JP3952744B2

JP3952744B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP3952744B2
Application number: JP2001345804A
Authority: JP
Inventors: 篤史宮澤; 寿弘竹川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2021-11-12
Also published as: JP2003151612A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池の構造、特に燃料電池スタックの圧迫構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子形燃料電池としては、固体高分子電解質膜を挟持するアノード側電極およびカソード側電極の外側にセパレータを設置することにより形成した単位セルを複数積層した燃料電池スタックが知られている。ところで固体高分子形燃料電池では、単位セル内の電極とセパレータの間や複数積層されたセル間には接触抵抗が存在し、この接触抵抗が増大することによりスタックの端子電圧が低下する。接触抵抗の原因の一つは、不十分なセパレータ間の面当たりであることが多い。従って、接触抵抗を低減するためにセル面全体に均一に圧力をかけて締付ける必要がある。
【０００３】
そこで特開２００１−１５５７６０においては、エンドプレートにプレートアセンブリを取り付けアレンヘッドソケットによって必要な箇所に必要なトルクで圧迫できるようになっている。
【０００４】
特開２０００−２９４２６８においては、一方のエンドプレートの外側にはシリコンオイルを封入した液体チャンバを形成し、他方のエンドプレートの外側には燃料電池内部側に押圧する加圧手段を設けることによりセル面に均一な圧力をかけている。
【０００５】
また、特開２００１−１４３７４１においては、燃料電池スタックの横寸法と縦寸法の比に対応した個数だけエンドプレートに皿バネを設置することによりセル面に圧力をかけている。
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、特開２００１−１５５７６０においては、アレンヘッドソケットの周囲に集中的に力がかかってしまうという問題や、アレンヘッドソケットの数が多い場合には組み立てに時間がかかるという問題がある。
【０００７】
また、特開２０００−２９４２６８および特開２００１−１４３７４１においては、エンドプレート以外に付加的に取り付ける部品が多く、燃料電池スタック自身の重量が大きくなってしまうという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は簡単な構成でセル面に適切な圧力をかけることのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、電解質膜を挟んで配置した一対の電極をセパレータで狭持して単位セルを構成し、前記セパレータの積層面に、その外周辺に沿ってガスケットを配置し、前記単位セルを複数積層した両面にエンドプレートを配置して積層体を構成し、前記積層体の外側から積層方向へ一本以上のベルトを掛け回して締結し、前記ベルトが前記エンドプレートの外側面におけるベルト掛け回し方向に関する中央付近と前記ガスケット延長上付近であたるように、前記エンドプレートの厚みを前記ベルトの巻き付け方向に関する中央部と周辺部で増加させた。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記積層体をその周辺部において積層方向に貫通するタイロッドにより締結した。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明において、前記エンドプレートの厚みを増加させた前記ベルトの掛け回し方向に関する中央部と周辺部の間に、前記ベルトの外側から前記積層体に向かってフックを設置してベルト張力を高めるようにした。
【００１３】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記積層体の積層面を長方形に形成し、前記エンドプレートの外側面における前記ベルトの掛け回し方向を前記積層面の短辺方向とする。
【００１４】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記ベルトが掛け回される前記エンドプレートの端部を曲面により形成する。
【００１５】
第６の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、前記ベルトを少なくとも三本以上巻き付け、そのうちの中央付近に巻き付けたベルトの締付ける力を、その他のベルトが締付ける力より大きくする。
【００１６】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、圧力のかかり難いエンドプレートの中央付近を厚くすることで、ベルトを巻き付けて締付けたときにエンドプレート中央付近の積層面にかかる圧力を増大させて単位セル間の接触面積が増大させるとともに、ベルトがエンドプレートの外側面におけるベルト掛け回し方向に関する中央付近とガスケット延長付近にあたることで、セパレータの中央付近とガスケット付近に圧力をかけることができる。これにより、接触抵抗を低減して高出力の燃料電池を提供するとともに、セパレータ間の気密を保持でき、十分な面当たりを確保することができる。
【００１７】
第２の発明によれば、積層体の周辺部にタイロッドを設置することにより、積層面に確実に圧力をかけることができる。
【００１９】
