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JP2004111118A - Fuel cell stack - Google Patents

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JP2004111118A
JP2004111118A JP2002269366A JP2002269366A JP2004111118A JP 2004111118 A JP2004111118 A JP 2004111118A JP 2002269366 A JP2002269366 A JP 2002269366A JP 2002269366 A JP2002269366 A JP 2002269366A JP 2004111118 A JP2004111118 A JP 2004111118A
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JP
Japan
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electrode structure
electrolyte
unit cell
electrode
fuel cell
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JP2002269366A
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Japanese (ja)
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Katsumi Hayashi
林 勝美
Shigeru Inai
稲井 滋
Hideo Kato
加藤 英男
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】簡単な構成で、端部単位セルの電解質・電極構造体から端部セパレータへの熱の移動を有効に阻止し、前記端部単位セルの発電性能を向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック10は、積層される複数の単位セル12と、前記単位セル12の端部に配設される端部単位セル12a、12bとを備える。端部単位セル12a、12bを構成する第1および第2端部セパレータ60、62と電解質膜・電極構造体22との接触面積は、単位セル12を構成する第1および第2セパレータ24、26と電解質膜・電極構造体22との接触面積に比べて小さく構成されている。
【選択図】図1
With a simple configuration, it is possible to effectively prevent heat transfer from an electrolyte / electrode structure of an end unit cell to an end separator, and to improve power generation performance of the end unit cell.
A fuel cell stack includes a plurality of stacked unit cells, and end unit cells disposed at ends of the unit cells. The contact area between the first and second end separators 60, 62 constituting the end unit cells 12a, 12b and the electrolyte membrane / electrode structure 22 is determined by the first and second separators 24, 26 constituting the unit cell 12. It is configured to be smaller than the contact area between the electrode and the electrolyte membrane / electrode structure 22.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体がセパレータを介して挟持された単位セルを複数個積層した積層体を備えた燃料電池スタックに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【0003】
こ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、電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い単位セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている単位セル(以下、端部単位セルともいう)は、例えば、各単位セルによって発電された電荷を集める電力取り出し端子(集電板)や、積層された単位セルを保持するために設けられたエンドプレート等による放熱が多く、上記の温度低下が顕著になる。この温度低下によって、端部単位セルでは、燃料電池スタックの中央部分に比べて結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。
【0005】
そこで、例えば、特許文献1に開示されているように、端部単位セルを構成する外側のセパレータに、冷却用流体通流用の溝が形成されておらず、このセパレータを冷却用流体により冷却し過ぎない構造の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。これにより、端部単位セルの冷やし過ぎを防止している。
【0006】
また、特許文献2に開示された積層型燃料電池では、セル積層体の両端にガスコネクトプレートが配設されるとともに、前記ガスコネクトプレートには、真空層および空気層が形成されている。このため、真空層および空気層の断熱作用下に、セル積層体の外部への放熱を防止している。
【0007】
【特許文献1】
特開平8−130028号公報(図1)
【特許文献2】
特開平7−326379号公報(図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、上記の特許文献1は、端部単位セルが冷却用流体により冷却され過ぎることを阻止することによって、前記端部単位セル内の結露を防止する構造に関するものである。一方、上記の特許文献2は、真空層および空気層の断熱作用下に、セル積層体の外部への放熱を防止することによって、前記セル積層体内の結露を回避する構造に関するものである。
