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JP2005243286A - Fuel cell stack - Google Patents

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JP2005243286A
JP2005243286A JP2004048045A JP2004048045A JP2005243286A JP 2005243286 A JP2005243286 A JP 2005243286A JP 2004048045 A JP2004048045 A JP 2004048045A JP 2004048045 A JP2004048045 A JP 2004048045A JP 2005243286 A JP2005243286 A JP 2005243286A
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JP
Japan
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fuel cell
cell stack
power generation
spacer
communication hole
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004048045A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideaki Kikuchi
英明 菊池
Masaru Oda
優 小田
Kentaro Nagoshi
健太郎 名越
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2004048045A priority Critical patent/JP2005243286A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】各単セルの発電部及び該発電部の周囲にそれぞれ所望の締め付け荷重を付与するとともに、排水構造を簡素化することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック10は、複数の単セル12が積層された積層体14を備え、前記積層体14とエンドプレート20bとの間に絶縁性の厚さ調整用スペーサ部材22が介装される。スペーサ部材22は、発電部47aに対向する内側スペーサ60と、マニホールド部47bに対向して前記内側スペーサ60とは個別に進退可能であるとともに、ドレン孔部66a、66bが形成される外側スペーサ62とを備える。
【選択図】図5

It is possible to apply a desired tightening load to the power generation unit of each single cell and the periphery of the power generation unit, and to simplify the drainage structure.
A fuel cell stack includes a stacked body in which a plurality of single cells are stacked, and an insulating thickness adjusting spacer member is interposed between the stacked body and an end plate. Is done. The spacer member 22 can be moved forward and backward separately from the inner spacer 60 facing the power generation portion 47a and the inner spacer 60 facing the manifold portion 47b, and the outer spacer 62 in which drain hole portions 66a and 66b are formed. With.
[Selection] Figure 5

Description

本発明は、電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体を、それぞれ断面凹凸形状の反応ガス流路が形成された一対の金属セパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層される燃料電池スタックに関する。   The present invention comprises a single cell that sandwiches an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte with a pair of metal separators each having a reaction gas flow path having a concavo-convex shape in cross section. The present invention relates to a stacked fuel cell stack.

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、電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。   For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. In this fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure comprising an anode catalyst and a cathode electrode composed of an electrode catalyst and porous carbon is provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a separator (bipolar plate) Is pinched by.

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

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックでは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を加圧保持する必要がある。   Normally, this fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) is stacked in order to obtain a desired power generation. In this fuel cell stack, it is necessary to pressurize and hold the stacked fuel cells in order to prevent an increase in the internal resistance of the fuel cell and a decrease in the sealing performance of the reaction gas.

その際、燃料電池は、中央部に設けられる発電部と、該発電部の周囲に設けられる連通孔をシールするマニホールド部とを備えており、前記発電部と前記マニホールド部とでは、それぞれの最適締め付け荷重が異なっている。このため、例えば、特許文献1に開示されているように、マニホールド部が位置する領域を締め付ける第1の締め付け手段と、発電部が位置する領域を締め付ける第2の締め付け手段とを備えた固体高分子型燃料電池が知られている。   In this case, the fuel cell includes a power generation unit provided in the central portion and a manifold unit that seals a communication hole provided around the power generation unit, and each of the power generation unit and the manifold unit is optimal. Tightening load is different. For this reason, for example, as disclosed in Patent Document 1, a solid height provided with a first fastening means for fastening the region where the manifold portion is located and a second fastening means for fastening the region where the power generation portion is located. Molecular fuel cells are known.

この特許文献1の燃料電池は、具体的には、図6に示すように、複数の単セル1が積層された燃料電池積層体2を備え、この燃料電池積層体2の積層方向両端に、エンドプレート3、4が配置されている。エンドプレート3、4は、締め付け板5a、5bに挟持されるとともに、前記締め付け板5a、5bは、ボルト6により積層方向に締め付けられている。   Specifically, as shown in FIG. 6, the fuel cell of Patent Document 1 includes a fuel cell stack 2 in which a plurality of single cells 1 are stacked, and the fuel cell stack 2 has both ends in the stacking direction. End plates 3 and 4 are arranged. The end plates 3 and 4 are sandwiched between fastening plates 5 a and 5 b, and the fastening plates 5 a and 5 b are fastened in the stacking direction by bolts 6.

