JP5026745B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜型の単セルを複数積層してなる燃料電池スタックに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell stack formed by laminating a plurality of solid polymer electrolyte membrane type single cells.

従来より知られている固体高分子電解質膜型燃料電池の燃料電池スタックについて、図４及び５をもとに説明する。図４（ａ）は、燃料電池スタック３１を上方から見た説明図であり、図４（ｂ）は、燃料電池スタック３１を側方から見た説明図である。また、図５（ａ）は、単セル３２の側断面を示した説明図であり、図５（ｂ）は、セパレータ３３の外側面を示した説明図である。   A conventionally known fuel cell stack of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell will be described with reference to FIGS. 4A is an explanatory view of the fuel cell stack 31 as viewed from above, and FIG. 4B is an explanatory view of the fuel cell stack 31 as viewed from the side. FIG. 5A is an explanatory view showing a side cross section of the single cell 32, and FIG. 5B is an explanatory view showing an outer surface of the separator 33.

単セル３２は、電解質膜３４と、ガス拡散層及び触媒層から構成され、電解質膜３４を挟持する燃料電極３５及び酸化剤電極３６と、燃料電極３５及び酸化剤電極３６の外側に設置される一対のセパレータ３３、３３とからなる。各セパレータ３３の内面には、凹溝状のガス流路３７が蛇行状に設けられており、燃料電極３５側のガス流路３７には燃料ガスが、酸化剤電極３６側のガス流路３７には酸化剤ガスが夫々流される。また、各セパレータ３３の外面には、凹溝状の冷却水流路３８（図４（ｂ）では省略）が設けられており、該冷却水流路３８に冷却水を流すことによって単セル３２、３２・・の冷却を図るようになっている。さらに、各セパレータ３３の上部及び下部には、単セル３２、３２間で燃料ガス及び酸化剤ガスを通過させるためのガス孔３９ａ、３９ｂ、４０ａ、４０ｂが設けられているとともに、単セル３２、３２間で冷却水を通過させるための冷却水孔４１ａ、４１ｂが設けられている。   The single cell 32 includes an electrolyte membrane 34, a gas diffusion layer, and a catalyst layer, and is disposed outside the fuel electrode 35 and the oxidant electrode 36 that sandwich the electrolyte membrane 34, and the fuel electrode 35 and the oxidant electrode 36. It consists of a pair of separators 33, 33. A concave groove-like gas flow path 37 is provided in a meandering manner on the inner surface of each separator 33, and the fuel gas flows into the gas flow path 37 on the fuel electrode 35 side and the gas flow path 37 on the oxidant electrode 36 side. An oxidant gas is flowed through each. Further, the outer surface of each separator 33 is provided with a groove-shaped cooling water flow path 38 (not shown in FIG. 4B), and the single cells 32, 32 are caused by flowing cooling water through the cooling water flow path 38.・ ・ Cooling is planned. Furthermore, gas holes 39a, 39b, 40a, 40b for allowing fuel gas and oxidant gas to pass between the single cells 32, 32 are provided in the upper and lower portions of each separator 33, and the single cells 32, Cooling water holes 41 a and 41 b for allowing cooling water to pass between 32 are provided.

燃料電池スタック３１は、以上のように構成される単セル３２を水平方向に複数積層するとともに、その両端にエンドプレート５０、５０を設置してなる。また、左端のセパレータ３３のガス孔３９ａ、４０ａ、及び右端のセパレータ３３のガス孔３９ｂ、４０ｂには、ガス流路３７への各種ガスの供給又はガス流路３７からの各種ガスの排出を行うためのガス管３９ｃ、３９ｄ、４０ｃ、４０ｄが、エンドプレート５０、５０を貫通するようにして接続されている。さらに、左端のセパレータ３３の冷却水孔４１ｂ及び右端のセパレータ３３の冷却水孔４１ａには、冷却水流路３８への冷却水の供給又は冷却水流路３８からの冷却水の排出を行うための冷却水管４１ｃ、４１ｄが、エンドプレート５０、５０を貫通するようにして接続されている。そして、燃料電池スタック３１の動作時には、図４の矢印が示す如く、各種ガス及び冷却水を燃料電池スタック３１の左側から右側（ｃ側からｄ側）へと流している。   The fuel cell stack 31 is formed by laminating a plurality of single cells 32 configured as described above in the horizontal direction and installing end plates 50 and 50 at both ends thereof. The gas holes 39a and 40a of the leftmost separator 33 and the gas holes 39b and 40b of the rightmost separator 33 supply various gases to the gas flow path 37 or discharge various gases from the gas flow path 37. Gas pipes 39c, 39d, 40c, and 40d are connected so as to penetrate the end plates 50 and 50. Further, the cooling water hole 41 b of the leftmost separator 33 and the cooling water hole 41 a of the rightmost separator 33 are cooled to supply cooling water to the cooling water flow path 38 or discharge the cooling water from the cooling water flow path 38. Water pipes 41 c and 41 d are connected so as to penetrate the end plates 50 and 50. During the operation of the fuel cell stack 31, various gases and cooling water flow from the left side to the right side (from the c side to the d side) of the fuel cell stack 31, as indicated by arrows in FIG.

