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JP5395521B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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JP5395521B2 JP2009135996A JP2009135996A JP5395521B2 JP 5395521 B2 JP5395521 B2 JP 5395521B2 JP 2009135996 A JP2009135996 A JP 2009135996A JP 2009135996 A JP2009135996 A JP 2009135996A JP 5395521 B2 JP5395521 B2 JP 5395521B2
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Description

本発明は、複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向両端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔とが、上下に位置して設けられる燃料電池スタックに関する。   The present invention provides a reaction gas in which a plurality of power generation cells are stacked in a horizontal direction, end plates are disposed at both ends in the stacking direction, and at least a reaction gas that is a fuel gas or an oxidant gas is supplied along the stacking direction. The present invention relates to a fuel cell stack in which a supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole for discharging the reaction gas are provided to be positioned vertically.

燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス)をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。   A fuel cell supplies a fuel gas (mainly hydrogen-containing gas) and an oxidant gas (mainly oxygen-containing gas) to the anode-side electrode and the cathode-side electrode and causes them to react electrochemically. It is a system that obtains electrical energy.

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設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に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) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. Has a cell. This power generation cell is normally used as a fuel cell stack by alternately laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.

この種の燃料電池では、水素ガス等の燃料ガスの有効利用を図るため、一部が使用されて前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、燃料ガスとしてアノード側電極に、再度、供給することが行われている。ところが、燃料オフガス中には、燃料電池の発電反応により生成される水が含まれており、温度低下によって水蒸気が凝縮して水滴が発生し易い。この水滴が燃料電池内に導入されると、前記燃料電池の発電性能を安定的に維持することが困難になるという問題がある。   In this type of fuel cell, in order to effectively use fuel gas such as hydrogen gas, the fuel off-gas that is partially used and discharged from the fuel cell is supplied again to the anode electrode as fuel gas. Has been done. However, the fuel off-gas contains water generated by the power generation reaction of the fuel cell, and water vapor is easily condensed due to a decrease in temperature, and water droplets are easily generated. When the water droplets are introduced into the fuel cell, there is a problem that it is difficult to stably maintain the power generation performance of the fuel cell.

一方、電解質膜は、所望のプロトン伝導性を発揮させるために、加湿する必要がある。従って、燃料電池に供給される反応ガス(酸化剤ガス及び燃料ガス)は、予め加湿されており、加湿された反応ガスが前記燃料電池に投入される前に、反応ガス経路に結露が惹起するおそれがある。このため、生成された凝縮水が燃料電池内に導入される場合がある。   On the other hand, the electrolyte membrane needs to be humidified in order to exhibit desired proton conductivity. Accordingly, the reaction gas (oxidant gas and fuel gas) supplied to the fuel cell is pre-humidified, and condensation occurs in the reaction gas path before the humidified reaction gas is introduced into the fuel cell. There is a fear. For this reason, the produced | generated condensed water may be introduce | transduced in a fuel cell.

そこで、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知られている。この燃料電池スタックは、図9に示すように、複数のセル1が積層されるとともに、前記セル1の積層体両端には、インシュレータ2a、2b及び端板3a、3bが配設されている。   Therefore, for example, a fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 is known. In the fuel cell stack, as shown in FIG. 9, a plurality of cells 1 are stacked, and insulators 2a and 2b and end plates 3a and 3b are disposed at both ends of the stacked body of cells 1.

燃料電池スタック内には、酸化剤ガス供給マニホールド4と酸化剤ガス排出マニホールド5とが、積層方向に貫通して形成されている。この酸化剤ガス供給マニホールド4の出口には、酸化剤ドレイン排出配管6が接続されている。   In the fuel cell stack, an oxidant gas supply manifold 4 and an oxidant gas discharge manifold 5 are formed penetrating in the stacking direction. An oxidant drain discharge pipe 6 is connected to the outlet of the oxidant gas supply manifold 4.

酸化剤ドレイン排出配管6には、酸化剤ガス供給マニホールド4を流通する酸化剤ガス及び滞留水が導入され、図示しない水回収タンクに配設されている。このため、酸化剤ガス供給マニホールド4内の凝縮水量が減少し、セル1に凝縮水が混入することが抑制される、としている。   The oxidant drain discharge pipe 6 is introduced with oxidant gas and stagnant water flowing through the oxidant gas supply manifold 4 and is disposed in a water recovery tank (not shown). For this reason, the amount of condensed water in the oxidant gas supply manifold 4 is reduced, and mixing of condensed water into the cell 1 is suppressed.

特開2008−270159号公報JP 2008-270159 A

上記の特許文献1では、複数のセル1が水平方向に積層された状態で、端板3a、3b間に締め付け荷重が付与されて、燃料電池スタックが構成されている。このため、燃料電池スタックでは、特に、積層方向中間側のセル1が最下位置に移動するように撓み易い(図9中、二点鎖線参照)。従って、酸化剤ガス供給マニホールド4では、積層方向中間部位の高さが、重力方向に対して最も低くなる一方、端板3a、3b側の高さ位置が最も高くなり、全体として湾曲形状になり易い。   In the above-mentioned Patent Document 1, a tightening load is applied between the end plates 3a and 3b in a state where a plurality of cells 1 are stacked in the horizontal direction, thereby forming a fuel cell stack. For this reason, in the fuel cell stack, in particular, the cell 1 on the intermediate side in the stacking direction is easily bent so as to move to the lowest position (see a two-dot chain line in FIG. 9). Accordingly, in the oxidant gas supply manifold 4, the height of the intermediate portion in the stacking direction is the lowest with respect to the direction of gravity, while the height position on the end plates 3a and 3b side is the highest, resulting in a curved shape as a whole. easy.

