JP7709997B2 - Fuel Cell Stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.
近年、より多くの人が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池に関する技術開発が行われている。この種の燃料電池に用いられる燃料電池スタックとして、従来より、複数の発電セルに均一に反応ガスが供給されることを目的として、反応ガスが流入するガス供給マニホールドの入口にハニカム部材を配置し、ハニカム部材でガスを整流するようにした技術が知られている(例えば特許文献1参照)。 In recent years, technological developments have been made on fuel cells that contribute to energy efficiency, so that more people can have access to affordable, reliable, sustainable and advanced energy. As a fuel cell stack used in this type of fuel cell, a technology has been known in which a honeycomb member is placed at the inlet of a gas supply manifold into which the reactant gas flows, and the honeycomb member rectifies the gas flow, in order to supply the reactant gas evenly to multiple power generation cells (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記特許文献1記載のように、反応ガスを整流してガス供給マニホールドに導いたとしても、ガス供給マニホールドの入口に近い側と遠い側とでは発電セルに対する反応ガスの供給量に差が生じやすく、このため発電量にも差が生じやすい。 However, even if the reactant gas is rectified and introduced into the gas supply manifold as described in Patent Document 1, there is a tendency for the amount of reactant gas supplied to the power generation cell to differ between the side closer to the inlet of the gas supply manifold and the side farther away, which in turn tends to result in a difference in the amount of power generation.
本発明の一態様である燃料電池スタックは、電解質膜を有する複数の発電セルを第1方向に積層して構成されるセル積層体と、セル積層体に隣接して配置されたエンドユニットと、を備える。エンドユニットには、第1方向に直交する第2方向の一方側および他方側に、エンドユニットを第1方向に貫通してそれぞれ反応ガスが流入および流出するガス流入路およびガス流出路が設けられ、セル積層体には、電解質膜を挟んで第2方向の一方側および他方側に、セル積層体を第1方向に貫通してガス流入路およびガス流出路にそれぞれ連通するガス供給路およびガス排出路が設けられ、ガス流入路は、ガス流入路の中心を通る軸線が、ガス流入路の入口において、ガス供給路の中心を通る軸線と同一直線上に位置し、ガス流入路の出口において、第2方向の一方側を向くように設けられる。 A fuel cell stack according to one aspect of the present invention includes a cell stack formed by stacking a plurality of power generation cells having an electrolyte membrane in a first direction, and an end unit disposed adjacent to the cell stack, the end unit being provided with a gas inlet channel and a gas outlet channel penetrating the end unit in the first direction on one side and the other side in a second direction perpendicular to the first direction, through which a reactant gas flows in and out, respectively, and the cell stack being provided with a gas supply channel and a gas exhaust channel penetrating the cell stack in the first direction on one side and the other side in the second direction across the electrolyte membrane, the gas inlet channel being arranged such that an axis passing through the center of the gas inlet channel is aligned in the same line as an axis passing through the center of the gas supply channel at an inlet of the gas inlet channel and faces one side in the second direction at an outlet of the gas inlet channel.
本発明によれば、複数の発電セルにおける発電量のばらつきを抑えることができる。 The present invention makes it possible to reduce variation in the amount of power generated among multiple power generating cells.
以下、図1~図9を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池の主たる要素を構成する。燃料電池は、例えば車両に搭載され、車両駆動用の電力を発生することができる。燃料電池は、航空機や船舶等の車両以外の移動体、ロボットの他、各種産業機械に搭載することもできる。まず、燃料電池スタックの全体構成を概略的に説明する。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 1 to 9. A fuel cell stack according to an embodiment of the present invention constitutes a main element of a fuel cell. The fuel cell can be mounted, for example, in a vehicle and generate power to drive the vehicle. Fuel cells can also be mounted in moving objects other than vehicles, such as aircraft and ships, robots, and various industrial machines. First, the overall configuration of a fuel cell stack will be described in brief.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック100の全体構成を概略的に示す斜視図である。以下では、便宜上、図示のように互いに直交する三軸方向を、前後方向、左右方向および上下方向と定義し、この定義に従い各部の構成を説明する。これらの方向は、車両の前後方向、左右方向および上下方向と同一であるとは限らない。例えば図1の前後方向は、車両の前後方向であってもよく、左右方向であってもよく、上下方向であってもよい。 Figure 1 is a perspective view showing the overall configuration of a fuel cell stack 100 according to an embodiment of the present invention. For convenience, the three mutually orthogonal axial directions shown in the figure are defined below as the front-rear direction, the left-right direction, and the up-down direction, and the configuration of each part is described according to these definitions. These directions are not necessarily the same as the front-rear direction, the left-right direction, and the up-down direction of a vehicle. For example, the front-rear direction in Figure 1 may be the front-rear direction, the left-right direction, or the up-down direction of a vehicle.
図1に示すように、燃料電池スタック100は、複数の発電セル1を前後方向に積層して構成されたセル積層体101と、セル積層体101の前後両端部に配置されたエンドユニット102とを有し、全体が略直方体形状を呈する。セル積層体101の左右方向の長さは、上下方向の長さよりも長い。図1には、便宜上、単一の発電セル1が示される。発電セル1は、電解質膜と電極とを含む接合体を有する電極アッセンブリ2と、電極アッセンブリ2の前後両側に配置され、電極アッセンブリ2を挟持するセパレータ3,3と、を有する。電極アッセンブリ2とセパレータ3とは、前後方向に交互に配置される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 100 has a cell stack 101 formed by stacking a number of power generation cells 1 in the front-rear direction, and end units 102 arranged at both the front and rear ends of the cell stack 101, and has an approximately rectangular parallelepiped shape as a whole. The length of the cell stack 101 in the left-right direction is longer than its length in the up-down direction. For convenience, FIG. 1 shows a single power generation cell 1. The power generation cell 1 has an electrode assembly 2 having an assembly including an electrolyte membrane and an electrode, and separators 3, 3 arranged on both the front and rear sides of the electrode assembly 2 and sandwiching the electrode assembly 2. The electrode assemblies 2 and the separators 3 are arranged alternately in the front-rear direction.
セパレータ3は、断面が波板状の前後一対の金属製の薄板を有し、これら薄板の外周同士を接合して一体に構成される。セパレータ3には耐腐食性に優れた導電性の材料が用いられ、例えばチタン、チタン合金、ステンレス等を用いることができる。セパレータ3の内部には、冷却媒体が流れる冷却流路が形成され、冷却媒体の流れにより発電セル1の発電面が冷却される。冷却媒体としては例えば水を用いることができる。電極アッセンブリ2に対向するセパレータ3の表面(前面および後面)は、電極アッセンブリ2の接合体との間にガス流路を形成するようにプレス成形などによって凹凸状に構成される。 The separator 3 has a pair of front and rear thin metal plates with a corrugated cross section, and is integrally formed by joining the outer peripheries of these thin plates. The separator 3 is made of a conductive material with excellent corrosion resistance, such as titanium, titanium alloy, or stainless steel. A cooling flow path through which a cooling medium flows is formed inside the separator 3, and the power generation surface of the power generation cell 1 is cooled by the flow of the cooling medium. Water, for example, can be used as the cooling medium. The surface (front and rear surfaces) of the separator 3 facing the electrode assembly 2 is made uneven by press molding or the like so as to form a gas flow path between the electrode assembly 2 and the joined body.
