JP5474606B2 - Automotive fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが対向流を構成する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される車載用燃料電池スタックに関する。   In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and a separator are laminated, and a fuel gas channel and an oxidant gas channel constitute a counter flow. The present invention relates to an in-vehicle fuel cell stack that includes a fuel cell and in which a plurality of the fuel cells are stacked.

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、一対のセパレータによって挟持した発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数(例えば、数百)の発電ユニットを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   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 provided by a pair of separators. The power generation unit is sandwiched. This type of fuel cell is usually used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number (for example, several hundreds) of power generation units.

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。   In the above fuel cell, in the plane of the separator, a fuel gas channel for flowing fuel gas facing the anode side electrode, and an oxidant gas channel for flowing oxidant gas facing the cathode side electrode And are provided.

この場合、上記の燃料ガス流路内には、凝縮水が発生するとともに、上記の酸化剤ガス流路内には、反応による生成水が発生し、それぞれの流路内に滞留水が惹起し易い。このため、燃料ガス流路や酸化剤ガス流路が滞留水によって閉塞され、燃料ガスや酸化剤ガスがアノード側電極やカソード側電極に良好に供給されないおそれがある。   In this case, condensate water is generated in the fuel gas flow path, and water generated by reaction is generated in the oxidant gas flow path, and stagnant water is generated in each flow path. easy. For this reason, there is a possibility that the fuel gas channel and the oxidant gas channel are blocked by the staying water, and the fuel gas and the oxidant gas are not properly supplied to the anode side electrode and the cathode side electrode.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池は、図7に示すように、セパレータ1a、1bを備えている。セパレータ1a、1bの四隅には、燃料ガス供給口2a、酸化剤ガス供給口3a、燃料ガス排出口2b及び酸化剤ガス排出口3bが積層方向に貫通して設けられている。   Therefore, for example, the fuel cell disclosed in Patent Document 1 includes separators 1a and 1b as shown in FIG. At the four corners of the separators 1a and 1b, a fuel gas supply port 2a, an oxidant gas supply port 3a, a fuel gas discharge port 2b and an oxidant gas discharge port 3b are provided penetrating in the stacking direction.

セパレータ1aには、水平方向に延在する複数本の燃料ガス流路4が形成されるとともに、セパレータ1bには、水平方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路5が形成されている。燃料ガス流路4及び酸化剤ガス流路5は、水平方向に又は下流側にいく程、下方に傾斜するように形成されている。   A plurality of fuel gas passages 4 extending in the horizontal direction are formed in the separator 1a, and a plurality of oxidant gas passages 5 extending in the horizontal direction are formed in the separator 1b. . The fuel gas channel 4 and the oxidant gas channel 5 are formed so as to incline downward in the horizontal direction or toward the downstream side.

これにより、燃料ガス流路4及び酸化剤ガス流路5では、水が重力によって低位の部分に流れ、水排出性がよく、前記燃料ガス流路4及び前記酸化剤ガス流路5の全域が水で覆われることがない、としている。   Thereby, in the fuel gas flow path 4 and the oxidant gas flow path 5, water flows to the lower part by gravity, the water discharge is good, and the entire area of the fuel gas flow path 4 and the oxidant gas flow path 5 It is said that it will not be covered with water.

特開2002−184428号公報JP 2002-184428 A

上記の特許文献1では、燃料ガス流路4及び酸化剤ガス流路5が、水平方向に又は下流側にいく程、下方に傾斜するように形成されている。このため、セパレータ1a、1bの製造コストが高騰するとともに、構成が複雑化するという問題がある。   In the above-mentioned Patent Document 1, the fuel gas channel 4 and the oxidant gas channel 5 are formed so as to be inclined downward in the horizontal direction or toward the downstream side. For this reason, there are problems that the manufacturing cost of the separators 1a and 1b is increased and the configuration is complicated.

しかも、特に、燃料ガス流路4では、燃料ガスとして純水素を用いる場合、燃料ガス供給口2a側に連通する供給路と、燃料ガス排出口2b側に連通する排出路とが、エゼクタにより連結されて燃料ガスの循環供給を行う構成が採用されている。この種のシステムでは、循環される燃料ガスの流量が少ないため、燃料ガス流路4を相当に大きく傾斜させないと、前記燃料ガス流路4に凝縮水が滞留し易い。   In addition, in particular, in the case where pure hydrogen is used as the fuel gas in the fuel gas flow path 4, the supply path communicating with the fuel gas supply port 2a side and the discharge path communicating with the fuel gas discharge port 2b side are connected by an ejector. Thus, a configuration for circulating and supplying fuel gas is employed. In this type of system, since the flow rate of the circulated fuel gas is small, the condensed water tends to stay in the fuel gas channel 4 unless the fuel gas channel 4 is inclined considerably.

従って、MEAの両側では、燃料ガス流路4の流れ方向と酸化剤ガス流路5の流れ方向との交差角度が大きくなってしまう。これにより、有効発電面積が減少し、燃料電池の発電効率が低下するという問題がある。   Therefore, on both sides of the MEA, the intersection angle between the flow direction of the fuel gas flow path 4 and the flow direction of the oxidant gas flow path 5 becomes large. Thereby, there exists a problem that an effective electric power generation area reduces and the electric power generation efficiency of a fuel cell falls.

