JP5233128B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas.
近年、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池がエネルギー源として注目されている。例えば、燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を水素極(以下、「アノード」という場合がある。)と酸素極(以下、「カソード」という場合がある。)とで両側から挟み込むことによって形成される。このような燃料電池の1単位は、「セル」と呼ばれる。 In recent years, fuel cells that generate electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen have attracted attention as energy sources. For example, in a polymer electrolyte fuel cell which is a kind of fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane may be referred to as a hydrogen electrode (hereinafter sometimes referred to as “anode”) and an oxygen electrode (hereinafter referred to as “cathode”). ) And sandwiched from both sides. One unit of such a fuel cell is called a “cell”.
実用的な燃料電池においては、必要な電圧を得るために、複数のセルを積層することによりスタック(燃料電池スタック)が形成される。ところが、積層数を多くすると、各セルに対する燃料ガス及び酸化ガスの供給にばらつきが生じてしまう。各セルへのガス供給は、マニホールドを介して並列に行われるが、流路の下流においては流量が減少するからである。また、積層数が多いと、燃料電池を車両等に搭載する際に、搭載スペースの確保が困難になることもある。そこで、スタックを半分程度で折り返すことにより、スタックを2段構成とすることが行われている。 In a practical fuel cell, a stack (fuel cell stack) is formed by stacking a plurality of cells in order to obtain a necessary voltage. However, if the number of stacked layers is increased, the supply of fuel gas and oxidizing gas to each cell will vary. This is because gas supply to each cell is performed in parallel via the manifold, but the flow rate decreases downstream of the flow path. Further, when the number of stacked layers is large, it may be difficult to secure a mounting space when the fuel cell is mounted on a vehicle or the like. Therefore, the stack is configured to have a two-stage configuration by folding the stack in half.
図6は、従来の燃料電池を示す模式図である。燃料電池90は、複数のセル900を積層したスタック90a及び90bを含んでいる。これらのスタック90a及び90bは、それらの上端に配置された集電板902によって電気的に接続されている。また、スタック90a及び90bの下端には、集電板901及び903がそれぞれ配置されている。燃料電池90は、これらの集電板901及び903を介して、様々な電力消費装置(例えばモータ)、或いは、電力消費装置に電力供給を行うインバータやDC−DCコンバータに接続される。
FIG. 6 is a schematic view showing a conventional fuel cell. The
ところで、スタック90a及び90bにおいて、電流は、通常、セル900の積層方向(図の上下方向)に電流が流れる。それに対して、集電板901〜903において、電流はそれらの面内(図の左右方向)において流れる。そのため、図6に示すように、スタック90a及び90bを、集電板901〜903により互いに、又は他の装置に接続すると、電流の方向が急激に転換する領域911〜913が生じてしまう。それにより、それらの領域911〜913に電流が集中して、発熱するという問題が生じている。
By the way, in the
また、電流が一部に集中することにより、図6の矢印(電流密度ベクトル)に示すような電流密度分布が生じる。そのため、スタック90a及び90bを構成する各セルに電流密度分布のムラが生じ、発電効率がばらついてしまう。特に、スタック90a及び90bの上端及び下端付近のセル900においては、有効に発電している領域が大幅に減少してしまう。また、それらのセル900中で比較的発電効率の良い領域(電流密度が高い領域)は、電流が集中する領域911〜913に近いので、発熱の影響を受けて、やはり発電効率が低下するおそれがある。
このように、従来のスタックの接続方法によれば、燃料電池の性能を十分に発揮させることができない。
Further, when the current is concentrated on a part, a current density distribution as shown by an arrow (current density vector) in FIG. 6 is generated. Therefore, the current density distribution is uneven in each cell constituting the
Thus, according to the conventional stack connection method, the performance of the fuel cell cannot be exhibited sufficiently.
