JP6445391B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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Description

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

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

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

燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル(以下、端部発電セルともいう)は、この発電セルに隣接するターミナルプレートやエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。   In the fuel cell stack, there is a power generation cell in which a temperature drop is likely to be caused by heat radiation to the outside as compared with other power generation cells. For example, a power generation cell (hereinafter also referred to as an end power generation cell) arranged at the end in the stacking direction has a large amount of heat released from a terminal plate, an end plate, etc. adjacent to the power generation cell, and the above temperature decrease is remarkable. It has become.

特に、低温環境下では、放熱量が大きくなり、低温側の発電性能が劣化するおそれがある。また、端部発電セルの面内が放熱により結露すると、凝縮水の発生による発電性能の低下が惹起され、膜劣化等のスタック耐久性の低下が懸念される。   In particular, in a low temperature environment, the amount of heat release increases, and the power generation performance on the low temperature side may deteriorate. In addition, when the in-plane of the end power generation cell is dewed by heat dissipation, a decrease in power generation performance due to the generation of condensed water is caused, and there is a concern about a decrease in stack durability such as film deterioration.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックは、発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設されている。少なくとも一方の絶縁部材は、積層体側の端部が開口される凹部を設けるとともに、前記凹部には、断熱部材及びターミナルプレートが収容されている。そして、断熱部材は、ターミナルプレートと積層体との間に積層されている。   Therefore, for example, a fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 is known. The fuel cell stack includes a stacked body in which power generation cells are stacked, and terminal plates, insulating members, and end plates are disposed on both sides in the stacking direction of the stacked body. At least one of the insulating members is provided with a recess in which an end on the laminated body side is opened, and a heat insulating member and a terminal plate are accommodated in the recess. And the heat insulation member is laminated | stacked between the terminal plate and the laminated body.

従って、特許文献1では、簡単な構成で、積層体の端部に配置される端部セルの温度低下を確実に阻止し、良好な発電性能を維持することが可能になる、としている。   Therefore, in Patent Document 1, it is possible to reliably prevent the temperature drop of the end cell arranged at the end of the laminated body with a simple configuration and maintain good power generation performance.

特許第5608713号公報Japanese Patent No. 5608713

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、端部発電セルからの放熱を可及的に抑制することができ、所望の発電性能を確実に維持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 has been made in connection with this type of technology, and can suppress heat dissipation from the end power generation cells as much as possible, and can reliably maintain desired power generation performance. An object is to provide a battery stack.

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

燃料電池スタックでは、絶縁部材とターミナルプレートとの間には、導電性プレートが配置されている。そして、導電性プレートと絶縁部材との間には、該導電性プレートのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成されている。   In the fuel cell stack, a conductive plate is disposed between the insulating member and the terminal plate. A cooling medium passage is formed between the conductive plate and the insulating member to distribute the cooling medium along the plate surface direction of the conductive plate.

また、燃料電池スタックでは、発電セル間には、電極面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、冷却媒体通路は、前記冷却媒体流路に連通することが好ましい。   Further, in the fuel cell stack, it is preferable that a cooling medium flow path for flowing the cooling medium along the electrode surface direction is formed between the power generation cells, and the cooling medium path communicates with the cooling medium flow path. .

さらに、燃料電池スタックでは、絶縁部材には、導電性プレート及びターミナルプレートを収容する凹部が形成されるとともに、冷却媒体通路は、前記凹部を形成する前記絶縁部材の底面に形成されることが好ましい。   Further, in the fuel cell stack, it is preferable that the insulating member is formed with a recess for accommodating the conductive plate and the terminal plate, and the cooling medium passage is formed on the bottom surface of the insulating member that forms the recess. .

本発明によれば、導電性プレートと絶縁部材との間には、該導電性プレートのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成されている。このため、積層体の端部に配置されている端部発電セルからの放熱を可及的に抑制することができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。   According to the present invention, a cooling medium passage is formed between the conductive plate and the insulating member for circulating the cooling medium along the plate surface direction of the conductive plate. For this reason, the heat radiation from the end power generation cells arranged at the end of the laminate can be suppressed as much as possible, and the desired power generation performance can be reliably maintained.

しかも、ターミナルプレートとは別体で導電性プレートを設けるとともに、前記導電性プレートのプレート面に沿って冷却媒体が流通している。従って、ターミナルプレートは、冷却媒体に常時接触することがなく、イオンの溶出を確実に抑制することができ、前記ターミナルプレートの耐久性の向上が容易に遂行可能になる。   In addition, a conductive plate is provided separately from the terminal plate, and a cooling medium circulates along the plate surface of the conductive plate. Therefore, the terminal plate does not always come into contact with the cooling medium, ion elution can be reliably suppressed, and the durability of the terminal plate can be easily improved.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの分解概略斜視図である。1 is an exploded schematic perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの、図1中、II−II線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line II-II in FIG. 1. 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the electric power generation cell which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する一方の絶縁部材の正面説明図である。It is front explanatory drawing of one insulating member which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する他方の絶縁部材の正面説明図である。It is front explanatory drawing of the other insulating member which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成するエンドプレートの斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the end plate which constitutes the fuel cell stack.