第３の発明によれば、エンドプレートの厚みを増加させた部分の間にベルトの外側から積層体側へ向かってフックを取り付けることにより、ベルトの張力が増加するので積層面にかかる圧力を増加することができる。
【００２０】
第４の発明によれば、エンドプレートの外側面におけるベルトの掛け回し方向を積層面の短辺方向とすることにより、積層体の積層構造が安定するので、燃料電池の機械的強度を向上することができる。
【００２１】
第５の発明によれば、積層体のベルトが掛け回されるエンドプレートの端部を曲面により形成することで、端部に集中する力を曲面に沿って分散できるので、積層体の機械強度を向上することができ、ベルトの応力集中を改善できる。
【００２２】
第６の発明は、中央部に設置したベルトを締付ける力を他のベルトを締付けるための力より強くすることで力のかかり難い積層面中央付近に圧力をかけることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１に第１の参考例における燃料電池スタックを形成する単位セル１２の構成を示す。単位セル１２は、セパレータ２１、電極２４、固体高分子電解質膜２５を積層することにより形成する。
【００２４】
積層方向についての最も外側には、セパレータ２１としての一対の板状のアノード側セパレータ２１Ａとカソード側セパレータ２１Ｂを設置する。セパレータ２１の内側の面２２ａにセパレータ２１の外周に沿ってガスケット２６を配置する。セパレータ２１のガスケット２６に取り囲まれている部分にガスマニホールド２３を形成し、燃料電池スタック外部から燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する。
【００２５】
セパレータ２１の間に挟まれるように電極２４としての一対のアノード側電極２４Ａ、カソード側電極２４Ｂを設置する。電極２４の積層面をガスケット２６に囲まれた面より小さく形成して、セパレータ２１のガスケット２６に囲まれた内側面に接触するように設置する。
【００２６】
電極２４の更に内側に、固体高分子電解質膜２５を設置する。固体高分子電解質膜２５は積層面がセパレータ２１に形成したガスケット２６に取り囲まれる面より広くなるように形成する。
【００２７】
このように単位セル１２を形成して積層面両側から圧迫することにより、ガスケット２６を介したセパレータ２１と固体高分子電解質膜２５間の気密を保持して、セパレータ２１と電極２４との面当たりを確保する。
【００２８】
また図２に示すように、燃料電池スタックをこのような単位セル１２を複数積層することにより形成するので、積層したセル１２間の気密を保持するために、アノード側セパレータ２１Ａおよびカソード側セパレータ２１Ｂの外側面２２ｂにも同様に、積層面の外周に沿ってガスケット２６を配置する。
【００２９】
図２に第１の参考例における燃料電池スタックの概略を示す。
【００３０】
前述のような燃料電池単位セル１２を複数枚積層して電極群１４を形成する。電極群１４の積層方向両側からインシュレータ１８を介してエンドプレート９を設置することにより積層体１７を形成する。
【００３１】
ここで、積層体１７の両端部にあたるエンドプレート９の形状を説明する。
【００３２】
エンドプレート９のインシュレータ１８に対峙する平面である内側面を、長辺１０ａおよび短辺１０ｂからなる長方形により形成する。このとき、エンドプレート９の積層方向の厚み（以下、厚み）を短辺１０ｂに沿って変化させる。ここでは、短辺１０ｂの両端部１３ｂで最も薄く、短辺１０ｂの中央部１３ａにいくにしたがって徐々に厚みが増加する蒲鉾形状とする。一方、長辺１０ａ方向に関しては、エンドプレート９の厚みを一定とする。
【００３３】
また、エンドプレート９の短辺１０ｂの端部１３ｂを、図３に示すように曲面により形成する。ここでは、短辺１０ｂ側から見たときに、端部１３ｂが円弧状になるように形成する。これにより、積層体１７を短辺１０ｂ側からみたときに、積層体１７の外周の角は曲面により形成される。このように形成することで、後述するようにベルト１１を巻き付けたときに、角に集中する力を曲面に沿って分散できるので積層体の機械強度を向上することができる。
【００３４】
図２に示すように、このようなエンドプレート９を端部に配置した積層体１７に、積層方向にベルト１１を掛け回して積層面に圧力をかける。
【００３５】
ベルト１１を、長辺１０ａ方向に並列した複数本、ここでは３本のベルト１１−ａ、１１−ｂ、１１−ｃにより形成する。ここで、ベルト１１が短辺１０ｂ上を横切るように巻くことも可能だが、燃料電池スタックが積層方向に極端に長い場合には、長辺１０ａ方向に並列した複数のベルトを配置した方が積層構造を安定させることができる。エンドプレート９の各辺の長さが変わらない燃料電池スタックにおいては、どちらの配置とすることもできる。
【００３６】
このようなエンドプレート９を形成し、ベルト１１により積層体１７を締結させることにより、圧力のかかり難い積層面中央部がベルト１１により確実に圧迫されるので、セパレータ２１間の面当たりを十分なものにすることができる。積層面への圧力分布は、エンドプレート９の厚み変化の程度により調整することができる。例えば、端部１３ｂから中央部１３ａにかけて厚み変化が急激なものとすると、積層面にかけられる圧力が積層面中央部に集中する。このようにエンドプレート９の形状を調整することにより、積層面に均一な圧力をかけて接触抵抗を低減することができるので、燃料電池を効率よく運転することができる。
【００３７】
また、短辺１０ｂの端部１３ｂを曲面により形成することで、つまり、ベルト１１が掛け回される積層体１７の外周の角を曲面により形成することで、ベルト１１による圧力が、例えば平面により形成したときには角に集中するのを避けて曲面に分散することができ、エンドプレート９の機械的強度を向上することができ、ベルトの応力集中を改善できる。
