JP2004227894A

JP2004227894A - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP2004227894A
Application number: JP2003013628A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Wakahoi; 俊哉若穂囲; Kentaro Nagoshi; 健太郎名越
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: JP4430311B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable application of a desired tightening load to each unit cell in a casing with a simple and small-sized configuration. <P>SOLUTION: A fuel cell stack 10 comprises a laminate 14 made up of a plurality of stacked unit cells 12. Terminal plates 16a, 16b are provided at both ends of the laminate 14, and the cell stack 10 is accommodated in a casing 24. An insulating spacer member 22 is interposed between the terminal plate 16b and an end plate 20b constituting the casing 24. The thickness T of the insulating spacer member 22 is adjusted to absorb variations in length of the laminate 14 in the direction of stacking, so as to enable application of a desired tightening load to the laminate 14. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層されて積層体を構成するとともに、前記積層体の両端にターミナルプレートを配設してケーシング内に収容される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は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。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、例えば、ケース内に収容されており、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を加圧保持する必要がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１の燃料電池が知られている。この燃料電池は、図６に示すように、複数の単位セルを積層した積層セル体１と、この積層セル体１を収容するスタック容器２と、このスタック容器２に螺着可能な蓋体３とを備えている。
【０００６】
蓋体３の底部には、押圧部３ａが設けられるとともに、この蓋体３の側面部には、ねじ部３ｂが形成されており、前記ねじ部３ｂがスタック容器２のねじ溝２ａに螺着されている。このため、蓋体３をスタック容器２にねじ込むことにより、この蓋体３の押圧部３ａが積層セル体１を押圧し、前記積層セル体１を構成する単位セル間に所定の面圧を与えることができる、としている。
【０００７】
また、例えば、特許文献２の燃料電池スタックは、図７に示すように、複数の燃料電池４を積層した積層体の上下両端にそれぞれエンドプレートアセンブリ５ａ、５ｂが配置されるとともに、前記エンドプレートアセンブリ５ａ、５ｂが複数本のタイロッド６により締め付けられている。
【０００８】
上方のエンドプレートアセンブリ５ａを構成するエンドプレート７には、面内に複数個のねじ孔７ａが形成されており、各ねじ孔７ａにねじ８が螺合している。そして、各ねじ８をねじ孔７ａに所定の長さだけねじ込むことにより、前記ねじ８の先端がエンドプレートアセンブリ５ａを介して燃料電池４を押圧し、前記燃料電池４に所定の面圧を付与する、としている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−２１４６３４号公報（段落［００１４］、［００１５］、図１）
【特許文献２】
米国特許第６，４２８，９２１号公報（図１、図５）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、スタック容器２に蓋体３がねじ込まれるため、この蓋体３が大型であるとともに、ねじ部３ｂおよびねじ溝２ａの軸長が相当に長い。これにより、燃料電池全体が、積層方向に相当に長尺化してしまい、この燃料電池全体が大型でかつ重量物であるという問題が指摘されている。
【００１１】
また、上記の特許文献２では、アジャストボルトとしての複数のねじ８がエンドプレート７の面内に配置されている。このため、燃料電池４の積層体に対して、平行度を維持しながら各ねじ８を調整することは極めて難しく、前記燃料電池４に所望の面圧を付与することができないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ小型な構成で、ケーシング内の各単位セルに所望の締め付け荷重を付与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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、電解質・電極構造体とセパレータとを複数積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の両端にターミナルプレートを配設してケーシング内に収容する。そして、少なくとも一方のターミナルプレートとケーシングの内壁面（エンドプレートに相当）との間には、絶縁性スペーサ部材が介装される。
【００１４】
これにより、積層体の積層方向の長さが変動しても、絶縁性スペーサ部材の厚さを調整するだけで前記長さの変動を確実に吸収することができ、前記積層体に所望の締め付け荷重を付与することが可能になる。従って、燃料電池スタック全体が有効に小型化かつ軽量化されるとともに、前記燃料電池スタックの組み付け作業が容易に簡素化する。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、絶縁性スペーサ部材は、ターミナルプレートに接触する面が球面状の加圧プレートと、前記加圧プレートとケーシングの内壁面との間に介装され、積層体の積層方向の長さに応じて厚さが選択可能な平板部材とを備える。
【００１６】
このため、平板部材の厚さを選択するだけで、積層体の積層方向の長さ変動に容易に対応することができ、簡単な構成で、前記積層体に所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。しかも、加圧プレートは、ターミナルプレートに対して球面で接触するため、均一な電極面圧分布が得られる。
【００１７】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、セパレータは、金属セパレータで構成されており、前記金属セパレータ自体の弾性により積層体のへたり等を吸収することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が矢印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、絶縁プレート１８およびエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性スペーサ部材２２およびエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを含むケーシング２４を介して一体的に保持される。
