JP4838546B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体を一対のエンドプレートで挟持するとともに、前記積層体には、少なくとも反応ガスを積層方向に流動させる連通孔が貫通形成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 a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator, and sandwiching a stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked with a pair of end plates, The stacked body relates to a fuel cell stack in which a communication hole through which at least a reaction gas flows in the stacking direction 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）を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された発電セルを備え、前記発電セルが複数積層されることにより、燃料電池スタックが構成されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. An electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane includes a power generation cell sandwiched between separators, and a plurality of the power generation cells are stacked, thereby forming a fuel cell stack. It is configured.

燃料電池スタックでは、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するとともに、必要に応じて発電セル間に冷却媒体を供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。   In a fuel cell stack, fuel gas and oxidant gas, which are reactive gases, are supplied to the anode side electrode and cathode side electrode of each stacked power generation cell, and a cooling medium is supplied between the power generation cells as necessary. Therefore, the internal manifold is often configured.

この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の入口側端部及び出口側端部には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。   The internal manifold includes a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole provided so as to penetrate in the stacking direction of the power generation cells, and a reaction gas flow path (oxidant gas) for supplying the reaction gas along the electrode surface. The reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole communicate with the inlet side end and the outlet side end of the flow path and the fuel gas flow path, respectively.

この種の燃料電池スタックは、発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、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ている。そして、少なくとも一方のエンドプレートには、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔に連通するマニホールド部材が取り付けられている。   In this type of fuel cell stack, a terminal plate, an insulating plate, and an end plate are disposed at both ends in the stacking direction of a stacked body in which a plurality of power generation cells are stacked. A manifold member that communicates with the reaction gas inlet communication hole and the reaction gas outlet communication hole is attached to at least one of the end plates.

そこで、燃料電池スタック全体の軽量化を図るために、エンドプレートを薄肉化する工夫がなされている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、エンドプレートに外面から突出し且つ雌ねじが形成されたボス部を設けるとともに、このボス部に取り付け部材であるマニホールド部材がねじ止めされている。これにより、エンドプレートの薄肉化を図るとともに、マニホールド部材を強固且つ確実にねじ止めすることが可能になる。   Therefore, in order to reduce the weight of the entire fuel cell stack, a device for reducing the thickness of the end plate has been devised. For example, in the fuel cell stack disclosed in Patent Document 1, a boss portion protruding from an outer surface and formed with an internal thread is provided on an end plate, and a manifold member as an attachment member is screwed to the boss portion. As a result, the end plate can be thinned and the manifold member can be firmly and securely screwed.

特開２００５−１００７５５号公報（図５）Japanese Patent Laying-Open No. 2005-100755 (FIG. 5)

ところで、燃料電池スタックの軽量化を図るために、マニホールド部材を樹脂材で構成することが考えられる。しかしながら、樹脂製のマニホールド部材では、強度が低下し易く、エンドプレート全体の強度を維持することが困難になるという問題がある。   By the way, in order to reduce the weight of the fuel cell stack, it is conceivable that the manifold member is made of a resin material. However, the resin-made manifold member has a problem that the strength tends to decrease, and it becomes difficult to maintain the strength of the entire end plate.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、エンドプレート及びマニホールド部材の軽量化を図るとともに、簡単な構成で、所望の強度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 kind of problem, and aims to provide a fuel cell stack capable of reducing the weight of the end plate and the manifold member and ensuring a desired strength with a simple configuration. And

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体を一対のエンドプレートで挟持するとともに、前記積層体には、少なくとも反応ガスを積層方向に流通させる連通孔が貫通形成される燃料電池スタックである。   The present invention includes a power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator, and sandwiching a stacked body in which a plurality of the power generation cells are stacked with a pair of end plates, The laminated body is a fuel cell stack in which at least a communication hole through which a reactive gas flows in the stacking direction is formed.

少なくとも一方のエンドプレートには、連通孔に連結されるマニホールド部材が取り付けられるとともに、前記一方のエンドプレートに設けられる補強用リブと、前記マニホールド部材に設けられる補強用リブとは、互いに略連続したリブ構造を構成している。   At least one end plate is attached with a manifold member connected to the communication hole, and the reinforcing rib provided on the one end plate and the reinforcing rib provided on the manifold member are substantially continuous with each other. A rib structure is formed.