電極アッセンブリ2の前側のセパレータ3は、例えばアノード側のセパレータ(アノードセパレータ)であり、アノードセパレータ3と電極アッセンブリ2の接合体との間に、燃料ガスが流れるアノード流路が形成される。電極アッセンブリ2の後側のセパレータ3は、例えばカソード側のセパレータ(カソードセパレータ)であり、カソードセパレータ3と電極アッセンブリ2の接合体との間に、酸化剤ガスが流れるカソード流路が形成される。燃料ガスとしては例えば水素ガスを、酸化剤ガスとしては例えば空気を用いることができる。燃料ガスと酸化剤ガスとを区別せずに、これらを反応ガスと呼ぶこともある。 The separator 3 on the front side of the electrode assembly 2 is, for example, an anode side separator (anode separator), and an anode flow path through which fuel gas flows is formed between the anode separator 3 and the electrode assembly 2 assembly. The separator 3 on the rear side of the electrode assembly 2 is, for example, a cathode side separator (cathode separator), and a cathode flow path through which oxidizer gas flows is formed between the cathode separator 3 and the electrode assembly 2 assembly. For example, hydrogen gas can be used as the fuel gas, and for example, air can be used as the oxidizer gas. Sometimes, the fuel gas and the oxidizer gas are referred to as reactant gases without distinguishing between them.
図2は、電極アッセンブリ2の概略構成を示す斜視図である。図2に示すように、電極アッセンブリ2は、略矩形状の接合体20と、接合体20を支持するフレーム21と、を有する。接合体20は膜電極接合体(いわゆるMEA;Membrane Electrode Assembly)であり、電解質膜と、電解質膜の前面に設けられたアノード電極と、電解質膜の後面に設けられたカソード電極とを有する。 Figure 2 is a perspective view showing the schematic configuration of the electrode assembly 2. As shown in Figure 2, the electrode assembly 2 has a substantially rectangular assembly 20 and a frame 21 that supports the assembly 20. The assembly 20 is a membrane electrode assembly (also known as MEA; Membrane Electrode Assembly), and has an electrolyte membrane, an anode electrode provided on the front surface of the electrolyte membrane, and a cathode electrode provided on the rear surface of the electrolyte membrane.
電解質膜は、例えば固体高分子電解質膜であり、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜を用いることができる。フッ素系電解質に限らず、炭化水素系電解質を用いることもできる。 The electrolyte membrane is, for example, a solid polymer electrolyte membrane, and a thin film of perfluorosulfonic acid containing water can be used. It is not limited to fluorine-based electrolytes, and hydrocarbon-based electrolytes can also be used.
アノード電極は、電解質膜の前面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、該電極触媒層の前面には反応ガスを拡散して供給するガス拡散層が設けられる。カソード電極は、電解質膜の後面に形成され、電極反応の反応場となる電極触媒層であり、該電極触媒層の後面には反応ガスを拡散して供給するガス拡散層が設けられる。電極触媒層には、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素の電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、および電子伝導性を有するカーボン粒子等が含まれる。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材、例えばカーボン多孔質体により構成される。 The anode electrode is an electrode catalyst layer formed on the front surface of the electrolyte membrane and serves as the reaction field for the electrode reaction. A gas diffusion layer is provided on the front surface of the electrode catalyst layer to diffuse and supply the reactant gas. The cathode electrode is an electrode catalyst layer formed on the rear surface of the electrolyte membrane and serves as the reaction field for the electrode reaction. A gas diffusion layer is provided on the rear surface of the electrode catalyst layer to diffuse and supply the reactant gas. The electrode catalyst layer includes a catalyst metal that promotes the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas, an electrolyte with proton conductivity, and carbon particles with electron conductivity. The gas diffusion layer is composed of a conductive material with gas permeability, such as a carbon porous body.
アノード電極では、アノード流路およびガス拡散層を介して供給された燃料ガス(水素)が、触媒の作用によってイオン化され、電解質膜を通過してカソード電極側へ移動する。このとき生じた電子は、外部回路を通過し、電気エネルギとして取り出される。カソード電極では、カソード流路およびガス拡散層を介して供給された酸化剤ガス(酸素)と、アノード電極から導かれた水素イオンおよびアノード電極から移動した電子とが反応し、水が生成される。生成された水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水は電極アッセンブリ2の外部へ排出される。 At the anode electrode, the fuel gas (hydrogen) supplied through the anode flow path and gas diffusion layer is ionized by the action of a catalyst and passes through the electrolyte membrane to move to the cathode electrode. The electrons generated at this time pass through an external circuit and are extracted as electrical energy. At the cathode electrode, the oxidant gas (oxygen) supplied through the cathode flow path and gas diffusion layer reacts with the hydrogen ions guided from the anode electrode and the electrons that have moved from the anode electrode to generate water. The generated water provides an appropriate humidity to the electrolyte membrane, and excess water is discharged outside the electrode assembly 2.
フレーム21は、略矩形状を呈する薄板であり、絶縁性を有する樹脂やゴム等により構成される。フレーム21の中央部には、略矩形状の開口部21aが設けられ、開口部21aの全体を覆うように接合体20が設けられる。フレーム21の開口部21aの左側には、フレーム21を前後方向に貫通する3つの貫通孔211~213が上下方向に並んで開口され、開口部21aの右側には、フレーム21を前後方向に貫通する3つの貫通孔214~216が上下方向に並んで開口される。 The frame 21 is a thin plate having a generally rectangular shape and is made of insulating resin, rubber, or the like. A generally rectangular opening 21a is provided in the center of the frame 21, and a joint 20 is provided to cover the entire opening 21a. On the left side of the opening 21a of the frame 21, three through holes 211-213 that penetrate the frame 21 in the front-to-rear direction are opened in a line up in the vertical direction, and on the right side of the opening 21a, three through holes 214-216 that penetrate the frame 21 in the front-to-rear direction are opened in a line up in the vertical direction.
図1に示すように、電極アッセンブリ2の前後のセパレータ3には、フレーム21の貫通孔211~216に対応する位置に、セパレータ3を前後方向に貫通する貫通孔311~316がそれぞれ開口される。貫通孔311~316は、フレーム21の貫通孔211~216にそれぞれ連通する。これら互いに連通する貫通孔211~216,311~316の集合により、セル積層体101を貫通して前後方向に延在する流路PA1~PA6(便宜上、矢印で示す)が形成される。流路PA1~PA6は、マニホールドと呼ばれることもある。流路PA1~PA6は、燃料電池スタック100の外部のマニホールドに接続される。 As shown in FIG. 1, the separators 3 at the front and rear of the electrode assembly 2 are provided with through holes 311-316 that penetrate the separators 3 in the front-rear direction at positions corresponding to the through holes 211-216 in the frame 21. The through holes 311-316 are connected to the through holes 211-216 in the frame 21, respectively. The collection of the through holes 211-216 and 311-316 that communicate with each other forms flow paths PA1-PA6 (indicated by arrows for convenience) that penetrate the cell stack 101 and extend in the front-rear direction. The flow paths PA1-PA6 are sometimes called manifolds. The flow paths PA1-PA6 are connected to a manifold external to the fuel cell stack 100.
貫通孔211,311を介して前方に延びる流路PA1(実線矢印)は、燃料ガス供給流路である。貫通孔216,316を介して後方に延びる流路PA6(実線矢印)は、燃料ガス排出流路である。燃料ガス供給流路PA1および燃料ガス排出流路PA6は、接合体20の前面に対向するアノード流路と連通し、実線矢印に示すように、燃料ガス供給流路PA1と燃料ガス排出流路PA6とを介して、アノード流路を左右方向に燃料ガスが流れる。アノード流路と他の流路PA2~PA5との連通は、図示しないシール部を介して遮断される。燃料ガス排出流路PA6を流れる燃料ガスは、アノード電極で一部が使用された後の燃料ガスであり、これを燃料排ガスと呼ぶことがある。 The flow path PA1 (solid arrow) extending forward through the through holes 211, 311 is a fuel gas supply flow path. The flow path PA6 (solid arrow) extending rearward through the through holes 216, 316 is a fuel gas exhaust flow path. The fuel gas supply flow path PA1 and the fuel gas exhaust flow path PA6 are connected to the anode flow path facing the front surface of the assembly 20, and as shown by the solid arrow, the fuel gas flows left and right through the anode flow path via the fuel gas supply flow path PA1 and the fuel gas exhaust flow path PA6. The communication between the anode flow path and the other flow paths PA2 to PA5 is blocked via a seal portion (not shown). The fuel gas flowing through the fuel gas exhaust flow path PA6 is the fuel gas after a portion of it has been used at the anode electrode, and is sometimes called fuel exhaust gas.