これにより、積層方向中間部位に配置されているセル1では、酸化剤ガス供給マニホールド4に凝縮水が滞留し易く、酸化剤ドレイン排出配管6に前記凝縮水が押し出されず、該凝縮水がセル1内に導入されるという問題がある。   Thereby, in the cell 1 arranged at the intermediate portion in the stacking direction, the condensed water tends to stay in the oxidant gas supply manifold 4, and the condensed water is not pushed out to the oxidant drain discharge pipe 6. There is a problem of being introduced in.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の撓みを利用して、良好な排水処理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 solves this type of problem, and provides a fuel cell stack capable of reliably performing good wastewater treatment with a simple configuration and utilizing the deflection of the entire fuel cell stack. Objective.

本発明は、複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向両端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔とが、上下に位置して設けられる燃料電池スタックに関するものである。   The present invention provides a reaction gas in which a plurality of power generation cells are stacked in a horizontal direction, end plates are disposed at both ends in the stacking direction, and at least a reaction gas that is a fuel gas or an oxidant gas is supplied along the stacking direction. The present invention relates to a fuel cell stack in which a supply communication hole and a reaction gas discharge communication hole for discharging the reaction gas are provided in a vertical position.

この燃料電池スタックは、発電セルの積層方向中間部位のみに配置される排水部材を備え、前記排水部材は、反応ガス供給連通孔に供給される反応ガスに含まれる水分を、重力方向に沿って排出させるドレイン流路を設けている。 The fuel cell stack includes a drainage member disposed only at an intermediate portion in the stacking direction of the power generation cells, and the drainage member allows moisture contained in the reaction gas supplied to the reaction gas supply communication hole to flow along the gravity direction. A drain channel for discharging is provided.

また、排水部材は、上部側に反応ガス供給連通孔に連通する上部開口部を設け、下部側に反応ガス排出連通孔に連通する下部開口部を設けるとともに、少なくとも一方の面には、前記上部開口部と前記下部開口部とを連通する前記ドレイン流路が設けられることが好ましい。   The drainage member is provided with an upper opening that communicates with the reaction gas supply communication hole on the upper side, a lower opening that communicates with the reaction gas discharge communication hole on the lower side, and at least one surface includes the upper portion It is preferable that the drain channel that communicates the opening and the lower opening is provided.

さらに、排水部材は、上部側に反応ガス供給連通孔である酸化剤ガス入口連通孔に連通する上部開口部であるカソード側上部開口部、及び前記反応ガス供給連通孔である燃料ガス入口連通孔に連通する前記上部開口部であるアノード側上部開口部を設け、下部側に反応ガス排出連通孔である酸化剤ガス出口連通孔に連通する下部開口部であるカソード側下部開口部、及び前記反応ガス排出連通孔である燃料ガス出口連通孔に連通する前記下部開口部であるアノード側下部開口部を設け、前記排水部材の一方の面には、前記カソード側上部開口部と前記カソード側下部開口部とに連通する前記ドレイン流路であるカソード側ドレイン流路が形成され、前記排水部材の他方の面には、前記アノード側上部開口部と前記アノード側下部開口部とに連通する前記ドレイン流路であるアノード側ドレイン流路が形成されることが好ましい。   Furthermore, the drainage member has a cathode side upper opening which is an upper opening communicating with an oxidant gas inlet communication hole which is a reaction gas supply communication hole on the upper side, and a fuel gas inlet communication hole which is the reaction gas supply communication hole. A cathode-side lower opening that is a lower opening that communicates with an oxidant gas outlet communication hole that is a reaction gas discharge communication hole on the lower side, and the reaction An anode-side lower opening that is the lower opening communicating with the fuel gas outlet communication hole that is a gas discharge communication hole is provided, and the cathode-side upper opening and the cathode-side lower opening are provided on one surface of the drainage member. A cathode-side drain channel, which is the drain channel communicating with a portion, is formed, and the other surface of the drainage member communicates with the anode-side upper opening and the anode-side lower opening. The anode drain passage said a drain flow path is formed preferably.

さらにまた、この燃料電池スタックは、下部開口部には、反応ガス排出連通孔よりも下方に位置して排水口が設けられることが好ましい。   Furthermore, in this fuel cell stack, it is preferable that a drain opening is provided in the lower opening portion below the reaction gas discharge communication hole.

また、この燃料電池スタックは、排水部材と一方のエンドプレートとの間には、複数の発電セルが積層された第1発電セル群が設けられる一方、前記排水部材と他方のエンドプレートとの間には、複数の前記発電セルが積層された第2発電セル群が設けられ、前記排水部材には、前記第1発電セル群の反応ガス供給連通孔及び前記第2発電セル群の反応ガス供給連通孔から水分が供給されることが好ましい。   In the fuel cell stack, a first power generation cell group in which a plurality of power generation cells are stacked is provided between the drainage member and the one end plate, while the drainage member and the other end plate are disposed between the drainage member and the other end plate. Includes a second power generation cell group in which a plurality of the power generation cells are stacked, and the drainage member includes a reaction gas supply communication hole of the first power generation cell group and a reaction gas supply of the second power generation cell group. It is preferable that moisture is supplied from the communication hole.

