JP5283520B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、各電解質の両側に電極が配設される2つの電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体と交互に積層される3枚のセパレータとを有する発電ユニットを備え、前記発電ユニット内には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す第1〜第4反応ガス流路と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔とが形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関する。 The present invention includes a power generation unit including two electrolytes / electrode structures in which electrodes are disposed on both sides of each electrolyte, and three separators stacked alternately with the electrolyte / electrode structures, In the unit, there are formed first to fourth reaction gas flow paths for flowing a predetermined reaction gas along the power generation surface, and a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole for flowing the reaction gas in the stacking direction. In addition, the present invention relates to a fuel cell stack in which a cooling medium flow path for flowing a cooling medium is formed between the power generation units.
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両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・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、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 (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. The unit cell is sandwiched. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード側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(反応ガス流路)とが設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。 In the above fuel cell, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing a fuel gas opposite to the anode side electrode and an oxidant gas for flowing the cathode gas facing the cathode side electrode in the plane of the separator. The oxidant gas flow path (reaction gas flow path) is provided. Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.
ところで、燃料電池スタックでは、所定数の単位セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池は、例えば、図14に示す特許文献1に開示されているように、セパレータ1、セル2、セパレータ3、セル2及びセパレータ4が積層されている。
By the way, the fuel cell stack may adopt a so-called thinning cooling structure in which a cooling medium flow path is formed between a predetermined number of unit cells. In a fuel cell having this kind of thinning cooling structure, for example, as disclosed in
セル2は、固体高分子電解質膜2aの両面に燃料極2b及び空気極2cが配設されている。セパレータ1と一方のセル2との間には、燃料ガス通路5aが形成され、セパレータ3と前記一方のセル2との間には、酸化剤ガス通路6aが形成されている。セパレータ3と他方のセル2との間には、燃料ガス通路5bが形成されるとともに、セパレータ4と前記他方のセル2との間には、酸化剤ガス通路6bが形成されている。互いに隣接するセパレータ1、4間には、冷却水通路7が形成されている。
In the
上記の燃料電池では、燃料ガス通路5aに隣接して冷却水通路7が設けられるとともに、酸化剤ガス通路6bに隣接して前記冷却水通路7が設けられている。一方、燃料ガス通路5b及び酸化剤ガス通路6aは、互いに隣接して設けられるとともに、冷却水通路7から離間している。
In the fuel cell, the cooling water passage 7 is provided adjacent to the
このため、燃料ガス通路5aは、燃料ガス通路5bよりも低温になり、酸化剤ガス通路6bは、酸化剤ガス通路6aよりも低温になっている。従って、燃料電池の発電時に生成される水は、温度の低い燃料ガス通路5a及び酸化剤ガス通路6bで結露し易い。これにより、燃料ガス通路5a及び酸化剤ガス通路6bでは、生成水によって燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが阻害され、安定した発電が行われないという問題がある。
For this reason, the
本発明はこの種の間引き冷却構造の燃料電池において、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路内の生成水を良好に排出するとともに、効率的な発電を確実に行う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 is a fuel cell having a thin-out cooling structure of this type, which has a simple and economical configuration, and can efficiently discharge generated water in the reaction gas flow path and reliably perform efficient power generation. An object is to provide a battery stack.
本発明は、各電解質の両側に電極が配設される2つの電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体と交互に積層される3枚のセパレータとを有する発電ユニットを備え、前記発電ユニット内には、発電面に沿って所定の反応ガスを流す第1〜第4反応ガス流路と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔とが形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関するものである。 The present invention includes a power generation unit including two electrolytes / electrode structures in which electrodes are disposed on both sides of each electrolyte, and three separators stacked alternately with the electrolyte / electrode structures, In the unit, there are formed first to fourth reaction gas flow paths for flowing a predetermined reaction gas along the power generation surface, and a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole for flowing the reaction gas in the stacking direction. In addition, the present invention relates to a fuel cell stack in which a cooling medium flow path for flowing a cooling medium is formed between the power generation units.
