JP4653978B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体又は反応ガスのいずれかを流す流体連通孔が形成される燃料電池スタックに関する。   The present invention has an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and the electrolyte / electrode structure and the separator are alternately stacked, and at least a cooling medium penetrates in the stacking direction. Alternatively, the present invention relates to a fuel cell stack in which a fluid communication hole through which any one of reaction gases flows is formed.

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電解質膜(電解質)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between separators. It has a power generation cell. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、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側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。   In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。   In the above fuel cell, a fuel gas channel for flowing fuel gas to the anode side electrode and an oxidant gas channel for flowing oxidant gas to the cathode side electrode are provided in the plane of the separator. . Furthermore, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する流体供給連通孔及び流体排出連通孔が燃料電池内部に設けられた内部マニホールドを構成している。そして、流体である燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流体供給連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流体排出連通孔に排出されている。   Generally, a fuel cell constitutes an internal manifold in which a fluid supply communication hole and a fluid discharge communication hole penetrating in the stacking direction of the separator are provided inside the fuel cell. The fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium, which are fluids, are supplied to the fuel gas flow path, the oxidant gas flow path, and the cooling medium flow path from the fluid supply communication holes, and then the fluid discharge communication holes. Have been discharged.

この種の内部マニホールド型燃料電池として、特許文献1の「燃料電池のマニホールド」が知られている。この特許文献1では、図5に示すように、複数の単セルを積層したモジュール1を備えており、前記モジュール1の積層方向両端にエンドプレート2が配設されて燃料電池スタック3が構成されている。この燃料電池スタック3内には、積層方向に貫通して冷媒マニホールド4、燃料ガスマニホールド5及び図示しない酸化剤ガスマニホールドが設けられている。   As this type of internal manifold type fuel cell, “Fuel Cell Manifold” of Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 5, this Patent Document 1 includes a module 1 in which a plurality of single cells are stacked, and a fuel cell stack 3 is configured by disposing end plates 2 at both ends of the module 1 in the stacking direction. ing. In the fuel cell stack 3, a refrigerant manifold 4, a fuel gas manifold 5, and an oxidant gas manifold (not shown) are provided so as to penetrate in the stacking direction.

エンドプレート2には、冷媒配管6a及び燃料ガス配管6bのフランジ7がねじ止めされるとともに、前記フランジ7には、冷媒マニホールド4及び燃料ガスマニホールド5に連通する流体流路8a、8bが形成されている。この流体流路8a、8bを周回してOリング溝9a、9bが形成され、前記Oリング溝9a、9bには、エンドプレート2とフランジ7との間で冷媒及び燃料ガスが漏れることを阻止するためのOリングR1、R2が装着されている。   A flange 7 of the refrigerant pipe 6 a and the fuel gas pipe 6 b is screwed to the end plate 2, and fluid flow paths 8 a and 8 b communicating with the refrigerant manifold 4 and the fuel gas manifold 5 are formed in the flange 7. ing. O-ring grooves 9a and 9b are formed around the fluid flow paths 8a and 8b, and refrigerant and fuel gas are prevented from leaking between the end plate 2 and the flange 7 in the O-ring grooves 9a and 9b. O-rings R1 and R2 for mounting are mounted.

特開2002−343406号公報(図7)JP 2002-343406 A (FIG. 7)

上記の特許文献1では、冷媒マニホールド4を流れる冷却水や燃料ガスマニホールド5に導入される生成水等によって、液絡が発生するおそれがあるとともに、冷却水や生成水が金属部分に接触すると、この金属部分に電触による腐食が惹起される場合がある。   In the above-mentioned Patent Document 1, there is a possibility that a liquid junction may occur due to cooling water flowing through the refrigerant manifold 4 or generated water introduced into the fuel gas manifold 5, and when the cooling water or generated water comes into contact with the metal part, Corrosion due to electrical contact may be caused in this metal part.