本発明では、発電セルの積層方向中間部位、すなわち、燃料電池スタックの下方に湾曲し易い部位に、排水部材が配置されている。このため、反応ガス供給連通孔に供給される反応ガス中の水分は、この反応ガス供給連通孔の傾斜に沿って排水部材側に円滑に移動し、前記排水部材に設けられているドレイン流路に沿って重力方向に良好に排出される。   In the present invention, the drainage member is disposed at an intermediate portion in the stacking direction of the power generation cells, that is, at a portion that is easily bent downward of the fuel cell stack. Therefore, moisture in the reaction gas supplied to the reaction gas supply communication hole smoothly moves to the drainage member side along the inclination of the reaction gas supply communication hole, and the drain flow path provided in the drainage member Along the direction of gravity.

これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の撓みを利用して、良好な排水処理を確実に行うことが可能になる。   As a result, it is possible to reliably perform good wastewater treatment with a simple configuration, utilizing the deflection of the entire fuel cell stack.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの図1中、II−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of FIG. 1 of the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。2 is an exploded perspective view of a fuel cell constituting the fuel cell stack. FIG. 前記燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する排水部材の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the drainage member which comprises the said fuel cell stack. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell stack which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記燃料電池スタックの、図6中、VII−VII線断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line VII-VII in FIG. 6. 前記燃料電池スタックを構成する排水部材の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the drainage member which comprises the said fuel cell stack. 特許文献1の燃料電池スタックの説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell stack of Patent Document 1. FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の燃料電池(発電セル)12が矢印A方向(水平方向)に積層される。燃料電池12の積層方向一端には、第1ターミナルプレート14a、第1絶縁プレート16a及び第1エンドプレート18aが積層される一方、積層方向他端には、第2ターミナルプレート14b、第2絶縁プレート16b及び第2エンドプレート18bが積層される。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention, a plurality of fuel cells (power generation cells) 12 are stacked in the arrow A direction (horizontal direction). The first terminal plate 14a, the first insulating plate 16a and the first end plate 18a are stacked at one end in the stacking direction of the fuel cell 12, while the second terminal plate 14b and the second insulating plate are stacked at the other end in the stacking direction. 16b and the second end plate 18b are stacked.

図3に示すように、燃料電池12は、電解質膜・電極構造体20が、第1及び第2セパレータ22、24に挟持される。第1及び第2セパレータ22、24は、カーボンセパレータで構成されているが、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータにより構成してもよい。第1セパレータ22、電解質膜・電極構造体20及び第2セパレータ24は、互いに図示しないシール部材を介装して積層される。   As shown in FIG. 3, in the fuel cell 12, the electrolyte membrane / electrode structure 20 is sandwiched between the first and second separators 22 and 24. Although the 1st and 2nd separators 22 and 24 are comprised by the carbon separator, you may comprise by metal separators, such as a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, or a plating treatment steel plate, for example. The first separator 22, the electrolyte membrane / electrode structure 20, and the second separator 24 are stacked with a seal member (not shown) interposed therebetween.

燃料電池12の矢印C方向(図3中、鉛直方向)の一端縁部(上端縁部)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、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26a、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28aが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。   One end edge (upper edge) of the fuel cell 12 in the direction of arrow C (vertical direction in FIG. 3) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and an oxidant gas such as an oxygen-containing gas An oxidant gas inlet communication hole 26a for supplying and a fuel gas inlet communication hole 28a for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in an arrow B direction (horizontal direction).

酸化剤ガス入口連通孔26aを構成する底面27は、外方に向かって下方に傾斜するとともに、前記底面27の最下部には、凹部27aが設けられる。燃料ガス入口連通孔28aを構成する底面29は、外方に向かって下方に傾斜するとともに、前記底面29の最下部には、凹部29aが設けられる。   A bottom surface 27 constituting the oxidant gas inlet communication hole 26a is inclined downward and outward, and a concave portion 27a is provided at the bottom of the bottom surface 27. A bottom surface 29 constituting the fuel gas inlet communication hole 28 a is inclined downward and outward, and a recess 29 a is provided at the bottom of the bottom surface 29.

燃料電池12の矢印C方向の他端縁部(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28b、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26bが、矢印B方向に配列して設けられる。   The other end edge (lower end edge) of the fuel cell 12 in the direction of arrow C communicates with each other in the direction of arrow A to discharge the fuel gas outlet communication hole 28b for discharging the fuel gas and the oxidant gas. For this purpose, the oxidant gas outlet communication holes 26b are arranged in the arrow B direction.

燃料電池12の矢印B方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための複数、例えば、2つの冷却媒体入口連通孔30a、及び前記冷却媒体を排出するための2つの冷却媒体出口連通孔30bが設けられる。   A plurality of, for example, two cooling medium inlet communication holes 30a for supplying a cooling medium and two cooling medium outlet communication holes for discharging the cooling medium are provided at both ends of the fuel cell 12 in the arrow B direction. 30b is provided.

