JP5791940B2 - 水排出構造を有する燃料電池スタック - Google Patents
水排出構造を有する燃料電池スタック Download PDFInfo
- Publication number
- JP5791940B2 JP5791940B2 JP2011086329A JP2011086329A JP5791940B2 JP 5791940 B2 JP5791940 B2 JP 5791940B2 JP 2011086329 A JP2011086329 A JP 2011086329A JP 2011086329 A JP2011086329 A JP 2011086329A JP 5791940 B2 JP5791940 B2 JP 5791940B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plate
- anode
- stack
- cathode
- cell
- 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.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- 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
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
このような燃料電池において、車両駆動のための電力供給源として最も多く研究されている高分子電解質膜燃料電池(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell、Proton Exchange Membrane Fuel Cell)は、水素イオンが移動する電解質膜を中心として膜の両側に電気化学反応が起こる触媒電極層が付着された膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)、反応基体を均一に分布させ、発生した電気エネルギーを伝達する役割を担う気体拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)、反応基体及び冷却水の気密性と適正締結圧を維持するためのガスケット、及び締結器具、そして反応基体及び冷却水を移動させる分離板(BP:Bipolar Plate)を含んで構成される。
上記燃料電池において、燃料である水素と酸化剤である酸素(空気)は、それぞれアノードプレート(AP)とカソードプレート(CP)の流路を介して膜電極接合体のアノード(anode)とカソード(cathode)に供給される。アノードに供給された水素は電解質膜の両側に構成された電極層の触媒により、水素イオン(proton、H+)と電子(electron、e−)に分解され、このうち、水素イオンのみが選択的に陽イオン交換膜である電解質膜を通過してカソードに伝達され、同時に電子は導体である気体拡散層と分離板を介してカソードに伝達される。
図5は、一般的な燃料電池スタック1の一例を示しており、図6は、上記スタックに使用される分離板(BP)のうちの1つであるアノードプレート(AP)10を示している。
すなわち、空気及び水素が共用分配器2を介してマニホールドの孔があけられたオープンエンドプレート(open EP)3に流入されてスタック発電部7を循環した後、再びオープンエンドプレート3を介して排出される。ここで、カソード循環(Cathode loop)の場合、加湿器(図示せず)を介してスタック1に供給された空気がスタック1を通過し再び加湿器を介して車両外部に排出される。また、アノード循環(Anode loop)の場合、水素タンク(図示せず)から供給された水素が水素供給システム(FPS、図示せず)を介してスタック1に供給され、スタック1から排出された残余水素はFPSとスタックとの間を循環し続ける。
この時、上記アノードプレート10には、図6に示すように、水素マニホールド12と連通する水素入口/出口ホール13が形成されており、上記アノードプレートのセル反応面に形成された水素流路15を介して水素が通過する。
このような場合、流入した水は、オープンエンドプレート3に接する最外郭セルに流入するため、セル電圧の急激な下降/上昇の繰り返し、セル内部に存在する多量の水によるMEA触媒劣化を起こす。このような現象は、閉ループ(Closed Loop)で構成されたアノード循環(Anode loop)ではさらに深刻である。また、マニホールドの孔のないクローズエンドプレート(close EP)4の近くの最外郭セルは、分離板のインレットマニホールドを介して水素や空気が供給される時、スタックの長手方向のマニホールドで凝縮された水が上記クローズエンドプレート4側に偏って最外郭セルに流入する。
特許文献1では、スタック発電部の終端(エンドセル及びエンドプレート)部分にバイパスプレート(bypass plate)と中間プレート(intermediate plate)の構造を別に構成し、水素や空気がスタック発電部に供給される時、共に注がれる凝縮水などが発電部に流入せず、スタックの外部に排出される構成を提示した。しかしながら、上記特許の構成では、スタックの構成部品にバイパスプレート(bypass plate)と中間プレート(intermediate plate)を別に開発及び製作しなければならず、スタックの全体的な部品構成が複雑になる短所がある。
また、本発明に使用されるエンドアノードプレート(EAP)及びエンドカソードプレート(ECP)は、従来のアノードプレート(AP)及びカソードプレート(CP)で水素(または空気)入口/出口ホールのみ除去したものであり、従来のアノードプレート及びカソードプレートの成形工程において、水素(空気)入口/出口ホールを製作するパンチング過程を省略して製作できるため、製作工程が簡単であり、製作設備の追加が不要であるため費用を節減することができる。
図1は、本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの積層構造を示し、図2は、本発明の実施例で使用されるエンドアノードプレート(EAP)の構成を示す。
本発明は、スタックに流入する凝縮水を効果的に排出するためにスタック発電部のエンドセルとスタック両端のエンドプレート(EP)との間に積層されるダミーセルを含む。