また、発電セルの積層方向は、鉛直方向に設定されるとともに、マニホールド部材は、燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成することが好ましい。   In addition, the stacking direction of the power generation cells is set to the vertical direction, and the manifold member preferably constitutes a mount for mounting the entire fuel cell stack on another member.

さらに、電解質・電極構造体は、電解質を電極であるアノード側電極及びカソード側電極で挟んで構成されるとともに、前記カソード側電極は、前記アノード側電極に対して鉛直方向下側に配置されることが好ましい。さらにまた、マニホールド部材は、樹脂材で構成されることが好ましい。   Furthermore, the electrolyte / electrode structure is configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, which are electrodes, and the cathode electrode is disposed on the lower side in the vertical direction with respect to the anode electrode. It is preferable. Furthermore, the manifold member is preferably made of a resin material.

本発明では、少なくとも一方のエンドプレート及びマニホールド部材に、それぞれ補強用リブが設けられるため、前記エンドプレート及び前記マニホールドは、薄肉化による軽量化が容易に図られる。しかも、エンドプレートからマニホールド部材にわたって略連続したリブ構造が構成されるため、前記エンドプレート及び前記マニホールド部材の補強機能が良好に向上する。これにより、エンドプレートに付与される荷重を一層確実に均一化させることができる。   In the present invention, since at least one end plate and manifold member are provided with reinforcing ribs, the end plate and the manifold can be easily reduced in weight by thinning. In addition, since a substantially continuous rib structure is formed from the end plate to the manifold member, the reinforcing function of the end plate and the manifold member is improved satisfactorily. Thereby, the load applied to the end plate can be made more uniform.

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially exploded schematic perspective view of the fuel cell stack 10.

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端（下端）には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート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。積層体１４の積層方向他端（上端）には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート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。燃料電池スタック１０は、四角形、例えば、長方形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２４を備えている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of power generation cells 12 are stacked in the vertical direction (arrow A direction). A terminal plate 16a, an insulating plate 18a, and an end plate 20a are sequentially disposed at one end (lower end) in the stacking direction (arrow A direction) of the stacked body 14 toward the outside. At the other end (upper end) in the stacking direction of the stacked body 14, a terminal plate 16b, an insulating plate 18b, and an end plate 20b are sequentially disposed outward. The fuel cell stack 10 includes a casing 24 including end plates 20a and 20b configured as a square, for example, a rectangle, as end plates.

図３及び図４に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。   As shown in FIG. 3 and FIG. 4, each power generation cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 30, and a thin plate-shaped first and second sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 30. Second metal separators 32 and 34 are provided. Instead of the first and second metal separators 32 and 34, for example, a carbon separator may be used.

発電セル１２の長辺方向（図４中、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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、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排出連通孔４０ｂが設けられる。   An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to one end edge of the power generation cell 12 in the long side direction (the arrow B direction in FIG. 4) in communication with the arrow A direction. A communication hole 36a, a cooling medium supply communication hole 38a for supplying a cooling medium, and a fuel gas discharge communication hole 40b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing 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４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、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３６ｂ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 40a for supplying fuel gas, and the cooling medium discharge communication hole for discharging the cooling medium. 38b and an oxidizing gas discharge communication hole 36b for discharging the oxidizing gas are provided.

電解質膜・電極構造体３０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 42 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 44 and a cathode side electrode 46 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 42. With.

アノード側電極４４及びカソード側電極４６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４２の両面に形成される。   The anode side electrode 44 and the cathode side electrode 46 are uniformly coated 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 thereof. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 42.

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８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金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。   A fuel gas flow path 48 that connects the fuel gas supply communication hole 40 a and the fuel gas discharge communication hole 40 b is formed on the surface 32 a of the first metal separator 32 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The fuel gas channel 48 is constituted by, for example, a plurality of grooves extending in the arrow B direction. On the surface 32b of the first metal separator 32, a cooling medium flow path 50 that connects the cooling medium supply communication hole 38a and the cooling medium discharge communication hole 38b is formed. The cooling medium flow path 50 is configured by a plurality of grooves extending in the arrow B direction.

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。   The surface 34a of the second metal separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30 is provided with, for example, an oxidant gas flow path 52 composed of a plurality of grooves extending in the direction of arrow B, and this oxidant gas. The flow path 52 communicates with the oxidant gas supply communication hole 36a and the oxidant gas discharge communication hole 36b. A cooling medium flow path 50 is integrally formed on the surface 34 b of the second metal separator 34 so as to overlap the surface 32 b of the first metal separator 32.

