JP2010061986A - Fuel battery stack - Google Patents

Fuel battery stack Download PDF

Info

Publication number
JP2010061986A
JP2010061986A JP2008226411A JP2008226411A JP2010061986A JP 2010061986 A JP2010061986 A JP 2010061986A JP 2008226411 A JP2008226411 A JP 2008226411A JP 2008226411 A JP2008226411 A JP 2008226411A JP 2010061986 A JP2010061986 A JP 2010061986A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
separator
cell stack
fuel
temperature control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008226411A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidekazu Sakagami
英一 坂上
Takashi Matsuoka
敬 松岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2008226411A priority Critical patent/JP2010061986A/en
Publication of JP2010061986A publication Critical patent/JP2010061986A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery stack having high cooling efficiency. <P>SOLUTION: In the fuel battery stack in which a plurality of fuel battery cells having an electromotive section that has an anode electrode, a cathode electrode, and a solid polymer electrolyte membrane inserted into the anode electrode and the cathode electrode and a separator for inserting the electromotive section are laminated in the inserting direction, the first separator has a first extension section which extends outside the fuel battery cell, in a first direction at a fixed cycle in the inserting direction, and the second separator has a second extension section extended outside the fuel battery cell in a second direction opposite to the first direction, with a different phase and with an identical cycle. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池は燃料と酸化剤の化学反応により得られる自由エネルギー変化を電気として外部に取り出すシステムである。燃料は主に水素か炭化水素で、酸化剤は殆どが酸素である。この燃料と酸化剤の化学反応による自由エネルギー変化を電気エネルギーとして取り出すために、燃料電池は電子伝導体である２つの電極とイオン伝導体である電解質を持つ。   A fuel cell is a system that takes out a free energy change obtained by a chemical reaction between a fuel and an oxidant as electricity. The fuel is mainly hydrogen or hydrocarbons, and the oxidant is mostly oxygen. In order to take out the free energy change due to the chemical reaction between the fuel and the oxidant as electric energy, the fuel cell has two electrodes that are electronic conductors and an electrolyte that is an ionic conductor.

燃料電池は燃料や電解質の種類により、いくつかのタイプに分類される。例えば直接型メタノール方式（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ，ＤＭＦＣ）、溶融炭酸塩方式（ＭＣＦＣ）、固体高分子方式（ＰＥＦＣ）などがある。   Fuel cells are classified into several types depending on the type of fuel or electrolyte. For example, there are a direct methanol fuel cell (DMFC), a molten carbonate method (MCFC), and a solid polymer method (PEFC).

直接型メタノール方式燃料電池セルはマイナス側電極であるアノードとプラス側電極であるカソード及び両者に挟まれた電解質膜から構成される。アノードはメタノール（ＣＨ3ＯＨ）と水（Ｈ2Ｏ）が供給される。通常、両者はメタノール水溶液という形で混合されて供給される。一方、カソード側には酸素（Ｏ2）が供給される。 The direct methanol fuel cell includes an anode as a negative electrode, a cathode as a positive electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the two. Methanol (CH 3 OH) and water (H 2 O) are supplied to the anode. Usually, both are mixed and supplied in the form of an aqueous methanol solution. On the other hand, oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode side.

アノード側では式（１）の反応が生じる。   On the anode side, the reaction of formula (1) occurs.

ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-−１２１．９ｋＪ／ｍｏｌ …（１）
一方カソード側では式（２）の反応が生じる。 CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − −121.9 kJ / mol (1)
On the other hand, the reaction of the formula (2) occurs on the cathode side.

３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ＋１４１．９５ｋＪ／ｍｏｌ …（２）
ここで、電解質膜は電子（ｅ-）を通さずプロトン（Ｈ+）のみ透過するという選択性を持つ。この作用により電子がセルの外部を回らざるを得ず、この作用が電気エネルギーとなり、外部に取り出すことができる。このように燃料電池は外部からアノード電極にメタノールと水を供給し、また発電で生じた二酸化炭素を排出する必要がある。一方カソード極では酸素を供給し、反応で生じた水を排出する必要がある。そのために、一般にはグラファイトや金属の流路板（セパレータとも呼ばれる）で物質を供給・排出している。 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O + 141.95kJ / mol ... (2)
Here, the electrolyte membrane has selectivity such that only protons (H + ) pass through without passing electrons (e − ). Due to this action, electrons have to travel outside the cell, and this action becomes electric energy and can be taken out to the outside. As described above, the fuel cell needs to supply methanol and water to the anode electrode from the outside and discharge carbon dioxide generated by power generation. On the other hand, it is necessary to supply oxygen and discharge water generated by the reaction at the cathode electrode. For this purpose, a substance is generally supplied and discharged by a flow path plate (also called a separator) made of graphite or metal.

