JP5802649B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ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燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack having a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and 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一面側にアノード電極を、前記電解質膜の他面側にカソード電極を、それぞれ配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、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 in which an anode electrode is provided on one side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a cathode electrode is provided on the other side of the electrolyte membrane ( MEA) is provided with a unit cell sandwiched by a pair of separators. This type of fuel cell is normally used as an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード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が設けられている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。 In the fuel cell described above, a fuel gas flow path is provided in the surface of one separator so as to flow the fuel gas so as to face the anode electrode, and oxidation is performed in the surface of the other separator so as to face the cathode electrode. An oxidant gas flow path for flowing the agent gas is provided. Furthermore, between each separator which comprises each fuel cell and adjoins mutually, the cooling medium flow path for flowing a cooling medium in the electrode range is formed along the separator surface.
さらに、この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。 Further, in this type of fuel cell, the fuel gas inlet communication hole and the fuel gas outlet communication hole for flowing the fuel gas through the unit cell in the stacking direction, and the oxidant gas inlet communication hole for flowing the oxidant gas In many cases, a so-called internal manifold type fuel cell is provided which includes an oxidant gas outlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole for flowing a cooling medium, and a cooling medium outlet communication hole.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックは、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、平面が矩形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する波形状ガス流路が設けられる発電ユニットを備え、前記発電ユニットの間に前記波形状ガス流路の裏面形状である冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層されている。 For example, a fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 includes an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte, and a metal separator having a rectangular plane, and the metal separator. The electrode facing surface includes a power generation unit provided with a corrugated gas flow path for supplying a reaction gas, which is a fuel gas or an oxidant gas, along the electrode, The power generation units are stacked on each other so as to form a cooling medium flow path having a back surface shape.
そして、金属セパレータの互いに対向する一方の2辺には、積層方向に貫通し、反応ガスを流すための反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が設けられ、前記金属セパレータの互いに対向する他方の2辺には、前記積層方向に貫通し、少なくとも前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に近接するとともに、それぞれ各辺に振り分けられて冷却媒体を流すための一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が設けられている。 The two opposite sides of the metal separator are provided with a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole through which the reaction gas flows through in the stacking direction. A pair of cooling medium inlets that penetrate in the stacking direction and are close to at least the reaction gas inlet communication hole or the reaction gas outlet communication hole, and are distributed to the respective sides to flow the cooling medium. A communication hole and a pair of cooling medium outlet communication holes are provided.
従って、一対の冷却媒体入口連通孔及び一対の冷却媒体出口連通孔が、それぞれ振り分けて設けられるため、冷却媒体流路全域に対して冷却媒体を均一且つ確実に供給することができる。 Accordingly, since the pair of cooling medium inlet communication holes and the pair of cooling medium outlet communication holes are provided separately, the cooling medium can be uniformly and reliably supplied to the entire cooling medium flow path.
ところで、上記の燃料電池では、実際上、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体流路との間は、複数本の連結流路を介して連通するとともに、前記冷却媒体流路の入口側には、一対の冷却媒体入口連通孔間に位置してバッファ部が設けられている場合が多い。 By the way, in the fuel cell described above, the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium flow path are actually communicated via a plurality of connecting flow paths, and at the inlet side of the cooling medium flow path, In many cases, a buffer portion is provided between the pair of cooling medium inlet communication holes.
このため、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔から連結流路を通って冷却媒体流路に、すなわち、発電部(電極部)に供給されるとともに、バッファ部にバイパスすることにより、前記発電部の中央部位まで供給されている。ところが、冷却媒体は、最短流路を流れようとするため、発電部の中央部位まで前記冷却媒体を十分に供給することができないおそれがある。 For this reason, the cooling medium is supplied to the cooling medium flow path from the cooling medium inlet communication hole to the cooling medium flow path, that is, to the power generation section (electrode section), and bypassed to the buffer section, thereby the power generation section It is supplied to the central part. However, since the cooling medium tends to flow through the shortest flow path, there is a possibility that the cooling medium cannot be sufficiently supplied to the central portion of the power generation unit.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、発電部全面にわたって冷却媒体を均等に供給することができ、温度の不均一による局所的なMEAの劣化や滞留水の発生を可及的に抑制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 with a simple configuration, the cooling medium can be supplied uniformly over the entire surface of the power generation unit. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of suppressing generation as much as possible.
