JP2003346830A - Fuel cell stack - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
【課題】各発電セル内の面内温度を均一化し、有効な発
電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック10は、発電セル12
と、所定数の前記発電セル12に対して電気的に一体的
に接続される集電用電極14、16と、冷却液体により
前記発電セル12を冷却する第1冷却セル18とを備え
る。第1冷却セル18は、発電セル12の発電面に対応
する面内において、面内中央部に対し面内端部よりも多
量の冷却媒体を供給して、前記面内中央部を強制的に冷
却するように構成されている。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To make uniform the in-plane temperature in each power generation cell and to ensure effective power generation performance. A fuel cell stack includes a power generation cell.
And a first cooling cell 18 for cooling the power generation cells 12 with a cooling liquid, and current collecting electrodes 14 and 16 electrically connected integrally to a predetermined number of the power generation cells 12. The first cooling cell 18 supplies a larger amount of cooling medium to the in-plane central portion than the in-plane end portion in a plane corresponding to the power generation surface of the power generation cell 12 to forcibly force the in-plane central portion. It is configured to cool.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質をアノード
側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を
有し、前記接合体をセパレータにより挟持して前記アノ
ード側電極に燃料ガスを供給する一方、前記カソード側
電極に酸化剤ガスを供給する発電セルを備えた燃料電池
スタックに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention has a joined body comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode. The joined body is sandwiched between separators, and fuel gas is supplied to the anode electrode. The present invention relates to a fuel cell stack including a power generation cell for supplying an oxidizing gas to the cathode while supplying the gas.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えば、リン酸型燃料電池(PAFC)
は、炭化珪素多孔質(マトリックス)に濃厚リン酸を含
浸させた電解質層の両側に、それぞれカーボンを主体と
するアノード側電極およびカソード側電極を対設して構
成される接合体(電解質層・電極接合体)を、セパレー
タ(バイポーラ板)によって挟持することにより構成さ
れる発電セルを備えている。この発電セルは、通常、所
定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されてい
る。2. Description of the Related Art For example, a phosphoric acid fuel cell (PAFC)
Is a joined body (electrolyte layer / electrode layer) composed of an anode side electrode and a cathode side electrode mainly composed of carbon, on both sides of an electrolyte layer in which concentrated phosphoric acid is impregnated in porous silicon carbide (matrix). An electrode assembly is provided with a power generation cell constituted by sandwiching the electrode assembly with a separator (bipolar plate). Normally, a predetermined number of the power generation cells are stacked and used as a fuel cell stack.
【0003】一方、固体高分子型燃料電池(SPFC)
は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電
解質膜を採用しており、同様に前記電解質膜により構成
される接合体(電解質膜・電極接合体)とセパレータと
を備える発電セルを、所定数だけ積層して燃料電池スタ
ックとして用いている。On the other hand, a solid polymer fuel cell (SPFC)
Employs an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). Similarly, a power generation cell provided with a separator (electrolyte membrane / electrode assembly) composed of the electrolyte membrane and a separator is provided. A predetermined number of the fuel cells are stacked and used as a fuel cell stack.
【0004】この種の燃料電池スタックにおいて、アノ
ード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を
含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、触媒
電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード
側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路
に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に
酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガス
ともいう)が供給されているために、このカソード側電
極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水
が生成される。[0004] In this type of fuel cell stack, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized on the catalyst electrode. It moves to the cathode side via the electrolyte. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy.
Since an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode side electrode, hydrogen ions, electrons, And oxygen react to produce water.
【0005】ところで、上記の燃料電池では、有効な発
電性能を発揮するための最適な作動温度が設定されてい
る。例えば、リン酸型燃料電池では、120℃〜200
℃であり、固体高分子型燃料電池では、60℃〜90℃
である。このため、発電セルを所望の作動温度に維持す
る必要があり、従来から、種々の冷却構造が採用されて
いる。一般的には、燃料電池スタックを構成するセパレ
ータに冷却媒体用通路を形成し、前記通路に水等の冷却
媒体を供給することにより発電セルの冷却を行う構造が
知られている。By the way, in the above-mentioned fuel cell, an optimum operating temperature for exhibiting effective power generation performance is set. For example, in the case of a phosphoric acid fuel cell,
° C, and 60 ° C to 90 ° C for the polymer electrolyte fuel cell.
It is. For this reason, it is necessary to maintain the power generation cell at a desired operating temperature, and various cooling structures have conventionally been employed. Generally, a structure is known in which a passage for a cooling medium is formed in a separator constituting a fuel cell stack, and a cooling medium such as water is supplied to the passage to cool a power generation cell.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】この場合、冷却媒体と
して使用される水や、自動車用冷却構造に使用される一
般的な冷却媒体(冷却液体)では、イオン等の不純物や
金属系添加剤が混入しており、この冷却媒体自体に導電
性が付与されている。一方、冷却媒体として脱イオン水
や純水を用いる場合にも、運転中に冷却系配管やラジエ
ータを循環することによって金属等が混入し、この冷却
媒体に導電性が付与されてしまう。In this case, in water used as a cooling medium or a general cooling medium (cooling liquid) used in a cooling structure for an automobile, impurities such as ions and metal additives are contained. The cooling medium itself has conductivity. On the other hand, even when deionized water or pure water is used as a cooling medium, metal or the like is mixed by circulating through a cooling system pipe or a radiator during operation, and conductivity is imparted to the cooling medium.
【0007】しかしながら、燃料電池スタックでは、各
発電セルで発生した電子がスタック両端側の集電用電極
から取り出されるため、上記のように冷却媒体に導電性
が付与されると、前記冷却媒体中に電気が流れてしま
う。これにより、冷却媒体を介して冷却系配管やラジエ
ータ等に電気が流れてしまい、地絡や液絡が発生して燃
料電池スタック全体の出力が低下するという問題が指摘
されている。However, in the fuel cell stack, electrons generated in each power generation cell are extracted from the current collecting electrodes at both ends of the stack. Electricity flows through As a result, a problem has been pointed out that electricity flows to the cooling system piping, the radiator, and the like via the cooling medium, and a ground fault or a liquid fault occurs, thereby lowering the output of the entire fuel cell stack.
【0008】そこで、本出願人は、冷却媒体を介して漏
電することを確実に阻止することができ、簡単な構成
で、有効な発電性能を維持することが可能な燃料電池ス
タックを提案している(特開2001−332288号
公報参照)。Accordingly, the present applicant has proposed a fuel cell stack that can reliably prevent leakage of electricity through a cooling medium, and that can maintain effective power generation performance with a simple configuration. (See JP-A-2001-332288).
【0009】この燃料電池スタックでは、集電用電極間
に冷却セルが介装されており、この冷却セルに供給され
る冷却媒体が絶縁機構を介して発電セルおよび前記集電
用電極から電気的に絶縁されるとともに、前記冷却セル
を挟んで配置される前記発電セル同士または前記発電セ
ルと前記集電用電極が導電機構を介して互いに電気的に
接続されている。これにより、冷却媒体を介して地絡や
液絡が発生することを確実に防止することができ、燃料
電池スタック全体の出力低下を有効に阻止して所望の発
電機能を維持することが可能になる。In this fuel cell stack, a cooling cell is interposed between the current collecting electrodes, and a cooling medium supplied to the cooling cell is electrically connected to the power generating cell and the current collecting electrode via an insulating mechanism. And the power generation cells arranged with the cooling cell interposed therebetween or the power generation cells and the current collecting electrode are electrically connected to each other via a conductive mechanism. As a result, it is possible to reliably prevent the occurrence of a ground fault or a liquid shortage through the cooling medium, to effectively prevent a decrease in the output of the entire fuel cell stack, and to maintain a desired power generation function. Become.