【0009】
このように、特許文献1、2は、基本的には、雰囲気温度が常温程度の場合において、端部単位セルやセル積層体による発電機能を安定させるための断熱構造を提供するものである。しかしながら、氷点下で起動を行う場合は、生成水が凍結しない温度までセル温度を一挙に昇温させなければならず、上記の特許文献1、2では対応することができないという問題がある。
【0010】
すなわち、氷点下での起動において、生成水の凍結による反応ガス流路の閉塞は、電解質膜・電極構造体を構成する拡散層で発生し易い。このため、ガス流路側の拡散層を迅速に0℃以上にする必要があるが、上記の特許文献1、2では、前記拡散層を0℃以上に維持させることができない。
【0011】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、端部単位セルの電解質・電極構造体から端部セパレータへの熱の移動を有効に阻止し、前記端部単位セルの発電性能を向上させ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。
【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、積層体の積層方向端部に配置される少なくとも一方の端部単位セルを構成するセパレータと電解質・電極構造体との接触面積が、前記端部単位セルより内方に配置される単位セルを構成するセパレータと電解質・電極構造体との接触面積に比べて小さく設定されている。
【0013】
このため、端部単位セルでは、電解質・電極構造体とセパレータとの熱伝達率が、単位セル側の熱伝達に比べて低下し、前記電解質・電極構造体を直接断熱することができる。従って、特に氷点下で起動を行う際に、電解質・電極構造体からセパレータへの熱の移動が阻止され、前記電解質・電極構造体の温度低下による生成水の凍結を有効に防止することが可能になる。
【0014】
しかも、電解質・電極構造体とセパレータとの接触部分での接触抵抗が増加する。これにより、前記接触部分に発熱が惹起して電解質・電極構造体を迅速に昇温させることができ、前記電解質・電極構造体での凍結を確実に阻止することが可能になる。
【0015】
また、本発明の請求項2に係る燃料電池スタックでは、単位セルが、電解質・電極構造体に対向して開口し、電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝を設けるとともに、端部単位セルが、前記反応ガス流路溝に比べて流路溝幅の大きな端部反応ガス流路溝を備えている。従って、簡単な構成で、電解質・電極構造体とセパレータとの熱伝達率を、単位セル側に比べて有効に低下させることが可能になる。
【0016】
さらに、本発明の請求項3に係る燃料電池スタックでは、単位セルが、電解質・電極構造体に対向して開口し、電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝を設けるとともに、端部単位セルが、前記反応ガス流路溝に比べて流路溝断面積の大きな端部反応ガス流路溝を備えている。このため、端部反応ガス流路溝には、反応ガス流路溝よりも大量の反応ガスを供給することができ、排水性を良好に向上させることが可能になるとともに、発電性能の向上が図られる。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10の概略断面図である。
【0018】
燃料電池スタック10は、複数の単位セル12を矢印A方向に積層しており、前記単位セル12の積層方向両端には、端部単位セル12a、12bが配置されて積層体13を構成する。積層体13の外方には、正極側ターミナルプレート14aおよび負極側ターミナルプレート14bと、絶縁プレート16a、16bと、エンドプレート18a、18bとが、順次、配設される。エンドプレート18a、18bが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック10が構成される。
【0019】
図2に示すように、単位セル12は、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持する第1および第2セパレータ24、26とを備える。電解質膜・電極構造体22と第1および第2セパレータ24、26との間には、後述する連通孔の周囲および電極面(発電面)の外周を覆って、ガスケット等のシール部材28が介装されている。
【0020】
単位セル12の矢印B方向の一端縁部には、積層方向である矢印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30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔32b、および燃料ガス、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34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
【0021】
単位セル12の矢印B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34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔32a、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。
【0022】
電解質膜・電極構造体22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てなる固体高分子電解質膜36と、該固体高分子電解質膜36を挟持するアノード側電極38およびカソード側電極40とを備える(図1および図2参照)。
【0023】
アノード側電極38およびカソード側電極40は、カーボンペーパー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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜36を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜36の両面に接合されている。シール部材28の中央部には、アノード側電極38およびカソード側電極40に対応して開口部44が形成されている。
【0024】
第1セパレータ24の電解質膜・電極構造体22側の面24aには、酸化剤ガス供給連通孔30aと酸化剤ガス排出連通孔30bとに連通する酸化剤ガス流路46が設けられる。図2に示すように、酸化剤ガス流路46は、例えば、矢印B方向に蛇行しながら矢印C方向に延在する複数本の溝部(サーペンタイン溝部)48とカソード側電極40との間に形成されており、各溝部48間には、前記カソード側電極40に接触する平坦面50が設けられる(図1参照)。