本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ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燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、互いに隣接する前記セパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路の入口側及び前記冷却媒体流路の出口側には、それぞれバッファ部が設けられる一方、前記冷却媒体流路の入口側には、流路幅方向の両側に前記バッファ部を挟んで一対の冷却媒体入口連通孔が設けられ、且つ、前記冷却媒体流路の出口側には、前記流路幅方向の両側に前記バッファ部を挟んで一対の冷却媒体出口連通孔が設けられる燃料電池スタックに関するものである。 The present invention has a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the fuel cells are stacked and adjacent to each other. Between the separators, there is formed a cooling medium flow path through which the cooling medium flows along the separator surface, and a buffer portion is provided on each of the inlet side of the cooling medium flow path and the outlet side of the cooling medium flow path. A pair of cooling medium inlet communication holes are provided on both sides in the flow path width direction on the inlet side of the cooling medium flow path, and on the outlet side of the cooling medium flow path, The present invention relates to a fuel cell stack in which a pair of cooling medium outlet communication holes are provided on both sides in the flow path width direction with the buffer portion interposed therebetween.
この燃料電池スタックでは、少なくとも冷却媒体入口連通孔は、開口形状が冷却媒体流路の流れ方向に沿って長尺な長方形状に設定され、且つ、バッファ部に近接する方向に向かって開口断面積が小さくなる傾斜部を設けている。冷却媒体入口連通孔とバッファ部とは、複数本の連結流路により連通するとともに、前記複数本の連結流路は、同一の流路長に設定され、前記複数本の連結流路は、前記冷却媒体流路の流れ方向に対して前記バッファ部側に傾斜し、且つ、互いに平行に配列されている。 In this fuel cell stack, at least the cooling medium inlet communication hole has an opening shape that is set to be a long rectangular shape along the flow direction of the cooling medium flow path, and has an opening cross-sectional area in a direction close to the buffer portion. Is provided with an inclined portion. The cooling medium inlet communication hole and the buffer portion communicate with each other through a plurality of connection channels, the plurality of connection channels are set to the same channel length, and the plurality of connection channels are They are inclined toward the buffer section with respect to the flow direction of the cooling medium flow path and are arranged in parallel to each other.
本発明によれば、少なくとも冷却媒体入口連通孔は、バッファ部に近接する方向に向かって開口断面積が小さくなる傾斜部を設けている。このため、冷却媒体は、傾斜部からバッファ部の中央側に向かって導出される。従って、バッファ部には、一対の冷却媒体入口連通孔に隣接する幅方向両端側と共に、幅方向中央部側にも、冷却媒体を確実に供給することができる。これにより、バッファ部全体に冷却媒体を良好に供給することが可能になり、冷却媒体流路全体に前記冷却媒体を均等に供給することができる。 According to the present invention, at least the cooling medium inlet communication hole is provided with the inclined portion whose opening cross-sectional area becomes smaller in the direction close to the buffer portion. For this reason, a cooling medium is derived | led-out toward the center side of a buffer part from an inclination part. Therefore, the cooling medium can be reliably supplied to the buffer part not only on the both ends in the width direction adjacent to the pair of cooling medium inlet communication holes but also on the center part in the width direction. As a result, the cooling medium can be satisfactorily supplied to the entire buffer unit, and the cooling medium can be evenly supplied to the entire cooling medium flow path.
このため、簡単な構成で、発電部全面にわたって冷却媒体を均等に供給することが可能になり、温度の不均一による局所的なMEAの劣化や滞留水の発生を可及的に抑制することができる。 For this reason, it becomes possible to supply the cooling medium evenly over the entire surface of the power generation unit with a simple configuration, and to suppress as much as possible local degradation of MEA and generation of stagnant water due to uneven temperature. it can.
