JP6739970B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、燃料電池スタックに関する。 Embodiments of the present invention relate to a fuel cell stack.
燃料電池システムは、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との結合エネルギーを直接電気に変換する。このため、発電効率が高く、環境性に優れた発電システムである。この燃料電池システムは、一般に燃料電池スタックと、改質器と、制御部と、その他装置とを備えて構成されている。この燃料電池スタックには、燃料電池セルが複数積層されて構成される。改質器からは、水素を含む燃料ガスが作りだされ、燃料電池スタックに供給される。また、燃料電池システム内の各装置は、制御部により制御され、燃料電池スタックの発電で生成される電気、水、および熱は外部に取り出される。燃料電池スタックでは、改質器で作り出された水素を含む燃料ガスが燃料電池セルの燃料極に供給され、空気が燃料電池セルの酸化剤極に供給されて、電気化学反応により発電する。高分子電解質形燃料電池は、この燃料電池セルの電解質としてプロトン伝導性を有する高分子電解質膜が用いられた燃料電池である。 A fuel cell system directly converts the binding energy of hydrogen in fuel gas and oxygen in air into electricity. Therefore, the power generation system has high power generation efficiency and is excellent in environment. This fuel cell system generally includes a fuel cell stack, a reformer, a control unit, and other devices. This fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cell units. Fuel gas containing hydrogen is produced from the reformer and supplied to the fuel cell stack. Further, each device in the fuel cell system is controlled by the control unit, and electricity, water, and heat generated by power generation of the fuel cell stack are taken out to the outside. In the fuel cell stack, the fuel gas containing hydrogen produced in the reformer is supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and the air is supplied to the oxidant electrode of the fuel cell to generate electricity by an electrochemical reaction. The polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell in which a polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used as an electrolyte of the fuel cell.
高分子電解質形燃料電池の燃料電池スタックは、高分子電解質膜の両面を燃料極および酸化剤極で挟んで構成される燃料電池セルと、燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび空気を供給するためのガス流路が形成されたセパレータとを、交互に複数積層して構成されている。この燃料電池スタックには、燃料ガス入口マニホールド、燃料ガス出口マニホールド、空気入口マニホールド、および空気出口マニホールドが配置されている。燃料電池システムから供給された燃料ガスおよび空気は、それぞれ燃料ガス入口マニホールドと空気入口マニホールドに導入され、マニホールドに連通したガス流路を通して各セルへと供給される。燃料電池セルにおける反応生成水が蒸発した蒸気と、反応に使われなかったガスは、ガス流路から連通する燃料ガス出口マニホールドおよび空気出口マニホールドへと排出される。 A fuel cell stack of a polymer electrolyte fuel cell supplies a fuel cell formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane on both sides with a fuel electrode and an oxidant electrode, and supplying a fuel gas and air to the fuel electrode and the oxidant electrode. And a separator in which a gas flow path for forming the gas flow path is alternately laminated. A fuel gas inlet manifold, a fuel gas outlet manifold, an air inlet manifold, and an air outlet manifold are arranged in this fuel cell stack. The fuel gas and the air supplied from the fuel cell system are introduced into the fuel gas inlet manifold and the air inlet manifold, respectively, and are supplied to each cell through a gas flow path communicating with the manifold. The vapor generated by the reaction product water in the fuel cell and the gas not used in the reaction are discharged to the fuel gas outlet manifold and the air outlet manifold that communicate with each other from the gas flow path.
高分子電解質膜のプロトン抵抗は、含水率に反比例する。すなわち、抵抗を小さくし、発電性能を高くするためには、高分子電解質膜を加湿して、含水率を高くする必要がある。この高分子電解質膜を加湿する方法として、燃料ガスあるいは空気中に蒸気を供給する外部加湿方式と、セパレータを介して液体で水を供給する内部加湿方式とが知られている。 The proton resistance of the polymer electrolyte membrane is inversely proportional to the water content. That is, in order to reduce the resistance and enhance the power generation performance, it is necessary to humidify the polymer electrolyte membrane to increase the water content. As a method of humidifying the polymer electrolyte membrane, an external humidification method of supplying vapor into fuel gas or air and an internal humidification method of supplying water as a liquid through a separator are known.
また、燃料電池セルの温度を適切な範囲内に維持するために、燃料電池反応での発熱を冷却する必要がある。発電で得られる電気とともに、反応熱も利用するコージェネレーションシステムでは、冷却水を流して燃料電池スタックが冷却され、その冷却水から回収した熱が温水として利用される。この冷却水を流すための水流路はガス流路を有するセパレータの背面に形成され、水流路面を内側にして2枚のセパレータを貼り合せて使用される。 Further, in order to maintain the temperature of the fuel cell within an appropriate range, it is necessary to cool the heat generated in the fuel cell reaction. In a cogeneration system that uses reaction heat as well as electricity obtained by power generation, cooling water is flowed to cool the fuel cell stack, and heat recovered from the cooling water is used as hot water. The water flow path for flowing the cooling water is formed on the back surface of the separator having the gas flow path, and the two flow path separators are used with the water flow path surface inside.
