JP2014049383A - Fuel cell stack - Google Patents

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秀忠 小嶋
Hideharu Naito
秀晴 内藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To completely inhibit a temperature drop in an end cell and ensure a desired sealing function while maintaining good power generation performance in a simple and economical configuration.SOLUTION: The fuel cell stack 10 includes a terminal plate 16b, an insulation plate 18b and an end plate 20b, which are disposed on one end of a laminated body 14 formed by laminating a plurality of power generation cells 12. Between the terminal plate 16b and the insulation plate 18b, a sheet-like heater 72 with a connector 74 is provided and, in the insulation plate 18b, an opening section 70 for inserting the connector 74 is formed.

Description

本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関する。   The present invention includes a power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte and a separator, and a terminal plate on both sides in a stacking direction of the stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked. The present invention relates to a fuel cell stack in which an insulating member and an end plate are disposed.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)及び多孔質カーボン(ガス拡散層)を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持する発電セルを構成している。   For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell comprises an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane ( A power generation cell is formed in which the MEA is sandwiched between separators (bipolar plates).

通常、発電セルを所定の数だけ積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックを構成する場合が多い。この種の燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックとして使用されている。   In many cases, a fuel cell stack having a stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked is provided, and a terminal plate, an insulating plate, and an end plate are disposed on both sides of the stack in the stacking direction. This type of fuel cell stack is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack mounted on a fuel cell electric vehicle.

この種の燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電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発電セル(以下、端部セルともいう)は、この発電セルに隣接するターミナルプレートやエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。   In this type of fuel cell stack, there are power generation cells that tend to cause a temperature drop compared to other power generation cells due to heat radiation to the outside. For example, a power generation cell (hereinafter also referred to as an end cell) disposed at the end in the stacking direction has a large amount of heat released from a terminal plate, an end plate, etc. adjacent to the power generation cell, and the above-described temperature decrease becomes significant. ing.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池のスタック構造が知られている。このスタック構造は、燃料電池、例えば、固体高分子電解質型燃料電池のセル積層体において、少なくともガス拡散層出入り側端部に、発電に寄与しないガス流路を形成した層を設けている。   Thus, for example, a fuel cell stack structure disclosed in Patent Document 1 is known. In this stack structure, in a cell stack of a fuel cell, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell, a layer in which a gas flow path that does not contribute to power generation is formed at least at the end of the gas diffusion layer.

特開2003−338305号公報JP 2003-338305 A

上記の特許文献1では、層は、実質的にガス流路を持つがMEAを有さないダミーセルにより構成されている。このため、専用のダミーセルが必要になっており、部品点数及び部品種類が増加し、燃料電池の製造工程が複雑化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。   In the above-mentioned Patent Document 1, the layer is constituted by a dummy cell that substantially has a gas flow path but does not have an MEA. For this reason, a dedicated dummy cell is required, and there are problems that the number of components and the types of components increase, the manufacturing process of the fuel cell becomes complicated, and the manufacturing cost increases.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、端部セルの温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持するとともに、所望のシール機能を確保す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。   The present invention solves this type of problem, and with a simple and economical configuration, it is possible to reliably prevent the temperature drop of the end cell, maintain good power generation performance, and achieve a desired seal. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of ensuring the function.

本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。   The present invention includes a power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte and a separator, and a terminal plate on both sides in a stacking direction of the stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked. The present invention relates to a fuel cell stack in which an insulating member and an end plate are disposed.

この燃料電池スタックでは、少なくとも一方のターミナルプレートと絶縁部材との間には、コネクタ部を有するシート状ヒータが介装される一方、前記絶縁部材の内部、該絶縁部材と前記ターミナルプレートとの間又は該ターミナルプレートの内部には、積層方向に交差する方向に延在し、前記コネクタ部が挿入される開口部が形成される。   In this fuel cell stack, a sheet-like heater having a connector portion is interposed between at least one terminal plate and the insulating member, while the inside of the insulating member and between the insulating member and the terminal plate. Alternatively, an opening that extends in a direction crossing the stacking direction and into which the connector portion is inserted is formed in the terminal plate.

また、この燃料電池スタックでは、絶縁部材には、ターミナルプレートが収容される凹部が形成されるとともに、前記凹部は、開口部を介して外部に連通することが好ましい。   Further, in this fuel cell stack, it is preferable that the insulating member has a recess for accommodating the terminal plate, and the recess communicates with the outside through the opening.

さらに、この燃料電池スタックでは、絶縁部材には、積層方向に貫通する孔部が形成され、前記孔部は、開口部に連通することが好ましい。   Further, in this fuel cell stack, it is preferable that the insulating member is formed with a hole that penetrates in the stacking direction, and the hole communicates with the opening.

