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JP7614791B2 - 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。 An embodiment of the present invention relates to a fuel cell stack.

燃料電池システムは、燃料極ガス中の水素と空気極ガス(空気)中の酸素との結合エネルギーを直接的に電気に変換する発電システムであって、発電効率が高く、環境性に優れている。燃料電池システムは、一般に、燃料電池スタック、改質器、制御部、および、その他装置を備えている。燃料電池スタックは、燃料極と空気極との間に電解質膜が介在している燃料電池セルを含み、複数の燃料電池セルが積層されている。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極ガスが燃料極に供給されると共に、空気が空気極(酸化剤極)に供給されることによって、電気化学反応が生じて発電が行われる。 A fuel cell system is a power generation system that directly converts the bond energy between hydrogen in the fuel electrode gas and oxygen in the air electrode gas (air) into electricity, and has high power generation efficiency and excellent environmental friendliness. Fuel cell systems generally include a fuel cell stack, a reformer, a control unit, and other devices. A fuel cell stack includes a fuel cell cell in which an electrolyte membrane is interposed between the fuel electrode and the air electrode, and multiple fuel cell cells are stacked. In the fuel cell stack, fuel electrode gas containing hydrogen produced in the reformer is supplied to the fuel electrode, and air is supplied to the air electrode (oxidizer electrode), causing an electrochemical reaction and generating electricity.

高分子電解質形燃料電池スタックでは、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を用いた燃料電池セルとセパレータとが積層方向において交互に積層されている。セパレータは、燃料極へ供給する燃料極ガスが流れる燃料極ガス流路、および、空気極へ供給する空気極ガスが流れる空気極ガス流路が設けられている。 In a polymer electrolyte fuel cell stack, fuel cells using a polymer electrolyte membrane with proton conductivity and separators are stacked alternately in the stacking direction. The separators are provided with a fuel electrode gas flow path through which the fuel electrode gas supplied to the fuel electrode flows, and an air electrode gas flow path through which the air electrode gas supplied to the air electrode flows.

高分子電解質膜のプロトン抵抗は、高分子電解質膜の含水率に対して反比例する。このため、プロトン抵抗を小さくして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。高分子電解質膜の加湿方法として、外部加湿方式と内部加湿方式とが知られている。外部加湿方式では、燃料極ガスあるいは空気極ガスに蒸気を供給する。内部加湿方式では、セパレータを介して液体の水を供給する。 The proton resistance of the polymer electrolyte membrane is inversely proportional to the water content of the polymer electrolyte membrane. Therefore, in order to reduce the proton resistance and increase the power generation performance, it is necessary to humidify the polymer electrolyte membrane and increase the water content. There are two known methods of humidifying the polymer electrolyte membrane: external humidification and internal humidification. In the external humidification method, steam is supplied to the fuel electrode gas or air electrode gas. In the internal humidification method, liquid water is supplied through a separator.

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によって温度が上昇した燃料電池セルを冷却する必要がある。そのために、冷却水を流して燃料電池スタックを冷却する。発電で得られる電力とともに、反応熱を利用するコージェネレーションシステムでは、その冷却水から熱交換して回収した熱で温水を得る。冷却水を流すための冷却水流路は、たとえば、燃料極ガスセパレータと空気極ガスセパレータの間に形成される。いずれかのセパレータの背面に冷却水溝を形成し、貼り合わせることで、両極セパレータの間に冷却水を流すことができる。 To maintain the temperature of the fuel cell within an appropriate range, it is necessary to cool the fuel cell whose temperature has risen due to the heat generated by the fuel cell reaction. To achieve this, cooling water is circulated to cool the fuel cell stack. In cogeneration systems that use the heat of reaction along with the electricity obtained by power generation, hot water is obtained using heat recovered through heat exchange from the cooling water. A cooling water flow path for the cooling water is formed, for example, between the fuel electrode gas separator and the air electrode gas separator. By forming a cooling water groove on the back surface of one of the separators and bonding them together, cooling water can be circulated between the separators of both poles.

上記の他に、潜熱冷却方法による冷却が知られている。潜熱冷却方法では、微細孔を有する導電性多孔質板をセパレータとして使用し、燃料電池セルに水流路を設ける。そして、導電性多孔質板を介して、水を燃料電池セルに供給することによって、加湿と共に、水の蒸発潜熱による冷却を行う。潜熱冷却方法においては、燃料極ガスおよび空気極ガスの圧力を冷却水の圧力よりも高くする。これにより、生成水や凝縮した水分を導電性多孔質板から除去するとともに、燃料電池セルの反応面の全体で、加湿と冷却を実現している。 In addition to the above, cooling using a latent heat cooling method is also known. In the latent heat cooling method, a conductive porous plate with micropores is used as a separator, and a water flow path is provided in the fuel cell. Water is then supplied to the fuel cell through the conductive porous plate, thereby humidifying and cooling by the latent heat of vaporization of water. In the latent heat cooling method, the pressure of the fuel electrode gas and the air electrode gas is made higher than the pressure of the cooling water. This allows the generated water and condensed moisture to be removed from the conductive porous plate, and humidification and cooling are achieved over the entire reaction surface of the fuel cell.

水流路を全ての燃料電池セルに導入する場合、1つの燃料電池セルに対して2枚のセパレータが必要になるため、コストが上昇する。このため、水流路を不要とするために、セパレータである導電性多孔質板の側面から冷却水を供給する方法などが提案されている。 If water flow paths were to be installed in all fuel cell cells, two separators would be required for each fuel cell, increasing costs. For this reason, methods have been proposed that eliminate the need for water flow paths by supplying cooling water from the side of the conductive porous plate that serves as the separator.

