JP4839855B2

JP4839855B2 - Fuel cell module

Info

Publication number: JP4839855B2
Application number: JP2006013302A
Authority: JP
Inventors: 勝憲西村; 雄希奥田; 甚一今橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-01-23
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-01-23
Also published as: JP2007194156A

Description

本発明は、電解質膜を一対の電極間に配設した単セルと、セパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体には、積層方向に少なくとも反応流体を流す複数の反応流体入口連通孔が形成される燃料電池に関する。 The present invention includes a laminated body in which a single cell in which an electrolyte membrane is disposed between a pair of electrodes and a separator are laminated, and the laminated body has a plurality of reaction fluid inlet connections that allow at least a reaction fluid to flow in the lamination direction. The present invention relates to a fuel cell in which holes are formed.

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンまたはカーボンクロスからなるアノード電極及びカソード電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラープレート）によって挟持している。 The polymer electrolyte fuel cell comprises an electrolyte membrane / electrode structure constituted by an anode catalyst and a cathode electrode each made of an electrode catalyst and porous carbon or carbon cloth on both sides of the polymer electrolyte membrane. It is clamped by a separator (bipolar plate).

この燃料電池において、アノード電極側には、主に水素を含有する燃料流体が供給され、カソード電極側には、酸素を含有する酸化剤流体あるいは空気が供給される。アノード電極に供給された水素含有流体は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。イオン化の際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ーとして利用される。 In this fuel cell, a fuel fluid mainly containing hydrogen is supplied to the anode electrode side, and an oxidant fluid or air containing oxygen is supplied to the cathode electrode side. In the hydrogen-containing fluid supplied to the anode electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during ionization are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

外部より電池に燃料等の流体を供給するため、電池に配管を接続する必要がある。配管の誤接続防止等に関する発明が開示されている（特許文献１）。 In order to supply fluid such as fuel from the outside to the battery, it is necessary to connect a pipe to the battery. An invention relating to prevention of erroneous connection of piping is disclosed (Patent Document 1).

特開２００５−１５８２７２号公報JP 2005-158272 A

固体高分子形燃料電池の場合、燃料流体，酸化剤流体および冷却水の供給配管と排出配管をそれぞれ各１つずつ要し、１個の電池に最低６ヶ所の配管接続部が必要となる。これらの配管により各電池を直列に接続すると、下流にある電池にはガス不足や電池の冷却不足が生じる。したがって、各電池に対し、一様に流体を供給するためには、各電池を並列に接続する必要があるが、その結果、多数の配管を誤りなく、容易に接続する必要もある。 In the case of a polymer electrolyte fuel cell, a fuel fluid, an oxidant fluid, and a cooling water supply pipe and a discharge pipe are each required, and a minimum of six pipe connection portions are required for one battery. If each battery is connected in series by these pipes, the downstream battery may be insufficient in gas or insufficiently cooled. Therefore, in order to supply a fluid uniformly to each battery, it is necessary to connect each battery in parallel. As a result, it is also necessary to easily connect many pipes without error.

アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとで挟持された電解質膜とを有する単セルと、燃料ガスと酸化剤ガスと冷媒流体とから選ばれる２種の流体を分離するセパレータとを積層した積層体を一対のエンドプレートで積層方向に挟持した積層型燃料電池を複数備え、
前記一対のエンドプレートの一方には、燃料供給配管コネクターと、燃料排出配管コネクターと、冷却水供給配管コネクターと、冷却水排出配管コネクターと、酸化剤供給配管コネクターと、酸化剤排出配管コネクターとから選ばれた少なくとも３つのコネクターが装着され、
同種の前記コネクターを配管で接続し、
前記配管は、前記一方のエンドプレートの端部平面に投影した場合に略直線状となることを特徴とする燃料電池モジュールである。 A single cell having an anode, a cathode, an electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode, and a separator for separating two fluids selected from a fuel gas, an oxidant gas, and a refrigerant fluid are stacked. A plurality of stacked fuel cells in which the stacked body is sandwiched between a pair of end plates in the stacking direction
One of the pair of end plates includes a fuel supply pipe connector, a fuel discharge pipe connector, a cooling water supply pipe connector, a cooling water discharge pipe connector, an oxidant supply pipe connector, and an oxidant discharge pipe connector. At least three selected connectors are installed,
Connect the same type of connectors with piping,
The pipe is a fuel cell module characterized by being substantially straight when projected onto an end plane of the one end plate.

本発明によれば、固体高分子型燃料電池をモジュール化した場合に、流体を供給又は排出する配管を容易に接続することができる。 According to the present invention, when a polymer electrolyte fuel cell is modularized, a pipe for supplying or discharging a fluid can be easily connected.

本実施形態の固体高分子型燃料電池は、電解質膜を一対の電極間に配設した膜−電極接合体と、セパレータとが交互に積層される積層体を備え、前記積層体には、積層方向に貫通して少なくとも反応流体を流す複数のマニホールドが形成される燃料電池である。 The polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment includes a laminate in which a membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is disposed between a pair of electrodes and a separator are alternately laminated. This is a fuel cell in which a plurality of manifolds are formed so as to pass through at least the reaction fluid.

