JP2009224194A - Fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To superbly couple a non-circular communication hole of a fuel cell with a circular outer piping of an outer equipment by a simple and economical constitution. <P>SOLUTION: A resin-made manifold member 62a for communicating the non-circular communication hole and the circular external piping is mounted on an end plate 14a. At the resin-made manifold member 62a, a non-circular cylinder part 66 communicated with the non-circular communication hole, a circular cylinder part 68 communicated with the circular external piping, and a coupled cylinder part 70 for communicating the non-circular cylinder part 66 and the circular cylinder part 68 along the thickness direction of the end plate 14a are integrally installed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池の積層方向に少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す非円形状連通孔が形成されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが配設され、少なくとも一方の前記エンドプレートには、外部から円形状外部配管が接続される燃料電池スタックに関する。   The present invention has a plurality of fuel cells in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and is at least a reaction gas or a cooling medium in the stacking direction of the fuel cells. The present invention relates to a fuel cell stack in which noncircular communication holes for flowing a fluid are formed, end plates are disposed at both ends in the stacking direction, and circular external piping is connected to at least one of the end plates from the outside. .

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（電解質）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（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを一対のエンドプレート間に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 (an electrolyte / electrode structure) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane, respectively. ) Is held by a separator. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells between a pair of end plates.

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための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 above fuel cell, a fuel gas channel for flowing fuel gas to the anode side electrode and an oxidant gas channel for flowing oxidant gas to the cathode side electrode are provided in the plane of the separator. . Furthermore, between the separators, a cooling medium flow path for flowing the cooling medium is provided along the surface direction of the separator.

その際、少なくとも積層方向一端に配設されるエンドプレートには、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔、前記酸化剤ガス流路から使用済みの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔、冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔、及び前記冷却媒体流路から使用済みの冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔が形成されている。   At that time, at least an end plate disposed at one end in the stacking direction has a fuel gas supply communication hole for supplying the fuel gas to the fuel gas passage, and a fuel gas discharge for discharging the spent fuel gas from the fuel gas passage. The communication hole, the oxidant gas supply communication hole for supplying the oxidant gas to the oxidant gas flow path, the oxidant gas discharge communication hole for discharging the used oxidant gas from the oxidant gas flow path, A cooling medium supply communication hole for supplying the cooling medium and a cooling medium discharge communication hole for discharging the used cooling medium from the cooling medium flow path are formed.

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図１０に示すように、一方のプレッシャプレート（エンドプレート）１の一端部側に、燃料ガス供給貫通孔２ａ、冷却水供給貫通孔３ａ及び酸化剤ガス供給貫通孔４ａが形成されるとともに、前記プレッシャプレート１の他端部側には、燃料ガス排出貫通孔２ｂ、冷却水排出貫通孔３ｂ及び酸化剤ガス排出貫通孔４ｂが形成されている。   For example, in the fuel cell disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 10, the fuel gas supply through-hole 2a, the cooling water supply through-hole 3a and the one end side of one pressure plate (end plate) 1 An oxidant gas supply through hole 4a is formed, and a fuel gas discharge through hole 2b, a cooling water discharge through hole 3b, and an oxidant gas discharge through hole 4b are formed on the other end side of the pressure plate 1. Yes.

プレッシャプレート１には、入口孔集合導管５ａと出口孔集合導管５ｂとが装着されている。入口孔集合導管５ａは、燃料ガス供給貫通孔２ａに嵌合する燃料ガス入口孔導管６ａ、冷却水供給貫通孔３ａに嵌合する冷却水入口孔導管７ａ及び酸化剤ガス供給貫通孔４ａに嵌合する酸化剤ガス入口孔導管８ａを有し、これらが鍔部９ａによって一体化されている。   The pressure plate 1 is provided with an inlet hole collecting conduit 5a and an outlet hole collecting conduit 5b. The inlet hole collecting conduit 5a is fitted into the fuel gas inlet hole conduit 6a fitted into the fuel gas supply through hole 2a, the cooling water inlet hole conduit 7a fitted into the cooling water supply through hole 3a, and the oxidant gas supply through hole 4a. There is an oxidant gas inlet hole conduit 8a to be combined, which are integrated by a flange 9a.

