WO2013094454A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

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WO2013094454A1
WO2013094454A1 PCT/JP2012/081909 JP2012081909W WO2013094454A1 WO 2013094454 A1 WO2013094454 A1 WO 2013094454A1 JP 2012081909 W JP2012081909 W JP 2012081909W WO 2013094454 A1 WO2013094454 A1 WO 2013094454A1
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cell stack
end plate
fuel
cooling medium
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Inventor
小林剛
奈良由介
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack including a unit cell in which an electrolyte / electrode assembly and an separator in which electrodes are respectively provided on both sides of an electrolyte, and in which a plurality of the unit cells are horizontally stacked.
  • an electrolyte membrane-electrode assembly having an anode electrode and a cathode electrode disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by a pair of separators It has a unit cell.
  • a fuel cell of this type has a predetermined number of unit cells stacked, and terminal plates, insulating plates and end plates are disposed at both ends in the stacking direction, for example, used as a fuel cell stack for vehicles ing.
  • the fuel cell stack described above may constitute a so-called internal manifold type fuel cell stack in which communication holes for passing the fuel gas, the oxidant gas and the cooling medium are formed along the stacking direction of the unit cells. For this reason, in the fuel cell stack, a manifold member connected to the communication hole is attached to the end plate.
  • the fuel cell stack adopts various mounting structures in order to fix the fuel cell stack to an installation site of a fuel cell vehicle or the like.
  • a fuel cell stack disclosed in Japanese Patent No. 4165876, as shown in FIG. 11 a laminate 1 in which a plurality of unit cells are stacked is accommodated in a box-like casing 2 and the casing 2 has end plates 3a and 3b as end plates.
  • Manifold piping members 4a and 4b are attached to one end plate 3a by a plurality of screws (fastening members) 5a. Further, mounting brackets 6 are fixed to the lower sides of the end plates 3a and 3b via screws 5b. Each mounting bracket 6 is attached to an installation site (for example, a car body) via a plurality of screws 5c.
  • each mounting bracket 6 is fixed to the end plates 3a and 3b only through the screw 5b, the mounting bracket 6 itself needs to have sufficient rigidity. Therefore, the mounting bracket 6 may be considerably enlarged.
  • the mounting bracket 6 is fixed to the end plates 3a, 3b via the screws 5b. For this reason, a considerable space is required to arrange the screw 5b, and the end plates 3a and 3b themselves may be enlarged.
  • the present invention is intended to solve this type of problem, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack capable of well installing the fuel cell stack at the installation site with a simple and compact configuration.
  • the present invention comprises a unit cell in which an electrolyte / electrode assembly and an separator are provided on both sides of the electrolyte, and a plurality of unit cells are horizontally stacked, and at least along the stacking direction.
  • the present invention relates to a fuel cell stack having a stack in which communication holes through which a fuel gas, an oxidant gas or a cooling medium flow is formed, and end plates disposed at both ends in the stacking direction of the stack.
  • a manifold member connected to the communication hole is fixed to at least one end plate by a fastening member, and the end plate is provided with a recess at its lower end, so that the recess is formed at the lower end
  • a pair of mount parts which project below on both sides of are integrally provided.
  • a pair of mount parts are being fixed to the installation part for installing a fuel cell stack.
  • the fastening member is disposed in the pair of mount portions.
  • the end plate has a flat surface on which the manifold member is attached, including the mount portion.
  • a plurality of recesses be provided at the lower end of the end plate.
  • the end plate is preferably fixed to the bottom of the mount by a screw.
  • the pair of mount portions are integrally provided so as to project downward on both sides of the lower end portion of the end plate, the configuration of the pair of mount portions is simplified and the number of parts is favorably reduced. Ru. Therefore, the fuel cell stack can be well installed at the installation site with a simple and compact configuration.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. It is a principal part disassembled perspective explanatory view of a unit cell which constitutes the fuel cell stack. It is front explanatory drawing of the said fuel cell stack.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention. It is a principal part disassembled perspective explanatory view of a unit cell which constitutes the fuel cell stack.
