JP5628105B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される積層体の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられるとともに、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレート間に前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構が設けられる燃料電池スタックに関する。   The present invention includes a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and at both ends in the stacking direction of the stack in which a plurality of the fuel cells are stacked. The present invention relates to a fuel cell stack in which a first end plate and a second end plate are provided, and a load applying mechanism for applying a load in the stacking direction is provided between the first end plate and the second end plate.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. A unit cell is provided. This type of fuel cell is usually used as an in-vehicle fuel cell stack, for example, by stacking a predetermined number of unit cells.

この種の燃料電池スタックでは、所望の発電性能を得るとともに、シール機能を発揮させるために、積層方向に対して所望の締め付け荷重を付与する必要がある。   In this type of fuel cell stack, it is necessary to apply a desired tightening load in the stacking direction in order to obtain a desired power generation performance and to exert a sealing function.

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池が知られている。この燃料電池では、図８に示すように、単位電池の積層体１の上下には、エンドプレート２、３が配設されている。エンドプレート２、積層体１及びエンドプレート３は、帯状のバンドからなる締結部材４により締結されている。   Thus, for example, a polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, as shown in FIG. 8, end plates 2 and 3 are arranged above and below the unit cell stack 1. The end plate 2, the laminate 1 and the end plate 3 are fastened by a fastening member 4 made of a band-like band.

締結部材４の端部は、エンドプレート２側で補助プレート５に固定されるとともに、前記補助プレート５に設けられたねじ穴には、ボルト６が螺合している。エンドプレート３側には、補助プレート７が配設されるとともに、前記補助プレート７には、凸部８が設けられている。この凸部８には、皿状のばね９が装着されている。   An end portion of the fastening member 4 is fixed to the auxiliary plate 5 on the end plate 2 side, and a bolt 6 is screwed into a screw hole provided in the auxiliary plate 5. An auxiliary plate 7 is disposed on the end plate 3 side, and a convex portion 8 is provided on the auxiliary plate 7. A plate-shaped spring 9 is attached to the convex portion 8.

そこで、ボルト６が補助プレート５に螺入されると、前記補助プレート５がエンドプレート２から離れる方向に移動する。このため、バンド４により補助プレート７がばね９を圧縮する方向に移動する。これにより、エンドプレート２、３を介して積層体１が締め付けられ、図示しないシール部や電極に必要な面圧が付与されることになる。   Therefore, when the bolt 6 is screwed into the auxiliary plate 5, the auxiliary plate 5 moves in a direction away from the end plate 2. For this reason, the auxiliary plate 7 is moved by the band 4 in the direction in which the spring 9 is compressed. Thereby, the laminated body 1 is clamped via the end plates 2 and 3, and a necessary surface pressure is applied to a seal portion and an electrode (not shown).

特許第４０８３３０４号公報Japanese Patent No. 4083304

上記の特許文献１では、エンドプレート２の外側に、ボルト６が螺合された補助プレート５が配設されるとともに、エンドプレート３の外側に、凸部８にばね９を配して補助プレート７が配設されている。このため、燃料電池は、積層体１の積層方向に長尺化するとともに、部品点数及び重量が相当に増加するという問題がある。   In the above-mentioned patent document 1, an auxiliary plate 5 to which a bolt 6 is screwed is disposed outside the end plate 2, and a spring 9 is arranged on the convex portion 8 outside the end plate 3 to assist the auxiliary plate. 7 is disposed. For this reason, there is a problem that the fuel cell is elongated in the stacking direction of the stacked body 1 and the number of parts and the weight are considerably increased.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ軽量な構成で、燃料電池に積層方向に荷重を確実に付与することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell stack capable of reliably applying a load to a fuel cell in the stacking direction with a compact and lightweight configuration.

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される積層体の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられるとともに、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレート間に前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構が設けられる燃料電池スタックに関するものである。   The present invention includes a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and at both ends in the stacking direction of the stack in which a plurality of the fuel cells are stacked. The present invention relates to a fuel cell stack in which a first end plate and a second end plate are provided, and a load applying mechanism for applying a load in the stacking direction is provided between the first end plate and the second end plate.