第1セパレータ22の電解質膜・電極構造体20に向かう面22aには、酸化剤ガス入口連通孔26aと酸化剤ガス出口連通孔26bとに連通する酸化剤ガス流路32が設けられる。   An oxidant gas flow path 32 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 26a and the oxidant gas outlet communication hole 26b is provided on the surface 22a of the first separator 22 facing the electrolyte membrane / electrode structure 20.

第2セパレータ24の電解質膜・電極構造体20に向かう面24aには、燃料ガス入口連通孔28aと燃料ガス出口連通孔28bとに連通する燃料ガス流路34が設けられる。   A fuel gas passage 34 communicating with the fuel gas inlet communication hole 28a and the fuel gas outlet communication hole 28b is provided on the surface 24a of the second separator 24 facing the electrolyte membrane / electrode structure 20.

互いに隣接する燃料電池12を構成する第1セパレータ22の面22bと、第2セパレータ24の面24bとの間には、冷却媒体入口連通孔30aと冷却媒体出口連通孔30bとを連通する冷却媒体流路36が設けられる。   A cooling medium that connects the cooling medium inlet communication hole 30a and the cooling medium outlet communication hole 30b between the surface 22b of the first separator 22 and the surface 24b of the second separator 24 that constitute the fuel cells 12 adjacent to each other. A flow path 36 is provided.

電解質膜・電極構造体20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38と、前記固体高分子電解質膜38を挟持するカソード側電極40及びアノード側電極42とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 20 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 38 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side electrode 40 and an anode side electrode 42 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 38. With.

カソード側電極40及びアノード側電極42は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜38の両面に形成されている。   The cathode side electrode 40 and the anode side electrode 42 are formed by uniformly applying a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. An electrode catalyst layer. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 38.

図1、図2及び図4に示すように、燃料電池スタック10は、燃料電池12の積層方向中間部位に配置される排水部材44を備える。   As shown in FIGS. 1, 2, and 4, the fuel cell stack 10 includes a drainage member 44 disposed at an intermediate portion in the stacking direction of the fuel cell 12.

燃料電池スタック10は、排水部材44と第1エンドプレート18aとの間に、複数の燃料電池12が積層された第1発電セル群12aが設けられる一方、前記排水部材44と第2エンドプレート18bとの間に、複数の燃料電池12が積層された第2発電セル群12bが設けられる。   The fuel cell stack 10 includes a first power generation cell group 12a in which a plurality of fuel cells 12 are stacked between a drainage member 44 and a first end plate 18a, while the drainage member 44 and the second end plate 18b. Between the two, a second power generation cell group 12b in which a plurality of fuel cells 12 are stacked is provided.

排水部材44は、例えば、カーボンプレートにより構成される。図4及び図5に示すように、排水部材44は、上部側に酸化剤ガス入口連通孔26aに連通するカソード側上部開口部(上部開口部)46aと、燃料ガス入口連通孔28aに連通するアノード側上部開口部(上部開口部)48aとを設ける。   The drainage member 44 is made of, for example, a carbon plate. As shown in FIGS. 4 and 5, the drainage member 44 communicates with the cathode side upper opening (upper opening) 46a communicating with the oxidant gas inlet communication hole 26a on the upper side and the fuel gas inlet communication hole 28a. An anode side upper opening (upper opening) 48a is provided.

カソード側上部開口部46aは、酸化剤ガス入口連通孔26a及び凹部27aを周回する形状に設定される。アノード側上部開口部48aは、燃料ガス入口連通孔28a及び凹部29aを周回する形状に設定される。   The cathode side upper opening 46a is set in a shape that goes around the oxidant gas inlet communication hole 26a and the recess 27a. The anode-side upper opening 48a is set in a shape that goes around the fuel gas inlet communication hole 28a and the recess 29a.

排水部材44は、下部側に酸化剤ガス出口連通孔26bに連通するカソード側下部開口部(下部開口部)46bと、燃料ガス出口連通孔28bに連通するアノード側下部開口部(下部開口部)48bとを備える。   The drainage member 44 has a cathode side lower opening (lower opening) 46b communicating with the oxidant gas outlet communication hole 26b on the lower side and an anode side lower opening (lower opening) communicating with the fuel gas outlet communication hole 28b. 48b.

排水部材44の一方の面44aには、カソード側上部開口部46aとカソード側下部開口部46bとを連通し、重力方向に向かって傾斜する複数本のカソード側ドレイン流路(ドレイン流路)50が形成される。排水部材44の他方の面44bには、アノード側上部開口部48aとアノード側下部開口部48bとを連通し、重力方向に向かって傾斜する複数本のアノード側ドレイン流路(ドレイン流路)52が形成される。   A plurality of cathode-side drain passages (drain passages) 50 that communicate with the cathode-side upper opening 46a and the cathode-side lower opening 46b on one surface 44a of the drainage member 44 and are inclined in the direction of gravity. Is formed. The other surface 44b of the drainage member 44 communicates with the anode-side upper opening 48a and the anode-side lower opening 48b, and a plurality of anode-side drain channels (drain channels) 52 that incline toward the direction of gravity. Is formed.

図1に示すように、第1エンドプレート18aには、酸化剤ガス入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、酸化剤ガス出口連通孔26b及び燃料ガス出口連通孔28bが形成される。第2エンドプレート18bには、図示しないが、冷却媒体入口連通孔30a及び冷却媒体出口連通孔30bが形成される。   As shown in FIG. 1, the oxidant gas inlet communication hole 26a, the fuel gas inlet communication hole 28a, the oxidant gas outlet communication hole 26b, and the fuel gas outlet communication hole 28b are formed in the first end plate 18a. Although not shown, the second end plate 18b is formed with a cooling medium inlet communication hole 30a and a cooling medium outlet communication hole 30b.