出口孔集合導管５ｂは、燃料ガス排出貫通孔２ｂに嵌合する燃料ガス出口孔導管６ｂ、冷却水排出貫通孔３ｂに嵌合する冷却水出口孔導管７ｂ及び酸化剤ガス排出貫通孔４ｂに嵌合する酸化剤ガス出口孔導管８ｂを有し、これらが鍔部９ｂにより一体化されている。   The outlet hole collecting conduit 5b is fitted into the fuel gas outlet hole conduit 6b fitted into the fuel gas discharge through hole 2b, the cooling water outlet hole conduit 7b fitted into the cooling water discharge through hole 3b, and the oxidant gas discharge through hole 4b. There is an oxidant gas outlet hole conduit 8b to be combined, and these are integrated by a flange 9b.

特開２０００−１６４２３８号公報JP 2000-164238 A

ところで、燃料電池には、例えば、酸化剤ガスや燃料ガスをこの燃料電池に供給する前に加湿する加湿装置等の外部設備が接続されている。その際、外部設備に設けられる配管をプレッシャプレート１の入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂに接続する必要がある。しかしながら、配管は、円筒形状に設定されるものが多く、一方、入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂは、矩形状（非円形状）を有している。このため、円形状の配管と矩形状の入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂとを、気密に接続することが困難であるという問題がある。   By the way, the fuel cell is connected to external equipment such as a humidifier that humidifies the oxidant gas or the fuel gas before being supplied to the fuel cell. In that case, it is necessary to connect piping provided in the external equipment to the inlet hole collecting conduit 5a and the outlet hole collecting conduit 5b of the pressure plate 1. However, the piping is often set in a cylindrical shape, while the inlet hole collecting conduit 5a and the outlet hole collecting conduit 5b have a rectangular shape (non-circular shape). For this reason, there is a problem that it is difficult to connect the circular pipe, the rectangular inlet hole collecting conduit 5a, and the outlet hole collecting conduit 5b in an airtight manner.

そこで、外部設備側の配管と入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂとの間に、配管接続構造が必要となり、部品数が増加するとともに、経済的ではないという問題がある。   Therefore, there is a problem that a pipe connection structure is required between the piping on the external equipment side and the inlet hole collecting conduit 5a and the outlet hole collecting conduit 5b, which increases the number of parts and is not economical.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池の非円形状連通孔と外部設備の円形状外部配管とを良好に連結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 is a fuel cell capable of satisfactorily connecting a non-circular communication hole of a fuel cell and a circular external pipe of an external facility with a simple and economical configuration. The purpose is to provide a stack.

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池の積層方向に少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す非円形状連通孔が形成されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが配設され、少なくとも一方の前記エンドプレートには、外部から円形状外部配管が接続される燃料電池スタックに関するものである。   The present invention has a plurality of fuel cells in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and is at least a reaction gas or a cooling medium in the stacking direction of the fuel cells. The present invention relates to a fuel cell stack in which non-circular communication holes for flowing a fluid are formed, end plates are disposed at both ends in the stacking direction, and circular external pipes are connected from the outside to at least one of the end plates. Is.

少なくとも一方のエンドプレートには、非円形状連通孔と円形状外部配管とを連通する樹脂製マニホールド部材が設けられるとともに、前記樹脂製マニホールド部材は、前記非円形状連通孔に連通する非円形状筒部と、前記円形状外部配管に連通する円形状筒部と、一方の前記エンドプレートの厚さ方向に沿って前記非円形状筒部と前記円形状筒部とを連通する連結形状筒部とを一体に設けている。   At least one of the end plates is provided with a resin manifold member that communicates the non-circular communication hole and the circular external pipe, and the resin manifold member communicates with the non-circular communication hole. A cylindrical part, a circular cylindrical part communicating with the circular external pipe, and a connecting cylindrical part communicating the non-circular cylindrical part and the circular cylindrical part along the thickness direction of one of the end plates And are integrated.

また、円形状筒部は、一方のエンドプレートの端部から外方に突出し、円形状外部配管に連結されるフランジ部を有することが好ましい。   Moreover, it is preferable that a circular cylinder part has a flange part which protrudes outward from the edge part of one end plate, and is connected with circular external piping.

