【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を、セパレータを介して複数積層して構成した燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側に、アノード側電極およびカソード側電極をそれぞれ配置して構成した単位電池を、セパレータによって挟持することにより構成している。
【０００３】
このような固体高分子電解質型燃料電池は、通常、上記した単位電池およびセパレータを複数積層することにより、燃料電池スタックとして使用する。
【０００４】
上記した燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給した燃料ガス（水素含有ガス）は、アノード側電極上で水素イオン化され、適度に加湿された高分子イオン交換膜を介してカソード側電極へと移動する。このとき、アノード側電極に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００５】
一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気を供給し、前記アノード側電極から移動した水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００６】
ところで、上記した燃料電池スタックは、その積層方向両端から所定に締付圧力によって締付固定するが、この締付圧力が各単位電池について均一に付与されない場合には、スタック内の接触抵抗の増加や反応ガス（水素、空気）のリークが生じる恐れがある。このため、燃料電池スタックに対する締付荷重は、積層方向全域にわたって均一で、しかも大きく変動しないことが必要である。
【０００７】
そこで、例えば特許文献１には、単位電池の積層方向端部にエンドプレートおよびプレッシャプレートを設け、エンドプレートとプレッシャプレートとの間に、荷重変動低減機構を設ける燃料電池スタックが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２９１号公報
【０００９】
また、特許文献２には、性能不良な単位電池交換の簡便化および、積層した単位電池に対する締付圧力の均一化を目的とし、積層した複数の単位電池を一つのブロックとして燃料電池スタック全体を複数にブロック化する構成が開示されている。
【００１０】
【特許文献２】
特開平１０−２６１４２６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、単位電池の積層数が多くなるに従って、燃料電池スタックの積層方向中央部分の面圧が低くなる傾向があり、積層方向の面圧分布が大きくなるという問題がある。
【００１２】
一方、特許文献２に記載の燃料電池スタックでは、積層方向の面圧分布を均一化できるものの、ブロック毎に一対のエンドプレートおよび押さえボルトを必要とするなど部品点数が増大し、燃料電池スタックの大型化を招いている。
【００１３】
そこで、この発明は、燃料電池スタックの大型化を招くことなく、単位電池を複数積層した積層体の積層方向の面圧分布を均一化することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を、セパレータを介して複数積層して構成した燃料電池スタックにおいて、前記単位電池の積層体を、［２Ｎ＋１］個（Ｎは１以上の整数）の単位電池群に分割し、この分割した単位電池群相互間にプレートを介装し、このプレート相互間の前記単位電池群に対し、締付圧力付与手段により所定の締付圧力を付与する構成としてある。
【００１５】
【発明の効果】
この発明によれば、単位電池を複数積層して構成した単位電池の積層体を、プレートによって［２Ｎ＋１］個（Ｎは１以上の整数）の単位電池群に分割し、プレート相互間の単位電池群に対し、所定の締付圧力を付与するようにしたので、燃料電池スタックの大型化を招くことなく、単位電池の積層方向の面圧分布を均一化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１７】
まず、この本明の全実施形態にわたって共通するか、または類似する部分の基本となる構成および作用を、図１〜３を用いて説明する。この発明に係わる燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池とする。）であり、例えば燃料電池自動車に搭載する。ただし、自動車以外に用いてもよい。
【００１８】
図１は燃料電池スタックの全体を示す斜視図である。この燃料電池スタックは、１Ｖ程度の起電圧を生じる単位電池１を、複数積層して積層体３を形成する。この積層体３を構成する複数の単位電池１は、それぞれが燃料電池として機能する。そして、この燃料電池スタックは、後述するが、四隅に配置して内部を貫通する図示しないテンションロッドなどを用いて締結する。なお、ここでテンションロッドの本数は４本（四隅）とは限らず、所望の締結力が確保できる仕様であるならばその限りではない。
【００１９】
図２は単位電池１の構造を示す分解斜視図である。この単位電池１は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜７と、この電解質膜７の一方の面に配置した触媒層および拡散層からなるアノード側電極９（燃料極）と、電解質膜７の他方の面に配置した触媒層および拡散層からなるカソード側電極１１（空気極）とで、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１３を構成している。
【００２０】