従って、冷媒配管6a及び燃料ガス配管6bのフランジ7は、電触による錆等を防止するために、樹脂燃料で形成されることが望ましい。しかしながら、フランジ7がエンドプレート2にねじ止めされる際に、樹脂製のフランジ7が変形し易く、OリングR1、R2だけでは、前記フランジ7に設けられる流体流路8a、8bとエンドプレート2に設けられる冷媒マニホールド4及び燃料ガスマニホールド5とのシール性を十分に確保することができないという問題がある。   Therefore, it is desirable that the flange 7 of the refrigerant pipe 6a and the fuel gas pipe 6b be formed of resin fuel in order to prevent rust and the like due to electric contact. However, when the flange 7 is screwed to the end plate 2, the resin flange 7 is easily deformed, and the fluid flow paths 8 a and 8 b provided in the flange 7 and the end plate 2 are formed only by the O-rings R 1 and R 2. There is a problem that sufficient sealing performance with the refrigerant manifold 4 and the fuel gas manifold 5 cannot be secured.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック内の流体連通孔をシールする樹脂製シール部位を確実且つ強固に保持することができ、簡単な構成で、シール性の向上を図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 can securely and firmly hold a resin sealing portion that seals the fluid communication hole in the fuel cell stack, and improves the sealing performance with a simple configuration. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can be realized.

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体又は反応ガスのいずれかを流す流体連通孔が形成される燃料電池スタックである。   The present invention has an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of an electrolyte, and the electrolyte / electrode structure and the separator are alternately stacked, and at least a cooling medium penetrates in the stacking direction. Alternatively, the fuel cell stack is formed with a fluid communication hole through which either of the reaction gas flows.

燃料電池スタックは、流体連通孔に連通して配設され、フランジ部を有する流路部材と、前記フランジ部と積層方向に重なり合ってシール部位を構成する重合部材と、前記流路部材の外側に配置されるとともに、前記積層方向に沿って前記シール部位と重なり合う領域を覆って配設され、前記フランジ部を前記シール部位とにより挟持する補強部材とを備えている。   The fuel cell stack is disposed in communication with the fluid communication hole, and has a flow path member having a flange portion, a superposition member that overlaps the flange portion in the stacking direction to form a seal portion, And a reinforcing member that is disposed so as to cover the region overlapping with the seal portion along the stacking direction and sandwich the flange portion with the seal portion.

また、補強部材は、流路部材よりも弾性係数の大きな材料で形成されることが好ましい。さらに、燃料電池スタックの積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、重合部材は、少なくとも一方のエンドプレートに形成された流体流路の内周面に配設される絶縁性筒部材であることが好ましい。   The reinforcing member is preferably formed of a material having a larger elastic coefficient than the flow path member. Further, end plates are disposed at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack, and the overlapping member is an insulating cylindrical member disposed on the inner peripheral surface of the fluid flow path formed in at least one of the end plates. It is preferable.

さらにまた、絶縁性筒部材のフランジ部には、シール部位を構成するリップ状シール部が周回して設けられることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that a lip-shaped seal portion constituting a seal portion is provided around the flange portion of the insulating cylindrical member.

また、流路部材及び補強部材は、流体流路に連通する配管マニホールドを構成し、前記配管マニホールドが一方のエンドプレートに取り付けられることが好ましい。さらに、流路部材は、補強部材を保持するアンダーカット部を備えることが好ましい。   Moreover, it is preferable that a flow path member and a reinforcement member comprise the piping manifold connected to a fluid flow path, and the said piping manifold is attached to one end plate. Furthermore, it is preferable that the flow path member includes an undercut portion that holds the reinforcing member.

さらにまた、流体連通孔は、電解質・電極構造体とセパレータとの積層体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、及び前記積層体から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔を備え、前記燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出連通孔に連通する燃料ガス排出部は、前記燃料ガスに接触する全ての部位が樹脂で形成されることが好ましい。   Furthermore, the fluid communication hole includes a fuel gas supply communication hole for supplying fuel gas to the laminate of the electrolyte / electrode structure and the separator, and a fuel gas discharge communication hole for discharging the fuel gas from the stack, In the fuel gas supply part communicating with the fuel gas supply communication hole and the fuel gas discharge part communicating with the fuel gas discharge communication hole, it is preferable that all parts contacting the fuel gas are formed of resin.

ここで、積層体の両側には、ターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレート及び必要に応じてマニホールドが配設されており、燃料ガス供給部及び燃料ガス排出部は、例えば、前記ターミナルプレート、エンドプレート及びマニホールドに設けられる。なお、一方のエンドプレート及び一方のターミナルプレート側にのみマニホールドが構成される際には、他方のエンドプレート及び他方のターミナルプレート側に燃料ガス供給部及び燃料ガス排出部を設けなくてもよい。   Here, a terminal plate, an insulating plate, an end plate, and a manifold as necessary are arranged on both sides of the laminate, and the fuel gas supply unit and the fuel gas discharge unit include, for example, the terminal plate, end plate, And provided in the manifold. When the manifold is configured only on one end plate and one terminal plate side, the fuel gas supply unit and the fuel gas discharge unit may not be provided on the other end plate and the other terminal plate side.