一方、特許文献１に開示されているように、各種ガスを流す方向に対して、冷却水を流す方向を逆方向とした（たとえば、図４において、各種ガスをｃ側からｄ側へ流す場合、冷却水はｄ側からｃ側へと流すようにする）ものもある。
特開平８−３０６３７１号公報 On the other hand, as disclosed in Patent Document 1, the direction in which cooling water flows is opposite to the direction in which various gases flow (for example, in FIG. 4, when various gases are flowed from the c side to the d side). , Cooling water is allowed to flow from the d side to the c side).
JP-A-8-306371

上述したような燃料電池スタック３１にあっては、冷却水を用いて単セル３２の温度を冷却する必要性があることからも明らかなように、発電にあたって熱が生じる。そして、生じた熱が、ガス流路３７内の各種ガスにのって下流側へと伝わるため、ガス供給側の単セル３２に比べて、ガス排出側の単セル３２の温度が高くなる、すなわち燃料電池スタック３１に温度分布が生じ、安定した発電を行うことができない、燃料電池スタック３１の運転効率が低下する等といった問題の原因となる。
そこで、特許文献１のものでは、温度が最も高くなるガス排出側から冷却水を流すことにより、燃料電池スタックに温度分布が生じる事態を防止しようとしている。しかしながら、ただ単に流れを逆にしたところで、冷却水がガス排出側にて多量の熱量を吸収するため、ガス供給側に至る頃には冷媒機能を失ってしまい、結果としてガス供給側の温度が高くなるという事態が生じるにすぎない。そのため、ガス供給側及びガス排出側の温度により冷却水の流量や温度を調整することも考えられるが、そのような構成を採用するとコスト高を招くという問題が生じる。 In the fuel cell stack 31 as described above, heat is generated during power generation, as is apparent from the need to cool the temperature of the single cell 32 using cooling water. Then, since the generated heat is transmitted to the downstream side along various gases in the gas flow path 37, the temperature of the single cell 32 on the gas discharge side becomes higher than the single cell 32 on the gas supply side. That is, temperature distribution occurs in the fuel cell stack 31, which may cause problems such as inability to perform stable power generation and a decrease in operating efficiency of the fuel cell stack 31.
Therefore, in the thing of patent document 1, it is trying to prevent the situation where temperature distribution arises in a fuel cell stack by flowing cooling water from the gas discharge side where temperature becomes the highest. However, when the flow is simply reversed, the cooling water absorbs a large amount of heat on the gas discharge side, so that the refrigerant function is lost by the time the gas supply side is reached. As a result, the temperature on the gas supply side is reduced. It just happens to be high. For this reason, it is conceivable to adjust the flow rate and temperature of the cooling water according to the temperatures of the gas supply side and the gas discharge side.

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、温度分布が生じることなく安定した発電を行うことができる上、コスト面においても有利な燃料電池スタックを提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack that can perform stable power generation without causing a temperature distribution and is advantageous in terms of cost.

