JP4910461B2 - Fluid introduction member for fuel cell stack and fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、ガスまたは冷媒である流体を燃料電池スタックの内部に供給する流体供給マニホールドの一部を構成するマニホールド構成面と、このマニホールド構成面に沿って流れる流体を別の方向に導く流体導入面と含む形状を有する燃料電池スタック用流体導入部材およびこれを有する燃料電池スタックの改良に関する。 The present invention relates to a manifold constituting surface that constitutes a part of a fluid supply manifold that supplies a fluid that is gas or refrigerant to the inside of a fuel cell stack, and fluid introduction that guides the fluid flowing along the manifold constituting surface in a different direction. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell stack fluid introduction member having a shape including a surface and an improvement of a fuel cell stack having the fluid introduction member.
燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ(MEA)とセパレータとを1組の燃料電池セルとして、これを複数組積層することにより構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。 The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of sets of fuel cell units, for example, a membrane-electrode assembly (MEA) composed of an anode side electrode, an electrolyte membrane and a cathode side electrode and a separator. That is, each fuel cell is configured by arranging an anode side electrode on one side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, a cathode side electrode on the other side, and further providing separators on both sides. is doing. A plurality of such fuel battery cells are stacked and sandwiched between current collector plates, insulating plates, and end plates to constitute a fuel cell stack that generates a high voltage.
また、特許文献1に記載された燃料電池スタックでは、図10に示すように、各燃料電池セル10を、膜−電極アセンブリ12と、この両側に設けたアノード側反応ガス拡散層14およびカソード側反応ガス拡散層16と、膜―電極アセンブリ12の片側(図10の上側)に設けたアノード側金属板18およびアノード側樹脂フレーム20と、膜−電極アセンブリ12の他側(図10の下側)に設けたカソード側樹脂フレーム22およびカソード側金属板24とにより構成している。そして、アノード側金属板18およびアノード側樹脂フレーム20により、アノード側セパレータ26を構成している。また、カソード側金属板24およびカソード側樹脂フレーム22により、カソード側セパレータ28を構成している。金属板18(または24)および樹脂フレーム20(または22)同士は、接着剤層を構成する液状ガスケットで隙間なく接着している。
In the fuel cell stack described in Patent Document 1, as shown in FIG. 10, each
アノード側セパレータ26には、燃料ガス供給マニホールド孔30、燃料ガス排出マニホールド孔32、酸化剤ガス供給マニホールド孔34、酸化剤ガス排出マニホールド孔36、冷媒マニホールド孔38、および燃料ガス(水素を含むガス)が流れる燃料ガス流路40を設けている。また、カソード側セパレータ28には、燃料ガス供給マニホールド孔42、燃料ガス排出マニホールド孔44、酸化剤ガス供給マニホールド孔46、酸化剤ガス排出マニホールド孔48、冷媒マニホールド孔50、および酸化剤ガス(例えば空気)が流れる酸化剤ガス流路52を設けている。燃料ガス流路40および酸化剤ガス流路52は、アノード側金属板18およびカソード側金属板24と、アノード側樹脂フレーム20およびカソード側樹脂フレーム22との側面にそれぞれ形成される凹凸により構成される。
The anode-
また、膜−電極アセンブリ12にも燃料ガス供給マニホールド孔54、燃料ガス排出マニホールド孔56、酸化剤ガス供給マニホールド孔58、酸化剤ガス排出マニホールド孔60、冷媒マニホールド孔62を設けている。さらに、セパレータ26、28に冷媒(例えば冷却水)を流すための冷媒流路を形成することも従来から知られている。冷媒流路は燃料電池セル10毎に、または複数の燃料電池セル10毎に設けることが従来から知られている。冷媒マニホールド孔38、50、62は、冷媒流路に通じさせている。
The membrane-
燃料電池スタックは、複数の燃料電池セル10を積層した状態で、両側に図示しない集電板と、絶縁板と、エンドプレートとをそれぞれ設け、例えば積層した各部材を貫通するテンションロッドとナットとにより締め付ける。この状態で、各燃料電池セル10の積層方向に対向する複数のマニホールド孔同士が連通して、燃料ガス供給マニホールド64、燃料ガス排出マニホールド66、酸化剤ガス供給マニホールド68、酸化剤ガス排出マニホールド70、冷媒マニホールドを、それぞれ構成する。これら各マニホールド64、66、68、70は、燃料電池スタックの積層方向一端部のエンドプレートに設けた、燃料ガス入口、燃料ガス出口、酸化剤ガス入口、酸化剤ガス出口、冷媒入口、冷媒出口にそれぞれ通じさせる。各マニホールド64、66、68、70は、積層される複数の燃料電池セル10の積層方向に設けられる。燃料ガス流路40は燃料ガス供給マニホールド64からこれと異なる方向に分岐しており、酸化剤ガス流路52は酸化剤ガス供給マニホールド68からこれと異なる方向に分岐しており、冷媒流路は冷媒供給用の冷媒マニホールドからこれと異なる方向に分岐している。
The fuel cell stack is provided with a current collector plate, an insulating plate, and an end plate (not shown) on both sides in a state where a plurality of
この様な燃料電池スタックでは、例えば図10に矢印イで示す方向に燃料ガスを燃料ガス供給マニホールド64内に送りこむことにより、アノード側セパレータ26の燃料ガス流路40に燃料ガスを送り込む。そして、同図に矢印ロで示す方向に燃料ガスを、燃料ガス排出マニホールド66を通じて外部に排出する。また、同図に矢印ハで示す方向に酸化剤ガスを送り込むことにより、カソード側セパレータ28の酸化剤ガス流路52に酸化剤ガスを送り込む。そして、同図に矢印ニで示す方向に酸化剤ガスを、酸化剤ガス排出マニホールド70を通じて外部に排出する。燃料ガスおよび酸化剤ガスは、膜−電極アセンブリ12の両側で、電池反応に供される。
In such a fuel cell stack, for example, the fuel gas is fed into the fuel
なお、図10では、各燃料電池セル10において、セパレータ26、28を金属板18、24と樹脂フレーム20、22とにより構成しているが、セパレータ26、28を、1枚の金属板またはカーボン材料製の板材により構成することも従来から考えられている。すなわち、特許文献2に記載されている燃料電池スタックのように、セパレータは、十分な導電性と強度と耐食性を有するものであればよく、例えば、カーボン材料や、耐食性を有する金属等により構成できる。
In FIG. 10, in each
また、特許文献3には、電解質膜、電極、およびガス拡散層から成る単位セルの両側に1対のガスケットを設け、その両側にセパレータを設けることにより、各燃料電池セルを構成することが記載されている。また、特許文献4には、特許文献3と同様に構成した単位セルを設け、この単位セルの電解質膜の片側外周部分とセパレータの片側外周部分との間にパッキンを設けることが記載されている。
なお、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献1から特許文献4の他に特許文献5から特許文献6がある。
Patent Document 3 describes that each fuel cell is configured by providing a pair of gaskets on both sides of a unit cell including an electrolyte membrane, an electrode, and a gas diffusion layer, and providing separators on both sides. Has been. Patent Document 4 describes that a unit cell configured in the same manner as Patent Document 3 is provided, and a packing is provided between one side outer peripheral part of the electrolyte membrane of this unit cell and one side outer peripheral part of the separator. .