また、流体連通孔は、冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔を備え、前記冷却媒体供給連通孔に連通する冷却媒体供給部及び前記冷却媒体排出連通孔に連通する冷却媒体排出部は、冷却媒体に接触する全ての部位が樹脂で形成されることが好ましい。冷却媒体供給部及び冷却媒体排出部は、例えば、ターミナルプレート、エンドプレート及びマニホールドに設けられる。   The fluid communication hole includes a cooling medium supply communication hole that supplies a cooling medium and a cooling medium discharge communication hole that discharges the cooling medium, and includes a cooling medium supply unit that communicates with the cooling medium supply communication hole and the cooling medium discharge. As for the cooling medium discharge part connected to a communicating hole, it is preferable that all the parts which contact a cooling medium are formed with resin. A cooling medium supply part and a cooling medium discharge | emission part are provided in a terminal plate, an end plate, and a manifold, for example.

本発明によれば、流路部材のフランジ部が、積層方向に沿って重合部材のシール部と補強部材とに挟持されるため、前記シール部位を前記積層方向に沿って樹脂のみにより保持する構成に比べ、前記シール部位の変形やずれ等が有効に阻止される。これにより、簡単な構成で、電蝕の発生を防止するとともに、樹脂製シール部位のシール性を良好に向上させることができる。   According to the present invention, since the flange portion of the flow path member is sandwiched between the sealing portion and the reinforcing member of the overlapping member along the stacking direction, the seal portion is held only by the resin along the stacking direction. In comparison with the above, deformation or displacement of the seal portion is effectively prevented. Thereby, it is possible to prevent the occurrence of electrolytic corrosion with a simple configuration and to improve the sealing performance of the resin seal portion.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の一部分解斜視図である。   FIG. 1 is a partially exploded perspective view of a fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池スタック10は、例えば、自動車等の車両に搭載されている。この燃料電池スタック10には、図示しないが、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス(空気等)を供給する酸化剤ガス供給部と、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する燃料ガス供給部と、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給する冷却媒体供給部とが接続される。   The fuel cell stack 10 is mounted on a vehicle such as an automobile, for example. Although not shown, the fuel cell stack 10 includes an oxidant gas supply unit that supplies an oxidant gas, such as an oxygen-containing gas (such as air), and a fuel gas supply unit that supplies a fuel gas, such as a hydrogen-containing gas. And a cooling medium supply unit that supplies a cooling medium, such as pure water or ethylene glycol, is connected.

燃料電池スタック10は、複数の発電セル12が矢印A方向に積層された積層体14を備え、前記積層体14の積層方向両端には、ターミナルプレート16及び絶縁プレート18を介装してエンドプレート20a、20bが配置される。エンドプレート20a、20bは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられる。   The fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of power generation cells 12 are stacked in the direction of arrow A, and an end plate is interposed at both ends of the stacked body 14 with a terminal plate 16 and an insulating plate 18 interposed therebetween. 20a and 20b are arranged. The end plates 20a and 20b are fastened in the stacking direction by fastening bolts (not shown).

各発電セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ24、26とを備える。なお、第1及び第2金属セパレータ24、26に代替して、例えば、カーボンプレートを採用してもよい。   Each power generation cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 22, and first and second metal separators 24 and 26 having a thin plate shape that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 22. . Instead of the first and second metal separators 24 and 26, for example, a carbon plate may be adopted.

発電セル12の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔30a、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔32bが設けられる。   In order to supply an oxidant gas supply communication hole 28a for supplying an oxidant gas to one end edge of the long side direction (arrow B direction) of the power generation cell 12 in the direction of the arrow A to supply an oxidant gas. The cooling medium supply communication hole 30a and the fuel gas discharge communication hole 32b for discharging the fuel gas are provided.

発電セル12の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔32a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔30b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔28bが設けられる。   The other end edge of the power generation cell 12 in the long side direction communicates with each other in the direction of the arrow A, the fuel gas supply communication hole 32a for supplying fuel gas, and the cooling medium discharge communication hole for discharging the cooling medium. 30b and an oxidant gas discharge communication hole 28b for discharging the oxidant gas are provided.

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34と、前記固体高分子電解質膜34を挟持するアノード側電極36及びカソード側電極38とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 22 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 34 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 36 and a cathode side electrode 38 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 34. With.

アノード側電極36及びカソード側電極38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が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより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34の両面に形成される。   The anode side electrode 36 and the cathode side electrode 38 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 34.

