JP6876904B2 - Stack aging method - Google Patents
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Description
本発明は、スタックと、このスタックに接続された電力変換回路基板とを備えた固体高分子型の燃料電池システムに用いられるスタックのエージング方法に関するものである。 The present invention, stack and relates aging process of stack used in a solid polymer fuel cell system that includes a power conversion circuit board connected to the stack.
燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させて、電気と熱を同時に発生させるものである。 A fuel cell is one in which a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air are electrochemically reacted to generate electricity and heat at the same time.
固体高分子型の燃料電池は、電解質膜−電極接合体(以下、「MEA」という)を一対のセパレータで挟んだセルで構成されている。 The polymer electrolyte fuel cell is composed of a cell in which an electrolyte membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) is sandwiched between a pair of separators.
MEAは、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜(以下、「電解質膜」ともいう)の両主面に一対の電極を備えている。 The MEA is provided with a pair of electrodes on both main surfaces of a polymer electrolyte membrane (hereinafter, also referred to as “electrolyte membrane”) that selectively transports hydrogen ions.
セパレータは、MEAの両面に配置されてMEAを機械的に固定すると共に、隣接するMEA同士を互いに電気的に直列に接続するため導電性を有している。 The separators are arranged on both sides of the MEA to mechanically fix the MEA, and also have conductivity because the adjacent MEAs are electrically connected to each other in series.
セパレータのMEAと接触する面には、電極に水素や空気などの反応ガスを供給し、且つ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路となる溝が形成されている。セパレータのMEAと接触する面と反対の面には、反応により発生した熱を回収する冷却水を供給排出するための冷却水流路となる溝が形成されている。 A groove is formed on the surface of the separator in contact with the MEA, which serves as a gas flow path for supplying a reaction gas such as hydrogen or air to the electrode and carrying away the gas generated by the reaction or excess gas. A groove is formed on the surface of the separator opposite to the surface in contact with the MEA, which serves as a cooling water flow path for supplying and discharging the cooling water for recovering the heat generated by the reaction.
多くの燃料電池は、MEAとセパレータを数多く重ねた積層構造を採っており、さらにその積層方向の両端には、反応によって発生した電気を外部に取り出すための一対の集電板が配されている。このような積層体をスタックと呼ぶ。 Many fuel cells have a laminated structure in which many MEAs and separators are stacked, and a pair of current collector plates for extracting electricity generated by the reaction are arranged at both ends in the laminated direction. .. Such a laminate is called a stack.
スタックは、セルを貫通してセパレータのガス流路に反応ガスを供給排出する反応ガスマニホールドと、セルを貫通してセパレータの冷却水流路に冷却水を供給排出する冷却水マニホールドを有している。 The stack has a reaction gas manifold that penetrates the cell and supplies and discharges the reaction gas to the gas flow path of the separator, and a cooling water manifold that penetrates the cell and supplies and discharges the cooling water to the cooling water flow path of the separator. ..
スタックで発生した電流は、集電板と電気的に接続された電力変換回路基板によって調整されたのち、燃料電池システムの外部へと取り出される。集電板と電力変換回路基板はハーネスで接続されており、集電板には、ハーネスを取り付けるための端子が設けられている。 The current generated in the stack is adjusted by a power conversion circuit board electrically connected to the current collector and then taken out of the fuel cell system. The current collector plate and the power conversion circuit board are connected by a harness, and the current collector plate is provided with terminals for attaching the harness.
燃料電池システム内におけるスタックと電力変換回路基板の位置関係は、レイアウトの都合により様々な形態を採ることができ、図7に示すように、スタック31の上方に電力変換回路基板32を配置して両者をハーネス33で接続する場合(例えば、特許文献1参照)や、図8と図9に示すように、スタック31の前後左右方向(横方向、略水平方向)に電力変換回路基板32を配置して両者をハーネス33で接続する場合(例えば、特許文献2参照)などがある。
The positional relationship between the stack and the power conversion circuit board in the fuel cell system can take various forms depending on the layout. As shown in FIG. 7, the power
どちらの場合も、隔壁34により燃料電池システムの筐体内を、スタック31と燃料改質器を配置した空間と、電力変換回路基板32などの高電圧回路を配置した空間とに区分けしている。
In both cases, the
スタック31と電力変換回路基板32が、特許文献1と特許文献2のいずれの位置関係にある場合でも、接続するハーネス33の長さを可能な限り短くすることで、ハーネス33のIR損による電力ロスを最小限にすることができる。
Regardless of the positional relationship between the
上記従来例のようにスタック31の上方やスタック31の前後左右方向(横方向、略水平方向)に電力変換回路基板32を配置する場合には、スタック31の上部に集電板の端子を設けることが一般的である。
When the power
スタック31の下方に電力変換回路基板32を配置する場合は、スタック31の上部に集電板の端子を設けると、ハーネス33が長くなるので、スタック31の下部に集電板の端子を設けることが考えられる。
When arranging the power
ところで、スタックの製造工程において、MEAを構成する材料である電解質膜およびイオノマーが水分を失ったり、触媒層の製造プロセス中で触媒表面に不純物が付着したりすると、組立直後のMEAおよびスタックが本来発生すべき性能を発揮できない。 By the way, in the stack manufacturing process, if the electrolyte membrane and ionomer, which are the materials constituting the MEA, lose water or impurities adhere to the catalyst surface during the catalyst layer manufacturing process, the MEA and the stack immediately after assembly are originally produced. The performance that should be generated cannot be exhibited.