また、図7に示すように、各セル900に燃料ガス及び酸化ガスを供給するためのマニホールド用の貫通口921が形成された集電板920によって、2つのスタック90a及び90bを接続する場合もある。この場合には、集電板920内で電流が通過できる範囲は狭くなるので、図の矢印で示すように、電流密度分布のばらつきは大きくなる。
In addition, as shown in FIG. 7, the two stacks 90 a and 90 b may be connected by a
加えて、貫通口921付近においては、ガス供給の影響により温度変化が大きくなるので、貫通口921に近いセル900の発電性能の安定性を保つことはさらに困難になる。即ち、発電環境のバランスが僅かに変化することにより、セルの電圧は容易に低下してしまう。
In addition, in the vicinity of the through-
関連する技術として、積層燃料電池端部の電流分布を均一にするために、特許文献1には、集電板に複数個の端子を設けることが開示されており、特許文献2には、複数の電流端子を集電板の周縁に設けることが開示されている。
そこで、本発明は、複数のスタックを接続して形成される燃料電池において、集電板の発熱及び電流密度分布のばらつきを抑制することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to suppress heat generation of a current collector plate and variation in current density distribution in a fuel cell formed by connecting a plurality of stacks.
上記目的を達成するため、本発明の1つの観点に係る燃料電池は、電解質の両側にアノード電極及びカソード電極がそれぞれ形成された複数のセルを含む燃料電池スタックが、該セルの積層方向に略直交する方向に複数並設された燃料電池において、前記複数の燃料電池スタックの各々のアノード電極側の端部及びカソード電極側の端部に配置された集電板と、導電材料によって形成され、前記集電板の周縁を除く領域に配置された1つ又は複数のパッド部と、導電材料によって形成され、互いに隣接する燃料電池スタックの一方の燃料電池スタックのアノード電極側の集電板の周縁を除く領域に配置された前記パッド部と、他方の燃料電池スタックのカソード電極側の集電板の周縁を除く領域に配置された前記パッド部とに架け渡された1つ又は複数の桁部と、を備え、前記集電板の各々に、マニホールドが接続される複数の貫通口が形成されており、前記桁部は、互いに隣接する貫通口の間を通るように配置されている燃料電池。
In order to achieve the above object, a fuel cell according to one aspect of the present invention includes a fuel cell stack including a plurality of cells each having an anode electrode and a cathode electrode formed on both sides of an electrolyte. In the fuel cells arranged in parallel in the orthogonal direction, each of the plurality of fuel cell stacks is formed of a current collector plate disposed at an end on the anode electrode side and an end on the cathode electrode side, and a conductive material, One or a plurality of pad portions arranged in a region excluding the peripheral edge of the current collector plate , and the peripheral edge of the current collector plate on the anode electrode side of one fuel cell stack of the fuel cell stack adjacent to each other, formed of a conductive material It said pad portion disposed in a region excluding, were bridged and the pad portion arranged in a region excluding the periphery of the cathode electrode side of the current collector plate of the other
かかる構成とすることにより、一方の燃料電池スタックから集電板に流れ込んだ電流は、その方向を概ね維持したままパッド部に流れ込み、桁部を通過した後、もう一方のパッド部から、その方向を概ね維持したまま他方の燃料電池スタックに流れ込む。それにより、集電板における急激な電流の方向転換は生じ難くなるので、電流の集中に起因する発熱や電流密度分布のばらつきを抑制することが可能になる。さらに、前記集電板の各々に、マニホールドが接続される複数の貫通口が形成されており、前記桁部は、互いに隣接する貫通口の間を通るように配置されている。それにより、マニホールドの配置に影響を及ぼすことなく、複数の燃料電池スタックを接続することができる。 With such a configuration, the current flowing from one fuel cell stack to the current collector plate flows into the pad portion while maintaining its direction in general, and after passing through the girder portion, from the other pad portion, its direction. Is generally maintained and flows into the other fuel cell stack. This makes it difficult for a current direction change in the current collector plate to occur, so that it is possible to suppress heat generation and variation in current density distribution due to current concentration. Further, each of the current collector plates is formed with a plurality of through holes to which a manifold is connected, and the beam portions are arranged so as to pass between adjacent through holes. Thereby, a plurality of fuel cell stacks can be connected without affecting the arrangement of the manifolds.