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の燃料電池11が立位姿勢(電極面が鉛直方向に平行)にて矢印A方向に積層される。燃料電池11は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持するカソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16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薄板状金属セパレータにより構成される。金属セパレータは、平面が矩形状を有するとともに、波形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、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
The
カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16は、横長形状を有するとともに、短辺が重力方向(矢印C方向)に向かい且つ長辺が水平方向(矢印B方向)に向かう(水平方向の積層)ように構成される。なお、短辺が水平方向に向かい且つ長辺が重力方向に向かうように構成してもよく、また、セパレータ面が水平方向に向かう(鉛直方向の積層)ように構成してもよい。
The cathode-
燃料電池11の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、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18a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20bとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bは、略矩形状を有するとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔18aは、前記燃料ガス出口連通孔20bよりも大きな開口面積に設定される。
An oxidant gas
燃料電池11の長辺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20aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔18bとが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔18b及び燃料ガス入口連通孔20aは、略矩形状を有するとともに、前記酸化剤ガス出口連通孔18bは、前記燃料ガス入口連通孔20aよりも大きな開口面積に設定される。
The other end edge in the long side direction of the
燃料電池11の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部一方には、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2つの冷却媒体入口連通孔22aが設けられる。燃料電池11の短辺方向の両端縁部他方には、冷却媒体を排出するための2つの冷却媒体出口連通孔22bが設けられる。冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bの詳細な説明は、後述する。
Two cooling medium
電解質膜・電極構造体12は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜24と、前記固体高分子電解質膜24を挟持するカソード電極26及びアノード電極28とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード電極26及びアノード電極28は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)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(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜24の両面に形成される。
The
図1に示すように、カソード側セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔18aと酸化剤ガス出口連通孔18bとを連通する酸化剤ガス流路30が形成される。酸化剤ガス流路30は、水平方向に延在する波形状流路溝が重力方向に複数個配列して構成される。酸化剤ガス流路30の入口近傍と出口近傍とには、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部32aと出口バッファ部32bとが設けられる。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas flow path that connects an oxidant gas
入口バッファ部32aは、酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点位置が高さ方向中央(矢印C方向)から下方に離間して設定される。出口バッファ部32bは、燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点位置が高さ方向中央(矢印C方向)から上方に離間して設定される。
The
入口バッファ部32aと酸化剤ガス入口連通孔18aとは、複数本の入口連結流路33aにより連通する。出口バッファ部32bと酸化剤ガス出口連通孔18bとは、複数本の出口連結流路33bにより連通する。
The
図3に示すように、アノード側セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、燃料ガス入口連通孔20aと燃料ガス出口連通孔20bとを連通する燃料ガス流路34が形成される。燃料ガス流路34は、水平方向に延在する波形状流路溝が重力方向に複数個配列して構成される。燃料ガス流路34の入口近傍と出口近傍とには、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部36aと出口バッファ部36bとが設けられる。
As shown in FIG. 3, a fuel
入口バッファ部36aは、燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点位置が高さ方向中央(矢印C方向)から上方に離間して設定される。出口バッファ部36bは、酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点位置が高さ方向中央(矢印C方向)から下方に離間して設定される。