さらにまた、セパレータとして微細孔を有する導電性多孔質板を使用し、各セルに水流路を設けることにより、導電性多孔質板を介して水を燃料電池セルに供給して加湿するとともに、セパレータ表面からの水の蒸発潜熱により冷却する潜熱冷却方法が知られている。この潜熱冷却方法は、燃料ガスと空気の圧力を冷却水の圧力よりも高くすることで、生成水や凝縮した水分を導電性多孔質板により除去するとともに、燃料電池セルの反応面全面での加湿と冷却を実現するものである。 Furthermore, using a conductive porous plate having fine pores as a separator, by providing a water flow path in each cell, water is supplied to the fuel cell through the conductive porous plate to humidify the separator, There is known a latent heat cooling method of cooling by the latent heat of vaporization of water from the surface. In this latent heat cooling method, the pressure of the fuel gas and the air is made higher than the pressure of the cooling water to remove the generated water and condensed water by the conductive porous plate, and at the same time, the entire reaction surface of the fuel cell is removed. It realizes humidification and cooling.
この導電性多孔質板の側面から冷却水を供給する燃料電池スタックが特許文献2に報告されている。上述の水流路を全セルに導入する燃料電池スタックでは、1セルにつきセパレータが2枚必要となり、コスト高になる。これに対して、セパレータ側面から冷却水を供給すれば、水流路は必要無いため、セパレータのコストを削減することが可能である。 Patent Document 2 reports a fuel cell stack that supplies cooling water from the side surface of the conductive porous plate. In the fuel cell stack in which the above-mentioned water flow path is introduced into all cells, two separators are required for each cell, which increases the cost. On the other hand, if cooling water is supplied from the side surface of the separator, the cost of the separator can be reduced because the water flow path is not necessary.
導電性多孔質板の側面から冷却水を供給する燃料電池スタックでは、冷却水は、まず燃料電池スタックの長方形のセパレータの長辺に接する面に配置される冷却水マニホールドに導入される。セパレータの側面から燃料電池セルに供給される水以外の冷却水は、燃料電池スタックの両端のエンドプレートに形成される流路を通り、対面に配置される冷却水出口マニホールドから燃料電池スタック外に排出される。 In the fuel cell stack that supplies cooling water from the side surface of the conductive porous plate, the cooling water is first introduced into the cooling water manifold arranged on the surface in contact with the long side of the rectangular separator of the fuel cell stack. Cooling water other than the water supplied to the fuel cell from the side surface of the separator passes through the flow passages formed in the end plates at both ends of the fuel cell stack, and goes out of the fuel cell stack from the cooling water outlet manifolds that are arranged facing each other. Is discharged.
しかしながら、エンドプレートに水流路を形成する構造は複雑であり、加工が難しいという課題があった。更に、燃料電池スタックの両端に近いセルの冷却はできるものの、中央のセルでは除熱が不十分で、中央のセルと両端に近いセルに温度差が生じる課題があった。 However, there is a problem that the structure for forming the water flow path in the end plate is complicated and difficult to process. Further, although cells near both ends of the fuel cell stack can be cooled, heat removal is insufficient in the central cell, and there is a problem that a temperature difference occurs between the central cell and cells near both ends.
本発明が解決しようとする課題は、より効率的に冷却可能な燃料電池スタックを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell stack that can be cooled more efficiently.
本実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池セルと、多孔質材で構成されたセパレータとが、交互に複数積層された積層体であって、前記セパレータの少なくとも一つは、当該積層体の積層方向に沿った第1側面から当該第1側面の反対側の側面である第2側面に貫通するN箇所の水流路群、ただしNは2以上の整数、が形成されたセパレータである、積層体と、(N+1)個の冷却水マニホールドと、を備える。 The fuel cell stack according to the present embodiment is a laminated body in which a plurality of fuel cells and separators made of a porous material are alternately laminated, and at least one of the separators is the laminated body. A water flow channel group at N locations penetrating from a first side surface along the stacking direction to a second side surface opposite to the first side surface, where N is an integer of 2 or more, and is a separator. A body and (N+1) cooling water manifolds.