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、非導電部により区分された複数の導電部を有する一対のセパレータの各導電部間に発電部が設けられた単セルを複数積層するとともに、発電に用いる各種ガスが隣接する単セル間を移動するための通路を各導電部毎に備えてなる燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、前記発電部へ各種ガスを供給するための供給管と、前記発電部から各種ガスを排出するための排出管とを設ける一方、前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの発電部間で各種ガスを移動させる折り返し管を設け、前記一端側の供給管から供給された各種ガスが、前記通路を介して隣接する単セルの発電部間で移動し、前記他端側にて前記折り返し管により同一の単セル内を移動した後、隣接する単セルの往路とは異なる発電部間を前記通路を介して移動し、前記一端側の排出管から排出されるようにしたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、単セルを冷却するための冷却水が隣接する単セル間で移動するための冷却水通路を各導電部毎に備え、燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、前記単セルへ冷却水を供給するための冷却水供給管と、前記単セルから冷却水を排出するための冷却水排出管とを設ける一方、前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの導電部間で冷却水を移動させる冷却水折り返し管を設け、前記冷却水を各種ガスと同一の順序で単セル間を移動するようにしたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present invention is a single unit in which a power generation unit is provided between each conductive part of a pair of separators having a plurality of conductive parts divided by non-conductive parts. A fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked and a path for moving various gases used for power generation between adjacent single cells is provided for each conductive part, and the fuel cell stack has a single cell stacking direction. One end is provided with a supply pipe for supplying various gases to the power generation unit and a discharge pipe for discharging various gases from the power generation unit, while the other end of the fuel cell stack in the unit cell stacking direction, A return pipe is provided for moving various gases between the power generation sections of the single cell at the other end, and various gases supplied from the supply pipe on the one end side are connected between the power generation sections of adjacent single cells through the passage. Move forward After moving in the same unit cell by the folded tube on the other end side, it moves between the power generation units different from the forward path of the adjacent unit cell via the passage, and is discharged from the discharge tube on the one end side. It is characterized by doing so.
A second aspect of the present invention is the fuel cell stack according to the first aspect, wherein a cooling water passage for cooling water for cooling a single cell to move between adjacent single cells is provided for each conductive part. The fuel cell stack is provided with a cooling water supply pipe for supplying cooling water to the single cell and a cooling water discharge pipe for discharging cooling water from the single cell at one end of the single cell stacking direction in FIG. At the other end of the single cell stacking direction, a cooling water return pipe is provided to move the cooling water between the conductive parts of the single cell at the other end, and the cooling water moves between the single cells in the same order as various gases. It was made to do.

本発明によれば、単セルのセパレータを、非導電部により区分された複数の導電部を有するものとし、単セルの発電部を、一対のセパレータの各導電部間に設けており、発電反応に応じて生じた熱が、同一の単セルの発電部間で移動可能としている。また、燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、発電部へ各種ガスを供給するための供給管と、発電部から各種ガスを排出するための排出管とを設ける一方、燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの発電部間で各種ガスを移動させる折り返し管を設け、一端側の供給管から供給された各種ガスが、隣接する単セルの発電部間で移動し、他端側にて折り返し管により同一の単セル内を移動した後、隣接する単セルの往路とは異なる発電部間を移動して、一端側の排出管から排出されるようにしている。そのため、各単セルでは、各種ガスが一端側から他端側へ流れる際に生じた熱と、他端側から一端側へ流れる際に生じた熱とで熱が平衡状態となり、結果として燃料電池スタックの一端側と他端側とで温度分布が生じにくくなる。特に、最も温度が溜まりやすく高温となりやすい発電部と、最も温度が溜まりにくく低温となりやすい発電部とを同一セパレータに位置させるようにしているため、発生した熱を非常に効率良く発散させることができ、上記温度分布の解消といった効果をより顕著に奏することができる。したがって、燃料電池スタックを運転効率の良い状態で維持することができる。
また、燃料電池スタックに生じる温度分布の低減にあたり、各セパレータに複数の発電部分を設け、各種ガスを上述の如く移動させるようにするという手段を採用しているため、各種ガス供給側の単セルと排出側の単セルとの温度を検出し、それに応じて冷却水の温度や流量を調整することにより温度分布の低減を狙ったものと比較すると、安価に構成することができる上、運転コスト等も低減することができる。
さらに、請求項２に記載の発明によれば、単セルを冷却するための冷却水を、各種ガスと同一の順序で単セル間を移動するように流しているため、各セパレータにおける発電部の冷却を効率良く行うことができ、燃料電池スタックに生じる温度分布の一層の低減を図ることができる。 According to the present invention, the separator of the single cell has a plurality of conductive parts separated by non-conductive parts, and the power generation part of the single cell is provided between the conductive parts of the pair of separators. The heat generated in response to this can be transferred between the power generation units of the same single cell. In addition, a supply pipe for supplying various gases to the power generation unit and a discharge pipe for discharging various gases from the power generation unit are provided at one end of the fuel cell stack in the unit cell stacking direction. Provided at the other end in the cell stacking direction is a return pipe that moves various gases between the power generation sections of the single cell at the other end, and the various gases supplied from the supply pipe on one end side are connected to the power generation section of the adjacent single cell. After moving in the same unit cell by the return pipe on the other end side, it moves between the power generation units different from the outgoing path of the adjacent unit cell, and is discharged from the discharge pipe on one end side. I have to. Therefore, in each single cell, the heat is balanced between the heat generated when various gases flow from one end side to the other end side and the heat generated when each gas flows from the other end side to the one end side. As a result, the fuel cell Temperature distribution is less likely to occur at one end and the other end of the stack. In particular, the power generation unit that is most likely to accumulate temperature and is likely to be high temperature and the power generation unit that is most likely to accumulate temperature and are likely to be low temperature are located on the same separator, so that the generated heat can be dissipated very efficiently. The effect of eliminating the temperature distribution can be more remarkably exhibited. Therefore, the fuel cell stack can be maintained in a state where the operation efficiency is good.
Also, in order to reduce the temperature distribution generated in the fuel cell stack, each separator is provided with a plurality of power generation portions and various gases are moved as described above. Compared to those that aim to reduce the temperature distribution by detecting the temperature of the single cell on the discharge side and adjusting the temperature and flow rate of the cooling water accordingly, the operation cost can be reduced. Etc. can also be reduced.
Furthermore, according to the invention described in claim 2, since the cooling water for cooling the single cell flows so as to move between the single cells in the same order as various gases, Cooling can be performed efficiently and the temperature distribution generated in the fuel cell stack can be further reduced.