図１は、本実施形態の燃料電池の例として、固体高分子形燃料電池の断面構造を示す。固体高分子形燃料電池は、水素イオンを透過させる機能を有する固体高分子電解質膜102，当該膜の両面に形成した電極１０３，当該電極１０３を挟持するように配置されたセパレータ１０４からなる基本構成を単セル１０１とし、通常、十分な電力を得るために当該単セルを複数個直列に接続し、集電プレート１１３，１１４，絶縁プレート１０７，エンドプレート１０９、の順に挟持され、締め付けボルト１１６，コイルバネ１１７，締め付けナット１１８によって締め付け保持される。 FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a polymer electrolyte fuel cell as an example of the fuel cell of this embodiment. The solid polymer fuel cell has a basic configuration comprising a solid polymer electrolyte membrane 102 having a function of permeating hydrogen ions, electrodes 103 formed on both surfaces of the membrane, and a separator 104 disposed so as to sandwich the electrode 103. In order to obtain sufficient power, a plurality of such single cells are connected in series, and the current collecting plates 113 and 114, the insulating plate 107, and the end plate 109 are sandwiched in this order, and the fastening bolts 116, The coil spring 117 and the tightening nut 118 are tightened and held.

固体高分子電解質膜１０２は、フッ素系高分子のフッ素の一部をスルホン酸に置換したものが一般的であり、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜であれば、適用可能である。例えば、４フッ化エチレンを基本単位とする高分子鎖に含まれるフッ素原子を２〜５個程度のアルキル鎖（−ＣＦ₂ＣＦ₂−，−ＣＦ₂ＣＦ₂(ＣＦ₃)− など）を介して、当該アルキル鎖の末端にスルホン酸基（−ＳＯ₃Ｈ）を有する高分子膜がある。 The solid polymer electrolyte membrane 102 is generally obtained by substituting a part of fluorine of a fluorinated polymer with sulfonic acid, and any polymer membrane having a function of moving hydrogen ions can be applied. For example, the fluorine chain contained in a polymer chain having tetrafluoroethylene as a basic unit is passed through about 2 to 5 alkyl chains (—CF ₂ CF ₂ —, —CF ₂ CF ₂ (CF ₃ ) —, etc.). Thus, there is a polymer membrane having a sulfonic acid group (—SO ₃ H) at the end of the alkyl chain.

電極１０３とは、白金、あるいは白金とルテニウム等の異種元素との合金を電極触媒とし、当該触媒と炭素粉末とバインダーからなる層であり、当該触媒は、水素の酸化反応
（式１）、あるいは酸素の還元反応（式２）を容易にする機能を有する。水素の酸化反応にて生じた水素イオンは、固体高分子電解質膜１０２に受け渡され、当該イオンは反対側の電極１０３にて酸素と結合することにより水が生成する。 The electrode 103 is a layer comprising platinum or an alloy of different elements such as platinum and ruthenium as an electrode catalyst, and is composed of the catalyst, carbon powder, and a binder, and the catalyst includes a hydrogen oxidation reaction (formula 1), or It has a function of facilitating the oxygen reduction reaction (Formula 2). Hydrogen ions generated by the oxidation reaction of hydrogen are transferred to the solid polymer electrolyte membrane 102, and the ions are combined with oxygen at the opposite electrode 103 to generate water.

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- （式１）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ（式２）
この反応の際に、ガスの拡散、プロトンの移動を伴うため、これらの物質移動抵抗による燃料電池の電圧降下を抑制するため、電極層と固体高分子電解質膜を薄くする必要がある。そこで、固体高分子電解質膜とその両面に電極層を設けた膜−電極接合体を用いる。 H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (Formula 1)
2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O (Formula 2)
Since this reaction involves gas diffusion and proton transfer, it is necessary to make the electrode layer and the solid polymer electrolyte membrane thin in order to suppress the voltage drop of the fuel cell due to these mass transfer resistances. Therefore, a solid polymer electrolyte membrane and a membrane-electrode assembly provided with electrode layers on both sides thereof are used.

セパレータ１０４には、ガスを流通させるための溝（流路と定義する。）が設けられ、当該溝を通じて水素、あるいは酸素または空気が燃料流体連通孔１１０，酸化剤流体連通孔１１２を介して電池外部より供給される。流路に隣接する凸部は電極１０３に押し付けられることにより、電極層と電子の授受を行い、セパレータ１０４と接触する集電プレート１１３，１１４を介して外部に電力を取り出すことができる。セパレータ１０４の溝より供給されるガスを、電極層全体に供給される目的と、電極層全体より低抵抗にて電力を得るために、多孔質の炭素層を電極層とセパレータの間に設ける方法を採用することができる。 The separator 104 is provided with a groove (defined as a flow path) through which gas flows, and hydrogen, oxygen, or air passes through the groove through the fuel fluid communication hole 110 and the oxidant fluid communication hole 112. Supplied from outside. The convex portion adjacent to the flow path is pressed against the electrode 103 to exchange electrons with the electrode layer, and to extract electric power to the outside through the current collecting plates 113 and 114 in contact with the separator 104. The purpose of supplying the gas supplied from the groove of the separator 104 to the entire electrode layer, and a method of providing a porous carbon layer between the electrode layer and the separator in order to obtain electric power with lower resistance than the entire electrode layer Can be adopted.