エンドプレート4は、発電部に臨む中央板部4aと、マニホールド部に臨む枠状板部4bとから分離構成されている。枠状板部4bは、ボルト6を介して締め付け板5a、5b間に付与される締め付け力によりマニホールド部に対して締め付け力を付与する一方、中央板部4aは、締め付け板5bに配置されている複数のボルト7を介して発電部に対して締め付け力を付与している。従って、発電部とマニホールド部とは、それぞれ適合した締め付け力を付与することができる、としている。   The end plate 4 is configured to be separated from a central plate portion 4a facing the power generation portion and a frame-shaped plate portion 4b facing the manifold portion. The frame-shaped plate portion 4b applies a tightening force to the manifold portion by a tightening force applied between the tightening plates 5a and 5b via the bolt 6, while the central plate portion 4a is disposed on the tightening plate 5b. A tightening force is applied to the power generation unit through a plurality of bolts 7. Therefore, the power generation unit and the manifold unit can apply appropriate tightening forces.

特開平8−88018号公報(図3)JP-A-8-88018 (FIG. 3)

しかしながら、上記の特許文献1では、発電部に所望の締め付け力を付与するために、締め付け板5bに配設された複数のボルト7を調整しなければならず、各ボルト7の調整作業が相当に煩雑化し、作業性が低下するという問題が指摘される。さらに、ボルト7に代えて、複数の皿ばねや調整板又はベローズ等を用いることが開示されているが、部品数が増加するとともに、積層方向に長尺化するという問題がある。   However, in Patent Document 1 described above, a plurality of bolts 7 arranged on the fastening plate 5b must be adjusted in order to give a desired fastening force to the power generation unit, and the adjustment work for each bolt 7 is considerable. However, it is complicated and the workability is lowered. Furthermore, it is disclosed that a plurality of disc springs, adjustment plates, bellows, or the like is used in place of the bolt 7, but there is a problem that the number of parts increases and the length is increased in the stacking direction.

また、エンドプレート4を構成する中央板部4a及び枠状板部4bは、導電性を有している。このため、マニホールド部に生成される水を排出するために、枠状板部4bにドレン穴を形成しようとすると、生成水によって短絡が惹起されるおそれがある。これにより、例えば、枠状板部4bにドレン穴を形成するとともに、このドレン穴に絶縁性グロメッドを装着しなければならず、燃料電池の組み立て作業性が低下するとともに、経済的ではないという問題がある。   Moreover, the center plate part 4a and the frame-shaped board part 4b which comprise the end plate 4 have electroconductivity. For this reason, when drain holes are formed in the frame-like plate portion 4b in order to discharge water generated in the manifold portion, there is a possibility that a short circuit is caused by the generated water. As a result, for example, a drain hole must be formed in the frame-like plate portion 4b, and an insulating grommet must be attached to the drain hole, which reduces the assembly workability of the fuel cell and is not economical. There is.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、各単セルの発電部及び該発電部の周囲にそれぞれ所望の締め付け荷重を付与するとともに、排水構造を簡単且つ経済的に構成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 it is possible to easily and economically configure the drainage structure while applying a desired tightening load to the power generation section of each single cell and the periphery of the power generation section. An object of the present invention is to provide a simple fuel cell stack.

本発明は、電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体を、それぞれ断面凹凸形状の反応ガス流路が形成された一対の金属セパレータで挟持する単セルを備え、前記単セルは、中央部分に発電部が設けられる一方、該発電部の周囲に少なくとも反応ガスを積層方向に流す反応ガス連通孔を含むマニホールド部が設けられるとともに、複数の前記単セルが積層される燃料電池スタックである。   The present invention comprises a single cell sandwiching an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte with a pair of metal separators each having a concavo-convex reaction gas flow path, the single cell comprising a central cell A fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked while a power generation unit is provided at a portion, a manifold unit including a reaction gas communication hole that flows at least a reaction gas in the stacking direction is provided around the power generation unit .

