JP6420801B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを有し、複数の前記発電セルが積層された燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack having a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a plurality of the power generation cells are stacked.
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一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配設することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両に組み込まれている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one surface of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface. It has. The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell by being sandwiched between separators. A fuel cell is usually incorporated in a fuel cell vehicle as an in-vehicle fuel cell stack, for example, by stacking a predetermined number of power generation cells and disposing end plates at both ends in the stacking direction.
燃料電池では、運転状況や停止状況等を好適に制御するため、種々のセンサが取り付けられている。例えば、燃料電池の運転が終了した際に、前記燃料電池内の水分を乾燥空気により除去する掃気処理が行われている。その際、燃料電池内の水分量を正確に把握するため、特許文献1に開示されている燃料電池システムが知られている。 In the fuel cell, various sensors are attached in order to suitably control the operation state, the stop state, and the like. For example, when the operation of the fuel cell is completed, a scavenging process for removing moisture in the fuel cell with dry air is performed. At that time, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known in order to accurately grasp the amount of water in the fuel cell.
この燃料電池システムでは、当該燃料電池システムの運転終了後に放置状態にある燃料電池のうち、凝縮熱の影響によって経過時間に対する温度低下が比較的少ない部位における温度を検出する温度センサを備えている。そして、温度センサが検出した温度を、燃料電池の内部温度であるとして取り扱い、温度低下が少ない時点での当該温度の挙動に基づき、当該燃料電池の内部含水量を推定している。
In the fuel cell system, among the fuel cells in the standing state after the end of operation of the fuel cell system includes a temperature sensor for detecting the temperature in a relatively small portion temperature drop with respect to the elapsed time under the influence of condensable heat . Then, the temperature detected by the temperature sensor is handled as the internal temperature of the fuel cell, and the internal water content of the fuel cell is estimated based on the behavior of the temperature at the time when the temperature decrease is small.
具体的には、燃料電池スタックの積層方向略中央に配置されている発電セルに温度センサが配置されている。すなわち、発電セルでは、セパレータに酸化剤ガスマニホールドが形成されており、前記酸化剤ガスマニホールドに温度センサが配置されている。酸化ガスマニホールドの表面における温度変化は、燃料電池スタック内部における温度変化に近似している。このため、酸化ガスマニホールドの表面温度を検出し、当該検出した温度を燃料電池スタックの内部温度として取り扱うことができる、としている。 Specifically, a temperature sensor is disposed in a power generation cell disposed substantially at the center in the stacking direction of the fuel cell stack. That is, in the power generation cell, an oxidant gas manifold is formed in the separator, and a temperature sensor is disposed in the oxidant gas manifold. The temperature change at the surface of the oxidizing gas manifold approximates the temperature change inside the fuel cell stack. For this reason, the surface temperature of the oxidizing gas manifold is detected, and the detected temperature can be handled as the internal temperature of the fuel cell stack.
しかしながら、上記の特許文献1では、温度センサが燃料電池スタック内部の発電セルに取り付けられるため、前記温度センサの取り付け作業が煩雑化するとともに、交換作業等が相当に手間のかかるものとなってしまう。 However, in the above-mentioned Patent Document 1, since the temperature sensor is attached to the power generation cell inside the fuel cell stack, the operation of attaching the temperature sensor becomes complicated, and the replacement operation and the like are considerably troublesome. .
そこで、温度センサ等の種々のセンサを、燃料電池スタックの外部に取り付けることが望まれている。燃料電池スタックでは、少なくとも一方のエンドプレートに、スタック内部の各連通孔(反応ガス連通孔や冷却媒体連通孔等)に連なって流体(燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体)を供給又は排出する流体マニホールドが設けられている。このため、エンドプレートの外部に露呈する流体マニホールドにセンサを取り付けることが考えられる。 Therefore, it is desired to attach various sensors such as a temperature sensor to the outside of the fuel cell stack. In the fuel cell stack, fluid (fuel gas, oxidant gas, or cooling medium) is supplied to or discharged from at least one end plate connected to each communication hole (reaction gas communication hole, cooling medium communication hole, etc.) inside the stack. A fluid manifold is provided. For this reason, it is possible to attach a sensor to the fluid manifold exposed to the outside of the end plate.
