JP4826701B2

JP4826701B2 - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP4826701B2
Application number: JP2004089563A
Authority: JP
Inventors: 勉渡辺; 将克冨士松; 良一奥山
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005276685A

Description

本発明は、セパレータからメタノール-水等の液体燃料と空気とを、高分子固体電解質膜を備えたＭＥＡに供給して発電する直接液体供給形燃料電池スタック等に関する。この発明の燃料電池スタックは、例えば携帯電話やノートパソコン等の携帯形の電子機器の小形コンシューマ用電源や、野外電源、あるいは自動車用電源等に適している。 The present invention, methanol separator - the air liquid fuel, such as water, to a direct liquid feed fuel cell stack such that power is supplied to the MEA having a polymer solid electrolyte membrane. The fuel cell stack according to the present invention is suitable for a small consumer power source, a field power source, an automobile power source, etc. for portable electronic devices such as a mobile phone and a notebook computer.

直接液体供給形燃料電池では、３ｗｔ％程度の濃度のメタノール水溶液を燃料として発電する。燃料にはこれ以外にイソプロパノール-水やジメチルエーテル-水などの系を用いても良い。直接液体供給形燃料電池スタックでは、空気をブロワで強制供給し、燃料を燃料ポンプで強制供給する強制循環形のスタックが知られている。例えば特許文献１，２は、これらのスタックの組立について開示している。出願人はこれ以外に、空気をブロワで供給すると共にスタックを燃料タンク内に沈めて、燃料を自己拡散で供給する燃料自己拡散形のスタックを提案した(特許文献３)。またこの他に空気も燃料も自己拡散で供給するものがあるが、これは本発明とは関係がない。なおこの明細書では、直接液体供給形燃料電池を単に「燃料電池」ということがあり、直接液体供給形燃料電池スタックを単に「燃料電池スタック」ということがある。またブロワには吐出圧が１０ＫＭＰａ以下のものも含む。 In a direct liquid supply fuel cell, power is generated using a methanol aqueous solution having a concentration of about 3 wt% as fuel. In addition to this, a system such as isopropanol-water or dimethyl ether-water may be used as the fuel. As the direct liquid supply type fuel cell stack, a forced circulation type stack in which air is forcibly supplied by a blower and fuel is forcibly supplied by a fuel pump is known. For example, Patent Documents 1 and 2 disclose assembly of these stacks. In addition to this, the applicant has proposed a fuel self-diffusion type stack in which air is supplied by a blower and the stack is submerged in a fuel tank to supply fuel by self-diffusion (Patent Document 3). In addition, there are air and fuel supplied by self-diffusion, but this is not related to the present invention. In this specification, the direct liquid supply type fuel cell may be simply referred to as “fuel cell”, and the direct liquid supply type fuel cell stack may be simply referred to as “fuel cell stack”. The blower includes one having a discharge pressure of 10 KMPa or less.

強制循環形にせよ燃料自己拡散形にせよ、スタックには空気入口及び空気出口が必要である。強制循環形の場合、スタックの１端面に空気入口と排燃料出口を、反対側の端面に排空気出口と燃料入口とを設ける。また燃料自己拡散形の場合、スタックの１端面に空気入口を設け、反対側の端面に排空気出口を設ける。このためスタックの両端からパイプが伸びることになり、コンパクトにならない。
特開平９-９２３２４号公報特開２００１-１３５３４４号公報特願２００３-２０１８３１号明細書 Whether in forced circulation or fuel self-diffusion, the stack requires an air inlet and an air outlet. In the case of the forced circulation type, an air inlet and an exhaust fuel outlet are provided on one end face of the stack, and an exhaust air outlet and a fuel inlet are provided on the opposite end face. In the case of the fuel self-diffusion type, an air inlet is provided on one end face of the stack, and an exhaust air outlet is provided on the opposite end face. For this reason, pipes extend from both ends of the stack, and it is not compact.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-92324 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-135344 Japanese Patent Application No. 2003-201831

本発明の課題は、スタックへの空気入口と空気出口を一端面に集約できる、燃料電池スタックを提供することにある。
本発明の課題は、各ＭＥＡへ空気を均一に供給することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell stack in which an air inlet and an air outlet to the stack can be concentrated on one end face .
An object of the present invention is to uniformly supply air to each MEA.

この発明は、燃料極と空気極とを設けたＭＥＡを、セパレータを介して複数直列に接続し、かつセパレータから燃料と空気とをＭＥＡに供給し、さらに空気入口と空気出口とをスタックの同一端部に設けた燃料電池スタックであって、
前記各セパレータに、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールド、及び空気排出マニホールドを設けて、同種のマニホールドを互いに連通させ、前記セパレータでの、空気排出マニホールド及び空気折り返しマニホールドの断面積を、空気導入マニホールドの断面積よりも大きくし、
さらに空気を、スタックの空気入口から空気導入マニホールドを経て、スタックの奥部で空気折り返しマニホールドに導き、空気折り返しマニホールドから空気をＭＥＡに供給して、ＭＥＡからの排空気を空気排出マニホールドを介してスタックの空気出口へ導くようにしたことを特徴とする。 In the present invention, a plurality of MEAs provided with a fuel electrode and an air electrode are connected in series via a separator, fuel and air are supplied from the separator to the MEA, and an air inlet and an air outlet are the same in the stack. A fuel cell stack provided at an end,
Each separator is provided with an air introduction manifold, an air return manifold, and an air discharge manifold, and the same kind of manifolds are communicated with each other. The cross-sectional areas of the air discharge manifold and the air return manifold in the separator are determined by the air introduction manifold. Larger than the cross-sectional area,
Further, air is led from the air inlet of the stack through the air introduction manifold to the air folding manifold at the back of the stack, air is supplied from the air folding manifold to the MEA, and the exhaust air from the MEA is passed through the air discharge manifold. It is characterized by being guided to the air outlet of the stack.