第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとは、複数本、例えば、4本のタイロッド54を介して積層方向に締め付け保持されることにより、燃料電池スタック10が形成される。   The first end plate 18 a and the second end plate 18 b are clamped and held in the stacking direction via a plurality of, for example, four tie rods 54, thereby forming the fuel cell stack 10.

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 fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

先ず、図3に示すように、酸化剤ガス入口連通孔26a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28a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30a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. 3, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 26a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 28a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 30a.

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔26aから第1セパレータ22の酸化剤ガス流路32に導入される。酸化剤ガスは、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体20を構成するカソード側電極40に供給される。   Therefore, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 32 of the first separator 22 from the oxidant gas inlet communication hole 26a. The oxidant gas is supplied to the cathode side electrode 40 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 20 while moving in the arrow C direction.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔28aから第2セパレータ24の燃料ガス流路34に導入される。この燃料ガスは、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体20を構成するアノード側電極42に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 34 of the second separator 24 from the fuel gas inlet communication hole 28a. The fuel gas is supplied to the anode side electrode 42 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 20 while moving in the arrow C direction.

従って、電解質膜・電極構造体20では、カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極42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、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 20, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 40 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 42 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.

次いで、カソード側電極40に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔26bに沿って矢印A方向に排出される。一方、アノード側電極42に供給されて一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔28bに沿って矢印A方向に排出される。なお、一部が消費された燃料ガスは、図示しないが、リターン流路からエゼクタに吸引されて燃料電池スタック10に供給される。   Next, the oxidant gas that is supplied to the cathode side electrode 40 and partially consumed is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 26b. On the other hand, the fuel gas partially consumed by being supplied to the anode side electrode 42 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 28b. Although not shown, the partially consumed fuel gas is sucked into the ejector from the return flow path and supplied to the fuel cell stack 10.

また、各冷却媒体入口連通孔30aに供給された冷却媒体は、第1及び第2セパレータ22、24間の冷却媒体流路36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20を冷却した後、各冷却媒体出口連通孔30bから排出される。   The cooling medium supplied to each cooling medium inlet communication hole 30a is introduced into the cooling medium flow path 36 between the first and second separators 22 and 24 and then flows in the direction of arrow B. The cooling medium is discharged from each cooling medium outlet communication hole 30b after the electrolyte membrane / electrode structure 20 is cooled.

この場合、燃料電池スタック10は、複数の燃料電池12が水平方向(矢印A方向)に積層されるとともに、積層方向両端に配置される第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとが、タイロッド54により締め付け保持されている。従って、燃料電池スタック10は、図2に示すように、積層方向中間部位が下方向に移動するように撓み易い。   In this case, the fuel cell stack 10 includes a plurality of fuel cells 12 stacked in the horizontal direction (arrow A direction), and the first end plate 18a and the second end plate 18b disposed at both ends in the stacking direction are tie rods. Fastened and held by 54. Therefore, as shown in FIG. 2, the fuel cell stack 10 is easily bent such that the intermediate portion in the stacking direction moves downward.

そこで、第1の実施形態では、燃料電池スタック10の積層方向中間部位に、排水部材44が配置されている。このため、例えば、燃料ガス入口連通孔28aが燃料電池スタック10の撓みによって最下位置となる積層方向中間部位には、排水部材44のアノード側上部開口部48aが配置されている。   Therefore, in the first embodiment, the drainage member 44 is disposed at an intermediate portion in the stacking direction of the fuel cell stack 10. For this reason, for example, the anode-side upper opening 48 a of the drainage member 44 is disposed at the intermediate portion in the stacking direction where the fuel gas inlet communication hole 28 a is at the lowest position due to the deflection of the fuel cell stack 10.

これにより、燃料ガス入口連通孔28aに導入された凝縮水は、この燃料ガス入口連通孔28aの傾斜に沿って、すなわち、第1発電セル群12aから排水部材44側に、並びに、第2発電セル群12bから前記排水部材44側に、それぞれ移動する。   As a result, the condensed water introduced into the fuel gas inlet communication hole 28a follows the inclination of the fuel gas inlet communication hole 28a, that is, from the first power generation cell group 12a to the drainage member 44 side, and the second power generation. The cell group 12b moves to the drainage member 44 side.

燃料ガス入口連通孔28aの傾斜に沿って、矢印A方向両側から排水部材44に向かって移動した凝縮水は、互いに連通する凹部29aから前記排水部材44のアノード側上部開口部48aに導入される。   Condensed water that has moved from both sides in the direction of arrow A toward the drainage member 44 along the inclination of the fuel gas inlet communication hole 28a is introduced into the anode-side upper opening 48a of the drainage member 44 from the recesses 29a that communicate with each other. .