本発明によれば、樹脂製マニホールド部材に非円形状筒部、円形状筒部及び連結形状筒部が一体に設けられるため、燃料電池の非円形状連通孔と外部の円形状外部配管との間で、反応ガスや冷却媒体の圧力損失が有効に低減される。しかも、円形状外部配管は、樹脂製マニホールド部材に直接接続されるため、部品数を削減することができるとともに、コストの削減が可能になる。さらに、樹脂製マニホールド部材を用いることにより、絶縁性を確保することができる。   According to the present invention, since the non-circular cylindrical portion, the circular cylindrical portion, and the connecting cylindrical portion are integrally provided on the resin manifold member, the non-circular communication hole of the fuel cell and the external circular external pipe In the meantime, the pressure loss of the reaction gas and the cooling medium is effectively reduced. In addition, since the circular external pipe is directly connected to the resin manifold member, it is possible to reduce the number of parts and the cost. Furthermore, insulation can be ensured by using a resin manifold member.

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部省略斜視図である。この燃料電池スタック１０は、車載用として使用可能である。   FIG. 1 is a partially omitted perspective view of a fuel cell stack 10 according to an embodiment of the present invention. This fuel cell stack 10 can be used for in-vehicle use.

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル（燃料電池）１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、図示しないが、ターミナルプレート及び絶縁プレートを介して金属製エンドプレート１４ａ、１４ｂが配設される。エンドプレート１４ａ、１４ｂから積層方向外方に電力取り出し端子１６ａ、１６ｂが突出し、前記電力取り出し端子１６ａ、１６ｂは、図示しない走行用モータや補機類に接続される。   The fuel cell stack 10 includes a plurality of power generation cells (fuel cells) 12 stacked in the horizontal direction (in the direction of arrow A) and made of metal via a terminal plate and an insulating plate at both ends in the stacking direction (not shown). End plates 14a and 14b are disposed. Electric power extraction terminals 16a and 16b project outward from the end plates 14a and 14b in the stacking direction, and the electric power extraction terminals 16a and 16b are connected to a driving motor and auxiliary machines (not shown).

燃料電池スタック１０は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に長尺（縦長）な四角形に構成されるエンドプレート１４ａ、１４ｂを端板として含むボックス状のケーシング１８を備えている。   The fuel cell stack 10 includes a box-shaped casing 18 that includes end plates 14a and 14b configured as squares that are long (vertically long) in the vertical direction (arrow C direction).

図２に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２２、２４とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第１及び第２金属セパレータ２２、２４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。   As shown in FIG. 2, each power generation cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 20, and a thin plate-shaped first and second metal sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 20. The separators 22 and 24 are provided and are configured to be vertically long. Instead of the first and second metal separators 22 and 24, for example, a carbon separator may be used.

発電セル１２の長辺方向（矢印Ｃ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２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２８ａが設けられる。   One end edge of the power generation cell 12 in the long side direction (arrow C direction) communicates with each other in the arrow A direction, and an oxidant gas supply communication hole 26a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. And a fuel gas supply passage 28a for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas.

発電セル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、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。   The other end edge in the long side direction of the power generation cell 12 communicates with each other in the direction of arrow A, and the oxidant gas discharge communication hole 26b for discharging the oxidant gas and the fuel gas discharge for discharging the fuel gas. A communication hole 28b is provided.

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａが設けられるとともに、前記発電セル１２の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂが設けられる。   A cooling medium supply communication hole 30a for supplying a cooling medium is provided at one end edge in the short side direction (arrow B direction) of the power generation cell 12, and the other end edge of the power generation cell 12 in the short side direction. Is provided with a cooling medium discharge communication hole 30b for discharging the cooling medium.

電解質膜・電極構造体２０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３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード側電極３４及びカソード側電極３６とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 20 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 32 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, and an anode side electrode 34 and a cathode side electrode 36 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 32. With.

第１金属セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとを連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１金属セパレータ２２の面２２ｂには、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４０が形成される。   A fuel gas flow path 38 that connects the fuel gas supply communication hole 28 a and the fuel gas discharge communication hole 28 b is formed on the surface 22 a of the first metal separator 22 facing the electrolyte membrane / electrode structure 20. A cooling medium flow path 40 that connects the cooling medium supply communication hole 30 a and the cooling medium discharge communication hole 30 b is formed on the surface 22 b of the first metal separator 22.