  • FIG. 6 is a front view from one end plate side of the fuel cell stack. It is a front view from the other end plate side of the fuel cell stack.
  • FIG. 6 is a front view from one end plate side of the fuel cell stack. It is a front view from the other end plate side of the fuel cell stack. It is perspective explanatory drawing of the fuel cell stack currently disclosed by the patent 4165876 gazette.
  • a fuel cell stack 10 includes a unit cell 12, and a plurality of the unit cells 12 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction) in a standing position.
  • the laminate 14 is formed.
  • End plates 16a and 16b are disposed at both ends in the stacking direction of the stacked body 14, and the end plates 16a and 16b are fixed to both ends of a plurality of connecting bars 18 via screws 20, and Apply a clamping load in the stacking direction.
  • a tie rod may be used instead of the connection bar 18, or the stack 14 may be accommodated in a box.
  • a terminal plate and an insulating plate are disposed between the laminate 14 and the end plates 16a and 16b.
  • the unit cell 12 includes an electrolyte membrane electrode assembly 22, and a first metal separator 24 and a second metal separator 26 sandwiching the electrolyte membrane electrode assembly 22.
  • the first metal separator 24 and the second metal separator 26 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal plate whose surface is subjected to surface treatment for corrosion prevention.
  • the first metal separator 24 and the second metal separator 26 have a rectangular planar shape, and are formed into an uneven cross-sectional shape by pressing a thin metal plate into a corrugated shape.
  • a carbon separator may be used.
  • the first metal separator 24 and the second metal separator 26 have a horizontally long shape, and the long side is directed in the horizontal direction (arrow B direction) and the short side is directed in the gravity direction (arrow C direction) (horizontal stacking) Configured as.
  • the short sides may be oriented horizontally and the long sides may be oriented in the direction of gravity.
  • an oxidant gas supply communication hole 28a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, in communication with each other in the arrow A direction
  • a fuel gas supply passage 30a for supplying a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas.
  • the fuel gas discharge passage 30b for discharging the fuel gas and the oxidant gas for discharging the oxidant gas are communicated with each other in the arrow A direction.
  • a discharge communication hole 28b is provided.
  • Two cooling medium supply communication holes 32a for supplying a cooling medium in communication with each other in the direction of arrow A at one end (reactant gas inlet side) of both ends in the short side direction (arrow C direction) of the unit cell 12 Is provided.
  • Two cooling medium discharge communication holes 32 b for discharging the cooling medium are provided on the other (in the reaction gas outlet side) of both end edges in the short side direction of the unit cell 12.
  • the electrolyte membrane / electrode assembly 22 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 34 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, and a cathode electrode 36 and an anode electrode 38 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 34.
  • a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer.
  • an electrode catalyst layer (not shown) to be formed.
  • the electrode catalyst layer is formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 34.
  • An oxidant gas flow passage 40 communicating the oxidant gas supply passage 28 a with the oxidant gas discharge passage 28 b is formed on the surface 24 a of the first metal separator 24 facing the membrane electrode assembly 22.
  • the oxidant gas channel 40 is formed of a plurality of corrugated channel grooves extending in the arrow B direction.
  • a fuel gas passage 42 is formed, which communicates the fuel gas supply passage 30a with the fuel gas discharge passage 30b.
  • the fuel gas flow channel 42 is formed by a plurality of corrugated flow channel grooves extending in the arrow B direction.
  • a cooling medium channel 44 communicating with the cooling medium supply communication holes 32 a, 32 a and the cooling medium discharge communication holes 32 b, 32 b is provided. It is formed.
  • the cooling medium channel 44 circulates the cooling medium over the electrode range of the membrane electrode assembly 22.
  • the first seal member 46 is integrally formed on the surfaces 24 a and 24 b of the first metal separator 24 around the outer peripheral edge of the first metal separator 24.
  • a second seal member 48 is integrally formed on the surfaces 26 a and 26 b of the second metal separator 26 around the outer peripheral edge of the second metal separator 26.