図1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、複数の発電セル12が、水平方向(矢印A方向)又は垂直方向(矢印C方向)に積層された積層体12Mを備える。   As shown in FIG. 1, a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention includes a stacked body 12M in which a plurality of power generation cells 12 are stacked in a horizontal direction (arrow A direction) or a vertical direction (arrow C direction). Prepare.

積層体12Mの積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート14a、導電性プレート16a、絶縁部材18a及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。積層体12Mの積層方向他端には、ターミナルプレート14b、導電性プレート16b、絶縁部材18b及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される(図1及び図2参照)。   A terminal plate 14a, a conductive plate 16a, an insulating member 18a, and an end plate 20a are sequentially arranged at one end in the stacking direction (arrow A direction) of the stacked body 12M. At the other end in the stacking direction of the stacked body 12M, a terminal plate 14b, a conductive plate 16b, an insulating member 18b, and an end plate 20b are sequentially disposed outward (see FIGS. 1 and 2).

燃料電池スタック10は、例えば、長方形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持される。なお、燃料電池スタック10は、例えば、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てもよい。   The fuel cell stack 10 is integrally held by, for example, a box-like casing (not shown) including end plates 20a and 20b configured in a rectangular shape as end plates. The fuel cell stack 10 may be integrally clamped and held by a plurality of tie rods (not shown) extending in the direction of arrow A, for example.

発電セル12は、図2及び図3に示すように、第1金属セパレータ22、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)24a、第2金属セパレータ26、第2電解質膜・電極構造体(MEA)24b及び第3金属セパレータ28を設ける。第1金属セパレータ22、第2金属セパレータ26及び第3金属セパレータ28は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等の縦長形状の金属板の断面を凹凸に成形して構成されるが、カーボンセパレータを用いてもよい。なお、発電セルは、MEAを第1セパレータと第2セパレータとの間に挟持して構成してもよい。   As shown in FIGS. 2 and 3, the power generation cell 12 includes a first metal separator 22, a first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) (MEA) 24a, a second metal separator 26, and a second electrolyte. A membrane / electrode structure (MEA) 24b and a third metal separator 28 are provided. The 1st metal separator 22, the 2nd metal separator 26, and the 3rd metal separator 28 are formed by forming a cross section of a vertically long metal plate such as a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, etc. into irregularities, for example. However, a carbon separator may be used. The power generation cell may be configured by sandwiching the MEA between the first separator and the second separator.

図2に示すように、第1電解質膜・電極構造体24a及び第2電解質膜・電極構造体24b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30を備える。固体高分子電解質膜30は、アノード電極32及びカソード電極34により挟持される。アノード電極32は、カソード電極34よりも小さな平面寸法を有する段差MEAを構成しているが、これとは逆に、前記カソード電極34よりも大きな平面寸法を有することもできる。   As shown in FIG. 2, the first electrolyte membrane / electrode structure 24a and the second electrolyte membrane / electrode structure 24b include, for example, a solid polymer electrolyte membrane 30 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water. . The solid polymer electrolyte membrane 30 is sandwiched between an anode electrode 32 and a cathode electrode 34. The anode electrode 32 constitutes a step MEA having a smaller planar dimension than the cathode electrode 34, but on the contrary, it can have a larger planar dimension than the cathode electrode 34.

アノード電極32及びカソード電極34は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜30の両面に形成される。   The anode electrode 32 and the cathode electrode 34 are obtained by uniformly applying a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. And an electrode catalyst layer (not shown) to be formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 30.

図3に示すように、発電セル12の長辺方向(矢印C方向)の上端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔36a及び燃料ガス入口連通孔38aが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔36aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス入口連通孔38aは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する。   As shown in FIG. 3, the oxidant gas inlet communication hole 36a and the fuel gas inlet are communicated with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, at the upper edge of the long side direction (arrow C direction) of the power generation cell 12. A communication hole 38a is provided. The oxidant gas inlet communication hole 36a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. The fuel gas inlet communication hole 38a supplies a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas.

発電セル12の長辺方向(矢印C方向)の下端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔38b及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔36bが設けられる。発電セル12の短辺方向(矢印B方向)の両端縁部上部側には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給する一対の冷却媒体入口連通孔40aが設けられる。発電セル12の短辺方向の両端縁部下部側には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を排出する一対の冷却媒体出口連通孔40bが設けられる。なお、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとを入れ替えて構成してもよい。   The lower end edge of the power generation cell 12 in the long side direction (arrow C direction) communicates with each other in the direction of arrow A, and the fuel gas outlet communication hole 38b for discharging the fuel gas and the oxidant gas outlet for discharging the oxidant gas. A communication hole 36b is provided. A pair of cooling medium inlet communication holes 40a that communicate with each other in the direction of arrow A and supply a cooling medium are provided on the upper side of both edge portions in the short side direction (arrow B direction) of the power generation cell 12. A pair of cooling medium outlet communication holes 40 b that communicate with each other in the direction of arrow A and discharge the cooling medium are provided on the lower side of both edge portions in the short side direction of the power generation cell 12. The fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b may be interchanged.