またこの発明は、燃料極と空気極とを設けたＭＥＡを、セパレータを介して複数直列に接続し、かつセパレータから燃料と空気とをＭＥＡに供給し、さらに空気入口と空気出口とをスタックの同一端部に設けた燃料電池スタックであって、
前記各セパレータに、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールド、及び空気排出マニホールドを設けて、同種のマニホールドを互いに連通させ、前記セパレータでの、空気導入マニホールド及び空気折り返しマニホールドの断面積を、空気排出マニホールドの断面積よりも大きくし、
さらに空気をスタックの空気入口から空気導入マニホールドを経てＭＥＡに供給し、かつＭＥＡからの排空気を空気折り返しマニホールドによりスタックの奥部へ導き、スタックの奥部で排空気を空気排出マニホールドに導き、空気排出マニホールドからスタックの空気出口へ導くようにしたことを特徴とする。
In the present invention, a plurality of MEAs provided with a fuel electrode and an air electrode are connected in series via a separator, fuel and air are supplied from the separator to the MEA, and an air inlet and an air outlet are connected to the stack. A fuel cell stack provided at the same end,
Each separator is provided with an air introduction manifold, an air return manifold, and an air discharge manifold, and the same kind of manifolds communicate with each other. The cross-sectional areas of the air introduction manifold and the air return manifold in the separator are determined by the air discharge manifold. Larger than the cross-sectional area,
Further, air is supplied from the air inlet of the stack to the MEA through the air introduction manifold, and exhaust air from the MEA is guided to the back of the stack by the air folding manifold, and exhaust air is guided to the air discharge manifold at the back of the stack, It is characterized in that it is led from the air discharge manifold to the air outlet of the stack.

この発明では、セパレータに空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドと空気排出マニホールドを設ける。この結果、セパレータでの空気用のマニホールドは３本となる。
好ましくは、セパレータの第１の周辺部に空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを設けると共に、第１の周辺部とは異なるセパレータの周辺部に空気排出マニホールドを設けると共に、スタックの空気入口と排空気出口とは反対側の端部で、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを連通させる。 In the present invention, the separator is provided with an air introduction manifold, an air return manifold, and an air discharge manifold. As a result, there are three manifolds for air in the separator.
Preferably, an air introduction manifold and an air return manifold are provided in the first peripheral portion of the separator, an air discharge manifold is provided in the peripheral portion of the separator different from the first peripheral portion, and the air inlet and exhaust air of the stack are provided. The air introduction manifold and the air return manifold communicate with each other at the end opposite to the outlet.

強制循環形の直接液体供給形燃料電池スタックの場合、セパレータに空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールド及び空気排出マニホールドを設けると共に、好ましくはさらにセパレータに燃料導入マニホールドと燃料折り返しマニホールド及び燃料排出マニホールドを設ける。この結果、セパレータでのマニホールドは合計６本となる。
好ましくは、セパレータの第１の周辺部に空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを設け、かつ第１の周辺部とは異なるセパレータの周辺部に空気排出マニホールドを設け、さらにセパレータの第２の周辺部に燃料導入マニホールドと燃料折り返しマニホールドとを設け、かつ第２の周辺部とは異なるセパレータの周辺部に燃料排出マニホールドを設ける。そしてスタックの空気入口と排空気出口、及び燃料入口と排燃料出口とは反対側の端部で、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを連通させると共に、燃料導入マニホールドと燃料折り返しマニホールドとを連通させる。 If forced circulation type direct liquid feed fuel cell stack, Rutotomoni provided an air inlet manifold and air folded manifold and the air discharge manifold to the separator, preferably further provided with a fuel inlet manifold and the fuel folded manifold and fuel exhaust manifold to the separator . As a result, there are a total of six manifolds in the separator.
Preferably, an air introduction manifold and an air folding manifold are provided in the first peripheral portion of the separator, an air discharge manifold is provided in the peripheral portion of the separator different from the first peripheral portion, and the second peripheral portion of the separator is further provided. A fuel introduction manifold and a fuel turn-back manifold are provided, and a fuel discharge manifold is provided in a peripheral portion of the separator different from the second peripheral portion. The air inlet manifold and the air return manifold communicate with each other at the end opposite to the air inlet and exhaust air outlet of the stack and the fuel inlet and exhaust fuel outlet, and the fuel introduction manifold and the fuel return manifold communicate with each other. .

強制循環形でも燃料自己拡散形でも好ましくは、セパレータでの空気排出マニホールド及び空気折り返しマニホールドの断面積を、空気導入マニホールドの断面積よりも大きくする。また強制循環形の場合、好ましくは、セパレータでの、燃料排出マニホールド及び燃料折り返しマニホールドの断面積を、燃料導入マニホールドの断面積よりも大きくする。 Preferably, the forced circulation type or the fuel self-diffusion type is set so that the cross-sectional area of the air discharge manifold and the air return manifold in the separator is larger than the cross-sectional area of the air introduction manifold. In the case of the forced circulation type, preferably, the cross-sectional areas of the fuel discharge manifold and the fuel return manifold in the separator are made larger than the cross-sectional area of the fuel introduction manifold.

なおこの明細書において、ＭＥＡはプロトン導電性や水酸イオン導電性などの高分子固体電解質膜とその両面の燃料極及び空気極からなる３層のＭＥＡや、高分子固体電解質膜の両面の両極の外側にカーボンシートなどを加えた５層のＭＥＡ等とする。セパレータは、例えば炭素と樹脂の混合物の成形体とするが、材質は任意である。周辺部は、セパレータの中心と対比して、セパレータの縁の付近の個所を意味する。 Note in this specification, MEA is or MEA for a solid polymer electrolyte membrane 3 layers of both sides of the fuel electrode and the air electrode, such as proton conductivity and hydroxide ion conductivity, for both sides of the solid polymer electrolyte membrane poles A 5-layer MEA or the like in which a carbon sheet or the like is added to the outside is used. The separator is, for example, a molded body of a mixture of carbon and resin, but the material is arbitrary. The peripheral portion means a portion near the edge of the separator as compared with the center of the separator.

