JP5021698B2 - 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を設けた少なくとも第1及び第2電解質・電極構造体を、少なくとも第1乃至第3セパレータのそれぞれの間で挟持する燃料電池ユニットを備える燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack including a fuel cell unit that sandwiches at least first and second electrolyte / electrode structures provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte between at least first to third separators. .

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる固体高分子電解質膜の両側に、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(電解質・電極構造体)を、セパレータによって挟持することにより単位セルとして構成されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell is an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are respectively provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). The (electrolyte / electrode structure) is sandwiched between separators to constitute a unit cell.

この単位セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、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)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。なお、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)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。   In this unit cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on the electrode catalyst, and the cathode passes through the electrolyte membrane. Move to the side electrode side. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen reacts to produce water.

ところで、燃料電池は、通常、数十〜数百の単位セルを積層してスタックを構成している。その際、各単位セル同士を正確に位置決めする必要があり、このため、前記単位セルに形成された位置決め用孔部にノックピンを挿入する作業が行われている。しかしながら、単位セルの積層数が増加するのに伴って、ノックピンの挿入作業が困難なものとなり、作業性が低下するとともに、部材の位置ずれが惹起し易く、シール機能が低下するという問題がある。   By the way, the fuel cell normally forms a stack by stacking several tens to several hundreds of unit cells. At that time, it is necessary to accurately position each unit cell, and therefore, an operation of inserting a knock pin into a positioning hole formed in the unit cell is performed. However, as the number of stacked unit cells increases, the operation of inserting the knock pin becomes difficult, the workability is lowered, the position of the member is easily displaced, and the sealing function is lowered. .

そこで、上記の問題を解決するために、特許文献1には、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、第1及び第2セパレータで挟持して構成される燃料電池であって、前記第1及び第2セパレータは、第1及び第2位置決め用孔部を設け、前記第1及び第2位置決め用孔部に、第1及び第2絶縁性位置決め部材が装着されるとともに、前記第1絶縁性位置決め部材の内周壁部に、前記第2絶縁性位置決め部材の外周壁部が嵌合することにより、前記第1及び第2セパレータ同士が絶縁状態で位置決めされることを特徴とする燃料電池が開示されている。   Therefore, in order to solve the above problem, Patent Document 1 discloses a fuel cell configured by sandwiching an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte between first and second separators. The first and second separators are provided with first and second positioning holes, and first and second insulating positioning members are mounted in the first and second positioning holes. The first and second separators are positioned in an insulated state by fitting the outer peripheral wall portion of the second insulating positioning member to the inner peripheral wall portion of the first insulating positioning member. A fuel cell is disclosed.

さらに、第1絶縁性位置決め部材は、第1セパレータの一方の面を支持する支持部と、前記第1セパレータの第1位置決め用孔部に嵌合するとともに、内周壁部が設けられる膨出部とを備え、第2絶縁性位置決め部材は、第2セパレータの一方の面を支持する支持部と、前記第2セパレータの第2位置決め用孔部に嵌合する第1膨出部と、前記第1膨出部とは反対側に突出するとともに、外周壁部が設けられる第2膨出部とを備えている。   Further, the first insulating positioning member is fitted to the support portion for supporting one surface of the first separator and the first positioning hole portion of the first separator, and the bulging portion is provided with the inner peripheral wall portion. The second insulating positioning member includes a support portion that supports one surface of the second separator, a first bulging portion that fits into a second positioning hole portion of the second separator, and the first A second bulging portion is provided that protrudes to the opposite side of the first bulging portion and is provided with an outer peripheral wall portion.

特開2004−172094号公報(図3)JP 2004-172094 A (FIG. 3)

上記の特許文献1は、第1及び第2セパレータ間に電解質・電極構造体を挟持する燃料電池(単位セル)において、前記第1及び第2セパレータ同士を位置決めする構造に関するものである。   The above-mentioned Patent Document 1 relates to a structure for positioning the first and second separators in a fuel cell (unit cell) in which an electrolyte / electrode structure is sandwiched between first and second separators.

ところが、最近、部品点数を削減して燃料電池スタック全体のコンパクト化を図るため、所謂、間引き冷却型燃料電池が採用されている。この間引き冷却型燃料電池では、2枚の電解質・電極構造体をそれぞれ3枚のセパレータ間に、順次、配設して燃料電池ユニットを構成している。そして、各燃料電池ユニット間に冷却媒体流路を形成するとともに、前記燃料電池ユニットを積層することにより、燃料電池スタックが構成されている。   Recently, however, a so-called thinning-out cooling type fuel cell has been adopted in order to reduce the number of components and make the entire fuel cell stack compact. In this thin-out cooling type fuel cell, two electrolyte / electrode structures are sequentially disposed between three separators to constitute a fuel cell unit. And while forming a cooling medium flow path between each fuel cell unit and laminating | stacking the said fuel cell unit, the fuel cell stack is comprised.

