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JP2011028939A - Fuel cell stack - Google Patents

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JP2011028939A JP2009172001A JP2009172001A JP2011028939A JP 2011028939 A JP2011028939 A JP 2011028939A JP 2009172001 A JP2009172001 A JP 2009172001A JP 2009172001 A JP2009172001 A JP 2009172001A JP 2011028939 A JP2011028939 A JP 2011028939A
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敬祐 安藤
Shigetoshi Sugita
成利 杉田
Shuhei Goto
修平 後藤
Hiroyuki Tanaka
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent blocking of a channel caused by the collapse of a connecting bridge to the utmost, with an economical and a simple structure. <P>SOLUTION: A fuel cell 12 making up the fuel cell stack 10 is formed by holding an electrolytic film-electrode structure 14 between a first metal separator 16 and a second metal separator 18. The first metal separator 16 is provided with a connecting bridge 28a communicatively connecting an oxidizer gas channel 26 to an oxidizer gas inlet communicating hole 20a. The connecting bridge 28a has a plurality of resin passage members 32a arranged intermittently apart from each other on a surface 16a, where passages 33a are formed between the resin passage members 32a. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記金属セパレータの面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池スタックに関する。   In the present invention, an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes disposed on both sides of an electrolyte and a metal separator are laminated, and at least a fluid that is any one of a fuel gas, an oxidant gas, and a cooling medium is supplied to the metal separator. The present invention relates to a fuel cell stack in which a fluid flow path that flows in the direction of the surface and fluid communication holes that supply the fluid in the stacking direction are formed.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. The unit cell is sandwiched. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス(流体)を流すための燃料ガス流路(流体流路)と、カソード側電極に対向して酸化剤ガス(流体)を流すための酸化剤ガス流路(流体流路)とが設けられている。さらに、セパレータの周縁部には、前記セパレータの積層方向に貫通して、燃料ガス流路に連通する流体連通孔である燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔と、酸化剤ガス流路に連通する流体連通孔である酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔とが形成されている。   In the fuel cell described above, a fuel gas channel (fluid channel) for flowing a fuel gas (fluid) facing the anode side electrode and an oxidant gas (face) facing the cathode side electrode in the plane of the separator. And an oxidant gas flow path (fluid flow path) for flowing a fluid. Further, a fuel gas inlet communication hole and a fuel gas outlet communication hole that are fluid communication holes that penetrate the separator in the stacking direction and communicate with the fuel gas flow path, and an oxidant gas flow path An oxidant gas inlet communication hole and an oxidant gas outlet communication hole, which are fluid communication holes communicating with each other, are formed.

また、セパレータ間には、電解質膜・電極構造体を冷却するための冷却媒体流路(流体流路)が設けられるとともに、積層方向に貫通して前記冷却媒体流路に連通する流体連通孔であ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ている。すなわち、内部マニホールド型燃料電池を構成している。   A cooling medium flow path (fluid flow path) for cooling the electrolyte membrane / electrode structure is provided between the separators, and a fluid communication hole that penetrates in the stacking direction and communicates with the cooling medium flow path. A cooling medium inlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole are formed. That is, an internal manifold type fuel cell is configured.

その際、流体流路と流体連通孔とは、流体を円滑且つ均等に流すために平行溝部等を有する連結流路(連結ブリッジ部)を介して連通している。ところが、セパレータと電解質・電極構造体とを、シール部材を介装して締め付け固定する際に、このシール部材が連結流路内に進入してしまい、所望のシール性を維持することができず、しかも流体が良好に流れないという問題がある。   In that case, the fluid flow path and the fluid communication hole communicate with each other via a connection flow path (connection bridge portion) having parallel grooves and the like in order to flow the fluid smoothly and evenly. However, when the separator and the electrolyte / electrode structure are clamped and fixed with a seal member interposed therebetween, the seal member enters the connecting flow path, and the desired sealing performance cannot be maintained. In addition, there is a problem that the fluid does not flow well.

そこで、特許文献1に開示されている固体高分子型燃料電池スタックでは、図13に示すように、セパレータ1の面内に蛇行する反応ガス、例えば、酸化剤ガス流路2が形成されている。この酸化剤ガス流路2は、セパレータ1の周縁部に積層方向に貫通した酸化剤ガス供給用貫通孔3と酸化剤ガス排出用貫通孔4とに連通している。セパレータ1にはパッキン5が配置されており、このセパレータ1の面内で貫通孔3、4と酸化剤ガス流路2とを連通するとともに、他の貫通孔をこれらからシールしている。   Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell stack disclosed in Patent Document 1, a meandering reaction gas, for example, an oxidant gas flow path 2 is formed in the plane of the separator 1 as shown in FIG. . The oxidant gas flow channel 2 communicates with an oxidant gas supply through hole 3 and an oxidant gas discharge through hole 4 that penetrate the peripheral edge of the separator 1 in the stacking direction. A packing 5 is disposed in the separator 1, and the through holes 3, 4 and the oxidant gas flow path 2 are communicated with each other in the plane of the separator 1, and other through holes are sealed from these.

