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JP2015185500A - Fuel cell stack - Google Patents

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JP2015185500A
JP2015185500A JP2014063419A JP2014063419A JP2015185500A JP 2015185500 A JP2015185500 A JP 2015185500A JP 2014063419 A JP2014063419 A JP 2014063419A JP 2014063419 A JP2014063419 A JP 2014063419A JP 2015185500 A JP2015185500 A JP 2015185500A
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JP
Japan
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separator
electrode structure
power generation
oxidant gas
electrolyte
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JP2014063419A
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Japanese (ja)
Inventor
秀忠 小嶋
Hidetada Kojima
秀忠 小嶋
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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Abstract

【課題】2枚のMEAと3枚のセパレータとを備えた発電ユニットを、経済的に製造するとともに、設備の複雑化を抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック10は、複数の発電ユニット12を積層する。各発電ユニット12を構成する第2セパレータ18は、平板形状を有するとともに、前記第2セパレータ18の一方の平坦面には、第1酸化剤ガス流路48を形成する第1多孔質体36aが設けられる。第2セパレータ18の他方の平坦面には、第2燃料ガス流路52を形成する第2多孔質体36bが設けられる。
【選択図】図2
A power generation unit including two MEAs and three separators can be produced economically, and the complexity of equipment can be suppressed.
A fuel cell stack includes a plurality of power generation units. The second separator 18 constituting each power generation unit 12 has a flat plate shape, and a first porous body 36a forming a first oxidant gas flow channel 48 is formed on one flat surface of the second separator 18. Provided. On the other flat surface of the second separator 18, a second porous body 36 b that forms the second fuel gas channel 52 is provided.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、第1セパレータ、第1電解質・電極構造体、第2セパレータ、第2電解質・電極構造体及び第3セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設ける燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack including a plurality of power generation units stacked in the order of a first separator, a first electrolyte / electrode structure, a second separator, a second electrolyte / electrode structure, and a third separator.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・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。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気車両に組み込まれている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode is disposed on one side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface side ( MEA). The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a power generation cell by being sandwiched between separators. A fuel cell is usually incorporated in a fuel cell electric vehicle as an in-vehicle fuel cell stack, for example, by stacking a predetermined number of power generation cells.

燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流す燃料ガス流路が設けられているとともに、他方のセパレータの面内に、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。   In the fuel cell, a fuel gas flow channel for flowing fuel gas is provided in the plane of one separator so as to face the anode electrode, and an oxidant gas is provided in the face of the other separator so as to face the cathode electrode. Is provided with an oxidant gas flow path. Furthermore, between the separators, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

ところで、燃料電池スタックでは、所定数の複数の発電セル(単位セル)間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池は、例えば、特許文献1に開示されているように、第1セパレータ1、第1セル2、第2セパレータ3、第2セル4及び第3セパレータ5が積層されている(図4参照)。   By the way, the fuel cell stack may adopt a so-called thinning cooling structure in which a cooling medium flow path is formed between a predetermined number of power generation cells (unit cells). A fuel cell having this type of thinning cooling structure includes, for example, a first separator 1, a first cell 2, a second separator 3, a second cell 4, and a third separator 5 as disclosed in Patent Document 1. They are stacked (see FIG. 4).

第1セル2は、固体高分子電解質膜2aの両面に燃料極2b及び空気極2cが配設されている。第2セル4は、第1セル2と同様に構成されている。第1セパレータ1と第1セル2との間には、第1燃料ガス通路6aが形成され、第2セパレータ3と前記第1セル2との間には、第1酸化剤ガス通路7aが形成されている。第2セパレータ3と第2セル4との間には、第2燃料ガス通路6bが形成されるとともに、第3セパレータ5と前記第2セル4との間には、第2酸化剤ガス通路7bが形成されている。互いに隣接する第1セパレータ1と第3セパレータ5との間には、冷却水通路8が形成されている。   In the first cell 2, the fuel electrode 2b and the air electrode 2c are disposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 2a. The second cell 4 is configured in the same manner as the first cell 2. A first fuel gas passage 6 a is formed between the first separator 1 and the first cell 2, and a first oxidant gas passage 7 a is formed between the second separator 3 and the first cell 2. Has been. A second fuel gas passage 6b is formed between the second separator 3 and the second cell 4, and a second oxidant gas passage 7b is formed between the third separator 5 and the second cell 4. Is formed. A cooling water passage 8 is formed between the first separator 1 and the third separator 5 adjacent to each other.

