JP6090842B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池の積層方向の両端には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関する。 The present invention comprises a fuel cell in which an electrolyte membrane and electrode structure each provided with an electrode and a separator are laminated on both sides of the electrolyte membrane, and a terminal plate at both ends in the stacking direction of the plurality of fuel cells. The present invention relates to a fuel cell stack in which an insulator and an end plate are disposed.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方側にアノード電極が、他方側にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持している。燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、前記燃料電池スタックは、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されて車載用燃料電池システムとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode on one side and a cathode electrode on the other side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided as a pair. It is pinched by the separator. In general, a plurality of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack. The fuel cell stack is mounted on, for example, a fuel cell electric vehicle and used as an in-vehicle fuel cell system.
燃料電池スタックでは、複数の燃料電池が積層された積層体の積層方向両端に、それぞれターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが、順次、積層されている。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、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に、前記積層体とターミナルプレートとの間に位置し、燃料電池に対応して、所謂、ダミーセルが配設されている。ダミーセルは、電解質膜の代わりに金属板を用いており、発電による生成水が生成されないため、前記ダミーセル自体が断熱層として機能することができる。 In the fuel cell stack, a terminal plate, an insulator, and an end plate are sequentially stacked at both ends in the stacking direction of the stacked body in which a plurality of fuel cells are stacked. For example, in the fuel cell stack disclosed in Patent Document 1, at least one end in the stacking direction of the stacked body is located between the stacked body and the terminal plate, so-called in correspondence with the fuel cell, A dummy cell is provided. The dummy cell uses a metal plate in place of the electrolyte membrane, and water generated by power generation is not generated. Therefore, the dummy cell itself can function as a heat insulating layer.
ところで、上記の燃料電池スタックでは、セパレータ又は電解質膜・電極構造体の少なくとも一方に、燃料電池の積層方向に貫通して反応ガス連通孔である燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔が設けられるとともに、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が前記積層方向に貫通して設けられた内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。 By the way, in the fuel cell stack described above, at least one of the separator or the electrolyte membrane / electrode structure, a fuel gas inlet communication hole that is a reaction gas communication hole penetrating in the stacking direction of the fuel cell, an oxidant gas inlet communication hole, In many cases, an internal manifold type fuel cell is provided in which a fuel gas outlet communication hole and an oxidant gas outlet communication hole are provided, and a cooling medium inlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole are provided penetrating in the stacking direction. .
その際、例えば、各連通孔の他、位置決め用ノック孔、バッファ部の外形及びシール部材の形状等が点対称位置に設けられたセパレータが採用されている。このため、燃料電池が、所望の姿勢から面内で180度回転(反転)した姿勢で積層されても、積層方向両端には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設されることがある。 At that time, for example, a separator in which positioning knock holes, the outer shape of the buffer portion, the shape of the seal member, and the like are provided at point-symmetric positions in addition to the communication holes is employed. For this reason, even if the fuel cells are stacked in a posture rotated (inverted) 180 degrees in the plane from a desired posture, terminal plates, insulators, and end plates may be disposed at both ends in the stacking direction.
しかしながら、反応ガスや冷却媒体の流配や圧損バランス等の関係から、例えば、入口側のバッファ部と出口側のバッファ部とでは、異なる構成を採用する場合がある。また、各連通孔でも、入口側と出口側とで開口面積が異なる構成を有する場合がある。従って、燃料電池が反転した状態で組み付けられると、所望の発電性能が得られないという問題がある。 However, different configurations may be employed, for example, between the buffer part on the inlet side and the buffer part on the outlet side, for example, due to the relationship between the distribution of the reaction gas and the cooling medium and the pressure loss balance. In addition, each communication hole may have a configuration in which the opening area is different between the inlet side and the outlet side. Therefore, when the fuel cell is assembled in an inverted state, there is a problem that desired power generation performance cannot be obtained.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池の誤組み付けを容易且つ確実に阻止することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can easily and reliably prevent erroneous assembly of a fuel cell with a simple configuration.