また、水素を強制的に循環させるポンプを設けたシステムでは、ポンプの能力を上げることにより対応することも考えられる。しかしながら、水素ガスの密度が小さいため、ポンプの負荷が著しく高くなり、効率が大幅に低下するという問題がある。   In addition, in a system provided with a pump that forcibly circulates hydrogen, it may be possible to cope by increasing the capacity of the pump. However, since the density of the hydrogen gas is small, there is a problem that the load on the pump is remarkably increased and the efficiency is greatly reduced.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の燃料ガス流路から滞留水を容易且つ確実に排出させることが可能な車載用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 provides an in-vehicle fuel cell stack capable of easily and reliably discharging stagnant water from a fuel gas flow path of a fuel cell with a simple and compact configuration. For the purpose.

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極と一方のセパレータとの間には、電極面に沿って燃料ガスを直線状に流通させる燃料ガス流路が形成され、且つ他方の電極と他方のセパレータとの間には、電極面に沿って酸化剤ガスを直線状に流通させる酸化剤ガス流路が形成されるとともに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とが対向流を構成する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される車載用燃料電池スタックに関するものである。   In the present invention, an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and a separator are laminated, and a fuel is provided along the electrode surface between one electrode and one separator. A fuel gas flow path for flowing gas in a straight line is formed, and an oxidant gas flow path for flowing oxidant gas in a straight line along the electrode surface is formed between the other electrode and the other separator. In addition, the present invention relates to an in-vehicle fuel cell stack including a fuel cell in which the fuel gas channel and the oxidant gas channel form a counter flow, and a plurality of the fuel cells are stacked.

燃料電池は、電極面を水平方向に沿って鉛直方向に積層されるとともに、直線状の燃料ガス流路が車両の前後方向に沿って配置され、且つ、燃料ガスは、前記車両の前後方向前方から後方に向かって前記燃料ガス流路を流通している。 In the fuel cell, the electrode surfaces are stacked in the vertical direction along the horizontal direction, the linear fuel gas flow path is disposed along the front-rear direction of the vehicle , and the fuel gas is forward in the front- rear direction of the vehicle. The fuel gas passage is circulated from the rear to the rear.

さらにまた、燃料電池スタックは、車両のフロントボックス内に搭載されることが好ましい。   Furthermore, the fuel cell stack is preferably mounted in the front box of the vehicle.

なお、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路は、燃料ガス及び酸化剤ガスを概ね直線状に流通させるものであればよく、例えば、波形状も含む。   The fuel gas channel and the oxidant gas channel may be any one that allows the fuel gas and the oxidant gas to circulate substantially linearly, and includes, for example, a wave shape.

本発明によれば、燃料ガスは、車両の前後方向(以下、進行方向ともいう)前方から後方に向かって直線状の燃料ガス流路を流通する。このため、車両が加速する際に、加速度によって燃料ガス流路内に存在する凝縮水の排水が促進され、良好な排水処理が確実に遂行される。 According to the present invention, the fuel gas flows through the linear fuel gas flow path from the front to the rear of the vehicle (hereinafter also referred to as the traveling direction ) from the front to the rear. For this reason, when the vehicle accelerates, drainage of condensed water existing in the fuel gas flow path is promoted by acceleration, and good drainage treatment is reliably performed.

しかも、加速時には、モータへの電力供給の必要性から、燃料電池での発電量が急激に増加されるため、多量の生成水が発生する。酸化剤ガス流路側で発生した生成水は、固体高分子電解質膜を介して燃料ガス流路にも流出する。その際、燃料ガス流路から確実に排水されるため、安定的な発電が遂行され、車両の加速性能の低下や効率の低下、さらに固体高分子電解質膜や電極への損傷を有効に阻止することができる。   Moreover, at the time of acceleration, since the amount of power generated by the fuel cell is rapidly increased due to the necessity of supplying power to the motor, a large amount of generated water is generated. The generated water generated on the oxidant gas flow path side also flows out to the fuel gas flow path through the solid polymer electrolyte membrane. At that time, since the fuel gas flow is surely drained, stable power generation is performed, effectively preventing deterioration of vehicle acceleration performance and efficiency, and damage to the polymer electrolyte membrane and electrodes. be able to.

一方、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの流量は、燃料ガス流路を流通する燃料ガスの流量よりも多く且つガスの粘度及び密度が高いため、前記酸化剤ガス流路の両端(入口側と出口側)の圧力差が大きくなっている。しかも、加速時には、モータへの電力供給の必要性から、酸化剤ガス流量が増大されるため、酸化剤ガス流路の流れ方向が、車両の進行方向後方から前方に向かっていても、圧力差を利用して前記酸化剤ガス流路内の生成水は、入口側から出口側に円滑且つ確実に排水される。このため、酸化剤ガス流路に滞留水が存在することがなく、酸化剤ガスのストイキを維持して良好な発電が遂行される。   On the other hand, the flow rate of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow channel is larger than the flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas flow channel and the viscosity and density of the gas are high. The pressure difference between the inlet side and the outlet side is large. Moreover, since the flow rate of the oxidant gas is increased due to the necessity of power supply to the motor at the time of acceleration, even if the flow direction of the oxidant gas passage is from the rear in the traveling direction of the vehicle to the front, the pressure difference The generated water in the oxidant gas flow path is smoothly and reliably drained from the inlet side to the outlet side. For this reason, there is no stagnant water in the oxidant gas flow path, and good power generation is performed while maintaining the stoichiometry of the oxidant gas.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックが搭載される燃料電池自動車の概略説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの概略構成説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a schematic configuration of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which comprises the said fuel cell stack. 本発明に関連する燃料電池スタックが搭載される燃料電池自動車の概略説明図である。The fuel cell stack that are related to the present invention is a schematic illustration of a fuel cell vehicle to be mounted. 前記燃料電池スタックの概略構成説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a schematic configuration of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックが搭載される他の燃料電池自動車の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the other fuel cell vehicle by which the said fuel cell stack is mounted. 特許文献1に開示されている燃料電池を構成するセパレータの説明図である。It is explanatory drawing of the separator which comprises the fuel cell currently disclosed by patent document 1. FIG.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、燃料電池自動車12に組み込まれる。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention is incorporated in a fuel cell vehicle 12.