ところが、発電セルに設けられている各連通孔は、矩形状、例えば、長方形状や台形状等、非円形状を有する一方、流体マニホールドに接続される外部配管は、円筒形状等に設定される場合が多い。従って、流体マニホールドは、内部の流体流路形状が複雑化し、センサによるセンシングを高精度に行うことが難しいという問題がある。 However, each communication hole provided in the power generation cell has a rectangular shape, for example, a rectangular shape or a trapezoidal shape, while the external pipe connected to the fluid manifold is set to a cylindrical shape or the like. There are many cases. Therefore, the fluid manifold has a problem that the shape of the internal fluid flow path is complicated and it is difficult to perform sensing with a sensor with high accuracy.
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、簡単且つ経済的な構成で、センサ部材による計測を精度良く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 has been made in connection with this type of technology, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can accurately measure with a sensor member with a simple and economical configuration.
本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを有し、複数の前記発電セルが積層された積層方向両端にエンドプレートが配設されている。発電セルには、前記発電セルの積層方向に反応ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が設けられている。 The fuel cell stack according to the present invention has a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and at both ends in a stacking direction in which the plurality of power generation cells are stacked. An end plate is disposed. The power generation cell is provided with a fluid communication hole through which a fluid that is a reaction gas or a cooling medium flows in the stacking direction of the power generation cells.
一方のエンドプレートの表面には、流体連通孔と外部配管とを繋ぐマニホールド部材が設けられている。マニホールド部材は、一方の前記エンドプレートの外側に位置して流体連通孔に連なる第1開口部と、第1開口部に隣接するとともに外部配管に連なり且つ前記第1開口部とは異なる開口形状を有する第2開口部と、を設けている。そして、一方のエンドプレートの正面視で、第1開口部の開口形状と第2開口部との開口形状が重なる領域には、流体の状態を検出するセンサ部材のセンシング部位が配置されている。
A manifold member that connects the fluid communication hole and the external pipe is provided on the surface of one end plate. The manifold member has a first opening located outside one of the end plates and connected to the fluid communication hole, and an opening shape adjacent to the first opening and connected to the external pipe and different from the first opening. And a second opening. And the sensing part of the sensor member which detects the state of fluid is arranged in the field where the opening shape of the 1st opening and the opening shape of the 2nd opening overlap in the front view of one end plate.
また、センサ部材は、棒状形状を有し、流体の流通方向に交差する方向に向かって配置される。
Further, sensor member has a rod-like shape, Ru are arranged in a direction intersecting the flow direction of the fluid.
センサ部材は、棒状形状の温度センサを有し、温度センサは、第2開口部の側方の重力方向の上方から下方に向けて、斜めに配置される。
Sensor member has a temperature sensor of the rod-like shape, the temperature sensor, from above in the gravity direction of the side of the second opening downward, Ru is arranged obliquely.
この燃料電池スタックでは、センサ部材は、マニホールド部材に取り付けられるセンサブラケットを有し、センサブラケットの一端側に、温度センサが設けられ、センサブラケットの他端側に、マニホールド部材に螺合する取付ねじが設けられることが好ましい。 In this fuel cell stack, the sensor member has a sensor bracket attached to the manifold member, a temperature sensor is provided on one end side of the sensor bracket, and an attachment screw that is screwed to the manifold member on the other end side of the sensor bracket. Is preferably provided.
この燃料電池スタックでは、マニホールド部材は、第2開口部が設けられた中空筒状の本体部と、本体部の外周部から外方に突出した肉厚部とを有し、肉厚部に、取付ねじが螺合するねじ孔が形成されることが好ましい。 In this fuel cell stack, the manifold member has a hollow cylindrical main body portion provided with a second opening, and a thick portion protruding outward from the outer peripheral portion of the main body portion. It is preferable that a screw hole into which the mounting screw is screwed is formed.
この燃料電池スタックでは、第1開口部は、長軸及び短軸を有する非円形状であり、長軸に沿った前記第1開口部の大きさは、第2開口部よりも大きいことが好ましい。 In this fuel cell stack, the first opening is a non-circular shape having a major axis and a minor axis, and the size of the first opening along the major axis is preferably larger than the second opening. .