この燃料電池は式（１）、式（２）の反応時の内部抵抗等により、燃料の持つエネルギー全てを電気エネルギーに変換することは難しく、変換ロスが生じ、発熱を生じる。電池の出力が低い場合は発熱量も小さく、電池の表面から自然空冷で熱を逃がすこともできるが、出力が大きい場合は電池の温度を発電に適した所望の温度にするために、冷却器を設け積極的に冷却する必要がある。   In this fuel cell, it is difficult to convert all the energy of the fuel into electric energy due to the internal resistance at the time of reaction of the formulas (1) and (2), so that a conversion loss occurs and heat is generated. When the output of the battery is low, the amount of heat generated is small, and heat can be released from the surface of the battery by natural air cooling, but when the output is large, a cooler is used to bring the battery temperature to the desired temperature suitable for power generation. It is necessary to provide active cooling.

冷却器の従来例として、（ａ）液冷式、（ｂ）循環燃料冷却方式、（ｃ）スタック直接冷却方式等がある。（ａ）液冷式は燃料電池内に水等の冷媒を流し、その冷媒を外部ラジエータで冷却する方式である。（ｂ）循環燃料冷却方式は、DMFCのように液体燃料を燃料電池内部に循環させるシステムに使われ、この液体燃料を（ａ）の水冷式の冷媒代わりに使う方式である。（ｃ）スタック直接冷却方式は熱源を直接冷却する。この方式は外部ラジエータや冷却のための配管等を要する必要がなく、燃料電池システムのサイズを小さくできるというメリットがあるが、スタックと放熱フィンとの熱抵抗をいかに下げるかが課題となる。そこで特許文献１では燃料電池スタックに放熱フィンを接続させ、そこにファン等で冷却風をあて、効率良くスタックと外気を熱交換させて冷却する方式が開示されている。
特開２００５−１０８７１７号公報 Conventional examples of coolers include (a) liquid cooling, (b) circulating fuel cooling, (c) stack direct cooling, and the like. (A) The liquid cooling system is a system in which a coolant such as water is flowed into the fuel cell and the coolant is cooled by an external radiator. (B) The circulating fuel cooling system is used in a system that circulates liquid fuel inside the fuel cell, such as DMFC, and uses this liquid fuel instead of the water-cooled refrigerant in (a). (C) The stack direct cooling method directly cools the heat source. This method does not require an external radiator or cooling piping, and has the advantage that the size of the fuel cell system can be reduced. However, how to reduce the thermal resistance between the stack and the radiation fins is a problem. Therefore, Patent Document 1 discloses a system in which a heat dissipation fin is connected to a fuel cell stack, cooling air is applied thereto with a fan or the like, and heat is efficiently exchanged between the stack and outside air for cooling.
JP 2005-108717 A

しかしこの方法でもまだスタックと放熱フィンとの間の熱伝導が十分良いとはいえず、サイズの大きい冷却フィンとファンが必要になり、またファンの消費電力も大きい。   However, even with this method, the heat conduction between the stack and the heat radiating fins is not sufficiently good, and a large-sized cooling fin and fan are required, and the power consumption of the fan is large.

そこで本発明は、冷却効率の高い燃料電池スタックを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack with high cooling efficiency.

本発明に係る燃料電池スタックは、アノード電極、カソード電極、このアノード電極および前記カソード電極に介挿された固体高分子電解質膜とを有する起電部と、この起電部を介挿するセパレータと、を有する燃料電池セルを、介挿方向に複数積層した燃料電池スタックにおいて、第１のセパレータは介挿方向に一定の周期をもって燃料電池セルの外側に向けて第１の方向に延伸する第１の延伸部と、第２のセパレータは前記周期と同一の周期をもって異なる位相で第１の方向と反対の第２の方向に燃料電池セルの外側に向けて延伸している第２の延伸部と、を有することを特徴とする。   A fuel cell stack according to the present invention includes an electromotive part having an anode electrode, a cathode electrode, the anode electrode and a solid polymer electrolyte membrane interposed in the cathode electrode, and a separator interposed between the electromotive part and , A first separator that extends in the first direction toward the outside of the fuel cell with a constant period in the insertion direction. And a second separator extending toward the outside of the fuel cell in a second direction opposite to the first direction at a different phase with the same period as the second period. It is characterized by having.

本発明によれば、冷却効率の高い燃料電池スタックが提供できる。   According to the present invention, a fuel cell stack with high cooling efficiency can be provided.