燃料電池スタック10は、取り付け部16を介して燃料電池自動車12のフロントボックス18内に収容される。燃料電池スタック10は、複数の燃料電池20が電極面を水平方向(矢印B方向)に沿って鉛直方向(矢印A方向)に積層される。各燃料電池20は、電極面が水平方向に対して平行に配置される。   The fuel cell stack 10 is accommodated in the front box 18 of the fuel cell vehicle 12 via the attachment portion 16. In the fuel cell stack 10, a plurality of fuel cells 20 are stacked in the vertical direction (arrow A direction) along the horizontal direction (arrow B direction) on the electrode surface. Each fuel cell 20 has an electrode surface arranged in parallel to the horizontal direction.

図2に示すように、燃料電池スタック10は、燃料電池20の積層方向下端に、ターミナルプレート22a、絶縁プレート24a及びエンドプレート26aが配設される。燃料電池20の積層方向上端に、ターミナルプレート22b、絶縁プレート24b及びエンドプレート26bが配設される。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 10 is provided with a terminal plate 22 a, an insulating plate 24 a, and an end plate 26 a at the lower end in the stacking direction of the fuel cells 20. At the upper end of the fuel cell 20 in the stacking direction, a terminal plate 22b, an insulating plate 24b, and an end plate 26b are disposed.

エンドプレート26a、26bには、複数本の連結バー28の両端が固定されており、前記エンドプレート26a、26b間に所定の締め付け荷重が付与される。   Both ends of a plurality of connecting bars 28 are fixed to the end plates 26a, 26b, and a predetermined tightening load is applied between the end plates 26a, 26b.

図3に示すように、燃料電池20は、電解質膜・電極構造体(MEA)30が、第1及び第2金属セパレータ32、34に挟持される。第1及び第2金属セパレータ32、34は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。   As shown in FIG. 3, in the fuel cell 20, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) 30 is sandwiched between first and second metal separators 32 and 34. The first and second metal separators 32 and 34 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a vertically long metal plate that has been subjected to a surface treatment for anticorrosion.

第1及び第2金属セパレータ32、34は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波板状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第1及び第2金属セパレータ32、34に代えて、例えば、第1及び第2カーボンセパレータ(図示せず)を採用してもよい。   The first and second metal separators 32 and 34 have a rectangular planar shape, and are formed into a concavo-convex shape by pressing a metal thin plate into a corrugated plate shape. Instead of the first and second metal separators 32 and 34, for example, first and second carbon separators (not shown) may be employed.

燃料電池20の矢印B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36aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔38bとが設けられる。   One end edge of the fuel cell 20 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and an oxidant gas inlet communication hole 36a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, A fuel gas outlet communication hole 38b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, is provided.

燃料電池20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、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔38aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔36bとが設けられる。   The other end edge of the fuel cell 20 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 38a for supplying fuel gas, and an oxidant gas for discharging oxidant gas. An outlet communication hole 36b is provided.

燃料電池20の矢印C方向両端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔40aと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔40bとが設けられる。   The both ends of the fuel cell 20 in the direction of arrow C communicate with each other in the direction of arrow A, and a cooling medium inlet communication hole 40a for supplying a cooling medium, and a cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 40b.

第1金属セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、酸化剤ガス入口連通孔36aと酸化剤ガス出口連通孔36bとに連通する酸化剤ガス流路42が設けられる。酸化剤ガス流路42は、矢印B方向に延在する複数本の波形状流路溝42aを有するとともに、上流及び下流には、入口バッファ部43a及び出口バッファ部43bが設けられる。   An oxidant gas flow path 42 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 36a and the oxidant gas outlet communication hole 36b is provided on the surface 32a of the first metal separator 32 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The oxidant gas flow channel 42 has a plurality of wave-shaped flow channel grooves 42a extending in the direction of arrow B, and an inlet buffer unit 43a and an outlet buffer unit 43b are provided upstream and downstream.