第1金属セパレータ22の第1電解質膜・電極構造体24aに向かう面22aには、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとを連通する第1燃料ガス流路42が形成される。   A surface 22a of the first metal separator 22 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 24a is formed with a first fuel gas flow path 42 that connects the fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b. .

燃料ガス入口連通孔38aと第1燃料ガス流路42とは、複数の入口連結流路43aを介して連通する一方、燃料ガス出口連通孔38bと前記第1燃料ガス流路42とは、複数の出口連結流路43bを介して連通する。入口連結流路43aは、蓋体45aにより覆われるとともに、出口連結流路43bは、蓋体45bにより覆われる。第1金属セパレータ22の面22bには、一対の冷却媒体入口連通孔40aと一対の冷却媒体出口連通孔40bとを連通する冷却媒体流路44の一部が形成される。   The fuel gas inlet communication hole 38a and the first fuel gas flow path 42 communicate with each other via a plurality of inlet connection flow paths 43a, while the fuel gas outlet communication hole 38b and the first fuel gas flow path 42 have a plurality of numbers. Communicated via the outlet connection flow path 43b. The inlet connection channel 43a is covered with a lid 45a, and the outlet connection channel 43b is covered with a lid 45b. A part of the cooling medium flow path 44 that connects the pair of cooling medium inlet communication holes 40 a and the pair of cooling medium outlet communication holes 40 b is formed on the surface 22 b of the first metal separator 22.

第2金属セパレータ26の第1電解質膜・電極構造体24aに向かう面26aには、酸化剤ガス入口連通孔36aと酸化剤ガス出口連通孔36bとを連通する第1酸化剤ガス流路46が形成される。   On the surface 26a of the second metal separator 26 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 24a, there is a first oxidant gas channel 46 that communicates the oxidant gas inlet communication hole 36a and the oxidant gas outlet communication hole 36b. It is formed.

第2金属セパレータ26の第2電解質膜・電極構造体24bに向かう面26bには、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとを連通する第2燃料ガス流路48が形成される。燃料ガス入口連通孔38aと第2燃料ガス流路48とは、複数の入口連結流路47aを介して連通する一方、燃料ガス出口連通孔38bと前記第2燃料ガス流路48とは、複数の出口連結流路47bを介して連通する。入口連結流路47aは、蓋体49aにより覆われるとともに、出口連結流路47bは、蓋体49bにより覆われる。   A second fuel gas channel 48 that connects the fuel gas inlet communication hole 38a and the fuel gas outlet communication hole 38b is formed on the surface 26b of the second metal separator 26 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 24b. . The fuel gas inlet communication hole 38a and the second fuel gas flow path 48 communicate with each other via a plurality of inlet connection flow paths 47a, while the fuel gas outlet communication hole 38b and the second fuel gas flow path 48 include a plurality of Through the outlet connection channel 47b. The inlet connection channel 47a is covered with a lid 49a, and the outlet connection channel 47b is covered with a lid 49b.

第3金属セパレータ28の第2電解質膜・電極構造体24bに向かう面28aには、酸化剤ガス入口連通孔36aと酸化剤ガス出口連通孔36bとを連通する第2酸化剤ガス流路50が形成される。第3金属セパレータ28の面28bには、冷却媒体流路44の一部が形成される。   A second oxidant gas flow path 50 communicating the oxidant gas inlet communication hole 36a and the oxidant gas outlet communication hole 36b is formed on the surface 28a of the third metal separator 28 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 24b. It is formed. A part of the cooling medium flow path 44 is formed on the surface 28 b of the third metal separator 28.

第1金属セパレータ22の面22a、22bには、この第1金属セパレータ22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金属セパレータ26の面26a、26bには、この第2金属セパレータ26の外周端縁部を周回して第2シール部材54が一体成形される。第3金属セパレータ28の面28a、28bには、この第3金属セパレータ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 22 a and 22 b of the first metal separator 22 around the outer peripheral edge of the first metal separator 22. A second seal member 54 is integrally formed on the surfaces 26 a and 26 b of the second metal separator 26 around the outer peripheral edge of the second metal separator 26. A third seal member 56 is integrally formed on the surfaces 28 a and 28 b of the third metal separator 28 around the outer peripheral edge of the third metal separator 28.

第1シール部材52、第2シール部材54及び第3シール部材56には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。   Examples of the first seal member 52, the second seal member 54, and the third seal member 56 include EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, or acrylic rubber. A sealing member having elasticity such as a sealing material, a cushioning material, or a packing material is used.

図1に示すように、ターミナルプレート14a、14bは、長方形を有し、後述する絶縁部材18a、18bの凹部62a、62bに収容可能な外径寸法に設定される。ターミナルプレート14a、14bの面内中央から離間した位置(面内中央でもよい)には、積層方向外方に延在する端子部58a、58bが設けられる。   As shown in FIG. 1, the terminal plates 14a and 14b have a rectangular shape and are set to have outer diameters that can be accommodated in recesses 62a and 62b of insulating members 18a and 18b described later. Terminal portions 58a and 58b extending outward in the stacking direction are provided at positions separated from the in-plane center of the terminal plates 14a and 14b (or in-plane center).