【００３８】
ここで、エンドプレート９を形成する材質としては、SUS、銅、アルミニウム、強化プラスチック等が使用できるが、弾性率の大小によって適宜厚みを設定することで、エンドプレート９に必要な機械強度を維持することができる。
【００３９】
また、ベルト１１には燃料電池作動時にエンドプレート９が達する温度に耐えられる限り公知のあらゆる材質のものを使用することができる。また燃料電池の構造上、ベルト１１が電極群１４の設側面に接触する可能性がある場合は、絶縁処理を施すか、もしくは絶縁性のものを使用し、ベルト１１に電流が流れることで出力が低下するのを防ぐことが望ましい。
【００４０】
本参考例では両方のエンドプレート９の厚みを変化させたが、片方のみ変化させてもよい。
【００４１】
次に第１の実施形態を説明する。本実施形態における燃料電池スタックの積層方向の端部を短辺１０ｂ側からみたときの形状を図４に示す。
【００４２】
エンドプレート９の厚みを短辺１０ｂの両方の端部１３ｂと中央部１３ａで共に厚くして、短辺１０ｂ側からみると曲線により三つの凸状部３１、３２、３３が形成されるようにした。ここで、端部１３ｂに形成した凸状部３１、３２よりも、中央部１３ａに形成した凸状部３３の厚みを大きくする。また、その厚みの差を、ベルト１１を巻いたときにベルト１１が凸状部３１、３２の一部、少なくともガスケット２６の積層方向延長上に接触・加圧するような程度の差となるように形成する。このように形成することで、中央部１３ａおよび端部１３ｂがベルト１１の支点となり、圧力が集中してかかりやすくなる。
【００４３】
ベルト１１による積層方向の圧力は中央部１３ａ、端部１３ｂを介して積層面に伝えることができ、その圧力分布を、凸状部３１、３２、３３を形成する曲面の形状を変え、ベルトが接触する領域を調整することにより調整することができる。ここでは、凸状部３１、３２の厚みは同じくすることで凸状部３１、３２に同じ大きさの圧力がかかるようにした。
【００４４】
このように形成することで、圧力のかかり難い中央部１３ａに圧力をかけることができるとともに、ガスケット２６にも圧力をかけることができるので、さらにセパレータ２１間の圧力を保持することができ、接触抵抗による出力の低下を抑制することができる。
【００４５】
第２の実施形態を説明する。本実施形態における燃料電池スタックの積層方向の端部を短辺１０ｂからみたときの形状を図５に示す。
【００４６】
第１の実施形態と同様にエンドプレート９に凸状部３１、３２、３３を形成し、ベルト１１を巻きつける。次に、ベルト１１の上から凸状部３１、３３間の凹状部３５にフック３４ａ、凸状部３３、３２の間の凹状部３６にフック３４ｂを設置する。フック３４は、例えばＬ字状やコの字形状のものを用いて、ベルトの外側から長辺１０ａに沿って配置し、長辺１０ａの端部でプレート９に固定する。このとき、フック３４により凹状部３５、３６とベルト１１の距離が縮まるようにフック３４とエンドプレート９との距離を調整する。このように形成することで、ベルト１１の巻き付け方向の張力がさらに大きくなり凸状部の頂点付近には積層方向内側に向かう圧力がさらに大きくなるので、セパレータ２１の接触が促進される。また、凸状部３１、３２、３３を同じ厚みにしても、フック３４により凸状部３３にかかる圧力を確保できる。
【００４７】
ここで、フック３４はスタックの締付けとほぼ同じ大きさの力がかかるため、力に応じた十分な機械強度を有する材質を適用する。フック３４とエンドプレート９との隙間は、形成した三つの凸状部３１、３２、３３の厚さやベルトの締付け力の大きさによって適宜変えることができる。
【００４８】
このように、エンドプレート９の凹状部にフック３４を取り付けることで、少ない部材で積層方向により大きな圧力を加えることができる。
【００４９】
なお、ここではフック３４を取り付けることで確実に端部１３ｂに形成した凸状部３１、３２にベルト１１からの圧力を加えることができるので、凸状部３１、３２の厚さと凸状部３３の厚さを同じにすることができる。これによりエンドプレート９の設計・製造が容易になる。
【００５０】
第２の参考例を説明する。本参考例における燃料電池スタックの積層方向の端部を短辺１０ｂ側からみたときの形状を図６に示す。
【００５１】
第１の参考例のエンドプレート９において、エンドプレート９の外側面１４ｂの４隅にタイロッド５１を設置する。タイロッド５１は電極群１４、インシュレータ１８、エンドプレート９から成る積層体１７を積層方向に貫通するように設置し、積層方向両側から締付けナット５２により積層体１７に所定の圧力をかける。タイロッド５１はセパレータ２１に形成したガスケット２６の近くを貫通するように設置する。
【００５２】
また、ベルト１１をタイロッド５１間の短辺１０ｂ方向に沿って巻き付けて、セパレータ２１、２２の中心付近に圧力をかける。
【００５３】
このように形成することで、タイロッド５１によりガスケット２６に直接圧力をかけることができ、接触抵抗を低減することができる。また、中央にベルト１１を巻きつけることで、圧力のかかり難い中央部に圧力をかけることができ、接触抵抗の大きい中央付近の接触を確実にすることができるので、さらに接触抵抗を低減できる。
【００５４】
第３の実施形態を説明する。本実施形態における燃料電池スタックの概略を図７に示す。
【００５５】