本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックについて、図面を用いて説明する。   A fuel cell stack according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

〔第１の実施の形態〕
本発明の燃料電池スタックの一実施形態を図１を参照して、詳細に説明する。 [First Embodiment]
An embodiment of the fuel cell stack of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

図１に示す燃料電池スタック１００は、紙面に対して左右の方向に積層された複数の燃料電池セル７を有し、それらはエンドプレート、ボルト及びナットで締め付けられている。（エンドプレート、ボルト及びナットは図示省略）
燃料電池セル７は起電部４及びこの起電部４を介挿するセパレータ５、６を有する。起電部３は膜電極複合体（Membrane Electrode Assembly(MEA)）とも呼ばれる。セパレータ５、６は安価で電導性、耐食性が高いことからグラファイトを用いることができる。また、セパレータ５、６は金属板をプレス加工し、表面に流路を形成したものであってもよい。金属板は熱伝導がグラファイトより高く、さらに板自体も薄くすることが可能なため、フィン部９を薄くできるメリットがあり、グラファイトを用いた場合に較べて、流体の抵抗を更に低くすることができる利点がある。 A fuel cell stack 100 shown in FIG. 1 has a plurality of fuel cells 7 stacked in the left-right direction with respect to the paper surface, and these are fastened by end plates, bolts, and nuts. (End plate, bolt and nut are not shown)
The fuel battery cell 7 includes an electromotive unit 4 and separators 5 and 6 that are inserted through the electromotive unit 4. The electromotive unit 3 is also called a membrane electrode assembly (MEA). Since the separators 5 and 6 are inexpensive and have high conductivity and corrosion resistance, graphite can be used. The separators 5 and 6 may be formed by pressing a metal plate and forming a flow path on the surface. Since the metal plate has higher heat conductivity than graphite and the plate itself can be made thinner, there is a merit that the fin portion 9 can be made thinner, and the resistance of the fluid can be further reduced as compared with the case of using graphite. There are advantages you can do.

複数の燃料電池セル７はマニホールド１１、１２（図２の１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）で連通されている。マニホールド１１ａは起電部３に反応に必要な流体を供給し、マニホールド１１ｂは未反応物や反応でできた物質を排出する。マニホールド１２ａは起電部３に反応に必要な酸化剤（純酸素、酸素を含む空気等）を供給し、マニホールド１２ｂは未反応物の酸化剤や反応でできた物質を排出する。   The plurality of fuel cells 7 are connected with manifolds 11 and 12 (11a, 11b, 12a, and 12b in FIG. 2). The manifold 11a supplies the electromotive unit 3 with a fluid necessary for the reaction, and the manifold 11b discharges unreacted substances and substances formed by the reaction. The manifold 12a supplies an oxidant (pure oxygen, oxygen-containing air, etc.) necessary for the reaction to the electromotive unit 3, and the manifold 12b discharges an unreacted oxidant and a substance produced by the reaction.

マニホールドの先端および終端は燃料電池スタック１００の外部と連通している対応するポートと接続している。通常マニホールド及びポートは、（i）アノード極アノード電極への燃料の供給（１１ａ）、（ii）アノード極アノード電極の生成物及び未反応燃料の排出（１１ｂ)、（iii）カソード極カソード電極への酸化剤の供給（１２ａ）、（iv）アノード極アノード電極の生成物及び未反応燃料の排出（１２ｂ）、に対応した４つの組からなる。   The manifold tip and end are connected to corresponding ports communicating with the outside of the fuel cell stack 100. Usually, the manifold and port are (i) supply of fuel to the anode electrode (11a), (ii) discharge of products of the anode electrode and unreacted fuel (11b), (iii) cathode electrode to cathode electrode 4 sets corresponding to the supply of the oxidant (12a), (iv) discharge of the anode electrode product and the unreacted fuel (12b).

図２は燃料電池セル７を構成する主要な部材を展開した様子を示す模式図である。この図に示すように、例えば、セパレータ５にはＳ字状に燃料を流通する流路１３が形成されている。流路１３の端部はマニホールド１１ａ、１１ｂを連通している。図１３においては裏面に当たるため図示を省略しているが、セパレータ６の燃料を流通する流路１３を形成した裏面には酸化剤を流通する流路が形成されている。この流路の端部はマニホールド１２ａ、１２ｂを連通している。   FIG. 2 is a schematic view showing a state in which main members constituting the fuel battery cell 7 are developed. As shown in this figure, for example, the separator 5 is formed with a flow path 13 through which fuel flows in an S-shape. The ends of the flow path 13 communicate with the manifolds 11a and 11b. Although not shown in FIG. 13 because it hits the back surface, a flow path for flowing an oxidant is formed on the back surface where the flow path 13 for flowing the fuel of the separator 6 is formed. The ends of the flow paths communicate with the manifolds 12a and 12b.

