JP4675757B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
この燃料電池では、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水(以下、生成水という)を生成する。この反応は反応ガスの流れ方向上流側から下流側へ向かって進行する。また、発電には発熱を伴うため、発電を継続するために一般に冷却装置で燃料電池を冷却している。
この冷却装置としては、蛇行する冷却管を内蔵させた冷却板を用いるものが知られている(特許文献1参照)。
また、単位燃料電池を積層する際に隣り合うセパレータ間に冷媒通路を形成し、この冷媒通路に冷媒を流して燃料電池を冷却する冷却装置も知られている。
このように、燃料電池スタック内の相対湿度に差が生じると、発電にも差が生じるという課題がある。
そこで、この発明は、膜電極構造体の相対湿度をほぼ均一にすることができる燃料電池スタックを提供するものである。
請求項3に係る発明は、または請求項2に記載の発明において、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータには、ぞれぞれ前記膜電極構造体から離間する方向に突出する突条(例えば、後述する実施例における突条31A,31B)がその長手方向を鉛直方向に向けて多数形成され、水平方向等間隔に配置されており、各突条は略台形波状に左右に蛇行しながら鉛直方向に延びていることを特徴とする。
図1は燃料電池スタックSの概略斜視図であり、燃料電池スタックSは、縦方向に細長い単位燃料電池(以下、単位セルと称す)10を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート90A,90Bを配置し、図示しないタイロッドによって締結して構成されている。この実施例の燃料電池スタックSは、前記縦方向を鉛直方向(重力方向)に向けて車両に搭載される。以下、図中の矢印X,Yは水平方向を示し、矢印Zは鉛直方向を示す。
また、燃料ガス供給口11と酸化剤ガス供給口13の間、および、アノードオフガス排出口12とカソードオフガス排出口14の間には、燃料電池スタックSを締結するタイロッドを挿通するためのタイロッド挿通孔17が設けられている。
また、燃料ガス供給口91に燃料ガスを、酸化剤ガス供給口93に酸化剤ガスを、それぞれ図示しないマニホールドを介して供給可能に構成されており、アノードオフガス排出口92から排出されるアノードオフガス、カソードオフガス排出口94から排出されるカソードオフガスを、それぞれ図示しないマニホールドを介して排出可能に構成されている。
その際に、上部バッファー部37が下方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部38を有しているので、燃料ガス供給口11から上部バッファー部37に導入した燃料ガスを拡散して総ての突条31Aにほぼ均一に分配することができる。また、下部バッファ部40が上方に末広がりの台形状をなし、多数の凸部41を有しているので、各突条31Aから下部バッファ部40に導入されたアノードオフガスを整流してアノードオフガス排出口12に集合させることができる。
図2のように同一面側から見たときに、カソード側セパレータ30Bの突条31Bとアノード側セパレータ30Aの突条31Aでは位相を異にしており、正弦波形で言えば180度位相がずれている。突条31Bの振幅WとピッチPについては、カソード側セパレータ30Bもアノード側セパレータ30Aと同一に設定されている。上部バッファー部37は突条39を介して酸化剤ガス供給口13に連通しており、下部バッファ部40は突条42を介してカソードオフガス排出口14に連通している。
カソード側セパレータ30Bのシール部43は、酸化剤ガス供給口13とカソードオフガス排出口14と上部バッファー部37と下部バッファ部40と総ての突条31B,39,42の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口11、アノードオフガス排出口12、各冷却水供給口15a〜15d、各冷却水排出口16a〜16d、タイロッド挿通孔17をそれぞれ個別に囲繞している。
なお、図2において膜電極構造体20の面内に二点鎖線で示すように、この燃料電池スタックSにおいては、アノード側セパレータ30Aの突条31Aおよびカソード側セパレータ30Bの突条31Bが設けられている領域が実質的な発電領域Gとなる。
前述したように、アノード側セパレータ30Aの突条31Aとカソード側セパレータ30Bの突条31Bは互いに位相を異にしているので、突条31Aにおける第1の直線部32の頂部35と突条31Bにおける第1の直線部32の頂部35とを密接させて重ねたときに、突条31Aにおける第2の直線部33の頂部35と突条31Bにおける第2の直線部33の頂部35は重なることなく、互いに水平方向に離間して位置し、この間に開口60が形成される。
1次冷却水供給マニホールド81から燃料電池スタックSの1次冷却水供給口15a,15bに分配供給された使役前の1次冷却水は、冷却水通路53における上部領域(1次冷却水供給口15a,15bおよび1次冷却水排出口16a,16bが配置されている上側の領域)を水平方向に流れて1次冷却水供給口16a,16bに排出される。この際に、1次冷却水は上部領域における反応ガスと熱交換して反応ガス温度を下げ、1次冷却水の温度は上昇する。
このように、この燃料電池スタックSでは、上部領域を冷却した使役後の冷却水(使役後の1次冷却水)を、下部領域冷却用の冷却水(使役前の2次冷却水)として使用するので、冷却水通路53の下部領域を流れる冷却水の温度の方が上部領域を流れる冷却水の温度よりも高くなる。
これにより、膜電極構造体20の面内方向全域において均一に発電をすることができ、安定した発電が可能になる。また、膜電極構造体20の乾燥を防止することができるとともに、生成水による反応ガス通路51,52の閉塞を防止することができる。
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、隣接する2つの単位セル間に総て冷媒通路を設けたが、冷媒通路は単位燃料電池間に総て設けず、間引きして設けてもよい。この場合に、冷媒通路を間引いた部位では、隣接する2つの単位セルが1つのセパレータを共有し、該セパレータが一方の単位セルではアノード側セパレータとして機能し、他方の単位セルではカソード側セパレータとして機能する。