特開2002−289223号公報JP 2002-289223 A

上記の特許文献1では、燃料電池を構成する第1セパレータ1、第2セパレータ3及び第3セパレータ5が、それぞれ異なる形状を有している。このため、各セパレータに対応してそれぞれ形状の異なるプレス成形用金型が必要になっている。従って、設備が複雑化するとともに、燃料電池全体の製造コストが高騰するという問題がある。   In said patent document 1, the 1st separator 1, the 2nd separator 3, and the 3rd separator 5 which comprise a fuel cell have a respectively different shape. Therefore, press molds having different shapes corresponding to the respective separators are required. Accordingly, there are problems that the facilities become complicated and the manufacturing cost of the entire fuel cell rises.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、2枚のMEAと3枚のセパレータとを備えた発電ユニットを、経済的に製造するとともに、設備が複雑化することを抑制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 economically manufacture a power generation unit including two MEAs and three separators, and to prevent equipment from becoming complicated. An object is to provide a possible fuel cell 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第1電解質・電極構造体及び第2電解質・電極構造体を有している。燃料電池スタックは、第1セパレータ、第1電解質・電極構造体、第2セパレータ、第2電解質・電極構造体及び第3セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設けている。   The fuel cell stack according to the present invention includes a first electrolyte / electrode structure and a second electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte. The fuel cell stack includes a plurality of power generation units that are stacked in the order of a first separator, a first electrolyte / electrode structure, a second separator, a second electrolyte / electrode structure, and a third separator.

第1セパレータと第1電解質・電極構造体との間には、発電面に沿って燃料ガスを流す第1燃料ガス流路が形成されている。第1電解質・電極構造体と第2セパレータとの間には、発電面に沿って酸化剤ガスを流す第1酸化剤ガス流路が形成されている。第2セパレータと第2電解質・電極構造体との間には、発電面に沿って燃料ガスを流す第2燃料ガス流路が形成されている。第2電解質・電極構造体と第3セパレータとの間には、発電面に沿って酸化剤ガスを流す第2酸化剤ガス流路が形成されている。各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成されている。   Between the 1st separator and the 1st electrolyte and electrode structure, the 1st fuel gas flow path through which fuel gas flows along a power generation surface is formed. Between the first electrolyte / electrode structure and the second separator, a first oxidant gas flow path is formed along which the oxidant gas flows along the power generation surface. Between the second separator and the second electrolyte / electrode structure, a second fuel gas flow channel is formed along which the fuel gas flows along the power generation surface. Between the second electrolyte / electrode structure and the third separator, a second oxidant gas flow path is formed along which the oxidant gas flows along the power generation surface. A cooling medium flow path through which the cooling medium flows is formed between the power generation units.

そして、第2セパレータは、平板形状を有するとともに、前記第2セパレータの一方の平坦面には、第1酸化剤ガス流路を形成する第1多孔質体が設けられている。第2セパレータの他方の平坦面には、第2燃料ガス流路を形成する第2多孔質体が設けられている。   The second separator has a flat plate shape, and a first porous body that forms a first oxidant gas flow path is provided on one flat surface of the second separator. A second porous body that forms a second fuel gas flow path is provided on the other flat surface of the second separator.

また、この燃料電池スタックでは、第2セパレータは、平板状の金属プレートを備え、前記金属プレートの外周縁部には、絶縁性樹脂枠部材が設けられることが好ましい。   In the fuel cell stack, the second separator preferably includes a flat metal plate, and an insulating resin frame member is provided on the outer peripheral edge of the metal plate.