エンドプレート９の厚みを長辺１０ａ方向に沿って変化させる。ここでは段階的に厚みを変化させ、それぞれの厚さを形成する両端部４１、４２と中央部４３の三段により厚みを変化させる。また、長辺１０ａ方向の中央部４３の厚さが、その両側部４１、４２の厚さより大きく形成する。ここで、中央部４３および両側部４１、４２の幅をベルト１１の幅よりも広くし、中央部４３にベルト１１−ｂを巻きつけ、両側部４１、４２にベルト１１―ａ、１１−ｃを巻きつける。ベルト１１−ａ、１１−ｂ、１１−ｃの巻きつけ長さを等しくすることで、中央部４３にかかる圧力を両側部４１、４２に比べて大きくすることができる。また、段階的に厚さを変化させているので、ベルト１１を所定の位置に容易に取り付けることができる。
【００５６】
本実施形態においては、複数のベルト１１を用いたが、１本のベルト１１により中央部４３および両側部４１、４２を覆うように巻きつけてもよい。１本のベルトを巻きつけることで、エンドプレート９の厚みが大きい部分にかかる圧力を集中的に増加することができる。
【００５７】
また、ここではベルト１１の巻きつけ部分の長さを一定としてプレート１０の厚みを変化させたが、プレート９の厚みは変化させずにベルト１１の巻きつけ部分の長さを変化させることで、かかる圧力を調整してもよい。
【００５８】
さらに、ベルト１１の上からエンドプレート９の厚み変化に合わせて形成したフックを取り付けたり、ガスケット２６付近にタイロッド５１と締付けナット５２を取り付けたりすることもできる。また、第１の実施形態のように一つの凸状部が形成されたエンドプレート９について、ベルト１１の巻きつけ方向に垂直な方向についての厚みを変化させてもよい。
【００５９】
このように構成することで、それぞれのベルト１１の巻き付け方向についてのエンドプレート９にかかる圧力の分布を適正化できるだけでなく、複数のベルト１１の巻き付け位置ごとのエンドプレート９にかかる圧力の分布をも適正化することができる。
【００６０】
ここで、図８に第２の参考例による締付け力分布を、図９に従来技術による比較例の締付け力分布を示す。どちらも、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍのカーボン製セパレータを使用して、セパレータ間には感圧紙を挟んでスタックを組み立てた。第２の参考例についてはエンドプレート９に端部１３ｂの厚さが７ｍｍに対して中央部１３ａ厚さが１０ｍｍのものを用い、エンドプレート９の四隅をあらかじめタイロッド５１で組み立て後にベルト１１で締付けを行った。一方比較例については、エンドプレートに厚さ７ｍｍ一定のエンドプレートを用いてタイロッドで組み立てた。分解後に取り出された感圧紙の内、図８が第２の参考例によるもの、図９が比較例によるものである。従来技術である図９においては中央部分の圧力が不十分であるのが分かる。これに対して、第２の参考例に適用した場合は前面に亘って圧力が一定であり、中央部分も十分な圧力を得られている。
【００６１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の参考例における燃料電池スタックを形成する単位セルの構成図である。
【図２】第１の参考例における燃料スタックの構成図である。
【図３】第１の参考例における燃料電池スタックの端部の拡大図である。
【図４】第１の実施形態における燃料電池スタックの端部の側面図である。
【図５】第２の実施形態における燃料電池スタックの端部の側面図である。
【図６】第２の参考例における燃料電池スタックの端部の側面図である。
【図７】第３の実施形態における燃料電池スタックの端部の図である。
【図８】第２の参考例による締付け力分布を示す図である。
【図９】従来技術による締付け力分布を示す図である。
【符号の説明】
９エンドプレート
１１ベルト
２１セパレータ
２４電極
２６ガスケット
３４フック
５１タイロッド
５２（締付け）ナット[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a structure of a fuel cell, and more particularly to a compression structure of a fuel cell stack.
[0002]
[Prior art]
As a conventional polymer electrolyte fuel cell, there is known a fuel cell stack in which a plurality of unit cells formed by placing a separator on the outside of an anode side electrode and a cathode side electrode sandwiching a solid polymer electrolyte membrane are stacked. Yes. By the way, in a polymer electrolyte fuel cell, a contact resistance exists between an electrode in a unit cell and a separator or between a plurality of stacked cells, and the terminal voltage of the stack is lowered by increasing the contact resistance. One of the causes of contact resistance is often insufficient contact between the separators. Therefore, in order to reduce the contact resistance, it is necessary to apply pressure uniformly to the entire cell surface and tighten it.