そこで、燃料電池システムの製造過程において、スタックは組み立てられてから燃料電池システムに搭載される前に、電解質膜およびイオノマーを湿潤させたり、触媒の表面をクリーニングしたりすることを目的として、スタックをエージング装置に接続して、スタックの活性化処理としての予備的な発電をさせたり、スタックの性能検査をしたりする。 Therefore, in the manufacturing process of the fuel cell system, the stack is used for the purpose of wetting the electrolyte membrane and ionomer and cleaning the surface of the catalyst after the stack is assembled and before being mounted on the fuel cell system. It is connected to an aging device to generate preliminary power generation as a stack activation process, and to inspect the performance of the stack.
エージング時にはスタックの端子とエージング装置がハーネスで電気的に接続される。スタックの下部に集電板の端子を設けていると、ハーネスの取り付けの作業性が悪いために端子やハーネスを損壊してしまう可能性がある。また、ハーネスとの接続が不十分となり接触抵抗が高くなってしまう可能性がある。いずれも、端子に電流が流れる際に不安全となることが考えられる。 During aging, the terminals of the stack and the aging device are electrically connected by a harness. If the terminals of the current collector plate are provided at the bottom of the stack, the terminals and harness may be damaged due to poor workability of attaching the harness. In addition, the connection with the harness may be insufficient and the contact resistance may increase. In either case, it is considered unsafe when a current flows through the terminals.
エージング装置のハーネスおよびその付近には、種々の計測用の配線なども配置されるため、スタックの下部にある集電板の端子に取り付けを行う際には、燃料電池システムへ搭載する時よりも作業性の悪化への影響が大きい。 Since wiring for various measurements is also arranged in and around the harness of the aging device, when attaching to the terminal of the current collector plate at the bottom of the stack, it is better than when mounting on the fuel cell system. It has a large effect on the deterioration of workability.
なお、スタックの下部に集電板の端子を設けて、エージング時にはスタックの上下を逆向きにして、上下反転させたスタックとエージング装置を接続することが考えられる。 It is conceivable to provide a terminal of the current collector plate at the bottom of the stack so that the stack is turned upside down during aging to connect the stacked upside down and the aging device.
しかしながら、上下反転させたスタックをその状態で保持することが構造的に困難であったり、もし、反応ガスと冷却水がスタックの内部を重力方向に流れるように設計されている場合には、反応ガスと冷却水を本来の入口側からスタックに流入させるためにエージング時は反応ガスと冷却水がスタックの内部を重力に逆らうように流れることになる、もしくは、反応ガスと冷却水がスタックの内部を重力方向に流れるようにエージング時は反応ガスと冷却水を本来の出口側からスタックに流入させることになるために、性能検査の結果が本来の性能と異なる可能性があるという課題がある。 However, if it is structurally difficult to hold the upside-down stack in that state, or if the reaction gas and cooling water are designed to flow inside the stack in the direction of gravity, the reaction will occur. During aging, the reaction gas and cooling water will flow inside the stack against gravity in order to allow the gas and cooling water to flow into the stack from the original inlet side, or the reaction gas and cooling water will flow inside the stack. During aging, the reaction gas and cooling water flow into the stack from the original outlet side so that the product flows in the direction of gravity. Therefore, there is a problem that the result of the performance inspection may differ from the original performance.
本発明は、上記課題に鑑み、スタックの下方に電力変換回路基板を配置しても、電力ロスを最小限にすると共に、エージング時の作業性の良好な燃料電池システムに用いられるスタックのエージング方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention is a method for aging a stack used in a fuel cell system having good workability during aging while minimizing power loss even if a power conversion circuit board is arranged below the stack. The purpose is to provide.
上記課題を解決するため、本発明のスタックのエージング方法は、電解質膜−電極接合体を一対のセパレータで挟んだセルが略水平方向に多数積層された積層体の積層方向の両端に一対の集電板を備えたスタックと、前記スタックの下方に配置され前記集電板と電気的に接続された電力変換回路基板と、を備えた燃料電池システムであって、前記スタックは、前記セルを貫通して前記セルに反応ガスを供給排出する反応ガスマニホールドと、前記セルを貫通して前記セルで発電時に発生する熱を回収する冷却水を供給排出する冷却水マニホールドとを有しており、前記集電板のそれぞれは、前記冷却水マニホールドの冷却水入口及び冷却水出口よりも上方から電流を取り出す上部端子と、前記スタックの下部から電流を取り出す下部端子とを備え、前記電力変換回路基板は、前記下部端子のみとハーネスで電気的に接続されている、燃料電池システムに用いられるスタックのエージング方法であって、前記スタックの前記上部端子と、エージング装置とを、ハーネスで電気的に接続してエージングを行うことを特徴とする。 In order to solve the above problems, in the stack aging method of the present invention, a pair of cells in which an electrolyte film-electrode junction is sandwiched between a pair of separators is laminated at both ends in a substantially horizontal direction. A fuel cell system comprising a stack with a power plate and a power conversion circuit board located below the stack and electrically connected to the current collector, wherein the stack penetrates the cell. It has a reaction gas manifold that supplies and discharges reaction gas to the cell, and a cooling water manifold that supplies and discharges cooling water that penetrates the cell and recovers heat generated during power generation in the cell. Each of the current collector plates includes an upper terminal that draws current from above the cooling water inlet and the cooling water outlet of the cooling water manifold, and a lower terminal that draws current from the lower part of the stack. , A method of aging a stack used in a fuel cell system, which is electrically connected only to the lower terminal by a harness. The upper terminal of the stack and an aging device are electrically connected by a harness. It is characterized by performing aging.