本発明は、電解質膜の両側に、それぞれ電極が設けられる電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、前記セパレータには、電極面に沿って少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス流路と、高さHの複数のエンボスを備え、発電領域外で前記反応ガス流路の入口側に連通し前記反応ガスを均等に流通させる入口バッファ部と、高さHの複数のエンボスを備え、前記発電領域外で前記反応ガス流路の出口側に連通し前記反応ガスを均等に流通させる出口バッファ部とを備え、前記燃料電池の積層方向の両端には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。 The present invention has a fuel cell in which an electrolyte membrane and electrode structure each provided with an electrode and a separator are laminated on both sides of the electrolyte membrane, and a plurality of the fuel cells are laminated. A reaction gas flow path for supplying a reaction gas that is at least a fuel gas or an oxidant gas along the electrode surface, and a plurality of embosses having a height H, communicated with the inlet side of the reaction gas flow path outside the power generation region An outlet buffer for uniformly flowing the reaction gas; and a plurality of embosses having a height of H, and an outlet buffer for evenly flowing the reaction gas in communication with the outlet side of the reaction gas channel outside the power generation region. And a terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed at both ends in the stacking direction of the fuel cell.
この燃料電池スタックでは、ターミナルプレートは、インシュレータよりも小さな平面寸法を有し、前記インシュレータに形成された凹部に収容されている。そして、インシュレータは、燃料電池の積層体の端部を構成するセパレータに直接接触する部位に、前記セパレータの入口バッファ部における前記複数のエンボスが存在しない領域に対応し、前記入口バッファ部側に高さSだけ突出して形成される入口側裏受け部、及び出口バッファ部における前記複数のエンボスが存在しない領域に対応し、前記出口バッファ部側に高さSだけ突出して形成される出口側裏受け部が設けられ、且つ、前記入口側裏受け部と前記出口側裏受け部とは、非点対称に構成され、前記入口側裏受け部と前記出口バッファ部側の複数のエンボスのうちの少なくとも一つは点対称に構成され、前記出口側裏受け部と前記入口バッファ部側の複数のエンボスうちの少なくとも一つは点対称に構成され、S<Hの関係を満たす。 In this fuel cell stack, the terminal plate has a smaller plane size than the insulator, and is accommodated in a recess formed in the insulator. The insulator corresponds to a region where the plurality of embossments in the inlet buffer portion of the separator do not exist at a portion in direct contact with the separator constituting the end portion of the fuel cell stack, and is high on the inlet buffer portion side. The outlet side backing portion formed to protrude by a height S on the outlet buffer portion side, corresponding to the region where the plurality of embosses do not exist in the outlet buffer portion, and the inlet side backing portion formed to protrude by the length S And the inlet side backing portion and the outlet side backing portion are configured to be asymmetrical, and at least of the plurality of embossments on the inlet side backing portion and the outlet buffer portion side. One is configured point-symmetrically, and at least one of the plurality of embosses on the outlet side backing portion and the inlet buffer portion side is configured point-symmetrically and satisfies the relationship of S <H. .
また、この燃料電池スタックでは、セパレータには、反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔が形成されるとともに、反応ガス流路と前記反応ガス入口連通孔とに接続される入口バッファ部と、前記反応ガス流路と前記反応ガス出口連通孔とに接続される出口バッファ部とは、それぞれ高さTのライン状凸部を有し、前記入口バッファ部の前記ライン状凸部と前記出口バッファ部の前記ライン状凸部とは、非点対称に構成され、S+T=Hの関係を満たすことが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, the separator is formed with a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole through which the reaction gas flows in the stacking direction, and the reaction gas channel and the reaction gas inlet communication hole are formed in the separator. The inlet buffer portion to be connected, and the outlet buffer portion connected to the reaction gas flow path and the reaction gas outlet communication hole each have a line-shaped convex portion having a height T, and the inlet buffer portion It is preferable that the line-shaped convex portion and the line-shaped convex portion of the outlet buffer portion are configured to be asymmetric with respect to each other and satisfy the relationship S + T = H.
さらに、この燃料電池スタックでは、セパレータには、冷却媒体を積層方向に流通させる冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成されるとともに、少なくとも反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、点対称の位置に設けられることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, the separator is formed with a cooling medium inlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole for circulating the cooling medium in the stacking direction, and at least a reaction gas inlet communication hole, a reaction gas outlet communication hole, It is preferable that the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole are provided at point-symmetric positions.
本発明によれば、インシュレータは、隣接するセパレータに接触する部位に、入口バッファ部に対応する入口側裏受け部と、出口バッファ部に対応する出口側裏受け部とが設けられるとともに、前記入口側裏受け部と前記出口側裏受け部とは、非点対称に構成されている。 According to the present invention, the insulator is provided with an inlet-side backing portion corresponding to the inlet buffer portion and an outlet-side backing portion corresponding to the outlet buffer portion at a portion contacting the adjacent separator, and the inlet The side back receiving portion and the outlet side back receiving portion are configured to be asymmetric with respect to a point.
このため、セパレータが反転(面内中心を支点にして180゜回転)した際、前記セパレータの入口バッファ部及び出口バッファ部と、インシュレータの出口側裏受け部及び入口側裏受け部とが積層方向に重なり合うことがない。従って、簡単な構成で、燃料電池の誤組み付けを容易且つ確実に阻止することが可能になる。 For this reason, when the separator is reversed (rotated 180 ° with the in-plane center as a fulcrum), the separator inlet buffer portion and outlet buffer portion and the insulator outlet side backing portion and inlet side backing portion are stacked in the stacking direction. Do not overlap. Accordingly, it is possible to easily and reliably prevent erroneous assembly of the fuel cell with a simple configuration.
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の発電ユニット(燃料電池)12が立位姿勢で水平方向(矢印A方向)に積層された積層体13を備える。なお、積層体13は、複数の発電ユニット12を重力方向(矢印C方向)に積層してもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
積層体13の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート100a、インシュレータ102a及びエンドプレート104aが外方に向かって、順次、配設される。積層体13の積層方向他端には、ターミナルプレート100b、インシュレータ102b及びエンドプレート104bが外方に向かって、順次、配設される。
A
燃料電池スタック10は、例えば、長方形に構成されるエンドプレート104a、104bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持され、あるいは、矢印A方向に延在する複数のタイロッド(図示せず)により一体的に締め付け保持される。
The
図2〜図5に示すように、発電ユニット12は、第1金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ20を設ける。第1金属セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、第2金属セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3金属セパレータ20は、水平方向(矢印A方向)に沿って積層されるとともに、電極面が重力方向に沿った鉛直姿勢で且つ水平方向(矢印B方向)に長尺な横長形状を有する。
As shown in FIGS. 2 to 5, the
第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した横長形状の金属板により構成される。第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。
The
なお、金属セパレータに代えて、カーボンセパレータを使用してもよい。第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、後述するように、連通孔、バッファ部外形及びシール部材形状等が点対称の位置に設けられる。点対称とは、平面内で180゜回転して位置が重なる関係をいう。
A carbon separator may be used instead of the metal separator. As will be described later, the
図3に示すように、発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、具体的には、第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20の長辺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22a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔24bが設けられる。
As shown in FIG. 3, specifically, the length of the
発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔24a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔22bが設けられる。
The other end edge of the
発電ユニット12の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔22aに近接し、矢印A方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔25aが設けられる。発電ユニット12の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔24aに近接し、矢印A方向に互いに連通して冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔25bが設けられる。
A pair of cooling medium inlets for supplying a cooling medium in close proximity to the oxidant gas