【0010】ところで、上記の燃料電池スタックでは、
発電セルによる発電が行われると、この発電セルの面内
方向において温度分布が惹起されるおそれがある。具体
的には、発電セルの面内温度は、大気により冷却され易
い外周部分で比較的低温になる一方、放熱し難い中央部
分で比較的高温になる。これにより、発電セルの面内温
度が不均一になり、低温部分の発電性能は、最適運転温
度での発電性能よりも低下するという問題がある。By the way, in the above fuel cell stack,
When power is generated by the power generation cell, a temperature distribution may be generated in the in-plane direction of the power generation cell. Specifically, the in-plane temperature of the power generation cell becomes relatively low at the outer peripheral portion that is easily cooled by the atmosphere, while it becomes relatively high at the central portion where heat radiation is difficult. As a result, there is a problem that the in-plane temperature of the power generation cell becomes non-uniform, and the power generation performance in the low temperature portion is lower than the power generation performance at the optimum operating temperature.
【0011】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、特に各発電セルの面内の温度を均一化し、簡単かつ
コンパクトな構成で、有効な発電性能を確保することが
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 to solve this kind of problem, and in particular, a fuel cell capable of equalizing the in-plane temperature of each power generation cell and ensuring effective power generation performance with a simple and compact configuration. The purpose is to provide a stack.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に係る
燃料電池スタックでは、集電用電極間に冷却セルが介装
されており、この冷却セルに供給される冷却媒体を発電
セルおよび集電用電極から電気的に絶縁する絶縁機構が
設けられるとともに、導電機構を介して前記発電セル同
士または前記発電セルと前記集電用電極とを互いに電気
的に接続している。そして、冷却セルは、発電面に対応
する面内において、面内中央部に対し面内端部よりも多
量の冷却媒体を供給する冷却媒体流路を設けている。In the fuel cell stack according to the first aspect of the present invention, a cooling cell is interposed between current collecting electrodes, and a cooling medium supplied to the cooling cell is used as a power generation cell and a cooling medium. An insulating mechanism is provided to electrically insulate from the current collecting electrode, and the power generating cells are electrically connected to each other or the power generating cell and the current collecting electrode are electrically connected to each other via a conductive mechanism. The cooling cell is provided with a cooling medium flow path for supplying a larger amount of cooling medium than the in-plane end to the in-plane center in the plane corresponding to the power generation surface.
【0013】このため、発電セルの面内方向では、比較
的高温になり易い中央部が強制的に冷却される一方、比
較的低温になり易い外周部の冷却効率が低下する。従っ
て、発電セルの面内方向の温度分布が有効に低減される
とともに、前記面内方向での最高温度を低下させること
ができる。これにより、積層方向における発電セル間の
温度差が有効に低減され、各発電セルの発電性能を最高
性能に近づけて燃料電池スタックとしての出力を良好に
向上させることが可能になる。For this reason, in the in-plane direction of the power generation cell, the central portion, which tends to be relatively high in temperature, is forcibly cooled, while the cooling efficiency of the outer peripheral portion, which tends to be relatively low in temperature, decreases. Therefore, the temperature distribution in the in-plane direction of the power generation cell can be effectively reduced, and the maximum temperature in the in-plane direction can be reduced. Thereby, the temperature difference between the power generation cells in the stacking direction is effectively reduced, and the power generation performance of each power generation cell can be made close to the maximum performance, and the output as the fuel cell stack can be improved satisfactorily.
【0014】また、本発明の請求項2に係る燃料電池ス
タックでは、冷却媒体流路が、面内中央部と両方の面内
端部とに略3等分に分割されるとともに、前記面内中央
部には、前記冷却媒体流路に供給される全冷却媒体流量
の1/3〜2/3の流量が供給されている。このため、
発電セルの面内温度を可及的に均一化することができ、
各発電セルの発電性能を大幅に向上させることが可能に
なる。Further, in the fuel cell stack according to the second aspect of the present invention, the cooling medium flow path is divided into approximately three equal parts at a center part in the plane and both end parts in the plane. A flow rate of 1 / to / of the total flow rate of the cooling medium supplied to the cooling medium flow path is supplied to the central portion. For this reason,
The in-plane temperature of the power generation cell can be made as uniform as possible,
The power generation performance of each power generation cell can be greatly improved.
【0015】さらに、本発明の請求項3に係る燃料電池
スタックでは、発電セルを冷却するための冷却気体が供
給され、冷却セルとの間に所定数の前記発電セルを挟ん
で集電用電極間に介装される補助冷却セルを備えてい
る。従って、補助冷却セルに供給される冷却気体を介し
て発電セルが冷却される。Further, in the fuel cell stack according to claim 3 of the present invention, a cooling gas for cooling the power generation cells is supplied, and a predetermined number of the power generation cells are interposed between the cooling cells and the cooling gas. An auxiliary cooling cell is interposed therebetween. Therefore, the power generation cell is cooled via the cooling gas supplied to the auxiliary cooling cell.
【0016】その際、冷却セルとの間に所定数の発電セ
ルを挟んで、すなわち、前記冷却セル間で温度の高い発
電セルの近傍に補助冷却セルが介装されている。このた
め、補助冷却セルに冷却気体が供給されることにより、
この補助冷却セル近傍の温度の高い発電セルを有効に冷
却することができる。At this time, an auxiliary cooling cell is interposed between the cooling cells and a predetermined number of power generating cells, that is, in the vicinity of the high-temperature power generating cells between the cooling cells. Therefore, by supplying the cooling gas to the auxiliary cooling cell,
The high-temperature power generation cell near the auxiliary cooling cell can be effectively cooled.
【0017】従って、冷却セル近傍の発電セルを最適運
転温度に近似した温度に維持する一方、補助冷却セル近
傍の発電セルを最適運転温度まで冷却することが可能に
なる。これにより、各発電セルの温度は、最適運転温度
近傍に調整されるとともに、発電セル間では、積層方向
に沿って温度差が低減され、前記発電セルの各発電性能
を有効に向上させることができる。Accordingly, it is possible to maintain the temperature of the power generation cell near the cooling cell at a temperature close to the optimum operation temperature, while cooling the power generation cell near the auxiliary cooling cell to the optimum operation temperature. Thereby, while the temperature of each power generation cell is adjusted to the vicinity of the optimal operation temperature, the temperature difference between the power generation cells along the stacking direction is reduced, and each power generation performance of the power generation cell can be effectively improved. it can.
【0018】しかも、高出力時には、冷却セルと共に補
助冷却セルが使用されて、冷却が必要な発電セルのみを
冷却している。このため、冷却用に大型の熱交換器を用
いる必要がなく、熱交換器を有効に小型化することが可
能になる。In addition, at the time of high output, the auxiliary cooling cell is used together with the cooling cell to cool only the power generation cells that need to be cooled. Therefore, there is no need to use a large heat exchanger for cooling, and the heat exchanger can be effectively reduced in size.
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】図1は、本発明の第1の実施形態
に係る燃料電池スタック10の概略構成を示す側面説明
図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の分解斜
視説明図であり、図3は、前記燃料電池スタック10の
要部拡大断面図である。FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a fuel cell stack 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell stack 10. FIG. 3 is an enlarged sectional view of a main part of the fuel cell stack 10.
【0020】燃料電池スタック10は発電セル12を備
え、この発電セル12が矢印A方向に所定数だけ積層さ
れている。発電セル12の積層方向両端側には、この発
電セル12に対して電気的に一体的に接続される集電用
電極14、16が配置される。集電用電極14、16間
には、所定数の第1冷却セル18が介装されるととも
に、前記第1冷却セル18との間に所定数の発電セル1
2を挟んで前記集電用電極14、16間に所定数の第2
冷却セル20が介装される。The fuel cell stack 10 includes power generation cells 12, and a predetermined number of the power generation cells 12 are stacked in the direction of arrow A. At both ends in the stacking direction of the power generation cell 12, current collecting electrodes 14 and 16 that are electrically connected integrally to the power generation cell 12 are arranged. A predetermined number of first cooling cells 18 are interposed between the current collecting electrodes 14 and 16, and a predetermined number of power generation cells 1 are interposed between the first cooling cells 18.
2 between the current collecting electrodes 14 and 16
A cooling cell 20 is interposed.
