... Oxidant gas discharge port 62a ... Cooling medium supply port 62b ... Cooling medium discharge port 64a ... Fuel Gas supply port 64b ... Fuel gas discharge ports 66a, 66b, 78a, 78b ... Drain discharge ports 74a, 74b, 80a, 80 , 102a, 102b, 112a, 112b, 114a, 114b ... drainage pipe 76a, 76 b ... drainage chamber 116a, 116 b ... merging portion 118a, 118b ... orifice

Claims

An electrolyte membrane / electrode structure configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes, the electrolyte membrane / electrode structure and a separator are alternately stacked in a horizontal direction and supplied to the electrode. A reaction cell discharge communication hole for discharging a reaction gas that is at least a fuel gas or an oxidant gas is provided so as to extend in the stacking direction,
First drainage that is provided at one end in the stacking direction of the fuel cell stack and extends outward from the fuel cell stack and communicates with a first discharge port extending downward from one end side of the reaction gas discharge communication hole. Piping for
The other end in the stacking direction of the fuel cell stack is provided to extend outward from the fuel cell stack, and is downward from the other end side of the reaction gas discharge communication hole where the first drainage pipe communicates with one end side. A second drainage pipe communicating with the second discharge port extending to
With
The first and second drainage pipes merge into the atmospheric pressure chamber at one end side in the stacking direction or the other end side in the stacking direction of the reaction gas discharge communication hole,
The pressure loss until the first drainage pipe joins from the communication part with the first discharge port is different from the pressure loss until the second drainage pipe joins from the communication part with the second discharge port. A fuel cell stack characterized by that.

2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein at least the second drain pipe is provided with a pipe height difference H <b> 1 until it joins from the other end in the stacking direction of the fuel cell stack,
The underwater height H2 corresponding to the pressure difference from the other end in the stacking direction of the fuel cell stack to the merge is set higher than the pipe height difference H1.

The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first drainage pipe shorter than the second drainage pipe is connected to the second drainage pipe,
The fuel cell stack, wherein the first drainage pipe is provided with pressure loss increasing means.

4. The fuel cell stack according to claim 1, wherein at least the first drainage pipe or the second drainage pipe is provided in a lower part of a pipe manifold. 5.