JP6606357B2 - Fuel cell stack and heat dissipation adjustment method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される積層体を設ける燃料電池スタック及びその放熱調整方法に関する。 The present invention includes a fuel cell stack including an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte membrane, and a separator, and a stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked, and the fuel cell stack The present invention relates to a heat dissipation adjustment method .
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固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、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。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、発電セルを構成している。通常、所定の数の発電セルが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燃料電池車両(燃料電池電気自動車等)に組み込まれている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell is an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode is disposed on one surface of a solid polymer electrolyte membrane comprising a polymer ion exchange membrane, and a cathode electrode is disposed on the other surface. (MEA). The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell by being sandwiched between separators (bipolar plates). Usually, a predetermined number of power generation cells are stacked, and for example, they are incorporated in a fuel cell vehicle (fuel cell electric vehicle or the like) as an in-vehicle fuel cell stack.
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.
特に、低温環境下では、放熱量が大きくなり、低温側の発電性能が劣化するおそれがある。また、端部発電セルの面内が放熱により結露すると、凝縮水の発生による発電性能の低下が惹起され、膜劣化等のスタック耐久性の低下が懸念される。 In particular, in a low temperature environment, the amount of heat release increases, and the power generation performance on the low temperature side may deteriorate. In addition, when the in-plane of the end power generation cell is dewed by heat dissipation, a decrease in power generation performance due to the generation of condensed water is caused, and there is a concern about a decrease in stack durability such as film deterioration.
一方、燃料電池スタックが高負荷状態で運転を継続すると、端部発電セルと接触している端部構成部材が過昇温し易くなり、端部セパレータやMEA等が熱により損傷するおそれがある。 On the other hand, if the fuel cell stack is continuously operated in a high load state, the end component members that are in contact with the end power generation cells are likely to overheat, and the end separator, MEA, etc. may be damaged by heat. .
そこで、簡単な構成で、端部発電セルの温度低下を確実に阻止することを目的として、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックが提案されている。この燃料電池スタックでは、絶縁部材に凹部が形成されるとともに、前記凹部には、端部構成部材及びターミナルプレートが収容され、且つ、前記端部構成部材が前記ターミナルプレートと積層体との間に積層されることを特徴としている。
In view of this, for example, a fuel cell stack disclosed in
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、端部発電セルからの放熱を可及的に抑制するとともに、前記端部発電セルの過昇温を阻止することができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能な燃料電池スタック及びその放熱調整方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in connection with this kind of technology, and while suppressing heat dissipation from the end power generation cell as much as possible, it is possible to prevent excessive temperature rise of the end power generation cell, An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of reliably maintaining desired power generation performance and a method for adjusting the heat dissipation thereof.
本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備えている。複数の発電セルが積層される積層体の積層方向両端には、外方に向かってターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設されている。 The fuel cell stack according to the present invention includes a power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a separator. A terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed outward at both ends in the stacking direction of the stacked body in which the plurality of power generation cells are stacked.
少なくとも積層体の積層方向一端部側のインシュレータとエンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されている。積層体のスペーサ部材が設けられた側の端部とインシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、前記端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり金属製プレートよりも放熱性の低い第1の多孔質プレート及び第2の多孔質プレートとを有している。そして、スペーサ部材の厚さが積層体の端部の発電セルの温度が許容範囲となる設定厚さの範囲未満の場合には、端部構成部材は、ターミナルプレートと積層体との間に、積層体側から外方に向かって第2の多孔質プレート、第1の多孔質プレート、及び前記金属製プレートの順に配設されている。
A spacer member for adjusting the tightening load is interposed at least between the insulator on one end side in the stacking direction of the stacked body and the end plate. An end constituent member is interposed between the end of the laminated body on which the spacer member is provided and the insulator, and the end constituent member is formed of a corrugated metal plate. A metal plate, and a first porous plate and a second porous plate made of porous carbon and having lower heat dissipation than the metal plate are included. And, when the thickness of the spacer member is less than the set thickness range in which the temperature of the power generation cell at the end of the laminate is within the allowable range, the end component member is between the terminal plate and the laminate, A second porous plate, a first porous plate, and the metal plate are arranged in this order from the laminated body side outward.