燃料電池スタックは、第1〜第4反応ガス流路と各反応ガス入口連通孔とを連通する入口側連通路部と、前記第1〜第4反応ガス流路と各反応ガス出口連通孔とを連通する出口側連通路部とを備え、前記第1及び第3反応ガス流路と、前記第2及び第4反応ガス流路とは、それぞれ同一の反応ガスを流している。 The fuel cell stack includes an inlet-side communication passage portion that communicates the first to fourth reaction gas flow paths and the reaction gas inlet communication holes, the first to fourth reaction gas flow paths and the reaction gas outlet communication holes, The first and third reaction gas flow paths, and the second and fourth reaction gas flow paths respectively flow the same reaction gas.
そして、少なくとも冷却媒体流路に隣接する第1反応ガス流路は、出口側連通路部の流路断面積が入口側連通路部の流路断面積よりも大きく設定される一方、前記第1反応ガス流路に対し冷却媒体流路から離間する第3反応ガス流路は、前記出口側連通路部の流路断面積が前記入口側連通路部の流路断面積よりも小さく設定されている。 In addition, at least the first reaction gas flow channel adjacent to the cooling medium flow channel is set such that the flow channel cross-sectional area of the outlet-side communication channel portion is set larger than the flow channel cross-sectional area of the inlet-side communication channel portion. The third reactive gas flow channel that is separated from the cooling medium flow channel with respect to the reactive gas flow channel is configured such that the flow channel cross-sectional area of the outlet-side communication channel portion is set smaller than the flow channel cross-sectional area of the inlet-side communication channel portion. Yes.
また、入口側連通路部及び出口側連通路部は、セパレータを貫通する孔部を有し、第1反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記孔部が、前記入口側連通路部の前記孔部よりも大きな開口形状に設定される一方、第3反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記孔部が、前記入口側連通路部の前記孔部よりも小さな開口形状に設定されることが好ましい。 In addition, the inlet-side communication passage portion and the outlet-side communication passage portion have a hole portion that penetrates the separator, and the first reaction gas flow path is configured such that the hole portion of the outlet-side communication passage portion is the inlet-side communication passage. The third reaction gas flow path is configured such that the hole portion of the outlet-side communication passage portion is smaller than the hole portion of the inlet-side communication passage portion. The shape is preferably set.
さらに、入口側連通路部及び出口側連通路部は、セパレータに設けられる連結路を有し、第1反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも少なくとも幅方向又は深さ方向に大きな寸法に設定される一方、第3反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも少なくとも幅方向又は深さ方向に小さな寸法に設定されることが好ましい。 Further, the inlet-side communication passage portion and the outlet-side communication passage portion have a connection path provided in the separator, and the first reaction gas flow path is configured such that the connection path of the outlet-side communication path portion is the inlet-side communication path. The third reaction gas flow path is configured such that the connection path of the outlet-side communication path section is connected to the inlet-side communication path section. It is preferable that the dimension is set to be smaller in at least the width direction or the depth direction than the connection path.
さらにまた、入口側連通路部及び出口側連通路部は、セパレータに設けられる連結路を有し、第1反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも大きな断面積又は短尺に設定される一方、第3反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも小さな断面積又は長尺に設定されることが好ましい。 Furthermore, the inlet-side communication path portion and the outlet-side communication path portion have a connection path provided in the separator, and the first reaction gas flow path has the connection path of the outlet-side communication path section connected to the inlet-side communication path. The third reaction gas flow path is set to have a larger cross-sectional area or shorter than the connection path of the passage part, and the connection path of the outlet side communication path part is more than the connection path of the inlet side communication path part. Is preferably set to have a small cross-sectional area or a long length.