【0025】
図3に示すように、第2セパレータ26の電解質膜・電極構造体22側の面26aには、燃料ガス供給連通孔34aと燃料ガス排出連通孔34bとに連通する燃料ガス流路52が形成される。この燃料ガス流路52は、例えば、矢印B方向に蛇行しながら矢印C方向に延在する複数本の溝部(サーペンタイン溝部)54とアノード側電極38との間に形成されており、各溝部54間には、前記アノード側電極38に接触する平坦面56が設けられる(図1参照)。
【0026】
第2セパレータ26の面26aと反対の面26bには、図2に示すように、冷却媒体供給連通孔32aと冷却媒体排出連通孔32bとに連通する冷却媒体流路58が形成される。この冷却媒体流路58は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。
【0027】
端部単位セル12a、12bは同様に構成されており、以下、端部単位セル12aについて詳細に説明し、端部単位セル12bの詳細な説明は省略する。
【0028】
図1に示すように、端部単位セル12aは、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持する第1および第2端部セパレータ60、62とを備えており、基本的には単位セル12と同様に構成される。この第1および第2端部セパレータ60、62は、それぞれ電解質膜・電極構造体22に対向する面60a、62aに酸化剤ガス流路64および燃料ガス流路66を設けている。
【0029】
図1および図4に示すように、酸化剤ガス流路64は、蛇行する複数本の溝部(サーペンタイン溝部)68とカソード側電極40との間に形成されており、各溝部68間には、前記カソード側電極40に接触する平坦面70が設けられる。燃料ガス流路66は、蛇行する複数本の溝部(サーペンタイン溝部)74とアノード側電極38との間に形成されており、各溝部74間には、前記アノード側電極38に接触する平坦面76が設けられる(図1参照)。
【0030】
単位セル12では、図1および図3に示すように、溝部48、54の流路溝幅H1が設定される一方、端部単位セル12a、12bでは、図1および図4に示すように、溝部68、74の流路溝幅H2が設定される。流路溝幅H2は流路溝幅H1よりも大きく選択されており、例えば、流路溝幅H2=2×流路溝幅H1の関係を有する。換言すれば、第1および第2端部セパレータ60、62が電解質膜・電極構造体22に接触する平坦面70、76の接触面積は、第1および第2セパレータ24、26が電解質膜・電極構造体22に接触する平坦面50、56の接触面積に比べて相当に小さい。
【0031】
このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。
【0032】
図1に示すように、燃料電池スタック10内では、単位セル12および端部単位セル12a、12bに対して、水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、および純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【0033】
このため、図2に示すように、単位セル12では、酸化剤ガス供給連通孔30aから第1セパレータ24の酸化剤ガス流路46に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体22を構成するカソード側電極40に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔34aから第2セパレータ26の燃料ガス流路52に導入され、電解質膜・電極構造体22を構成するアノード側電極38に沿って移動する。
【0034】
従って、電解質膜・電極構造体22では、カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極38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。
【0035】
次いで、アノード側電極38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34bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、カソード側電極40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30bに沿って矢印A方向に排出される。
【0036】
さらに、冷却媒体供給連通孔32aに供給された冷却媒体は、第2セパレータ26の冷却媒体流路58に導入された後、矢印B方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、冷却媒体排出連通孔32bから排出される。
【0037】
一方、端部単位セル12a、12bでは、第1端部セパレータ60の酸化剤ガス流路64に供給された酸化剤ガスが、電解質膜・電極構造体22を構成するカソード側電極40に沿って移動するとともに、第2端部セパレータ62の燃料ガス流路66に供給された燃料ガスが、前記電解質膜・電極構造体22を構成するアノード側電極38に沿って移動する。これにより、端部単位セル12a、12bにおいて、発電が行われる。
【0038】
この場合、本実施形態では、単位セル12と端部単位セル12a、12bとにおいて、第1および第2端部セパレータ60、62が電解質膜・電極構造体22に接触する平坦面70、76の接触面積は、第1および第2セパレータ24、26が電解質膜・電極構造体22に接触する平坦面50、56の接触面積に比べて相当に小さい。
【0039】
このため、端部単位セル12a、12bは、電解質膜・電極構造体22と第1および第2端部セパレータ60、62との熱伝達率が、単位セル12側の熱伝達率に比べて低下し、前記電解質膜・電極構造体22を直接断熱することができる。従って、特に氷点下で起動を行う際に、電解質膜・電極構造体22から第1および第2端部セパレータ60、62への熱の移動が阻止され、前記電解質膜・電極構造体22の温度低下による生成水の凍結を有効に防止することが可能になるという効果が得られる。
【0040】
しかも、端部単位セル12a、12bでは、電解質膜・電極構造体22と第1および第2端部セパレータ60、62との接触部分での接触抵抗が増加する。これにより、前記接触部分に発熱が惹起して電解質膜・電極構造体22を迅速に昇温させることができ、前記電解質膜・電極構造体22での凍結を確実に阻止することが可能になる。
【0041】
