JP5249177B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して6つの連通孔が、左右に3つずつ振り分けて形成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。 The present invention provides a unit cell for sandwiching an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte with a separator, and stacks a plurality of the unit cells in a horizontal direction, and in the stacking direction of each unit cell. The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell stack formed by penetrating through and forming six communication holes on the left and right.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を設け、この電解質膜・電極構造体をセパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. On both sides of the electrolyte membrane, there are provided an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode-side electrode and a cathode-side electrode each having a noble metal-based electrode catalyst layer bonded to a base mainly composed of carbon are provided. A fuel cell is configured by sandwiching the structure with a separator.
この種の燃料電池において、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、電極触媒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は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、電子及び酸素が反応して水が生成される。 In this type of fuel cell, 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 by hydrogen on the electrode catalyst, via an electrolyte. It moves to the cathode side electrode side. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen reacts to produce water.
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池の積層方向の長さが相当に長尺化し、燃料ガスを各燃料電池に対して均等に供給することができない等の問題がある。そこで、複数の燃料電池スタックを用意するとともに、各燃料電池スタックを互いに並列させた燃料電池システムが採用されている。 Normally, this fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) is stacked in order to obtain a desired power generation. At that time, there is a problem that the length of the fuel cells in the stacking direction becomes considerably long, and the fuel gas cannot be uniformly supplied to each fuel cell. Therefore, a fuel cell system is used in which a plurality of fuel cell stacks are prepared and the fuel cell stacks are arranged in parallel with each other.
例えば、特許文献1に開示されている「電気化学燃料電池スタックアレイ用統合外部マニホールドアセンブリ」が知られている。この特許文献1では、図9に示すように、電気化学燃料電池スタックアレイ1は、4つの燃料電池スタック2a〜2dを備えており、各燃料電池スタック2a〜2dは、複数の単位セル3を矢印X方向に積層して構成されている。
For example, “integrated external manifold assembly for electrochemical fuel cell stack array” disclosed in
電気化学燃料電池スタックアレイ1には、外部マニホールドアセンブリ4が接続されている。この外部マニホールドアセンブリ4は、供給側のマニホールド主配管5a、5b及び5cと、排出側のマニホールド主配管6a、6b及び6cとを備えている。
An external manifold assembly 4 is connected to the electrochemical fuel
マニホールド主配管5a〜5cは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を流すものであり、例えば、前記マニホールド主配管5aには、複数のマニホールド分岐配管7が接続されてそれぞれの燃料電池スタック2a〜2dに反応ガス流を供給している。
The manifold
一方、マニホールド主配管6a〜6cは、同様に、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を流すものであり、例えば、前記マニホールド主配管6aには、複数のマニホールド分岐配管8が接続され、各マニホールド分岐配管8を介して各燃料電池スタック2a〜2dから反応ガス流を排出している。
On the other hand, the manifold
しかしながら、上記の特許文献1では、外部マニホールドアセンブリ4が、電気化学燃料電池スタックアレイ1の矢印X方向両端に設けられているため、前記電気化学燃料電池スタックアレイ1全体が相当に大型なものとなるとともに、配管系が複雑化且つ大型化してしまう。従って、配管の接続作業が煩雑なものとなり、しかもスペース効率が低下して、特に、車載用に有効に適用させることができないという問題が指摘されている。
However, in
さらに、マニホールド主配管5aから分岐される各マニホールド分岐配管7や、マニホールド主配管6aから分岐される各マニホールド分岐配管8は、それぞれ各燃料電池スタック2a〜2dの供給口及び排出口に対応して長さが異なっている。これにより、各燃料電池スタック2a〜2cに反応ガスを均一に供給することができないという問題がある。
Further, each manifold branch pipe 7 branched from the manifold
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックの配管構造を有効に簡素化且つコンパクト化するとともに、部品点数の削減及び組み付け作業の簡素化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and can effectively simplify and downsize the piping structure of the fuel cell stack, reduce the number of parts, and simplify the assembly work. The purpose is to provide.