本発明によれば、ターミナルプレートと絶縁部材の間に、ダミーセルに代えてシート状ヒータが介装されている。このため、燃料電池スタック全体の積層方向の寸法を、可及的に短尺化することが可能になる。   According to the present invention, a sheet heater is interposed between the terminal plate and the insulating member instead of the dummy cell. For this reason, it is possible to shorten the dimension in the stacking direction of the entire fuel cell stack as much as possible.

しかも、シート状ヒータのコネクタ部は、積層方向に交差する方向に延在する開口部に挿入されて燃料電池スタックの側部から外部に露呈している。従って、絶縁プレートのプレート面にコネクタ部が配置されることがなく、前記プレート面に当接するシール部材によるシール機能の低下を可及的に抑制することができる。   And the connector part of a sheet-like heater is inserted in the opening part extended in the direction which cross | intersects a lamination direction, and is exposed outside from the side part of a fuel cell stack. Therefore, the connector portion is not disposed on the plate surface of the insulating plate, and the deterioration of the sealing function due to the seal member in contact with the plate surface can be suppressed as much as possible.

これにより、簡単且つ経済的な構成で、端部セルの温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持するとともに、所望のシール機能を確保することが可能になる。   Thereby, with a simple and economical configuration, it is possible to reliably prevent a temperature drop of the end cell, maintain a good power generation performance, and ensure a desired sealing function.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。1 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの、図1中、II−II線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line II-II in FIG. 1. 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the power generation cell which comprises the said fuel cell stack. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックの積層方向一端側の断面説明図である。FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view on one end side in a stacking direction of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックの積層方向一端側の断面説明図である。FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view on one end side in a stacking direction of a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタックの積層方向一端側の断面説明図である。FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view on one end side in a stacking direction of a fuel cell stack according to a fourth embodiment of the present invention. 本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。FIG. 9 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack according to a fifth embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの、図7中、VIII−VIII線断面図である。It is the VIII-VIII sectional view taken on the line of the said fuel cell stack in FIG. 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the power generation cell which comprises the said fuel cell stack.

図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の発電セル12が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を備える。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention includes a stacked body 14 in which a plurality of power generation cells 12 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction).

積層体14の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート(絶縁部材)18a及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される(図1参照)。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、絶縁プレート(絶縁部材)18b及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される(図1及び図2参照)。   A terminal plate 16a, an insulating plate (insulating member) 18a, and an end plate 20a are sequentially disposed at one end in the stacking direction (arrow A direction) of the stacked body 14 (see FIG. 1). A terminal plate 16b, an insulating plate (insulating member) 18b, and an end plate 20b are sequentially disposed on the other end in the stacking direction of the stacked body 14 (see FIGS. 1 and 2).

燃料電池スタック10は、例えば、長方形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持され、あるいは、矢印A方向に延在する複数のタイロッド(図示せず)により一体的に締め付け保持される。   The fuel cell stack 10 is, for example, integrally held by a box-like casing (not shown) including end plates 20a, 20b configured in a rectangular shape as end plates, or a plurality of tie rods extending in the direction of arrow A (Not shown) are integrally clamped and held.

発電セル12は、図2及び図3に示すように、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金属セパレータ24及び第2金属セパレータ26とを備える。第1金属セパレータ24及び第2金属セパレータ26は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板を波形にプレス成形して構成されるが、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。   As shown in FIGS. 2 and 3, the power generation cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure 22, and a first metal separator 24 and a second metal separator 26 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 22. The first metal separator 24 and the second metal separator 26 are formed by, for example, pressing a corrugated metal sheet, a stainless steel sheet, an aluminum sheet, a plated steel sheet, or a thin metal sheet having a surface treatment for corrosion prevention on the metal surface thereof. However, for example, a carbon separator may be used.

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た固体高分子電解質膜28と、前記固体高分子電解質膜28を挟持するアノード電極30及びカソード電極32とを備える。固体高分子電解質膜28は、アノード電極30及びカソード電極32よりも大きな平面寸法を有している。   The electrolyte membrane / electrode structure 22 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 28 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode electrode 30 and a cathode electrode 32 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 28. Prepare. The solid polymer electrolyte membrane 28 has a larger planar dimension than the anode electrode 30 and the cathode electrode 32.

なお、電解質膜・電極構造体22は、アノード電極30とカソード電極32とが互いに異なる平面寸法に設定される段差MEAを構成してもよい。   The electrolyte membrane / electrode structure 22 may constitute a step MEA in which the anode electrode 30 and the cathode electrode 32 are set to have different plane dimensions.

アノード電極30及びカソード電極32は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)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て形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜28の両面に形成されている。   The anode electrode 30 and the cathode electrode 32 are formed by uniformly applying a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. And an electrode catalyst layer (not shown) to be formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 28.

発電セル12の矢印B方向(図3中、水平方向)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入口連通孔34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔36a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔38bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   One end edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow B (the horizontal direction in FIG. 3) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and oxidant for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas An agent gas inlet communication hole 34a, a cooling medium inlet communication hole 36a for supplying a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 38b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided in an arrow C direction (vertical direction). Are provided in an array.