貫通孔3、4と酸化剤ガス流路2とを連通する連結流路6a、6bには、この連結流路6a、6bを覆ってSUS板7が配置されている。SUS板7は長方形状に構成されており、それぞれ2箇所に耳部7a、7bが設けられるとともに、各耳部7a、7bは、セパレータ1に形成された段差部8に嵌合している。   In the connection channels 6a and 6b that connect the through holes 3 and 4 and the oxidant gas channel 2, the SUS plate 7 is disposed so as to cover the connection channels 6a and 6b. The SUS plate 7 is configured in a rectangular shape, and ears 7a and 7b are provided at two locations, respectively, and the ears 7a and 7b are fitted into a step 8 formed on the separator 1.

このように、特許文献1では、SUS板7が連結流路6a、6bを覆っているために、高分子膜(図示せず)及びパッキン5が酸化剤ガス流路2に落ち込むことがなく、所望のシール性を確保して、反応ガスの圧力損失の増大を防止することができる、としている。   Thus, in Patent Document 1, since the SUS plate 7 covers the connection flow paths 6a and 6b, the polymer film (not shown) and the packing 5 do not fall into the oxidant gas flow path 2, The desired sealing performance can be ensured, and an increase in the pressure loss of the reaction gas can be prevented.

特開2001−266911号公報JP 2001-266911 A

上記の特許文献1において、セパレータ1の面にゴムブリッジ(ゴム製流路部材)を介して連結流路6a、6bを形成する場合がある。しかしながら、シールの荷重変動やゴムの耐久劣化等に起因するゴムブリッジの変形により、連結流路6a、6bが閉塞されるおそれがある。このため、酸化剤ガス等の供給不良が惹起し、燃料電池の出力性能が低下するという問題がある。   In the above Patent Document 1, there are cases where the connecting flow paths 6a and 6b are formed on the surface of the separator 1 via rubber bridges (rubber flow path members). However, there is a possibility that the connection flow paths 6a and 6b may be blocked due to deformation of the rubber bridge due to fluctuations in the load on the seal, durability deterioration of the rubber, and the like. For this reason, the supply failure of oxidant gas etc. arises and there exists a problem that the output performance of a fuel cell falls.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、経済的且つ簡単な構成で、連結ブリッジ部の潰れによる流路の閉塞を可及的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 provides a fuel cell stack capable of preventing as much as possible blockage of a flow path due to collapse of a connecting bridge portion with an economical and simple configuration. With the goal.

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記金属セパレータの面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池スタックに関するものである。   In the present invention, an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes disposed on both sides of an electrolyte and a metal separator are laminated, and at least a fluid that is any one of a fuel gas, an oxidant gas, and a cooling medium is supplied to the metal separator. The present invention relates to a fuel cell stack in which a fluid flow path that flows in the surface direction and a fluid communication hole that supplies the fluid in the stacking direction are formed.

そして、金属セパレータには、流体流路と流体連通孔との間を連通する連結ブリッジ部が設けられるとともに、前記連結ブリッジ部は、前記金属セパレータに一体に設けられる樹脂製通路部材を有している。   The metal separator is provided with a connection bridge portion that communicates between the fluid flow path and the fluid communication hole, and the connection bridge portion includes a resin passage member that is provided integrally with the metal separator. Yes.

また、金属セパレータと樹脂製通路部材との間には、被覆部材が介装されることが好ましい。   A covering member is preferably interposed between the metal separator and the resin passage member.

さらに、複数の樹脂製通路部材は、金属セパレータ上に互いに離間して断続的に成形されることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the plurality of resin passage members are intermittently spaced apart from each other on the metal separator.

さらにまた、複数の樹脂製通路部材は、金属セパレータ上に樹脂製連結部を介して連続的に成形されることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the plurality of resin passage members are continuously formed on the metal separator via the resin connection portion.

また、樹脂製通路部材は、金属セパレータに設けられた開口部を介して前記金属セパレータの両面に一体成形されることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the resin-made passage members are integrally formed on both surfaces of the metal separator through openings provided in the metal separator.

さらに、金属セパレータには、シール部材が一体成形されるとともに、樹脂製通路部材と前記シール部材とは、積層方向に互いの一部を重ね合わせて成形されることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that a seal member is integrally formed on the metal separator, and the resin-made passage member and the seal member are formed by overlapping a part of each other in the stacking direction.