【0021】集電用電極14、16の外側には、絶縁シ
ート19a、19bを介装してエンドプレート21a、
21bが配置される。エンドプレート21a、21b
は、図示しないバックアッププレートを介してタイロッ
ド等により締め付けられており、発電セル12と集電用
電極14、16と第1および第2冷却セル18、20
は、一体的に矢印A方向に締め付け保持される。集電用
電極14、16には、例えば、モータ等の負荷22が接
続されている(図1参照)。Outside the current collecting electrodes 14 and 16, insulating plates 19a and 19b are interposed to form end plates 21a and 21b.
21b is arranged. End plates 21a, 21b
Are fastened by tie rods or the like via a backup plate (not shown), and the power generation cell 12, the current collecting electrodes 14, 16 and the first and second cooling cells 18, 20
Are integrally clamped and held in the direction of arrow A. A load 22 such as a motor is connected to the current collecting electrodes 14 and 16 (see FIG. 1).
【0022】発電セル12は、図2および図3に示すよ
うに、炭化珪素多孔質または塩基性ポリマー、例えば、
ポリベンズイミダゾールにリン酸を含浸させた電解質層
と額縁状部材からなる電解質部24を挟んで、カソード
側電極26およびアノード側電極28が配設される接合
体(電解質層・電極接合体)30を有する。カソード側
電極26およびアノード側電極28は、例えば、多孔質
層である多孔質カーボンペーパー等からなるガス拡散層
と、白金系触媒が表面に担持された多孔質カーボン粒子
が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層
とをそれぞれ有しており、前記電極触媒層が電解質部2
4に接合されている。As shown in FIGS. 2 and 3, the power generation cell 12 is made of silicon carbide porous or basic polymer, for example,
A joined body (electrolyte layer / electrode joined body) 30 in which a cathode-side electrode 26 and an anode-side electrode 28 are arranged with an electrolyte layer 24 made of polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid and an electrolyte part 24 made of a frame-shaped member interposed therebetween Having. The cathode-side electrode 26 and the anode-side electrode 28 are, for example, a gas diffusion layer made of porous carbon paper or the like, which is a porous layer, and a porous carbon particle having a platinum-based catalyst supported on the surface. And an electrode catalyst layer uniformly coated on the electrode portion.
4.
【0023】接合体30の両側には、導電性材料、例え
ば、緻密質カーボン材料や金属で形成される第1および
第2セパレータ32、34が配置され、前記接合体30
と前記第1および第2セパレータ32、34により、発
電セル12が構成される。On both sides of the joined body 30, first and second separators 32 and 34 formed of a conductive material, for example, a dense carbon material or metal, are arranged.
And the first and second separators 32 and 34 constitute the power generation cell 12.
【0024】発電セル12は、横方向(矢印B方向)両
端下部側に水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるため
の燃料ガス供給連通路36aと、酸素含有ガスである酸
化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス供給連通路38
aとを設ける。発電セル12の横方向両端上部側には、
燃料ガスを通過させるための燃料ガス排出連通路36b
と、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス排出連通
路38bとが、燃料ガス供給連通路36aおよび酸化剤
ガス供給連通路38aと対角位置になるように設けられ
ている。The power generation cell 12 has a fuel gas supply communication passage 36a for passing a fuel gas such as a hydrogen-containing gas and a oxidizing gas as an oxygen-containing gas at the lower portions on both ends in the lateral direction (direction of arrow B). Oxidant gas supply communication passage 38 for
a. On the upper side of both ends of the power generation cell 12 in the lateral direction,
Fuel gas discharge communication passage 36b for passing fuel gas
And an oxidizing gas discharge communication passage 38b for allowing the oxidizing gas to pass therethrough are provided at diagonal positions with respect to the fuel gas supply communication passage 36a and the oxidizing gas supply communication passage 38a.
【0025】発電セル12の横方向両端中央側には、切
り欠き部分40a、40bが設けられており、この切り
欠き部分40a、40bに冷媒供給管路46と冷媒排出
管路48が配置される。冷媒供給管路46内に冷却液体
供給連通路46aが形成される一方、冷媒排出管路48
内に冷却液体排出連通路48aが形成される。Notched portions 40a and 40b are provided at the center of both ends in the lateral direction of the power generation cell 12, and a refrigerant supply line 46 and a refrigerant discharge line 48 are arranged in the notched portions 40a and 40b. . A cooling liquid supply passage 46a is formed in the coolant supply line 46, while a coolant discharge line 48 is formed.
A cooling liquid discharge communication passage 48a is formed therein.
【0026】第1セパレータ32のカソード側電極26
に対向する面には、酸化剤ガス供給連通路38aおよび
酸化剤ガス排出連通路38bに両端が連通して前記カソ
ード側電極26に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路
50が形成される(図2および図3参照)。第2セパレ
ータ34のアノード側電極28に対向する面には、燃料
ガス供給連通路36aおよび燃料ガス排出連通路36b
に両端が連通して前記アノード側電極28に燃料ガスを
供給する燃料ガス流路51が設けられる。酸化剤ガス流
路50および燃料ガス流路51は、水平方向(矢印B方
向)に蛇行しながら鉛直上方向に酸化剤ガスおよび燃料
ガスを導く流路構造を採用している。The cathode electrode 26 of the first separator 32
The oxidizing gas supply passage 38a and the oxidizing gas discharge communicating passage 38b are formed at both sides thereof with an oxidizing gas passage 50 for supplying the oxidizing gas to the cathode electrode 26 at both ends thereof. (See FIGS. 2 and 3). A fuel gas supply communication passage 36a and a fuel gas discharge communication passage 36b are provided on the surface of the second separator 34 facing the anode 28.
A fuel gas flow path 51 is provided at both ends thereof for supplying a fuel gas to the anode 28. The oxidizing gas flow path 50 and the fuel gas flow path 51 adopt a flow path structure that guides the oxidizing gas and the fuel gas vertically upward while meandering in the horizontal direction (the direction of arrow B).
【0027】第1および第2セパレータ32、34のカ
ソード側電極26およびアノード側電極28に対向する
面には、燃料ガス供給連通路36a、酸化剤ガス供給連
通路38a、燃料ガス排出連通路36b、酸化剤ガス排
出連通路38b、酸化剤ガス流路50および燃料ガス流
路51を気密にシールするために、シール部材53が、
例えば、焼き付け等によって設けられている。The surfaces of the first and second separators 32 and 34 facing the cathode side electrode 26 and the anode side electrode 28 are provided with a fuel gas supply passage 36a, an oxidant gas supply passage 38a, and a fuel gas discharge passage 36b. In order to hermetically seal the oxidizing gas discharge communication passage 38b, the oxidizing gas flow passage 50, and the fuel gas flow passage 51, a sealing member 53 is provided.
For example, it is provided by baking or the like.
【0028】図1に示すように、第1冷却セル18は、
燃料電池スタック10内で集電用電極14、16間に1
0セルおき、すなわち、前記第1冷却セル18間に10
個の発電セル12を配置して積層されている。この第1
冷却セル18の両面に配置される第1および第2セパレ
ータ32、34は、図2および図3に示すように、前記
第1冷却セル18側の面が平坦状に構成された片面ガス
流路付きセパレータ構造に設定されている。後述する第
2冷却セル20においても、同様である。その他の第1
および第2セパレータ32、34は、両面に酸化剤ガス
流路50と燃料ガス流路51とが形成されている。As shown in FIG. 1, the first cooling cell 18
1 between the current collecting electrodes 14 and 16 in the fuel cell stack 10.
Every 0 cells, that is, 10 cells between the first cooling cells 18
The power generation cells 12 are arranged and stacked. This first
As shown in FIGS. 2 and 3, the first and second separators 32 and 34 disposed on both sides of the cooling cell 18 each have a single-sided gas passage having a flat surface on the first cooling cell 18 side. The separator structure is set. The same applies to the second cooling cell 20 described later. Other first
The oxidizing gas passage 50 and the fuel gas passage 51 are formed on both surfaces of the second separators 32 and 34.