本発明によれば、燃料電池スタックをより効率的に冷却できる。 According to the present invention, the fuel cell stack can be cooled more efficiently.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施形態)
第1実施形態に係る燃料電池スタックは、水流路が形成された第2セパレータを用いて積層体を構成することにより、水流路を介してより効率的な燃料電池スタックの冷却を可能にしようとしたものである。
(First embodiment)
In the fuel cell stack according to the first embodiment, it is possible to achieve more efficient cooling of the fuel cell stack through the water flow passage by forming the laminated body using the second separator in which the water flow passage is formed. It was done.
第1実施形態に係る燃料電池スタック1の構成を説明する。図1は、燃料電池スタック1の外観を示す模式図である。第1実施形態に係る燃料電池スタック1は、燃料電池セルにおける電気化学反応により発電する装置である。すなわち、この燃料電池スタック1は、積層体10と、第1の冷却水マニホールド12と、第2の冷却水マニホールド14と、第3の冷却水マニホールド16と、第4の冷却水マニホールド18と、第5の冷却水マニホールド20と、第6の冷却水マニホールド22と、第1の燃料ガスマニホールド24と、第2の燃料ガスマニホールド26と、第1の空気マニホールド28と、第2の空気マニホールド30とを、備えて構成されている。ここでは、マニホールドを分かり易く表示するために、積層体10との間に隙間を開けて例示しているが、実機ではマニホールドを積層体10に接するように取り付けて使用する。以後の説明ではX、Y、Zで示す座標系を参照して説明する場合がある。なお、ここでは、Z軸方向は水平方向と一致し、Y軸方向は鉛直方向と一致している。
The configuration of the
積層体10は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気の電気化学反応により発電する。この積層体10には、燃料電池スタック1の積層方向、すなわちZ軸に沿った第1側面10aと、第1側面10aの反対側の第2側面10bと、の間を貫通する複数の水流路が形成されている。積層体10は一対の締付板11に挟まれ、タイロッドあるいはバンド(図には記載されていない)によって、積層方向に荷重をかけて締め付けられる。
The stacked
冷却水マニホールド12、14、16、18、20、22は、第1側面10aと第2側面10bとに設けられ、積層体10を加湿するとともに冷却するために用いる冷却水を供給し排出する。また、これらの冷却水マニホールド10、12、14、16、18、20、22は、積層体10内に形成された水流路を介して冷却水を供給するとともに排出する。すなわち、点線の矢印で示すように、第1の冷却水マニホールド12に冷却水入口122から導入された冷却水は、冷却水マニホールド12、14、16、18、20、22と積層体10内の水流路とを交互に通って、第6の冷却水マニホールド22の冷却水出口222から排出される。
The cooling water manifolds 12, 14, 16, 18, 20, 22 are provided on the
第1の燃料ガスマニホールド24は、水素を含む燃料ガスの入口である燃料ガス入口242が形成され、燃料電池スタック1の積層方向、すなわちZ軸に沿った第3側面10cに配置されている。すなわち、この第1の燃料ガスマニホールド24は、燃料ガス入口242から供給された水素を含む燃料ガスを積層体10に供給する。
The first
第2の燃料ガスマニホールド26は、燃料ガス出口262が形成され、第3側面10cの反対側の側面である第4側面10dに配置されている。すなわち、この第2の燃料ガスマニホールド26は、積層体10内の電気化学反応によって消費されなかったガスを燃料ガス出口262から排出する。
The
第1の空気ガスマニホールド28は、酸化剤ガス入口282が形成され、第4側面10dに配置されている。すなわち、この第1の空気ガスマニホールド28は、酸化剤ガス入口282から供給された空気を積層体10に供給する。
The first
第2の空気ガスマニホールド30は、空気ガス出口302が形成され、第3側面10cに配置されている。すなわち、この第2の空気ガスマニホールド30は、電気化学反応によって消費されなかった空気を空気ガス出口302から排出する。
The second
次に、積層体10の積層構造について説明する。図2は、積層体10の積層構造を示す模式図である。ここでは、積層体10のXZ平面、すなわち図1を参照すると積層体10の第3側面10Cを示している。図2に示すように、積層体10は、燃料電池セル102と、多孔質材で構成されたセパレータ104、106とが、交互に複数積層されて構成されている。燃料電池セル102は、供給された燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により電気化学反応によって電気、水、および熱を生成する。
Next, the laminated structure of the
第1セパレータ104は、多孔質材で形成されている。この多孔質材の細孔に満たされた冷却水が蒸発することで、燃料電池セル102が加湿されるとともに冷却される。この多孔質材は、例えば導電性多孔質材である。
The
第2セパレータ106は、多孔質材で形成されている。この多孔質材の細孔に満たされた冷却水が蒸発することで、燃料電池セル102が加湿されるとともに冷却される。この多孔質材は、例えば導電性多孔質材である。また、第2セパレータ106には、複数の水流路が形成されている。これにより、冷却水を複数の水流路に流すことで、第2セパレータ106を介して積層体10が冷却される。このため、第2セパレータ106は、第1セパレータ104だけでは、除熱が不十分で、加熱が生じ得る積層体10内の位置に配置される。
The