第2金属セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとに連通する燃料ガス流路44が設けられる。燃料ガス流路44は、矢印B方向に延在する複数本の波形状流路溝42aを有するとともに、上流及び下流には、入口バッファ部45a及び出口バッファ部45bが設けられる。直線状の燃料ガス流路44は、燃料電池自動車12の進行方向(矢印B2方向)に沿って配置されるとともに、燃料ガスは、前記燃料電池自動車12の進行方向前方から後方に向かって(矢印B1方向)、前記燃料ガス流路44を流通するように設定される。   A fuel gas flow path 44 communicating with the fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b is provided on the surface 34a of the second metal separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The fuel gas channel 44 has a plurality of wave-shaped channel grooves 42a extending in the direction of the arrow B, and an inlet buffer unit 45a and an outlet buffer unit 45b are provided upstream and downstream. The straight fuel gas flow path 44 is disposed along the traveling direction of the fuel cell vehicle 12 (arrow B2 direction), and the fuel gas flows from the front to the rear in the traveling direction of the fuel cell vehicle 12 (arrows). B1 direction), the fuel gas passage 44 is set to flow.

燃料ガス流路44と酸化剤ガス流路42とは、それぞれの流れ方向が逆方向に設定される、所謂、対向流を構成する。なお、波形状流路溝42a、44aに代えて、直線流路溝を採用してもよい。   The fuel gas flow path 44 and the oxidant gas flow path 42 constitute a so-called counter flow in which the flow directions are set in opposite directions. In place of the wave-shaped channel grooves 42a and 44a, straight channel grooves may be employed.

互いに隣接する燃料電池20を構成する第1金属セパレータ32の面32bと、第2金属セパレータ34の面34bとの間には、冷却媒体入口連通孔40aと冷却媒体出口連通孔40bとを連通する冷却媒体流路46が設けられる。冷却媒体流路46は、酸化剤ガス流路42の裏面形状と燃料ガス流路44の裏面形状とが重なり合って構成される。   The cooling medium inlet communication hole 40a and the cooling medium outlet communication hole 40b are communicated between the surface 32b of the first metal separator 32 and the surface 34b of the second metal separator 34 constituting the fuel cells 20 adjacent to each other. A cooling medium flow path 46 is provided. The cooling medium channel 46 is configured by overlapping the back surface shape of the oxidant gas channel 42 and the back surface shape of the fuel gas channel 44.

第1金属セパレータ32の面32a、32bには、第1シール部材48が、一体的又は個別に設けられるとともに、第2金属セパレータ34の面34a、34bには、第2シール部材50が、一体的に又は個別に設けられる。   The first seal member 48 is integrally or individually provided on the surfaces 32 a and 32 b of the first metal separator 32, and the second seal member 50 is integrally formed on the surfaces 34 a and 34 b of the second metal separator 34. Or individually.

第1及び第2シール部材48、50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 second seal members 48 and 50 are, for example, EPDM, NBR, fluoro rubber, silicon rubber, fluorosilicon rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, or acrylic rubber or the like, cushion material, Alternatively, a packing material is used.

電解質膜・電極構造体30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52と、前記固体高分子電解質膜52を挟持するカソード側電極54及びアノード側電極56とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 52 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side electrode 54 and an anode side electrode 56 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 52. With.

カソード側電極54及びアノード側電極56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52の両面に形成されている。   The cathode side electrode 54 and the anode side electrode 56 are formed by uniformly applying a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. An electrode catalyst layer. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 52.

図2に示すように、エンドプレート26aには、配管マニホールド部60が装着される。この配管マニホールド部60は、酸化剤ガス入口連通孔36a、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体入口連通孔40a、酸化剤ガス出口連通孔36b、燃料ガス出口連通孔38b及び冷却媒体出口連通孔40bに、それぞれ連通する複数の独立したマニホールド部材を備える。なお、図2では、各マニホールド部材の詳細な記載は、省略している。   As shown in FIG. 2, a pipe manifold section 60 is attached to the end plate 26a. The pipe manifold 60 includes an oxidant gas inlet communication hole 36a, a fuel gas inlet communication hole 38a, a cooling medium inlet communication hole 40a, an oxidant gas outlet communication hole 36b, a fuel gas outlet communication hole 38b, and a cooling medium outlet communication hole 40b. Are provided with a plurality of independent manifold members communicating with each other. In FIG. 2, detailed description of each manifold member is omitted.

燃料電池スタック10には、酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給装置62と、燃料ガスである水素ガスを供給するための水素供給装置64と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置66とが接続される。   The fuel cell stack 10 includes an air supply device 62 for supplying air as an oxidant gas, a hydrogen supply device 64 for supplying hydrogen gas as a fuel gas, and a cooling medium for supplying a cooling medium. A supply device 66 is connected.

空気供給装置62は、エアポンプ68を備え、このエアポンプ68が接続される空気供給路70は、加湿器72を介装して燃料電池スタック10の酸化剤ガス入口連通孔36aに連通する。   The air supply device 62 includes an air pump 68, and an air supply path 70 to which the air pump 68 is connected communicates with the oxidant gas inlet communication hole 36 a of the fuel cell stack 10 via a humidifier 72.

空気供給装置62は、燃料電池スタック10の酸化剤ガス出口連通孔36bに連通する空気排出路74を有するとともに、前記空気排出路74は、加湿器72を介装して車外に延在する。加湿器72は、空気排出路74に排出される使用済みの加湿空気と、空気供給路70に導入される新たな空気との間で、水交換を行うことにより、この新たな空気を加湿する。   The air supply device 62 has an air discharge path 74 that communicates with the oxidant gas outlet communication hole 36 b of the fuel cell stack 10, and the air discharge path 74 extends outside the vehicle via a humidifier 72. The humidifier 72 humidifies the new air by exchanging water between the used humidified air discharged to the air discharge path 74 and new air introduced to the air supply path 70. .