【００２０】
図２および図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜（電解質）・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。第１および第２セパレータ３２、３４は、例えば、金属製プレート（金属セパレータ）により構成されている。なお、第１および第２セパレータ３２、３４はカーボン材等により構成してもよい。電解質膜・電極構造体３０と第１および第２セパレータ３２、３４との間には、後述する各種連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、シール部材３５が介装されている。
【００２１】
単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。
【００２２】
単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、およ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が設けられる。
【００２３】
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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４およびカソード側電極４６とを備える。
【００２４】
アノード側電極４４およびカソード側電極４６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た電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜４２を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜４２の両面に接合される。
【００２５】
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、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。
【００２６】
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、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２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。
【００２７】
図１および図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５４ａ、５４ｂが形成される。
【００２８】
ケーシング２４は、図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂと、下板５６と、上板５８と側板６０ａ、６０ｂとを備える。エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つのタブ部６２ａ、６２ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ１つのタブ部６２ａ、６２ｂが突出形成される。エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺下端には、マウント用ボス部６４ａ、６４ｂが形成される。このボス部６４ａ、６４ｂは、図示しない搭載部位にボルト等を介して固定されることにより、燃料電池スタック１０を、例えば、車両に搭載する。
【００２９】
下板５６および上板５８は、断面コ字状に屈曲形成され、それぞれの長手方向両端には、タブ部６６ａ、６６ｂが３つずつ形成される。側板６０ａ、６０ｂの長手方向両端には、タブ部６８ａ、６８ｂが２つずつ形成される。
【００３０】
下板５６のタブ部６６ａとエンドプレート２０ａ、２０ｂの下辺のタブ部６２ａ、６２ｂは、交互に配置されるとともに、これらにピン７０が一体的に挿入されて、前記下板５６が前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに組み付けられる。同様に、上板５８のタブ部６６ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺のタブ部６２ａと交互に配置されるとともに、これらにピン７０が一体的に挿入されて、前記上板５８が前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。
【００３１】
側板６０ａ、６０ｂのそれぞれのタブ部６８ａ、６８ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺のタブ部６２ａと同軸状に配置され、これらにピン７２が一体的に挿入されることによって、前記側板６０ａ、６０ｂが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。これにより、ケーシング２４が構成される。
【００３２】
図１および図２に示すように、スペーサ部材２２は、ケーシング２４の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材２２は、積層体１４の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体１４に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さＴが調整される。このスペーサ部材２２は、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂で形成されている。
【００３３】
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。
【００３４】
まず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の単位セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。
【００３５】
図３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２セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。
【００３６】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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。
【００３７】
次いで、アノード側電極４４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４０ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、カソード側電極４６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に沿って流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。
【００３８】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１セパレータ３２の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。