本発明によれば、連結ブリッジ部が樹脂製通路部材を有するため、ゴムブリッジ部に比べて耐久劣化による寸法変化を良好に抑制することができる。従って、経済的且つ簡単な構成で、連結ブリッジ部の潰れによる流路の閉塞を可及的に阻止することが可能になり、流体の円滑な流通を確保して所望の出力性能を確実に維持することができる。   According to this invention, since a connection bridge part has a resin-made channel | path member, the dimensional change by durability deterioration can be favorably suppressed compared with a rubber bridge part. Therefore, it is possible to prevent as much as possible the blockage of the flow path due to the collapse of the connecting bridge portion with an economical and simple configuration, ensuring a smooth flow of the fluid and ensuring the desired output performance. can do.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell constituting a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの、図1中、II−II線断面説明図である。FIG. 2 is a 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第1金属セパレータの一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the 1st metal separator which comprises the said fuel cell stack. 前記第1金属セパレータの要部斜視説明図である。It is principal part perspective explanatory drawing of the said 1st metal separator. 前記燃料電池スタックを構成する第2金属セパレータの一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the 2nd metal separator which comprises the said fuel cell stack. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータの要部斜視説明図である。It is a principal part perspective explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the fuel cell stack which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータの要部斜視説明図である。It is principal part perspective explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the fuel cell stack which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータの要部斜視説明図である。It is principal part perspective explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the fuel cell stack which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータの要部斜視説明図である。It is principal part perspective explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the fuel cell stack which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータの要部斜視説明図である。It is principal part perspective explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the fuel cell stack concerning the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing of the fuel cell stack which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 前記燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータの要部斜視説明図である。It is principal part perspective explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the said fuel cell stack. 特許文献1に開示されている燃料電池スタックを構成するセパレータの説明図である。It is explanatory drawing of the separator which comprises the fuel cell stack currently disclosed by patent document 1. FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の燃料電池12を水平方向(矢印A方向)又は鉛直方向(矢印C方向)に積層して構成される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention has a plurality of fuel cells 12 stacked in the horizontal direction (arrow A direction) or the vertical direction (arrow C direction). Configured.

燃料電池12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)14が、第1金属セパレータ16及び第2金属セパレータ18に挟持される。第1金属セパレータ16及び第2金属セパレータ18は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等により構成されるとともに、後述する流路を形成するために波板形状にプレス加工されている。   In the fuel cell 12, an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 14 is sandwiched between a first metal separator 16 and a second metal separator 18. The first metal separator 16 and the second metal separator 18 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or the like, and are pressed into a corrugated plate shape to form a flow path to be described later. ing.

図1に示すように、燃料電池12の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、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、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20a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔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、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   As shown in FIG. 1, one end edge of the fuel cell 12 in the arrow B direction (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the arrow A direction, which is the stacking direction, and contains an oxidant gas, for example, oxygen An oxidant gas inlet communication hole 20a for supplying gas, a cooling medium inlet communication hole 22a for supplying a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 24b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, Arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

燃料電池12の矢印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、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔22b、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20bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, the fuel gas inlet communication hole 24a for supplying fuel gas, and the cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 22b and an oxidant gas outlet communication hole 20b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

図1及び図3に示すように、第1金属セパレータ16の電解質膜・電極構造体14側の面16aには、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路(流体流路)26が設けられる。酸化剤ガス流路26は、第1金属セパレータ16を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部を備えている。酸化剤ガス流路26と酸化剤ガス入口連通孔20a及び酸化剤ガス出口連通孔20bとは、連結ブリッジ部28a、28bを介して連通する。第1金属セパレータ16の面16bには、酸化剤ガス流路26の裏面形状である冷却媒体流路29の一部が形成される。   As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidant gas channel (fluid channel) 26 extending in the direction of arrow B is provided on the surface 16a of the first metal separator 16 on the electrolyte membrane / electrode structure 14 side. It is done. The oxidant gas flow path 26 includes a plurality of grooves provided by forming the first metal separator 16 into a wave shape. The oxidant gas flow path 26 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 20a and the oxidant gas outlet communication hole 20b through connection bridge portions 28a and 28b. A part of the coolant flow path 29 that is the back surface shape of the oxidant gas flow path 26 is formed on the surface 16 b of the first metal separator 16.

第1金属セパレータ16の面16a、16bには、この第1金属セパレータ16の外周端縁部を周回して、第1シール部材(ゴム製シール部材)30が射出成形等により一体成形される。第1シール部材30は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。   A first seal member (rubber seal member) 30 is integrally formed on the surfaces 16a and 16b of the first metal separator 16 by injection molding or the like around the outer peripheral edge of the first metal separator 16. The first seal member 30 uses, for example, a seal material such as EPDM, NBR, fluorine rubber, silicon rubber, fluorosilicon rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, or acrylic rubber, a cushion material, or a packing material. To do.