本発明によれば、冷却媒体流路に隣接する低温側の第1反応ガス流路は、出口側連通路部の流路断面積が入口側連通路部の流路断面積よりも大きく設定されている。このため、出口側連通路部の圧損が小さくなり、低温側の第1反応ガス流路内で結露した生成水を良好且つ確実に排出することができる。 According to the present invention, the first reaction gas flow channel on the low temperature side adjacent to the cooling medium flow channel is set such that the flow passage cross-sectional area of the outlet side communication passage portion is larger than the flow passage cross-sectional area of the inlet side communication passage portion. ing. For this reason, the pressure loss of the outlet side communication passage portion is reduced, and the generated water condensed in the first reaction gas channel on the low temperature side can be discharged well and reliably.
一方、冷却媒体流路から離間する高温側の第3反応ガス流路は、出口側連通路部の流路断面積が入口側連通路部の流路断面積よりも小さく設定されている。従って、入口側連通路部の圧損が小さくなり、第3反応ガス流路と第1反応ガス流路とは、圧損が一定に維持され、ガス分配性が向上する。 On the other hand, the third reaction gas flow channel on the high temperature side that is separated from the cooling medium flow channel is set such that the flow channel cross-sectional area of the outlet-side communication channel portion is smaller than the flow channel cross-sectional area of the inlet-side communication channel portion. Therefore, the pressure loss of the inlet side communication passage portion is reduced, the pressure loss is maintained constant in the third reaction gas flow channel and the first reaction gas flow channel, and the gas distribution property is improved.
しかも、第3反応ガス流路の圧力は、第1反応ガス流路の圧力よりも高くなるとともに、前記第3反応ガス流路の温度は、前記第1反応ガス流路の温度よりも高くなる。すなわち、第3反応ガス流路では、温度が高くなって第1反応ガス流路よりも乾燥し易くなる一方、圧力が高くなって前記第1反応ガス流路よりも湿度が高くなり易い。これにより、第3反応ガス流路と第1反応ガス流路とは、湿度環境の差が抑制され、発電ユニットの発電効率が良好に向上するとともに、安定した発電を確実に行うことが可能になる。 In addition, the pressure of the third reaction gas channel is higher than the pressure of the first reaction gas channel, and the temperature of the third reaction gas channel is higher than the temperature of the first reaction gas channel. . That is, in the third reaction gas flow path, the temperature becomes higher and it becomes easier to dry than the first reaction gas flow path, while the pressure becomes higher and the humidity becomes higher than the first reaction gas flow path. As a result, the third reactive gas flow channel and the first reactive gas flow channel can suppress a difference in humidity environment, improve the power generation efficiency of the power generation unit satisfactorily, and reliably perform stable power generation. Become.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10を構成する発電ユニット12の要部分解斜視説明図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a
燃料電池スタック10は、図2及び図3に示すように、複数の発電ユニット12を水平方向(矢印A方向)に沿って互いに積層して構成される。発電ユニット12は、第1セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)16a、第2セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3セパレータ20を設ける。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
第1セパレータ14、第2セパレータ18及び第3セパレータ20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板により構成される。第1セパレータ14、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第1セパレータ14、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。
The