第２金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、矢印Ｃ方向に延在する酸化剤ガス流路４２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する。第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、第１金属セパレータ２２の面２２ｂと重なり合って冷却媒体流路４０が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２金属セパレータ２２、２４には、シール部材が一体成形される。   The surface 24a of the second metal separator 24 facing the electrolyte membrane / electrode structure 20 is provided with an oxidant gas flow path 42 extending in the direction of arrow C, and the oxidant gas flow path 42 is formed of an oxidant gas. The supply communication hole 26a communicates with the oxidant gas discharge communication hole 26b. On the surface 24 b of the second metal separator 24, the cooling medium flow path 40 is integrally formed so as to overlap the surface 22 b of the first metal separator 22. Although not shown, seal members are integrally formed on the first and second metal separators 22 and 24.

図３及び図４に示すように、エンドプレート１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド孔５０ａ、燃料ガス供給マニホールド孔５２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド孔５０ｂ及び燃料ガス排出マニホールド孔５２ｂが形成される。   As shown in FIGS. 3 and 4, the end plate 14a has an oxidant gas communication hole 26a, a fuel gas supply hole 28a, an oxidant gas discharge hole 26b, and an oxidant communicating with the fuel gas discharge hole 28b. A gas supply manifold hole 50a, a fuel gas supply manifold hole 52a, an oxidant gas discharge manifold hole 50b, and a fuel gas discharge manifold hole 52b are formed.

酸化剤ガス供給マニホールド孔５０ａは、発電セル１２側の内面５４ａに略台形の酸化剤ガス供給連通孔（非円形状連通孔）２６ａの形状に対応する略台形状の非円形状開口部５６と、前記エンドプレート１４ａの外面５４ｂに開放して設けられる円形状開口部５８と、前記非円形状開口部５６と前記円形状開口部５８とを前記エンドプレート１４ａの厚さ方向に沿って連通する三次元形状の連結形状開口部６０とを有する。   The oxidant gas supply manifold hole 50a includes a substantially trapezoidal noncircular opening 56 corresponding to the shape of a substantially trapezoidal oxidant gas supply communication hole (noncircular communication hole) 26a on the inner surface 54a on the power generation cell 12 side. The circular opening 58 provided open to the outer surface 54b of the end plate 14a, the non-circular opening 56 and the circular opening 58 are communicated along the thickness direction of the end plate 14a. And a three-dimensional connection opening 60.

なお、燃料ガス供給マニホールド孔５２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド孔５０ｂ及び燃料ガス排出マニホールド孔５２ｂは、上記の酸化剤ガス供給マニホールド孔５０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   The fuel gas supply manifold hole 52a, the oxidant gas discharge manifold hole 50b, and the fuel gas discharge manifold hole 52b are configured in the same manner as the oxidant gas supply manifold hole 50a, and the same components are the same. Reference numerals are assigned and detailed description thereof is omitted.

酸化剤ガス排出マニホールド孔５０ｂ及び燃料ガス排出マニホールド孔５２ｂでは、図４に示すように、円形状開口部５８の下端高さは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂの下端高さよりも距離ｈだけ下方に設定される。水の逆流を阻止して円滑な排水処理が可能になるからである。   In the oxidant gas discharge manifold hole 50b and the fuel gas discharge manifold hole 52b, as shown in FIG. 4, the lower end height of the circular opening 58 is the lower end of the oxidant gas discharge communication hole 26b and the fuel gas discharge communication hole 28b. It is set below the height by a distance h. This is because a smooth drainage treatment is possible by preventing the reverse flow of water.

エンドプレート１４ａには、酸化剤ガス供給マニホールド孔５０ａ、燃料ガス供給マニホールド孔５２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド孔５０ｂ及び燃料ガス排出マニホールド孔５２ｂに対応して樹脂製マニホールド部材６２ａ、６４ａ、６２ｂ及び６４ｂが一体成形される。   The end plate 14a includes resin manifold members 62a, 64a, 62b and 64b corresponding to the oxidant gas supply manifold hole 50a, the fuel gas supply manifold hole 52a, the oxidant gas discharge manifold hole 50b and the fuel gas discharge manifold hole 52b. Are integrally molded.