第1金属セパレータ24は、電解質膜・電極構造体22に向かう面に燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとを連通する燃料ガス流路40を設ける。第1金属セパレータ24は、反対の面に冷却媒体供給連通孔30aと冷却媒体排出連通孔30bとを連通する冷却媒体流路42を設ける。   The first metal separator 24 is provided with a fuel gas flow path 40 that communicates the fuel gas supply communication hole 32 a and the fuel gas discharge communication hole 32 b on the surface facing the electrolyte membrane / electrode structure 22. The first metal separator 24 is provided with a cooling medium flow path 42 that communicates the cooling medium supply communication hole 30a and the cooling medium discharge communication hole 30b on the opposite surface.

第2金属セパレータ26は、電解質膜・電極構造体22に向かう面に酸化剤ガス流路44を設けるとともに、この酸化剤ガス流路44は、酸化剤ガス供給連通孔28aと酸化剤ガス排出連通孔28bとに連通する。第2金属セパレータ26は、反対の面に第1金属セパレータ24と重なり合って冷却媒体流路42が一体的に形成される。   The second metal separator 26 is provided with an oxidant gas flow path 44 on the surface facing the electrolyte membrane / electrode structure 22, and the oxidant gas flow path 44 communicates with the oxidant gas supply communication hole 28 a and the oxidant gas discharge communication. It communicates with the hole 28b. The second metal separator 26 overlaps with the first metal separator 24 on the opposite surface, and the cooling medium flow path 42 is integrally formed.

燃料ガス流路40、冷却媒体流路42及び酸化剤ガス流路44は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。第1及び第2金属セパレータ24、26の面の周縁部には、図示しないシール部材が一体成形される。   The fuel gas flow path 40, the cooling medium flow path 42, and the oxidant gas flow path 44 are configured by, for example, a plurality of grooves extending in the direction of arrow B. A seal member (not shown) is integrally formed on the peripheral portions of the surfaces of the first and second metal separators 24 and 26.

図2及び図3に示すように、酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体供給連通孔30a、燃料ガス排出連通孔32b、燃料ガス供給連通孔32a、冷却媒体排出連通孔30b及び酸化剤ガス排出連通孔28bの各矩形状内周面には、ターミナルプレート16、絶縁プレート18及びエンドプレート20aを一体的に跨いで絶縁性筒部材、例えば、絶縁グロメット(重合部材)46が配設される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the oxidant gas supply communication hole 28a, the cooling medium supply communication hole 30a, the fuel gas discharge communication hole 32b, the fuel gas supply communication hole 32a, the cooling medium discharge communication hole 30b, and the oxidant gas discharge. On each rectangular inner peripheral surface of the communication hole 28b, an insulating cylindrical member, for example, an insulating grommet (polymerized member) 46 is disposed so as to straddle the terminal plate 16, the insulating plate 18 and the end plate 20a.

絶縁グロメット46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で構成されており、連通孔嵌合部であるボディ48の両端にフランジ部50a、50bが一体的に形成される。フランジ部50a、50bには、外方に向かって突出するリップ状シール部52a、52bが設けられる。   The insulating grommet 46 is made of, for example, a sealing material such as EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, or acrylic rubber, a cushioning material, or a packing material. The flange portions 50a and 50b are integrally formed at both ends of the body 48 which is the communication hole fitting portion. The flange portions 50a and 50b are provided with lip-shaped seal portions 52a and 52b protruding outward.

エンドプレート20aには、酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体供給連通孔30a及び燃料ガス排出連通孔32bを囲繞して複数のねじ孔54aが形成されるとともに、燃料ガス供給連通孔32a、冷却媒体排出連通孔30b及び酸化剤ガス排出連通孔28bを囲繞して複数のねじ孔54bが形成される。   The end plate 20a is formed with a plurality of screw holes 54a surrounding the oxidant gas supply communication hole 28a, the cooling medium supply communication hole 30a, and the fuel gas discharge communication hole 32b. A plurality of screw holes 54b are formed surrounding the medium discharge communication hole 30b and the oxidant gas discharge communication hole 28b.