さらに、端部単位セル12a、12bに設けられる溝部68、74の流路溝幅H2が、単位セル12に設けられる溝部48、54の流路溝幅H1よりも大きく選択されており、例えば、流路溝幅H2=2×流路溝幅H1の関係を有している。このため、端部反応ガス流路溝である溝部68、74には、反応ガス流路溝である溝部48、54よりも大量の酸化剤ガスおよび燃料ガス(反応ガス)を供給することができ、排水性を良好に向上させることが可能になるとともに、発電性能の向上が図られる。
【0042】
なお、ストイキ比(供給反応ガス量と実際に消費される反応ガス量との比)を確保するため、端部単位セル12a、12bには、単位セル12の2倍程度の反応ガスの流量を供給する必要がある。ところが、この単位セル12の積層数は、通常、数100程度であり、反応ガスの全流量の増加は殆ど問題にならない。また、端部単位セル12bに代替して単位セル12を配置し、単一の端部単位セル12aのみを用いてもよい。
【0043】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、積層体の積層方向端部に配置される少なくとも一方の端部単位セルを構成する電解質・電極構造体とセパレータとの熱伝達率が、単位セル側の熱伝達率に比べて低下し、前記電解質・電極構造体を直接断熱することができる。従って、特に氷点下で起動を行う際に、電解質・電極構造体からセパレータへの熱の移動が阻止され、前記電解質・電極構造体の温度低下による生成水の凍結を有効に防止することが可能になる。
【0044】
しかも、電解質・電極構造体とセパレータとの接触部分での接触損失が増加する。これにより、前記接触部分に発熱が惹起して電解質・電極構造体を迅速に昇温させることができ、前記電解質・電極構造体での凍結を確実に阻止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略断面図である。
【図2】前記燃料電池スタック10の一部分解斜視図である。
【図3】単位セルを構成する第2セパレータの正面説明図である。
【図4】端部単位セルを構成する第1端部セパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
10…燃料電池スタック       12…単位セル
12a、12b…端部単位セル    13…積層体
14a、14b…ターミナルプレート 16a、16…絶縁プレート
18a、18b…エンドプレート   22…電解質膜・電極構造体
24、26…セパレータ       30a…酸化剤ガス供給連通孔
30b…酸化剤ガス排出連通孔    32a…冷却媒体供給連通孔
32b…冷却媒体排出連通孔     34a…燃料ガス供給連通孔
34b…燃料ガス排出連通孔     36…固体高分子電解質膜
38…アノード側電極        40…カソード側電極
46、64…酸化剤ガス流路     48、54、68、74…溝部
50、56、70、76…平坦面   52、66…燃料ガス流路
58…冷却媒体流路         60、62…端部セパレータ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a fuel comprising: an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte; and a stack in which a plurality of unit cells in which the electrolyte / electrode structure is sandwiched via a separator are stacked. Related to a battery stack.
[0002]
[Prior art]
In general, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). , And a separator. This type of fuel cell is generally used as a fuel cell stack by alternately stacking a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
[0003]
In this fuel cell, a fuel gas supplied to the anode electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas) is obtained by ionizing hydrogen on the electrode catalyst and passing through the electrolyte to the cathode side. Move to the electrode side. 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.
[0004]
By the way, in a fuel cell stack, there is a unit cell in which a temperature drop is more likely to be caused by heat radiation to the outside than in other unit cells. For example, a unit cell (hereinafter, also referred to as an end unit cell) disposed at an end in the stacking direction includes, for example, a power extraction terminal (a current collecting plate) for collecting electric charges generated by each unit cell, and a stacked unit cell. A large amount of heat is dissipated by an end plate or the like provided to hold the unit cells, and the above-described temperature drop is remarkable. It has been pointed out that due to this temperature drop, dew condensation is more likely to occur in the end unit cells than in the central part of the fuel cell stack, and the generated water is less discharged, resulting in lower power generation performance.