空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを設けた第１の周辺部と、空気排出マニホールドを設けた周辺部とは、例えばセパレータでの対向する周辺部であるが、異なる周辺部であればよい。同様に燃料導入マニホールドと燃料折り返しマニホールドとを設けた第２の周辺部と、燃料排出マニホールドを設けた周辺部も、セパレータの異なる周辺部であればよい。また実施例では、燃料排出マニホールドを設けた周辺部と、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを設けた第１の周辺部は同じ周辺部である。同様に、空気排出マニホールドを設けた周辺部と、燃料導入マニホールドと燃料折り返しマニホールドとを設けた第２の周辺部は同じ周辺部である。しかしこれに限るものではない。例えばセパレータの上下２辺と左右２辺とを、マニホールドの配置に用いても良い。 The first peripheral portion provided with the air introduction manifold and the air return manifold and the peripheral portion provided with the air discharge manifold are, for example, the peripheral portions facing each other in the separator, but may be different peripheral portions. Similarly, the second peripheral portion provided with the fuel introduction manifold and the fuel return manifold and the peripheral portion provided with the fuel discharge manifold may be peripheral portions having different separators. In the embodiment, the peripheral portion provided with the fuel discharge manifold and the first peripheral portion provided with the air introduction manifold and the air return manifold are the same peripheral portion. Similarly, the peripheral part provided with the air discharge manifold and the second peripheral part provided with the fuel introduction manifold and the fuel return manifold are the same peripheral part. However, it is not limited to this. For example, the upper and lower sides and the left and right sides of the separator may be used for the arrangement of the manifold.

本発明では、燃料電池スタックの一端部に空気入口と空気出口を集約できるので、コンパクトにできる。設計によってはマニホールドの折り返し部がスタックから僅かに突き出すことがあるが、さしてスペースを占めない。 In the present invention, since the air inlet and the air outlet can be concentrated at one end of the fuel cell stack, the fuel cell stack can be made compact . Depending on the design, the folded portion of the manifold may protrude slightly from the stack, but does not take up space .

空気入口と排空気出口をスタックの同一端部に集約するため、セパレータに空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドと空気排出マニホールドの、３本の空気用のマニホールドを設ける。そして空気折り返しマニホールドからＭＥＡを介して空気排出マニホールドへと空気を流すと、スタックの奧と手前側でほぼ均一に空気を供給できる。また空気導入マニホールドからＭＥＡを介して空気折り返しマニホールドへと空気を流しても、同様にスタックの奧と手前側でほぼ均一に空気を供給できる。 In order to consolidate the air inlet and the exhaust air outlet at the same end of the stack , the separator is provided with three manifolds for air: an air introduction manifold, an air folding manifold, and an air discharge manifold. When air is allowed to flow from the air return manifold to the air discharge manifold via the MEA, the air can be supplied substantially uniformly on the stack side and the front side. Further, even if air is allowed to flow from the air introduction manifold to the air folding manifold via the MEA, air can be supplied substantially uniformly on the heel and front side of the stack.

これらのマニホールドの配置では、好ましくはセパレータの第１の周辺部に、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを設けると共に、セパレータの他の周辺部に空気排出マニホールドを設け、さらにスタックの空気入口と排空気出口とは反対側の端部で、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを連通させる。すると、空気導入マニホールドで予熱した空気を、空気折り返しマニホールドからＭＥＡへ供給できる。
同様に、強制循環形の場合、セパレータに、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドと空気排出マニホールド、並びに燃料導入マニホールドと燃料折り返しマニホールドと燃料排出マニホールドの、合計６本のマニホールドを設け、燃料電池スタックの同一端部に簡単に空気入口や燃料入口と排空気出口や排燃料出口を集約できる。 In the arrangement of these manifolds, an air introduction manifold and an air folding manifold are preferably provided in the first peripheral portion of the separator, an air discharge manifold is provided in the other peripheral portion of the separator, and the air inlet and exhaust of the stack are further provided. The air introduction manifold and the air return manifold communicate with each other at the end opposite to the air outlet. Then, the air preheated by the air introduction manifold can be supplied from the air return manifold to the MEA.
Similarly, in the case of the forced circulation type, the separator is provided with a total of six manifolds including an air introduction manifold, an air return manifold, an air discharge manifold, and a fuel introduction manifold, a fuel return manifold, and a fuel discharge manifold. The air inlet, fuel inlet, exhaust air outlet, and exhaust fuel outlet can be easily integrated at the same end.

ここでセパレータの第１の周辺部に、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを設けると共に、セパレータの他の周辺部に空気排出マニホールドを設け、セパレータの第２の周辺部に、燃料導入マニホールドと燃料折り返しマニホールドとを設け、かつセパレータの第２の周辺部以外の周辺部に燃料排出マニホールドを設け、スタックの空気入口と排空気出口、及び燃料入口と排燃料出口とは反対側の端部で、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを連通させると共に、燃料導入マニホールドと燃料折り返しマニホールドとを連通させると、予熱した空気と燃料を折り返しマニホールドからＭＥＡに供給できる。これらのため、低温の空気や燃料でＭＥＡの活性を低下させることを防止できる。 Here, an air introduction manifold and an air return manifold are provided in the first peripheral portion of the separator, an air discharge manifold is provided in the other peripheral portion of the separator, and the fuel introduction manifold and the fuel are provided in the second peripheral portion of the separator. A return manifold, and a fuel discharge manifold in a peripheral portion other than the second peripheral portion of the separator, at the end of the stack opposite to the air inlet and exhaust air outlet, and the fuel inlet and exhaust fuel outlet, When the air introduction manifold and the air return manifold communicate with each other and the fuel introduction manifold and the fuel return manifold communicate with each other, preheated air and fuel can be supplied from the return manifold to the MEA. For these reasons, it is possible to prevent the activity of MEA from being lowered by low-temperature air or fuel.

