JP6401684B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両面に電極が配設される電解質膜・電極構造体を、カソードセパレータとアノードセパレータとにより挟持する発電セルを有し、複数の前記発電セルが積層される積層体を備える燃料電池スタックに関する。 The present invention includes a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between a cathode separator and an anode separator, and a laminate in which a plurality of the power generation cells are stacked. The present invention relates to a fuel cell stack provided.
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層(電極触媒層)とガス拡散層(多孔質カーボン)とを有している。 In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. The fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. Yes. The anode electrode and the cathode electrode each have a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon).
電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、発電セル(単位燃料電池)を構成している。この発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell (unit fuel cell) by being sandwiched between separators (bipolar plates). The power generation cells are used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by being stacked in a predetermined number.
燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル(以下、端部発電セルともいう)は、例えば、電力取り出し用ターミナルプレート(集電板)や、エンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。 In the fuel cell stack, there is a power generation cell in which a temperature drop is likely to be caused by heat radiation to the outside as compared with other power generation cells. For example, a power generation cell (hereinafter also referred to as an end power generation cell) arranged at the end in the stacking direction has a large amount of heat released from, for example, a power extraction terminal plate (current collector plate) or an end plate. The temperature drop is remarkable.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池スタックが提案されている。この固体高分子型燃料電池スタックでは、積層方向の少なくとも一方の端部に位置する単セルと、その外側に配設されるターミナルプレートとの間に断熱層を介在させたことを特徴としている。これによれば、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱は、断熱層によって阻害されるため、前記ターミナルプレートから外部への放熱量が減少して当該単セルの温度低下を抑制できる、としている。 Thus, for example, a polymer electrolyte fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 has been proposed. This polymer electrolyte fuel cell stack is characterized in that a heat insulating layer is interposed between a single cell located at at least one end in the stacking direction and a terminal plate disposed on the outside thereof. According to this, heat transfer from the single cell located at the end in the stacking direction to the terminal plate is hindered by the heat insulating layer, so that the amount of heat radiation from the terminal plate to the outside is reduced and the temperature of the single cell is lowered. Can be suppressed.
ところで、上記のように、端部単位セルとターミナルプレートとの間に断熱層を介在させるだけでは、十分な断熱性能が得られない場合がある。しかも、構造が複雑化してしまい、経済的に製造することができないおそれがある。 By the way, as described above, sufficient thermal insulation performance may not be obtained only by interposing a thermal insulation layer between the end unit cell and the terminal plate. Moreover, the structure becomes complicated, and there is a possibility that it cannot be economically manufactured.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、端部発電セルの性能低下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。 An object of the present invention is to solve this type of problem, and to provide a fuel cell stack capable of suppressing the degradation of the performance of an end power generation cell as much as possible with a simple and economical configuration. And
本発明は、複数の発電セルが積層される積層体を備える燃料電池スタックに関する。発電セルは、電解質膜の両面に電極が配設される電解質膜・電極構造体を、カソードセパレータとアノードセパレータとにより挟持している。カソードセパレータには、酸化剤ガスが電極面に沿って流通される一方、アノードセパレータには、燃料ガスが前記電極面に沿って流通されている。 The present invention relates to a fuel cell stack including a stacked body in which a plurality of power generation cells are stacked. In the power generation cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both surfaces of the electrolyte membrane is sandwiched between a cathode separator and an anode separator. An oxidant gas is circulated along the electrode surface in the cathode separator, while a fuel gas is circulated along the electrode surface in the anode separator.
燃料電池スタックでは、積層体の積層方向一端に配置される第1端部発電セルは、積層方向最外部にカソードセパレータを有する一方、前記積層体の積層方向他端に配置される第2端部発電セルは、積層方向最外部にアノードセパレータを有している。そして、第1端部発電セルを流通する酸化剤ガスの流量は、第2端部発電セルを流通する前記酸化剤ガスの流量よりも多くなっている。 In the fuel cell stack, the first end power generation cell disposed at one end in the stacking direction of the stack has a cathode separator at the outermost portion in the stacking direction, and the second end disposed at the other end in the stacking direction of the stack. The power generation cell has an anode separator on the outermost side in the stacking direction. The flow rate of the oxidant gas flowing through the first end power generation cell is larger than the flow rate of the oxidant gas flowing through the second end power generation cell.