エンドプレート20aには、配管マニホールド56、58が積層体14とは反対の面に固定される。配管マニホールド56、58は、エンドプレート20aの横方向(矢印B方向)両端に配置される取り付け板状部60a、60bを設ける。各取り付け板状部60a、60bには、エンドプレート20aのねじ孔54a、54bと同軸的に複数の孔部62a、62bが形成される。孔部62a、62bにねじ63が挿入され、該ねじ63の先端がねじ孔54a、54bにねじ込まれることにより、配管マニホールド56、58がエンドプレート20aに固定される。   Piping manifolds 56 and 58 are fixed to the end plate 20 a on the surface opposite to the laminated body 14. The piping manifolds 56 and 58 are provided with mounting plate-like portions 60a and 60b disposed at both ends in the lateral direction (arrow B direction) of the end plate 20a. A plurality of holes 62a and 62b are formed coaxially with the screw holes 54a and 54b of the end plate 20a in each of the mounting plate-like parts 60a and 60b. Screws 63 are inserted into the holes 62a and 62b, and the tips of the screws 63 are screwed into the screw holes 54a and 54b, whereby the pipe manifolds 56 and 58 are fixed to the end plate 20a.

取り付け板状部60aには、酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体供給連通孔30a及び燃料ガス排出連通孔32bに連通する樹脂製配管部材(流路部材)64a、66a及び68bが一体的又は個別に配設される。筒状の配管部材64a、66a及び68bは、それぞれの基端部には、フランジ部69とアンダーカット部71とが設けられる。   Resin piping members (flow path members) 64a, 66a, and 68b communicating with the oxidant gas supply communication hole 28a, the cooling medium supply communication hole 30a, and the fuel gas discharge communication hole 32b are integrated with the mounting plate-like portion 60a. Arranged individually. The tubular piping members 64a, 66a and 68b are provided with a flange portion 69 and an undercut portion 71 at the respective base end portions.

また、取り付け板状部60aには、配管部材64a、66a及び68bよりも弾性係数の大きな樹脂で形成される。この取り付け板状部60aには、積層方向に沿ってそれぞれの絶縁グロメット46のリップ状シール部52a、すなわち、シール部位と重なり合う領域Hを覆って配設される補強部70が設けられる。   Further, the attachment plate-like portion 60a is formed of a resin having a larger elastic coefficient than the piping members 64a, 66a and 68b. The attachment plate-like portion 60a is provided with a reinforcing portion 70 disposed so as to cover the lip-like seal portion 52a of each insulating grommet 46, that is, the region H overlapping with the seal portion, in the stacking direction.

補強部70は、薄板状で且つ各矩形状内周面に対応する形状に設定されており、配管部材64a、66a及び68bのアンダーカット部71に配置される。この補強部70と絶縁グロメット46のシール部位であるリップ状シール部52aとは、フランジ部69を挟持する。   The reinforcing portion 70 has a thin plate shape and is set in a shape corresponding to each rectangular inner peripheral surface, and is disposed in the undercut portions 71 of the piping members 64a, 66a, and 68b. The reinforcing portion 70 and the lip-shaped seal portion 52a which is a seal portion of the insulating grommet 46 sandwich the flange portion 69.

取り付け板状部60bには、燃料ガス供給連通孔32a、冷却媒体排出連通孔30b及び酸化剤ガス排出連通孔28bに連通する樹脂製配管部材(流路部材)68a、66b及び64bが一体的又は個別に配設される。なお、取り付け板状部60bは、上述した取り付け板状部60aと同様に構成されており、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。   Resin piping members (flow path members) 68a, 66b, and 64b communicating with the fuel gas supply communication hole 32a, the cooling medium discharge communication hole 30b, and the oxidant gas discharge communication hole 28b are integrated with the mounting plate-shaped portion 60b. Arranged individually. The attachment plate-like portion 60b is configured in the same manner as the attachment plate-like portion 60a described above, and the same components are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.

配管マニホールド56、58では、図示しない成形用金型に取り付け板状部60a、60bを配設した状態で、溶融樹脂を充填して硬化させることにより、前記取り付け板状部60a、60bに各フランジ部69及び各アンダーカット部71を形成することができる。   In the pipe manifolds 56, 58, the mounting plate-like portions 60a, 60b are filled with the molten resin in a state in which the mounting plate-like portions 60a, 60b are disposed in a molding die (not shown), so that the flanges are attached to the mounting plate-like portions 60a, 60b. The part 69 and each undercut part 71 can be formed.

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、酸化剤ガスは、配管部材64aから燃料電池スタック10の酸化剤ガス供給連通孔28aに供給される。一方、燃料ガスは、配管部材68aから燃料電池スタック10の燃料ガス供給連通孔32aに供給される。また、冷却媒体は、配管部材66aから燃料電池スタック10の冷却媒体供給連通孔30aに供給される。   First, the oxidant gas is supplied from the piping member 64 a to the oxidant gas supply communication hole 28 a of the fuel cell stack 10. On the other hand, the fuel gas is supplied from the piping member 68 a to the fuel gas supply communication hole 32 a of the fuel cell stack 10. Further, the cooling medium is supplied from the piping member 66 a to the cooling medium supply communication hole 30 a of the fuel cell stack 10.