以下、本発明の一実施形態となる燃料電池スタックについて図面をもとに説明する。
図１（ａ）は、燃料電池スタック１を上方から見た説明図であり、図１（ｂ）は、燃料電池スタック１を側方から見た説明図である。また、図２（ａ）は、単セル２の水平断面を示した説明図、図２（ｂ）は、単セル２の側断面を示した説明図、図２（ｃ）は、セパレータ３の外側面を示した説明図である。 Hereinafter, a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is an explanatory view of the fuel cell stack 1 as viewed from above, and FIG. 1B is an explanatory view of the fuel cell stack 1 as viewed from the side. 2A is an explanatory view showing a horizontal section of the single cell 2, FIG. 2B is an explanatory view showing a side cross section of the single cell 2, and FIG. It is explanatory drawing which showed the outer surface.

単セル２は、一対のセパレータ３、３間に２つの発電部分Ａ、Ｂを備えてなる。各発電部分Ａ、Ｂは、従来の発電部分と同様に構成されており、ガス拡散層及び触媒層からなる燃料電極５及び酸化剤電極６と、両電極５、６に挟持される電解質膜４とで構成される。   The single cell 2 includes two power generation portions A and B between a pair of separators 3 and 3. Each power generation part A, B is configured in the same manner as a conventional power generation part, and includes a fuel electrode 5 and an oxidant electrode 6 composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer, and an electrolyte membrane 4 sandwiched between both electrodes 5, 6. It consists of.

一方、各セパレータ３は、導電性部材により形成された板状の導電部３ａ、３ａ間に絶縁部材により形成された非導電部３ｂを介在させてなるものであって、導電部３ａ、３ａが上記発電部分Ａ、Ｂの両外側に位置するよう配置される。該セパレータ３の各導電部３ａ内面には、夫々凹溝状のガス流路７が導電部３ａ毎に独立した蛇行状に設けられており、燃料電極５側のガス流路７には燃料ガスが、酸化剤電極６側のガス流路７には酸化剤ガスが夫々流される。また、セパレータ３の各導電部３ａ外面には、凹溝状の冷却水流路８（図２（ｃ）では省略）が導電部３ａ毎に独立した蛇行状に設けられており、該冷却水流路８に冷却水を流すことによって単セル２の冷却を図るようにしている。尚、セパレータ３の非導電部３ｂは、導電部３ａ、３ａ間での熱の移動は許容するようになっている。また、図２では、発電部分Ａと発電部分Ｂとにおいて燃料電極５と酸化剤電極６との位置が左右で逆転しているが、回路設計上、必ずしも発電部分Ａと発電部分Ｂとで両電極５、６の位置が逆になるとは限らず、左右同順となることもある。   On the other hand, each separator 3 is formed by interposing a non-conductive portion 3b formed of an insulating member between plate-shaped conductive portions 3a and 3a formed of a conductive member. It arrange | positions so that it may be located in the both outer sides of the said electric power generation part A and B. FIG. A concave groove-like gas flow path 7 is provided on each inner surface of each conductive portion 3a of the separator 3 in a meandering manner independently for each conductive portion 3a. A fuel gas is provided in the gas flow path 7 on the fuel electrode 5 side. However, the oxidant gas flows through the gas flow path 7 on the oxidant electrode 6 side. In addition, on the outer surface of each conductive portion 3a of the separator 3, a groove-shaped cooling water flow path 8 (not shown in FIG. 2C) is provided in a meandering manner independently for each conductive portion 3a. The single cell 2 is cooled by causing cooling water to flow through it. Note that the non-conductive portion 3b of the separator 3 allows heat transfer between the conductive portions 3a and 3a. In FIG. 2, the positions of the fuel electrode 5 and the oxidant electrode 6 are reversed on the left and right in the power generation portion A and the power generation portion B. The positions of the electrodes 5 and 6 are not necessarily reversed, and may be the same in the left and right order.