セパレータ１０４は、天然黒鉛，人造黒鉛，膨張黒鉛，非晶質炭素等の炭素粉末とフェノール樹脂からなる混合物を圧縮成形した材料、あるいはこの成形体を３００〜１２００℃の高温にて焼結した材料などを選択することができる。形状は４角形またはその他の多角形の板状，円板状の任意の形状をとることができる。また、フェノール樹脂を射出成形により板状または円板状にしたものを焼成し、炭素化した材料を使用することも可能である。本実施形態のセパレータは、これらの炭素材料に限らず、金属からなる材料，樹脂などの非金属，金属と非金属の複合材料から製造されたものであっても良い。 The separator 104 is a material obtained by compression-molding a mixture of a carbon powder such as natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, and amorphous carbon and a phenol resin, or a material obtained by sintering this molded body at a high temperature of 300 to 1200 ° C. Etc. can be selected. The shape can be any shape such as a square or other polygonal plate or disk. It is also possible to use a material obtained by baking and carbonizing a phenol resin that has been made into a plate shape or a disk shape by injection molding. The separator of the present embodiment is not limited to these carbon materials, but may be a material made of a metal, a non-metal such as a resin, or a composite material of a metal and a non-metal.

燃料電池端部のエンドプレートには反応流体供給口，反応流体排出口（配管コネクターともいう）が他の流体供給配管等に接触しないように配置される。 A reaction fluid supply port and a reaction fluid discharge port (also referred to as a piping connector) are disposed on the end plate at the end of the fuel cell so as not to contact other fluid supply piping.

複数の燃料電池をモジュールにするとき、燃料電池を一段で横方向に並べる方法や、縦方向に積み上げる方法がある。また、縦横両方に積み上げる方法もある。 When a plurality of fuel cells are made into modules, there are a method in which fuel cells are arranged in a horizontal direction in a single stage and a method in which the fuel cells are stacked in a vertical direction. There is also a method of stacking both vertically and horizontally.

複数の電池に３種類の流体の配管を接続するとき、少なくとも、同一の流体について、供給または排出の配管の種類を一致させる必要がある。例えば、燃料ガスの供給配管をする面は、複数の電池ともに同じ面方向にすべきである。このようにしないと、配管が冗長となり、配管による無駄なスペースが増加するからである。 When three types of fluid pipes are connected to a plurality of batteries, it is necessary to match the types of supply or discharge pipes at least for the same fluid. For example, the surface of the fuel gas supply piping should be in the same surface direction for all the batteries. If this is not done, the piping becomes redundant, and a useless space due to the piping increases.

さらに、配管の取り付け易さを考慮すると、３種類の流体の供給配管と排出配管が、全て同一面にあることが、さらに望ましい。同一面内にて、配管作業を集約することができ、配管の誤りを防止することができる。さらに、配管スペースをコンパクトにすることができる。 Furthermore, it is more desirable that the supply pipes and the discharge pipes for the three types of fluids are all on the same plane in consideration of ease of pipe installation. Piping operations can be consolidated in the same plane, and piping errors can be prevented. Furthermore, the piping space can be made compact.

具体的には、配管コネクターを円形とみなしたときのその円（以降、円Ｏとする）の中心を通り、１つ目の軸方向に平行な直線Ａと円Ｏの中心を通り且つ２つ目の軸方向に平行、または直線Ａに垂直な直線Ｂと、直線Ａ，直線Ｂに平行な円Ｏの接線２本が挟む領域に他の配管コネクターが存在しないように配置することで各電池同士の配管接続を容易にし、配管スペースをコンパクトに、くわえて圧損の少ない燃料電池を提供することができる。また、後述するエンドプレートおよびセパレータの形状には依存しないが望ましい形状としては多角形もしくは円形であり長方形が最もよい。 Specifically, when the pipe connector is regarded as a circle, it passes through the center of the circle (hereinafter referred to as circle O) and passes through the center of the straight line A and the circle O parallel to the first axial direction and two. Each battery is arranged so that there is no other piping connector in the region between the straight line B parallel to the axial direction of the eye or perpendicular to the straight line A and two tangents of the circle O parallel to the straight lines A and B. It is possible to provide a fuel cell that facilitates the piping connection between the two, makes the piping space compact and adds little pressure loss. Further, although it does not depend on the shapes of the end plate and the separator to be described later, a desirable shape is a polygon or a circle, and a rectangle is the best.

ここでいう軸方向とは、燃料電池の配置の方向（例えば、図５の矢印Ａ方向，図６の矢印Ｂ方向）、実際に燃料電池を配置したときの同種且つ入出の同じ配管コネクター相互を最短距離で結んだ線分の延長方向のいずれかの軸方向のことである。 As used herein, the axial direction refers to the direction in which the fuel cells are arranged (for example, the direction of arrow A in FIG. 5 and the direction of arrow B in FIG. 6), It is one of the axial directions in the extension direction of the line segments connected by the shortest distance.

