JP4706173B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、複数の燃料電池セルが積層されて構成された燃料電池スタックに係り、特に、燃料電池スタックの端セルの保温技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cells, and more particularly, to a heat retention technique for an end cell of the fuel cell stack.
従来、例えば特許文献1に記載されているように、燃料電池は複数毎の燃料電池セルの積層体をエンドプレートで挟んで構成された燃料電池スタックとして使用されている。エンドプレートは、燃料電池セルを挟んで固定する固定具として機能するとともに、外部から燃料電池スタックに水素、エア、及び冷媒を供給するための供給管や、燃料電池スタックで用いられた水素、エア、及び冷媒を外部に排出するための排出管を燃料電池スタックに連結するための連結具としても機能している。
ところで、燃料電池セルには好適な運転温度範囲があり、この運転温度範囲より高温でも、逆に低温でも十分な発電性能を得ることができない。通常、燃料電池セルは、冷媒によって冷却されることで反応熱による温度上昇を抑えられ、適正な運転温度に温度調整されている。しかし、燃料電池スタックの最も外側に位置している燃料電池セル(以下、端セルという)は、低気温時には隣接するエンドプレートからの放熱により熱を奪われ、温度が適正運転温度よりも低下してしまう。端セルの温度低下は燃料電池スタック全体の発電性能の低下を招くため、エンドプレートからの放熱による端セルの温度低下を抑制するための何らかの工夫が必要となる。 By the way, the fuel cell has a suitable operating temperature range, and sufficient power generation performance cannot be obtained even at a temperature higher than this operating temperature range or at a lower temperature. Usually, the fuel cell is cooled by the refrigerant, so that the temperature rise due to reaction heat is suppressed, and the temperature is adjusted to an appropriate operating temperature. However, the fuel cell located on the outermost side of the fuel cell stack (hereinafter referred to as the end cell) is deprived of heat by heat dissipation from the adjacent end plate at low temperatures, and the temperature drops below the proper operating temperature. End up. Since the temperature decrease of the end cell causes a decrease in the power generation performance of the entire fuel cell stack, some contrivance is required to suppress the temperature decrease of the end cell due to heat radiation from the end plate.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、端セルの温度低下を抑制して発電性能の低下を防止できるようにした燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of preventing a decrease in power generation performance by suppressing a temperature decrease in an end cell.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、複数の燃料電池セルが積層されて構成された燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタックに供給されるエア、冷媒、或いは、前記燃料電池スタックから排出される水素、エア、冷媒のうち少なくとも一つの流路が前記燃料電池スタックのエンドプレートの側面に沿って設けられ、
前記流路は前記エンドプレートの側面に形成された溝と、断面形状が円弧状の蓋とから構成されていることを特徴としている。
また、第2の発明は、第1の発明において、前記流路は樹脂材料で成形されていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention provides a fuel cell stack configured by laminating a plurality of fuel cells,
Air or refrigerant supplied to the fuel cell stack, or at least one flow path of hydrogen, air, or refrigerant discharged from the fuel cell stack is provided along the side surface of the end plate of the fuel cell stack ,
The flow path has a groove formed on a side surface of said end plate, characterized in that the cross section is composed of an arc-shaped lid.
The second aspect, in the first aspect, before Kiryuro is characterized by being formed of resin material.
また、第3の発明は、第1又は第2の何れか1つの発明において、前記流路の前記エンドプレート側の内壁面には一又は複数のフィンが形成されていることを特徴としている。 The third invention is characterized in that, in any one of the first and second inventions , one or more fins are formed on the inner wall surface of the flow path on the end plate side.
また、第4の発明は、第1乃至第3の何れか1つの発明において、前記流路は前記燃料電池スタックから排出される液体冷媒の流路であることを特徴としている。 According to a fourth invention , in any one of the first to third inventions , the flow path is a flow path of a liquid refrigerant discharged from the fuel cell stack.
第1及び第2の発明によれば、供給エア、供給冷媒、排出水素、排出エア、及び排出冷媒は、気温に比較して高温であるので、これらのうち少なくとも一つが燃料電池スタックのエンドプレートの側面に沿って流れることでエンドプレートは暖められ、これにより低気温時における端セルの温度低下は抑制される。 According to the first and second inventions , the supply air, the supply refrigerant, the exhaust hydrogen, the exhaust air, and the exhaust refrigerant are high in temperature compared to the air temperature, so at least one of them is the end plate of the fuel cell stack. The end plate is warmed by flowing along the side surface of the end cell, thereby suppressing the temperature drop of the end cell at low temperatures.
