JP2015018665A

JP2015018665A - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP2015018665A
Application number: JP2013144648A
Authority: JP
Inventors: 秀忠小嶋; Hidetada Kojima; 秀晴内藤; Hideharu Naito; 成志好永; Seishi Yoshinaga; 由介奈良; Yusuke Nara
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2015-01-29

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To block temperature drop of an end cell reliably with a simple and compact configuration.SOLUTION: In a fuel stack 10, insulators 18a, 18b are disposed at both ends of a laminate 14 of a plurality of power generation cells 12. In the surface 18af of the insulator 18a facing an end plate 20a, an oxidant gas passage 68 for distributing the end oxidant gas being supplied to an oxidant gas passage 42 is formed. In the surface 18bf of the insulator 18b facing an end plate 20b, an end oxidant gas passage 72 for distributing the oxidant gas is formed.

Description

本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関する。 The present invention includes a laminate in which a power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte and a separator is laminated, and a terminal plate, an insulator, and an insulator on both sides in the lamination direction of the laminate The present invention relates to a fuel cell stack provided with an end plate.

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

ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル（以下、端部発電セルともいう）は、例えば、各発電セルによって発電された電荷を集める電力取り出し用ターミナルプレート（集電板）や、積層された発電セルを保持するために設けられたエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。 By the way, in the fuel cell stack, there is a power generation cell in which a temperature drop is likely to be caused by heat radiation to the outside as compared with other power generation cells. For example, a power generation cell (hereinafter also referred to as an end power generation cell) disposed at the end in the stacking direction is, for example, a power extraction terminal plate (current collector plate) that collects the electric power generated by each power generation cell, There is much heat radiation from an end plate or the like provided to hold the generated power generation cell, and the above-described temperature drop is remarkable.

この温度低下によって、端部発電セルでは、燃料電池スタックの中央部分の発電セルに比べて結露が発生し易くなる。このため、生成水の排出性が低下して、発電性能が低下するという不具合が指摘されている。 Due to this temperature decrease, condensation is more likely to occur in the end power generation cells than in the central power generation cell of the fuel cell stack. For this reason, the malfunction that the discharge | emission property of produced water falls and power generation performance falls is pointed out.

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池のスタック構造が知られている。このスタック構造では、燃料電池のセル積層体の、少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層を設けている。 Thus, for example, a fuel cell stack structure disclosed in Patent Document 1 is known. In this stack structure, a layer in which a gas flow path is formed that does not contribute to power generation is provided at least on the gas inlet / outlet side end of the cell stack of the fuel cell.

特開２００３−３３８３０５号公報JP 2003-338305 A

上記の層は、ガス流路を形成するために複数枚の層が積層されており、ダミーセルを構成している。このため、発電セルの他に該発電セルとは異なる構造を有するダミーセルが必要となり、セル種類が増加して製造コストが高騰するという問題がある。しかも、ダミーセルは、発電に寄与しないため、燃料電池スタック全体の発電効率が低下すると共に、前記燃料電池スタックが積層方向に長尺化するという問題がある。 A plurality of layers are stacked in order to form a gas flow path, and the above layer constitutes a dummy cell. For this reason, a dummy cell having a structure different from that of the power generation cell is required in addition to the power generation cell, and there is a problem that the number of cell types increases and the manufacturing cost increases. In addition, since the dummy cells do not contribute to power generation, the power generation efficiency of the entire fuel cell stack is reduced, and the fuel cell stack is elongated in the stacking direction.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、端部セルの温度低下を確実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 an object thereof is to provide a fuel cell stack capable of reliably preventing a temperature drop of an end cell with a simple and compact configuration.

本発明に係る燃料電池スタックは、電解質の両側にアノード電極及びカソード電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備えている。燃料電池スタックには、アノード電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とが電極面方向に沿って形成されている。 The fuel cell stack according to the present invention includes a laminate in which a power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of an electrolyte and a separator is laminated. In the fuel cell stack, a fuel gas channel for supplying fuel gas along the anode electrode and an oxidant gas channel for supplying oxidant gas along the cathode electrode are formed along the electrode surface direction. .