【0029】第1冷却セル18は、図3および図4に示
すように、冷却液体用流路プレート52と、この流路プ
レート52に重ね合わされて冷却液体通路54を形成す
る蓋プレート56と、前記冷却液体通路54に供給され
る冷却液体を発電セル12および集電用電極14、16
から電気的に絶縁するための絶縁シート(絶縁機構)5
8a、58bと、前記第1冷却セル18を挟んで前記発
電セル12同士(または前記発電セル12と前記集電用
電極14、16)を互いに電気的に接続するための導電
プレート(導電機構)60a、60bとを備える。流路
プレート52および蓋プレート56は、例えば、アルミ
ニウム合金やチタン合金等の軽合金や、緻密質の炭素材
料で形成される。As shown in FIGS. 3 and 4, the first cooling cell 18 includes a cooling liquid flow path plate 52, a lid plate 56 which is superposed on the flow path plate 52 to form a cooling liquid passage 54, The cooling liquid supplied to the cooling liquid passage 54 is supplied to the power generation cell 12 and the current collecting electrodes 14 and 16.
Sheet (insulation mechanism) 5 for electrical insulation from
8a, 58b and a conductive plate (conductive mechanism) for electrically connecting the power generation cells 12 (or the power generation cell 12 and the current collecting electrodes 14, 16) to each other with the first cooling cell 18 interposed therebetween. 60a and 60b. The channel plate 52 and the lid plate 56 are formed of, for example, a light alloy such as an aluminum alloy or a titanium alloy, or a dense carbon material.
【0030】流路プレート52は、幅方向(矢印B方
向)の両端中央側に一方の面側に突出して筒状接続部6
2a、62bを設けており、前記接続部62a、62b
に冷媒供給管路46と冷媒排出管路48とが接続され
る。流路プレート52の他方の面側には、冷却液体通路
54が形成されている。The flow path plate 52 projects from one surface side toward the center of both ends in the width direction (the direction of arrow B) and has a cylindrical connection portion 6.
2a and 62b are provided, and the connection portions 62a and 62b are provided.
Is connected to a refrigerant supply line 46 and a refrigerant discharge line 48. On the other surface side of the flow path plate 52, a cooling liquid passage 54 is formed.
【0031】図4および図5に示すように、冷却液体通
路54は、流路プレート52の高さ方向(矢印C方向)
の面内中央部側の中央通路54aと、上下両面の内端部
側の上部通路54bおよび下部通路54cとに、略3等
分に分割されている。中央通路54aは、発電面中央部
に対応しており、発電面上部および下部に対応する上部
通路54bおよび下部通路54cよりも多量の冷却液体
を供給するように流路構造が設定されている。As shown in FIGS. 4 and 5, the cooling liquid passage 54 is provided in the height direction of the flow path plate 52 (in the direction of arrow C).
Are divided into approximately three equal parts into a central passage 54a at the center in the plane and an upper passage 54b and a lower passage 54c at the inner end of the upper and lower surfaces. The central passage 54a corresponds to the central portion of the power generation surface, and the flow passage structure is set so as to supply a larger amount of cooling liquid than the upper passage 54b and the lower passage 54c corresponding to the upper and lower portions of the power generation surface.
【0032】冷却液体通路54において、縦方向(矢印
C方向)寸法の単位幅当たりの流量本数を調整してお
り、具体的には、中央通路54aには、矢印B方向に互
いに平行して直線状に延在する14本の流路溝64aが
形成され、上部通路54bおよび下部通路54cには、
矢印B方向に互いに平行して直線状に延在するそれぞれ
5本の流路溝64b、64cが形成される。In the cooling liquid passage 54, the number of flow rates per unit width in the vertical direction (direction of arrow C) is adjusted. Specifically, the central passage 54a has straight lines parallel to each other in the direction of arrow B. The four passage grooves 64a extending in the shape of a circle are formed, and the upper passage 54b and the lower passage 54c have
Five flow channel grooves 64b and 64c are formed, each extending linearly in parallel with the direction of arrow B.
【0033】この構成では、中央通路54aには、冷却
液体通路54に供給される全冷却液体流量の略14/2
4の流量が導入される一方、上部通路54bおよび下部
通路54cには、それぞれ略5/24の流量が導入され
る。流路溝64a、64bおよび64cの本数は、それ
ぞれに導入される冷却液体の流量に対応して設定される
ものであり、第1の実施形態では、中央通路54aに全
冷却液体流量の1/3〜2/3の流量が供給されるよう
に設定されることが望ましい。In this configuration, the central passage 54a is provided with approximately 14/2 of the total cooling liquid flow supplied to the cooling liquid passage 54.
4, a flow rate of approximately 5/24 is introduced into the upper passage 54b and the lower passage 54c, respectively. The number of the flow grooves 64a, 64b and 64c is set in accordance with the flow rate of the cooling liquid to be introduced into each of them, and in the first embodiment, 1/1 of the total cooling liquid flow rate in the central passage 54a. It is desirable to set so that a flow rate of 3 to 2/3 is supplied.
【0034】流路溝64a、64bおよび64cの両端
と、接続部62a、62bとの間には、冷却液体を均一
にかつ安定した状態で流すためのガイド66a、66b
が設けられている。Guides 66a, 66b for uniformly and stably flowing the cooling liquid are provided between both ends of the flow grooves 64a, 64b, 64c and the connecting portions 62a, 62b.
Is provided.
【0035】図4に示すように、蓋プレート56は、流
路プレート52に対向する面とは反対側の面に、外方に
突出して筒状接続部68a、68bが形成される。この
接続部68a、68bは、流路プレート52の接続部6
2a、62bと同一位置に設けられており、冷媒供給管
路46および冷媒排出管路48に接続される。As shown in FIG. 4, the lid plate 56 has cylindrical connecting portions 68a and 68b protruding outward on a surface opposite to the surface facing the flow path plate 52. The connecting portions 68a and 68b are connected to the connecting portions 6 of the flow path plate 52.
It is provided at the same position as 2a, 62b, and is connected to the refrigerant supply line 46 and the refrigerant discharge line 48.
【0036】導電プレート60a、60bは、流路プレ
ート52および蓋プレート56を覆って配置される一
方、絶縁シート58a、58bは、前記導電プレート6
0a、60bの前記流路プレート52および前記蓋プレ
ート56に接する面側に設けらている。導電プレート6
0a、60bは、銅合金等の電気伝導性に優れる金属プ
レートで構成されている。The conductive plates 60a and 60b are arranged to cover the flow path plate 52 and the lid plate 56, while the insulating sheets 58a and 58b are
0a and 60b are provided on the surface side in contact with the flow path plate 52 and the lid plate 56. Conductive plate 6
Reference numerals 0a and 60b are made of a metal plate having excellent electric conductivity such as a copper alloy.
【0037】絶縁シート58a、58bは、絶縁材、例
えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で形成
されており、導電プレート60a、60bの全面にわた
り接着剤等により貼り付けられている。なお、絶縁シー
ト58a、58bに代替してシリコングリース等の絶縁
材を導電プレート60a、60bに塗布してもよい。The insulating sheets 58a and 58b are formed of an insulating material, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), and are adhered over the entire surfaces of the conductive plates 60a and 60b with an adhesive or the like. Note that an insulating material such as silicon grease may be applied to the conductive plates 60a and 60b instead of the insulating sheets 58a and 58b.
【0038】導電プレート60a、60bの上端部に
は、それぞれ互いに近接する方向に屈曲して合わせ部7
0a、70bが設けられるとともに、前記合わせ部70
a、70bに孔部72a、72bが形成される。合わせ
部70a、70bを覆って固定板体74が配置され、こ
の固定板体74から孔部72a、72bにねじ76を挿
入し、前記ねじ76にナット78を螺合することによ
り、導電プレート60a、60bが流路プレート52お
よび蓋プレート56を保持する。The upper ends of the conductive plates 60a and 60b are bent in directions approaching each other to form a joint 7
0a and 70b are provided, and
Holes 72a and 72b are formed in the holes a and 70b. A fixing plate 74 is arranged so as to cover the mating portions 70a and 70b. A screw 76 is inserted from the fixing plate 74 into the holes 72a and 72b, and a nut 78 is screwed into the screw 76 to thereby form the conductive plate 60a. , 60b hold the flow path plate 52 and the lid plate 56.
