JP5211621B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、同一平面内に配設された複数の発電セルとセパレータを交互に多数積層して成る燃料電池スタックに関し、特に、燃料電池スタックの積層方向における温度の均一化に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of power generation cells and separators arranged in the same plane are alternately stacked, and more particularly to temperature uniformity in the stacking direction of the fuel cell stack.
従来より、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層で挟み込んだ構造の発電セルは、空気極層に空気(酸素)を燃料極層に燃料ガス(H2、CO、CH4)を供給することにより、電極間に発電反応が生じて起電力が得られることが知られている。 Conventionally, a power generation cell having a structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched from both sides by an air electrode layer and a fuel electrode layer has air (oxygen) in the air electrode layer and fuel gas (H 2 in the fuel electrode layer). , CO, CH 4 ), it is known that a power generation reaction occurs between the electrodes and an electromotive force is obtained.
ところで、上記構成の発電セルでは、単位セル当たりの起電力が高々1V程度と極めて小さいため、通常は、この発電セルを、セパレータ、集電体等の導電部材を介して多数積層してスタック化することにより、実質的な電池出力が得られるようにしている。 By the way, in the power generation cell having the above configuration, the electromotive force per unit cell is as small as about 1 V at most. Therefore, normally, a large number of the power generation cells are stacked through a conductive member such as a separator or a current collector to form a stack. By doing so, a substantial battery output is obtained.
ところが、このような平板積層型の燃料電池スタックでは、積層方向において各発電セル間に温度差が生じており、スタック温度は、図4の(イ)に示すように、スタック中段部で高く、スタック端部において低くなる傾向にある。 However, in such a flat plate type fuel cell stack, there is a temperature difference between the power generation cells in the stacking direction, and the stack temperature is high in the middle stage of the stack as shown in FIG. It tends to be lower at the stack edge.
これは、燃料電池スタックの端部は中段部に較べて発電セルのジュール熱が外に発散し易いためであり、また、スタックの積層方向を縦にした縦設置型の燃料電池スタックの場合、スタック端部の温度については、上昇する高温の排ガスによってスタック上段部が加熱されるため、上端部の温度が高くなり、下端部の温度が低くなっている。
温度が低い部分の発電セルは、電極反応が不活発なため、内部抵抗が大きくなっており、高温部分であるスタック中段部の発電セルに較べて発電性能は低下している。
This is because the end of the fuel cell stack is more likely to dissipate the Joule heat of the power generation cells to the outside as compared to the middle stage, and in the case of a vertically installed fuel cell stack in which the stacking direction of the stack is vertical, Regarding the temperature of the stack end, the upper stage of the stack is heated by the rising high-temperature exhaust gas, so that the temperature of the upper end is high and the temperature of the lower end is low.
The power generation cell in the low temperature part has an inactive electrode reaction, and thus the internal resistance is large, and the power generation performance is lower than that in the power generation cell in the middle part of the stack, which is the high temperature part.
このように、燃料電池スタックの積層方向において温度分布が生じていると、総合的な発電性能が低温部分に位置する発電セルの発電性能で制限されるため、効率的な発電が行えないという問題が有った。この傾向は、スタックの積層段数が多い程顕著である。
また、高温部分の発電セルは発電性能は良好であるが、発電セルやセパレータ等の構成部品は他の部分に較べて高温に晒されるため、劣化、破損し易いという問題がある。
Thus, if temperature distribution occurs in the stacking direction of the fuel cell stack, the total power generation performance is limited by the power generation performance of the power generation cells located in the low-temperature part, so that efficient power generation cannot be performed. There was. This tendency becomes more prominent as the number of stacks in the stack increases.
In addition, the power generation cell in the high temperature part has good power generation performance, but the components such as the power generation cell and the separator are exposed to a higher temperature than in other parts, and thus there is a problem that they are easily deteriorated and damaged.