このＭＥＡ１３の両側には、アノード側電極９に燃料ガス（水素）を、カソード側電極１１に酸化ガス（酸素、通常は空気）をそれぞれ供給するための流体通路を形成するセパレータ１５および１７を、ガスケット１９および２１を介してそれぞれ配置する。
【００２１】
電解質膜７は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成したプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜７の表面には、触媒としての白金または、白金と他の金属からなる合金を担持させてある。
【００２２】
アノード側電極９およびカソード側電極１１は、ガス拡散電極である。これら各電極９，１１は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成する。
【００２３】
セパレータ１５，１７は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成する。例えば、カーボン材料をプレス成形したり、また、充分な耐食性が実現可能であれば、金属など他の材料によって形成してもよい。
【００２４】
上記したセパレータ１５のアノード側電極９側には図示しない燃料ガス流路を、セパレータ１７のカソード側電極１１側には酸化剤ガス流路２５を、それぞれ形成してあり、また、必要に応じて冷却媒体流路２７を形成する。
【００２５】
ガスケット１９，２１は、シリコンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴムなどのゴム状弾性材料によって形成する。
【００２６】
上記した燃料電池スタックは、複数の単位電池１からなる積層体３の積層方向両端に、図１に示すように集電板２９，３１、絶縁板３３，３５、エンドプレート３７，３９をそれぞれ配置する。そして、この燃料電池スタックの、例えば四隅に、前述したテンションロッドを貫通させ、テンションロッドの端部に形成した雄ねじ部に、ナット４１を螺合締結することで、締め付ける。
【００２７】
テンションロッドは、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料によって形成し、また単位電池１同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理を施す。
【００２８】
集電板２９，３１は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成し、絶縁板３３，３５は、ゴムや樹脂などの絶縁性部材によって形成する。
【００２９】
エンドプレート３７，３９は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料によって形成する。また、２枚の集電板２９，３１には、それぞれ出力端子４３，４５を設けており、燃料電池スタックで生じた起電力を、この出力端子４３，４５を介して出力する。
【００３０】
上記したテンションロッドによる燃料電池スタックの締付方法は、テンションロッドを積層体３の内部に貫通させる必要はなく、図３の正面図に示すように、スタック外部でエンドプレート３７，３９同士をテンションロッド５により締め付けるようにしてもよい。
【００３１】
また、図３に示すように、燃料電池スタックの積層方向一端側のエンドプレート３９と、このエンドプレート３９の積層方向内側に設けた絶縁板３５との間に、内側エンドプレート４７を配置し、エンドプレート３９と内側エンドプレート４７との間に、ばねなどからなる加圧機構４９を設置する構造であってもよい。
【００３２】
なお、テンションロッドによる締付機構は、ナット４１を使用する必要はなく、一方のエンドプレートにねじ孔を形成し、このねじ孔にテンションロッドの一端に形成したねじ部を螺合締結するようにしてもよい。この場合、テンションロッドの他端にはボルトの頭部を形成する。
【００３３】
前記図１に示す基本構造を有する燃料電池スタックにおいて、その中心貫通線Ａに沿った積層方向の面圧分布を図４に示す。これによれば、スタック中心部分で面圧力が最小値となる傾向がある。
【００３４】
図５は単位電池の積層数と図４でのスタック中心部分の面圧力（最小値）との関係を示した図である。積層数が多くなるにつれて、スタック中心部分の面圧力は低下し、面圧力分布が不均一になる傾向があり、また積層数が増加するほど、面圧力の最小値は小さくなる。
【００３５】
要因としては、燃料スタック内の各部品の歪、摩擦などによる各単位電池間の圧力伝播の不均一性などが考えられるが、現状で詳細は不明である。
【００３６】
図６は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池スタックの正面図である。なお、ここでは、前記図１に示した基本構造を有する燃料電池スタックの構成要素と同一構成部分には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
この燃料電池スタックは、図１に示した積層体３を、単位電池１の積層方向に沿って、４枚のプレート５１，５３，５５，５７によって複数の単位電池群５９，６１，６３，６５，６７に分割している。
【００３８】
上記した各プレート５１，５３，５５，５７は、単位電池１の周縁部からそれぞれ突出させてあり、この突出した端部相互間を、締付圧力付与手段としての弾性圧力付与機構６９，７１，７３で互いに連結し、中心部の単位電池群５９およびその両側の単位電池群７１，７３を、それぞれ所定の締付圧力で締め付けている。
【００３９】
なお、上記した弾性圧力付与機構６９，７１，７３は、いずれも燃料電池スタックの周囲複数箇所に設けるものとする。
【００４０】