特表平11-508726号公報Special Publication No. 11-508726 特許第4738979号公報Patent No. 4738979 特開2017-188224号公報JP 2017-188224 A 特開2017-188226号公報JP 2017-188226 A 特開2014―102969号公報JP 2014-102969 A

しかしながら、従来においては、導電性多孔質板の側面から供給した水が空気極ガス中に蒸発することで、導電性多孔質板が局所的に乾燥し、加湿と冷却を十分に行うことが困難な場合がある。このとき、局所的に乾燥した導電性多孔質板では、燃料極ガスと空気極ガスを隔離する機能が失われ、燃料極ガスと空気極ガスが混合される恐れがある。 However, in the past, water supplied from the side of the conductive porous plate would evaporate into the air electrode gas, causing the conductive porous plate to dry out locally, making it difficult to adequately humidify and cool the plate. When this happens, the locally dried conductive porous plate loses its ability to isolate the fuel electrode gas and the air electrode gas, and there is a risk that the fuel electrode gas and the air electrode gas will mix.

本発明が解決しようとする課題は、加湿と冷却を十分に行うことが可能な燃料電池スタックを提供することである。 The problem that this invention aims to solve is to provide a fuel cell stack that can adequately perform humidification and cooling.

実施形態の燃料電池スタックは、燃料電池セルとセパレータとが積層方向において交互に積層された積層体を備える。燃料電池セルは、燃料極と空気極との間に高分子電解質膜が介在している。セパレータは、燃料極へ供給する燃料極ガスが流れる燃料極ガス流路が形成されている燃料極側セパレータ部と、空気極へ供給する空気極ガスが流れる空気極ガス流路が形成されている空気極側セパレータ部とを含む。燃料極側セパレータ部は、多孔質板で構成されており、空気極側セパレータ部は、多孔質板よりもガスが透過しにくい緻密板で構成されている。積層方向は、鉛直方向に対して直交する水平方向であり、積層体は、前記鉛直方向において上方から下方へ向けて水が導入されるように構成されている。 The fuel cell stack of the embodiment includes a laminate in which fuel cell units and separators are alternately laminated in a stacking direction. The fuel cell units have a polymer electrolyte membrane interposed between a fuel electrode and an air electrode. The separator includes a fuel electrode side separator part in which a fuel electrode gas flow passage through which a fuel electrode gas supplied to the fuel electrode flows, and an air electrode side separator part in which an air electrode gas flow passage through which an air electrode gas supplied to the air electrode flows. The fuel electrode side separator part is made of a porous plate, and the air electrode side separator part is made of a dense plate that is less permeable to gas than the porous plate. The stacking direction is a horizontal direction perpendicular to the vertical direction, and the laminate is configured so that water is introduced from above to below in the vertical direction.

図1は、第1実施形態に係る燃料電池スタック1の全体構成を模式的に示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a schematic overall configuration of a fuel cell stack 1 according to a first embodiment. 図2は、第1実施形態に係る燃料電池スタック1において、積層体10の詳細構成を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view that typically shows a detailed configuration of the stack 10 in the fuel cell stack 1 according to the first embodiment. 図3は、第2実施形態に係る燃料電池スタック1bの全体構成を模式的に示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a schematic overall configuration of a fuel cell stack 1b according to the second embodiment.

<第1実施形態>
[A]燃料電池スタック1の全体構成
図1は、第1実施形態に係る燃料電池スタック1の全体構成を模式的に示す斜視図である。図1において、y軸は、鉛直方向に沿っている。そして、z軸は、第1水平方向に沿っており、x軸は、第1水平方向に直交する第2水平方向に沿っている。
First Embodiment
[A] Overall configuration of fuel cell stack 1 Fig. 1 is a perspective view showing a schematic overall configuration of a fuel cell stack 1 according to a first embodiment. In Fig. 1, the y-axis is aligned along the vertical direction, the z-axis is aligned along a first horizontal direction, and the x-axis is aligned along a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction.

燃料電池スタック1は、図1に示すように、積層体10と、第1の水マニホールド21と、第2の水マニホールド22と、第1の燃料極ガスマニホールド31と、第2の燃料極ガスマニホールド32と、第1の空気極ガスマニホールド41と、第2の空気極ガスマニホールド42とを備える。 As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 1 includes a stack 10, a first water manifold 21, a second water manifold 22, a first fuel electrode gas manifold 31, a second fuel electrode gas manifold 32, a first air electrode gas manifold 41, and a second air electrode gas manifold 42.

なお、図1においては、理解を容易にするために、積層体10と各マニホールド21,22.31,32,41,42との間に隙間が介在させて図示しているが、実際には、各マニホールド21,22.31,32,41,42は、積層体10に接するように取り付けられている。 In FIG. 1, for ease of understanding, gaps are shown between the laminate 10 and each of the manifolds 21, 22, 31, 32, 41, and 42, but in reality, each of the manifolds 21, 22, 31, 32, 41, and 42 is attached so that it is in contact with the laminate 10.

燃料電池スタック1を構成する各部について順次説明する。 Each part that makes up the fuel cell stack 1 will be explained in turn.

[A-1]積層体10
燃料電池スタック1において、積層体10は、図1に示すように、複数の燃料電池セル11と複数のセパレータ12とを含む。積層体10では、燃料電池セル11とセパレータ12とが積層方向において交互に積層されている。
[A-1] Laminate 10
1, in the fuel cell stack 1, a stack 10 includes a plurality of fuel cells 11 and a plurality of separators 12. In the stack 10, the fuel cells 11 and the separators 12 are stacked alternately in the stacking direction.