As prior art documents related to the present invention, there are Patent Document 5 to Patent Document 6 in addition to Patent Document 1 to Patent Document 4.
上記の特許文献1から特許文献4に記載されている構造の場合、セパレータや、セパレータを構成する一部の部材(金属板18、24、樹脂フレーム20、22等)を、ガスまたは冷媒である流体の供給用のマニホールドの一部を構成するマニホールド構成面(孔の内面等)と流体導入面とを含む形状に造っている。このうち流体導入面は、流体供給用のマニホールド内からこのマニホールド内とは異なる方向のガス流路または冷媒流路にガスまたは冷媒の流体を導く面である。ただし、このようなセパレータやセパレータを構成する部材は、形状成形の際に、マニホールド構成面の一端側となる表面側にバリを生じさせずに、マニホールド構成面の他端側となる裏面側にバリを生じさせるような成形方法で造ることが考えられる。
In the case of the structure described in Patent Document 1 to Patent Document 4, the separator and some members (
例えば、セパレータを構成する部材が合成樹脂製の場合、この部材の成形時に金型の合わせ面同士の間に樹脂が入り込むことで、マニホールド構成面の一端側となる表面側にバリを生じさせずに、他端側となる裏面側にバリを生じさせるように成形することが考えられる。また、セパレータを構成する部材が金属製の場合には、孔の打ち抜きにより、マニホールド構成面の一端側となる表面側にバリを生じさせずに、他端側となる裏面側にバリを生じさせるように成形することが考えられる。ただし、上記特許文献1から特許文献4に記載されている構造において、ガスまたは冷媒の流体をガス流路または冷媒流路に導く流体導入面との関係で、バリが存在する側を規制することは開示されていない。この様なバリは、流体供給用のマニホールド内からガスまたは冷媒である流体がガス流路または冷媒流路内に円滑に流れ込むことに対する妨げとなる可能性がある。この場合、各燃料電池セル内を流れる流体の流れに関して圧力損失(圧損)が生じやすくなったり、セパレータを構成する部材を金属製としている場合には、上記バリを起点として腐食が生じやすくなる可能性がある。 For example, when the member constituting the separator is made of synthetic resin, the resin enters between the mating surfaces of the mold when molding this member, so that no burr is generated on the surface side that is one end side of the manifold constituting surface. In addition, it is conceivable to form the burrs on the back side that is the other end side. Further, when the member constituting the separator is made of metal, burrs are generated on the back surface side, which is the other end side, by punching holes, without generating burrs on the front surface side, which is the one end side of the manifold constituting surface. It can be considered to be molded as follows. However, in the structure described in Patent Document 1 to Patent Document 4, the side on which the burr is present is regulated in relation to the fluid introduction surface that guides the gas or refrigerant fluid to the gas flow path or the refrigerant flow path. Is not disclosed. Such a burr may prevent a fluid that is a gas or a refrigerant from smoothly flowing into the gas flow path or the refrigerant flow path from the fluid supply manifold. In this case, pressure loss (pressure loss) is likely to occur with respect to the flow of the fluid flowing in each fuel cell, and when the member constituting the separator is made of metal, corrosion may be likely to occur starting from the burr. There is sex.