【0039】第2冷却セル20は、図1に示すように、
燃料電池スタック10内で互いに隣り合う第1冷却セル
18間に、および集電用電極14、16と前記第1冷却
セル18間に5セルおきに配置される。具体的には、第
1冷却セル18間、および集電用電極14、16と前記
第1冷却セル18間の中央には、両側にそれぞれ5個の
発電セル12を配置して第2冷却セル20が積層されて
いる。As shown in FIG. 1, the second cooling cell 20
In the fuel cell stack 10, it is arranged between the first cooling cells 18 adjacent to each other, and every five cells between the current collecting electrodes 14 and 16 and the first cooling cells 18. Specifically, at the center between the first cooling cells 18 and between the current collecting electrodes 14 and 16 and the first cooling cells 18, five power generation cells 12 are arranged on both sides, respectively. 20 are stacked.
【0040】図3および図6に示すように、第2冷却セ
ル20は、冷却気体(例えば、空気)用流路プレート8
0と、この流路プレート80に重ね合わされて冷却空気
通路82を形成する蓋プレート84とを備える。流路プ
レート80および蓋プレート84は、軽量でかつ熱伝導
性および電気伝導性の良好な、例えば、アルミニウム合
金やチタン合金等の軽合金材料で形成される。As shown in FIGS. 3 and 6, the second cooling cell 20 is provided with a flow path plate 8 for cooling gas (for example, air).
0, and a lid plate 84 that is superimposed on the flow path plate 80 to form a cooling air passage 82. The channel plate 80 and the lid plate 84 are formed of a light alloy material such as an aluminum alloy or a titanium alloy that is lightweight and has good thermal and electrical conductivity.
【0041】冷却空気通路82は、流路プレート80の
一方の面80aに設けられており、鉛直方向(矢印C方
向)に直線状に延在する複数本の流路溝86を備える。
流路溝86の下端側には、ガイド88を設けた空気導入
部90が連通している。冷却空気通路82は、カソード
側電極26およびアノード側電極28の横方向(矢印B
方向)の幅寸法の60%〜70%の範囲に設定されてい
る。The cooling air passage 82 is provided on one surface 80a of the flow path plate 80, and has a plurality of flow grooves 86 extending linearly in the vertical direction (the direction of arrow C).
An air inlet 90 provided with a guide 88 communicates with the lower end of the flow channel 86. The cooling air passage 82 extends in the lateral direction of the cathode electrode 26 and the anode electrode 28 (arrow B).
Direction) is set in the range of 60% to 70% of the width dimension.
【0042】蓋プレート84には、空気導入部90に連
通する室92が形成され、この室92が空気導入口94
に連通する。この空気導入口94には、電気的絶縁処理
が施されたパイプ96が接続されている。流路プレート
80と蓋プレート84とは、複数本のねじ98により互
いに固定されている。The lid plate 84 is formed with a chamber 92 communicating with the air introduction section 90, and this chamber 92 is formed with an air introduction port 94.
Communicate with The air inlet 94 is connected to a pipe 96 that has been subjected to electrical insulation processing. The channel plate 80 and the lid plate 84 are fixed to each other by a plurality of screws 98.
【0043】図2に示すように、エンドプレート21a
には、燃料ガス供給連通路36aに連通する燃料ガス入
口100aと、燃料ガス排出連通路36bに連通する燃
料ガス出口100bと、酸化剤ガス供給連通路38aに
連通する酸化剤ガス入口102aと、酸化剤ガス排出連
通路38bに連通する酸化剤ガス出口102bとが形成
される。As shown in FIG. 2, the end plate 21a
A fuel gas inlet 100a communicating with the fuel gas supply communication passage 36a, a fuel gas outlet 100b communicating with the fuel gas discharge communication passage 36b, and an oxidizing gas inlet 102a communicating with the oxidizing gas supply communication passage 38a; An oxidizing gas outlet 102b communicating with the oxidizing gas discharge communication passage 38b is formed.
【0044】図7は、第1の実施形態に係る燃料電池ス
タック10を組み込む燃料電池システム110の概略構
成説明図である。FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a fuel cell system 110 incorporating the fuel cell stack 10 according to the first embodiment.
【0045】燃料電池システム110は、燃料電池スタ
ック10に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部112
と、前記燃料電池スタック10に酸化剤ガスを供給する
酸化剤ガス供給部114と、前記燃料電池スタック10
に冷却液体(液状冷却媒体)を供給する冷却液体供給部
116と、前記燃料電池スタック10に冷却空気を供給
する冷却空気供給部118とを備える。The fuel cell system 110 includes a fuel gas supply section 112 for supplying a fuel gas to the fuel cell stack 10.
An oxidizing gas supply unit 114 for supplying an oxidizing gas to the fuel cell stack 10;
A cooling liquid supply unit 116 for supplying a cooling liquid (liquid cooling medium) to the fuel cell stack 10, and a cooling air supply unit 118 for supplying cooling air to the fuel cell stack 10.
【0046】燃料ガス供給部112は、高圧水素貯蔵源
120を備え、この高圧水素貯蔵源120から燃料電池
スタック10内の燃料ガス供給連通路36aに連なる燃
料ガス配管122には、第1減圧弁124および燃料ガ
ス流量制御器126が設けられる。The fuel gas supply unit 112 includes a high-pressure hydrogen storage source 120, and a first pressure reducing valve is connected to a fuel gas pipe 122 connected from the high-pressure hydrogen storage source 120 to the fuel gas supply communication passage 36 a in the fuel cell stack 10. 124 and a fuel gas flow controller 126 are provided.
【0047】酸化剤ガス供給部114は、第1コンプレ
ッサ128を備え、この第1コンプレッサ128から燃
料電池スタック10内の酸化剤ガス供給連通路38aに
連なる酸化剤ガス配管130には、第2減圧弁131お
よび酸化剤ガス流量制御器132が設けられる。The oxidizing gas supply unit 114 includes a first compressor 128, and a second decompressed gas is supplied to the oxidizing gas pipe 130 from the first compressor 128 to the oxidizing gas supply communication passage 38 a in the fuel cell stack 10. A valve 131 and an oxidizing gas flow controller 132 are provided.
【0048】冷却液体供給部116は、燃料電池スタッ
ク10内の冷却液体供給連通路46aと冷却液体排出連
通路48aとを繋ぐ冷却液体配管134を備え、前記冷
却液体配管134には、循環用ポンプ136と比較的小
型な熱交換器138とが設けられる。The cooling liquid supply section 116 includes a cooling liquid pipe 134 connecting the cooling liquid supply communication path 46a and the cooling liquid discharge communication path 48a in the fuel cell stack 10. The cooling liquid pipe 134 has a circulation pump. 136 and a relatively small heat exchanger 138 are provided.
【0049】冷却空気供給部118は、第2コンプレッ
サ140を備え、この第2コンプレッサ140は、燃料
電池スタック10を構成する第2冷却セル20に連なる
冷却空気配管142に接続される。この冷却空気配管1
42には、第3減圧弁144と冷却空気流量制御器14
6が設けられる。The cooling air supply section 118 includes a second compressor 140, which is connected to a cooling air pipe 142 connected to the second cooling cell 20 of the fuel cell stack 10. This cooling air pipe 1
42, a third pressure reducing valve 144 and a cooling air flow controller 14
6 are provided.
【0050】このように構成される燃料電池スタック1
0の動作について、燃料電池システム110との関連で
以下に説明する。The fuel cell stack 1 configured as described above
The operation of 0 will be described below in relation to the fuel cell system 110.