発電セル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入口連通孔38a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔36b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔34bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 38a for supplying fuel gas, and a cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 36 b and an oxidant gas outlet communication hole 34 b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

第1金属セパレータ24の電解質膜・電極構造体22に向かう面24aには、例えば、矢印B方向に延在する燃料ガス流路40が形成される。燃料ガス流路40は、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとに連通する。   On the surface 24 a of the first metal separator 24 facing the electrolyte membrane / electrode structure 22, for example, a fuel gas channel 40 extending in the arrow B direction is formed. The fuel gas passage 40 communicates with the fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b.

第2金属セパレータ26の電解質膜・電極構造体22に向かう面26aには、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路42が設けられる。酸化剤ガス流路42は、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス出口連通孔34bとに連通する。   On the surface 26 a of the second metal separator 26 facing the electrolyte membrane / electrode structure 22, for example, an oxidant gas channel 42 extending in the direction of arrow B is provided. The oxidant gas flow path 42 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 34a and the oxidant gas outlet communication hole 34b.

互いに隣接する第1金属セパレータ24の面24bと第2金属セパレータ26の面26bとの間には、冷却媒体入口連通孔36aと冷却媒体出口連通孔36bとに連通する冷却媒体流路44が形成される。冷却媒体流路44は、燃料ガス流路40の裏面形状と酸化剤ガス流路42の裏面形状とが重なり合って形成される。   A cooling medium flow path 44 communicating with the cooling medium inlet communication hole 36a and the cooling medium outlet communication hole 36b is formed between the surface 24b of the first metal separator 24 and the surface 26b of the second metal separator 26 adjacent to each other. Is done. The cooling medium flow path 44 is formed by overlapping the back surface shape of the fuel gas flow path 40 and the back surface shape of the oxidant gas flow path 42.

図2及び図3に示すように、第1金属セパレータ24の面24a、24bには、この第1金属セパレータ24の外周端部を周回して、第1シール部材48が一体化される。第2金属セパレータ26の面26a、26bには、この第2金属セパレータ26の外周端部を周回して、第2シール部材50が一体化される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the first seal member 48 is integrated with the surfaces 24 a and 24 b of the first metal separator 24 around the outer periphery of the first metal separator 24. The second seal member 50 is integrated with the surfaces 26 a and 26 b of the second metal separator 26 around the outer peripheral end of the second metal separator 26.

第1シール部材48及び第2シール部材50には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。   The first seal member 48 and the second seal member 50 include, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber, and cushioning materials. Alternatively, an elastic seal member such as a packing material is used.

図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bの略中央には、積層方向外方に延在する端子部58a、58bが設けられる。端子部58a、58bは、絶縁性筒体60に挿入されて、絶縁プレート18a、18bの孔部62a、62b及びエンドプレート20a、20bの孔部64a、64bを貫通して前記エンドプレート20a、20bの外部に突出する。   As shown in FIG. 1, terminal portions 58a and 58b extending outward in the stacking direction are provided at substantially the center of the terminal plates 16a and 16b. The terminal portions 58a and 58b are inserted into the insulating cylindrical body 60 and penetrate the hole portions 62a and 62b of the insulating plates 18a and 18b and the hole portions 64a and 64b of the end plates 20a and 20b, and the end plates 20a and 20b. Project outside.

絶縁プレート18a、18bは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート(PC)やフェノール樹脂等で形成されている。絶縁プレート18aは、中央部に矩形状の凹部66が設けられるとともに、この凹部66の略中央に孔部62aが連通する。凹部66には、ターミナルプレート16aが収容され、前記ターミナルプレート16aの端子部58aが絶縁性筒体60を介装して孔部62aに挿入される。凹部66の深さは、ターミナルプレート16aの厚さよりも小さな寸法に設定される。   The insulating plates 18a and 18b are formed of an insulating material such as polycarbonate (PC) or phenol resin. The insulating plate 18 a is provided with a rectangular recess 66 at the center, and the hole 62 a communicates with the approximate center of the recess 66. The recess 66 accommodates the terminal plate 16a, and the terminal portion 58a of the terminal plate 16a is inserted into the hole 62a with the insulating cylinder 60 interposed. The depth of the recess 66 is set to a dimension smaller than the thickness of the terminal plate 16a.