本発明はこの種の間引き冷却型燃料電池に関するものであり、簡単な構成で、少なくとも3枚以上のセパレータ同士の位置決めが容易且つ効率的に遂行されるとともに、所望の剛性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 relates to this type of thinned cooling fuel cell. With a simple configuration, positioning of at least three separators can be performed easily and efficiently, and desired rigidity can be ensured. An object of the present invention is to provide a simple fuel cell stack.

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた少なくとも第1及び第2電解質・電極構造体と、少なくとも第1、第2及び第3セパレータとを設け、前記第1セパレータ及び前記第2セパレータの間で前記第1電解質・電極構造体を挟持する一方、前記第2セパレータ及び前記第3セパレータの間で前記第2電解質・電極構造体を挟持して構成される燃料電池ユニットと、前記第1乃至第3セパレータ同士を相互に位置決めする位置決め機構とを備えている。   The present invention includes at least first and second electrolyte / electrode structures provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte, and at least first, second, and third separators, and the first separator and the second separator. A fuel cell unit configured to sandwich the second electrolyte / electrode structure between the second separator and the third separator, while sandwiching the first electrolyte / electrode structure between the first separator and the third separator, And a positioning mechanism for positioning the first to third separators with each other.

位置決め機構は、第2セパレータの一方の面から第1セパレータ側に突出する第1凸状部と、前記第2セパレータの他方の面から第3セパレータ側に突出する第2凸状部と、前記第1セパレータに設けられ、前記第1凸状部が嵌合する第1凹状部と、前記第3セパレータに設けられ、前記第2凸状部が嵌合する第2凹状部とを有している。   The positioning mechanism includes a first convex portion projecting from one surface of the second separator to the first separator side, a second convex portion projecting from the other surface of the second separator to the third separator side, A first concave portion provided on the first separator and fitted with the first convex portion, and a second concave portion provided on the third separator and fitted with the second convex portion. Yes.

また、第1乃至第3セパレータは、第1乃至第3金属セパレータで構成され、前記第1金属セパレータには、第1及び第2凸状部が樹脂材料で一体成形されるとともに、前記第2及び第3金属セパレータには、第1及び第2凹状部が樹脂材料で一体成形されることが好ましい。このため、位置決め機構は、部品点数が大幅に削減されるとともに、第1乃至第3セパレータ同士の位置決め作業が簡単且つ迅速に遂行される。   In addition, the first to third separators are constituted by first to third metal separators, and first and second convex portions are integrally formed of a resin material in the first metal separator, and the second In the third metal separator, the first and second concave portions are preferably integrally formed of a resin material. For this reason, the positioning mechanism greatly reduces the number of parts, and the positioning operation of the first to third separators can be performed easily and quickly.

しかも、第1及び第2凸状部と第1及び第2凹状部の内壁面とは、樹脂材料で成形されるため表面の滑り性がよい。これにより、第1及び第2凸状部と第1及び第2凹状部とは、スムーズ且つ確実に嵌合することができるとともに、嵌合部位の絶縁性を確保することが可能になる。   In addition, since the first and second convex portions and the inner wall surfaces of the first and second concave portions are formed of a resin material, the surface slipperiness is good. As a result, the first and second convex portions and the first and second concave portions can be fitted smoothly and reliably, and the insulating property of the fitting portion can be ensured.

さらに、第1凸状部と第2凸状部とは、径寸法乃至形状が異なることが好ましい。第1凸状部と第2凹状部及び第2凸状部と第1凹状部とは、それぞれ嵌合することがないため、第1乃至第3セパレータの順序が入れ替わって誤組み立てが発生することを確実に阻止することができるからである。   Furthermore, it is preferable that the first convex portion and the second convex portion have different diameters or shapes. Since the first convex portion and the second concave portion and the second convex portion and the first concave portion do not fit with each other, the order of the first to third separators is changed and misassembly occurs. This is because it can be reliably prevented.

さらにまた、第1及び第2凸状部は、位置決め部材に設けられるとともに、隣接する燃料電池ユニットの一方の位置決め部材には、他方の位置決め部材に設けられる開口部に嵌合する突起部が形成され、各位置決め部材同士が位置決めされることが好ましい。隣り合う燃料電池ユニット同士を容易且つ正確に位置決めすることが可能になるからである。   Furthermore, the first and second convex portions are provided on the positioning member, and one positioning member of the adjacent fuel cell unit is formed with a protrusion that fits into an opening provided in the other positioning member. The positioning members are preferably positioned with respect to each other. This is because it becomes possible to easily and accurately position adjacent fuel cell units.

本発明によれば、燃料電池ユニットの略中央に配設される第2セパレータの両面に、第1セパレータ側に突出する第1凸状部と第3セパレータ側に突出する第2凸状部とが設けられ、この第2セパレータを基準にして両側の前記第1及び第3セパレータが位置決めされる。従って、簡単な構成及び作業で、第1乃至第3セパレータ同士を精度よく位置決めすることができる。さらに、例えば、第1セパレータ又は第3セパレータに凸状部を設ける構成に比べ、第1及び第2凸状部が短尺化されて、前記第1及び第2凸状部の剛性が有効に向上する。   According to the present invention, the first convex portion projecting toward the first separator side and the second convex portion projecting toward the third separator side are provided on both surfaces of the second separator disposed substantially at the center of the fuel cell unit. The first and third separators on both sides are positioned with reference to the second separator. Therefore, the first to third separators can be accurately positioned with a simple configuration and operation. Further, for example, the first and second convex portions are shortened and the rigidity of the first and second convex portions is effectively improved as compared with the configuration in which the first separator or the third separator is provided with the convex portions. To do.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。It is a schematic structure explanatory view of a fuel cell stack concerning an embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of a fuel cell unit constituting the fuel cell stack. 前記燃料電池ユニットを構成する第1セパレータの正面図である。It is a front view of the 1st separator which comprises the said fuel cell unit. 前記燃料電池ユニットを位置決めする位置決め機構の断面拡大説明図である。It is a cross-sectional enlarged explanatory view of a positioning mechanism for positioning the fuel cell unit. 前記位置決め機構の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the said positioning mechanism. 前記燃料電池ユニットを積層する際の断面説明図である。FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view when the fuel cell units are stacked.

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10の概略構成説明図である。   FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention.

燃料電池スタック10は、複数の燃料電池ユニット12を矢印A方向に積層した積層体14を備える。積層体14の積層方向両端には、ターミナルプレート16a、16b、絶縁プレート18a、18b及びエンドプレート20a、20bが配設されており、前記エンドプレート20a、20b間には、所定の締め付け荷重が付与されている。   The fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of fuel cell units 12 are stacked in the direction of arrow A. Terminal plates 16a and 16b, insulating plates 18a and 18b, and end plates 20a and 20b are disposed at both ends in the stacking direction of the laminate 14, and a predetermined tightening load is applied between the end plates 20a and 20b. Has been.

図2に示すように、燃料電池ユニット12は、少なくとも第1及び第2電解質膜(電解質)・電極構造体22a、22bと、少なくとも第1、第2及び第3セパレータ24、26及び28とを設ける。第1セパレータ24及び第2セパレータ26の間で第1電解質膜・電極構造体22aを挟持する一方、前記第2セパレータ26及び第3セパレータ28の間で第2電解質膜・電極構造体22bを挟持する。第1乃至第3セパレータ24、26及び28は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。   As shown in FIG. 2, the fuel cell unit 12 includes at least first and second electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structures 22a and 22b and at least first, second and third separators 24, 26 and 28. Provide. The first electrolyte membrane / electrode structure 22a is sandwiched between the first separator 24 and the second separator 26, while the second electrolyte membrane / electrode structure 22b is sandwiched between the second separator 26 and the third separator 28. To do. Although the first to third separators 24, 26, and 28 are made of metal separators, for example, carbon separators may be adopted.

燃料電池ユニット12の長辺方向(図2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入口連通孔30aと、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32bとが設けられる。   An oxidant gas for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the direction of the arrow A at one end edge in the long side direction (the arrow B direction in FIG. 2) of the fuel cell unit 12. An inlet communication hole 30a and a fuel gas outlet communication hole 32b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.

燃料電池ユニット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入口連通孔32aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bとが設けられる。   The other end edge of the long side direction of the fuel cell unit 12 communicates with each other in the direction of arrow A, and a fuel gas inlet communication hole 32a for supplying fuel gas, and an oxidant for discharging oxidant gas A gas outlet communication hole 30b is provided.

燃料電池ユニット12の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34aが設けられるとともに、前記燃料電池ユニット12の下端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34bが設けられる。   A cooling medium inlet communication hole 34a for supplying a cooling medium is provided at the upper end edge of the fuel cell unit 12, and a cooling medium for discharging the cooling medium is provided at the lower end edge of the fuel cell unit 12. An outlet communication hole 34b is provided.

第1及び第2電解質膜・電極構造体22a、22b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36と、前記固体高分子電解質膜36を挟持するアノード側電極38及びカソード側電極40とを備える。   The first and second electrolyte membrane / electrode structures 22a and 22b include, for example, a solid polymer electrolyte membrane 36 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 36 The electrode 38 and the cathode side electrode 40 are provided.

アノード側電極38及びカソード側電極40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36の両面に形成される。   The anode side electrode 38 and the cathode side electrode 40 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 36.

図3に示すように、第1セパレータ24の第1電解質膜・電極構造体22aに向かう面24aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第1燃料ガス流路42が形成される。この第1燃料ガス流路42は、例えば、矢印B方向に延在する複数の溝部により構成される。図2に示すように、第1セパレータ24の面24bには、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路44が形成される。この冷却媒体流路44は、矢印C方向に延在する複数の溝部により構成される。   As shown in FIG. 3, the first fuel gas flow that communicates the fuel gas inlet communication hole 32a and the fuel gas outlet communication hole 32b to the surface 24a of the first separator 24 toward the first electrolyte membrane / electrode structure 22a. A path 42 is formed. The first fuel gas channel 42 is constituted by, for example, a plurality of grooves extending in the arrow B direction. As shown in FIG. 2, a cooling medium flow path 44 that connects the cooling medium inlet communication hole 34 a and the cooling medium outlet communication hole 34 b is formed on the surface 24 b of the first separator 24. The cooling medium flow path 44 is configured by a plurality of grooves extending in the arrow C direction.

第2セパレータ26の第1電解質膜・電極構造体22aに向かう面26aには、例えば、矢印B方向に延在する複数の溝部からなる第1酸化剤ガス流路46が設けられるとともに、この第1酸化剤ガス流路46は、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通する。第2セパレータ26の第2電解質膜・電極構造体22bに向かう面26bには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第2燃料ガス流路48が形成される。   The surface 26a of the second separator 26 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 22a is provided with, for example, a first oxidant gas channel 46 composed of a plurality of grooves extending in the direction of arrow B. The one oxidant gas passage 46 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b. A second fuel gas channel 48 that connects the fuel gas inlet communication hole 32a and the fuel gas outlet communication hole 32b is formed on the surface 26b of the second separator 26 that faces the second electrolyte membrane / electrode structure 22b.

第3セパレータ28の第2電解質膜・電極構造体22bに向かう面28aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bと連通する第2酸化剤ガス流路50が設けられる。第3セパレータ28の面28bには、第1セパレータ24の面24bと重なり合って冷却媒体流路44が一体的に形成される。   A second oxidant gas flow path 50 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b is provided on a surface 28a of the third separator 28 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 22b. . A cooling medium flow path 44 is integrally formed on the surface 28 b of the third separator 28 so as to overlap the surface 24 b of the first separator 24.

第1セパレータ24の面24a、24bには、この第1セパレータ24の外周端縁部を周回して第1シール部材52が一体成形される。第2セパレータ26の面26a、26bには、この第2セパレータ26の外周端縁部を周回して第2シール部材54が一体成形されるとともに、第3セパレータ28の面28a、28bには、この第3セパレータ28の外周端縁部を周回して第3シール部材56が一体成形される。   A first seal member 52 is integrally formed on the surfaces 24 a and 24 b of the first separator 24 around the outer peripheral edge of the first separator 24. On the surfaces 26a and 26b of the second separator 26, the second seal member 54 is integrally formed around the outer peripheral edge of the second separator 26, and on the surfaces 28a and 28b of the third separator 28, A third seal member 56 is integrally formed around the outer peripheral edge of the third separator 28.

燃料電池スタック10は、燃料電池ユニット12を構成する第1乃至第3セパレータ24、26及び28同士を相互に位置決めするための位置決め機構60を備える。位置決め機構60は、第2セパレータ26の矢印B方向両端縁部に一体成形される樹脂材料製位置決め部材62を備える。なお、樹脂材料としては、絶縁性、射出成形性及び硬度に優れる、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)や、LCP(液晶ポリマー)等が使用される。以下、同様である。   The fuel cell stack 10 includes a positioning mechanism 60 for positioning the first to third separators 24, 26 and 28 constituting the fuel cell unit 12 with each other. The positioning mechanism 60 includes a resin material-made positioning member 62 that is integrally formed with both edge portions in the arrow B direction of the second separator 26. As the resin material, for example, PPS (polyphenylene sulfide), LCP (liquid crystal polymer), or the like that is excellent in insulation, injection moldability, and hardness is used. The same applies hereinafter.

この位置決め部材62は、第2セパレータ26を構成する金属板が成形トリミングされた後、この金属板には、第2シール部材54が一体成形される際、前記金属板に一体成形され、あるいは、前記第2シール部材54が一体成形された後、前記金属板に取り付けられる。   The positioning member 62 is integrally formed on the metal plate when the second seal member 54 is integrally formed on the metal plate after the metal plate constituting the second separator 26 is formed and trimmed. After the second seal member 54 is integrally formed, it is attached to the metal plate.

図4及び図5に示すように、位置決め部材62は、略リング状を有し、面26aから第1セパレータ24側に突出する第1凸状部64と、面26bから第3セパレータ28側に突出する第2凸状部66とを有する。第1凸状部64は、リング形状部を所定角度ずつ切り欠いて、例えば、3箇所に突出形成されるとともに、第2凸状部66は、同様に、リング形状部を所定角度ずつ切り欠いて、例えば、3箇所に突出成形される。第1凸状部64の外周直径は、第2凸状部66の外周直径よりも大径に設定される。   As shown in FIGS. 4 and 5, the positioning member 62 has a substantially ring shape, a first convex portion 64 projecting from the surface 26 a to the first separator 24 side, and a surface 26 b from the third separator 28 side. It has the 2nd convex-shaped part 66 which protrudes. The first convex portion 64 is formed by cutting out the ring-shaped portion by a predetermined angle, for example, projecting at three locations, and the second convex portion 66 is similarly formed by cutting out the ring-shaped portion by a predetermined angle. For example, it is protrudingly formed at three locations. The outer peripheral diameter of the first convex portion 64 is set to be larger than the outer peripheral diameter of the second convex portion 66.

位置決め部材62は、第1凸状部64側に円形状穴部(開口部)68を設ける一方、第2凸状部66側に、他の位置決め部材62の穴部68に嵌合して前記位置決め部材62同士を位置決めする突起部70が軸方向(矢印A方向)に膨出形成される。   The positioning member 62 is provided with a circular hole (opening) 68 on the first convex portion 64 side, while being fitted in the hole 68 of another positioning member 62 on the second convex portion 66 side. A protrusion 70 for positioning the positioning members 62 is formed to bulge in the axial direction (arrow A direction).

第1セパレータ24の矢印B方向両端縁部には、樹脂材料製の第1リング部材72が一体成形される(図2及び図3参照)。この第1リング部材72には、第2セパレータ26の第1凸状部64が嵌合する第1孔部(第1凹状部)74が形成される(図4及び図5参照)。   A first ring member 72 made of a resin material is integrally formed at both end edges in the arrow B direction of the first separator 24 (see FIGS. 2 and 3). The first ring member 72 is formed with a first hole portion (first concave portion) 74 into which the first convex portion 64 of the second separator 26 is fitted (see FIGS. 4 and 5).

第3セパレータ28の矢印B方向両端縁部には、樹脂材料製の第2リング部材76が一体成形されるとともに(図2参照)、前記第2リング部材76には、第2セパレータ26の第2凸状部66が嵌合する第2孔部(第2凹状部)78が形成される(図4及び図5参照)。第1孔部74の開口直径は、第2孔部78の開口直径よりも大径に設定される。   A second ring member 76 made of a resin material is integrally formed at both edges of the third separator 28 in the direction of arrow B (see FIG. 2), and the second ring member 76 includes a second ring member 76. A second hole (second concave portion) 78 into which the two convex portions 66 are fitted is formed (see FIGS. 4 and 5). The opening diameter of the first hole 74 is set larger than the opening diameter of the second hole 78.

図2に示すように、第2セパレータ26の外周面中、例えば、矢印B方向一端縁部には、位置決め部材62と同一材料で一体成形されるガイド部80が、外方に突出して設けられる。   As shown in FIG. 2, a guide portion 80 that is integrally formed of the same material as the positioning member 62 is provided on the outer peripheral surface of the second separator 26, for example, at one edge of the arrow B direction so as to protrude outward. .

次に、燃料電池スタック10を組み付ける作業について、以下に説明する。   Next, the operation of assembling the fuel cell stack 10 will be described below.