なお、ここでの燃料電池セル102およびセパレータ104、106はそれぞれ方形状である。また、燃料電池セルの主面102aおよび主面102bはXY平面である。同様に第1セパレータ104の主面104aおよび主面104bはXY平面であり、第2セパレータ106の主面106aおよび主面106bはXY平面である。
The
次に、燃料電池セル102の構成を説明する。図3は、燃料電池セル102の断面図を示す図である。この燃料電池セル102は、高分子電解質膜102cと、酸化剤極102dと、燃料極102eと、を備えて構成されている。この高分子電解質膜102cは、例えばプロトン伝導性を有する高分子電解質膜である。
Next, the configuration of the
酸化剤極102dは、高分子電解質膜102cの一方の面に形成されている。酸化剤極102dには、酸素を含む酸化剤ガスとしての空気が供給される。この酸化剤極102dは、電気化学反応を行う触媒層102fと、ガス拡散層102gとによって形成されている。
The
燃料極102eは、高分子電解質膜102cの他方の面に形成されている。燃料極102eには、水素を含む燃料ガスが供給される。この燃料極102eは、電気化学反応を行う触媒層102hと、ガス拡散層102iとによって形成されている。このように、燃料電池セル102は、高分子電解質膜の一方の主面102aに酸化剤極102dを他方の主面102bに燃料極102eを有して構成されているのである。
The fuel electrode 102e is formed on the other surface of the polymer electrolyte membrane 102c. Fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode 102e. The fuel electrode 102e is formed of a
次に、第1セパレータ104の構成を説明する。図4は、第1セパレータ104の側面を示す模式図である。第1セパレータ104の一方の面には、燃料ガス流通路1040aが形成されている。また、第1セパレータ104の他方の面には、酸化剤ガス流通路1040bが形成されている。
Next, the configuration of the
冷却水は、積層体10の第1側面10aおよび第2側面10b(図1)と直接接触する。そして、点線の矢印で示すように、側面から供給された冷却水が多孔質材の微細孔を介して高分子電解質膜102cを加湿するとともに、第1セパレータ104の両方の主面104a、104bからの水の蒸発潜熱により冷却する。また、燃料ガスと空気の圧力は、冷却水の圧力よりも高くされている。これにより、生成水や凝縮した水分を導電性多孔質材により除去するとともに、積層体10の反応面全面での加湿と冷却を実現するのである。
The cooling water directly contacts the
次に、第2セパレータ106の構成を説明する。図5は、第2セパレータ106の側面および第2部材1064の一方の面に形成された水流路を示す模式図である。第2セパレータ106は、第1部材1062と第2部材1064とを張り合わせて構成されている。
Next, the configuration of the
第1部材1062は、酸化剤ガス流通路1060bを形成している。すなわち、第1部材1062の一方の面は平面であり、他方の面には、酸化剤ガス流通路1060bが形成されている。
The
第2部材1064は、複数の水流路108、110、112、114、116と、燃料ガス流通路1060aとを形成している。すなわち、第2部材1064の一方の面には、複数の水流路108、110、112、114、116が形成され、他方の面には、燃料ガス流通路1060aが形成されている。
The
このように、第2セパレータ106は、第1部材1062と第2部材1064とを張り合わせることで、一方の主面106aに燃料ガス流通路1060aが形成され、他方の主面106bに酸化剤ガス流通路1060bが形成され、主面間に複数の水流路108、110、112、114、116が形成される。すなわち、X軸と平行に5本の直線状の水流路108、110、112、114、116が第2セパレータ106に形成される。このように、第1水流路108の上方、すなわち鉛直上方に第2水流路110、更にその上方に第3水流路112が形成されている。更に第3水流路112の上方に、第4水流路114、および第5水流路116が順に形成されている。
As described above, in the
また、点線の矢印で示すように、側面から供給された冷却水が多孔質材の微細孔を介して高分子電解質膜102cを加湿するとともに、第2セパレータ106の両方の主面106a、106bからの水の蒸発潜熱により冷却する。さらにまた、冷却水は、実線の矢印で示すように、水流路の一方の流路口から供給され、他方の流路口から排出される。これにより、第2セパレータ106は、蒸発潜熱により冷却されるとともに、冷却水により直接冷却されるのである。なお、複数の水流路108、110、112、114、116からも冷却水は第2セパレータ106の多孔質材に供給される。このことから分かるように、第2セパレータ106の冷却能力は、第1セパレータ104の冷却能力よりも高いのである。
Further, as shown by a dotted arrow, the cooling water supplied from the side surfaces humidifies the polymer electrolyte membrane 102c through the fine pores of the porous material, and from both
上述のように、第2セパレータ106は、冷却をより強く行う必要がある領域に配置されている。さらにまた、第2セパレータ106の複数の水流路108、110、112、114、116は、冷却水を供給し排水する流路を形成する。これから分かるように、複数の水流路108、110、112、114、116を形成した第2セパレータ106を積層体10に積層することで、積層体10の外に水流路を形成しなくてもよいのである。これにより、積層体10の構造を直方体に形成できるとともに、積層体に対する冷却能力も調整できるのである。また、複数の水流路108、110、112、114、116を直線状に形成したため、冷却水に対する抵抗をより低減させるとともに、ガス或いは空気が水流路に溜まることが抑制されるのである。