[0005]
Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 1, a groove for cooling fluid flow is not formed in an outer separator constituting an end unit cell, and the separator is cooled by a cooling fluid. There is known a solid polymer electrolyte fuel cell having a simple structure. This prevents the end unit cells from being overcooled.
[0006]
In the stacked fuel cell disclosed in Patent Document 2, gas connect plates are disposed at both ends of the cell stack, and a vacuum layer and an air layer are formed on the gas connect plates. For this reason, the heat radiation to the outside of the cell stack is prevented under the heat insulating effect of the vacuum layer and the air layer.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-8-130028 (FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-7-326379 (FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In this case, Patent Document 1 described above relates to a structure for preventing dew condensation in the end unit cells by preventing the end unit cells from being excessively cooled by the cooling fluid. On the other hand, Patent Literature 2 described above relates to a structure in which heat dissipation to the outside of the cell stack is prevented under the heat insulating action of the vacuum layer and the air layer, thereby preventing dew condensation in the cell stack.
[0009]
As described above, Patent Literatures 1 and 2 basically provide a heat insulating structure for stabilizing the power generation function of an end unit cell or a cell stack when the ambient temperature is about room temperature. However, when starting below the freezing point, the cell temperature must be raised all at once to a temperature at which the generated water does not freeze, and there is a problem that the above Patent Documents 1 and 2 cannot cope.
[0010]
That is, at the time of starting below the freezing point, the blockage of the reaction gas channel due to the freezing of the generated water easily occurs in the diffusion layer constituting the electrolyte membrane / electrode structure. For this reason, the diffusion layer on the gas flow path side needs to be rapidly heated to 0 ° C. or higher. However, according to Patent Documents 1 and 2, the diffusion layer cannot be maintained at 0 ° C. or higher.
[0011]
The present invention is intended to solve this kind of problem, and with a simple configuration, effectively prevents the transfer of heat from the electrolyte / electrode structure of the end unit cell to the end separator. It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack capable of improving power generation performance.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell stack according to claim 1 of the present invention, the contact area between the separator and the electrolyte / electrode structure constituting at least one end unit cell arranged at the end in the stacking direction of the stack is smaller than that of the end. The contact area is set to be smaller than the contact area between the separator and the electrolyte / electrode structure constituting the unit cell disposed inside the unit cell.
[0013]
For this reason, in the end unit cells, the heat transfer coefficient between the electrolyte / electrode structure and the separator is lower than that of the unit cell side, and the electrolyte / electrode structure can be directly insulated. Therefore, particularly when starting at a temperature below the freezing point, transfer of heat from the electrolyte / electrode structure to the separator is prevented, and it is possible to effectively prevent freezing of generated water due to a decrease in the temperature of the electrolyte / electrode structure. Become.
[0014]
In addition, the contact resistance at the contact portion between the electrolyte / electrode structure and the separator increases. As a result, heat is generated in the contact portion, whereby the temperature of the electrolyte / electrode structure can be quickly raised, and freezing in the electrolyte / electrode structure can be reliably prevented.
[0015]
Further, in the fuel cell stack according to claim 2 of the present invention, the unit cell is opened to face the electrolyte / electrode structure, and a reaction gas flow channel for supplying a reaction gas to the electrode is provided. The unit cell includes an end reaction gas flow channel groove having a flow channel groove width larger than that of the reaction gas flow channel groove. Therefore, with a simple configuration, the heat transfer coefficient between the electrolyte / electrode structure and the separator can be effectively reduced as compared with the unit cell side.
[0016]
Further, in the fuel cell stack according to claim 3 of the present invention, the unit cell is opened to face the electrolyte / electrode structure, and a reaction gas flow channel for supplying a reaction gas to the electrode is provided. The unit cell includes an end reaction gas flow channel having a larger flow channel cross-sectional area than the reaction gas flow channel. For this reason, a larger amount of reaction gas can be supplied to the end reaction gas flow channel than the reaction gas flow channel, and it is possible to improve drainage satisfactorily and to improve power generation performance. It is planned.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic sectional view of a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention.
[0018]
In the fuel cell stack 10, a plurality of unit cells 12 are stacked in the direction of arrow A, and end unit cells 12a and 12b are arranged at both ends of the unit cells 12 in the stacking direction to form a stacked body 13. Outside the laminate 13, a positive terminal plate 14a and a negative terminal plate 14b, insulating plates 16a and 16b, and end plates 18a and 18b are sequentially arranged. The fuel cell stack 10 is configured by fastening the end plates 18a and 18b with a tie rod or the like (not shown).