導電性プレート16a、16bは、例えば、多孔質又は緻密質のカーボンプレートで形成され、ターミナルプレート14a、14bと略同一の外径寸法を有する長方形に設定される。導電性プレート16a、16bの面内中央から離間した位置(面内中央でもよい)には、端子部58a、58bが挿入される孔部60a、60bが形成される。   The conductive plates 16a and 16b are formed of, for example, a porous or dense carbon plate, and are set to a rectangle having substantially the same outer diameter as the terminal plates 14a and 14b. Hole portions 60a and 60b into which the terminal portions 58a and 58b are inserted are formed at positions separated from the in-plane center of the conductive plates 16a and 16b (or the in-plane center).

絶縁部材18a、18bは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート(PC)やフェノール樹脂等で形成されている。絶縁部材18aの導電性プレート16aに対向する面には、中央部に矩形状の凹部62aが設けられる。凹部62aには、ターミナルプレート14aの端子部58aが挿入される孔部64aが連通する。絶縁部材18aには、凹部62aの外方に位置して酸化剤ガス入口連通孔36a、酸化剤ガス出口連通孔36b、燃料ガス入口連通孔38a及び燃料ガス出口連通孔38bが形成される。   The insulating members 18a and 18b are made of an insulating material such as polycarbonate (PC) or phenol resin. On the surface of the insulating member 18a facing the conductive plate 16a, a rectangular recess 62a is provided at the center. A hole 64a into which the terminal portion 58a of the terminal plate 14a is inserted communicates with the recess 62a. The insulating member 18a is formed with an oxidant gas inlet communication hole 36a, an oxidant gas outlet communication hole 36b, a fuel gas inlet communication hole 38a, and a fuel gas outlet communication hole 38b located outside the recess 62a.

図4に示すように、絶縁部材18aの凹部62aを形成する底面62afには、冷却媒体通路66aが形成される。冷却媒体通路66aは、例えば、1本(2本以上でもよい)の流路溝がサーペンタイン流路を形成して上下に延在するとともに、上端部には、冷却媒体供給口68aが連通し、下端部には、冷却媒体排出口70aが連通する。凹部62aには、冷却媒体通路66aを周回してシール部材71aが配設される。   As shown in FIG. 4, a cooling medium passage 66a is formed on the bottom surface 62af that forms the recess 62a of the insulating member 18a. In the cooling medium passage 66a, for example, one (or two or more) flow grooves form a serpentine flow path and extend vertically, and the cooling medium supply port 68a communicates with the upper end portion. The cooling medium discharge port 70a communicates with the lower end portion. In the recess 62a, a seal member 71a is disposed around the cooling medium passage 66a.

冷却媒体供給口68aは、酸化剤ガス入口連通孔36a及び燃料ガス入口連通孔38aの間に配置され、絶縁部材18aの厚さ方向略中央まで延在した後、90゜だけ屈曲して上方に延在し、前記絶縁部材18aの上面部に開放される(図1参照)。冷却媒体排出口70aは、酸化剤ガス出口連通孔36b及び燃料ガス出口連通孔38bの間に配置され、絶縁部材18aの厚さ方向略中央まで延在した後、90゜だけ屈曲して下方に延在し、前記絶縁部材18aの下面部に開放される。   The cooling medium supply port 68a is disposed between the oxidant gas inlet communication hole 36a and the fuel gas inlet communication hole 38a, extends to substantially the center in the thickness direction of the insulating member 18a, and then bends upward by 90 °. It extends and is opened to the upper surface of the insulating member 18a (see FIG. 1). The cooling medium discharge port 70a is disposed between the oxidant gas outlet communication hole 36b and the fuel gas outlet communication hole 38b, extends to substantially the center in the thickness direction of the insulating member 18a, and then bends by 90 ° to the lower side. It extends and opens to the lower surface of the insulating member 18a.

絶縁部材18bの導電性プレート16bに対向する面には、中央部に矩形状の凹部62bが設けられる。凹部62bには、ターミナルプレート14bの端子部58bが挿入される孔部64bが連通する。図1及び図5に示すように、絶縁部材18bには、凹部62bの外方に位置して冷却媒体入口連通孔40a及び冷却媒体出口連通孔40bが形成される。凹部62bには、冷却媒体通路66bを周回してシール部材71bが配設される。   On the surface of the insulating member 18b facing the conductive plate 16b, a rectangular recess 62b is provided at the center. A hole 64b into which the terminal portion 58b of the terminal plate 14b is inserted communicates with the recess 62b. As shown in FIGS. 1 and 5, the insulating member 18b is formed with a cooling medium inlet communication hole 40a and a cooling medium outlet communication hole 40b located outside the recess 62b. In the recess 62b, a seal member 71b is disposed around the cooling medium passage 66b.