積層体３を４枚のプレート５１，５３，５５，５７によって分割した中央３つの単位電池群５９，６１，６３は、単位電池群５９を中心として図６中で左右に対称となる。
【００４１】
つまり、４枚のプレート５１，５３，５５，５７によって、積層体３をその積層方向に、［２Ｎ＋１］個（Ｎは１以上の整数）、すなわち奇数個に分割している。
【００４２】
そして、この分割状態で、互いに隣接する各プレート５１，５３，５５，５７相互間に、前記した弾性圧力付与機構６９，７１，７３によって所定の締付力を付与することで、積層体３の積層方向の面圧分布を均一化する。
【００４３】
ただし、中心部分の単位電池群５９以外の分割方法は、中心を対称に分割する必要はない。すなわち、例えば中心部分の単位電池群５９のみ独立して分割し、その他の部分は、単位電池１の積層数が異なっても、中心を対称に同じ個数の単位電池群に分割し、かつプレート５１，５５相互間および、プレート５３，５７相互間に、それぞれ適切な締付圧力を付与することで、面圧分布の均一化を図る。
【００４４】
なお、プレートによる積層体３の分割数は、３個以上の奇数個であればよいが、部品数、製造工数の低減を考慮すれば、少ないほどよい。
【００４５】
また、中心部分の単位電池群５９を、積層方向中心から対称に偶数個の領域に分割し、左右対称に締め付けた場合、例えば２個に分割した場合、力の釣り合いを考えると、単位電池群５９の積層方向中央に設けるプレートに働く力は０となり、実質的に１個の領域に分割したもの（単位電池群５９を積層方向中心で分割しない状態）と同等になる。このため、部品点数の減少を考えれば、単位電池群５９を積層方向中心で分割せず（図６に示す状態）、１個（積層体３全体においては奇数個）に分割する方が有利である。
【００４６】
単位電池群５９，６１，６３に締付圧力を付与する弾性圧力付与機構６９，７１，７３は、プレート相互間を、ばねやゴムあるいはテンションロッドなどで連結するものとする。ただし、テンションロッドを用いる場合は、燃料電池スタック全体を締結するテンションロッド５と同様に、端部にナットを螺合させて締め付けてもよい。
【００４７】
図７に、上記した弾性圧力付与機構６９，７１，７３の詳細を、弾性圧力付与機構６９を例にとって説明する。上記した図７は、弾性圧力付与機構６９とプレート５３との連結部付近を示しており、テンションロッド７５の端部に連結具７７を介してボルト７９を連結する構造としてある。
【００４８】
ボルト７９は、プレート５３に形成したボルト挿入孔５３ａに挿入し、このボルト７９を連結具７７に対して締結することで、単位電池群５９に締付圧力を付与する。このとき、互いに隣接するプレート５１，５３，５５，５７相互間の電気的短絡を防止するため、ボルト７９とボルト挿入孔５３ａとの間に電気的絶縁材８１を介装する。
【００４９】
なお、弾性圧力付与機構６９，７１，７３は、プレート５１，５３，５５，５７の周縁において、互いに重ならない位置とする。
【００５０】
上記した弾性圧力付与機構６９，７１，７３による締付圧力は、使用するばねやテンションロッドの弾性係数、変位量によって制御することが可能である。また、ボルト７９の締付力によっても締結圧力を制御できる。
【００５１】
プレート５１，５３，５５，５７は、剛性を備えた導電性材料、例えば鋼などの金属材料によって形成する。この各プレート５１，５３，５５，５７には、図７に示すように、反応ガスや冷却媒体が通過するマニホールド８３を形成しており、このマニホールド８３は、単位電池群５９に形成してあるマニホールド８４に連通している。また、プレート５３の図７中で左右両側のマニホールド８３の周囲にはガスケット８５（左側は省略）を設ける。
【００５２】
ガスケット８５は、シリコンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴムなどのゴム状弾性材料あるいは、金属によって形成する。
【００５３】
図８は、上記した第１の実施形態における燃料電池スタックでの面圧力分布の一例を、実線にて示している。同図（ａ）は、前記した図４と同様に中心貫通線Ａ（図１）における積層方向の面圧分布を示し、同図（ｂ）は、前記した図５と同様に積層方向中心部での面圧力と単位電池１の積層数との関係を示している。破線は、前記図４および図５でのデータである。
【００５４】
これによれば、上記図６に示した第１の実施形態における燃料電池スタックは、積層方向中央部分の面圧が、図１に示した基本構造の燃料電池スタックに比べて高くなり、積層方向に沿って全体的に均一化している。
【００５５】
このような積層方向の面圧の均一化は、積層体３をプレート５１，５３，５５，５７によって奇数個の単位電池群５９，６１，６３、６５，６７に分割し、隣接するプレート間に適切な締付圧力を付加することにより行っているので、部品点数の増大を回避でき、燃料電池スタックの大型化を防止することができる。
【００５６】
図９は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池スタックの正面図である。この実施形態の燃料電池スタックは、前記図１に示した第１の実施形態における積層方向中央部分の単位電池群５９と同様な単位電池群５９Ａを、サブスタック８７として他の部分と独立したものとしている。
【００５７】
図１０に、独立したサブスタック８７単体を示している。このサブスタック８７は、積層方向両端のエンドプレート８９，９１相互間を、前記した弾性圧力付与機構６９と同様な締付圧力付与手段としての弾性圧力付与機構９３によって所定の締付圧力を付与している。
【００５８】