[0003]
Therefore, in JP-200 1 -155760 it is adapted to be squeezed at the required torque where necessary by Allen head socket mounting plate assembly to the end plate.
[0004]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-294268, a liquid chamber filled with silicon oil is formed outside one end plate, and a pressurizing means for pressing the fuel cell inside is provided outside the other end plate. Uniform pressure is applied to the surface.
[0005]
In Japanese Patent Laid-Open No. 2001-143741, pressure is applied to the cell surface by installing disc springs on the end plate in a number corresponding to the ratio of the horizontal dimension to the vertical dimension of the fuel cell stack.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in JP-200 1 -155,760, and a problem that it takes intensive force around the Allen head socket, if the number of Allen head socket is often a problem that it takes time to assemble.
[0007]
In addition, JP 2000-294268 A and JP 2001-143741 A have a problem that many parts are additionally attached in addition to the end plate, which increases the weight of the fuel cell stack itself.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can apply an appropriate pressure to the cell surface with a simple configuration.
[0009]
[Means for solving problems]
According to a first aspect of the present invention, a unit cell is formed by sandwiching a pair of electrodes arranged with an electrolyte membrane sandwiched between separators, and a gasket is disposed along the outer periphery of the separator on the laminated surface. was constituting the laminate by disposing the end plates on both sides were stacked, the signed from the outside of the laminate wound around the one or more belts to the stacking direction, the belt in the outer surface of the belt is the end plate The thickness of the end plate was increased at the central portion and the peripheral portion with respect to the winding direction of the belt so as to be near the center in the wrapping direction and near the extension of the gasket .
[0010]
According to a second invention, in the first invention, the laminated body is fastened by a tie rod penetrating in the laminating direction at a peripheral portion thereof.
[0012]
According to a third invention, in the first invention, a hook is provided from the outer side of the belt toward the laminated body between the central portion and the peripheral portion in the belt wrapping direction in which the thickness of the end plate is increased. Installed to increase belt tension.
[0013]
According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the laminated surface of the laminated body is formed in a rectangular shape, and the direction of the belt on the outer surface of the end plate is set to the short side of the laminated surface. The direction.
[0014]
According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, an end portion of the end plate around which the belt is wound is formed by a curved surface.
[0015]
According to a sixth invention, in any one of the first to fifth inventions, at least three or more belts are wound, and the tightening force of the belt wound around the center of the belt is made larger than the tightening force of the other belts.
[0016]
[Action and effect]
According to the first aspect of the invention, by increasing the thickness near the center of the end plate where pressure is difficult to be applied, the pressure applied to the laminated surface near the center of the end plate is increased when the belt is wound and tightened, thereby causing contact between unit cells. The area can be increased, and the belt can be applied to the vicinity of the center of the separator and to the vicinity of the gasket by hitting the vicinity of the center of the outer surface of the end plate and the vicinity of the gasket extension. Thereby, while reducing a contact resistance and providing a high output fuel cell, the airtightness between separators can be maintained and sufficient surface contact can be secured.
[0017]
According to 2nd invention, a pressure can be reliably applied to a laminated surface by installing a tie rod in the peripheral part of a laminated body.
[0019]
According to the third invention, by attaching a hook from the outside of the belt toward the laminated body between the portions where the thickness of the end plate is increased, the tension of the belt is increased, so that the pressure applied to the laminated surface is increased. be able to.
[0020]
According to the fourth aspect of the present invention, the stacking structure of the stacked body is stabilized by setting the belt-wrapping direction on the outer side surface of the end plate to the short side direction of the stacked surface, thereby improving the mechanical strength of the fuel cell. be able to.
[0021]
According to the fifth invention, since the end portion of the end plate around which the belt of the laminate is wound is formed by a curved surface, the force concentrated on the end portion can be distributed along the curved surface. The stress concentration of the belt can be improved.
[0022]
A sixth invention is capable of applying a pressure force to tighten the installed belt in central near takes hard laminated surface center of force by stronger than the force for clamping the other belt.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows the configuration of the unit cell 12 forming the fuel cell stack in the first reference example . The unit cell 12 is formed by laminating the separator 21, the electrode 24, and the solid polymer electrolyte membrane 25.
[0024]
On the outermost side in the stacking direction, a pair of plate-like anode side separators 21A and cathode side separators 21B as separators 21 are installed. A gasket 26 is disposed on the inner surface 22 a of the separator 21 along the outer periphery of the separator 21. A gas manifold 23 is formed in a portion of the separator 21 surrounded by the gasket 26, and fuel gas or oxidant gas is supplied from the outside of the fuel cell stack.
[0025]
A pair of anode side electrode 24A and cathode side electrode 24B as electrodes 24 are installed so as to be sandwiched between separators 21. The laminated surface of the electrode 24 is formed to be smaller than the surface surrounded by the gasket 26 and is installed so as to contact the inner surface of the separator 21 surrounded by the gasket 26.