本発明に係る燃料電池システムでは、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔及び冷却媒体出口連通孔の6つの連通孔が、左右に3つずつ振り分けて形成された燃料電池スタックを備えている。 In the fuel cell system according to the present invention , an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte is provided with a unit cell sandwiched by separators, and a plurality of the unit cells are stacked in a horizontal direction, and each unit Six communication holes including a fuel gas inlet communication hole, an oxidant gas inlet communication hole, a cooling medium inlet communication hole, a fuel gas outlet communication hole, an oxidant gas outlet communication hole, and a cooling medium outlet communication hole penetrating in the cell stacking direction However, it is provided with a fuel cell stack formed by distributing three each on the left and right.
燃料電池スタックには、一方の端部に形成された3つの連通孔に接続される単一の第1マニホールドと、他方の端部に形成された3つの連通孔に接続される単一の第2マニホールドとが設けられるとともに、前記第1及び第2マニホールドは、複数の配管により接続されている。 The fuel cell stack includes a single first manifold connected to three communication holes formed at one end, and a single first manifold connected to three communication holes formed at the other end. Two manifolds are provided, and the first and second manifolds are connected by a plurality of pipes.
また、複数の配管は、エンドプレートに接触して配設されることが好ましい。さらに、複数の配管は、隣接する配管同士が接触して配設されることが好ましい。 The plurality of pipes are preferably arranged in contact with the end plate. Furthermore, it is preferable that the plurality of pipes are arranged so that adjacent pipes are in contact with each other.
本発明によれば、それぞれ3つの連通孔に接続される単一のマニホールドを設けるため、部品点数が一挙に削減されて経済的であるとともに、組み付け作業全体が良好に簡素化される。 According to the present invention , since the single manifold connected to each of the three communication holes is provided, the number of parts is reduced at a time, and it is economical, and the entire assembling work is easily simplified.
さらにまた、複数の配管は、エンドプレートに接触して配設されるため、高温となる排出反応ガス及び排出冷却媒体を介して前記エンドプレートを保温することが可能になる。従って、簡単な構成で、燃料電池スタック内での暖機処理が迅速に遂行される。 Furthermore, since the plurality of pipes are arranged in contact with the end plate, it is possible to keep the end plate warm via the exhaust reaction gas and the exhaust cooling medium that become high temperature. Therefore, the warm-up process in the fuel cell stack is quickly performed with a simple configuration.
また、複数の配管は、隣接する配管同士が接触して配設されるため、排出反応ガス及び排出冷却媒体を介して供給反応ガス及び供給冷却媒体を加熱することが可能になる。これにより、燃料電池スタック内の温度を容易に均一化させることができる。 In addition, since the plurality of pipes are arranged so that adjacent pipes are in contact with each other, the supply reaction gas and the supply cooling medium can be heated via the discharge reaction gas and the discharge cooling medium. Thereby, the temperature in the fuel cell stack can be easily made uniform.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム10の概略全体斜視図である。