図1に示すように、燃料電池スタック10内では、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔28aから第2金属セパレータ26の酸化剤ガス流路44に導入され、電解質膜・電極構造体22のカソード側電極38に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔32a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、電解質膜・電極構造体22のアノード側電極36に沿って移動する。   As shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 10, oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 44 of the second metal separator 26 from the oxidant gas supply communication hole 28 a, and the electrolyte membrane / electrode structure 22. It moves along the cathode side electrode 38. 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 supply communication hole 32 a and moves along the anode side electrode 36 of the electrolyte membrane / electrode structure 22.

従って、各電解質膜・電極構造体22では、カソード側電極38に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極36に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 22, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 38 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 36 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

次いで、カソード側電極38に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔28bに沿って流動した後、エンドプレート20aに連結された配管部材64bに排出される。同様に、アノード側電極36に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔32bに排出されて流動し、エンドプレート20aに連結された配管部材68bに排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 38 flows along the oxidant gas discharge communication hole 28b, and is then discharged to the piping member 64b connected to the end plate 20a. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 36 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 32b, flows, and discharged to the piping member 68b connected to the end plate 20a.

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、第1及び第2金属セパレータ24、26間の冷却媒体流路42に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、冷却媒体排出連通孔30bを移動してエンドプレート20aに連結された配管部材66bに排出され、循環使用される。   In addition, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is introduced into the cooling medium flow path 42 between the first and second metal separators 24 and 26 and then flows along the arrow B direction. This cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 22, then moves through the cooling medium discharge communication hole 30 b and is discharged to the piping member 66 b connected to the end plate 20 a for circulation.

この場合、第1の実施形態では、図3に示すように、配管マニホールド56が、酸化剤ガス供給連通孔28aに連通する樹脂製の配管部材64aを備えるとともに、この配管部材64aと絶縁グロメット46とは、積層方向に重なり合っている。そして、配管部材64aに設けられるアンダーカット部71には、取り付け板状部60aを構成する補強部70が配置されている。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the piping manifold 56 includes a resin piping member 64 a communicating with the oxidant gas supply communication hole 28 a, and the piping member 64 a and the insulating grommet 46. Are overlapping in the stacking direction. And the reinforcement part 70 which comprises the attachment plate-shaped part 60a is arrange | positioned at the undercut part 71 provided in the piping member 64a.

この補強部70は、積層方向に沿ってリップ状シール部52aと重なり合う領域Hを覆って配設され、このリップ状シール部52aを配管部材64a及び前記補強部70と絶縁グロメット46(及び該絶縁グロメット46が装着されたエンドプレート20a)とで挟持している。すなわち、配管部材64aのフランジ部69は、補強部70とリップ状シール部52aとにより挟持されている。   The reinforcing portion 70 is disposed so as to cover the region H overlapping the lip-shaped seal portion 52a along the stacking direction, and the lip-shaped seal portion 52a is connected to the piping member 64a and the reinforcing portion 70 and the insulating grommet 46 (and the insulating grommet 46). It is clamped between the end plate 20a) on which the grommet 46 is mounted. That is, the flange portion 69 of the piping member 64a is sandwiched between the reinforcing portion 70 and the lip-shaped seal portion 52a.

このため、配管マニホールド56がエンドプレート20aに取り付けられた状態で、配管部材64aのフランジ部69に絶縁グロメット46のリップ状シール部52aが押し付けられる際、補強部70の保持作用下に前記フランジ部69に変形やずれ等が発生することを有効に阻止することができる。補強部70は、配管部材64aよりも弾性係数の大きな樹脂で形成されているからである。   For this reason, when the lip-shaped seal portion 52a of the insulating grommet 46 is pressed against the flange portion 69 of the piping member 64a in a state where the piping manifold 56 is attached to the end plate 20a, the flange portion is under the holding action of the reinforcing portion 70. It is possible to effectively prevent 69 from being deformed or displaced. This is because the reinforcing portion 70 is made of a resin having a larger elastic coefficient than the piping member 64a.