本発明によれば、第2セパレータは、平板形状を有するとともに、一方の平坦面には、第1酸化剤ガス流路を形成する第1多孔質体が設けられ、且つ、他方の平坦面には、第2燃料ガス流路を形成する第2多孔質体が設けられている。このため、第2セパレータは、プレス成形用金型等が不要になる。従って、2枚のMEAと3枚のセパレータとを備えた発電ユニットを、経済的に製造することができるとともに、設備が複雑化することを良好に抑制することが可能になる。   According to the present invention, the second separator has a flat plate shape, and on one flat surface, the first porous body forming the first oxidant gas flow path is provided, and on the other flat surface. Is provided with a second porous body forming a second fuel gas flow path. For this reason, the second separator does not require a press molding die or the like. Therefore, it is possible to economically manufacture a power generation unit including two MEAs and three separators, and it is possible to favorably suppress the equipment from becoming complicated.

本発明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。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which comprises the fuel cell stack which concerns on embodiment of this 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第2セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd separator which comprises the said fuel cell stack. 特許文献1に開示された燃料電池の断面説明図である。2 is a cross-sectional explanatory view of a fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。燃料電池スタック10は、複数の発電ユニット12が電極面を立位姿勢にして水平方向(矢印A方向)に積層される。なお、複数の発電ユニット12を重力方向(矢印C方向)に積層して燃料電池スタック10を構成してもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2, a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention is mounted on, for example, a fuel cell electric vehicle (not shown). In the fuel cell stack 10, a plurality of power generation units 12 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction) with the electrode surface in a standing posture. Note that the fuel cell stack 10 may be configured by stacking a plurality of power generation units 12 in the direction of gravity (arrow C direction).

発電ユニット12は、第1セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)16a、第2セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)16b及び第3セパレータ20を有する。   The power generation unit 12 includes a first separator 14, a first electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) (MEA) 16a, a second separator 18, a second electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure). (MEA) 16b and the third separator 20 are included.

第1電解質膜・電極構造体16a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22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード電極24a及びカソード電極26aとを備える。第2電解質膜・電極構造体16bは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード電極24b及びカソード電極26bとを備える。   The first electrolyte membrane / electrode structure 16a includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode electrode 24a and a cathode electrode 26a sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 22 With. The second electrolyte membrane / electrode structure 16b includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode electrode 24b and a cathode electrode 26b sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 22 With.

第1電解質膜・電極構造体16aでは、アノード電極24aは、固体高分子電解質膜22及びカソード電極26a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、これに限定されるものではない。例えば、アノード電極24aは、カソード電極26aよりも大きな平面寸法を有してもよく、又は、前記カソード電極26aと同一の平面寸法を有してもよい。   In the first electrolyte membrane / electrode structure 16a, the anode electrode 24a constitutes a step MEA having a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 22 and the cathode electrode 26a, but is not limited thereto. . For example, the anode electrode 24a may have a larger planar dimension than the cathode electrode 26a, or may have the same planar dimension as the cathode electrode 26a.

第2電解質膜・電極構造体16bでは、カソード電極26bは、固体高分子電解質膜22及びアノード電極24b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、これに限定されるものではない。例えば、カソード電極26bは、アノード電極24bよりも大きな平面寸法を有してもよく、又は、前記アノード電極24bと同一の平面寸法を有してもよい。   In the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, the cathode electrode 26b constitutes a step MEA having a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane 22 and the anode electrode 24b, but is not limited thereto. . For example, the cathode electrode 26b may have a larger planar dimension than the anode electrode 24b, or may have the same planar dimension as the anode electrode 24b.

アノード電極24a、24b及びカソード電極26a、26bは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。   The anode electrodes 24a and 24b and the cathode electrodes 26a and 26b have a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and an electrode catalyst layer (not shown). The electrode catalyst layer is formed by uniformly applying porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22, for example.

図1に示すように、発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔30a及び燃料ガス出口連通孔32bが、冷却媒体入口連通孔34aを上下に挟んで設けられる。酸化剤ガス入口連通孔30aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、燃料ガス出口連通孔32bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出し、冷却媒体入口連通孔34aは、冷却媒体を供給する。   As shown in FIG. 1, at one end edge of the long side direction (arrow B direction) of the power generation unit 12, there is an oxidant gas inlet communication hole 30a and a fuel gas outlet communication hole 32b communicating with each other in the arrow A direction. The cooling medium inlet communication hole 34a is vertically sandwiched. The oxidant gas inlet communication hole 30a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, the fuel gas outlet communication hole 32b discharges a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, and the cooling medium inlet communication hole 34a Supply cooling medium.