本実施形態では、積層方向は、鉛直方向(y)に対して直交する第1水平方向(z)に沿っている。積層体10は、積層方向において一対の締付板15の間に介在しており、一対の締付板15の間は、タイロッドやバンドなどの締結部材(図示省略)を用いて締め付けられている。 In this embodiment, the stacking direction is along a first horizontal direction (z) perpendicular to the vertical direction (y). The stack 10 is interposed between a pair of fastening plates 15 in the stacking direction, and the pair of fastening plates 15 is fastened using a fastening member (not shown) such as a tie rod or a band.

積層体10の詳細構成については、別途、後述する。 The detailed configuration of the laminate 10 will be described later.

[A-2]第1の水マニホールド21
第1の水マニホールド21は、積層体10の上方に設置されている。つまり、第1の水マニホールド21は、積層体10において積層方向に沿った水平面(xz面)のうち上側に位置する上面に対面するように配置されている。
[A-2] First water manifold 21
The first water manifold 21 is installed above the laminate 10. In other words, the first water manifold 21 is disposed so as to face the upper surface of the laminate 10 that is located on the upper side of a horizontal plane (xz plane) along the stacking direction.

第1の水マニホールド21には、水入口配管部211が設置されている。第1の水マニホールド21は、水入口配管部211から水が内部へ流入し、その流入した水を積層体10に供給するように構成されている。ここでは、第1の水マニホールド21は、下面に形成された開口(図示省略)から、積層体10の上面に水を供給する。水は、積層体10を冷却すると共に積層体10を加湿するために供給される。 The first water manifold 21 is provided with a water inlet pipe section 211. The first water manifold 21 is configured so that water flows into the inside from the water inlet pipe section 211 and the flowed-in water is supplied to the laminate 10. Here, the first water manifold 21 supplies water to the upper surface of the laminate 10 from an opening (not shown) formed on the lower surface. The water is supplied to cool the laminate 10 and to humidify the laminate 10.

[A-3]第2の水マニホールド22
第2の水マニホールド22は、積層体10の下方に設置されている。つまり、第2の水マニホールド22は、積層体10において積層方向に沿った水平面(xz面)のうち下側に位置する下面に対面するように配置されている。
[A-3] Second water manifold 22
The second water manifold 22 is installed below the laminate 10. That is, the second water manifold 22 is disposed so as to face the lower surface of the laminate 10 that is located on the lower side of the horizontal plane (xz plane) along the stacking direction.

第2の水マニホールド22には、水出口配管部221が設置されている。第2の水マニホールド22は、積層体10を通過した水が内部へ流入し、その流入した水が水出口配管部221から外部へ排出されるように構成されている。ここでは、第2の水マニホールド22は、上面に形成された開口(図示省略)へ積層体10の下面から水が流入し、水出口配管部221を介して流出する。 The second water manifold 22 is provided with a water outlet pipe section 221. The second water manifold 22 is configured so that water that has passed through the laminate 10 flows into the inside and is discharged to the outside from the water outlet pipe section 221. Here, the second water manifold 22 allows water to flow from the underside of the laminate 10 into an opening (not shown) formed on the upper surface, and flows out via the water outlet pipe section 221.

[A-4]第1の燃料極ガスマニホールド31
第1の燃料極ガスマニホールド31は、積層体10の上方において、第1の水マニホールド21と並ぶように設置されている。つまり、第1の燃料極ガスマニホールド31は、第1の水マニホールド21と同様に、積層体10において積層方向に沿った水平面(xz面)のうち上側に位置する上面に対面するように配置されている。
[A-4] First fuel electrode gas manifold 31
The first fuel electrode gas manifold 31 is disposed above the stack 10 so as to be aligned with the first water manifold 21. That is, like the first water manifold 21, the first fuel electrode gas manifold 31 is disposed so as to face the upper surface of the stack 10 that is located on the upper side of the horizontal plane (xz plane) along the stacking direction.

第1の燃料極ガスマニホールド31には、燃料極ガス入口配管部311が設置されている。第1の燃料極ガスマニホールド31は、燃料極ガス入口配管部311から燃料極ガスが内部へ流入し、その流入した燃料極ガスを積層体10に供給するように構成されている。ここでは、第1の燃料極ガスマニホールド31は、下面に形成された開口(図示省略)から、積層体10の上面に燃料極ガスを供給する。燃料極ガスは、水素(燃料)を含み、積層体10での発電反応の反応物として供給される。 The first fuel electrode gas manifold 31 is provided with a fuel electrode gas inlet pipe section 311. The first fuel electrode gas manifold 31 is configured so that fuel electrode gas flows into the inside from the fuel electrode gas inlet pipe section 311 and the flowed-in fuel electrode gas is supplied to the stack 10. Here, the first fuel electrode gas manifold 31 supplies fuel electrode gas to the upper surface of the stack 10 from an opening (not shown) formed on the lower surface. The fuel electrode gas contains hydrogen (fuel) and is supplied as a reactant for the power generation reaction in the stack 10.