[0019]
As shown in FIG. 2, the unit cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure 22, and first and second separators 24 and 26 sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 22. A seal member 28 such as a gasket is interposed between the electrolyte membrane / electrode structure 22 and the first and second separators 24 and 26 so as to cover a periphery of a communication hole described later and an outer periphery of an electrode surface (power generation surface). Is equipped.
[0020]
One end edge of the unit cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, which is the laminating direction, to form an oxidant gas supply passage 30a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. A cooling medium discharge communication hole 32b for discharging the medium and a fuel gas discharge communication hole 34b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided in an arrow C direction (vertical direction).
[0021]
The other end edges of the unit cells 12 in the direction of arrow B are connected to each other in the direction of arrow A to provide a fuel gas supply communication hole 34a for supplying a fuel gas and a cooling medium supply communication hole for supplying a cooling medium. 32a and an oxidizing gas discharge communication hole 30b for discharging the oxidizing gas are arranged in the arrow C direction.
[0022]
The electrolyte membrane / electrode structure 22 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 36 formed by impregnating a perfluorosulfonic acid thin film with water, an anode electrode 38 and a cathode electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 36. 40 (see FIGS. 1 and 2).
[0023]
The anode electrode 38 and the cathode electrode 40 include a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied on the surface of the gas diffusion layer. Respectively. The electrode catalyst layers are joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 36 interposed therebetween. An opening 44 is formed at the center of the seal member 28 so as to correspond to the anode 38 and the cathode 40.
[0024]
An oxidizing gas flow path 46 communicating with the oxidizing gas supply communication hole 30a and the oxidizing gas discharge communication hole 30b is provided on the surface 24a of the first separator 24 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 22. As shown in FIG. 2, the oxidizing gas channel 46 is formed, for example, between a plurality of grooves (serpentine grooves) 48 extending in the direction of arrow C while meandering in the direction of arrow B and the cathode-side electrode 40. A flat surface 50 that contacts the cathode electrode 40 is provided between the grooves 48 (see FIG. 1).
[0025]
As shown in FIG. 3, a fuel gas flow path 52 communicating with the fuel gas supply passage 34a and the fuel gas discharge passage 34b is formed on the surface 26a of the second separator 26 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 22. Is done. The fuel gas flow path 52 is formed, for example, between a plurality of grooves (serpentine grooves) 54 extending in the direction of arrow C while meandering in the direction of arrow B, and the anode-side electrode 38. A flat surface 56 that contacts the anode electrode 38 is provided between them (see FIG. 1).
[0026]
As shown in FIG. 2, a cooling medium flow path 58 communicating with the cooling medium supply communication hole 32a and the cooling medium discharge communication hole 32b is formed on the surface 26b opposite to the surface 26a of the second separator 26. The cooling medium flow path 58 is constituted by, for example, a plurality of linear flow grooves extending in the direction of arrow B.
[0027]
The end unit cells 12a and 12b have the same configuration. Hereinafter, the end unit cell 12a will be described in detail, and the detailed description of the end unit cell 12b will be omitted.
[0028]
As shown in FIG. 1, the end unit cell 12 a includes an electrolyte membrane / electrode structure 22, and first and second end separators 60 and 62 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 22. , Are basically configured in the same manner as the unit cell 12. The first and second end separators 60 and 62 have an oxidizing gas flow path 64 and a fuel gas flow path 66 on surfaces 60a and 62a facing the electrolyte membrane / electrode structure 22, respectively.
[0029]
As shown in FIGS. 1 and 4, the oxidizing gas flow path 64 is formed between a plurality of meandering grooves (serpentine grooves) 68 and the cathode-side electrode 40. A flat surface 70 that contacts the cathode electrode 40 is provided. The fuel gas flow path 66 is formed between a plurality of meandering grooves (serpentine grooves) 74 and the anode-side electrode 38, and a flat surface 76 contacting the anode-side electrode 38 is provided between the grooves 74. Is provided (see FIG. 1).