この燃料電池スタックでは、センシング部位は、第1開口部と第2開口部の幅方向の中心に配置されることが好ましい。 In this fuel cell stack, it is preferable that the sensing site is disposed at the center in the width direction of the first opening and the second opening.
本発明によれば、センサ部材のセンシング部位は、エンドプレートの正面視で、第1開口部の開口形状と第2開口部との開口形状が重なる領域に配置されている。従って、センサ部材のセンシング部位は、第1開口部と第2開口部との間で流体が流通する領域内に確実に配置されるため、前記流体の状態を良好に把握することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、センサ部材による計測を精度良く行うことが可能になる。 According to the present invention, the sensing part of the sensor member is arranged in a region where the opening shape of the first opening and the opening shape of the second opening overlap in the front view of the end plate. Therefore, since the sensing part of the sensor member is reliably arranged in the region where the fluid flows between the first opening and the second opening, the state of the fluid can be grasped well. As a result, it is possible to accurately measure with the sensor member with a simple and economical configuration.
図1に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。燃料電池スタック10は、複数の発電セル12が電極面を立位姿勢にして水平方向(矢印B方向)に積層される。なお、複数の発電セル12を重力方向(矢印C方向)に積層して燃料電池スタック10を構成してもよい。
As shown in FIG. 1, the
発電セル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、外方に向かって、順次、配設される。発電セル12の積層方向他端には、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、外方に向かって、順次、配設される。
At one end of the
矩形状の第1エンドプレート18aの略中央部からは、第1ターミナルプレート14aに接続された第1電力出力端子20aが外方に向かって延在する。矩形状の第2エンドプレート18bの略中央部からは、第2ターミナルプレート14bに接続された第2電力出力端子20bが外方に向かって延在する。
A first
第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bの各辺間には、連結バー22の両端がねじ24により固定され、複数の積層された発電セル12に積層方向(矢印B方向)の締め付け荷重を付与する。
Between both sides of the
図2に示すように、発電セル12は、電解質膜・電極構造体26と、前記電解質膜・電極構造体26を挟持するアノードセパレータ28及びカソードセパレータ30とを備える。
As shown in FIG. 2, the
アノードセパレータ28及びカソードセパレータ30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。アノードセパレータ28及びカソードセパレータ30は、平面が矩形状(長方形状や正方形状)を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、アノードセパレータ28及びカソードセパレータ30は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
The
発電セル12の長辺方向(矢印A方向)の一端縁部には、矢印B方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔(流体連通孔)32a、冷却媒体入口連通孔(流体連通孔)34a及び燃料ガス出口連通孔(流体連通孔)36bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔32aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔34aは、冷却媒体を供給するとともに、燃料ガス出口連通孔36bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
One end edge of the
酸化剤ガス入口連通孔32a、冷却媒体入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔36bは、非円形連通孔であり、例えば、略長方形状を有する。酸化剤ガス入口連通孔32a、冷却媒体入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔36bは、その他、正方形、台形、五角形、略三角形、菱形、多角形、楕円等、種々の形状あるいはこれらの形状の組み合わせに設定可能であり、形状は、特に限定されない。また、各辺の角部は、R形状(湾曲形状)にすることが好ましい。
The oxidant gas
発電セル12の長辺方向の他端縁部には、矢印B方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔(流体連通孔)36a、冷却媒体出口連通孔(流体連通孔)34b及び酸化剤ガス出口連通孔(流体連通孔)32bが設けられる。燃料ガス入口連通孔36aは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔34bは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔32bは、酸化剤ガスを排出する。