水素供給装置64は、高圧水素を貯留する水素タンク76を備え、この水素タンク76が水素供給路78に配置される。水素供給路78は、燃料電池スタック10の燃料ガス入口連通孔38aに連通するとともに、減圧弁80及びエゼクタ82を配設する。エゼクタ82の吸引口には、水素排出路84が連通するとともに、前記水素排出路84は、気液分離器86を介装して燃料電池スタック10の燃料ガス出口連通孔38bに連通する。   The hydrogen supply device 64 includes a hydrogen tank 76 that stores high-pressure hydrogen, and the hydrogen tank 76 is disposed in a hydrogen supply path 78. The hydrogen supply path 78 communicates with the fuel gas inlet communication hole 38a of the fuel cell stack 10, and a pressure reducing valve 80 and an ejector 82 are disposed. A hydrogen discharge path 84 communicates with the suction port of the ejector 82, and the hydrogen discharge path 84 communicates with the fuel gas outlet communication hole 38 b of the fuel cell stack 10 via a gas-liquid separator 86.

冷却媒体供給装置66は、ラジエータ88を備える。ラジエータ88には、冷却媒体循環路90が接続され、前記冷却媒体循環路90は、燃料電池スタック10の冷却媒体入口連通孔40a及び冷却媒体出口連通孔40bに両端が接続される。この冷却媒体循環路90には、冷媒ポンプ92が介装される。   The cooling medium supply device 66 includes a radiator 88. A cooling medium circulation path 90 is connected to the radiator 88, and both ends of the cooling medium circulation path 90 are connected to the cooling medium inlet communication hole 40 a and the cooling medium outlet communication hole 40 b of the fuel cell stack 10. A refrigerant pump 92 is interposed in the cooling medium circulation path 90.

図1に示すように、燃料電池自動車12内では、フロントボックス18内に、燃料電池スタック10の他、ラジエータ88、エアポンプ68、各種補機(加湿器72等を含む)111、走行用モータ112及びエアコン114等が配設される。走行用モータ112は、燃料電池スタック10から出力される電力によって駆動される。   As shown in FIG. 1, in the fuel cell vehicle 12, in the front box 18, in addition to the fuel cell stack 10, a radiator 88, an air pump 68, various auxiliary devices (including a humidifier 72) 111, a traveling motor 112. In addition, an air conditioner 114 and the like are provided. The traveling motor 112 is driven by electric power output from the fuel cell stack 10.

燃料電池自動車12の後部側には、水素タンク76が配置されるとともに、この水素タンク76の前方には、バッテリ116が配置される。バッテリ116は、補機111、エアコン114の他、走行用モータ112に電力を供給可能であるとともに、燃料電池スタック10からの電力により充電される。   A hydrogen tank 76 is disposed on the rear side of the fuel cell vehicle 12, and a battery 116 is disposed in front of the hydrogen tank 76. The battery 116 can supply power to the traveling motor 112 in addition to the auxiliary machine 111 and the air conditioner 114, and is charged by the power from the fuel cell stack 10.

このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

先ず、燃料電池自動車12の図示しないイグニッションスイッチがオンされると、バッテリ116から補機111等に電力が供給され、燃料電池スタック10の運転が開始される。   First, when an ignition switch (not shown) of the fuel cell vehicle 12 is turned on, power is supplied from the battery 116 to the auxiliary device 111 and the like, and the operation of the fuel cell stack 10 is started.

図2に示すように、空気供給装置62では、エアポンプ68の駆動作用下に空気供給路70に導出された圧縮空気は、加湿器72で加湿された後、燃料電池スタック10の酸化剤ガス入口連通孔36aに供給される。   As shown in FIG. 2, in the air supply device 62, the compressed air led to the air supply path 70 under the driving action of the air pump 68 is humidified by the humidifier 72 and then the oxidant gas inlet of the fuel cell stack 10. It is supplied to the communication hole 36a.

水素供給装置64では、水素タンク76に貯留されている高圧水素が、減圧弁80を介して減圧されて水素供給路78に送られる。燃料ガス(水素ガス)は、エゼクタ82のノズル部から噴出されるとともに、後述する使用済みの燃料ガスを吸引して、燃料電池スタック10の燃料ガス入口連通孔38aに供給される。   In the hydrogen supply device 64, the high-pressure hydrogen stored in the hydrogen tank 76 is reduced in pressure via the pressure reducing valve 80 and sent to the hydrogen supply path 78. The fuel gas (hydrogen gas) is ejected from the nozzle portion of the ejector 82, and used fuel gas to be described later is sucked and supplied to the fuel gas inlet communication hole 38 a of the fuel cell stack 10.

一方、冷却媒体供給装置66では、冷媒ポンプ92の作用下に、冷却媒体循環路90から燃料電池スタック10の冷却媒体入口連通孔40aに冷却媒体が供給される。   On the other hand, in the cooling medium supply device 66, the cooling medium is supplied from the cooling medium circulation path 90 to the cooling medium inlet communication hole 40 a of the fuel cell stack 10 under the action of the refrigerant pump 92.