第3の発明によれば、フィンによって流体との接触面積が拡大するので、流体からエンドプレートへの伝熱が促進され、端セルの温度低下はより抑制される。 According to the third aspect of the invention , the contact area with the fluid is increased by the fins, so heat transfer from the fluid to the end plate is promoted, and the temperature drop of the end cell is further suppressed.
第4の発明によれば、排出冷媒は燃料電池セル内の反応熱によって昇温されており、しかも液体は熱交換率が高いので、エンドプレートをより効果的に暖めることができる。 According to the fourth invention , the temperature of the exhausted refrigerant is raised by the reaction heat in the fuel cell, and the liquid has a high heat exchange rate, so that the end plate can be warmed more effectively.
以下、図1乃至図4を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の燃料電池スタックは、例えば、燃料電池自動車に搭載される固体高分子型燃料電池に適用することができる。ただし、他の形式の燃料電池に適用することも勿論可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. The fuel cell stack of the present invention can be applied to, for example, a polymer electrolyte fuel cell mounted on a fuel cell vehicle. However, it is of course possible to apply to other types of fuel cells.
図4は燃料電池スタック1の全体構成を示す概略図である。燃料電池スタック1は、複数の燃料電池セル6を一方向に積層され、その積層方向の両端部にエンドプレート2,4を配置されて構成されている。燃料電池セル6は、図示は省略するが、水素イオン透過性の電解質膜がアノードとカソードで挟まれ、さらに、その両側を導電性のセパレータによって挟まれた構成を有している。両端のエンドプレート2,4は、燃料電池セル6の積層体を両側から締め付け固定するように、タイロッド等の図示しない締結部材によって互いに連結されている。なお、片方のエンドプレート2は二つの燃料電池スタック1を連結する連結部材としても機能している。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the overall configuration of the
燃料電池スタック1内には、燃料電池セル6での発電に必要な流体(水素、エア、及び冷媒)が流通するスタック内流路8が設けられている。図では省略しているが、スタック内流路8は水素、エア、冷媒のそれぞれに別々に設けられ、それらが混合しないようシールされている。水素とエアは各燃料電池セル6での発電に用いられ、冷媒は発電時の反応熱による温度上昇を抑制するために用いられる。スタック内流路8は、燃料電池セル6の両端部を燃料電池セル6の積層方向に貫いて延びる供給流路8a及び排出流路8cと、各燃料電池セル6に形成されて供給流路8aと排出流路8cを接続するセル流路8bとからなる。供給流路8aと排出流路8cはそれぞれエンドプレート2を介して燃料電池スタック1の外部に設けられたスタック外流路10に接続されている。スタック外流路10から供給流路8aに供給された流体は、供給流路8aから各燃料電池セル6のセル流路8bへ供給され、セル流路8bの通過中に発電や冷却に用いられた後、排出流路8cからスタック外流路10に排出される。
In the
スタック外流路10は、燃料電池スタック1に流体を供給する供給流路10aと、燃料電池スタック1から流体を排出する排出流路10bの2種類からなる。図では省略しているが、これらスタック外流路10も水素、エア、冷媒のそれぞれに別々に設けられている。従来、流体を供給、排出のための管路はエンドプレート2に対して略垂直に接続されていたが(例えば、特許文献1参照)、本実施形態の燃料電池スタック1では、少なくとも一部のスタック外流路10はエンドプレート2の側面に沿って設けられている。
The stack
図1及び図2を用いてスタック外流路(以下、単に流路と言い、スタック内流路8と区別するときのみスタック外流路と言う)10の基本構成について説明する。図1は流れに垂直な方向における断面図、図2は流れ方向における断面図である。図に示すように、エンドプレート2の側面には溝20が形成され、その溝20を覆うように蓋40が取り付けられている。溝20にはその形成方向に沿って複数のフィン22が設けられている。蓋40は溝20に沿って設けられた容積部42と、容積部42の縁を取り巻くように設けられたフランジ部44とからなり、樹脂等の熱伝導率の低い材料(一般に水素供給管に用いられている絶縁材でもよい)によって一体成型されている。容積部42は外に向かって膨らんでおり、溝20の形成方向に垂直な方向における断面形状が円弧状になるように形成されている。蓋40はフランジ部44を溝20の外縁に密着させた状態でエンドプレート2の側面に固定されている。このように溝20に蓋40が被せられることにより溝20と容積部42との間に密閉された空間ができ、この空間が流路10になっている。流路10とスタック内流路8とはエンドプレート2を貫通して形成された連通孔24によって接続されている。また、フランジ部44のエンドプレート2との接触面には溝48が形成されており、溝48内には流路10の密閉性を保つためのシール材46が埋設されている。シール材46としてはゴムパッキンの他、液体パッキンや接着剤を用いてもよい。