また、この燃料電池スタックでは、第1端部発電セルの積層方向外方には、冷却媒体を流通させる第1冷却媒体通路が設けられ、第2端部発電セルの積層方向外方には、前記冷却媒体を流通させる第2冷却媒体通路が設けられることが好ましい。その際、第1冷却媒体通路を流通する冷却媒体流量は、第2冷却媒体通路を流通する冷却媒体流量よりも多くなることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, a first cooling medium passage for circulating a cooling medium is provided outside the stacking direction of the first end power generation cells, and outside the stacking direction of the second end power generation cells, It is preferable that a second cooling medium passage for circulating the cooling medium is provided. In that case, it is preferable that the flow rate of the cooling medium flowing through the first cooling medium passage is larger than the flow rate of the cooling medium flowing through the second cooling medium passage.
本発明によれば、第1端部発電セルは、積層方向最外部にカソードセパレータを有する一方、第2端部発電セルは、積層方向最外部にアノードセパレータを有している。そして、第1端部発電セルを流通する酸化剤ガスの流量は、第2端部発電セルを流通する前記酸化剤ガスの流量よりも多くなっている。 According to the present invention, the first end power generation cell has a cathode separator on the outermost side in the stacking direction, while the second end power generation cell has an anode separator on the outermost side in the stacking direction. The flow rate of the oxidant gas flowing through the first end power generation cell is larger than the flow rate of the oxidant gas flowing through the second end power generation cell.
特に、端部構造等に起因して、積層方向最外部に酸化剤ガスを流通させる第1端部発電セルでは、積層方向最外部に燃料ガスを流通させる第2端部発電セルよりも放熱が大きく、温度低下によるフラッディングが発生するおそれがある。一方、燃料電池スタックの高負荷運転時において、大電流により、積層方向最外部に酸化剤ガスを流通させる第1端部発電セルでは、積層方向最外部に燃料ガスを流通させる第2端部発電セルよりも発熱量が大きくなり易い。このため、第1端部発電セルには、過度な温度上昇が惹起されるおそれがある。 In particular, due to the end structure or the like, the first end power generation cell that circulates the oxidant gas to the outermost part in the stacking direction is more radiated than the second end power generation cell that circulates the fuel gas to the outermost part in the stacking direction. There is a risk of flooding due to a large temperature drop. On the other hand, during high load operation of the fuel cell stack, the first end power generation cell that distributes the oxidant gas to the outermost part in the stacking direction due to a large current causes the second end power generation to distribute the fuel gas to the outermost part in the stacking direction. The amount of heat generation tends to be larger than that of the cell. For this reason, an excessive temperature rise may be caused in the first end power generation cell.
そこで、第1端部発電セルに対し、第2端部発電セルよりも多量の酸化剤ガスを流通させることにより、前記第1端部発電セルの湿度を適正化してフラッディングの発生を抑制するとともに、該第1端部発電セルの温度上昇を抑制することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、第1端部発電セルの性能低下を可及的に抑制することが可能になる。 Therefore, by causing a larger amount of oxidant gas to flow through the first end power generation cell than in the second end power generation cell, the humidity of the first end power generation cell is optimized and the occurrence of flooding is suppressed. The temperature rise of the first end power generation cell can be suppressed. Thereby, it becomes possible to suppress the performance degradation of the first end power generation cell as much as possible with a simple and economical configuration.