先ず、燃料電池ユニット12では、第1セパレータ24と第2セパレータ26との間に第1電解質膜・電極構造体22aが配設されるとともに、前記第2セパレータ26と第3セパレータ28との間に第2電解質膜・電極構造体22bが配設される(図2参照)。この状態で、第1乃至第3セパレータ24、26及び28同士が積層方向(矢印A方向)に押圧される。   First, in the fuel cell unit 12, the first electrolyte membrane / electrode structure 22 a is disposed between the first separator 24 and the second separator 26, and between the second separator 26 and the third separator 28. The second electrolyte membrane / electrode structure 22b is disposed (see FIG. 2). In this state, the first to third separators 24, 26, and 28 are pressed in the stacking direction (arrow A direction).

このため、図4及び図5に示すように、第2セパレータ26に一体成形されている位置決め部材62では、第1凸状部64が第1セパレータ24に一体成形されている第1リング部材72の第1孔部74に嵌合する。一方、位置決め部材62の第2凸状部66は、第3セパレータ28に一体成形されている第2リング部材76の第2孔部78に嵌合する。従って、第1乃至第3セパレータ24、26及び28同士は、位置決め機構60を介して位置決めされるとともに、燃料電池ユニット12が組み付けられる。   For this reason, as shown in FIGS. 4 and 5, in the positioning member 62 integrally formed with the second separator 26, the first ring member 72 in which the first convex portion 64 is integrally formed with the first separator 24. The first hole 74 is fitted. On the other hand, the second convex portion 66 of the positioning member 62 is fitted into the second hole 78 of the second ring member 76 that is integrally formed with the third separator 28. Accordingly, the first to third separators 24, 26 and 28 are positioned via the positioning mechanism 60 and the fuel cell unit 12 is assembled.

このように、本実施形態では、燃料電池ユニット12の中央に配設される第2セパレータ26の両面26a、26bに、第1凸状部64と第2凸状部66とが設けられ、この第2セパレータ26を基準にして両側の第1及び第3セパレータ24、28が位置決めされている。具体的には、第2セパレータ26の第1凸状部64が、第1セパレータ24の第1孔部74に嵌合する一方、前記第2セパレータ26の第2凸状部66が、第3セパレータ28の第2孔部78に嵌合している。   Thus, in the present embodiment, the first convex portion 64 and the second convex portion 66 are provided on both surfaces 26a, 26b of the second separator 26 disposed in the center of the fuel cell unit 12, and this The first and third separators 24 and 28 on both sides are positioned with respect to the second separator 26. Specifically, the first convex portion 64 of the second separator 26 is fitted into the first hole 74 of the first separator 24, while the second convex portion 66 of the second separator 26 is third. The separator 28 is fitted in the second hole 78.

このため、位置決め機構60では、簡単な構成及び作業で、第1乃至第3セパレータ24、26及び28同士を精度よく位置決めすることができるという効果が得られる。   For this reason, in the positioning mechanism 60, the effect that the 1st thru | or 3rd separators 24, 26, and 28 can be accurately positioned with a simple structure and operation | work is acquired.

さらに、例えば、第1セパレータ24に凸状部を設け、この凸状部を第2及び第3セパレータ26、28に一体的に貫通して位置決めを行う構成に比べ、第1及び第2凸状部64、66の軸方向の長さが大幅に短尺化される。これにより、第1及び第2凸状部64、66の剛性が有効に向上するとともに、抜き勾配や撓み等が発生し難く、位置決め精度が良好に維持されるという利点がある。   Further, for example, the first and second convex portions are provided in the first separator 24, and the first and second convex portions are compared with the configuration in which the convex portions are integrally penetrated through the second and third separators 26 and 28 for positioning. The axial lengths of the portions 64 and 66 are greatly shortened. Accordingly, there is an advantage that the rigidity of the first and second convex portions 64 and 66 is effectively improved, draft angle and bending are not easily generated, and the positioning accuracy is maintained well.

また、本実施形態では、第1乃至第3セパレータ24、26及び28が金属セパレータで構成されており、これらに第1リング部材72、位置決め部材62及び第2リング部材76が樹脂材料で一体成形されている。従って、位置決め機構60は、部品点数が大幅に削減されるとともに、第1乃至第3セパレータ24、26及び28の位置決め作業が簡単且つ迅速に遂行される。   In the present embodiment, the first to third separators 24, 26, and 28 are formed of metal separators, and the first ring member 72, the positioning member 62, and the second ring member 76 are integrally formed of a resin material. Has been. Therefore, in the positioning mechanism 60, the number of parts is greatly reduced, and the positioning work of the first to third separators 24, 26, and 28 is easily and quickly performed.

しかも、第1及び第2凸状部64、66と、第1及び第2孔部74、78の内壁面とは、樹脂材料で成形されているため嵌合部位の絶縁性を確保することが可能になる。   In addition, since the first and second convex portions 64 and 66 and the inner wall surfaces of the first and second hole portions 74 and 78 are formed of a resin material, it is possible to ensure the insulation of the fitting portion. It becomes possible.