The other end edge in the long side direction of the
燃料ガス入口連通孔36a、冷却媒体出口連通孔34b及び酸化剤ガス出口連通孔32bは、酸化剤ガス入口連通孔32a、冷却媒体入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔36bと同様に、非円形連通孔である。
The fuel gas
図3に示すように、電解質膜・電極構造体26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を挟持するアノード電極40及びカソード電極42とを備える。
As shown in FIG. 3, the electrolyte membrane /
アノード電極40は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層40a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40aの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層40bとを有する。電極触媒層40bは、固体高分子電解質膜38の一方の面に形成される。
The
カソード電極42は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層42a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42aの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層42bとを有する。電極触媒層42bは、固体高分子電解質膜38の他方の面に形成される。
The
図2に示すように、アノードセパレータ28の電解質膜・電極構造体26に向かう面28aには、燃料ガス入口連通孔36aと燃料ガス出口連通孔36bとを連通する燃料ガス流路44が形成される。燃料ガス流路44は、矢印A方向に延在する複数本の直線状流路溝(又は波状流路溝)により形成される。
As shown in FIG. 2, a fuel
カソードセパレータ30の電解質膜・電極構造体26に向かう面30aには、酸化剤ガス入口連通孔32aと酸化剤ガス出口連通孔32bとを連通する酸化剤ガス流路46が形成される。酸化剤ガス流路46は、矢印A方向に延在する複数本の直線状流路溝(又は波状流路溝)により形成される。
An oxidant
アノードセパレータ28の面28bと隣接するカソードセパレータ30の面30bとの間には、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとに連通する冷却媒体流路48が形成される。冷却媒体流路48は、水平方向に延在しており、電解質膜・電極構造体26の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。
Between the
アノードセパレータ28の面28a、28bには、このアノードセパレータ28の外周端縁部を周回して第1シール部材50が一体成形される。カソードセパレータ30の面30a、30bには、このカソードセパレータ30の外周端縁部を周回して第2シール部材52が一体成形される。
A
第1シール部材50及び第2シール部材52としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
As the
図1に示すように、第1エンドプレート18aには、酸化剤ガス供給マニホールド部材54a、酸化剤ガス排出マニホールド部材54b、燃料ガス供給マニホールド部材56a及び燃料ガス排出マニホールド部材56bが装着される。酸化剤ガス供給マニホールド部材54a、酸化剤ガス排出マニホールド部材54b、燃料ガス供給マニホールド部材56a及び燃料ガス排出マニホールド部材56bは、樹脂材料で形成される。樹脂材料としては、例えば、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPE(ポリフェニレンエーテル)又はPAI(ポリアミドイミド)等が使用される。なお、第1エンドプレート18aには、各マニホールド部材を一体に成形してもよい。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas
酸化剤ガス排出マニホールド部材54bは、外方に突出するフランジ部58を有する。フランジ部58には、複数、例えば、4個の孔部60が形成される一方、第1エンドプレート18aには、各孔部60と同軸的にねじ孔62が形成される。ボルト64は、孔部60に挿入されてねじ孔62に螺合されることにより、フランジ部58が第1エンドプレート18aに固定される。
The oxidant gas
フランジ部58は、略円筒形状の本体部66の一端に一体成形される。図4及び図5に示すように、本体部66には、フランジ部58側の端部に開口され、酸化剤ガス出口連通孔32bに連なる非円形状、例えば、略長方形状の第1開口部68が形成される。第1開口部68は、長軸68a及び短軸68bを有する非円形状である。第1開口部68は、酸化剤ガス出口連通孔32bと同一形状を有する。
The
図1に示すように、本体部66には、円形状外部配管70が接続されるとともに、前記円形状外部配管70に連なる円形状の第2開口部72が設けられる。円形状外部配管70には、図示しないが、開閉弁や流体圧機器等の外部機器が接続される。図5に示すように、長軸68aに沿った第1開口部68の開口寸法D1は、第2開口部72の開口寸法D3(円形状の第2開口部72の直径)よりも大きい。すなわち、第1開口部68は第2開口部72よりも縦方向(長軸68aと平行な矢印C方向)に長い。第2開口部72の開口寸法D3(円形状の第2開口部72の直径)は、短軸68bに沿った第1開口部68の開口寸法D2よりも大きい。
As shown in FIG. 1, a circular