連結ブリッジ部28aは、図3及び図4に示すように、面16a上に互いに離間して矢印C方向に断続的に配列される複数の樹脂製通路部材32aを有し、前記樹脂製通路部材32a間に通路33aが形成される。樹脂製通路部材32aは、第1金属セパレータ16の面16aに、例えば、インサート成形等により一体成形される他、別体に成形された後に前記面16aに貼り付けることにより一体に設けることもできる。   As shown in FIGS. 3 and 4, the connecting bridge portion 28a includes a plurality of resin passage members 32a that are spaced apart from each other on the surface 16a and are intermittently arranged in the direction of the arrow C. A passage 33a is formed between 32a. The resin-made passage member 32a may be integrally formed on the surface 16a of the first metal separator 16 by, for example, insert molding or the like, or may be integrally formed by being attached to the surface 16a after being formed separately. .

樹脂製通路部材32aは、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、LCP(液晶ポリマー)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PA(ポリアミド)、PEN(ポリエーテルニトリル)又はPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)等で構成される。   The resin passage member 32a is made of, for example, PPS (polyphenylene sulfide), LCP (liquid crystal polymer), PTFE (polytetrafluoroethylene), PA (polyamide), PEN (polyether nitrile), or PEEK (polyether ether ketone). Composed.

連結ブリッジ部28bは、上記の連結ブリッジ部28aと同様に、複数の樹脂製通路部材32bを有するとともに、前記樹脂製通路部材32b間に通路33bが形成されており、その詳細な説明は省略する(図3参照)。   Similarly to the above-described connection bridge portion 28a, the connection bridge portion 28b includes a plurality of resin passage members 32b, and a passage 33b is formed between the resin passage members 32b, and detailed description thereof is omitted. (See FIG. 3).

図1及び図5に示すように、第2金属セパレータ18の電解質膜・電極構造体14側の面18aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bとに連通し、矢印B方向に延在する燃料ガス流路(流体流路)34が形成される。燃料ガス流路34は、複数の溝部を備えるとともに、前記燃料ガス流路34と燃料ガス入口連通孔24a及び燃料ガス出口連通孔24bとは、連結ブリッジ部36a、36bを介して連通する。第2金属セパレータ18の面18bには、燃料ガス流路34の裏面形状である冷却媒体流路29の一部が形成される。   As shown in FIGS. 1 and 5, the surface 18a of the second metal separator 18 on the electrolyte membrane / electrode structure 14 side communicates with the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b. A fuel gas channel (fluid channel) 34 extending in the direction is formed. The fuel gas flow path 34 includes a plurality of grooves, and the fuel gas flow path 34 communicates with the fuel gas inlet communication hole 24a and the fuel gas outlet communication hole 24b via connection bridge portions 36a and 36b. A part of the coolant flow path 29 that is the back surface shape of the fuel gas flow path 34 is formed on the surface 18 b of the second metal separator 18.

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の外周端部を周回して、第2シール部材(ゴム製シール部材)38が射出成形等により一体成形される。第2シール部材38は、第1シール部材30と同一に構成される。   A second seal member (rubber seal member) 38 is integrally formed on the surfaces 18a and 18b of the second metal separator 18 by injection molding or the like around the outer peripheral end portion of the second metal separator 18. The second seal member 38 is configured the same as the first seal member 30.

連結ブリッジ部36aは、図5に示すように、矢印C方向に配列される複数の樹脂製通路部材40aを有し、前記樹脂製通路部材40a間に通路42aが形成される。連結ブリッジ部36bは、同様に複数の樹脂製通路部材40bを有するとともに、前記樹脂製通路部材40b間に通路42bが形成されており、その詳細な説明は省略する。   As shown in FIG. 5, the connecting bridge portion 36a has a plurality of resin passage members 40a arranged in the direction of arrow C, and a passage 42a is formed between the resin passage members 40a. Similarly, the connecting bridge portion 36b has a plurality of resin passage members 40b, and a passage 42b is formed between the resin passage members 40b.

図1に示すように、第2金属セパレータ18の面18aとは反対の面18bには、冷却媒体入口連通孔22aと冷却媒体出口連通孔22bとに連通する冷却媒体流路(流体流路)29が形成される。冷却媒体入口連通孔22a及び冷却媒体出口連通孔22bの近傍に位置して、連結ブリッジ部44a、44bが形成される。連結ブリッジ部44a、44bは、矢印C方向に配列される複数の樹脂製通路部材46a、46bを有し、前記樹脂製通路部材46a、46b間に通路48a、48bが形成される。   As shown in FIG. 1, a cooling medium flow path (fluid flow path) communicating with the cooling medium inlet communication hole 22 a and the cooling medium outlet communication hole 22 b is provided on a surface 18 b opposite to the surface 18 a of the second metal separator 18. 29 is formed. Connection bridge portions 44a and 44b are formed in the vicinity of the cooling medium inlet communication hole 22a and the cooling medium outlet communication hole 22b. The connecting bridge portions 44a and 44b have a plurality of resin passage members 46a and 46b arranged in the direction of arrow C, and passages 48a and 48b are formed between the resin passage members 46a and 46b.