通常のセル構造は、アノードプレート(AP)−気体拡散層(GDL)−膜電極接合体(MEA)−気体拡散層(GDL)−カソードプレート(CP)で構成されるが、本発明の実施例で使用されるダミーセルは、カソードプレート(CP)−エンドアノードプレート(EAP)を含むカソードダミーセルまたはアノードプレート(AP)−エンドカソードプレート(ECP)を含むアノードダミーセルで構成される。
ただし、エンドアノードプレート100は、水素マニホールド120と連通する水素入口/出口ホールを備えていないため、水素マニホールド120を通過する水素気体がガスケット180により遮断され、エンドアノードプレート100のセル反応面に流入することはない。また、本発明の実施例に係るエンドカソードプレート(ECP)も空気マニホールドと連通する空気入口/出口ホールを備えていないため、空気マニホールドを通過する空気が上記エンドカソードプレート(ECP)のセル反応面に流入することはない。
上記アノードダミーセル(ED)には、アノードプレート(AP)を介して水素が流入するが、エンドカソードプレート(ECP)を介して空気が流入することはないため、燃料電池の化学反応が起こることがなく、アノードの水排出だけが行われる。同様に、上記カソードダミーセル(CD)には、カソードプレート(CP)を介して空気が流入するが、エンドアノードプレート(EAP)を介して水素気体が流入することはないため、燃料電池の化学反応が起こることがなく、カソードの水排出だけが行われる。
この時、図面符号「30」は、GDL−MEA−GDLが接合された5レイヤーMEAを示し、図面符号「60」は、2つのGDLが接合された気体拡散層接合体(GG)を示す。また、図1は、本発明の一実施例であって、スタック両端がオープンエンドプレート3とクローズエンドプレート4で構成されたことを示しているが、スタック両端が両方ともオープンエンドプレートで構成されてもよく、図1に示すセル構成は、スタックモジュールの+、−方向に応じてその反対に構成されてもよい。
本発明で燃料電池スタックは、上記カソードダミーセル300とアノードダミーセル320を様々な組み合わせにより積層することができる。すなわち、上記カソードダミーセル300とアノードダミーセル320がそれぞれスタック発電部のエンドセルと両端のエンドプレート3,4との間の少なくとも一側に1つ以上積層される構造であれば、様々な組み合わせ及び数量の構成が可能である。
このように本発明に係る燃料電池スタックは、簡単な構成によりスタックの水排出構造を形成することができる。すなわち、本発明で使用されるエンドアノードプレート(EAP)及びエンドカソードプレート(ECP)は、従来のアノードプレート(AP)及びカソードプレート(CP)で水素(または空気)入口/出口ホールのみ除去したものであり、従来のアノードプレート及びカソードプレートの成形工程において、水素(空気)入口/出口ホールを製作するパンチング過程を省略して製作できるため、製作工程が簡単で、効率的に凝縮水を排出することができる。
図3に示すように、一般的なスタック構造において、スタックに水が流入する場合、水流入の開始から1〜2秒内に大部分の水は第1セルに流入し、相当量の水が第2セルに流入し、その後のセルには水がほぼ流入しないことが分かる。
したがって、凝縮水などの水がスタックに流入する場合、最外郭付近のセル(エンドセル部)が最もぜい弱であると予想される。
したがって、本発明に係る燃料電池スタックは、実際の車両において、スタックへの水の流入によるセル性能の不安定性、過量の水がセル内部に存在することによるMEA触媒劣化を最小にすることができる。
2 共用分配器
3 オープンエンドプレート
4 クローズエンドプレート
5 セル
7 スタック発電部
10 アノードプレート(AP)
20 カソードプレート(CP)
30 5レイヤーMEA
40 気体拡散層(GDL)
60 気体拡散層接合体(GG)
100 エンドアノードプレート(EAP)
120 水素マニホールド
140 冷却水マニホールド
160 空気マニホールド
180 ガスケット
200 エンドカソードプレート(ECP)
300 カソードダミーセル
320 アノードダミーセル
Claims (7)
- 複数のセルがスタック両端のエンドプレート(EP)の間に積層された燃料電池スタックであって、
スタック発電部のエンドセルと前記両端のエンドプレート(EP)との間にはスタックの水排出のためのダミーセルとしてアノードに水素が流入するがカソードに空気が流入することがなくカソードの水排出だけが行われるカソードダミーセル(CD)とカソードに空気が流入するがアノードに水素が流入することがなくアノードの水排出だけが行われるアノードダミーセル(AD)がそれぞれ少なくとも一側に1つ以上積層されることを特徴とする水排出構造を有する燃料電池スタック。 - 前記カソードダミーセル(CD)は、カソードプレート(CP)及びエンドアノードプレート(EAP)分離板を含んで形成され、前記アノードダミーセル(AD)は、アノードプレート(AP)及びエンドカソードプレート(ECP)分離板を含んで形成されることを特徴とする請求項1に記載の水排出構造を有する燃料電池スタック。
- 前記エンドアノードプレート(EAP)は、アノードプレート(AP)の水素入口/出口ホールが除去されて形成され、前記エンドカソードプレート(ECP)は、カソードプレート(CP)の空気入口/出口ホールが除去されて形成されることを特徴とする請求項2に記載の水排出構造を有する燃料電池スタック。
- 前記カソードダミーセル(CD)のカソードプレート(CP)とエンドアノードプレート(EAP)との間と、前記アノードダミーセル(AD)のアノードプレート(AP)とエンドカソードプレート(ECP)との間には、気体拡散層(GDL)をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の水排出構造を有する燃料電池スタック。
- 前記カソードダミーセル(CD)及びアノードダミーセル(AD)は、膜電極接合体(MEA)を含まず、2つの気体拡散層(GDL)が互いに接合して積層されることを特徴とする請求項4に記載の水排出構造を有する燃料電池スタック。
- 前記エンドセルまたはダミーセルがスタック両端のエンドプレート(EP)に接する面には、ダミーエンドプレートとしてエンドカソードプレート(ECP)またはエンドアノードプレート(EAP)がさらに積層されることを特徴とする請求項1に記載の水排出構造を有する燃料電池スタック。
- スタック両端のエンドプレート(EP)と前記ダミーエンドプレートとの間には気体拡散層(GDL)がさらに積層されることを特徴とする請求項6に記載の水排出構造を有する燃料電池スタック。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR10-2010-0114180 | 2010-11-17 | ||