  • sealing materials such as EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber, cushion material Or packing material is used.
  • the end plates 16a and 16b are provided with recesses 50a and 50b at the center of each lower end portion, so that the pair of mount portions 52a and 52b projecting downward on both sides of the lower end portion are integrated.
  • the recessed portions 50a and 50b are provided with a rectangular opening shape in a range spaced apart by a distance L from the lower end position of the end plates 16a and 16b and a distance H in the horizontal direction. The distances L and H are set in accordance with the mounting position of the manifold member, as described later.
  • Screw holes 54a and 54b are formed at the bottom of each mount 52a and 52b.
  • a plurality of screw holes 54a and 54b may be provided.
  • the mounts 52a and 52b directly or cover members (not shown) at the installation site, for example, a vehicle body frame of a fuel cell vehicle (not shown). And other members such as brackets are fixed.
  • the end plates 16a and 16b are formed flat on the entire surface including the mounts 52a and 52b.
  • the manifold members 60 and 62 are mounted on the end plate 16 a at the one end edge in the long side direction via the plurality of screws (fastening members) 63 vertically.
  • the manifold member 60 is provided with a pipe 60a communicating with the oxidizing gas supply passage 28a, while the manifold member 62 is provided with a pipe 62a communicating with the fuel gas supply passage 30a.
  • the fastening member is not limited to the screw 63, and a general mechanical clamping mechanism may be used.
  • the manifold members 64 and 66 are mounted on the upper end and the lower end of the end plate 16 a via the plurality of screws 63 respectively.
  • the manifold member 64 is provided with a pipe 64a communicating with the fuel gas discharge communication hole 30b, while the manifold member 66 is provided with a pipe 66a communicating with the oxidant gas discharge communication hole 28b.
  • a manifold member 68 is attached to the upper end edge in the short side direction of the end plate 16a via a plurality of screws 63, and a plurality of manifold members 70 are installed at the lower end edge portion in the short side direction of the end plate 16a.
  • the screw 63 is attached.
  • the manifold member 68 is provided with a pipe 68a communicating with the cooling medium supply passage 32a and a pipe 68b communicating with the cooling medium discharge passage 32b.
  • the manifold member 70 is provided with a pipe 70a communicating with the cooling medium supply communication hole 32a and a pipe 70b communicating with the cooling medium discharge communication hole 32b.
  • lower screws 63 which are fastening points, are provided in the area of the mounts 52a, 52b.
  • the lower screw 63 is located in the range of the recess 50a along the horizontal direction, that is, in the range of the height L (in the direction of the arrow C) of the recess 50a.
  • the distances L and H of the recesses 50a are in particular set to the maximum dimension with which the manifold members 62, 66 and 70 can be efficiently fixed to the end plate 16a by means of the screws 63.
  • an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied from the pipe 60a to the oxidant gas supply passage 28a, and a pipe 62a is used to feed the fuel gas supply passage 30a.
  • a fuel gas such as a hydrogen-containing gas.
  • a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied from the pipes 68a, 70a to the pair of cooling medium supply communication holes 32a.
  • the oxidant gas is introduced from the oxidant gas supply passage 28 a into the oxidant gas flow path 40 of the first metal separator 24.
  • the oxidant gas moves in the direction of arrow B along the oxidant gas flow path 40 and is supplied to the cathode electrode 36 of the membrane electrode assembly 22.
  • the fuel gas is supplied from the fuel gas supply passage 30 a to the fuel gas channel 42 of the second metal separator 26.
  • the fuel gas moves along the fuel gas flow path 42 in the direction of arrow B and is supplied to the anode 38 of the membrane electrode assembly 22.
  • the oxidant gas supplied to the cathode electrode 36 and the fuel gas supplied to the anode electrode 38 are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer to generate electricity. It will be.
  • the oxidant gas supplied and consumed to the cathode electrode 36 of the membrane electrode assembly 22 flows in the direction of arrow A along the oxidant gas discharge passage 28b and is discharged from the pipe 66a (see FIG. 3).