本発明を適用する燃料電池システムは、この構成によって、スタックの下方に電力変換回路基板を配置しても、スタックと電力変換回路基板を接続するハーネスの長さを短くすることができるため、ハーネスのIR損による電力ロスを最小限にすることができる。 In the fuel cell system to which the present invention is applied, even if the power conversion circuit board is arranged below the stack, the length of the harness connecting the stack and the power conversion circuit board can be shortened by this configuration. Power loss due to IR loss can be minimized.
また、本発明のスタックのエージング方法は、上記の燃料電池システムに用いられるスタックのエージング方法であって、前記スタックの前記上部端子と、エージング装置とを、ハーネスで電気的に接続してエージングを行うことを特徴とし、この方法によって、エージングの作業性が良好になる。 Further, the aging process of the stack of the present invention is a aging process of the stack used for the fuel cell system, and the upper terminal of the stack, and aging device, the aging electrically connected by a harness This method improves the workability of aging.
本発明のスタックのエージング方法は、スタックの集電板が、冷却水マニホールドの冷却水入口及び冷却水出口よりも上方から電流を取り出す上部端子と、スタックの下部から電流を取り出す下部端子とを備え、スタックの下方に配置される電力変換回路基板が、下部端子のみとハーネスで電気的に接続される燃料電池システムに用いられるスタックのエージング方法であって、スタックの上部端子とエージング装置とをハーネスで電気的に接続してエージングを行うので、エージングの作業性が良好になる。 In the stack aging method of the present invention, the stack collecting plate includes an upper terminal that draws current from above the cooling water inlet and cooling water outlet of the cooling water manifold, and a lower terminal that draws current from the lower part of the stack. , The power conversion circuit board located below the stack is a stack aging method used in a fuel cell system in which only the lower terminal is electrically connected by a harness, and the upper terminal of the stack and the aging device are harnessed. Since aging is performed by electrically connecting with, the workability of aging is improved.
本発明を適用する燃料電池システムは、電解質膜−電極接合体を一対のセパレータで挟んだセルが略水平方向に多数積層された積層体の積層方向の両端に一対の集電板を備えたスタックと、前記スタックの下方に配置され前記集電板と電気的に接続された電力変換回路基板と、を備えた燃料電池システムであって、前記スタックは、前記セルを貫通して前記セルに反応ガスを供給排出する反応ガスマニホールドと、前記セルを貫通して前記セルで発電時に発生する熱を回収する冷却水を供給排出する冷却水マニホールドとを有しており、前記集電板のそれぞれは、前記冷却水マニホールドの冷却水入口及び冷却水出口よりも上方から電流を取り出す上部端子と、前記スタックの下部から電流を取り出す下部端子とを備え、前記電力変換回路基板は、前記下部端子のみとハーネスで電気的に接続されていることを特徴とする。 A fuel cell system to which the present invention is applied is a stack in which a large number of cells sandwiching an electrolyte membrane-electrode junction between a pair of separators are laminated in a substantially horizontal direction, and a pair of current collector plates are provided at both ends in the stacking direction. A fuel cell system including a power conversion circuit board arranged below the stack and electrically connected to the current collector plate, the stack penetrating the cell and reacting to the cell. Each of the current collector plates has a reaction gas manifold that supplies and discharges gas, and a cooling water manifold that supplies and discharges cooling water that penetrates the cell and recovers heat generated during power generation in the cell. The power conversion circuit board includes only the lower terminal, which includes an upper terminal for taking out current from above the cooling water inlet and the cooling water outlet of the cooling water manifold and a lower terminal for taking out current from the lower part of the stack. It is characterized by being electrically connected by a harness.
この構成によって、スタックの下方に電力変換回路基板を配置しても、スタックの上部端子と電力変換回路基板をハーネスで接続する場合よりも、スタックと電力変換回路基板を接続するハーネスの長さを短くすることができるため、ハーネスのIR損による電力ロスを小さくすることができる。 With this configuration, even if the power conversion circuit board is placed below the stack, the length of the harness that connects the stack and the power conversion circuit board is longer than when the upper terminal of the stack and the power conversion circuit board are connected by a harness. Since it can be shortened, the power loss due to the IR loss of the harness can be reduced.
また、スタックの下方に電力変換回路基板を配置することで、万が一スタックから水素などの可燃性の燃料ガスが漏れた場合でも、これらの燃料ガスは空気よりも軽くスタックの上方へ流れていくため、高電圧となる電力変換回路基板に流入する可能性が低くなり、引火などの不具合が発生する可能性を低くすることができる。 In addition, by arranging the power conversion circuit board below the stack, even if flammable fuel gas such as hydrogen leaks from the stack, these fuel gases will flow to the top of the stack lighter than air. , The possibility of flowing into the power conversion circuit board having a high voltage is reduced, and the possibility of causing a problem such as ignition can be reduced.
さらに、エージング時には上部端子をエージング装置との接続に利用することができるため、エージング時の作業性も確保できる。 Further, since the upper terminal can be used for connection with the aging device during aging, workability during aging can be ensured.