【００３９】
この場合、第１の実施形態では、ターミナルプレート１６ｂとエンドプレート２０ｂとの間に、スペーサ部材２２が介装されている。このため、各単位セル１２毎の寸法差等によって積層体１４の積層方向の長さが変動しても、スペーサ部材２２の厚さＴを調整するだけで、前記積層体１４の長さ変動を確実に吸収することができる。
【００４０】
従って、予め規定の寸法に設定されているケーシング２４内において、積層体１４に対して所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。しかも、スペーサ部材２２を用いるだけでよく、燃料電池スタック１０全体が有効に小型化かつ軽量化されるとともに、前記燃料電池スタック１０の組み付け作業が容易に簡素化されるという効果が得られる。
【００４１】
ここで、スペーサ部材２２の厚さＴを設定する際には、図４に示すように、積層体１４の全長と、この積層体１４の締め付け荷重との関係が考慮される。積層体１４の全長と締め付け荷重とは、比例関係にあり、前記積層体１４の全長がＬである際に、荷重適正範囲がＬ１（締め付け荷重がＦ１〜Ｆ２の範囲内）となる。一方、積層体１４が熱により伸縮する範囲は、Ｌ２となっている。
【００４２】
そこで、積層体１４の初期締め付け荷重点Ｐ１が得られるように、スペーサ部材２２の厚さＴが設定される。その際、積層体１４の内部のへたり等によって前記積層体１４の全長が短縮され易く、初期締め付け荷重点Ｐ１から締め付け荷重点Ｐ２に圧力が減少する。
【００４３】
すなわち、積層体１４の内部のへたりや熱による伸縮を考慮して、初期締め付け荷重点Ｐ１が、所望の締め付け荷重点Ｐ２よりも上方（高荷重側）に予め設定される。これにより、燃料電池スタック１０が使用される際に、積層体１４には、荷重適正範囲Ｌ１内に維持し得るような締め付け荷重が付与されることになる。従って、ケーシング２４内に、例えば、皿ばねやアジャストボルト等による加圧構造を用いる必要がなく、コンパクトかつ軽量な燃料電池スタック１０を得ることができるという利点がある。
【００４４】
また、第１の実施形態では、第１および第２セパレータ３２、３４が金属製プレートにより構成されている。このため、第１および第２セパレータ３２、３４自体の弾性により積層体１４のへたり等を吸収することができ、所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。
【００４５】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の一部断面側面図である。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。
【００４６】
燃料電池スタック８０のケーシング２４内には、ターミナルプレート１６ｂとエンドプレート２０ｂとの間に位置して絶縁性スペーサ部材８２が介装される。このスペーサ部材８２は、ターミナルプレート１６ｂに接触する面８４ａが球面状の加圧プレート８４と、前記加圧プレート８４とエンドプレート２０ｂとの間に介装され、積層体１４の積層方向の長さに応じて厚さＴが選択可能な平板部材８６とを備える。
【００４７】
このように構成される第２の実施形態では、積層体１４の積層方向の長さの変動に応じて平板部材８６の厚さＴを選択するだけでよく、簡単かつコンパクトな構成で、前記積層体１４に所望の締め付け荷重を確実に付与することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、加圧プレート８４は、ターミナルプレート１６ｂに対して球面状の面８４ａで接触するため、各単位セル１２の均一な電極面圧分布を有効に得ることが可能になるという利点がある。
【００４８】
なお、第１および第２の実施形態では、スペーサ部材２２、８２をターミナルプレート１６ｂとエンドプレート２０ｂとの間にのみ設けているが、これに限定されるものではなく、ターミナルプレート１６ａとエンドプレート２０ａとの間にも、同様に前記スペーサ部材２２、８２を配設してもよい。
【００４９】
また、上記の第２の実施形態では、ターミナルプレート１６ｂとエンドプレート２０ｂとの間に加圧プレート８４を配設する一方、ターミナルプレート１６ａとエンドプレート２０ａとの間に平板部材８６を配設してもよい。さらにまた、スペーサ部材２２および平板部材８６の各厚さＴは、各積層体１４の積層方向の長さに応じて選択してもよく、あるいは種々の異なる厚さＴに設定された複数のスペーサ部材２２および平板部材８６を予め用意しておき、積層体１４の寸法に応じて任意のスペーサ部材２２および平板部材８６を選択して使用するようにしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、積層体の積層方向の長さが変動しても、絶縁性スペーサ部材の厚さを調整するだけで、前記長さの変動を確実に吸収することができ、前記積層体に所望の締め付け荷重を付与することが可能になる。従って、燃料電池スタック全体が有効に小型化かつ軽量化されるとともに、前記燃料電池スタックの組み付け作業が容易に簡素化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】積層体の全長と締め付け荷重との関係説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図６】特許文献１の燃料電池の概略説明図である。
【図７】特許文献２の燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【符号の説明】
１０、８０…燃料電池スタック１２…単位セル
１４…積層体１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８…絶縁プレート２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２、８２…スペーサ部材２４…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体３２、３４…セパレータ
４２…固体高分子電解質膜４４…アノード側電極
４６…カソード側電極５６…下板
５８…上板６０ａ、６０ｂ…側板
８４…加圧プレート８４ａ…面
８６…平板部材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention includes a unit cell in which an electrolyte / electrode structure provided with electrodes on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a plurality of the unit cells are stacked to form a stacked body, and both ends of the stacked body are provided. The present invention relates to a fuel cell stack provided with a terminal plate and housed in a casing.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). On both sides of the electrolyte membrane, an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having a noble metal-based electrode catalyst layer joined to a base material mainly composed of carbon are sandwiched by separators. By doing so, a fuel cell is configured.