起電部４は、プロトン伝導性を有する固体高分子膜３と、この固体高分子膜３を介挿するアノード電極１、カソード電極２を有する。固体高分子膜３としては、例えば、デュポン（DuPont）社のナフィオン（Nafion：商標）で作られたイオン交換膜を用いることができる。   The electromotive unit 4 includes a solid polymer film 3 having proton conductivity, and an anode electrode 1 and a cathode electrode 2 that are interposed by the solid polymer film 3. As the solid polymer membrane 3, for example, an ion exchange membrane made of DuPont's Nafion (trademark) can be used.

アノード電極１およびカソード電極２は、それぞれ触媒層と、その外側に集電及び燃料供給と反応生成物の排出を円滑に行うためのガス拡散層を有する。アノード触媒としては市販のＰｔ−Ｒｕ触媒を用いることができる。カソード触媒としては、市販のＰｔ−Ｒｕ触媒、Ｐｔ触媒を用いることができる。ガス拡散層としては市販のカーボンペーパー、カーボン繊維、カーボン不織布を用いることができる。これら拡散層には、主としてカーボンと撥水性から成る緻密層(Micro Porous Layer)を設けても良い。
セパレータ５、６はアノード電極１またはカソード電極２に接触するボディ部（本体部）８と、このボディ部から燃料電池セル７の外側に向けて、一方向に延伸されたフィン部（延伸部）９を有する。図１に示す本実施の形態ではフィン部９は紙面の上下方向に延伸されている。またフィン部９は紙面上下及び左右の複数の方向に延伸しても構わない。 Each of the anode electrode 1 and the cathode electrode 2 has a catalyst layer, and a gas diffusion layer for smoothly collecting current, supplying fuel, and discharging reaction products outside the catalyst layer. A commercially available Pt—Ru catalyst can be used as the anode catalyst. As the cathode catalyst, a commercially available Pt—Ru catalyst or Pt catalyst can be used. Commercially available carbon paper, carbon fiber, and carbon nonwoven fabric can be used as the gas diffusion layer. These diffusion layers may be provided with a dense layer (Micro Porous Layer) mainly composed of carbon and water repellency.
The separators 5 and 6 include a body portion (main body portion) 8 that contacts the anode electrode 1 or the cathode electrode 2 and a fin portion (extension portion) that extends in one direction from the body portion toward the outside of the fuel cell 7. 9 In the present embodiment shown in FIG. 1, the fin portion 9 is extended in the vertical direction on the paper surface. Further, the fin portion 9 may be extended in a plurality of directions on the top and bottom and on the left and right of the paper.

燃料電池セル７の発熱は伝熱により直接フィン部９に伝えられる。このフィン部９と外気とで直接熱交換させることができる。   The heat generated in the fuel cell 7 is directly transmitted to the fin portion 9 by heat transfer. Heat can be directly exchanged between the fin portion 9 and the outside air.

熱交換を効率的に進めるために、燃料電池スタック１００はその近傍に温度調節媒体供給部（例えば冷却ファン）を有してもよい。この温度調節媒体供給部からの冷却風Ｆがフィン部９に当てられることにより、強制対流を含む熱伝達が促進され、燃料電池セルの温度を調節することが可能となる。   In order to promote heat exchange efficiently, the fuel cell stack 100 may have a temperature control medium supply unit (for example, a cooling fan) in the vicinity thereof. By applying the cooling air F from the temperature control medium supply unit to the fin unit 9, heat transfer including forced convection is promoted, and the temperature of the fuel cell can be adjusted.

この方法は、熱輸送抵抗が低く、かつ熱輸送パスも短く、効率良い冷却が行える。その結果、冷却フィン９やファンを従来より小さくできる。またファンの消費電力を低減できる。   This method has a low heat transport resistance, a short heat transport path, and efficient cooling. As a result, the cooling fins 9 and the fan can be made smaller than before. In addition, the power consumption of the fan can be reduced.

このとき、図１に示すように、第１のセパレータ（５ａ乃至５ｅ）は第２のセパレータ（６ａ乃至６ｄ）とは、介挿する方向に対して直行する第１の方向、すなわち、図１においては紙面に対して上方向（第１の方向）と、これとは反対の方向、すなわち紙面に対して下方向（第２の方向）に交互に延伸している。図７に示すように従来のセパレータはフィンを同一方向に延伸していたが、このようにすると、小型化した時に、流路間が狭くなり、流体の抵抗が大きくなるため、除熱の効率が低下してしまう。これに対し、図１のように、交互に延伸させると、流体の抵抗が小さくなり、また冷却風Ｆの導入もスムーズに行えるという利点がある。また、冷却も第１の方向、第２の方向の双方から対称に行えるため、燃料電池セルの熱バランスも対称となり無駄のない発電が可能となる。   At this time, as shown in FIG. 1, the first separator (5a to 5e) is perpendicular to the second separator (6a to 6d) in the first direction, ie, FIG. In FIG. 2, the film is alternately extended in the upward direction (first direction) with respect to the paper surface and in the opposite direction, that is, in the downward direction (second direction) with respect to the paper surface. As shown in FIG. 7, in the conventional separator, the fins are extended in the same direction. However, when this is done, when the size is reduced, the space between the channels is narrowed and the resistance of the fluid is increased. Will fall. On the other hand, as shown in FIG. 1, when alternately extended, there are advantages that the resistance of the fluid is reduced and that the cooling air F can be smoothly introduced. In addition, since cooling can be performed symmetrically from both the first direction and the second direction, the heat balance of the fuel cells is also symmetrical, and power generation without waste is possible.