本発明を適用する燃料電池システムにおいて、前記上部端子が、前記集電板の上端面よりも上方に突出しており、前記下部端子が、前記集電板の下端面よりも下方に突出していてもよい。 In the fuel cell system applying the present invention, the upper terminal, than the upper end surface of the collector plate protrudes upward, the lower terminal, be projected lower than the lower end surface of the collector plate Good.
この構成によって、上部端子をスタックの(積層体の)上端面よりも上方に突出させることができるため、エージング時の作業性をより向上することができる。また、下部端子をスタックの(積層体の)下端面よりも下方に突出させることができるため、スタックと電力変換回路基板を接続するハーネスの長さをさらに短くすることができ、ハーネスのIR損による電力ロスをさらに小さくすることができる。 With this configuration, the upper terminals can be projected upward from the upper end surface (of the laminated body) of the stack, so that workability during aging can be further improved. Further, since the lower terminal can be projected below the lower end surface (of the laminated body) of the stack, the length of the harness connecting the stack and the power conversion circuit board can be further shortened, and the IR loss of the harness can be further shortened. The power loss due to the above can be further reduced.
また、本発明を適用する燃料電池システムにおいて、前記電力変換回路基板が、前記電力変換回路基板における上部に、前記ハーネスで前記下部端子と電気的に接続される接続端子を備えてもよい。 Further, in the fuel cell system to which the present invention is applied, the power conversion circuit board may be provided with a connection terminal electrically connected to the lower terminal by the harness at the upper part of the power conversion circuit board.
この構成によって、スタックと電力変換回路基板を接続するハーネスの長さをさらに短くすることができ、ハーネスのIR損による電力ロスをさらに小さくすることができる。 With this configuration, the length of the harness connecting the stack and the power conversion circuit board can be further shortened, and the power loss due to the IR loss of the harness can be further reduced.
また、本発明を適用する燃料電池システムにおいて、前記冷却水入口が、前記冷却水出口よりも上方に位置し、前記冷却水が、前記セルに対して上から下に向かって流れてもよい。 Further, in the fuel cell system to which the present invention is applied, the cooling water inlet may be located above the cooling water outlet, and the cooling water may flow from top to bottom with respect to the cell.
この構成によって、スタックの上部の温度をより低くすることができる。エージング時に上部端子を使用する際、スタックの温度がより低い上部に集電板の上部端子が位置することになる。 This configuration allows the temperature at the top of the stack to be lower. When using the upper terminal during aging, the upper terminal of the current collector plate will be located at the upper part where the temperature of the stack is lower.
エージング時にスタックの性能検査のために燃料電池システム搭載時よりも高い電流や高い温度で発電させることがあれば、集電板の上部端子は、より高温になるため、不安全となる可能性が考えられる。スタックの上部の温度をより低くした構成で、エージング時に上部端子を使用することで、上部端子の温度をより低く抑えることができる。これにより、エージング時の安全性を向上することができる。 If power is generated at a higher current or temperature than when the fuel cell system is installed to check the performance of the stack during aging, the upper terminal of the current collector plate will become hotter, which may be unsafe. Conceivable. By using the upper terminal during aging in a configuration in which the temperature of the upper part of the stack is lower, the temperature of the upper terminal can be kept lower. As a result, safety during aging can be improved.
また、本発明を適用する燃料電池システムにおいて、前記反応ガスマニホールドの反応ガス入口が、前記反応ガスマニホールドの反応ガス出口よりも上方に位置し、前記反応ガスが、前記セルに対して上から下に向かって流れてもよい。 Further, in the fuel cell system to which the present invention is applied, the reaction gas inlet of the reaction gas manifold is located above the reaction gas outlet of the reaction gas manifold, and the reaction gas is from top to bottom with respect to the cell. May flow towards .
この構成によって、スタックの上部に反応ガス入口と冷却水入口が互いに近接して位置することになる。反応ガス入口付近では反応ガスの濃度が高いために発電反応が集中して起こることから、この付近のスタック温度がより高くなるが、冷却水入口が反応ガス入口付近にあることで効率的に冷却することができ、反応ガス入口付近の温度上昇を抑制することができる。 With this configuration, the reaction gas inlet and the cooling water inlet are located close to each other at the upper part of the stack. Since the power generation reaction is concentrated near the reaction gas inlet due to the high concentration of the reaction gas, the stack temperature near this is higher, but the cooling water inlet is near the reaction gas inlet for efficient cooling. It is possible to suppress the temperature rise near the reaction gas inlet.
これにより、スタックの上部と下部の温度分布をより均一化することができるため、高温による局所的な劣化を抑制することができ、その結果、スタックの耐久性を向上させることができる。 As a result, the temperature distribution at the top and bottom of the stack can be made more uniform, so that local deterioration due to high temperature can be suppressed, and as a result, the durability of the stack can be improved.
また、スタック内の反応ガス流路で凝縮水が発生した場合でも、反応ガスの流れと重力を利用して凝縮水をスタックの反応ガス出口から排出することができ、反応ガス流路で発生した凝縮水が反応ガスの流れを妨げることを抑制できる。 Further, even when condensed water is generated in the reaction gas flow path in the stack, the condensed water can be discharged from the reaction gas outlet of the stack by utilizing the flow and gravity of the reaction gas, and the condensed water is generated in the reaction gas flow path. It is possible to prevent the condensed water from obstructing the flow of the reaction gas.
