JP5366793B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が鉛直方向に積層される燃料電池スタックを設けるとともに、複数の前記燃料電池スタックが互いに電極を反転させて並列される燃料電池システムに関する。 The present invention includes a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked in a vertical direction, The present invention relates to a fuel cell system in which a plurality of the fuel cell stacks are arranged in parallel with electrodes reversed.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. A unit cell is provided.
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、単位セルを所定数(例えば、数十〜数百)だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池の積層方向の長さが相当に長尺化し、燃料ガスを各燃料電池に対して均等に供給することができない等の問題がある。そこで、複数の燃料電池スタックを用意するとともに、各燃料電池スタックを互いに並列させた燃料電池システムが採用されている。 Normally, this fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) of unit cells are stacked in order to obtain a desired power generation. At that time, there is a problem that the length of the fuel cells in the stacking direction becomes considerably long, and the fuel gas cannot be uniformly supplied to each fuel cell. Therefore, a fuel cell system is used in which a plurality of fuel cell stacks are prepared and the fuel cell stacks are arranged in parallel with each other.
例えば、特許文献1に開示された燃料電池では、図5に示すように、互いに並列された積層体1a、1bを備えている。積層体1a、1bは、図示しないが、それぞれ単電池と冷却部材とを積層している。単電池は、電解質膜と、この電解質膜を両側から挟んでサンドイッチ構造を形成する2つのガス拡散電極と、前記サンドイッチ構造を両側から挟持する2つの集電極とから構成されている。
For example, the fuel cell disclosed in Patent Document 1 includes
積層体1a、1bの積層端には、それぞれ端子板2、3が設置されている。端子板2は、端子板3側に突出する係合凸部4を設けている。端子板3は、端子板2側に突出する凸状部5を設けるとともに、前記凸状部5には、係合凸部4が係合可能な係合凹部6が形成されている。
しかしながら、上記の特許文献1では、積層体1a、1bの積層端には、それぞれ形状の異なる端子板2、3が個別に設置されている。このため、部品点数が増加するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。しかも、係合凸部4を係合凹部6に係合させる必要があり、燃料電池スタックの組み立て作業が煩雑化するという問題がある。
However, in the above-mentioned Patent Document 1,
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、互いに並列される燃料電池スタック間を電気的に接続することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell stack capable of electrically connecting fuel cell stacks arranged in parallel with each other with a simple and economical configuration. To do.
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が鉛直方向に積層される燃料電池スタックを設けるとともに、複数の前記燃料電池スタックが互いに電極を反転させて並列される燃料電池システムに関するものである。 The present invention includes a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked in a vertical direction, The present invention relates to a fuel cell system in which a plurality of the fuel cell stacks are arranged in parallel with electrodes reversed.
この燃料電池システムは、隣接する燃料電池スタックの下部には、共通ターミナルプレートが配設されるとともに、前記共通ターミナルプレートは、隣接する前記燃料電池スタックの各電極面に対向する複数の集電部と、複数の前記集電部に一体成形され、隣接する前記燃料電池スタック間に配置される接続部とを設け、前記接続部の幅寸法は、前記集電部の幅寸法よりも小さく設定されている。 In this fuel cell system, a common terminal plate is disposed at a lower portion of an adjacent fuel cell stack, and the common terminal plate has a plurality of current collectors facing each electrode surface of the adjacent fuel cell stack. And a connecting portion that is integrally formed with the plurality of current collecting portions and disposed between the adjacent fuel cell stacks, and the width dimension of the connecting portion is set smaller than the width dimension of the current collecting portion. ing.
また、燃料電池スタックは、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体である流体を鉛直方向に流通させる3つの流体供給連通孔と3つの流体排出連通孔とを設けるとともに、集電部は、3つの前記流体供給連通孔及び3つの前記流体排出連通孔により周回される面内に配設され、且つ、接続部は、前記流体供給連通孔間、前記流体排出連通孔間又は前記流体供給連通孔と前記流体排出連通孔との間に配設されることが好ましい。 In addition, the fuel cell stack includes three fluid supply communication holes and three fluid discharge communication holes that allow the fluid that is the oxidant gas, the fuel gas, and the cooling medium to flow in the vertical direction. The fluid supply communication hole and the three fluid discharge communication holes are arranged in a plane that is circulated, and the connecting portion is between the fluid supply communication holes, between the fluid discharge communication holes, or the fluid supply communication hole. It is preferable to be disposed between the fluid discharge communication hole.
さらに、接続部の両側には、流体供給連通孔である冷却媒体入口連通孔と流体排出連通孔である冷却媒体出口連通孔とが配置されていることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that a cooling medium inlet communication hole that is a fluid supply communication hole and a cooling medium outlet communication hole that is a fluid discharge communication hole are disposed on both sides of the connection portion.