燃料電池スタックは、少なくとも単セルの積層方向一端側に配設される絶縁性の厚さ調整用スペーサ部材を備え、前記厚さ調整用スペーサ部材は、発電部に対向する内側スペーサと、マニホールド部に対向して前記内側スペーサとは個別に進退可能であるとともに、反応ガス連通孔に連通して排水を行うドレン開口部が形成される外側スペーサとを設けている。   The fuel cell stack includes an insulating thickness adjusting spacer member disposed at least on one end side in the stacking direction of the single cells. The thickness adjusting spacer member includes an inner spacer facing the power generation unit, and a manifold unit. The outer spacer is provided separately from the inner spacer so as to be capable of advancing and retreating, and having a drain opening communicating with the reaction gas communication hole for draining.

また、外側スペーサに隣接してエンドプレートが配設されるとともに、前記エンドプレートには、前記外側スペーサに形成されるドレン開口部に連通するドレン孔部が形成され、且つ前記ドレン孔部に絶縁性グロメッドが装着されることが好ましい。   An end plate is disposed adjacent to the outer spacer, and a drain hole portion communicating with a drain opening formed in the outer spacer is formed in the end plate, and the drain hole portion is insulated. It is preferable that a sex grommet is attached.

さらに、複数の単セルが積層された積層体を収容する箱状ケーシングを備えることが好ましい。   Furthermore, it is preferable to provide a box-shaped casing that houses a stacked body in which a plurality of single cells are stacked.

本発明では、内側スペーサと外側スペーサとを介して発電部とマニホールド部とに所望の締め付け荷重を付与することができ、簡単且つ小型な構成で、信頼性及び耐久性の向上を図ることが可能になる。しかも、絶縁性の外側スペーサが使用されるため、この外側スペーサに形成されるドレン開口部に生成水が付着しても、短絡することがない。これにより、例えば、ドレン開口部に絶縁グロメットを装着する必要がなく、部品点数の削減を図ることができ、経済的である。   In the present invention, a desired tightening load can be applied to the power generation unit and the manifold unit via the inner spacer and the outer spacer, and reliability and durability can be improved with a simple and small configuration. become. Moreover, since an insulating outer spacer is used, even if generated water adheres to the drain opening formed in the outer spacer, there is no short circuit. Thereby, for example, it is not necessary to attach an insulating grommet to the drain opening, and the number of parts can be reduced, which is economical.

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10の一部分解概略斜視図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の概略斜視図であり、図3は、前記燃料電池スタック10の一部断面側面図である。   FIG. 1 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic perspective view of the fuel cell stack 10, and FIG. It is a partial cross section side view.

図1に示すように、燃料電池スタック10は、複数の単セル12が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を備える。積層体14の積層方向(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18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。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of single cells 12 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction). A terminal plate 16a, an insulating plate 18 and an end plate 20a are sequentially disposed at one end in the stacking direction (arrow A direction) of the stacked body 14 toward the outside.

積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、絶縁性の厚さ調整用スペーサ部材22及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック10は、四角形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24により一体的に保持される。   At the other end in the stacking direction of the stacked body 14, a terminal plate 16b, an insulating thickness adjusting spacer member 22 and an end plate 20b are sequentially disposed outward. The fuel cell stack 10 is integrally held by a box-shaped casing 24 including end plates 20a and 20b each having a rectangular shape as end plates.

ターミナルプレート16a、16bの略中央には、図1に示すように、積層方向外方に延在する端子部26a、26bが設けられる。端子部26a、26bは、絶縁性筒体28a、28bに挿入されてエンドプレート20a、20bの外部に突出する(図3参照)。ターミナルプレート16bは、スペーサ部材22に形成される矩形状の開口部29に収容される(図1参照)。   As shown in FIG. 1, terminal portions 26a and 26b extending outward in the stacking direction are provided at substantially the center of the terminal plates 16a and 16b. The terminal portions 26a and 26b are inserted into the insulating cylinders 28a and 28b and project outside the end plates 20a and 20b (see FIG. 3). The terminal plate 16b is accommodated in a rectangular opening 29 formed in the spacer member 22 (see FIG. 1).