図1及び図2に示すように、第1電解質膜・電極構造体16aは、第2電解質膜・電極構造体16bよりも小さな表面積に設定される。第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16b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22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード側電極24及びカソード側電極26とを備える。アノード側電極24は、カソード側電極26よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型MEAを構成している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the first electrolyte membrane /
アノード側電極24及びカソード側電極26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22の両面に形成される。
The
図1に示すように、発電ユニット12の長辺方向の(矢印C方向)上端縁部には、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(反応ガス入口連通孔)30a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔(反応ガス入口連通孔)32aが設けられる。
As shown in FIG. 1, the upper end edge (in the direction of arrow C) in the long side direction of the
発電ユニット12の長辺方向の(矢印C方向)下端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔(反応ガス出口連通孔)32b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス出口連通孔)30bが設けられる。
A fuel gas outlet communication hole (reactive gas outlet communication hole) 32b that communicates with each other in the direction of arrow A and discharges fuel gas at the lower end edge in the long side direction (arrow C direction) of the
発電ユニット12の短辺方向(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、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34aが設けられるとともに、前記発電ユニット12の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34bが設けられる。
At one edge of the
第1セパレータ14の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14aには、例えば、矢印C方向に延在する複数の溝部を有する第1燃料ガス流路(第1反応ガス流路)36が設けられる。第1燃料ガス流路36と燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔32bとは、第1入口側連通路部38a及び第1出口側連通路部38bを介して連通する。
On the
図1及び図4に示すように、第1入口側連通路部38aは、面14aとは反対の面14bに設けられて燃料ガス入口連通孔32aに連通する複数の連結路40aと、第1セパレータ14を積層方向に貫通して前記連結路40a及び第1燃料ガス流路36に連通する複数の貫通孔42aとを有する。第1出口側連通路部38bは、同様に、面14bに設けられて燃料ガス出口連通孔32bに連通する複数の連結路40bと、第1セパレータ14を積層方向に貫通して前記連結路40b及び第1燃料ガス流路36に連通する複数の貫通孔42bとを有する。
As shown in FIGS. 1 and 4, the first inlet side
第1出口側連通路部38bの流路断面積は、第1入口側連通路部38aの流路断面積よりも大きく設定される。第1の実施形態では、第1出口側連通路部38bの貫通孔42bの開口径D1は、第1入口側連通路部38aの貫通孔42aの開口径D2よりも大径に設定される。第1出口側連通路部38bの連結路40bは、第1入口側連通路部38aの連結路40aよりも幅方向に大きな寸法に設定される。連結路40a、40bの幅寸法は、それぞれ貫通孔42a、42bの開口径D1、D2に対応して設定される。
The flow passage cross-sectional area of the first outlet side
第1セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路44の一部が形成される。
A part of the cooling
図1に示すように、第2セパレータ18の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第1酸化剤ガス流路(第2反応ガス流路)46が形成される。第1酸化剤ガス流路46は、矢印C方向に延在する複数の溝部を有する。
As shown in FIG. 1, the
第2セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、例えば、矢印C方向に延在する複数の溝部を有する第2燃料ガス流路(第3反応ガス流路)48が設けられる。第2燃料ガス流路48と燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔32bとは、第2入口側連通路部50a及び第2出口側連通路部50bを介して連通する。
On the
図1及び図5に示すように、第2入口側連通路部50aは、面18aに設けられて燃料ガス入口連通孔32aに連通する複数の連結路52aと、第2セパレータ18を積層方向に貫通して前記連結路52a及び第2燃料ガス流路48に連通する複数の貫通孔54aとを有する。第2出口側連通路部50bは、同様に、面18aに設けられて燃料ガス出口連通孔32bに連通する複数の連結路52bと、第2セパレータ18を積層方向に貫通して前記連結路52b及び第2燃料ガス流路48に連通する複数の貫通孔54bとを有する。
As shown in FIGS. 1 and 5, the second inlet side
第1燃料ガス流路36に対し、冷却媒体流路44から離間する高温側の第2燃料ガス流路48は、第2出口側連通路部50bの流路断面積が第2入口側連通路部50aの流路断面積よりも小さく設定される。
The second fuel