樹脂製マニホールド部材６２ａ、６４ａ、６２ｂ及び６４ｂは、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）又はＰＥＩ（ポリアミドイミド）等で成形される。   The resin manifold members 62a, 64a, 62b and 64b are formed of, for example, PBT (polybutylene terephthalate), PPS (polyphenylene sulfide), PPE (polyphenylene ether) or PEI (polyamideimide).

図５及び図６に示すように、樹脂製マニホールド部材６２ａは、非円形状開口部５６に形成され、非円形状連通孔である酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する非円形状筒部６６と、円形状開口部５８に形成され、後述する円形状外部配管に連通する円形状筒部６８と、エンドプレート１４ａの厚さ方向に沿って前記非円形状筒部６６と前記円形状筒部６８とを連通する三次元形状の連結形状筒部７０とを一体に設ける。三次元形状とは、段差のない滑らかに繋がった形状であり、液状水の堆積がなく、圧損の低減が図られる。   As shown in FIGS. 5 and 6, the resin manifold member 62a is formed in the non-circular opening 56 and communicates with the oxidant gas supply communication hole 26a which is a non-circular communication hole. A circular cylindrical portion 68 formed in the circular opening 58 and communicating with a circular external pipe described later, and the non-circular cylindrical portion 66 and the circular cylindrical portion along the thickness direction of the end plate 14a. A three-dimensional connected cylindrical portion 70 that communicates with 68 is integrally provided. The three-dimensional shape is a smoothly connected shape without steps, and there is no accumulation of liquid water, and pressure loss can be reduced.

円形状筒部６８は、エンドプレート１４ａの外面５４ｂから外方に突出するフランジ部７２を有する。このフランジ部７２内には、凹部７４が形成される。樹脂製マニホールド部材６２ａは、エンドプレート１４ａに対して樹脂材料を一体成形して製造される。三次元形状の連結形状筒部７０を効率よく製造することができるからである。   The circular cylindrical portion 68 has a flange portion 72 that protrudes outward from the outer surface 54b of the end plate 14a. A concave portion 74 is formed in the flange portion 72. The resin manifold member 62a is manufactured by integrally molding a resin material with respect to the end plate 14a. This is because the three-dimensional connected cylindrical portion 70 can be efficiently manufactured.

樹脂製マニホールド部材６４ａ、６２ｂ及び６４ｂは、上記の樹脂製マニホールド部材６２ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   The resin-made manifold members 64a, 62b, and 64b are configured in the same manner as the resin-made manifold member 62a described above, and the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図７及び図８に示すように、燃料電池スタック１０には、エンドプレート１４ａを介して外部設備である、例えば、加湿器７６が接続される。燃料電池スタック１０と加湿器７６とには、加湿空気供給配管７８と、使用済みの酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管８０とが接続される。燃料電池スタック１０には、さらに燃料ガス供給配管８２と、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管８４とが接続される。   As shown in FIGS. 7 and 8, for example, a humidifier 76, which is an external facility, is connected to the fuel cell stack 10 via an end plate 14 a. The fuel cell stack 10 and the humidifier 76 are connected to a humidified air supply pipe 78 and an offgas supply pipe 80 for supplying a used oxidant gas (hereinafter referred to as offgas) as a humidified fluid. The fuel cell stack 10 is further connected to a fuel gas supply pipe 82 and an exhaust fuel gas pipe 84 from which used fuel gas is discharged.

図９に示すように、樹脂製マニホールド部材６２ａ、６２ｂ、６４ａ及び６４ｂと、加湿空気供給配管７８、オフガス供給配管８０、燃料ガス供給配管８２及び排出燃料ガス配管８４とは、それぞれ中間配管８６を介して連結される。   As shown in FIG. 9, the resin manifold members 62a, 62b, 64a and 64b, the humidified air supply pipe 78, the off-gas supply pipe 80, the fuel gas supply pipe 82 and the exhaust fuel gas pipe 84 are respectively connected to the intermediate pipe 86. Connected through.