[A-5]第2の燃料極ガスマニホールド32
第2の燃料極ガスマニホールド32は、積層体10の下方において、第2の水マニホールド22と並ぶように設置されている。つまり、第2の燃料極ガスマニホールド32は、第2の水マニホールド22と同様に、積層体10において積層方向に沿った水平面(xz面)のうち下側に位置する下面に対面するように配置されている。
[A-5] Second fuel electrode gas manifold 32
The second fuel electrode gas manifold 32 is disposed below the stack 10 so as to be aligned with the second water manifold 22. That is, like the second water manifold 22, the second fuel electrode gas manifold 32 is disposed so as to face the lower surface of the stack 10 that is located on the lower side of the horizontal plane (xz plane) along the stacking direction.

第2の燃料極ガスマニホールド32には、燃料極ガス出口配管部321が設置されている。第2の燃料極ガスマニホールド32は、積層体10での電気化学反応で消費されずに積層体10を通過した燃料極ガスが内部へ流入し、燃料極ガス出口配管部321から外部へ排出されるように構成されている。ここでは、第2の燃料極ガスマニホールド32は、上面に形成された開口(図示省略)へ燃料極ガスが積層体10の下面から流入し、燃料極ガス出口配管部321を介して流出する。 The second fuel electrode gas manifold 32 is provided with a fuel electrode gas outlet piping section 321. The second fuel electrode gas manifold 32 is configured so that fuel electrode gas that has passed through the stack 10 without being consumed in the electrochemical reaction in the stack 10 flows into the inside and is discharged to the outside from the fuel electrode gas outlet piping section 321. Here, the second fuel electrode gas manifold 32 is configured so that fuel electrode gas flows from the bottom surface of the stack 10 into an opening (not shown) formed on the top surface, and flows out via the fuel electrode gas outlet piping section 321.

[A-6]第1の空気極ガスマニホールド41
第1の空気極ガスマニホールド41は、積層体10において積層方向に沿った鉛直面(yz面)のうち一方(図1では左側)に位置する側面(左側面)に対面するように配置されている。
[A-6] First air electrode gas manifold 41
The first air electrode gas manifold 41 is disposed so as to face a side surface (left side surface) located on one side (the left side in FIG. 1 ) of vertical surfaces (yz surfaces) along the stacking direction of the stack 10 .

第1の空気極ガスマニホールド41には、空気極ガス入口配管部411が設置されている。第1の空気極ガスマニホールド41は、空気極ガス入口配管部411から空気極ガスが内部へ流入し、その流入した空気極ガスを積層体10に供給するように構成されている。ここでは、第1の空気極ガスマニホールド41は、側面に形成された開口(図示省略)から、積層体10の側面に空気極ガスを供給する。空気極ガスは、酸素(酸化剤)を含む空気であって、燃料極ガスと同様に、積層体10での発電反応のための反応物として供給される。 The first air electrode gas manifold 41 is provided with an air electrode gas inlet pipe section 411. The first air electrode gas manifold 41 is configured so that air electrode gas flows into the inside from the air electrode gas inlet pipe section 411 and the air electrode gas that flows in is supplied to the stack 10. Here, the first air electrode gas manifold 41 supplies air electrode gas to the side of the stack 10 from an opening (not shown) formed on the side. The air electrode gas is air containing oxygen (oxidant), and is supplied as a reactant for the power generation reaction in the stack 10, similar to the fuel electrode gas.

[A-7]第2の空気極ガスマニホールド42
第2の空気極ガスマニホールド42は、積層体10において積層方向に沿った鉛直面(yz面)のうち他方(図1では右側)に位置する側面(右側面)に対面するように配置されている。
[A-7] Second air electrode gas manifold 42
The second air electrode gas manifold 42 is disposed so as to face the other side surface (right side surface) (the right side surface in FIG. 1 ) of the vertical surfaces (yz surfaces) along the stacking direction of the stack 10 .

第2の空気極ガスマニホールド42には、空気極ガス出口配管部421が設置されている。第2の空気極ガスマニホールド42は、積層体10での電気化学反応で消費されずに積層体10を通過した空気極ガスが内部へ流入し、空気極ガス出口配管部421から外部へ排出されるように構成されている。ここでは、第2の空気極ガスマニホールド42は、上面に形成された開口(図示省略)へ空気極ガスが積層体10の下面から流入し、空気極ガス出口配管部421を介して流出する。 The second air electrode gas manifold 42 is provided with an air electrode gas outlet piping section 421. The second air electrode gas manifold 42 is configured so that the air electrode gas that has passed through the stack 10 without being consumed in the electrochemical reaction in the stack 10 flows into the inside and is discharged to the outside from the air electrode gas outlet piping section 421. Here, the second air electrode gas manifold 42 is configured so that the air electrode gas flows from the bottom surface of the stack 10 into an opening (not shown) formed on the top surface and flows out through the air electrode gas outlet piping section 421.

[B]積層体10の詳細構成
図2は、第1実施形態に係る燃料電池スタック1において、積層体10の詳細構成を模式的に示す断面図である。図2では、図1において水平面(xz面)に対応する断面の一部を示している。
[B] Detailed Configuration of Stack 10 Fig. 2 is a cross-sectional view showing a schematic detailed configuration of stack 10 in fuel cell stack 1 according to the first embodiment. Fig. 2 shows a part of a cross section corresponding to a horizontal plane (xz plane) in Fig. 1.

積層体10の詳細構成について図2を用いて説明する。 The detailed structure of the laminate 10 is described with reference to Figure 2.

既に説明したように、積層体10は、燃料電池セル11とセパレータ12とが積層方向zにおいて交互に積層されることで構成されている。 As already explained, the stack 10 is constructed by stacking fuel cells 11 and separators 12 alternately in the stacking direction z.