FIG. 1 is a schematic overall perspective view of a
燃料電池システム10は、水平方向(矢印A方向)に沿って互いに平行に且つ極性を反転して配列される同一構成の第1燃料電池スタック12と第2燃料電池スタック14とを備える。第1及び第2燃料電池スタック12、14の水平方向一端には、集合マニホールド16が一体的に装着される。
The
図2に示すように、第1燃料電池スタック12は、複数の単位セル18が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体20を備える。積層体20の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート22a、絶縁プレート24及び第1エンドプレート26aが外方に向かって、順次、配設される。積層体20の積層方向他端には、ターミナルプレート22b、絶縁性スペーサ部材28及び第2エンドプレート26bが外方に向かって、順次、配設される。第1燃料電池スタック12は、四角形(長方形)に構成される第1及び第2エンドプレート26a、26bを端板として含むケーシング29により一体的に保持される。
As shown in FIG. 2, the first
図2及び図3に示すように、各単位セル18は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ32、34とを備える。
As shown in FIGS. 2 and 3, each
単位セル18の長辺方向(図3中、矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔36a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔38a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔40bが設けられる。
An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to one end edge of the
単位セル18の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔40a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔38b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔36bが設けられる。
The other end edge of the
電解質膜・電極構造体30は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜42と、前記固体高分子電解質膜42を挟持するアノード側電極44及びカソード側電極46とを備える。
The electrolyte membrane /
アノード側電極44及びカソード側電極46は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜42を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜42の両面に接合される。
The
第1金属セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、燃料ガス供給連通孔40aと燃料ガス排出連通孔40bとを連通する燃料ガス流路48が形成される。この燃料ガス流路48は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。第1金属セパレータ32の面32bには、冷却媒体供給連通孔38aと冷却媒体排出連通孔38bとを連通する冷却媒体流路50が形成される。この冷却媒体流路50は、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。
A fuel gas flow path 48 that connects the fuel gas
第2金属セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路52が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路52は、酸化剤ガス供給連通孔36aと酸化剤ガス排出連通孔36bとに連通する。第2金属セパレータ34の面34bには、第1金属セパレータ32の面32bと重なり合って冷却媒体流路50が一体的に形成される。
The
第1金属セパレータ32の面32a、32bには、この第1金属セパレータ32の外周端部を周回して第1シール部材54が一体成形される。第1シール部材54は、面32aで燃料ガス供給連通孔40a、燃料ガス排出連通孔40b及び燃料ガス流路48を囲繞してこれらを連通させる一方、面32bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50を囲繞してこれらを連通させる。
A
第2金属セパレータ34の面34a、34bには、この第2金属セパレータ34の外周端部を周回して第2シール部材56が一体成形される。第2シール部材56は、面34aで酸化剤ガス供給連通孔36a、酸化剤ガス排出連通孔36b及び酸化剤ガス流路52を囲繞してこれらを連通させる一方、面34bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50を囲繞してこれらを連通させる。
A
図2に示すように、第1及び第2シール部材54、56間には、固体高分子電解質膜42の外周が直接ケーシング29に接触することを阻止すべく、シール57が介装される。第1及び第2シール部材54、56の外周端部は、ケーシング29の内面との間に僅かな隙間を有していてもよく、また、前記内面に接していてもよい。これは、第1及び第2金属セパレータ32、34が所定量以上に曲がることを規制するためである。
As shown in FIG. 2, a