中間配管８６は、略円筒状を有するとともに、その外周部両端縁部には、周溝８８ａ、８８ｂを介してＯリング９０ａ、９０ｂが装着される。各中間配管８６は、一方のＯリング９０ａを樹脂製マニホールド部材６２ａ、６２ｂ、６４ａ及び６４ｂのフランジ部７２の内周面に摺接させるとともに、他方のＯリング９０ｂを加湿空気供給配管７８、オフガス供給配管８０、燃料ガス供給配管８２及び排出燃料ガス配管８４の各フランジ部９４の内周面に摺接させる。   The intermediate pipe 86 has a substantially cylindrical shape, and O-rings 90a and 90b are attached to peripheral edges of the outer peripheral portion via peripheral grooves 88a and 88b. In each intermediate pipe 86, one O-ring 90a is brought into sliding contact with the inner peripheral surface of the flange portion 72 of the resin manifold members 62a, 62b, 64a and 64b, and the other O-ring 90b is connected to the humidified air supply pipe 78, off gas. The supply pipe 80, the fuel gas supply pipe 82, and the exhaust fuel gas pipe 84 are brought into sliding contact with the inner peripheral surfaces of the flange portions 94.

酸化剤ガス用の円形状外部配管部の断面積は、燃料ガス用の円形状外部配管部の断面積よりも大きく設定される。   The cross-sectional area of the circular external pipe part for the oxidant gas is set larger than the cross-sectional area of the circular external pipe part for the fuel gas.

なお、エンドプレート１４ｂには、図示していないが、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体供給マニホールドと、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体排出マニホールドとが設けられ、冷却媒体を燃料電池スタック１０内に循環供給する。   Although not shown, the end plate 14b is provided with a cooling medium supply manifold that communicates with the cooling medium supply communication hole 30a and a cooling medium discharge manifold that communicates with the cooling medium discharge communication hole 30b. The fuel cell stack 10 is circulated and supplied.

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、酸化剤ガスである外部空気が、加湿器７６内に導入され、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガス中に含まれる水分により加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管７８からエンドプレート１４ａを通って燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス供給連通孔２６ａに供給される。   First, external air that is an oxidant gas is introduced into the humidifier 76 and is humidified by moisture contained in an off-gas that is an oxidant gas used for the reaction, as will be described later. The humidified air is supplied from the humidified air supply pipe 78 through the end plate 14a to the oxidant gas supply communication hole 26a in the fuel cell stack 10.

一方、燃料ガス（水素ガス）は、燃料ガス供給配管８２からエンドプレート１４ａを通って燃料電池スタック１０内の燃料ガス供給連通孔２８ａに導入される。さらに、冷却媒体は、エンドプレート１４ｂを通って燃料電池スタック１０内の冷却媒体供給連通孔３０ａに冷却媒体が導入される。   On the other hand, the fuel gas (hydrogen gas) is introduced from the fuel gas supply pipe 82 through the end plate 14 a into the fuel gas supply communication hole 28 a in the fuel cell stack 10. Further, the cooling medium is introduced into the cooling medium supply communication hole 30a in the fuel cell stack 10 through the end plate 14b.

図２に示すように、燃料電池スタック１０内の発電セル１２に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第２金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極３６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２８ａから第１金属セパレータ２２の燃料ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極３４に沿って移動する。   As shown in FIG. 2, the air supplied to the power generation cells 12 in the fuel cell stack 10 is introduced into the oxidant gas flow path 42 of the second metal separator 24 through the oxidant gas supply communication hole 26a, and the electrolyte membrane / It moves along the cathode side electrode 36 of the electrode structure 20. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 38 of the first metal separator 22 through the fuel gas supply communication hole 28 a and moves along the anode side electrode 34 of the electrolyte membrane / electrode structure 20.

従って、各電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極３６に供給される空気中の酸素と、アノード側電極３４に供給される燃料ガス（水素）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。   Accordingly, in each electrolyte membrane / electrode structure 20, the oxygen in the air supplied to the cathode side electrode 36 and the fuel gas (hydrogen) supplied to the anode side electrode 34 undergo an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer. To generate electricity.

次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート１４ａからオフガス供給配管８０に排出される（図８参照）。   Next, the air consumed by being supplied to the cathode side electrode 36 flows along the oxidant gas discharge communication hole 26b, and then is discharged from the end plate 14a to the off gas supply pipe 80 as an off gas (see FIG. 8).