この燃料電池スタックでは、荷重付与機構は、一端が第１エンドプレートの外表面に固定され、積層体の一方の側部に沿って積層方向に延在し、第２エンドプレートの外表面を周回した後、前記積層体の他方の側部に沿って前記積層方向に延在し、前記第１エンドプレートの前記外表面に他端が配置されるバンド部材と、前記バンド部材の他端に係合し、前記第１エンドプレートの前記外表面に沿って伸縮可能な弾性部材と、前記弾性部材を、前記第１エンドプレートの前記外表面に保持する保持部材とを備えている。   In this fuel cell stack, the load applying mechanism has one end fixed to the outer surface of the first end plate, extends in the stacking direction along one side of the stack, and circulates around the outer surface of the second end plate. Then, a band member extending in the stacking direction along the other side portion of the stacked body and having the other end disposed on the outer surface of the first end plate, and a band member engaged with the other end of the band member. And an elastic member that can expand and contract along the outer surface of the first end plate, and a holding member that holds the elastic member on the outer surface of the first end plate.

また、この燃料電池スタックでは、第１エンドプレート及び第２エンドプレートは、長方形状を有するとともに、複数本のバンド部材は、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートの長手方向に並列して設けられることが好ましい。   In this fuel cell stack, the first end plate and the second end plate have a rectangular shape, and the plurality of band members are arranged in parallel in the longitudinal direction of the first end plate and the second end plate. It is preferable to be provided.

本発明によれば、バンド部材の一端が第１エンドプレートの外表面に固定されるとともに、前記バンド部材は、積層体の一方の側部に沿って延在し、第２エンドプレートの外表面を周回した後、前記積層体の他方の側部に沿って延在し、さらに該第１エンドプレートの前記外表面に沿って伸縮可能な弾性部材を介して保持されている。   According to the present invention, one end of the band member is fixed to the outer surface of the first end plate, and the band member extends along one side of the laminate, and the outer surface of the second end plate , And extends along the other side of the laminate, and is further held via an elastic member that can expand and contract along the outer surface of the first end plate.

このため、専用の押圧プレート（補助プレート）を用いる必要がなく、部品点数を有効に削減することができる。   For this reason, it is not necessary to use a dedicated pressing plate (auxiliary plate), and the number of parts can be effectively reduced.

しかも、弾性部材は、第１エンドプレートの前記外表面に沿って伸縮可能に、すなわち、前記第１エンドプレートの前記外表面と平行に配設されている。これにより、コンパクト且つ軽量な構成で、燃料電池に対して積層方向に荷重を確実に付与することが可能になる。   In addition, the elastic member is arranged to be extendable and contractable along the outer surface of the first end plate, that is, arranged in parallel with the outer surface of the first end plate. This makes it possible to reliably apply a load in the stacking direction to the fuel cell with a compact and lightweight configuration.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの概略側面説明図である。It is a schematic side view of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する荷重付与機構の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the load provision mechanism which comprises the said fuel cell stack. 前記荷重付与機構にローラが配設された状態の説明図である。It is explanatory drawing of the state by which the roller was arrange | positioned at the said load provision mechanism. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。FIG. 5 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの概略側面説明図である。It is a schematic side view of the fuel cell stack. 特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池の断面説明図である。1 is a cross-sectional explanatory view of a polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｂ方向（鉛直方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向両端には、図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートを介装して第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８が配設される。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention includes a stacked body in which a plurality of fuel cells 12 are stacked in the arrow A direction (horizontal direction) or the arrow B direction (vertical direction). 14. A first end plate 16 and a second end plate 18 are disposed at both ends in the stacking direction of the stacked body 14 via a terminal plate and an insulating plate (not shown).