さらにまた、接続部は、2つの集電部の幅方向の中央部に一体に設けられることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the connecting portion is integrally provided at the center portion in the width direction of the two current collecting portions.
また、この燃料電池システムは、共通ターミナルプレートに隣接する絶縁プレートを備えるとともに、前記絶縁プレートには、集電部及び接続部の一部を収容する凹部が形成されることが好ましい。 In addition, the fuel cell system preferably includes an insulating plate adjacent to the common terminal plate, and the insulating plate is preferably formed with a recess that accommodates a part of the current collector and the connecting portion.
さらに、この燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックを一体に収容するボックスを備えることが好ましい。 Furthermore, this fuel cell system preferably includes a box that integrally accommodates a plurality of fuel cell stacks.
本発明によれば、隣接する燃料電池スタックの下部には、共通ターミナルプレートが配設されるとともに、前記共通ターミナルプレートは、バスバーとして機能する接続部を一体に設けている。従って、共通ターミナルプレートは、各集電部と接続部とが一体に構成されるため、独立した複数のターミナルプレート同士が電力ケーブル等で電気的に接続される構成に比べ、前記接続部周辺のレイアウト性の自由度が良好に向上する。 According to the present invention, a common terminal plate is disposed below the adjacent fuel cell stack, and the common terminal plate is integrally provided with a connecting portion that functions as a bus bar. Therefore, the common terminal plate is configured such that each current collecting portion and the connecting portion are integrally formed. Therefore, compared to a configuration in which a plurality of independent terminal plates are electrically connected by a power cable or the like, the periphery of the connecting portion is arranged. The degree of freedom in layout is improved.
しかも、各集電部と接続部とが一体成形されるため、部品点数が削減されて共通ターミナルプレート自体の構成が簡素化される。その上、共通ターミナルプレートは、板の打ち抜き成形で得られるため、前記共通ターミナルプレートの製造コストが容易に削減される。さらに、省スペース化が図られ、燃料電池スタックの小型化により燃料電池システム全体の小型化が遂行可能になる。 In addition, since each current collecting portion and the connecting portion are integrally formed, the number of parts is reduced and the configuration of the common terminal plate itself is simplified. In addition, since the common terminal plate is obtained by punching a plate, the manufacturing cost of the common terminal plate can be easily reduced. Further, space saving is achieved, and the fuel cell stack can be miniaturized so that the entire fuel cell system can be miniaturized.
図1に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム10は、互いに平行に且つ極性を反転して配列される同一構成の複数、例えば、2組の第1及び第2燃料電池スタック12A、12Bを備える。
As shown in FIG. 1, a
第1燃料電池スタック12Aは、複数の燃料電池14Aが鉛直方向(矢印A方向)に積層して構成される。図1及び図2に示すように、燃料電池14Aの積層方向下端には、共通ターミナルプレート16、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが配設される。燃料電池14Aの積層方向上端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが配設される。
The first
エンドプレート20a、20b間は、複数本のタイロッド19により積層方向に締め付けられ、複数の燃料電池14Aに締め付け荷重が付与される。なお、エンドプレート20a、20bは、これらに一体に架け渡される長尺平板状の連結部材により固定されることも可能である。
The
図3に示すように、燃料電池14Aは、電解質膜・電極構造体(MEA)21が、第1及び第2セパレータ22、24に挟持される。第1及び第2セパレータ22、24は、例えば、カーボンセパレータで構成されているが、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータにより構成してもよい。
As shown in FIG. 3, in the fuel cell 14 </ b> A, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) 21 is sandwiched between first and
燃料電池14Aの矢印B方向(図3中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔26a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔28aが、矢印C方向(水平方向)に配列して設けられる。
One end edge of the
燃料電池14Aの矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔28b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔26bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
燃料電池14Aの矢印C方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔30a、30a及び前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔30b、30bが設けられる。
A pair of cooling medium
第1セパレータ22の電解質膜・電極構造体21に向かう面22aには、酸化剤ガス入口連通孔26aと酸化剤ガス出口連通孔26bとに連通する酸化剤ガス流路32が設けられる。
An oxidant gas flow path 32 communicating with the oxidant gas
第2セパレータ24の電解質膜・電極構造体21に向かう面24aには、燃料ガス入口連通孔28aと燃料ガス出口連通孔28bとに連通する燃料ガス流路34が設けられる。