図２，図３，図４のように燃料電池３０１の任意の配置を可能にするため、３種類の流体の配管を簡易に接続することが必要である。 As shown in FIGS. 2, 3, and 4, it is necessary to easily connect three types of fluid pipes in order to allow arbitrary arrangement of the fuel cell 301.

それを実現するための配管方法の例として、図５，図６，図７に示す。第一の実施形態として、同一面内に３種類の流体の供給配管と排出配管を集約した場合を取り上げ、図５を用いて、その実施に必要な構成を詳細に説明する。 Examples of piping methods for realizing this are shown in FIGS. 5, 6, and 7. FIG. As a first embodiment, a case where three types of fluid supply pipes and discharge pipes are collected in the same plane will be taken up, and the configuration necessary for the implementation will be described in detail with reference to FIG.

配管を接続する面を一方向になるように、燃料電池５０１を複数配置する。このとき、横方向（矢印Ｂ方向）のみに積層、縦方向（矢印Ａ方向）にのみ積層、縦横方向に積層した任意の配置をとることができる。 A plurality of fuel cells 501 are arranged so that the surfaces to which the pipes are connected are in one direction. At this time, it is possible to adopt an arbitrary arrangement in which the layers are stacked only in the horizontal direction (arrow B direction), stacked only in the vertical direction (arrow A direction), and stacked in the vertical and horizontal directions.

配管はその選択した面に接続する。このとき、同一流体の供給配管と排出配管、ならびに他の流体の配管と重複しないようにするため、電池への配管接続位置が配管の向き、例えば矢印Ａ方向に沿って、重なりあわないことが必要である。例えば、燃料流体供給口
５０２は、同じ供給口同士が同一配管上（この場合は燃料流体供給配管５０８）に存在しても良いが、燃料流体排出口５０３あるいは、酸化剤流体供給口５０４または冷媒流体供給口５０５または酸化剤流体排出口５０７または冷媒流体排出口５０６と重なってはならない。後者のような重複があると、異種の配管同士が重なり合い、接続が困難になってしまう。 The pipe connects to the selected surface. At this time, in order not to overlap with the supply and discharge pipes of the same fluid and the pipes of other fluids, the pipe connection position to the battery may not overlap along the direction of the pipe, for example, the arrow A direction. is necessary. For example, the fuel fluid supply ports 502 may have the same supply ports on the same pipe (in this case, the fuel fluid supply pipe 508), but the fuel fluid discharge port 503, the oxidant fluid supply port 504, or the refrigerant It should not overlap the fluid supply port 505, the oxidant fluid discharge port 507, or the refrigerant fluid discharge port 506. When there is an overlap like the latter, different types of pipes overlap each other, making connection difficult.

そこで、電池の配管接続面における異種の接続口（同種の流体であっても、供給と排出で区別される。）が配管方向に存在しないことが重要である。 Therefore, it is important that different types of connection ports (distinguish between supply and discharge even in the same type of fluid) in the piping connection surface of the battery do not exist in the piping direction.

さらに、異種の接続口が上の要件を満たすために、燃料電池の単セル１０１の構造も以下のようにすることが必要となる。 Furthermore, in order for different types of connection ports to meet the above requirements, the structure of the unit cell 101 of the fuel cell needs to be as follows.

図１において、燃料電池の単セル１０１は、２枚のセパレータ１０４とそれに挟持された膜−電極接合体（電解質膜１０２と電極１０３を接合したもの、以降膜−電極接合体と定義），ガス拡散層１０６，ガスケット１０５等からなる。各セルには図示はしないが、少なくとも、１組の燃料ガスの供給口と排出口、１組の酸化剤ガスの供給口と排出口を有する。また、セルからの熱を奪うため、上述の発電セルの他に、冷却水流路を有するセルがあり、同様に、１組の冷却水の供給口と排出口を有する。 In FIG. 1, a single cell 101 of a fuel cell includes two separators 104 and a membrane-electrode assembly sandwiched between them (the one in which an electrolyte membrane 102 and an electrode 103 are joined, hereinafter defined as a membrane-electrode assembly), gas It consists of a diffusion layer 106, a gasket 105, and the like. Although not shown, each cell has at least one set of fuel gas supply port and discharge port and one set of oxidant gas supply port and discharge port. In addition to the above-described power generation cell, there is a cell having a cooling water flow path in order to take heat from the cell, and similarly has a pair of cooling water supply port and discharge port.

電池の配管接続位置からこれらの供給口や排出口に流体を流通させるために、連絡通路を設ける。通常、これをマニホールドと称する。このマニホールドは、屈曲部があると、流体の圧損が増加するので、望ましくは、直線状が良い。その結果、最も圧損を抑えたセル構造にするため、電池の配管接続位置と同じ面内で、セパレータに燃料ガス等の供給口，排出口を設けることになる。 In order to allow fluid to flow from the battery pipe connection position to these supply ports and discharge ports, a communication passage is provided. This is usually called a manifold. If the manifold has a bent portion, the pressure loss of the fluid increases. Therefore, the manifold is preferably linear. As a result, in order to obtain a cell structure with the least pressure loss, a supply port and a discharge port for fuel gas and the like are provided in the separator in the same plane as the piping connection position of the battery.