図1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、複数の発電セル12が水平方向(矢印A方向)、又は垂直方向(矢印C方向)に積層された積層体14を備える。燃料電池スタック10は、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される。
As shown in FIG. 1, a
図1及び図2に示すように、積層体14の積層方向(矢印A方向)一端には、第1端部発電セル12end.(c)が配設されるとともに、前記積層体14の積層方向他端には、第2端部発電セル12end.(a)が配設される。第1端部発電セル12end.(c)は、後述するように、積層方向最外部にカソードセパレータ34を有する一方、第2端部発電セル12end.(a)は、積層方向最外部にアノードセパレータ30を有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, a first end power generation cell 12end. (C) is disposed at one end of the
第1端部発電セル12end.(c)には、積層方向外方に向かって、ターミナルプレート16a、絶縁部材18a、流路プレート20a及びエンドプレート22aが、順次、配設される。第2端部発電セル12end.(a)には、積層方向外方に向かって、ターミナルプレート16b、絶縁部材18b、流路プレート20b、積層調整プレート24及びエンドプレート22bが、順次、配設される。
In the first end power generation cell 12end. (C), a
燃料電池スタック10は、例えば、長方形に構成されるエンドプレート22a、22bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持される。なお、燃料電池スタック10は、例えば、矢印A方向に延在する複数のタイロッド(図示せず)により一体的に締め付け保持されてもよい。
The
発電セル12は、図2及び図3に示すように、アノードセパレータ30、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)32及びカソードセパレータ34を設ける。アノードセパレータ30及びカソードセパレータ34は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等の縦長形状の金属板により構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
なお、アノードセパレータ30及びカソードセパレータ34は、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータを用いてもよい。また、発電セル12は、第1セパレータ、第1のMEA、第2セパレータ、第2のMEA及び第3セパレータを積層して構成してもよい。さらに、発電セル12は、3枚以上のMEAと5枚以上のセパレータとを有してもよい。
The
図3に示すように、発電セル12の長辺方向(矢印B方向)(水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔36a及び燃料ガス入口連通孔38aが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔36aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス入口連通孔38aは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する。
As shown in FIG. 3, one end edge of the
発電セル12の長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔38b及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔36bが設けられる。なお、酸化剤ガス入口連通孔36a及び酸化剤ガス出口連通孔36bと燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bとは、酸化剤ガスと燃料ガスとが対向流になるように配置してもよい。
The other end edge in the long side direction (arrow B direction) of the
発電セル12の短辺方向(矢印C方向)(鉛直方向)の両端縁部一方(酸化剤ガス入口連通孔36a側)には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するそれぞれ一対の冷却媒体入口連通孔40a1、40a2が設けられる。冷却媒体入口連通孔40a1、40a2は、水平方向に長尺な長方形開口部の長手方向の中間部位にリブ部41aを設けることにより、互いに独立して分割形成される。
A pair of both ends of the
発電セル12の短辺方向の他方(酸化剤ガス出口連通孔36b側)には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するそれぞれ一対の冷却媒体出口連通孔40b1、40b2が設けられる。冷却媒体出口連通孔40b1、40b2は、水平方向に長尺な長方形開口部の長手方向の中間部位にリブ部41bを設けることにより、互いに独立して分割形成される。
The other of the
なお、リブ部41aを除去して冷却媒体入口連通孔40a1、40a2を単一の冷却媒体入口連通孔とする一方、リブ部41bを除去して冷却媒体出口連通孔40b1、40b2を単一の冷却媒体出口連通孔としてもよい。また、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとは、互いに入れ替えて構成してもよい。
The
アノードセパレータ30の電解質膜・電極構造体32に向かう面30aには、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとを連通する燃料ガス流路42が形成される。燃料ガス流路42は、複数本の波状流路溝(又は直線状流路溝)を有する。
A fuel
燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス流路42とは、複数の入口連結流路44aを介して連通する一方、燃料ガス出口連通孔38bと前記燃料ガス流路42とは、複数の出口連結流路44bを介して連通する。入口連結流路44a及び出口連結流路44bは、蓋体46a及び蓋体46bにより覆われる。
The fuel gas