貫通孔214,314を介して前方に延びる流路PA4(点線矢印)は、酸化剤ガス供給流路である。貫通孔213,313を介して後方に延びる流路PA3(点線矢印)は、酸化剤ガス排出流路である。酸化剤ガス供給流路PA4および酸化剤ガス排出流路PA3は、接合体20の後面に対向するカソード流路と連通し、点線矢印に示すように、酸化剤ガス供給流路PA4と酸化剤ガス排出流路PA3とを介して、カソード流路を左右方向に酸化剤ガスが流れる。カソード流路と他の流路PA1,PA2,PA5,PA6との連通は、図示しないシール部を介して遮断される。酸化剤ガス排出流路PA3を流れる酸化剤ガスは、カソード電極で一部が使用された後の酸化剤ガスであり、これを酸化剤排ガスと呼ぶことがある。燃料排ガスと酸化剤排ガスとを区別せずに、これらを反応排ガスと呼ぶこともある。 The flow path PA4 (dotted arrow) extending forward through the through holes 214, 314 is an oxidant gas supply flow path. The flow path PA3 (dotted arrow) extending rearward through the through holes 213, 313 is an oxidant gas discharge flow path. The oxidant gas supply flow path PA4 and the oxidant gas discharge flow path PA3 communicate with the cathode flow path facing the rear surface of the assembly 20, and as shown by the dotted arrow, the oxidant gas flows in the left-right direction through the cathode flow path via the oxidant gas supply flow path PA4 and the oxidant gas discharge flow path PA3. The communication between the cathode flow path and the other flow paths PA1, PA2, PA5, and PA6 is blocked via a seal portion not shown. The oxidant gas flowing through the oxidant gas discharge flow path PA3 is the oxidant gas after a portion of it has been used at the cathode electrode, and this may be called oxidant exhaust gas. The fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas may also be called reaction exhaust gas without distinguishing between them.
貫通孔215,315を介して前方に延びる流路PA5(一点鎖線矢印)は、冷却媒体供給流路である。貫通孔212,312を介して後方に延びる流路PA2(一点鎖線矢印)は、冷却媒体排出流路である。冷却媒体供給流路PA5および冷却媒体排出流路PA2は、セパレータ3の内部の冷却流路と連通しており、冷却媒体供給流路PA5と冷却媒体排出流路PA2とを介して、冷却流路を冷却媒体が流れる。冷却流路と他の流路PA1,PA3,PA4,PA6との連通は、図示しないシール部を介して遮断される。 The flow path PA5 (dotted arrow) extending forward through the through holes 215, 315 is a cooling medium supply flow path. The flow path PA2 (dotted arrow) extending rearward through the through holes 212, 312 is a cooling medium discharge flow path. The cooling medium supply flow path PA5 and the cooling medium discharge flow path PA2 are connected to the cooling flow path inside the separator 3, and the cooling medium flows through the cooling flow path via the cooling medium supply flow path PA5 and the cooling medium discharge flow path PA2. The communication between the cooling flow path and the other flow paths PA1, PA3, PA4, PA6 is blocked via a seal portion not shown.
セル積層体101の前後両側に配置されたエンドユニット102は、それぞれターミナルプレート4と、絶縁プレート5と、エンドプレート6とを有する。なお、前側のエンドユニット102をドライ側エンドユニット、後側のエンドユニット102をウェット側エンドユニットと呼ぶこともある。前後一対のターミナルプレート4,4は、セル積層体101を挟んでその前後両側に配置される。前後一対の絶縁プレート5,5は、ターミナルプレート4,4を挟んでその前後両側に配置される。前後一対のエンドプレート6,6は、絶縁プレート5,5を挟んでその前後両側に配置される。 The end units 102 arranged on both the front and rear sides of the cell stack 101 each have a terminal plate 4, an insulating plate 5, and an end plate 6. The front end unit 102 is sometimes called the dry side end unit, and the rear end unit 102 is sometimes called the wet side end unit. The pair of front and rear terminal plates 4, 4 are arranged on both the front and rear sides of the cell stack 101, sandwiching them. The pair of front and rear insulating plates 5, 5 are arranged on both the front and rear sides of the terminal plate 4, 4. The pair of front and rear end plates 6, 6 are arranged on both the front and rear sides of the insulating plate 5, 5, sandwiching it.
ターミナルプレート4は、金属製の略矩形状の板状部材であり、セル積層体101で電気化学反応により生成された電力を取り出すための端子部を有する。絶縁プレート5は、非導電性を有する樹脂製またはゴム製の略矩形状の板状部材であり、ターミナルプレート4とエンドプレート6とを電気的に絶縁する。エンドプレート6は、金属製または高強度に構成された樹脂製の板状部材であり、エンドプレート6には、例えば前後のエンドプレート6,6同士を連結する前後方向細長の連結部材がボルトにより固定される。燃料電池スタック100は、連結部材を介してエンドプレート6,6により前後方向に押圧された状態で、保持される。セル積層体101を包囲する不図示のケースを連結部材として用い、ケースの前端面および後端面にそれぞれエンドプレート6,6が固定されてもよい。 The terminal plate 4 is a metal, substantially rectangular plate-like member, and has a terminal portion for extracting the electric power generated by the electrochemical reaction in the cell stack 101. The insulating plate 5 is a non-conductive, substantially rectangular plate-like member made of resin or rubber, and electrically insulates the terminal plate 4 from the end plate 6. The end plate 6 is a metal or high-strength resin plate-like member, and a connecting member elongated in the front-rear direction that connects the front and rear end plates 6, 6 is fixed to the end plate 6 by a bolt, for example. The fuel cell stack 100 is held in a state in which it is pressed in the front-rear direction by the end plates 6, 6 via the connecting member. A case (not shown) that surrounds the cell stack 101 may be used as a connecting member, and the end plates 6, 6 may be fixed to the front and rear end faces of the case, respectively.
後側のエンドユニット102には、エンドユニット102を前後方向に貫通する複数の貫通孔102a~102fが開口される。なお、貫通孔102a~102fは、それぞれターミナルプレート4を貫通する貫通孔、絶縁プレート5を貫通する貫通孔およびエンドプレート6を貫通する貫通孔を含むが、図1では、便宜上、これらをまとめて貫通孔102a~102fとして示す。 The rear end unit 102 has a number of through holes 102a-102f that penetrate the end unit 102 in the front-rear direction. Note that the through holes 102a-102f include a through hole that penetrates the terminal plate 4, a through hole that penetrates the insulating plate 5, and a through hole that penetrates the end plate 6, but for convenience, in FIG. 1, these are collectively shown as through holes 102a-102f.