上述の配管接続の観点から、配管方向に異種の接続口を設けない（同種の接続口のみを設ける）ことが必要となるが、そのとき、セル内部の構造が問題となる。図８は、セパレータ構造の一例である。この形状のセパレータを積層し、セルスタックにすると、図９の９０１に示すように、異種の配管同士が接触してしまい、同一面内で配管することができない。 From the viewpoint of the pipe connection described above, it is necessary not to provide different types of connection ports in the piping direction (only the same type of connection ports are provided), but at that time, the structure inside the cell becomes a problem. FIG. 8 is an example of a separator structure. When separators of this shape are stacked to form a cell stack, as shown by reference numeral 901 in FIG. 9, different types of pipes come into contact with each other and cannot be piped in the same plane.

そこで、本発明の第一の実施形態として図１０，図１１，図１２のように、配管接続を考慮したセパレータ構造の採用が、１つの解決方法となる。 Thus, as a first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 10, 11 and 12, the adoption of a separator structure considering pipe connection is one solution.

セパレータには少なくとも燃料流体，酸化剤流体，冷媒流体を流す流路が設けられている必要がある。各セパレータには少なくとも６つのマニホールドが設けられており、各セパレータはマニホールドを重複無く２つずつ分け合う。セパレータ上で該２つのマニホールドは１本または複数本の流路で接続される。 The separator needs to be provided with a flow path for flowing at least a fuel fluid, an oxidant fluid, and a refrigerant fluid. Each separator is provided with at least six manifolds, and each separator divides the manifolds two by two without duplication. On the separator, the two manifolds are connected by one or a plurality of flow paths.

図１０，図１１，図１２のセパレータは流路の形状が異なっているがマニホールド1001，１００２，１００３，１００４，１００５，１００６の位置はそれぞれが対応している。よって、図１３のようにセパレータ１３０３を積層すると直線的なマニホールド構造となり、エンドプレート１３０１に設けられた流体供給口，流体排出口と接続される。膜−電極接合体１３０２も同様にマニホールド１００１，１００２，１００３，１００４，
１００５，１００６の位置が対応している。また、配管の接続を考慮に入れたマニホールドは配置のため、図１８に示すように異種の配管同士が接触することなく配管を燃料電池１８０１に接続することができる。 10, 11, and 12 have different flow channel shapes, but the positions of the manifolds 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, and 1006 correspond to each other. Therefore, when the separators 1303 are stacked as shown in FIG. Similarly, the membrane-electrode assembly 1302 has manifolds 1001, 1002, 1003, 1004.
The positions 1005 and 1006 correspond to each other. Further, since the manifold taking into account the connection of the piping is arranged, the piping can be connected to the fuel cell 1801 without contacting different types of piping as shown in FIG.

また、セパレータの形状に合わせた膜−電極接合体にすることが好ましい。図１０，図１１，図１２のように、セパレータ面内で電極を分割する場合は、その分割数を少なくした方が電極以外の無駄な面積を削減することができるので、可能な限り、分割数を少なくする。望ましい分割数としては、３以下であり、２が最も良い。 Moreover, it is preferable to set it as the membrane-electrode assembly match | combined with the shape of the separator. As shown in FIG. 10, FIG. 11, and FIG. 12, when the electrodes are divided within the separator surface, it is possible to reduce the useless area other than the electrodes by reducing the number of divisions. Reduce the number. A desirable number of divisions is 3 or less, with 2 being the best.

さらに、第二の実施形態として、膜−電極接合体を分割することにより図１４に示すような双方向に電流を流すことのできるセパレータを使用することも可能となる。 Furthermore, as a second embodiment, it is possible to use a separator capable of flowing a current bidirectionally as shown in FIG. 14 by dividing the membrane-electrode assembly.

電気エネルギーを取り出す膜−電極接合体と接する導電プレート１４０２，１４０３は絶縁フレーム１４０１によって固定される。絶縁フレーム１４０１はフッ素樹脂等の絶縁材料で構成される事が望ましい。 The conductive plates 1402 and 1403 that are in contact with the membrane-electrode assembly for extracting electric energy are fixed by an insulating frame 1401. The insulating frame 1401 is preferably made of an insulating material such as a fluororesin.

図１５に示すようなセパレータの流路パターンを用いることで流体連通孔を共有し積層体の積層数を減らしコンパクトにすることも可能となる。 By using the flow path pattern of the separator as shown in FIG. 15, it is possible to share the fluid communication holes and reduce the number of stacked layers to make the stack compact.

このとき、図１６に示すような、集電プレートを用いることで、配管接続部と同一面側で電気エネルギーを取り出すことができる。 At this time, by using a current collecting plate as shown in FIG. 16, electric energy can be taken out on the same side as the pipe connecting portion.

さらにまた、燃料電池を並べたときには、図１８，図１９に示すように隣り合うまたは、重なり合う燃料電池１８０１の集電プレート１８０２，１８０３にケーブル１８０４を介して接続でき、直流の電気エネルギーを容易に取り出すこともできる。 Furthermore, when the fuel cells are arranged, as shown in FIGS. 18 and 19, they can be connected to the current collecting plates 1802 and 1803 of the adjacent or overlapping fuel cells 1801 via the cable 1804 so that direct electric energy can be easily obtained. It can also be taken out.