図1及び図2に示すように、電解質膜・電極構造体14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50と、前記固体高分子電解質膜50を挟持するアノード側電極52及びカソード側電極54とを備える。   As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane / electrode structure 14 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 50 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and the solid polymer electrolyte membrane 50 sandwiched between them. An anode side electrode 52 and a cathode side electrode 54 are provided.

アノード側電極52及びカソード側電極54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、互いに固体高分子電解質膜50を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜50の両面に形成されている。   The anode side electrode 52 and the cathode side electrode 54 are composed of a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And have. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 50 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 50 interposed therebetween.

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

先ず、図1に示すように、燃料ガス入口連通孔24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔20aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔22aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 24a, and an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 20a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a.

このため、燃料ガスは、図5に示すように、第2金属セパレータ18の燃料ガス入口連通孔24aから連結ブリッジ部36aを通った後、燃料ガス流路34に導入される。燃料ガス流路34では、燃料ガスが矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体14を構成するアノード側電極52に供給される。   Therefore, as shown in FIG. 5, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 34 after passing through the connection bridge portion 36 a from the fuel gas inlet communication hole 24 a of the second metal separator 18. In the fuel gas passage 34, the fuel gas is supplied to the anode side electrode 52 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14 while moving in the arrow B direction.

一方、酸化剤ガスは、図2〜図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔20aから第1金属セパレータ16に連結ブリッジ部28aを通って酸化剤ガス流路26に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路26を矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体14を構成するカソード側電極54に供給される。   On the other hand, as shown in FIGS. 2 to 4, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas inlet communication hole 20 a to the first metal separator 16 through the connection bridge portion 28 a and into the oxidant gas flow path 26. As a result, the oxidant gas is supplied to the cathode side electrode 54 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 14 while moving in the direction of the arrow B in the oxidant gas flow path 26.

従って、電解質膜・電極構造体14では、カソード側電極54に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極52に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 14, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 54 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 52 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.

次いで、アノード側電極52に供給されて消費された燃料ガスは、連結ブリッジ部36bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される(図5参照)。同様に、カソード側電極54に供給されて消費された酸化剤ガスは、連結ブリッジ部28bを通って酸化剤ガス出口連通孔20bに排出される(図3参照)。   Next, the consumed fuel gas supplied to the anode side electrode 52 is discharged to the fuel gas outlet communication hole 24b through the connection bridge portion 36b (see FIG. 5). Similarly, the oxidant gas supplied and consumed by the cathode side electrode 54 is discharged to the oxidant gas outlet communication hole 20b through the connection bridge portion 28b (see FIG. 3).

また、冷却媒体入口連通孔22aに供給された冷却媒体は、図1に示すように、連結ブリッジ部44aを通って第1及び第2金属セパレータ16、18間の冷却媒体流路29に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体14を冷却した後、連結ブリッジ部44bを通って冷却媒体出口連通孔22bに排出される。   Further, as shown in FIG. 1, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 22a is introduced into the cooling medium flow path 29 between the first and second metal separators 16 and 18 through the connection bridge portion 44a. After that, it circulates in the arrow B direction. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 14 and then is discharged to the cooling medium outlet communication hole 22b through the connection bridge portion 44b.

この場合、第1の実施形態では、図2〜図4に示すように、第1金属セパレータ16に設けられる連結ブリッジ部28aは、矢印C方向に配列される複数の樹脂製通路部材32aを有し、前記樹脂製通路部材32a間に通路33aが形成されている。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 to 4, the connecting bridge portion 28 a provided in the first metal separator 16 has a plurality of resin passage members 32 a arranged in the direction of arrow C. A passage 33a is formed between the resin passage members 32a.

このため、連結ブリッジ部28aは、通常のゴムブリッジ部に比べて耐久劣化による寸法変化を良好に抑制することができる。しかも、燃料電池12に積層荷重により圧縮変形し難い。従って、経済的且つ簡単な構成で、連結ブリッジ部28aの潰れによる通路33aの閉塞を可及的に阻止することが可能になり、燃料電池12は、酸化剤ガスの円滑な流通を確保して所望の出力性能を確実に維持することができるという効果が得られる。   For this reason, the connection bridge part 28a can suppress the dimensional change by durability deterioration favorably compared with a normal rubber bridge part. Moreover, it is difficult for the fuel cell 12 to be compressed and deformed due to the stack load. Accordingly, it is possible to prevent the passage 33a from being blocked by the collapse of the connecting bridge portion 28a as much as possible with an economical and simple configuration, and the fuel cell 12 ensures a smooth flow of the oxidant gas. The effect that the desired output performance can be reliably maintained is obtained.