[0026]
A solid polymer electrolyte membrane 25 is disposed further inside the electrode 24. The solid polymer electrolyte membrane 25 is formed so that the laminated surface is wider than the surface surrounded by the gasket 26 formed on the separator 21.
[0027]
Thus, by forming the unit cell 12 and pressing from both sides of the laminated surface, the airtightness between the separator 21 and the solid polymer electrolyte membrane 25 is maintained via the gasket 26, and the contact between the separator 21 and the electrode 24 is maintained. Secure.
[0028]
Further, as shown in FIG. 2, since the fuel cell stack is formed by stacking a plurality of such unit cells 12, in order to maintain the airtightness between the stacked cells 12, the anode side separator 21A and the cathode side separator 21B. Similarly, the gasket 26 is disposed along the outer periphery of the laminated surface on the outer side surface 22b of the laminated body.
[0029]
FIG. 2 shows an outline of the fuel cell stack in the first reference example .
[0030]
A plurality of fuel cell unit cells 12 as described above are stacked to form an electrode group 14. The laminated body 17 is formed by installing the end plate 9 from both sides in the stacking direction of the electrode group 14 via the insulator 18.
[0031]
Here, the shape of the end plate 9 corresponding to both ends of the laminate 17 will be described.
[0032]
An inner side surface that is a plane facing the insulator 18 of the end plate 9 is formed by a rectangle including a long side 10a and a short side 10b. At this time, the thickness of the end plate 9 in the stacking direction (hereinafter referred to as thickness) is changed along the short side 10b. Here, it is a saddle shape that is thinnest at both end portions 13b of the short side 10b and gradually increases in thickness toward the central portion 13a of the short side 10b. On the other hand, the thickness of the end plate 9 is constant in the direction of the long side 10a.
[0033]
Further, the end portion 13b of the short side 10b of the end plate 9 is formed by a curved surface as shown in FIG. Here, when viewed from the short side 10b side, the end 13b is formed in an arc shape. Thereby, when the laminated body 17 is seen from the short side 10b side, the corner | angular of the outer periphery of the laminated body 17 is formed by a curved surface. By forming in this way, when the belt 11 is wound as will be described later, the force concentrated on the corners can be distributed along the curved surface, so that the mechanical strength of the laminate can be improved.
[0034]
As shown in FIG. 2, a belt 11 is wound around the laminated body 17 having the end plate 9 disposed at the end portion in the laminating direction to apply pressure to the laminated surface.
[0035]
The belt 11 is formed by a plurality of, in this case, three belts 11-a, 11-b, and 11-c arranged in parallel in the long side 10a direction. Here, it is possible to wind the belt 11 so as to cross over the short side 10b. However, when the fuel cell stack is extremely long in the stacking direction, it is preferable to arrange a plurality of belts arranged in parallel in the long side 10a direction. The structure can be stabilized. In the fuel cell stack in which the length of each side of the end plate 9 does not change, either arrangement can be adopted.
[0036]
By forming such an end plate 9 and fastening the laminated body 17 by the belt 11, the central portion of the laminated surface that is difficult to apply pressure is surely pressed by the belt 11, so that sufficient contact between the separators 21 can be achieved. Can be a thing. The pressure distribution on the lamination surface can be adjusted by the degree of thickness change of the end plate 9. For example, if the thickness change is abrupt from the end portion 13b to the central portion 13a, the pressure applied to the laminated surface is concentrated on the central portion of the laminated surface. By adjusting the shape of the end plate 9 in this manner, the contact resistance can be reduced by applying a uniform pressure to the laminated surface, and thus the fuel cell can be operated efficiently.
[0037]
Further, by forming the end portion 13b of the short side 10b with a curved surface, that is, by forming the corners of the outer periphery of the laminate 17 around which the belt 11 is wound with a curved surface, the pressure by the belt 11 is, for example, by a plane When formed, it can be concentrated on the curved surface while avoiding concentration on the corners, the mechanical strength of the end plate 9 can be improved, and the stress concentration of the belt can be improved.
[0038]
Here, SUS, copper, aluminum, reinforced plastic, or the like can be used as a material for forming the end plate 9, but the mechanical strength necessary for the end plate 9 is maintained by appropriately setting the thickness depending on the size of the elastic modulus. can do.
[0039]
The belt 11 can be made of any known material as long as it can withstand the temperature reached by the end plate 9 when the fuel cell is operated. Further, if there is a possibility that the belt 11 contacts the side surface of the electrode group 14 due to the structure of the fuel cell, an insulation process is performed or an insulating material is used, and the current flows through the belt 11 for output. It is desirable to prevent the deterioration.
[0040]
In this reference example , the thicknesses of both end plates 9 are changed, but only one of them may be changed.