なお、フィン部９の面積は、発熱量（冷却必要量）、燃料電池が稼動する場所の外気温等から適宜求めることができる。   In addition, the area of the fin part 9 can be suitably calculated | required from the emitted-heat amount (cooling required amount), the external temperature of the place where a fuel cell operates, etc.

また、セパレータ５および６の表面は親水性を有する部材で被覆されていると好ましい。この部材として、親水性の多孔質部材をセパレータの表面に塗布等することにより、カソード電極２の流路内に滞留する水分を当該親水性部材を通じてフィン部９に排出し、さらに温度調節媒体を当てることにより、この水分を除去することが促進されるからである。   The surfaces of the separators 5 and 6 are preferably coated with a hydrophilic member. As this member, by applying a hydrophilic porous member to the surface of the separator, the water staying in the flow path of the cathode electrode 2 is discharged to the fin portion 9 through the hydrophilic member, and the temperature adjusting medium is further removed. It is because removing this water | moisture content is accelerated | stimulated by applying.

〔第２の実施の形態〕
図３は、第１の実施の形態の変形例を示したものである。図１と同一の符号については説明を省略する。 [Second Embodiment]
FIG. 3 shows a modification of the first embodiment. The description of the same reference numerals as those in FIG. 1 is omitted.

図３に示す第２の実施の形態は、セパレータが配置される周期が図１と異なっている。すなわち、図１においては、第１のセパレータと第２のセパレータはそれぞれ交互に配置されていたが、図３においては、第１のセパレータ（１５ａ乃至１５ｃ）と第２のセパレータ（１６ａ乃至１６ｃ）の間に第３のセパレータ（１７ａ乃至１７ｅ）が介挿されている。   The second embodiment shown in FIG. 3 is different from FIG. 1 in the period in which the separator is arranged. That is, in FIG. 1, the first separator and the second separator are alternately arranged, but in FIG. 3, the first separator (15a to 15c) and the second separator (16a to 16c). A third separator (17a to 17e) is interposed between the two.

さらに小型化した場合、燃料電池スタック全体の体積に対する表面積は大きくなり、放熱効率が大きくなる。その結果、延伸したフィンを多数配置すると放熱が大きくなり、かえって反応効率が低下してしまう場合がある。このような場合、図３に示すように、セパレータを一定間隔で間引き、延伸するセパレータの間隔を更に広げることで、流体の抵抗の上昇を抑制すると共に、放熱効率を一定の範囲に抑制することが可能となる。   When the size is further reduced, the surface area with respect to the volume of the entire fuel cell stack is increased, and the heat dissipation efficiency is increased. As a result, if a large number of stretched fins are arranged, the heat radiation increases, and the reaction efficiency may be lowered. In such a case, as shown in FIG. 3, the separator is thinned out at a constant interval, and the interval between the extending separators is further widened, thereby suppressing an increase in fluid resistance and suppressing the heat radiation efficiency within a certain range. Is possible.

図４には第２の実施の形態の冷却フィンの周期（ピッチ）と冷却能力の関係を定性的に示している。横軸は各フィン部９のピッチ、縦軸は放熱量及び圧力損失を定性的に表したものである。圧力損失はピッチの逆数にほぼ比例する。ピッチが狭いほど圧力損失が大きくなる。一方、冷却能力は、あるピッチ以下になると冷却能力が急速におちてくる。つまり、ピッチが狭くしても、おもむろにファンによる送風の抵抗が高くするだけで、あまり冷却には効果ない。すなわち、本実施の形態に示す構成を採用することにより、この二律背反の問題を解決することが可能となる。   FIG. 4 qualitatively shows the relationship between the cooling fin period (pitch) and the cooling capacity of the second embodiment. The horizontal axis represents the pitch of each fin portion 9, and the vertical axis represents the heat radiation amount and pressure loss qualitatively. The pressure loss is almost proportional to the reciprocal of the pitch. The narrower the pitch, the greater the pressure loss. On the other hand, when the cooling capacity is below a certain pitch, the cooling capacity drops rapidly. That is, even if the pitch is narrowed, the resistance of air blown by the fan is merely increased, which is not very effective for cooling. That is, by adopting the configuration shown in the present embodiment, it is possible to solve this trade-off problem.