  • the fuel gas supplied and consumed to the anode electrode 38 of the membrane electrode assembly 22 flows in the direction of arrow A along the fuel gas discharge passage 30b and is discharged from the pipe 64a (see FIG. 3). ).
  • the cooling medium supplied to the pair of cooling medium supply communication holes 32 a is introduced into the cooling medium channel 44 between the first metal separator 24 and the second metal separator 26.
  • the coolant once flows inward in the direction of arrow C, and then moves in the direction of arrow B to cool the membrane electrode assembly 22.
  • the cooling medium moves outward in the direction of arrow C, and then flows through the pair of cooling medium discharge communication holes 32b, and is discharged from the pipes 68b and 70b.
  • the end plates 16a and 16b project downward on both sides of the lower end by providing the recesses 50a and 50b in the center of each lower end.
  • the pair of mount portions 52a and 52b are integrally provided.
  • screws (fastening members) 63 for fixing the manifold members 62 and 66 connected to the fuel gas supply passage 30a and the oxidant gas discharge passage 28b of the fuel cell stack 10 to the end plate 16a. are disposed in the area of the mount portion 52a. Therefore, the dimensions of the end plates 16a and 16b in the height direction (arrow C direction) can be shortened as much as possible, and the fuel cell stack 10 can be favorably installed at the installation site with a simple and compact configuration. Effect is obtained.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a fuel cell stack 80 according to a second embodiment of the present invention.
  • the same components as those of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell stack 80 includes a stack 14 in which a plurality of unit cells 82 are stacked in the horizontal direction (direction of arrow A) in a standing position.
  • End plates 84 a and 84 b are disposed at both ends in the stacking direction of the laminate 14, and the end plates 84 a and 84 b are fixed by a plurality of connecting bars 18.
  • the connecting bar 18 has both end surfaces in contact with the inner plate surfaces of the end plates 84a and 84b, and a screw 20 is screwed to each end surface from the outer plate surface of the end plates 84a and 84b in the stacking direction.
  • the unit cell 82 sandwiches the membrane electrode assembly 86 between the first metal separator 88 and the second metal separator 90.
  • the oxidant gas flow direction of the oxidant gas supply passage 28a and the fuel gas flow direction of the fuel gas supply passage 30a are opposite to the coolant flow direction of the coolant supply passage 32a in the stacking direction. Set in the direction.
  • the oxidant gas flow direction of the oxidant gas discharge communication hole 28b and the fuel gas flow direction of the fuel gas discharge communication hole 30b are opposite to the cooling medium flow direction of the cooling medium discharge communication hole 32b in the stacking direction. It is set.
  • the end plates 84a and 84b are provided with recesses 92a and 92b at the centers of the respective lower end portions.
  • Recesses 94a and 96a are provided on both sides of recess 92a at a predetermined distance
  • recesses 94b and 96b are provided on both sides of recess 92b at a predetermined distance.
  • a pair of mounts 98a, 100a are provided between the recess 92a and the recesses 94a, 96a, and a pair of mounts 102a, 104a are outside the recesses 94a, 96a.
  • the end plate 84b is provided with mount portions 98b, 100b, 102b and 104b via the recesses 92b, 94b and 96b.
  • Manifold members 106 and 108 are attached to the end plate 84 a at the one end edge in the long side direction via screws 63 respectively.
  • the manifold member 106 is provided with a pipe 106a communicating with the oxidant gas supply passage 28a, while the manifold member 108 is provided with a pipe 108a communicating with the fuel gas supply passage 30a.
  • Manifold members 110 and 112 are attached to the end plate 84 a at the other end in the long side direction via screws 63.
  • the manifold member 110 is provided with a pipe 110a communicating with the fuel gas discharge communication hole 30b, while the manifold member 112 is provided with a pipe 112a communicating with the oxidant gas discharge communication hole 28b.