燃料ガス流路には、発電セルの積層方向に貫通する燃料ガス連通孔が連通し、酸化剤ガス流路には、前記積層方向に貫通する酸化剤ガス連通孔が連通している。積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設されている。 A fuel gas communication hole penetrating in the stacking direction of the power generation cells communicates with the fuel gas flow path, and an oxidant gas communication hole penetrating in the stacking direction communicates with the oxidant gas flow path. A terminal plate, an insulator, and an end plate are disposed on both sides in the stacking direction of the stack.

そして、インシュレータとエンドプレートとの間には、酸化剤ガス連通孔に連通し、電極面方向に沿って酸化剤ガスを流通させる端部酸化剤ガス通路が設けられている。 Between the insulator and the end plate, there is provided an end oxidant gas passage that communicates with the oxidant gas communication hole and allows the oxidant gas to flow along the electrode surface direction.

また、この燃料電池スタックでは、端部酸化剤ガス通路の圧損は、酸化剤ガス流路の圧損よりも大きく設定されることが好ましい。 Further, in this fuel cell stack, it is preferable that the pressure loss of the end portion oxidant gas passage is set larger than the pressure loss of the oxidant gas passage.

本発明によれば、インシュレータとエンドプレートとの間に端部酸化剤ガス通路が形成されると共に、前記端部酸化剤ガス通路に沿って酸化剤ガスが流通している。このため、燃料電池スタックからの放熱を抑制することができ、積層体の端部に配置される端部セルの温度低下を確実に阻止することが可能になる。 According to the present invention, the end oxidant gas passage is formed between the insulator and the end plate, and the oxidant gas flows along the end oxidant gas passage. For this reason, the heat radiation from the fuel cell stack can be suppressed, and the temperature drop of the end cells arranged at the end of the stacked body can be reliably prevented.

しかも、専用のダミーセルが不要になるため、セル種類が増加することがなく、製造コストの高騰を抑制することができる。さらに、燃料電池スタックが積層方向に長尺化することがない。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、端部セルの温度低下を確実に阻止することが可能になる。 In addition, since a dedicated dummy cell is unnecessary, the number of cell types does not increase, and an increase in manufacturing cost can be suppressed. Furthermore, the fuel cell stack is not elongated in the stacking direction. This makes it possible to reliably prevent the temperature drop of the end cell with a simple and compact configuration.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。1 is a perspective explanatory view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。FIG. 2 is a partially exploded schematic perspective view of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line III-III in FIG. 2. 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the electric power generation cell which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成するインシュレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the insulator 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インシュレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the insulator 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インシュレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the insulator which comprises the fuel cell stack which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

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、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックとして使用される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack mounted on a fuel cell electric vehicle (not shown).

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、インシュレータ（絶縁プレート）１８ａ及びエンドプレート２０ａが積層方向外方に向かって、順次、配設される（図２参照）。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、インシュレータ（絶縁プレート）１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが積層方向外方に向かって、順次、配設される。 The fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of power generation cells 12 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction). A terminal plate 16a, an insulator (insulating plate) 18a, and an end plate 20a are sequentially disposed at one end in the stacking direction (arrow A direction) of the stacked body 14 outward in the stacking direction (see FIG. 2). At the other end in the stacking direction of the stacked body 14, a terminal plate 16b, an insulator (insulating plate) 18b, and an end plate 20b are sequentially disposed outward in the stacking direction.

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有すると共に、各辺間には、連結バー２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの面内にボルト２６を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。なお、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。 As shown in FIG. 1, the end plates 20 a and 20 b have a horizontally long (or vertically long) rectangular shape, and a connecting bar 24 is disposed between each side. Each connecting bar 24 is fixed at both ends in the plane of the end plates 20a, 20b via bolts 26, and applies a tightening load in the stacking direction (arrow A direction) to the plurality of stacked power generation cells 12. Note that the fuel cell stack 10 may include a housing having end plates 20a and 20b as end plates, and the stacked body 14 may be accommodated in the housing.