図1及び図2に示すように、ターミナルプレート22a、22bの端部には、面方向に突出する板状の端子部58a、58bが形成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, plate-
ケーシング29は、図1、図2及び図4に示すように、端板である第1及び第2エンドプレート26a、26bと、積層体20の側部に配置される複数の側板60a〜60dと、前記側板60a〜60dの互いに近接する端部同士をねじ止めにより連結するアングル部材(例えば、Lアングル)62a〜62dと、前記第1及び第2エンドプレート26a、26bと前記側板60a〜60dとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン64a、64bとを備える。
As shown in FIGS. 1, 2, and 4, the
図4に示すように、第1エンドプレート26aの矢印B方向一端には、酸化剤ガス供給連通孔36aに連通する酸化剤ガス入口66a、冷却媒体供給連通孔38aに連通する冷却媒体入口68a、及び燃料ガス排出連通孔40bに連通する燃料ガス出口70bが形成される。
As shown in FIG. 4, at one end in the arrow B direction of the
第1エンドプレート26aの矢印B方向他端には、燃料ガス供給連通孔40aに連通する燃料ガス入口70a、冷却媒体排出連通孔38bに連通する冷却媒体出口68b、及び酸化剤ガス排出連通孔36bに連通する酸化剤ガス出口66bが形成される。
At the other end of the
図2に示すように、スペーサ部材28は、ケーシング29の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材28は、積層体20の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体20に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。なお、積層体20の積層方向の長さの変動が、第1及び第2金属セパレータ32、34自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材28を用いなくてもよい。
As shown in FIG. 2, the
第2燃料電池スタック14は、上記のように構成される第1燃料電池スタック12と略同一に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
The second
第1及び第2燃料電池スタック12、14を構成する積層体20は、全く同一の構成を有しており、それぞれの極性を逆にするために、例えば、前記第2燃料電池スタック14を構成する積層体20を、前記第1燃料電池スタック12を構成する積層体20に対して鉛直軸回りに180°反転させている。
The
第2燃料電池スタック14では、図5に示すように、第2エンドプレート26bに酸化剤ガス入口72a、冷却媒体入口74a及び燃料ガス出口76bが矢印B方向一端側に形成されるとともに、燃料ガス入口76a、冷却媒体出口74b及び酸化剤ガス出口72bが矢印B方向他端側に形成される。
In the second
第1及び第2燃料電池スタック12、14の中間位置Pに対して、酸化剤ガス入口66a、72a、冷却媒体入口68a、74a及び燃料ガス出口70b、76bは、互いに近接する位置に且つ対称となる位置に設けられる一方、燃料ガス入口70a、76a、冷却媒体出口68b、74b及び酸化剤ガス出口66b、72bは、互いに離間する位置に且つ対称となる位置に設けられる。
The
図1に示すように、第1及び第2燃料電池スタック12、14の互いに隣接する一端側の第1及び第2エンドプレート26a、26bには、集合マニホールド16が一体的に装着される。集合マニホールド16は、図1及び図6に示すように、該集合マニホールド16の中央部に連結ブロック80を設けており、この連結ブロック80の両側部には、それぞれ6本の配管82a〜82f及び84a〜84fが連結される。
As shown in FIG. 1, the
配管82a〜82fは、第1燃料電池スタック12側に延在して第1マニホールド86に連結される。この第1マニホールド86は、第1燃料電池スタック12の一方の端部に形成された3つの連通孔である酸化剤ガス入口66a、冷却媒体入口68a、及び燃料ガス出口70bに接続される単一のマニホールドを構成する。
The
第1燃料電池スタック12の他方の端部に形成された3つの連通孔である燃料ガス入口70a、冷却媒体出口68b及び酸化剤ガス出口66bには、単一の第2マニホールド88が接続される。第1マニホールド86には、それぞれ配管82a〜82eに連通する4本の配管90a〜90dの一端が接続される。
A single
配管90a、90b及び90dの他端は、第2マニホールド88に接続される一方、配管90cの他端は、第2マニホールド88の外周を通って、第1燃料電池スタック12の側方に延在している。配管90a〜90dは、互いの外周面を接触して配設されるとともに、第1燃料電池スタック12の第1エンドプレート26aの面に接触している。
The other ends of the
配管84a〜84fは、第2燃料電池スタック14側に延在して第3マニホールド92に接続される。この第3マニホールド92は、第2燃料電池スタック14の一方の端部に形成された3つの連通孔である酸化剤ガス入口72a、冷却媒体入口74a及び燃料ガス出口76bに接続される単一のマニホールドを構成する。
The
第2燃料電池スタック14の他方の端部に形成された3つの連通孔である燃料ガス入口76a、冷却媒体出口74b及び酸化剤ガス出口72bには、単一の第4マニホールド94が接続される。
A single
第3マニホールド92には、配管84a〜84eに連通する4つの配管96a〜96dの一端が接続されるとともに、前記配管96a、96c及び96dの他端が第4マニホールド94に接続される。配管96bの他端は、第2マニホールド88に一部が連結された状態で、第2燃料電池スタック14の側方に延在する。
One end of four