発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔30bが、冷却媒体出口連通孔34bを上下に挟んで設けられる。燃料ガス入口連通孔32aは、燃料ガスを供給し、酸化剤ガス出口連通孔30bは、酸化剤ガスを排出し、冷却媒体出口連通孔34bは、冷却媒体を排出する。   A fuel gas inlet communication hole 32a and an oxidant gas outlet communication hole 30b communicate with each other in the direction of arrow A at the other end edge of the power generation unit 12 in the long side direction (arrow B direction). 34b is provided between the upper and lower sides. The fuel gas inlet communication hole 32a supplies fuel gas, the oxidant gas outlet communication hole 30b discharges the oxidant gas, and the cooling medium outlet communication hole 34b discharges the cooling medium.

第1セパレータ14、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第1セパレータ14、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。   The 1st separator 14, the 2nd separator 18, and the 3rd separator 20 are comprised by the vertically long metal plate which gave the surface treatment for anticorrosion to the metal surface, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plating treatment steel plate. Is done. The first separator 14, the second separator 18, and the third separator 20 may be constituted by, for example, a carbon separator instead of the metal separator.

図2に示すように、第1セパレータ14及び第3セパレータ20は、平面が矩形状の金属製薄板14P及び20Pを有する。図2に示すように、金属製薄板14P及び20Pは、波形状にプレス加工されることにより、断面凹凸形状に成形される。   As shown in FIG. 2, the 1st separator 14 and the 3rd separator 20 have the metal thin plates 14P and 20P whose plane is a rectangular shape. As shown in FIG. 2, the metal thin plates 14 </ b> P and 20 </ b> P are formed into a concavo-convex shape by being pressed into a wave shape.

第2セパレータ18は、平板状の金属プレート18Pを備えるとともに、全体として両表面が平坦な平板形状を有する。金属プレート18Pの一方の平坦面(第1電解質膜・電極構造体16aに対向する平坦面)には、第1多孔質体36aが設けられる。金属プレート18Pの他方の平坦面(第2電解質膜・電極構造体16bに対向する平坦面)には、第2多孔質体36bが設けられる。第1多孔質体36a及び第2多孔質体36bは、例えば、チタン(Ti)製多孔質焼結金属や多孔質の導電性セラミックス又は多孔質の炭素系材料により構成される。   The second separator 18 includes a flat metal plate 18P and has a flat plate shape with flat both surfaces as a whole. A first porous body 36a is provided on one flat surface of the metal plate 18P (a flat surface facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a). A second porous body 36b is provided on the other flat surface of the metal plate 18P (a flat surface facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b). The first porous body 36a and the second porous body 36b are made of, for example, titanium (Ti) porous sintered metal, porous conductive ceramics, or a porous carbon-based material.

金属プレート18Pの一方の平坦面には、第1多孔質体36aの外周部を周回(囲繞)して絶縁性樹脂枠部材38aが設けられる。金属プレート18Pの他方の平坦面には、第2多孔質体36bの外周部を周回(囲繞)して絶縁性樹脂枠部材38bが設けられる。絶縁性樹脂枠部材38a、38bは、金属プレート18Pの両面にそれぞれ接着され、前記絶縁性樹脂枠部材38a、38bと前記金属プレート18Pとの間は、気密性が確保される。   On one flat surface of the metal plate 18P, an insulating resin frame member 38a is provided around the outer peripheral portion of the first porous body 36a. On the other flat surface of the metal plate 18P, an insulating resin frame member 38b is provided around the outer periphery of the second porous body 36b. The insulating resin frame members 38a and 38b are respectively bonded to both surfaces of the metal plate 18P, and airtightness is ensured between the insulating resin frame members 38a and 38b and the metal plate 18P.