発電セル１２は、図３及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体３０が、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４は、例えば、カーボンセパレータにより構成される。なお、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４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金属薄板を波形にプレス成形して構成される金属セパレータを採用してもよい。 As shown in FIGS. 3 and 4, the power generation cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure 30 sandwiched between a first separator 32 and a second separator 34. The first separator 32 and the second separator 34 are constituted by, for example, a carbon separator. The first separator 32 and the second separator 34 are formed by, for example, pressing a corrugated metal plate having a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal surface thereof subjected to anticorrosive surface treatment. A metal separator may be employed.

発電セル１２の矢印Ｂ方向（図４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、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス供給連通孔３６ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス排出連通孔３８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。 At one end edge of the power generation cell 12 in the arrow B direction (horizontal direction in FIG. 4), there is an oxidant gas supply communication hole 36a and a fuel gas discharge communication hole 38b communicating with each other in the arrow A direction which is the stacking direction. Are arranged in the direction of arrow C (vertical direction). The oxidant gas supply communication hole 36a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, while the fuel gas discharge communication hole 38b discharges a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas.

発電セル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供給連通孔３８ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。 The other end edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas supply communication hole 38a for supplying fuel gas, and an oxidant gas for discharging oxidant gas. The discharge communication holes 36b are arranged in the direction of arrow C.

発電セル１２の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４０ａが設けられる。発電セル１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂが設けられる。 A cooling medium supply communication hole 40a for supplying a cooling medium is provided at the upper edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow C. A cooling medium discharge communication hole 40b for discharging the cooling medium is provided at the lower end edge of the power generation cell 12 in the arrow C direction.

第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝４２ａを有する。 An oxidant gas flow path 42 communicating with the oxidant gas supply communication hole 36 a and the oxidant gas discharge communication hole 36 b is provided on the surface 32 a of the first separator 32 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The oxidant gas flow channel 42 has a plurality of flow channel grooves 42a extending in the horizontal direction (arrow B direction).

第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。燃料ガス流路４４は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝４４ａを有する。 A fuel gas flow path 44 communicating with the fuel gas supply communication hole 38a and the fuel gas discharge communication hole 38b is provided on the surface 34a of the second separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The fuel gas flow path 44 has a plurality of flow path grooves 44a extending in the horizontal direction (arrow B direction).

互いに隣接する発電セル１２を構成する第１セパレータ３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。冷却媒体流路４６は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に延在する複数本の流路溝４６ａを有する。 A cooling medium that connects the cooling medium supply communication hole 40a and the cooling medium discharge communication hole 40b between the surface 32b of the first separator 32 and the surface 34b of the second separator 34 that constitute the power generation cells 12 adjacent to each other. A flow path 46 is provided. The cooling medium flow path 46 has a plurality of flow path grooves 46a extending in the vertical direction (the direction of arrow C).

第１セパレータ３２と第２セパレータ３４とには、第１シール部材４８と第２シール部材５０とが、一体的又は個別に設けられる。第１シール部材４８及び第２シール部材５０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使用される。 The first separator 32 and the second separator 34 are provided with a first seal member 48 and a second seal member 50 integrally or individually. As the first seal member 48 and the second seal member 50, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, acrylic rubber or the like sealant or cushion A seal member having elasticity such as a material or a packing material is used.

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード電極５４及びアノード電極５６とを備える。 The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 52 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode electrode 54 and an anode electrode 56 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 52. Prepare.

固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６よりも大きな平面寸法を有している。なお、電解質膜・電極構造体３０は、カソード電極５４とアノード電極５６とが互いに異なる平面寸法に設定される段差ＭＥＡを構成してもよい。 The solid polymer electrolyte membrane 52 has a larger planar dimension than the cathode electrode 54 and the anode electrode 56. The electrolyte membrane / electrode structure 30 may constitute a step MEA in which the cathode electrode 54 and the anode electrode 56 are set to have different plane dimensions.

カソード電極５４及びアノード電極５６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て形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。 The cathode electrode 54 and the anode electrode 56 are an electrode catalyst formed by uniformly applying a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. And having a layer. The electrode catalyst layer is formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 52, for example.