また、上記の端部構成部材は、スペーサ部材の厚さが積層体の端部の発電セルの温度が許容範囲となる設定厚さの範囲を超える場合には、ターミナルプレートとインシュレータとの間に第1の多孔質プレートが介装され、ターミナルプレートと積層体との間に外方に向けて順に第2の多孔質プレート及び金属製プレートが配設されていてもよい。
In addition, the above-described end component member is provided between the terminal plate and the insulator when the thickness of the spacer member exceeds the set thickness range in which the temperature of the power generation cell at the end of the laminate is within the allowable range. The 1st porous plate may be interposed, and the 2nd porous plate and metal plates may be arranged in order toward the outside between the terminal plate and the laminated body.
また、本発明に係る燃料電池スタックの放熱調整方法は、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとを有する発電セルを備え、複数の発電セルが積層される積層体の積層方向両端には、外方に向かってターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックの放熱調整方法であって、少なくとも積層体の積層方向一端部側のインシュレータとエンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されるとともに、積層体のスペーサ部材が設けられた側の端部とインシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり金属製プレートよりも放熱性の低い第1の多孔質プレート及び第2の多孔質プレートと、を有し、スペーサ部材の厚さと積層体の端部の発電セルの温度との関係を測定し、端部の発電セルの温度が許容範囲となるスペーサ部材の厚さの範囲を設定厚さとして求め、スペーサ部材の厚さが設定厚さの範囲未満である場合には、ターミナルプレートと積層体との間に、積層体側から外方に向かって第2の多孔質プレート、第1の多孔質プレート、及び金属製プレートの順に配設するように前記端部構成部材を形成し、スペーサ部材の厚さが設定厚さの範囲内である場合には、ターミナルプレートと積層体との間に、積層体側から外方に向かって第2の多孔質プレート、金属製プレート、及び第1の多孔質プレートの順に配設するように前記端部構成部材を形成し、スペーサ部材の厚さが設定厚さの範囲を超える場合には、ターミナルプレートとインシュレータとの間に第1の多孔質プレートを配設し、ターミナルプレートと積層体との間に外方に向けて順に第2の多孔質プレート及び金属製プレートを配設するように前記端部構成部材を形成する。
The fuel cell stack heat dissipation adjustment method according to the present invention includes a power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a separator, and a plurality of power generation cells are stacked. A heat dissipation adjustment method for a fuel cell stack in which a terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed outward at both ends in the stacking direction of the stacked body, and at least an insulator on one end side in the stacking direction of the stack A spacer member for adjusting the tightening load is interposed between the end plate, and an end component member is interposed between the end of the laminated body where the spacer member is provided and the insulator. is, and, the end constituent members, a metal plate made of a metal plate formed into a corrugation, less heat radiation than metal plate made of a porous carbon No. It has a porous plate and a second porous plate, and measured the relationship between the temperature of the power generation cell edge thickness and laminate the spacer member, and the temperature tolerance of the power generation cell end If the thickness of the spacer member is less than the set thickness range, the distance between the terminal plate and the laminate from the laminate side to the outside is determined. The end component member is formed so as to be arranged in the order of the second porous plate, the first porous plate, and the metal plate, and the thickness of the spacer member is within the set thickness range The end structure is arranged between the terminal plate and the laminated body in the order of the second porous plate, the metal plate, and the first porous plate from the laminated body side outward. Form the member, the thickness of the spacer member When exceeding the set thickness range, the first porous plate is disposed between the terminal plate and the insulator, and the second porous layer is sequentially disposed between the terminal plate and the laminated body toward the outside. The end component member is formed so as to dispose the plate and the metal plate.
本発明によれば、スペーサ部材の厚さに応じて、端部構成部材の構成を変更している。このため、端部構成部材を調整することにより、端部発電セルから外部への過度の放熱を抑制する一方、前記端部発電セルの過昇温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、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。 According to the present invention, the configuration of the end component member is changed according to the thickness of the spacer member. For this reason, by adjusting the end component member, it is possible to suppress excessive heat dissipation from the end power generation cell to the outside, while suppressing excessive temperature rise of the end power generation cell. This makes it possible to reliably maintain the desired power generation performance with a simple and economical configuration.