[0003]
In a fuel cell of this type, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas) is obtained by ionizing hydrogen on an electrode catalyst and passing through an electrolyte. It moves to the cathode side electrode side. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode side electrode, hydrogen ions, electrons, And oxygen react to produce water.
[0004]
Usually, this fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) is stacked in order to obtain a desired power generation. The fuel cell stack is housed in a case, for example, and holds the stacked fuel cells under pressure in order to prevent an increase in the internal resistance of the fuel cell and a decrease in the sealing property of the reaction gas. There is a need to.
[0005]
Therefore, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 6, the fuel cell includes a stacked cell body 1 in which a plurality of unit cells are stacked, a stack container 2 accommodating the stacked cell body 1, and a lid 3 screwable to the stack container 2. And
[0006]
A pressing portion 3 a is provided on the bottom of the lid 3, and a screw portion 3 b is formed on a side portion of the lid 3, and the screw portion 3 b is screwed into a screw groove 2 a of the stack container 2. Have been. For this reason, by screwing the lid 3 into the stack container 2, the pressing portion 3 a of the lid 3 presses the stacked cell body 1, and applies a predetermined surface pressure between the unit cells constituting the stacked cell body 1. I can do that.
[0007]
Further, for example, as shown in FIG. 7, the fuel cell stack disclosed in Patent Document 2 has end plate assemblies 5a and 5b disposed at upper and lower ends of a stacked body in which a plurality of fuel cells 4 are stacked, and the end plate The assemblies 5 a and 5 b are fastened by a plurality of tie rods 6.
[0008]
The end plate 7 constituting the upper end plate assembly 5a has a plurality of screw holes 7a formed in a plane, and a screw 8 is screwed into each screw hole 7a. Then, by screwing each screw 8 into the screw hole 7a by a predetermined length, the tip of the screw 8 presses the fuel cell 4 via the end plate assembly 5a, and applies a predetermined surface pressure to the fuel cell 4. To do.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-10-214634 (paragraphs [0014] and [0015], FIG. 1)
[Patent Document 2]
US Patent No. 6,428,921 (FIGS. 1 and 5)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1 described above, since the lid 3 is screwed into the stack container 2, the lid 3 is large, and the axial lengths of the screw portion 3b and the screw groove 2a are considerably long. As a result, it has been pointed out that the whole fuel cell becomes considerably long in the stacking direction, and that the whole fuel cell is large and heavy.
[0011]
Further, in Patent Document 2 described above, a plurality of screws 8 as adjust bolts are arranged in the plane of the end plate 7. For this reason, it is extremely difficult to adjust each screw 8 while maintaining the parallelism with respect to the stacked body of the fuel cell 4, and there is a problem that a desired surface pressure cannot be applied to the fuel cell 4.
[0012]
An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of applying a desired tightening load to each unit cell in a casing with a simple and small configuration. .
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell stack according to claim 1 of the present invention includes a laminate in which a plurality of electrolyte / electrode structures and separators are laminated, and a terminal plate is disposed at both ends of the laminate and housed in a casing. An insulating spacer member is interposed between at least one terminal plate and the inner wall surface of the casing (corresponding to an end plate).
[0014]
Thereby, even if the length of the laminated body in the laminating direction varies, the variation in the length can be reliably absorbed only by adjusting the thickness of the insulating spacer member, and the desired tightening of the laminated body can be achieved. It becomes possible to apply a load. Therefore, the entire fuel cell stack is effectively reduced in size and weight, and the assembling work of the fuel cell stack is easily simplified.
[0015]
Also, in the fuel cell stack according to claim 2 of the present invention, the insulating spacer member is provided between the pressure plate having a spherical surface in contact with the terminal plate and the inner wall surface of the casing. And a flat plate member having a thickness that can be selected according to the length of the stacked body in the stacking direction.
[0016]
For this reason, only by selecting the thickness of the flat plate member, it is possible to easily cope with a variation in the length of the laminate in the laminating direction, and to apply a desired tightening load to the laminate with a simple configuration. It becomes possible. In addition, since the pressure plate is in spherical contact with the terminal plate, a uniform electrode surface pressure distribution can be obtained.