前記燃料電池は、前記略直交する方向の一方の端に位置する燃料電池スタックのアノード電極側の集電板に設けられた前記パッド部に架け渡された1つ又は複数の桁部と、前記略直交する方向の他方の端に位置する燃料電池スタックのカソード電極側の集電板に設けられた前記パッド部に架け渡された1つ又は複数の桁部とをさらに備えても良い。 The fuel cell includes one or a plurality of girders spanned over the pad portion provided on the current collector plate on the anode electrode side of the fuel cell stack located at one end in the substantially orthogonal direction; You may further provide the 1 or several girder part spanned over the said pad part provided in the collector plate by the side of the cathode electrode of the fuel cell stack located in the other end of the substantially orthogonal direction.
かかる構成とすることにより、並設された燃料電池スタックの両端に位置するスタックにおいても、集電板における急激な電流の方向転換を生じ難くすることができるので、電流の集中に起因する発熱や電流密度分布のばらつきを抑制することが可能になる。 By adopting such a configuration, even in the stacks located at both ends of the fuel cell stacks arranged side by side, it is possible to make it difficult for the current collector to suddenly change the direction of current. Variations in current density distribution can be suppressed.
ここで、前記1つ又は複数のパッド部を、各集電板の略中央に配置することにより、燃料電池スタックにおける電流密度分布が端部に偏るのを抑えることができる。
また、前記複数のパッド部を、各集電板の面内に分散して配置することにより、燃料電池スタックにおける電流密度分布をより均一にすることができる。
Here, the current density distribution in the fuel cell stack can be prevented from being biased toward the end portions by arranging the one or more pad portions at substantially the center of each current collector plate.
Moreover, the current density distribution in the fuel cell stack can be made more uniform by arranging the plurality of pad portions in a distributed manner in the surface of each current collector plate.
本発明によれば、パッド部及び桁部により2つの燃料電池スタックを電気的に接続するので、集電板の一部に電流が集中し、それによって発熱や、電流密度分布のばらつきが生じるのを抑制することができる。従って、燃料電池において、発電性能を安定的、且つ、十分に発揮させることが可能になる。 According to the present invention, since the two fuel cell stacks are electrically connected by the pad portion and the girder portion, the current is concentrated on a part of the current collector plate, thereby generating heat and variation in the current density distribution. Can be suppressed. Therefore, in the fuel cell, the power generation performance can be exhibited stably and sufficiently.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池を示す模式図である。
図1に示す燃料電池10は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、本実施形態においては自動車用となっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
The
燃料電池10は、2つの燃料電池スタック(以下、単に「スタック」と言う)10a及び10bを含んでいる。各スタック10a及び10bは、電解質と、その一方の側に配置されたアノード電極と、他方の側に配置されたカソード電極とを含むセル1を複数積層することによって形成されている。また、スタック10aのアノード電極側(図の下側)には集電板11aが配置されており、カソード電極側(図の上側)には集電板12aが配置されている。一方、スタック10bのアノード電極側(図の上側)には集電板11bが配置されており、カソード電極側(図の下側)には集電板12bが配置されている。
The
集電板11a、12a、11b、12bの各々には、導電材料によって形成された2つのパッド部101が設けられている。また、集電板12a及び11bに設けられたパッド部101には、導電材料によって形成された桁部102が架け渡されている。それにより、スタック10a及び10bが電気的に接続される。
Each of the
また、集電板11a及び12bにそれぞれ設けられたパッド部101には、導電材料によって形成された桁部103が架けられている。燃料電池10は、これらの桁部103を介して、外部の装置(例えば、モータ等の電力消費装置に電力を供給するインバータやDC/DCコンバータ)に接続される。なお、図1においては、桁部103を電極パッド15に接続した状態が示されている。