具体的には、第2出口側連通路部50bの貫通孔54bの開口径D4は、第2入口側連通路部50aの貫通孔54aの開口径D3よりも小径に設定される。第2出口側連通路部50bの連結路52bは、第2入口側連通路部50aの連結路52aよりも幅方向に小さな寸法に設定される。
Specifically, the opening diameter D4 of the through
図1に示すように、第3セパレータ20の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第2酸化剤ガス流路(第4反応ガス流路)56が形成される。第2酸化剤ガス流路56は、矢印C方向に延在する複数の溝部を有する。第3セパレータ20の面20bには、冷却媒体流路44の一部が形成される。
As shown in FIG. 1, the second oxidation that connects the oxidant gas
図1、図2及び図4に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材60が一体成形される。図1、図2及び図5に示すように、第2セパレータ18の面18a、18bには、この第2セパレータ18の外周端縁部を周回して第2シール部材62が一体成形されるとともに、第3セパレータ20の面20a、20bには、この第3セパレータ20の外周端縁部を周回して第3シール部材64が一体成形される(図1及び図2参照)。
As shown in FIGS. 1, 2, and 4, the
発電ユニット12同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット12を構成する第1セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3セパレータ20との間には、矢印B方向に延在する冷却媒体流路44が形成される(図1及び図3参照)。
When 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、酸化剤ガス入口連通孔30aに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32aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔34aに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30aから第2セパレータ18の第1酸化剤ガス流路46及び第3セパレータ20の第2酸化剤ガス流路56に導入される。この酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス流路46に沿って矢印C方向(重力方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのカソード側電極26に供給されるとともに、第2酸化剤ガス流路56に沿って矢印C方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード側電極26に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
一方、燃料ガスは、図2及び図4に示すように、燃料ガス入口連通孔32aから第1セパレータ14の第1入口側連通路部38aを構成する連結路40aに供給され、貫通孔42aを通って面14a側に移動する。このため、燃料ガスは、貫通孔42aに連通する第1燃料ガス流路36に沿って重力方向(矢印C方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのアノード側電極24に供給される。
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 4, the fuel gas is supplied from the fuel gas
また、燃料ガスは、図2及び図5に示すように、燃料ガス入口連通孔32aから第2セパレータ18の第2入口側連通路部50aを構成する連結路52aに供給され、貫通孔54aを通って面18b側に移動する。従って、燃料ガスは、貫通孔54aに連通する第2燃料ガス流路48に沿って重力方向(矢印C方向)に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのアノード側電極24に供給される。
Further, as shown in FIGS. 2 and 5, the fuel gas is supplied from the fuel gas
これにより、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bでは、カソード側電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極24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。
Thus, in the first and second electrolyte membrane /
次いで、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bの各カソード側電極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30b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 cathode-
第1電解質膜・電極構造体16aのアノード側電極24に供給されて消費された燃料ガスは、図4に示すように、第1出口側連通路部38bを構成する貫通孔42bを通って第1セパレータ14の面14b側に導出される。面14b側に導出された燃料ガスは、連結路40bを通って燃料ガス出口連通孔32bに排出される。
As shown in FIG. 4, the fuel gas supplied to and consumed by the anode-
また、第2電解質膜・電極構造体16bのアノード側電極24に供給されて消費された燃料ガスは、図5に示すように、第2出口側連通路部50bを構成する貫通孔54bを通って第2セパレータ18の面18a側に導出される。面18a側に導出された燃料ガスは、連結路52bを通って燃料ガス出口連通孔32bに排出される。
Further, as shown in FIG. 5, the fuel gas consumed by being supplied to the