さらにセパレータでの、空気排出マニホールド及び空気折り返しマニホールドの断面積を、空気導入マニホールドの断面積よりも、例えば各々３０％以上大きくする。このようにして、空気導入マニホールドでの圧損を比較的大きく、空気排出マニホールド及び空気折り返しマニホールドでの圧損を比較的小さくする。セパレータの空気流路には、空気折り返しマニホールドと空気排出マニホールドとの間の圧力が加わり、これらのマニホールドでの圧力勾配を小さくし、空気流路に加わる圧力をスタックの手前と奧とで均一に近づけ、空気供給を均一にする。 Further, the cross-sectional areas of the air discharge manifold and the air turn-back manifold in the separator are each made, for example, 30% or more larger than the cross-sectional area of the air introduction manifold. In this way, the pressure loss at the air introduction manifold is relatively large, and the pressure loss at the air discharge manifold and the air return manifold is relatively small. The pressure between the air return manifold and the air discharge manifold is applied to the air flow path of the separator, reducing the pressure gradient in these manifolds, so that the pressure applied to the air flow path is uniform between the front and the stack of the stack. Approach and make the air supply uniform.

同様にセパレータでの、燃料排出マニホールド及び燃料折り返しマニホールドの断面積を、燃料導入マニホールドの断面積よりも例えば各々３０％以上大きくする。このことにより、燃料導入マニホールドでの圧損を比較的大きくし、燃料排出マニホールド及び燃料折り返しマニホールドでの圧損を比較的小さくする。セパレータの燃料流路には、燃料折り返しマニホールドと燃料排出マニホールドとの間の圧力が加わり、これらのマニホールドでの圧力勾配を小さくし、燃料流路に加わる圧力をスタックの手前と奧とで均一に近づけて、燃料供給を均一にできる。 Similarly, the cross-sectional areas of the fuel discharge manifold and the fuel return manifold in the separator are each made, for example, 30% or more larger than the cross-sectional area of the fuel introduction manifold. As a result, the pressure loss in the fuel introduction manifold is relatively large, and the pressure loss in the fuel discharge manifold and the fuel return manifold is relatively small. The pressure between the fuel return manifold and the fuel discharge manifold is applied to the fuel flow path of the separator, the pressure gradient in these manifolds is reduced, and the pressure applied to the fuel flow path is made uniform between the front and the stack of the stack. The fuel supply can be made uniform by approaching.

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。 In the following, an optimum embodiment for carrying out the present invention will be shown.

図１〜図９を参照して実施例を示す。図１に強制循環形の燃料電池スタック２を示すと、４は炭素材を樹脂バインダーで成形したセパレータで、５は端部のセパレータである。６はＭＥＡで、Nafion１１７膜(Nafionはデュポン社の登録商標)などのプロトン導電性高分子固体電解質膜の一面にＰｔ-Ｒｕ-Ｃ-ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)-Nafionなどの燃料極を設け、他面にＰｔ-Ｃ-ＰＴＦＥ-Nafionなどの空気極を設けると共に、例えば空気極と燃料極との外側に炭素シート等の導電性膜を設けたものである。８はパッキングで、ＭＥＡ６を保持し、１０は出力を取り出すための端子板で、１２は絶縁シートで、１４はエンドプレートである。セパレータ４,４間等にＭＥＡ６を挟み込むように、セパレータ４やＭＥＡ６が複数枚積層され、燃料電池スタック２の反対側の端部にも同様にセパレータ５,端子板１０,絶縁シート１２,エンドプレート１４を設ける。燃料電池スタック２の一端部に、空気入口１６と排空気出口１８並びに燃料入口２０,排燃料出口２２を集約する。また２４はボルト穴で、燃料電池スタック２の締結用のボルトを挿入して、エンドプレート１４間を図示しないボルトとナットで締結する。 An embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a forced circulation fuel cell stack 2, 4 is a separator formed by molding a carbon material with a resin binder, and 5 is an end separator. 6 is MEA, and a fuel electrode such as Pt-Ru-C-PTFE (polytetrafluoroethylene) -Nafion is provided on one surface of a proton conductive polymer solid electrolyte membrane such as Nafion 117 membrane (Nafion is a registered trademark of DuPont). In addition, an air electrode such as Pt-C-PTFE-Nafion is provided on the other surface, and a conductive film such as a carbon sheet is provided outside the air electrode and the fuel electrode, for example. 8 is a packing, holding MEA 6, 10 is a terminal board for taking out an output, 12 is an insulating sheet, and 14 is an end plate. A plurality of separators 4 and MEAs 6 are stacked so that the MEA 6 is sandwiched between the separators 4 and 4, and the separator 5, the terminal plate 10, the insulating sheet 12, and the end plate are similarly formed on the opposite end of the fuel cell stack 2. 14 is provided. The air inlet 16, the exhaust air outlet 18, the fuel inlet 20, and the exhaust fuel outlet 22 are gathered at one end of the fuel cell stack 2. Reference numeral 24 denotes a bolt hole for inserting a bolt for fastening the fuel cell stack 2 and fastening between the end plates 14 with a bolt and a nut (not shown).