A
互いに隣接する燃料電池14Aを構成する第1セパレータ22の面22bと、第2セパレータ24の面24bとの間には、冷却媒体入口連通孔30aと冷却媒体出口連通孔30bとを連通する冷却媒体流路36が設けられる。
A cooling medium that connects the cooling medium
第1セパレータ22の面22a、22bには、第1シール部材38が、一体的又は個別に設けられるとともに、第2セパレータ24の面24a、24bには、第2シール部材40が、一体的に又は個別に設けられる。
The
第1及び第2シール部材38、40は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
The first and
電解質膜・電極構造体21は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜42と、前記固体高分子電解質膜42を挟持するカソード側電極44及びアノード側電極46とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード側電極44及びアノード側電極46は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜42の両面に形成されている。
The
第2燃料電池スタック12Bは、複数の燃料電池14Bが鉛直方向(矢印A方向)に積層して構成される。図1及び図2に示すように、燃料電池14Bの積層方向下端には、共通ターミナルプレート16、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが配設される。燃料電池14Bの積層方向上端には、ターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが配設される。
The second
第1及び第2燃料電池スタック12A、12Bを構成する燃料電池14A、14Bは、全く同一の構成を有しており、それぞれの極性を逆にするために、例えば、前記燃料電池14Bを、前記燃料電池14Aに対して長尺方向(矢印B方向)に延在する水平軸回りに180°反転させる(図2参照)。
The
図2及び図4に示すように、共通ターミナルプレート16は、隣接する第1及び第2燃料電池スタック12A、12Bの各電極面に対向する2つ(複数)の集電部50a、50bと、前記集電部50a、50bに一体成形され、隣接する前記第1及び第2燃料電池スタック12A、12B間に配置される接続部52とを設ける。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
接続部52は、バスバーとしての機能を有しており、2つの集電部50a、50bの幅方向の中央部に一体に設けられるとともに、前記接続部52の幅寸法は、前記集電部50a、50bの幅寸法よりも小さく設定される。
The connecting
集電部50a、50bは、酸化剤ガス入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、酸化剤ガス出口連通孔26b、燃料ガス出口連通孔28b、冷却媒体入口連通孔30a、30a及び冷却媒体出口連通孔30b、30bにより周回される面内に配設される。接続部52は、冷却媒体入口連通孔30aと冷却媒体出口連通孔30bとの間に配設されるが、これに限定されるものではなく、任意の2つの連通孔間に配置可能である。
The
各絶縁プレート18aには、図2に示すように、集電部50a、50bを収容するための凹部54aと、接続部52の一部を収容するための凹部54bとが形成される。各絶縁プレート18bには、ターミナルプレート16a、16bを収容するための凹部56が形成される一方、前記ターミナルプレート16a、16bには、上方に突出して互いに極性の異なるターミナル端子58a、58bが形成される。
As shown in FIG. 2, each insulating
エンドプレート20aには、酸化剤ガス入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、酸化剤ガス出口連通孔26b、燃料ガス出口連通孔28b、冷却媒体入口連通孔30a、30a及び冷却媒体出口連通孔30b、30bに連通するマニホールド(図示せず)が設けられる一方、エンドプレート20bは、平面状に構成される。第1及び第2燃料電池スタック12A、12Bは、ボックス60内に一体に収容される(図1参照)。
The
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、第1及び第2燃料電池スタック12A、12Bには、図示しないマニホールドを介して、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス及び純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。図3に示すように、燃料電池14Aでは、酸化剤ガス入口連通孔26aに酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔28aに燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔30a、30aに冷却媒体が供給される。
First, the first and second
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔26aから第1セパレータ22の酸化剤ガス流路32に導入される。酸化剤ガスは、矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体21を構成するカソード側電極44に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 32 of the
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔28aから第2セパレータ24の燃料ガス流路34に導入される。この燃料ガスは、矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体21を構成するアノード側電極46に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、電解質膜・電極構造体21では、カソード側電極44に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極46に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極44に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔26bに沿って矢印A方向に排出される。一方、アノード側電極46に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔28bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、一対の冷却媒体入口連通孔30a、30aに供給された冷却媒体は、第1及び第2セパレータ22、24間の冷却媒体流路36に導入され、一旦、互いに近接する方向に流動した後、矢印C方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体21を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔30b、30bに振り分けられて排出される。
The cooling medium supplied to the pair of cooling medium
なお、第2燃料電池スタック12Bを構成する燃料電池14Bでは、上記の燃料電池14Aと同様に、酸化剤ガス入口連通孔26aに酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔28aに燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔30a、30aに冷却媒体が供給される。
In the
従って、燃料電池14Bでは、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、ターミナル端子58a、58bは、互いに異なる極性となって電力の取り出しが可能になる。
Therefore, in the