さらに、セパレータ３の各導電部３ａには、単セル２、２・・間で、燃料ガスを通過させるための燃料ガス孔（通路）１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス孔（通路）１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄとが設けられている。加えて、セパレータ３の各導電部３ａには、単セル２、２・・間で冷却水を通過させるための冷却水孔（冷却水通路）１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設けられている。   Further, through each conductive portion 3a of the separator 3, fuel gas holes (passages) 10a, 10b, 10c, 10d for allowing the fuel gas to pass between the single cells 2, 2,. For this purpose, there are provided oxidant gas holes (passages) 11a, 11b, 11c, and 11d. In addition, each conductive portion 3a of the separator 3 is provided with cooling water holes (cooling water passages) 12a, 12b, 12c, and 12d for allowing the cooling water to pass between the single cells 2, 2.

燃料電池スタック１は、上述したような単セル２を水平方向に複数積層するとともに、その両端にエンドプレート５０、２０を設置してなる。そして、該燃料電池スタック１においては、単セル２、２間にて、発電部分Ａ側の各ガス孔１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ及び冷却水孔１２ａ、１２ｂは発電部分Ａ側の各孔同士を、発電部分Ｂ側の各ガス孔１０ｃ、１０ｄ、１１ｃ、１１ｄ及び冷却水孔１２ｃ、１２ｄは発電部分Ｂ側の各孔同士を夫々連結している。また、燃料電池スタック１の左端のセパレータ３の発電部分Ａ側に設けられているガス孔１０ａ、１１ａには、ガス流路７へ各種ガスを供給するためのガス管１０ｅ、１１ｅが、冷却水孔１２ｂには、冷却水流路８へ冷却水を供給するための冷却水管１２ｅが、エンドプレート５０を貫通するようにして夫々接続されている。さらに、左端のセパレータ３の発電部分Ｂ側に設けられているガス孔１０ｄ、１１ｄには、ガス流路７から各種ガスを排出するためのガス管１０ｆ、１１ｆが、冷却水孔１２ｃには、冷却水流路８から冷却水を排出するための冷却水管１２ｆが、エンドプレート５０を貫通するようにして夫々接続されている。   The fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of single cells 2 as described above in the horizontal direction and installing end plates 50 and 20 at both ends thereof. In the fuel cell stack 1, the gas holes 10 a, 10 b, 11 a, 11 b on the power generation part A side and the cooling water holes 12 a, 12 b are between the holes on the power generation part A side between the single cells 2, 2. The gas holes 10c, 10d, 11c, 11d and the cooling water holes 12c, 12d on the power generation part B side connect the holes on the power generation part B side, respectively. Gas pipes 10e and 11e for supplying various gases to the gas flow path 7 are provided in the gas holes 10a and 11a provided on the power generation part A side of the separator 3 at the left end of the fuel cell stack 1, respectively. A cooling water pipe 12e for supplying cooling water to the cooling water flow path 8 is connected to the holes 12b so as to penetrate the end plate 50, respectively. Furthermore, gas pipes 10f and 11f for discharging various gases from the gas flow path 7 are provided in the gas holes 10d and 11d provided on the power generation part B side of the leftmost separator 3, and the cooling water hole 12c is provided in the cooling water hole 12c. Cooling water pipes 12 f for discharging cooling water from the cooling water flow path 8 are connected so as to penetrate the end plate 50.

一方、燃料電池スタック１の右端においては、発電部分Ａ側の各孔と発電部分Ｂ側の各孔とを接続し、流れてくる各種ガスや冷却水を折り返す折り返し管１０ｇ、１１ｇ、１２ｇが、エンドプレート５０を貫通するようにして取り付けられている。尚、本実施例では、図１に示すように、燃料ガス用の折り返し管１０ｇは燃料ガス孔１０ａ、１０ｃを、酸化剤ガス用の折り返し管１１ｇは酸化剤ガス孔１１ａ、１１ｃを、冷却水用の折り返し管１２ｇは冷却水孔１２ｂ、１２ｄを夫々接続している。   On the other hand, at the right end of the fuel cell stack 1, the return pipes 10g, 11g, and 12g that connect the holes on the power generation portion A side and the holes on the power generation portion B side and fold back the various gases and cooling water flowing therethrough, It is attached so as to penetrate the end plate 50. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the fuel gas return pipe 10g has the fuel gas holes 10a and 10c, and the oxidant gas return pipe 11g has the oxidant gas holes 11a and 11c. The return pipe 12g is connected to the cooling water holes 12b and 12d.