さらに、第1凸状部64は、第2凸状部66よりも大径に形成されるとともに、第1孔部74は、第2孔部78よりも開口直径が大径に設定されている。これにより、第2セパレータ26の第1凸状部64が、第3セパレータ28の第2孔部78に嵌合することがなく、第1乃至第3セパレータ24、26及び28の順序が入れ替わって誤組み立てが発生することを確実に阻止することができるという効果がある。   Further, the first convex portion 64 is formed to have a larger diameter than the second convex portion 66, and the first hole 74 is set to have an opening diameter larger than that of the second hole portion 78. . As a result, the first convex portion 64 of the second separator 26 does not fit into the second hole 78 of the third separator 28, and the order of the first to third separators 24, 26 and 28 is changed. There is an effect that it is possible to reliably prevent the occurrence of misassembly.

上記のように組み付けられた燃料電池ユニット12は、図6に示すように、ガイドレール90に沿って互いに積層される。その際、各燃料電池ユニット12では、略中央に配置されている第2セパレータ26の側部にガイド部80が膨出形成されている。従って、ガイド部80をガイドレール90に沿って案内させるだけで、燃料電池ユニット12同士を容易且つ正確に積層することが可能になる。   The fuel cell units 12 assembled as described above are stacked together along the guide rail 90 as shown in FIG. At that time, in each fuel cell unit 12, a guide portion 80 is bulged and formed on the side portion of the second separator 26 disposed substantially at the center. Therefore, the fuel cell units 12 can be easily and accurately stacked by simply guiding the guide portion 80 along the guide rail 90.

さらに、各燃料電池ユニット12同士が積層される際に、一方の位置決め部材62に設けられている突起部70が、他方の位置決め部材62に設けられている穴部68に嵌合している。このため、燃料電池ユニット12同士の位置決めが容易且つ正確に遂行されるという利点がある。   Further, when the fuel cell units 12 are stacked, the protrusions 70 provided on one positioning member 62 are fitted in the holes 68 provided on the other positioning member 62. For this reason, there exists an advantage that positioning of the fuel cell units 12 is performed easily and accurately.

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、燃料電池スタック10では、酸素含有ガス等の酸化剤ガス(空気)が供給されるとともに、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 10, an oxidant gas (air) such as an oxygen-containing gas is supplied and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied.

図2に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池ユニット12の酸化剤ガス入口連通孔30aに供給されて矢印A方向に移動し、第2セパレータ26の第1酸化剤ガス流路46及び第3セパレータ28の第2酸化剤ガス流路50に導入される。第1酸化剤ガス流路46に導入された酸化剤ガスは、第1電解質膜・電極構造体22aのカソード側電極40に沿って移動する一方、第2酸化剤ガス流路50に導入された酸化剤ガスは、第2電解質膜・電極構造体22bのカソード側電極40に沿って移動する。   As shown in FIG. 2, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a of the fuel cell unit 12 and moves in the direction of the arrow A. 3 is introduced into the second oxidant gas flow path 50 of the separator 28. The oxidant gas introduced into the first oxidant gas flow path 46 moves along the cathode side electrode 40 of the first electrolyte membrane / electrode structure 22a, while being introduced into the second oxidant gas flow path 50. The oxidant gas moves along the cathode side electrode 40 of the second electrolyte membrane / electrode structure 22b.

燃料ガスは、燃料電池ユニット12の燃料ガス入口連通孔32aから第1セパレータ24の第1燃料ガス流路42及び第2セパレータ26の第2燃料ガス流路48に導入される。このため、燃料ガスは、第1及び第2電解質膜・電極構造体22a、22bの各アノード側電極38に沿って移動する。   The fuel gas is introduced into the first fuel gas channel 42 of the first separator 24 and the second fuel gas channel 48 of the second separator 26 from the fuel gas inlet communication hole 32 a of the fuel cell unit 12. Therefore, the fuel gas moves along the anode-side electrodes 38 of the first and second electrolyte membrane / electrode structures 22a and 22b.

従って、第1及び第2電解質膜・電極構造体22a、22bでは、各カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極38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 the first and second electrolyte membrane / electrode structures 22a and 22b, the oxidant gas supplied to each cathode side electrode 40 and the fuel gas supplied to each anode side electrode 38 are in the electrode catalyst layer. In this way, it is consumed by an electrochemical reaction to generate electricity.