図3及び図4に示すように、各単セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する第1及び第2金属セパレータ32、34とを備える。第1及び第2金属セパレータ32、34は、金属製薄板を波形状やディンプル形状等にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。   As shown in FIGS. 3 and 4, each single cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 30, and first and second metal separators that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 30. 32, 34. The first and second metal separators 32 and 34 have a concavo-convex shape by pressing a metal thin plate into a wave shape, a dimple shape, or the like.

単セル12の長辺方向(図4中、矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔36a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔38a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔40bが設けられる。   An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to one end edge of the long side direction of the single cell 12 (the arrow B direction in FIG. 4) in communication with the arrow A direction. A communication hole 36a, a cooling medium supply communication hole 38a for supplying a cooling medium, and a fuel gas discharge communication hole 40b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.

単セル12の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔40a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔38b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔36bが設けられる。   The other end edge in the long side direction of the single cell 12 communicates with each other in the direction of the arrow A, the fuel gas supply communication hole 40a for supplying fuel gas, and the cooling medium discharge communication hole for discharging the cooling medium. 38b and an oxidizing gas discharge communication hole 36b for discharging the oxidizing gas are provided.

電解質膜・電極構造体30は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜42と、前記固体高分子電解質膜42を挟持するアノード側電極44及びカソード側電極46とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 42 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 44 and a cathode side electrode 46 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 42. With.

アノード側電極44及びカソード側電極46は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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た電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜42の両面に接合される。   The anode side electrode 44 and the cathode side electrode 46 are composed of a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And have. The electrode catalyst layer is bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 42.

単セル12では、アノード側電極44及びカソード側電極46を含む発電部47aが中央部に設けられる一方、該発電部47aの周囲に酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を流すマニホールド部47bが設けられる。   In the single cell 12, a power generation unit 47a including the anode side electrode 44 and the cathode side electrode 46 is provided in the central portion, and a manifold unit 47b for flowing an oxidant gas, a fuel gas, and a cooling medium is provided around the power generation unit 47a. It is done.

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

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

第1金属セパレータ32の面32a、32bには、この第1金属セパレータ32の外周端部を周回して第1シール部材54が一体成形される。第1シール部材54は、面32aで燃料ガス供給連通孔40a、燃料ガス排出連通孔40b及び燃料ガス流路48を囲繞してこれらを連通させる一方、面32bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50を囲繞してこれらを連通させる。第1シール部材54は、面32aに凸部55aを設けるとともに、面32bに凸部55bを設ける。   A first seal member 54 is integrally formed on the surfaces 32 a and 32 b of the first metal separator 32 around the outer peripheral end of the first metal separator 32. The first seal member 54 surrounds the fuel gas supply communication hole 40a, the fuel gas discharge communication hole 40b, and the fuel gas flow path 48 on the surface 32a so as to communicate with each other, and on the surface 32b, the cooling medium supply communication hole 38a, The medium discharge communication hole 38b and the cooling medium flow path 50 are surrounded and communicated with each other. The first seal member 54 has a convex portion 55a on the surface 32a and a convex portion 55b on the surface 32b.

第2金属セパレータ34の面34a、34bには、この第2金属セパレータ34の外周端部を周回して第2シール部材56が一体成形される。第2シール部材56は、面34aで酸化剤ガス供給連通孔36a、酸化剤ガス排出連通孔36b及び酸化剤ガス流路52を囲繞してこれらを連通させる一方、面34bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50を囲繞してこれらを連通させる。第2シール部材56は、面34aに凸部58を設ける。   A second seal member 56 is integrally formed on the surfaces 34 a and 34 b of the second metal separator 34 around the outer peripheral end of the second metal separator 34. The second seal member 56 surrounds and communicates the oxidant gas supply communication hole 36a, the oxidant gas discharge communication hole 36b, and the oxidant gas flow path 52 on the surface 34a, while the cooling medium supply communication hole on the surface 34b. 38a, the cooling medium discharge communication hole 38b, and the cooling medium flow path 50 are surrounded and communicated. The second seal member 56 has a convex portion 58 on the surface 34a.