[B-1]燃料電池セル11
積層体10において、燃料電池セル11は、高分子電解質膜110と燃料極111と空気極112とを含む。燃料電池セル11は、高分子電解質膜110が燃料極111と空気極112との間に介在している膜/電極接合体である。
[B-1] Fuel cell 11
In the laminate 10, the fuel cell 11 includes a polymer electrolyte membrane 110, an anode 111, and a cathode 112. The fuel cell 11 is a membrane/electrode assembly in which the polymer electrolyte membrane 110 is interposed between the anode 111 and the cathode 112.

高分子電解質膜110は、たとえば、スルフォン酸基を有するフッ素系高分子材料で構成されている。燃料極111および空気極112は、たとえば、カーボンブラック担体に白金触媒が担持されることで構成されている。 The polymer electrolyte membrane 110 is made of, for example, a fluorine-based polymer material having sulfonic acid groups. The fuel electrode 111 and the air electrode 112 are made of, for example, a platinum catalyst supported on a carbon black carrier.

[B-2]セパレータ12
積層体10において、セパレータ12は、燃料極側セパレータ部121と空気極側セパレータ部122とを含み、導電性材料で構成されている。ここでは、セパレータ12は、燃料極側セパレータ部121と空気極側セパレータ部122とが積層された組合体である。
[B-2] Separator 12
In the laminate 10, the separator 12 includes a fuel electrode side separator part 121 and an air electrode side separator part 122, and is made of a conductive material. Here, the separator 12 is an assembly in which the fuel electrode side separator part 121 and the air electrode side separator part 122 are laminated.

[B-2-1]燃料極側セパレータ部121
セパレータ12において、燃料極側セパレータ部121は、燃料極ガス流路F121が形成されている。
[B-2-1] Fuel electrode side separator part 121
In the separator 12, the fuel electrode side separator portion 121 has a fuel electrode gas flow passage F121 formed therein.

燃料極ガス流路F121は、鉛直方向(y軸方向)に沿うように形成されており、燃料電池セル11の燃料極111へ供給する燃料極ガスが流れる。燃料極ガス流路F121は、複数であって、複数の燃料極ガス流路F121が、第2水平方向(x軸方向)において間を隔てて設けられている。 The fuel electrode gas flow passage F121 is formed along the vertical direction (y-axis direction), and fuel electrode gas flows through it to be supplied to the fuel electrode 111 of the fuel cell 11. There are multiple fuel electrode gas flow passages F121, and the multiple fuel electrode gas flow passages F121 are spaced apart in the second horizontal direction (x-axis direction).

燃料極ガス流路F121は、燃料極側セパレータ部121のうち燃料極ガスを供給する燃料電池セル11の燃料極111側の面に形成されている。たとえば、図2で中央に示すセパレータ12を構成する燃料極側セパレータ部121は、図2で示す隣り合う2つの燃料電池セル11のうち一方(図2では上方)の燃料電池セル11の燃料極111へ燃料極ガスを供給するように、燃料極ガス流路F121が形成されている。 The fuel electrode gas flow path F121 is formed on the surface of the fuel electrode side separator part 121 on the fuel electrode 111 side of the fuel cell 11 that supplies the fuel electrode gas. For example, the fuel electrode side separator part 121 constituting the separator 12 shown in the center in FIG. 2 has the fuel electrode gas flow path F121 formed so as to supply the fuel electrode gas to the fuel electrode 111 of one of the two adjacent fuel cell cells 11 shown in FIG. 2 (the upper one in FIG. 2).

燃料極ガス流路F121は、鉛直方向において積層体10の上方に位置する第1の燃料極ガスマニホールド31(図1参照)から燃料極ガスが流入する。そして、燃料極ガスは、燃料極ガス流路F121を通過後に、鉛直方向において積層体10の下方に位置する第2の燃料極ガスマニホールド32(図1参照)へ流出する。 The fuel electrode gas flows into the fuel electrode gas flow path F121 from the first fuel electrode gas manifold 31 (see FIG. 1) located vertically above the stack 10. After passing through the fuel electrode gas flow path F121, the fuel electrode gas flows out to the second fuel electrode gas manifold 32 (see FIG. 1) located vertically below the stack 10.

本実施形態では、燃料極側セパレータ部121は、多孔質板で構成されている。たとえば、多孔質板は、カーボン粒子とフェノール樹脂を固めた板で成形時に気孔が適量残るような圧力でプレス成型されている。 In this embodiment, the fuel electrode side separator section 121 is made of a porous plate. For example, the porous plate is made of a plate made of solidified carbon particles and phenolic resin, and is press molded with a pressure that leaves an appropriate amount of pores during molding.

[B-2-2]空気極側セパレータ部122
セパレータ12において、空気極側セパレータ部122は、空気極ガス流路F122が形成されている。
[B-2-2] Air electrode side separator part 122
In the separator 12, the air electrode side separator part 122 has an air electrode gas flow passage F122 formed therein.

空気極ガス流路F122は、積層方向に沿った第1水平方向(z軸方向)に直交する第2水平方向(x軸方向)に沿うように形成されており、燃料電池セル11の空気極112へ供給する空気極ガスが流れる。図示を省略しているが、空気極ガス流路F122は、複数であって、複数の空気極ガス流路F122が、第1水平方向(y軸方向)において間を隔てて設けられている。 The air electrode gas flow passage F122 is formed along a second horizontal direction (x-axis direction) perpendicular to a first horizontal direction (z-axis direction) along the stacking direction, and the air electrode gas supplied to the air electrode 112 of the fuel cell 11 flows through the air electrode gas flow passage F122. Although not shown in the figure, there are multiple air electrode gas flow passages F122, and the multiple air electrode gas flow passages F122 are provided at intervals in the first horizontal direction (y-axis direction).