次いで、各カソード側電極40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30bに沿って流動した後、燃料電池スタック10から排出される。同様に、各アノード側電極38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32bに排出されて流動し、燃料電池スタック10から排出される。   Next, the oxidant gas supplied to and consumed by each cathode side electrode 40 flows along the oxidant gas outlet communication hole 30 b and is then discharged from the fuel cell stack 10. Similarly, the fuel gas supplied to and consumed by each anode side electrode 38 is discharged to the fuel gas outlet communication hole 32 b, flows, and is discharged from the fuel cell stack 10.

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔34aから燃料電池ユニット12間の冷却媒体流路44に導入された後、矢印C方向に沿って流動する。この冷却媒体は、第1及び第2電解質膜・電極構造体22a、22bを間引き冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bを移動して燃料電池スタック10から排出される。   The cooling medium flows along the direction of arrow C after being introduced into the cooling medium flow path 44 between the fuel cell units 12 from the cooling medium inlet communication hole 34a. After the first and second electrolyte membrane / electrode structures 22a and 22b are thinned and cooled, the cooling medium moves through the cooling medium outlet communication hole 34b and is discharged from the fuel cell stack 10.

10…燃料電池スタック 12…燃料電池ユニット
22a、22b…電解質膜・電極構造体
24、26、28…セパレータ 36…固体高分子電解質膜
38…アノード側電極 40…カソード側電極
42、48…燃料ガス流路 44…冷却媒体流路
46、50…酸化剤ガス流路 60…位置決め機構
62…位置決め部材 64、66…凸状部
68…穴部 70…突起部
72、76…リング部材 74、78…孔部
80…ガイド部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Fuel cell unit 22a, 22b ... Electrolyte membrane and electrode structure 24, 26, 28 ... Separator 36 ... Solid polymer electrolyte membrane 38 ... Anode side electrode 40 ... Cathode side electrode 42, 48 ... Fuel gas Flow path 44 ... Cooling medium flow path 46, 50 ... Oxidant gas flow path 60 ... Positioning mechanism 62 ... Positioning member 64, 66 ... Convex part 68 ... Hole part 70 ... Projection part 72, 76 ... Ring member 74, 78 ... Hole 80 ... Guide part

Claims (4)

電解質の両側に一対の電極を設けた少なくとも第1及び第2電解質・電極構造体と、少なくとも第1、第2及び第3セパレータとを設け、前記第1セパレータ及び前記第2セパレータの間で前記第1電解質・電極構造体を挟持する一方、前記第2セパレータ及び前記第3セパレータの間で前記第2電解質・電極構造体を挟持する燃料電池ユニット備える燃料電池スタックであって
前記第1乃至第3セパレータには、凸状部が凹状部に嵌合することにより相互に位置決めするための樹脂製位置決め部材が設けられるとともに
中央に配設される前記第2セパレータの外周には、前記燃料電池ユニット同士を位置決めするための樹脂製ガイド部が外方に突出して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
At least first and second electrolyte / electrode structures provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte, and at least first, second and third separators are provided between the first separator and the second separator. while sandwiching the first electrolyte electrode assembly, a second separator and the fuel cell stack Ru comprising a fuel cell unit for clamping the second electrolyte electrode assembly between said third separator,
Wherein the first to third separators, together with the resin positioning member for positioning one another is provided by the convex portion is fitted into the concave portion,
Wherein the outer periphery of the second separator, a fuel cell stack plastic guide portion for positioning the fuel cell unit to each other and said Rukoto protrudes outwardly disposed in the center.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記樹脂製ガイド部は、前記第2セパレータに設けられる前記樹脂製位置決め部材に一体成形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 resin guide portion is integrally formed with the resin positioning member provided in the second separator . 請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記樹脂製位置決め部材は、前記第2セパレータの一方の面から前記第1セパレータ側に突出する第1凸状部と
前記第2セパレータの他方の面から前記第3セパレータ側に突出する第2凸状部と
前記第1セパレータに設けられ、前記第1凸状部が嵌合する第1凹状部と、
前記第3セパレータに設けられ、前記第2凸状部が嵌合する第2凹状部と、
を有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 or 2, wherein the resin positioning member includes a first convex portion projecting from one surface of the second separator toward the first separator ,
A second convex portion projecting from the other surface of the second separator to the third separator side ;
A first concave portion provided in the first separator and into which the first convex portion is fitted;
A second concave portion provided in the third separator and into which the second convex portion is fitted;
The fuel cell stack according to claim Rukoto to have a.
請求項13のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第1乃至第3セパレータは、第1乃至第3金属セパレータで構成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 any one of claims 1 to 3, wherein the first to third separators are configured of first to third metal separators .
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