なお、他の連結ブリッジ部28b、36a、36b、44a及び44bにおいても同様に、燃料ガス及び冷却媒体の円滑な流通を確保することが可能になる。また、以下に説明する第2の実施形態以降においても、同様である。   Similarly, in the other connecting bridge portions 28b, 36a, 36b, 44a and 44b, it is possible to ensure smooth circulation of the fuel gas and the cooling medium. The same applies to the second and subsequent embodiments described below.

図6に示すように、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータ60は、連結ブリッジ部62aを設ける。連結ブリッジ部62aは、第1金属セパレータ60の面60a上に樹脂製連結部64aを介して矢印C方向に連続的に配列される複数の樹脂製通路部材66aを有し、前記樹脂製通路部材66a間に通路68aが形成される。   As shown in FIG. 6, the 1st metal separator 60 which comprises the fuel cell stack which concerns on the 2nd Embodiment of this invention provides the connection bridge | bridging part 62a. The connection bridge portion 62a has a plurality of resin passage members 66a arranged continuously in the direction of arrow C via the resin connection portion 64a on the surface 60a of the first metal separator 60, and the resin passage member. A passage 68a is formed between 66a.

このように構成される第2の実施形態では、特に連結ブリッジ部62aと第1金属セパレータ60との間に隙間が発生することがない。これにより、第1金属セパレータ60の電位差腐食を可及的に阻止することが可能になる他、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、複数の樹脂製通路部材66aは、樹脂製連結部64aを介して一体に構成されるため、製造が容易になるとともに、第1金属セパレータ60から脱落することを可及的に阻止することができる。   In the second embodiment configured as described above, no gap is particularly generated between the connecting bridge portion 62 a and the first metal separator 60. This makes it possible to prevent potential difference corrosion of the first metal separator 60 as much as possible, and obtain the same effects as those of the first embodiment. In addition, since the plurality of resin passage members 66a are integrally formed through the resin connection portion 64a, the manufacture is facilitated and the removal from the first metal separator 60 is prevented as much as possible. Can do.

図7に示すように、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータ70は、連結ブリッジ部72aを設ける。連結ブリッジ部72aは、第1金属セパレータ70の面70a上に設けられるとともに、両側の樹脂製連結部74a、74aの間に矢印C方向に連続的に配列される複数の樹脂製通路部材76aを有する。樹脂製通路部材76a間には、通路78aが形成される。   As shown in FIG. 7, the 1st metal separator 70 which comprises the fuel cell stack which concerns on the 3rd Embodiment of this invention provides the connection bridge | bridging part 72a. The connecting bridge portion 72a is provided on the surface 70a of the first metal separator 70, and includes a plurality of resin passage members 76a arranged continuously in the direction of arrow C between the resin connecting portions 74a, 74a on both sides. Have. A passage 78a is formed between the resin passage members 76a.

このように構成される第3の実施形態では、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、通路78aが閉塞することを可及的に阻止することができる。   In the third embodiment configured as described above, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained. Furthermore, it is possible to prevent the passage 78a from being blocked as much as possible.

図8に示すように、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータ80は、第1の実施形態の連結ブリッジ部28aを設ける。第1金属セパレータ80と連結ブリッジ部28aを構成する樹脂製通路部材32aとの間には、被覆部材、例えば、ゴム被覆成形部82が介装される。   As shown in FIG. 8, the 1st metal separator 80 which comprises the fuel cell stack which concerns on the 4th Embodiment of this invention provides the connection bridge | bridging part 28a of 1st Embodiment. Between the first metal separator 80 and the resin-made passage member 32a constituting the connection bridge portion 28a, a covering member, for example, a rubber covering molding portion 82 is interposed.

ゴム被覆成形部82は、第1シール部材30と一体に、又は別体に第1金属セパレータ80の面80aに成形される。ゴム被覆成形部82は、ゴム製フイルムで構成してもよい。なお、以下に説明する第5及び第6の実施形態においても、同様である。   The rubber coating forming part 82 is formed on the surface 80a of the first metal separator 80 integrally with the first seal member 30 or separately. The rubber covering molding portion 82 may be composed of a rubber film. The same applies to the fifth and sixth embodiments described below.

図9に示すように、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータ90は、第2の実施形態の連結ブリッジ部62aを設ける。第1金属セパレータ90と連結ブリッジ部62aを構成する樹脂製連結部64aとの間には、被覆部材、例えば、ゴム被覆成形部92が介装される。ゴム被覆成形部92は、第1シール部材30と一体に、又は別体に第1金属セパレータ90の面90aに成形される。   As shown in FIG. 9, the 1st metal separator 90 which comprises the fuel cell stack which concerns on the 5th Embodiment of this invention provides the connection bridge | bridging part 62a of 2nd Embodiment. A covering member, for example, a rubber-covered molded portion 92 is interposed between the first metal separator 90 and the resin-made connecting portion 64a constituting the connecting bridge portion 62a. The rubber coating forming portion 92 is formed on the surface 90a of the first metal separator 90 integrally with the first seal member 30 or separately.