図1に示すように、第1セパレータ14の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第1燃料ガス流路40が形成される。第1燃料ガス流路40は、例えば、矢印B方向に延在する複数の直線状溝部を有する。なお、第1燃料ガス流路40は、湾曲部や屈曲部を有していてもよく、また、波状流路やサーペンタイン流路でもよい。   As shown in FIG. 1, the first fuel gas flow that communicates the fuel gas inlet communication hole 32a and the fuel gas outlet communication hole 32b to the surface 14a of the first separator 14 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. A path 40 is formed. The first fuel gas channel 40 has, for example, a plurality of linear grooves extending in the arrow B direction. The first fuel gas channel 40 may have a curved portion or a bent portion, or may be a wave-like channel or a serpentine channel.

第1燃料ガス流路40の入口側と燃料ガス入口連通孔32aとは、面14aに形成された複数の供給連結路42aを介して連通する。第1燃料ガス流路40の出口側と燃料ガス出口連通孔32bとは、面14aに形成された複数の排出連結路42bを介して連通する。供給連結路42aと排出連結路42bとには、蓋体44aと蓋体44bとが配置される。   The inlet side of the first fuel gas flow path 40 and the fuel gas inlet communication hole 32a communicate with each other via a plurality of supply connection paths 42a formed on the surface 14a. The outlet side of the first fuel gas flow path 40 and the fuel gas outlet communication hole 32b communicate with each other via a plurality of discharge connection paths 42b formed on the surface 14a. A lid 44a and a lid 44b are disposed on the supply coupling path 42a and the discharge coupling path 42b.

第1セパレータ14の面14bには、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路46の一部が形成される。冷却媒体流路46の一部の形状は、第1燃料ガス流路40の裏面形状である。   A part of the cooling medium flow path 46 that connects the cooling medium inlet communication hole 34 a and the cooling medium outlet communication hole 34 b is formed on the surface 14 b of the first separator 14. The shape of a part of the cooling medium channel 46 is the back surface shape of the first fuel gas channel 40.

図3に示すように、第2セパレータ18の第1電解質膜・電極構造体16aに向かう面18aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第1酸化剤ガス流路48が形成される。第1酸化剤ガス流路48は、第1多孔質体36aの内部空洞により形成される。   As shown in FIG. 3, the surface 18a of the second separator 18 facing the first electrolyte membrane / electrode structure 16a is connected to the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b. An agent gas channel 48 is formed. The first oxidant gas flow path 48 is formed by the internal cavity of the first porous body 36a.

第1酸化剤ガス流路48の入口近傍及び出口近傍には、凸部により複数の供給連結路50a及び複数の排出連結路50bが形成される。供給連結路50aは、第1酸化剤ガス流路48の入口側と酸化剤ガス入口連通孔30aとを連通する。排出連結路50bは、第1酸化剤ガス流路48の出口側と酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する。   A plurality of supply connection passages 50 a and a plurality of discharge connection passages 50 b are formed by convex portions in the vicinity of the inlet and the outlet of the first oxidant gas passage 48. The supply connection channel 50a communicates the inlet side of the first oxidant gas channel 48 and the oxidant gas inlet communication hole 30a. The discharge connection path 50b communicates the outlet side of the first oxidant gas flow path 48 and the oxidant gas outlet communication hole 30b.

図1に示すように、第2セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面18bには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第2燃料ガス流路52が形成される。第2燃料ガス流路52は、第2多孔質体36bの内部空洞により形成される。   As shown in FIG. 1, the second fuel gas flow that communicates the fuel gas inlet communication hole 32a and the fuel gas outlet communication hole 32b to the surface 18b of the second separator 18 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. A path 52 is formed. The second fuel gas channel 52 is formed by the internal cavity of the second porous body 36b.

第2燃料ガス流路52の入口近傍及び出口近傍には、凸部により複数の供給連結路53a及び複数の排出連結路53bが形成される。供給連結路53aは、第2燃料ガス流路52の入口側と燃料ガス入口連通孔32aとを連通する。排出連結路53bは、第2燃料ガス流路52の出口側と燃料ガス出口連通孔32bとを連通する。   A plurality of supply connection passages 53 a and a plurality of discharge connection passages 53 b are formed by convex portions in the vicinity of the inlet and the outlet of the second fuel gas passage 52. The supply connection path 53a communicates the inlet side of the second fuel gas flow path 52 with the fuel gas inlet communication hole 32a. The discharge connection path 53b communicates the outlet side of the second fuel gas flow path 52 and the fuel gas outlet communication hole 32b.