連結ブロック80の一方の面である表面80aには、燃料ガス供給口98aと燃料ガス排出口98bとが設けられる。燃料ガス供給口98aは、配管82b、84bに連通する一方、燃料ガス排出口98bは、配管82f、84fに連通する。
A fuel
図7に示すように、連結ブロック80の他方の面である裏面80bの上部側には、配管82a、84aに連通する酸化剤ガス供給口100aと、配管82e、84eに連通する酸化剤ガス排出口100bとが近接して形成される。この裏面80bには、酸化剤ガス供給口100a及び酸化剤ガス排出口100bに連通する加湿器102が取り付けられる。
As shown in FIG. 7, on the upper side of the back surface 80b, which is the other surface of the connecting
図6及び図8に示すように、第1マニホールド86は、酸化剤ガス入口66aを配管82aに連通し、冷却媒体入口68aを配管82d、90cに連通し、燃料ガス出口70bを配管82fに連通する。第2マニホールド88は、燃料ガス入口70aを配管90aに連通し、冷却媒体出口68bを配管90dに連通し、酸化剤ガス出口66bを配管90bに連通する。
As shown in FIGS. 6 and 8, the
同様に、第3マニホールド92は、酸化剤ガス入口72aを配管84aに連通し、冷却媒体入口74aを配管84d(及び必要に応じて端部が閉塞された配管96c)に連通し、燃料ガス出口76bを配管84fに連通する。第4マニホールド94は、燃料ガス入口76aを配管96aに連通し、冷却媒体出口74bを配管96bに連通し、酸化剤ガス出口72bを配管96dに連通する。
Similarly, the
集合マニホールド16では、配管82a、84aが酸化剤ガス供給配管を構成し、配管82b、84b、90a及び96aが燃料ガス供給配管を構成し、配管82c、84c、90b及び96bが冷却媒体排出配管を構成し、配管82d、84d及び90cが冷却媒体供給配管を構成し、配管82e、84e、90d及び96dが酸化剤ガス排出配管を構成し、配管82f、84fが燃料ガス排出配管を構成する。
In the
配管82a〜82f、84a〜84f、90a〜90d及び96a〜96dは、例えば、熱伝導性に優れる金属材や伝熱性樹脂材、又は絶縁性樹脂材等で形成される。なお、金属材の流路内面に絶縁コートを施してもよい。
The
図1に示すように、第1燃料電池スタック12の集合マニホールド16に近接する端子部58aと、第2燃料電池スタック14の前記集合マニホールド16に近接する端子部58bとは、ケーブル104を介して電気的に接続される。端子部58aは、例えば、負極である一方、端子部58bは、例えば、正極であり、これらがケーブル104により電気的に接続されることによって、第1及び第2燃料電池スタック12、14が電気的に直列に接続される。第1燃料電池スタック12の端子部58bと、第2燃料電池スタック14の端子部58aとは、例えば、モータ等の外部負荷106に接続されている。
As shown in FIG. 1, the
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1、図6及び図7に示すように、燃料電池システム10では、集合マニホールド16に装着された加湿器102から連結ブロック80の酸化剤ガス供給口100aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、前記連結ブロック80の燃料ガス供給口98aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、配管90cには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIGS. 1, 6, and 7, in the
連結ブロック80の酸化剤ガス供給口100aに供給された酸化剤ガスは、配管82a、84aを通って第1及び第3マニホールド86、92に送られる。このため、酸化剤ガスは、第1及び第2燃料電池スタック12、14を構成する第1及び第2エンドプレート26a、26bの酸化剤ガス入口66a、72aに供給される(図5及び図6参照)。
The oxidant gas supplied to the oxidant
連結ブロック80の燃料ガス供給口98aに供給された燃料ガスは、配管82b、84bから配管90a、96aを通って第1及び第2燃料電池スタック12、14の燃料ガス入口70a、76aに供給される。
The fuel gas supplied to the fuel
配管90cに供給された冷却媒体は、一部分が第2マニホールド88から第1燃料電池スタック12の冷却媒体入口68aに送られるとともに、残余の部分が配管82d、84dを介して第3マニホールド92から第2燃料電池スタック14の冷却媒体入口74aに供給される。
A part of the cooling medium supplied to the
次いで、第1燃料電池スタック12内では、図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔36aから第2金属セパレータ34の酸化剤ガス流路52に導入され、電解質膜・電極構造体30のカソード側電極46に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔40aから第1金属セパレータ32の燃料ガス流路48に導入され、電解質膜・電極構造体30のアノード側電極44に沿って移動する。
Next, in the first