この様なバリの発生により生じる不都合について、上記特許文献1に記載された構造およびこの構造の変形例を用いて、より詳しく説明する。すなわち、特許文献1に記載された構造の場合には、図11に示すように、各燃料電池セル10において、例えば燃料ガス流路40の入口側端部が、膜−電極アセンブリ12とアノード側金属板18とのうち、アノード側金属板18の側(図11の上側)に設けられている。この場合に、図12に示すように、上記入口側端部に存在する、燃料ガス供給マニホールド孔30の樹脂フレーム20側の周辺部に、燃料ガス流路40の側に向いたバリ72が形成された状態となる可能性がある。このような状態では、燃料ガス供給マニホールド64内を同図に矢印ホで示す方向に流れる燃料ガスが、燃料ガス流路40内に円滑には流れ込みにくくなる。この為、各燃料電池セル10内を流れる燃料ガスの流れに対して圧力損失(圧損)が生じやすくなる。
The inconvenience caused by the occurrence of such burrs will be described in more detail using the structure described in Patent Document 1 and a modification of this structure. That is, in the case of the structure described in Patent Document 1, as shown in FIG. 11, in each
これに対して、図11で、燃料ガスがマニホールド64内を同図の矢印と逆方向に流れる場合に、マニホールド孔30のアノード側金属板18側の孔の周辺部に燃料ガス流路40側に向いてバリが形成された状態となる可能性もある。このような状態では、このバリにより、燃料ガス流路40内に燃料ガスが円滑に流れ込むことが妨げられやすくなる。このため、やはり各燃料電池セル10内を流れる燃料ガスの流れに対して圧損が生じやすくなる。また、この場合には、燃料ガスが金属板18に発生したバリに接触する(ぶつかる)ことにより、このバリを起点として金属板18に腐食が生じやすくなると言った問題もある。
On the other hand, in FIG. 11, when the fuel gas flows in the
また、図11に示す構造の変形例として、図13に示すように、各燃料電池セル10において、例えば燃料ガス流路40の入口側端部を、膜−電極アセンブリ12とアノード側金属板18とのうちの膜−電極アセンブリ12側(図13の下側)に形成することも、従来から考えられている。この場合、アノード側金属板18およびアノード側樹脂フレーム20と、カソード側金属板24およびカソード側樹脂フレーム22とは、それぞれ接着剤層74(図14参照)を介して結合される。また、アノード側樹脂フレーム20の膜−電極アセンブリ12側(図13の下側)の面には、燃料ガスを膜−電極アセンブリ12側に導入するための流体導入面76(図14参照)が設けられた状態となる。この場合に図14に示すように、アノード側金属板18とアノード側樹脂フレーム20との燃料ガス供給マニホールド孔30の周辺部で、互いに結合する相手部材に対し反対側に向くようにバリ72が存在する場合には、樹脂フレーム20側のバリ72が流体導入面76側に向くようになる。この結果、燃料ガス供給マニホールド64内に送られた燃料ガスが流体導入面76側に円滑には導入されにくくなり、燃料ガスの圧損が生じやすくなると言った問題が生じる。
As a modification of the structure shown in FIG. 11, as shown in FIG. 13, in each
また、この場合には、アノード側金属板18に発生するバリ73がマニホールド64内の燃料ガスの流れと反対側に向くため、この燃料ガスがこのバリ73にぶつかりやすく、滞留しやすくなってしまう可能性もある。このような不都合に対して、金属板18側のバリ73を燃料ガスの流れと同じ側(図14の下側)に設ければ、このバリ73により生じる不都合をなくせるか、または抑えることができる可能性はある。ただし、このような構成を採用しただけでは、燃料ガスが樹脂フレーム20の流体導入面76側に導入されにくいと言った不都合をなくすことに対して十分ではない。
In this case, since the
なお、上記の説明は、燃料ガス供給マニホールド64内から各燃料電池セル10の燃料ガス流路40内に燃料ガスが流れ込む場合に、バリ72により生じる不都合を説明した。ただし、酸化剤ガス供給マニホールド68内から各燃料電池セル10の酸化剤ガス流路52(図10参照)内に酸化剤ガスが流れ込む場合や、冷媒供給用の冷媒マニホールド内から冷媒流路内に冷媒が流れ込む場合でも、マニホールドを構成する孔の内周面と酸化剤ガス流路または冷媒流路とが交わる流体導入角部にバリが存在していると、上記と同様の不都合が発生する可能性がある。
The above description has explained the inconvenience caused by the
本発明の目的は、流体供給マニホールド内からこの流体供給マニホールド内と別の方向に流れる、ガスまたは冷媒である流体の圧損を抑えることができると共に、金属により造っている場合でも、この流体による腐食を抑制できる燃料電池スタック用流体導入部材およびこれを有する燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The object of the present invention is to suppress pressure loss of a fluid that is a gas or a refrigerant flowing from the fluid supply manifold in a direction different from that in the fluid supply manifold, and even when made of metal, the corrosion caused by the fluid. An object of the present invention is to provide a fluid introduction member for a fuel cell stack capable of suppressing the above and a fuel cell stack having the same.
本発明に係る燃料電池スタック用流体導入部材は、ガスまたは冷媒である流体を燃料電池スタックの内部に供給する流体供給マニホールドの一部を構成するマニホールド構成面と、このマニホールド構成面に沿って流れる流体を別の方向に導く流体導入面と含む形状を有し、形状成形の際に、表面側のマニホールド構成面の一端にバリを生じさせずに、裏面側のマニホールド構成面の他端周辺部にバリを生じさせるようにして得た流体導入部材(樹脂フレームや、カーボン材料製、または金属製のセパレータや、後述する「シーリングプレート」と呼ばれる硬質の板材等)であって、
形状成形の際の、マニホールド構成面の端部にバリが生じていない表面を、流体導入面として燃料電池スタックを構成することを特徴とする燃料電池スタック用流体導入部材である。
A fuel cell stack fluid introduction member according to the present invention flows along a manifold configuration surface that forms part of a fluid supply manifold that supplies a fluid that is a gas or a refrigerant to the inside of the fuel cell stack, and the manifold configuration surface. It has a shape that includes a fluid introduction surface that guides fluid in a different direction, and at the time of forming the shape, it does not generate a burr at one end of the front surface of the manifold constituting surface, and the periphery of the other end of the rear surface of the manifold constituting surface A fluid introducing member (resin frame, carbon material or metal separator, hard plate material called “sealing plate”, which will be described later), etc.
A fuel cell stack fluid introduction member characterized in that a fuel cell stack is configured with a surface on which no burrs are formed at an end of a manifold constituting surface at the time of shape forming as a fluid introduction surface.
また、本発明に係る燃料電池スタック用流体導入部材において、好ましくは、他の部材と積層することにより燃料電池セルを構成し、さらにこの燃料電池セルを複数組積層することにより燃料電池スタックを構成する。 In the fuel cell stack fluid introduction member according to the present invention, preferably, a fuel cell is configured by stacking with other members, and a fuel cell stack is configured by stacking a plurality of sets of the fuel cells. To do.
また、本発明に係る燃料電池スタック用流体導入部材において、好ましくは、マニホールド構成面と流体導入面とが交わる流体導入角部にさらに面取り加工を施す。また、より好ましくは、この流体導入角部に、流体供給マニホールド内の流体の流れに関して前方に向かうほど曲率半径が大きくなるような複合円弧の断面を有する曲面状の面取りを設ける。 In the fuel cell stack fluid introduction member according to the present invention, preferably, the chamfering process is further performed on the fluid introduction corner where the manifold constituting surface and the fluid introduction surface intersect. More preferably, the fluid introduction corner is provided with a curved chamfer having a cross section of a composite arc whose radius of curvature increases toward the front with respect to the flow of fluid in the fluid supply manifold.