図6に示すように、第1金属セパレータ14の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとに連通する第1酸化剤ガス流路26が形成される。
As shown in FIG. 6, the
第1酸化剤ガス流路26は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(又は直線状流路溝部)26aを有するとともに、前記第1酸化剤ガス流路26の入口近傍と出口近傍とには、入口バッファ部28aと出口バッファ部28bとが設けられる。
The first
入口バッファ部28aは、複数のエンボス28aeと1以上のライン状凸部(ガイドベーン)28agとを有する。出口バッファ部28bは、複数のエンボス28beと1以上のライン状凸部(ガイドベーン)28bgとを有する。ライン状凸部28agとライン状凸部28bgとは、それぞれ酸化剤ガスの配流や圧損バランスを考慮して設けられており、互いに非点対称(さらに、必要に応じて、異なる長さや異なる個数)に構成される。第1金属セパレータ14が180゜回転(反転)された際、ライン状凸部28agとライン状凸部28bgとは、互いに重なり合わない位置に配置される。
The
入口バッファ部28aと酸化剤ガス入口連通孔22aとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝30aが形成される。出口バッファ部28bと酸化剤ガス出口連通孔22bとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝30bが形成される。
Between the
図3に示すように、第1金属セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔25aと冷却媒体出口連通孔25bとを連通する冷却媒体流路38が形成される。冷却媒体流路38は、第1酸化剤ガス流路26の裏面形状と後述する第2燃料ガス流路58の裏面形状とが重なり合って形成される。
As shown in FIG. 3, a cooling
図7に示すように、第2金属セパレータ18の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bとを連通する第1燃料ガス流路40が形成される。第1燃料ガス流路40は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(又は直線状流路溝部)40aを有する。燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、複数の供給孔部42aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、複数の排出孔部42bが形成される。
As shown in FIG. 7, the first fuel gas that communicates the fuel gas
図8に示すように、第2金属セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとを連通する第2酸化剤ガス流路50が形成される。第2酸化剤ガス流路50は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(又は直線状流路溝部)50aを有する。
As shown in FIG. 8, the
第2酸化剤ガス流路50の入口近傍と出口近傍とには、入口バッファ部52aと出口バッファ部52bとが設けられる。入口バッファ部52aは、複数のエンボス52aeと1以上のライン状凸部(ガイドベーン)52agとを有する。出口バッファ部52bは、複数のエンボス52beと1以上のライン状凸部(ガイドベーン)52bgとを有する。
An
ライン状凸部52agとライン状凸部52bgとは、それぞれ酸化剤ガスの配流や圧損バランスを考慮して設けられており、互いに非点対称(さらに、必要に応じて、異なる長さや異なる個数)に構成される。 The line-shaped protrusions 52ag and the line-shaped protrusions 52bg are provided in consideration of the distribution of the oxidant gas and the pressure loss balance, respectively, and are astigmatic with respect to each other (and with different lengths and different numbers as necessary). Configured.
第2金属セパレータ18が180゜回転(反転)された際、ライン状凸部52agとライン状凸部52bgとは、互いに重なり合わない位置に配置される。図9に示すように、エンボス52aeは、ライン状凸部52agよりも高さSだけ積層方向(矢印A方向)に高く設定される。同様に、エンボス52beは、ライン状凸部52bgよりも高さSだけ高く設定される。
When the
なお、上記とは反対に、ライン状凸部52agは、エンボス52aeよりも積層方向の高さを高く設定してもよい。また、第1金属セパレータ14の入口バッファ部28a及び出口バッファ部28bは、上記の入口バッファ部52a及び出口バッファ部52bと同様に構成してもよい。さらに、本発明は、エンドプレート104a側又はエンドプレート104b側の少なくとも一方に適用することができる。
Contrary to the above, the line-shaped convex portions 52ag may be set higher in the stacking direction than the embossed 52ae. Further, the
図8に示すように、入口バッファ部52aと酸化剤ガス入口連通孔22aとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の入口連結溝53aが形成される。出口バッファ部52bと酸化剤ガス出口連通孔22bとの間には、ブリッジ部を構成する複数本の出口連結溝53bが形成される。
As shown in FIG. 8, a plurality of
図3に示すように、第3金属セパレータ20の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bに連通する第2燃料ガス流路58が形成される。第2燃料ガス流路58は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(又は直線状流路溝部)58aを有する。
As shown in FIG. 3, the second fuel gas flow communicating with the fuel gas
燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、複数の供給孔部60aが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、複数の排出孔部60bが形成される。図3及び図4に示すように、供給孔部60aは、第2金属セパレータ18の供給孔部42aよりも内側(燃料ガス流路側)に配置される一方、排出孔部60bは、前記第2金属セパレータ18の排出孔部42bよりも内側(燃料ガス流路側)に配置される。