  • the manifold members 114 and 116 are attached to the end plate 84b at the upper end edge in the short side direction via the screw 63, and the lower end edge portion in the short side direction of the end plate 84b is
  • the manifold members 118, 120 are attached via screws 63.
  • Manifold members 114 and 118 arranged at the top and bottom have pipes 114a and 118a communicating with the respective cooling medium supply communication holes 32a, and these are connected to a single pipe 122.
  • the manifold members 116 and 120 disposed at the top and bottom have pipes 116 a and 120 a communicating with the respective cooling medium discharge communication holes 32 b, and these are connected to a single pipe 124.
  • the lower end portion of the end plate 84a is integrally provided with a pair of mount portions 98a and 100a across the recess 92a, and a pair across the recesses 94a and 96a.
  • the mounts 102a and 104a are integrally provided.
  • the mount portions 98b and 100b are integrally provided on both sides of the concave portion 92b, and the mount portions 102b and 104b are integrally provided on both sides of the concave portions 94b and 96b. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, such as the configuration being simplified at once, as compared with the case where the mounting structure is configured by separate members from the end plates 84a and 84b.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of a fuel cell stack 130 according to a third embodiment of the present invention.
  • the same components as those of the fuel cell stack 80 according to the second embodiment are designated by the same reference numerals, and the detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell stack 130 arranges the end plates 132 a and 132 b at both ends in the stacking direction of the stack 14. As shown in FIG. 9, the end plate 132a is provided with recesses 134a and 136a on both sides of the lower central portion, and is provided with recesses 138a and 140a at predetermined intervals outward from the recesses 134a and 136a. A mount portion 142a is formed between the concave portions 134a and 138a, and a mount portion 144a is formed between the concave portions 136a and 140a.
  • Mount portions 146a and 148a are formed on the outer side of the concave portions 138a and 140a, respectively.
  • the depths of the recesses 134a and 136a are spaced upward from the lower end position of the end plate 132a by a distance L1.
  • the mounts 142b, 144b, 146b and 148b are formed by providing the recesses 134b, 136b, 138b and 140b.
  • the manifold members 106, 108, 110 and 112 are fixed to the end plate 132 a by screws 63.
  • the manifold members 114 and 116 are fixed to the end plate 132 b by screws 63.
  • the depths of the recesses 134b and 136b are spaced upward from the lower end position of the end plate 132b by a distance L1, and the lower screw 63 for fixing the manifold members 118 and 120 is disposed within the distance L1.