As described above, the
さらにまた、第1セパレータ104の冷却で足りる箇所には、第2セパレータ106を配置しないため、第2セパレータ106の使用枚数をより低減させることも可能である。第2セパレータ106は、第1部材1062と第2部材1064とを張り合わせて構成されている。このため、加工が容易である。このように、外部流水路が不要であるとともに、製造工程をより単純化可能である。なお、本実施形態では、燃料ガス流通路1040a、1060aがガス通路に対応し、酸化剤ガス流通路1040b、1060bが空気通路に対応する。
Furthermore, since the
次に図5を参照にしつつ図1に基づいて冷却水マニホールドの詳細について説明する。ここでは、第n水流路は、第nの冷却水マニホールドから第(n+1)の冷却水マニホールドに冷却水を流すように形成されている。 Next, the details of the cooling water manifold will be described based on FIG. 1 with reference to FIG. Here, the nth water flow passage is formed so as to flow the cooling water from the nth cooling water manifold to the (n+1)th cooling water manifold.
すなわち、第1の冷却水マニホールド12は、蓄積方向に沿った積層体10の第1側面10aにおける複数のセパレータ104、106それぞれの少なくとも一部の領域と、第2セパレータ106の第1水流路108における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第1の冷却水マニホールド12は、冷却水入口122から導入された冷却水を積層体10および第1水流路108における一方の流路口に供給する。
That is, in the first
第2の冷却水マニホールド14は、第1側面10aの反対側の側面である第2側面10bにおける複数のセパレータ104、106それぞれの少なくとも一部の領域と、第1水流路108における他方の流路口と、第2水流路110における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第2の冷却水マニホールド14は、第1水流路108を介して供給された冷却水を積層体10および第2水流路110における一方の流路口に供給する。
The second
第3の冷却水マニホールド16は、第1側面10aにおける複数のセパレータ104、106それぞれの少なくとも一部の領域と、第2水流路110における他方の流路口と、第3水流路112における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第3の冷却水マニホールド16は、第2水流路110を介して供給された冷却水を積層体10および第3水流路112における一方の流路口に供給する。
The third
第4の冷却水マニホールド18は、第2側面10bにおける複数のセパレータ104、106それぞれの少なくとも一部の領域と、第3水流路112における他方の流路口と、第4水流路114における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第4の冷却水マニホールド18は、第3水流路112を介して供給された冷却水を積層体10および第4水流路114における一方の流路口に供給する。
The fourth
第5の冷却水マニホールド20は、第1側面10aにおける複数のセパレータ104、106それぞれの少なくとも一部の領域と、第4水流路114における他方の流路口と、第5水流路116における一方の流路口と、を覆っている。これにより、この第5の冷却水マニホールド20は、第4水流路114を介して供給された冷却水を積層体10および第5水流路116における一方の流路口に供給する。
The fifth
第6の冷却水マニホールド22は、第2側面10bにおける複数のセパレータ104、106それぞれの少なくとも一部の領域と、第5水流路116における他方の流路口と、を覆っている。これにより、第6の冷却水マニホールド22は、第5水流路116を介して供給された冷却水を積層体10に供給し、冷却水出口222を介して導出する。
The sixth
このように、第1側面10aの反対側の側面である第2側面10bに貫通するN箇所の水流路群、ただしNは2以上の整数、がセパレータ106に形成されている。この場合、(N+1)個の冷却水マニホールドが積層体10の側面10a、10bに配置されている。そして、(N+1)個の冷却水マニホールドのそれぞれは順に冷却水が供給され、n(nは、1からNまでの整数)番目の冷却水マニホールドに導入された冷却水は、セパレータ106の有する下からn番目の水流路群を通って(n+1)番目の冷却水マニホールドに導入され、(N+1)番目の冷却水マニホールドから燃料電池スタック1の外へと供給される。例えばN=2であれば、冷却水は、3番目の冷却水マニホールドから燃料電池スタック1の外へと排出される。
As described above, the N water passage groups penetrating the
また、セパレータ104、106の側面が冷却水に接するのは、冷却水マニホールド12、14、16、18、20、22に面する場所だけである。このため、冷却水マニホールド12、14、16、18、20、22の面積は、セパレータ104、106の側面との接触面積を増やすため、できるだけ広くする方がより効率的に冷却水を供給可能である。
Further, the side surfaces of the
なお、図1中では冷却水マニホールドは左右3か所ずつに配置されている。ただし、冷却水マニホールドの数は総数3か所以上であれば良く、図1中の6か所に限るものではない。 In addition, in FIG. 1, the cooling water manifolds are arranged at three places on the left and right. However, the number of cooling water manifolds may be 3 or more in total, and is not limited to 6 in FIG.