A plurality of
第3金属セパレータ20の面20bには、第2燃料ガス流路58の裏面形状である冷却媒体流路38の一部が形成される。第3金属セパレータ20の面20bには、前記第3金属セパレータ20に隣接する第1金属セパレータ14の面14bが積層されることにより、冷却媒体流路38が一体に設けられる。
A part of the
第1金属セパレータ14の面14a、14bには、この第1金属セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材68が一体成形される。第2金属セパレータ18の面18a、18bには、この第2金属セパレータ18の外周端縁部を周回して第2シール部材70が一体成形されるとともに、第3金属セパレータ20の面20a、20bには、この第3金属セパレータ20の外周端縁部を周回して第3シール部材72が一体成形される。
A
第1シール部材68、第2シール部材70及び第3シール部材72としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール材が用いられる。
Examples of the
図6に示すように、第1シール部材68は、第1金属セパレータ14の面14aにおいて、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bと、第1酸化剤ガス流路26との外周を連通する第1凸状シール部68aを有する。第1シール部材68は、図3に示すように、第1金属セパレータ14の面14bにおいて、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25bと冷却媒体流路38との外周を連通する第2凸状シール部68bを有する。
As shown in FIG. 6, the
図7に示すように、第2シール部材70は、第2金属セパレータ18の面18aにおいて、供給孔部42a及び排出孔部42bと、第1燃料ガス流路40とを囲繞してこれらを連通させる第1凸状シール部70aを有する。
As shown in FIG. 7, the
図8に示すように、第2シール部材70は、面18bにおいて、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bと、第2酸化剤ガス流路50との外周を連通する第2凸状シール部70bを有する。
As shown in FIG. 8, the
図3に示すように、第3シール部材72は、第3金属セパレータ20の面20aにおいて、供給孔部60a及び排出孔部60bと、第2燃料ガス流路58とを囲繞してこれらを連通する第1凸状シール部72aを有する。
As shown in FIG. 3, the
第3シール部材72は、第3金属セパレータ20の面20bにおいて、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25bと冷却媒体流路38との外周を連通する第2凸状シール部72bを有する。
The
図2に示すように、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16b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74と、前記固体高分子電解質膜74を挟持するカソード電極76及びアノード電極78とを備える。カソード電極76は、アノード電極78及び固体高分子電解質膜74の平面寸法よりも小さな平面寸法を有する段差型MEAを構成している。
As shown in FIG. 2, the first electrolyte membrane /
なお、カソード電極76、アノード電極78及び固体高分子電解質膜74は、同一の平面寸法に設定してもよく、前記アノード電極78は、前記カソード電極76及び固体高分子電解質膜74の平面寸法よりも小さな平面寸法を有していてもよい。
The
カソード電極76及びアノード電極78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74の両面に形成される。
The
第1電解質膜・電極構造体16aは、カソード電極76の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜74の外周縁部に第1樹脂枠部材80が、例えば、射出成形等により一体成形される。第2電解質膜・電極構造体16bは、カソード電極76の終端部外方に位置して固体高分子電解質膜74の外周縁部に第2樹脂枠部材82が、例えば、射出成形等により一体成形される。第1樹脂枠部材80及び第2樹脂枠部材82を構成する樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
The first electrolyte membrane /
図3に示すように、第1樹脂枠部材80のカソード電極76側の面には、酸化剤ガス入口連通孔22aと第1酸化剤ガス流路26の入口側との間に位置して入口バッファ部84aが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔22bと第1酸化剤ガス流路26の出口側との間に位置して、出口バッファ部84bが設けられる。入口バッファ部84a及び出口バッファ部84bは、それぞれ複数のエンボスと複数の直線流路とを有する。以下に説明する他のバッファ部も、同様である。
As shown in FIG. 3, the inlet of the first
図10に示すように、第1樹脂枠部材80のアノード電極78側の面には、燃料ガス入口連通孔24aと第1燃料ガス流路40との間に位置して入口バッファ部86aが設けられるとともに、燃料ガス出口連通孔24bと前記第1燃料ガス流路40との間に位置して、出口バッファ部86bが設けられる。
As shown in FIG. 10, the surface of the first
図3に示すように、第2電解質膜・電極構造体16bに設けられる第2樹脂枠部材82は、カソード電極76側の面に、酸化剤ガス入口連通孔22aと第2酸化剤ガス流路50との間に位置して入口バッファ部88aを設ける。酸化剤ガス出口連通孔22bと第2酸化剤ガス流路50との間には、出口バッファ部88bが形成される。
As shown in FIG. 3, the second
第2樹脂枠部材82のアノード電極78側の面には、図11に示すように、燃料ガス入口連通孔24aと第2燃料ガス流路58との間に位置して入口バッファ部90aが設けられる。燃料ガス出口連通孔24bと第2燃料ガス流路58との間に位置して、出口バッファ部90bが設けられる。
On the surface of the second
発電ユニット12同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット12を構成する第1金属セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3金属セパレータ20との間には、冷却媒体流路38が形成される。
When the