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる。   A first seal member 54 is integrally formed on the surfaces 32 a and 32 b of the first metal separator 32 around the outer peripheral edge of the first metal separator 32. The first seal member 54 surrounds the fuel gas supply communication hole 40a, the fuel gas discharge communication hole 40b, and the fuel gas flow channel 48 on the surface 32a so as to communicate with each other.

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる。   A second seal member 56 is integrally formed on the surfaces 34 a and 34 b of the second metal separator 34 around the outer peripheral edge of the second metal separator 34. The second seal member 56 surrounds the oxidant gas supply communication hole 36a, the oxidant gas discharge communication hole 36b, and the oxidant gas flow path 52 on the surface 34a so as to communicate with each other.

図３に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５５が介装される。   As shown in FIG. 3, a seal 55 is interposed between the first and second seal members 54 and 56 in order to prevent the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 42 from directly contacting the casing 24. Is done.

図１〜図３に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの面内中央から矢印Ｃ方向一方に所定距離だけ離間する位置には、積層方向外方に延在する出力端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。出力端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。   As shown in FIGS. 1 to 3, output terminal portions 58a and 58b extending outward in the stacking direction are provided at positions separated by a predetermined distance in the direction of arrow C from the in-plane center of the terminal plates 16a and 16b. It is done. For example, a load such as a traveling motor is connected to the output terminal portions 58a and 58b.

出力端子部５８ａ、５８ｂは、絶縁性筒体５７に挿入されて絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂの貫通孔部５９ａ、５９ｂに挿入されて外部に突出する。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。   The output terminal portions 58a and 58b are inserted into the insulating cylinder 57, inserted into the through holes 59a and 59b of the insulating plates 18a and 18b and the end plates 20a and 20b, and project outside. The insulating plates 18a and 18b are formed of an insulating material such as polycarbonate (PC) or phenol resin.

ケーシング２４は、図２に示すように、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数のパネル部材６０ａ〜６０ｄと、前記パネル部材６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記パネル部材６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。パネル部材６０ａ〜６０ｄは、薄板金属製プレートで構成される。   As shown in FIG. 2, the casing 24 includes end plates 20 a and 20 b that are end plates, a plurality of panel members 60 a to 60 d disposed on the side of the laminated body 14, and the panel members 60 a to 60 d close to each other. Angle members 62a to 62d for connecting end portions to be connected to each other, and connection pins 64a and 64b having different lengths for connecting the end plates 20a and 20b and the panel members 60a to 60d. Panel members 60a-60d are formed of thin metal plates.

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの円筒状第１連結部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ２つの第１連結部６６ａ、６６ｂが突出形成される。   Two cylindrical first connecting portions 66a and 66b are formed on the upper and lower sides of the end plates 20a and 20b, respectively, and two first connecting portions 66a and 66b are protruded on each side. It is formed.

積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置されるパネル部材６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２連結部７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の矢印Ｃ方向両側に配置されるパネル部材６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２連結部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。   Two second connecting portions 70a and 70b are formed at both ends in the longitudinal direction (arrow A direction) of the panel members 60a and 60c arranged on both sides in the arrow B direction of the laminate 14. Three second connecting portions 72a and 72b are formed at both ends in the longitudinal direction of the panel members 60b and 60d arranged on both sides in the arrow C direction of the multilayer body 14, respectively.

パネル部材６０ａ、６０ｃの各第２連結部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１連結部６６ａ、６６ｂが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入されて、前記パネル部材６０ａ、６０ｃが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。   Between the second connecting portions 70a and 70b of the panel members 60a and 60c, first connecting portions 66a and 66b on both sides of the end plates 20a and 20b are disposed, and a short connecting pin 64a is provided on these sides. The panel members 60a and 60c are attached integrally to the end plates 20a and 20b.

同様に、パネル部材６０ｂ、６０ｄの第２連結部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１連結部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入されて、前記パネル部材６０ｂ、６０ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。   Similarly, the second connecting portions 72a and 72b of the panel members 60b and 60d are alternately arranged with the first connecting portions 66a and 66b on the upper side and the lower side of the end plates 20a and 20b, and the long connecting pins 64b are connected thereto. Are integrally inserted, and the panel members 60b and 60d are attached to the end plates 20a and 20b.