空気極ガス流路F122は、空気極側セパレータ部122のうち空気極ガスを供給する燃料電池セル11の空気極112側の面に形成されている。たとえば、図2で中央に示すセパレータ12を構成する空気極側セパレータ部122は、図2で示す隣り合う2つの燃料電池セル11のうち他方(図2では下方)の燃料電池セル11の空気極112へ空気極ガスを供給するように、空気極ガス流路F122が形成されている。 The air electrode gas flow path F122 is formed on the surface of the air electrode side separator part 122 that faces the air electrode 112 of the fuel cell 11 to which the air electrode gas is supplied. For example, the air electrode side separator part 122 that constitutes the separator 12 shown in the center in FIG. 2 has the air electrode gas flow path F122 formed so as to supply the air electrode gas to the air electrode 112 of the other (lower in FIG. 2) of the two adjacent fuel cell cells 11 shown in FIG. 2.

空気極ガス流路F122は、第2水平方向(x軸方向)において積層体10の一方の側方に位置する第1の空気極ガスマニホールド41(図1参照)から空気極ガスが流入する。そして、空気極ガスは、空気極ガス流路F122を通過後に、第2水平方向(x軸方向)において積層体10の一方の側方に位置する第2の空気極ガスマニホールド42(図1参照)へ流出する。 The air electrode gas flows into the air electrode gas flow path F122 from a first air electrode gas manifold 41 (see FIG. 1) located on one side of the stack 10 in the second horizontal direction (x-axis direction). After passing through the air electrode gas flow path F122, the air electrode gas flows out to a second air electrode gas manifold 42 (see FIG. 1) located on one side of the stack 10 in the second horizontal direction (x-axis direction).

本実施形態では、空気極側セパレータ部122は、燃料極側セパレータ部121を構成する多孔質板よりもガスが透過しにくい緻密板で構成されている。たとえば、緻密板は、多孔質セパレータと同様にカーボン粒子とフェノール樹脂で構成される。ただし、成形時に高圧でプレスすることで、気孔を持たず、ガスの透過量を抑制した緻密な構造が得られる。 In this embodiment, the air electrode side separator section 122 is made of a dense plate that is less permeable to gas than the porous plate that constitutes the fuel electrode side separator section 121. For example, the dense plate is made of carbon particles and phenolic resin, just like the porous separator. However, by pressing at high pressure during molding, a dense structure without air holes and with reduced gas permeation is obtained.

[C]作用および効果
本実施形態の燃料電池スタック1の作用および効果について説明する。
[C] Functions and Effects The functions and effects of the fuel cell stack 1 of this embodiment will be described.

本実施形態の燃料電池スタック1において発電を行う際には、上述したように、燃料極111へ燃料極ガスを供給し、空気極112へ空気極ガスを供給する。燃料極ガスは、たとえば、水素(H)が80体積%以上100体積%以下の割合で含有する。空気極ガスは、たとえば、空気であって、酸素(O)が21体積%程度の割合で含有する。 When generating electricity in the fuel cell stack 1 of this embodiment, as described above, anode gas is supplied to the anode 111, and cathode gas is supplied to the cathode 112. The anode gas contains, for example, hydrogen (H 2 ) at a ratio of 80 volume % to 100 volume %. The cathode gas is, for example, air and contains oxygen (O 2 ) at a ratio of about 21 volume %.

そして、燃料極111へ供給された燃料極ガスと空気極112へ供給された空気極ガスとの間において発電反応が生ずることで、燃料電池セル11において発電が行われる。具体的には、燃料極111では、燃料極ガスに含まれる水素(H)がプロトン(H)と電子(e)に分解される。その分解されたプロトン(H)は、高分子電解質膜110を介して、空気極112へ移動する。空気極112では、空気極ガスである空気に含まれる酸素(O)が、プロトン(H)および電子(e)と反応する(4H+O+4e→2HO)。その結果、水(HO)が生成物として生成される。 Then, a power generation reaction occurs between the fuel electrode gas supplied to the fuel electrode 111 and the air electrode gas supplied to the air electrode 112, generating power in the fuel cell 11. Specifically, at the fuel electrode 111, hydrogen (H 2 ) contained in the fuel electrode gas is decomposed into protons (H + ) and electrons (e ). The decomposed protons (H + ) move to the air electrode 112 via the polymer electrolyte membrane 110. At the air electrode 112, oxygen (O 2 ) contained in the air, which is the air electrode gas, reacts with the protons (H + ) and electrons (e ) (4H + +O 2 +4e →2H 2 O). As a result, water (H 2 O) is produced as a product.

燃料電池セル11の発電性能を向上させるためには、高分子電解質膜110の含水率を高めることによって、高分子電解質膜110のプロトン抵抗を低下させる必要がある。また、発電反応による発熱によって燃料電池セル11の温度が上昇するため、燃料電池セル11の温度を適切な範囲に保持する必要がある。 To improve the power generation performance of the fuel cell 11, it is necessary to reduce the proton resistance of the polymer electrolyte membrane 110 by increasing the water content of the polymer electrolyte membrane 110. In addition, since the temperature of the fuel cell 11 rises due to heat generated by the power generation reaction, it is necessary to maintain the temperature of the fuel cell 11 within an appropriate range.