図1及び図5に示すように、スペーサ部材22は、発電部47aに対向する内側スペーサ60と、マニホールド部47bに対向して前記内側スペーサ60とは個別に進退可能な外側スペーサ62とを備える。内側スペーサ60及び外側スペーサ62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 FIGS. 1 and 5, the spacer member 22 includes an inner spacer 60 that faces the power generation portion 47 a and an outer spacer 62 that faces the manifold portion 47 b and can be advanced and retracted separately from the inner spacer 60. . The inner spacer 60 and the outer spacer 62 are made of an insulating material such as polycarbonate (PC) or phenol resin.

内側スペーサ60は、額縁状に構成されており、矩形状の開口部29を設け、この開口部29にターミナルプレート16bが収容される。外側スペーサ62は、枠状に構成されており、酸化剤ガス排出連通孔36b及び燃料ガス排出連通孔40bに連通して排水を行うドレン開口部64a、64bが形成される。   The inner spacer 60 is configured in a frame shape, provided with a rectangular opening 29, and the terminal plate 16 b is accommodated in the opening 29. The outer spacer 62 is formed in a frame shape, and drain openings 64a and 64b are formed to communicate with the oxidant gas discharge communication hole 36b and the fuel gas discharge communication hole 40b to drain water.

内側スペーサ60の厚さT1と外側スペーサ62の厚さT2とは、後述するように、それぞれ個別に発電部47aとマニホールド部47bとに設定荷重を加えた際のスタック高さを求め、それぞれのスタック高さの寸法差から設定されている。   As will be described later, the thickness T1 of the inner spacer 60 and the thickness T2 of the outer spacer 62 are obtained by respectively obtaining the stack height when a set load is applied to the power generation section 47a and the manifold section 47b. It is set from the dimensional difference of the stack height.

エンドプレート20bには、ドレン開口部64a、64bに連通するドレン孔部66a、66bが形成されるとともに、前記ドレン孔部66a、66bには、絶縁性グロメッド68a、68bが装着される。   The end plate 20b is formed with drain holes 66a and 66b communicating with the drain openings 64a and 64b. The drain holes 66a and 66b are provided with insulating grommets 68a and 68b.

ケーシング24は、図1に示すように、端板であるエンドプレート20a、20bと、積層体14の側部に配置される複数の側板70a〜70dと、前記側板70a〜70dの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材(例えば、Lアングル)72a〜72dと、前記エンドプレート20a、20bと前記側板70a〜70dとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン74a、74bとを備える。   As shown in FIG. 1, the casing 24 includes end plates 20 a and 20 b that are end plates, a plurality of side plates 70 a to 70 d disposed on the side of the laminated body 14, and end portions of the side plates 70 a to 70 d that are close to each other. Angle members (for example, L angles) 72a to 72d that connect the portions, and connecting pins 74a and 74b that connect the end plates 20a and 20b and the side plates 70a to 70d, respectively, having different lengths.

エンドプレート20a、20bの上下各辺には、それぞれ2つの第1連結部76a、76bが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ1つの第1連結部76c、76dが突出形成される。エンドプレート20a、20bの両側の各辺下端には、マウント用ボス部78a、78bが形成される。このボス部78a、78bが、図示しない搭載部位にボルト等を介して固定されることにより、燃料電池スタック10を、例えば、車両に搭載する。   Two first connection portions 76a and 76b are formed to protrude from the upper and lower sides of the end plates 20a and 20b, respectively, and one first connection portion 76c and 76d is formed to protrude from each side of each side. The Mount boss portions 78a and 78b are formed at the lower ends of the sides of the end plates 20a and 20b. The boss portions 78a and 78b are fixed to mounting portions (not shown) via bolts or the like, so that the fuel cell stack 10 is mounted on, for example, a vehicle.