第3セパレータ20の第2電解質膜・電極構造体16bに向かう面20aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第2酸化剤ガス流路54が形成される。第2酸化剤ガス流路54は、例えば、矢印B方向に延在する複数の直線状溝部を有する。なお、第2酸化剤ガス流路54は、湾曲部や屈曲部を有していてもよく、また、波状流路やサーペンタイン流路でもよい。   On the surface 20a of the third separator 20 facing the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, a second oxidant gas flow channel 54 is formed to communicate the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b. Is done. The second oxidant gas channel 54 has, for example, a plurality of linear grooves extending in the arrow B direction. The second oxidizing gas channel 54 may have a curved portion or a bent portion, or may be a wave-like channel or a serpentine channel.

第2酸化剤ガス流路54の入口側と酸化剤ガス入口連通孔30aとは、面20aに形成された複数の供給連結路(図示せず)を介して連通する。第2酸化剤ガス流路54の出口側と酸化剤ガス出口連通孔30bとは、面20aに形成された複数の排出連通路(図示せず)を介して連通する。供給連結路及び排出連結路には、図示しない蓋体が配置される。   The inlet side of the second oxidant gas flow channel 54 and the oxidant gas inlet communication hole 30a communicate with each other through a plurality of supply connection paths (not shown) formed on the surface 20a. The outlet side of the second oxidant gas flow channel 54 and the oxidant gas outlet communication hole 30b communicate with each other via a plurality of discharge communication passages (not shown) formed in the surface 20a. A lid (not shown) is disposed in the supply connection path and the discharge connection path.

第3セパレータ20の面20bには、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路46の一部が形成される。冷却媒体流路46の一部の形状は、第2酸化剤ガス流路54の裏面形状である。   A part of the cooling medium flow path 46 that connects the cooling medium inlet communication hole 34 a and the cooling medium outlet communication hole 34 b is formed on the surface 20 b of the third separator 20. The shape of a part of the cooling medium channel 46 is the back surface shape of the second oxidant gas channel 54.

図1及び図2に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材56が一体成形される。第2セパレータ18では、絶縁性樹脂枠部材38a、38bに第2シール部材58a、58bが一体成形又は個別に配置される。第3セパレータ20の面20a、20bには、この第3セパレータ20の外周端縁部を周回して第3シール部材60が一体成形される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first seal member 56 is integrally formed on the surfaces 14 a and 14 b of the first separator 14 around the outer peripheral edge of the first separator 14. In the second separator 18, the second seal members 58a and 58b are integrally formed or individually disposed on the insulating resin frame members 38a and 38b. A third seal member 60 is integrally formed on the surfaces 20 a and 20 b of the third separator 20 around the outer peripheral edge of the third separator 20.

第1シール部材56、第2シール部材58a、58b及び第3シール部材60としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。   As the first seal member 56, the second seal members 58a, 58b, and the third seal member 60, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane or acrylic An elastic sealing member such as a sealing material such as rubber, a cushioning material, or a packing material is used.

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.

図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔32aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔34aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 32a. The Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 34a.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ18の第1酸化剤ガス流路48及び第3セパレータ20の第2酸化剤ガス流路54に導入される。酸化剤ガスは、第1酸化剤ガス流路48に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのカソード電極26aに供給される。さらに、残余の酸化剤ガスは、第2酸化剤ガス流路54に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのカソード電極26bに供給される。   The oxidant gas is introduced into the first oxidant gas channel 48 of the second separator 18 and the second oxidant gas channel 54 of the third separator 20 from the oxidant gas inlet communication hole 30a. The oxidant gas moves in the arrow B direction (horizontal direction) along the first oxidant gas flow path 48 and is supplied to the cathode electrode 26a of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. Further, the remaining oxidant gas moves in the direction of arrow B along the second oxidant gas flow path 54 and is supplied to the cathode electrode 26b of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔32aから第1セパレータ14の第1燃料ガス流路40に沿って水平方向(矢印B方向)に移動し、第1電解質膜・電極構造体16aのアノード電極24aに供給される。また、残余の燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔32aから第2セパレータ18の第2燃料ガス流路52に沿って矢印B方向に移動し、第2電解質膜・電極構造体16bのアノード電極24bに供給される。   On the other hand, the fuel gas moves in the horizontal direction (arrow B direction) along the first fuel gas flow path 40 of the first separator 14 from the fuel gas inlet communication hole 32a, and the anode of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a. It is supplied to the electrode 24a. Further, the remaining fuel gas moves from the fuel gas inlet communication hole 32a in the direction of arrow B along the second fuel gas flow path 52 of the second separator 18, and the anode electrode 24b of the second electrolyte membrane / electrode structure 16b. To be supplied.