このため、本実施形態では、鉛直方向(y軸)において積層体10の上方から下方へ向けて水を導入する。具体的には、水は、積層体10の上方に位置する第1の水マニホールド21(図1参照)から積層体10に導入される。そして、積層体10を通過した水は、積層体10の下方に位置する第2の水マニホールド22に排出される。 For this reason, in this embodiment, water is introduced from above to below the laminate 10 in the vertical direction (y-axis). Specifically, water is introduced into the laminate 10 from a first water manifold 21 (see FIG. 1) located above the laminate 10. Then, the water that passes through the laminate 10 is discharged into a second water manifold 22 located below the laminate 10.

上述したように、本実施形態の積層体10において、セパレータ12は、多孔質板で構成されている燃料極側セパレータ部121と、緻密板で構成されている空気極側セパレータ部122とを含む。第1の水マニホールド21(図1参照)から積層体10に導入された水は、緻密板で構成されている空気極側セパレータ部122よりも、多孔質板で構成されている燃料極側セパレータ部121に浸透する。このため、本実施形態では、主に、燃料極側セパレータ部121に浸透した水によって、高分子電解質膜110の含水率が高められると共に、燃料電池セル11が冷却される。 As described above, in the stack 10 of this embodiment, the separator 12 includes the fuel electrode side separator part 121 made of a porous plate and the air electrode side separator part 122 made of a dense plate. Water introduced into the stack 10 from the first water manifold 21 (see FIG. 1) permeates into the fuel electrode side separator part 121 made of a porous plate rather than into the air electrode side separator part 122 made of a dense plate. For this reason, in this embodiment, the water content of the polymer electrolyte membrane 110 is increased and the fuel cell 11 is cooled mainly by the water that has permeated into the fuel electrode side separator part 121.

本実施形態では、空気極側セパレータ部122は、緻密板で構成されているので、積層体10に導入された水の浸透がほとんどない。このため、積層体10に導入された水が乾燥することを防止可能である。その結果、本実施形態では、高分子電解質膜110の含水率の向上と、燃料電池セル11の冷却との両者を効率的に実行可能である。 In this embodiment, the air electrode side separator part 122 is made of a dense plate, so there is almost no penetration of water introduced into the laminate 10. This makes it possible to prevent the water introduced into the laminate 10 from drying out. As a result, in this embodiment, it is possible to efficiently both improve the water content of the polymer electrolyte membrane 110 and cool the fuel cell 11.

特に、本実施形態では、積層体10の積層方向は、鉛直方向に対して直交する水平方向であり、積層体10は、鉛直方向において上方から下方へ向けて水が導入される。つまり、積層体10においては、水が自重で上方から下方へ流れる。このため、本実施形態では、高分子電解質膜110の含水率の向上、および、燃料電池セル11の冷却を簡便な構成で実現可能である。 In particular, in this embodiment, the stacking direction of the stack 10 is a horizontal direction perpendicular to the vertical direction, and water is introduced into the stack 10 from above to below in the vertical direction. In other words, in the stack 10, water flows from above to below due to its own weight. Therefore, in this embodiment, it is possible to improve the water content of the polymer electrolyte membrane 110 and cool the fuel cell 11 with a simple configuration.

[D]変形例
上記の実施形態のセパレータ12は、燃料極側セパレータ部121が多孔質板で構成され、空気極側セパレータ部122が緻密板で構成されている場合について説明したが、これに限らない。燃料極側セパレータ部121が緻密板で構成され、空気極側セパレータ部122が多孔質板で構成されていてもよい。つまり、燃料極側セパレータ部121と空気極側セパレータ部122とのうち、一方は、多孔質板で構成されており、他方は、緻密板で構成されていればよい。
[D] Modifications In the above embodiment, the separator 12 is described as being configured with the fuel electrode side separator part 121 being made of a porous plate and the air electrode side separator part 122 being made of a dense plate, but this is not limited thereto. The fuel electrode side separator part 121 may be configured of a dense plate and the air electrode side separator part 122 may be configured of a porous plate. In other words, it is sufficient that one of the fuel electrode side separator part 121 and the air electrode side separator part 122 is configured of a porous plate and the other is configured of a dense plate.

ただし、上記の実施形態で例示したように、セパレータ12は、燃料極側セパレータ部121が多孔質板で構成され、空気極側セパレータ部122が緻密板で構成されている方が好ましい。上記の実施形態において、燃料極ガスは、たとえば、水素(H)が80体積%以上100体積%以下の割合で含まれる。そして、空気極ガスは、たとえば、空気であって、酸素(O)が21体積%程度の割合で含まれる。つまり、燃料極ガスにおいて反応物として含まれる成分(水素成分)の割合(80体積%以上100体積%以下)よりも、空気極ガスにおいて反応物として含まれる成分(酸素成分)の割合(21体積%程度)の方が小さい。このため、発電反応を効率的に進行させるためには、空気極ガスの供給量を燃料極ガスの供給量よりも多くする必要があるので、空気極側セパレータ部122の方が燃料極側セパレータ部121よりも乾燥しやすい。しかし、本実施形態では、空気極側セパレータ部122は、多孔質板よりもガスが透過しにくい緻密板で構成されているので、空気極ガスによる乾燥を効果的に防止可能である。 However, as exemplified in the above embodiment, it is preferable that the separator 12 is configured such that the fuel electrode side separator part 121 is made of a porous plate and the air electrode side separator part 122 is made of a dense plate. In the above embodiment, the fuel electrode gas contains, for example, hydrogen (H 2 ) at a ratio of 80 volume % to 100 volume %. And, the air electrode gas is, for example, air and contains oxygen (O 2 ) at a ratio of about 21 volume %. That is, the ratio of the component (oxygen component) contained as a reactant in the air electrode gas (about 21 volume %) is smaller than the ratio of the component (hydrogen component) contained as a reactant in the fuel electrode gas (80 volume % to 100 volume %). Therefore, in order to efficiently proceed with the power generation reaction, it is necessary to increase the supply amount of the air electrode gas more than the supply amount of the fuel electrode gas, so that the air electrode side separator part 122 is more likely to dry than the fuel electrode side separator part 121. However, in this embodiment, the air electrode side separator part 122 is made of a dense plate that is less permeable to gas than a porous plate, so drying due to the air electrode gas can be effectively prevented.