本発明のスタックのエージング方法は、上記構成の燃料電池システムに用いられるスタックのエージング方法であって、前記スタックの前記上部端子と、エージング装置とを、ハーネスで電気的に接続してエージングを行うことを特徴とする。 The stack aging method of the present invention is a stack aging method used in the fuel cell system having the above configuration, in which the upper terminal of the stack and the aging device are electrically connected by a harness to perform aging. It is characterized by that.
この方法によって、下部端子に接続する場合よりも、スタックとエージング装置をハーネスで接続する際の作業性を良好にすることができる。スタックの端子とハーネスとの接続が不十分なために不安全になることを抑制することができる。これにより、エージング時の作業効率と安全性を向上することができる。 By this method, workability when connecting the stack and the aging device with a harness can be improved as compared with the case where the stack and the aging device are connected to the lower terminal. It is possible to prevent unsafety due to insufficient connection between the terminals of the stack and the harness. As a result, work efficiency and safety during aging can be improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1の燃料電池システムに用いられるスタックを一対の冷却水マニホールドの中心軸を含む平面で切断した場合の断面を示す概略縦断面図である。図2は本発明の実施の形態1の燃料電池システムに用いられるスタックを各マニホールドの出入口側から見た場合の概略側面図である。図3は本発明の実施の形態1の燃料電池システムの構成を示す概略縦断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic vertical sectional view showing a cross section when a stack used in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is cut in a plane including a central axis of a pair of cooling water manifolds. FIG. 2 is a schematic side view of the stack used in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention when viewed from the entrance / exit side of each manifold. FIG. 3 is a schematic vertical sectional view showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
図4は本発明の実施の形態1の燃料電池システムに用いられるスタックの外観斜視図である。図5は本発明の実施の形態1の燃料電池システムに用いられるスタックをエージングしている時のスタックとエージング装置の接続状態を示す概略側面図である。図6は本発明の実施の形態1の燃料電池システムにおけるスタックと電力変換回路基板の接続状態を示す要部概略側面図である。 FIG. 4 is an external perspective view of a stack used in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a schematic side view showing a connection state between the stack and the aging device when the stack used in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is being aged. FIG. 6 is a schematic side view of a main part showing a connection state between the stack and the power conversion circuit board in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
図1から図6に示すように、本実施の形態の燃料電池システム15に用いられるスタック1は、MEA2を一対のセパレータ3で挟んだセル4aを多数積層した積層体4の積層方向の両端に一対の集電板5を備える。スタック1に締結圧力を与えて一体として保持するため、一対の集電板5における積層体4と対向する面と反対側の面に(集電板5のさらに外側に)一対の端板6を配置し、環状バンド22で両端板6を、積層体4と一対の集電板5と一対の端板6が積層方向に圧縮される力が加わるように締結する。
As shown in FIGS. 1 to 6, the
スタック1は、セル4aを貫通してセル4aに反応ガスを供給排出する反応ガスマニホールド7と、セル4aを貫通してセル4aで発電時に発生する熱を回収する冷却水を供給排出する冷却水マニホールド8とを有している。
The
スタック1を一対の冷却水マニホールド8の中心軸を含む平面で切断した場合の断面を示す図1では、反応ガスマニホールド7が示されていないが、スタック1を一対の反応ガスマニホールド7の中心軸を含む平面で切断した場合の断面は、図1の冷却水マニホールド8と冷却水入口9と冷却水出口10を、反応ガスマニホールド7と反応ガス入口13と反応ガス出口14に、それぞれ置き換えた構成に相当する。
In FIG. 1, which shows a cross section when the
集電板5は、冷却水マニホールド8の冷却水入口9及び冷却水出口10よりも上方から電流を取り出す上部端子11と、スタック1の下部から電流を取り出す下部端子12とを備える。上部端子11はスタック1の上面から上方に突出しており、下部端子12はスタック1の積層部分の下面から下方に突出している。なお、一対の端板6には下部端子12よりも下方に突出する脚部6aが一体に設けられる。
The
一対の端板6のうちの一方の端板6には、反応ガスマニホールド7の反応ガス入口13及び反応ガス出口14、冷却水マニホールド8の冷却水入口9及び冷却水出口10がそれぞれ設けられている。反応ガスは水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスが必要となるため、反応ガス入口13及び反応ガス出口14はそれぞれ二つずつ設けられている。