また、本発明に係る燃料電池スタック用流体導入部材において、好ましくは、金属板により構成すると共に、この金属板に打ち抜きにより孔を形成し、この孔の内面がマニホールド構成面であるものとする。 In the fuel cell stack fluid introduction member according to the present invention, it is preferable that the fluid introduction member is made of a metal plate, and a hole is formed in the metal plate by punching, and an inner surface of the hole is a manifold constituting surface.
また、本発明に係る燃料電池スタック用流体導入部材において、好ましくは、合成樹脂を射出成形することにより孔を有する形状に造っており、この孔の内面がマニホールド構成面であるものとする。 In the fuel cell stack fluid introduction member according to the present invention, preferably, a synthetic resin is injection-molded into a shape having a hole, and the inner surface of the hole is a manifold constituting surface.
また、本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜と、電解質膜の両側に設けた1対のセパレータとを備えた1組の燃料電池セルを複数組積層し、ガスまたは冷媒である流体を内部に供給する流体供給マニホールドと、流体導入部材とを有しており、流体導入部材は、流体供給マニホールドの一部を構成するマニホールド構成面と、このマニホールド構成面に沿って流れる流体を別の方向に導く流体導入面と含む形状を有し、形状成形の際に、表面側のマニホールド構成面の一端にバリを生じさせずに、裏面側のマニホールド構成面の他端周辺部にバリを生じさせるようにして得たものである、燃料電池スタックにおいて、流体導入部材が、上記の本発明に係る燃料電池スタック用流体導入部材のいずれかであることを特徴とする燃料電池スタックである。 The fuel cell stack according to the present invention includes a plurality of sets of fuel cell units each including an electrolyte membrane and a pair of separators provided on both sides of the electrolyte membrane, and a fluid that is a gas or a refrigerant A fluid supply manifold and a fluid introduction member. The fluid introduction member has a manifold constituting surface constituting a part of the fluid supply manifold, and a fluid flowing along the manifold constituting surface in a different direction. In the shape forming process, a burr is generated at the periphery of the other end of the manifold constituting surface on the back side without forming a burr at one end of the manifold constituting surface on the front side. In the fuel cell stack obtained as described above, the fluid introduction member is any one of the fluid introduction members for a fuel cell stack according to the present invention described above. Tsu is a click.
本発明に係る燃料電池スタック用流体導入部材および燃料電池スタックによれば、流体供給マニホールド内からこの流体供給マニホールド内と別の方向に流れる、ガスまたは冷媒である流体の圧損を抑えることができると共に、燃料電池スタック用流体導入部材を金属により造っている場合でも、この流体による腐食を抑制できる。 According to the fuel cell stack fluid introduction member and the fuel cell stack according to the present invention, it is possible to suppress pressure loss of a fluid that is a gas or a refrigerant flowing from the fluid supply manifold in a direction different from that in the fluid supply manifold. Even when the fuel cell stack fluid introduction member is made of metal, corrosion due to the fluid can be suppressed.
[第1の発明の実施の形態]
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図1から図4は、第1の発明の実施の形態を示している。本実施の形態は、上記の図13から図14で示したような燃料電池セル10を複数組積層した燃料電池スタックにおいて、本発明を適用している。すなわち、本実施の形態においては、燃料電池スタック用流体導入部材が、図13から図14で示した構造のアノード側樹脂フレーム20であるとして、本発明を適用している。なお、本実施の形態の特徴は、この樹脂フレーム20の孔75の端部に発生するバリ72を設ける側を規制し、さらにアノード側金属板18の孔82の端部に発生するバリ73を設ける側を規制した点にある。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 4 show an embodiment of the first invention. In the present embodiment, the present invention is applied to a fuel cell stack in which a plurality of sets of
また、本発明の燃料電池スタックは、電解質膜およびその両側に設けたアノード側電極およびカソード側電極を備えた膜−アセンブリ12(図10から図13参照)と、膜−アセンブリ12の両側に設けたアノード側セパレータ26およびカソード側セパレータ28(図13参照)とを積層したものを1組の燃料電池セル10として、複数組の燃料電池セル10を積層している。そして、複数組の燃料電池セル10を積層した状態で、両側に図示しない集電板と、絶縁板と、エンドプレートとをそれぞれ設け、例えば積層した各部材を貫通するテンションロッドとナットとにより締め付けている。
The fuel cell stack of the present invention includes an electrolyte membrane, a membrane assembly 12 (see FIGS. 10 to 13) provided with an anode side electrode and a cathode side electrode provided on both sides thereof, and provided on both sides of the
また、アノード側セパレータ26を、アノード側金属板18およびアノード側樹脂フレーム20により構成しており、カソード側セパレータ28を、カソード側金属板24およびカソード側樹脂フレーム22(図13参照)により構成している。また、燃料電池スタックの内部に、燃料ガスを内部に供給するための燃料ガス供給マニホールド64と、酸化剤ガスを内部に供給するための酸化剤ガス供給マニホールド68(図10参照)と、冷媒を内部に供給するための冷媒供給用の冷媒マニホールドとを、それぞれ燃料電池スタックの積層方向に設けている。