第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８は、横長の長方形状を有するとともに、長辺側の端部（上端部及び下端部）には、それぞれＲ部（湾曲部）１６ａ及び１８ａが形成される。長辺側の端部は、積層体１４の上下両側部よりも外方に突出する。なお、Ｒ部１６ａ及び１８ａは、少なくとも後述するバンド部材５２が接する側（外側）に設けられていればよい。   The first end plate 16 and the second end plate 18 have a horizontally long rectangular shape, and R portions (curved portions) 16a and 18a are formed at the long side end portions (upper end portion and lower end portion), respectively. The The end on the long side protrudes outward from the upper and lower sides of the laminate 14. The R portions 16a and 18a may be provided at least on the side (outside) with which the band member 52 described later is in contact.

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４に挟持される。第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。   As shown in FIG. 2, in the fuel cell 12, the electrolyte membrane / electrode structure 20 is sandwiched between the first separator 22 and the second separator 24. The 1st separator 22 and the 2nd separator 24 are comprised by metal separators and carbon separators, such as a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, or a plating treatment steel plate, for example.

燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２７ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂが、矢印Ｂ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。   One end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow C (the horizontal direction in FIG. 2) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and oxidant for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas An agent gas inlet communication hole 26a, a cooling medium inlet communication hole 27a for supplying a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 28b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided in an arrow B direction (vertical direction). Are provided in an array.

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２７ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow C communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 28a for supplying fuel gas, and a cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 27b and an oxidant gas outlet communication hole 26b for discharging the oxidant gas are arranged in the arrow B direction.

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。   An oxidant gas flow path 32 communicating with the oxidant gas inlet communication hole 26a and the oxidant gas outlet communication hole 26b is provided on the surface 22a of the first separator 22 facing the electrolyte membrane / electrode structure 20.

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。   A fuel gas passage 34 communicating with the fuel gas inlet communication hole 28a and the fuel gas outlet communication hole 28b is provided on the surface 24a of the second separator 24 facing the electrolyte membrane / electrode structure 20.

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２７ａと冷却媒体出口連通孔２７ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。   A cooling medium that communicates the cooling medium inlet communication hole 27a and the cooling medium outlet communication hole 27b between the surface 22b of the first separator 22 and the surface 24b of the second separator 24 constituting the fuel cells 12 adjacent to each other. A flow path 36 is provided.

第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４には、それぞれシール部材３８、４０が、一体的又は個別に設けられる。シール部材３８、４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。   The first separator 22 and the second separator 24 are respectively provided with seal members 38 and 40 integrally or individually. Seal members 38 and 40 use, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicon rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, acrylic rubber, or other sealing material, cushioning material, or packing material To do.

電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 20 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 42 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side electrode 44 and an anode side electrode 46 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 42. With.

カソード側電極４４及びアノード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成されている。   The cathode side electrode 44 and the anode side electrode 46 are formed by uniformly applying a gas diffusion layer made of carbon paper or the like and porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. An electrode catalyst layer. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 42.

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８間に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構（面圧保持機構）５０を設ける。荷重付与機構５０は、複数本、例えば、３本のバンド部材５２を備えるとともに、前記バンド部材５２は、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８の長手方向に並列して設けられる。バンド部材５２は、好ましくは、金属バンドやカーボンファイバー等の高分子材料の強化繊維により構成される。バンド部材５２の本数は、燃料電池スタック１０の寸法に応じて適宜設定可能である。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 10 includes a load applying mechanism (surface pressure holding mechanism) 50 that applies a load in the stacking direction between the first end plate 16 and the second end plate 18. The load applying mechanism 50 includes a plurality of, for example, three band members 52, and the band members 52 are provided in parallel in the longitudinal direction of the first end plate 16 and the second end plate 18. The band member 52 is preferably made of a reinforced fiber made of a polymer material such as a metal band or carbon fiber. The number of band members 52 can be appropriately set according to the dimensions of the fuel cell stack 10.

バンド部材５２の一端は、第１エンドプレート１６の外表面（鉛直面）１６ｂの下端側にねじ５４を介して固定される。バンド部材５２は、積層体１４の一方の側部（下方側部）に沿って積層方向に延在し、第２エンドプレート１８の外表面１８ｂを周回した後、前記積層体１４の他方の側部（上方側部）に沿って前記積層方向に延在し、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに前記バンド部材５２の他端が配置される。   One end of the band member 52 is fixed to the lower end side of the outer surface (vertical surface) 16 b of the first end plate 16 via a screw 54. The band member 52 extends in the stacking direction along one side portion (lower side portion) of the stacked body 14, circulates the outer surface 18 b of the second end plate 18, and then the other side of the stacked body 14. The other end of the band member 52 is disposed on the outer surface 16 b of the first end plate 16 along the portion (upper side portion) in the stacking direction.

図１及び図３に示すように、バンド部材５２の他端には、ループ部５６が設けられるとともに、前記ループ部５６には、開口部５６ａが形成される。ループ部５６は、バンド部材５２の他端が前記バンド部材５２に溶接やかしめ等によって一体に接合されることにより、構成される。   As shown in FIGS. 1 and 3, the other end of the band member 52 is provided with a loop portion 56, and an opening portion 56 a is formed in the loop portion 56. The loop portion 56 is configured by integrally joining the other end of the band member 52 to the band member 52 by welding or caulking.

第１エンドプレート１６の外表面１６ｂには、各バンド部材５２のループ部５６に近接して複数個、例えば、３個の保持ブロック（保持部材）５８が設けられる。保持ブロック５８は、断面三角形状の楔形状を有し、下面が水平方向に延在し且つ上面が下方に傾斜する。保持ブロック５８には、鉛直方向に貫通する孔部５８ａが形成される。   A plurality of, for example, three, holding blocks (holding members) 58 are provided on the outer surface 16 b of the first end plate 16 in the vicinity of the loop portion 56 of each band member 52. The holding block 58 has a wedge shape with a triangular cross section, the lower surface extends in the horizontal direction, and the upper surface is inclined downward. The holding block 58 is formed with a hole 58a penetrating in the vertical direction.

各バンド部材５２のループ部５６内には、荷重調整ロッド６０の頭部６０ａが配置される。この頭部６０ａは、ロッド部６０ｂに比べて大径な円柱形状を有し、前記頭部６０ａに前記ロッド部６０ｂの一端が、ねじ締結や溶接により一体に設けられる。ロッド部６０ｂは、保持ブロック５８の孔部５８ａを貫通して下方に延在するとともに、下端部には、ねじ部６０ｃが形成される。   A head 60 a of the load adjustment rod 60 is disposed in the loop portion 56 of each band member 52. The head 60a has a columnar shape having a larger diameter than the rod 60b, and one end of the rod 60b is integrally provided on the head 60a by screw fastening or welding. The rod portion 60b extends downward through the hole portion 58a of the holding block 58, and a screw portion 60c is formed at the lower end portion.

保持ブロック５８の下面には、弾性部材、例えば、コイルスプリング６２の一端（上端）が係合する。なお、コイルスプリング６２に代えて、積層された皿ばね等を使用してもよい。   An elastic member, for example, one end (upper end) of the coil spring 62 is engaged with the lower surface of the holding block 58. Instead of the coil spring 62, a laminated disc spring or the like may be used.

荷重調整ロッド６０は、コイルスプリング６２内を貫通し、下端部に設けられたねじ部６０ｃに締め付けねじ６４が螺合する。この締め付けねじ６４により、コイルスプリング６２の他端（下端）が保持される。コイルスプリング６２は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って伸縮可能であり、前記外表面１６ｂに平行に配置される。   The load adjusting rod 60 penetrates through the coil spring 62, and a tightening screw 64 is screwed into a screw portion 60c provided at the lower end portion. The fastening screw 64 holds the other end (lower end) of the coil spring 62. The coil spring 62 can be expanded and contracted along the outer surface 16b of the first end plate 16, and is disposed in parallel to the outer surface 16b.