図4に示すように、本体部66の外周一部には、取り付け台(肉厚部)74が一体成形される。取り付け台74は、本体部66の外周部から外方に突出する。取り付け台74には、ねじ孔76が形成される。ねじ孔76は、本体部66を貫通しておらず、本体部66の内側に達していない。取り付け台74は、平坦面74fを形成し、この平坦面74fには、ねじ孔76と孔部78とが並列して形成される。ねじ孔76は、孔部78の下方に形成される。図5に示すように、平坦面74fは、第1開口部68の長軸68a及び短軸68bに対して傾斜する。孔部78は、本体部66及び取り付け台74を貫通する。取り付け台74のねじ孔76が形成された部分の本体部66からの突出高さは、取り付け74台の孔部78が取り付けられた部分の本体部66からの突出高さよりも、高い。
As shown in FIG. 4, a mounting base (thick part) 74 is integrally formed on a part of the outer periphery of the
取り付け台74には、センサ部材80を構成するセンサブラケット81が取り付けられる。センサブラケット81には、孔部82が形成され、前記孔部82に挿入されるボルト(取付ねじ)84は、ねじ孔76に螺合する。センサブラケット81には、棒状の温度センサ86が設けられ、前記温度センサ86は、孔部78に挿入されて本体部66の内方に配置される。温度センサ86は、重力方向の上方から下方に向けて、斜めに孔部78に挿入される。すなわち、温度センサ86は、その先端側(センシング部位86s側)に向かうに従って下方に寄るように、センサブラケット81に保持される。これにより、温度センサ86に付着した水滴が、温度センサ86の先端から重力により落下するため、温度センサ86に接続されたケーブルに水滴が逆流することが確実に防止される。温度センサ86と孔部78との間には、シール部材(例えば、Oリング、流体シール)が設けられる。温度センサ86は、第1エンドプレート18aの面方向に沿って酸化剤ガス排出マニホールド部材54bに挿入される。
A
図5に示すように、第1開口部68と第2開口部72とは、異なる開口形状を有し、前記第1開口部68は、前記第2開口部72の中心に対して上方にオフセットして設けられる。第1エンドプレート18aの正面視で、第1開口部68の開口形状と第2開口部72との開口形状が重なる領域88が形成される。領域88には、温度センサ86の先端のセンシング部位86sが配置される。孔部78は、領域88から外れた領域で、本体部66の内周面に開口する。第1エンドプレート18aの正面視で、第1開口部68の幅方向(図5で、短軸68bと平行な矢印A方向)の中心と、第2開口部72の幅方向の中心とは一致する。センシング部位86sは、第1開口部68と第2開口部72の幅方向の略中心に配置される。
As shown in FIG. 5, the
なお、酸化剤ガス供給マニホールド部材54a、燃料ガス供給マニホールド部材56a及び燃料ガス排出マニホールド部材56bは、取り付け台74を除いて、上記の酸化剤ガス排出マニホールド部材54bと同様に構成される。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 oxidant gas
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34aに連通する冷却媒体供給マニホールド部材と、冷却媒体出口連通孔34bに連通する冷却媒体排出マニホールド部材とが、それぞれ取り付けられる。
Although not shown, a cooling medium supply manifold member that communicates with the cooling medium
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、第1エンドプレート18aの酸化剤ガス供給マニホールド部材54aから酸化剤ガス入口連通孔32aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第1エンドプレート18aの燃料ガス供給マニホールド部材56aから燃料ガス入口連通孔36aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidizing gas such as an oxygen-containing gas is supplied from the oxidizing gas
一方、第2エンドプレート18bの図示しない冷却媒体供給マニホールド部材から冷却媒体入口連通孔34aには、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。
On the other hand, a coolant such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied from a coolant supply manifold member (not shown) of the
これにより、図2に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔32aからカソードセパレータ30の酸化剤ガス流路46に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路46に沿って矢印A方向に移動し、電解質膜・電極構造体26のカソード電極42に供給される。
Thereby, as shown in FIG. 2, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔36aからアノードセパレータ28の燃料ガス流路44に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路44に沿って矢印A方向に移動し、電解質膜・電極構造体26のアノード電極40に供給される。
On the other hand, the fuel gas is supplied to the
このため、電解質膜・電極構造体26では、カソード電極42に供給される酸化剤ガスと、アノード電極40に供給される燃料ガスとが、電極触媒層42b、40b内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、電解質膜・電極構造体26のカソード電極42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32bに沿って矢印B方向に流通し、酸化剤ガス排出マニホールド部材54bから排出される(図1参照)。一方、電解質膜・電極構造体26のアノード電極40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36bに沿って矢印B方向に流通し、燃料ガス排出マニホールド部材56bから排出される。