[0017]
Further, in the fuel cell stack according to claim 3 of the present invention, the separator is formed of a metal separator, and the set of the laminate can be absorbed by the elasticity of the metal separator itself.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack 10 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially sectional side view of the fuel cell stack 10.
[0019]
As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of unit cells 12 are stacked in the direction of arrow A. At one end of the stack 14 in the stacking direction (the direction of arrow A), a terminal plate 16a, an insulating plate 18 and an end plate 20a are sequentially arranged outward. At the other end in the stacking direction of the stack 14, a terminal plate 16b, an insulating spacer member 22, and an end plate 20b are sequentially disposed outward. The fuel cell stack 10 is integrally held via a casing 24 including end plates 20a and 20b.
[0020]
As shown in FIGS. 2 and 3, each unit cell 12 includes an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure 30 and first and second separators 32 and 34 sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 30. Prepare. The first and second separators 32 and 34 are configured by, for example, metal plates (metal separators). Note that the first and second separators 32 and 34 may be made of a carbon material or the like. A seal member 35 is interposed between the electrolyte membrane / electrode structure 30 and the first and second separators 32 and 34 so as to cover the periphery of various communication holes described later and the outer periphery of the electrode surface.
[0021]
One end of the unit cell 12 in the long side direction (the direction of arrow B in FIG. 3) communicates with each other in the direction of arrow A to supply oxidant gas, for example, oxidant gas for supplying oxygen-containing gas. A communication hole 36a, a cooling medium supply communication hole 38a for supplying a cooling medium, and a fuel gas discharge communication hole 40b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.
[0022]
At the other end of the unit cell 12 in the long side direction, a fuel gas supply communication hole 40a for supplying a fuel gas and a cooling medium discharge communication hole for discharging a cooling medium are communicated with each other in the direction of arrow A. 38b, and an oxidizing gas discharge communication hole 36b for discharging the oxidizing gas.
[0023]
The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 42 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, an anode electrode 44 and a cathode electrode 46 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 42. And
[0024]
The anode-side electrode 44 and the cathode-side electrode 46 are composed of a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer. And The electrode catalyst layers are joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 42 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 42 interposed therebetween.
[0025]
A fuel gas flow path 48 that connects the fuel gas supply communication hole 40a and the fuel gas discharge communication hole 40b is formed on the surface 32a of the first separator 32 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The fuel gas flow path 48 is constituted by, for example, a plurality of grooves extending in the direction of arrow B. On the surface 32b of the first separator 32, a cooling medium flow path 50 that connects the cooling medium supply communication hole 38a and the cooling medium discharge communication hole 38b is formed. The cooling medium flow path 50 is constituted by a plurality of grooves extending in the direction of arrow B.
[0026]
The surface 34a of the second separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30 is provided with, for example, an oxidizing gas flow path 52 including a plurality of grooves extending in the direction of arrow B. The passage 52 communicates with the oxidizing gas supply communication hole 36a and the oxidizing gas discharge communication hole 36b.
[0027]
As shown in FIGS. 1 and 2, plate-like terminal portions 54a and 54b projecting in the surface direction are formed at the ends of the terminal plates 16a and 16b.
[0028]
As shown in FIG. 1, the casing 24 includes end plates 20a and 20b, a lower plate 56, an upper plate 58, and side plates 60a and 60b. Two tab portions 62a, 62b are formed on each of the upper and lower sides of the end plates 20a, 20b, and one tab portion 62a, 62b is formed on each of both sides. Mounting bosses 64a, 64b are formed at the lower ends of the sides on both sides of the end plates 20a, 20b. The boss portions 64a and 64b are fixed to mounting portions (not shown) via bolts or the like, thereby mounting the fuel cell stack 10 on, for example, a vehicle.
[0029]
The lower plate 56 and the upper plate 58 are bent in a U-shaped cross section, and three tab portions 66a and 66b are formed at both ends in the longitudinal direction. Two tab portions 68a, 68b are formed at both longitudinal ends of the side plates 60a, 60b.