アノードセパレータ30の面30bには、それぞれ一対の冷却媒体入口連通孔40a1、40a2と一対の冷却媒体出口連通孔40b1、40b2とを連通する冷却媒体流路48の一部が形成される。
A part of the cooling
カソードセパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34a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とを連通する酸化剤ガス流路50が形成される。酸化剤ガス流路50は、複数本の波状流路溝(又は直線状流路溝)を有する。カソードセパレータ34の面34bには、冷却媒体流路48の一部が形成される。
An oxidant
アノードセパレータ30の面30a、30bには、このアノードセパレータ30の外周端縁部を周回して第1シール部材52が一体成形される。カソードセパレータ34の面34a、34bには、このカソードセパレータ34の外周端縁部を周回して第2シール部材54が一体成形される。
A
第1シール部材52及び第2シール部材54には、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。
For the
図2及び図3に示すように、電解質膜・電極構造体32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60を備える。固体高分子電解質膜60は、アノード電極62及びカソード電極64により挟持される。アノード電極62は、カソード電極64よりも小さな平面寸法を有する段差MEAを構成しているが、これとは逆に、前記カソード電極64よりも大きな平面寸法を有することもできる。また、アノード電極62とカソード電極64とは、同一の平面寸法に設定されてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the electrolyte membrane /
アノード電極62及びカソード電極64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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布し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60の両面に形成される。
The
図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bの面内中央から離間した位置(面内中央でもよい)には、積層方向外方に延在する電力取り出し端子66a、66bが設けられる。電力取り出し端子66a、66bは、好ましくは、冷却媒体流路48の冷却媒体入口連通孔40a1、40a2よりも冷却媒体出口連通孔40b1、40b2に近い位置に設定される。
As shown in FIG. 1,
絶縁部材18a、18bは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート(PC)やフェノール樹脂等で形成されている。図1及び図2に示すように、絶縁部材18aのターミナルプレート16aに対向する面には、中央部に矩形状の凹部68aが設けられるとともに、この凹部68aに孔部70aが連通する。ターミナルプレート16aの電力取り出し端子66aは、絶縁部材18aの孔部70a、流路プレート20aの孔部72a及びエンドプレート22aの孔部74aを介して外部に露出する。
The insulating
絶縁部材18bのターミナルプレート16bに対向する面には、中央部に矩形状の凹部68bが設けられるとともに、前記凹部68bに孔部70bが連通する。ターミナルプレート16bの電力取り出し端子66bは、絶縁部材18bの凹部68bの底面に配置されたスペース77の孔部77hに挿入される。電力取り出し端子66bは、さらに絶縁部材18bの孔部70bから流路プレート20bの孔部72b、積層調整プレート24の孔部76及びエンドプレート22bの孔部74bを介して外部に露呈する。
A
図1に示すように、絶縁部材18a、18b、流路プレート20a、20b及びエンドプレート22bには、それぞれ一対の冷却媒体入口連通孔40a1、40a2及びそれぞれ一対の冷却媒体出口連通孔40b1、40b2が形成される。絶縁部材18a、流路プレート20a及びエンドプレート22aには、酸化剤ガス入口連通孔36a、酸化剤ガス出口連通孔36b、燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bが形成される。
As shown in FIG. 1, the insulating
流路プレート20aの絶縁部材18aに対向する面20asには、エンドプレート22aのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成される。
A cooling medium passage through which the cooling medium flows is formed in the surface 20as of the
冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔40a1と上方に配置される冷却媒体出口連通孔40b1とに連通するとともに、蛇行する複数本(例えば、7本)の第1冷却媒体通路78aを有する。冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔40a2と上方に配置される冷却媒体出口連通孔40b2とに連通するとともに、蛇行する複数本(例えば、4本)の第1冷却媒体通路80aを有する。 The cooling medium passage communicates with the cooling medium inlet communication hole 40a1 disposed below and the cooling medium outlet communication hole 40b1 disposed above and a plurality of (for example, seven) first cooling medium passages meandering. 78a. The cooling medium passage communicates with the cooling medium inlet communication hole 40a2 disposed below and the cooling medium outlet communication hole 40b2 disposed above, and a plurality of (for example, four) first cooling medium passages meandering. 80a.