The
入口バッファ部36aと燃料ガス入口連通孔20aとは、複数本の入口連結流路37aにより連通する。出口バッファ部36bと燃料ガス出口連通孔20bとは、複数本の出口連結流路37bにより連通する。
The
アノード側セパレータ16の面16bとカソード側セパレータ14の面14bとの間には、冷却媒体入口連通孔22a、22aと冷却媒体出口連通孔22b、22bとに連通する冷却媒体流路38が形成される(図1及び図4参照)。冷却媒体流路38は、電解質膜・電極構造体12の電極範囲に亘って冷却媒体を流通させるとともに、前記冷却媒体流路38の入口近傍と出口近傍とには、入口バッファ部40aと出口バッファ部40bとが設けられる。
Between the
アノード側セパレータ16では、冷却媒体流路38は、燃料ガス流路34の裏面形状であり、且つ、入口バッファ部40a及び出口バッファ部40bは、出口バッファ部36b及び入口バッファ部36aの裏面形状として形成される。カソード側セパレータ14では、冷却媒体流路38は、酸化剤ガス流路30の裏面形状であり、且つ、入口バッファ部40a及び出口バッファ部40bは、入口バッファ部32a及び出口バッファ部32bの裏面形状として形成される。以下、アノード側セパレータ16を用いて説明する。なお、カソード側セパレータ14の冷媒面の連通孔形状は、アノード側セパレータ16と同一である。
In the anode-
図1に示すように、入口バッファ部40aは、酸化剤ガス入口連通孔18a及び燃料ガス出口連通孔20bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点位置が高さ方向中央(矢印C方向)から下方に離間して設定される。出口バッファ部40bは、燃料ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔18bの形状に沿って略三角形状を有するとともに、頂点位置が高さ方向中央(矢印C方向)から上方に離間して設定される。
As shown in FIG. 1, the
図4に示すように、冷却媒体入口連通孔22aは、開口形状が冷却媒体流路38の流れ方向(矢印B方向)に沿って長尺な長方形状に設定される。冷却媒体入口連通孔22aは、長方形状の長手方向の中間部位には、前記長方形状を第1領域22a1及び第2領域22a2に分割するリブ部22a(rib)が設けられる。なお、リブ部22a(rib)は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
As shown in FIG. 4, the cooling medium
第1領域22a1は、入口バッファ部40aに近接する方向に向かって開口断面積が小さくなる傾斜部41aを設ける。傾斜部41aは、水平方向(矢印B方向)に向かって入口バッファ部40aから離間する方向に傾斜する。
The first region 22a1 is provided with an
冷却媒体入口連通孔22aでは、上方側の冷却媒体入口連通孔22aの近傍に、入口連結流路42au1、42au2が形成され、下方側の冷却媒体入口連通孔22aの近傍に、入口連結流路42ad1、42ad2が形成される。
In the cooling medium
入口連結流路42au1は、上方側の傾斜部41aに設けられ、上方側の冷却媒体入口連通孔22aと入口バッファ部40aとを連通する。入口連結流路42ad1は、下方側の傾斜部41aに設けられ、下方側の冷却媒体入口連通孔22aと入口バッファ部40aとを連通する。
The inlet connection flow path 42au1 is provided in the upper
入口連結流路42au1は、傾斜部41aに直交する方向に延在し、すなわち、入口バッファ部40a側に傾斜して延在し、互いに同一の流路長に設定される。入口連結流路42ad1は、傾斜部41aに直交する方向に延在し、すなわち、入口バッファ部40a側に傾斜して延在し、互いに同一の流路長に設定される。なお、入口連結流路42au1と入口連結流路42ad1とは、異なる流路本数に設定されるが、同一の流路本数に設定されてもよい。
The inlet connection flow path 42au1 extends in a direction orthogonal to the
入口連結流路42au2は、上方側の冷却媒体入口連通孔22aと冷却媒体流路38とを連通する。入口連結流路42ad2は、下方側の冷却媒体入口連通孔22aと冷却媒体流路38とを連通する。
The inlet connection flow path 42 au 2 communicates the cooling medium
冷却媒体出口連通孔22bは、開口形状が冷却媒体流路38の流れ方向(矢印B方向)に沿って長尺な長方形状に設定される。冷却媒体出口連通孔22bは、長方形状の長手方向の中間部位には、前記長方形状を第1領域22b1及び第2領域22b2に分割するリブ部22b(rib)が設けられる。なお、リブ部22b(rib)は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
The cooling medium
第1領域22b1は、出口バッファ部40bに近接する方向に向かって開口断面積が小さくなる傾斜部41bを設ける。傾斜部41bは、水平方向(矢印B方向)に向かって出口バッファ部40bから離間する方向に傾斜する。なお、出口側の傾斜部41bは、必要に応じて設ければよく、少なくとも入口側の傾斜部41aを設ければよい。
The first region 22b1 is provided with an
冷却媒体出口連通孔22bでは、上方側の冷却媒体出口連通孔22bの近傍に、出口連結流路42bu1、42bu2が形成され、下方側の冷却媒体出口連通孔22bの近傍に、出口連結流路42bd1、42bd2が形成される。
In the cooling medium
出口連結流路42bu1は、上方側の傾斜部41bに設けられ、上方側の冷却媒体出口連通孔22bと出口バッファ部40bとを連通する。出口連結流路42bd1は、下方側の傾斜部41bに設けられ、下方側の冷却媒体出口連通孔22bと出口バッファ部40bとを連通する。
The outlet connection channel 42bu1 is provided in the upper
出口連結流路42bu1、42bd1は、傾斜部41bに直交する方向に延在し、すなわち、出口バッファ部40b側に傾斜して延在し、互いに同一の流路長に設定される。なお、出口連結流路42bu1と出口連結流路42bd1とは、互いに異なる流路本数に設定されるが、同一の流路本数に設定されてもよい。
The outlet connection channels 42bu1 and 42bd1 extend in a direction perpendicular to the