このため、図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔36aから第1金属セパレータ32の酸化剤ガス流路42に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路42に沿って矢印B2方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体30を構成するカソード側電極54に供給される。   Therefore, as shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 42 of the first metal separator 32 from the oxidant gas inlet communication hole 36a. The oxidant gas is supplied to the cathode side electrode 54 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 30 while moving in the arrow B2 direction along the oxidant gas flow path 42.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔38aから第2金属セパレータ34の燃料ガス流路44に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路44に沿って矢印B1方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体30を構成するアノード側電極56に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 44 of the second metal separator 34 from the fuel gas inlet communication hole 38a. The fuel gas is supplied to the anode side electrode 56 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 30 while moving in the arrow B1 direction along the fuel gas flow path 44.

従って、電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極54に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極56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 / electrode structure 30, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 54 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 56 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.

次いで、カソード側電極54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36bに沿って矢印A方向に移動し、空気排出路74に排出される(図2参照)。この酸化剤ガスは、加湿器72で新たな酸化剤ガスを加湿した後、車外に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 54 moves in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 36b and is discharged to the air discharge path 74 (see FIG. 2). The oxidant gas is humidified with a new oxidant gas by the humidifier 72 and then discharged outside the vehicle.

一方、アノード側電極56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38bに沿って矢印A方向に移動し、水素排出路84に排出される(図2参照)。この燃料ガスは、エゼクタ82の吸引作用下に、新たな燃料ガスに混在して水素供給路78に導入され、燃料ガスとして燃料電池スタック10に供給される。   On the other hand, the consumed fuel gas supplied to the anode side electrode 56 moves in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 38b and is discharged to the hydrogen discharge path 84 (see FIG. 2). This fuel gas is mixed with new fuel gas under the suction action of the ejector 82, introduced into the hydrogen supply path 78, and supplied to the fuel cell stack 10 as fuel gas.

また、冷却媒体入口連通孔40aに供給された冷却媒体(純水やエチレングリコール、オイル等)は、図3に示すように、第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路46に導入され、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30を冷却した後、冷却媒体出口連通孔40bに排出される。冷却媒体は、図2に示すように、冷却媒体循環路90に戻されてラジエータ88で冷却された後、燃料電池スタック10に循環供給される。   Further, the cooling medium (pure water, ethylene glycol, oil, etc.) supplied to the cooling medium inlet communication hole 40a is a cooling medium flow path 46 between the first and second metal separators 32 and 34 as shown in FIG. Circulated in the direction of arrow C. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 30 and then is discharged to the cooling medium outlet communication hole 40b. As shown in FIG. 2, the cooling medium is returned to the cooling medium circulation path 90, cooled by the radiator 88, and then circulated and supplied to the fuel cell stack 10.

この場合、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10では、図1及び図2に示すように、直線状の燃料ガス流路44が、燃料電池自動車12の進行方向(矢印B2方向)に沿って配置されるとともに、燃料ガスは、前記燃料電池自動車12の進行方向前方から後方に向かって(矢印B1方向)、前記燃料ガス流路44を流通するように設定されている。   In this case, in the fuel cell stack 10 according to the first embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the linear fuel gas flow path 44 extends along the traveling direction of the fuel cell vehicle 12 (arrow B2 direction). The fuel gas is set to flow through the fuel gas passage 44 from the front to the rear in the traveling direction of the fuel cell vehicle 12 (in the direction of arrow B1).

このため、燃料電池自動車12が加速する際、図1に示すように、燃料電池スタック10には、矢印B1方向に向かう加速度(G)が作用する。従って、燃料電池スタック10内の燃料ガス流路44では、加速度(G)によってこの燃料ガス流路44内に存在する凝縮水の排水が促進される。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、良好な排水処理が遂行されるという効果が得られる。   For this reason, when the fuel cell automobile 12 accelerates, as shown in FIG. 1, an acceleration (G) acting in the direction of the arrow B <b> 1 acts on the fuel cell stack 10. Accordingly, in the fuel gas channel 44 in the fuel cell stack 10, drainage of condensed water existing in the fuel gas channel 44 is promoted by acceleration (G). Thereby, the effect that a favorable waste water treatment is performed with a simple and compact structure is acquired.

しかも、燃料電池自動車12の加速時には、走行用モータ112への電力供給の必要性から、燃料電池20での発電量が急激に増加されるため、多量の生成水が発生する。酸化剤ガス流路42側で発生した生成水は、固体高分子電解質膜52を介して燃料ガス流路44にも流出する。その際、燃料ガス流路44から確実に排水されるため、安定的な発電が遂行され、燃料電池自動車12の加速性能の低下や効率の低下、さらに固体高分子電解質膜52やカソード側電極54及びアノード側電極56への損傷を有効に阻止することができる。   In addition, when the fuel cell vehicle 12 is accelerated, the amount of power generated by the fuel cell 20 is rapidly increased due to the necessity of power supply to the traveling motor 112, so that a large amount of generated water is generated. The generated water generated on the oxidant gas channel 42 side also flows out to the fuel gas channel 44 via the solid polymer electrolyte membrane 52. At that time, since the fuel gas passage 44 is surely drained, stable power generation is performed, the acceleration performance and efficiency of the fuel cell vehicle 12 are reduced, and the solid polymer electrolyte membrane 52 and the cathode side electrode 54 are further reduced. In addition, damage to the anode-side electrode 56 can be effectively prevented.