従って、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bでは、カソード電極26a、26bに供給される酸化剤ガスと、アノード電極24a、24b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 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, the oxidant gas supplied to the cathode electrodes 26a and 26b and the fuel gas supplied to the anode electrodes 24a and 24b In the electrode catalyst layer, power is generated by being consumed by an electrochemical reaction.

次いで、第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bの各カソード電極26a、26bに供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に流通する。第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bの各アノード電極24a、24bに供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔32bに沿って矢印A方向に流通する。   Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the cathode electrodes 26a and 26b of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b travels along the oxidant gas outlet communication hole 30b. Circulate in the direction of arrow A. The fuel gas supplied to and consumed by the anode electrodes 24a and 24b of the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b flows in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 32b. Circulate.

一方、冷却媒体入口連通孔34aに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット12を構成する第1セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3セパレータ20との間に形成された冷却媒体流路46に導入される。冷却媒体は、矢印B方向(水平方向)に移動して第1電解質膜・電極構造体16a及び第2電解質膜・電極構造体16bを冷却した後、冷却媒体出口連通孔34bに沿って矢印A方向に流通する。   On the other hand, the cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 34 a is the cooling formed between the first separator 14 constituting one power generation unit 12 and the third separator 20 constituting the other power generation unit 12. It is introduced into the medium flow path 46. The cooling medium moves in the direction of arrow B (horizontal direction), cools the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, and then moves along the cooling medium outlet communication hole 34b. Circulate in the direction.

この場合、本実施形態では、図2に示すように、第2セパレータ18は、平板状の金属プレート18Pを備えている。金属プレート18Pの一方の平坦面には、第1多孔質体36aが設けられるとともに、前記金属プレート18Pの他方の平坦面には、第2多孔質体36bが設けられている。そして、第1多孔質体36aにより第1酸化剤ガス流路48が構成される一方、第2多孔質体36bにより第2燃料ガス流路52が構成されている。   In this case, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the second separator 18 includes a flat metal plate 18P. A first porous body 36a is provided on one flat surface of the metal plate 18P, and a second porous body 36b is provided on the other flat surface of the metal plate 18P. The first oxidant gas flow path 48 is constituted by the first porous body 36a, while the second fuel gas flow path 52 is constituted by the second porous body 36b.

このため、第2セパレータ18は、プレス成形用(及びLIMS用)金型等が不要になる。従って、第1セパレータ14、第1電解質膜・電極構造体16a、第2セパレータ18、第2電解質膜・電極構造体16b及び第3セパレータ20を備えた発電ユニット12を、経済的に製造することができるとともに、設備の簡素化が容易に遂行可能になる。   For this reason, the second separator 18 does not require a press molding (and LIMS) mold or the like. Accordingly, the power generation unit 12 including the first separator 14, the first electrolyte membrane / electrode structure 16a, the second separator 18, the second electrolyte membrane / electrode structure 16b, and the third separator 20 is economically manufactured. And simplification of the facility can be performed easily.

さらに、本実施形態では、第1電解質膜・電極構造体16aと第2電解質膜・電極構造体16bとは、同一形状を有している。これにより、例えば、第1電解質膜・電極構造体16aを2枚用意し、一方を前記第1電解質膜・電極構造体16aとして使用し、且つ、他方を反転させて第2電解質膜・電極構造体16bとして使用することができる。このため、経済的であるという効果が得られる。   Further, in the present embodiment, the first electrolyte membrane / electrode structure 16a and the second electrolyte membrane / electrode structure 16b have the same shape. In this way, for example, two first electrolyte membrane / electrode structures 16a are prepared, one is used as the first electrolyte membrane / electrode structure 16a, and the other is inverted to form a second electrolyte membrane / electrode structure. It can be used as the body 16b. For this reason, the effect that it is economical is acquired.