そして、この中央のサブスタック８７とした単位電池群５９Ａの両側には、プレート９５，９７相互間に配置される単位電池群６１Ａおよび、プレート９９，１０１相互間に配置される単位電池群６３Ａを備える。さらにその外側には、単位電池群６５Ａおよび単位電池群６７Ａをそれぞれ備える。
【００５９】
プレート９５，９７相互間は、前記図６に示した弾性圧力付与機構７１と同様な弾性圧力付与機構１０３で、またプレート９９，１０１相互間は、前記図６に示した弾性圧力付与機構７３と同様な弾性圧力付与機構１０５で、それぞれ所定の締付圧力を付与する。
【００６０】
さらに、プレート９５とエンドプレート３７との間および、プレート９９とエンドプレート３９との間は、上記した各弾性圧力付与機構１０３，１０５と同様な弾性圧力付与機構１０７，１０９によって、それぞれ所定の締付圧力を付与する。
【００６１】
上記した図９の燃料電池スタックにおいても、中央３つの単位電池群５９Ａ，６１Ａ，６３Ａは、単位電池群５９Ａを中心として図９中で左右に対称となる。
【００６２】
つまり、４枚のプレート９５，９７，９９，１０１によって、積層体３をその積層方向に、［２Ｎ＋１］個（Ｎは１以上の整数）、すなわち奇数個に分割していることになる。
【００６３】
サブスタック８７に用いるエンドプレート８９，９１は、第１の実施形態のプレート５１，５３，５５，５７と同様に、剛性を備えた導電性材料、例えば鋼等の金属材料によって形成する。
【００６４】
また、図１０に示すように、エンドプレート８９，９１には、プレート５１，５３，５５，５７と同様に、反応ガスや冷却媒体のマニホールド１１１を形成してあり、サブスタック８７を隣接する他の単位電池群６１Ａ，６３Ａに組み付ける際には、マニホールド１１１周囲にガスケット１１３を介装する。
【００６５】
このガスケット１１３は、前記図７に示したガスケット８５と同様に、シリコンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴムなどのゴム状弾性材料あるいは、金属によって形成する。
【００６６】
なお、エンドプレート８９，９１間の電気的短絡を防止するため、前記図７に示すような電気的絶縁材８１と同様な電気的絶縁材を用いて絶縁構造を採用する。
【００６７】
その他、説明していない部分は、図６に示した第１の実施形態と同様である。
【００６８】
上記した第２の実施形態においても、燃料電池スタックの積層方向の面圧力分布は、前記した図８に実線で示したものと同様となる。したがって、燃料電池スタックの積層方向中央部分をサブスタック８７で構成した場合でも、積層方向中央部分の面圧が、図１に示した基本構造の燃料電池スタックに比べて高くなり、積層方向に沿って全体的に均一化する。
【００６９】
このような積層方向の面圧の均一化は、積層体３をプレート９５，９７，９９，１０１で奇数個の単位電池群５９Ａ，６１Ａ，６１Ａ，６３Ａ，６５Ａ，６７Ａに分割し、隣接するプレート間に適切な締付圧力を付加することにより行っているので、部品点数の増大を回避でき、燃料電池の大型化を防止することができる。
【００７０】
また、中央の単位電池群５９Ａをサブスタック化することにより、燃料電池スタック全体の製造工程の簡易性の向上や、不良単位電池交換を含めたメンテナンス性および取り扱い性の向上も得ることができる。
【００７１】
また、図９に示すように、弾性圧力付与機構１０７および１０９により、複数の単位電池群６１Ａ，６５Ａおよび６３Ａ，６７Ａを、それぞれ締め付けるようにすることで、面圧分布均一化を保持しつつ、組立て性の向上や、部品点数の減少および小型化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池スタックの基本構造を示す斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックにおける単位電池の分解斜視図である。
【図３】図１の燃料電池スタックの一部を変更した正面図である。
【図４】図１の燃料電池スタックの中心貫通線に沿った面圧分布図である。
【図５】図１の燃料電池スタックにおける単位電池の積層数と積層体中央部分の面圧力（最小値）との相関図である。
【図６】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池スタックの正面図である。
【図７】図１の燃料電池スタックにおける弾性圧力付与機構の詳細を示す断面図である。
【図８】（ａ）は、図４と同様に燃料電池スタックの中心貫通線に沿った面圧分布図、
（ｂ）は、図５と同様に単位電池の積層数と積層体中央部分での面圧力との相関図である。
【図９】この発明の第２の実施形態を示す燃料電池スタックの正面図である。
【図１０】図９の燃料電池スタックにおけるサブスタックの正面図である。
【符号の説明】
１ 単位電池
３ 単位電池の積層体
７ 電解質膜
９ アノード側電極
１１ カソード側電極
１５，１７ セパレータ
５１，５３，５５，５７，９５，９７，９９，１０１ プレート
５９，６１，６３，６５，６７，５９Ａ，６１Ａ，６３Ａ，６５Ａ，６７Ａ 単位電池群
６９，７１，７３，９３，１０３，１０５，１０７，１０９ 弾性圧力付与機構（締付圧力付与手段）
８１ 電気的絶縁材
８７ サブスタック
８９，９１ エンドプレート[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell stack in which a unit cell is formed by sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode, and a plurality of the unit cells are stacked with a separator interposed therebetween.