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、複数の発電セル12が水平方向(矢印A方向)又は重力方向(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、図示しないが、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
積層体14の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、インシュレータ18a及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される(図2参照)。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、インシュレータ18b、スペーサ部材22及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。
A
図1に示すように、エンドプレート20a、20bは、横長(縦長でもよい)の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー24が配置される。各連結バー24は、両端をエンドプレート20a、20bの内面にボルト26を介して固定され、複数の積層された発電セル12に積層方向(矢印A方向)の締め付け荷重を付与する一対のエンドプレート20a、20b間の距離は一定である。なお、燃料電池スタック10では、エンドプレート20a、20bを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体14を収容するように構成してもよい。
As shown in FIG. 1, the
発電セル12は、図3及び図4に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体28が、第1セパレータ30及び第2セパレータ32により挟持される。第1セパレータ30及び第2セパレータ32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金属薄板を波形にプレス成形して構成される。第1セパレータ30及び第2セパレータ32は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
発電セル12の長辺方向である矢印B方向(図4中、水平方向)の一端縁部には、矢印A方向(積層方向)に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔36a及び燃料ガス出口連通孔38bは、矢印C方向に配列して設けられ、前記酸化剤ガス入口連通孔34aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔36aは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔38bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
One end edge of the
発電セル12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、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔36b及び酸化剤ガス出口連通孔34bが、矢印C方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔38aは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔36bは、冷却媒体を排出するとともに、酸化剤ガス出口連通孔34bは、酸化剤ガスを排出する。
A fuel gas
第1セパレータ30の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体28に向かう面30aには、例えば、矢印B方向に延在する燃料ガス流路40が形成される。燃料ガス流路40は、燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bに連通する。
For example, a fuel
第2セパレータ32の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体28に向かう面32aには、例えば、矢印B方向に延在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、酸化剤ガス入口連通孔34a及び酸化剤ガス出口連通孔34bに連通する。
On the
互いに隣接する第1セパレータ30の面30bと第2セパレータ32の面32bとの間には、冷却媒体入口連通孔36aと冷却媒体出口連通孔36bとに連通する冷却媒体流路44が形成される。冷却媒体流路44は、燃料ガス流路40が形成された第1セパレータ30の裏面形状と、酸化剤ガス流路42が形成された第2セパレータ32の裏面形状とが重なり合って形成される。
A cooling
第1セパレータ30の面30a、30bには、この第1セパレータ30の外周端部を周回して、第1シール部材46が一体化される。第2セパレータ32の面32a、32bには、この第2セパレータ32の外周端部を周回して、第2シール部材48が一体化される。
The
図3に示すように、第1シール部材46は、面30a、30bに亘って設けられ、均一の厚さを有して延在する平面シール46fを有する。平面シール46fには、面30a側で、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体28を構成する樹脂枠部材56(後述する)に当接する第1凸状シール46aが一体に成形される。平面シール46fには、面30b側で、隣接する第2セパレータ32の第2シール部材48に当接する二重シールである第2凸状シール46b及び第3凸状シール46cが一体に成形される。
As shown in FIG. 3, the
第2シール部材48は、面32a、32bに亘って設けられ、均一の厚さを有して延在する平面シール48fを有する。平面シール48fには、面32a側で、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体28aの外方に突出して第1シール部材46に当接する第4凸状シール48aが一体に成形される。なお、第4凸状シール48aに代えて、第1シール部材46に凸状シール(図示せず)を設けてもよい。
The
第1シール部材46及び第2シール部材48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
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体28は、段差MEAである電解質膜・電極構造体28aを備える。電解質膜・電極構造体28a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(陽イオン交換膜)50と、前記固体高分子電解質膜50を挟持するアノード電極52及びカソード電極54とを有する。
The electrolyte membrane /