【0051】まず、燃料電池システム110では、モー
タ等の負荷22の要求電流に応じて、燃料ガス供給部1
12および酸化剤ガス供給部114の制御が行われる。
燃料ガス供給部112では、第1減圧弁124および燃
料ガス流量制御器126を介して高圧水素貯蔵源120
から燃料電池スタック10に所定量の燃料ガス(水素ガ
スまたは水素含有ガス)が供給される。First, in the fuel cell system 110, the fuel gas supply unit 1 is operated in accordance with the required current of the load 22 such as a motor.
12 and the oxidizing gas supply unit 114 are controlled.
In the fuel gas supply unit 112, a high-pressure hydrogen storage source 120 is supplied through a first pressure reducing valve 124 and a fuel gas flow controller 126.
Supplies a predetermined amount of fuel gas (hydrogen gas or hydrogen-containing gas) to the fuel cell stack 10.
【0052】一方、酸化剤ガス供給部114では、第1
コンプレッサ128を介して導入された酸化剤ガスであ
る酸素含有ガス(以下、空気ともいう)が、第2減圧弁
131および酸化剤ガス流量制御器132を介して流量
が制御される。このため、燃料電池スタック10には、
所定量の酸素含有ガスが供給される。On the other hand, the oxidizing gas supply section 114
The flow rate of the oxygen-containing gas (hereinafter, also referred to as air), which is an oxidizing gas introduced through the compressor 128, is controlled through the second pressure reducing valve 131 and the oxidizing gas flow controller 132. For this reason, the fuel cell stack 10 includes
A predetermined amount of oxygen-containing gas is supplied.
【0053】図2に示すように、エンドプレート21a
の燃料ガス入口100aに供給された燃料ガスは、燃料
ガス供給連通路36aを介して第2セパレータ34に形
成されている燃料ガス流路51に供給される。このた
め、燃料ガス中の水素含有ガスは、発電セル12のアノ
ード側電極28に供給されるとともに、未使用の燃料ガ
スが燃料ガス排出連通路36bに排出される。As shown in FIG. 2, the end plate 21a
The fuel gas supplied to the fuel gas inlet 100a is supplied to the fuel gas flow path 51 formed in the second separator 34 via the fuel gas supply communication passage 36a. Therefore, the hydrogen-containing gas in the fuel gas is supplied to the anode 28 of the power generation cell 12, and the unused fuel gas is discharged to the fuel gas discharge communication passage 36b.
【0054】また、エンドプレート21aの酸化剤ガス
入口102aに供給された空気は、酸化剤ガス供給連通
路38aを介して第1セパレータ32に形成されている
酸化剤ガス流路50に導入される。従って、空気中の酸
素含有ガスがカソード側電極26に供給される一方、未
使用の空気が酸化剤ガス排出連通路38bに排出され
る。これにより、発電セル12で発電が行われ、モータ
等の負荷22に電力が供給されることになる(図1参
照)。The air supplied to the oxidizing gas inlet 102a of the end plate 21a is introduced into the oxidizing gas flow path 50 formed in the first separator 32 through the oxidizing gas supply communication passage 38a. . Therefore, while the oxygen-containing gas in the air is supplied to the cathode electrode 26, the unused air is discharged to the oxidizing gas discharge communication passage 38b. As a result, power is generated in the power generation cell 12, and power is supplied to the load 22 such as a motor (see FIG. 1).
【0055】上記のように、燃料電池スタック10内で
発電が行われると、この発電に伴って熱が発生し、各発
電セル12の温度が上昇してくる。発電セル12の最適
運転温度は、例えば、ポリベンズイミダゾール膜にリン
酸を含浸させた電解質部24を用いた場合に、160℃
を超えないことが必要である。このため、燃料電池シス
テム110では、図7に示すように、冷却液体供給部1
16を構成するポンプ136が駆動される。As described above, when power is generated in the fuel cell stack 10, heat is generated with this power generation, and the temperature of each power generation cell 12 rises. The optimum operating temperature of the power generation cell 12 is, for example, 160 ° C. when the electrolyte part 24 in which the polybenzimidazole film is impregnated with phosphoric acid is used.
It is necessary not to exceed. Therefore, in the fuel cell system 110, as shown in FIG.
The pump 136 constituting 16 is driven.
【0056】ポンプ136の作用下に、燃料電池スタッ
ク10の冷却液体供給連通路46aに供給された冷却液
体は、第1冷却セル18を構成する流路プレート52と
蓋プレート56との間に形成された冷却液体通路54に
導入される。図4に示すように、流路プレート52で
は、接続部62aから流路溝64a、64bおよび64
cに冷却液体が導入され、この冷却液体が前記流路溝6
4a、64bおよび64cを通って発電セル12の発電
面を冷却した後、冷却液体排出連通路48aに排出され
る。Under the action of the pump 136, the cooling liquid supplied to the cooling liquid supply passage 46 a of the fuel cell stack 10 is formed between the flow path plate 52 and the lid plate 56 constituting the first cooling cell 18. Is introduced into the cooling liquid passage 54. As shown in FIG. 4, in the flow path plate 52, the flow path grooves 64a, 64b and 64
c, the cooling liquid is introduced into the flow channel 6.
After cooling the power generation surface of the power generation cell 12 through 4a, 64b and 64c, it is discharged to the cooling liquid discharge communication passage 48a.
【0057】冷却液体排出連通路48aから冷却液体配
管134に導出された冷却液体は、各発電セル12から
熱を奪って比較的高温となっており、熱交換器138に
導入される(図7参照)。この熱交換器138では、冷
却液体から放熱が行われ、温度が低下した前記冷却液体
は、再び第1冷却セル18に循環される。The cooling liquid drawn from the cooling liquid discharge communication passage 48a to the cooling liquid pipe 134 takes heat from each of the power generation cells 12 and has a relatively high temperature, and is introduced into the heat exchanger 138 (FIG. 7). reference). In the heat exchanger 138, heat is released from the cooling liquid, and the cooling liquid whose temperature has decreased is circulated again to the first cooling cell 18.
【0058】この場合、第1冷却セル18では、図4お
よび図5に示すように、流路プレート52に設けられる
冷却液体通路54が、縦方向に略3等分された中央通路
54a、上部通路54bおよび下部通路54cを備える
とともに、それぞれの流路溝64a、64bおよび64
cは、縦方向寸法の単位幅当たりの流路本数が調整され
ている。In this case, in the first cooling cell 18, as shown in FIGS. 4 and 5, the cooling liquid passage 54 provided in the flow path plate 52 has a central passage 54 a vertically divided into approximately three equal parts, A passage 54b and a lower passage 54c are provided, and respective passage grooves 64a, 64b and 64
In c, the number of flow paths per unit width in the vertical direction is adjusted.
【0059】具体的には、中央の流路溝64aが14本
に設定される一方、上下の流路溝64b、64cがそれ
ぞれ5本に設定されている。これにより、中央通路54
aには、冷却液体通路54に供給される全冷却液体流量
の略14/24の流量が導入される一方、上部通路54
bおよび下部通路54cには、それぞれ略5/24の流
量が導入される。More specifically, the number of the central flow grooves 64a is set to 14, while the number of the upper and lower flow grooves 64b, 64c is set to 5. Thereby, the central passage 54
a, a flow rate of about 14/24 of the total cooling liquid flow rate supplied to the cooling liquid passage 54 is introduced, while the upper passage 54
A flow rate of approximately 5/24 is introduced into b and the lower passage 54c, respectively.
【0060】このため、中央通路54aには、上部通路
54bおよび下部通路54cに比べて多量の冷却液体が
供給され、各発電セル12の発電面内では、比較的高温
になり易い中央部が強制的に冷却されるとともに、比較
的低温になり易い外周部の冷却効率が低下する。従っ
て、発電セル12の面内方向の温度分布が有効に低減さ
れるとともに、この面内方向での最高温度を低下させる
ことができる。For this reason, a larger amount of cooling liquid is supplied to the central passage 54a than the upper passage 54b and the lower passage 54c, and the central portion, which tends to become relatively high in temperature, in the power generation surface of each power generation cell 12 is forced. In addition to the cooling, the cooling efficiency of the outer peripheral portion, which tends to be relatively low, decreases. Therefore, the temperature distribution in the in-plane direction of the power generation cell 12 can be effectively reduced, and the maximum temperature in this in-plane direction can be reduced.