流路プレート20bの絶縁部材18bに対向する面20bsには、エンドプレート22bのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成される。
On the surface 20bs of the
冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔40a1と上方に配置される冷却媒体出口連通孔40b1とに連通するとともに、蛇行する複数本(例えば、7本)の第2冷却媒体通路78bを有する。冷却媒体通路は、下方に配置される冷却媒体入口連通孔40a2と上方に配置される冷却媒体出口連通孔40b2とに連通するとともに、蛇行する複数本(例えば、4本)の第2冷却媒体通路80bを有する。 The cooling medium passage communicates with the cooling medium inlet communication hole 40a1 disposed below and the cooling medium outlet communication hole 40b1 disposed above and a plurality of (for example, seven) second cooling medium passages meandering. 78b. The cooling medium passage communicates with the cooling medium inlet communication hole 40a2 disposed below and the cooling medium outlet communication hole 40b2 disposed above, and a plurality of (for example, four) second cooling medium passages meandering. 80b.
図2に示すように、第1冷却媒体通路78a、80aを流通する冷却媒体流量Q1は、第2冷却媒体通路78b、80bを流通する冷却媒体流量Q2よりも多く設定される(Q1>Q2)。例えば、第1冷却媒体通路78a、80aの通路断面積は、第2冷却媒体通路78b、80bの通路断面積よりも大きく設定される。また、第1冷却媒体通路78a、80aの圧損を第2冷却媒体通路78b、80bの圧損よりも小さく設定すればよく、種々の構成、例えば、流路長やバッファ部等を採用することができる。
As shown in FIG. 2, the coolant flow rate Q1 flowing through the
図1及び図2に示すように、絶縁部材18aの凹部68aには、導電性断熱部材82a及びターミナルプレート16aが収容される。導電性断熱部材82aは、例えば、2枚の第1断熱部材84a間に1枚の第2断熱部材86aが挟持される。第1断熱部材84aは、例えば、カーボンプレートで構成される一方、第2断熱部材86aは、例えば、金属プレートの断面を凹凸状に形成して間に空気室が形成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the conductive
絶縁部材18bの凹部68bには、導電性断熱部材82b、ターミナルプレート16b及びスペース77が収容される。導電性断熱部材82bは、例えば、1枚の第1断熱部材84bと1枚の第2断熱部材86bとを備える。
The conductive
なお、導電性断熱部材82a、82bは、空孔を保持し且つ電気導電性を有する部材であればよく、電気導電性を有する発泡金属、ハニカム形状金属(ハニカム部材)、又は多孔質カーボン(例えば、カーボンペーパ)のいずれかにより構成してもよい。
The conductive
図2に示すように、積層体14は、ターミナルプレート16a側の端部に第1端部発電セル12end.(c)が配置され、ターミナルプレート16b側の端部に第2端部発電セル12end.(a)が配置される。第1端部発電セル12end.(c)と第2端部発電セル12end.(a)との間には、複数の発電セル12が積層された積層体が介装される。
As shown in FIG. 2, the
第1端部発電セル12end.(c)の酸化剤ガス流路50を流通する酸化剤ガスの流量Qcは、第2端部発電セル12end.(a)の酸化剤ガス流路50を流通する前記酸化剤ガスの流量Qaよりも多く設定される(Qc>Qa)。発電セル12の酸化剤ガス流路50を流通する酸化剤ガスの流量Qmは、流量Qcよりも少なく且つ流量Qaよりも多い(Qc>Qm>Qa)。
The flow rate Qc of the oxidant gas flowing through the oxidant
例えば、第1端部発電セル12end.(c)を構成する酸化剤ガス流路50の流路断面積は、第2端部発電セル12end.(a)を構成する酸化剤ガス流路50の流路断面積よりも大きく設定される。
For example, the cross-sectional area of the oxidant
また、第1端部発電セル12end.(c)を構成する酸化剤ガス流路50の圧損を、第2端部発電セル12end.(a)を構成する酸化剤ガス流路50の圧損よりも小さく設定すればよい。例えば、酸化剤ガス流路50と酸化剤ガス入口連通孔36a及び酸化剤ガス出口連通孔36bとを連結する連通路の圧損を調整してもよい。その他、バッファ部の圧損の調整等、種々の圧損調整を採用することができる。
Further, the pressure loss of the oxidant
エンドプレート22aには、ケーシング88が取り付けられる。ケーシング88内には、例えば、燃料ガスを循環供給するためのイジェクタ90及びポンプ92等が収容される。エンドプレート22bには、冷却媒体を循環供給するための冷却媒体マニホールド94が取り付けられる。