[0002]
[Prior art]
A solid polymer electrolyte fuel cell is constructed by sandwiching a unit cell having an anode electrode and a cathode electrode arranged on both sides of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) with a separator. ing.
[0003]
Such a solid polymer electrolyte fuel cell is usually used as a fuel cell stack by stacking a plurality of the unit cells and separators described above.
[0004]
In the above-described fuel cell stack, the fuel gas (hydrogen-containing gas) supplied to the anode electrode is hydrogen-ionized on the anode electrode and moves to the cathode electrode via a moderately humidified polymer ion exchange membrane. I do. At this time, electrons generated in the anode electrode are taken out to an external circuit and used as DC electric energy.
[0005]
On the other hand, an oxidizing gas, for example, an oxygen-containing gas or air is supplied to the cathode-side electrode, and hydrogen ions, the electrons and the oxygen gas transferred from the anode-side electrode react to generate water.
[0006]
By the way, the above-mentioned fuel cell stack is tightened and fixed by a predetermined tightening pressure from both ends in the stacking direction. However, if the tightening pressure is not uniformly applied to each unit cell, the contact resistance in the stack increases. Or leakage of reaction gas (hydrogen, air). For this reason, it is necessary that the tightening load on the fuel cell stack is uniform over the entire area in the stacking direction and does not significantly change.
[0007]
Therefore, for example, Patent Literature 1 discloses a fuel cell stack in which an end plate and a pressure plate are provided at an end of a unit cell in a stacking direction, and a load variation reduction mechanism is provided between the end plate and the pressure plate.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-124291
Patent Literature 2 discloses that the entire fuel cell stack includes a plurality of stacked unit cells as one block for the purpose of simplifying replacement of unit cells having poor performance and uniforming the tightening pressure for the stacked unit cells. A configuration for blocking into a plurality is disclosed.
[0010]
[Patent Document 2]
JP-A-10-261426
[Problems to be solved by the invention]
However, in the fuel cell stack described in Patent Document 1, as the number of unit cells stacked increases, the surface pressure at the center of the fuel cell stack in the stacking direction tends to decrease, and the surface pressure distribution in the stacking direction increases. There is a problem.
[0012]
On the other hand, in the fuel cell stack described in Patent Literature 2, although the surface pressure distribution in the stacking direction can be made uniform, the number of parts increases, such as the need for a pair of end plates and holding bolts for each block. Inviting upsizing.
[0013]
Accordingly, an object of the present invention is to make the surface pressure distribution in the stacking direction of a stacked body in which a plurality of unit cells are stacked uniform, without increasing the size of the fuel cell stack.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell stack in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode-side electrode and a cathode-side electrode to form a unit cell, and a plurality of such unit cells are stacked via a separator. In the above, the stacked body of the unit batteries is divided into [2N + 1] (N is an integer of 1 or more) unit battery groups, a plate is interposed between the divided unit battery groups, and A predetermined tightening pressure is applied to the unit battery group by a tightening pressure applying unit.
[0015]
【The invention's effect】
According to the present invention, a unit battery stack formed by stacking a plurality of unit batteries is divided into [2N + 1] (N is an integer of 1 or more) unit battery groups by a plate, and the unit battery between the plates is separated. Since the predetermined tightening pressure is applied to the group, the surface pressure distribution in the stacking direction of the unit cells can be made uniform without increasing the size of the fuel cell stack.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
First, the basic configuration and operation of a portion common or similar to all embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell according to the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell), and is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, they may be used for other than automobiles.
[0018]
FIG. 1 is a perspective view showing the entire fuel cell stack. In this fuel cell stack, a plurality of unit cells 1 that generate an electromotive voltage of about 1 V are stacked to form a stacked body 3. Each of the plurality of unit cells 1 constituting the stacked body 3 functions as a fuel cell. As will be described later, the fuel cell stack is fastened using tension rods (not shown) that are arranged at four corners and penetrate the inside. Here, the number of tension rods is not limited to four (four corners), but is not limited as long as it is a specification that can secure a desired fastening force.
[0019]
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the structure of the unit battery 1. The unit cell 1 includes an electrolyte membrane 7 composed of a polymer ion exchange membrane, an anode 9 (fuel electrode) composed of a catalyst layer and a diffusion layer disposed on one surface of the electrolyte membrane 7, and an electrolyte membrane 7. The membrane-electrode assembly (MEA) 13 is constituted by the cathode-side electrode 11 (air electrode) composed of the catalyst layer and the diffusion layer arranged on the other surface.
[0020]
On both sides of the MEA 13, separators 15 and 17 forming fluid passages for supplying a fuel gas (hydrogen) to the anode electrode 9 and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode electrode 11, respectively, They are arranged via gaskets 19 and 21, respectively.
[0021]
The electrolyte membrane 7 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and has good electric conductivity in a wet state. On the surface of the electrolyte membrane 7, platinum as a catalyst or an alloy composed of platinum and another metal is supported.