A basic configuration of a flow path outside the stack (hereinafter simply referred to as a flow path and referred to as a flow path outside the stack only when distinguished from the
エンドプレート2に設けられた溝20と蓋40によって流路10が構成されることで、流路10内の流体はエンドプレート2の側面に沿ってエンドプレート2に接しながら流れることになる。これにより、流路10内を流通する流体とエンドプレート2との間で熱交換が起こることになる。燃料電池スタック1では、供給エア、供給冷媒、排出水素、排出エア、及び排出冷媒が気温に比較して高温であるが、流路10がこれらのうち少なくとも一つの流路である場合には、流体からの熱供給によって低気温時におけるエンドプレート2の温度低下は抑制され、端セル6aの温度低下は抑制される。特に、冷媒が液体であり、流路10がその排出冷媒の流路である場合には、排出冷媒は燃料電池セル6内の反応熱によって昇温されており、しかも液体は熱交換率が高いので、エンドプレート2をより効果的に暖めることができる。
Since the
また、溝20にはフィン22が設けられているが、フィン22は流路10内におけるエンドプレート2と流体との接触面積を拡大させる。これにより、流体からエンドプレートへ2の伝熱が促進され、エンドプレート2の温度低下の抑制に大きな効果が得られる。さらに蓋20に関しては、その断面形状が円弧状に形成されることで容積に対する表面積を小さくするようにしており、蓋40から外気への放熱は抑えられている。したがって、本実施形態にかかる流路10の構成によれば、流路10内を流れる流体の有する熱を効率よくエンドプレート2に伝達することができる。また、外気への放熱が抑えられることで、流路10内を流れる流体自体の温度低下も抑制することができ、水分を含む流体であれば流路10内での結露を防止することができる。
In addition, although the
次に、図3を用いて本実施形態にかかる流路10の具体的な適用例について説明する。図3は本実施形態にかかるエンドプレート2の側面図であり、図4のA方向から見た図に相当している。図に示すように、エンドプレート2の両端部には3つの連通孔24a,24b,24cが同間隔で一列に形成され、中央部には3つの連通孔24d,24e,24fが同間隔で二列に形成されている。このうち、連通孔24a,24b,24c,24d,24eはエンドプレート2を貫通する貫通孔である。エンドプレート2の端部に形成された連通孔24a,24b,24cは燃料電池スタック1内の供給流路8a(図1参照)に通じる孔であり、中央部に形成された連通孔24d,24e,24fは燃料電池スタック1内の排出流路8c(図1参照)に通じる孔である。ここでは、連通孔24aは水素供給孔、連通孔24bはエア供給孔、連通孔24cは冷媒供給孔、連通孔24dは冷媒排出孔、連通孔24eはエア排出孔、連通孔24fは水素排出孔である。
Next, a specific application example of the
左右の水素供給孔24a間、エア供給孔24b間、冷媒供給孔24c間、冷媒排出孔24d間、及びエア排出孔24e間には、左右の孔をエンドプレート2の側面において接続するように、それぞれエンドプレート2の側面に沿って図示しない溝が形成されている。そして、各溝を覆うようにエンドプレート2の側面には蓋50,60a,60b,70,80がボスによって固定されている。このように溝を蓋50,60a,60b,70,80で覆うことで、蓋60aの下にはエアの供給流路10Bが形成され、蓋60bの下にはエアの排出流路10Eが形成されている。また、蓋70の下には冷媒の供給流路10Cが形成され、蓋80の下には冷媒の排出流路10Dが形成され、蓋50の下には水素の供給流路10Aが形成されている。
Between the left and right
蓋50,60a,70には、流体を供給流路10A,10B,10Cに供給するための供給口52,62,72が設けられ、蓋60b,80には、流体を排出流路10D,10Eから排出するための排出口64,82が設けられている。供給流路10A,10B,10Cは、供給口52,62,72から供給された流体を各供給孔24a,24b,24cに分配し、排出流路10D,10Eは各排出孔24d,24eから排出された流体を排出口64,82へ集合させる。
The
各蓋50,60a,60b,70,80には、図1及び図2に示す蓋40の構成が適用されている。ただし、隣接するエア供給流路10Bとエア排出流路10Eの各蓋60a,60bは一体成型されて一つの蓋60を構成しており、エア供給流路10Bとエア排出流路10Eとを区切るシール材(図示略)は二つの蓋60a,60bの間で共通化されている。このように、同種の流体同士であればその流路を隣接させることで蓋の一体化やシール材の共通化等が可能であり、部品点数を削減することができる。