次に図4および図5を参照にしつつ図1に基づいて燃料ガスマニホールド24、26の詳細について説明する。第1の燃料ガスマニホールド24は、積層体10のセパレータ104、106それぞれに形成された燃料ガス流通路1040a、1060aと連通している。すなわち、この第1の燃料ガスマニホールド24は、燃料ガス流通路1040a、1060aを介して燃料電池セル102それぞれの燃料極102eに水素を含む燃料ガスを供給する。
Next, the details of the
第2の燃料ガスマニホールド26は、積層体10のセパレータそれぞれに形成された燃料ガス流通路1040a、1060aと連通している。すなわち、この第2の燃料ガスマニホールド26は、燃料電池セル102それぞれの燃料極102eに供給されたガスの中で、電気化学反応によって消費されなかったガスを燃料ガス出口262から排出する。
The second
次に図4および図5を参照にしつつ図1に基づいて空気ガスマニホールド28、30の詳細について説明する。第1の空気ガスマニホールド28は、積層体10のセパレータセパレータ104、106それぞれに形成された酸化剤ガス流通路1040b、1060bと連通している。すなわち、この第1の空気ガスマニホールド28は、酸化剤ガス流通路1040b、1060bを介して燃料電池セル102それぞれの酸化剤極102dに空気を供給する。
Next, the details of the
第2の空気ガスマニホールド30は、積層体10のセパレータ104、106それぞれに形成された酸化剤ガス流通路1040b、1060bと連通している。すなわち、この第2の燃料ガスマニホールド26は、燃料電池セル102それぞれの酸化剤極102dに供給された空気の中で、電気化学反応によって消費されなかった空気を空気ガス出口302から排出する。
The second
上述したように、第1の燃料ガスマニホールド24と、第2の空気ガスマニホールド30とは、積層体10の水平方向に沿った側面のうち第3側面10cに配置されている。また、第2の燃料ガスマニホールド26と、第1の空気ガスマニホールドとは、第3側面10cの反対側の側面である第4側面10dに配置されている。すなわち、燃料ガスおよび空気の入口と出口用の部屋として計4室が必要であり、対向する面に配置された一対のマニホールドには、それぞれ2室が設けられている。この一対のマニホールドのそれぞれの2室に配置する、燃料ガスおよび空気の入口と出口の組み合わせは、燃料電池セル102のセル特性に合わせて選択することが可能である。
As described above, the first
以上が燃料電池スタック1の構成の説明であるが、次に図1および図5を参照して、冷却水の流れについて説明する。
The above is the description of the configuration of the
まず、運転の開始前に冷却水入口122から導入された冷却水は、第1の冷却水マニホールド12に導入され、第1水流路108を介して、第1の冷却水マニホールド12内の空気を第2セパレータ106に押し出す。続いて、第1水流路108を介して供給された冷却水は、第2水流路110を介して第2の冷却水マニホールド14内の空気を第3の冷却水マニホールド16に押し出す。このように、第4の冷却水マニホールド18内、第5の冷却水マニホールド20内、および第6の冷却水マニホールド22内の空気が順に押し出され、全ての冷却水マニホールド内は冷却水で充填される。
First, the cooling water introduced from the cooling
次に、通常の運転中は、全ての冷却水マニホールド内が冷却水で充填された状態で、第1の冷却水マニホールド12に導入された冷却水は、水流路と冷却水マニホールドを交互に通って、第6の冷却水マニホールド22に配置される冷却水出口222から排出される。すなわち、冷却水は最下部に配置された冷却水入口122から、最上部に配置された冷却水出口222に向かって上昇流で流れていくのである。この場合、セパレータの細孔を通して、燃料ガスあるいは空気が水流路に混入する可能性がある。このとき、水流路中でガスは上方に向かって流されているので、ガスも順に上方に押し出され冷却水出口222から排出される。このように、冷却水の上昇流にしたがい、溜まったガスがそのまま冷却水とともに、排出されるのである。一方で、下降流にした場合には、最上部の冷却水マニホールドに溜まったガスによって、冷却水の流れが阻害される恐れがある。しかし、本実施形態に係る冷却水の流れは上昇流であるので、冷却水の流水阻害はより低減されているのである。
Next, during normal operation, with all the cooling water manifolds filled with cooling water, the cooling water introduced into the first
一方、セパレータ104、106の側面から燃料電池セル102に供給される水以外の冷却水、すなわち余分な冷却水は、積層体10の外に排出する必要がある。このため、水流路を有する第2セパレータ106は、少なくとも1枚以上が積層体10に配置される必要である。また、上述のように第2セパレータ106に形成された水流路を通る冷却水は燃料電池セル内の電気化学反応で発生する熱を冷却する役割も有している。すなわち、より強く冷却する必要がある位置に第2セパレータ106を配置することで、余分な冷却水を排水するとともに、より効率的な冷却が可能となる。なお、第2セパレータ106の枚数は、冷却性能によって決めることが可能である。
On the other hand, the cooling water other than the water supplied to the
以上のように、本実施形態に係る燃料電池スタック1によれば、水流路が形成された第2セパレータ106を用いて積層体10を構成することとした。このため、余分な冷却水を排水するとともに、より強く冷却する必要がある位置に第2セパレータ106を積層でき、より効率的な冷却を行うことができる。さらにまた、第2セパレータ106の水流路108〜116を介して上昇流で冷却水を積層体10に供給するようにしたので、水流路108〜116に混入した燃料ガスあるいは空気による流水阻害をより低減できる。
As described above, according to the