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、図1に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート22aの酸化剤ガス入口連通孔36aに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート22aの燃料ガス入口連通孔38aに供給される。一方、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート22bのそれぞれ一対の冷却媒体入口連通孔40a1、40a2に供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
酸化剤ガスは、図3に示すように、酸化剤ガス入口連通孔36aからカソードセパレータ34の酸化剤ガス流路50に導入される。酸化剤ガスは、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体32のカソード電極64に供給される。
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からアノードセパレータ30の燃料ガス流路42に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路42に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体32のアノード電極62に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the
従って、電解質膜・電極構造体32では、カソード電極64に供給される酸化剤ガスと、アノード電極62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、カソード電極64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方向に排出される。同様に、アノード電極62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方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、図3に示すように、各冷却媒体入口連通孔40a1、40a2に供給された冷却媒体は、互いに隣接するアノードセパレータ30とカソードセパレータ34との間の冷却媒体流路48に導入される。冷却媒体は、互いに近接するように、矢印C方向に流通する。冷却媒体は、さらに矢印B方向(セパレータ長辺方向)に流通して電解質膜・電極構造体32を冷却する。次いで、冷却媒体は、互いに離間するように、矢印C方向に流通して各冷却媒体出口連通孔40b1、40b2から排出される。
As shown in FIG. 3, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication holes 40 a 1 and 40 a 2 is introduced into the cooling
ところで、図1に示すように、流路プレート20aには、第1冷却媒体通路78a、80aが設けられる一方、流路プレート20bには、第2冷却媒体通路78b、80bが設けられている。
By the way, as shown in FIG. 1, the
このため、流路プレート20aでは、冷却媒体は、下方の冷却媒体入口連通孔40a1、40a2から第1冷却媒体通路78a、80aに導入される。冷却媒体は、第1冷却媒体通路78a、80aに沿って蛇行しながら上方に流通した後、下方の冷却媒体出口連通孔40b1、40b2に排出される。
Therefore, in the
流路プレート20bでは、冷却媒体は、下方の冷却媒体入口連通孔40a1、40a2から第2冷却媒体通路78b、80bに導入される。冷却媒体は、第2冷却媒体通路78b、80bに沿って蛇行しながら上方に流通した後、上方の冷却媒体出口連通孔40b1、40b2に排出される。このように、冷却媒体が下方から上方に流通することにより、前記冷却媒体中の空気を円滑に排出することができる。
In the
上記のように、燃料電池スタック10の運転が行われている。その際、高負荷運転時には、大電流により、積層方向最外部に酸化剤ガスを流通させる第1端部発電セル12end.(c)では、積層方向最外部に燃料ガスを流通させる第2端部発電セル12end.(a)よりも発熱量が大きくなり易い。従って、第1端部発電セル12end.(c)には、過度な温度上昇が惹起されるおそれがある。発電時、カソード電極64側の発熱は、アノード電極62側の発熱よりも大きいからである。
As described above, the operation of the
さらに、特に、端部構造等に起因して、第1端部発電セル12end.(c)では、第2端部発電セル12end.(a)よりも放熱が大きくなり易い。これにより、第1端部発電セル12end.(c)には、温度低下及び生成水によりフラッディングが発生するおそれがある。 Furthermore, in particular, due to the end structure and the like, the first end power generation cell 12end. (C) is more likely to dissipate heat than the second end power generation cell 12end. (A). As a result, the first end power generation cell 12end. (C) may be flooded due to a temperature drop and generated water.