積層体14の横方向両側に配置される側板70a、70cの長手方向両端には、第2連結部80a、80bが2つずつ形成される。積層体14の上下両側に配置される側板70b、70dの長手方向両端には、第2連結部82a、82bが3つずつ形成される。   Two second connecting portions 80a and 80b are formed at both ends in the longitudinal direction of the side plates 70a and 70c arranged on both sides in the lateral direction of the laminated body 14, respectively. Three second connecting portions 82a and 82b are formed at both ends in the longitudinal direction of the side plates 70b and 70d disposed on both the upper and lower sides of the laminated body 14, respectively.

側板70a、70cの各第2連結部80a、80b間には、エンドプレート20a、20bの両側の各辺の第1連結部76c、76dが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン74aが一体的に挿入されて、前記側板70a、70cが前記エンドプレート20a、20bに取り付けられる。   Between the second connecting portions 80a and 80b of the side plates 70a and 70c, first connecting portions 76c and 76d on both sides of the end plates 20a and 20b are arranged, and a short connecting pin 74a is integrally formed therewith. The side plates 70a and 70c are attached to the end plates 20a and 20b.

同様に、側板70b、70dの第2連結部82a、82bがエンドプレート20a、20bの上辺及び下辺の第1連結部76a、76bと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン74bが一体的に挿入されて、前記側板70b、70dが前記エンドプレート20a、20bに取り付けられる。   Similarly, the second connecting portions 82a and 82b of the side plates 70b and 70d are alternately arranged with the first connecting portions 76a and 76b on the upper and lower sides of the end plates 20a and 20b, and a long connecting pin 74b is provided on these. The side plates 70b and 70d are attached integrally to the end plates 20a and 20b.

側板70a〜70dには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔84が形成される一方、アングル部材72a〜72dの各辺には、前記ねじ孔84に対応して孔部86が形成される。各孔部86に挿入される各ねじ88がねじ孔84に螺合することにより、アングル部材72a〜72dを介して側板70a〜70d同士が固定される。これにより、ケーシング24が構成される(図2参照)。   In the side plates 70a to 70d, a plurality of screw holes 84 are formed at both edges in the short direction, respectively, while holes 86 are formed on the sides of the angle members 72a to 72d corresponding to the screw holes 84, respectively. Is done. When the screws 88 inserted into the holes 86 are screwed into the screw holes 84, the side plates 70a to 70d are fixed to each other via the angle members 72a to 72d. Thereby, the casing 24 is configured (see FIG. 2).

なお、アングル部材72a〜72dにねじ孔を形成する一方、側板70a〜70dに孔部を形成し、前記アングル部材72a〜72dを前記側板70a〜70dの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。   While the screw holes are formed in the angle members 72a to 72d, the holes are formed in the side plates 70a to 70d, and the angle members 72a to 72d are disposed inward of the side plates 70a to 70d, and these are integrated. Alternatively, it may be screwed.

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2に示すように、燃料電池スタック10では、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給連通孔36aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔40aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔38aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体14では、矢印A方向に重ね合わされた複数の単セル12に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印A方向に供給される。   First, as shown in FIG. 2, in the fuel cell stack 10, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas supply communication hole 36a of the end plate 20a, and hydrogen is contained in the fuel gas supply communication hole 40a. Fuel gas such as gas is supplied. Further, a coolant such as pure water or ethylene glycol is supplied to the coolant supply passage 38a. For this reason, in the laminated body 14, oxidant gas, fuel gas, and a cooling medium are each supplied to the some cell 12 piled up by the arrow A direction at the arrow A direction.

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

従って、各電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極46に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極44に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる(図3参照)。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 30, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 46 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 44 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed (see FIG. 3).

次いで、カソード側電極46に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔36bに沿って流動した後、エンドプレート20aから外部に排出される。同様に、アノード側電極44に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔40bに排出されて流動し、エンドプレート20aから外部に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 46 flows along the oxidant gas discharge communication hole 36b, and then is discharged to the outside from the end plate 20a. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 44 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 40b, flows, and is discharged from the end plate 20a to the outside.

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔38aから第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、冷却媒体排出連通孔38bを移動してエンドプレート20aから排出される。   The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling medium flow path 50 between the first and second metal separators 32 and 34 from the cooling medium supply communication hole 38a. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 30, and then moves through the cooling medium discharge communication hole 38b and is discharged from the end plate 20a.