[0041]
Next, a first embodiment will be described. FIG. 4 shows the shape of the fuel cell stack according to the present embodiment when viewed from the short side 10b side in the stacking direction.
[0042]
The thickness of the end plate 9 is increased at both end portions 13b and the central portion 13a of the short side 10b, and when viewed from the short side 10b side, three convex portions 31, 32, 33 are formed by curves. did. Here, the thickness of the convex part 33 formed in the center part 13a is made larger than the convex parts 31 and 32 formed in the end part 13b. Further, the difference in thickness is such that when the belt 11 is wound, the belt 11 contacts / presses a part of the convex portions 31 and 32, at least on the extension of the gasket 26 in the stacking direction. Form. By forming in this way, the central portion 13a and the end portion 13b become fulcrums of the belt 11, and pressure is easily concentrated and applied.
[0043]
The pressure in the laminating direction by the belt 11 can be transmitted to the laminating surface via the central portion 13a and the end portion 13b, and the pressure distribution is changed by changing the shape of the curved surface forming the convex portions 31, 32, 33. It can be adjusted by adjusting the contact area. Here, the convex portions 31 and 32 have the same thickness so that the same pressure is applied to the convex portions 31 and 32.
[0044]
By forming in this way, pressure can be applied to the central portion 13a where pressure is difficult to be applied, and pressure can also be applied to the gasket 26, so that the pressure between the separators 21 can be further maintained and contact can be made. A decrease in output due to resistance can be suppressed.
[0045]
A second embodiment will be described. FIG. 5 shows the shape of the end of the fuel cell stack in the present embodiment when viewed from the short side 10b.
[0046]
Similarly to the first embodiment, convex portions 31, 32, 33 are formed on the end plate 9, and the belt 11 is wound around. Next, the hook 34 a is installed on the concave portion 35 between the convex portions 31 and 33 and the hook 34 b is installed on the concave portion 36 between the convex portions 33 and 32 from above the belt 11. The hook 34 is, for example, L-shaped or U-shaped, and is disposed along the long side 10a from the outside of the belt and fixed to the plate 9 at the end of the long side 10a. At this time, the distance between the hook 34 and the end plate 9 is adjusted so that the distance between the concave portions 35 and 36 and the belt 11 is reduced by the hook 34. By forming in this way, the tension in the winding direction of the belt 11 is further increased, and the pressure toward the inner side in the stacking direction is further increased in the vicinity of the apex of the convex portion, so that the contact of the separator 21 is promoted. Moreover, even if the convex portions 31, 32, and 33 have the same thickness, the pressure applied to the convex portion 33 by the hook 34 can be secured.
[0047]
Here, the hook 34 is applied with a material having a sufficient mechanical strength corresponding to the force because a force of almost the same magnitude as the stack tightening is applied. The gap between the hook 34 and the end plate 9 can be changed as appropriate according to the thickness of the three convex portions 31, 32, 33 formed and the magnitude of the belt tightening force.
[0048]
In this way, by attaching the hook 34 to the concave portion of the end plate 9, it is possible to apply a larger pressure in the stacking direction with fewer members.
[0049]
Here, since the pressure from the belt 11 can be reliably applied to the convex portions 31 and 32 formed on the end portion 13 b by attaching the hook 34, the thickness of the convex portions 31 and 32 and the convex portion 33. Can be the same thickness. This facilitates the design and manufacture of the end plate 9.
[0050]
A second reference example will be described. FIG. 6 shows the shape of the fuel cell stack in this reference example as viewed from the side of the short side 10b in the stacking direction.
[0051]
In the end plate 9 of the first reference example , tie rods 51 are installed at the four corners of the outer side surface 14 b of the end plate 9. Tie rods 51 electrodes 14, the insulator 18, is installed a laminate 17 consisting of the end plate 9 so as to penetrate in the stack direction, applying a predetermined pressure to the laminated body 17 by tightening the nut 52 from both sides in the laminating direction. The tie rod 51 is installed so as to penetrate near the gasket 26 formed in the separator 21.
[0052]
Further, the belt 11 is wound along the direction of the short side 10b between the tie rods 51, and pressure is applied to the vicinity of the centers of the separators 21 and 22.
[0053]
By forming in this way, pressure can be directly applied to the gasket 26 by the tie rod 51, and the contact resistance can be reduced. Further, by winding the belt 11 in the center, it is possible to apply pressure to the central portion where pressure is difficult to be applied, and it is possible to ensure contact in the vicinity of the center where contact resistance is large, thereby further reducing contact resistance.
[0054]
A third embodiment will be described. An outline of the fuel cell stack in the present embodiment is shown in FIG.