図5に示すように、絶縁部材18bの凹部62bを形成する底面62bfには、冷却媒体通路66bが形成される。冷却媒体通路66bは、例えば、1本(2本以上でもよい)の流路溝がサーペンタイン流路を形成して上下に延在するとともに、上端部には、冷却媒体供給口68bが連通し、下端部には、冷却媒体排出口70bが連通する。   As shown in FIG. 5, a cooling medium passage 66b is formed on the bottom surface 62bf that forms the recess 62b of the insulating member 18b. In the cooling medium passage 66b, for example, one (or two or more) flow grooves form a serpentine flow path and extend vertically, and a cooling medium supply port 68b communicates with the upper end portion. The cooling medium discharge port 70b communicates with the lower end portion.

冷却媒体供給口68aは、一方の冷却媒体入口連通孔40a側に近接して配置され、絶縁部材18bの厚さ方向略中央まで延在した後、90゜だけ屈曲して上方に延在し、前記絶縁部材18bの上面部に開放される。冷却媒体排出口70bは、他方の冷却媒体出口連通孔40b側(一方の冷却媒体入口連通孔40aと対角位置)に近接して配置される。冷却媒体排出口70bは、絶縁部材18aの厚さ方向略中央まで延在した後、90゜だけ屈曲して下方に延在し、前記絶縁部材18bの下面部に開放される。   The cooling medium supply port 68a is disposed in the vicinity of one cooling medium inlet communication hole 40a side, extends to substantially the center in the thickness direction of the insulating member 18b, then bends by 90 ° and extends upward, The insulating member 18b is opened to the upper surface portion. The cooling medium discharge port 70b is disposed close to the other cooling medium outlet communication hole 40b side (a position diagonal to the one cooling medium inlet communication hole 40a). The cooling medium discharge port 70b extends to substantially the center in the thickness direction of the insulating member 18a, then bends by 90 ° and extends downward, and is opened to the lower surface portion of the insulating member 18b.

図1に示すように、絶縁部材18aの凹部62aには、導電性プレート16aが収容され、前記導電性プレート16aは、冷却媒体通路66aの開放面を覆う。絶縁部材18bの凹部62bには、導電性プレート16bが収容され、前記導電性プレート16bは、冷却媒体通路66bをシールするシール部材として機能する。   As shown in FIG. 1, a conductive plate 16a is accommodated in the recess 62a of the insulating member 18a, and the conductive plate 16a covers the open surface of the cooling medium passage 66a. A conductive plate 16b is accommodated in the recess 62b of the insulating member 18b, and the conductive plate 16b functions as a seal member for sealing the cooling medium passage 66b.

エンドプレート20aには、酸化剤ガス入口マニホールド72a、酸化剤ガス出口マニホールド72b、燃料ガス入口マニホールド74a及び燃料ガス出口マニホールド74bが形成される。酸化剤ガス入口マニホールド72aは、酸化剤ガス入口連通孔36aに連通し、酸化剤ガス出口マニホールド72bは、酸化剤ガス出口連通孔36bに連通する。燃料ガス入口マニホールド74aは、燃料ガス入口連通孔38aに連通し、燃料ガス出口マニホールド74bは、燃料ガス出口連通孔38bに連通する。   An oxidant gas inlet manifold 72a, an oxidant gas outlet manifold 72b, a fuel gas inlet manifold 74a, and a fuel gas outlet manifold 74b are formed in the end plate 20a. The oxidant gas inlet manifold 72a communicates with the oxidant gas inlet communication hole 36a, and the oxidant gas outlet manifold 72b communicates with the oxidant gas outlet communication hole 36b. The fuel gas inlet manifold 74a communicates with the fuel gas inlet communication hole 38a, and the fuel gas outlet manifold 74b communicates with the fuel gas outlet communication hole 38b.

図1及び図6に示すように、エンドプレート20bには、一対の冷却媒体入口連通孔40aに連通する冷却媒体入口マニホールド76aと、一対の冷却媒体出口連通孔40bに連通する冷却媒体出口マニホールド76bとが設けられる。冷却媒体入口マニホールド76aには、冷却媒体供給口78aが形成される一方、冷却媒体出口マニホールド76bには、冷却媒体排出口78bが形成される。冷却媒体供給口78aと冷却媒体排出口78bとは、対角位置に配置されることが好ましい。   As shown in FIGS. 1 and 6, the end plate 20b includes a cooling medium inlet manifold 76a communicating with the pair of cooling medium inlet communication holes 40a and a cooling medium outlet manifold 76b communicating with the pair of cooling medium outlet communication holes 40b. And are provided. A cooling medium supply port 78a is formed in the cooling medium inlet manifold 76a, and a cooling medium discharge port 78b is formed in the cooling medium outlet manifold 76b. The cooling medium supply port 78a and the cooling medium discharge port 78b are preferably arranged at diagonal positions.