図２に、セパレータの空気極側表面４ａと燃料極側表面４ｆとを示す。なお空気極側表面４ａと燃料極側表面４ｆとでは、左右が逆転して見えている。表面４ａ,４ｆの例えば四周(４つの周辺部)には、ボルト穴２４が設けられ、左右一方の周辺部の例えば中央位置に、空気導入マニホ-ルド３２が設けられ、例えば同じ周辺部の下側に空気折り返しマニホールド３３が設けてある。マニホールド３２,３３を設けた周辺部とは反対側の周辺部の上部に、空気排出マニホールド３４が設けてあり、排空気と水蒸気などを排出する。 FIG. 2 shows the air electrode side surface 4a and the fuel electrode side surface 4f of the separator. It should be noted that the air electrode side surface 4a and the fuel electrode side surface 4f appear to be reversed left and right. Bolt holes 24 are provided in, for example, the four circumferences (four peripheral portions) of the surfaces 4a and 4f, and an air introduction manifold 32 is provided in, for example, the central position of one of the left and right peripheral portions. On the side, an air folding manifold 33 is provided. An air discharge manifold 34 is provided at the upper portion of the peripheral portion opposite to the peripheral portion where the manifolds 32 and 33 are provided, and discharges exhaust air and water vapor.

マニホールド３２とは反対側のマニホールドの例えば中央部付近に、燃料導入マニホールド３６が設けられ、同じ周辺部でその下部に、燃料折り返しマニホールド３７を設けてある。そしてマニホールド３２を設けた周辺部の例えば上部に、燃料排出マニホールド３８を設けてある。空気折り返しマニホールド３３から空気排出マニホールド３４へと、空気極側表面４ａに溝状の空気流路３９が設けられている。また燃料折り返しマニホールド３７は、燃料極側表面４ｆに設けた燃料流路４０を介して、燃料排出マニホールド３８へと接続され、排燃料とＣＯ2などを排出する。 A fuel introduction manifold 36 is provided, for example, in the vicinity of the central portion of the manifold opposite to the manifold 32, and a fuel return manifold 37 is provided in the lower portion of the same peripheral portion. A fuel discharge manifold 38 is provided at, for example, the upper part of the peripheral portion where the manifold 32 is provided. A groove-like air flow path 39 is provided on the air electrode side surface 4 a from the air turn-back manifold 33 to the air discharge manifold 34. The fuel return manifold 37 is connected to a fuel discharge manifold 38 via a fuel flow path 40 provided on the fuel electrode side surface 4f, and discharges exhaust fuel, CO2, and the like.

図３に、燃料電池スタック２での燃料の流れを実線で、空気の流れを破線で示すと、導入された空気は空気導入マニホールド３２で予熱され、空気折り返しマニホールド３３で流れ方向を折り返して、空気流路３９から空気排出マニホールド３４へと流れる。また燃料は、燃料導入マニホールド３６で予熱され、燃料折り返しマニホールド３７から燃料流路４０を経て、燃料排出マニホールド３８へと流れる。ここで、空気導入マニホールド３２での空気の予熱、燃料導入マニホールド３６での燃料の予熱は、空気や燃料を供給する流速を小さくすると、燃料電池の好ましい動作温度(たとえば約７０℃)に近づけることができる。逆に、流速を大きくすると、燃料電池の好ましい動作温度より低い温度にしかならず、導入のためのエネルギーも増大する。このため、これらの要因を考慮して流速を定めるのがよい。そして、燃料電池スタック２の一端部に、燃料や空気の出し入れのための配管を集約でき、コンパクトになる。なお図１の反対側の端部では、エンドプレート１４から突き出す短い配管により、空気導入マニホールドと空気折り返しマニホールドとを連通させ、同様に燃料導入マニホールドと燃料折り返しマニホールドとを連通させてもよい。しかし反対側の端部で、端子板１０やエンドプレート１４等に溝や穴を設けて、燃料や空気の導入マニホールドと折り返しマニホールドとを連通させると、よりコンパクトになる。 In FIG. 3, when the fuel flow in the fuel cell stack 2 is indicated by a solid line and the air flow is indicated by a broken line, the introduced air is preheated by the air introduction manifold 32, and the flow direction is folded by the air folding manifold 33. It flows from the air flow path 39 to the air discharge manifold 34. The fuel is preheated by the fuel introduction manifold 36 and flows from the fuel return manifold 37 to the fuel discharge manifold 38 through the fuel flow path 40. Here, the preheating of the air in the air introduction manifold 32 and the preheating of the fuel in the fuel introduction manifold 36 bring the fuel cell closer to a preferable operating temperature (for example, about 70 ° C.) when the flow rate of supplying air or fuel is reduced. Can do. Conversely, when the flow rate is increased, the temperature becomes lower than the preferred operating temperature of the fuel cell, and the energy for introduction also increases. For this reason, it is preferable to determine the flow velocity in consideration of these factors. And the piping for taking in and out of fuel and air can be integrated in the one end part of the fuel cell stack 2, and it becomes compact. 1, the air introduction manifold and the air return manifold may be communicated with each other by a short pipe projecting from the end plate 14, and the fuel introduction manifold and the fuel return manifold may be similarly communicated. However, if a groove or a hole is provided in the terminal plate 10, the end plate 14 or the like at the end on the opposite side, and the fuel or air introduction manifold and the return manifold communicate with each other, it becomes more compact.

空気極に供給される空気は、少なくとも空気導入マニホールド３２で予熱されているので、冷たい空気が直接空気極に供給され、空気極の活性を低下させることがない。また燃料も燃料導入マニホールド３６で予熱された後に燃料極に供給されるので、冷たい燃料により燃料極が冷却されることがない。しかしながら、燃料電池スタック２の運転を継続すると、図示しない燃料タンク全体が暖められるような場合、液体燃料の予熱の効果は空気の予熱に比べて小さい。 Since the air supplied to the air electrode is preheated at least by the air introduction manifold 32, cold air is directly supplied to the air electrode, and the activity of the air electrode is not reduced. In addition, since the fuel is preheated by the fuel introduction manifold 36 and then supplied to the fuel electrode, the fuel electrode is not cooled by the cold fuel. However, when the operation of the fuel cell stack 2 is continued, when the entire fuel tank (not shown) is warmed, the effect of preheating the liquid fuel is smaller than that of air.