[0055]
The thickness of the end plate 9 is changed along the direction of the long side 10a. Here, the thickness is changed stepwise, and the thickness is changed by three steps of both end portions 41 and 42 and the central portion 43 forming each thickness. Further, the thickness of the central portion 43 in the direction of the long side 10a is formed to be larger than the thickness of the both side portions 41 and 42. Here, the width of the central portion 43 and both side portions 41, 42 is made wider than the width of the belt 11, the belt 11-b is wound around the central portion 43, and the belts 11-a, 11-c are wound around the both side portions 41, 42. Wrap around. By equalizing the winding lengths of the belts 11-a, 11-b, and 11-c, the pressure applied to the central portion 43 can be increased compared to the side portions 41 and 42. Further, since the thickness is changed stepwise, the belt 11 can be easily attached to a predetermined position.
[0056]
In the present embodiment, a plurality of belts 11 are used. However, the belt 11 may be wound so as to cover the central portion 43 and the side portions 41 and 42 with one belt 11. By winding one belt, the pressure applied to the thick portion of the end plate 9 can be intensively increased.
[0057]
Moreover, although the thickness of the plate 10 was changed here with the length of the winding part of the belt 11 constant, by changing the length of the winding part of the belt 11 without changing the thickness of the plate 9, Such pressure may be adjusted.
[0058]
Further, a hook formed in accordance with the thickness change of the end plate 9 can be attached from above the belt 11, or a tie rod 51 and a tightening nut 52 can be attached in the vicinity of the gasket 26. Moreover, you may change the thickness about the direction perpendicular | vertical to the winding direction of the belt 11 about the end plate 9 in which one convex-shaped part was formed like 1st Embodiment.
[0059]
With this configuration, not only can the pressure distribution applied to the end plate 9 in the winding direction of each belt 11 be optimized, but also the pressure distribution applied to the end plate 9 at each winding position of the plurality of belts 11 can be increased. Can also be optimized.
[0060]
Here, FIG. 8 shows the tightening force distribution according to the second reference example , and FIG. 9 shows the tightening force distribution of the comparative example according to the prior art. In both cases, a carbon separator of 100 mm × 100 mm × 5 mm was used, and a stack was assembled with pressure sensitive paper sandwiched between the separators. As for the second reference example , the end plate 9 having an end 13b having a thickness of 7 mm and a central portion 13a having a thickness of 10 mm is used. The four corners of the end plate 9 are pre-assembled with tie rods 51 and then tightened with the belt 11. Went. Meanwhile For a comparative example, it was assembled by tie rods with thickness 7mm fixed end plate to the end plate. Of the pressure sensitive paper taken out after the decomposition, FIG. 8 is according to the second reference example , and FIG. 9 is according to the comparative example. In FIG. 9, which is the prior art, it can be seen that the pressure in the central portion is insufficient. On the other hand, when applied to the second reference example , the pressure is constant over the front surface, and a sufficient pressure is also obtained at the central portion.
[0061]
In addition, this invention is not necessarily limited to the said embodiment, It cannot be overemphasized that a various change can be made within the range of the technical idea described in the claim.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a unit cell forming a fuel cell stack in a first reference example .
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel stack in a first reference example .
3 is an enlarged view of an end portion of the fuel cell stack in the first reference example.
FIG. 4 is a side view of an end portion of the fuel cell stack according to the first embodiment.
FIG. 5 is a side view of an end portion of a fuel cell stack according to a second embodiment.
FIG. 6 is a side view of an end portion of a fuel cell stack according to a second reference example .
FIG. 7 is a view of an end portion of a fuel cell stack according to a third embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a tightening force distribution according to a second reference example .
FIG. 9 is a diagram showing a tightening force distribution according to the prior art.
[Explanation of symbols]
9 End Plate 11 Belt 21 Separator 24 Electrode 26 Gasket 34 Hook 51 Tie Rod 52 (Tightening) Nut

Claims

A unit cell is constituted by sandwiching a pair of electrodes arranged with an electrolyte membrane sandwiched between separators, a gasket is arranged along the outer periphery of the separator on the laminated surface, and a plurality of unit cells are laminated on both surfaces. End plates are arranged to form a laminate,
Fasten and fasten one or more belts in the direction of lamination from the outside of the laminate ,
The thickness of the end plate is increased at the central part and the peripheral part in the winding direction of the belt so that the belt hits the central part in the belt wrapping direction on the outer side surface of the end plate and the vicinity of the gasket extension. A fuel cell.

The fuel cell according to claim 1, wherein the laminated body is fastened by a tie rod penetrating in a laminating direction at a peripheral portion thereof.

The belt tension is increased by installing a hook from the outer side of the belt toward the laminated body between a central portion and a peripheral portion in the direction in which the belt is increased in thickness of the end plate. a fuel cell according to 1.

The laminate surfaces of the laminate were formed in a rectangular fuel cell according to any one of claims 1 to 3, the hanging turning direction of the belt to the short side direction of the laminate surface in an outer surface of the end plate .

The fuel cell according to claim 1, any one of the 4 forming a curved end portion of the end plate in which the belt is reeved.

The belt winding at least three or more, the fuel cell according to one force to tighten the belt wound around the center of which one of claims 1 to 5 in which the other belt tightening larger than the force.