この場合、本実施形態では、共通ターミナルプレート16は、隣接する第1及び第2燃料電池スタック12A、12Bの各電極面に対向する2つの集電部50a、50bと、前記集電部50a、50bに一体成形され、隣接する前記第1及び第2燃料電池スタック12A、12B間に配置されるバスバーとして機能する接続部52とを設けている。
In this case, in the present embodiment, the
このため、共通ターミナルプレート16は、各集電部50a、50bと接続部52とが一体に構成されるため、独立した2つのターミナルプレート同士が電力ケーブル等で電気的に接続される構成に比べ、余分なスペースが不要になるため、前記接続部52周辺のレイアウト性の自由度が良好に向上するという効果が得られる。
For this reason, the
しかも、各集電部50a、50bと接続部52とが一体化されるため、部品点数が削減されて共通ターミナルプレート16自体の構成が簡素化される。その上、共通ターミナルプレート16は、板の打ち抜き成形で得られるため、前記共通ターミナルプレート16の製造コストが容易に削減される。さらに、省スペース化が図られ、第1及び第2燃料電池スタック12A、12Bの小型化により、燃料電池システム10全体の小型化が遂行可能になる。
Moreover, since each of the
さらにまた、第1及び第2燃料電池スタック12A、12Bは、共通ターミナルプレート16により連結された状態で、ボックス60内に収容されている。従って、共通ターミナルプレート16の接続部52は、外部に露呈することがなく、専用の防水構造が不要になり、経済的であるという利点がある。
Furthermore, the first and second fuel cell stacks 12 </ b> A and 12 </ b> B are accommodated in the
また、各集電部50a、50bと接続部52とが一体化され、略H型形状を有している。これにより、酸化剤ガス入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、酸化剤ガス出口連通孔26b、燃料ガス出口連通孔28b、冷却媒体入口連通孔30a及び冷却媒体出口連通孔30bを接続部52の周辺に配置することができ、レイアウト性の向上が容易に図られる。
In addition, each of the
10…燃料電池システム 12A、12B…燃料電池スタック
14A、14B…燃料電池 16…共通ターミナルプレート
16a、16b…ターミナルプレート 18a、18b…絶縁プレート
20a、20b…エンドプレート 21…電解質膜・電極構造体
22、24…セパレータ 26a…酸化剤ガス入口連通孔
26b…酸化剤ガス出口連通孔 28a…燃料ガス入口連通孔
28b…燃料ガス出口連通孔 30a…冷却媒体入口連通孔
30b…冷却媒体出口連通孔 32…酸化剤ガス流路
34…燃料ガス流路 36…冷却媒体流路
42…固体高分子電解質膜 44…カソード側電極
46…アノード側電極 50a、50b…集電部
52…接続部 54a、54b、56…凹部
60…ボックス
DESCRIPTION OF
Claims (4)
隣接する前記燃料電池スタックの下部には、共通ターミナルプレートが配設されるとともに、
前記共通ターミナルプレートは、隣接する前記燃料電池スタックの各電極面に対向する複数の集電部と、
複数の前記集電部に一体成形され、隣接する前記燃料電池スタック間に配置される接続部と、
を設け、
前記接続部の幅寸法は、前記集電部の幅寸法よりも小さく設定され、
前記燃料電池スタックは、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体である流体を前記鉛直方向に流通させる3つの流体供給連通孔と3つの流体排出連通孔とを設けるとともに、
前記集電部は、3つの前記流体供給連通孔及び3つの前記流体排出連通孔により周回される面内に配設され、且つ、前記接続部は、前記流体供給連通孔間、前記流体排出連通孔間又は前記流体供給連通孔と前記流体排出連通孔との間に配設され、
前記接続部の両側には、前記流体供給連通孔である冷却媒体入口連通孔と前記流体排出連通孔である冷却媒体出口連通孔とが配置されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked; a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked in a vertical direction; and a plurality of the fuels A fuel cell system in which the battery stacks are arranged in parallel with the electrodes reversed,
A common terminal plate is disposed below the adjacent fuel cell stack, and
The common terminal plate includes a plurality of current collectors facing each electrode surface of the adjacent fuel cell stack,
A plurality of current collectors integrally formed and connected between adjacent fuel cell stacks;
Provided,
The width dimension of the connection part is set smaller than the width dimension of the current collector part ,
The fuel cell stack is provided with three fluid supply communication holes and three fluid discharge communication holes for allowing a fluid as an oxidant gas, a fuel gas, and a cooling medium to flow in the vertical direction, and
The current collector is disposed in a plane that is circulated by the three fluid supply communication holes and the three fluid discharge communication holes, and the connection portion is disposed between the fluid supply communication holes and the fluid discharge communication. Between the holes or between the fluid supply communication hole and the fluid discharge communication hole,
Wherein on both sides of the connecting portion, the fuel cell system characterized Rukoto and coolant discharge passages said a fluid supply passage and the cooling medium supply passage is the fluid discharge passages are disposed.
前記絶縁プレートには、前記集電部及び前記接続部の一部を収容する凹部が形成されることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2 , further comprising an insulating plate adjacent to the common terminal plate,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the insulating plate is formed with a recess that accommodates a part of the current collector and the connection.
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