第三の実施形態として図２０を用いて必要な構成を詳細に説明する。発電セル２００７は膜−電極接合体２００８を燃料流体流路，酸化剤流体流路を設けたセパレータ２００９によって挟持したものである。 A necessary configuration will be described in detail with reference to FIG. 20 as a third embodiment. In the power generation cell 2007, the membrane-electrode assembly 2008 is sandwiched by a separator 2009 provided with a fuel fluid channel and an oxidant fluid channel.

発電セル２００７の冷却または保温のため、冷媒流体流路を設けたセパレータ２０１０を発電セル２００７と交互にまたは発電セル２００７を複数積層ごとにセパレータ2010を積層する。生成水の排水性の考慮から燃料流体排出用マニホールドを下部に配置し重力によって排水されるようにすると排水性が向上される。溝部構造をシンプルにし、加工を容易にするため、燃料流体供給マニホールドは燃料流体排出マニホールドと対照的な位置に配置するとよい。 In order to cool or keep the power generation cells 2007, the separators 2010 provided with the refrigerant fluid flow paths are alternately stacked with the power generation cells 2007, or the separators 2010 are stacked for every plurality of power generation cells 2007. From the viewpoint of the drainage property of the generated water, the drainage property is improved by disposing the fuel fluid discharge manifold at the lower part and draining it by gravity. In order to simplify the groove structure and facilitate processing, the fuel fluid supply manifold may be disposed in a position opposite to the fuel fluid discharge manifold.

酸化剤流体はセル内の流体中の燃料，酸化剤の濃度を考慮して燃料流体と対向して流すようにするとよい、また溝部構造をシンプルにするため燃料流体同様対照的な配置にするとよい。 The oxidant fluid should flow opposite to the fuel fluid in consideration of the concentration of fuel and oxidant in the fluid in the cell, and it should be arranged in a contrasting manner like the fuel fluid to simplify the groove structure. .

冷媒流体マニホールドは燃料電池の温度を均一に保つため放熱の少ない中心部を貫通するようにするとよい。 The refrigerant fluid manifold may be penetrated through the central portion where heat dissipation is small in order to keep the temperature of the fuel cell uniform.

以上のことから、図１０，図１１，図１２，図１４，図１５のような、配管接続を考慮に入れたセパレータでは、マニホールド１００１を燃料流体排出マニホールド，マニホールド１００２を酸化剤流体供給マニホールド，マニホールド１００３を冷媒流体供給マニホールド，マニホールド１００４を冷媒流体排出マニホールド，マニホールド１００５を燃料流体供給マニホールド，マニホールド１００６を酸化剤流体排出マニホールドとするとさらによい。 From the above, in the separators taking into account piping connection as shown in FIGS. 10, 11, 12, 14, and 15, the manifold 1001 is the fuel fluid discharge manifold, the manifold 1002 is the oxidant fluid supply manifold, More preferably, the manifold 1003 is a refrigerant fluid supply manifold, the manifold 1004 is a refrigerant fluid discharge manifold, the manifold 1005 is a fuel fluid supply manifold, and the manifold 1006 is an oxidant fluid discharge manifold.

マニホールドと流体供給または流体排出口は直線構造であるほうが圧損の少ない燃料電池を提供できるため２０１５を燃料流体排出コネクター、２０１６を酸化剤流体供給コネクター、２０１４を冷媒流体供給コネクター、２０１３を冷媒流体排出コネクター、2011を燃料流体供給コネクター、２０１２を酸化剤流体排出コネクターとするとなおよい。 If the manifold and the fluid supply or fluid discharge port have a linear structure, a fuel cell with less pressure loss can be provided. Therefore, 2015 is a fuel fluid discharge connector, 2016 is an oxidant fluid supply connector, 2014 is a refrigerant fluid supply connector, and 2013 is a refrigerant fluid discharge. More preferably, the connector, 2011 is a fuel fluid supply connector, and 2012 is an oxidant fluid discharge connector.

もし、流体の圧損がある範囲まで許容されるのであれば、セルスタックのエンドプレート部の配管コネクターの位置は、図２１のように配管コネクター２１０１を任意の場所に配置し、２１０２のような電池の配管連絡部とセパレータの間をつなぐ連絡通路部を設け、図８に示すセパレータの各流体のマニホールドに連絡しても良い。このような配置にする事で、２１０３のような空きスペースが確保でき、コントローラ等を配置する事でさらに電池モジュールをコンパクトにする事ができる。 If the fluid pressure loss is allowed up to a certain range, the pipe connector 2101 is arranged at an arbitrary position as shown in FIG. A connecting passage portion for connecting between the pipe connecting portion and the separator may be provided to communicate with each fluid manifold of the separator shown in FIG. With this arrangement, an empty space such as 2103 can be secured, and the battery module can be made more compact by arranging a controller or the like.