図1に示すように、積層体13の積層方向両端には、第2金属セパレータ18が配置される。積層方向両端の各第2金属セパレータ18に隣接するターミナルプレート100a、100bの略中央には、積層方向外方に延在する端子部106a、106bが設けられる。端子部106a、106bは、絶縁性筒体108に挿入されてエンドプレート104a、104bの外部に突出する。インシュレータ102a、102b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。
As shown in FIG. 1,
インシュレータ102a、102bは、中央部に矩形状の凹部110a、110bが設けられるとともに、この凹部110a、110bの略中央に孔部112a、112bが形成される。凹部110a、110bには、ターミナルプレート100a、100bが収容され、前記ターミナルプレート100a、100bの端子部106a、106bが絶縁性筒体108を介装して孔部112a、112bに挿入される。
エンドプレート104a、104bの略中央部には、孔部112a、112bと同軸的に孔部114a、114bが形成される。エンドプレート104a、104bには、酸化剤ガス入口連通孔22a、燃料ガス入口連通孔24a、2つの冷却媒体入口連通孔25a、酸化剤ガス出口連通孔22b、燃料ガス出口連通孔24b及び2つの冷却媒体出口連通孔25bが形成される。
インシュレータ102aの第2金属セパレータ18に接触する面側の外周部には、前記第2金属セパレータ18の面18a側の凹凸形状に対応して凹凸形状部を設けてもよい。
An uneven portion corresponding to the uneven shape on the
図12に示すように、インシュレータ102bの第2金属セパレータ18に接触する面側には、前記第2金属セパレータ18の面18b側の凹凸形状に対応して凹凸形状部120が設けられる。凹凸形状部120は、第2金属セパレータ18の入口バッファ部52aを構成するライン状凸部52agに対応する入口側裏受け部120aと、出口バッファ部52bを構成するライン状凸部52bgに対応する出口側裏受け部120bとを有する。
As shown in FIG. 12, a concavo-
図5に示すように、入口側裏受け部120aは、エンボス52aeとライン状凸部52agとの段差に対応してインシュレータ102bの面から高さSだけ突出して形成される。出口側裏受け部120bは、同様にインシュレータ102bの面から高さSだけ突出して形成される。入口側裏受け部120aと出口側裏受け部120bとは、互いに非点対称に構成される。
As shown in FIG. 5, the inlet
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
先ず、図1に示すように、エンドプレート104aを介して、酸化剤ガス入口連通孔22aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔24aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔25aには、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, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、図3及び図5に示すように、酸化剤ガス入口連通孔22aから入口バッファ部84aを通って第1金属セパレータ14の第1酸化剤ガス流路26に供給される。酸化剤ガスの一部は、酸化剤ガス入口連通孔22aから入口バッファ部88aを通って第2金属セパレータ18の第2酸化剤ガス流路50に導入される。
Therefore, as shown in FIGS. 3 and 5, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas
酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス流路26に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのカソード電極76に供給されるとともに、第2酸化剤ガス流路50に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード電極76に供給される。
The oxidant gas moves in the direction of arrow B (horizontal direction) along the first oxidant
一方、燃料ガスは、図3及び図4に示すように、燃料ガス入口連通孔24aから供給孔部42aを通って入口バッファ部86aに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部86aを通って第2金属セパレータ18の第1燃料ガス流路40に供給される。燃料ガスの一部は、燃料ガス入口連通孔24aから供給孔部60aを通って入口バッファ部90aに供給される。燃料ガスは、入口バッファ部90aを通って第3金属セパレータ20の第2燃料ガス流路58に供給される。
On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, the fuel gas is supplied from the fuel gas
燃料ガスは、第1燃料ガス流路40に沿って矢印B方向に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのアノード電極78に供給されるとともに、第2燃料ガス流路58に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極78に供給される。
The fuel gas moves in the direction of arrow B along the first fuel
従って、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bでは、各カソード電極76に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極78に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Therefore, in the first electrolyte membrane /
次いで、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bの各カソード電極76に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部84b、88bから酸化剤ガス出口連通孔22bに排出される(図3参照)。
Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the
第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極78に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部86b、90bから排出孔部42b、60bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される。