Further, a
なお、パッド部101は、パッド形状の導電材料を集電板11a、12a、11b、12bに接合することにより設けても良いし、パッド部101と集電板11a、12a、11b、12bとを予め一体的に形成しておいても良い。同様に、桁部102及び103についても、棒状又は板状の部材をパッド部101に接合することにより設けても良いし、両者を予め一体的に形成しておいても良い。
The
図2の(a)は、図1に示す燃料電池10を示す平面図であり、図2の(b)は、燃料電池10の一部を示す側面図である。
パッド部101の形状は、図2の(a)に示すような楕円形であっても良いし、円形や、それ以外の形状であっても良い。いずれにしても、パッド部101と集電板12a及び11bとの接触面積をなるべく大きくする方が望ましい。また、燃料電池の設置スペースの観点から、図2の(b)に示すように、パッド部101と桁部102とを合わせた高さh(集電板からの立ち上がり部分)は、なるべく低く、全体として扁平にすることが望ましい。高さhは、例えば、1mm〜2mm程度あれば良い。
2A is a plan view showing the
The shape of the
このようなパッド部101は、各集電板11a、12a、11b、12bの周縁を除く領域に配置されている。電流密度分布が燃料電池スタック10a及び10bの一部の領域(特に端部)に偏るのを抑制するためである。具体的な配置としては、図2に示すように、パッド部101と集電板12aの端部との間隔d1及びd2や、パッド部101同士の間隔d3が略均等になるように、2つのパッド部101を分散させても良いし、2つのパッド部101を集電板12aの略中央に並べても良い。また、図2においては、2つのパッド部101を左右に揃えて配置しているが、左右に互い違いにずらしても良い。
Such a
ここで、パッド部101は、各集電板11a、12a、11b、12bに少なくとも1つずつ配置されていれば良い。例えば、パッド部101を1つだけ設ける場合には、各集電板の略中央に配置することが望ましい。また、パッド部101を3つ以上設ける場合には、各集電板の周縁部を避けつつ面内に均等に分散させて、或いは、略中央に並べて配置する。いずれにしても、パッド部101が集電板の面内のいずれかの領域(特に、周縁部)に偏って配置されるのでなければ、パッド部101の数及び位置は限定されない。
Here, the
図3は、燃料電池10における電流密度分布を示す模式図である。なお、図中の矢印は、電流密度ベクトルを示している。
本実施形態においては、パッド部101と桁部102及び103とにより、スタック10a及び10b同士、又は、スタック10a及び10bと他の装置との接続を行うので、集電板11a、12a、11b、12bにおいて、電流の急激な方向転換は生じない。そのため、集電板11a、12a、11b、12bの一部に電流が集中するのを抑えることができる。それにより、集電板の発熱を抑制し、スタック10a及び10bに均一な電流密度分布が生じさせることができる。その結果、各セル1内における発電効率のばらつきを抑制し、燃料電池の性能を十分に発揮させることが可能になる。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a current density distribution in the
In the present embodiment, the
次に、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池について、図4を参照しながら説明する。
本実施形態においては、図1に示す集電板11a、12a、11b、12bの代わりに、図4に示すように、マニホールド用の貫通口21が形成された集電板20が用いられる。この場合に、桁部102は、貫通口21を塞がないように、燃料電池を上面から見た場合に、隣接する貫通口21の間に配置される。また、桁部103についても同様である。
Next, a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In this embodiment, instead of the
本実施形態によれば、パッド部101並びに桁部102及び103を用いることにより、マニホールドの配置に影響を与えないで、スタック10a及び10bを接続することができる。また、そのように接続することにより、各セル1内(図1)における発電効率のばらつきが抑制されるので、マニホールド用の貫通口21が集中している領域付近のセルにおいても、発電性能の安定性を維持し易くなる。
According to the present embodiment, by using the
以上説明した第1及び第2の実施形態に係る燃料電池を車両等に搭載する際には、図5に示すように、パッド部101、桁部102、並びに、集電板12a及び11bの表面に絶縁部材30を配置してから、スタック10a及び10bをケースに収納する。また、図4に示すように、貫通口21が設けられた集電板20を用いる場合には、絶縁部材30の対応する位置にも貫通口を形成する。
When the fuel cells according to the first and second embodiments described above are mounted on a vehicle or the like, as shown in FIG. 5, the surfaces of the
また、以上においては、燃料電池スタックを2つ備えた燃料電池について説明したが、本発明は、3つ以上の燃料電池スタックがセルの積層方向に略直交する方向に並設された燃料電池にも適用することができる。即ち、隣接する燃料電池スタックにおいて、一方の燃料電池スタックのアノード電極側の集電板と、他方の燃料電池スタックのカソード電極側の集電板とを、パッド部及び桁部を介して順次接続すれば良い。 In the above description, the fuel cell including two fuel cell stacks has been described. However, the present invention relates to a fuel cell in which three or more fuel cell stacks are arranged in parallel in a direction substantially perpendicular to the cell stacking direction. Can also be applied. That is, in the adjacent fuel cell stack, the current collector plate on the anode electrode side of one fuel cell stack and the current collector plate on the cathode electrode side of the other fuel cell stack are sequentially connected via the pad portion and the girder portion. Just do it.