〔第３の実施の形態〕
図５は、第１の実施の形態の他の変形例を示したものである。図１と同一の符号については説明を省略する。 [Third Embodiment]
FIG. 5 shows another modification of the first embodiment. The description of the same reference numerals as those in FIG. 1 is omitted.

図５に示す第３の実施の形態は、セパレータの延伸しているフィン部の形状が傾斜している点が図１と異なっている。すなわち、図１においては、第１のセパレータ及び第２のセパレータはいずれも矩形状であったが、図５においては、第１のセパレータ（２５ａ乃至２５ｅ）と第２のセパレータ（２６ａ乃至２６ｅ）のフィン部（延伸部）９はいずれも紙面に対し手前から奥に向けての方向（第３の方向）に傾斜している。   The third embodiment shown in FIG. 5 is different from FIG. 1 in that the shape of the fin portion where the separator extends is inclined. That is, in FIG. 1, the first separator and the second separator are both rectangular, but in FIG. 5, the first separator (25a to 25e) and the second separator (26a to 26e). Each of the fin portions (extension portions) 9 is inclined in the direction from the near side to the back side (third direction) with respect to the paper surface.

詳細に説明すると、第１のセパレータ（２５ａ乃至２５ｅ）のフィン部９は、紙面の手前から奥に向けて傾斜が漸増している。一方、第２のセパレータ（２６ａ乃至２６ｅ）のフィン部９は、紙面の奥から手前に向けて傾斜が漸増している。   If it demonstrates in detail, the inclination of the fin part 9 of the 1st separator (25a thru | or 25e) will increase gradually from the near side of a paper surface toward the back. On the other hand, the inclination of the fin portion 9 of the second separator (26a to 26e) is gradually increased from the back of the sheet to the front.

このようにフィン部９を傾斜させることにより、傾斜が漸増する方向に流体を流すことで、スムーズな流体の導入を行うことができる。また、燃料電池スタックの大きさを小さくすることにも寄与する。   By inclining the fin portion 9 in this manner, fluid can be smoothly introduced by flowing the fluid in a direction in which the inclination gradually increases. It also contributes to reducing the size of the fuel cell stack.

図５では、フィン部に傾斜をつけた実施の形態を示しているが、セパレータを矩形状とし、起電部４を平行四辺形あるいは台形状とする構造を採用してもよい。   Although FIG. 5 shows an embodiment in which the fin portion is inclined, a structure in which the separator is rectangular and the electromotive portion 4 is a parallelogram or trapezoid may be employed.

〔第４の実施の形態〕
図６は、第３の実施の形態の他の変形例を示したものである。図５と同一の符号については説明を省略する。 [Fourth Embodiment]
FIG. 6 shows another modification of the third embodiment. The description of the same reference numerals as those in FIG. 5 is omitted.

図６に示す第４の実施の形態は、セパレータの延伸しているフィン部９の形状が全て紙面の手前から奥に向けて傾斜が漸増している点が図５と異なっている。すなわち、図５においては、第２のセパレータ（２６ａ乃至２６ｅ）のフィン部９は、紙面の奥から手前に向けて傾斜が次第に漸増しているが、図６においては、紙面の手前から奥に向けて傾斜が次第に漸増している。   The fourth embodiment shown in FIG. 6 is different from FIG. 5 in that the shape of the fin portion 9 in which the separator extends is all inclined gradually from the front of the paper to the back. That is, in FIG. 5, the fins 9 of the second separators (26a to 26e) gradually increase in inclination from the back of the paper to the front, but in FIG. 6, from the front of the paper to the back. The slope is gradually increasing toward it.

このような構成をとることにより、燃料電池スタックの紙面手前側よりも紙面奥側を重点的に冷却することができる。一般に、燃料の濃度が濃い部分は発電効率が高いため、他の場所に較べて発熱量が大きくなる傾向がある。このような発熱量の大きい場所あるいはその近傍にフィン部９を重点的に配置することにより、放熱をより効果的に行うことができる。すなわち、図５に示すように、フィン部９に近い側に燃料導入部があることが好ましい。また、本実施の形態の構成は、流体を紙面手前から紙面奥へと一方方向に導入すればよいので、温度調節媒体供給部を１つ有すればよく、温度調節媒体を供給するための流路構成も簡素にできるので小型化に寄与することができる。   By adopting such a configuration, it is possible to cool the back side of the fuel cell stack more preferentially than the front side of the fuel cell stack. Generally, since the power generation efficiency is high in a portion where the concentration of fuel is high, the amount of heat generation tends to be larger than in other places. Heat can be radiated more effectively by placing the fin portions 9 in a concentrated manner at or near the place where the amount of heat generation is large. That is, as shown in FIG. 5, it is preferable that the fuel introduction part is on the side close to the fin part 9. In the configuration of the present embodiment, the fluid may be introduced in one direction from the front of the paper to the back of the paper. Therefore, it is only necessary to have one temperature control medium supply unit, and a flow for supplying the temperature control medium. Since the road configuration can be simplified, it can contribute to downsizing.