絶縁プレート18bは、絶縁プレート18aと同様に構成され、積層体14側の端部が開口される凹部68を有する。凹部68を構成する底面68aの略中央には、孔部62bが連通する。絶縁プレート18bの1つの側部には、後述するシート状ヒータ72に接続されているコネクタ部74が挿入される開口部70が形成される。図2に示すように、開口部70は、スリット形状等を有するとともに、積層方向(矢印A方向)に直交する矢印B方向に沿って延在する。   The insulating plate 18b is configured in the same manner as the insulating plate 18a, and has a recess 68 in which an end on the laminated body 14 side is opened. A hole 62b communicates with the approximate center of the bottom surface 68a constituting the recess 68. In one side portion of the insulating plate 18b, an opening portion 70 into which a connector portion 74 connected to a sheet heater 72 described later is inserted is formed. As shown in FIG. 2, the opening 70 has a slit shape and the like, and extends along the arrow B direction orthogonal to the stacking direction (arrow A direction).

ターミナルプレート16bと絶縁プレート18bとの間には、シート状ヒータ72が介装される。シート状ヒータ72は、発熱体を絶縁フィルムで被覆しており、端部には、コネクタ部74が外方に突出して設けられる。シート状ヒータ72の中央部には、端子部58bを挿通させるための孔部76が形成される。   A sheet heater 72 is interposed between the terminal plate 16b and the insulating plate 18b. The sheet-like heater 72 has a heating element covered with an insulating film, and a connector part 74 is provided at the end so as to protrude outward. A hole 76 for inserting the terminal portion 58 b is formed in the center portion of the sheet heater 72.

シート状ヒータ72は、矩形状を有し、絶縁プレート18bの凹部68に収容されるとともに、コネクタ部74は、開口部70に挿入されて外部に露呈する。コネクタ部74は、図示しない電源に接続される。   The sheet heater 72 has a rectangular shape and is accommodated in the recess 68 of the insulating plate 18b, and the connector portion 74 is inserted into the opening 70 and exposed to the outside. The connector part 74 is connected to a power source (not shown).

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。   The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

先ず、図1に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート20aの酸化剤ガス入口連通孔34aに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート20aの燃料ガス入口連通孔38aに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート20aの冷却媒体入口連通孔36aに供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 34a of the end plate 20a. Fuel gas such as hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 38a of the end plate 20a. A cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 36a of the end plate 20a.

酸化剤ガスは、図3に示すように、酸化剤ガス入口連通孔34aから第2金属セパレータ26の酸化剤ガス流路42に導入される。酸化剤ガスは、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体22のカソード電極32に供給される。   As shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 42 of the second metal separator 26 from the oxidant gas inlet communication hole 34a. The oxidant gas moves in the direction of arrow B and is supplied to the cathode electrode 32 of the electrolyte membrane / electrode structure 22.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔38aから第1金属セパレータ24の燃料ガス流路40に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路40に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体22のアノード電極30に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 40 of the first metal separator 24 from the fuel gas inlet communication hole 38a. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the fuel gas flow path 40 and is supplied to the anode electrode 30 of the electrolyte membrane / electrode structure 22.

従って、各電解質膜・電極構造体22では、カソード電極32に供給される酸化剤ガスと、アノード電極30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て発電が行われる。   Accordingly, in each electrolyte membrane / electrode structure 22, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 32 and the fuel gas supplied to the anode electrode 30 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Done.

次いで、カソード電極32に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極30に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔38bに沿って矢印A方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 32 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 34b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 30 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 38b.

また、冷却媒体入口連通孔36aに供給された冷却媒体は、第1金属セパレータ24と第2金属セパレータ26との間の冷却媒体流路44に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、冷却媒体出口連通孔36bから排出される。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 36 a is introduced into the cooling medium flow path 44 between the first metal separator 24 and the second metal separator 26 and then flows in the direction of arrow B. This cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 36b after the electrolyte membrane / electrode structure 22 is cooled.

この場合、第1の実施形態では、図1及び図2に示すように、ターミナルプレート16bと絶縁プレート18bとの間には、ダミーセルに代えてシート状ヒータ72が介装されている。このため、燃料電池スタック10全体の積層方向の寸法を、可及的に短尺化することが可能になる。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, a sheet heater 72 is interposed between the terminal plate 16b and the insulating plate 18b in place of the dummy cell. For this reason, the dimension in the stacking direction of the entire fuel cell stack 10 can be shortened as much as possible.

しかも、シート状ヒータ72のコネクタ部74は、絶縁プレート18bの積層方向に交差する方向に延在する開口部70に挿入されており、燃料電池スタック10の側部から外部に露呈している。従って、絶縁プレート18bのプレート面(積層体14に対向する面)18bpにコネクタ部74が配置されることがない。これにより、図2に示すように、絶縁プレート18bのプレート面18bpに当接する第2金属セパレータ26の第2シール部材50によるシール機能の低下を可及的に抑制することができる。   Moreover, the connector portion 74 of the sheet heater 72 is inserted into the opening 70 extending in a direction intersecting the stacking direction of the insulating plates 18b, and is exposed to the outside from the side portion of the fuel cell stack 10. Therefore, the connector portion 74 is not disposed on the plate surface (surface facing the laminate 14) 18bp of the insulating plate 18b. As a result, as shown in FIG. 2, it is possible to suppress as much as possible a decrease in the sealing function by the second seal member 50 of the second metal separator 26 that contacts the plate surface 18bp of the insulating plate 18b.