具体的には、第1端部発電セル12end.(c)が配置されるエンドプレート22aには、イジェクタ90及びポンプ92等が収容されているケーシング88が取り付けられており、前記ケーシング88からの放熱が大きくなっている。一方、第2端部発電セル12end.(a)が配置されるエンドプレート22bには、積層調整プレート24及び冷却媒体マニホールド94が取り付けられており、放熱が小さくなっている。
Specifically, a
そこで、本実施形態では、第1端部発電セル12end.(c)の酸化剤ガス流路50を流通する酸化剤ガスの流量Qcは、第2端部発電セル12end.(a)の酸化剤ガス流路50を流通する前記酸化剤ガスの流量Qaよりも多く設定されている(Qc>Qa)。このため、第1端部発電セル12end.(c)の湿度を適正化してフラッディングの発生を防止するとともに、温度上昇を抑制することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、第1端部発電セル12end.(c)の性能低下を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。
Therefore, in this embodiment, the flow rate Qc of the oxidant gas flowing through the oxidant
さらに、本実施形態では、第1冷却媒体通路78a、80aを流通する冷却媒体流量Q1は、第2冷却媒体通路78b、80bを流通する冷却媒体流量Q2よりも多く設定されている(Q1>Q2)。これにより、温調媒体である冷却媒体の流量増加が図られ、流路プレート20aによる保温機能が向上して第1端部発電セル12end.(c)からの放熱を良好に抑制することができる。このため、フラッディングを防止することが可能になり、第1端部発電セル12end.(c)による発電を安定して行うことができる。
Furthermore, in the present embodiment, the coolant flow rate Q1 flowing through the
なお、第1端部発電セル12end.(c)及び第2端部発電セル12end.(a)は、1個に限定されるものではなく、それぞれ複数個ずつ積層して構成してもよい。 The first end power generation cell 12end. (C) and the second end power generation cell 12end. (A) are not limited to one, and may be configured by stacking a plurality of each.
10…燃料電池スタック 12…発電セル
12end.(c)、12end.(a)…端部発電セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18b…絶縁部材 20a、20b…流路プレート
22a、22b…エンドプレート 30…アノードセパレータ
32…電解質膜・電極構造体 34…カソードセパレータ
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
40a1、40a2…冷却媒体入口連通孔
40b1、40b2…冷却媒体出口連通孔
42…燃料ガス流路 48…冷却媒体流路
50…酸化剤ガス流路 52、54…シール部材
60…固体高分子電解質膜 62…アノード電極
64…カソード電極
78a、78b、80a、80b…冷却媒体通路
82a、82b…断熱部材 88…ケーシング
94…冷却媒体マニホールド
DESCRIPTION OF
78a, 78b, 80a, 80b ... Cooling
Claims (2)
前記積層体の積層方向一端に配置される第1端部発電セルは、積層方向最外部に前記カソードセパレータを有する一方、
前記積層体の積層方向他端に配置される第2端部発電セルは、積層方向最外部に前記アノードセパレータを有するとともに、
前記第1端部発電セルを流通する前記酸化剤ガスの流量は、前記第2端部発電セルを流通する前記酸化剤ガスの流量よりも多いことを特徴とする燃料電池スタック。 While sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both surfaces of the electrolyte membrane between a cathode separator and an anode separator, an oxidizing gas is circulated along the electrode surface in the cathode separator, The anode separator has a power generation cell in which fuel gas flows along the electrode surface, and a fuel cell stack including a stack in which a plurality of the power generation cells are stacked,
The first end power generation cell disposed at one end in the stacking direction of the stacked body has the cathode separator on the outermost side in the stacking direction,
The second end power generation cell disposed at the other end in the stacking direction of the stacked body has the anode separator on the outermost side in the stacking direction,
The fuel cell stack, wherein a flow rate of the oxidant gas flowing through the first end power generation cell is larger than a flow rate of the oxidant gas flowing through the second end power generation cell.
前記第2端部発電セルの積層方向外方には、前記冷却媒体を流通させる第2冷却媒体通路が設けられるとともに、
前記第1冷却媒体通路を流通する冷却媒体流量は、前記第2冷却媒体通路を流通する冷却媒体流量よりも多いことを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1, wherein a first cooling medium passage for circulating a cooling medium is provided outside the stacking direction of the first end power generation cells,
A second cooling medium passage for circulating the cooling medium is provided outside the stacking direction of the second end power generation cell, and
The fuel cell stack, wherein a flow rate of the coolant flowing through the first coolant passage is greater than a flow rate of the coolant flowing through the second coolant passage.
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