図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａは、絶縁性筒体６０に挿入されて、インシュレータ１８ａの孔部６２ａ及びエンドプレート２０ａの孔部６４ａを貫通して前記エンドプレート２０ａの外部に突出する。端子部５８ｂは、絶縁性筒体６０に挿入されて、インシュレータ１８ｂの孔部６２ｂ及びエンドプレート２０ｂの孔部６４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ｂの外部に突出する。 As shown in FIG. 2, terminal portions 58a and 58b extending outward in the stacking direction are provided at substantially the center of the terminal plates 16a and 16b. The terminal portion 58a is inserted into the insulating cylinder 60, passes through the hole portion 62a of the insulator 18a and the hole portion 64a of the end plate 20a, and protrudes outside the end plate 20a. The terminal portion 58b is inserted into the insulating cylinder 60, passes through the hole portion 62b of the insulator 18b and the hole portion 64b of the end plate 20b, and protrudes to the outside of the end plate 20b.

インシュレータ１８ａ、１８ｂは、電気絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成される。インシュレータ１８ａ、１８ｂの中央部には、積層体１４側の端部が開口される凹部６６ａ、６６ｂが形成される。凹部６６ａ、６６ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容される。 The insulators 18a and 18b are formed of an electrically insulating material such as polycarbonate (PC) or phenol resin. In the central portions of the insulators 18a and 18b, concave portions 66a and 66b having openings at the end on the laminated body 14 side are formed. The terminal plates 16a and 16b are accommodated in the recesses 66a and 66b.

図２及び図３に示すように、インシュレータ１８ａとエンドプレート２０ａとの間には、第１の実施形態では、前記インシュレータ１８ａの面１８ａｆ（凹部６６ａとは反対の面）には、端部酸化剤ガス通路６８が形成される。端部酸化剤ガス通路６８は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通し、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の通路溝６８ａを有する。なお、端部酸化剤ガス通路６８は、インシュレータ１８ａに代えて、又は、前記インシュレータ１８ａと共に、エンドプレート２０ａの前記インシュレータ１８ａに対向する面に設けてもよい。 As shown in FIGS. 2 and 3, between the insulator 18a and the end plate 20a, in the first embodiment, the surface 18af of the insulator 18a (the surface opposite to the recess 66a) is end-oxidized. An agent gas passage 68 is formed. The end oxidant gas passage 68 has a plurality of passage grooves 68a that communicate with the oxidant gas supply communication hole 36a and the oxidant gas discharge communication hole 36b and extend in the horizontal direction (arrow B direction). Note that the end oxidant gas passage 68 may be provided on the surface of the end plate 20a facing the insulator 18a in place of the insulator 18a or together with the insulator 18a.

端部酸化剤ガス通路６８の圧損は、酸化剤ガス流路４２の圧損よりも大きく設定される。具体的には、例えば、端部酸化剤ガス通路６８の通路溝６８ａの開口断面積は、酸化剤ガス流路４２の流路溝４２ａの開口断面積よりも小さな寸法に設定される。また、通路溝６８ａは、流路溝４２ａと同一の開口断面積を有し且つ前記流路溝４２ａよりも長尺に設定してもよい。なお、端部酸化剤ガス通路６８と酸化剤ガス供給連通孔３６ａとの連結部位、及び前記端部酸化剤ガス通路６８と酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとの連結部位には、絞り部６９ａ、６９ｂを設けることにより、圧損を大きくしてもよい。 The pressure loss of the end oxidant gas passage 68 is set larger than the pressure loss of the oxidant gas passage 42. Specifically, for example, the opening cross-sectional area of the passage groove 68 a of the end oxidant gas passage 68 is set to a size smaller than the opening cross-sectional area of the flow path groove 42 a of the oxidant gas flow path 42. The passage groove 68a may have the same opening cross-sectional area as the flow channel groove 42a and may be set longer than the flow channel groove 42a. It should be noted that the connecting portion between the end oxidant gas passage 68 and the oxidant gas supply communication hole 36a and the connection portion between the end oxidant gas passage 68 and the oxidant gas discharge communication hole 36b include a throttle portion 69a, The pressure loss may be increased by providing 69b.