冷却媒体入口マニホールド76aには、冷却媒体供給管80aの一端が接続される。冷却媒体供給管80aの他端は、絶縁部材18aの冷却媒体供給口68a及び絶縁部材18bの冷却媒体供給口68bに接続される。冷却媒体供給管80aの他端は、2分割されてもよく、又は、前記冷却媒体供給管80aを2本用いてもよい。なお、冷却媒体供給口68a及び冷却媒体供給口68bは、外部配管である冷却媒体供給管80aを用いることなく、絶縁部材18b及びエンドプレート20bの内部に設けた配管で接続してもよい。また、以下に説明する冷却媒体排出口70a及び冷却媒体排出口70bも、冷却媒体供給口68a及び冷却媒体供給口68bと同様に構成してもよい。   One end of a cooling medium supply pipe 80a is connected to the cooling medium inlet manifold 76a. The other end of the cooling medium supply pipe 80a is connected to the cooling medium supply port 68a of the insulating member 18a and the cooling medium supply port 68b of the insulating member 18b. The other end of the cooling medium supply pipe 80a may be divided into two parts, or two cooling medium supply pipes 80a may be used. The cooling medium supply port 68a and the cooling medium supply port 68b may be connected by a pipe provided inside the insulating member 18b and the end plate 20b without using the cooling medium supply pipe 80a which is an external pipe. Further, the cooling medium discharge port 70a and the cooling medium discharge port 70b described below may be configured similarly to the cooling medium supply port 68a and the cooling medium supply port 68b.

冷却媒体出口マニホールド76bには、冷却媒体排出管80bの一端が接続される。冷却媒体排出管80bの他端は、絶縁部材18aの冷却媒体排出口70a及び絶縁部材18bの冷却媒体排出口70bに接続される。冷却媒体排出管80bの他端は、2分割されてもよく、又は、前記冷却媒体排出管80bを2本用いてもよい。冷却媒体通路66a、66bは、冷却媒体入口マニホールド76a及び冷却媒体出口マニホールド76bを介して各冷却媒体流路44に連通する。   One end of a cooling medium discharge pipe 80b is connected to the cooling medium outlet manifold 76b. The other end of the cooling medium discharge pipe 80b is connected to the cooling medium discharge port 70a of the insulating member 18a and the cooling medium discharge port 70b of the insulating member 18b. The other end of the cooling medium discharge pipe 80b may be divided into two parts, or two cooling medium discharge pipes 80b may be used. The cooling medium passages 66a and 66b communicate with the respective cooling medium flow paths 44 via the cooling medium inlet manifold 76a and the cooling medium outlet manifold 76b.

図1及び図2に示すように、絶縁部材18bの凹部62bには、導電性プレート16b、ターミナルプレート14b及び導電性の断熱部材82が収容される。断熱部材82は、例えば、それぞれ材質の異なる少なくとも第1断熱部材84と第2断熱部材86とを備え、ターミナルプレート14b側から前記第1断熱部材84と前記第2断熱部材86の順に積層される。第1断熱部材84は、例えば、波板状の金属プレートで構成される一方、第2断熱部材86は、例えば、カーボンプレートで構成される。絶縁部材18aの凹部62aには、同様に断熱部材82が配設される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the conductive plate 16b, the terminal plate 14b, and the conductive heat insulating member 82 are accommodated in the recess 62b of the insulating member 18b. The heat insulating member 82 includes, for example, at least a first heat insulating member 84 and a second heat insulating member 86, which are made of different materials, and the first heat insulating member 84 and the second heat insulating member 86 are stacked in this order from the terminal plate 14b side. . The first heat insulating member 84 is made of, for example, a corrugated metal plate, while the second heat insulating member 86 is made of, for example, a carbon plate. Similarly, a heat insulating member 82 is disposed in the recess 62a of the insulating member 18a.

なお、断熱部材82は、例えば、波板状の2種類の金属プレートを交互に、例えば、2組(あるいは、3組)積層して構成してもよい。また、断熱部材82は、空孔を保持し且つ電気導電性を有する部材であればよく、電気導電性を有する発泡金属、ハニカム形状金属(ハニカム部材)、又は多孔質カーボン(例えば、カーボンペーパ)のいずれかにより構成してもよい。断熱部材82は、1枚でもよく、又は、複数枚を重ねてもよい。   The heat insulating member 82 may be configured by, for example, laminating two types (or three sets) of two corrugated metal plates alternately. The heat insulating member 82 may be any member that retains pores and has electrical conductivity, and is a foam metal, honeycomb-shaped metal (honeycomb member), or porous carbon (for example, carbon paper) having electrical conductivity. You may comprise either. One heat insulating member 82 may be used, or a plurality of heat insulating members 82 may be stacked.

このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

先ず、図1に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート20aの酸化剤ガス入口マニホールド72aから酸化剤ガス入口連通孔36aに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート20aの燃料ガス入口マニホールド74aから燃料ガス入口連通孔38aに供給される。一方、図6に示すように、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート20bの冷却媒体入口マニホールド76aから一対の冷却媒体入口連通孔40aに供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied from the oxidant gas inlet manifold 72a of the end plate 20a to the oxidant gas inlet communication hole 36a. Fuel gas such as hydrogen-containing gas is supplied from the fuel gas inlet manifold 74a of the end plate 20a to the fuel gas inlet communication hole 38a. On the other hand, as shown in FIG. 6, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied from the cooling medium inlet manifold 76a of the end plate 20b to the pair of cooling medium inlet communication holes 40a.