尚、燃料電池スタックにおける積層方向の温度を均一化する技術として、例えば、特許文献1が開示されている。特許文献1は、積層状態の各セパレータに放熱フィンを設けて、セパレータの熱放射性を向上することで燃料電池スタックの温度分布を制御する(放熱によりスタック温度を下げる)ものであるが、このような放熱フィンによる熱放射性の制御では、特に温度が低くなるスタック下端部の温度を上昇させることはできなかった。
それ故、上記技術により、スタック積層方向の温度分布が或る程度低減されても、スタック下端部に位置する発電セルの発電性能は依然として低いままであり、よって、燃料電池スタックの総合的な発電性能は決して満足できるものではなかった。
Therefore, even if the temperature distribution in the stack stacking direction is reduced to some extent by the above technique, the power generation performance of the power generation cell located at the lower end of the stack remains low, and thus the total power generation of the fuel cell stack The performance was never satisfactory.
本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、燃料電池スタック内部に、発電セルから放出される排ガスをスタックの積層方向に流通させる排ガス流路を設け、排ガスの熱により、特に、スタック端部の温度を上昇させることで、スタック積層方向の温度を均一化し、スタック端部に位置する発電セルの発電性能を向上させた高効率の燃料電池スタックを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and an exhaust gas flow path is provided inside the fuel cell stack to distribute the exhaust gas discharged from the power generation cells in the stacking direction of the stack. It is an object of the present invention to provide a highly efficient fuel cell stack in which the temperature in the stack is made uniform so that the temperature in the stack stacking direction is made uniform and the power generation performance of the power generation cells located at the stack end is improved.
すなわち、請求項1に記載の燃料電池スタックは、発電セルが同一平面内に複数配設され、これら複数の発電セルがセパレータを介して複数積層されて成る燃料電池スタックにおいて、スタックの内部に、発電反応後の排ガスが積層方向に流通する排ガス流路が設けられ、且つ、当該排ガス流路における積層方向の一方側へのガス流通量を積層方向の他方側へのガス流通量より多くしたことを特徴としている。 That is, in the fuel cell stack according to claim 1, in the fuel cell stack in which a plurality of power generation cells are arranged in the same plane, and the plurality of power generation cells are stacked with a separator interposed therebetween, An exhaust gas flow path through which the exhaust gas after the power generation reaction flows in the stacking direction is provided, and the gas flow rate on one side in the stacking direction in the exhaust gas flow channel is greater than the gas flow rate on the other side in the stacking direction. It is characterized by.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、上記発電セルは、発電反応後の排ガスを外周部より放出するシールレス構造を有し、且つ、各セパレータの上記複数の発電セルで囲まれた部位に対応する部分に積層方向に貫通するガス排出孔が設けられ、当該ガス排出孔を通して上記排ガスが積層方向に流通することを特徴としている。 The invention according to claim 2 is the fuel cell stack according to claim 1, wherein the power generation cell has a sealless structure that discharges exhaust gas after power generation reaction from the outer periphery, and each separator A gas discharge hole penetrating in the stacking direction is provided in a portion corresponding to the portion surrounded by the plurality of power generation cells, and the exhaust gas flows in the stacking direction through the gas discharge hole.
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、スタックの積層方向の他方側の端部に位置する上記セパレータのガス排出孔の大きさを他のセパレータのガス排出孔より小さくして成ることを特徴としている。
これにより、当排ガス流路内において、主としてスタックの積層方向の他方側から一方側に向けた排ガスの流れを生じさせることができる。
Further, the invention according to claim 3 is the fuel cell stack according to claim 2, wherein the size of the gas discharge hole of the separator located at the other end in the stacking direction of the stack is set to the gas of the other separator. It is characterized by being made smaller than the discharge hole.
Thereby, in this exhaust gas flow path, the flow of the exhaust gas mainly toward the one side from the other side of the stacking direction of the stack can be generated.