図10に示すように、本発明の第6の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第1金属セパレータ100は、第3の実施形態の連結ブリッジ部72aを設ける。第1金属セパレータ100と連結ブリッジ部72aを構成する樹脂製連結部74aとの間には、被覆部材、例えば、ゴム被覆成形部102が介装される。ゴム被覆成形部102は、第1シール部材30と一体に、又は別体に第1金属セパレータ100の面100aに成形される。   As shown in FIG. 10, the 1st metal separator 100 which comprises the fuel cell stack which concerns on the 6th Embodiment of this invention provides the connection bridge | bridging part 72a of 3rd Embodiment. A covering member, for example, a rubber-covered molded part 102 is interposed between the first metal separator 100 and the resin-made connecting part 74a constituting the connecting bridge part 72a. The rubber covering molding portion 102 is molded on the surface 100a of the first metal separator 100 integrally with the first seal member 30 or separately.

このように構成される第4〜第6の実施形態では、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、ゴム被覆成形部82、92及び102により、金属の電位差腐食を良好に防止するとともに、金属イオンの溶出を阻止することができる。   In the fourth to sixth embodiments configured as described above, the same effects as in the first to third embodiments can be obtained. Moreover, the rubber-coated molded parts 82, 92 and 102 can prevent the metal potential difference corrosion well and prevent the elution of metal ions.

図11に示すように、本発明の第7の実施形態に係る燃料電池スタック110を構成する燃料電池112は、電解質膜・電極構造体14が、第1金属セパレータ114及び第2金属セパレータ18に挟持される。   As shown in FIG. 11, the fuel cell 112 constituting the fuel cell stack 110 according to the seventh embodiment of the present invention has an electrolyte membrane / electrode structure 14 in the first metal separator 114 and the second metal separator 18. It is pinched.

図11及び図12に示すように、第1金属セパレータ114には、連結ブリッジ部116aが設けられるとともに、前記連結ブリッジ部116aは、樹脂製通路部材118aを有する。第1金属セパレータ114には、複数の孔部(開口部)120が形成され、樹脂製通路部材118aは、前記孔部120を介して前記第1金属セパレータ114の両面114a、114bに一体成形される。樹脂製通路部材118a間には、通路122aが形成される。   As shown in FIGS. 11 and 12, the first metal separator 114 is provided with a connection bridge portion 116a, and the connection bridge portion 116a includes a resin passage member 118a. A plurality of holes (openings) 120 are formed in the first metal separator 114, and the resin passage member 118a is integrally formed on both surfaces 114a and 114b of the first metal separator 114 via the holes 120. The A passage 122a is formed between the resin passage members 118a.

第1金属セパレータ114の外周端縁部には、両面114a、114bにわたって第1シール部材124が一体成形される。樹脂製通路部材118aと第1シール部材124とは、積層方向(矢印A方向)に互いの一部を重ね合わせて成形される。   A first seal member 124 is integrally formed on the outer peripheral edge of the first metal separator 114 over both surfaces 114a and 114b. The resin-made passage member 118a and the first seal member 124 are formed by overlapping a part of each other in the stacking direction (arrow A direction).

このように構成される第7の実施形態では、樹脂製通路部材118aが、孔部120を介して第1金属セパレータ114の両面114a、114bに一体成形されている。従って、樹脂製通路部材118aと第1金属セパレータ114とを一層強固且つ確実に一体化させることが可能になる。しかも、例えば、一方の面114aから樹脂材料が供給されると、孔部120を介して反対の面114bに前記ゴム被覆成形部102供給されるため、製造が容易になる。   In the seventh embodiment configured as described above, the resin-made passage member 118 a is integrally formed on both surfaces 114 a and 114 b of the first metal separator 114 via the hole 120. Accordingly, the resin passage member 118a and the first metal separator 114 can be more firmly and reliably integrated. Moreover, for example, when the resin material is supplied from one surface 114a, the rubber-covered molded portion 102 is supplied to the opposite surface 114b through the hole 120, so that the manufacturing is facilitated.

さらに、樹脂製通路部材118aと第1シール部材124とは、積層方向に互いの一部を重ね合わせて成形されている。このため、樹脂製通路部材118aと第1シール部材124との間隙から水が浸入することがなく、前記第1シール部材124の膨潤を可及的に阻止することができる。   Further, the resin passage member 118a and the first seal member 124 are formed by overlapping a part of each other in the stacking direction. For this reason, water does not enter from the gap between the resin-made passage member 118a and the first seal member 124, and the swelling of the first seal member 124 can be prevented as much as possible.