1…セル、10a、10b…燃料電池スタック、11a、11b、12a、12b、20…集電板、21…貫通口、101…パッド部、102、103…桁部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複数の燃料電池スタックの各々のアノード電極側の端部及びカソード電極側の端部に配置された集電板と、
導電材料によって形成され、前記集電板の周縁を除く領域に配置された1つ又は複数のパッド部と、
導電材料によって形成され、互いに隣接する燃料電池スタックの一方の燃料電池スタックのアノード電極側の集電板の周縁を除く領域に配置された前記パッド部と、他方の燃料電池スタックのカソード電極側の集電板の周縁を除く領域に配置された前記パッド部とに架け渡された1つ又は複数の桁部と、を備え、
前記集電板の各々に、マニホールドが接続される複数の貫通口が形成されており、
前記桁部は、互いに隣接する貫通口の間を通るように配置されている燃料電池。 In a fuel cell in which a plurality of fuel cell stacks each including a plurality of cells each formed with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte are arranged in a direction substantially perpendicular to the stacking direction of the cells,
A current collector plate disposed at an anode electrode side end and a cathode electrode side end of each of the plurality of fuel cell stacks;
One or a plurality of pad portions formed of a conductive material and disposed in a region excluding the peripheral edge of the current collector plate;
The pad portion formed of a conductive material and disposed in a region excluding the peripheral edge of the current collector plate on the anode electrode side of one fuel cell stack of fuel cell stacks adjacent to each other, and on the cathode electrode side of the other fuel cell stack One or a plurality of girders that span the pad portion disposed in the region excluding the peripheral edge of the current collector plate ,
Each of the current collector plates is formed with a plurality of through holes to which a manifold is connected,
The said beam part is a fuel cell arrange | positioned so that it may pass between the mutually adjacent through-holes .
に設けられた前記パッド部に配置された1つ又は複数の桁部と、
前記略直交する方向の他方の端に位置する燃料電池スタックのカソード電極側の集電板
に設けられた前記パッド部に配置された1つ又は複数の桁部と、
をさらに備える請求項1記載の燃料電池。 One or a plurality of girders disposed on the pad portion provided on the current collector plate on the anode electrode side of the fuel cell stack located at one end in the substantially orthogonal direction;
One or a plurality of girders disposed on the pad portion provided on the current collector plate on the cathode electrode side of the fuel cell stack located at the other end in the substantially orthogonal direction;
The fuel cell according to claim 1, further comprising:
記載の燃料電池。 The one or more pad portions are arranged at substantially the center of each current collector plate.
The fuel cell as described.
載の燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the plurality of pad portions are arranged in a distributed manner in a surface of each current collecting plate.
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