  • the distance L1 and the distance L may be set to the same dimension, or the distance L1 and the distance L may be set to different dimensions depending on the shape of the attachment member or the like.
  • the same effects as those of the first and second embodiments described above can be obtained.

Abstract

　簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを設置部位に良好に設置することを可能にする。燃料電池スタック（１０）は、エンドプレート（１６ａ）を備えるとともに、前記エンドプレート（１６ａ）は、下端部に凹部（５０ａ）が設けられることにより、下端部両側に下方に突出する一対のマウント部（５２ａ）が一体に設けられる。そして、マウント部（５２ａ）は、燃料電池スタック（１０）を設置するための設置部位に固定されるとともに、前記マウント部（５２ａ）には、燃料電池スタック（１０）の燃料ガス供給連通孔（３０ａ）及び酸化剤ガス排出連通孔（２８ｂ）に連なるマニホールド部材（６２、６６）をエンドプレート（１６ａ）に固定するための一部のねじ（６３）が配置されている。

Description

燃料電池スタック
　本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される単位セルを備え、複数の前記単位セルが水平方向に積層される燃料電池スタックに関する。
　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、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対の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とともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
　上記の燃料電池スタックは、単位セルの積層方向に沿って燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を流通させる連通孔が形成される、所謂、内部マニホールド型燃料電池スタックを構成する場合がある。このため、燃料電池スタックでは、エンドプレートに、連通孔に連なるマニホールド部材が取り付けられている。
　ところで、燃料電池スタックは、前記燃料電池スタックを燃料電池車両等の設置部位に固定するために、種々のマウント構造を採用している。例えば、特許第４１６５８７６号公報に開示されている燃料電池スタックでは、図１１に示すように、複数の単位セルが積層された積層体１は、箱状ケーシング２内に収容されるとともに、前記ケーシング２は、端板としてエンドプレート３ａ、３ｂを有している。
　一方のエンドプレート３ａには、マニホールド配管部材４ａ、４ｂが複数のねじ（締結部材）５ａにより装着されている。さらに、エンドプレート３ａ、３ｂの下部側には、それぞれマウントブラケット６がねじ５ｂを介して固着されている。各マウントブラケット６は、複数のねじ５ｃを介して設置部位（例えば、自動車車体）に取り付けられている。
　ところで、上記の燃料電池スタックでは、各マウントブラケット６は、ねじ５ｂのみを介してエンドプレート３ａ、３ｂに固定されているため、前記マウントブラケット６自体が十分な剛性を確保する必要がある。従って、マウントブラケット６が相当に大型化するおそれがある。
　しかも、マウントブラケット６は、ねじ５ｂを介してエンドプレート３ａ、３ｂに固定されている。このため、ねじ５ｂを配置するために相当なスペースが必要になり、エンドプレート３ａ、３ｂ自体が大型化する場合がある。
　本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを設置部位に良好に設置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。
　本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される単位セルを備え、複数の前記単位セルが水平方向に積層されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体が流通する連通孔が形成される積層体と、前記積層体の積層方向両端に配置されるエンドプレートとを有する燃料電池スタックに関するものである。
　この燃料電池スタックでは、少なくとも一方のエンドプレートには、連通孔に連なるマニホールド部材が締結部材により固定されるとともに、前記エンドプレートは、下端部に凹部が設けられることにより、前記下端部に前記凹部を挟んで下方に突出する一対のマウント部が一体に設けられている。そして、一対のマウント部は、燃料電池スタックを設置するための設置部位に固定されている。
　また、この燃料電池スタックでは、一対のマウント部には、締結部材の少なくとも一部が配置されることが好ましい。
　さらに、この燃料電池スタックでは、エンドプレートは、マニホールド部材を取り付ける表面が、マウント部を含んで平坦面に形成されることが好ましい。
　さらにまた、この燃料電池スタックでは、エンドプレートの下端部に、凹部が複数設けられることが好ましい。
　また、この燃料電池スタックでは、エンドプレートは、マウント部の底部がねじにより固定されることが好ましい。
　本発明によれば、エンドプレートの下端部両側に下方に突出して一対のマウント部が一体に設けられているため、前記一対のマウント部の構成が簡素化するとともに、部品点数が良好に削減される。従って、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを設置部位に良好に設置することが可能になる。
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。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの正面説明図である。 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。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一方のエンドプレート側からの正面図である。 前記燃料電池スタックの他方のエンドプレート側からの正面図である。 本発明の第３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。 前記燃料電池スタックの一方のエンドプレート側からの正面図である。 前記燃料電池スタックの他方のエンドプレート側からの正面図である。 特許第４１６５８７６号公報に開示されている燃料電池スタックの斜視説明図である。