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の燃料電池スタックにおいて、上記スタックの積層方向の他方側の端部に位置する上記セパレータのガス排出孔の開度を調整するための蓋機構を備えることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell stack according to the third aspect, wherein the opening degree of the gas discharge hole of the separator located at the other end in the stacking direction of the stack is adjusted. It is characterized by including a lid mechanism.
また、請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4までの何れかに記載の燃料電池スタックにおいて、上記スタックの両端にそれぞれ端板が設けられ、且つ、積層方向の一方側の端部の端板に、上記排ガス流路内の排ガスをスタック外に排出するガス排出口を設けて成ることを特徴としている。
Further, the invention according to
請求項1〜5に記載の発明によれば、スタック内部に発電反応後の排ガスが積層方向に流通する排ガス流路を設け、当排ガス流路における積層方向の一方側へのガス流通量を他方側へのガス流通量より多くしたので、比較的温度の高いスタック中段部においては、発電セルからの排ガスが排ガス流路内を流通することにより、発電セルの熱発散性が向上してスタック中段部の温度を低下できると共に、温度の低いスタック端部においては、積層方向に流通する排ガスの熱により加熱されてスタック温度が上昇し、スタック積層方向の温度分布を低減する(均熱化)ことができる。
特に、縦設置型の燃料電池スタックでは、排ガス流路内に、積層方向の一方側となる下方への排ガスの流れを生じさせることにより、最も温度の低いスタック下端部の温度をスタック平均温度より上昇させることも可能である。その結果、スタック下端部の発電セルの発電性能が向上し、燃料電池スタックの総合的な発電性能を向上できる。
加えて、上述のように、ガス排出孔への排ガスの流れにより熱発散性が向上し、スタック中段部の温度が低下することで、スタック中段部においては、発電セルやセパレータ等、各構成部品に対する熱的ストレスが緩和されるため、燃料電池スタックの耐久性や信頼性を向上できる。
According to the first to fifth aspects of the present invention, the exhaust gas flow path through which the exhaust gas after the power generation reaction flows in the stacking direction is provided inside the stack, and the gas flow rate to one side in the stacking direction of the exhaust gas flow path is set to the other side. Since the amount of gas flowing to the side is larger than that in the stack middle stage, the exhaust gas from the power generation cell circulates in the exhaust gas flow path, so that the heat dissipation of the power generation cell is improved and the stack middle stage The temperature of the stack can be lowered, and at the stack end where the temperature is low, the stack temperature rises due to the heat of the exhaust gas flowing in the stacking direction and the temperature distribution in the stack stacking direction is reduced (soaking). Can do.
In particular, in a vertically installed fuel cell stack, the temperature at the lower end of the stack having the lowest temperature is made higher than the stack average temperature by causing the exhaust gas flow in the exhaust gas channel to flow downward on one side in the stacking direction. It can also be raised. As a result, the power generation performance of the power generation cell at the lower end of the stack is improved, and the overall power generation performance of the fuel cell stack can be improved.
In addition, as described above, the heat diffusibility is improved by the flow of the exhaust gas to the gas discharge hole, and the temperature of the middle stage part of the stack is lowered. Therefore, the durability and reliability of the fuel cell stack can be improved.
また、請求項2に記載の発明によれば、セパレータの複数の発電セルに囲まれた部位に対応する部分にガス排出孔を設けたので、発電セルの外周部より放出された排ガスを発電セルの周部に滞留させることなく、このガス排出孔を通してガス流路内をスタックの積層方向に流通させることができる。
これにより、反応用ガスが各発電セルにスムーズに供給されるようになり、各発電セルの発電性能を向上できる。また、比較的温度の高いスタック中段部においては、発電セルの熱発散性が向上してスタック中段部の温度を低下できると共に、温度の低いスタック端部においては、積層方向に流通する排ガスの熱によりスタック温度が上昇し、スタック積層方向の温度分布を低減することができる。
According to the invention described in claim 2, since the gas discharge hole is provided in the portion corresponding to the portion surrounded by the plurality of power generation cells of the separator, the exhaust gas discharged from the outer peripheral portion of the power generation cell is used as the power generation cell. The gas flow path can be circulated in the stacking direction of the stack through the gas discharge holes without being retained in the periphery of the stack.