(第2実施形態)
第1実施形態に係る第2セパレータの水流路は一本で構成されていたのに対して、第2実施形態に係る第2セパレータの水流路は、複数の水流路群で構成されている。以下に第1実施形態と異なる点を説明する。
(Second embodiment)
The water flow path of the second separator according to the first embodiment is configured by one, whereas the water flow path of the second separator according to the second embodiment is configured by a plurality of water flow path groups. Differences from the first embodiment will be described below.
図6に基づいて第2実施形態に係る第2セパレータ106の水路を説明する。図6は、冷却水マニホールドの断面と第2部材1064の一方の面に形成される水流路群を示す模式図である。第1水流路108は、複数の水路である第1の水流路群108nで構成されている。すなわち、第1の水流路群108nは平行な複数の直線状の流路で構成されている。同様に、第2水流路110は、複数の水路である第2の水流路群110nで構成され、第3水流路112は、複数の水路である第3の水流路群112nで構成され、第4水流路114は、複数の水路である第4の水流路群114nで構成され、第5水流路116は、複数の水路である第5の水流路群116nで構成されている。第1の水流路群108nは最下部に位置し、その上に第2の水流路群110nが位置する。順に第5の水流路群116nまでが位置するように構成されている。すなわち、第n群の水流路は、第nの冷却水マニホールドと第(n+1)の冷却水マニホールドとを結ぶように形成される。
The water channel of the
これにより、第1の冷却水マニホールド12に導入された冷却水は、第1の水流路群108nを介して第2の冷却水マニホールド14に導入される。更に、第2の水流路群110nを介して、第3の冷却水マニホールド16へと導入され、最終的には第6の冷却水マニホールド22から排出される。すなわち、冷却水は上昇流であり、上述したように水流路群nに混入した燃料ガスあるいは空気による流水阻害をより低減できる。
As a result, the cooling water introduced into the first
このように、水流路108、110、112、114、116がそれぞれ、水流路群108n、110n、112n、114n、116nで構成されている。このため、第2セパレータ106に流れる冷却水が第2セパレータ106に接する面積がより増加している。これにより、第2セパレータ106の冷却能力をより向上すさせるとともに、冷却水の排出能力も向上させているのである。なお、冷却水マニホールドを6か所に配置したが、この構成に限るものではない。
In this way, the
以上のように、本実施形態に係る燃料電池スタック1によれば、第2セパレータ106の水流路を複数の水路である水流路群108n〜116nで構成することとした。このため、この第2セパレー106は、余分な冷却水をより多く排水するとともに、より効率的に冷却ができる。さらにまた、第2セパレータ106の水流路群108n〜116nを介して上昇流で冷却水を積層体10に供給するようにしたので、水流路に混入した燃料ガスあるいは空気による流水阻害をより低減できる。
As described above, according to the
上述の第2セパレータ106の水流路は全て直線状に構成されているが、図7に示すように第2セパレータ106の水流路の少なくとも一つをクランク状の水路118に形成してもよい。これにより、一方の経路口の位置よりも他方の経路口の位置を上方に構成可能である。
Although all the water flow paths of the
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modified examples are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1:燃料電池スタック、10:積層体、12:第1の冷却水マニホールド、14:第2の冷却水マニホールド、16:第3の冷却水マニホールド、18;第4の冷却水マニホールド、20:第5の冷却水マニホールド、22:第6の冷却水マニホールド、24:第1の燃料ガスマニホールド、26:第2の燃料ガスマニホールド、28:第1の空気マニホールド、30:第2の空気マニホールド、108:第1水流路、110:第2水流路、112:第3水流路、114:第4水流路、116:第5水流路、108n:第1の水流路群、110n:第2の水流路群、112n:第3の水流路群、114n:第4の水流路群、116n:第5の水流路群
1: Fuel cell stack, 10: Laminated body, 12: First cooling water manifold, 14: Second cooling water manifold, 16: Third cooling water manifold, 18; Fourth cooling water manifold, 20: Fourth 5, cooling
Claims (4)
前記第1側面と前記第2側面に配置される冷却水マニホールドであって、前記第1の側面と前記第2の側面で合わせて(N+1)個の冷却水マニホールドと、
を備える燃料電池スタックであって、
前記N箇所の水流路群のうちのn番目(nは1からNの整数)の水流路は、第n番目の冷却水マニホールドと第(n+1)番目の冷却水マニホールドに開口しており、
前記第n(nは、1からNの整数)番目の冷却水マニホールドに導入された冷却水は前記セパレータの有する前記n番目の水流路を通って前記第(n+1)番目の冷却水マニホールドに導入され、第(N+1)番目の冷却水マニホールドからスタック外へと排出され、