第２エンドプレート１８の外表面１８ｂには、図示しないが、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、冷却媒体入口連通孔２７ａ、冷却媒体出口連通孔２７ｂ、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂにそれぞれ連通するマニホールドが形成される。なお、第２エンドプレート１８の外表面１８ｂは、図４中、仮想線で示すように、外方に滑らかに繋がる凸状形状を有してもよい。   Although not shown, the outer surface 18b of the second end plate 18 has an oxidant gas inlet communication hole 26a, an oxidant gas outlet communication hole 26b, a cooling medium inlet communication hole 27a, a cooling medium outlet communication hole 27b, and a fuel gas inlet communication. Manifolds communicating with the holes 28a and the fuel gas outlet communication holes 28b are formed. The outer surface 18b of the second end plate 18 may have a convex shape that is smoothly connected outward as indicated by a virtual line in FIG.

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

先ず、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２７ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 2, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 26a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 28a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 27a.

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。   Therefore, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 32 of the first separator 22 from the oxidant gas inlet communication hole 26a. The oxidant gas is supplied to the cathode side electrode 44 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 20 while moving in the arrow C direction.

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４６に供給される。   On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 34 of the second separator 24 from the fuel gas inlet communication hole 28a. This fuel gas is supplied to the anode side electrode 46 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 20 while moving in the direction of arrow C.

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 20, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 44 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 46 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate power. Is done.

次いで、カソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極４６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 44 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 26b. On the other hand, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 46 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 28b.

また、冷却媒体入口連通孔２７ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２２及び第２セパレータ２４間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２７ｂから排出される。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 27 a is introduced into the cooling medium flow path 36 between the first separator 22 and the second separator 24 and then circulates in the direction of arrow C. This cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 27b after the electrolyte membrane / electrode structure 20 is cooled.

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０は、図１及び図３に示すように、バンド部材５２の一端が第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに固定されている。そして、バンド部材５２は、積層体１４の一方の側部に沿って延在し、第２エンドプレート１８の外表面１８ｂを周回した後、前記積層体１４の他方の側部に沿って延在し、さらに第１エンドプレート１６の外表面に沿って伸縮可能なコイルスプリング６２を介して保持されている。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, in the fuel cell stack 10, one end of the band member 52 is fixed to the outer surface 16 b of the first end plate 16. The band member 52 extends along one side portion of the stacked body 14, circulates around the outer surface 18 b of the second end plate 18, and then extends along the other side portion of the stacked body 14. Further, it is held via a coil spring 62 that can extend and contract along the outer surface of the first end plate 16.

このため、専用の押圧プレート（補助プレート）を用いる必要がなく、部品点数を大幅に削減することができる。   For this reason, it is not necessary to use a dedicated pressing plate (auxiliary plate), and the number of parts can be greatly reduced.

しかも、コイルスプリング６２は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って伸縮可能であり、前記外表面１６ｂに平行に配置されている。これにより、燃料電池スタック１０は、コンパクト且つ軽量な構成で、燃料電池１２に積層方向に荷重を確実に付与することが可能になるという効果が得られる。   In addition, the coil spring 62 can be expanded and contracted along the outer surface 16b of the first end plate 16, and is arranged in parallel to the outer surface 16b. Thereby, the fuel cell stack 10 has an effect of being able to reliably apply a load to the fuel cell 12 in the stacking direction with a compact and lightweight configuration.

さらに、バンド部材５２は、コイルスプリング６２に荷重調整ロッド６０を介して係合している。従って、第１エンドプレート１６と第２エンドプレート１８との間に積層されている各燃料電池１２に締め付け荷重を確実に付与することができる。   Further, the band member 52 is engaged with the coil spring 62 via the load adjustment rod 60. Therefore, it is possible to reliably apply a tightening load to each fuel cell 12 stacked between the first end plate 16 and the second end plate 18.