【0061】これにより、第1の実施形態では、積層方
向における発電セル12間の温度差を低減し、各発電セ
ル12の発電性能を最高性能に近づけて、燃料電池スタ
ック10全体としての出力を良好に向上させることが可
能になるという効果が得られる。Thus, in the first embodiment, the temperature difference between the power generation cells 12 in the stacking direction is reduced, the power generation performance of each power generation cell 12 approaches the maximum performance, and the output of the fuel cell stack 10 as a whole is reduced. The effect of being able to improve satisfactorily is obtained.
【0062】さらに、第1の実施形態では、中央通路5
4aには、冷却液体通路54に供給される全冷却液体流
量の1/3〜2/3の流量が供給されている。このた
め、発電セル12の面内温度を可及的に均一化すること
ができ、各発電セル12の発電性能を大幅に向上させる
ことが可能になる。Further, in the first embodiment, the central passage 5
A flow rate of 1/3 to 2/3 of the total flow rate of the cooling liquid supplied to the cooling liquid passage 54 is supplied to 4a. Therefore, the in-plane temperature of the power generation cells 12 can be made as uniform as possible, and the power generation performance of each power generation cell 12 can be significantly improved.
【0063】なお、中央通路54aに全冷却液体流量の
1/3以下の流量が供給される際には、発電セル12の
面内温度を均一化することが困難になる。一方、中央通
路54aに全冷却液体流量の2/3以上の流量が供給さ
れる際には、上部通路54bおよび下部通路54cの流
量が不足して、所望の冷却機能を有することが困難とな
る。When a flow rate equal to or less than 1/3 of the total cooling liquid flow rate is supplied to the central passage 54a, it is difficult to make the in-plane temperature of the power generation cell 12 uniform. On the other hand, when a flow rate of 全 or more of the total cooling liquid flow rate is supplied to the central passage 54a, the flow rates of the upper passage 54b and the lower passage 54c are insufficient, and it is difficult to have a desired cooling function. .
【0064】ところで、燃料電池スタック10におい
て、高負荷が要求されて高出力状態になると、各発電セ
ル12の発熱量が増加する。その際、液状の冷却媒体と
小型の熱交換器138で、すなわち、第1冷却セル18
のみで、全ての発電セル12の最高温度を最適運転温度
以下に維持できなくなる前に、冷却空気供給部118が
駆動されて第2冷却セル20に冷却空気が供給される
(図7参照)。By the way, in the fuel cell stack 10, when a high load is required and a high output state is reached, the heat generation of each power generation cell 12 increases. At this time, the liquid cooling medium and the small heat exchanger 138, that is, the first cooling cell 18
Before only the maximum temperature of all the power generation cells 12 cannot be maintained below the optimum operation temperature, the cooling air supply unit 118 is driven to supply the cooling air to the second cooling cells 20 (see FIG. 7).
【0065】冷却空気供給部118では、第2コンプレ
ッサ140を介して導入された冷却空気が、第3減圧弁
144および冷却空気流量制御器146を介して流量が
調整された後、各第2冷却セル20を構成するパイプ9
6から空気導入口94に導入される。In the cooling air supply section 118, after the flow rate of the cooling air introduced through the second compressor 140 is adjusted through the third pressure reducing valve 144 and the cooling air flow controller 146, Pipe 9 constituting cell 20
6 to the air inlet 94.
【0066】図3および図6に示すように、冷却空気
は、空気導入口94から室92を介して空気導入部90
に導入される。この空気導入部90には、ガイド88を
介して冷却空気通路82が設けられており、前記冷却空
気は、前記ガイド88を介して複数の流路溝86に均等
に、かつ安定した状態で導入され、鉛直上方向に向かっ
て流れる。これにより、第2冷却セル20近傍の発電セ
ル12が冷却される。As shown in FIGS. 3 and 6, the cooling air flows from the air inlet 94 through the chamber 92 to the air inlet 90.
Will be introduced. The air introduction section 90 is provided with a cooling air passage 82 via a guide 88, and the cooling air is uniformly and stably introduced into the plurality of flow grooves 86 via the guide 88. And flows vertically upward. Thereby, the power generation cell 12 near the second cooling cell 20 is cooled.
【0067】従って、第1冷却セル18近傍の発電セル
12を最適運転温度に近似した温度に維持した状態で、
第2冷却セル20近傍の発電セル12を最適運転温度ま
で冷却することが可能になる。これにより、各発電セル
12の温度は、最適運転温度近傍に調整されるととも
に、前記発電セル12間には、積層方向に沿って温度差
が低減され、該発電セル12の各発電性能を有効に向上
させることができるという効果が得られる。Therefore, while maintaining the power generation cell 12 near the first cooling cell 18 at a temperature close to the optimum operating temperature,
The power generation cell 12 in the vicinity of the second cooling cell 20 can be cooled to the optimum operation temperature. Thereby, the temperature of each power generation cell 12 is adjusted to be near the optimum operation temperature, and the temperature difference between the power generation cells 12 along the stacking direction is reduced, so that each power generation performance of each power generation cell 12 is effective. The effect that it can be improved is obtained.
【0068】しかも、高出力時には、第1および第3冷
却セル18と共に第2冷却セル20が使用され、冷却が
必要な発電セル12のみを冷却している。このため、冷
却用に大型の熱交換器を用いる必要がなく、比較的小型
の熱交換器138により良好に対応することができる。In addition, at the time of high output, the second cooling cell 20 is used together with the first and third cooling cells 18 to cool only the power generation cells 12 that need to be cooled. For this reason, it is not necessary to use a large heat exchanger for cooling, and a relatively small heat exchanger 138 can cope well.
【0069】さらに、第2冷却セル20は、冷却空気を
用いているために、第1冷却セル18のような導電性を
有する冷却液体を使用していない。従って、冷却空気と
発電セル12との間を絶縁する必要がなく、第2冷却セ
ル20の構成が有効に簡素化されるという利点がある。Further, since the second cooling cell 20 uses cooling air, it does not use a conductive cooling liquid as in the first cooling cell 18. Therefore, there is no need to insulate between the cooling air and the power generation cell 12, and there is an advantage that the configuration of the second cooling cell 20 is effectively simplified.
【0070】なお、第1の実施形態では、第1および第
2冷却セル18、20が積層方向に均等に、すなわち、
等間隔で離間して配置されているが、燃料電池スタック
10の積層方向の温度分布が少なくなるように、適宜、
配置位置を調整することが可能である。In the first embodiment, the first and second cooling cells 18 and 20 are equally distributed in the stacking direction, that is,
The fuel cell stacks 10 are arranged at equal intervals, but may be appropriately adjusted so that the temperature distribution in the stacking direction of the fuel cell stack 10 is reduced.
The arrangement position can be adjusted.
【0071】図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃
料電池スタック160の概略構成を示す側面説明図であ
る。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10
と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳
細な説明は省略する。FIG. 8 is an explanatory side view showing a schematic configuration of a fuel cell stack 160 according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell stack 10 according to the first embodiment
The same components as those described above are denoted by the same reference numerals, and a detailed description thereof will be omitted.
【0072】この燃料電池スタック160では、第2冷
却セル20を用いておらず、所定数の第1冷却セル18
のみを介して各発電セル12を冷却するように構成され
ている。これにより、第1冷却セル18の冷却作用下
に、各発電セル12は、積層方向にかつ発電面方向に沿
って温度差を低減することができる。従って、各発電セ
ル12の発電性能を有効に維持するとともに、燃料電池
スタック160全体の小型化が容易に遂行されるという
効果が得られる。In the fuel cell stack 160, the second cooling cells 20 are not used, and a predetermined number of the first cooling cells 18 are used.
Each power generation cell 12 is configured to be cooled only through the power generation cell 12. Thereby, under the cooling action of the first cooling cell 18, the temperature difference of each power generation cell 12 can be reduced along the stacking direction and along the power generation surface direction. Accordingly, the power generation performance of each power generation cell 12 is effectively maintained, and the size of the entire fuel cell stack 160 is easily reduced.