一方、冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット12を構成する第1セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3セパレータ20との間に形成された冷却媒体流路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、第1及び第2電解質膜・電極構造体16a、16bを冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bに排出される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、第1の実施形態では、図3に示すように、第1燃料ガス流路36が、冷却媒体流路44に隣接する一方、第2燃料ガス流路48が、第1酸化剤ガス流路46に隣接し且つ前記冷却媒体流路44から離間している。これにより、第1燃料ガス流路36は、第2燃料ガス流路48よりも低温になり易く、生成水の排水性が低下する。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the first
そこで、図4に示すように、第1出口側連通路部38bの貫通孔42bは、第1入口側連通路部38aの貫通孔42aよりも大きな開口形状に設定されるとともに、前記第1出口側連通路部38bの連結路40bは、前記第1入口側連通路部38aの連結路40aよりも幅方向の寸法が大きく設定されている。このため、第1出口側連通路部38bの圧損は、第1入口側連通路部38aの圧損よりも小さく設定され、低温側の第1燃料ガス流路36内で結露した生成水を良好且つ確実に排出することができる。
Therefore, as shown in FIG. 4, the through
一方、冷却媒体流路44から離間する第2燃料ガス流路48は、図5に示すように、第2出口側連通路部50bの流路断面積が第2入口側連通路部50aの流路断面積よりも小さく設定されている。具体的には、第2出口側連通路部50bの貫通孔54bは、第2入口側連通路部50aの貫通孔54aよりも小さな開口形状に設定されるとともに、前記第2出口側連通路部50bの連結路52bは、前記第2入口側連通路部50aの連結路52aよりも幅方向の寸法が小さく設定されている。
On the other hand, as shown in FIG. 5, the second fuel
従って、第2燃料ガス流路48では、第2入口側連通路部50aの圧損が小さくなり、前記第2燃料ガス流路48と第1燃料ガス流路36とは圧損が一定に維持され、燃料ガスの分配性が低下することを阻止することができる。
Accordingly, in the second fuel
さらに、図6に示すように、冷却媒体流路44に隣接する第1燃料ガス流路36に比べて、前記冷却媒体流路44から離間する第2燃料ガス流路48の温度が高くなり、前記第2燃料ガス流路48は、比較的乾燥し易くなる。
Furthermore, as shown in FIG. 6, the temperature of the second
一方、図7に示すように、第1燃料ガス流路36は、入口側の圧損が大きくなるとともに、第2燃料ガス流路48は、出口側の圧損が大きくなっている。このため、第2燃料ガス流路48は、第1燃料ガス流路36に比べて高圧となり、湿度が高くなり易い。
On the other hand, as shown in FIG. 7, the first
これにより、図8に示すように、第1燃料ガス流路36と第2燃料ガス流路48とでは、温度と圧力とがバランスすることによって、それぞれの湿度環境の差が抑制される。従って、発電ユニット12の発電効率が良好に向上するとともに、安定した発電を確実に行うことが可能になるという効果が得られる。
As a result, as shown in FIG. 8, the temperature difference between the first
特に、第1の実施形態では、各発電ユニット12の発電時における第1燃料ガス流路36と第2燃料ガス流路48との湿度は、同等に維持される。このため、図9に示すように、冷却媒体流路44に隣接する第1燃料ガス流路36の流量は、発電しない状態では、第2燃料ガス流路48の流量よりも多くなるものの、前記発電ユニット12が発電した状態では、図10に示すように、低温側となる第1燃料ガス流路36と高温側となる第2燃料ガス流路48とに、均一な燃料ガスの分配が図られる。
In particular, in the first embodiment, the humidity of the first
なお、第1の実施形態では、第1燃料ガス流路36において、第1出口側連通路部38bの貫通孔42bは、第1入口側連通路部38aの貫通孔42aよりも大きな開口形状に設定されるとともに、前記第1出口側連通路部38bの連結路40bは、前記第1入口側連通路部38aの連結路40aよりも幅方向の寸法が大きく設定されているが、これに限定されるものではない。例えば、貫通孔42bの数を貫通孔42aの数よりも多数に設定することにより、第1出口側連通路部38bの流路断面積が第1入口側連通路部38aの流路断面積よりも大きく設定することができる。また、第2燃料ガス流路48においても、同様である。
In the first embodiment, in the first fuel
図11は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック70を構成する発電ユニット72の要部分解斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 11 is an exploded perspective view of a main part of the
発電ユニット72は、第1セパレータ74、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)76a、第2セパレータ78、第2電解質膜・電極構造体76b及び第3セパレータ80を設ける。
The
図11及び図12に示すように、第1セパレータ74の面14a側には、第1燃料ガス流路36が設けられるとともに、前記第1燃料ガス流路36と燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔32bとは、第1入口側連通路部82a及び第1出口側連通路部82bを介して連通する。第1入口側連通路部82aは、面14aに設けられる複数の連結路84aを有し、第1出口側連通路部82bは、前記面14aに設けられる複数の連結路84bを有する。連結路84a、84bは、第1シール部材60と一体成形される突起部間に形成される。
As shown in FIGS. 11 and 12, a first
第1出口側連通路部82bの連結路84bの幅寸法h1は、第1入口側連通路部82aの連結路84aの幅寸法h2よりも幅広に設定される。すなわち、第1出口側連通路部82bの流路断面積は、第1入口側連通路部82aの流路断面積よりも大きく設定される。
The width dimension h1 of the
図11及び図13に示すように、第2セパレータ78の面18b側には、第2燃料ガス流路48が設けられるとともに、前記第2燃料ガス流路48と燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔32bとは、第2入口側連通路部86a及び第2出口側連通路部86bを介して連通する。第2入口側連通路部86aは、面18bに設けられる複数の連結路88aを有する一方、第2出口側連通路部86bは、前記面18bに設けられる複数の連結路88bを有する。連結路88a、88bは、第2シール部材62と一体成形される突起部間に形成される。