パネル部材６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のリング状凹部７４ａが形成されるとともに、前記凹部７４ａには、小径な孔部７４ｂが同軸上に連通する。アングル部材６２ａ〜６２ｄは、湾曲する角部を挟んで各片に薄肉部７５が形成されるとともに、各薄肉部７５には、各孔部７４ｂに対応してねじ孔７６が形成される。   Each of the panel members 60a to 60d is formed with a plurality of ring-shaped recesses 74a at both edges in the short direction, and a small-diameter hole 74b communicates coaxially with the recess 74a. Each of the angle members 62a to 62d is formed with a thin portion 75 in each piece across a curved corner portion, and each thin portion 75 is formed with a screw hole 76 corresponding to each hole portion 74b.

各凹部７４ａに締結ボルト７８の頭部７８ａが挿入されるとともに、前記締結ボルト７８のねじ部７８ｂが、孔部７４ｂを通ってねじ孔７６に螺合する。これにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介してパネル部材６０ａ〜６０ｄが固定され、ケーシング２４が構成される（図１参照）。   The head portion 78a of the fastening bolt 78 is inserted into each recess 74a, and the screw portion 78b of the fastening bolt 78 is screwed into the screw hole 76 through the hole portion 74b. Thereby, panel members 60a-60d are fixed via angle members 62a-62d, and casing 24 is constituted (refer to Drawing 1).

締結ボルト７８の頭部７８ａには、ボルト回転用工具（図示せず）を係止するための、複数、例えば、３つの貫通孔部７９が、等角度間隔ずつ離間して形成される。各締結ボルト７８のねじ部７８ｂには、このねじ部７８ｂの緩みを防止し、且つ、防水機能を有する緩み防止剤（図示せず）が塗布される。   A plurality of, for example, three through-hole portions 79 for locking a bolt rotating tool (not shown) are formed on the head portion 78a of the fastening bolt 78 at regular angular intervals. A loosening preventive agent (not shown) having a waterproof function is applied to the screw portions 78b of the fastening bolts 78 to prevent the screw portions 78b from loosening.

図２及び図３に示すように、絶縁プレート１８ｂは、ケーシング２４の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。この絶縁プレート１８ｂは、積層体１４の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体１４に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the insulating plate 18 b has a rectangular shape set to a predetermined size so as to be positioned on the inner periphery of the casing 24. The insulating plate 18b is adjusted in thickness in order to absorb a variation in the length of the stacked body 14 in the stacking direction and to apply a desired tightening load to the stacked body 14.

図５に示すように、エンドプレート２０ａには、このエンドプレート２０ａの中央領域Ｓを通る複数の補強用リブ８０が設けられる。補強用リブ８０は、少なくともエンドプレート２０ａの対角位置に向かって中央領域Ｓを通るリブ部分８０ａの他、水平方向（矢印Ｂ方向）に向かって前記中央領域Ｓを通るリブ部分８０ｂ、貫通孔部５９ａを周回する略円形状のリブ部分８０ｃ等を有する。貫通孔部５９ａは、補強用リブ８０を避けて中央領域Ｓから離間し、且つ発電セル１２の発電領域Ｄ内に位置して形成される。   As shown in FIG. 5, the end plate 20a is provided with a plurality of reinforcing ribs 80 that pass through the central region S of the end plate 20a. The reinforcing rib 80 includes at least a rib portion 80a passing through the central region S toward the diagonal position of the end plate 20a, a rib portion 80b passing through the central region S in the horizontal direction (arrow B direction), and a through hole. It has a substantially circular rib portion 80c that circulates around the portion 59a. The through hole portion 59 a is formed so as to avoid the reinforcing rib 80 and to be separated from the central region S and located in the power generation region D of the power generation cell 12.

エンドプレート２０ａには、発電領域Ｄの外方に位置して凹部８２ａ、８２ｂが形成され、前記凹部８２ａ、８２ｂに樹脂製マニホールド部材８４ａ、８４ｂが取り付けられる。マニホールド部材８４ａ、８４ｂが凹部８２ａ、８２ｂに配設された状態で、このマニホールド部材８４ａ、８４ｂの面８６ａ、８６ｂは、エンドプレート２０ａの面８８と略同一面上に配置される（図６参照）。   In the end plate 20a, recesses 82a and 82b are formed outside the power generation region D, and resin manifold members 84a and 84b are attached to the recesses 82a and 82b. With the manifold members 84a and 84b disposed in the recesses 82a and 82b, the surfaces 86a and 86b of the manifold members 84a and 84b are disposed on substantially the same plane as the surface 88 of the end plate 20a (see FIG. 6). ).