この場合、本実施形態では、図1及び図5に示すように、エンドプレート20bに近接してスペーサ部材22が配設されるとともに、このスペーサ部材22は、単セル12の発電部47aに対向する内側スペーサ60と、この発電部47aの周囲に設けられているマニホールド部47bに対向して前記内側スペーサ60とは個別に進退可能な外側スペーサ62とを設けている。   In this case, in this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 5, the spacer member 22 is disposed in the vicinity of the end plate 20 b, and the spacer member 22 faces the power generation unit 47 a of the single cell 12. An inner spacer 60 is provided, and an outer spacer 62 is provided so as to face the manifold portion 47b provided around the power generation portion 47a and can be moved forward and backward separately from the inner spacer 60.

このため、発電部47aとマニホールド部47bとには、内側スペーサ60と外側スペーサ62とを介して、個別に所望の締め付け荷重を付与することができる。   For this reason, a desired tightening load can be individually applied to the power generation unit 47 a and the manifold unit 47 b via the inner spacer 60 and the outer spacer 62.

具体的には、先ず、発電部47aに対向して測定用スペーサ(図示せず)のみを設置し、燃料電池スタック10にこの発電部47aの設定荷重を加えてスタック高さを測定する。次いで、マニホールド部47bにのみ図示しない測定用スペーサを設置し、燃料電池スタック10にこのマニホールド部47bの設定荷重を加えてスタック高さを測定する。   Specifically, first, only a measurement spacer (not shown) is installed facing the power generation unit 47a, and the set height of the power generation unit 47a is applied to the fuel cell stack 10 to measure the stack height. Next, a measurement spacer (not shown) is installed only in the manifold portion 47b, and a set load of the manifold portion 47b is applied to the fuel cell stack 10 to measure the stack height.

さらに、これらの寸法差から、その差分となる内側スペーサ60及び外側スペーサ62の厚さT1、T2を設定し、これらを燃料電池スタック10に収容すればよい。これにより、発電部47aにおける所望の発電機能を保持するとともに、マニホールド部47bにおける面圧を良好に設定することが可能になる。   Furthermore, from these dimensional differences, the thicknesses T1 and T2 of the inner spacer 60 and the outer spacer 62 that are the differences may be set, and these may be accommodated in the fuel cell stack 10. As a result, it is possible to maintain a desired power generation function in the power generation section 47a and to set a favorable surface pressure in the manifold section 47b.

しかも、本実施形態では、スペーサ部材22をケーシング24内に収容するだけでよい。従って、スペーサ調整用ボルトや皿ばね、調整板又はベローズ等の部品が不要になり、部品点数の削減を図ることができ、経済的であるという利点がある。   Moreover, in this embodiment, the spacer member 22 need only be accommodated in the casing 24. Accordingly, parts such as a spacer adjusting bolt, a disc spring, an adjusting plate, or a bellows are not required, and the number of parts can be reduced, which is advantageous in that it is economical.

さらに、外側スペーサ62には、酸化剤ガス排出連通孔36bと燃料ガス排出連通孔40bとに連通して生成水や結露水の排水を行うドレン開口部64a、64bが形成されるとともに、この外側スペーサ62は、絶縁材料で形成されている。   Further, the outer spacer 62 is formed with drain openings 64a and 64b for draining generated water and condensed water in communication with the oxidant gas discharge communication hole 36b and the fuel gas discharge communication hole 40b. The spacer 62 is made of an insulating material.