このため、簡単且つ経済的な構成で、積層方向端部に配設される発電セル12(端部セル)の温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持するとともに、所望のシール機能を確保することが可能になるという効果が得られる。   For this reason, with a simple and economical configuration, it is possible to reliably prevent the temperature drop of the power generation cell 12 (end cell) disposed at the end in the stacking direction, while maintaining good power generation performance and The effect that it becomes possible to ensure the sealing function is obtained.

なお、第1の実施形態では、シート状ヒータ72は、燃料電池スタック10の積層方向一端でもよく、又は、積層方向両端に適用してもよい。また、以下に説明する第2以降の実施形態でも、同様である。   In the first embodiment, the sheet heater 72 may be one end in the stacking direction of the fuel cell stack 10 or may be applied to both ends in the stacking direction. The same applies to the second and subsequent embodiments described below.

図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック80の積層方向一端側の断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view on one end side in the stacking direction of the fuel cell stack 80 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池スタック80は、絶縁プレート18bを備えるとともに、前記絶縁プレート18bには、シート状ヒータ72に接続されているコネクタ部74が挿入される開口部82が形成される。開口部82は、スリット形状等を有するとともに、積層方向(矢印A方向)に直交する矢印B方向に対してエンドプレート20b側に傾斜して延在する。   The fuel cell stack 80 includes an insulating plate 18b. The insulating plate 18b is formed with an opening 82 into which a connector portion 74 connected to the sheet heater 72 is inserted. The opening 82 has a slit shape and the like, and extends while being inclined toward the end plate 20b with respect to the arrow B direction orthogonal to the stacking direction (arrow A direction).

このように構成される第2の実施形態では、開口部82がエンドプレート20b側に傾斜して延在している。このため、シート状ヒータ72を設置する際に、コネクタ部74を開口部82に容易に挿入することができる。従って、シート状ヒータ72の設置作業は、一層容易且つ効率的に遂行可能になるという効果が得られる。   In the second embodiment configured as described above, the opening 82 extends while inclining toward the end plate 20b. For this reason, when installing the sheet-like heater 72, the connector part 74 can be easily inserted in the opening part 82. FIG. Therefore, it is possible to obtain an effect that the installation work of the sheet heater 72 can be performed more easily and efficiently.

図5は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック90の積層方向一端側の断面説明図である。   FIG. 5 is an explanatory cross-sectional view of one end side in the stacking direction of the fuel cell stack 90 according to the third embodiment of the present invention.

燃料電池スタック90は、絶縁プレート18bを備えるとともに、前記絶縁プレート18bには、シート状ヒータ72に接続されているコネクタ部74が挿入される開口部92が形成される。開口部92は、スリット形状等を有するとともに、積層方向(矢印A方向)に直交する矢印B方向に対してエンドプレート20bから離間する側に傾斜して延在する。   The fuel cell stack 90 includes an insulating plate 18b, and an opening 92 into which the connector 74 connected to the sheet heater 72 is inserted is formed in the insulating plate 18b. The opening 92 has a slit shape or the like, and extends while being inclined toward the side away from the end plate 20b with respect to the arrow B direction orthogonal to the stacking direction (arrow A direction).

このように構成される第3の実施形態では、開口部92がエンドプレート20bから離間する側に傾斜して延在している。このため、シート状ヒータ72を凹部68の底面68aに押さえるようにして、コネクタ部74が設置される。従って、シート状ヒータ72に位置ずれ等を惹起させることがなく、前記シート状ヒータ72を一層確実に凹部68に設置することができるという効果が得られる。   In the third embodiment configured as described above, the opening 92 extends while being inclined toward the side away from the end plate 20b. For this reason, the connector part 74 is installed so that the sheet-like heater 72 is pressed against the bottom surface 68 a of the recess 68. Therefore, there is an effect that the sheet heater 72 can be more reliably installed in the recess 68 without causing the sheet heater 72 to be displaced.

図6は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタック100の積層方向一端側の断面説明図である。   FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view on one end side in the stacking direction of the fuel cell stack 100 according to the fourth embodiment of the present invention.

燃料電池スタック100は、絶縁プレート18bを備えるとともに、前記絶縁プレート18bには、シート状ヒータ72に接続されているコネクタ部74が挿入される孔部102が形成される。孔部102は、絶縁プレート18bを積層方向に貫通して形成される。孔部102は、絶縁プレート18bとエンドプレート20bとの間に形成された開口部104に連通し、前記開口部104は、積層方向に直交する矢印B方向に沿って延在する。   The fuel cell stack 100 includes an insulating plate 18b, and the insulating plate 18b is formed with a hole 102 into which a connector portion 74 connected to the sheet heater 72 is inserted. The hole 102 is formed through the insulating plate 18b in the stacking direction. The hole portion 102 communicates with an opening portion 104 formed between the insulating plate 18b and the end plate 20b, and the opening portion 104 extends along the arrow B direction orthogonal to the stacking direction.