インシュレータ１８ａには、端部酸化剤ガス通路６８と酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂを囲繞すると共に、孔部６２ａを周回してシール部材７０が設けられる。なお、シール部材７０は、必要に応じて設ければよい。 The insulator 18a is provided with a seal member 70 that surrounds the end oxidant gas passage 68, the oxidant gas supply communication hole 36a, and the oxidant gas discharge communication hole 36b and circulates around the hole 62a. The seal member 70 may be provided as necessary.

図２及び図５に示すように、インシュレータ１８ｂには、少なくとも酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが貫通形成される。図５に示すように、インシュレータ１８ｂの面１８ｂｆ（凹部６６ｂとは反対の面）には、端部酸化剤ガス通路７２が形成される。端部酸化剤ガス通路７２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通し、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の通路溝７２ａを有する。なお、端部酸化剤ガス通路７２は、インシュレータ１８ｂに代えて、又は、前記インシュレータ１８ｂと共に、エンドプレート２０ｂの前記インシュレータ１８ｂに対向する面に設けてもよい。 As shown in FIGS. 2 and 5, at least an oxidant gas supply communication hole 36a and an oxidant gas discharge communication hole 36b are formed through the insulator 18b. As shown in FIG. 5, an end oxidizing gas passage 72 is formed on the surface 18bf of the insulator 18b (the surface opposite to the recess 66b). The end oxidant gas passage 72 has a plurality of passage grooves 72a that communicate with the oxidant gas supply communication hole 36a and the oxidant gas discharge communication hole 36b and extend in the horizontal direction (arrow B direction). The end oxidant gas passage 72 may be provided on the surface of the end plate 20b facing the insulator 18b in place of the insulator 18b or together with the insulator 18b.

端部酸化剤ガス通路７２の圧損は、酸化剤ガス流路４２の圧損よりも大きく設定される。具体的には、例えば、端部酸化剤ガス通路７２の通路溝７２ａの開口断面積は、酸化剤ガス流路４２の流路溝４２ａの開口断面積よりも小さな寸法に設定される。また、通路溝７２ａは、流路溝４２ａと同一の開口断面積を有し且つ前記流路溝４２ａよりも長尺に設定してもよい。なお、端部酸化剤ガス通路７２と酸化剤ガス供給連通孔３６ａとの連結部位、及び前記端部酸化剤ガス通路７２と酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとの連結部位には、絞り部７３ａ、７３ｂを設けることにより、圧損を大きくしてもよい。以下に説明する他の実施形態でも、同様である。 The pressure loss of the end oxidant gas passage 72 is set larger than the pressure loss of the oxidant gas passage 42. Specifically, for example, the opening cross-sectional area of the passage groove 72 a of the end oxidant gas passage 72 is set to be smaller than the opening cross-sectional area of the flow passage groove 42 a of the oxidant gas flow path 42. The passage groove 72a may have the same opening cross-sectional area as the flow channel groove 42a and may be set longer than the flow channel groove 42a. It should be noted that the connecting portion between the end oxidant gas passage 72 and the oxidant gas supply communication hole 36a and the connection portion between the end oxidant gas passage 72 and the oxidant gas discharge communication hole 36b include a throttle portion 73a, The pressure loss may be increased by providing 73b. The same applies to other embodiments described below.

インシュレータ１８ｂには、端部酸化剤ガス通路７２と酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂを囲繞すると共に、孔部６２ｂを周回してシール部材７４が設けられる。なお、シール部材７４は、必要に応じて設ければよい。 The insulator 18b is provided with a seal member 74 that surrounds the end oxidant gas passage 72, the oxidant gas supply communication hole 36a, and the oxidant gas discharge communication hole 36b and circulates around the hole 62b. The seal member 74 may be provided as necessary.

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔３８ｂ、冷却媒体供給連通孔４０ａ及び冷却媒体排出連通孔４０ｂが形成される。なお、エンドプレート２０ａとエンドプレート２０ｂとには、所定の連通孔を振り分けて形成してもよい。 As shown in FIG. 1, the end plate 20a includes an oxidant gas supply communication hole 36a, an oxidant gas discharge communication hole 36b, a fuel gas supply communication hole 38a, a fuel gas discharge communication hole 38b, a cooling medium supply communication hole 40a, and A cooling medium discharge communication hole 40b is formed. In addition, you may form and distribute a predetermined communicating hole in the end plate 20a and the end plate 20b.