One
燃料電池システム15の筐体内において、スタック1の下方に電力変換回路基板16が配置され、下部端子12のみとハーネス17によって電気的に接続されている。スタック1で発電した電力は、電力変換回路基板16で調整されたのち、燃料電池システム15の外部へと取り出される。電力変換回路基板16は、昇圧回路やインバータ回路などの回路類と電圧センサーや電流センサーなどのセンサー類などから構成される。
In the housing of the
スタック1には空気ブロア18から一方の反応ガス入口13に空気が供給され、発電に使用された後の余剰なガスは一方の反応ガス出口14から排出される。また、燃料改質器19から他方の反応ガス入口13に水素を含む燃料ガスが供給され、発電に使用された後の余剰なガスは他方の反応ガス出口14から燃料改質器19に備えられたバーナーへと供
給され、燃料改質器19の温度を維持するためにバーナーの燃焼に用いられる。燃料改質器19には燃料ガスの原料となる都市ガスなどの原料ガスが燃料電池システム15の外部から供給され、水素を含む燃料ガスへと改質される。
Air is supplied to the
スタック1には、熱交換器20から冷却水入口9に冷却水が供給され、スタック1を流れる冷却水によって、発電によってスタック1で発生した熱を回収した後、冷却水出口10から再び熱交換器20へと戻される。
Cooling water is supplied to the
熱交換器20には貯湯槽21から温度の低い温水が供給され、冷却水と熱交換して温度が高められた後、再び貯湯槽21へと戻される。貯湯槽21からは温水が燃料電池システム15の外部へと供給され、代わりに外部から水が補給される。
Hot water having a low temperature is supplied to the
本実施の形態は、スタック1の下方に電力変換回路基板16が配置され、下部端子12のみとハーネス17によって電気的に接続されていることを特徴とする。これにより、ハーネス17の長さを短くすることができる。下方とは、電力変換回路基板16の上端面がスタック1の下端面と同じ高さか低い位置にあることを言う。電力変換回路基板16がスタック1よりも大幅に下方にあるとハーネス17の長さが長くなってしまうため、スタック1の近傍に配置することが好ましい。
The present embodiment is characterized in that the power
本実施の形態では、スタック1の上部に配置された集電板5の端子を上部端子11と呼んでいるが、上部端子11はスタック1の上端面、つまり集電板5の上端面よりも上方に突出していることが好ましい。これにより、エージング時の作業性をより向上することができる。
In the present embodiment, the terminals of the
上部端子11の他の構成として、集電板5の上端面と同じ高さで水平方向に突出している構成や、集電板5の上端面よりも低い高さで水平方向に突出している構成なども採ることができる。
Other configurations of the
本実施の形態では、スタック1の下部に配置された集電板5の端子を下部端子12と呼んでいるが、下部端子12はスタック1の下端面、つまり集電板5の下端面よりも下方に突出していることが好ましい。これにより、スタック1と電力変換回路基板16を接続するハーネス17の長さを短くすることができる。
In the present embodiment, the terminals of the
下部端子12の他の構成として、集電板5の下端面と同じ高さで水平方向に突出している構成や、集電板5の下端面よりも高い位置で水平方向に突出している構成なども採ることができる。
Other configurations of the
集電板5の形状としては、積層されるセパレータ3やMEA2と同じ面積を有する長方形の板に、端子が突出した形状であることが一般的である。集電板5の端子(上部端子11と下部端子12)とハーネス17の接続は、確実な接続を確保するためにボルトとナットを使用することが一般的である。
The shape of the
従って、ボルトを挿入するためのボルトを入れる穴があいている。あるいはU字端子形状でも良い。ハーネス17の取り付け作業性をより良くするために、あらかじめ集電板5の端子(上部端子11と下部端子12)部または、ハーネス17の端子部にカシメナットが付けることが好ましい。
Therefore, there is a hole for inserting a bolt for inserting the bolt. Alternatively, it may have a U-shaped terminal shape. In order to improve the mounting workability of the
集電板5の材質としては、アルミや真鍮など導電率の高い金属が使用される。さらに、セパレータ3と接する部分およびハーネス17と接する部分には、接触抵抗が低く耐食性の高い、金などの金属によるメッキあるいはカーボンコートなどを施していることが好ま
しい。
As the material of the
スタック1における冷却水入口9及び冷却水出口10の配置は、種々の位置を採ることができるが、冷却水入口9が冷却水出口10よりも上方に位置し、冷却水が、セル4aに対して上方から下方に向かって流れることが好ましい。
The arrangement of the cooling
これにより、上部端子11の温度をより低く抑えることができる。また、エージング時に上部端子11を使用する際、上部端子11の温度が上昇することになった場合でも、上部端子11の温度をより低く抑えることができるため、安全性を向上することができる。
As a result, the temperature of the
スタック1における反応ガス入口13および反応ガス出口14の配置は、種々の位置を採ることができるが、冷却水入口9が冷却水出口10よりも上方に位置し、冷却水が、セル4aに対して上方から下方に向かって流れる構成の場合には、反応ガス入口13が反応ガス出口14よりも上方に位置し、反応ガスが、セル4aに対して上方から下方に向かって流れることが好ましい。
The
これにより、発電反応が集中して起こる反応ガス入口13付近の温度をより低く抑えることができる。スタック1の上部と下部の温度分布をより均一化することができるため、スタック1の耐久性を向上させることができる。
As a result, the temperature near the
本実施の形態では、スタック1の側面を囲むように環状バンド22を配置して、環状バンド22が端板6を締結する力でスタック1を一体として固定している。スタック1の端板6を締結する方法としては、他に複数のボルトとナットを用いる方法もあるが、環状バンド22を用いることで構造を簡易にすることができ、また、スタック1の組み立ての作業性も向上するため、より好ましい。
In the present embodiment, the
環状バンド22の上端は、スタック1の上端面と同じ高さか上端面よりも低い位置となるように配置されており、上部端子11にエージング装置のハーネスを取り付ける際の障害とならない構成となっている。
The upper end of the
同様に、環状バンド22の下端は、スタック1(脚部6aを除く)の下端面と同じ高さか下端面よりも高い位置となるように配置されており、下部端子12に電力変換回路基板16と接続するためのハーネス17を取り付ける際の障害とならない構成となっている。