マニホールド部材８４ａには、図５に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂに連結される円筒状配管部９０ａ、９２ａ及び９４ｂが外部に膨出して一体成形される。配管部９０ａには、補強用リブ９６ａ、９６ｂが一体成形される。   As shown in FIG. 5, the manifold member 84a has cylindrical pipe portions 90a, 92a, and 94b connected to the oxidant gas supply communication hole 36a, the cooling medium supply communication hole 38a, and the fuel gas discharge communication hole 40b. It swells and is integrally molded. Reinforcing ribs 96a and 96b are integrally formed in the pipe portion 90a.

補強用リブ９６ａ、９６ｂは、傾斜面を有するとともに、前記補強用リブ９６ａは、エンドプレート２０ａのリブ部分８０ａの端部に対向し、互いに略連続したリブ構造を構成する。すなわち、リブ部分８０ａと補強用リブ９６ａとは、エンドプレート２０ａの中央領域Ｓから前記エンドプレート２０ａの一方の角部近傍に向かって略直線的に延在するリブ構造を構成する。補強用リブ９６ｂは、配管部９２ａ側に延在して設けられる。   The reinforcing ribs 96a and 96b have inclined surfaces, and the reinforcing rib 96a is opposed to the end of the rib portion 80a of the end plate 20a and constitutes a substantially continuous rib structure. That is, the rib portion 80a and the reinforcing rib 96a constitute a rib structure extending substantially linearly from the central region S of the end plate 20a toward the vicinity of one corner of the end plate 20a. The reinforcing rib 96b is provided so as to extend toward the piping portion 92a.

配管部９２ａには、補強用リブ９６ｃが一体成形される。この補強用リブ９６ｃは、傾斜面を有するとともに、エンドプレート２０ａのリブ部分８０ｂと互いに略連続したリブ構造を構成する。   A reinforcing rib 96c is formed integrally with the pipe portion 92a. The reinforcing rib 96c has an inclined surface and constitutes a rib structure substantially continuous with the rib portion 80b of the end plate 20a.

配管部９４ｂには、補強用リブ９６ｄ、９６ｅが一体成形される。補強用リブ９６ｄは、傾斜面を有し、エンドプレート２０ａのリブ部分８０ａの端部に対向して互いに略連続したリブ構造を構成する。補強用リブ９６ｅは、傾斜面を有し、配管部９２ａ側に突出して設けられる。   Reinforcing ribs 96d and 96e are integrally formed on the pipe portion 94b. The reinforcing rib 96d has an inclined surface and constitutes a rib structure that is substantially continuous with each other so as to face the end of the rib portion 80a of the end plate 20a. The reinforcing rib 96e has an inclined surface and is provided so as to protrude toward the piping portion 92a.

同様に、マニホールド部材８４ｂには、燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連結される円筒状配管部９４ａ、９２ｂ及び９０ｂが外部に膨出して一体成形される。   Similarly, cylindrical pipe portions 94a, 92b, and 90b connected to the fuel gas supply communication hole 40a, the cooling medium discharge communication hole 38b, and the oxidant gas discharge communication hole 36b bulge out to the manifold member 84b. Molded.

配管部９４ａには、傾斜面を有する補強用リブ９６ｆ、９６ｇが一体成形される。補強用リブ９６ｆは、エンドプレート２０ａのリブ部分８０ａの端部に対向し、互いに略連続したリブ構造を構成する一方、前記補強用リブ９６ｇは、配管部９２ｂ側に突出形成される。   Reinforcing ribs 96f and 96g having inclined surfaces are integrally formed in the pipe portion 94a. The reinforcing rib 96f is opposed to the end portion of the rib portion 80a of the end plate 20a and constitutes a substantially continuous rib structure, while the reinforcing rib 96g is formed to protrude toward the pipe portion 92b.