The configuration of the
図1及び図2に示す流路10の構成は、エア供給流路10B、エア排出流路10E、冷媒供給流路10C、及び冷媒排出流路10Dにそのまま適用されている。これら流路10B,10C,10D,10Eはエンドプレート2の側面に沿って設けられるとともに、内部の溝の壁面には伝熱を促進するためのフィンが設けられている。供給エア、供給冷媒、供給エア、及び供給冷媒は、気温に比較して高温であるので、これらがエンドプレート2の側面に沿って流れることでエンドプレート2は暖められる。これにより、低気温時でも燃料電池セル6、特に、最も外側に位置する端セル6aの温度低下は抑制される。
The configuration of the
一方、水素供給流路10Aは、他の流路10B,10C,10D,10Eとは異なった構成が採られている。水素供給流路10Aはエンドプレート2の側面に沿って設けられていることでは共通するが、内部の溝の壁面にはフィンが設けられていない。これは、エンドプレート2からの熱伝達を抑えて端セルを保温し、端セル内での結露を防止するためである。なお、上述のエア供給流路10Bの構成は供給エアが乾燥エアであることを想定したものであるが、供給エアが水分を含む加湿エアの場合には結露を防止すべく水素供給流路10Aと同じようにフィンをなくしてもよい。
On the other hand, the
上記の各流路10A,10B,10C,10D,10Eがエンドプレート2の外側に設けられているのに対し、水素の排出流路10Fのみエンドプレート2の内部に形成されている。水素排出孔24fはエンドプレート2の燃料電池セル6側面からエンドプレート2の中央部まであけられており、左右の水素排出孔24fを結ぶように水素排出流路10Fが形成されている。水素排出流路10Fから外部へ水素を排出するための排出口92は、エンドプレート2の底面に形成されている。このように、エンドプレート2の内部に水素排出流路10Fが設けられることで、排出水素の熱がエンドプレート2に効率良く伝達されるとともに、エンドプレート2の底面に排出口92が形成されることで燃料電池スタック1の内部で生成された水の排水性が向上する。
While the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、エンドプレート2と蓋40,50,60a,60b,70,80を同一の溶着可能な樹脂で作製してもよい。これによれば、溶着によって固定とシールを同時に実現することができ、シール材や取り付けボスを削減することが可能になる。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the
また、実施の形態では、水素排出流路10Fをエンドプレート2の内部に形成しているが、他の流体と同様、排出水素もエンドプレート2の側面に沿って流れるように排出水素流路を形成してもよい。また、比較的低温の供給水素が流れる水素供給流路10Aに関しては、エンドプレート2から離して設けてもよい。図3に示す流路の配置や構成はあくまでも本発明を具体化する場合の一例であり、供給エア、供給冷媒、排出水素、排出エア、及び排出冷媒のうち少なくとも一つの流路がエンドプレート2の側面に沿って設けられていればよい。
In the embodiment, the hydrogen
1 燃料電池スタック
2,4 エンドプレート
6 燃料電池セル
8 流路(スタック内流路)
10 流路(スタック外流路)
10A 水素供給流路
10B エア供給流路
10C 冷媒供給流路
10D 冷媒排出流路
10E エア排出流路
10F 水素排出流路
20 溝
22 フィン
24 連通孔
40,50,60a,60b,70,80 蓋
46 シール材
52,水素供給口
62,エア供給口
72,冷媒供給口
82,冷媒排出口
64,エア排出口
92,水素排出口
DESCRIPTION OF
10 Flow path (flow path outside stack)
10A Hydrogen
Claims (4)
前記燃料電池スタックに供給されるエア、冷媒、或いは、前記燃料電池スタックから排出される水素、エア、冷媒のうち少なくとも一つの流路が前記燃料電池スタックのエンドプレートの側面に沿って設けられ、
前記流路は前記エンドプレートの側面に形成された溝と、断面形状が円弧状の蓋とから構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。 In a fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cells,
Air or refrigerant supplied to the fuel cell stack, or at least one flow path of hydrogen, air, or refrigerant discharged from the fuel cell stack is provided along the side surface of the end plate of the fuel cell stack ,
The fuel cell stack characterized in that the flow path is constituted by a groove formed on a side surface of the end plate and a lid having a circular cross section .
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