KR1020100114180A KR101251254B1 (ko) | 2010-11-17 | 2010-11-17 | 물 배출 구조를 갖는 연료전지 스택 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012109199A JP2012109199A (ja) | 2012-06-07 |
JP5791940B2 true JP5791940B2 (ja) | 2015-10-07 |
Family
ID=46021424
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011086329A Active JP5791940B2 (ja) | 2010-11-17 | 2011-04-08 | 水排出構造を有する燃料電池スタック |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8785063B2 (ja) |
JP (1) | JP5791940B2 (ja) |
KR (1) | KR101251254B1 (ja) |
CN (1) | CN102468512B (ja) |
DE (1) | DE102011007378A1 (ja) |
Families Citing this family (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20150048407A (ko) | 2013-10-28 | 2015-05-07 | 현대자동차주식회사 | 더미 셀을 가지는 연료전지 스택 |
WO2015136295A1 (en) | 2014-03-12 | 2015-09-17 | Ceres Intellectual Property Company Limited | Fuel cell stack arrangement |
JP6160982B2 (ja) * | 2014-11-10 | 2017-07-12 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池スタックの製造方法 |
KR102371046B1 (ko) * | 2016-07-15 | 2022-03-07 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 엔드셀 히터 |
KR101896323B1 (ko) | 2016-08-31 | 2018-09-07 | 현대자동차 주식회사 | 연료전지용 가습기 |
JP6769300B2 (ja) * | 2016-12-28 | 2020-10-14 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池スタック及びダミーセル |
DE102018201703A1 (de) | 2018-02-05 | 2019-08-08 | Audi Ag | Brennstoffzellensystem sowie Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem |
JP6715277B2 (ja) * | 2018-03-15 | 2020-07-01 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック及び燃料電池スタック用ダミーセル |
KR102659051B1 (ko) * | 2018-08-20 | 2024-04-19 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지 |
JP6817357B2 (ja) * | 2019-03-05 | 2021-01-20 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック及びダミーセルの製造方法 |
JP7205381B2 (ja) * | 2019-05-27 | 2023-01-17 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池の製造方法 |
KR102287321B1 (ko) * | 2019-12-10 | 2021-08-09 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 스택 |
DE102020007227A1 (de) | 2020-11-26 | 2022-06-02 | Cellcentric Gmbh & Co. Kg | Vorrichtung zum Abfangen von Flüssigkeit |
KR20230030425A (ko) | 2021-08-25 | 2023-03-06 | 현대자동차주식회사 | 절연 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6040072A (en) | 1997-11-19 | 2000-03-21 | Lynntech, Inc. | Apparatus and method for compressing a stack of electrochemical cells |
WO2001071842A2 (en) | 2000-03-17 | 2001-09-27 | Allen Engineering Company, Inc. | Fuel cell stack assembly |
US20050095492A1 (en) | 2001-05-15 | 2005-05-05 | Hydrogenics Corporation | Fuel cell stack |
JP2003203669A (ja) | 2001-12-28 | 2003-07-18 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池スタック |
JP3801096B2 (ja) * | 2002-05-20 | 2006-07-26 | トヨタ自動車株式会社 | スタック構造を有する燃料電池 |
JP4613030B2 (ja) * | 2004-04-30 | 2011-01-12 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