固体高分子電解質膜50は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。なお、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体28に代えて、後述する樹脂枠部材56を設けない電解質膜・電極構造体(MEA)を用いてもよい。
The solid
カソード電極54は、固体高分子電解質膜50及びアノード電極52よりも小さな平面寸法(外形寸法)を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極52は、固体高分子電解質膜50及びカソード電極54よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。また、アノード電極52、カソード電極54及び固体高分子電解質膜50は、同一の平面寸法に設定されてもよい。
The
アノード電極52は、固体高分子電解質膜50の一方の面50aに接合される第1電極触媒層52aと、前記第1電極触媒層52aに積層される第1ガス拡散層52bとを設ける。第1電極触媒層52a及び第1ガス拡散層52bは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜50と同一(又は同一未満)の外形寸法に設定される。
The
カソード電極54は、固体高分子電解質膜50の面50bに接合される第2電極触媒層54aと、前記第2電極触媒層54aに積層される第2ガス拡散層54bとを設ける。第2電極触媒層54a及び第2ガス拡散層54bは、同一の(又は異なる)外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜50の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定される。
The
第1電極触媒層52aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第1ガス拡散層52bの表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層54aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第2ガス拡散層54bの表面に一様に塗布されて形成される。第1ガス拡散層52b及び第2ガス拡散層54bは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。第1電極触媒層52a及び第2電極触媒層54aは、固体高分子電解質膜50の両方の面50a、50bに形成される。
The first
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体28は、固体高分子電解質膜50の外周を周回するとともに、アノード電極52及びカソード電極54に接合される枠形状の樹脂枠部材56を備える。樹脂枠部材56は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はm−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)等で構成される。樹脂枠部材56は、その他、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィンで構成してもよい。
The resin membrane-attached electrolyte membrane /
樹脂枠部材56は、固体高分子電解質膜50の外周縁部が接合される薄肉状の内側膨出部56aと、第1シール部材46の第1凸状シール46aが当接する薄肉状の外側膨出部56bとを有する。
The
図3に示すように、積層体14の積層方向両端には、発電セル12が端部発電セル12A、12Bとして配置される。端部発電セル12Aは、ターミナルプレート16a側に配置される一方、端部発電セル12Bは、ターミナルプレート16b側に配置される。ターミナルプレート16a、16bは、電気導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。
As shown in FIG. 3, the
図2に示すように、ターミナルプレート16a、16bの一方のプレート面の略中央には、積層方向外方に延在する端子部58a、58bが設けられる。端子部58aは、絶縁性筒体60aに挿入されてインシュレータ18aの孔部62a及びエンドプレート20aの孔部64aを貫通して前記エンドプレート20aの外部に突出する。端子部58bは、絶縁性筒体60bに挿入されてインシュレータ18bの孔部62b、スペーサ部材22の孔部66及びエンドプレート20bの孔部64bを貫通して前記エンドプレート20bの外部に突出する。
As shown in FIG. 2,
インシュレータ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る。インシュレータ18a、18bの中央部には、積層体14に向かって開口される凹部68a、68bが形成され、前記凹部68a、68bは、孔部62a、62bに連通する。
The
インシュレータ18a及びエンドプレート20aの矢印B方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔38bが設けられる。インシュレータ18a及びエンドプレート20aの矢印B方向他端縁部には、燃料ガス入口連通孔38a及び酸化剤ガス出口連通孔34bが設けられる。インシュレータ18b、スペーサ部材22及びエンドプレート20bには、冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bが設けられる。
An oxidant gas
スペーサ部材22は、樹脂で形成される。スペーサ部材22は、燃料電池スタック10全体に積層方向に締め付け荷重が付与された際、所望の締め付け荷重が得られるように、厚さが調整される。スペーサ部材22の厚さに応じて、後述するように、端部構成部材70a、70bの構成が調整される。
The
図2及び図3に示すように、凹部68aには、ターミナルプレート16a及び端部構成部材70aが収容される一方、凹部68bには、ターミナルプレート16b及び端部構成部材70bが収容される。なお、端部構成部材70a又は端部構成部材70bのいずれか一方のみを設けてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
端部構成部材70aは、図2、図3及び図5に示すように、それぞれ矩形状の第1多孔質カーボンプレート(第1部材)72a、波板状の金属製プレート(第2部材)74a及び第2多孔質カーボンプレート(第1部材)76aを備える。なお、端部構成部材70aは、少なくとも第1多孔質カーボンプレート72a及び金属製プレート74aを備えていればよい。第1多孔質カーボンプレート72aは、電気導電性を有する材料から構成される。
As shown in FIGS. 2, 3 and 5, the
端部構成部材70bは、上記の端部構成部材70aと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号にaに代えてbを付し、その詳細な説明は省略する。
The