Next, the oxidant gas, which is supplied to the
また、図2に示すように、冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体は、カソードセパレータ30及びアノードセパレータ28間の冷却媒体流路48に導入される。冷却媒体は、矢印A方向に移動して電解質膜・電極構造体26を冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bに排出される。冷却媒体は、第2エンドプレート18bから排出される。
As shown in FIG. 2, the cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、本実施形態では、図4及び図5に示すように、酸化剤ガス排出マニホールド部材54bには、非円形状の第1開口部68と円形状の第2開口部72とが、互いに連通して設けられている。第1開口部68は、発電セル12の非円形状の酸化剤ガス出口連通孔32bに連通する一方、第2開口部72は、円形状外部配管70に連通している。
In this case, in this embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the oxidant gas
第1開口部68と第2開口部72とは、異なる開口形状を有し、前記第1開口部68は、前記第2開口部72の中心に対して上方にオフセットして設けられている。そして、第1エンドプレート18aの正面視で、第1開口部68の開口形状と第2開口部72との開口形状が重なる領域88が形成され、前記領域88には、温度センサ86のセンシング部位86sが配置されている(図5参照)。
The
従って、温度センサ86のセンシング部位86sは、第1開口部68と第2開口部72との間で酸化剤ガス(流体)が流通する領域88内に確実に配置されるため、前記酸化剤ガスの温度(状態)を良好に把握することができる。
Accordingly, the
具体的には、本願の酸化剤ガス排出マニホールド部材54bと、図6に示す比較例である酸化剤ガス排出マニホールド部材54ref.とを用いて、温度検出を行った。酸化剤ガス排出マニホールド部材54ref.では、温度センサ86のセンシング部位86sが、第1開口部68の開口形状と第2開口部72との開口形状が重なる領域88の外方に配置されている。領域88にも、流速分布及び温度分布が存在するため、高流量時には、前記領域88内のどこにセンシング部位86sが配置されても、温度を計測可能である。但し、低流量時には、領域88内の外側寄りの領域では流体の流れが弱くなる可能性があるため、センシング部位86sは、該領域88内の中心に配置されることが好ましい。
Specifically, temperature detection was performed using the oxidant gas
そこで、燃料電池スタック10の運転が停止され、乾燥空気による酸化剤ガス流路46の掃気処理を行うとともに、酸化剤ガス出口連通孔32bの温度検出を行った。その結果、図7に示すように、本願の酸化剤ガス排出マニホールド部材54bでは、温度センサ86により検出される温度は、電解質膜・電極構造体26の面内温度に近似する値となった。
Therefore, the operation of the
一方、酸化剤ガス排出マニホールド部材54ref.では、温度センサ86のセンシング部位86sが領域88の外方に配置されているため、特に酸化剤ガスが低流量の際、感知精度が低下してしまう。従って、比較例では、温度センサ86により検出される温度は、電解質膜・電極構造体26の面内温度よりも相当に低い値となった。
On the other hand, in the oxidant gas discharge manifold member 54ref., Since the
これにより、本実施形態では、温度センサ86のセンシング部位86sを領域88内に配置するだけでよく、簡単且つ経済的な構成で、前記温度センサ86による計測を精度良く行うことが可能になるという効果が得られる。
Thereby, in this embodiment, it is only necessary to arrange the
なお、本実施形態では、酸化剤ガス排出マニホールド部材54bにセンサ部材80を取り付けた構成を採用したが、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス供給マニホールド部材54a、燃料ガス供給マニホールド部材56a、燃料ガス排出マニホールド部材56b、冷却媒体供給マニホールド部材又は冷却媒体排出マニホールド部材の少なくとも1つにセンサ部材を設けてもよい。
In the present embodiment, the configuration in which the
また、センサ部材80は、温度センサ86に限定されるものではない。センサ部材80としては、圧力センサ、湿度センサ、水素センサ又は酸素センサ等、種々のセンサ類を用いることができる。なお、センサ部材80の取り付け構造は、本実施形態に限定されるものではなく、センシング部位86sが領域88内に配置されていればよい。
Further, the
10…燃料電池スタック 12…発電セル
18a、18b…エンドプレート 26…電解質膜・電極構造体
28…アノードセパレータ 30…カソードセパレータ
32a…酸化剤ガス入口連通孔 32b…酸化剤ガス出口連通孔
34a…冷却媒体入口連通孔 34b…冷却媒体出口連通孔
36a…燃料ガス入口連通孔 36b…燃料ガス出口連通孔
38…固体高分子電解質膜 40…アノード電極
42…カソード電極 44…燃料ガス流路
46…酸化剤ガス流路 48…冷却媒体流路
54a…酸化剤ガス供給マニホールド部材
54b…酸化剤ガス排出マニホールド部材
56a…燃料ガス供給マニホールド部材
56b…燃料ガス排出マニホールド部材
58…フランジ部 66…本体部
68、72…開口部 70…円形状外部配管
74…取り付け台 76…ねじ孔
78、82…孔部 80…センサ部材
86…温度センサ 86s…センシング部位
88…領域
DESCRIPTION OF
Claims (5)
一方の前記エンドプレートの表面には、前記流体連通孔と外部配管とを繋ぐマニホールド部材が設けられるとともに、
前記マニホールド部材は、一方の前記エンドプレートの外側に位置して前記流体連通孔に連なる第1開口部と、