[0030]
The tabs 66a of the lower plate 56 and the tabs 62a, 62b on the lower side of the end plates 20a, 20b are alternately arranged, and the pins 70 are integrally inserted into these, so that the lower plate 56 is attached to the end plate. 20a, 20b. Similarly, the tab portions 66b of the upper plate 58 are alternately arranged with the tab portions 62a on the upper side of the end plates 20a, 20b, and the pins 70 are integrally inserted into these, so that the upper plate 58 is attached to the end plate 20a. 20a, 20b.
[0031]
The tabs 68a, 68b of the side plates 60a, 60b are arranged coaxially with the tabs 62a on both sides of the end plates 20a, 20b, and the pins 72 are integrally inserted into the tabs 62a. Side plates 60a, 60b are attached to the end plates 20a, 20b. Thereby, the casing 24 is configured.
[0032]
As shown in FIGS. 1 and 2, the spacer member 22 has a rectangular shape set to a predetermined size so as to be positioned on the inner periphery of the casing 24. The thickness T of the spacer member 22 is adjusted in order to absorb a variation in the length of the stacked body 14 in the stacking direction and apply a desired tightening load to the stacked body 14. The spacer member 22 is formed of an insulating material, for example, polycarbonate (PC) or phenol resin.
[0033]
The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.
[0034]
First, as shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 10, an oxidizing gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidizing gas supply communication hole 36a of the end plate 20a, and a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 40a. A fuel gas such as a gas is supplied. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium supply communication hole 38a. Therefore, in the stacked body 14, the oxidizing gas, the fuel gas, and the cooling medium are supplied in the direction of the arrow A to the plurality of sets of unit cells 12 that are stacked in the direction of the arrow A.
[0035]
As shown in FIG. 3, the oxidizing gas is introduced from the oxidizing gas supply passage 36 a into the oxidizing gas channel 52 of the second separator 34, and flows along the cathode electrode 46 of the electrolyte membrane / electrode structure 30. Moving. On the other hand, the fuel gas is introduced from the fuel gas supply passage 40 a into the fuel gas flow path 48 of the first separator 32 and moves along the anode 44 of the electrolyte membrane / electrode structure 30.
[0036]
Therefore, in each of the electrolyte membrane / electrode structures 30, the oxidizing gas supplied to the cathode electrode 46 and the fuel gas supplied to the anode electrode 44 are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.
[0037]
Next, the fuel gas supplied to the anode 44 and consumed is discharged to the fuel gas discharge passage 40b, flows, and is discharged from the end plate 20a to the outside. Similarly, the oxidizing gas supplied to and consumed by the cathode electrode 46 flows along the oxidizing gas discharge communication hole 36b, and is then discharged to the outside from the end plate 20a.
[0038]
The cooling medium flows in the arrow B direction after being introduced into the cooling medium passage 50 of the first separator 32 from the cooling medium supply communication hole 38a. After cooling the electrolyte membrane / electrode structure 30, the cooling medium moves through the cooling medium discharge passage 38b and is discharged from the end plate 20a.
[0039]
In this case, in the first embodiment, the spacer member 22 is interposed between the terminal plate 16b and the end plate 20b. For this reason, even if the length of the stack 14 in the stacking direction changes due to a dimensional difference between the unit cells 12 or the like, the length change of the stack 14 can be reduced only by adjusting the thickness T of the spacer member 22. Absorption can be ensured.
[0040]
Therefore, it is possible to reliably apply a desired tightening load to the laminate 14 in the casing 24 set to a predetermined size in advance. Moreover, it is only necessary to use the spacer member 22, so that the whole fuel cell stack 10 is effectively reduced in size and weight, and the effect of easily assembling the fuel cell stack 10 is obtained.
[0041]
Here, when setting the thickness T of the spacer member 22, the relationship between the total length of the laminate 14 and the tightening load of the laminate 14 is considered as shown in FIG. The total length of the laminate 14 and the tightening load are in a proportional relationship, and when the total length of the laminate 14 is L, the appropriate load range is L1 (the tightening load is in the range of F1 to F2). On the other hand, the range where the laminate 14 expands and contracts due to heat is L2.
[0042]
Therefore, the thickness T of the spacer member 22 is set so that the initial tightening load point P1 of the laminate 14 is obtained. At this time, the entire length of the laminate 14 is easily reduced due to settling inside the laminate 14, and the pressure is reduced from the initial tightening load point P1 to the tightening load point P2.