Further, the
また、燃料電池スタックの内部に、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド66(図10参照)と、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出マニホールド70(図10参照)と、冷媒を排出するための冷媒排出用の冷媒マニホールドとを、それぞれ燃料電池スタックの積層方向に設けている。各マニホールド64、68、66、70は、燃料電池スタックの積層方向一端に設けたエンドプレートの燃料ガス入口、燃料ガス出口、酸化剤ガス入口、酸化剤ガス出口、冷媒入口、冷媒出口にそれぞれ通じさせている。燃料電池セル10のその他の基本的な構成は、上記の図13から図14で示した構造と同様であるため、重複する説明を省略もしくは簡略にする。
Further, inside the fuel cell stack, a fuel gas discharge manifold 66 (see FIG. 10) for discharging fuel gas, an oxidant gas discharge manifold 70 (see FIG. 10) for discharging oxidant gas, and a refrigerant A refrigerant manifold for discharging refrigerant for discharging the fuel cell is provided in the stacking direction of the fuel cell stack. Each manifold 64, 68, 66, 70 communicates with a fuel gas inlet, a fuel gas outlet, an oxidant gas inlet, an oxidant gas outlet, a refrigerant inlet, and a refrigerant outlet of an end plate provided at one end of the fuel cell stack in the stacking direction. I am letting. The other basic configuration of the
アノード側樹脂フレーム20には、燃料ガス供給マニホールド64を構成するマニホールド孔30の、樹脂フレーム20側を構成する孔75を設けている。また、アノード側金属板18には、マニホールド孔30の金属板18側を構成する孔82を設けている。また、樹脂フレーム20は、燃料ガス供給マニホールド64内を流れる燃料ガスを、燃料ガス流路40に導く流体導入面76を有する。このように孔75と流体導入面76とを含む形状を有するアノード側樹脂フレーム20は、後述する形状成形の際に、孔75の一端(図1の下端)側となる表面77側にバリを生じさせずに、孔75の他端(図1の上端)側となる裏面78側にバリ72が生じるような成形方法で造る。そして、形状成形の際の、孔75の端部にバリが生じていない表面77を、流体導入面76として、燃料電池セル10およびこの燃料電池セル10を複数組積層して成る燃料電池スタックを構成する。したがって、孔75の内周面と流体導入面76とが交わる流体導入角部80にはバリが存在しない状態となる。なお、本実施の形態の場合には、孔75の内周面が、請求項に記載した「マニホールド構成面」に対応する。
The anode
また、流体導入角部80には、さらに断面略円弧形の面取りを形成する面取り加工を施している。なお、好ましくは、この流体導入角部80に、マニホールド64内の燃料ガスの流れに関して前方に向かうほど曲率半径が大きくなるような複合円弧の断面を有する曲面状の面取りを設ける。また、本実施の形態の場合には、アノード側金属板18において、燃料供給マニホールド孔30を構成する孔82の周辺部に発生したバリ73を、アノード側樹脂フレーム20の側に突出する状態で設けている。なお、アノード側金属板18に発生するバリ73は、マニホールド孔30を構成する孔82の打ち抜き時に、打ち抜き方向前側に発生するため、この打ち抜き方向前側を、樹脂フレーム20と対向する側とすることでバリ73を設ける側を容易に規制できる。
Further, the
次に、樹脂フレーム20の成形方法について、図2から図4を用いて説明する。本実施の形態の場合、樹脂フレーム20を熱硬化性樹脂により造っている。この場合、図2に示すような上型84と、図3に示すような下型86とを使用し、上型84と下型86とを加熱した状態で熱硬化性樹脂の粒状原料の集合を図4に示すように加圧することにより、所定の形状を有する樹脂フレーム20を造っている。樹脂フレーム20の形状成形時には、図4に示すように、上型84と下型86との間で樹脂フレーム20となる材料が加圧されるが、燃料ガス供給マニホールド孔30(図1参照)を構成する孔75の端部周辺部の、上型84と下型86との合わせ面同士の間に上記粒状原料の集合が入り込んだまま固化される。この場合、樹脂フレーム20の図4の上面が表面77となり、同図の下面が裏面78となる。樹脂フレーム20は、このような成形方法で造るため、表面77側の孔75の一端にバリを生じさせずに、裏面78側の孔75の他端周辺部にバリ72が生じる。そして、本実施の形態の場合には、図1に示すように、このバリ72が生じている裏面78を流体導入面78とは反対側の面とすると共に、孔75の端部にバリが生じていない表面77を流体導入面76として、燃料電池セル10および燃料電池スタックを構成している。
Next, a method for forming the
上述のような本実施の形態の燃料電池スタック用流体導入部材とこれを備えた燃料電池スタックによれば、樹脂フレーム20に発生するバリ72が流体導入面76と孔75の内周面とが交わる流体導入角部80に存在しないため、燃料ガス供給マニホールド64内から、この燃料ガス供給マニホールド64内とは別の方向に向いた燃料ガス流路40(図1)内に流れ込む燃料ガスの流れがバリにより妨げられにくくなる。このため、この燃料ガスの各燃料電池セル10内での圧損を抑えることができる。
According to the fuel cell stack fluid introduction member of the present embodiment as described above and the fuel cell stack provided with the same, the
また、本実施の形態の場合には、アノード側金属板18のマニホールド孔30を構成する孔82の周辺部に存在するバリ73を、樹脂フレーム20の側に設けているため、このバリ73により、マニホールド64内の燃料ガスの流れが妨げられることも抑制できる。このため、マニホールド64内での燃料ガスの流れに対する圧損も低減できる。
Further, in the case of the present embodiment, the
なお、本実施の形態においては、アノード側金属板18とアノード側樹脂フレーム20とを接着剤層74を介して結合しているが、金属板18と樹脂フレーム20との間に所定の形状のガスケット等を設けてもよい。また、上記においては、マニホールド64内から各燃料電池セル10の燃料ガス流路40内に燃料ガスが流れ込む場合に、樹脂フレーム20のバリ72が生じた側を流体導入面76との関係で規制している。ただし、酸化剤ガス供給マニホールド68を構成する孔と、酸化剤ガス流路52(図10参照)に酸化剤ガスを導く流体導入面とを有する部材や、冷媒供給用の冷媒マニホールドを構成する孔と、冷媒流路に冷媒を導く流体導入面とを有する部材においても、孔の端部の周辺部にバリが生じた裏面を、流体導入面とは反対側の面とし、孔の端部にバリが生じていない表面を流体導入面として、燃料電池セルおよび燃料電池スタックを構成することで、本実施の形態と同様の効果を得られる。
In the present embodiment, the anode
例えば、アノード側金属板18の膜−電極アセンブリ12(図13参照)とは反対側の面(図1の上面)に冷媒流路を形成すると共に、冷媒供給用の冷媒マニホールドを構成する孔を形成した場合において、アノード側金属板18のこの孔の周辺部で、上記冷媒流路とは反対側となる裏面に突出するバリを設け、上記冷媒流路とこの孔とが交わる流体導入角部にはバリを設けないようにする。アノード側金属板18の上記冷媒流路側の面には、別の燃料電池セルを構成するカソード側金属板の側面を重ね合わせることで、上記冷媒流路を構成する。
また、本実施の形態において好ましくは、燃料電池スタックを構成する総ての燃料電池セル10において、本実施の形態と同様の構成を採用する。この構成を採用することにより、本実施の形態の効果がより顕著になることは勿論である。