このような燃料電池スタック１にて発電を行う場合、図１の矢印が示す如く、各種ガス及び冷却水を、ガス管１０ｅ、１１ｅ及び冷却水管１２ｅから供給して、燃料電池スタック１の左端にある単セル２から右端にある単セル２まで発電部分Ａ側のみを通るように流す。そして、右端にて各折り返し管１０ｇ、１１ｇ、１２ｇにより各種ガス及び冷却水を折り返して、右端にある単セル２から左端にある単セル２まで発電部分Ｂ側のみを通るように流した後、ガス管１０ｆ、１１ｆ及び冷却水管１２ｆから外部へ排出する。したがって、左端の単セル２では、各種ガス及び冷却水の流れ方向で最上流にある発電部分Ａと最下流にある発電部分Ｂとが同一セパレータ３、３間に存在することになる。この時、非導電部３ｂにより、発電部分Ａと発電部分Ｂとの間で電流は流れないものの、発電時に生じる熱は発電部分Ａと発電部分Ｂとの間を移動することになる。   When power generation is performed in such a fuel cell stack 1, various gases and cooling water are supplied from the gas pipes 10e and 11e and the cooling water pipe 12e as shown by the arrows in FIG. It flows so that it passes only through the electric power generation part A side from the certain single cell 2 to the single cell 2 in the right end. And after folding various gas and cooling water by each return pipe 10g, 11g, 12g at the right end, and flowing through only the power generation part B side from the single cell 2 at the right end to the single cell 2 at the left end, The gas pipes 10f and 11f and the cooling water pipe 12f are discharged to the outside. Therefore, in the single cell 2 at the left end, the power generation part A that is the most upstream in the flow direction of various gases and cooling water and the power generation part B that is the most downstream exist between the same separators 3 and 3. At this time, although no current flows between the power generation portion A and the power generation portion B due to the non-conductive portion 3b, the heat generated during power generation moves between the power generation portion A and the power generation portion B.

以上のような構成を有する燃料電池スタック１によれば、非導電部３ｂにて区分された複数の発電部分Ａ、Ｂを有する単セル２を複数積層するとともに、単セル２、２間において発電部分Ａ側同士又は発電部分Ｂ側同士を夫々連結し、右端のセパレータ３（単セル２）に折り返し管１０ｇ、１１ｇ、１２ｇを接続することにより、左端のセパレータ３（単セル２）の発電部分Ａ側から供給した各種ガス及び冷却水を同一セパレータ３の発電部分Ｂ側から排出するようにしている。したがって、発電反応に応じて生じた熱の一部は、各種ガスの流れ等に沿って下流側へ伝播するものの、発電部分Ａ、Ｂ間で熱が移動可能となっているため、発電部分Ａ、Ｂ間で熱移動が生じ、結果として燃料電池スタック１に生じる温度分布を低減することができ、燃料電池スタック１の運転効率を良い状態で維持することができる。   According to the fuel cell stack 1 having the above-described configuration, a plurality of single cells 2 having a plurality of power generation portions A and B separated by a non-conductive portion 3b are stacked, and power is generated between the single cells 2 and 2. The power generation part of the leftmost separator 3 (single cell 2) is obtained by connecting the parts A side or the power generation part B sides respectively and connecting the folded tubes 10g, 11g, 12g to the rightmost separator 3 (single cell 2). Various gases and cooling water supplied from the A side are discharged from the power generation part B side of the same separator 3. Therefore, although a part of the heat generated in response to the power generation reaction propagates downstream along the flow of various gases, the heat can be transferred between the power generation parts A and B. , B, heat transfer occurs, and as a result, the temperature distribution generated in the fuel cell stack 1 can be reduced, and the operation efficiency of the fuel cell stack 1 can be maintained in a good state.

特に、最も熱の溜まりやすい最下流の発電部分に着目してみると、最も熱が溜まらない最上流の発電部分と同じセパレータ３上（単セル２）に存在することになる。したがって、温度分布が生じる原因となる熱を非常に効率良く発散させることができるようになっている。   In particular, when attention is paid to the most downstream power generation portion where heat is most likely to accumulate, the most upstream power generation portion where heat is most not accumulated is present on the same separator 3 (single cell 2). Therefore, the heat that causes the temperature distribution can be dissipated very efficiently.

また、温度分布の低減にあたり、各セパレータ３に複数の発電部分Ａ、Ｂを設け、ガス流路７や冷却水流路８を上述の如く連結するという手段を採用しているため、供給側の単セルと排出側の単セルとの温度を検出し、それに応じて冷却水の温度や流量を調整することにより温度分布の低減を狙ったものと比較すると、安価に構成することができる上、運転コスト等も低減することができる。
さらに、各種ガスのみではなく、冷却水も同様に折り返すような構成としているため、各セパレータ３における発電部分Ａ、Ｂの冷却を効率良く行うことができ、燃料電池スタック１に生じる温度分布の一層の低減を図ることができる。 Further, in order to reduce the temperature distribution, since a plurality of power generation portions A and B are provided in each separator 3 and the gas flow path 7 and the cooling water flow path 8 are connected as described above, a single unit on the supply side is employed. Compared with the one that aims to reduce the temperature distribution by detecting the temperature of the cell and the single cell on the discharge side and adjusting the temperature and flow rate of the cooling water accordingly, it can be configured at low cost and operated Cost and the like can also be reduced.
Further, since not only various gases but also cooling water is similarly turned back, the power generation portions A and B in each separator 3 can be efficiently cooled, and the temperature distribution generated in the fuel cell stack 1 is further increased. Can be reduced.