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20aの酸化剤ガス入口連通孔34a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20aの燃料ガス入口連通孔38aに供給される。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20bの冷却媒体入口連通孔36a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4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔34aから第2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B方向に移動し、電解質膜・電極構造体28aのカソード電極54に供給される。
As shown in FIG. 4, 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1セパレータ30の燃料ガス流路40に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路40に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体28aのアノード電極52に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、各電解質膜・電極構造体28aでは、カソード電極54に供給される酸化剤ガスと、アノード電極52に供給される燃料ガスとが、第2電極触媒層54a及び第1電極触媒層52a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 each electrolyte membrane /
次いで、カソード電極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34bに沿って矢印A方向に排出される。アノード電極52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、冷却媒体入口連通孔36aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ30と第2セパレータ32との間の冷却媒体流路44に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体28aを冷却した後、冷却媒体出口連通孔36bから排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、本実施形態では、スペーサ部材22の厚さに応じて、端部構成部材70a、70bの構成が調整されている。具体的には、スペーサ部材22の厚さと端部発電セル12A(及び/又は12B)の温度とは、図6に示す関係を有している。
In this case, in the present embodiment, the configuration of the
スペーサ部材22の厚さは、燃料電池スタック10の積層方向の締め付け荷重を調整する際に設定されており、前記スペーサ部材22の厚さが小さくなると、端部発電セル12A(及び/又は12B)からの放熱が大きくなる。一方、スペーサ部材22の厚さが大きくなると、放熱し難くなり、端部発電セル12A(及び/又は12B)が過昇温され易い。
The thickness of the
そこで、スペーサ部材22の厚さが、端部発電セル12A(及び/又は12B)の温度が許容範囲(T1℃〜T2℃)となる厚さS1〜S2(設定厚さ)の範囲内である場合、端部構成部材70a、70bは、図3に示すように、配置されている。すなわち、ターミナルプレート16aから積層体14に向かって、第1多孔質カーボンプレート72a、金属製プレート74a及び第2多孔質カーボンプレート76aの順に、配置されている。ターミナルプレート16bから積層体14に向かって、第1多孔質カーボンプレート72b、金属製プレート74b及び第2多孔質カーボンプレート76bの順に、配置されている。
Therefore, the thickness of the
一方、スペーサ部材22の厚さが、設定厚さS1未満である場合、端部構成部材70aは、図7に示すように、配置される。具体的には、ターミナルプレート16aから金属製プレート74a、第1多孔質カーボンプレート72a及び第2多孔質カーボンプレート76aの順に配置される。
On the other hand, when the thickness of the
従って、同一材質の第1多孔質カーボンプレート72a及び第2多孔質カーボンプレート76aが互いに接触して配置されるため、端部発電セル12Aからの放熱を良好に抑制することができる。なお、端部構成部材70bでは、上記の端部構成部材70aと同様に配置されており、同様の効果が得られる。
Therefore, since the first
また、スペーサ部材22の厚さが、設定厚さS2を超える場合、端部構成部材70aは、図8に示すように、配置される。具体的には、第1多孔質カーボンプレート72aは、ターミナルプレート16aの外側に、すなわち、前記ターミナルプレート16aとインシュレータ18aの凹部68aの底面との間に配置される。ターミナルプレート16aには、内側に向かって金属製プレート74a及び第2多孔質カーボンプレート76aの順に配置される。
Further, when the thickness of the
これにより、ターミナルプレート16aから第1多孔質カーボンプレート72aに良好に放熱され、端部発電セル12Aからの放熱が促進されて、前記端部発電セル12Aの過昇温を抑制することが可能になる。なお、端部構成部材70bでは、上記の端部構成部材70aと同様に配置されており、同様の効果が得られる。
As a result, heat is radiated well from the
また、スペーサ部材22の厚さが、設定厚さS2を超える場合、第1多孔質カーボンプレート72aに代えて、前記第1多孔質カーボンプレート72aと同一の厚さを有するアルミプレートを用いてもよい。アルミプレートは、図8に示す第1多孔質カーボンプレート72aに代えて配置されることにより、ターミナルプレート16aから外方に有効に放熱させることができる。
Further, when the thickness of the
なお、本実施形態では、2枚のセパレータ間に樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を挟持したセルユニットを構成し、各セルユニット間に冷却媒体流路を形成する、所謂、各セル冷却構造を採用しているが、これに限定されるものではない。 In the present embodiment, a so-called each cell cooling structure in which a cell unit in which an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame is sandwiched between two separators is formed and a cooling medium flow path is formed between each cell unit. However, it is not limited to this.