開口部104は、エンドプレート20bの表面に溝部を形成することにより構成されるが、絶縁プレート18bの表面に溝部を形成してもよい。また、エンドプレート20bの内部に開口部104をスリット状に形成してもよい。   The opening 104 is configured by forming a groove on the surface of the end plate 20b, but the groove may be formed on the surface of the insulating plate 18b. Further, the opening 104 may be formed in a slit shape inside the end plate 20b.

孔部102の角部は、R形状部(湾曲形状部)102aを構成する一方、開口部104と前記孔部102との境界部には、R形状部(湾曲形状部)104aが構成される。   The corner portion of the hole portion 102 forms an R-shaped portion (curved shape portion) 102 a, while an R-shaped portion (curved shape portion) 104 a is formed at the boundary between the opening portion 104 and the hole portion 102. .

このように構成される第4の実施形態では、コネクタ部74は、絶縁プレート18bの孔部102に挿入されると、この孔部102から開口部104に挿入されてエンドプレート20bの側部から外部に露呈する。   In the fourth embodiment configured as described above, when the connector portion 74 is inserted into the hole portion 102 of the insulating plate 18b, the connector portion 74 is inserted into the opening portion 104 from the hole portion 102 and from the side portion of the end plate 20b. Exposed to the outside.

その際、孔部102及び開口部104の角部には、R形状部102a、104aが設けられている。このため、シート状ヒータ72を凹部68に設置する際に、コネクタ部74の設置作業が容易に遂行されるとともに、前記コネクタ部74の損傷を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。   At that time, R-shaped portions 102 a and 104 a are provided at the corners of the hole 102 and the opening 104. For this reason, when installing the sheet-like heater 72 in the recessed part 68, the installation operation | work of the connector part 74 is performed easily and it becomes possible to suppress the damage of the said connector part 74 as much as possible. Is obtained.

図7に示すように、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタック110は、複数の発電セル112が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体114を備える。積層体114の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート116a、絶縁プレート(絶縁部材)118a及びエンドプレート120aが外方に向かって、順次、配設される。積層体114の積層方向他端には、ターミナルプレート116b、絶縁プレート(絶縁部材)118b及びエンドプレート120bが外方に向かって、順次、配設される(図7及び図8参照)。   As shown in FIG. 7, the fuel cell stack 110 according to the fifth embodiment of the present invention includes a stacked body 114 in which a plurality of power generation cells 112 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction). A terminal plate 116a, an insulating plate (insulating member) 118a, and an end plate 120a are sequentially arranged at one end in the stacking direction (arrow A direction) of the stacked body 114 toward the outside. At the other end in the stacking direction of the stacked body 114, a terminal plate 116b, an insulating plate (insulating member) 118b, and an end plate 120b are sequentially disposed outward (see FIGS. 7 and 8).

発電セル112は、図9に示すように、第1金属セパレータ124、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)126a、第2金属セパレータ128、第2電解質膜・電極構造体126b及び第3金属セパレータ130を設ける。第1金属セパレータ124、第2金属セパレータ128及び第3金属セパレータ130は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成されるが、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。   As shown in FIG. 9, the power generation cell 112 includes a first metal separator 124, a first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 126a, a second metal separator 128, and a second electrolyte membrane / electrode structure 126b. And a third metal separator 130 is provided. The first metal separator 124, the second metal separator 128, and the third metal separator 130 are, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a vertically long metal whose surface has been subjected to anticorrosion treatment. Although constituted by a plate, for example, a carbon separator may be used.

図8及び図9に示すように、第1電解質膜・電極構造体126a及び第2電解質膜・電極構造体126bは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜132と、前記固体高分子電解質膜132を挟持するアノード電極134及びカソード電極136とを備える。アノード電極134は、カソード電極136よりも小さな平面寸法を有する段差MEAを構成しているが、これとは逆に、前記カソード電極136よりも大きな平面寸法を有することもできる。   As shown in FIGS. 8 and 9, the first electrolyte membrane / electrode structure 126a and the second electrolyte membrane / electrode structure 126b are, for example, solid polymer electrolyte membranes in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water. 132, and an anode electrode 134 and a cathode electrode 136 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 132. The anode electrode 134 constitutes a step MEA having a smaller planar dimension than the cathode electrode 136, but conversely, the anode electrode 134 may have a larger planar dimension than the cathode electrode 136.