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

先ず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体供給連通孔４０ａに供給される。 First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas supply passage 36a of the end plate 20a. Fuel gas such as hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 38a of the end plate 20a. A cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium supply communication hole 40a of the end plate 20a.

図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード電極５４に供給される。 As shown in FIG. 4, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 42 of the first separator 32 from the oxidant gas supply communication hole 36a. The oxidant gas is supplied to the cathode electrode 54 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 30 while flowing in the horizontal direction (arrow B direction) along the oxidant gas flow path 42.

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード電極５６に供給される。 On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 44 of the second separator 34 from the fuel gas supply communication hole 38a. The fuel gas is supplied to the anode electrode 56 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 30 while flowing in the horizontal direction (arrow B direction) along the fuel gas flow path 44.

従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５６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 30, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 54 and the fuel gas supplied to the anode electrode 56 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is called.

次いで、カソード電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード電極５６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３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。 Next, the oxidant gas supplied and consumed to the cathode electrode 54 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas discharge communication hole 36b. On the other hand, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 56 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas discharge communication hole 38b.

また、冷却媒体供給連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂから排出される。 The cooling medium supplied to the cooling medium supply communication hole 40 a is introduced into the cooling medium flow path 46 between the first separator 32 and the second separator 34 and then circulates in the direction of arrow C. The cooling medium is discharged from the cooling medium discharge communication hole 40b after the electrolyte membrane / electrode structure 30 is cooled.

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、インシュレータ１８ａのエンドプレート２０ａに対向する面１８ａｆには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する端部酸化剤ガス通路６８が形成されている。同様に、図５に示すように、インシュレータ１８ｂのエンドプレート２０ｂに対向する面１８ｂｆには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する端部酸化剤ガス通路７２が形成されている。 In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 2, the surface 18af facing the end plate 20a of the insulator 18a has ends communicating with the oxidant gas supply communication hole 36a and the oxidant gas discharge communication hole 36b. A partial oxidant gas passage 68 is formed. Similarly, as shown in FIG. 5, the end portion oxidant gas passage 72 communicating with the oxidant gas supply communication hole 36a and the oxidant gas discharge communication hole 36b is formed on the surface 18bf of the insulator 18b facing the end plate 20b. Is formed.

このため、図示しないエアポンプ等を介して燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔３６ａに供給された大気の温度よりも高く比較的高温（及び低湿度）の酸化剤ガス（空気）は、端部酸化剤ガス通路６８、７２に沿って流通されている（図３参照）。従って、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂから外部への放熱を抑制することができる。これにより、積層体１４の端部に配置される発電セル１２（端部セル）の温度低下を確実に阻止することが可能になる。 For this reason, the oxidant gas (air) having a relatively higher temperature (and lower humidity) than the atmospheric temperature supplied to the oxidant gas supply passage 36a of the fuel cell stack 10 via an air pump (not shown) is not It is distributed along the partial oxidant gas passages 68 and 72 (see FIG. 3). Therefore, in the fuel cell stack 10, heat radiation from the end plates 20a and 20b to the outside can be suppressed. Thereby, it becomes possible to prevent reliably the temperature drop of the power generation cell 12 (end cell) arranged at the end of the stacked body 14.

しかも、専用のダミーセルが不要になるため、発電セル１２の他にセル種類が増加することがない。このため、燃料電池スタック１０全体の製造コストが高騰することを有効に抑制することができる。さらに、燃料電池スタック１０は、積層方向に長尺化することがない。従って、簡単且つコンパクトな構成で、端部に配置されている発電セル１２の温度低下を確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。 In addition, since a dedicated dummy cell is unnecessary, the number of cell types other than the power generation cell 12 does not increase. For this reason, it can suppress effectively that the manufacturing cost of the fuel cell stack 10 whole rises. Furthermore, the fuel cell stack 10 is not elongated in the stacking direction. Therefore, the effect that it becomes possible to prevent reliably the temperature fall of the electric power generation cell 12 arrange | positioned at the edge part by simple and compact structure is acquired.