配管部９２ｂには、補強用リブ９６ｈが形成され、この補強用リブ９６ｈは、エンドプレート２０ａのリブ部分８０ｂの端部に対向して略連続したリブ構造を構成する。配管部９０ｂには、補強用リブ９６ｉ、９６ｊが一体成形され、前記補強用リブ９６ｉとエンドプレート２０ａのリブ部分８０ａとは、互いに略連続したリブ構造を構成するとともに、前記補強用リブ９６ｊが配管部９２ｂ側に突出形成される。   A reinforcing rib 96h is formed in the pipe portion 92b, and the reinforcing rib 96h constitutes a substantially continuous rib structure facing the end of the rib portion 80b of the end plate 20a. Reinforcing ribs 96i and 96j are integrally formed in the pipe portion 90b. The reinforcing rib 96i and the rib portion 80a of the end plate 20a constitute a substantially continuous rib structure, and the reinforcing rib 96j It protrudes and is formed on the piping part 92b side.

なお、補強用リブ９６ｂ、９６ｅ、９６ｇ及び９６ｊは、必要に応じて設ければよく、また、リブ数も必要に応じて増加させてもよい。一方、配管部９２ａ、９２ｂには、補強用リブ９６ｂに相当するリブを追加してもよい。   The reinforcing ribs 96b, 96e, 96g, and 96j may be provided as necessary, and the number of ribs may be increased as necessary. On the other hand, ribs corresponding to the reinforcing rib 96b may be added to the pipe portions 92a and 92b.

図３に示すように、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａを最下位置にしてマニホールド部材８４ａ、８４ｂが配置板１００上に直接載置されるとともに、前記マニホールド部材８４ａ、８４ｂには、複数の配管１０２が接続される。   As shown in FIG. 3, in the fuel cell stack 10, the manifold members 84a and 84b are directly placed on the arrangement plate 100 with the end plate 20a at the lowest position, and a plurality of manifold members 84a and 84b are disposed on the manifold members 84a and 84b. Are connected.

燃料電池スタック１０では、各発電セル１２を構成する電解質膜・電極構造体３０において、カソード側電極４６がアノード側電極４４に対して鉛直方向下側に配置される。すなわち、各発電セル１２では、電解質膜・電極構造体３０を挟んで酸化剤ガス流路５２が下側に、燃料ガス流路４８が上側に、それぞれ配置される。   In the fuel cell stack 10, in the electrolyte membrane / electrode structure 30 constituting each power generation cell 12, the cathode side electrode 46 is disposed on the lower side in the vertical direction with respect to the anode side electrode 44. That is, in each power generation cell 12, the oxidant gas flow path 52 is disposed on the lower side and the fuel gas flow path 48 is disposed on the upper side with the electrolyte membrane / electrode structure 30 interposed therebetween.

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.

燃料電池スタック１０では、先ず、図１に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、鉛直方向（矢印Ａ方向）に重ね合わされた複数の発電セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が鉛直上方向に向かって供給される。   In the fuel cell stack 10, first, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas supply communication hole 36a of the end plate 20a, and hydrogen is contained in the fuel gas supply communication hole 40a. Fuel gas such as gas is supplied. Further, a coolant such as pure water or ethylene glycol is supplied to the coolant supply passage 38a. For this reason, in the laminated body 14, oxidant gas, fuel gas, and a cooling medium are supplied toward the vertically upward direction with respect to the several power generation cell 12 piled up in the perpendicular direction (arrow A direction).

図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。   As shown in FIG. 4, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 52 of the second metal separator 34 through the oxidant gas supply communication hole 36 a, and along the cathode side electrode 46 of the electrolyte membrane / electrode structure 30. Move. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas passage 48 of the first metal separator 32 through the fuel gas supply communication hole 40 a and moves along the anode side electrode 44 of the electrolyte membrane / electrode structure 30.

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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 30, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 46 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 44 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４６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３６ｂに沿って鉛直下方向に流動した後、エンドプレート２０ａのマニホールド部材８４ｂから外部に排出される。同様に、アノード側電極４４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４０ｂに排出されて鉛直下方向に流動し、エンドプレート２０ａのマニホールド部材８４ａから外部に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 46 flows vertically downward along the oxidant gas discharge communication hole 36b, and is then discharged to the outside from the manifold member 84b of the end plate 20a. Similarly, the fuel gas supplied to and consumed by the anode side electrode 44 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 40b, flows vertically downward, and is discharged to the outside from the manifold member 84a of the end plate 20a.

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０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３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを鉛直下方向に移動してエンドプレート２０ａのマニホールド部材８４ｂから排出される。   The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling medium flow path 50 between the first and second metal separators 32 and 34 from the cooling medium supply communication hole 38a. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 30, and then moves vertically through the cooling medium discharge communication hole 38b to be discharged from the manifold member 84b of the end plate 20a.