図４に示すように、荷重調整ロッド６０のねじ部６０ｃに締め付けねじ６４がねじ込まれると（図４中、螺回方向参照）、この締め付けねじ６４と保持ブロック５８との間でコイルスプリング６２が収縮される。このため、荷重調整ロッド６０の頭部６０ａは、バンド部材５２のループ部５６を下方に引張し、前記バンド部材５２に付与される荷重が増加される。これにより、バンド部材５２による燃料電池スタック１０の締め付け荷重が調整され、前記締め付け荷重を所望の範囲内に確保することが可能になる。   As shown in FIG. 4, when the tightening screw 64 is screwed into the threaded portion 60 c of the load adjusting rod 60 (see the screwing direction in FIG. 4), the coil spring 62 is interposed between the tightening screw 64 and the holding block 58. Shrinked. For this reason, the head 60a of the load adjustment rod 60 pulls the loop portion 56 of the band member 52 downward, and the load applied to the band member 52 is increased. Thereby, the tightening load of the fuel cell stack 10 by the band member 52 is adjusted, and the tightening load can be secured within a desired range.

さらにまた、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８の各長辺側の端部には、それぞれＲ部１６ａ及び１８ａが形成されている。従って、バンド部材５２は、Ｒ部１６ａ及び１８ａに沿って円滑且つ確実に摺動することができるという利点がある。   Furthermore, R portions 16a and 18a are formed at the end portions on the long sides of the first end plate 16 and the second end plate 18, respectively. Therefore, the band member 52 has an advantage that it can slide smoothly and reliably along the R portions 16a and 18a.

その際、図５に示すように、バンド部材５２の摺動部位にローラ７０を配設することが可能である。ローラ７０は、好適には、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８の各長辺側の端部に、各バンド部材５２に対応して回転自在に設けられる。これにより、バンド部材５２が一層円滑に摺動することができる。なお、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８の各長辺側の端部には、それぞれＲ部１６ａ及び１８ａを設けなくてもよい。   At that time, as shown in FIG. 5, it is possible to dispose the roller 70 at the sliding portion of the band member 52. The roller 70 is preferably provided at the end of each long side of the first end plate 16 and the second end plate 18 so as to be rotatable corresponding to each band member 52. Thereby, the band member 52 can slide more smoothly. In addition, it is not necessary to provide R part 16a and 18a in the edge part of each long side of the 1st end plate 16 and the 2nd end plate 18, respectively.

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 6 is a schematic perspective view of a fuel cell stack 80 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図６及び図７に示すように、燃料電池スタック８０は、第１エンドプレート１６及び第２エンドプレート１８間に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構（面圧保持機構）８２を設ける。荷重付与機構８２を構成する各バンド部材５２は、一端が第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに保持ブロック８４を介して固定される。保持ブロック８４は、保持ブロック５８と同様に、断面三角形状の楔形状を有し、外表面１６ｂに設けられるとともに、前記保持ブロック８４にバンド部材５２の一端が固着される。保持ブロック８４は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに固定されていてもよく、また、固定されていなくてもよい。固定されていない場合、第１エンドプレート１６の上下方向からバンド部材５２を締め上げることができる。   As shown in FIGS. 6 and 7, the fuel cell stack 80 includes a load application mechanism (surface pressure holding mechanism) 82 that applies a load in the stacking direction between the first end plate 16 and the second end plate 18. One end of each band member 52 constituting the load applying mechanism 82 is fixed to the outer surface 16 b of the first end plate 16 via a holding block 84. Similar to the holding block 58, the holding block 84 has a wedge shape with a triangular cross section, is provided on the outer surface 16 b, and one end of the band member 52 is fixed to the holding block 84. The holding block 84 may be fixed to the outer surface 16b of the first end plate 16, or may not be fixed. When not fixed, the band member 52 can be tightened from the vertical direction of the first end plate 16.