また、燃料電池自動車12の加速時には、発電量が急激に増加して水素供給装置64内を循環する流量が増加する。これにより、気液分離器86内での気液分離が不十分になり、燃料ガス入口連通孔38aから各燃料ガス流路44に液状水が導入され易い。   Further, when the fuel cell vehicle 12 is accelerated, the amount of power generation increases rapidly and the flow rate circulating in the hydrogen supply device 64 increases. As a result, gas-liquid separation in the gas-liquid separator 86 becomes insufficient, and liquid water is easily introduced into the fuel gas flow paths 44 from the fuel gas inlet communication holes 38a.

その際、燃料ガス流路44には、燃料ガスの流れ方向に加速度(G)が作用するため、前記燃料ガス流路44に導入された液状水は、容易且つ確実に燃料ガス出口連通孔38bに排出され、安定した発電が遂行可能になる。   At that time, since acceleration (G) acts on the fuel gas flow path 44 in the flow direction of the fuel gas, the liquid water introduced into the fuel gas flow path 44 is easily and reliably supplied to the fuel gas outlet communication hole 38b. It will be discharged and stable power generation can be performed.

一方、酸化剤ガス流路42では、酸化剤ガスが、燃料電池自動車12の進行方向後方から前方に向かって(矢印B2方向)、流通している。ここで、酸化剤ガス流路42に流通される酸化剤ガスの流量は、燃料ガス流路44に流通される燃料ガスの流量に比べて多量となり、且つガスの粘度及び密度が高いため、前記酸化剤ガス流路42の流路両端の圧力差が大きくなっている。   On the other hand, in the oxidant gas flow path 42, the oxidant gas flows from the rear in the traveling direction of the fuel cell vehicle 12 toward the front (in the direction of arrow B2). Here, the flow rate of the oxidant gas that flows through the oxidant gas flow channel 42 is larger than the flow rate of the fuel gas that flows through the fuel gas flow channel 44, and the viscosity and density of the gas are high. The pressure difference between both ends of the oxidant gas passage 42 is large.

しかも、加速時には、走行用モータ112への電力供給の必要性から、酸化剤ガス流量が増大されるため、酸化剤ガス流路42の流れ方向が、燃料電池自動車12の進行方向後方から前方に向かっていても、圧力差を利用して前記酸化剤ガス流路42内の生成水は、入口側(酸化剤ガス入口連通孔36a側)から出口側(酸化剤ガス出口連通孔36b側)に円滑且つ確実に排水される。このため、酸化剤ガス流路に滞留水が存在することがなく、酸化剤ガスのストイキを維持して良好な発電が遂行される。   In addition, during acceleration, the flow rate of the oxidant gas passage 42 increases from the rear in the traveling direction of the fuel cell vehicle 12 because the flow rate of the oxidant gas is increased due to the necessity of supplying power to the traveling motor 112. Even if it is heading, the generated water in the oxidant gas flow path 42 from the inlet side (oxidant gas inlet communication hole 36a side) to the outlet side (oxidant gas outlet communication hole 36b side) using the pressure difference. It drains smoothly and reliably. For this reason, there is no stagnant water in the oxidant gas flow path, and good power generation is performed while maintaining the stoichiometry of the oxidant gas.

その上、燃料ガス流路44の燃料ガス流れ方向と、酸化剤ガス流路42の酸化剤ガス流れ方向とは、対向流(逆方向)に設定されている。従って、酸化剤ガス及び燃料ガスは、共に加湿不足になり易い入口側が、固体高分子電解質膜52を挟んで凝縮水の豊富な対極の出口側が存在することで、良好に加湿状態が維持される。これにより、空気供給装置62では、加湿器72を廃止又は小型化できるという効果がある。   In addition, the fuel gas flow direction in the fuel gas flow path 44 and the oxidant gas flow direction in the oxidant gas flow path 42 are set to counterflow (reverse direction). Therefore, both the oxidant gas and the fuel gas are maintained in a good humidified state because both the inlet side where the humidification is likely to be insufficient and the outlet side of the counter electrode rich in condensed water sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 52 are present. . Thereby, in the air supply apparatus 62, there exists an effect that the humidifier 72 can be abolished or reduced in size.

図4は、本発明に関連する燃料電池スタック120が組み込まれる燃料電池自動車12の概略説明図である。 4, the fuel cell stack 120 that are related to the present invention is a schematic illustration of a fuel cell vehicle 12 to be incorporated.

なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   The same components as those of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池スタック120は、複数の燃料電池20が、電極面を鉛直方向(矢印A方向)に沿って水平方向(車幅方向)に積層される(図4及び図5参照)。酸化剤ガス流路42と燃料電池20とは、対向流を構成する。燃料ガス流路44は、燃料電池自動車12の進行方向(矢印B2方向)に沿って配置されるとともに、燃料ガスは、前記燃料電池自動車12の進行方向前方から後方に向かって(矢印B1方向)、前記燃料ガス流路44を流通するように設定されている。   In the fuel cell stack 120, a plurality of fuel cells 20 are stacked in the horizontal direction (vehicle width direction) along the vertical direction (arrow A direction) on the electrode surface (see FIGS. 4 and 5). The oxidant gas flow path 42 and the fuel cell 20 constitute a counter flow. The fuel gas passage 44 is arranged along the traveling direction (arrow B2 direction) of the fuel cell vehicle 12, and the fuel gas flows from the front to the rear in the traveling direction of the fuel cell vehicle 12 (arrow B1 direction). The fuel gas passage 44 is set to flow.