[0022]
The anode 9 and the cathode 11 are gas diffusion electrodes. Each of these electrodes 9 and 11 is made of a member having sufficient gas diffusivity and conductivity, such as carbon cloth woven from carbon fiber yarn, carbon paper, or carbon felt.
[0023]
The separators 15 and 17 are formed of a material having sufficient conductivity, strength, and corrosion resistance. For example, a carbon material may be press-formed, or may be formed of another material such as a metal if sufficient corrosion resistance can be realized.
[0024]
A fuel gas flow path (not shown) is formed on the anode 15 side of the separator 15 described above, and an oxidizing gas flow path 25 is formed on the cathode side 11 side of the separator 17. The cooling medium passage 27 is formed.
[0025]
The gaskets 19 and 21 are formed of a rubber-like elastic material such as silicon rubber, EPDM, or fluorine rubber.
[0026]
In the above-described fuel cell stack, current collecting plates 29 and 31, insulating plates 33 and 35, and end plates 37 and 39 are disposed at both ends in the stacking direction of the stacked body 3 including the plurality of unit cells 1 as shown in FIG. I do. Then, the above-described tension rod is passed through, for example, four corners of the fuel cell stack, and a nut 41 is screwed and fastened to a male screw portion formed at an end of the tension rod, thereby tightening.
[0027]
The tension rod is formed of a material having rigidity, for example, a metal material such as steel, and its surface is subjected to insulation treatment in order to prevent an electrical short circuit between the unit cells 1.
[0028]
The current collecting plates 29 and 31 are formed of a gas-impermeable conductive member such as a dense carbon or copper plate, and the insulating plates 33 and 35 are formed of an insulating member such as rubber or resin.
[0029]
The end plates 37 and 39 are formed of a rigid material, for example, a metal material such as steel. Output terminals 43 and 45 are provided on the two current collecting plates 29 and 31, respectively, and the electromotive force generated in the fuel cell stack is output through the output terminals 43 and 45.
[0030]
In the method of tightening the fuel cell stack using the tension rods described above, it is not necessary to penetrate the tension rods into the inside of the stacked body 3 and, as shown in the front view of FIG. You may make it tighten with the rod 5.
[0031]
As shown in FIG. 3, an inner end plate 47 is disposed between an end plate 39 on one end side in the stacking direction of the fuel cell stack and an insulating plate 35 provided inside the end plate 39 in the stacking direction. A structure in which a pressing mechanism 49 made of a spring or the like is provided between the end plate 39 and the inner end plate 47 may be used.
[0032]
Note that the tightening mechanism using the tension rod does not require the use of the nut 41, and a screw hole is formed in one end plate, and a screw portion formed at one end of the tension rod is screwed into the screw hole. You may. In this case, the head of the bolt is formed at the other end of the tension rod.
[0033]
FIG. 4 shows the surface pressure distribution in the stacking direction along the center through line A in the fuel cell stack having the basic structure shown in FIG. According to this, the surface pressure tends to be the minimum value at the center of the stack.
[0034]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the number of stacked unit batteries and the surface pressure (minimum value) at the center of the stack in FIG. As the number of layers increases, the surface pressure at the center of the stack tends to decrease and the surface pressure distribution tends to be non-uniform, and the minimum value of the surface pressure decreases as the number of layers increases.
[0035]
The factors may be non-uniformity of pressure propagation between the unit cells due to distortion or friction of each part in the fuel stack, but details are unknown at present.
[0036]
FIG. 6 is a front view of the fuel cell stack showing the first embodiment of the present invention. Here, the same components as those of the fuel cell stack having the basic structure shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0037]
In this fuel cell stack, a plurality of unit cell groups 59, 61, 63, 65 are formed by stacking the stacked body 3 shown in FIG. 1 along the stacking direction of the unit cells 1 by using four plates 51, 53, 55, 57. , 67.
[0038]
Each of the plates 51, 53, 55, and 57 protrudes from the peripheral edge of the unit battery 1, and an elastic pressure applying mechanism 69, 71 as a fastening pressure applying means is provided between the protruding ends. The unit battery group 59 at the center and the unit battery groups 71 and 73 on both sides thereof are tightened at a predetermined tightening pressure.
[0039]
The elastic pressure applying mechanisms 69, 71, 73 described above are all provided at a plurality of locations around the fuel cell stack.
[0040]
The central three unit battery groups 59, 61, and 63 obtained by dividing the stacked body 3 by the four plates 51, 53, 55, and 57 are symmetrical left and right in FIG.
[0041]
That is, the laminated body 3 is divided into [2N + 1] (N is an integer of 1 or more), that is, an odd number in the laminating direction by the four plates 51, 53, 55, and 57.
[0042]
Then, in this divided state, a predetermined tightening force is applied between the adjacent plates 51, 53, 55, and 57 by the above-described elastic pressure applying mechanisms 69, 71, and 73, so that the laminate 3 is formed. Uniform surface pressure distribution in the laminating direction.