バンド部材５２の他端は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って延在し、ローラ８６に摺接する。第１エンドプレート１６の外表面１６ｂ上にブラケット８７が固着されるとともに、前記ブラケット８７には、ローラ８６の軸８６ａが回転自在に装着される。バンド部材５２の他端は、保持ブロック８４を越えて下方に延在するとともに、前記他端には、略９０°屈曲して支持板部８８が溶接等により一体成形される。この支持板部８８は、バンド部材５２の他の部位に比べて肉厚に構成されるとともに、前記支持板部８８には、ねじ孔８８ａが上下方向に貫通形成される。   The other end of the band member 52 extends along the outer surface 16 b of the first end plate 16 and is in sliding contact with the roller 86. A bracket 87 is fixed on the outer surface 16b of the first end plate 16, and a shaft 86a of a roller 86 is rotatably mounted on the bracket 87. The other end of the band member 52 extends downward beyond the holding block 84, and the other end of the band member 52 is bent approximately 90 ° and a support plate portion 88 is integrally formed by welding or the like. The support plate portion 88 is configured to be thicker than other portions of the band member 52, and a screw hole 88a is formed through the support plate portion 88 in the vertical direction.

ねじ孔８８ａには、荷重調整ロッド９０が螺合する。荷重調整ロッド９０は、下端部に螺回部９０ａが設けられ、前記螺回部９０ａの端部から上方にねじ部９０ｂが延在する。ねじ部９０ｂの上端には、押圧部材９２が設けられるとともに、前記押圧部材９２と保持ブロック８４の下面との間には、弾性部材、例えば、コイルスプリング９４が介装される。コイルスプリング９４は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って伸縮可能であり、前記外表面１６ｂに平行に配置される。押圧部材９２又は保持ブロック８４からコイルスプリング９４の中心部に向けてガイド部材（図示せず）を設けてもよい。   The load adjusting rod 90 is screwed into the screw hole 88a. The load adjusting rod 90 is provided with a screw portion 90a at a lower end portion, and a screw portion 90b extends upward from an end portion of the screw portion 90a. A pressing member 92 is provided at the upper end of the screw portion 90b, and an elastic member, for example, a coil spring 94 is interposed between the pressing member 92 and the lower surface of the holding block 84. The coil spring 94 can expand and contract along the outer surface 16b of the first end plate 16, and is disposed in parallel to the outer surface 16b. A guide member (not shown) may be provided from the pressing member 92 or the holding block 84 toward the center of the coil spring 94.

このように構成される第２の実施形態では、コイルスプリング９４は、第１エンドプレート１６の外表面１６ｂに沿って伸縮可能であり、前記外表面１６ｂに平行に配置されている。このため、燃料電池スタック８０は、コンパクト且つ軽量な構成で、燃料電池１２に積層方向に荷重を確実に付与することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。   In the second embodiment configured as described above, the coil spring 94 can be expanded and contracted along the outer surface 16b of the first end plate 16, and is disposed in parallel to the outer surface 16b. For this reason, the fuel cell stack 80 has the same effect as the first embodiment, such as being able to reliably apply a load to the fuel cell 12 in the stacking direction with a compact and lightweight configuration. .

さらに、第２の実施形態では、荷重調整ロッド９０の螺回部９０ａが螺回されると、ねじ部９０ｂが支持板部８８のねじ孔８８ａにねじ込まれる。従って、ねじ部９０ｂの上端に設けられている押圧部材９２は、コイルスプリング９４を保持ブロック８４側に押圧する。これにより、コイルスプリング９４が収縮され、支持板部８８を介してバンド部材５２に付与される荷重が増加される。   Furthermore, in the second embodiment, when the screw portion 90 a of the load adjustment rod 90 is screwed, the screw portion 90 b is screwed into the screw hole 88 a of the support plate portion 88. Accordingly, the pressing member 92 provided at the upper end of the screw portion 90b presses the coil spring 94 toward the holding block 84 side. As a result, the coil spring 94 is contracted, and the load applied to the band member 52 via the support plate portion 88 is increased.