〔作用〕
本発明の構成を採用することにより、燃料電池セル７の熱が直接延伸部（フィン部）９に伝わり冷却効率が良くなる。さらには、セパレータを通常のグラファイトでなく金属のセパレータとすることで、熱伝導性をさらに高めることも可能である。 [Action]
By adopting the configuration of the present invention, the heat of the fuel battery cell 7 is directly transmitted to the extending portion (fin portion) 9 and the cooling efficiency is improved. Furthermore, it is possible to further increase the thermal conductivity by using a separator made of metal instead of ordinary graphite.

燃料電池セルと燃料電池セルのピッチが狭い場合は、それに伴い冷却フィンの間隔も狭くなるためファンの風の抵抗（圧力損失）が高くなり大型かつ消費電力の高いファンが必要になるという問題が生じる。この問題を解決するため、特定間隔のセパレータのみ延伸し、冷却フィンとすることで、冷却フィンのピッチを適正化し、冷却効率と圧力損失とのバランスをとることで、温度調節媒体供給部、例えばファンを小型化することもできる   When the pitch between the fuel cells is narrow, the distance between the cooling fins is narrowed accordingly, and the wind resistance (pressure loss) of the fan becomes high, which requires a large fan with high power consumption. Arise. In order to solve this problem, only the separators of a specific interval are stretched to form cooling fins, thereby optimizing the pitch of the cooling fins and balancing the cooling efficiency and the pressure loss, so that the temperature control medium supply unit, for example, The fan can be downsized

燃料電池スタックの第１の実施の形態を示す側面図である。It is a side view which shows 1st Embodiment of a fuel cell stack. 図１に係る燃料電池セルの主要部材を示す展開図である。FIG. 2 is a development view showing main members of the fuel battery cell according to FIG. 1. 燃料電池スタックの第２の実施の形態を示す側面図である。It is a side view which shows 2nd Embodiment of a fuel cell stack. 図３に係る燃料電池スタックの冷却効果を示す図である。It is a figure which shows the cooling effect of the fuel cell stack which concerns on FIG. 燃料電池スタックの第３の実施の形態を示す側面図である。It is a side view which shows 3rd Embodiment of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの第４の実施の形態を示す側面図である。It is a side view which shows 4th Embodiment of a fuel cell stack. 従来の燃料電池スタックを示す側面図である。It is a side view which shows the conventional fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

１・・・アノード電極
２・・・カソード電極
３・・・固体高分子膜
４・・・起電部
５、６、１５、１６、１７、２５、２６、３５、３６・・・セパレータ
７・・・燃料電池セル
８・・・セパレータの本体部（ボディ部）
９・・・セパレータの延伸部（フィン部）
１１・・・マニホールド（燃料用）
１２・・・マニホールド（酸化剤用）
１３・・・流路
１００・・・燃料電池スタック DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Anode electrode 2 ... Cathode electrode 3 ... Solid polymer film 4 ... Electromotive part 5, 6, 15, 16, 17, 25, 26, 35, 36 ... Separator 7 ..Fuel battery cell 8 ... Separator body (body)
9 ... Extension part (fin part) of separator
11 ... Manifold (for fuel)
12 ... Manifold (for oxidizing agent)
13 ... Flow path 100 ... Fuel cell stack

Claims (5)