10…燃料電池スタック 12…発電ユニット
14、18、20…セパレータ 16a、16b…電解質膜・電極構造体
22…固体高分子電解質膜 24a、24b…アノード電極
26a、26b…カソード電極 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…燃料ガス入口連通孔
32b…燃料ガス出口連通孔 34a…冷却媒体入口連通孔
34b…冷却媒体出口連通孔 36a、36b…多孔質体
38a、38b…絶縁性樹脂枠部材 40、52…燃料ガス流路
46…冷却媒体流路 48、54…酸化剤ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Electric power generation unit 14, 18, 20 ... Separator 16a, 16b ... Electrolyte membrane and electrode structure 22 ... Solid polymer electrolyte membrane 24a, 24b ... Anode electrode 26a, 26b ... Cathode electrode 30a ... Oxidant gas Inlet communication hole 30b ... Oxidant gas outlet communication hole 32a ... Fuel gas inlet communication hole 32b ... Fuel gas outlet communication hole 34a ... Cooling medium inlet communication hole 34b ... Cooling medium outlet communication hole 36a, 36b ... Porous bodies 38a, 38b ... Insulating resin frame member 40, 52 ... Fuel gas passage 46 ... Cooling medium passage 48, 54 ... Oxidant gas passage

Claims (2)

電解質の両側に電極が配設される第1電解質・電極構造体及び第2電解質・電極構造体を有し、第1セパレータ、前記第1電解質・電極構造体、第2セパレータ、前記第2電解質・電極構造体及び第3セパレータの順に積層される複数の発電ユニットを設け、前記第1セパレータと前記第1電解質・電極構造体との間には、発電面に沿って燃料ガスを流す第1燃料ガス流路が形成され、前記第1電解質・電極構造体と前記第2セパレータとの間には、前記発電面に沿って酸化剤ガスを流す第1酸化剤ガス流路が形成され、前記第2セパレータと前記第2電解質・電極構造体との間には、前記発電面に沿って前記燃料ガスを流す第2燃料ガス流路が形成され、前記第2電解質・電極構造体と前記第3セパレータとの間には、前記発電面に沿って前記酸化剤ガスを流す第2酸化剤ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間に、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックであって、
前記第2セパレータは、平板形状を有するとともに、
該第2セパレータの一方の平坦面には、前記第1酸化剤ガス流路を形成する第1多孔質体が設けられ、且つ、前記第2セパレータの他方の平坦面には、前記第2燃料ガス流路を形成する第2多孔質体が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
A first separator / electrode structure and a second electrolyte / electrode structure having electrodes disposed on both sides of the electrolyte, the first separator, the first electrolyte / electrode structure, the second separator, and the second electrolyte A plurality of power generation units stacked in the order of an electrode structure and a third separator are provided, and a first fuel gas flows between the first separator and the first electrolyte / electrode structure along the power generation surface. A fuel gas flow path is formed, and a first oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas along the power generation surface is formed between the first electrolyte / electrode structure and the second separator, Between the second separator and the second electrolyte / electrode structure, there is formed a second fuel gas flow path for flowing the fuel gas along the power generation surface, and the second electrolyte / electrode structure and the second 3 separators along the power generation surface Together with the second oxidant gas passage for flowing a serial oxidant gas is formed, between each of the power generation unit, a fuel cell stack cooling medium flow path is formed to flow a cooling medium,
The second separator has a flat plate shape,
A first porous body forming the first oxidant gas flow path is provided on one flat surface of the second separator, and the second fuel is formed on the other flat surface of the second separator. A fuel cell stack comprising a second porous body that forms a gas flow path.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記第2セパレータは、平板状の金属プレートを備え、
前記金属プレートの外周縁部には、絶縁性樹脂枠部材が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the second separator includes a flat metal plate,
A fuel cell stack, wherein an insulating resin frame member is provided on an outer peripheral edge portion of the metal plate.
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