【0073】[0073]
【発明の効果】本発明に係る燃料電池スタックでは、冷
却セルが、発電面に対応する面内において、面内中央部
に対し面内端部よりも多量の冷却媒体を供給する冷却媒
体流路を設けているため、面内方向では、比較的高温に
なり易い面内中央部が強制的に冷却される一方、比較的
低温になり易い面内外周部の冷却効率が低下する。In the fuel cell stack according to the present invention, the cooling cell is a cooling medium flow path for supplying a larger amount of cooling medium to the center in the plane than the in-plane end in the plane corresponding to the power generation surface. In the in-plane direction, the in-plane central portion where the temperature tends to be relatively high is forcibly cooled, while the cooling efficiency of the in-plane outer peripheral portion where the temperature tends to be relatively low decreases.
【0074】このため、発電セルの面内方向の温度分布
が有効に低減されるとともに、前記面内方向での最高温
度を低下させることができる。これにより、積層方向に
おける発電セル間の温度差が低減され、各発電セルの発
電性能を最高性能に近づけて燃料電池スタックとしての
出力を良好に向上させることが可能になる。Accordingly, the temperature distribution in the in-plane direction of the power generation cell can be effectively reduced, and the maximum temperature in the in-plane direction can be reduced. As a result, the temperature difference between the power generation cells in the stacking direction is reduced, and the power generation performance of each power generation cell approaches the maximum performance, so that the output of the fuel cell stack can be improved satisfactorily.
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタッ
クの概略構成を示す側面説明図である。FIG. 1 is an explanatory side view showing a schematic configuration of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
【図2】前記燃料電池スタックの分解斜視説明図であ
る。FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell stack.
【図3】前記燃料電池スタックの要部拡大断面図であ
る。FIG. 3 is an enlarged sectional view of a main part of the fuel cell stack.
【図4】前記燃料電池スタックを構成する第1冷却セル
の分解斜視説明図である。FIG. 4 is an exploded perspective view of a first cooling cell constituting the fuel cell stack.
【図5】前記第1冷却セルを構成する流路プレートの正
面説明図である。FIG. 5 is an explanatory front view of a flow path plate constituting the first cooling cell.
【図6】前記燃料電池スタックを構成する第2冷却セル
の分解斜視説明図である。FIG. 6 is an exploded perspective view of a second cooling cell constituting the fuel cell stack.
【図7】前記燃料電池スタックを組み込む燃料電池シス
テムの概略構成説明図である。FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system incorporating the fuel cell stack.
【図8】本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタッ
クの概略構成を示す側面説明図である。FIG. 8 is an explanatory side view showing a schematic configuration of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
10、160…燃料電池スタック 12…発電セル
14、16…集電用電極 18、20…冷却
セル
19a、19b、58a、58b…絶縁シート
21a、21b…エンドプレート 24…電解質部
26…カソード側電極 28…アノード側
電極
30…接合体 32、34…セパ
レータ
46…冷媒供給管路 48…冷媒排出管
路
50…酸化剤ガス流路 51…燃料ガス流
路
52、80…流路プレート 54…冷却液体通
路
54a…中央通路 54b…上部通路
54c…下部通路 56、84…蓋プ
レート
60a、60b…導電プレート 64a〜64c、
86…流路溝
82…冷却空気通路 90…空気導入部
94…空気導入口 110…燃料電池
システム
112…燃料ガス供給部 114…酸化剤ガ
ス供給部
116…冷却液体供給部 118…冷却空気
供給部10, 160 ... fuel cell stack 12 ... power generation cells 14, 16 ... current collecting electrodes 18, 20 ... cooling cells 19a, 19b, 58a, 58b ... insulating sheets 21a, 21b ... end plate 24 ... electrolyte part 26 ... cathode side electrode 28 Anode-side electrode 30 Joints 32 and 34 Separator 46 Refrigerant supply line 48 Refrigerant discharge line 50 Oxidant gas flow path 51 Fuel gas flow paths 52 and 80 Flow path plate 54 Cooling liquid Passage 54a Central passage 54b Upper passage 54c Lower passage 56, 84 Cover plates 60a, 60b Conductive plates 64a to 64c,
86 ... flow path groove 82 ... cooling air passage 90 ... air introduction part 94 ... air introduction port 110 ... fuel cell system 112 ... fuel gas supply part 114 ... oxidant gas supply part 116 ... cooling liquid supply part 118 ... cooling air supply part
Claims (3)
とで挟んで構成される接合体を有し、前記接合体をセパ
レータにより挟持して前記アノード側電極に燃料ガスが
供給される一方、前記カソード側電極に酸化剤ガスが供
給される発電セルと、 所定数の前記発電セルに対して電気的に一体的に接続さ
れる一対の集電用電極と、 前記集電用電極間に介装されるとともに、前記発電セル
を冷却するための冷却媒体が発電面に沿って供給される
冷却セルと、 前記冷却媒体を前記発電セルおよび前記集電用電極から
電気的に絶縁するための絶縁機構と、 前記冷却セルを挟んで配置される前記発電セル同士また
は前記発電セルと前記集電用電極とを互いに電気的に接
続するための導電機構と、 を備え、 前記冷却セルは、前記発電面に対応する面内において、
面内中央部に対し面内端部よりも多量の前記冷却媒体を
供給する冷却媒体流路を設けることを特徴とする燃料電
池スタック。An assembly comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, wherein the assembly is sandwiched between separators and fuel gas is supplied to the anode electrode, A power generation cell in which an oxidant gas is supplied to a cathode side electrode; a pair of current collection electrodes electrically connected integrally to a predetermined number of the power generation cells; and an interposition between the current collection electrodes And a cooling cell for supplying a cooling medium for cooling the power generation cell along a power generation surface; and an insulating mechanism for electrically insulating the cooling medium from the power generation cell and the current collecting electrode. And a conductive mechanism for electrically connecting the power generation cells or the power generation cell and the current collecting electrode to each other with the cooling cell interposed therebetween. In the plane corresponding to Oite,
A fuel cell stack, wherein a cooling medium flow path for supplying a larger amount of the cooling medium than an in-plane end portion is provided in an in-plane central portion.
て、前記冷却媒体流路は、前記面内中央部と該面内中央
部を挟んで両側に設けられる前記面内端部とに略3等分
に分割されるとともに、 前記面内中央部には、前記冷却媒体流路に供給される全
冷却媒体流量の1/3〜2/3の流量が供給されること
を特徴とする燃料電池スタック。2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the cooling medium flow passages are formed in the in-plane central portion and the in-plane end portions provided on both sides of the in-plane central portion. A fuel cell stack, wherein a flow rate of 1 / to / of a total flow rate of the cooling medium supplied to the cooling medium flow path is supplied to the in-plane central portion. .
において、前記発電セルを冷却するための冷却気体が供
給され、前記冷却セルとの間に所定数の前記発電セルを
挟んで前記集電用電極間に介装される補助冷却セルを備
え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 1, wherein a cooling gas for cooling the power generation cells is supplied, and a predetermined number of the power generation cells are sandwiched between the fuel cells and the cooling cells. A fuel cell stack comprising an auxiliary cooling cell interposed between electrodes for use in fuel cells.
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|---|---|---|---|
| JP2002149224A JP2003346830A (en) | 2002-05-23 | 2002-05-23 | Fuel cell stack |
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Publications (1)
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|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006040791A (en) * | 2004-07-29 | 2006-02-09 | Tokai Rubber Ind Ltd | Solid polymer fuel cell |
| JP2006147506A (en) * | 2004-11-25 | 2006-06-08 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell stack |
| WO2015068349A1 (en) * | 2013-11-11 | 2015-05-14 | トヨタ自動車株式会社 | Separator used in fuel cell and fuel cell |
-
2002
- 2002-05-23 JP JP2002149224A patent/JP2003346830A/en active Pending
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