貫通孔102aは、燃料ガス供給流路PA1の延長線上に開口され、燃料ガス供給流路PA1に連通し、燃料ガス流入路PA11を構成する。貫通孔102bは、冷却媒体排出流路PA2の延長線上に開口され、冷却媒体排出流路PA2に連通し、冷却媒体流出路PA12を構成する。貫通孔102cは、酸化剤ガス排出流路PA3の延長線上に開口され、酸化剤ガス排出流路PA3に連通し、酸化剤ガス流出路PA13を構成する。貫通孔102dは、酸化剤ガス供給流路PA4の延長線上に開口され、酸化剤ガス供給流路PA4に連通し、酸化剤ガス流入路PA14を構成する。貫通孔102eは、冷却媒体供給流路PA5の延長線上に開口され、冷却媒体供給流路PA5に連通し、冷却媒体流入路PA15を構成する。貫通孔102fは、燃料ガス排出流路PA6の延長線上に開口され、燃料ガス排出流路PA6に連通し、燃料ガス流出路PA16を構成する。 The through hole 102a is opened on the extension of the fuel gas supply flow path PA1, communicates with the fuel gas supply flow path PA1, and constitutes the fuel gas inlet path PA11. The through hole 102b is opened on the extension of the cooling medium discharge flow path PA2, communicates with the cooling medium discharge flow path PA2, and constitutes the cooling medium outlet path PA12. The through hole 102c is opened on the extension of the oxidant gas discharge flow path PA3, communicates with the oxidant gas discharge flow path PA3, and constitutes the oxidant gas outlet path PA13. The through hole 102d is opened on the extension of the oxidant gas supply flow path PA4, communicates with the oxidant gas supply flow path PA4, and constitutes the oxidant gas inlet path PA14. The through hole 102e is opened on the extension of the cooling medium supply flow path PA5, communicates with the cooling medium supply flow path PA5, and constitutes the cooling medium inlet path PA15. The through hole 102f opens on an extension of the fuel gas exhaust flow path PA6, communicates with the fuel gas exhaust flow path PA6, and forms the fuel gas outflow path PA16.
より詳しくは、貫通孔102aには、エジェクタ、インジェクタなどを介して、高圧の燃料ガスが貯留された燃料ガスタンクが接続され、燃料ガスタンク内の燃料ガスが貫通孔102a(燃料ガス流入路PA11)を介して燃料電池スタック100に供給される。貫通孔102fには、気液分離機が接続され、貫通孔102f(燃料ガス流出路PA16)を介して排出された燃料ガス(燃料排ガス)は、気液分離機で燃料ガスと水とに分離される。分離された燃料ガスは、エジェクタを介して吸い込まれ、燃料電池スタック100に再び供給される。分離された水は、ドレン流路を介して外部に排出される。 More specifically, a fuel gas tank storing high-pressure fuel gas is connected to the through hole 102a via an ejector, injector, etc., and the fuel gas in the fuel gas tank is supplied to the fuel cell stack 100 via the through hole 102a (fuel gas inlet passage PA11). A gas-liquid separator is connected to the through hole 102f, and the fuel gas (fuel exhaust gas) discharged through the through hole 102f (fuel gas outlet passage PA16) is separated into fuel gas and water by the gas-liquid separator. The separated fuel gas is sucked in through the ejector and supplied again to the fuel cell stack 100. The separated water is discharged to the outside through the drain passage.
貫通孔102dには、酸化剤ガス供給用のコンプレッサが接続され、コンプレッサで圧縮された酸化剤ガスが貫通孔102d(酸化剤ガス流入路PA14)を介して燃料電池スタック100に供給される。貫通孔102c(酸化剤ガス流出路PA13)からは、酸化剤ガス(酸化剤排ガス)が外部に流出する。 A compressor for supplying oxidant gas is connected to the through-hole 102d, and the oxidant gas compressed by the compressor is supplied to the fuel cell stack 100 through the through-hole 102d (oxidant gas inlet passage PA14). The oxidant gas (oxidant exhaust gas) flows out from the through-hole 102c (oxidant gas outlet passage PA13).
貫通孔102eには、冷却媒体供給用のポンプが接続され、貫通孔102e(冷却媒体流入路PA15)を介して燃料電池スタック100に冷却媒体が供給される。貫通孔102b(冷却媒体流出路PA12)からは冷却媒体が排出される。排出された冷却媒体は、ラジエータでの熱交換により冷却され、貫通孔102eを介して再び燃料電池スタック100に供給される。 A pump for supplying a cooling medium is connected to the through-hole 102e, and the cooling medium is supplied to the fuel cell stack 100 via the through-hole 102e (cooling medium inlet passage PA15). The cooling medium is discharged from the through-hole 102b (cooling medium outlet passage PA12). The discharged cooling medium is cooled by heat exchange in the radiator and is supplied again to the fuel cell stack 100 via the through-hole 102e.
以上が燃料電池スタック100の概略構成である。燃料電池スタック100は、図示しない略ボックス状のケースに収納され、車両に搭載される。 The above is a schematic configuration of the fuel cell stack 100. The fuel cell stack 100 is housed in a roughly box-shaped case (not shown) and mounted on the vehicle.
図3は、反応ガス(一例として燃料ガス)の流れを模式的に示す図である。なお、酸化剤ガスの流れは、図3に示すものと左右方向反対である。以下では、セル積層体101に含まれる発電セル1の積層数をNとし、各発電セル1に1~Nのセル番号nを付して説明する。後端の発電セル1が1番目セル1_1であり、前端の発電セルがN番目セル1_Nである。セル積層体101の左右方向の中心線CL0が、接合体20(図2)が設けられて発電がおこなわれる領域(発電領域)AR1の中心である。 Figure 3 is a diagram showing a schematic diagram of the flow of reactant gas (fuel gas as an example). Note that the flow of oxidant gas is in the opposite left-right direction to that shown in Figure 3. In the following, the number of stacked power generating cells 1 included in the cell stack 101 is N, and each power generating cell 1 is assigned a cell number n from 1 to N for explanation. The rear end power generating cell 1 is the first cell 1_1, and the front end power generating cell is the Nth cell 1_N. The left-right center line CL0 of the cell stack 101 is the center of the region (power generating region) AR1 where the assembly 20 (Figure 2) is provided and power generation is performed.
図3に示すように、セル積層体101には、発電領域AR1を挟んで左側に燃料ガス供給流路PA1が設けられ、右側に燃料ガス排出流路PA6が設けられる。また、セル積層体101の後方のエンドユニット102には、左側に、燃料ガス供給流路PA1に連通する燃料ガス流入路PA11が設けられ、右側に、燃料ガス排出流路PA6に連通する燃料ガス流出路PA16が設けられる。図3には、燃料ガス供給流路PA1の中心を通る軸線CL1および燃料ガス流入路PA11の中心を通る軸線CL11が示される。 As shown in FIG. 3, the cell stack 101 is provided with a fuel gas supply flow path PA1 on the left side of the power generation area AR1, and a fuel gas exhaust flow path PA6 on the right side. In addition, the end unit 102 at the rear of the cell stack 101 is provided with a fuel gas inlet path PA11 on the left side that communicates with the fuel gas supply flow path PA1, and a fuel gas outlet path PA16 on the right side that communicates with the fuel gas exhaust flow path PA6. FIG. 3 shows an axis CL1 passing through the center of the fuel gas supply flow path PA1 and an axis CL11 passing through the center of the fuel gas inlet path PA11.