同様に、アノード側電極３４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２８ｂに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート１４ａから排出燃料ガス配管８４に排出される。排出燃料ガス配管８４に排出された排出燃料ガスの一部は、燃料ガス供給配管８２に戻され、新たな燃料ガスに混在して燃料電池スタック１０内に供給される。   Similarly, the fuel gas supplied to and consumed by the anode side electrode 34 is discharged and flows into the fuel gas discharge communication hole 28b, and is discharged from the end plate 14a to the discharged fuel gas pipe 84 as discharged fuel gas. Part of the discharged fuel gas discharged to the discharged fuel gas pipe 84 is returned to the fuel gas supply pipe 82 and mixed with new fuel gas and supplied into the fuel cell stack 10.

また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔３０ａから第１及び第２金属セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路４０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２０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂを移動してエンドプレート１４ｂから排出される。   Further, as shown in FIG. 2, the cooling medium is introduced into the cooling medium flow path 40 between the first and second metal separators 22 and 24 from the cooling medium supply communication hole 30a, and then flows along the arrow B direction. To do. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 20, and then moves through the cooling medium discharge communication hole 30b and is discharged from the end plate 14b.

この場合、本実施形態では、例えば、燃料電池スタック１０内に延在する酸化剤ガス供給連通孔２６ａと、外部設備である加湿器７６の加湿空気供給配管７８とを連結するために、樹脂製マニホールド部材６２ａが設けられている。この樹脂製マニホールド部材６２ａは、図５及び図６に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａの開口形状に対応する非円形状筒部６６と、加湿空気供給配管７８の開口形状、より具体的には、中間配管８６の形状に対応する円形状筒部６８と、連結形状筒部７０とから一体的に設けられている。   In this case, in this embodiment, for example, in order to connect the oxidant gas supply communication hole 26a extending into the fuel cell stack 10 and the humidified air supply pipe 78 of the humidifier 76 which is external equipment, A manifold member 62a is provided. As shown in FIGS. 5 and 6, the resin manifold member 62a has a non-circular cylindrical portion 66 corresponding to the opening shape of the oxidant gas supply communication hole 26a and the opening shape of the humidified air supply pipe 78, more specifically. Specifically, it is integrally provided from a circular cylindrical portion 68 corresponding to the shape of the intermediate pipe 86 and a connecting cylindrical portion 70.

このため、各発電セル１２の非円形状連通孔である酸化剤ガス供給連通孔２６ａと、円形状外部配管である加湿空気供給配管７８との間で、酸化剤ガスの圧力損失が有効に低減される。   Therefore, the pressure loss of the oxidant gas is effectively reduced between the oxidant gas supply communication hole 26a which is a non-circular communication hole of each power generation cell 12 and the humidified air supply pipe 78 which is a circular external pipe. Is done.

しかも、樹脂製マニホールド部材６２ａは、エンドプレート１４ａに一体成形されるとともに、この樹脂製マニホールド部材６２ａに加湿空気供給配管７８が直接接続されている。これにより、部品数を有効に削減することができるとともに、コストの削減が可能になるという効果が得られる。さらに、樹脂製マニホールド部材６２ａを設けることにより、絶縁性を確保することができる。   Moreover, the resin manifold member 62a is integrally formed with the end plate 14a, and the humidified air supply pipe 78 is directly connected to the resin manifold member 62a. As a result, the number of components can be effectively reduced, and the cost can be reduced. Furthermore, insulation can be ensured by providing the resin-made manifold member 62a.