アノード側上部開口部48aには、アノード側ドレイン流路52の上部側が連通している。従って、アノード側上部開口部48aに導入された凝縮水は、アノード側ドレイン流路52に沿って重力方向に移動した後、アノード側下部開口部48bに流動する。アノード側下部開口部48bは、燃料ガス出口連通孔28bに連通している。このため、凝縮水は、燃料ガス出口連通孔28bから第1エンドプレート18a側に向かう排出燃料ガスとともに、前記第1エンドプレート18a側に排出される。   The upper side of the anode-side drain channel 52 communicates with the anode-side upper opening 48a. Accordingly, the condensed water introduced into the anode-side upper opening 48a moves in the direction of gravity along the anode-side drain channel 52 and then flows into the anode-side lower opening 48b. The anode side lower opening 48b communicates with the fuel gas outlet communication hole 28b. For this reason, the condensed water is discharged to the first end plate 18a together with the discharged fuel gas from the fuel gas outlet communication hole 28b toward the first end plate 18a.

上記のように、燃料電池スタック10内の燃料ガス入口連通孔28aに、燃料ガスに伴って導入された凝縮水は、前記燃料ガス入口連通孔28aを形成する底面29の傾斜に沿って凹部29aに移動し、さらに前記凹部29aを伝って排水部材44側に容易且つ円滑に移動する。そして、凝縮水は、排水部材44のアノード側上部開口部48aから複数本のアノード側ドレイン流路52に沿って重力方向に排出されている。   As described above, the condensed water introduced along with the fuel gas into the fuel gas inlet communication hole 28a in the fuel cell stack 10 is recessed along the slope of the bottom surface 29 that forms the fuel gas inlet communication hole 28a. And further easily and smoothly move to the drainage member 44 side through the recess 29a. The condensed water is discharged from the anode-side upper opening 48 a of the drainage member 44 in the gravity direction along the plurality of anode-side drain channels 52.

これにより、第1の実施形態では、簡単な構成で、燃料電池スタック10全体の撓みを利用して、良好な排水処理を確実に行うことが可能になるという効果が得られる。   Thereby, in 1st Embodiment, the effect that it becomes possible to perform favorable waste_water | drain processing reliably with a simple structure using the bending of the whole fuel cell stack 10 is acquired.

一方、酸化剤ガス入口連通孔26aに、酸化剤ガスに伴って凝縮水が導入されると、この凝縮水は、前記酸化剤ガス入口連通孔26aの底面27の傾斜に沿って凹部27aに移動する。さらに、凝縮水は、凹部27a同士の連通形状に沿って排水部材44側に容易且つ確実に移動し、前記排水部材44のカソード側上部開口部46aから複数本のカソード側ドレイン流路50に沿って重力方向に排出されている。従って、簡単な構成で、燃料電池スタック10全体の撓みを利用して、良好な排水処理を確実に行うことができる。   On the other hand, when condensed water is introduced into the oxidant gas inlet communication hole 26a along with the oxidant gas, the condensed water moves to the recess 27a along the inclination of the bottom surface 27 of the oxidant gas inlet communication hole 26a. To do. Further, the condensed water easily and surely moves along the communication shape of the recesses 27 a toward the drainage member 44, and extends along the plurality of cathode-side drain channels 50 from the cathode-side upper opening 46 a of the drainage member 44. Are discharged in the direction of gravity. Therefore, it is possible to reliably perform a good wastewater treatment with a simple configuration by utilizing the deflection of the entire fuel cell stack 10.

図6は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック60の要部分解斜視説明図である。   FIG. 6 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell stack 60 according to the second embodiment of the present invention.

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。   The same components as those of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池スタック60は、複数の燃料電池12の積層方向中間部位、すなわち、燃料電池スタック60の下方に湾曲し易い部位に、排水部材62を配置している。排水部材62は、酸化剤ガス出口連通孔26bに連通し、且つ前記酸化剤ガス出口連通孔26bよりも下方に開口するカソード側下部開口部46b1と、燃料ガス出口連通孔28bに連通し、且つ前記燃料ガス出口連通孔28bよりも下方に開口するアノード側下部開口部48b1とを設ける(図7及び図8参照)。   In the fuel cell stack 60, the drainage member 62 is disposed in an intermediate portion in the stacking direction of the plurality of fuel cells 12, that is, a portion that is easily bent downward of the fuel cell stack 60. The drainage member 62 communicates with the oxidant gas outlet communication hole 26b, communicates with the cathode side lower opening 46b1 that opens below the oxidant gas outlet communication hole 26b, the fuel gas outlet communication hole 28b, and An anode-side lower opening 48b1 that opens below the fuel gas outlet communication hole 28b is provided (see FIGS. 7 and 8).

面44aには、カソード側下部開口部46b1に連通する複数のカソード側排水口64が形成され、前記カソード側排水口64は、カソード側ドレイン配管66を介して燃料電池スタック60の外部に連通する。このカソード側ドレイン配管66には、図示しないが、必要に応じて開閉弁等が設けられており、排水処理が自動的に行われている。   A plurality of cathode side drain ports 64 communicating with the cathode side lower opening 46b1 are formed on the surface 44a, and the cathode side drain ports 64 communicate with the outside of the fuel cell stack 60 via the cathode side drain pipe 66. . Although not shown, the cathode-side drain pipe 66 is provided with an on-off valve or the like as necessary, and wastewater treatment is automatically performed.

排水部材62の面44bには、アノード側下部開口部48b1に連通する複数のアノード側排水口68が形成される。このアノード側排水口68には、アノード側ドレイン配管70が接続され、前記アノード側ドレイン配管70は、燃料電池スタック60の外部に配設される。   A plurality of anode-side drain ports 68 communicating with the anode-side lower opening 48b1 are formed on the surface 44b of the drainage member 62. An anode side drain pipe 70 is connected to the anode side drain port 68, and the anode side drain pipe 70 is disposed outside the fuel cell stack 60.