　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、単位セル１２を備え、複数の前記単位セル１２が立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層されて積層体１４を構成する。積層体１４の積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配置されるとともに、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂは、複数本の連結バー１８の両端にねじ２０を介して固定され、積層体１４に積層方向に締め付け荷重を付与する。
　なお、連結バー１８に代えて、タイロッドを使用したり、又は、ボックス内に積層体１４を収容したりしてもよい。また、図示しないが、積層体１４とエンドプレート１６ａ、１６ｂとの間には、ターミナルプレート及び絶縁プレートが配置される。
　図２に示すように、単位セル１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６とを備える。
　第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６に代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
　第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かい且つ短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かう（水平方向の積層）ように構成される。なお、短辺が水平方向に向かい且つ長辺が重力方向に向かうように構成してもよい。
　単位セル１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３０ａとが設けられる。
　単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとが設けられる。
　単位セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方（反応ガス入口側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔３２ａが設けられる。単位セル１２の短辺方向の両端縁部他方（反応ガス出口側）には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔３２ｂが設けられる。
　電解質膜・電極構造体２２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３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するカソード電極３６及びアノード電極３８とを備える。
　カソード電極３６及びアノード電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。
　第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとを連通する酸化剤ガス流路４０が形成される。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状流路溝により形成される。
　第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の波状流路溝により形成される。
　第２金属セパレータ２６の面２６ｂと第１金属セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａ、３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂ、３２ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、電解質膜・電極構造体２２の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。
　第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形される。第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。第１シール部材４６及び第２シール部材４８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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が用いられる。
　図１及び図３に示すように、エンドプレート１６ａ、１６ｂは、各下端部中央に凹部５０ａ、５０ｂが設けられることにより、下端部両側に下方に突出するそれぞれ一対のマウント部５２ａ、５２ｂが一体に設けられる。凹部５０ａ、５０ｂは、エンドプレート１６ａ、１６ｂの下端位置から上方に距離Ｌだけ離間するとともに、水平方向に距離Ｈだけ離間する範囲に矩形状の開口形状を有して設けられる。距離Ｌ及びＨは、後述するように、マニホールド部材の取り付け位置に応じて設定される。
　各マウント部５２ａ、５２ｂの底部には、ねじ穴５４ａ、５４ｂが形成される。ねじ穴５４ａ、５４ｂは、それぞれ複数個設けてもよい。ねじ穴５４ａ、５４ｂには、ねじ５６が螺合することにより、マウント部５２ａ、５２ｂは、設置部位、例えば、図示しない燃料電池自動車の車体フレームに、直接、又は、カバー部材（図示せず）やブラケット等の他の部材を介装して固定される。エンドプレート１６ａ、１６ｂは、マウント部５２ａ、５２ｂを含む表面全体が平坦面に形成される。
　エンドプレート１６ａには、長辺方向一端縁部に、マニホールド部材６０、６２がそれぞれ複数本のねじ（締結部材）６３を介して上下に装着される。マニホールド部材６０には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａに連通する配管６０ａが設けられる一方、マニホールド部材６２には、燃料ガス供給連通孔３０ａに連通する配管６２ａが設けられる。なお、締結部材は、ねじ６３に限定されるものではなく、一般的な機械的クランプ機構を用いてもよい。
　エンドプレート１６ａの長辺方向他端縁部には、マニホールド部材６４、６６がそれぞれ複数本のねじ６３を介して上下に装着される。マニホールド部材６４には、燃料ガス排出連通孔３０ｂに連通する配管６４ａが設けられる一方、マニホールド部材６６には、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する配管６６ａが設けられる。