The fuel gas consumed by being supplied to the
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔25aに供給された冷却媒体は、図3に示すように、各冷却媒体入口連通孔25aから冷却媒体流路38に供給される。冷却媒体は、一旦矢印C方向内方に沿って流動した後、矢印B方向に移動して第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bを冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔25bに排出される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the pair of left and right cooling medium
この場合、本実施形態では、図12に示すように、インシュレータ102bの第2金属セパレータ18に接触する面側には、前記第2金属セパレータ18の入口バッファ部52aを構成するライン状凸部52agに対応する入口側裏受け部120aと、該第2金属セパレータ18の出口バッファ部52bを構成するライン状凸部52bgに対応する出口側裏受け部120bとが設けられている。
In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 12, the line-shaped convex part 52ag which comprises the
そして、入口側裏受け部120aと出口側裏受け部120bとは、それぞれインシュレータ102bの面から高さSだけ突出して形成されるとともに、互いに非点対称に構成されている。一方、図9に示すように、エンボス52aeは、ライン状凸部52agよりも高さSだけ積層方向に高く設定されている。さらに、エンボス52beは、ライン状凸部52bgよりも高さSだけ積層方向に高く設定されている。
The inlet-
このため、第2金属セパレータ18が、所望の姿勢でインシュレータ102bに当接する際には、図5に示すように、入口側裏受け部120aとライン状凸部52agとが確実に当接している。なお、出口側裏受け部120bとライン状凸部52bgとは、同様に確実に当接している。
For this reason, when the
ここで、第2金属セパレータ18が、正規の姿勢から180゜回転(反転)した状態で、インシュレータ102bに当接する場合がある。その際、第2金属セパレータ18のライン状凸部52ag及びライン状凸部52bgと、インシュレータ102bの出口側裏受け部120b及び入口側裏受け部120aとは、積層方向に互いに重なり合うことがない。図8に示すように、ライン状凸部52agとライン状凸部52bgとが、互いに非点対称に構成されているからである。
Here, the
従って、インシュレータ102bの出口側裏受け部120b及び入口側裏受け部120aは、ライン状凸部52ag及びライン状凸部52bgよりも高さの高いエンボス52ae及びエンボス52beに当接する。
Therefore, the outlet
これにより、インシュレータ102bと第2金属セパレータ18との当接部位には、がたつき等が発生し、誤組み付けであることが容易に了解される。このため、本実施形態では、簡単な構成で、発電ユニット12の誤組み付けを容易且つ確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
As a result, rattling or the like occurs at the contact portion between the
なお、本実施形態で、第1電解質膜・電極構造体16aと第2電解質膜・電極構造体16bとの間に冷却媒体流路が設けられない、所謂、間引き冷却構造を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、各電解質膜・電極構造体毎に冷却媒体流路を設ける各セル冷却構造にも適用することができる。
In the present embodiment, a so-called thinning cooling structure is adopted in which no cooling medium flow path is provided between the first electrolyte membrane /
10…燃料電池スタック 12…発電ユニット
13…積層体 14、18、20…金属セパレータ
16a、16b…電解質膜・電極構造体
22a…酸化剤ガス入口連通孔 22b…酸化剤ガス出口連通孔
24a…燃料ガス入口連通孔 24b…燃料ガス出口連通孔
25a…冷却媒体入口連通孔 25b…冷却媒体出口連通孔
26、50…酸化剤ガス流路
28a、52a、84a、86a、88a、90a…入口バッファ部
28b、52b、84b、86b、88b、90b…出口バッファ部
28ae、28be、52ae、52be…エンボス
28ag、28bg、52ag、52bg…ライン状凸部
38…冷却媒体流路 40、58…燃料ガス流路
68、70、72…シール部材 74…固体高分子電解質膜
76…カソード電極 78…アノード電極
80、82…樹脂枠部材 100a、100b…ターミナルプレート
102a、102b…インシュレータ
104a、104b…エンドプレート
120…凹凸形状部 120a…入口裏受け部
120b…出口裏受け部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ターミナルプレートは、前記インシュレータよりも小さな平面寸法を有し、該インシュレータに形成された凹部に収容されるとともに、
前記インシュレータは、前記燃料電池の積層体の端部を構成する前記セパレータに直接接触する部位に、該セパレータの前記入口バッファ部における前記複数のエンボスが存在しない領域に対応し、前記入口バッファ部側に高さSだけ突出して形成される入口側裏受け部、及び前記出口バッファ部における前記複数のエンボスが存在しない領域に対応し、前記出口バッファ部側に高さSだけ突出して形成される出口側裏受け部が設けられ、且つ、前記入口側裏受け部と前記出口側裏受け部とは、非点対称に構成され、前記入口側裏受け部と前記出口バッファ部側の複数のエンボスのうちの少なくとも一つは点対称に構成され、前記出口側裏受け部と前記入口バッファ部側の複数のエンボスうちの少なくとも一つは点対称に構成され、S<Hの関係を満たすことを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell in which an electrolyte membrane and electrode structure each provided with an electrode and a separator are laminated on both sides of the electrolyte membrane, and a plurality of the fuel cells are laminated. A reaction gas flow path for supplying a reaction gas