[0043]
That is, the initial tightening load point P1 is set in advance (higher load side) than the desired tightening load point P2 in consideration of settling inside the laminate 14 and expansion and contraction due to heat. Thus, when the fuel cell stack 10 is used, a tightening load that can be maintained within the appropriate load range L1 is applied to the laminate 14. Therefore, for example, there is no need to use a pressurizing structure such as a disc spring or an adjust bolt in the casing 24, and there is an advantage that a compact and lightweight fuel cell stack 10 can be obtained.
[0044]
Further, in the first embodiment, the first and second separators 32 and 34 are constituted by metal plates. For this reason, the elasticity of the first and second separators 32 and 34 can absorb settling of the laminate 14 and the like, and a desired tightening load can be reliably applied.
[0045]
FIG. 5 is a partial cross-sectional side view of a fuel cell stack 80 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0046]
In the casing 24 of the fuel cell stack 80, an insulating spacer member 82 is interposed between the terminal plate 16b and the end plate 20b. The spacer member 82 is interposed between the pressure plate 84 having a spherical surface 84a in contact with the terminal plate 16b and the pressure plate 84 and the end plate 20b. And a flat plate member 86 of which the thickness T can be selected according to.
[0047]
In the second embodiment configured as described above, it is only necessary to select the thickness T of the flat plate member 86 according to the variation in the length of the stacked body 14 in the stacking direction. The same effects as in the first embodiment can be obtained, for example, a desired tightening load can be reliably applied to the body 14. Moreover, since the pressure plate 84 comes into contact with the terminal plate 16b on the spherical surface 84a, there is an advantage that a uniform electrode surface pressure distribution of each unit cell 12 can be effectively obtained.
[0048]
In the first and second embodiments, the spacer members 22, 82 are provided only between the terminal plate 16b and the end plate 20b. However, the present invention is not limited to this. Similarly, the spacer members 22 and 82 may be provided between the spacer members 22 and 82.
[0049]
In the second embodiment, the pressing plate 84 is provided between the terminal plate 16b and the end plate 20b, while the flat plate member 86 is provided between the terminal plate 16a and the end plate 20a. You may. Furthermore, the thickness T of each of the spacer member 22 and the flat plate member 86 may be selected according to the length in the stacking direction of each of the laminates 14, or a plurality of spacers set to various different thicknesses T The member 22 and the flat plate member 86 may be prepared in advance, and an arbitrary spacer member 22 and a flat plate member 86 may be selected and used according to the dimensions of the laminate 14.
[0050]
【The invention's effect】
In the fuel cell stack according to the present invention, even if the length of the stacked body in the stacking direction changes, only by adjusting the thickness of the insulating spacer member, the change in the length can be reliably absorbed, A desired tightening load can be applied to the laminate. Therefore, the entire fuel cell stack is effectively reduced in size and weight, and the assembling work of the fuel cell stack is easily simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional side view of the fuel cell stack.
FIG. 3 is an exploded perspective view of a unit cell constituting the fuel cell stack.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between a total length of a laminated body and a tightening load.
FIG. 5 is a partial cross-sectional side view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic explanatory view of a fuel cell disclosed in Patent Document 1.
FIG. 7 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell stack of Patent Document 2.
[Explanation of symbols]
10, 80 ... fuel cell stack 12 ... unit cell 14 ... laminated body 16a, 16b ... terminal plate 18 ... insulating plate 20a, 20b ... end plate 22, 82 ... spacer member 24 ... casing 30 ... electrolyte membrane / electrode structure 32, 34 separator 42 solid polymer electrolyte membrane 44 anode electrode 46 cathode electrode 56 lower plate 58 upper plate 60a, 60b side plate 84 pressure plate 84a surface 86 flat plate member

Claims

A unit cell is provided in which an electrolyte / electrode structure having electrodes provided on both sides of an electrolyte is sandwiched by separators, and a plurality of the unit cells are stacked to form a stacked body. A fuel cell stack installed and housed in a casing,
A fuel cell stack, comprising: an insulating spacer member interposed between at least one terminal plate and an inner wall surface of the casing so that a desired tightening load can be applied to the laminate.

2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the insulating spacer member includes a pressure plate having a spherical surface in contact with the terminal plate;
A flat plate member that is interposed between the pressure plate and the inner wall surface of the casing and whose thickness can be selected according to the length of the stack in the stacking direction,
A fuel cell stack comprising:

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the separator is formed of a metal separator.