従って、各電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極46に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極44に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極46に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔36bに沿って流動した後、第1エンドプレート26aの酸化剤ガス出口66bに排出される(図5参照)。同様に、アノード側電極44に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔40bに排出されて流動し、第1エンドプレート26aの燃料ガス出口70bに排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔38aから第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、冷却媒体排出連通孔38bを移動して第1エンドプレート26aの冷却媒体出口68bに排出される。
The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling
第2燃料電池スタック14では、上記の第1燃料電池スタック12と同様に、使用済みの酸化剤ガスは、第2エンドプレート26bの酸化剤ガス出口72bに排出される(図5参照)。さらに、使用済みの燃料ガスは、第2エンドプレート26bの燃料ガス出口76bに排出されるとともに、使用済みの冷却媒体は、前記第2エンドプレート26bの冷却媒体出口74bに排出される。
In the second
酸化剤ガス出口66b、72bに排出された酸化剤ガスは、図6及び図8に示すように、第2及び第4マニホールド88、94から配管90d、96dを通って配管82e、84eに送られる。さらに、酸化剤ガスは、連結ブロック80内を上昇して酸化剤ガス排出口100bから加湿器102に送られる(図7参照)。
As shown in FIGS. 6 and 8, the oxidant gas discharged to the
加湿器102では、使用済みの酸化剤ガスから使用前の酸化剤ガスに水分及び熱の交換が行われる。このため、使用前の酸化剤ガスは、所望の加湿状態で且つ所望の温度に調整された後、第1及び第2燃料電池スタック12、14に供給される。
In the
一方、燃料ガス出口70b、76bに排出された燃料ガスは、図6及び図8に示すように、第1及び第3マニホールド86、92から配管82f、84fを通って連結ブロック80の燃料ガス排出口98bに排出される。
On the other hand, the fuel gas discharged to the
さらに、冷却媒体出口68bに排出された冷却媒体は、第2マニホールド88から配管90bを通って第1マニホールド86に至り、配管82c、84c及び96bを通って外部に排出される。また、冷却媒体出口74bから排出された冷却媒体は、配管96bの途上に合流して外部に排出される。
Further, the cooling medium discharged to the cooling
この場合、本実施形態では、第1及び第2燃料電池スタック12、14が並列され、この第1及び第2燃料電池スタック12、14の互いに隣接する第1及び第2エンドプレート26a、26bには、集合マニホールド16が一体的に装着されている。そして、集合マニホールド16の中央部には、連結ブロック80が設けられるとともに、この連結ブロック80は、燃料ガス供給口98a、燃料ガス排出口98b、酸化剤ガス供給口100a及び酸化剤ガス排出口100bを備えている。
In this case, in this embodiment, the first and second fuel cell stacks 12 and 14 are arranged in parallel, and the first and
これにより、連結ブロック80から第1及び第2燃料電池スタック12、14に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配することができ、前記第1及び第2燃料電池スタック12、14は、所望の発電機能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
Accordingly, the fuel gas and the oxidant gas can be evenly distributed from the
しかも、集合マニホールド16は、第1及び第2燃料電池スタック12、14の互いに隣接する一端側に装着されている。このため、燃料電池システム10全体の小型化が容易に図られるとともに、配管構造及び配管取り付け作業の簡素化が遂行される。
In addition, the
また、連結ブロック80の表面80aには、燃料ガス供給口98a及び燃料ガス排出口98bが設けられる一方、前記連結ブロック80の裏面80bには、酸化剤ガス供給口100a及び酸化剤ガス排出口100bが設けられている(図7参照)。従って、連結ブロック80の表裏(表面80a及び裏面80b)に配管継手のスペースを十分に確保することができ、スペース効率の向上が図られる。しかも、第1及び第2燃料電池スタック12、14の間に加湿器102が配置されており、この加湿器102と連結ブロック80との配管距離が有効に短尺化されるという利点がある。
A fuel
さらに、本実施形態では、第1燃料電池スタック12において、図6に示すように、酸化剤ガス入口66a、冷却媒体入口68a及び燃料ガス出口70bに接続される単一の第1マニホールド86と、燃料ガス入口70a、冷却媒体出口68b及び酸化剤ガス出口66bに接続される単一の第2マニホールド88とを設けている。同様に、第2燃料電池スタック14において、それぞれ3つの連通孔に接続される単一の第3及び第4マニホールド92、94を設けている。これにより、部品点数が一挙に削減されて経済的であるとともに、集合マニホールド16全体の組み付け作業が良好に簡素化されるという効果がある。
Furthermore, in the present embodiment, in the first
さらにまた、第1燃料電池スタック12において、複数の配管90a〜90dが第1エンドプレート26aの面に接触して配設されている。このため、第1燃料電池スタック12の発電により高温となる排出冷却媒体及び排出酸化剤ガスは、それぞれ配管90b、90dを流れることによって、前記配管90b、90dから第1エンドプレート26aに伝熱が行われる。
Furthermore, in the first