これにより、簡単な構成で、樹脂製の配管部材64aと絶縁グロメット46とのシール部位におけるシール性を良好に向上させるとともに、金属製の取り付け板状部60aに生成水や冷却水が接触することがなく、電触による錆等の発生を確実に防止することができるという効果が得られる。   Thereby, it is possible to improve the sealing performance at the sealing portion between the resin piping member 64a and the insulating grommet 46 with a simple configuration, and the generated water or the cooling water is in contact with the metal mounting plate 60a. And there is an effect that the generation of rust and the like due to electrical contact can be reliably prevented.

なお、配管部材64b、66a、66b、68a及び68bと各絶縁グロメット46とにおいても、上記の配管部材64aと同様の効果がある。   The piping members 64b, 66a, 66b, 68a and 68b and the insulating grommets 46 also have the same effect as the piping member 64a.

さらに、第1の実施形態では、配管部材64aにアンダーカット部71を設け、このアンダーカット部71に補強部70が収容保持されている。従って、簡単な構成で、配管部材64aと補強部70とが互いに離脱することを確実に阻止することが可能になる。   Furthermore, in the first embodiment, the piping member 64 a is provided with an undercut portion 71, and the reinforcing portion 70 is accommodated and held in the undercut portion 71. Therefore, it is possible to reliably prevent the piping member 64a and the reinforcing portion 70 from separating from each other with a simple configuration.

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100の要部拡大断面図である。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、その詳細な説明は省略する。   FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a fuel cell stack 100 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.

この燃料電池スタック100は、エンドプレート20aに装着される絶縁グロメット46aと、ターミナルプレート16及び絶縁プレート18に一体的に跨って装着される絶縁グロメット46bとを備える。   The fuel cell stack 100 includes an insulating grommet 46a attached to the end plate 20a, and an insulating grommet 46b attached integrally to the terminal plate 16 and the insulating plate 18.

このように構成される第2の実施形態では、絶縁グロメット46aと配管マニホールド56、58とは、上記の第1の実施形態と同様の効果を有する。しかも、絶縁グロメット46a、46bでは、互いのシール部位であるリップ状シール部52bと積層方向に沿って重なり合う領域H1を覆ってエンドプレート20a及び絶縁プレート18の端部が配設されている。これにより、絶縁グロメット46a、46bに積層方向に締め付け力が作用しても、前記絶縁グロメット46a、46bに変形やずれ等が発生することを良好に阻止することが可能になる。   In the second embodiment configured as described above, the insulating grommet 46a and the piping manifolds 56 and 58 have the same effects as those of the first embodiment. In addition, in the insulating grommets 46a and 46b, the end portions of the end plate 20a and the insulating plate 18 are disposed so as to cover the region H1 that overlaps the lip-shaped seal portion 52b that is a mutual seal portion in the stacking direction. Thereby, even if a tightening force acts on the insulating grommets 46a and 46b in the stacking direction, it is possible to satisfactorily prevent the insulating grommets 46a and 46b from being deformed or displaced.

本発明の第1実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視図である。1 is a partially exploded 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を構成する配管マニホールド及び絶縁グロメットの斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the piping manifold and insulating grommet which constitute the fuel cell stack. 前記配管マニホールド及び前記絶縁グロメットの断面説明図である。It is a cross-sectional explanatory drawing of the said piping manifold and the said insulation grommet. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する配管マニホールド及び絶縁グロメットの断面説明図である。It is a section explanatory view of a piping manifold and insulating grommets which constitute a fuel cell stack concerning a 2nd embodiment of the present invention. 特許文献1に係るマニホールドの分解斜視説明図である。FIG. 6 is an exploded perspective view of a manifold according to Patent Document 1.

符号の説明Explanation of symbols

10、100…燃料電池スタック 12…発電セル
16…ターミナルプレート 18…絶縁プレート
20a、20b…エンドプレート 22…電解質膜・電極構造体
24、26金属セパレータ 28a…酸化剤ガス供給連通孔
28b…酸化剤ガス排出連通孔 30a…冷却媒体供給連通孔
30b…冷却媒体排出連通孔 32a…燃料ガス供給連通孔
32b…燃料ガス排出連通孔 40…燃料ガス流路
42…冷却媒体流路 44…酸化剤ガス流路
46、46a、46b…絶縁グロメッド
48…ボディ 50a、50b、69…フランジ部
52a、52b…リップ状シール部 56、58…配管マニホールド
60a、60b…取り付け板状部
64a、64b、66a、66b、68a、68b…配管部材
70…補強部 71…アンダーカット部

