JP5474606B2 - Automotive fuel cell stack - Google Patents
Automotive fuel cell stack Download PDFInfo
- Publication number
- JP5474606B2 JP5474606B2 JP2010038060A JP2010038060A JP5474606B2 JP 5474606 B2 JP5474606 B2 JP 5474606B2 JP 2010038060 A JP2010038060 A JP 2010038060A JP 2010038060 A JP2010038060 A JP 2010038060A JP 5474606 B2 JP5474606 B2 JP 5474606B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- fuel
- fuel gas
- cell stack
- flow path
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 105
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 101
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 83
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 75
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 75
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 26
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 14
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 13
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 11
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 33
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 22
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 22
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 15
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 10
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 10
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 2
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 1
- 244000043261 Hevea brasiliensis Species 0.000 description 1
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000800 acrylic rubber Polymers 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920005549 butyl rubber Polymers 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- YACLQRRMGMJLJV-UHFFFAOYSA-N chloroprene Chemical compound ClC(=C)C=C YACLQRRMGMJLJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 description 1
- ZHPNWZCWUUJAJC-UHFFFAOYSA-N fluorosilicon Chemical compound [Si]F ZHPNWZCWUUJAJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 description 1
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 /
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 /
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (2)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010038060A JP5474606B2 (en) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | Automotive fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010038060A JP5474606B2 (en) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | Automotive fuel cell stack |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011175807A JP2011175807A (en) | 2011-09-08 |
JP5474606B2 true JP5474606B2 (en) | 2014-04-16 |
Family
ID=44688499
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010038060A Expired - Fee Related JP5474606B2 (en) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | Automotive fuel cell stack |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5474606B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012024963B4 (en) | 2012-12-20 | 2023-03-16 | Cellcentric Gmbh & Co. Kg | Fuel cell arrangement with a closed housing |
JP7380431B2 (en) * | 2020-06-02 | 2023-11-15 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell system |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004063099A (en) * | 2002-07-24 | 2004-02-26 | Honda Motor Co Ltd | In-vehicle fuel cell stack |
JP4394946B2 (en) * | 2003-12-24 | 2010-01-06 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell vehicle |
-
2010
- 2010-02-24 JP JP2010038060A patent/JP5474606B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2011175807A (en) | 2011-09-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9079508B2 (en) | Fuel cell vehicle | |
JP5591074B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5234879B2 (en) | Fuel cell | |
US9701192B2 (en) | Fuel cell vehicle | |
US20130202975A1 (en) | In-vehicle fuel cell system | |
JP2001283879A (en) | Solid polymer fuel cell stack and air vent valve | |
CN107069067B (en) | Fuel cell stack | |
JP2009146575A (en) | Fuel cell stack | |
JP2001118596A (en) | Fuel cell stack | |
CN111799493B (en) | Fuel cell system | |
JP5194406B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2007087760A (en) | Vehicle-mounted fuel cell system | |
JP2013193724A (en) | Fuel cell system | |
JP5474606B2 (en) | Automotive fuel cell stack | |
US20100285380A1 (en) | Fuel cell system | |
JP5437089B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5508915B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5372668B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP2004063099A (en) | In-vehicle fuel cell stack | |
JP2013206856A (en) | On-vehicle fuel cell stack | |
JP5011749B2 (en) | Fuel cell device | |
JP2011075242A (en) | Humidifying module | |
JP5474318B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP2007227276A (en) | Fuel cell system | |
JP5450124B2 (en) | Fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20121128 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130917 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20131118 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140107 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140205 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5474606 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |