【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を複数積層してなる燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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）の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置して構成した膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持して単位電池を構成している。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池は、通常、上記した単位電池を複数積層し、これらを両側から締め付け固定することにより、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、触媒を備えたアノード側電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動する。その間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するために、このカソード側電極において、前記水素イオン、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における複数積層してある各単位電池に、所望の締め付け力が均一に付与されない場合、燃料電池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。また、接触抵抗が不均一となる恐れもあるため、燃料電池スタックに対する締め付け荷重が、燃料電池スタックの電極部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】
このため、例えば、特許文献１には、単位電池の積層方向の端部にプレッシャプレートおよびエンドプレートを設け、プレッシャプレートとエンドプレートとの間に、締結荷重方向に直列に荷重変動低減機構を設ける構成が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２９１号公報
【０００９】
また、例えば、特許文献２，特許文献３，特許文献４には、シール性の向上を目的としたシールの形状およびシール構造が開示されている。
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−１８２６３９号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開２００２−２５５８７号公報
【００１２】
【特許文献４】
特開２０００−１３３２８８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池スタックの構造では、単位電池の積層数が多くなるに従って、積層方向中央部分の面圧が低くなる可能性があり、接触抵抗が不均一となる恐れがある。
【００１４】
また、特許文献２〜４に開示されているシールの形状およびシール構造では、単位電池の積層方向や各単位電池内の面圧分布の不均一性によって、電極の潰れる量が不均一となり、接触抵抗の不均一性を生じる恐れがある。
【００１５】
そこで、この発明は、燃料電池スタック内での面圧分布を均一化し、接触抵抗の均一化、シール性向上を達成することを目的としている。
【００１６】
【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、電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで単位電池を構成し、この単位電池を複数積層してなる燃料電池スタックにおいて、前記単位電池の前記セパレータ相互間に介装するシール材の変位量を、前記単位電池の積層方向に沿って変化させることで、前記アノード側電極およびカソード側電極の変位量を、単位電池相互間で均等に保持する構成としてある。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、単位電池におけるセパレータ相互間に介装するシール材の変位量を、単位電池の積層方向に沿って変化させることで、アノード側電極およびカソード側電極の変位量を、単位電池相互間で均等に保持するようにしたため、燃料電池スタック内での面圧分布が均一化し、接触抵抗の均一化、シール性向上を達成することができる。
【００１８】
【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。
【００１９】
まず、この発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スタックは、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。
【００２０】
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、例えば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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、シール材としてのガスケット１９および２１を介してそれぞれ配置する。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
上記したセパレータ１５のアノード側電極９側には燃料ガス流路２４（図４参照）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、セパレータ１５の燃料ガス流路２４と反対側に冷却媒体流路２７を形成する。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
また、上記した燃料電池スタックの一方の端部のエンドプレート３７には、図１に示すように、燃料ガス入口５１および同出口５３、酸化剤ガス入口５５および同出口５７、冷却水（冷却媒体）入口５９および同出口６１を、それぞれ備えている。これら各入口に連通する燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水の各分配流路および、各出口に連通する燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水の各集合流路を、集電板２９，絶縁板３３および積層体３を貫通して形成する。
【００３６】
上記した各分配流路および集合流路は、前記したセパレータ１５のアノード側電極９側に形成した燃料ガス流路２４、セパレータ１７のカソード側電極１１側に形成した酸化剤ガス流路２５、セパレータ１５の燃料ガス流路２４と反対側に形成した冷却媒体流路２７の各対応する流路にそれぞれ連通している。
【００３７】
上記した積層体３に分配流路を形成するために、図２に示すように、セパレータ１５，ガスケット１９，電解質膜７，ガスケット２１，セパレータ１７には、燃料ガス入口５１に対応する位置に、燃料ガス入口用連通部１５ａ，１９ａ，７ａ，２１ａ，１７ａをそれぞれ形成してある。
【００３８】
同様に、燃料ガス出口５３，酸化剤ガス入口５５および同出口５７，冷却水入口５９および同出口６１についても、それぞれ対応する連通部を、セパレータ１５，ガスケット１９，電解質膜７，ガスケット２１，セパレータ１７に設けてある。
【００３９】
図４は、燃料電池スタックにおける複数の単位電池１のうちの一部を示す断面図であり、この断面部分は、前記図１に示した酸化剤ガス入口５５に通じる酸化剤ガス流路６３に対応している。
【００４０】
セパレータ１７のガスケット２１に対応する部位には、ガスケット２１を配置するための溝１７ｂを、セパレータ１５のガスケット１９に対応する部位には、ガスケット１９を配置するための溝１５ｂを、それぞれ形成してある。さらに、前記図２では図示していないが、上記したセパレータ１５の溝１５ｂと反対側の面に、溝１５ｃを形成し、この溝１５ｃに、隣接する単位電池１のセパレータ１７との間をシールするガスケット６５を配置する。
【００４１】
ここで、燃料電池スタックを締結する際に、各単位電池１にかかる面圧力は、主にガスケット１９，２１および、アノード側，カソード側各電極９，１１の変位によって支持される構造となっている。アノード側，カソード側各電極９，１１の変位は、接触抵抗およびガス拡散性を適正に確保するため、各単位電池１相互間で均等に保持することが重要である。また、ガスケット１９，２１の変位量は、シール性確保のため、一定量以上に保持することが重要である。
【００４２】
このような点を考慮した本発明の第１の実施形態を、単位電池１の断面図として図５に示す。図５（ａ）は燃料電池スタックにおける積層方向中央部分の単位電池１を、図５（ｂ）は同積層方向端部付近の単位電池１を、それぞれ示す。
【００４３】
この第１の実施形態は、セパレータ１５，１７の溝１５ｂ，１７ｂの深さを、単位電池１の積層方向に沿って変化させている。具体的には、図５（ａ）で示す積層方向中央部分の単位電池１では、溝１５ｂ，１７ｂの深さが深く、図５（ｂ）で示す積層方向端部付近の単位電池１では、溝１５ｂ，１７ｂの深さが浅くなっている。そして、この溝１５ｂ，１７ｂは、単位電池１の積層方向中央部から両端部に近づくに従って浅くする。
【００４４】
ここで、単位電池１における面圧分布が低下する傾向にある燃料電池スタックの積層方向中央部分において、シール性を充分確保でき、かつ接触抵抗が良好となるアノード側，カソード側各電極９，１１の潰れ量（変位量）となる面圧分布が付与されるようなガスケット１９，２１の潰れ量（変位量）に設定する。
【００４５】
一方、積層方向において面圧が最大となる傾向がある燃料電池スタックの端部付近では、図５（ｂ）に示すように、溝１５ｂ，１７ｂを、図５（ａ）に示す中央部分の溝１５ｂ，１７ｂより浅くし、ガスケット１９，２１の潰れる量を大きくする。これにより、図５（ｂ）に示す積層方向端部付近の単位電池１において、ガスケット１９，２１にかかる面圧の分配を大きくし、ここでのアノード側，カソード側各電極９，１１に分配される面圧を小さくして適切なものとする。この結果、アノード側，カソード側各電極９，１１にかかる面圧が、中央部および端部に拘わらず単位電池１相互間で均等化し、燃料電池スタック内での各単位電池１の面圧分布を均等に保持でき、接触抵抗の均一化、シール性向上を達成することができる。
【００４６】
図６は、横軸が単位電池１の積層方向位置を示し、（ａ）は、燃料電池スタックの両側からの締付面圧力Ｐ０の変化を示し、この締付面圧力Ｐ０は、燃料電池スタック中央部Ｏにて最小で、両端にいくほど大きくなっている。（ｂ）は、上記締付面圧力Ｐ０に対応するアノード側，カソード側各電極９，１１での締付面圧力Ｐ１を、実線で示す本実施形態のものと、破線で示す溝深さが同一の比較例のものとを、それぞれ示す。（ｃ）は、上記締付面圧力Ｐ０に対応するガスケット１９，２１での締付面圧力Ｐ２を、実線で示す本実施形態のものと、破線で示す溝深さが同一の比較例のものとを、それぞれ示す。
【００４７】
これによれば、図６（ｃ）のガスケット１９，２１での面圧力Ｐ２については、本実施形態では、破線で示す比較例に対し、両端部分がガスケット１９，２１の潰れ量を大きくしていることから大きくなっており、これによって図６（ｂ）の各電極９，１１での面圧力Ｐ１について、本実施形態では、破線で示す比較例に対し、中央部分が大きくなる一方、両端部分は小さくなり、全体として均等化していることがわかる。
【００４８】
すなわち、本実施形態によれば、セパレータ１５，１７相互間に介装するガスケット１９，２１の変位量を、単位電池１の積層方向に沿って変化させることで、アノード側電極９およびカソード側電極１１の変位量を、単位電池１相互間で均等に保持するようにしたため、燃料電池スタック内での面圧分布を均一化し、接触抵抗およびガス拡散性の均一化、シール性向上を達成することができる。
【００４９】
図７（ａ）は、溝深さを変化させない比較例による燃料電池スタックの正面図で、同図（ｂ）はスタック中央部分Ｂの断面図、同図（ｃ）はスタック端部Ｃの断面図である。この場合、ガスケット１０１，１０３を配置する溝１０５，１０７の深さが、（ｂ）で示す中央部分と（ｃ）で示す端部とで同等としてあり、この場合には、アノード側，カソード側各電極１０９，１１１の変位が不均一（端部Ｃの方が中央部分Ｂより多く潰れている）となっている。
【００５０】
図８は、この発明の第２の実施形態を示す、前記図５に対応する断面図である。図８（ａ）は燃料電池スタックにおける積層方向中央部分の単位電池１を、図８（ｂ）は同積層方向端部付近の単位電池１を、それぞれ示す。
【００５１】
この実施形態は、溝１５ｂ，１７ｂの中心部に、二段目の溝１５ｄ，１７ｃをそれぞれ形成した点が、第１の実施形態と異なる。この二段目の溝１５ｄ，１７ｃを含む溝１５ｂ，１７ｂの深さを、図８（ａ）で示す中央部分で深く、図８（ｂ）で示す端部で浅くしている。そして、この二段目の溝１５ｄ，１７ｃを含む溝１５ｂ，１７ｂの深さは、単位電池１の積層方向中央部から両端部に近づくに従って浅くする。
【００５２】
この場合、溝１５ｂ，１７ｂのみの深さを変化させても、二段目の溝１５ｄ，１７ｃのみを変化させても、また双方を変化させても構わない。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５３】
この実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を有するほか、二段目の溝１５ｄ，１７ｃを設けることで、ガスケット１９，２１の位置合わせが容易となる。
【００５４】
なお、二段目の溝１５ｄ，１７ｃは、一本である必要はなく、複数本形成してガスケット１９，２１の潰れる量を変化させてもよい。
【００５５】
図９は、この発明の第３の実施形態を示す、前記図５に対応する断面図である。図９（ａ）は燃料電池スタックにおける積層方向中央部分の単位電池１を、図９（ｂ）は同積層方向端部付近の単位電池１を、それぞれ示す。
【００５６】
この実施形態は、ガスケット１９，２１の自然状態での厚さ（図９中で左右方向の厚さ）を、燃料電池スタックの積層方向に沿って変化させている点が第１の実施形態と異なる。
【００５７】
そして、このガスケット１９，２１の自然状態での厚さは、単位電池１の積層方向中央部から両端部に近づくに従って厚くする。また、溝１５ｂ，１７ｂの深さは、単位電池１の積層方向に沿って変化させても、同一でもよく、この場合ガスケット１９，２１の潰れ量が、図９（ａ）に示す中央部より図９（ｂ）に示す端部で多くなればよい。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００５８】
この実施形態では、単位電池１の積層方向端部付近において、第１の実施形態での溝１５ｂ，１７ｂの深さを浅くする代わりに、ガスケット１９，２１の厚さを厚くすることで、ガスケット１９，２１の潰れ量を積層方向中央部分より大きくしている。これにより、前記図６と同様の面圧分布を示し、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
なお、溝１５ｂ，１７ｂの幅（図９中で上下方向の幅）は、ガスケット１９，２１の厚に応じて、すなわちガスケット１９，２１の潰れ量に応じて変化させてもよい。
【００６０】
図１０は、この発明の第４の実施形態を示す、前記図５に対応する断面図である。図１０（ａ）は燃料電池スタックにおける積層方向中央部分の単位電池１を、図１０（ｂ）は同積層方向端部付近の単位電池１を、それぞれ示す。なお、この図１０では、燃料電池スタックを締結していない状態を示している。
【００６１】
この実施形態は、アノード側，カソード側各電極９，１１の厚さを、単位電池１の積層方向に沿って変化させている点が第１の実施形態と異なる。そして、このアノード側，カソード側各電極９，１１の厚さは、単位電池１の積層方向中央部から両端部に近づくに従って薄くする。また、溝１５ｂ，１７ｂの深さは、単位電池１の積層方向に沿って変化させておらず、同一としてある。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００６２】
この実施形態では、図１０（ｂ）に示す単位電池１の積層方向端部付近において、第１の実施形態での溝１５ｂ，１７ｂの深さを浅くする代わりに、アノード側，カソード側各電極９，１１の厚さを薄くすることで、ガスケット１９，２１の潰れ量を積層方向中央部分より大きくしている。これにより、前記図６と同様の面圧分布を示し、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【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における積層した単位電池の一部を示す断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態を示す単位電池の断面図であり、（ａ）は積層方向中央部分を、（ｂ）は積層方向端部付近をそれぞれ示す。
【図６】（ａ）は、単位電池の積層方向位置に対する燃料電池スタックの両側からの締付面圧力の変化特性図、（ｂ）は、（ａ）の締付面圧力に対応するアノード側，カソード側各電極での面圧力を、本発明および比較例について示す面圧力特性図、（ｃ）は、（ａ）の締付面圧力に対応するガスケットでの面圧力を、本発明および比較例について示す面圧力特性図である。
【図７】（ａ）は比較例による燃料電池スタックの正面図、（ｂ）は（ａ）のスタック中央部分の断面図、（ｃ）は（ａ）のスタック端部の断面図である。
【図８】この発明の第２の実施形態を示す、図５に対応する断面図である。
【図９】この発明の第３の実施形態を示す、図５に対応する断面図である。
【図１０】この発明の第４の実施形態を示す、図５に対応する断面図である。
【符号の説明】
１ 単位電池
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
１５ｂ，１７ｂ ガスケットを配置するための溝
１５ｄ，１７ｃ 二段目の溝
１９，２１ ガスケット（シール材）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
According to the present invention, an anode electrode is disposed on one side of an electrolyte membrane, and a cathode electrode is disposed on the other side, and a unit battery is formed by sandwiching the outside thereof with a pair of separators. The present invention relates to a fuel cell stack comprising:
[0002]
[Prior art]
In a polymer electrolyte fuel cell, a membrane-electrode assembly (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is sandwiched between a pair of separators. To form a unit battery.
[0003]
Such a polymer electrolyte fuel cell is generally used as a fuel cell stack by stacking a plurality of the above-described unit cells and fastening them from both sides.
[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 provided with a catalyst, and is transferred to the cathode electrode via a moderately humidified electrolyte membrane. Moving. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy.
[0005]
On the other hand, in order to supply an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas or air, to the cathode-side electrode, the hydrogen ions, the electrons, and the oxygen gas react at the cathode-side electrode to generate water.
[0006]
By the way, when a desired tightening force is not uniformly applied to a plurality of unit cells in the fuel cell stack described above, contact resistance increases in the fuel cell stack and reaction gas (hydrogen, air) leaks. There is fear. Further, since the contact resistance may be non-uniform, it is necessary that the tightening load on the fuel cell stack is uniform over the entire electrode portion of the fuel cell stack and does not fluctuate significantly.
[0007]
For this reason, for example, in Patent Literature 1, a pressure plate and an end plate are provided at the ends of the unit batteries in the stacking direction, and a load variation reducing mechanism is provided between the pressure plate and the end plate in series in the fastening load direction. An arrangement is disclosed.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-124291
Further, for example, Patent Literature 2, Patent Literature 3, and Patent Literature 4 disclose a seal shape and a seal structure for the purpose of improving the sealing property.
[0010]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-182639
[Patent Document 3]
JP 2002-25587 A
[Patent Document 4]
JP 2000-133288 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the structure of the fuel cell stack disclosed in Patent Literature 1, as the number of stacked unit cells increases, the surface pressure at the center in the stacking direction may decrease, and the contact resistance may become non-uniform. There is.
[0014]
Further, in the seal shapes and seal structures disclosed in Patent Documents 2 to 4, the amount of crushing of the electrodes becomes non-uniform due to the stacking direction of the unit cells and the non-uniformity of the surface pressure distribution in each unit cell, and the contact This may cause non-uniform resistance.
[0015]
Therefore, an object of the present invention is to make the surface pressure distribution in the fuel cell stack uniform, to make the contact resistance uniform, and to improve the sealing performance.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a unit battery in which an anode electrode is disposed on one side of an electrolyte membrane and a cathode electrode is disposed on the other side, and the outside thereof is sandwiched between a pair of separators. In a fuel cell stack formed by stacking a plurality of the unit cells, the amount of displacement of a sealing material interposed between the separators of the unit cells is changed along a stacking direction of the unit cells, whereby the anode The displacement amount of the side electrode and the cathode side electrode is uniformly maintained between the unit cells.
[0017]
【The invention's effect】
According to the present invention, the displacement of the sealing material interposed between the separators in the unit battery is changed along the stacking direction of the unit batteries, so that the displacement of the anode electrode and the cathode electrode is reduced. Since they are held evenly between each other, the surface pressure distribution in the fuel cell stack is made uniform, so that the contact resistance is made uniform and the sealing performance is improved.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
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 stack 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.
[0020]
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, for example, tension rods (not shown) which 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.
[0021]
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.
[0022]
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 as sealing materials, respectively.
[0023]
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.
[0024]
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.
[0025]
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.
[0026]
A fuel gas flow channel 24 (see FIG. 4) is formed on the anode 15 side of the separator 15 described above, and an oxidizing gas flow channel 25 is formed on the cathode 17 side of the separator 17. Accordingly, a cooling medium flow path 27 is formed on the side of the separator 15 opposite to the fuel gas flow path 24.
[0027]
The gaskets 19 and 21 are formed of a rubber-like elastic material such as silicon rubber, EPDM, or fluorine rubber.
[0028]
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.
[0029]
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.
[0030]
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.
[0031]
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.
[0032]
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.
[0033]
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.
[0034]
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.
[0035]
As shown in FIG. 1, the end plate 37 at one end of the fuel cell stack has a fuel gas inlet 51 and an outlet 53, an oxidizing gas inlet 55 and an outlet 57, cooling water (cooling medium). ) An inlet 59 and an outlet 61 are provided. The fuel gas, oxidizing gas and cooling water distribution passages communicating with the respective inlets and the fuel gas, oxidizing gas and cooling water collecting passages communicating with the respective outlets are connected to the current collector plate 29 and the insulating plate. 33 and the laminate 3.
[0036]
The above-described distribution flow path and the collective flow path include a fuel gas flow path 24 formed on the anode 15 side of the separator 15, an oxidizing gas flow path 25 formed on the cathode side 11 side of the separator 17, Each of the fifteen fuel gas flow paths 24 communicates with a corresponding one of the cooling medium flow paths 27 formed on the opposite side thereof.
[0037]
As shown in FIG. 2, the separator 15, the gasket 19, the electrolyte membrane 7, the gasket 21, and the separator 17 are provided at positions corresponding to the fuel gas inlet 51 in order to form a distribution channel in the above-mentioned laminate 3. The communication portions 15a, 19a, 7a, 21a, 17a for the fuel gas inlet are formed respectively.
[0038]
Similarly, for the fuel gas outlet 53, the oxidizing gas inlet 55 and the outlet 57, and the cooling water inlet 59 and the outlet 61, the corresponding communication portions are respectively formed by the separator 15, the gasket 19, the electrolyte membrane 7, the gasket 21, the separator 17.
[0039]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a part of the plurality of unit cells 1 in the fuel cell stack, and this cross-sectional part is formed in the oxidizing gas passage 63 leading to the oxidizing gas inlet 55 shown in FIG. Yes, it is.
[0040]
A groove 17b for disposing the gasket 21 is formed in a portion of the separator 17 corresponding to the gasket 21, and a groove 15b for disposing the gasket 19 is formed in a portion of the separator 15 corresponding to the gasket 19. is there. Although not shown in FIG. 2, a groove 15c is formed on the surface of the separator 15 opposite to the groove 15b, and a seal is formed between the groove 15c and the separator 17 of the adjacent unit battery 1. A gasket 65 is arranged.
[0041]
Here, when the fuel cell stack is fastened, the surface pressure applied to each unit cell 1 is supported mainly by the displacement of the gaskets 19 and 21 and the anode-side and cathode-side electrodes 9 and 11. I have. It is important that the displacement of the anode-side and cathode-side electrodes 9 and 11 be maintained evenly between the unit cells 1 in order to properly secure contact resistance and gas diffusibility. In addition, it is important that the displacement of the gaskets 19 and 21 be maintained at a certain value or more in order to ensure the sealing performance.
[0042]
The first embodiment of the present invention in consideration of such points is shown in FIG. FIG. 5A shows the unit cell 1 in the center in the stacking direction of the fuel cell stack, and FIG. 5B shows the unit cell 1 near the end in the stacking direction.
[0043]
In the first embodiment, the depths of the grooves 15b and 17b of the separators 15 and 17 are changed along the stacking direction of the unit cells 1. More specifically, in the unit battery 1 in the center in the stacking direction shown in FIG. 5A, the depth of the grooves 15b and 17b is deep, and in the unit battery 1 near the end in the stacking direction shown in FIG. The depth of the grooves 15b, 17b is shallow. The grooves 15b and 17b are made shallower from the center in the stacking direction of the unit cells 1 toward both ends.
[0044]
Here, in the central part in the stacking direction of the fuel cell stack in which the surface pressure distribution in the unit cell 1 tends to decrease, the anode-side and cathode-side electrodes 9, 11 which can sufficiently secure the sealing property and have good contact resistance. The gaskets 19 and 21 are set to have the crushing amount (displacement amount) such that the surface pressure distribution which is the crushing amount (displacement amount) is given.
[0045]
On the other hand, near the end of the fuel cell stack where the contact pressure tends to be maximum in the stacking direction, as shown in FIG. 5B, the grooves 15b and 17b are formed in the central groove shown in FIG. It shallower than 15b and 17b, and the amount of crushing of the gaskets 19 and 21 is increased. Thereby, in the unit cell 1 near the end in the stacking direction shown in FIG. 5B, the distribution of the surface pressure applied to the gaskets 19 and 21 is increased, and the distribution is distributed to the anode-side and cathode-side electrodes 9 and 11 here. The applied surface pressure is reduced to make it appropriate. As a result, the surface pressure applied to each of the anode-side and cathode-side electrodes 9, 11 is equalized between the unit cells 1 irrespective of the center portion and the end portion, and the surface pressure distribution of each unit cell 1 in the fuel cell stack is increased. Can be maintained uniformly, and uniform contact resistance and improved sealing performance can be achieved.
[0046]
6A and 6B, the horizontal axis indicates the position in the stacking direction of the unit cells 1, and FIG. 6A shows the change in the tightening surface pressure P0 from both sides of the fuel cell stack. It is minimum at the center O and becomes larger toward both ends. (B) shows the clamping surface pressure P1 on the anode-side and cathode-side electrodes 9 and 11 corresponding to the clamping surface pressure P0 in the present embodiment shown by a solid line, and the groove depth shown by a broken line. The same comparative example is shown. (C) shows a comparative example in which the tightening surface pressure P2 of the gaskets 19 and 21 corresponding to the above-described tightening surface pressure P0 is the same as that of the present embodiment shown by a solid line and the groove depth shown by a broken line is the same. And are respectively shown.
[0047]
According to this, with respect to the surface pressure P2 on the gaskets 19 and 21 in FIG. 6C, in the present embodiment, the crush amount of the gaskets 19 and 21 is increased at both ends in comparison with the comparative example indicated by the broken line. 6B, the surface pressure P1 at each of the electrodes 9 and 11 in FIG. 6B is larger in the central portion than in the comparative example indicated by the broken line in this embodiment, while the both end portions are larger than in the comparative example indicated by the broken line. Is smaller, and it can be seen that it is equalized as a whole.
[0048]
That is, according to the present embodiment, the amount of displacement of the gaskets 19, 21 interposed between the separators 15, 17 is changed along the stacking direction of the unit cells 1, so that the anode electrode 9 and the cathode electrode In order to uniformly maintain the surface pressure distribution in the fuel cell stack, to achieve uniform contact resistance and gas diffusion, and to improve sealing performance, since the displacement amount of the fuel cell 11 is uniformly held between the unit cells 1. Can be.
[0049]
FIG. 7A is a front view of a fuel cell stack according to a comparative example in which the groove depth is not changed. FIG. 7B is a cross-sectional view of a stack central portion B, and FIG. FIG. In this case, the depths of the grooves 105 and 107 in which the gaskets 101 and 103 are arranged are equal at the central portion shown in FIG. 2B and at the end shown in FIG. The displacement of each of the electrodes 109 and 111 is uneven (the end C is more crushed than the center B).
[0050]
FIG. 8 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention and corresponding to FIG. FIG. 8A shows the unit cell 1 at the center in the stacking direction in the fuel cell stack, and FIG. 8B shows the unit cell 1 near the end in the stacking direction.
[0051]
This embodiment differs from the first embodiment in that second-stage grooves 15d and 17c are formed in the center portions of the grooves 15b and 17b, respectively. The depths of the grooves 15b and 17b including the second-step grooves 15d and 17c are made deeper at the center shown in FIG. 8A and shallower at the ends shown in FIG. 8B. The depths of the grooves 15b and 17b including the grooves 15d and 17c in the second stage are made shallower from the center in the stacking direction of the unit cells 1 toward both ends.
[0052]
In this case, the depth of only the grooves 15b and 17b may be changed, only the grooves 15d and 17c of the second stage may be changed, or both may be changed. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
[0053]
In this embodiment, the same effects as those of the first embodiment are obtained, and the positioning of the gaskets 19 and 21 becomes easy by providing the second-stage grooves 15d and 17c.
[0054]
The second-stage grooves 15d and 17c need not be one, and a plurality of grooves may be formed to change the amount of collapse of the gaskets 19 and 21.
[0055]
FIG. 9 is a sectional view, corresponding to FIG. 5, showing a third embodiment of the present invention. FIG. 9A shows the unit cell 1 at the center in the stacking direction in the fuel cell stack, and FIG. 9B shows the unit cell 1 near the end in the stacking direction.
[0056]
This embodiment differs from the first embodiment in that the thickness of the gaskets 19 and 21 in the natural state (the thickness in the horizontal direction in FIG. 9) is changed along the stacking direction of the fuel cell stack. different.
[0057]
The thickness of the gaskets 19 and 21 in the natural state is increased from the center in the stacking direction of the unit cells 1 to both ends. Further, the depths of the grooves 15b and 17b may be changed along the stacking direction of the unit cells 1 or may be the same, and in this case, the crushing amount of the gaskets 19 and 21 is smaller than that of the central portion shown in FIG. What is necessary is just to increase at the end shown in FIG. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
[0058]
In this embodiment, the thickness of the gaskets 19 and 21 is increased near the end of the unit battery 1 in the stacking direction instead of decreasing the depths of the grooves 15b and 17b in the first embodiment. The collapse amounts of 19 and 21 are made larger than the central part in the stacking direction. Accordingly, the same surface pressure distribution as in FIG. 6 is shown, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0059]
The width of the grooves 15b and 17b (the width in the vertical direction in FIG. 9) may be changed according to the thickness of the gaskets 19 and 21, that is, according to the amount of collapse of the gaskets 19 and 21.
[0060]
FIG. 10 is a sectional view, corresponding to FIG. 5, showing a fourth embodiment of the present invention. FIG. 10A shows the unit cell 1 at the center in the stacking direction of the fuel cell stack, and FIG. 10B shows the unit cell 1 near the end in the stacking direction. FIG. 10 shows a state where the fuel cell stack is not fastened.
[0061]
This embodiment differs from the first embodiment in that the thicknesses of the anode-side and cathode-side electrodes 9 and 11 are changed along the stacking direction of the unit cells 1. The thickness of each of the electrodes 9 and 11 on the anode side and the cathode side is reduced from the center in the stacking direction of the unit cell 1 to both ends. Further, the depths of the grooves 15b and 17b are not changed along the stacking direction of the unit cells 1 and are the same. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
[0062]
In this embodiment, instead of reducing the depths of the grooves 15b and 17b in the first embodiment near the ends in the stacking direction of the unit cells 1 shown in FIG. By reducing the thickness of the gaskets 9 and 11, the amount of collapse of the gaskets 19 and 21 is made larger than the central portion in the stacking direction. Accordingly, the same surface pressure distribution as in FIG. 6 is shown, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[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 cross-sectional view showing a part of stacked unit cells in the fuel cell stack of FIG.
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views of the unit battery according to the first embodiment of the present invention, in which FIG. 5A shows a central portion in the stacking direction, and FIG.
6A is a characteristic diagram showing a change in clamping surface pressure from both sides of a fuel cell stack with respect to a position in a stacking direction of unit cells, and FIG. 6B is an anode side corresponding to the clamping surface pressure in FIG. , Surface pressure characteristics of the present invention and a comparative example showing the surface pressure at each electrode on the cathode side. FIG. 3 (c) shows the surface pressure at the gasket corresponding to the tightening surface pressure of FIG. It is a surface pressure characteristic figure shown about an example.
7A is a front view of a fuel cell stack according to a comparative example, FIG. 7B is a cross-sectional view of a center portion of the stack in FIG. 7A, and FIG. 7C is a cross-sectional view of an end of the stack in FIG.
FIG. 8 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention and corresponding to FIG. 5;
FIG. 9 is a sectional view, corresponding to FIG. 5, showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention and corresponding to FIG. 5;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Unit battery 7 Electrolyte membrane 9 Anode side electrode 11 Cathode side electrode 15, 17 Separator 15b, 17b Grooves 15d, 17c for arranging gasket Second groove 19, 21 Gasket (sealant)