例えば、3枚以上のセパレータと2枚以上の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を備え、前記セパレータと前記樹脂枠付き電解質膜・電極構造体とを交互に積層したセルユニットを構成してもよい。その際、各セルユニット間に冷却媒体流路が形成され、所謂、間引き冷却構造となる。 For example, a cell unit including three or more separators and two or more electrolyte membrane / electrode structures with a resin frame, and alternately stacking the separators and the electrolyte membrane / electrode structures with a resin frame may be configured. Good. At that time, a cooling medium flow path is formed between the cell units, and a so-called thinning cooling structure is formed.
10…燃料電池スタック 12…発電セル
12A、12B…端部発電セル 14…積層体
16a、16b…ターミナルプレート 18a、18b…インシュレータ
20a、20b…エンドプレート 28…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
28a…電解質膜・電極構造体 30、32…セパレータ
34a…酸化剤ガス入口連通孔 34b…酸化剤ガス出口連通孔
36a…冷却媒体入口連通孔 36b…冷却媒体出口連通孔
38a…燃料ガス入口連通孔 38b…燃料ガス出口連通孔
40…燃料ガス流路 42…酸化剤ガス流路
44…冷却媒体流路 46、48…シール部材
50…固体高分子電解質膜 52…アノード電極
54…カソード電極 56…樹脂枠部材
68a、68b…凹部 70a、70b…端部構成部材
72a、72b、76a、76b…多孔質カーボンプレート
74a、74b…金属製プレート
DESCRIPTION OF
Claims (3)
少なくとも前記積層体の前記積層方向一端部側の前記インシュレータと前記エンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されるとともに、
前記積層体の前記スペーサ部材が設けられた側の端部と前記インシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、前記端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり前記金属製プレートよりも放熱性の低い第1の多孔質プレート及び第2の多孔質プレートと、を有し、
前記スペーサ部材の厚さが前記積層体の端部の前記発電セルの温度が許容範囲となる設定厚さの範囲未満であって、
前記端部構成部材は、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に、前記積層体側から外方に向かって前記第2の多孔質プレート、前記第1の多孔質プレート、及び前記金属製プレートの順に配設される燃料電池スタック。 A power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a separator, and at both ends in the stacking direction of the stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked, faces outward. A fuel cell stack in which a terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed,
A spacer member for adjusting a tightening load is interposed between the insulator and the end plate on at least one end side in the stacking direction of the stack,
An end component member is interposed between an end portion of the laminated body on which the spacer member is provided and the insulator, and the end component member is a corrugated metal. A metal plate made of a plate, and a first porous plate and a second porous plate made of porous carbon and having lower heat dissipation than the metal plate ,
The thickness of the spacer member is less than the set thickness range in which the temperature of the power generation cell at the end of the laminate is within an allowable range,
The end member is formed between the terminal plate and the laminated body, the second porous plate, the first porous plate, and the metal plate outward from the laminated body side. Fuel cell stacks arranged in order.