出口連結流路42bu2は、上方側の冷却媒体出口連通孔22bと冷却媒体流路38とを連通する。出口連結流路42bd2は、下方側の冷却媒体出口連通孔22bと前記冷却媒体流路38とを連通する。
The outlet connection flow path 42bu2 communicates the cooling medium
図1に示すように、カソード側セパレータ14の面14a、14bには、このカソード側セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材43が一体成形される。アノード側セパレータ16の面16a、16bには、このアノード側セパレータ16の外周端縁部を周回して第2シール部材44が一体成形される。第1シール部材43及び第2シール部材44としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。
As shown in FIG. 1, a
このように構成される燃料電池11の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔18aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔20aには、水素含有ガス等の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22aには、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。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔18aからカソード側セパレータ14の酸化剤ガス流路30に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路30に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、電解質膜・電極構造体12のカソード電極26に供給される。
For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔20aからアノード側セパレータ16の燃料ガス流路34に供給される。燃料ガスは、図3に示すように、燃料ガス流路34に沿って水平方向(矢印B方向)に移動し、電解質膜・電極構造体12のアノード電極28に供給される(図1参照)。
On the other hand, the fuel gas is supplied to the fuel
従って、電解質膜・電極構造体12では、カソード電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード電極28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て発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、電解質膜・電極構造体12のカソード電極26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18bに沿って矢印A方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体12のアノード電極28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20b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22aに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16間の冷却媒体流路38に導入される。冷却媒体は、図1及び図4に示すように、一旦矢印C方向(重力方向)内方に沿って流動した後、矢印B方向(水平方向)に移動して電解質膜・電極構造体12を冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔22bに排出される。
The cooling medium supplied to the pair of cooling medium inlet communication holes 22 a is introduced into the cooling
この場合、本実施形態では、少なくとも冷却媒体入口連通孔22aは、入口バッファ部40aに近接する方向に向かって開口断面積が小さくなる傾斜部41aを設けている。そして、傾斜部41aには、該傾斜部41aに直交して、すなわち、入口バッファ部40a側に傾斜して入口連結流路42au1、42ad1が、それぞれ複数本ずつ形成されている。このため、各入口連結流路42au1、42ad1から入口バッファ部40aの中央側に向かって冷却媒体が導出される。従って、入口バッファ部40aには、一対の冷却媒体入口連通孔22aに隣接する幅方向両端側と共に、幅方向中央部側にも、冷却媒体を確実に供給することができる。
In this case, in this embodiment, at least the cooling medium
ここで、冷却媒体入口連通孔22aに傾斜部を設けない構造(従来例)(図4中、二点鎖線参照)と傾斜部41aを設ける構造(本願例)とを用いて、冷却媒体流路38に供給される冷却媒体の分配状態を比較した。その結果、図5に示すように、従来例の構造では、冷却媒体入口連通孔22aから、直接、冷却媒体流路38に多量の冷却媒体が供給されてしまい、入口バッファ部40aの中央側にバイパスする冷却媒体が少量になっている。
Here, a cooling medium flow path is formed using a structure (conventional example) in which the cooling medium
このため、冷却媒体流路38の幅方向両端側(冷却媒体入口連通孔22aの近傍)に多量の冷却媒体が供給され、発電部の中央部位には、少量の冷却媒体が供給されるだけである。従って、冷却媒体流路38内に幅方向に大きな温度差が発生し、耐久性及び発電安定性が低下するという問題がある。
Therefore, a large amount of cooling medium is supplied to both ends in the width direction of the cooling medium flow path 38 (near the cooling medium
これに対して、本願例では、一対の傾斜部41aに連通する入口連結流路42au1及び入口連結流路42ad1が、入口バッファ部40aに向って傾斜している。これにより、入口連結流路42au1及び入口連結流路42ad1から入口バッファ部40aに導出される冷却媒体は、前記入口バッファ部40aの幅方向中央側にも、良好に供給される(図6参照)。このため、入口バッファ部40aの幅方向全域に亘って、冷却媒体を均等に供給することができる。