that is at least a fuel gas or an oxidant gas, and a plurality of embosses having a height H, and communicates with an inlet side of the reaction gas flow path outside the power generation region. And an outlet buffer section that includes a plurality of embosses having a height H and communicates with the outlet side of the reaction gas channel outside the power generation region and distributes the reaction gas evenly. A fuel cell stack in which a terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed at both ends in the stacking direction of the fuel cell,
The terminal plate has a smaller plane size than the insulator, and is accommodated in a recess formed in the insulator,
The insulator corresponds to a region where the plurality of embossments in the inlet buffer portion of the separator do not exist at a portion in direct contact with the separator constituting the end portion of the stack of the fuel cell, and the inlet buffer side height inlet side back receiving portion formed only projects S, and corresponds to a region where the plurality of embossing is not present in the outlet buffer, the outlet is formed to protrude by a height S in the outlet buffer side A side backing part is provided, and the inlet side backing part and the outlet side backing part are configured asymmetrically, and a plurality of embosses on the inlet side backing part and the outlet buffer part side are provided. At least one of them is configured point-symmetrically, at least one of the plurality of embosses on the outlet side backing portion and the inlet buffer portion side is configured point-symmetrically, and S <H Fuel cell stack and satisfies the engagement.
前記反応ガス流路と前記反応ガス入口連通孔とに接続される前記入口バッファ部と、前記反応ガス流路と前記反応ガス出口連通孔とに接続される前記出口バッファ部とは、それぞれ高さTのライン状凸部を有し、
前記入口バッファ部の前記ライン状凸部と前記出口バッファ部の前記ライン状凸部とは、非点対称に構成され、S+T=Hの関係を満たす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 separator has a reaction gas inlet communication hole and a reaction gas outlet communication hole through which the reaction gas flows in the stacking direction.
The inlet buffer section connected to the reaction gas flow path and the reaction gas inlet communication hole, and the outlet buffer section connected to the reaction gas flow path and the reaction gas outlet communication hole are each height. It has a line-shaped convex part of T ,
The fuel cell stack, wherein the line-shaped convex portion of the inlet buffer portion and the line-shaped convex portion of the outlet buffer portion are configured to be asymmetric with respect to each other and satisfy a relationship of S + T = H.
少なくとも前記反応ガス入口連通孔、前記反応ガス出口連通孔、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、点対称の位置に設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 2, wherein the separator is formed with a cooling medium inlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole through which the cooling medium flows in the stacking direction,
At least the reaction gas inlet communication hole, the reaction gas outlet communication hole, the cooling medium inlet communication hole, and the cooling medium outlet communication hole are provided at point-symmetric positions.
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