Accordingly, the reaction gas is smoothly supplied to each power generation cell, and the power generation performance of each power generation cell can be improved. In addition, in the middle stage of the stack where the temperature is relatively high, the heat dissipating property of the power generation cell can be improved and the temperature of the middle part of the stack can be lowered, and in the stack end where the temperature is low, the heat of exhaust gas flowing in the stacking direction As a result, the stack temperature rises and the temperature distribution in the stacking direction can be reduced.
また、請求項3に記載の発明によれば、スタックの積層方向の他方側の端部に位置するセパレータのガス排出孔の大きさを他のセパレータのガス排出孔より小さくしたので、排ガス流路内において積層方向の他方側に抜ける排ガスの流量が減少し、これにより、排ガス流路に主として積層方向の一方側に向かう排ガスの流れを生じさせることができる。
この排ガスの熱により、特に、縦設置型の燃料電池スタックでは、積層方向の一方側となる最も温度の低いスタック下端部の温度をスタックの平均温度より上昇させることも可能であり、その結果、スタック下端部の発電セルの発電性能が向上し、燃料電池スタックの総合的な発電性能を向上できる。
According to the invention described in claim 3, since the size of the gas discharge hole of the separator located at the other end in the stacking direction of the stack is made smaller than the gas discharge hole of the other separator, The flow rate of the exhaust gas flowing out to the other side in the stacking direction is reduced, so that a flow of exhaust gas mainly directed to one side in the stacking direction can be generated in the exhaust gas flow path.
Due to the heat of the exhaust gas, in particular, in the vertically installed fuel cell stack, it is possible to raise the temperature at the lower end of the stack, which is the lowest temperature on one side in the stacking direction, from the average temperature of the stack. The power generation performance of the power generation cell at the lower end of the stack is improved, and the overall power generation performance of the fuel cell stack can be improved.
また、請求項4に記載の発明によれば、スタックの積層方向の他方側の端部に位置するセパレータのガス排出孔の開度を調整するための蓋機構を備えるので、このガス排出孔の開度をスタック積層方向の温度分布の状態(すなわち、スタックの積層段数や電気的出力密度)に応じて調整し、排ガス流路内における積層方向の上方側へのガス流通量と下方側へのガス流通量を適宜調整することにより、スタック両端部の温度をバランス良く調整することができ、スタック積層方向の温度分布をより確実に低減し、スタック温度の均熱化を図ることができる。 Further, according to the invention described in claim 4, since the lid mechanism for adjusting the opening degree of the gas discharge hole of the separator located at the other end portion in the stacking direction of the stack is provided, The opening is adjusted according to the state of temperature distribution in the stacking direction (that is, the number of stacks in the stack and the electrical output density), and the amount of gas flowing upward and downward in the stacking direction in the exhaust gas flow path By appropriately adjusting the gas flow rate, the temperature at both ends of the stack can be adjusted in a well-balanced manner, the temperature distribution in the stack stacking direction can be more reliably reduced, and the stack temperature can be equalized.
また、請求項5に記載の発明によれば、積層方向の一方側の端板に、排ガス流路内より放出された排ガスをスタック外に排出するガス排出口を設けたので、排ガス流路内における積層方向の一方側への排ガスの流れがスムーズになり、スタック端部の温度を効率良く上昇させることができる。
Further, according to the invention described in
以下、図1〜図3に基づいて本発明に係る燃料電池スタックの実施形態を説明する。
図1は本実施形態による固体酸化物形燃料電池スタックの内部構造を示す模式図、図2は下端板の上面図、図3はセパレータの構造を示す図である。
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic view showing the internal structure of the solid oxide fuel cell stack according to the present embodiment, FIG. 2 is a top view of a lower end plate, and FIG. 3 is a view showing the structure of a separator.