特に、加圧ガス条件で運転する燃料電池システムであれば、圧損の問題を無視できるので、そのままでは配管を交差することなく使用できないセパレータ構造（図８）も、利用することができる。 In particular, in the case of a fuel cell system that operates under pressurized gas conditions, the problem of pressure loss can be ignored. Therefore, a separator structure (FIG. 8) that cannot be used without crossing the piping as it is can also be used.

以上をまとめると、発電効率を重視するシステムでは、発明の一形態として、図１０，図１７のようなものが望ましく、加圧ガス条件で運転できるシステムでは、図８と図１７を組み合わせたものも採用することができる。 To summarize the above, in a system that places importance on power generation efficiency, one of the inventions is preferably as shown in FIGS. 10 and 17, and in a system that can be operated under pressurized gas conditions, a combination of FIGS. 8 and 17 is used. Can also be adopted.

以上の実施形態によれば、組電池にした際に配管接続の作業が容易で、且つ、用途に応じた電力を提供できるような、汎用性の高い燃料電池モジュールを提供することができる。 According to the above-described embodiment, it is possible to provide a highly versatile fuel cell module that is easy to connect pipes when used in an assembled battery and can provide power according to the application.

また、セパレータ上及びエンドプレート上の配管コネクターの二次元レイアウトを変更する事で配管接続作業の簡略化，誤配管の防止，配管スペースの省スペース化が可能になる。特に燃料電池の配置方法における汎用性が向上する。 Also, by changing the two-dimensional layout of the piping connectors on the separator and end plate, it is possible to simplify piping connection work, prevent erroneous piping, and save piping space. In particular, versatility in the fuel cell arrangement method is improved.

固体高分子形燃料電池の基本構造の概略断面図を示す。A schematic sectional view of a basic structure of a polymer electrolyte fuel cell is shown. 燃料電池の概略配置概念図の一例を示す。An example of the schematic arrangement | positioning conceptual diagram of a fuel cell is shown. 燃料電池の概略配置概念図の一例を示す。An example of the schematic arrangement | positioning conceptual diagram of a fuel cell is shown. 燃料電池の概略配置概念図の一例を示す。An example of the schematic arrangement | positioning conceptual diagram of a fuel cell is shown. 本発明の配管接続例を示す。The example of piping connection of this invention is shown. 本発明の配管接続例を示す。The example of piping connection of this invention is shown. 本発明の配管接続例を示す。The example of piping connection of this invention is shown. セパレータ構造の一例を示す。An example of a separator structure is shown. 図８のセパレータを用い、配管を同一平面で行った燃料電池の要部分解斜視図を示す。The principal part disassembled perspective view of the fuel cell which carried out piping on the same plane using the separator of FIG. 8 is shown. セルスタック端部から、屈曲部なく、セパレータのマニホールドに燃料流体を供給可能とするセパレータ構造図を示す。The separator structural drawing which can supply a fuel fluid to the manifold of a separator without a bending part from a cell stack edge part is shown. セルスタック端部から、屈曲部なく、セパレータのマニホールドに酸化剤流体を供給可能とするセパレータ構造図を示す。The separator structure figure which can supply an oxidizing agent fluid to the manifold of a separator without a bending part from a cell stack edge part is shown. セルスタック端部から、屈曲部なく、セパレータのマニホールドに冷媒流体を供給可能とするセパレータ構造図を示す。The separator structure figure which can supply a refrigerant | coolant fluid to the manifold of a separator without a bending part from a cell stack edge part is shown. 図１０，図１１，図１２セパレータを使用した発電セルの要部分解斜視図を示す。10, FIG. 11 and FIG. 12 are exploded perspective views of the main part of the power generation cell using the separator. 双方向に電流を流すことのできるセパレータの基本構造図を示す。The basic structure figure of the separator which can flow an electric current bidirectionally is shown. 図１４のセパレータの燃料流体と酸化剤流体を流す溝部の流路パターン例を示す。The flow-path pattern example of the groove part which flows the fuel fluid and oxidant fluid of the separator of FIG. 14 is shown. 本発明の第二の実施形態で使用する集電プレートの基本構造図を示す。The basic structure figure of the current collection plate used by 2nd embodiment of this invention is shown. 本発明の概念実施例を示す。1 illustrates a conceptual embodiment of the present invention. 図１６の集電プレートを用いたケーブル接続の一例を示す。An example of the cable connection using the current collection plate of FIG. 16 is shown. 図１６の集電プレートを用いたケーブル接続の一例を示す。An example of the cable connection using the current collection plate of FIG. 16 is shown. 本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図を示す。The principal part disassembled perspective view of the fuel cell which concerns on 3rd embodiment of this invention is shown. 任意の位置に配管コネクターを配置した際の本発明の実施形態を示す。An embodiment of the present invention when a pipe connector is arranged at an arbitrary position is shown.