第1番目の冷却水マニホールドは前記燃料電池スタックの最下部に位置し、前記第(N+1)番目の冷却水マニホールドが最上部に位置する、燃料電池スタック。 A fuel cell and a separator made of a porous material are a laminated body in which a plurality of layers are alternately laminated, and at least one of the separators is the first side surface along the laminating direction of the laminated body. A laminated body, which is a separator in which N water passage groups penetrating a second side surface which is a side surface opposite to the first side surface, where N is an integer of 2 or more,
A coolant manifold disposed on the second side and the first side surface, together with the second side surface and said first side (N + 1) pieces of cooling water manifold,
A fuel cell stack comprising :
The n- th (n is an integer from 1 to N) water passage of the N water passage groups is opened to the n- th cooling water manifold and the (n+1) -th cooling water manifold,
Wherein the n (n is from 1 N integer) in said cooling water introduced into the second cooling water manifold through said n-th water flow path having the said separator (n + 1) th cooling water manifold Is introduced and discharged from the (N+1)th cooling water manifold to the outside of the stack ,
The 1st coolant manifold located at the bottom of the fuel cell stack, wherein the (N + 1) th cooling water manifold is positioned at the top, the fuel cell stack.
前記燃料電池セルは、電解質膜の一方の主面に燃料極が形成され、他方の主面に空気極が形成され、
前記セパレータは、一方の主面に燃料極用のガス通路が形成され、他方の主面に空気極用の空気通路が形成され、
前記水流路が形成されたセパレータには、更に主面間に前記第1側面と前記第2側面とを貫通する複数の水流路が形成されている請求項1に記載の燃料電池スタック。 The fuel cell and the separator have a rectangular shape,
The fuel cell has a fuel electrode formed on one main surface of the electrolyte membrane and an air electrode formed on the other main surface,
The separator has a gas passage for a fuel electrode formed on one main surface and an air passage for an air electrode formed on the other main surface,
Wherein the separator water flow path is formed, further wherein the first side and the second side surface and the fuel cell stack of the mounting serial to請Motomeko 1 in which a plurality of water flow paths are formed to penetrate the between the main surface.
前記空気通路を介して前記複数の燃料電池セルのそれぞれに空気を導入する空気マニホールドと、を更に備え、
前記燃料ガスマニホールドおよび前記空気マニホールドは、前記積層体の水平方向に沿った側面のうち第3側面および当該第3側面の反対側の側面である第4側面それぞれに配置されている請求項2に記載の燃料電池スタック。 A fuel gas manifold for introducing a fuel gas into each of the plurality of fuel cells via the gas passage,
Further comprising an air manifold for introducing air into each of the plurality of fuel cells through the air passage,
The fuel gas manifold and the air manifold, in claim 2, which is disposed in each fourth side is a side opposite the third side surface and the third side of the side surfaces along the horizontal direction of the laminate The described fuel cell stack.
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