本実施形態による固体酸化物形燃料電池スタックは、図1の要部拡大図ように、固体電解質層2の両面に燃料極層3と空気極層4を配して成る複数の発電セル5(5a〜5d)と、燃料極層3の外側の燃料極集電体6と、空気極層4の外側の空気極集電体7と、各集電体6、7の外側のセパレータ8をそれぞれ順番に多数縦方向に積層した構造を有する。
上記積層体(スタック)の構成要素の内、固体電解質層2はイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層3はNi等の金属、或いはNi−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層4はLaMnO3、或いはLaCoO3等で構成され、燃料極集電体6はNi等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体7はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。
The solid oxide fuel cell stack according to the present embodiment includes a plurality of power generation cells 5 (with a fuel electrode layer 3 and an air electrode layer 4 disposed on both surfaces of a solid electrolyte layer 2 as shown in an enlarged view of the main part of FIG. 5a to 5d), the anode
Among the constituent elements of the laminate (stack), the solid electrolyte layer 2 is made of stabilized zirconia (YSZ) or the like to which yttria is added, and the fuel electrode layer 3 is made of a metal such as Ni or a cermet such as Ni-YSZ. The air electrode layer 4 is made of LaMnO 3 or LaCoO 3 , the fuel electrode
また、セパレータ8は、図3に示すように、厚さ数mmの略四角形状のステンレス板で成り、上述した複数の発電セル5と各発電セル5の外側の各集電体6、7等が配設されるセパレータ本体8aと、このセパレータ本体8aより面方向に延設されて、当セパレータ本体8aの対向縁部を2カ所で支持するアーム部8b、8bとで構成されている。
Further, as shown in FIG. 3, the
本実施形態では、図3中、一点鎖線で示すように、セパレータ本体8aの中央部分に、平面視円形の4個の発電セル5a〜5dが同一平面上に縦横対称に配設される。
セパレータ8は、これらの同一平面上に配設された発電セル5a〜5dを集電体6、7を介して電気的に並列接続すると共に、並列に接続されたこれら発電セル群(5a〜5d)を積層方向に直列に接続していく。
また、セパレータ8は、各発電セル5a〜5dのぞれぞれに反応用ガスとしての燃料ガス及び空気を供給する機能を有し、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス流路11と空気が流通する空気流路12が形成されている。また、各アーム部8b、8bの端部には、厚さ方向に貫通する燃料導入口13と空気導入口14が対向位置に設けられ、燃料導入口13は上記燃料ガス流路11に連通し、空気導入口14は上記空気流路12に連通している。
In the present embodiment, as indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 3, four power generation cells 5 a to 5 d having a circular shape in plan view are arranged on the same plane in vertical and horizontal symmetry at the central portion of the separator body 8 a.