このため、バンド部材５２による燃料電池スタック８０の締め付け荷重が調整され、前記締め付け荷重を所望の範囲内に確保することが可能になる。   For this reason, the tightening load of the fuel cell stack 80 by the band member 52 is adjusted, and the tightening load can be secured within a desired range.

１０、８０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１４…積層体 １６、１８…エンドプレート
２２、２４…セパレータ ２０…電解質膜・電極構造体
２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２７ａ…冷却媒体入口連通孔 ２７ｂ…冷却媒体出口連通孔
２８ａ…燃料ガス入口連通孔 ２８ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２…酸化剤ガス流路 ３４…燃料ガス流路
３６…冷却媒体流路 ３８、４０…シール部材
４２…固体高分子電解質膜 ４４…カソード側電極
４６…アノード側電極 ５０、８２…荷重付与機構
５２…バンド部材 ５４…ねじ
５６…ループ部 ５８、８４…保持ブロック
６０、９０…荷重調整ロッド ６０ａ…頭部
６０ｂ…ロッド部 ６０ｃ、９０ｂ…ねじ部
６２、９４…コイルスプリング ６４…締め付けねじ
７０、８６…ローラ ８８…支持板部
９０ａ…螺回部 ９２…押圧部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,80 ... Fuel cell stack 12 ... Fuel cell 14 ... Laminated body 16, 18 ... End plate 22, 24 ... Separator 20 ... Electrolyte membrane electrode assembly 26a ... Oxidant gas inlet communication hole 26b ... Oxidant gas outlet communication hole 27a ... Cooling medium inlet communication hole 27b ... Cooling medium outlet communication hole 28a ... Fuel gas inlet communication hole 28b ... Fuel gas outlet communication hole 32 ... Oxidant gas flow path 34 ... Fuel gas flow path 36 ... Cooling medium flow path 38, 40 ... Sealing member 42 ... Solid polymer electrolyte membrane 44 ... Cathode side electrode 46 ... Anode side electrode 50, 82 ... Load applying mechanism 52 ... Band member 54 ... Screw 56 ... Loop portion 58, 84 ... Holding block 60, 90 ... Load adjustment Rod 60a ... Head 60b ... Rod 60c, 90b ... Screw 62, 94 ... Coil spring 64 ... Clamping screw 70, 86 ... Low 88 ... support plate portion 90a ... screw engagement portion 92 ... pressing member

Claims (2)

電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される積層体の積層方向両端には、第１エンドプレート及び第２エンドプレートが設けられるとともに、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレート間に前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構が設けられる燃料電池スタックであって、
前記荷重付与機構は、一端が前記第１エンドプレートの外表面に固定され、前記積層体の一方の側部に沿って前記積層方向に延在し、前記第２エンドプレートの外表面を周回した後、前記積層体の他方の側部に沿って前記積層方向に延在し、該第１エンドプレートの前記外表面に他端が配置されるバンド部材と、
前記バンド部材の他端に係合し、前記第１エンドプレートの前記外表面に沿って伸縮可能な弾性部材と、
前記弾性部材を、前記第１エンドプレートの前記外表面に保持する保持部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and a first end is provided at both ends in the stacking direction of the stack in which the plurality of fuel cells are stacked. A fuel cell stack in which a plate and a second end plate are provided, and a load applying mechanism for applying a load in the stacking direction between the first end plate and the second end plate,
One end of the load applying mechanism is fixed to the outer surface of the first end plate, extends in the stacking direction along one side of the stacked body, and circulates around the outer surface of the second end plate. A band member extending in the stacking direction along the other side of the stack and having the other end disposed on the outer surface of the first end plate;
An elastic member that engages with the other end of the band member and can expand and contract along the outer surface of the first end plate;
A holding member for holding the elastic member on the outer surface of the first end plate;
A fuel cell stack comprising: 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートは、長方形状を有するとともに、
複数本の前記バンド部材は、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートの長手方向に並列して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first end plate and the second end plate have a rectangular shape,
The fuel cell stack, wherein the plurality of band members are provided in parallel in a longitudinal direction of the first end plate and the second end plate.
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