Similarly, the lower end of the
スタック1の下部(下面の四隅)には、端板6と一体に構成された脚部6aが下方に突出している。脚部6aの高さは、下部端子12がスタック1(脚部6aを除く)の下端面よりも下方に突出している長さよりも高くなっており、スタック1を平坦な台の上に設置した場合でも下部端子12が台と接触しないようになっている。
At the lower part (four corners of the lower surface) of the
脚部6aは、下部端子12に意図せず人の手や導電性の物体などが接触して危険にならないように下部端子12を保護する役割もある。一方で、下部端子12に電力変換回路基板16と接続するためのハーネス17を取り付ける際の障害とならないよう、隣接する脚部6aの間にハーネス17や工具を挿入できるだけの隙間が設けられている。
The
本発明のスタック1は、上部端子11と、エージング装置とを、ハーネスで電気的に接続してエージングを行うことが好ましい。ハーネスはエージング装置専用のものを使用しても良いし、燃料電池システム15に搭載されるハーネス17を使用しても良い。
In the
上部端子11および下部端子12は、ハーネスを接続することができる範囲で、可能な限り短く構成される。これにより、端子でのIR損による電力ロスを低減することができ
る。
The
このため、スタック1をエージング装置23の平坦な作業台の上に設置した場合、スタック1の下方には下部端子12の長さに対応した狭い空間しか確保することができず、ハーネス17を取り付けたり、固定用のボルトを回したりする際の作業空間が十分に取れない。しかしながら、図5に示すように、エージング時に上部端子11を使用することで、エージング時の作業効率と安全性を向上することができる。
Therefore, when the
以上のように本実施の形態の燃料電池システム15は、MEA2を一対のセパレータ3で挟んだセル4aが略水平方向に多数積層された積層体4の積層方向の両端に一対の集電板5を備えたスタック1と、スタック1の下方に配置され集電板5と電気的に接続された電力変換回路基板16と、を備える。
As described above, in the
そして、スタック1は、セル4aを貫通してセル4aに反応ガスを供給排出する反応ガスマニホールド7と、セル4aを貫通してセル4aで発電時に発生する熱を回収する冷却水を供給排出する冷却水マニホールド8とを有している。
Then, the
また、集電板5のそれぞれは、冷却水マニホールド8の冷却水入口9及び冷却水出口10よりも上方から電流を取り出す上部端子11と、スタック1の下部から電流を取り出す下部端子12とを備える。また、電力変換回路基板16は、下部端子12のみとハーネス17で電気的に接続されている。
Further, each of the
この構成によって、スタック1の下方に電力変換回路基板16を配置しても、スタック1の上部端子11と電力変換回路基板16とをハーネス17で接続する場合よりも、スタック1と電力変換回路基板16を接続するハーネス17の長さを短くすることができるため、ハーネス17のIR損による電力ロスを小さくすることができる。
With this configuration, even if the power
また、スタック1の下方に電力変換回路基板16を配置することで、万が一スタック1から水素などの可燃性の燃料ガスが漏れた場合でも、これらの燃料ガスは空気よりも軽くスタック1の上方へ流れていくため、高電圧となる電力変換回路基板16に流入する可能性が低くなり、引火などの不具合が発生する可能性を低くすることができる。
Further, by arranging the power
さらに、エージング時には上部端子11をエージング装置23との接続に利用することができるため、エージング時の作業性も確保できる。
Further, since the
また、本実施の形態におけるスタック1では、上部端子11が集電板5の上端面よりも上方に突出しており、下部端子12が集電板5の下端面よりも下方に突出している。
Further, in the
この構成により、上部端子11をスタック1の(積層体4の)上端面よりも上方に突出させることができるため、上部端子11をスタック1の側面の上部から突出させた場合よりもエージング時の作業性をより向上することができる。また、下部端子12をスタック1の(積層体4の)下端面よりも下方に突出させることができるため、下部端子12をスタック1の側面の下部から突出させた場合よりもスタック1と電力変換回路基板16を接続するハーネス17の長さをさらに短くすることができ、ハーネスのIR損による電力ロスをさらに小さくすることができる。
With this configuration, the
また、スタック1の側面を囲むように環状バンド22を配置して、環状バンド22が端板6を締結する力でスタック1を一体として固定している場合は、上部端子11と下部端子12が環状バンド22の邪魔にならない。
Further, when the
なお、上部端子11または下部端子12がスタック1の側面から突出している場合は、上部端子11または下部端子12が環状バンド22によるスタック1の締結、一体化の邪魔にならないように、特に環状バンド22が金属製(導電性)の場合は、上部端子11または下部端子12が環状バンド22に接触しないように、環状バンド22に、上部端子11または下部端子12を避ける切り欠きや穴が必要になり、その切り欠きや穴が環状バンド22の製造コストを高めたり、環状バンド22の強度を低下させたりする。
When the
また、本実施の形態における電力変換回路基板16は、電力変換回路基板16における上部に、ハーネス17で下部端子12と電気的に接続される接続端子16aを備えたことにより、電力変換回路基板16における上部以外の箇所に接続端子16aを備えた場合よりも、スタック1と電力変換回路基板16を接続するハーネス17の長さをさらに短くすることができ、ハーネス17のIR損による電力ロスをさらに小さくすることができる。
Further, the power
また、本実施の形態におけるスタック1の冷却水入口9が、冷却水出口10よりも上方に位置し、冷却水が、セル4aに対して上から下に向かって流れるので、スタック1の上部の温度を他の部分よりも低くすることができる。スタック1のエージング時に上部端子11を使用する際、スタック1の温度がより低い上部に集電板5の上部端子11が位置することになる。
Further, since the cooling
エージング時にスタック1の性能検査のために燃料電池システム15搭載時よりも高い電流や高い温度で発電させることがあれば、集電板5の上部端子11は、より高温になるため、不安全となる可能性が考えられる。
If power is generated at a higher current or temperature than when the
本実施の形態は、スタック1の上部の温度をより低くした構成で、エージング時に上部端子11を使用することで、上部端子11の温度をより低く抑えることができる。これにより、エージング時の安全性を向上することができる。
In this embodiment, the temperature of the upper part of the