The
Further, the
さらに詳しく述べれば、図3に示すように、上記空気流路12は、空気導入口14より一方のアーム部8bの内部を通してセパレータ8の下辺中央部位P1に至り、ここから内方に向けて発電セル5a〜5dで囲まれたセパレータ本体8aの中心部位P2に至り、P2において横T字に分岐し、一方(左方向)の空気流路12は発電セル5aと発電セル5bの中間部位P3に至り、P3において更に縦T字に分岐して、それぞれ発電セル5a、5bの中心部に対応するセパレータ面上に開口した空気吐出口12a、12aに連通している。
一方、P2において、他方(右側)の空気流路12は、発電セル5cと発電セル5dの中間部位P4に至り、P4において更に縦T字に分岐してそれぞれ発電セル5c、5dの中心部に対応するセパレータ面上に開口した空気吐出口12a、12aに連通している。
More specifically, as shown in FIG. 3, the
On the other hand, in P2, the other (right side)
また、燃料ガス流路11は、燃料導入口13より上記とは別のアーム部8b内を通してセパレータ8の上辺部中央から発電セル5cと発電セル5dの中間部位P5に至り、P5において横T字に分岐し、一方(左側)の燃料ガス流路11は、発電セル5bの周縁に沿って発電セル5aと発電セル5bの中間部位P6に至り、P6において更に縦T字に分岐して、それぞれ発電セル5a、5bの中央部に対応するセパレータ面上に開口した燃料吐出口11a、11aに連通している。
一方、P5において他方(右側)の燃料ガス流路11は、発電セル5cの周縁に沿って発電セル5cと発電セル5dの中間部位P7に至り、P7において更に横T字に分岐してそれぞれ発電セル5c、5dの中央部に対応するセパレータ面上に開口した燃料吐出口11a、11aに連通している。
尚、この燃料ガス流路11については、セパレータ本体8a上の各部位P5、P6、P7においてガス流路が分岐される毎にその断面積を縮小するようにして、各発電セル5a〜5dへの燃料ガスの等配流を可能にしている。
Further, the
On the other hand, the other (right side)
The fuel
また、発電セル5aと発電セル5bの間であって、燃料ガス流路11の分岐部P6と空気流路12の分岐路P3とに挟まれた部位、および発電セル5cと発電セル5dの間であって、燃料ガス流路11の分岐部P5とガス排出孔31に挟まれた部分に、それぞれ厚さ方向に貫通する細長の孔部32が形成されている。これらの孔部32は、セパレータ隣接部分の放熱性を向上する効果があるため、セパレータ面内の温度分布を低減することができる。
Further, between the power generation cell 5a and the
ところで、本実施形態のセパレータ8で特筆すべきは、発電セル5a〜5dによって囲まれた部位に対応する各セパレータ8の中央部分に厚さ方向に貫通する排ガス排出用のガス排出孔31が形成されている点である。このガス排出孔31は、セパレータ本体8aの中央部分の空気流路12を囲むように形成された三角形や台形で成る計3個の貫通孔である。これらのガス排出孔31を有するセパレータ8が多数積層されることにより、図1に示すように、スタックの中央部に縦方向に貫通する排ガス流路30が形成される。
そして、本実施形態では、スタック上端部に位置するセパレータ8のガス排出孔31の大きさ(上記した3個の貫通孔のトータル面積)は、下方に位置する他のセパレータ8のガス排出孔31の大きさより小さく設定されている。
By the way, the
In this embodiment, the size of the gas discharge holes 31 of the
また、図1に示すように、スタックの上下両端に絶縁性のマニホールドリング15、16を介在してステンレス製の上端板9aと下端板9bが配設されており、これら上下端板9a、9bにより、スタックが積層方向に締結されている。
上端板9aの中央部には、丸孔19が設けられ、この丸孔19を通してスタック上端のセパレータ8の上面に円筒形の錘20が載置されている。この錘20による荷重でスタックが下方に押圧されることにより、各構成要素(発電セル5、集電体6、7、セパレータ8)がそれぞれ相互に密着して一体的に固定されている。
この錘20の底部には、脚20aが設けられ、錘20の下面とセパレータ8の上面との間に空間部が生じるようになっている。従って、上記排ガス流路30内を上方に向かう排ガスは、スタック上端(排ガス流路30の上端部)においてセパレータ8のガス排出孔31より上記空間部に放出され、この空間部を流通して燃料電池スタック1の側方より外に排出される。
Further, as shown in FIG. 1, a stainless upper end plate 9a and a
A
A leg 20 a is provided at the bottom of the
また、スタックの対向縁部に管状の燃料ガスマニホールド17と空気マニホールド18が縦方向に延設されている。これらマニホールド17、18は、各セパレータ8の燃料導入口13、および空気導入口14同士を上下で連結させるために各セパレータ8間に介装されたマニホールドリング15、16により構成されており、燃料ガスマニホールド17は、スタック内において各セパレータ8の燃料導入口13を介して燃料ガス流路11と連通し、空気マニホールド18は、各セパレータ8の空気導入口14を介して空気流路12と連通している。
In addition, tubular