また、保温媒体として、酸化剤ガスが使用されており、端部酸化剤ガス通路６８、７２には、比較的高温で且つ低湿度の前記酸化剤ガスが流通している。これにより、保温媒体として、例えば、冷却媒体が使用される場合に比べ、液絡（液体を介して電気的に接続され、液間電位が発生すること）の発生が可及的に抑制される。 Further, an oxidant gas is used as a heat retaining medium, and the oxidant gas having a relatively high temperature and low humidity flows through the end oxidant gas passages 68 and 72. Thereby, compared with the case where a cooling medium is used as a heat retaining medium, for example, the occurrence of a liquid junction (which is electrically connected via a liquid and generates an inter-liquid potential) is suppressed as much as possible. .

さらにまた、端部酸化剤ガス通路６８の圧損は、酸化剤ガス流路４２の圧損よりも大きく設定されると共に、端部酸化剤ガス通路７２の圧損は、前記酸化剤ガス流路４２の圧損よりも大きく設定されている。このため、端部酸化剤ガス通路６８、７２を酸化剤ガスが急速に通過することがなく、良好な保温機能を確保することが可能になる。さらに、発電に寄与することなく排出される酸化剤ガスの流量を抑制することができる。 Furthermore, the pressure loss of the end oxidant gas passage 68 is set larger than the pressure loss of the oxidant gas passage 42, and the pressure loss of the end oxidant gas passage 72 is the pressure loss of the oxidant gas passage 42. Is set larger than. Therefore, the oxidant gas does not rapidly pass through the end oxidant gas passages 68 and 72, and a good heat retaining function can be ensured. Furthermore, the flow rate of the oxidant gas discharged without contributing to power generation can be suppressed.

図６は、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インシュレータ８０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成するインシュレータ１８ａと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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。 FIG. 6 is an explanatory front view of an insulator 80 constituting the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention. Note that the same components as those of the insulator 18a constituting the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third embodiment described below, detailed description thereof is omitted.

インシュレータ８０では、孔部６２ａに相当する孔部が設けられていない。図示しないが、ターミナルプレートには、積層方向外方に延在する端子部５８ａに代えて、外周端部から積層方向に交差するプレート面方向に延在する端子板部が設けられている。 In the insulator 80, a hole corresponding to the hole 62a is not provided. Although not shown, the terminal plate is provided with a terminal plate portion extending from the outer peripheral end portion in the plate surface direction intersecting the stacking direction, instead of the terminal portion 58a extending outward in the stacking direction.

インシュレータ８０の面８０ｆには、端部酸化剤ガス通路８２が形成される。端部酸化剤ガス通路８２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通し、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の通路溝８２ａを有する。なお、インシュレータ１８ｂに対応する図示しないインシュレータでは、上記のインシュレータ８０と同様に構成される。 An end oxidant gas passage 82 is formed in the surface 80 f of the insulator 80. The end oxidant gas passage 82 communicates with the oxidant gas supply communication hole 36a and the oxidant gas discharge communication hole 36b and has a plurality of passage grooves 82a extending in the horizontal direction (arrow B direction). The insulator (not shown) corresponding to the insulator 18b is configured in the same manner as the insulator 80 described above.

このように構成される第２の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、端部に配置されている発電セルの温度低下を確実に阻止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。 In the second embodiment configured as described above, the first embodiment described above can be prevented with a simple and compact configuration, for example, it is possible to reliably prevent a temperature drop of the power generation cell disposed at the end. The same effect as the form can be obtained.

図７は、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インシュレータ９０の正面説明図である。 FIG. 7 is an explanatory front view of an insulator 90 constituting a fuel cell stack according to the third embodiment of the present invention.

インシュレータ９０では、孔部６２ａに相当する孔部が設けられておらず、前記インシュレータ９０の面９０ｆには、端部酸化剤ガス通路９２が形成される。端部酸化剤ガス通路９２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通し、水平方向（矢印Ｂ方向）に折り返す複数本の蛇行（サーペンタイン）通路溝９２ａを有する。なお、インシュレータ１８ｂに対応する図示しないインシュレータでは、上記のインシュレータ９０と同様に構成される。 In the insulator 90, a hole corresponding to the hole 62a is not provided, and an end oxidizing gas passage 92 is formed in the surface 90f of the insulator 90. The end oxidant gas passage 92 communicates with the oxidant gas supply communication hole 36a and the oxidant gas discharge communication hole 36b, and has a plurality of serpentine passage grooves 92a that are folded back in the horizontal direction (the direction of arrow B). . An insulator (not shown) corresponding to the insulator 18b is configured in the same manner as the insulator 90 described above.