発電セル112の長辺方向(矢印C方向)の上端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔34a及び燃料ガス入口連通孔38aが設けられる。発電セル112の長辺方向(矢印C方向)の下端縁部には、燃料ガス出口連通孔38b及び酸化剤ガス出口連通孔34bが設けられる。発電セル112の短辺方向(矢印B方向)の両端縁部上方には、一対の冷却媒体入口連通孔36aが設けられるとともに、前記発電セル112の短辺方向の両端縁部下方には、一対の冷却媒体出口連通孔36bが設けられる。   An oxidant gas inlet communication hole 34a and a fuel gas inlet communication hole 38a are provided at the upper edge of the power generation cell 112 in the long side direction (arrow C direction). A fuel gas outlet communication hole 38b and an oxidant gas outlet communication hole 34b are provided at the lower edge of the power generation cell 112 in the long side direction (arrow C direction). A pair of cooling medium inlet communication holes 36a are provided above both edge portions in the short side direction (arrow B direction) of the power generation cell 112, and a pair of cooling medium inlet communication holes 36a are provided below both edge portions in the short side direction of the power generation cell 112. The cooling medium outlet communication hole 36b is provided.

第1金属セパレータ124の第1電解質膜・電極構造体126aに向かう面124aには、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとを連通する第1燃料ガス流路40aが形成される。第1金属セパレータ124の面124bには、冷却媒体入口連通孔36aと冷却媒体出口連通孔36bとを連通する冷却媒体流路44の一部が形成される。   A first fuel gas flow path 40a that connects the fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b is formed on a surface 124a of the first metal separator 124 that faces the first electrolyte membrane / electrode structure 126a. . A part of the cooling medium flow path 44 that connects the cooling medium inlet communication hole 36 a and the cooling medium outlet communication hole 36 b is formed on the surface 124 b of the first metal separator 124.

第2金属セパレータ128の第1電解質膜・電極構造体126aに向かう面128aには、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス出口連通孔34bとを連通する第1酸化剤ガス流路42aが形成される。第2金属セパレータ128の第2電解質膜・電極構造体126bに向かう面128bには、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとを連通する第2燃料ガス流路40bが形成される。   On the surface 128a of the second metal separator 128 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 126a, there is a first oxidant gas flow path 42a that connects the oxidant gas inlet communication hole 34a and the oxidant gas outlet communication hole 34b. It is formed. A second fuel gas flow path 40b that connects the fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b is formed on the surface 128b of the second metal separator 128 that faces the second electrolyte membrane / electrode structure 126b. .

第3金属セパレータ130の第2電解質膜・電極構造体126bに向かう面130aには、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス出口連通孔34bとを連通する第2酸化剤ガス流路42bが形成される。第3金属セパレータ130の面130bには、冷却媒体流路44の一部が形成される。   On the surface 130a of the third metal separator 130 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 126b, there is a second oxidant gas flow path 42b communicating the oxidant gas inlet communication hole 34a and the oxidant gas outlet communication hole 34b. It is formed. A part of the coolant flow path 44 is formed on the surface 130 b of the third metal separator 130.

第1金属セパレータ124の面124a、124bには、この第1金属セパレータ124の外周端縁部を周回して第1シール部材138が一体成形される。第2金属セパレータ128の面128a、128bには、この第2金属セパレータ128の外周端縁部を周回して第2シール部材140が一体成形されるとともに、第3金属セパレータ130の面130a、130bには、この第3金属セパレータ130の外周端縁部を周回して第3シール部材142が一体成形される。   A first seal member 138 is integrally formed on the surfaces 124 a and 124 b of the first metal separator 124 around the outer peripheral edge of the first metal separator 124. A second seal member 140 is integrally formed around the outer peripheral edge of the second metal separator 128 on the surfaces 128a and 128b of the second metal separator 128, and the surfaces 130a and 130b of the third metal separator 130 are integrally formed. The third seal member 142 is integrally molded around the outer peripheral edge of the third metal separator 130.

第1金属セパレータ124は、燃料ガス入口連通孔38aと第1燃料ガス流路40aとを連通する複数の入口連結流路144aと、燃料ガス出口連通孔38bと前記第1燃料ガス流路40aとを連通する複数の出口連結流路144bとを有する。   The first metal separator 124 includes a plurality of inlet connection channels 144a that connect the fuel gas inlet communication holes 38a and the first fuel gas channel 40a, a fuel gas outlet communication hole 38b, and the first fuel gas channel 40a. And a plurality of outlet connection channels 144b communicating with each other.

第2金属セパレータ128は、燃料ガス入口連通孔38aと第2燃料ガス流路40bとを連通する複数の入口連結流路146aと、燃料ガス出口連通孔38bと前記第2燃料ガス流路40bとを連通する複数の出口連結流路146bとを有する。   The second metal separator 128 includes a plurality of inlet connection channels 146a that connect the fuel gas inlet communication holes 38a and the second fuel gas channels 40b, a fuel gas outlet communication hole 38b, and the second fuel gas channels 40b. And a plurality of outlet connection channels 146b communicating with each other.