酸化剤ガスは、図3に示すように、酸化剤ガス入口連通孔36aから第2金属セパレータ26の第1酸化剤ガス流路46及び第3金属セパレータ28の第2酸化剤ガス流路50に導入される。酸化剤ガスは、矢印C方向に移動して第1電解質膜・電極構造体24a及び第2電解質膜・電極構造体24bの各カソード電極34に供給される。   As shown in FIG. 3, the oxidant gas flows from the oxidant gas inlet communication hole 36 a to the first oxidant gas channel 46 of the second metal separator 26 and the second oxidant gas channel 50 of the third metal separator 28. be introduced. The oxidant gas moves in the direction of arrow C and is supplied to the cathode electrodes 34 of the first electrolyte membrane / electrode structure 24a and the second electrolyte membrane / electrode structure 24b.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔38aから第1金属セパレータ22の第1燃料ガス流路42及び第2金属セパレータ26の第2燃料ガス流路48に導入される。燃料ガスは、第1燃料ガス流路42及び第2燃料ガス流路48に沿って矢印C方向に移動し、第1電解質膜・電極構造体24a及び第2電解質膜・電極構造体24bの各アノード電極32に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the first fuel gas channel 42 of the first metal separator 22 and the second fuel gas channel 48 of the second metal separator 26 from the fuel gas inlet communication hole 38a. The fuel gas moves in the direction of arrow C along the first fuel gas flow path 42 and the second fuel gas flow path 48, and each of the first electrolyte membrane / electrode structure 24a and the second electrolyte membrane / electrode structure 24b. It is supplied to the anode electrode 32.

従って、第1電解質膜・電極構造体24a及び第2電解質膜・電極構造体24bでは、各カソード電極34に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極32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 / electrode structure 24a and the second electrolyte membrane / electrode structure 24b, the oxidant gas supplied to each cathode electrode 34 and the fuel gas supplied to each anode electrode 32 are electrodes. Electricity is generated by being consumed by an electrochemical reaction in the catalyst layer.

次いで、カソード電極34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36bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極32に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔38bに沿って矢印A方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 34 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 36b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 32 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 38b.

また、図3に示すように、各冷却媒体入口連通孔40aに供給された冷却媒体は、互いに隣接する第1金属セパレータ22と第3金属セパレータ28との間の冷却媒体流路44に導入された後、先ず、互いに近接するように、矢印B方向に流通する。冷却媒体は、矢印C方向(セパレータ長辺方向)に流通して第1電解質膜・電極構造体24a及び第2電解質膜・電極構造体24bを冷却した後、互いに離間するように、矢印B方向に流通して各冷却媒体出口連通孔40bから排出される。   Further, as shown in FIG. 3, the cooling medium supplied to each cooling medium inlet communication hole 40a is introduced into the cooling medium flow path 44 between the first metal separator 22 and the third metal separator 28 adjacent to each other. After that, first, it circulates in the direction of arrow B so as to be close to each other. The cooling medium flows in the direction of the arrow C (the separator long side direction), cools the first electrolyte membrane / electrode structure 24a and the second electrolyte membrane / electrode structure 24b, and then separates them from each other in the direction of the arrow B And is discharged from each cooling medium outlet communication hole 40b.

この場合、本実施形態では、図1、図2及び図5に示すように、導電性プレート16bと絶縁部材18bとの間には、該導電性プレート16bのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路66bが形成されている。このため、冷却媒体入口マニホールド76aに供給された冷却媒体は、冷却媒体供給管80aを流通して絶縁部材18bの冷却媒体供給口68bに供給される。   In this case, in this embodiment, as shown in FIGS. 1, 2, and 5, a cooling medium is provided between the conductive plate 16b and the insulating member 18b along the plate surface direction of the conductive plate 16b. A cooling medium passage 66b to be circulated is formed. Therefore, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet manifold 76a flows through the cooling medium supply pipe 80a and is supplied to the cooling medium supply port 68b of the insulating member 18b.

図5に示すように、冷却媒体供給口68bに供給された冷却媒体は、絶縁部材18bの凹部62bの底面62bfに形成された冷却媒体通路66bに導入される。そして、冷却媒体通路66bに沿って、すなわち、サーペンタイン流路に沿って、冷却媒体が流通した後、前記冷却媒体は、冷却媒体排出口70bに排出される。冷却媒体排出口70bに排出された冷却媒体は、冷却媒体排出管80bを流通して冷却媒体出口マニホールド76bに排出される(図1及び図6参照)。   As shown in FIG. 5, the cooling medium supplied to the cooling medium supply port 68b is introduced into the cooling medium passage 66b formed in the bottom surface 62bf of the recess 62b of the insulating member 18b. Then, after the cooling medium flows along the cooling medium passage 66b, that is, along the serpentine flow path, the cooling medium is discharged to the cooling medium discharge port 70b. The cooling medium discharged to the cooling medium discharge port 70b flows through the cooling medium discharge pipe 80b and is discharged to the cooling medium outlet manifold 76b (see FIGS. 1 and 6).