<第2実施形態>
[A]構成
図3は、第2実施形態に係る燃料電池スタック1bの全体構成を模式的に示す斜視図である。
Second Embodiment
[A] Configuration FIG. 3 is a perspective view that shows a schematic overall configuration of a fuel cell stack 1b according to the second embodiment.

図3に示すように、本実施形態の燃料電池スタック1bでは、第1実施形態の場合(図1参照)と異なり、第1の空気極ガスマニホールド41および第2の空気極ガスマニホールド42が設けられていない。本実施形態では、空気供給部60が設けられている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第1実施形態の場合と同様である。このため、重複する事項については、適宜、説明を省略する。 As shown in FIG. 3, unlike the first embodiment (see FIG. 1), the fuel cell stack 1b of this embodiment does not have a first air electrode gas manifold 41 and a second air electrode gas manifold 42. In this embodiment, an air supply unit 60 is provided. Except for this point and related points, this embodiment is similar to the first embodiment. Therefore, explanations of overlapping points will be omitted as appropriate.

空気供給部60は、冷却媒体として空気を用いて積層体10を冷却するように構成されている。ここでは、空気供給部60は、図3に示すように、冷却ファン61と筒部62とを含み、冷却ファン61から筒部62の内部を介して空気を積層体10へ冷却媒体として供給する。筒部62は、冷却ファン61から積層体10へ向かうに伴って、内部が広がるように構成されている。 The air supply unit 60 is configured to cool the laminate 10 using air as a cooling medium. Here, as shown in FIG. 3, the air supply unit 60 includes a cooling fan 61 and a tubular portion 62, and supplies air as a cooling medium from the cooling fan 61 to the laminate 10 through the inside of the tubular portion 62. The tubular portion 62 is configured so that the inside expands as it moves from the cooling fan 61 toward the laminate 10.

空気供給部60から積層体10へ供給される空気は、空気極ガスであると同時に、冷却媒体として機能する。 The air supplied from the air supply unit 60 to the stack 10 functions as an air electrode gas and also as a cooling medium.

[B]作用および効果
以上のように、本実施形態では、空気供給部60が冷却媒体として空気を用いて積層体10を冷却する。このため、本実施形態では、積層体10の冷却を効率的に実行可能である。
[B] Function and Effects As described above, in this embodiment, the air supply unit 60 uses air as a cooling medium to cool the stack body 10. Therefore, in this embodiment, the stack body 10 can be cooled efficiently.

<その他>
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され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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
<Other>
Although some embodiments of the present invention have been described, 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, substitutions, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.

1:燃料電池スタック、10:積層体、11:燃料電池セル、12:セパレータ、21:第1の水マニホールド、22:第2の水マニホールド、31:第1の燃料極ガスマニホールド、32:第2の燃料極ガスマニホールド、41:第1の空気極ガスマニホールド、42:第2の空気極ガスマニホールド、110:高分子電解質膜、111:燃料極、112:空気極。 1: fuel cell stack, 10: laminate, 11: fuel cell, 12: separator, 21: first water manifold, 22: second water manifold, 31: first fuel electrode gas manifold, 32: second fuel electrode gas manifold, 41: first air electrode gas manifold, 42: second air electrode gas manifold, 110: polymer electrolyte membrane, 111: fuel electrode, 112: air electrode.

Claims (1)

燃料電池セルとセパレータとが積層方向において交互に積層された積層体を備える燃料電池スタックであって、
前記燃料電池セルは、燃料極と空気極との間に高分子電解質膜が介在しており、
前記セパレータは、
前記燃料極へ供給する燃料極ガスが流れる燃料極ガス流路が形成されている燃料極側セパレータ部と、
前記空気極へ供給する空気極ガスが流れる空気極ガス流路が形成されている空気極側セパレータ部と
を含み、
前記燃料極側セパレータ部は、多孔質板で構成されており、
前記空気極側セパレータ部は、前記多孔質板よりもガスが透過しにくい緻密板で構成されており、
前記積層方向は、鉛直方向に対して直交する水平方向であり、
前記積層体は、前記鉛直方向において上方から下方へ向けて水が導入されるように構成されている、
燃料電池スタック。
A fuel cell stack including a stack of fuel cells and separators stacked alternately in a stacking direction,
The fuel cell has a polymer electrolyte membrane interposed between a fuel electrode and an air electrode,
The separator is
a fuel electrode side separator portion having a fuel electrode gas flow passage formed therein through which a fuel electrode gas to be supplied to the fuel electrode flows;
an air electrode-side separator portion having an air electrode gas flow path through which an air electrode gas to be supplied to the air electrode flows;
The fuel electrode side separator portion is composed of a porous plate,
the air electrode side separator portion is made of a dense plate which is less permeable to gas than the porous plate ,
The stacking direction is a horizontal direction perpendicular to a vertical direction,
The laminate is configured so that water is introduced from above to below in the vertical direction.
Fuel cell stack.
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