As shown in FIGS. 11 and 13, a second
第2出口側連通路部86bの連結路88bの幅寸法h2は、第2入口側連通路部86aの連結路88aの幅寸法h1よりも幅狭に設定される。すなわち、第2出口側連通路部86bの流路断面積は、第2入口側連通路部86aの流路断面積よりも小さく設定される。
The width dimension h2 of the
このように構成される第2の実施形態では、冷却媒体流路44に隣接する低温側の第1燃料ガス流路36は、第1出口側連通路部82bの流路断面積が第1入口側連通路部82aの流路断面積よりも大きく設定されている。このため、第1出口側連通路部82bの圧損が小さくなり、低温側の第1燃料ガス流路36内で結露した生成水を良好且つ確実に排出することができる。
In the second embodiment configured as described above, the low temperature side first fuel
一方、冷却媒体流路44から離間する高温側の第2燃料ガス流路48は、第2出口側連通路部86bの流路断面積が第2入口側連通路部86aの流路断面積よりも小さく設定されている(図13参照)。従って、第1燃料ガス流路36と第2燃料ガス流路48とは、圧損が一定に維持され、ガス分配性が向上する等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
On the other hand, the second fuel
なお、第2の実施形態では、第1出口側連通路部82bの連結路84bの幅寸法を第1入口側連通路部82aの連結路84aの幅寸法よりも大きく設定しているが、これに限定されるものではない。例えば、第1出口側連通路部82bの連結路84bは、第1入口側連通路部82aの連結路84aよりも深さ方向に大きな寸法に設定されてもよく、あるいは、大きな断面積且つ短尺に設定されていてもよい。同様に、第2出口側連通路部86bの連結路88bは、第2入口側連通路部86aの連結路88aよりも深さ方向に小さな寸法に設定してもよく、あるいは、小さな断面積又は長尺に設定してもよい。
In the second embodiment, the width dimension of the
10、70…燃料電池スタック 12、72…発電ユニット
14、18、20、74、78、80…セパレータ
16a、16b、76a、76b…電解質膜・電極構造体
22…固体高分子電解質膜 24…アノード側電極
26…カソード側電極 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…燃料ガス入口連通孔
32b…燃料ガス出口連通孔 34a…冷却媒体入口連通孔
34b…冷却媒体出口連通孔 36、48…燃料ガス流路
38a、38b、50a、50b、82a、82b、86a、86b…連通路部
40a、40b、52a、52b、84a、84b、88a、88b…連結路
42a、42b、54a、54b…貫通孔
44…冷却媒体流路 46、56…酸化剤ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記第1〜第4反応ガス流路と各反応ガス入口連通孔とを連通する入口側連通路部と、
前記第1〜第4反応ガス流路と各反応ガス出口連通孔とを連通する出口側連通路部と、
を備え、
前記第1及び第3反応ガス流路と、前記第2及び第4反応ガス流路とは、それぞれ同一の反応ガスを流すとともに、
少なくとも前記冷却媒体流路に隣接する前記第1反応ガス流路は、前記出口側連通路部の流路断面積が前記入口側連通路部の流路断面積よりも大きく設定される一方、
前記第1反応ガス流路に対し前記冷却媒体流路から離間する前記第3反応ガス流路は、前記出口側連通路部の流路断面積が前記入口側連通路部の流路断面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 A power generation unit having two electrolyte / electrode structures in which electrodes are arranged on both sides of each electrolyte, and three separators stacked alternately with the electrolyte / electrode structures; The first to fourth reaction gas flow paths for flowing a predetermined reaction gas along the power generation surface, and the reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole for flowing the reaction gas in the stacking direction are formed, A fuel cell stack in which a cooling medium flow path for flowing a cooling medium is formed between the power generation units,
An inlet-side communication passage portion that communicates the first to fourth reaction gas flow paths and the reaction gas inlet communication holes;
An outlet-side communication passage portion that communicates the first to fourth reaction gas flow paths and the reaction gas outlet communication holes;
With
The first and third reaction gas passages and the second and fourth reaction gas passages flow the same reaction gas, respectively.
At least the first reaction gas flow channel adjacent to the cooling medium flow channel is set such that the flow channel cross-sectional area of the outlet-side communication channel portion is larger than the flow channel cross-sectional area of the inlet-side communication channel portion,