また、実施例では、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向とを交差させる手段として、波形の突条を有するセパレータを積層する構造を採用したが、この構造に限定されるものではなく、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向とを交差させることができれば、いかなる構造を採用しても構わない。
この発明において突条の上部領域とは下部領域に対して上方に位置する領域という意味である。したがって、前述した実施例では、冷媒通路(突条)を上下2つの領域に分けたが、3つあるいはそれ以上の領域に分けて、下方に位置する領域ほど流れる冷媒の温度を高くしてもよい。
10 単位セル(単位燃料電池)
11 燃料ガス供給口
12 アノードオフガス排出口
13 酸化剤ガス供給口
14 カソードオフガス排出口
15a,15b 1次冷却水供給口(1次冷媒供給口)
15c,15d 2次冷却水供給口(2次冷媒供給口)
16a,16b 1次冷却水排出口(1次冷媒排出口)
16c,16d 2次冷却水排出口(2次冷媒排出口)
20 膜電極構造体
21 固体高分子電解質膜(電解質膜)
22 アノード電極
23 カソード電極
30A、30B セパレータ
31A,31B 突条
51 燃料ガス通路
52 酸化剤ガス通路
53 冷却水通路(冷媒通路)
90A,90B エンドプレート
95a,95b 1次冷却水供給口(1次冷媒供給口)
95c,95d 2次冷却水供給口(2次冷媒供給口)
96a,96b 1次冷却水排出口(1次冷媒排出口)
96c,96d 2次冷却水排出口(2次冷媒排出口)
Claims (3)
- 電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を設けて膜電極構造体を構成し、前記アノード電極とカソード電極に密接してセパレータを配置して単位燃料電池を構成し、この単位燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックであって、
前記アノード電極とこれに密接する前記セパレータとの間の空間を燃料を鉛直方向に流通させる燃料ガス通路とし、
前記カソード電極とこれに密接する前記セパレータとの間の空間を酸化剤ガスを鉛直方向に流通させる酸化剤ガス通路とし、
少なくとも一部の前記セパレータを他の前記セパレータに密接して配置することにより両セパレータ間に冷媒を水平方向に流通させる冷媒通路を形成し、
前記膜電極構造体および前記各セパレータの上部に、前記燃料ガス通路に連通し使役前の燃料ガスが流通する燃料ガス供給口と、前記酸化剤ガス通路に連通し使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口とを、水平方向に並んで設け、
前記膜電極構造体および前記各セパレータの下部に、前記燃料ガス通路に連通し使役後の燃料ガスが流通するアノードオフガス排出口と、前記酸化剤ガス通路に連通し使役後の酸化剤ガスが流通するカソードオフガス排出口とを、水平方向に並んで設け、
前記燃料ガス供給口と前記アノードオフガス排出口とを互いに対角位置に配置し、前記酸化剤ガス供給口と前記カソードオフガス排出口とを互いに対角位置に配置し、
前記膜電極構造体および前記各セパレータの水平方向において前記燃料ガス供給口および前記カソードオフガス排出口を設けた側の端部の上側に、前記冷媒通路の上部領域に連通し使役前の1次冷媒が流通する1次冷媒供給口を設け、該端部の下側に、前記冷媒通路の下部領域に連通し使役後の2次冷媒が流通する2次冷媒排出口を設け、
前記膜電極構造体および前記各セパレータの水平方向において前記酸化剤ガス供給口およびアノードオフガス排出口を設けた側の端部の上側に、前記冷媒通路の上部領域に連通し使役後の1次冷媒が流通する1次冷媒排出口を設け、該端部の下側に、前記冷媒通路の下部領域に連通し使役前の2次冷媒が流通する2次冷媒供給口を設け、
前記1次冷媒排出口と前記2次冷媒供給口とを接続して、前記冷媒通路の前記上部領域を流通した冷媒を前記下部領域に流すことにより、前記冷媒通路の上部領域には下部領域よりも低温の冷媒を流通させることを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記複数積層された前記単位燃料電池の積層方向の両端部にそれぞれエンドプレートを備え、
前記単位燃料電池を複数積層した状態において前記1次冷媒供給口同士、前記1次冷媒排出口同士、前記2次冷媒供給口同士、前記2次冷媒排出口同士が連通してそれぞれ独立した冷媒流路を形成し、
前記1次冷媒供給口同士が連通して形成される冷媒流路は、一方のエンドプレートに設けられた1次冷媒供給口に連通するとともに、他方のエンドプレートによって閉塞され、
前記1次冷媒排出口同士が連通して形成される冷媒流路は、前記一方のエンドプレートに設けられた1次冷媒排出口に連通するとともに、前記他方のエンドプレートによって閉塞され、
前記2次冷媒供給口同士が連通して形成される冷媒流路は、前記一方のエンドプレートに設けられた2次冷媒供給口に連通するとともに、前記他方のエンドプレートによって閉塞され、
前記2次冷媒排出口同士が連通して形成される冷媒流路は、前記一方のエンドプレートに設けられた2次冷媒排出口に連通するとともに、前記他方のエンドプレートによって閉塞されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。 - 前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータには、ぞれぞれ前記膜電極構造体から離間する方向に突出する突条がその長手方向を鉛直方向に向けて多数形成され、水平方向等間隔に配置されており、各突条は略台形波状に左右に蛇行しながら鉛直方向に延びていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池スタック。
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