また、本実施の形態におけるスタック1の反応ガスマニホールド7の反応ガス入口13が、反応ガスマニホールド7の反応ガス出口14よりも上方に位置し、反応ガスが、セル4aに対して上から下に向かって流れることによって、スタック1の上部に反応ガス入口13と冷却水入口9が互いに近接して位置することになる。反応ガス入口13付近では反応ガスの濃度が高いために発電反応が集中して起こることから、この付近のスタック1の温度がより高くなるが、冷却水入口9が反応ガス入口13の付近(近傍)にあることで効率的に冷却することができ、反応ガス入口13の付近(近傍)の温度上昇を抑制することができる。
Further, the
これにより、スタック1の上部と下部の温度分布をより均一化することができるため、高温による局所的な劣化を抑制することができ、その結果、スタック1の耐久性を向上させることができる。
As a result, the temperature distribution of the upper part and the lower part of the
また、スタック1内の反応ガス流路で凝縮水が発生した場合でも、反応ガスの流れと重力を利用して凝縮水をスタック1の反応ガス出口14から排出することができ、反応ガス流路で発生した凝縮水が反応ガスの流れを妨げることを抑制できる。
Further, even when condensed water is generated in the reaction gas flow path in the
また、本実施の形態でのスタック1のエージングは、スタック1の上部端子11と、エージング装置23とを、ハーネス17で電気的に接続してエージングを行う。
Further, in the aging of the
このスタック1のエージング方法によって、下部端子12にエージング装置23をハーネス17で接続する場合よりも、スタック1とエージング装置23をハーネス17で接続する際の作業性を良好にすることができる。スタック1の端子とハーネス17との接続が
不十分なために不安全になることを抑制することができる。これにより、エージング時の作業効率と安全性を向上することができる。
By this aging method of the
本発明を適用する燃料電池システムは、スタックと電力変換回路基板を接続するハーネスの長さを短くすることができ、また、本発明のスタックのエージング方法は、エージング時の作業性を確保することができるため、家庭用コージェネレーション用をはじめとする多様な方式の燃料電池システムとして好適に用いることができる。 The fuel cell system to which the present invention is applied can shorten the length of the harness connecting the stack and the power conversion circuit board, and the stack aging method of the present invention ensures workability during aging. Therefore, it can be suitably used as a fuel cell system of various types including those for home cogeneration.
1 スタック
2 MEA
3 セパレータ
4 積層体
4a セル
5 集電板
6 端板
6a 脚部
7 反応ガスマニホールド
8 冷却水マニホールド
9 冷却水入口
10 冷却水出口
11 上部端子
12 下部端子
13 反応ガス入口
14 反応ガス出口
15 燃料電池システム
16 電力変換回路基板
16a 接続端子
17 ハーネス
23 エージング装置
1
3
Claims (1)
前記スタックの下方に配置され前記集電板と電気的に接続された電力変換回路基板と、を備え、
前記スタックは、前記セルを貫通して前記セルに反応ガスを供給排出する反応ガスマニホールドと、前記セルを貫通して前記セルで発電時に発生する熱を回収する冷却水を供給排出する冷却水マニホールドとを有しており、
前記集電板のそれぞれは、前記冷却水マニホールドの冷却水入口及び冷却水出口よりも上方から電流を取り出す上部端子と、前記スタックの下部から電流を取り出す下部端子とを備え、
前記電力変換回路基板は、前記下部端子のみとハーネスで電気的に接続されている、燃料電池システムに用いられるスタックのエージング方法であって、
前記スタックの前記上部端子と、エージング装置とを、ハーネスで電気的に接続してエージングを行う、スタックのエージング方法。 A stack in which a large number of cells sandwiching an electrolyte membrane-electrode assembly between a pair of separators are laminated in a substantially horizontal direction and a pair of current collector plates are provided at both ends in the stacking direction.
A power conversion circuit board located below the stack and electrically connected to the current collector is provided.
The stack has a reaction gas manifold that penetrates the cell and supplies and discharges the reaction gas to the cell, and a cooling water manifold that penetrates the cell and supplies and discharges cooling water that recovers heat generated during power generation in the cell. And have
Each of the current collector plates includes an upper terminal that draws current from above the cooling water inlet and cooling water outlet of the cooling water manifold, and a lower terminal that draws current from the lower part of the stack.
The power conversion circuit board is a stack aging method used in a fuel cell system, which is electrically connected only to the lower terminal by a harness.
A stack aging method in which the upper terminal of the stack and an aging device are electrically connected by a harness to perform aging.
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