JP4727972B2 (ja) * | 2004-11-25 | 2011-07-20 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
JP5079994B2 (ja) | 2004-11-25 | 2012-11-21 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
JP4826144B2 (ja) * | 2005-06-08 | 2011-11-30 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池スタック |
JP5060143B2 (ja) | 2007-03-14 | 2012-10-31 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
JP5144179B2 (ja) | 2007-09-05 | 2013-02-13 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
JP4741643B2 (ja) * | 2008-09-18 | 2011-08-03 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
-
2010
- 2010-11-17 KR KR1020100114180A patent/KR101251254B1/ko active IP Right Grant
-
2011
- 2011-04-05 US US13/080,406 patent/US8785063B2/en active Active
- 2011-04-08 JP JP2011086329A patent/JP5791940B2/ja active Active
- 2011-04-14 DE DE102011007378A patent/DE102011007378A1/de active Pending
- 2011-04-22 CN CN201110105124.2A patent/CN102468512B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN102468512A (zh) | 2012-05-23 |
US8785063B2 (en) | 2014-07-22 |
US20120121997A1 (en) | 2012-05-17 |
JP2012109199A (ja) | 2012-06-07 |
CN102468512B (zh) | 2016-04-13 |
KR20120053103A (ko) | 2012-05-25 |
DE102011007378A1 (de) | 2012-05-24 |
KR101251254B1 (ko) | 2013-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5791940B2 (ja) | 水排出構造を有する燃料電池スタック | |
JP4741643B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
CA2472138C (en) | End structure of a fuel cell stack | |
JP3673243B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
JP3801096B2 (ja) | スタック構造を有する燃料電池 | |
JP4939100B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
KR20150048407A (ko) | 더미 셀을 가지는 연료전지 스택 | |
JP2008192368A (ja) | 燃料電池スタック | |
JP2007200674A (ja) | 燃料電池スタック | |
JP2008130350A (ja) | 燃料電池 | |
JP5372668B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
JP2010061981A (ja) | 燃料電池システムの始動方法 | |
JP4739880B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池 | |
JP2005056671A (ja) | 燃料電池 | |
JP2004185811A (ja) | 燃料電池のシール構造 | |
JP5167058B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池のエージング方法 | |
JP2004134130A (ja) | 燃料電池スタック | |
JP2009526345A (ja) | 燃料電池スタック | |
JP2007115620A (ja) | 高分子電解質形燃料電池用セパレータおよび高分子電解質形燃料電池 | |
JP2001351666A (ja) | リン酸型燃料電池システムおよびその停止方法 | |
JP2005251604A (ja) | 燃料電池スタック | |
JP2007018800A (ja) | 燃料電池スタック | |
JP2013157315A (ja) | 燃料電池 | |
JP2005228542A (ja) | 燃料電池 | |
JP2004265632A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140225 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150127 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150128 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150422 |
|
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: 20150804 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20150805 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5791940 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |