【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。上記したアノード側電極およびカソード側電極は、いずれも触媒層およびガス拡散層を備えている。
【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結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、触媒層で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対し、所望の締付面圧力が均一に付与されない場合、燃料電池スタック内のセパレータ同士、あるいはセパレータとガス拡散層などとの電気的接触抵抗の増加や、セパレータ間などのシール不良による反応ガス（水素、空気）のリークを生じる可能性がある。このため、スタックに対する締結荷重によって付与される各単位電池での締付面圧力は、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】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟み、さらにそれぞれの外側をセパレータで挟んで構成する単位電池を複数積層して燃料電池スタックを形成する場合には、スタックにおける積層方向中央部分の締付面圧力が最小値となる面圧力分布を積層方向に形成する傾向がある。その結果、電気的接触抵抗の増加やガスシール不良が発生する可能性がある。
【００１０】
そこで、この発明は、複数の単位電池の積層方向中央部における締付面圧力の低下を防止することを目的とする。
【００１１】
【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、前記各単位電池の発電領域を互いにほぼ一定としつつ、前記積層方向中央部の単位電池におけるセパレータの積層方向と交わる面の面積を、積層方向両端部の単位電池におけるセパレータの同面積より小さくした構成としてある。
【００１２】
【発明の効果】
この発明によれば、スタックに対する締結荷重、単位電池に付与される締付面圧力、セパレータの面積は、［締付面圧力＝締結荷重／セパレータ面積］の関係にあるため、複数積層した各単位電池の発電領域を互いにほぼ一定としつつ、積層方向中央部のセパレータの積層方向と交わる面の面積を、同両端部のセパレータの同面積より小さくすることで、積層方向中央部の締付面圧力低下を防止することができ、これにより電気的接触抵抗の低減およびシール性向上を達成することができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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，図２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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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に酸化剤ガス（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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、セパレータ１５の燃料ガス流路と反対側に冷却媒体流路２７を形成する。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
図３は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池スタックの側面図である。この実施形態は、単位電池１の積層方向に、その積層方向両端部Ａから中央部Ｂに向かうに従って、各単位電池１におけるセパレータ１５，１７の積層方向と交わる面の面積（以下、単にセパレータの面積とする。）を、連続的に小さくなるよう変化させている。このため、この燃料電池スタックを図３のように側面から見ると、スタックの両端部Ａから同中央部Ｂにかけて、セパレータ１５，１７の外形で形づくられるスタック外形が連続的に絞られた形態をとる。この場合、図３中で上下方向から見た形状についても、中央部Ｂが絞られた形状としてもよい。
【００３３】
すなわち、上記した実施形態においては、セパレータ１５，１７の面積を、単位電池１の積層方向に沿って、［各単位電池１におけるセパレータの面積＝スタック端部のセパレータの面積×ｆ（ｘ）］（ただし、ｘは端部からの単位電池の個数）となるよう規定している。
【００３４】
ここで、上記したセパレータ１５，１７の面積を変化させる場合、発電領域となる発電に直接係わる活性部の面積（アクティブエリア）を、各単位電池１相互でほぼ一定としている。これにより、複数の単位電池１相互間でセパレータ１５，１７の面積を変化させたとしても、複数の単位電池１毎に、発電性能が均一化し、スタックとしての発電性能を所望に確保することができる。一方、上記発電領域を複数の単位電池毎に変化させた場合には、単位電池毎に発電性能が異なってしまい、スタックとしての発電性能を著しく阻害することになる。
【００３５】
図４は、スタック積層方向の両端部Ａならびに中央部Ｂのセパレータ１５，１７の外形（面積）と、活性部Ｃの外形（面積）との関係の一例を示している。活性部Ｃの面積は、セパレータ１５，１７の面積が最も小さくなる中央部Ｂの面積より小さく、各単位電池１相互間でほぼ一定である。
【００３６】
図５は、本実施形態に係わるスタック積層方向位置と、その位置における単位電池１相互間の締付面圧力（面全体の平均値）との関係の一例を示す。ここで、実線は、本実施形態における面圧力を示し、二点鎖線は、図６に示すセパレータの外形（面積）を積層方向両端部から中央部まで一定とした比較例の面圧力を示す。
【００３７】
比較例は、スタックの端部と、同中央部のセパレータの面積は同一なため、スタックを側面から見ると、図６に示すように長方形に見える。このようなスタックにあっては図５の二点鎖線に一例を示すように、スタック端部と比較してスタック中央部の面圧力が低くなる傾向を示すことがわかっている。その原因として、スタック内の各部品の歪、摩擦などによる単位電池相互間荷重の減衰などが考えられる。
【００３８】
そして、比較例でのスタック中央部での面圧力の最小値は、必要面圧Ｐｒを下回るほど小さくなっている。
【００３９】
このようにスタック端部と中央部とで面圧力に大きな差が生じる場合、スタック中央部の面圧力が単位電池１間の電気的接触抵抗を所望の値以下に抑える、あるいはシール部の面圧力を所望の値以上に保つのに不充分となる場合が生じる。その際、スタック端部からの締結荷重を増して、全体的にスタックの面圧力を増す方策も考えられるが、過大な面圧力はガス拡散層の過大な潰れを招き、スタック発電性能を低下させることにもつながりかねないため、安易に積層のための締結荷重を増すことはできない。
【００４０】
一方、本実施形態では、締結荷重を増すことなく、セパレータ１５，１７の面積を、スタック両端部より中央部で小さくすることで、図５に示すように、設計面圧Ｐｄを比較例と同等とした場合に、最小値が必要面圧Ｐｒより大きくなり、比較例よりも、各単位電池１相互間の面圧力をより均一にすることができる。これにより、電気的接触抵抗の低減および、シール性向上を達成することができる。
【００４１】
ここで、スタックに対する締結荷重、単位電池１に付与される締付面圧力、セパレータ面積の間には、一般的に［締付面圧力＝締結荷重／セパレータ面積］という関係が大まかに成り立つ。したがって、セパレータ１５，１７の面積を中央部Ｂで減少させることによって、中央部Ｂでの締付面圧力減少を防ぎ、全体として均一化した面圧力を得ることができる。
【００４２】
また、上記したようにセパレータ１５，１７の面積を連続的に変化させることにより、後述する段階的に変化させる場合と比較して、単純な構成となるので、製造コストを低く抑えることができる。
【００４３】
図７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側面図である。この実施形態は、前記した第１の実施形態と同様に、燃料電池スタック１の積層方向に、スタックの両端部Ａから同中央部Ｂに向かって、セパレータ１５，１７の面積が小さくなるよう変化させる構成となっているが、スタック構成によっては積層方向に連続的に面圧力が変化するとは限らないので、スタック両端部Ａから同中央部Ｂに向かって、セパレータ１５，１７の面積が段階的に小さくなるよう変化させている。
【００４４】
すなわち、ここではスタック両端部Ａを含む端部側の各領域Ｐでのセパレータ１５，１７の面積を各単位電池１相互間で一定とし、この各領域Ｐに対し、各領域Ｐ相互間の領域Ｑにおけるセパレータ１５，１７の面積を段階的に小さくしている。そして、上記中央部の領域Ｑにおいては、領域Ｐに最も近い部分から中央部Ｂに向かうに従って、セパレータ１５，１７の面積が連続的に小さくなるよう変化させている。
【００４５】
このような構成とすることで、積層方向の面圧力の減少に応じてセパレータ１５，１７の面積を調整できるので、積層方向面圧力の分布をより一層小さく抑える、あるいは必要な領域のみ積層方向の面圧力を改善することができ、電気的接触抵抗に起因するスタック性能ならびに、シール性能の低下を最小限に抑えることができる。
【００４６】
図８は、本実施形態に係わるスタック積層方向位置と、その位置における単位電池１相互間の面圧力（面全体の平均値）の一例を示す。ここで、実線は、本実施形態における面圧力を示し、二点鎖線は、前記図６に示すセパレータの外形（面積）を積層方向両端部から中央部まで一定とした比較例の面圧力を示す。これによれば、本実施形態においても、設計面圧Ｐｄを比較例と同等とした場合に、最小値が必要面圧Ｐｒより大きくなり、比較例よりも、各単位電池１相互間の面圧力を均一にすることができる。
【００４７】
なお、上記図７の実施形態においては、セパレータ１５，１７の面積の変化を、領域Ｐと領域Ｑの２段階としているが、３段階以上としてもよい。
【００４８】
さらに、この複数段階においてそれぞれに独立して、セパレータ１５，１７の面積が連続的に小さくなるよう変化させてもよい。すなわち、各段階におけるセパレータ１５，１７の面積を、単位電池１の積層方向に沿って、［各単位電池１におけるセパレータの面積＝スタック端部のセパレータの面積×ｆ（ｘ）］（ただし、ｘは端部からの単位電池の個数）となるよう規定する。
【００４９】
なお、上記した各実施形態における図５，図８でのスタック積層方向の面圧力の平均値は、あくまでも一例を示すものであり、必ずしも図３，図７の側面図の積層方向位置と一致するとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態による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正面図である。
【図４】第１の実施形態におけるスタック積層方向の両端部ならびに中央部のセパレータの外形（面積）と、活性部の外形（面積）との関係を示す説明図である。
【図５】第１の実施形態および比較例に係わる単位電池の積層方向位置と、その位置における面圧力との相関図である。
【図６】比較例による燃料電池スタックの正面図である。
【図７】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。
【図８】第２の実施形態および比較例に係わる単位電池の積層方向位置と、その位置における面圧力との相関図である。
【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[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. Each of the above-described anode and cathode electrodes includes a catalyst layer and a gas diffusion layer.
[0003]
Such a polymer electrolyte fuel cell is usually used as a fuel cell stack by stacking a plurality of the above-described unit cells and fastening and fixing them from both sides.
[0004]
In the fuel cell stack described above, the fuel gas (hydrogen-containing gas) supplied to the anode electrode is hydrogen-ionized on the anode electrode by the catalyst layer, and moves to the cathode electrode via a moderately humidified electrolyte membrane. I do. 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 surface pressure is not uniformly applied to each of the plurality of unit cells in the fuel cell stack described above, the electric power between the separators in the fuel cell stack, or between the separator and the gas diffusion layer, etc. There is a possibility that leakage of reactive gas (hydrogen, air) may occur due to an increase in the contact resistance or a defective seal between the separators. For this reason, it is necessary that the tightening surface pressure in each unit battery applied by the fastening load to the stack is uniform over the entire area in the stacking direction and does not significantly change.
[0007]
Therefore, for example, Patent Document 1 discloses a configuration in which a pressure plate and an end plate are provided at an end of a unit battery in the stacking direction, and a load variation reducing mechanism is provided between the pressure plate and the end plate in series in a fastening load direction. It has been disclosed.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-124291
[Problems to be solved by the invention]
However, when a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of unit cells each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode, and further sandwiching each outside with a separator, a stack in the stack is required. There is a tendency in the stacking direction to form a surface pressure distribution in which the tightening surface pressure at the central part in the direction becomes the minimum value. As a result, there is a possibility that an increase in electrical contact resistance and a defective gas seal may occur.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to prevent a decrease in the pressure of the tightening surface at a central portion in the stacking direction of a plurality of unit batteries.
[0011]
[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 area of the surface intersecting with the stacking direction of the separators in the unit cell at the center in the stacking direction is set while stacking the power generation regions of the unit cells substantially mutually. It is configured to be smaller than the same area of the separator in the unit batteries at both ends in the direction.
[0012]
【The invention's effect】
According to the present invention, the fastening load on the stack, the fastening surface pressure applied to the unit battery, and the area of the separator have a relationship of [fastening surface pressure = fastening load / separator area]. By making the power generation area of the battery substantially constant to each other and making the area of the surface intersecting the stacking direction of the separator at the center in the stacking direction smaller than the same area of the separators at both ends, the tightening surface pressure at the center in the stacking direction It is possible to prevent the reduction, and thereby it is possible to achieve the reduction of the electric contact resistance and the improvement of the sealing property.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
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.
[0015]
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.
[0016]
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.
[0017]
On both sides of the MEA 13, separators 15 and 17 forming fluid passages for supplying a fuel gas (hydrogen) to the anode 9 and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode 11 respectively. , Gaskets 19 and 21 respectively.
[0018]
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.
[0019]
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.
[0020]
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.
[0021]
A fuel gas flow path (not shown) is formed on the anode electrode 9 side of the separator 15 and an oxidizing gas flow path 25 is formed on the cathode electrode 11 side of the separator 17. A cooling medium flow path 27 is formed on the side of the separator 15 opposite to the fuel gas flow path.
[0022]
The gaskets 19 and 21 are formed of a rubber-like elastic material such as silicon rubber, EPDM, or fluorine rubber.
[0023]
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.
[0024]
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.
[0025]
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.
[0026]
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.
[0027]
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 the end plates 37 and 39 may be tightened by the tension rods 5 outside the stack.
[0028]
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.
[0029]
The above-mentioned distribution flow path and the collecting flow path are a fuel gas flow path 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, and a separator 15. Of the cooling medium flow path 27 formed on the opposite side of the fuel gas flow path.
[0030]
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.
[0031]
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.
[0032]
FIG. 3 is a side view of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. In this embodiment, in the stacking direction of the unit batteries 1, the area of the surface intersecting with the stacking direction of the separators 15 and 17 in each unit battery 1 (hereinafter, simply referred to as the separator Area) is continuously reduced. For this reason, when the fuel cell stack is viewed from the side as shown in FIG. 3, the outer shape of the stack formed by the outer shapes of the separators 15 and 17 is continuously narrowed from both end portions A to the center portion B of the stack. Take. In this case, the shape viewed from the vertical direction in FIG. 3 may be a shape in which the central portion B is narrowed.
[0033]
That is, in the above-described embodiment, the area of the separators 15 and 17 is set along the stacking direction of the unit batteries 1 by [area of the separator in each unit battery 1 = area of the separator at the end of the stack × f (x)]. (Where x is the number of unit batteries from the end).
[0034]
Here, when the area of the separators 15 and 17 is changed, the area of the active portion (active area) directly related to power generation, which is a power generation region, is substantially constant between the unit batteries 1. Thereby, even if the area of the separators 15 and 17 is changed between the plurality of unit batteries 1, the power generation performance is made uniform for each of the plurality of unit batteries 1, and the power generation performance as a stack can be secured as desired. it can. On the other hand, when the power generation region is changed for each of the plurality of unit batteries, the power generation performance differs for each unit battery, and the power generation performance as a stack is significantly impaired.
[0035]
FIG. 4 shows an example of the relationship between the outer shape (area) of the separators 15 and 17 at both ends A and the center B in the stacking direction and the outer shape (area) of the active portion C. The area of the active part C is smaller than the area of the central part B where the area of the separators 15 and 17 is the smallest, and is substantially constant between the unit batteries 1.
[0036]
FIG. 5 shows an example of the relationship between the position in the stack stacking direction according to the present embodiment and the clamping surface pressure (average value of the entire surface) between the unit cells 1 at that position. Here, the solid line indicates the surface pressure in the present embodiment, and the two-dot chain line indicates the surface pressure of the comparative example in which the outer shape (area) of the separator shown in FIG. 6 is constant from both ends in the stacking direction to the center.
[0037]
In the comparative example, since the area of the end of the stack is equal to the area of the separator at the center, the stack looks rectangular as shown in FIG. 6 when viewed from the side. In such a stack, it is known that the surface pressure at the center of the stack tends to be lower than that at the end of the stack, as shown by the two-dot chain line in FIG. As a cause thereof, it is conceivable that the load between the unit cells is attenuated due to strain, friction, and the like of each component in the stack.
[0038]
The minimum value of the surface pressure at the center of the stack in the comparative example is smaller as the required surface pressure is lower than Pr.
[0039]
When a large difference occurs in the surface pressure between the end portion and the center portion of the stack as described above, the surface pressure at the center portion of the stack suppresses the electrical contact resistance between the unit cells 1 to a desired value or less, or the surface pressure of the seal portion. May not be sufficient to maintain the value of above the desired value. At this time, it is conceivable to increase the fastening load from the end of the stack to increase the surface pressure of the stack as a whole.However, excessive surface pressure causes excessive collapse of the gas diffusion layer and lowers the stack power generation performance. Therefore, the fastening load for lamination cannot be easily increased.
[0040]
On the other hand, in this embodiment, the design surface pressure Pd is equal to that of the comparative example as shown in FIG. 5 by making the area of the separators 15 and 17 smaller at the center than at both ends of the stack without increasing the fastening load. In this case, the minimum value is larger than the required surface pressure Pr, and the surface pressure between the unit cells 1 can be made more uniform than in the comparative example. As a result, a reduction in electrical contact resistance and an improvement in sealing performance can be achieved.
[0041]
Here, the relationship [tightening surface pressure = fastening load / separator area] generally holds roughly between the fastening load on the stack, the fastening surface pressure applied to the unit battery 1, and the separator area. Therefore, by reducing the area of the separators 15 and 17 at the central portion B, it is possible to prevent the tightening surface pressure at the central portion B from decreasing and to obtain a uniform surface pressure as a whole.
[0042]
In addition, since the area of the separators 15 and 17 is continuously changed as described above, the configuration is simpler than the case where the area is changed stepwise as described later, so that the manufacturing cost can be reduced.
[0043]
FIG. 7 is a side view of a fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, similarly to the first embodiment, the area of the separators 15 and 17 decreases in the stacking direction of the fuel cell stack 1 from both ends A of the stack toward the center B thereof. Although the surface pressure does not always change continuously in the stacking direction depending on the stack configuration, the area of the separators 15 and 17 increases stepwise from both end portions A of the stack toward the central portion B. It is changed so that it becomes smaller.
[0044]
That is, in this case, the area of the separators 15 and 17 in each region P on the end side including both ends A of the stack is constant between the unit cells 1, and the region P The area of the separators 15 and 17 in Q is gradually reduced. In the central region Q, the areas of the separators 15 and 17 are continuously reduced from the portion closest to the region P to the central portion B.
[0045]
With such a configuration, the area of the separators 15 and 17 can be adjusted in accordance with the decrease in the surface pressure in the stacking direction. Therefore, the distribution of the surface pressure in the stacking direction can be further reduced, or only the necessary area in the stacking direction can be adjusted. The surface pressure can be improved, and a decrease in stack performance and sealing performance due to electrical contact resistance can be minimized.
[0046]
FIG. 8 shows an example of the position in the stacking direction according to the present embodiment and the surface pressure (average value of the entire surface) between the unit cells 1 at that position. Here, the solid line indicates the surface pressure in the present embodiment, and the two-dot chain line indicates the surface pressure of the comparative example in which the outer shape (area) of the separator shown in FIG. 6 is constant from both ends in the stacking direction to the center. . According to this, also in the present embodiment, when the design surface pressure Pd is equal to that of the comparative example, the minimum value is larger than the required surface pressure Pr, and the surface pressure between the unit cells 1 is larger than that of the comparative example. Can be made uniform.
[0047]
In the embodiment of FIG. 7, the area of the separators 15 and 17 is changed in two stages of the region P and the region Q, but may be changed in three or more stages.
[0048]
Further, in each of the plurality of stages, the area of the separators 15 and 17 may be changed independently so as to be continuously reduced. That is, the area of the separators 15 and 17 in each stage is determined by dividing the area of the separator in each unit battery 1 = the area of the separator at the end of the stack x f (x)] (where x Is the number of unit batteries from the end).
[0049]
Note that the average value of the surface pressure in the stacking direction in FIGS. 5 and 8 in each of the above-described embodiments is merely an example, and does not necessarily match the position in the stacking direction in the side view in FIGS. Not necessarily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a basic structure of a fuel cell stack according to a first embodiment of 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 of the fuel cell stack of FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between outer shapes (areas) of separators at both ends and a central portion in a stacking direction in the first embodiment and outer shapes (areas) of active portions.
FIG. 5 is a correlation diagram between a position in a stacking direction of unit cells according to the first embodiment and a comparative example and a surface pressure at the position.
FIG. 6 is a front view of a fuel cell stack according to a comparative example.
FIG. 7 is a front view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a correlation between the position in the stacking direction of the unit cells according to the second embodiment and the comparative example and the surface pressure at that position.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 unit battery 7 electrolyte membrane 9 anode side electrode 11 cathode side electrode 15, 17 separator