この場合、本実施形態では、エンドプレート２０ａに補強用リブ８０が設けられるとともに、このエンドプレート２０ａの両側部に軽量な樹脂製のマニホールド部材８４ａ、８４ｂが取り付けられている。これにより、エンドプレート２０ａ全体をマニホールド部を含めて金属で構成するものに比べ、前記エンドプレート２０ａ自体を薄肉化するとともに、該エンドプレート２０ａ全体を一挙に軽量化することが可能になる。   In this case, in this embodiment, the end plate 20a is provided with reinforcing ribs 80, and lightweight resin manifold members 84a and 84b are attached to both side portions of the end plate 20a. This makes it possible to reduce the thickness of the end plate 20a itself and reduce the weight of the entire end plate 20a all at once, compared to the case where the entire end plate 20a is made of metal including the manifold portion.

しかも、図５に示すように、マニホールド部材８４ａ、８４ｂには、エンドプレート２０ａのリブ部分８０ａと互いに略連続したリブ構造を構成する補強用リブ９６ａ、９６ｄ、９６ｆ及び９６ｉが一体形成されるとともに、リブ部分８０ｂと互いに略連続したリブ構造を構成する補強用リブ９６ｃ、９６ｈが一体成形されている。   In addition, as shown in FIG. 5, the manifold members 84a and 84b are integrally formed with reinforcing ribs 96a, 96d, 96f and 96i that constitute a rib structure substantially continuous with the rib portion 80a of the end plate 20a. Reinforcing ribs 96c and 96h constituting a rib structure substantially continuous with the rib portion 80b are integrally formed.

このため、エンドプレート２０ａの略全面にわたって対角位置から中央領域Ｓを通るリブ構造と、矢印Ｂ方向の両端から中央領域Ｓを通るリブ構造とが、実質的に一体構成されており、前記エンドプレート２０ａ及びマニホールド部材８４ａ、８４ｂの補強機能が良好に向上するという効果が得られる。これにより、図３に示すように、燃料電池スタック１０が鉛直方向に積層されてマニホールド部材８４ａ、８４ｂが配置板１００上に配置された状態で、エンドプレート２０ａに付与される荷重を一層確実に均一化させることができる。   For this reason, a rib structure that passes through the central region S from a diagonal position over substantially the entire surface of the end plate 20a and a rib structure that passes through the central region S from both ends in the direction of the arrow B are substantially integrally configured. The effect that the reinforcing function of the plate 20a and the manifold members 84a and 84b is improved is obtained. As a result, as shown in FIG. 3, the load applied to the end plate 20 a is more reliably ensured in a state where the fuel cell stack 10 is stacked in the vertical direction and the manifold members 84 a and 84 b are arranged on the arrangement plate 100. It can be made uniform.

さらに、本実施形態では、燃料電池スタック１０が鉛直方向に積層されており、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂが鉛直方向に向かって延在している。従って、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂ内の滞留水は、鉛直下方向に向かって流動し、排水性が良好に向上する。このため、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂや燃料ガス排出連通孔４０ｂに滞留した生成水による液絡の発生が阻止され、燃料電池構成部材の電解腐食を抑制して、電池性能の低下を防止することが可能になる。   Further, in the present embodiment, the fuel cell stack 10 is stacked in the vertical direction, and the oxidant gas discharge communication hole 36b and the fuel gas discharge communication hole 40b extend in the vertical direction. Accordingly, the accumulated water in the oxidant gas discharge communication hole 36b and the fuel gas discharge communication hole 40b flows downward in the vertical direction, and the drainage performance is improved satisfactorily. For this reason, the occurrence of a liquid junction due to the generated water staying in the oxidant gas discharge communication hole 36b and the fuel gas discharge communication hole 40b is prevented, and the electrolytic corrosion of the fuel cell constituent member is suppressed, thereby preventing the deterioration of the battery performance. It becomes possible.

さらにまた、各発電セル１２では、電解質膜・電極構造体３０の下方に酸化剤ガス流路５２が配設されている。ここで、発電セル１２の運転時に発生する反応生成水は、特に酸化剤ガス流路５２に残留し易く、特に高電流密度又は高加湿環境下で発電反応を行う際、この反応生成水が酸化剤ガス流路５２内に凝縮して滞留し易くなる。   Furthermore, in each power generation cell 12, an oxidant gas flow path 52 is disposed below the electrolyte membrane / electrode structure 30. Here, the reaction product water generated during the operation of the power generation cell 12 tends to remain particularly in the oxidant gas flow path 52, and this reaction product water is oxidized particularly when performing a power generation reaction in a high current density or high humidity environment. It tends to condense and stay in the agent gas flow path 52.