前記第1開口部に隣接するとともに前記外部配管に連なり且つ前記第1開口部とは異なる開口形状を有する第2開口部と、
を設け、
一方の前記エンドプレートの正面視で、前記第1開口部の開口形状と前記第2開口部との開口形状が重なる領域には、前記流体の状態を検出するセンサ部材のセンシング部位が配置され、
前記センサ部材は、棒状形状を有し、前記流体の流通方向に交差する方向に向かって配置され、
前記センサ部材は、棒状形状の温度センサを有し、
前記温度センサは、前記第2開口部の側方の重力方向の上方から下方に向けて、斜めに配置されることを特徴とする燃料電池スタック。 An electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of the electrolyte membrane, and a power generation cell in which a separator is stacked, and end plates are disposed at both ends in the stacking direction in which the plurality of power generation cells are stacked, A fuel cell stack provided with fluid communication holes for flowing a reaction gas or a fluid as a cooling medium in a stacking direction of the power generation cells,
On the surface of one of the end plates, a manifold member that connects the fluid communication hole and external piping is provided,
The manifold member has a first opening located outside the one end plate and connected to the fluid communication hole;
A second opening adjacent to the first opening and connected to the external pipe and having an opening shape different from the first opening;
Provided,
In a front view of one of the end plates, in a region where the opening shape of the first opening and the opening shape of the second opening overlap, a sensing portion of a sensor member that detects the state of the fluid is disposed ,
The sensor member has a rod-like shape and is arranged toward a direction intersecting the fluid flow direction,
The sensor member has a rod-shaped temperature sensor,
The temperature sensor, the second from above in the gravity direction of the side of the opening downward, the fuel cell stack, wherein Rukoto arranged obliquely.
前記センサブラケットの一端側に、前記温度センサが設けられ、
前記センサブラケットの他端側に、前記マニホールド部材に螺合する取付ねじが設けら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 Symbol placement, the sensor member has a sensor bracket attached to the manifold member,
The temperature sensor is provided on one end side of the sensor bracket,
A fuel cell stack, wherein an attachment screw that is screwed into the manifold member is provided on the other end side of the sensor bracket.
前記肉厚部に、前記取付ねじが螺合するねじ孔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 manifold member has a hollow cylindrical main body portion provided with the second opening and a thick portion protruding outward from an outer peripheral portion of the main body portion. And
A fuel cell stack, wherein a screw hole into which the mounting screw is screwed is formed in the thick part.
前記長軸に沿った前記第1開口部の大きさは、前記第2開口部よりも大きいことを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3 , wherein the first opening is a non-circular shape having a major axis and a minor axis.
The fuel cell stack, wherein a size of the first opening along the major axis is larger than that of the second opening.
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