符号の説明Explanation of symbols

１０１…単セル、１０２…電解質膜、１０３…電極、１０４，１３０３…セパレータ、１０５…ガスケット、１０６…ガス拡散層、１０７，２００３，２００４…絶縁プレート、１０８…冷却水セル、１０９，１３０１，２００１，２００２…エンドプレート、110…燃料流体連通孔、１１１…冷媒流体連通孔、１１２…酸化剤流体連通孔、１１３，114,１８０２，１８０３，２００６…集電プレート、１１６…締め付けボルト、１１７…コイルバネ、１１８…締め付けナット、３０１，５０１，１８０１…燃料電池、５０２…燃料流体供給口、５０３…燃料流体排出口、５０４…酸化剤流体供給口、５０５…冷媒流体供給口、５０６…冷媒流体排出口、５０７…酸化剤流体排出口、５０８…燃料流体供給配管、９０１…配管同士の接触、９０２…膜−電極接合体、１００１，１００２，１００３，１００４，１００５，１００６…マニホールド、１３０２…膜−電極接合体、１４０１…絶縁フレーム、１４０２，１４０３…導電プレート、１８０４…ケーブル、２００５…図１６の集電プレート、２００７…発電セル、２００８…膜−電極接合体、２００９…図
１５のセパレータ、２０１０…図１２のセパレータ、２０１１…燃料流体供給コネクター、２０１２…酸化剤流体排出コネクター、２０１３…冷媒流体排出コネクター、２０１４…冷媒流体供給コネクター、２０１５…燃料流体排出コネクター、２０１６…酸化剤流体供給コネクター、２１０１…配管コネクター、２１０２…配管連絡部、２１０３…空きスペース、２１０４…配管コネクター配置位置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Single cell, 102 ... Electrolyte membrane, 103 ... Electrode, 104, 1303 ... Separator, 105 ... Gasket, 106 ... Gas diffusion layer, 107, 2003, 2004 ... Insulating plate, 108 ... Cooling water cell, 109, 1301, 2001 , 2002 ... End plate, 110 ... Fuel fluid communication hole, 111 ... Refrigerant fluid communication hole, 112 ... Oxidant fluid communication hole, 113, 114, 1802, 1803, 2006 ... Current collecting plate, 116 ... Clamping bolt, 117 ... Coil spring , 118 ... Clamping nuts, 301, 501, 1801 ... Fuel cell, 502 ... Fuel fluid supply port, 503 ... Fuel fluid discharge port, 504 ... Oxidant fluid supply port, 505 ... Refrigerant fluid supply port, 506 ... Refrigerant fluid discharge port 507 ... Oxidant fluid discharge port, 508 ... Fuel fluid supply pipe, 901 ... Contact between pipes, 902 ... Membrane-electrode assembly, 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006 ... Manifold, 1302 ... Membrane-electrode assembly, 1401 ... Insulating frame, 1402, 1403 ... Conductive plate, 1804 ... Cable, 2005 ... Current collecting plate 2007 ... Power generation cell 2008 ... Membrane-electrode assembly 2009 ... Separator in FIG. 15 2010 ... Separator in FIG. 2011 2011 ... Fuel fluid supply connector 2012 ... Oxidant fluid discharge connector 2013 ... Refrigerant fluid Discharge connector, 2014 ... Refrigerant fluid supply connector, 2015 ... Fuel fluid discharge connector, 2016 ... Oxidant fluid supply connector, 2101 ... Piping connector, 2102 ... Pipe connecting part, 2103 ... Vacant space, 2104 ... Pipe connector placement position.

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスと冷媒流体とから選ばれる２種の流体を分離するセパレータで挟持された電解質膜を有する単セルを積層した積層体を一対のエンドプレートで積層方向に挟持した燃料電池を複数備え、
前記一対のエンドプレートの一方には、燃料供給配管コネクターと、燃料排出配管コネクターと、冷却水供給配管コネクターと、冷却水排出配管コネクターと、酸化剤供給配管コネクターと、酸化剤排出配管コネクターとから選ばれた少なくとも３つのコネクターが装着され、
複数の燃料電池は縦方向または横方向に配置され、同種のコネクターが単一の配管で連結されており、
前記コネクターは、前記縦方向及び横方向において異種のコネクターが重ならず、同種のコネクターが互いに重なり合うように配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。 A fuel cell in which a laminate in which a single cell having an electrolyte membrane sandwiched between separators that separate two kinds of fluids selected from a fuel gas, an oxidant gas, and a refrigerant fluid is stacked is sandwiched in a stacking direction by a pair of end plates. Multiple
One of the pair of end plates includes a fuel supply pipe connector, a fuel discharge pipe connector, a cooling water supply pipe connector, a cooling water discharge pipe connector, an oxidant supply pipe connector, and an oxidant discharge pipe connector. At least three selected connectors are installed,
Multiple fuel cells are arranged vertically or horizontally, and the same type of connectors are connected by a single pipe.
The fuel cell module , wherein the connectors are arranged so that different types of connectors do not overlap in the vertical direction and the horizontal direction, and the same type of connectors overlap each other .

燃料供給マニホールドと、燃料排出マニホールドと、冷却水供給マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、酸化剤供給マニホールドと、酸化剤排出マニホールドとが、エンドプレートの対角線上に並んでいることを特徴とする燃料電池。 A fuel supply manifold, and the fuel discharge manifold, a cooling water supply manifold, and the cooling water discharge manifold, an oxidizing agent supply manifold, and the oxidizing agent discharge manifold, characterized in that arranged in the diagonal of the end-plates Fuel cell.