図7に示すように、積層体114の少なくとも一方の端部、第5の実施形態では、絶縁プレート118b側に、シート状ヒータ72が設置される。絶縁プレート118bには、凹部68が設けられるとともに、前記凹部68に連通して、例えば、第1の実施形態と同様の開口部70が形成される。なお、開口部70に変えて、第2〜第4の実施形態のいずれかを採用してもよい。   As shown in FIG. 7, a sheet-like heater 72 is installed on at least one end of the laminated body 114, in the fifth embodiment, on the insulating plate 118b side. The insulating plate 118b is provided with a recess 68 and communicates with the recess 68 to form, for example, an opening 70 similar to that of the first embodiment. Instead of the opening 70, any one of the second to fourth embodiments may be adopted.

このように、第3の実施形態では、シート状ヒータ72を備えるとともに、前記シート状ヒータ72のコネクタ部74が開口部70に挿入されている。従って、第5の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、積層方向端部に配設される発電セル112の温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持するとともに、所望のシール機能を確保することが可能になる等、上記の第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。   Thus, in the third embodiment, the sheet heater 72 is provided, and the connector portion 74 of the sheet heater 72 is inserted into the opening 70. Therefore, in the fifth embodiment, with a simple and economical configuration, it is possible to reliably prevent the temperature drop of the power generation cell 112 disposed at the end in the stacking direction, while maintaining good power generation performance, The same effects as those of the first to fourth embodiments can be obtained, such as ensuring a desired sealing function.

10、80、90、100、110…燃料電池スタック
12、112…発電セル 14、114…積層体
16a、16b、116a、116b…ターミナルプレート
18a、18b、118a、118b…絶縁プレート
20a、20b、120a、120b…エンドプレート
22、126a、126b…電解質膜・電極構造体
24、26、124、128、130…金属セパレータ
28、132…固体高分子電解質膜 30、134…アノード電極
32、136…カソード電極 34a…酸化剤ガス入口連通孔
34b…酸化剤ガス出口連通孔 36a…冷却媒体入口連通孔
36b…冷却媒体出口連通孔 38a…燃料ガス入口連通孔
38b…燃料ガス出口連通孔 40…燃料ガス流路
42…酸化剤ガス流路 44…冷却媒体流路
48、50、138、140、142…シール部材
66、68…凹部 68a…底面
70、82、92、104…開口部 72…シート状ヒータ
74…コネクタ部 102…孔部
102a、104a…R形状部
10, 80, 90, 100, 110 ... Fuel cell stack 12, 112 ... Power generation cell 14, 114 ... Laminated bodies 16a, 16b, 116a, 116b ... Terminal plates 18a, 18b, 118a, 118b ... Insulating plates 20a, 20b, 120a , 120b ... end plates 22, 126a, 126b ... electrolyte membrane / electrode structures 24, 26, 124, 128, 130 ... metal separators 28, 132 ... solid polymer electrolyte membranes 30, 134 ... anode electrodes 32, 136 ... cathode electrodes 34a ... Oxidant gas inlet communication hole 34b ... Oxidant gas outlet communication hole 36a ... Cooling medium inlet communication hole 36b ... Cooling medium outlet communication hole 38a ... Fuel gas inlet communication hole 38b ... Fuel gas outlet communication hole 40 ... Fuel gas flow path 42 ... Oxidant gas passage 44 ... Cooling medium passage 48, 50, 138, 1 40, 142 ... Sealing members 66, 68 ... Recess 68a ... Bottom surface 70, 82, 92, 104 ... Opening 72 ... Sheet heater 74 ... Connector part 102 ... Hole 102a, 104a ... R-shaped part

Claims (3)

電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
少なくとも一方のターミナルプレートと絶縁部材との間には、コネクタ部を有するシート状ヒータが介装される一方、
前記絶縁部材の内部、該絶縁部材と前記ターミナルプレートとの間又は該ターミナルプレートの内部には、前記積層方向に交差する方向に延在し、前記コネクタ部が挿入される開口部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
A power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte and a separator, and a terminal plate, an insulating member, and an end are provided on both sides in the stacking direction of the stacked body in which the plurality of power generation cells are stacked A fuel cell stack in which a plate is disposed,
Between the at least one terminal plate and the insulating member, a sheet heater having a connector portion is interposed,
An opening is formed in the insulating member, between the insulating member and the terminal plate, or in the terminal plate, extending in a direction intersecting the stacking direction and into which the connector portion is inserted. A fuel cell stack characterized by that.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記絶縁部材には、前記ターミナルプレートが収容される凹部が形成されるとともに、
前記凹部は、前記開口部を介して外部に連通す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 insulating member is formed with a recess for accommodating the terminal plate,
The concave portion communicates with the outside through the opening.
請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記絶縁部材には、前記積層方向に貫通する孔部が形成され、前記孔部は、前記開口部に連通す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 insulating member includes a hole penetrating in the stacking direction, and the hole communicates with the opening.
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