従って、特に、低温起動時に第1燃料電池スタック12の端部セル(積層方向端部に配置されている単位セル18)を速やかに暖機することが可能になり、簡単な構成で、前記第1燃料電池スタック12の効率的な暖機処理が容易に遂行されるという利点がある。
Therefore, in particular, it becomes possible to quickly warm up the end cells of the first fuel cell stack 12 (
また、配管90a〜90dは、隣接する配管同士が接触して配設されている。これにより、配管90b、90dを流れる高温の排出冷却媒体及び排出酸化剤ガスを介して、配管90a、90cを流れる供給燃料ガス及び供給冷却媒体を加熱することができる。
The
このため、第1燃料電池スタック12内の温度を容易に均一化させて効率的な発電機能を維持することが可能になる。一方、第2燃料電池スタック14においても、上記の第1燃料電池スタック12と同様の効果が得られる。
For this reason, it becomes possible to easily equalize the temperature in the first
なお、本実施形態では、連結部材として、例えば、アングル部材62a〜62dを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、側板60a〜60d自体に屈曲するフランジ部を形成し、各フランジ部をねじ止めして前記側板60a〜60d同士を連結することにより連結部材を構成してもよい。また、側板60a〜60d同士を溶接して一体化することにより、連結部材を構成してもよい。
In the present embodiment, for example, the
10…燃料電池システム 12、14…燃料電池スタック
16…集合マニホールド 18…単位セル
20…積層体 26a、26b…エンドプレート
29…ケーシング 30…電解質膜・電極構造体
32、34…セパレータ 36a…酸化剤ガス供給連通孔
36b…酸化剤ガス排出連通孔 38a…冷却媒体供給連通孔
38b…冷却媒体排出連通孔 40a…燃料ガス供給連通孔
40b…燃料ガス排出連通孔 42…固体高分子電解質膜
44…アノード側電極 46…カソード側電極
48…燃料ガス流路 50…冷却媒体流路
52…酸化剤ガス流路 58a、58b…端子部
60a〜60d…側板 66a、72a…酸化剤ガス入口
66b、72b…酸化剤ガス出口 68a、74a…冷却媒体入口
68b、74b…冷却媒体出口 70a、76a…燃料ガス入口
70b、76b…燃料ガス出口 80…連結ブロック
82a〜82f、84a〜84f、90a〜90d、96a〜96d…配管
86、88、92、94…マニホールド
98a…燃料ガス供給口 98b…燃料ガス排出口
100a…酸化剤ガス供給口 100b…酸化剤ガス排出口
102…加湿器
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池スタックには、一方の端部に形成された3つの連通孔に接続される単一の第1マニホールドと、
他方の端部に形成された3つの連通孔に接続される単一の第2マニホールドと、
前記他方の端部に形成された各連通孔に連通して前記第2マニホールドに接続される3本の配管と、
が設けられるとともに、
前記3本の配管は、前記第1マニホールドを貫通して前記第1マニホールドと前記第2マニホールドとを接続することを特徴とする燃料電池システム。 A unit cell that sandwiches an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes on both sides of an electrolyte by a separator is provided, and a plurality of the unit cells are stacked in a horizontal direction, and fuel is penetrated in the stacking direction of each unit cell. Six communication holes, gas inlet communication holes, oxidant gas inlet communication holes, cooling medium inlet communication holes, fuel gas outlet communication holes, oxidant gas outlet communication holes, and cooling medium outlet communication holes, are divided into three on the left and right sides. Comprising a formed fuel cell stack,
The fuel cell stack includes a single first manifold connected to three communication holes formed at one end,
A single second manifold connected to the three communication holes formed at the other end;
Three pipes connected to the second manifold in communication with the communication holes formed in the other end;
Is provided,
Fuel cell system, characterized in that the three pipes are to be pre-SL through the first manifold connecting the said first manifold second manifold.
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