アノード電極、カソード電極、前記アノード電極および前記カソード電極に介挿された固体高分子電解質膜とを有する起電部と、
前記起電部を介挿するセパレータと、
を有する燃料電池セルを、前記介挿方向に複数積層した燃料電池スタックにおいて、
前記第１のセパレータは前記介挿方向に一定の周期をもって前記燃料電池セルの外側に向けて第１の方向に延伸する第１の延伸部と、
前記第２のセパレータは前記周期と同一の周期をもって異なる位相で前記第１の方向と反対の第２の方向に前記燃料電池セルの外側に向けて延伸している第２の延伸部と、
を有することを特徴とする燃料電池スタック。 An electromotive part having an anode electrode, a cathode electrode, the anode electrode, and a solid polymer electrolyte membrane interposed in the cathode electrode;
A separator for interposing the electromotive unit;
In a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked in the insertion direction,
The first separator extends in the first direction toward the outside of the fuel cell with a constant period in the insertion direction; and
The second separator extends toward the outside of the fuel cell in the second direction opposite to the first direction at a different phase with the same period as the period; and
A fuel cell stack comprising: 前記燃料電池スタックは、更に温度調節媒体供給部を有し、
前記温度調節媒体供給部は、前記延伸部の間に温度調節媒体を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。 The fuel cell stack further includes a temperature control medium supply unit,
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the temperature control medium supply unit supplies a temperature control medium between the extension units. 前記第１の延伸部および前記第２の延伸部は、前記介挿方向および前記延伸方向の双方に直交する第３の方向に向けて傾斜していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。   The said 1st extending | stretching part and the said 2nd extending | stretching part are inclined toward the 3rd direction orthogonal to both the said insertion direction and the said extending | stretching direction, The Claim 1 or Claim characterized by the above-mentioned. 3. The fuel cell stack according to 2. 前記第１の延伸部および前記第２の延伸部は、前記介挿方向および前記延伸方向の双方に直交する第３の方向に向けて傾斜しており、
前記温度調節媒体供給部は、前記傾斜が漸増する方向に温度調節媒体を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。 The first extending portion and the second extending portion are inclined toward a third direction orthogonal to both the insertion direction and the extending direction,
The fuel cell stack according to claim 2, wherein the temperature control medium supply unit supplies the temperature control medium in a direction in which the inclination gradually increases. 前記カソード電極に接するセパレータは親水性を有する部材で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, wherein the separator in contact with the cathode electrode is covered with a hydrophilic member.
JP2008226411A 2008-09-03 2008-09-03 Fuel battery stack Pending JP2010061986A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008226411A JP2010061986A (en) 2008-09-03 2008-09-03 Fuel battery stack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008226411A JP2010061986A (en) 2008-09-03 2008-09-03 Fuel battery stack

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010061986A true JP2010061986A (en) 2010-03-18

Family

ID=42188565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008226411A Pending JP2010061986A (en) 2008-09-03 2008-09-03 Fuel battery stack

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010061986A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015032477A (en) * 2013-08-02 2015-02-16 株式会社日本自動車部品総合研究所 Fuel cell stack
JP2015032489A (en) * 2013-08-02 2015-02-16 日本特殊陶業株式会社 Solid oxide fuel cell stack
EP3598548A1 (en) * 2018-07-18 2020-01-22 Siemens Mobility GmbH Fuel cell and operating method for fuel cell

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015032477A (en) * 2013-08-02 2015-02-16 株式会社日本自動車部品総合研究所 Fuel cell stack
JP2015032489A (en) * 2013-08-02 2015-02-16 日本特殊陶業株式会社 Solid oxide fuel cell stack
EP3598548A1 (en) * 2018-07-18 2020-01-22 Siemens Mobility GmbH Fuel cell and operating method for fuel cell
DE102018211982A1 (en) * 2018-07-18 2020-01-23 Siemens Mobility GmbH Fuel cell and operating method for a fuel cell
CN110739469A (en) * 2018-07-18 2020-01-31 西门子交通有限公司 Fuel cell and operating method for a fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7879504B2 (en) Fuel cell stack having improved cooling structure
JP2006210351A (en) Stack for fuel cell and fuel cell system
JP2004178818A (en) Fuel cell system
JPWO2009028169A1 (en) Fuel cell
JP2008192368A (en) Fuel cell stack
JP2010040270A (en) Fuel cell system
JP6477681B2 (en) Fuel cell module and fuel cell stack
JP2001307753A (en) Solid polymer type fuel cell
JP2003068349A (en) Fuel cell stack and reactant gas supply method
JP2003346841A (en) Flow site for pole plate assembly of fuel cell device
JP2009070622A (en) Fuel cell and its manufacturing method
JP2007299726A (en) Separator for fuel cell
JP2006073518A (en) Stack for fuel cell
KR100949337B1 (en) Fluid Recycling Apparatus and Fuel Cell System Having the Same
JP2010061986A (en) Fuel battery stack
JP4726186B2 (en) Fuel cell stack
JP4544055B2 (en) Fuel cell
JP2008059874A (en) Fuel cell stack
KR101542970B1 (en) Fuel cell stack
JP2010086893A (en) Stack structure of fuel cell
KR20080085325A (en) Mixing tank and fuel cell system possessing it
KR101181838B1 (en) Stack for fuel cell and fuel cell system with the same
KR101107081B1 (en) Stack for fuel cell and fuel cell system with the same
CN220358139U (en) Air-cooled fuel cell stack and bipolar plate thereof
KR101147233B1 (en) Fuel cell system and stack of the same