For example, a coolant channel is formed on the surface (upper surface in FIG. 1) of the anode
In the present embodiment, preferably, all the
[第2の発明の実施の形態]
なお、上記の図1では、樹脂フレーム20の孔75の周辺部に発生するバリ72を、この孔75の軸方向に対し略平行な方向に突出する状態で生じた場合を示している。ただし、このバリ72は、図5に示すように、マニホールド孔30(図1参照)を構成する孔75の軸方向に対し略直交する方向に突出する状態で生じる場合もある。すなわち、上型84の突部88の先端を下型86の上面に突き当てることで孔75を形成する場合には、上型84の下面と下型86の上面との合わせ面同士の間に熱硬化性樹脂の粒状原料の集合が入り込んで固化される。そしてこの固化によりバリ72aが発生する。この場合には、孔75の軸方向に対し略直交する方向にバリ72aが突出した状態となる。
[Second Embodiment]
1 shows a case where the
図6に示す、第2の発明の実施の形態の場合には、このようなバリ72aが生じるような成形方法で造った樹脂フレーム20の、孔75の端部にバリが生じていない表面77を流体導入面76とし、孔75の端部にバリ72aが生じている裏面78を、流体導入面76とは反対側の面として、燃料電池セル10および燃料電池スタックを構成している。これにより、燃料ガス供給マニホールド64から燃料ガス流路40内に流れる燃料ガスの流れを円滑にすることができ、上記第1の実施の形態とほぼ同様の効果を得られる。
その他の構成および作用については、上記図1に示した第1の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
In the case of the embodiment of the second invention shown in FIG. 6, the
Since other configurations and operations are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1, the same parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[第3の発明の実施の形態]
次に、図7は、第3の発明の実施の形態を示している。本実施の形態の場合には、特許文献5に記載された構造と同様の構造において、本発明を適用している。すなわち、本実施の形態の場合、各燃料電池セル10は、電解質膜90と、電解質膜90の外周縁部を支持するアノード側樹脂フレーム92およびカソード側樹脂フレーム93と、電解質膜90の両側に設けた電極94、94と、電解質膜90および電極94、94のさらに両側に設けた2個の集電極96、96とを備える。この集電極96、96と電極94、94とにより燃料ガスが流れる燃料ガス流路40と、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路52とを形成している。また、集電極96、96の外側にアノード側セパレータ26とカソード側セパレータ28とを設け、これらセパレータ26、28の外周寄り部分と樹脂フレーム92、93との間にシール部材102を設けている。
[Third Embodiment]
Next, FIG. 7 shows an embodiment of the third invention. In the case of the present embodiment, the present invention is applied in a structure similar to the structure described in Patent Document 5. That is, in the case of the present embodiment, each
また、樹脂フレーム92、93の互いに対向する面に突部104、104を設け、互いに対向する突部104、104の先端同士を溶着して、当該溶着部の一部と電解質膜90とを一体化している。また、アノード側樹脂フレーム92のアノード側セパレータ26の側(図7の上側)に、燃料ガスを電解質膜90および電極94側に導入するための流体導入面76を設けている。これに対して、カソード側樹脂フレーム93のカソード側セパレータ28側(図7の下側)には、酸化剤ガスを電解質膜90および電極94側に導入する流体導入面(図示せず)を設けている。また、アノード側樹脂フレーム92の流体導入面76に設けた溝部と、カソード側樹脂フレーム93の流体導入面に設けた溝部(図示せず)とは、互いに直交する方向に形成している。
Further, the
本実施の形態の場合には、このような構造において、アノード側樹脂フレーム92の形状成形の際に、上記の図1から図4に示した第1の実施の形態の場合と同様に、表面77側の、燃料ガス供給マニホールド64を構成する孔106の一端にバリを生じさせずに、裏面78側の孔106の他端周辺部にバリ72を生じさせている。そして、形状成形の際の表面77を流体導入面76として、燃料電池セル10および燃料電池スタックを構成している。また、孔106の内周面と流体導入面76とが交わる流体導入角部80に、断面略円弧形の面取りを形成する面取り加工を施している。
In the case of the present embodiment, in such a structure, when the shape of the anode
このような本実施の形態の場合も、燃料ガス供給マニホールド64内から燃料ガス流路40内にガスが送り込まれる際の流れを妨げられにくくできる。例えば、燃料ガスがマニホールド64内を図7に矢印で示す方向に流れる場合に、この燃料ガスを流体導入面76側に円滑に送り込みやすくできる。このため、この燃料ガスの各燃料電池セル10内での圧損を抑えることができる。
In the case of this embodiment as well, the flow when gas is fed from the fuel
[第4の発明の実施の形態]
次に、図8から図9は、第4の発明の実施の形態を示している。本実施の形態においては、燃料電池スタック用流体導入部材を、シーリングプレート108として、本発明を適用している。また、本実施の形態の場合には、特許文献5に記載された構造と同様の構造において、本発明を適用している。すなわち、本実施の形態の場合、各燃料電池セル10は、電解質膜と電解質膜の両側に設けた電極とから成る膜−電極アセンブリ12と、この膜−電極アセンブリ12の両側に設けたアノード側セパレータ26およびカソード側セパレータ28と、アノード側セパレータ26および電解質膜の間に設けたシーリングプレート108とを備える。また、膜−電極アセンブリ12とアノード側セパレータ26およびカソード側セパレータ28との間に、アノード側反応ガス拡散層14とカソード側反応ガス拡散層16とを設けている。
[Fourth Embodiment]
Next, FIG. 8 to FIG. 9 show an embodiment of the fourth invention. In the present embodiment, the present invention is applied with the fluid introduction member for the fuel cell stack as the sealing
各セパレータ26、28は、それぞれ図示のようなカーボン材料製の単一の板状部材により構成するか、または、金属板と樹脂プレートとの組み合わせ、または金属、導電性樹脂等から成る単一の板状部材により構成してもよい。また、アノード側セパレータ26には、アノード側の電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路40を、カソード側セパレータ28には、カソード側の電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路52を形成している。また、各セパレータ26、28には、冷媒を流すための冷媒流路(図示せず)も形成している。冷媒流路は燃料電池セル10毎に設ける他、複数の燃料電池セル10毎に1または複数ずつ設けることもできる。
Each of the