このように構成される第2の実施形態では、排水部材62の下部側に、酸化剤ガス出口連通孔26bよりも下方に開口するカソード側下部開口部46b1と、燃料ガス出口連通孔28bよりも下方に開口するアノード側下部開口部48b1とが設けられている。   In the second embodiment configured as described above, the lower side of the drainage member 62 has a cathode-side lower opening 46b1 that opens below the oxidant gas outlet communication hole 26b and a fuel gas outlet communication hole 28b. An anode-side lower opening 48b1 that opens downward is provided.

従って、酸化剤ガス出口連通孔26bの傾斜に沿って排水部材62に流入した凝縮水、及び燃料ガス出口連通孔28bの傾斜に沿って前記排水部材62に流入した凝縮水は、下方に開口するカソード側下部開口部46b1及びアノード側下部開口部48b1に確実に貯留される。   Accordingly, the condensed water flowing into the drainage member 62 along the inclination of the oxidant gas outlet communication hole 26b and the condensed water flowing into the drainage member 62 along the inclination of the fuel gas outlet communication hole 28b open downward. It is reliably stored in the cathode side lower opening 46b1 and the anode side lower opening 48b1.

さらに、カソード側下部開口部46b1及びアノード側下部開口部48b1に滞留する凝縮水は、カソード側排水口64及びアノード側排水口68からそれぞれカソード側ドレイン配管66及びアノード側ドレイン配管70を介して外部に排出されている。このため、排水部材62には、凝縮水が必要以上に滞留することがなく、凝縮水の排水性が一層向上するという利点が得られる他、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   Further, the condensed water staying in the cathode side lower opening 46b1 and the anode side lower opening 48b1 is externally supplied from the cathode side drain port 64 and the anode side drain port 68 through the cathode side drain pipe 66 and the anode side drain pipe 70, respectively. Have been discharged. For this reason, in the drainage member 62, the condensed water does not stay more than necessary, and the drainage performance of the condensed water is further improved. In addition, the same effect as in the first embodiment is obtained. It is done.

10、60…燃料電池スタック 12…燃料電池
12a、12b…発電セル群 14a、14b…ターミナルプレート
16a、16b…絶縁プレート 18a、18b…エンドプレート
20…電解質膜・電極構造体 22、24…セパレータ
26a…酸化剤ガス入口連通孔 26b…酸化剤ガス出口連通孔
27、29…底面 27a、29a…凹部
28a…燃料ガス入口連通孔 28b…燃料ガス出口連通孔
30a…冷却媒体入口連通孔 30b…冷却媒体出口連通孔
32…酸化剤ガス流路 34…燃料ガス流路
36…冷却媒体流路 38…固体高分子電解質膜
40…カソード側電極 42…アノード側電極
44、62…排水部材 46a…カソード側上部開口部
46b、46b1…カソード側下部開口部
48a…アノード側上部開口部
48b、48b1…アノード側下部開口部
50…カソード側ドレイン流路 52…アノード側ドレイン流路
54…タイロッド 64…カソード側排水口
66…カソード側ドレイン配管 68…アノード側排水口
70…アノード側ドレイン配管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 60 ... Fuel cell stack 12 ... Fuel cell 12a, 12b ... Power generation cell group 14a, 14b ... Terminal plate 16a, 16b ... Insulating plate 18a, 18b ... End plate 20 ... Electrolyte membrane electrode assembly 22, 24 ... Separator 26a ... Oxidant gas inlet communication hole 26b ... Oxidant gas outlet communication holes 27, 29 ... Bottom surface 27a, 29a ... Recess 28a ... Fuel gas inlet communication hole 28b ... Fuel gas outlet communication hole 30a ... Cooling medium inlet communication hole 30b ... Cooling medium Outlet communication hole 32 ... oxidant gas flow path 34 ... fuel gas flow path 36 ... cooling medium flow path 38 ... solid polymer electrolyte membrane 40 ... cathode side electrode 42 ... anode side electrodes 44, 62 ... drainage member 46a ... upper cathode side Openings 46b, 46b1 ... Cathode-side lower opening 48a ... Anode-side upper openings 48b, 48b1 ... A Over de side lower opening 50 ... cathode-side drain passage 52 ... anode drain channel 54 ... tie rod 64 ... cathode side drain port 66 ... cathode-side drain pipe 68 ... anode drain opening 70 ... anode drain pipe

Claims (6)