実施例では、導入マニホールド３２,３６の断面積を、折り返しマニホールド３３,３７や排出マニホールド３４,３８の断面積よりも小さくした。例えば、空気折り返しマニホールド３３と空気排出マニホールド３４は同じ断面積とし、空気導入マニホールド３２の断面積は、マニホールド３３,３４の２５％〜１００％とし、好ましくは３０％程度とする。同様に、燃料折り返しマニホールド３７と燃料排出マニホールド３８とは例えば同じ断面積とし、燃料導入マニホールド３６の断面積はこれらの断面積の２５％〜１００％とし、好ましくは３０％程度とする。 In the embodiment, the cross-sectional areas of the introduction manifolds 32 and 36 are made smaller than the cross-sectional areas of the folding manifolds 33 and 37 and the discharge manifolds 34 and 38. For example, the air return manifold 33 and the air discharge manifold 34 have the same cross-sectional area, and the cross-sectional area of the air introduction manifold 32 is 25% to 100% of the manifolds 33 and 34, preferably about 30%. Similarly, the fuel return manifold 37 and the fuel discharge manifold 38 have the same cross-sectional area, for example, and the cross-sectional area of the fuel introduction manifold 36 is 25% to 100%, preferably about 30% of these cross-sectional areas.

セパレータ４では、合計６本のマニホールド３２〜３８を設けるので、マニホールドの断面積に限界が生じる。そこで空気導入用や燃料導入用のマニホールドの断面積を小さくし、空気や燃料の折り返し用や排出用のマニホールドの断面積を大きくすると、圧力損失を導入用のマニホールドに集中させ、折り返し用のマニホールドや排出用のマニホールドでの圧力勾配を小さくできる。従って、空気流路３９や燃料流路４０の両端間の圧力差をほぼ一定に近づけることができ、複数枚のＭＥＡに対して均一に燃料や空気を供給できる。図４に、燃料電池スタック２での空気の流れについて、各部での圧力を示す。燃料の場合も同様である。 In the separator 4, a total of six manifolds 32 to 38 are provided, so a limit is imposed on the cross-sectional area of the manifold. Therefore, if the cross-sectional area of the air introduction / fuel introduction manifold is reduced and the cross-section area of the air / fuel return / discharge manifold is increased, the pressure loss is concentrated on the introduction manifold, and the return manifold And the pressure gradient in the discharge manifold can be reduced. Therefore, the pressure difference between both ends of the air flow path 39 and the fuel flow path 40 can be made almost constant, and fuel and air can be supplied uniformly to a plurality of MEAs. FIG. 4 shows the pressure in each part of the air flow in the fuel cell stack 2. The same applies to fuel.

比較のために、図５に従来の直接液体供給形燃料電池スタック５２を示す。燃料電池スタック５２の一端部に空気入口１６と排燃料出口２２があり、反対側の端部には排空気出口と燃料入口がある。またセパレータに設けるマニホールドは、燃料導入用と燃料排出用並びに空気導入用と空気排出用の合計４本である。図６の(１)に実施例での燃料の流れを示し、(２)に図５の従来例での燃料の流れを示すと、実施例では燃料は燃料導入マニホールド３６を流れる間に予熱され、且つこの部分での圧力損失は比較的大きく、燃料折り返しマニホールド３７から燃料流路４０を介して燃料排出マニホールド３８へと流れる。そしてマニホールド３７,３８での圧力損失に対して燃料流路４０での圧力損失を大きくすることによって、各ＭＥＡの燃料極間で燃料の供給が均一にできる。これらの点は、空気の場合も同様である。これに対して従来例では、燃料や空気の入口と排燃料や排空気の出口とが、各々燃料電池スタックの別方向に現れ、入口付近のＭＥＡには、マニホールド３６から予熱されていない燃料や空気が供給される。 For comparison, a conventional direct liquid supply fuel cell stack 52 is shown in FIG. The fuel cell stack 52 has an air inlet 16 and an exhaust fuel outlet 22 at one end, and an exhaust air outlet and a fuel inlet at the opposite end. The separator is provided with a total of four manifolds for fuel introduction and fuel discharge, and for air introduction and air discharge. FIG. 6 (1) shows the flow of fuel in the embodiment, and (2) shows the flow of fuel in the conventional example of FIG. 5, in which the fuel is preheated while flowing through the fuel introduction manifold 36. The pressure loss in this portion is relatively large and flows from the fuel return manifold 37 to the fuel discharge manifold 38 via the fuel flow path 40. By increasing the pressure loss in the fuel flow path 40 relative to the pressure loss in the manifolds 37 and 38, the fuel can be supplied uniformly between the fuel electrodes of each MEA. These points are the same in the case of air. On the other hand, in the conventional example, the fuel and air inlets and the exhaust fuel and exhaust air outlets appear in different directions of the fuel cell stack, respectively. Air is supplied.

図７〜図９に、燃料自己拡散形の直接液体供給形燃料電池スタック６０を示す。図において、６２は炭素質等のセパレータで、その一面に空気流路６４が設けられ、他面には燃料流路６６がセパレータ６２の下から上へと貫通する溝として設けてある。６９はパッキングで、ＭＥＡ６８を挟み込み、７０は空気導入マニホールド、７１は空気折り返しマニホールド、７２は空気排出マニホールドである。空気導入マニホールド７０の断面積は、空気折り返しマニホールド７１の断面積の例えば２５％〜１００％とし、好ましくは３０％程度とする。 7 to 9 show a fuel self-diffusion type direct liquid supply fuel cell stack 60. FIG. In the figure, 62 is a separator made of carbon or the like, and an air flow path 64 is provided on one surface thereof, and a fuel flow path 66 is provided on the other surface as a groove penetrating from the bottom to the top of the separator 62. Reference numeral 69 denotes packing, which sandwiches the MEA 68, 70 is an air introduction manifold, 71 is an air folding manifold, and 72 is an air discharge manifold. The cross-sectional area of the air introduction manifold 70 is, for example, 25% to 100%, preferably about 30% of the cross-sectional area of the air folding manifold 71.