図3では、軸線CL1の延長線上に軸線CL11が存在し、軸線CL11が軸線CL1に一致している。このとき、燃料ガス流入路PA11から燃料ガス供給流路PA1に燃料ガスがまっすぐに流入する。図4Aは、この場合のセル番号nと静圧Pとの関係を示す図である。図中の特性f1は、燃料ガス供給流路PA1における静圧であり、特性f2は、燃料ガス排出流路PA6における静圧である。特性f1と特性f2との差が、発電セル1に沿った燃料ガスの流量に相当する。 In FIG. 3, axis CL11 exists on an extension of axis CL1, and axis CL11 coincides with axis CL1. At this time, fuel gas flows straight from fuel gas inlet passage PA11 to fuel gas supply passage PA1. FIG. 4A is a diagram showing the relationship between cell number n and static pressure P in this case. Characteristic f1 in the diagram is the static pressure in fuel gas supply passage PA1, and characteristic f2 is the static pressure in fuel gas discharge passage PA6. The difference between characteristic f1 and characteristic f2 corresponds to the flow rate of fuel gas along power generation cell 1.
燃料ガスの流速は、燃料ガス供給流路PA1の入口に近いほど速く、入口から遠いほど流速が遅い。このため、図4Aに示すように、静圧Pは、燃料ガス供給流路PA1の入口に近いほど小さく、入口から遠いほど大きい。この場合、流路PA1,PA6間の静圧差は、燃料ガス供給流路PA1の入口に近いほど大きい。このため、セル番号nと発電セル1に導かれる燃料ガスの流量(ガス流量G)との関係については、図4Bの特性f3に示すように、1番目セル1_1でガス流量Gが最大となり、N番目セル1_Nで最小となる。 The flow rate of the fuel gas is faster nearer the inlet of the fuel gas supply flow passage PA1 and slower farther from the inlet. For this reason, as shown in FIG. 4A, the static pressure P is smaller nearer the inlet of the fuel gas supply flow passage PA1 and larger farther from the inlet. In this case, the static pressure difference between the flow passages PA1 and PA6 is larger nearer the inlet of the fuel gas supply flow passage PA1. For this reason, with regard to the relationship between the cell number n and the flow rate of the fuel gas (gas flow rate G) introduced to the power generation cell 1, as shown by characteristic f3 in FIG. 4B, the gas flow rate G is maximum for the first cell 1_1 and minimum for the Nth cell 1_N.
ここで、必要な発電量を得るためのガス流量Gを必要ガス流量G1と定義すると、特性f3では、セル番号nが所定番号以上になった場合に、ガス流量Gが必要ガス流量G1を下回る。その結果、発電不安定を引き起こすおそれがある。また、燃料ガス供給流路PA1の上流には、配管内での結露等により水が溜まることがあり、溜まった水は、燃料ガスの流れに沿って燃料ガス供給流路PA1に流入する。この場合、燃料ガス供給流路PA1の入口に近い発電セル1ほど、つまりセル番号nが小さい発電セル1ほど、水が浸入しやすく、過剰な水の浸入により発電不安定を引き起こすおそれがある。 Here, if the gas flow rate G required to obtain the required amount of power generation is defined as the required gas flow rate G1, then in characteristic f3, when the cell number n is equal to or greater than a predetermined number, the gas flow rate G falls below the required gas flow rate G1. As a result, there is a risk of unstable power generation. In addition, water may accumulate upstream of the fuel gas supply flow path PA1 due to condensation in the piping, and the accumulated water flows into the fuel gas supply flow path PA1 along with the flow of fuel gas. In this case, the closer the power generation cell 1 is to the inlet of the fuel gas supply flow path PA1, i.e., the smaller the cell number n, the more likely water is to penetrate, and there is a risk of unstable power generation due to the intrusion of excessive water.
このようなガス流量のばらつきによる発電不安定および過剰な水の浸入による発電不安定の発生は、抑制する必要がある。そこで、本実施形態では、エンドユニット102に設けられるガス流入路(燃料ガス流入路PA11、酸化剤ガス流入路PA14)を以下のように構成する。 It is necessary to suppress the occurrence of unstable power generation due to such variations in gas flow rate and the intrusion of excessive water. Therefore, in this embodiment, the gas inlet passages (fuel gas inlet passage PA11, oxidant gas inlet passage PA14) provided in the end unit 102 are configured as follows.
図5は、本実施形態に係る燃料電池スタック100の要部構成を示す断面図であり、主に燃料ガス流入路PA11の構成を示す。なお、図示は省略するが、中心線CL0に関して図5を対称(線対称)に移動すると、酸化剤ガス流入路PA14の構成となる。図5に示すように、後側のエンドユニット102を構成するターミナルプレート4、絶縁プレート5およびエンドプレート6には、これらプレート4~6を前後方向に貫通する貫通孔41,51,61がそれぞれ穿設される。 Figure 5 is a cross-sectional view showing the main configuration of the fuel cell stack 100 according to this embodiment, and mainly shows the configuration of the fuel gas inlet channel PA11. Although not shown, if Figure 5 is moved symmetrically (line symmetrically) about the center line CL0, it becomes the configuration of the oxidant gas inlet channel PA14. As shown in Figure 5, the terminal plate 4, insulating plate 5, and end plate 6 that make up the rear end unit 102 are each provided with through holes 41, 51, and 61 that penetrate these plates 4 to 6 in the front-rear direction.
絶縁プレート5には、エンドプレート6の前端面よりも後方に突出した突出部50が設けられる。突出部50の後端面5aとエンドプレート6の後端面6aとは略同一面上に位置する。突出部50は、全体が略円筒形状を呈し、突出部50の外周面にエンドプレート6の貫通孔61が嵌合される。貫通孔51の前端はターミナルプレート4の貫通孔41に連通する。したがって、貫通孔41,51により燃料ガス流入路PA11が構成される。但し、ターミナルプレート4の板厚は薄いため、流路PA11は主に絶縁プレート5の貫通孔51により構成される。なお、ターミナルプレート4の貫通孔41は、軸線CL1を中心とした円形である。 The insulating plate 5 is provided with a protruding portion 50 that protrudes rearward beyond the front end surface of the end plate 6. The rear end surface 5a of the protruding portion 50 and the rear end surface 6a of the end plate 6 are located on approximately the same plane. The protruding portion 50 has an approximately cylindrical shape as a whole, and a through hole 61 of the end plate 6 is fitted into the outer circumferential surface of the protruding portion 50. The front end of the through hole 51 communicates with the through hole 41 of the terminal plate 4. Therefore, the through holes 41, 51 form the fuel gas inlet passage PA11. However, since the plate thickness of the terminal plate 4 is thin, the passage PA11 is mainly formed by the through hole 51 of the insulating plate 5. The through hole 41 of the terminal plate 4 is circular with the axis CL1 as its center.
貫通孔51の内部には、絶縁プレート5の後端面5aから所定距離L1の位置であり、前端面5bからは所定距離L2の位置に、屈曲部52が設けられる。所定距離L1は、突出部50の長さと同一ないしほぼ同一であり、所定距離L2よりも短い。なお、L1がL2と等しくてもよく、L2より長くてもよい。 A bent portion 52 is provided inside the through hole 51 at a position that is a predetermined distance L1 from the rear end surface 5a of the insulating plate 5 and a predetermined distance L2 from the front end surface 5b. The predetermined distance L1 is the same or approximately the same as the length of the protrusion 50, and is shorter than the predetermined distance L2. Note that L1 may be equal to L2 or may be longer than L2.
貫通孔51は、屈曲部52よりも後側の後貫通孔511と、前側の前貫通孔512とにより構成される。後貫通孔511は、前後方向に延在する軸線CL11を中心とした円形断面を有し、後貫通孔511の径は軸線CL11に沿って一定である。前貫通孔512は、前後方向に斜めに延在する軸線CL12を中心とした円形断面を有し、前貫通孔512の径は軸線CL12に沿って一定である。後貫通孔511と前貫通孔512の径は互いに等しく、ターミナルプレートの貫通孔41の径とも等しい。したがって、燃料ガス流入路PA11の断面積は、全長にわたって一定である。
The through hole 51 is composed of a rear through hole 511 on the rear side of the bent portion 52 and a front through hole 512 on the front side. The rear through hole 511 has a circular cross section centered on an axis CL11 extending in the front-rear direction, and the diameter of the rear through hole 511 is constant along the axis CL11. The front through hole 512 has a circular cross section centered on an axis CL12 extending obliquely in the front-rear direction, and the diameter of the front through hole 512 is constant along the axis CL12. The diameters of the rear through hole 511 and the front through hole 512 are equal to each other and are also equal to the diameter of the through hole 41 of the terminal plate . Therefore, the cross-sectional area of the fuel gas inlet channel PA11 is constant over the entire length.