[0043]
However, in the division method other than the unit battery group 59 at the center, it is not necessary to divide the center symmetrically. That is, for example, only the unit battery group 59 in the center portion is independently divided, and the other portions are symmetrically divided into the same number of unit battery groups even if the number of stacked unit batteries 1 is different, and the plate 51 , 55 and between the plates 53, 57, respectively, so as to uniformize the surface pressure distribution.
[0044]
The number of divisions of the laminate 3 by the plate may be an odd number of three or more, but the smaller the number of parts and the number of manufacturing steps, the better.
[0045]
Further, when the unit battery group 59 in the center is divided into an even number of regions symmetrically from the center in the stacking direction and tightened symmetrically, for example, when divided into two, considering the balance of force, the unit battery group 59 The force acting on the plate provided at the center of the stacking direction of the unit 59 is 0, which is substantially equal to that obtained by dividing the plate into one region (the unit battery group 59 is not divided at the center in the stacking direction). For this reason, considering the reduction in the number of components, it is more advantageous to divide the unit battery group 59 into one (the odd number in the entire stacked body 3) without dividing it at the center in the stacking direction (the state shown in FIG. 6). is there.
[0046]
The elastic pressure applying mechanisms 69, 71, 73 for applying a tightening pressure to the unit battery groups 59, 61, 63 connect the plates to each other with a spring, rubber, a tension rod, or the like. However, when a tension rod is used, a nut may be screwed to the end and tightened as in the case of the tension rod 5 for fastening the entire fuel cell stack.
[0047]
FIG. 7 illustrates details of the above-described elastic pressure applying mechanisms 69, 71, and 73, taking the elastic pressure applying mechanism 69 as an example. FIG. 7 described above shows the vicinity of a connecting portion between the elastic pressure applying mechanism 69 and the plate 53, and has a structure in which a bolt 79 is connected to an end of the tension rod 75 via a connecting member 77.
[0048]
The bolt 79 is inserted into a bolt insertion hole 53 a formed in the plate 53, and the bolt 79 is fastened to the connector 77, thereby applying a tightening pressure to the unit battery group 59. At this time, an electrical insulating material 81 is interposed between the bolt 79 and the bolt insertion hole 53a in order to prevent an electrical short circuit between the adjacent plates 51, 53, 55, 57.
[0049]
The elastic pressure applying mechanisms 69, 71, and 73 are located at positions that do not overlap each other on the peripheral edges of the plates 51, 53, 55, and 57.
[0050]
The tightening pressure by the above-described elastic pressure applying mechanisms 69, 71, 73 can be controlled by the elastic coefficient and displacement of the spring or tension rod used. The fastening pressure can also be controlled by the fastening force of the bolt 79.
[0051]
The plates 51, 53, 55, and 57 are formed of a conductive material having rigidity, for example, a metal material such as steel. As shown in FIG. 7, each of the plates 51, 53, 55, and 57 has a manifold 83 through which a reaction gas and a cooling medium pass. The manifold 83 is formed in a unit battery group 59. It communicates with the manifold 84. Further, gaskets 85 (the left side is omitted) are provided around the left and right manifolds 83 in FIG.
[0052]
The gasket 85 is formed of a rubber-like elastic material such as silicon rubber, EPDM or fluorine rubber, or a metal.
[0053]
FIG. 8 shows an example of a surface pressure distribution in the fuel cell stack according to the above-described first embodiment by a solid line. 4A shows the surface pressure distribution in the laminating direction at the center through line A (FIG. 1) as in FIG. 4 described above, and FIG. 4B shows the central part in the laminating direction as in FIG. 2 shows the relationship between the surface pressure and the number of stacked unit cells 1. The broken line is the data in FIGS. 4 and 5.
[0054]
According to this, in the fuel cell stack according to the first embodiment shown in FIG. 6, the surface pressure in the central part in the stacking direction is higher than that in the fuel cell stack having the basic structure shown in FIG. Along the whole.
[0055]
In order to make the surface pressure uniform in the stacking direction, the stacked body 3 is divided into an odd number of unit battery groups 59, 61, 63, 65, and 67 by plates 51, 53, 55, and 57. Since the tightening is performed by applying an appropriate tightening pressure, an increase in the number of parts can be avoided, and an increase in the size of the fuel cell stack can be prevented.
[0056]
FIG. 9 is a front view of a fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell stack of this embodiment is a unit cell group 59A similar to the unit cell group 59 at the center in the stacking direction in the first embodiment shown in FIG. And
[0057]
FIG. 10 shows an independent substack 87 alone. This sub-stack 87 applies a predetermined tightening pressure between the end plates 89 and 91 at both ends in the stacking direction by an elastic pressure applying mechanism 93 as a tightening pressure applying means similar to the elastic pressure applying mechanism 69 described above. ing.