図８は、図７の燃料電池スタック６０の完成状態を示し、７４は空気入口、７６は排空気出口で、これらはスタックの同一端部にあり、スタックの反対側端部に折り返しパイプ７７,７８を設けて、これを連通させる。図では折り返しパイプ７７,７８がスタック６０から外に露出しているが、折り返し部分をスタック６０内に設けるのが好ましい。 FIG. 8 shows the completed state of the fuel cell stack 60 of FIG. 7, wherein 74 is an air inlet and 76 is an exhaust air outlet, which are at the same end of the stack and are connected to the return pipe 77, 78 is provided for communication. Although the folded pipes 77 and 78 are exposed to the outside from the stack 60 in the drawing, it is preferable that the folded portion is provided in the stack 60.

図９に、燃料電池スタック６０を用いた燃料電池システムの例を示す。燃料電池スタック６０は、燃料タンク８０内に沈められ、８１は水-メタノール等の液体燃料で、８２は空気供給用のブロワ、８４は排空気出口に接続したラジエターで、ファン８５はオン／オフ自在である。８６は気液分離器で、図示しない気液分離膜等により排空気中の水と気体とを分離する。８８は高濃度燃料を収容した燃料カセットで、８９は回収部で、９０は高濃度燃料タンク、９１は気液分離膜である。９２は高濃度燃料ポンプで、９４は制御部、９６はレベルセンサ、９７は温度センサ、９８は濃度センサで、液体燃料８１中の燃料濃度を検出する。 FIG. 9 shows an example of a fuel cell system using the fuel cell stack 60. The fuel cell stack 60 is submerged in a fuel tank 80, 81 is a liquid fuel such as water-methanol, 82 is a blower for supplying air, 84 is a radiator connected to an exhaust air outlet, and a fan 85 is turned on / off. It is free. A gas-liquid separator 86 separates water and gas in the exhausted air by a gas-liquid separation membrane or the like (not shown). Reference numeral 88 denotes a fuel cassette containing high-concentration fuel, 89 is a recovery unit, 90 is a high-concentration fuel tank, and 91 is a gas-liquid separation membrane. 92 is a high concentration fuel pump, 94 is a control unit, 96 is a level sensor, 97 is a temperature sensor, and 98 is a concentration sensor, and detects the fuel concentration in the liquid fuel 81.

図９のシステムでは、空気入口７４と排空気出口７６とを同じ面に揃えられるので、ブロワ８２とラジエター８４とを同じ側に配置でき、全体がコンパクトになる。レベルセンサ９６で液体燃料８１の液面を検査し、液面が低下すると、ファン８５をオンさせて、気液分離器８６での液体回収量を増して、回収した液体を燃料タンク８０中に戻す。これ以外の場合、ファン８５は例えばオフとする。回収部８９に回収された排空気等のうち、気体成分は気液分離膜９１を介して外部に放出され、液体成分を回収部８９に回収する。また濃度センサ９８で液体燃料８１の濃度を監視し、高濃度燃料タンク９０より高濃度燃料を補給する。さらに温度センサ９７により液体燃料８１の温度を監視し、ブロワ８２からの空気の送風量や、液体燃料８１の濃度等をフィードバック制御する。 In the system of FIG. 9, since the air inlet 74 and the exhaust air outlet 76 can be arranged on the same surface, the blower 82 and the radiator 84 can be arranged on the same side, and the whole becomes compact. When the liquid level of the liquid fuel 81 is inspected by the level sensor 96 and the liquid level is lowered, the fan 85 is turned on to increase the liquid recovery amount in the gas-liquid separator 86 and the recovered liquid is put into the fuel tank 80. return. In other cases, the fan 85 is turned off, for example. Of the exhausted air and the like collected by the collection unit 89, the gas component is released to the outside through the gas-liquid separation membrane 91, and the liquid component is collected by the collection unit 89. The concentration sensor 98 monitors the concentration of the liquid fuel 81 and replenishes the high concentration fuel from the high concentration fuel tank 90. Further, the temperature of the liquid fuel 81 is monitored by the temperature sensor 97, and the amount of air blown from the blower 82, the concentration of the liquid fuel 81, and the like are feedback controlled.

実施例では空気や燃料の導入用マニホールドと折り返し用マニホールドを連通させたが、導入用マニホールドからＭＥＡへ空気や燃料を供給し、さらにＭＥＡから排出した排空気や排燃料を折り返し用マニホールドに回収し、折り返し用マニホールドと排出用マニホールドとを連通させても良い。 In the embodiment, the air and fuel introduction manifold and the return manifold are communicated, but air and fuel are supplied from the introduction manifold to the MEA, and exhaust air and exhaust fuel discharged from the MEA are collected in the return manifold. The folding manifold and the discharge manifold may be communicated with each other.

実施例では以下の効果が得られる。
(1) 燃料電池スタックへの配管をその一端部に集約できる。またスタックの上下や側面を走る配管は不要である。
(2) 予熱した空気や燃料をＭＥＡに供給できる。
(3) マニホールドでの圧力損失を導入用のマニホールドに集中させ、折り返し用や排出用のマニホールドでの圧力勾配を小さくできる。
(4) セパレータの流路に加わる圧力は、セパレータが異なってもほぼ均一にできる。
In the embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Piping to the fuel cell stack can be concentrated at one end. Also, piping running on the top and bottom and sides of the stack is not necessary.
(2) Preheated air and fuel can be supplied to the MEA.
(3) Pressure loss in the manifold can be concentrated on the introduction manifold, and the pressure gradient in the return and discharge manifolds can be reduced.
(4) The pressure applied to the separator flow path can be made almost uniform even if the separator is different.