また、図1、図2に示すように、下端板9bの一側部であって、上記空気マニホールド18の下端近傍には、外部空気が導入される空気配管25が設けられていると共に、下端板9bの他側部であって、燃料ガスマニホールド17の下端近傍には、外部燃料ガスが導入される燃料ガス配管24が設けられている。空気配管25は、下端板9b内に形成された空気通路23を介して空気マニホールド18の下端部で連通し、燃料ガス配管24は、下端板9b内に形成された燃料通路22を介して燃料ガスマニホールド17の下端部で連通している。
また、下端板9bの中央部には、上記排ガス流路30内を下方に流通する排ガスをスタック外に排出するためのガス排出口21が設けられている。下端板9bの下面には、脚部26が設けられ、図示しない設置面との間にガス排出口21から排出される排ガスが流通可能な空間が確保されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, an
A
上記構成の燃料電池スタック1では、運転時、空気マニホールド18と燃料ガスマニホールド17に空気配管25と燃料ガス配管24を通して外部より供給される空気と燃料ガスが流通し、これら反応用ガスが各セパレータ8の導入口13、14より燃料ガス流路11および空気流路12を通して末端の燃料吐出口11aおよび空気吐出口12aより燃料極集電体6側と空気極集電体7側に吐出され、これら集電体の内部を拡散・移動して各発電セル5の各電極面(燃料極層3、空気極層4)に誘導されることにより、発電反応が生じる。
In the fuel cell stack 1 configured as described above, during operation, air and fuel gas supplied from the outside through the
この発電反応によって、各発電セル5にジュール熱が発生し、その熱エネルギーが各セパレータ8を介して外部に放出される。また、発電セル5は外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造であり、発電反応で消費されなかった残余のガス(排ガス)を各発電セル5の外周部から放出するようなっている。 従って、複数の発電セル5a〜5dで囲まれたセパレータ8の中央部分においては、各発電セル5a〜5dの側部より放出された排ガスが各セパレータ8のガス排出孔31を通して排ガス流路30内に流入し、排ガス流路30内を縦方向に流通する。
排ガス流路30内を上方に流れる排ガスについては、排ガス流路30の上端部において、最上段のセパレータ8のガス排出孔31より放出され、セパレータ8の上面と錘20の下面との間の空間部を流通してスタック外に排出される。他方、下方に流れる排ガスは、排ガス流路30の下端部において、最下段のセパレータ8のガス排出孔31より放出され、主として下端板9bのガス排出口21を通してスタック外に排出される。
Due to this power generation reaction, Joule heat is generated in each
The exhaust gas flowing upward in the exhaust
以上、本実施形態では、4個の発電セル5a〜5dに囲まれた部位に対応するセパレータ8の中央部分にガス排出孔31を設けたので、発電セル5a〜5dの外周部より放出される排ガスをセパレータ8の中央付近に滞留させることなく、このガス排出孔31を通して排ガス流路30内を縦方向に流通させることができる。
As described above, in the present embodiment, since the
これにより、各発電セル5に外部からの反応用ガスがスムーズに供給されるようになり、各発電セル5a〜5dの発電性能を向上できると共に、比較的温度の高いスタック中段部においては、上記ガス排出孔31への排ガスの流れにより、発電セル5a〜5dの熱発散性が向上してスタック中段部の温度を低下でき、発電セル5a〜5dやセパレータ8等、各構成部品に対する熱的ストレスが緩和されるため、燃料電池スタック1の耐久性や信頼性を向上できると共に、温度の低いスタック端部においては、上下に流通する排ガスの熱により加熱されてスタック温度が上昇し、スタック積層方向の温度分布を低減する(均熱化)ことができる。
As a result, the reaction gas from the outside can be smoothly supplied to each
特に、スタック上端部に位置するセパレータ8のガス排出孔31の大きさを他のガス排出孔31より小さくしたので、排ガス流路30を上端に抜ける排ガスの流量が減少し、これにより、排ガス流路30に下向きの排ガスの流れを生じさせることができる。
この下方へ流れる排ガスの熱により、図4の(ロ)に示すように、最も温度の低いスタック下端部が加熱され、その部位の温度を上昇させることが可能となり、その結果、スタック下端部の発電セル5a〜5dの発電性能が向上し、燃料電池スタック1の総合的な発電性能を向上できる。
In particular, since the size of the
As shown in FIG. 4 (b), the lower end of the stack having the lowest temperature is heated by the heat of the exhaust gas flowing downward, and the temperature of the portion can be raised. The power generation performance of the power generation cells 5a to 5d is improved, and the overall power generation performance of the fuel cell stack 1 can be improved.