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 ... Fuel cell stack 12 ... Power generation cell 16 ... Terminal plate 18 ... Insulating plate 20a, 20b ... End plate 22 ... Electrolyte membrane and electrode structure 24, 26 Metal separator 28a ... Oxidant gas supply communication hole 28b ... Oxidant Gas discharge communication hole 30a ... Cooling medium supply communication hole 30b ... Cooling medium discharge communication hole 32a ... Fuel gas supply communication hole 32b ... Fuel gas discharge communication hole 40 ... Fuel gas flow path 42 ... Cooling medium flow path 44 ... Oxidant gas flow Path 46, 46a, 46b ... Insulation grommet 48 ... Body 50a, 50b, 69 ... Flange 52a, 52b ... Lip-like seal part 56, 58 ... Piping manifold 60a, 60b ... Mounting plate-like parts 64a, 64b, 66a, 66b, 68a, 68b ... piping member 70 ... reinforcing part 71 ... undercut part

Claims (6)

電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体又は反応ガスのいずれかを流す流体連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
前記流体連通孔に連通して配設され、フランジ部を有する流路部材と、
前記フランジ部と積層方向に重なり合ってシール部位を構成する重合部材と、
前記流路部材の径方向外側に配置されるとともに、前記積層方向に沿って前記シール部位と重なり合う領域を覆って配設され、前記フランジ部を前記シール部位とにより挟持する補強部材と、
を備え
前記燃料電池スタックの積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、
前記重合部材は、少なくとも一方のエンドプレートに形成された前記流体連通孔の内周面に配設される絶縁性筒部材であり、前記絶縁性筒部材のフランジ部には、前記シール部位を構成するリップ状シール部が周回して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
It has an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte, and the electrolyte / electrode structure and the separator are alternately stacked, and at least a cooling medium or a reactive gas penetrates in the stacking direction. A fuel cell stack in which a fluid communication hole for flowing either one is formed,
A flow path member disposed in communication with the fluid communication hole and having a flange portion;
A superposition member that overlaps the flange portion in the stacking direction and constitutes a seal portion;
A reinforcing member that is disposed on the outside in the radial direction of the flow path member, is disposed so as to cover a region overlapping with the seal portion along the stacking direction, and sandwiches the flange portion with the seal portion;
Equipped with a,
End plates are disposed at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack,
The overlapping member is an insulating cylinder member disposed on an inner peripheral surface of the fluid communication hole formed in at least one end plate, and the sealing portion is configured in a flange portion of the insulating cylinder member a fuel cell stack lip seal portions which is characterized by Rukoto provided orbiting.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記補強部材は、前記流路部材よりも弾性係数の大きな材料で形成され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 reinforcing member is made of a material having a larger elastic coefficient than that of the flow path member. 請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記流路部材及び前記補強部材は、前記流体連通孔に連通する配管マニホールドを構成し、
前記配管マニホールドが前記一方のエンドプレートに取り付けられることを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1 or 2 , wherein the flow path member and the reinforcing member constitute a pipe manifold communicating with the fluid communication hole,
The fuel cell stack, wherein the pipe manifold is attached to the one end plate.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記流路部材は、前記補強部材を保持するために、前記フランジ部の外周から該フランジ部の径方向内方に切り欠いたアンダーカット部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein the flow path member is cut in order to retain said reinforcing member, radially inward of the flange portion from an outer periphery of the flange portion missing A fuel cell stack comprising an undercut portion. 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記流体連通孔は、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの積層体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、及び前記積層体から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔を備え、
前記燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出連通孔に連通する燃料ガス排出部は、前記燃料ガスに接触する全ての部位が樹脂で形成され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 fluid communication hole includes a fuel gas supply communication hole that supplies fuel gas to a stack of the electrolyte / electrode structure and the separator, and the fuel gas is supplied from the stack. It has a fuel gas discharge communication hole for discharging
The fuel gas supply section communicating with the fuel gas supply communication hole and the fuel gas discharge section communicating with the fuel gas discharge communication hole are all formed of a resin in contact with the fuel gas. Battery stack.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記流体連通孔は、冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔を備え、
前記冷却媒体供給連通孔に連通する冷却媒体供給部及び前記冷却媒体排出連通孔に連通する冷却媒体排出部は、冷却媒体に接触する全ての部位が樹脂で形成され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 fluid communication hole includes a cooling medium supply communication hole that supplies a cooling medium and a cooling medium discharge communication hole that discharges the cooling medium,
The cooling medium supply part communicating with the cooling medium supply communication hole and the cooling medium discharge part communicating with the cooling medium discharge communication hole are all formed of a resin in contact with the cooling medium. stack.
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