後貫通孔511の軸線CL11は、燃料ガス供給流路PA1の軸線CL1と略平行に延在する。但し、軸線CL11は、軸線CL1と同一線上になく、軸線CL1よりも所定量右方にオフセットした位置にある。したがって、前貫通孔512は、後貫通孔511とターミナルプレート4の貫通孔41とを接続するように斜めに延設される。すなわち、燃料ガスの流れ方向に沿って見ると、前貫通孔512の軸線CL12は、セル積層体101の中心線CL0よりも外側の左方に向けて斜めに延在する。 The axis CL11 of the rear through hole 511 extends approximately parallel to the axis CL1 of the fuel gas supply flow path PA1. However, the axis CL11 is not on the same line as the axis CL1, but is offset a certain amount to the right from the axis CL1. Therefore, the front through hole 512 extends obliquely so as to connect the rear through hole 511 and the through hole 41 of the terminal plate 4. In other words, when viewed along the flow direction of the fuel gas, the axis CL12 of the front through hole 512 extends obliquely toward the left and outside of the center line CL0 of the cell stack 101.
このように本実施形態では、燃料ガス流入路PA11の出口側が、中心線CL0の反対側(左側)に向けて斜めに形成される。このため、燃料ガス流入路PA11を通過した燃料ガスは、燃料ガス供給流路PA1の入口付近では、発電領域AR1の反対方向(発電領域AR1から離れる方向)の速度成分をもつようになる。したがって、燃料ガス供給流路PA1の入口に近いほど、すなわち、セル番号nが小さいほど、燃料ガスは右側の発電領域AR1に流れにくくなる。その結果、燃料ガス供給流路PA1の入口から遠い発電セル1に、より多くの燃料ガスが流れるようになる。 In this embodiment, the outlet side of the fuel gas inlet passage PA11 is formed at an angle toward the opposite side (left side) of the center line CL0. Therefore, the fuel gas that passes through the fuel gas inlet passage PA11 has a velocity component in the opposite direction of the power generation area AR1 (away from the power generation area AR1) near the inlet of the fuel gas supply flow path PA1. Therefore, the closer to the inlet of the fuel gas supply flow path PA1, i.e., the smaller the cell number n, the more difficult it is for the fuel gas to flow into the power generation area AR1 on the right. As a result, more fuel gas flows into the power generation cell 1 that is farther from the inlet of the fuel gas supply flow path PA1.
これにより、図6の特性f4(点線)に示すように、発電セル1ごとのガス流量Gのばらつきが抑えられ、全ての発電セル1においてガス流量Gが所定の必要ガス流量G1以上となる。このため、発電不安定の発生を抑えることができ、燃料電池スタック100の良好な発電性能を得ることができる。 As a result, as shown by characteristic f4 (dotted line) in Figure 6, the variation in the gas flow rate G for each power generation cell 1 is suppressed, and the gas flow rate G for all power generation cells 1 is equal to or greater than the predetermined required gas flow rate G1. This makes it possible to suppress the occurrence of unstable power generation, and to obtain good power generation performance for the fuel cell stack 100.
また、燃料ガス流入路PA11を介して燃料ガス供給流路PA1に水が浸入した場合、水は発電領域AR1の反対側(左側)に吹き付けられる。このため、流路PA1の入口側の発電セル1に水が浸入しにくく、各発電セル1に水が均等に浸入するようになる。その結果、発電セル1への過剰な水の浸入を防ぐことができ、水の浸入による発電不安定の発生も抑えることができる。以上の作用効果は、酸化剤ガス供給流路PA4についても同様である。 In addition, if water infiltrates the fuel gas supply flow path PA1 through the fuel gas inlet channel PA11, the water is sprayed to the opposite side (left side) of the power generation area AR1. This makes it difficult for water to infiltrate the power generation cells 1 on the inlet side of the flow path PA1, and water infiltrates evenly into each power generation cell 1. As a result, excessive water infiltration into the power generation cells 1 can be prevented, and the occurrence of unstable power generation due to water infiltration can also be suppressed. The above effects are similar for the oxidant gas supply flow path PA4.
図7は、図5の変形例である。図7の例でも、屈曲部52を境にして、絶縁プレート5の貫通孔51が後貫通孔511と前貫通孔512とに分けられる。但し、後貫通孔511は、燃料ガス供給流路PA1に対しオフセットされず、軸線CL11は軸線CL1と同一線上に位置する。一方、絶縁プレート5の前端面5bには、左方に突出する突起部53が設けられる。突起部53は、屈曲部52から前端面5bにかけて傾斜して延在する。このため、前貫通孔512の中心を通る軸線CL12も斜めに延在する。 Figure 7 is a modified example of Figure 5. In the example of Figure 7, the through hole 51 of the insulating plate 5 is also divided into a rear through hole 511 and a front through hole 512 at the bent portion 52. However, the rear through hole 511 is not offset with respect to the fuel gas supply flow passage PA1, and the axis CL11 is located on the same line as the axis CL1. Meanwhile, a protrusion 53 that protrudes to the left is provided on the front end surface 5b of the insulating plate 5. The protrusion 53 extends at an angle from the bent portion 52 to the front end surface 5b. Therefore, the axis CL12 that passes through the center of the front through hole 512 also extends at an angle.
また、図7の矢視VIII図である図8に示すように、絶縁プレート5の前端面5bにおける前貫通孔512の縁部(突起部53の左端)は上下方向に延在する。これにより、前貫通孔512の軸線CL12は、絶縁プレート5の前端面5bにおいて、軸線CL1よりも左方に位置する。 As shown in FIG. 8, which is a view taken along the arrow VIII in FIG. 7, the edge of the front through hole 512 (the left end of the protrusion 53) on the front end surface 5b of the insulating plate 5 extends in the vertical direction. As a result, the axis CL12 of the front through hole 512 is located to the left of the axis CL1 on the front end surface 5b of the insulating plate 5.
これにより、燃料ガス流入路PA11を通過した燃料ガスは、発電領域AR1の反対側(左側)に向かって斜めに流れるようになる。このため、図5と同様、燃料ガス供給流路PA1の入口に近いほど、燃料ガスは発電領域AR1に流れにくく、入口から遠いほど、発電領域AR1に流れやすい。このため、発電セル1に供給される燃料ガスのばらつきが抑えられ、発電不安定の発生を抑制することができる。また、流路PA1の入口側の発電セル1に燃料ガス流入路PA11から過剰に水が浸入することも抑えることができ、水の浸入による発電不安定の発生も抑制することができる。 As a result, the fuel gas that has passed through the fuel gas inlet passage PA11 flows diagonally toward the opposite side (left side) of the power generation area AR1. Therefore, as in FIG. 5, the closer to the inlet of the fuel gas supply flow passage PA1, the less likely the fuel gas is to flow into the power generation area AR1, and the farther from the inlet, the more likely it is to flow into the power generation area AR1. This reduces the variation in the fuel gas supplied to the power generation cell 1, and suppresses the occurrence of unstable power generation. It also prevents excessive water from entering the power generation cell 1 on the inlet side of the flow passage PA1 from the fuel gas inlet passage PA11, and suppresses the occurrence of unstable power generation due to water intrusion.