[0030]
In the unit cell 12, as shown in FIGS. 1 and 3, the flow channel width H1 of the grooves 48 and 54 is set, while in the end unit cells 12a and 12b, as shown in FIGS. The flow channel groove width H2 of the groove portions 68 and 74 is set. The flow channel groove width H2 is selected to be larger than the flow channel groove width H1, and has, for example, a relationship of flow channel groove width H2 = 2 × flow channel groove width H1. In other words, the contact area of the flat surfaces 70, 76 where the first and second end separators 60, 62 contact the electrolyte membrane / electrode structure 22 is such that the first and second separators 24, 26 have the electrolyte membrane / electrode. It is considerably smaller than the contact area of the flat surfaces 50, 56 that contact the structure 22.
[0031]
The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.
[0032]
As shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 10, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas, an oxidizing gas such as an oxygen-containing gas such as air, and a unit cell 12 and end unit cells 12a and 12b are provided. A cooling medium such as pure water, ethylene glycol or oil is supplied.
[0033]
For this reason, as shown in FIG. 2, in the unit cell 12, the oxidizing gas is introduced into the oxidizing gas passage 46 of the first separator 24 from the oxidizing gas supply communication hole 30 a, and the oxidizing gas is It moves along the cathode electrode 40 constituting the electrode structure 22. The fuel gas is introduced from the fuel gas supply passage 34 a into the fuel gas flow channel 52 of the second separator 26, and moves along the anode 38 forming the electrolyte membrane / electrode structure 22.
[0034]
Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 22, the oxidizing gas supplied to the cathode electrode 40 and the fuel gas supplied to the anode electrode 38 are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, and the power is generated. Is performed.
[0035]
Next, the fuel gas supplied to the anode 38 and consumed is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas discharge communication hole 34b. Similarly, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode electrode 40 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas discharge communication hole 30b.
[0036]
Further, the cooling medium supplied to the cooling medium supply passage 32a is introduced into the cooling medium flow path 58 of the second separator 26, and then flows in the direction of arrow B. This cooling medium is discharged from the cooling medium discharge communication hole 32b after cooling the electrolyte membrane / electrode structure 22.
[0037]
On the other hand, in the end unit cells 12a and 12b, the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas flow path 64 of the first end separator 60 flows along the cathode electrode 40 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 22. As the fuel gas moves, the fuel gas supplied to the fuel gas flow path 66 of the second end separator 62 moves along the anode 38 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 22. Thus, power is generated in the end unit cells 12a and 12b.
[0038]
In this case, in the present embodiment, in the unit cell 12 and the end unit cells 12a and 12b, the first and second end separators 60 and 62 have the flat surfaces 70 and 76 in contact with the electrolyte membrane / electrode structure 22. The contact area is considerably smaller than the contact area of the flat surfaces 50, 56 where the first and second separators 24, 26 contact the electrolyte membrane / electrode structure 22.
[0039]
Therefore, in the end unit cells 12a and 12b, the heat transfer coefficient between the electrolyte membrane / electrode structure 22 and the first and second end separators 60 and 62 is lower than the heat transfer coefficient on the unit cell 12 side. Thus, the electrolyte membrane / electrode structure 22 can be directly insulated. Therefore, particularly when starting at a temperature below freezing, transfer of heat from the electrolyte membrane / electrode structure 22 to the first and second end separators 60 and 62 is prevented, and the temperature of the electrolyte membrane / electrode structure 22 is reduced. This makes it possible to effectively prevent freezing of generated water due to the above.
[0040]
Moreover, in the end unit cells 12a, 12b, the contact resistance at the contact portions between the electrolyte membrane / electrode structure 22 and the first and second end separators 60, 62 increases. As a result, heat is generated in the contact portion, so that the temperature of the electrolyte membrane / electrode structure 22 can be quickly raised, and freezing in the electrolyte membrane / electrode structure 22 can be reliably prevented. .
[0041]
Furthermore, the flow channel width H2 of the grooves 68, 74 provided in the end unit cells 12a, 12b is selected to be larger than the flow channel width H1 of the grooves 48, 54 provided in the unit cell 12, for example, It has a relationship of channel groove width H2 = 2 × channel groove width H1. Therefore, a larger amount of oxidizing gas and fuel gas (reactive gas) can be supplied to the grooves 68 and 74 which are the end reaction gas flow grooves than the grooves 48 and 54 which are the reaction gas flow grooves. In addition, it is possible to improve the drainage property, and to improve the power generation performance.