また、下端板9bに、排ガス流路30の下端部より放出される排ガスをスタック外に排出するガス排出口21を設けたので、排ガス流路30内における下方への排ガスの流れがスムーズになり、スタック下端部の温度を効率良く上昇させることができる。
In addition, since the
この場合、図1に示すように、スタック上端部に位置するセパレータ8のガス排出孔31を覆う板状の蓋機構29を移動可能に設けてガス排出孔31の開度を調整可能にすることも可能である。
この蓋機構29により、ガス排出孔31の開度をスタック積層方向の温度分布の状態(すなわち、スタックの積層段数や電気的出力密度)に応じて調整し、排ガス流路30内における上方へのガス流通量と下方へのガス流通量を適宜調整することにより、スタック両端部の温度をバランス良く調整することができ、スタック積層方向の温度分布をより確実に低減することができるようになる。
In this case, as shown in FIG. 1, a plate-
By the
また、本実施形態では、縦設置型の燃料電池スタック1について説明したが、本発明は、スタックの積層方向を横にした横設置型の燃料電池スタックにも勿論適用可能であり、この場合は、スタックの内部に発電反応後の排ガスが横方向に流通する排ガス流路が形成される。本構成の燃料電池スタックにおいても、比較的温度の高くなるスタック中段部においては、発電セルの放熱性が向上してスタック中段部の温度を低下できると共に、温度が低くなるスタック端部においては、横方向に流通する排ガスの熱によりスタックスタック端部の温度が上昇し、スタック積層方向の温度分布を低減することができる。 In the present embodiment, the vertical installation type fuel cell stack 1 has been described. However, the present invention is naturally applicable to a horizontal installation type fuel cell stack in which the stacking direction of the stack is horizontal, in which case The exhaust gas flow path in which the exhaust gas after the power generation reaction flows in the lateral direction is formed inside the stack. Also in the fuel cell stack of this configuration, in the stack middle stage where the temperature is relatively high, the heat dissipation of the power generation cells can be improved and the temperature of the stack middle stage can be lowered, and at the stack end where the temperature becomes lower, The temperature of the stack stack end increases due to the heat of the exhaust gas flowing in the lateral direction, and the temperature distribution in the stack stacking direction can be reduced.
1 燃料電池スタック
5(5a〜5d) 発電セル
8 セパレータ
9a、9b 端板
21 ガス排出口
29 蓋機構
30 排ガス流路
31 ガス排出孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 5 (5a-5d)
Claims (5)
スタックの内部に、発電反応後の排ガスが積層方向に流通する排ガス流路が設けられ、且つ、当該排ガス流路における積層方向の一方側へのガス流通量を積層方向の他方側へのガス流通量より多くしたことを特徴とする燃料電池スタック。 In a fuel cell stack in which a plurality of power generation cells are arranged in the same plane and a plurality of these power generation cells are stacked via separators,
An exhaust gas flow channel through which the exhaust gas after the power generation reaction flows in the stacking direction is provided inside the stack, and the gas flow rate to one side of the stacking direction in the exhaust gas flow channel is the gas flow to the other side of the stacking direction. A fuel cell stack characterized by having more than the amount.
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