強制循環形の実施例での、燃料電池スタックとその分解状態とを示す斜視図The perspective view which shows a fuel cell stack and its decomposition | disassembly state in the Example of a forced circulation type 図１の実施例で用いたセパレータの平面図Plan view of the separator used in the embodiment of FIG. 図１の実施例での燃料(実線)と空気(破線)との流れを模式的に示す平面図FIG. 1 is a plan view schematically showing the flow of fuel (solid line) and air (dashed line) in the embodiment of FIG. 図１のスタックでの空気の圧力勾配を模式的に示す図The figure which shows typically the pressure gradient of the air in the stack | stuck of FIG. 強制循環形の従来例の燃料電池スタックとその分解状態とを示す斜視図A perspective view showing a conventional fuel cell stack of forced circulation type and its disassembly state 実施例と従来例とでの、燃料や空気の流れの違いを模式的に示す平面図で、(1)は図１の実施例での燃料や空気の流れを、(2)は従来例での流れを示す。FIG. 2 is a plan view schematically showing the difference in flow of fuel and air between the embodiment and the conventional example. (1) shows the flow of fuel and air in the embodiment of FIG. 1, and (2) shows the conventional example. Shows the flow. 燃料自己拡散形の実施例での、燃料電池スタックの分解状態を示す斜視図The perspective view which shows the decomposition | disassembly state of a fuel cell stack in the Example of a fuel self-diffusion type 図７の燃料電池スタックの外観を示す斜視図The perspective view which shows the external appearance of the fuel cell stack of FIG. 図７，図８の燃料電池スタックを用いた、燃料電池システムを示す図The figure which shows a fuel cell system using the fuel cell stack of FIG. 7, FIG.

Explanation of symbols

２，５２直接液体供給形燃料電池スタック
４，５セパレータ
４ａ空気極側表面
４ｆ燃料極側表面
６ＭＥＡ
８パッキング
１０端子板
１２絶縁シート
１４エンドプレート
１６空気入口
１８排空気出口
２０燃料入口
２２排燃料出口
２４ボルト穴
３２空気導入マニホールド
３３空気折り返しマニホールド
３４空気排出マニホールド
３６燃料導入マニホールド
３７燃料折り返しマニホールド
３８燃料排出マニホールド
３９空気流路
４０燃料流路
６０直接液体供給形燃料電池スタック
６２セパレータ
６４空気流路
６６燃料流路
６８ＭＥＡ
６９パッキング
７０空気導入マニホールド
７１空気折り返しマニホールド
７２空気排出マニホールド
７４空気入口
７６排空気出口
７７，７８折り返しパイプ
８０燃料タンク
８１液体燃料
８２ブロワ
８４ラジエター
８５ファン
８６気液分離器
８８燃料カセット
８９回収部
９０高濃度燃料タンク
９１気液分離膜
９２高濃度燃料ポンプ
９４制御部
９６レベルセンサ
９７温度センサ
９８濃度センサ 2,52 Direct liquid supply type fuel cell stacks 4, 5 Separator 4a Air electrode side surface 4f Fuel electrode side surface 6 MEA
8 Packing 10 Terminal plate 12 Insulating sheet 14 End plate 16 Air inlet 18 Exhaust air outlet 20 Fuel inlet 22 Exhaust fuel outlet 24 Bolt hole 32 Air introduction manifold 33 Air return manifold 34 Air discharge manifold 36 Fuel introduction manifold 37 Fuel return manifold 38 Fuel Discharge manifold 39 Air flow path 40 Fuel flow path
60 Direct liquid supply fuel cell stack 62 Separator 64 Air channel 66 Fuel channel 68 MEA
69 Packing 70 Air introduction manifold 71 Air return manifold 72 Air discharge manifold 74 Air inlet 76 Exhaust air outlets 77 and 78 Return pipe 80 Fuel tank 81 Liquid fuel 82 Blower 84 Radiator 85 Fan 86 Gas-liquid separator 88 Fuel cassette 89 Recovery section 90 High concentration fuel tank 91 Gas-liquid separation membrane 92 High concentration fuel pump 94 Control unit 96 Level sensor 97 Temperature sensor 98 Concentration sensor

Claims

A plurality of MEAs provided with a fuel electrode and an air electrode are connected in series via a separator, fuel and air are supplied from the separator to the MEA, and an air inlet and an air outlet are provided at the same end of the stack. A fuel cell stack,
Each separator is provided with an air introduction manifold, an air return manifold, and an air discharge manifold, and the same kind of manifolds are communicated with each other. The cross-sectional areas of the air discharge manifold and the air return manifold in the separator are determined by the air introduction manifold. Larger than the cross-sectional area,
Further, air is led from the air inlet of the stack through the air introduction manifold to the air folding manifold at the back of the stack, air is supplied from the air folding manifold to the MEA, and the exhaust air from the MEA is passed through the air discharge manifold. A fuel cell stack, characterized in that the fuel cell stack is led to an air outlet of the stack.

A plurality of MEAs provided with a fuel electrode and an air electrode are connected in series via a separator, fuel and air are supplied from the separator to the MEA, and an air inlet and an air outlet are provided at the same end of the stack. A fuel cell stack,
Each separator is provided with an air introduction manifold, an air return manifold, and an air discharge manifold, and the same kind of manifolds communicate with each other. The cross-sectional areas of the air introduction manifold and the air return manifold in the separator are determined by the air discharge manifold. Larger than the cross-sectional area,
Further, air is supplied from the air inlet of the stack to the MEA through the air introduction manifold, and exhaust air from the MEA is guided to the back of the stack by the air folding manifold, and exhaust air is guided to the air discharge manifold at the back of the stack, A fuel cell stack, wherein the fuel cell stack is led from an air discharge manifold to an air outlet of the stack.