[0042]
In order to secure a stoichiometric ratio (the ratio between the amount of reactant gas supplied and the amount of reactant gas actually consumed), the end unit cells 12a and 12b have a flow rate of the reactant gas which is about twice that of the unit cell 12. Need to supply. However, the number of stacked unit cells 12 is usually about several hundreds, and an increase in the total flow rate of the reaction gas is hardly a problem. Alternatively, the unit cells 12 may be arranged in place of the end unit cells 12b, and only a single end unit cell 12a may be used.
[0043]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, the heat transfer coefficient between the separator and the electrolyte / electrode structure constituting at least one end unit cell disposed at the stacking direction end of the stack is higher than the heat transfer coefficient on the unit cell side. , And the electrolyte / electrode structure can be directly insulated. Therefore, particularly when starting at a temperature below the freezing point, transfer of heat from the electrolyte / electrode structure to the separator is prevented, and it is possible to effectively prevent freezing of generated water due to a decrease in the temperature of the electrolyte / electrode structure. Become.
[0044]
In addition, the contact loss at the contact portion between the electrolyte / electrode structure and the separator increases. As a result, heat is generated in the contact portion, whereby the temperature of the electrolyte / electrode structure can be quickly raised, and freezing in the electrolyte / electrode structure can be reliably prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the fuel cell stack 10. FIG.
FIG. 3 is an explanatory front view of a second separator constituting a unit cell.
FIG. 4 is an explanatory front view of a first end separator constituting the end unit cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Unit cell 12a, 12b ... End unit cell 13 ... Stack 14a, 14b ... Terminal plate 16a, 16 ... Insulating plate 18a, 18b ... End plate 22 ... Electrolyte membrane and electrode structure 24, 26 ... Separator 30a ... Oxidizing gas supply communication hole 30b ... Oxidizing gas discharge communication hole 32a ... Cooling medium supply communication hole 32b ... Cooling medium discharge communication hole 34a ... Fuel gas supply communication hole 34b ... Fuel gas discharge communication hole 36 ... Solid height Molecular electrolyte membrane 38 Anode side electrode 40 Cathode side electrode 46, 64 Oxidant gas flow path 48, 54, 68, 74 Groove 50, 56, 70, 76 Flat surface 52, 66 Fuel gas flow path 58 ... Cooling medium channel 60,62 ... End separator

Claims (3)

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体がセパレータを介して挟持された単位セルを複数個積層した積層体を備えた燃料電池スタックであって、
前記積層体の積層方向端部に配置される少なくとも一方の端部単位セルを構成するセパレータと電解質・電極構造体との接触面積が、前記端部単位セルより内方に配置される単位セルを構成するセパレータと電解質・電極構造体との接触面積に比べて小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
A fuel cell stack comprising: an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte; and a stack of a plurality of unit cells in which the electrolyte / electrode structure is sandwiched via a separator. hand,
The contact area between the separator and the electrolyte / electrode structure constituting at least one end unit cell arranged at the stacking direction end of the laminate, the unit cell arranged inside the end unit cell. A fuel cell stack having a small contact area with a constituent separator and an electrolyte / electrode structure.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記内方に配置される単位セルは、前記電解質・電極構造体に対向して開口し、前記電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝を設けるとともに、
前記端部単位セルは、前記反応ガス流路溝に比べて流路溝幅の大きな端部反応ガス流路溝を備え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 unit cell disposed inward is opened to face the electrolyte / electrode structure, and has a reaction gas flow channel for supplying a reaction gas to the electrode. 3. Along with
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the end unit cell includes an end reaction gas passage groove having a larger passage groove width than the reaction gas passage groove.
請求項1または2記載の燃料電池スタックにおいて、前記内方に配置される単位セルは、前記電解質・電極構造体に対向して開口し、前記電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝を設けるとともに、
前記端部単位セルは、前記反応ガス流路溝に比べて流路溝断面積の大きな端部反応ガス流路溝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 the unit cell disposed inward is opened to face the electrolyte / electrode structure, and a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the electrode. 4. With a groove,
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the end unit cell includes an end reaction gas passage groove having a larger passage groove cross-sectional area than the reaction gas passage groove.
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