また、セパレータ26、28には、冷媒、燃料ガス、酸化剤ガスのいずれかを流すマニホールド64を構成する孔110、110を形成している。各孔110は、冷媒流路、燃料ガス流路40、酸化剤ガス流路52のいずれかに通じさせている。また、ガス流路40とガス供給マニホールド64とは、連通ガス流路112により互いに通じさせている。この連通ガス流路112は、アノード側セパレータ26のシーリングプレート108側に設けた溝部114と、シーリングプレート108の流体導入面116とにより構成している。このシーリングプレート108は、合成樹脂等の電気的絶縁性を有する材料により造った硬質の板材である。また、シーリングプレート108と電解質膜との間、および、カソード側セパレータ28とシーリングプレート108との間、および、両セパレータ26、28の外周寄り部分同士の間を接着剤118によりシールしている。なお、シーリングプレート108と電解質膜との間にパッキン等のシール部材を設けるのであれば、シーリングプレート108を、金属等の導電性を有する材料により構成することもできる。
Further, the
本実施の形態は、このような構造において、シーリングプレート108の形状成形の際に、表面側の、燃料ガス供給マニホールド64を構成する側壁面119の一端(図8から図9の下端)にバリを生じさせずに、裏面122側の側壁面119の他端(図8から図9の上端)周辺部にバリ120を生じさせている。そして、形状成形の際の側壁面119の端部にバリが生じていない表面を流体導入面116として、燃料電池セル10および燃料電池スタックを構成している。また、側壁面119と流体導入面116とが交わる流体導入角部80に、断面略円弧形の面取りを形成する面取り加工を施している。本実施の形態の場合には、シーリングプレート108の側壁面119が、請求項に記載したマニホールド構成面に対応する。
In the present embodiment, in such a structure, when the sealing
このような本実施の形態の場合も、マニホールド64内からガス流路40内にガスが送り込まれる際のガスの流れを妨げられにくくできる。例えば、燃料ガスがマニホールド64内を図8に矢印で示す方向に流れる場合に、この燃料ガスを流体導入面116側に円滑に送り込みやすくできる。このため、この燃料ガスの各燃料電池セル10内での圧損を抑えることができると共に、シーリングプレート108を金属製とした場合でも、バリを基点とした腐食を生じにくくできる。
In the case of this embodiment as well, the flow of gas when gas is fed from the manifold 64 into the
なお、上記各実施の形態においては、樹脂フレーム20、92またはシーリングプレート108に発生するバリ72、120が存在する側を流体導入面76、116との関係で規制する場合について説明した。ただし、本発明はこのような構造に限定するものではなく、例えば燃料電池スタック用流体導入部材を、「メタルセパレータ」と呼ばれる金属製のセパレータや、「カーボンセパレータ」と呼ばれるカーボン材料製のセパレータとした場合で、流体供給用のマニホールドを構成する孔と、ガス流路または冷媒流路に流体を導く流体導入面とを有するものにおいて、孔の端部の周辺部にバリが生じた裏面を流体導入面とは反対側の面とし、孔の端部にバリが生じていない表面を流体導入面として燃料電池セルおよび燃料電池スタックを構成することもできる。
In each of the above embodiments, the case where the side where the
例えば、図8から図9に示した第4の実施の形態の場合で、カーボン材料製のアノード側セパレータ26の点P(図8)部分にバリが生じた裏面を、流体導入面となる溝部114を形成した面とは反対側の面とし、点Q(図8)部分にバリが生じていない表面を、溝部114を形成した面とすることもできる。なお、カーボン材料製のアノード側セパレータ26のようなカーボン材料製の流体導入部材であっても、セパレータ26の成形時に金型の合わせ面同士の間にカーボン材料の原料が入り込んで、バリが発生する場合がある。本発明では、このようなバリの発生する側を流体導入面との関係で規制することにより、上記各実施の形態とほぼ同様の効果を得られる。
For example, in the case of the fourth embodiment shown in FIGS. 8 to 9, the back surface where burrs are generated at the point P (FIG. 8) of the
また、セパレータをステンレス鋼等の金属製とした場合には、このセパレータの流体導入角部にバリが存在しないようにすることで、このセパレータにバリを基点として腐食が発生するのを抑制できる。すなわち、バリ部は平坦部よりも腐食が発生しやすい(反応活性の)状況にあり、バリが腐食の成長基点となりやすい。本発明によれば、このような腐食の発生を抑制しやすくできる。例えば、金属により造ったセパレータに打ち抜きにより流体供給用のマニホールドを構成する孔を形成すると共に、孔の端部の周辺部にバリが生じた裏面を流体導入面とは反対側の面とし、孔の端部にバリが生じていない表面を流体導入面として燃料電池セルおよび燃料電池スタックを構成することもできる。 Further, when the separator is made of a metal such as stainless steel, it is possible to prevent the separator from being corroded by using the burr as a base point by preventing the burr from being present at the fluid introduction corner of the separator. That is, the burr portion is more susceptible to corrosion (reactive activity) than the flat portion, and the burr is likely to be a growth starting point of corrosion. According to the present invention, it is possible to easily suppress the occurrence of such corrosion. For example, a hole made up of a manifold for fluid supply is formed by punching a separator made of metal, and the back surface where burrs are generated at the periphery of the end of the hole is the surface opposite to the fluid introduction surface. The fuel cell and the fuel cell stack can also be configured with the surface where no burr is formed at the end of the fuel cell as the fluid introduction surface.
また、燃料電池スタック用流体導入部材を、合成樹脂を射出成形することにより構成すると共に、この射出成形によりマニホールドを構成する孔を有する形状に形成することもできる。そして、このような燃料電池スタック用流体導入部材で、孔の周辺部に発生するバリを流体導入面と反対側にのみ設け、流体導入面と孔の内周面とが交わる流体導入角部にはバリが存在しないようにすることもできる。 Further, the fuel cell stack fluid introduction member can be formed by injection molding a synthetic resin, and can also be formed into a shape having holes forming a manifold by this injection molding. In such a fuel cell stack fluid introduction member, a burr generated at the periphery of the hole is provided only on the side opposite to the fluid introduction surface, and a fluid introduction corner portion where the fluid introduction surface and the inner peripheral surface of the hole intersect. Can also be made free of burrs.