なお、本発明の燃料電池スタックに係る構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、セパレータ、発電部分、及び各流路等に係る構成ついて、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて適宜変更することができる。   Note that the configuration related to the fuel cell stack of the present invention is not limited to the aspect of the above embodiment, and the configuration related to the separator, the power generation portion, each flow path, and the like does not depart from the spirit of the present invention. Thus, it can be changed as needed.

たとえば、図３に示す如く、１つのセパレータ３’（又は３’’）に４つの発電部分Ａ〜Ｄを設けるように構成することも可能である。この時、最も熱が溜まらない発電部分Ａと最も熱が溜まりやすい発電部分Ｄとが隣接するように発電部分Ａ〜Ｄを設ける方が効率の良い熱移動を期待することができるため、図３（ａ）及び（ｂ）においては、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順で各種ガスや冷却水が流れるようにした方がよい。尚、１つのセパレータに４以上の発電部分を設けるように構成することも当然可能である。さらに、燃料電池スタックの形状を立方体に近づけるように構成すれば、燃料電池スタックの表面積が減少するため、燃料電池スタック表面から放出される熱量を低減することができ、燃料電池発電ユニット等に搭載した際に熱回収効率を向上することができる。   For example, as shown in FIG. 3, it is possible to provide four power generation portions A to D in one separator 3 ′ (or 3 ″). At this time, since it is possible to expect more efficient heat transfer by providing the power generation portions A to D so that the power generation portion A where heat is least accumulated and the power generation portion D where heat is most likely to accumulate are adjacent to each other, FIG. In (a) and (b), it is better that various gases and cooling water flow in the order of A → B → C → D. Of course, it is also possible to provide four or more power generation portions in one separator. Furthermore, if the shape of the fuel cell stack is made close to a cube, the surface area of the fuel cell stack is reduced, so that the amount of heat released from the surface of the fuel cell stack can be reduced and mounted on a fuel cell power generation unit or the like. The heat recovery efficiency can be improved.

また、冷却水を流す方向を、各種ガスを流す方向と逆方向にする（たとえば、図１においては、冷却水管１２ｆから供給して冷却水管１２ｅから排出する等）ことも可能であるし、セパレータにおける各ガス孔及び冷却水孔等の設置位置も適宜変更可能である。さらに、セパレータに設けるガス流路及び冷却水流路の流路パターンも蛇行状に何ら限定されることはなく、平行状・並行状等の流路パターンを採用しても何ら問題はないし、冷却水流路に限っては、発電部分Ａと発電部分Ｂとで独立させるのではなく、セパレータ外側面に発電部分Ａ、Ｂ間に亘るような冷却水流路を設け、一方向へのみ流す（折り返さない）ような構成としてもよい。   Further, the direction in which the cooling water flows can be opposite to the direction in which various gases flow (for example, in FIG. 1, the cooling water is supplied from the cooling water pipe 12f and discharged from the cooling water pipe 12e). The installation positions of the gas holes, the cooling water holes, and the like can be appropriately changed. Further, the flow path patterns of the gas flow path and the cooling water flow path provided in the separator are not limited to meandering shapes, and there is no problem even if a flow path pattern such as parallel or parallel is adopted. As far as the road is concerned, the power generation part A and the power generation part B are not made independent, but a cooling water flow passage is provided on the outer surface of the separator so as to extend between the power generation parts A and B, and flows only in one direction (not folded). It is good also as such a structure.

加えて、発電部分Ａと発電部分Ｂとの間を電気的に遮断するような凸状部をセパレータ内面に突設したり、発電部分Ａ、Ｂを電気的に遮断する遮断部材を別途設置することも当然可能である。   In addition, a convex portion that electrically cuts off between the power generation portion A and the power generation portion B is provided on the inner surface of the separator, or a blocking member that electrically cuts off the power generation portions A and B is separately installed. Of course it is also possible.