なお、第1〜第7の実施形態では、2枚の金属セパレータで電解質膜・電極構造体を挟持する構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、3枚の金属セパレータと2枚の電解質膜・電極構造体を備え、前記金属セパレータと前記電解質膜・電極構造体とを交互に積層する発電ユニットを用いるとともに、各発電ユニット間に冷却媒体流路を形成して前記発電ユニットを積層する燃料電池スタックを採用してもよい。   In the first to seventh embodiments, the configuration in which the electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between two metal separators is adopted, but the present invention is not limited to this. For example, a power generation unit that includes three metal separators and two electrolyte membrane / electrode structures, and alternately stacks the metal separators and the electrolyte membrane / electrode structures, and uses a cooling medium between the power generation units. You may employ | adopt the fuel cell stack which forms a flow path and laminates | stacks the said electric power generation unit.

10、110…燃料電池スタック 12、112…燃料電池
14…電解質膜・電極構造体
16、18、60、70、80、90、100、114…金属セパレータ
20a…酸化剤ガス入口連通孔 20b…酸化剤ガス出口連通孔
22a…冷却媒体入口連通孔 22b…冷却媒体出口連通孔
24a…燃料ガス入口連通孔 24b…燃料ガス出口連通孔
26…酸化剤ガス流路
28a、28b、36a、36b、44a、44b、62a、72a、116a…連結ブリッジ部
29…冷却媒体流路 30、38、124…シール部材
32a、32b、40a、40b、46a、46b、66a、76a、118a…樹脂製通路部材
33a、33b、42a、42b、48a、48b、68a、78a、122a…通路
34…燃料ガス流路 50…固体高分子電解質膜
52…アノード側電極 54…カソード側電極
64a、74a…樹脂製連結部
82、92、102…ゴム被膜成形部 120…孔部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,110 ... Fuel cell stack 12, 112 ... Fuel cell 14 ... Electrolyte membrane electrode assembly 16, 18, 60, 70, 80, 90, 100, 114 ... Metal separator 20a ... Oxidant gas inlet communication hole 20b ... Oxidation Agent gas outlet communication hole 22a ... Cooling medium inlet communication hole 22b ... Cooling medium outlet communication hole 24a ... Fuel gas inlet communication hole 24b ... Fuel gas outlet communication hole 26 ... Oxidant gas flow path 28a, 28b, 36a, 36b, 44a, 44b, 62a, 72a, 116a ... Connection bridge portion 29 ... Cooling medium flow path 30, 38, 124 ... Seal members 32a, 32b, 40a, 40b, 46a, 46b, 66a, 76a, 118a ... Resin passage members 33a, 33b , 42a, 42b, 48a, 48b, 68a, 78a, 122a ... passage 34 ... fuel gas passage 50 ... solid polymer battery Shitsumaku 52 ... anode 54 ... cathode 64a, 74a ... resin linking unit 82,92,102 ... rubber film forming unit 120 ... the hole

Claims (6)

電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかである流体を前記金属セパレータの面方向に流す流体流路と、前記流体を積層方向に供給する流体連通孔とが形成される燃料電池スタックであって、
前記金属セパレータには、前記流体流路と前記流体連通孔との間を連通する連結ブリッジ部が設けられるとともに、
前記連結ブリッジ部は、前記金属セパレータに一体に設けられる樹脂製通路部材を有することを特徴とする燃料電池スタック。
An electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are disposed on both sides of the electrolyte and a metal separator are laminated, and at least a fluid that is any one of a fuel gas, an oxidant gas, or a cooling medium is disposed in the surface direction of the metal separator. A fuel cell stack in which a fluid flow path for flowing and a fluid communication hole for supplying the fluid in the stacking direction are formed,
The metal separator is provided with a connection bridge portion that communicates between the fluid flow path and the fluid communication hole,
The fuel cell stack, wherein the connection bridge portion includes a resin passage member provided integrally with the metal separator.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータと前記樹脂製通路部材との間には、被覆部材が介装されることを特徴とする燃料電池スタック。   2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a covering member is interposed between the metal separator and the resin passage member. 請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、複数の前記樹脂製通路部材は、前記金属セパレータ上に互いに離間して断続的に成形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 plurality of resin passage members are intermittently formed apart from each other on the metal separator. 4. 請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、複数の前記樹脂製通路部材は、前記金属セパレータ上に樹脂製連結部を介して連続的に成形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 plurality of resin passage members are continuously formed on the metal separator via a resin connection portion. 4. 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記樹脂製通路部材は、前記金属セパレータに設けられた開口部を介して該金属セパレータの両面に一体成形されることを特徴とする燃料電池スタック。   2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the resin passage member is integrally formed on both surfaces of the metal separator through openings provided in the metal separator. 請求項1又は5記載の燃料電池スタックにおいて、前記金属セパレータには、シール部材が一体成形されるとともに、
前記樹脂製通路部材と前記シール部材とは、積層方向に互いの一部を重ね合わせて成形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 or 5, wherein a seal member is integrally formed on the metal separator,
The fuel cell stack, wherein the resin passage member and the seal member are formed by overlapping a part of each other in the stacking direction.
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