従って、本実施形態では、積層体12Mの端部に配置されている端部発電セル12endからの放熱を可及的に抑制することができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる(図2参照)。 Therefore, in this embodiment, the heat radiation from the end power generation cell 12 end disposed at the end of the stacked body 12M can be suppressed as much as possible, and the desired power generation performance can be reliably maintained. (See FIG. 2).

しかも、ターミナルプレート14bとは別体で導電性プレート16bを設けるとともに、前記導電性プレート16bのプレート面に沿って冷却媒体が流通している。これにより、ターミナルプレート14bは、冷却媒体に常時接触することがなく、イオンの溶出を確実に抑制することができ、前記ターミナルプレート14bの耐久性の向上が容易に遂行可能になる。   In addition, the conductive plate 16b is provided separately from the terminal plate 14b, and the cooling medium flows along the plate surface of the conductive plate 16b. As a result, the terminal plate 14b does not always come into contact with the cooling medium, and ion elution can be reliably suppressed, and the durability of the terminal plate 14b can be easily improved.

また、ターミナルプレート14a側には、冷却媒体通路66aが設けられており、上記のターミナルプレート14b側の冷却媒体通路66bと同様の効果が得られる。なお、冷却媒体通路66a、66bは、必要に応じて少なくとも一方のみを設けてもよい。   Further, a cooling medium passage 66a is provided on the terminal plate 14a side, and the same effect as the cooling medium passage 66b on the terminal plate 14b side can be obtained. Note that at least one of the cooling medium passages 66a and 66b may be provided as necessary.

10…燃料電池スタック 12…発電セル
12end…端部発電セル 12M…積層体
14a、14b…ターミナルプレート 16a、16b…導電性プレート
18a、18b…絶縁部材 20a、20b…エンドプレート
22、26、28…金属セパレータ 24a、24b…電解質膜・電極構造体
30…固体高分子電解質膜 32…アノード電極
34…カソード電極 36a…酸化剤ガス入口連通孔
36b…酸化剤ガス出口連通孔 38a…燃料ガス入口連通孔
38b…燃料ガス出口連通孔 40a…冷却媒体入口連通孔
40b…冷却媒体出口連通孔 42、48…燃料ガス流路
44…冷却媒体流路 46、50…酸化剤ガス流路
52、54、56…シール部材 62a、62b…凹部
66a、66b…冷却媒体通路 68a、68b…冷却媒体供給口
70a、70b…冷却媒体排出口 76a…冷却媒体入口マニホールド
76b…冷却媒体出口マニホールド 80a…冷却媒体供給管
80b…冷却媒体排出管 82、84、86…断熱部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Power generation cell 12 end ... End part power generation cell 12M ... Laminated body 14a, 14b ... Terminal plate 16a, 16b ... Conductive plate 18a, 18b ... Insulation member 20a, 20b ... End plate 22, 26, 28 ... Metal separators 24a, 24b ... electrolyte membrane / electrode structure 30 ... solid polymer electrolyte membrane 32 ... anode electrode 34 ... cathode electrode 36a ... oxidant gas inlet communication hole 36b ... oxidant gas outlet communication hole 38a ... fuel gas inlet communication Hole 38b ... Fuel gas outlet communication hole 40a ... Cooling medium inlet communication hole 40b ... Cooling medium outlet communication hole 42, 48 ... Fuel gas flow path 44 ... Cooling medium flow path 46, 50 ... Oxidant gas flow path 52, 54, 56 ... Seal members 62a and 62b ... Recesses 66a and 66b ... Cooling medium passages 68a and 68b ... Cooling medium supply port 70a 70b ... coolant discharge port 76a ... coolant inlet manifold 76 b ... coolant outlet manifold 80a ... coolant supply pipe 80b ... coolant discharge pipe 82, 84, 86 ... heat insulating member

Claims (3)

電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが積層される積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
前記絶縁部材と前記ターミナルプレートとの間には、導電性プレートが配置されるとともに、
前記導電性プレートと前記絶縁部材との間には、該導電性プレートのプレート面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体通路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
A power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte and a separator, and a terminal plate, an insulating member, and an end are provided on both sides in the stacking direction of the stacked body in which the plurality of power generation cells are stacked A fuel cell stack in which a plate is disposed,
A conductive plate is disposed between the insulating member and the terminal plate,
A fuel cell stack, characterized in that a cooling medium passage is formed between the conductive plate and the insulating member for flowing a cooling medium along a plate surface direction of the conductive plate.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記発電セル間には、電極面方向に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、
前記冷却媒体通路は、前記冷却媒体流路に連通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 a cooling medium flow path for flowing a cooling medium along the electrode surface direction is formed between the power generation cells.
The fuel cell stack, wherein the coolant passage communicates with the coolant passage.
請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記絶縁部材には、前記導電性プレート及び前記ターミナルプレートを収容する凹部が形成されるとともに、
前記冷却媒体通路は、前記凹部を形成する前記絶縁部材の底面に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the insulating member is formed with a recess for accommodating the conductive plate and the terminal plate,
The fuel cell stack, wherein the cooling medium passage is formed on a bottom surface of the insulating member that forms the recess.
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