On the other hand, in the example of the present application, the inlet connection flow path 42au1 and the inlet connection flow path 42ad1 communicating with the pair of
従って、入口バッファ部40a全体に冷却媒体を良好に供給することが可能になり、冷却媒体流路38全体に前記冷却媒体を均等に供給することができる。これにより、簡単な構成で、発電部全面にわたって冷却媒体を均等に供給することが可能になり、温度の不均一による局所的な劣化や滞留水の発生を可及的に抑制することができるという効果が得られる。
Accordingly, the cooling medium can be satisfactorily supplied to the
なお、冷却媒体出口連通孔22b側では、上記の冷却媒体入口連通孔22aと同様に構成されており、同様の効果が得られる。
The cooling medium
さらに、本実施形態では、単一の電解質膜・電極構造体12、すなわち、単一のMEAと、カソード側セパレータ14及びアノード側セパレータ16、すなわち、2枚のセパレータとにより構成される燃料電池11を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、2つのMEAと3枚のセパレータとで構成される(セパレータ間にMEAを介装)ユニットセルを備え、前記ユニットセル間に構成される冷却媒体流路に適用してもよい。
Furthermore, in the present embodiment, the
10…燃料電池スタック 11…燃料電池
12…電解質膜・電極構造体 14…カソード側セパレータ
16…アノード側セパレータ 18a…酸化剤ガス入口連通孔
18b…酸化剤ガス出口連通孔 20a…燃料ガス入口連通孔
20b…燃料ガス出口連通孔 22a…冷却媒体入口連通孔
22a1、22a2、22b1、22b2…領域
22b…冷却媒体出口連通孔 24…固体高分子電解質膜
26…カソード電極 28…アノード電極
30…酸化剤ガス流路
32a、36a、40a…入口バッファ部
32b、36b、40b…出口バッファ部
34…燃料ガス流路 38…冷却媒体流路
41a、41b…傾斜部
42ad1、42ad2、42au1、42au2…入口連結流路
42bd1、42bd2、42bu1、42bu2…出口連結流路
DESCRIPTION OF
Claims (1)
少なくとも前記冷却媒体入口連通孔は、開口形状が前記冷却媒体流路の流れ方向に沿って長尺な長方形状に設定され、且つ、前記バッファ部に近接する方向に向かって開口断面積が小さくなる傾斜部を設け、
前記冷却媒体入口連通孔と前記バッファ部とは、複数本の連結流路により連通するとともに、前記複数本の連結流路は、同一の流路長に設定され、
前記複数本の連結流路は、前記冷却媒体流路の流れ方向に対して前記バッファ部側に傾斜し、且つ、互いに平行に配列されることを特徴とする燃料電池スタック。 An electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on each side of the electrolyte membrane and a fuel cell in which a separator is laminated, and a plurality of the fuel cells are laminated, and between the separators adjacent to each other A cooling medium flow path for flowing the cooling medium along the separator surface is formed, and a buffer portion is provided on each of the inlet side of the cooling medium flow path and the outlet side of the cooling medium flow path. A pair of cooling medium inlet communication holes are provided on both sides in the flow path width direction on the inlet side of the flow path, and the flow path width direction is provided on the outlet side of the cooling medium flow path. A fuel cell stack in which a pair of cooling medium outlet communication holes are provided on both sides of the buffer portion,
At least the cooling medium inlet communication hole has an opening shape that is set to be a long rectangular shape along the flow direction of the cooling medium flow path, and has an opening cross-sectional area that decreases in a direction close to the buffer portion. Provide an inclined part ,
The cooling medium inlet communication hole and the buffer unit communicate with each other through a plurality of connection channels, and the plurality of connection channels are set to have the same channel length.
Wherein a plurality of connecting passages, the said inclined buffer portion side with respect to the flow direction of the cooling medium flow path, and the fuel cell stack, wherein Rukoto are arranged parallel to one another.
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