このため、外側スペーサ62にドレン開口部64a、64bの生成水が付着しても、短絡することがなく、前記ドレン開口部64a、64bに絶縁構造として、例えば、絶縁グロメッドを装着する必要がない。これにより、本実施形態では、スペーサ部材22の構成が一挙に簡素化するとともに、このスペーサ部材22を経済的且つ小型に構成することができるという効果が得られる。   For this reason, even if the generated water of the drain openings 64a and 64b adheres to the outer spacer 62, there is no short circuit, and there is no need to install, for example, an insulating grommet as an insulating structure on the drain openings 64a and 64b. . Thereby, in this embodiment, while the structure of the spacer member 22 is simplified at a stretch, the effect that this spacer member 22 can be comprised economically and small is acquired.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。1 is a partially 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概略斜視図である。2 is a schematic perspective view of the fuel cell stack. FIG. 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する単セルの要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the single cell which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。It is principal part sectional drawing of the said fuel cell stack. 特許文献1の燃料電池の一部断面説明図である。2 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell of Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池スタック 12…単セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
22…スペーサ部材 24…箱状ケーシング
29…開口部 30…電解質膜・電極構造体
32、34…金属セパレータ 42…固体高分子電解質膜
44…アノード側電極 46…カソード側電極
47a…発電部 47b…マニホールド部
48…燃料ガス流路 50…冷却媒体流路
52…酸化剤ガス流路 54、56…シール部材
60…内側スペーサ 62…外側スペーサ
64a、64b…ドレン開口部
66a、66b…ドレン孔部 68a、68b…絶縁グロメッド
70a〜70b…側板 72a〜72d…アングル部材
74a、74b…連結ピン

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Single cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18 ... Insulating plate 20a, 20b ... End plate 22 ... Spacer member 24 ... Box-shaped casing 29 ... Opening 30 ... Electrolyte membrane and electrode structure 32, 34 ... Metal separator 42 ... Solid polymer electrolyte membrane 44 ... Anode side electrode 46 ... Cathode side electrode 47a ... Power generation part 47b ... Manifold part 48 ... Fuel gas flow path 50 ... Cooling medium flow path 52 ... Oxidant gas flow path 54, 56 ... Sealing member 60 ... Inner spacer 62 ... Outer spacer 64a, 64b ... Drain opening 66a, 66b ... Drain hole 68a, 68b ... Insulation grommet 70a-70b ... Side plate 72a-72d ... Angle member 74a, 74b ... Connection pin

Claims (3)

電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体を、それぞれ断面凹凸形状の反応ガス流路が形成された一対の金属セパレータで挟持する単セルを備え、前記単セルは、中央部分に発電部が設けられる一方、該発電部の周囲に少なくとも反応ガスを積層方向に流す反応ガス連通孔を含むマニホールド部が設けられるとともに、複数の前記単セルが積層される燃料電池スタックであって、
少なくとも前記単セルの積層方向一端側に配設される絶縁性の厚さ調整用スペーサ部材を備え、
前記厚さ調整用スペーサ部材は、前記発電部に対向する内側スペーサと、
前記マニホールド部に対向して前記内側スペーサとは個別に進退可能であるとともに、前記反応ガス連通孔に連通して排水を行うドレン開口部が形成される外側スペーサと、
を設けることを特徴とする燃料電池スタック。
Provided with a single cell sandwiching an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of the electrolyte with a pair of metal separators each having a cross-sectional concavo-convex reaction gas flow path, the single cell having a power generation unit at the center A fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked, and a manifold portion including a reaction gas communication hole that flows at least a reaction gas in the stacking direction is provided around the power generation section,
An insulating thickness adjusting spacer member disposed at least on one end side in the stacking direction of the single cells;
The thickness adjusting spacer member includes an inner spacer facing the power generation unit,
An outer spacer that is capable of moving forward and backward separately from the inner spacer facing the manifold portion, and that is formed with a drain opening that communicates with the reaction gas communication hole and drains water,
A fuel cell stack, comprising:
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記外側スペーサに隣接してエンドプレートが配設されるとともに、
前記エンドプレートには、前記外側スペーサに形成される前記ドレン開口部に連通するドレン孔部が形成され、且つ前記ドレン孔部に絶縁性グロメッドが装着されることを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein an end plate is disposed adjacent to the outer spacer,
The fuel cell stack, wherein the end plate is formed with a drain hole communicating with the drain opening formed in the outer spacer, and an insulating grommet is attached to the drain hole.
請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、複数の前記単セルが積層された積層体を収容する箱状ケーシングを備え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, further comprising a box-shaped casing that accommodates a stacked body in which a plurality of the single cells are stacked. 4.

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