The third reactive gas flow channel that is separated from the cooling medium flow channel with respect to the first reactive gas flow channel has a flow channel cross-sectional area of the outlet side communication channel portion that is greater than a flow channel cross sectional area of the inlet side communication channel portion. The fuel cell stack is characterized by being set to a small size.
前記第1反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記孔部が、前記入口側連通路部の前記孔部よりも大きな開口形状に設定される一方、
前記第3反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記孔部が、前記入口側連通路部の前記孔部よりも小さな開口形状に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the inlet-side communication path portion and the outlet-side communication path portion have a hole portion that penetrates the separator,
In the first reactive gas flow path, the hole portion of the outlet side communication passage portion is set to have a larger opening shape than the hole portion of the inlet side communication passage portion,
The fuel cell stack, wherein the third reactive gas flow path is configured such that the hole portion of the outlet side communication passage portion is smaller than the hole portion of the inlet side communication passage portion.
前記第1反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも少なくとも幅方向又は深さ方向に大きな寸法に設定される一方、
前記第3反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも少なくとも幅方向又は深さ方向に小さな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein the inlet-side communication path portion and the outlet-side communication path portion have a connection path provided in the separator,
The first reaction gas flow path is configured such that the connection path of the outlet side communication path portion is set to a size that is at least larger in the width direction or the depth direction than the connection path of the inlet side communication path section.
The third reactive gas flow path is configured such that the connection path of the outlet side communication path portion is set to a size that is at least smaller in the width direction or depth direction than the connection path of the inlet side communication path portion. And fuel cell stack.
前記第1反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも大きな断面積又は短尺に設定される一方、
前記第3反応ガス流路は、前記出口側連通路部の前記連結路が、前記入口側連通路部の前記連結路よりも小さな断面積又は長尺に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein the inlet-side communication path portion and the outlet-side communication path portion have a connection path provided in the separator,
In the first reaction gas flow path, the connection path of the outlet side communication path portion is set to have a larger cross-sectional area or shorter than the connection path of the inlet side communication path section,
The fuel cell, wherein the third reaction gas flow path is configured such that the connection path of the outlet side communication path is smaller in cross-sectional area or longer than the connection path of the inlet side communication path. stack.
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