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)燃料電池スタック100は、電解質膜を有する複数の発電セル1を前後方向(第1方向)に積層して構成されるセル積層体101と、セル積層体101に隣接して配置されたエンドユニット102と、を備える(図1)。エンドユニット102には、左側および右側に、エンドユニット102を前後方向に貫通し、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)が流入および流出するガス流入路(燃料ガス流入路PA11,酸化剤ガス流入路PA14)およびガス流出路(燃料ガス流出路PA16,酸化剤ガス流出路PA113)がそれぞれ設けられる(図1)。セル積層体101には、電解質膜を挟んで左側および右側に、セル積層体101を前後方向に貫通してガス流入路PA11,PA14およびガス流出路PA16,PA13にそれぞれ連通するガス供給路(燃料ガス供給流路PA1,酸化剤ガス供給流路PA4)およびガス排出路(燃料ガス排出流路PA6,酸化剤ガス排出流路PA3)が設けられる(図1)。ガス流入路(例えば燃料ガス流入路PA11)は、燃料ガス流入路PA11の中心を通る軸線CL12が、燃料ガス流入路PA11の出口において、発電領域AR1の反対側である左側を向くように設けられる(図5,図7)。
According to this embodiment, the following advantageous effects can be obtained.
(1) The fuel cell stack 100 includes a cell stack 101 formed by stacking a plurality of power-generating cells 1, each having an electrolyte membrane, in a front-to-rear direction (first direction), and an end unit 102 disposed adjacent to the cell stack 101 ( FIG. 1 ). The end unit 102 is provided, on the left and right sides, with gas inflow channels (fuel gas inflow channel PA11, oxidant gas inflow channel PA14) and gas outflow channels (fuel gas outflow channel PA16, oxidant gas outflow channel PA113) that penetrate the end unit 102 in the front-to-rear direction and through which reactant gases (fuel gas, oxidant gas) flow in and out ( FIG. 1 ). The cell stack 101 is provided with gas supply channels (fuel gas supply channel PA1, oxidant gas supply channel PA4) and gas discharge channels (fuel gas discharge channel PA6, oxidant gas discharge channel PA3) that penetrate the cell stack 101 in the front-rear direction and communicate with the gas inlet channels PA11, PA14 and the gas outlet channels PA16, PA13, respectively, on the left and right sides of the electrolyte membrane (FIG. 1). The gas inlet channel (e.g., fuel gas inlet channel PA11) is provided such that an axis CL12 passing through the center of the fuel gas inlet channel PA11 faces the left side, which is the opposite side to the power generation area AR1, at the outlet of the fuel gas inlet channel PA11 (FIGS. 5 and 7).
これにより、燃料ガス流入路PA11を通過した燃料ガスは、発電領域AR1の反対側に向かって斜めに流れるようになるため、燃料ガスは燃料ガス供給流路PA1の入口に近いほど、発電領域AR1に流れにくく、入口から遠いほど流れやすくなる。したがって、各発電セル1に供給される燃料ガスのばらつきが抑えられ、発電不安定の発生を抑制することができる。また、燃料ガス供給流路PA1の入口側の発電セル1に過剰に水が浸入することも抑えることができ、水の浸入による発電不安定の発生も抑制することができる。 As a result, the fuel gas that has passed through the fuel gas inlet passage PA11 flows diagonally toward the opposite side of the power generation area AR1, so the closer the fuel gas is to the inlet of the fuel gas supply flow passage PA1, the less likely it is to flow into the power generation area AR1, and the farther it is from the inlet, the more likely it is to flow. This reduces the variation in the fuel gas supplied to each power generation cell 1, and suppresses the occurrence of unstable power generation. It also prevents excessive water from entering the power generation cell 1 on the inlet side of the fuel gas supply flow passage PA1, and suppresses the occurrence of unstable power generation due to water intrusion.
(2)ガス流入路(例えば燃料ガス流入路PA11)は、燃料ガス流入路PA11の出口において、発電領域AR1の反対側である左側に向けて斜めに延設される(図5)。これにより、燃料ガス流入路PA11が滑らかな形状であるため、燃料ガスが流路PA11に沿ってスムーズに流れ、発電領域AR1に燃料ガスを効率よく導くことができる。 (2) The gas inlet passage (e.g., fuel gas inlet passage PA11) is extended obliquely from the outlet of the fuel gas inlet passage PA11 toward the left side, which is the opposite side of the power generation area AR1 (Figure 5). As a result, since the fuel gas inlet passage PA11 has a smooth shape, the fuel gas flows smoothly along the flow path PA11, and the fuel gas can be efficiently guided to the power generation area AR1.
(3)絶縁プレート5は、ガス流入路(例えば燃料ガス流入路PA11)の出口において、発電領域AR1の反対側である左側に突出する突起部53を有する(図7)。これにより、燃料ガス流入路PA11の軸線CL11を燃料ガス供給流路PA1の軸線CL1に対しオフセットする必要がないため、構成が容易である。 (3) At the outlet of the gas inlet passage (e.g., fuel gas inlet passage PA11), the insulating plate 5 has a protrusion 53 that protrudes to the left side, opposite the power generation area AR1 (FIG. 7). This simplifies the configuration because it is not necessary to offset the axis CL11 of the fuel gas inlet passage PA11 from the axis CL1 of the fuel gas supply passage PA1.
上記実施形態は種々の形態に変形することができる。以下、いくつかの変形例について説明する。上記実施形態(図7)では、絶縁プレート5に突起部53を設けるようにした。すなわち、絶縁プレート自体が突起部53を有するように絶縁プレート5を構成したが、絶縁プレート5とは別に突起部を設けるようにしてもよい。図9は、その一例を示す図である。図9では、貫通孔51の右側の絶縁プレート5の前端面5bに凹部54が設けられ、凹部54にプレート55が配置される。プレート55は、絶縁プレート5とターミナルプレート4との間に挟持され、凹部54から左方に向けて突設される。これによりセル番号nが小さい発電セル1に燃料ガスの流れにくくなり、発電量のばらつきを抑えることができる。図9の構成では、絶縁プレート5に凹部54を加工するだけでよく、絶縁プレート5の構成を簡素化できる。 The above embodiment can be modified in various ways. Some modified examples are described below. In the above embodiment (FIG. 7), the insulating plate 5 is provided with a protrusion 53. That is, the insulating plate 5 is configured so that the insulating plate itself has the protrusion 53, but the protrusion may be provided separately from the insulating plate 5. FIG. 9 is a diagram showing an example of this. In FIG. 9, a recess 54 is provided on the front end surface 5b of the insulating plate 5 on the right side of the through hole 51, and a plate 55 is placed in the recess 54. The plate 55 is sandwiched between the insulating plate 5 and the terminal plate 4, and protrudes from the recess 54 to the left. This makes it difficult for fuel gas to flow to the power generation cell 1 with a small cell number n, thereby suppressing the variation in the amount of power generation. In the configuration of FIG. 9, it is only necessary to process the recess 54 in the insulating plate 5, and the configuration of the insulating plate 5 can be simplified.