このように構成される第３の実施形態では、特に端部酸化剤ガス通路９２がサーペンタイン通路を形成するため、通路長が一層長尺化される。従って、端部酸化剤ガス通路９２の保温機能が良好に向上すると共に、圧損も増加するという効果が得られる。さらに、簡単且つコンパクトな構成で、端部に配置されている発電セルの温度低下を確実に阻止することが可能になる等、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。 In the third embodiment configured as described above, the end oxidant gas passage 92 particularly forms a serpentine passage, so that the passage length is further increased. Therefore, the heat retention function of the end oxidant gas passage 92 is improved satisfactorily and the pressure loss is increased. Furthermore, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, for example, it is possible to reliably prevent a temperature drop of the power generation cell disposed at the end with a simple and compact configuration. .

１０…燃料電池スタック１２…発電セル
１４…積層体１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ、８０、９０…インシュレータ
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…セパレータ３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔３８ａ…燃料ガス供給連通孔
３８ｂ…燃料ガス排出連通孔４０ａ…冷却媒体供給連通孔
４０ｂ…冷却媒体排出連通孔４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路４６…冷却媒体流路
４８、５０、７０、７４…シール部材５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極５６…アノード電極
６６ａ、６６ｂ…凹部
６８、７２、８２、９２…端部酸化剤ガス通路
６８ａ、７２ａ、８２ａ…通路溝９２ａ…蛇行通路溝 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Power generation cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18a, 18b, 80, 90 ... Insulator 20a, 20b ... End plate 30 ... Electrolyte membrane electrode structure 32, 34 ... Separator 36a ... Oxidation Agent gas supply communication hole 36b ... Oxidant gas discharge communication hole 38a ... Fuel gas supply communication hole 38b ... Fuel gas discharge communication hole 40a ... Cooling medium supply communication hole 40b ... Cooling medium discharge communication hole 42 ... Oxidant gas flow path 44 ... Fuel gas flow path 46 ... Cooling medium flow paths 48, 50, 70, 74 ... Sealing member 52 ... Solid polymer electrolyte membrane 54 ... Cathode electrode 56 ... Anode electrode 66a, 66b ... Recess 68, 72, 82, 92 ... End Oxidant gas passages 68a, 72a, 82a ... passage groove 92a ... meandering passage groove

Claims

電解質の両側にアノード電極及びカソード電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記アノード電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路とが電極面方向に沿って形成されると共に、前記燃料ガス流路に連通して前記発電セルの積層方向に貫通する燃料ガス連通孔と、前記酸化剤ガス流路に連通して前記積層方向に貫通する酸化剤ガス連通孔とが形成され、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
前記インシュレータと前記エンドプレートとの間には、前記酸化剤ガス連通孔に連通し、前記電極面方向に沿って前記酸化剤ガスを流通させる端部酸化剤ガス通路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel gas flow path for supplying a fuel gas along the anode electrode, comprising a laminate in which a power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the electrolyte and a separator is laminated And an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas along the cathode electrode is formed along the electrode surface direction, and communicates with the fuel gas flow path and penetrates in the stacking direction of the power generation cells. A fuel gas communication hole and an oxidant gas communication hole that communicates with the oxidant gas flow path and penetrates in the stacking direction are formed. A terminal plate, an insulator, and an end plate are provided on both sides of the stack in the stacking direction. A fuel cell stack disposed;
Between the insulator and the end plate, there is provided an end oxidant gas passage which communicates with the oxidant gas communication hole and allows the oxidant gas to flow along the electrode surface direction. Fuel cell stack.

請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部酸化剤ガス通路の圧損は、前記酸化剤ガス流路の圧損よりも大きく設定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 pressure loss of the end portion oxidant gas passage is set larger than a pressure loss of the oxidant gas passage. 3.