これにより、燃料電池スタック120では、燃料電池自動車12が加速する際、燃料ガス流路44では、矢印B1方向に向かう加速度(G)の作用下に、この燃料ガス流路44内に存在する凝縮水の排水が促進される。従って、良好な排水処理が遂行される等の効果が得られる。 As a result, in the fuel cell stack 120 , when the fuel cell vehicle 12 accelerates, in the fuel gas channel 44, condensation existing in the fuel gas channel 44 under the action of acceleration (G) in the direction of the arrow B1. Water drainage is promoted. Therefore, effects such as good wastewater treatment can be obtained.

図6は、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10及び/又は燃料電池スタック120が収容される燃料電池自動車12aの概略説明図である。 6, the fuel cell stack 10 and / or according to the first embodiment is a schematic illustration of a fuel cell vehicle 12a to fuel cell stack 120 is accommodated.

燃料電池自動車12aは、キャビン(車室)130内にセンタートンネル132を有し、このセンタートンネル132内に燃料電池スタック10(120)が配置される。   The fuel cell vehicle 12 a has a center tunnel 132 in a cabin (vehicle compartment) 130, and the fuel cell stack 10 (120) is disposed in the center tunnel 132.

このため、燃料電池自動車12aでは、フロントボックス18内に、他の設備を容易に収容することができるとともに、センタートンネル132内のスペースの有効利用が図られるという利点がある。 For this reason, in the fuel cell vehicle 12a , there are advantages that other facilities can be easily accommodated in the front box 18 and that the space in the center tunnel 132 can be effectively used.

10、120…燃料電池スタック 12、12a…燃料電池自動車
16…取り付け部 18…フロントボックス
20…燃料電池 30…電解質膜・電極構造体
32、34…セパレータ 36a…酸化剤ガス入口連通孔
36b…酸化剤ガス出口連通孔 38a…燃料ガス入口連通孔
38b…燃料ガス出口連通孔 40a…冷却媒体入口連通孔
40b…冷却媒体出口連通孔 42…酸化剤ガス流路
44…燃料ガス流路 46…冷却媒体流路
52…固体高分子電解質膜 54…カソード側電極
56…アノード側電極 60…配管マニホールド部
62…空気供給装置 64…水素供給装置
66…冷却媒体供給装置 68…エアポンプ
72…加湿器 82…エゼクタ
88…ラジエータ 112…走行用モータ
116…バッテリ 130…キャビン
132…センタートンネル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 120 ... Fuel cell stack 12, 12a ... Fuel cell vehicle 16 ... Mounting part 18 ... Front box 20 ... Fuel cell 30 ... Electrolyte membrane / electrode structure 32, 34 ... Separator 36a ... Oxidant gas inlet communication hole 36b ... Oxidation Agent gas outlet communication hole 38a ... Fuel gas inlet communication hole 38b ... Fuel gas outlet communication hole 40a ... Cooling medium inlet communication hole 40b ... Cooling medium outlet communication hole 42 ... Oxidant gas channel 44 ... Fuel gas channel 46 ... Cooling medium Flow path 52 ... Solid polymer electrolyte membrane 54 ... Cathode side electrode 56 ... Anode side electrode 60 ... Pipe manifold 62 ... Air supply device 64 ... Hydrogen supply device 66 ... Cooling medium supply device 68 ... Air pump 72 ... Humidifier 82 ... Ejector 88 ... Radiator 112 ... Driving motor 116 ... Battery 130 ... Cabin 132 ... Center tunnel

Claims (2)

固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、一方の電極と一方のセパレータとの間には、電極面に沿って燃料ガスを直線状に流通させる燃料ガス流路が形成され、且つ他方の電極と他方のセパレータとの間には、電極面に沿って酸化剤ガスを直線状に流通させる酸化剤ガス流路が形成されるとともに、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路とが対向流を構成する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される車載用燃料電池スタックであって、
前記燃料電池は、前記電極面を水平方向に沿って鉛直方向に積層されるとともに、
直線状の前記燃料ガス流路が車両の前後方向に沿って配置され、且つ、前記燃料ガスは、前記車両の前後方向前方から後方に向かって前記燃料ガス流路を流通することを特徴とする車載用燃料電池スタック。
An electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and a separator are laminated. Between one electrode and one separator, fuel gas is linear along the electrode surface. A fuel gas flow path that circulates through the electrode, and an oxidant gas flow path that circulates the oxidant gas linearly along the electrode surface between the other electrode and the other separator, and The fuel gas flow path and the oxidant gas flow path include a fuel cell that constitutes a counter flow, and an on-vehicle fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked,
The fuel cell is stacked in the vertical direction along the horizontal direction of the electrode surface,
The linear fuel gas flow path is disposed along the front-rear direction of the vehicle , and the fuel gas flows through the fuel gas flow path from the front to the rear in the front- rear direction of the vehicle. Automotive fuel cell stack.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックは、前記車両のフロントボックス内に搭載されることを特徴とする車載用燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 Symbol placement, the fuel cell stack, automotive fuel cell stack, characterized in that mounted in the front box of the vehicle.
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