（ａ）は、燃料電池スタックを上方から見た説明図であり、（ｂ）は、燃料電池スタックを側方から見た説明図である。(A) is explanatory drawing which looked at the fuel cell stack from upper direction, (b) is explanatory drawing which looked at the fuel cell stack from the side. （ａ）は、単セルの水平断面を示した説明図、（ｂ）は、単セルの側断面を示した説明図、（ｃ）は、セパレータの外側面を示した説明図である。(A) is explanatory drawing which showed the horizontal cross section of the single cell, (b) is explanatory drawing which showed the side cross section of the single cell, (c) is explanatory drawing which showed the outer surface of the separator. セパレータの変更例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the example of a change of a separator. （ａ）は、従来の燃料電池スタックを上方から見た説明図であり、（ｂ）は、従来の燃料電池スタックを側方から見た説明図である。(A) is explanatory drawing which looked at the conventional fuel cell stack from upper direction, (b) is explanatory drawing which looked at the conventional fuel cell stack from the side. （ａ）は、従来の単セルの側断面を示した説明図であり、（ｂ）は、従来のセパレータの外側面を示した説明図である。(A) is explanatory drawing which showed the side cross section of the conventional single cell, (b) is explanatory drawing which showed the outer surface of the conventional separator.

符号の説明Explanation of symbols

１・・燃料電池スタック、２・・単セル、３・・セパレータ、５・・燃料電極、６・・酸化剤電極、７・・ガス流路、８・・冷却水流路、１０ａ〜１０ｄ・・燃料ガス孔、１１ａ〜１１ｄ・・酸化剤ガス孔、１２ａ〜１２ｄ・・冷却水用ガス孔、１０ｅ、１１ｅ・・ガス管（供給管）、１０ｆ、１１ｆ・・ガス管（排出管）、１２ｅ、１２ｆ・・冷却水管、１０ｇ、１１ｇ、１２ｇ・・折り返し管。   1 .... Fuel cell stack, 2 .... Single cell, 3 .... Separator, 5 .... Fuel electrode, 6 .... Oxidant electrode, 7 .... Gas passage, 8 .... Cooling water passage, 10a-10d ... Fuel gas holes, 11a to 11d, oxidant gas holes, 12a to 12d, gas holes for cooling water, 10e, 11e, gas pipe (supply pipe), 10f, 11f, gas pipe (discharge pipe), 12e 12f ··· Cooling water tube, 10g, 11g, 12g ··· Folded tube.

Claims (2)

非導電部により区分された複数の導電部を有する一対のセパレータの各導電部間に発電部が設けられた単セルを複数積層するとともに、発電に用いる各種ガスが隣接する単セル間を移動するための通路を各導電部毎に備えてなる燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、前記発電部へ各種ガスを供給するための供給管と、前記発電部から各種ガスを排出するための排出管とを設ける一方、
前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの発電部間で各種ガスを移動させる折り返し管を設け、
前記一端側の供給管から供給された各種ガスが、前記通路を介して隣接する単セルの発電部間で移動し、前記他端側にて前記折り返し管により同一の単セル内を移動した後、隣接する単セルの往路とは異なる発電部間を前記通路を介して移動し、前記一端側の排出管から排出されるようにしたことを特徴とする燃料電池スタック。 A plurality of single cells provided with a power generation unit are stacked between the conductive parts of a pair of separators having a plurality of conductive parts separated by non-conductive parts, and various gases used for power generation move between adjacent single cells. A fuel cell stack provided with a passage for each conductive part,
While providing a supply pipe for supplying various gases to the power generation unit and a discharge pipe for discharging various gases from the power generation unit at one end of the fuel cell stack in the single cell stacking direction,
At the other end of the fuel cell stack in the unit cell stacking direction, a folding tube that moves various gases between the power generation units of the unit cells at the other end is provided,
After various gases supplied from the supply pipe on the one end side move between the power generation units of adjacent single cells through the passage, and move in the same single cell by the folded pipe on the other end side A fuel cell stack, wherein the fuel cell stack moves between the power generation units different from the outgoing path of the adjacent single cell via the passage and is discharged from the discharge pipe on the one end side. 単セルを冷却するための冷却水が隣接する単セル間で移動するための冷却水通路を各導電部毎に備え、
燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、前記単セルへ冷却水を供給するための冷却水供給管と、前記単セルから冷却水を排出するための冷却水排出管とを設ける一方、前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの導電部間で冷却水を移動させる冷却水折り返し管を設け、前記冷却水を各種ガスと同一の順序で単セル間を移動するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。 A cooling water passage for moving cooling water for cooling a single cell between adjacent single cells is provided for each conductive part,
One end of the fuel cell stack in the single cell stacking direction is provided with a cooling water supply pipe for supplying cooling water to the single cell and a cooling water discharge pipe for discharging cooling water from the single cell, At the other end of the fuel cell stack in the unit cell stacking direction, a cooling water return pipe for moving the cooling water between the conductive parts of the single cells at the other end is provided, and the cooling water is supplied in the same order as various gases. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel cell stack moves between the two.
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