少なくとも前記積層体の前記積層方向一端部側の前記インシュレータと前記エンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されるとともに、
前記積層体の前記スペーサ部材が設けられた側の端部と前記インシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、前記端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり前記金属製プレートよりも放熱性の低い第1の多孔質プレート及び第2の多孔質プレートと、を有し、
前記スペーサ部材の厚さが前記積層体の端部の前記発電セルの温度が許容範囲となる設定厚さの範囲を超えており、
前記端部構成部材は、前記ターミナルプレートと前記インシュレータとの間に前記第1の多孔質プレートが配設され、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に外方に向けて順に前記第2の多孔質プレート及び前記金属製プレートが配設される燃料電池スタック。 A power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a separator, and at both ends in the stacking direction of the stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked, faces outward. A fuel cell stack in which a terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed,
A spacer member for adjusting a tightening load is interposed between the insulator and the end plate on at least one end side in the stacking direction of the stack,
An end component member is interposed between an end portion of the laminated body on which the spacer member is provided and the insulator, and the end component member is a corrugated metal. A metal plate made of a plate, and a first porous plate and a second porous plate made of porous carbon and having lower heat dissipation than the metal plate ,
The thickness of the spacer member exceeds the set thickness range in which the temperature of the power generation cell at the end of the laminate is within an allowable range,
In the end component member, the first porous plate is disposed between the terminal plate and the insulator, and the second porous plate is sequentially disposed outwardly between the terminal plate and the laminated body. A fuel cell stack in which a porous plate and the metal plate are disposed.
少なくとも前記積層体の前記積層方向一端部側の前記インシュレータと前記エンドプレートとの間には、締め付け荷重調整用のスペーサ部材が介装されるとともに、
前記積層体の前記スペーサ部材が設けられた側の端部と前記インシュレータとの間には、端部構成部材が介装され、且つ、前記端部構成部材は、波板状に形成された金属板よりなる金属製プレートと、多孔質カーボンよりなり前記金属製プレートよりも放熱性の低い第1の多孔質プレート及び第2の多孔質プレートと、を有し、
前記スペーサ部材の厚さと前記積層体の端部の発電セルの温度との関係を測定し、前記端部の発電セルの温度が許容範囲となる前記スペーサ部材の厚さの範囲を設定厚さとして求め、
前記スペーサ部材の厚さが前記設定厚さの範囲未満である場合には、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に、前記積層体側から外方に向かって前記第2の多孔質プレート、前記第1の多孔質プレート、及び前記金属製プレートの順に配設するように前記端部構成部材を形成し、
前記スペーサ部材の厚さが前記設定厚さの範囲内である場合には、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に、前記積層体側から外方に向かって前記第2の多孔質プレート、前記金属製プレート、及び前記第1の多孔質プレートの順に配設するように前記端部構成部材を形成し、
前記スペーサ部材の厚さが前記設定厚さの範囲を超える場合には、前記ターミナルプレートと前記インシュレータとの間に前記第1の多孔質プレートを配設し、前記ターミナルプレートと前記積層体との間に外方に向けて順に前記第2の多孔質プレート及び前記金属製プレートを配設するように前記端部構成部材を形成する、
燃料電池スタックの放熱調整方法。 A power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a separator, and at both ends in the stacking direction of the stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked, faces outward. A heat dissipation adjustment method for a fuel cell stack in which a terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed,
A spacer member for adjusting a tightening load is interposed at least between the insulator and the end plate on one end side in the stacking direction of the stack,
An end component member is interposed between an end portion of the laminated body on which the spacer member is provided and the insulator, and the end component member is a metal formed in a corrugated plate shape. A metal plate made of a plate, and a first porous plate and a second porous plate made of porous carbon and having lower heat dissipation than the metal plate ,
The relationship between the thickness of the spacer member and the temperature of the power generation cell at the end of the laminate is measured, and the thickness range of the spacer member in which the temperature of the power generation cell at the end is within an allowable range is set as the set thickness Seeking
Wherein when the thickness of the spacer member is less than the range of the set thickness between said terminal plate and said laminate, said second porous plate from the laminated body side toward the outside, the Forming the end component so as to be disposed in the order of the first porous plate and the metal plate;
Wherein when the thickness of the spacer member is within the range of the set thickness between said terminal plate and said laminate, said second porous plate from the laminated body side toward the outside, the Forming the end component so as to be disposed in the order of the metal plate and the first porous plate;
Wherein when the thickness of the spacer member is outside the range of the set thickness, and disposing the first porous plate between the insulator and the terminal plate, and the terminal plate and the laminate Forming the end component member so as to dispose the second porous plate and the metal plate in order toward the outside in between,
A method for adjusting the heat dissipation of the fuel cell stack.
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