複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向両端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔とが、上下に位置して設けられる燃料電池スタックであって、
前記発電セルの積層方向中間部位のみに配置される排水部材を備え、
前記排水部材は、前記反応ガス供給連通孔に供給される前記反応ガスに含まれる水分を、重力方向に沿って排出させるドレイン流路を設けることを特徴とする燃料電池スタック。
A plurality of power generation cells are stacked in a horizontal direction, end plates are disposed at both ends in the stacking direction, and a reaction gas supply communication hole that supplies at least a reaction gas that is a fuel gas or an oxidant gas along the stacking direction; The reaction gas discharge communication hole for discharging the reaction gas is a fuel cell stack provided at the top and bottom,
A drainage member disposed only in the intermediate part of the power generation cell in the stacking direction
The fuel cell stack, wherein the drainage member is provided with a drain flow path for discharging moisture contained in the reaction gas supplied to the reaction gas supply communication hole along the direction of gravity.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記排水部材は、上部側に前記反応ガス供給連通孔に連通する上部開口部を設け、
下部側に前記反応ガス排出連通孔に連通する下部開口部を設けるとともに、
少なくとも一方の面には、前記上部開口部と前記下部開口部とを連通する前記ドレイン流路が設けら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 drainage member is provided with an upper opening communicating with the reaction gas supply communication hole on an upper side,
While providing a lower opening that communicates with the reactive gas discharge communication hole on the lower side,
The fuel cell stack, wherein the drain channel that communicates the upper opening and the lower opening is provided on at least one surface.
請求項2記載の燃料電池スタックにおいて、前記排水部材は、上部側に前記反応ガス供給連通孔である酸化剤ガス入口連通孔に連通する前記上部開口部であるカソード側上部開口部、及び前記反応ガス供給連通孔である燃料ガス入口連通孔に連通する前記上部開口部であるアノード側上部開口部を設け、
下部側に前記反応ガス排出連通孔である酸化剤ガス出口連通孔に連通する前記下部開口部であるカソード側下部開口部、及び前記反応ガス排出連通孔である燃料ガス出口連通孔に連通する前記下部開口部であるアノード側下部開口部を設け、
前記排水部材の一方の面には、前記カソード側上部開口部と前記カソード側下部開口部とに連通する前記ドレイン流路であるカソード側ドレイン流路が形成され、
前記排水部材の他方の面には、前記アノード側上部開口部と前記アノード側下部開口部とに連通する前記ドレイン流路であるアノード側ドレイン流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. The fuel cell stack according to claim 2, wherein the drainage member has a cathode-side upper opening that is the upper opening that communicates with the oxidant gas inlet communication hole that is the reaction gas supply communication hole on the upper side, and the reaction. An anode-side upper opening that is the upper opening that communicates with the fuel gas inlet communication hole that is a gas supply communication hole;
The cathode side lower opening that is the lower opening communicating with the oxidant gas outlet communication hole that is the reaction gas discharge communication hole on the lower side, and the fuel gas outlet communication hole that is the reaction gas discharge communication hole Provide the anode side lower opening that is the lower opening,
On one surface of the drainage member, a cathode-side drain channel that is the drain channel communicating with the cathode-side upper opening and the cathode-side lower opening is formed,
A fuel cell stack, characterized in that an anode side drain channel, which is the drain channel communicating with the anode side upper opening and the anode side lower opening, is formed on the other surface of the drainage member. .
請求項2又は3記載の燃料電池スタックにおいて、前記下部開口部には、前記反応ガス排出連通孔よりも下方に位置して排水口が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。   4. The fuel cell stack according to claim 2 or 3, wherein the lower opening is provided with a drain outlet located below the reaction gas discharge communication hole. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記排水部材と一方の前記エンドプレートとの間には、複数の前記発電セルが積層された第1発電セル群が設けられる一方、
前記排水部材と他方の前記エンドプレートとの間には、複数の前記発電セルが積層された第2発電セル群が設けられ、
前記排水部材には、前記第1発電セル群の前記反応ガス供給連通孔及び前記第2発電セル群の前記反応ガス供給連通孔から水分が供給されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a first power generation cell group in which a plurality of the power generation cells are stacked is provided between the drainage member and one of the end plates. on the other hand,
Between the drainage member and the other end plate, a second power generation cell group in which a plurality of the power generation cells are stacked is provided,
The fuel cell stack is characterized in that moisture is supplied to the drainage member from the reaction gas supply communication hole of the first power generation cell group and the reaction gas supply communication hole of the second power generation cell group.
複数の発電セルが水平方向に積層され、積層方向両端部にエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給連通孔と、前記反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔とが、上下に位置して設けられる燃料電池スタックであって、A plurality of power generation cells are stacked in a horizontal direction, end plates are disposed at both ends in the stacking direction, and a reaction gas supply communication hole that supplies at least a reaction gas that is a fuel gas or an oxidant gas along the stacking direction; The reaction gas discharge communication hole for discharging the reaction gas is a fuel cell stack provided at the top and bottom,
前記発電セルの積層方向中間部位に配置される排水部材を備え、A drainage member disposed at an intermediate portion in the stacking direction of the power generation cell,
前記排水部材は、上部側に前記反応ガス供給連通孔に連通する上部開口部を設け、The drainage member is provided with an upper opening communicating with the reaction gas supply communication hole on the upper side,
下部側に前記反応ガス排出連通孔に連通する下部開口部を設け、且つ、前記下部開口部には、前記反応ガス排出連通孔よりも下方に位置して排水口が設けられるとともに、A lower opening communicating with the reaction gas discharge communication hole is provided on the lower side, and the lower opening is provided with a drain port located below the reaction gas discharge communication hole,
少なくとも一方の面には、前記上部開口部と前記下部開口部とを連通し、前記反応ガス供給連通孔に供給される前記反応ガスに含まれる水分を、重力方向に沿って排出させるドレイン流路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。At least one surface communicates the upper opening and the lower opening, and drains the moisture contained in the reaction gas supplied to the reaction gas supply communication hole along the direction of gravity. A fuel cell stack.
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