従って、酸化剤ガス流路５２が電解質膜・電極構造体３０の下方に配置されることにより、カソード側電極４６の表面が滞留水により覆われることがなく、酸化剤ガスの拡散性の低下を阻止して、良好な電池性能を維持することができるという効果が得られる。   Therefore, the oxidant gas flow path 52 is disposed below the electrolyte membrane / electrode structure 30, so that the surface of the cathode side electrode 46 is not covered with the accumulated water, and the diffusibility of the oxidant gas is reduced. The effect that it can prevent and can maintain favorable battery performance is acquired.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the fuel cell stack concerning the embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。FIG. 2 is a partially exploded schematic perspective view of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの断面側面図である。2 is a cross-sectional side view of the fuel cell stack. 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. 前記燃料電池スタックの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the said fuel cell stack. エンドプレートの、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the end plate taken along line VI-VI in FIG. 5.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４…ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ ４２…固体高分子電解質膜
４４…アノード側電極 ４６…カソード側電極
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５２…酸化剤ガス流路 ６０ａ〜６０ｄ…パネル部材
８０、９６ａ〜９６ｊ…補強用リブ ８０ａ〜８０ｃ…リブ部分
８２ａ、８２ｂ…凹部 ８４ａ、８４ｂ…マニホールド部材
９０ａ、９０ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ…配管部
１００…配置板 Ｄ…発電領域
Ｓ…中央領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Power generation cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18a, 18b ... Insulating plate 20a, 20b ... End plate 24 ... Casing 30 ... Electrolyte membrane and electrode structure 32, 34 ... Metal separator 42 ... Solid polymer electrolyte membrane 44 ... Anode side electrode 46 ... Cathode side electrode 48 ... Fuel gas passage 50 ... Coolant flow passage 52 ... Oxidant gas passage 60a-60d ... Panel members 80, 96a-96j ... Reinforcing ribs 80a ˜80c ... rib portions 82a, 82b ... recesses 84a, 84b ... manifold members 90a, 90b, 92a, 92b, 94a, 94b ... piping portion 100 ... arrangement plate D ... power generation region S ... central region

Claims (3)

一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体を一対のエンドプレートで挟持するとともに、少なくとも一方のエンドプレート及び前記積層体には、少なくとも反応ガスを積層方向に流通させる連通孔が貫通形成される燃料電池スタックであって、
前記一方のエンドプレートには、前記積層方向に交差する面内に、前記連通孔に連結される樹脂材製のマニホールド部材が取り付けられるとともに、
前記一方のエンドプレートに設けられる補強用リブと、前記マニホールド部材に一体に設けられる補強用リブとは、それぞれ個別に設けられ、互いに接触することにより略連続したリブ構造を構成す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 a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator is provided, and a laminate in which a plurality of the power generation cells are stacked is sandwiched between a pair of end plates, and at least one end The plate and the laminate are fuel cell stacks in which at least a communication hole for passing a reaction gas in the stacking direction is formed,
Wherein the one end plate, in a plane intersecting the stacking direction, together with a resin material-made manifold member connected to the communication hole is attached,
The reinforcing rib provided on the one end plate and the reinforcing rib provided integrally with the manifold member are individually provided and constitute a substantially continuous rib structure by contacting each other. Fuel cell stack. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、発電セルの積層方向は、鉛直方向に設定されるとともに、
前記マニホールド部材は、前記燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成す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, wherein the stacking direction of the power generation cells is set in a vertical direction,
The fuel cell stack, wherein the manifold member constitutes a mount for mounting the entire fuel cell stack on another member. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質・電極構造体は、前記電解質を前記電極であるアノード側電極及びカソード側電極で挟んで構成されるとともに、
前記カソード側電極は、前記アノード側電極に対して鉛直方向下側に配置さ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 2, wherein the electrolyte / electrode structure is configured by sandwiching the electrolyte between an anode side electrode and a cathode side electrode, which are the electrodes,
The fuel cell stack, wherein the cathode side electrode is disposed vertically below the anode side electrode.
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