なお、非円形状連通孔は、発電セル１２のデザインにより略三角形、長方形、正方形、菱形等でもよく、角部にＲが設けられていてもよい。   The non-circular communication hole may be a substantially triangular shape, a rectangular shape, a square shape, a rhombus shape, or the like depending on the design of the power generation cell 12, and R may be provided at the corners.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一部省略斜視図である。FIG. 3 is a partially omitted 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を構成する発電セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the electric power generation cell which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの加湿器側からの流路の説明図である。It is explanatory drawing of the flow path from the humidifier side of the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する一方のエンドプレートの正面説明図である。It is front explanatory drawing of one end plate which comprises the said fuel cell stack. 前記一方のエンドプレートに一体成形される樹脂製マニホールド部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of a resin manifold member formed integrally with the one end plate. 前記樹脂製マニホールド部材の断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the said resin-made manifold members. セパレータ燃料電池スタックに加湿器が装着された状態の斜視図である。It is a perspective view in the state where a humidifier was attached to a separator fuel cell stack. 前記加湿器と前記燃料電池スタックとの接続構造の説明図である。It is explanatory drawing of the connection structure of the said humidifier and the said fuel cell stack. 前記接続構造の断面図である。It is sectional drawing of the said connection structure. 特許文献１の燃料電池用加湿システムの分解説明図である。It is a decomposition explanatory view of the humidification system for fuel cells of patent documents 1.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４ａ、１４ｂ…エンドプレート ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…金属セパレータ ２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２８ａ…燃料ガス供給連通孔
２８ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード側電極 ３６…カソード側電極
３８…燃料ガス流路 ４０…冷却媒体流路
４２…酸化剤ガス流路 ５０ａ…酸化剤ガス供給マニホールド孔
５０ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド孔
５２ａ…燃料ガス供給マニホールド孔 ５２ｂ…燃料ガス排出マニホールド孔
５６…非円形状開口部 ５８…円形状開口部
６０…連結形状開口部
６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ…樹脂製マニホールド部材
６６…非円形状筒部 ６８…円形状筒部
７０…連結形状筒部 ７２…フランジ部
７６…加湿器 ７８…加湿空気供給配管
８０…オフガス供給配管 ８２…燃料ガス供給配管
８４…排出燃料ガス配管 ８６…中間配管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Power generation cell 14a, 14b ... End plate 20 ... Electrolyte membrane and electrode structure 22, 24 ... Metal separator 26a ... Oxidant gas supply communication hole 26b ... Oxidant gas discharge communication hole 28a ... Fuel gas supply Communication hole 28b ... Fuel gas discharge communication hole 32 ... Solid polymer electrolyte membrane 34 ... Anode side electrode 36 ... Cathode side electrode 38 ... Fuel gas flow path 40 ... Cooling medium flow path 42 ... Oxidant gas flow path 50a ... Oxidant gas Supply manifold hole 50b ... Oxidant gas discharge manifold hole 52a ... Fuel gas supply manifold hole 52b ... Fuel gas discharge manifold hole 56 ... Non-circular opening 58 ... Circular opening 60 ... Connection-shaped opening 62a, 62b, 64a, 64b ... Resin manifold member 66 ... Non-circular cylindrical portion 68 ... Circular cylindrical portion 70 ... Connected cylindrical portion 72 ... F Nji 76 ... humidifier 78 ... humidified air supply pipe 80 ... off supply pipe 82 ... Fuel gas supply pipe 84 ... exhaust fuel gas pipe 86 ... intermediate pipe

Claims (2)

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池の積層方向に少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す非円形状連通孔が形成されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが配設され、少なくとも一方の前記エンドプレートには、外部から円形状外部配管が接続される燃料電池スタックであって、
一方の前記エンドプレートには、前記非円形状連通孔と前記円形状外部配管とを連通する樹脂製マニホールド部材が設けられるとともに、
前記樹脂製マニホールド部材は、前記非円形状連通孔に連通する非円形状筒部と、
前記円形状外部配管に連通する円形状筒部と、
一方の前記エンドプレートの厚さ方向に沿って前記非円形状筒部と前記円形状筒部とを連通する連結形状筒部と、
を一体に設けることを特徴とする燃料電池スタック。 A plurality of fuel cells in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and at least a reaction gas or a fluid as a cooling medium flows in the stacking direction of the fuel cells. A circular communication hole is formed, end plates are disposed at both ends in the stacking direction, and at least one of the end plates is a fuel cell stack to which a circular external pipe is connected from the outside,
One end plate is provided with a resin manifold member that communicates the non-circular communication hole and the circular external pipe,
The resin manifold member includes a non-circular cylindrical portion communicating with the non-circular communication hole,
A circular tube portion communicating with the circular external pipe;
A connected cylindrical portion that communicates the non-circular cylindrical portion and the circular cylindrical portion along the thickness direction of one of the end plates;
A fuel cell stack characterized in that the fuel cell stack is integrally provided. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記円形状筒部は、一方の前記エンドプレートの端部から外方に突出し、前記円形状外部配管に連結されるフランジ部を有す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 circular cylindrical portion has a flange portion that protrudes outward from an end portion of one of the end plates and is connected to the circular external pipe. Battery stack.
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