10 燃料電池セル、12 膜−電極アセンブリ、14 アノード側反応ガス拡散層、16 カソード側反応ガス拡散層、18 アノード側金属板、20 アノード側樹脂フレーム、22 カソード側樹脂フレーム、24 カソード側金属板、26 アノード側セパレータ、28 カソード側セパレータ、30 燃料ガス供給マニホールド孔、32 燃料ガス排出マニホールド孔、34 酸化剤ガス供給マニホールド孔、36 酸化剤ガス排出マニホールド孔、38 冷媒マニホールド孔、40 燃料ガス流路、42 燃料ガス供給マニホールド孔、44 燃料ガス排出マニホールド孔、46 酸化剤ガス供給マニホールド孔、48 酸化剤ガス排出マニホールド孔、50 冷媒マニホールド孔、52 酸化剤ガス流路、54 燃料ガス供給マニホールド孔、56 燃料ガス排出マニホールド孔、58 酸化剤ガス供給マニホールド孔、60 酸化剤ガス排出マニホールド孔、62 冷媒マニホールド孔、64 燃料ガス供給マニホールド、66 燃料ガス排出マニホールド、68 酸化剤ガス供給マニホールド、70 酸化剤ガス排出マニホールド、72、72a バリ、73 バリ、74 接着剤層、75 孔、76 流体導入面、77 表面、78 裏面、80 流体導入角部、82 孔、84 上型、86 下型、88 突部、90 電解質膜、92 アノード側樹脂フレーム、93 カソード側樹脂フレーム、94 電極、96 集電極、102 シール部材、104 突部、106 孔、108 シーリングプレート、110 孔、112 連通ガス流路、114 溝部、116 流体導入面、118 接着剤、119 側壁面、120 バリ、122 裏面。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 12 Membrane-electrode assembly, 14 Anode side reaction gas diffusion layer, 16 Cathode side reaction gas diffusion layer, 18 Anode side metal plate, 20 Anode side resin frame, 22 Cathode side resin frame, 24 Cathode side metal plate , 26 Anode separator, 28 Cathode separator, 30 Fuel gas supply manifold hole, 32 Fuel gas discharge manifold hole, 34 Oxidant gas supply manifold hole, 36 Oxidant gas discharge manifold hole, 38 Refrigerant manifold hole, 40 Fuel gas flow , 42 Fuel gas supply manifold hole, 44 Fuel gas discharge manifold hole, 46 Oxidant gas supply manifold hole, 48 Oxidant gas discharge manifold hole, 50 Refrigerant manifold hole, 52 Oxidant gas flow path, 54 Fuel gas supply manifold hole , 56 Fuel gas discharge manifold hole, 58 Oxidant gas supply manifold hole, 60 Oxidant gas discharge manifold hole, 62 Refrigerant manifold hole, 64 Fuel gas supply manifold, 66 Fuel gas discharge manifold, 68 Oxidant gas supply manifold, 70 Oxidant Gas exhaust manifold, 72, 72a Burr, 73 Burr, 74 Adhesive layer, 75 holes, 76 Fluid introduction surface, 77 Surface, 78 Back surface, 80 Fluid introduction corner, 82 holes, 84 Upper mold, 86 Lower mold, 88 Projection Part, 90 electrolyte membrane, 92 anode side resin frame, 93 cathode side resin frame, 94 electrode, 96 collector electrode, 102 seal member, 104 protrusion, 106 holes, 108 sealing plate, 110 holes, 112 communication gas flow path, 114 Groove, 116 Fluid introduction surface, 118 Adhesive 119 side wall surface, 120 burr, 122 backside.
Claims (6)
形状成形の際の、マニホールド構成面の端部にバリが生じていない表面を、流体導入面として燃料電池スタックを構成することを特徴とする燃料電池スタック用流体導入部材。 A shape including a manifold constituting surface that constitutes a part of a fluid supply manifold that supplies a fluid that is gas or refrigerant to the inside of the fuel cell stack, and a fluid introduction surface that guides the fluid flowing along the manifold constituting surface in another direction. And a fluid introducing member obtained by forming a burr on the periphery of the other end of the manifold constituting surface on the back surface side without forming a burr on one end of the manifold constituting surface on the back surface side during shape forming Because
A fluid introduction member for a fuel cell stack, wherein a fuel cell stack is constituted by using a surface where no burr is generated at an end of a manifold constituting surface at the time of shape forming as a fluid introduction surface.
ガスまたは冷媒である流体を内部に供給する流体供給マニホールドと、流体導入部材とを有しており、
流体導入部材は、流体供給マニホールドの一部を構成するマニホールド構成面と、このマニホールド構成面に沿って流れる流体を別の方向に導く流体導入面と含む形状を有し、形状成形の際に、表面側のマニホールド構成面の一端にバリを生じさせずに、裏面側のマニホールド構成面の他端周辺部にバリを生じさせるようにして得たものである、
燃料電池スタックにおいて、
流体導入部材が、請求項1から請求項5のいずれか1に記載の燃料電池スタック用流体導入部材であることを特徴とする燃料電池スタック。 Laminating a plurality of sets of a set of fuel cells including an electrolyte membrane and a pair of separators provided on both sides of the electrolyte membrane,
A fluid supply manifold for supplying a fluid, which is a gas or a refrigerant, and a fluid introduction member;
The fluid introducing member has a shape including a manifold constituting surface constituting a part of the fluid supply manifold and a fluid introducing surface for guiding the fluid flowing along the manifold constituting surface in another direction. It is obtained without causing burrs at one end of the manifold constituting surface on the front side, but generating burrs around the other end of the manifold constituting surface on the back side.
In the fuel cell stack,
A fuel cell stack, wherein the fluid introduction member is a fluid introduction member for a fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5.
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