上記実施形態(図5)では、軸線CL11を軸線CL1に対しオフセットして絶縁プレート5に斜めに、つまりセル積層体101の中心線CL0の反対方向に向けて斜めに燃料ガス流入路PA11を設けた。また、上記実施形態(図7)では、絶縁プレート5の前端部に、中心線CL0の反対方向に向けて突起部53を設けるようにした。しかしながら、ガス流入路の中心を通る軸線が、ガス流入路の出口において電解質膜の反対側を向くように設けられるのであれば、ガス流入路の構成は上述したものに限らない。ガス流入路を、ガス流入路の出口において電解質膜の反対側に向けて斜めに延設し、かつ、電解質膜の反対側に突起部を突設するようにしてもよい。 In the above embodiment (FIG. 5), the axis CL11 is offset from the axis CL1, and the fuel gas inlet passage PA11 is provided on the insulating plate 5 at an angle, that is, in the opposite direction to the center line CL0 of the cell stack 101. Also, in the above embodiment (FIG. 7), a protrusion 53 is provided on the front end of the insulating plate 5 in the opposite direction to the center line CL0. However, as long as the axis passing through the center of the gas inlet passage is provided so as to face the opposite side of the electrolyte membrane at the outlet of the gas inlet passage, the configuration of the gas inlet passage is not limited to the above. The gas inlet passage may be extended at an angle toward the opposite side of the electrolyte membrane at the outlet of the gas inlet passage, and a protrusion may be provided on the opposite side of the electrolyte membrane.
上記実施形態では、絶縁プレート5によりガス流入路(燃料ガス流入路PA11、酸化剤ガス流入路PA14)を形成したが、エンドユニットに構成されるのであれば、絶縁プレート以外にガス流入路が形成されてもよい。上記実施形態では、電解質膜と電極とを含む膜電極接合体としての電極アッセンブリ2とセパレータ3とを前後方向(第1方向)に交互に積層してセル積層体101を構成したが、第1方向は前後方向に限らず上下方向であってもよい。したがって、ガス流入路(燃料ガス流入路PA11、酸化剤ガス流入路PA14)およびガス供給路(燃料ガス供給流路PA1、酸化剤ガス供給流路PA4)が設けられる第2方向の一方側と、ガス流出路(燃料ガス流出路PA16、酸化剤ガス流出路PA13)とガス排出路(燃料ガス排出流路PA6、酸化剤ガス排出流路PA3)が設けられる第2方向の他方側は、左側や右側でなくてもよい。 In the above embodiment, the gas inlet passages (fuel gas inlet passage PA11, oxidant gas inlet passage PA14) are formed by the insulating plate 5, but the gas inlet passages may be formed in other places than the insulating plate as long as they are formed in the end unit. In the above embodiment, the cell stack 101 is formed by alternately stacking the electrode assembly 2 and the separator 3 as a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and an electrode in the front-rear direction (first direction), but the first direction is not limited to the front-rear direction and may be the up-down direction. Therefore, one side of the second direction where the gas inlet passages (fuel gas inlet passage PA11, oxidant gas inlet passage PA14) and the gas supply passages (fuel gas supply passage PA1, oxidant gas supply passage PA4) are provided, and the other side of the second direction where the gas outlet passages (fuel gas outlet passage PA16, oxidant gas outlet passage PA13) and the gas exhaust passages (fuel gas exhaust passage PA6, oxidant gas exhaust passage PA3) are provided do not have to be the left or right side.
以上では、燃料電池スタック100を有する燃料電池を車両に搭載する例を説明したが、燃料電池スタックは、航空機や船舶等の車両以外の移動体、ロボットの他、各種産業機械に搭載することができる。 The above describes an example of mounting a fuel cell having a fuel cell stack 100 on a vehicle, but the fuel cell stack can also be mounted on moving objects other than vehicles, such as aircraft and ships, robots, and various industrial machines.
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment and modifications, as long as the characteristics of the present invention are not impaired. It is also possible to combine one or more of the above-mentioned embodiment and modifications in any desired manner, and it is also possible to combine modifications together.
1 発電セル、5 絶縁プレート、51 貫通孔、52 屈曲部、53 突起部、100 燃料電池スタック、101 セル積層体、102 エンドユニット、511 後貫通孔、512 前貫通孔、CL1,CL12 軸線、PA1 燃料ガス供給流路、PA3 酸化剤ガス排出流路、PA4 酸化剤ガス供給流路、PA6 燃料ガス排出流路、PA11 燃料ガス流入路、PA13 酸化剤ガス流出路、PA14 酸化剤ガス流入路、PA16 燃料ガス流出路 1 Power generating cell, 5 Insulating plate, 51 Through hole, 52 Bend, 53 Protrusion, 100 Fuel cell stack, 101 Cell stack, 102 End unit, 511 Rear through hole, 512 Front through hole, CL1, CL12 Axis, PA1 Fuel gas supply flow path, PA3 Oxidant gas exhaust flow path, PA4 Oxidant gas supply flow path, PA6 Fuel gas exhaust flow path, PA11 Fuel gas inlet path, PA13 Oxidant gas outlet path, PA14 Oxidant gas inlet path, PA16 Fuel gas outlet path
Claims (3)
前記セル積層体に隣接して配置されたエンドユニットと、を備える燃料電池スタックであって、
前記エンドユニットには、前記第1方向に直交する第2方向の一方側および他方側に、前記エンドユニットを前記第1方向に貫通してそれぞれ反応ガスが流入および流出するガス流入路およびガス流出路が設けられ、
前記セル積層体には、前記電解質膜を挟んで前記第2方向の前記一方側および前記他方側に、前記セル積層体を前記第1方向に貫通して前記ガス流入路および前記ガス流出路にそれぞれ連通するガス供給路およびガス排出路が設けられ、
前記ガス流入路は、前記ガス流入路の中心を通る軸線が、前記ガス流入路の入口において、前記ガス供給路の中心を通る軸線と同一直線上に位置し、前記ガス流入路の出口において、前記第2方向の前記一方側を向くように設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 a cell stack formed by stacking a plurality of power generation cells, each having an electrolyte membrane, in a first direction;
and an end unit disposed adjacent to the cell stack,
the end unit is provided with a gas inlet passage and a gas outlet passage penetrating the end unit in the first direction, through which a reaction gas flows in and flows out, on one side and the other side in a second direction perpendicular to the first direction, and
a gas supply channel and a gas exhaust channel penetrating the cell stack in the first direction and communicating with the gas inlet channel and the gas outlet channel, respectively, are provided on the one side and the other side in the second direction with the electrolyte membrane interposed therebetween,
a gas inlet passage having an axis passing through a center of the gas inlet passage that is collinear with an axis passing through the center of the gas supply passage at an inlet of the gas inlet passage, and that faces toward one side of the second direction at an outlet of the gas inlet passage.
前記エンドユニットは、前記ガス流入路の出口において前記第2方向の前記一方側に突出する突起部を有することを特徴とする燃料電池スタック。The end unit has a protrusion protruding to the one side in the second direction at an outlet of the gas inlet passage.
前記エンドユニットは、前記ガス流入路を形成する絶縁プレートを有し、The end unit has an insulating plate that forms the gas inlet passage,
前記突起部は、前記第2方向の前記一方側に突出するように前記絶縁プレートの端部に設けられた板部材により構成されることを特徴とする燃料電池スタック。2. A fuel cell stack according to claim 1, wherein the protrusion is formed of a plate member provided at an end of the insulating plate so as to protrude to the one side in the second direction.
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001243970A (en) | 2000-02-29 | 2001-09-07 | Aisin Seiki Co Ltd | Fuel cell |
| JP2002343406A (en) | 2001-05-16 | 2002-11-29 | Toyota Motor Corp | Fuel cell manifold |
| JP2010186730A (en) | 2009-01-14 | 2010-08-26 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2016081678A (en) | 2014-10-15 | 2016-05-16 | トヨタ紡織株式会社 | Discharge structure of oxidant gas |
| JP2016134335A (en) | 2015-01-21 | 2016-07-25 | 豊田合成株式会社 | Fuel cell stack |
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