[0058]
On both sides of the unit battery group 59A as the central sub-stack 87, a unit battery group 61A arranged between the plates 95 and 97 and a unit battery group 63A arranged between the plates 99 and 101 are provided. Prepare. Further outside, a unit battery group 65A and a unit battery group 67A are provided.
[0059]
An elastic pressure applying mechanism 103 similar to the elastic pressure applying mechanism 71 shown in FIG. 6 is provided between the plates 95 and 97, and an elastic pressure applying mechanism 73 shown in FIG. 6 is provided between the plates 99 and 101. Each of the elastic pressure applying mechanisms 105 applies a predetermined tightening pressure.
[0060]
Further, between the plate 95 and the end plate 37 and between the plate 99 and the end plate 39, predetermined tightening is performed by elastic pressure applying mechanisms 107 and 109 similar to the elastic pressure applying mechanisms 103 and 105 described above. Apply pressure.
[0061]
Also in the fuel cell stack of FIG. 9 described above, the three central unit cell groups 59A, 61A, and 63A are symmetrical left and right in FIG. 9 around the unit cell group 59A.
[0062]
That is, the laminated body 3 is divided into [2N + 1] (N is an integer of 1 or more), that is, an odd number by the four plates 95, 97, 99, and 101 in the laminating direction.
[0063]
The end plates 89 and 91 used for the substack 87 are formed of a rigid conductive material, for example, a metal material such as steel, like the plates 51, 53, 55, and 57 of the first embodiment.
[0064]
As shown in FIG. 10, the end plates 89 and 91 are formed with a manifold 111 of a reaction gas and a cooling medium, similarly to the plates 51, 53, 55 and 57, and the sub-stack 87 is adjacent to the other. When assembling to the unit battery groups 61A and 63A, a gasket 113 is interposed around the manifold 111.
[0065]
This gasket 113 is formed of a rubber-like elastic material such as silicon rubber, EPDM or fluoro rubber, or a metal, similarly to the gasket 85 shown in FIG.
[0066]
In order to prevent an electric short circuit between the end plates 89 and 91, an insulating structure using an electric insulating material similar to the electric insulating material 81 as shown in FIG.
[0067]
Other parts that are not described are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
[0068]
Also in the above-described second embodiment, the surface pressure distribution in the stacking direction of the fuel cell stack is the same as that shown by the solid line in FIG. Therefore, even when the fuel cell stack is formed with the sub-stack 87 at the center in the stacking direction, the surface pressure at the center in the stacking direction is higher than that of the fuel cell stack having the basic structure shown in FIG. To make the whole uniform.
[0069]
In order to make the surface pressure uniform in such a stacking direction, the stack 3 is divided into an odd number of unit battery groups 59A, 61A, 61A, 63A, 65A, 67A by plates 95, 97, 99, 101, and the adjacent plates are separated. Since an appropriate tightening pressure is applied in between, an increase in the number of parts can be avoided, and an increase in the size of the fuel cell can be prevented.
[0070]
In addition, by forming the central unit cell group 59A into a sub-stack, it is possible to improve the simplicity of the manufacturing process of the entire fuel cell stack, and to improve the maintenance and handling including replacement of defective unit cells.
[0071]
Also, as shown in FIG. 9, the plurality of unit battery groups 61A, 65A and 63A, 67A are tightened by the elastic pressure applying mechanisms 107 and 109, respectively, thereby maintaining the uniform surface pressure distribution. It is possible to improve the assemblability, reduce the number of parts and reduce the size.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a basic structure of a fuel cell stack according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a unit cell in the fuel cell stack of FIG.
FIG. 3 is a front view in which a part of the fuel cell stack of FIG. 1 is modified.
FIG. 4 is a distribution diagram of surface pressure along a center through line of the fuel cell stack of FIG. 1;
FIG. 5 is a correlation diagram between the number of unit cells stacked in the fuel cell stack of FIG. 1 and the surface pressure (minimum value) at the center of the stack.
FIG. 6 is a front view of the fuel cell stack showing the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing details of an elastic pressure applying mechanism in the fuel cell stack of FIG. 1;
FIG. 8A is a diagram showing a surface pressure distribution along a center through line of the fuel cell stack, similarly to FIG. 4;
(B) is a correlation diagram between the number of stacked unit batteries and the surface pressure at the center of the stacked body as in FIG. 5.
FIG. 9 is a front view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a front view of a sub-stack in the fuel cell stack of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Unit battery 3 Unit battery laminated body 7 Electrolyte membrane 9 Anode side electrode 11 Cathode side electrode 15, 17 Separator 51, 53, 55, 57, 95, 97, 99, 101 Plate 59, 61, 63, 65, 67, 59A, 61A, 63A, 65A, 67A Unit battery group 69, 71, 73, 93, 103, 105, 107, 109 Elastic pressure applying mechanism (tightening pressure applying means)
81 Electrical insulation material 87 Sub stack 89, 91 End plate