　エンドプレート１６ａの短辺方向上端縁部には、マニホールド部材６８が複数本のねじ６３を介して装着されるとともに、前記エンドプレート１６ａの短辺方向下端縁部には、マニホールド部材７０が複数本のねじ６３を介して装着される。マニホールド部材６８には、冷却媒体供給連通孔３２ａに連通する配管６８ａと、冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通する配管６８ｂとが設けられる。マニホールド部材７０には、冷却媒体供給連通孔３２ａに連通する配管７０ａと、冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通する配管７０ｂとが設けられる。
　マニホールド部材６２、６６では、締結点である下方のねじ６３が、マウント部５２ａ、５２ｂの領域内に設けられる。下方のねじ６３は、水平方向に沿って凹部５０ａの範囲内に、すなわち、前記凹部５０ａの高さ（矢印Ｃ方向）Ｌの範囲内に位置している。凹部５０ａの距離Ｌ及びＨは、特にマニホールド部材６２、６６及び７０をねじ６３によりエンドプレート１６ａに効率的に固定し得る最大寸法に設定される。
　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。
　先ず、図１及び図３に示すように、配管６０ａから酸化剤ガス供給連通孔２８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、配管６２ａから燃料ガス供給連通孔３０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、配管６８ａ、７０ａから一対の冷却媒体供給連通孔３２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
　このため、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３６に供給される。
　一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３０ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３８に供給される。
　従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３８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て発電が行われる。
　次いで、電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に流通し、配管６６ａから排出される（図３参照）。一方、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に流通し、配管６４ａから排出される（図３参照）。
　また、一対の冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、図２に示すように、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６間の冷却媒体流路４４に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔３２ｂを流通し、配管６８ｂ、７０ｂから排出される。
　この場合、第１の実施形態では、図１及び図３に示すように、エンドプレート１６ａ、１６ｂは、各下端部中央に凹部５０ａ、５０ｂが設けられることにより、下端部両側に下方に突出するそれぞれ一対のマウント部５２ａ、５２ｂが一体に設けられている。このため、マウント構造をエンドプレート１６ａ、１６ｂとは別部材で構成する場合に比べ、マウント部５２ａ、５２ｂの構成が一挙に簡素化するとともに、部品点数が良好に削減されて経済的である。
　しかも、図３に示すように、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連なるマニホールド部材６２、６６をエンドプレート１６ａに固定するためのねじ（締結部材）６３は、マウント部５２ａの領域に配置されている。従って、エンドプレート１６ａ、１６ｂの高さ方向（矢印Ｃ方向）の寸法が可及的に短尺化され、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタック１０を設置部位に良好に設置することが可能になるという効果が得られる。
　図４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。
　燃料電池スタック８０は、複数の単位セル８２が立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。
　積層体１４の積層方向両端には、エンドプレート８４ａ、８４ｂが配置されるとともに、前記エンドプレート８４ａ、８４ｂは、複数本の連結バー１８により固定される。連結バー１８は、両端面をエンドプレート８４ａ、８４ｂの内側プレート面に当接させ、各端面には、エンドプレート８４ａ、８４ｂの外側プレート面から積層方向にねじ２０がねじ込まれる。
　図５に示すように、単位セル８２は、電解質膜・電極構造体８６を第１金属セパレータ８８と第２金属セパレータ９０とにより挟持する。単位セル８２では、酸化剤ガス供給連通孔２８ａの酸化剤ガス流れ方向及び燃料ガス供給連通孔３０ａの燃料ガス流れ方向と、冷却媒体供給連通孔３２ａの冷却媒体流れ方向とが、積層方向において逆方向に設定される。同様に、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂの酸化剤ガス流れ方向及び燃料ガス排出連通孔３０ｂの燃料ガス流れ方向と、冷却媒体排出連通孔３２ｂの冷却媒体流れ方向とが、積層方向において逆方向に設定される。
　図４及び図６に示すように、エンドプレート８４ａ、８４ｂは、各下端部中央に凹部９２ａ、９２ｂが設けられる。凹部９２ａの両側には、所定距離離間して凹部９４ａ、９６ａが設けられるとともに、凹部９２ｂの両側には、所定距離離間して凹部９４ｂ、９６ｂが設けられる。
　エンドプレート８４ａの下端部には、凹部９２ａと凹部９４ａ、９６ａとの間に一対のマウント部９８ａ、１００ａが設けられ、前記凹部９４ａ、９６ａの外方には、一対のマウント部１０２ａ、１０４ａが設けられる。エンドプレート８４ｂには、同様に、凹部９２ｂ、９４ｂ及び９６ｂを介してマウント部９８ｂ、１００ｂ、１０２ｂ及び１０４ｂが設けられる。
　エンドプレート８４ａには、長辺方向一端縁部にマニホールド部材１０６、１０８が、それぞれねじ６３を介して上下に装着される。マニホールド部材１０６には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａに連通する配管１０６ａが設けられる一方、マニホールド部材１０８には、燃料ガス供給連通孔３０ａに連通する配管１０８ａが設けられる。エンドプレート８４ａの長辺方向他端縁部には、マニホールド部材１１０、１１２がねじ６３を介して上下に装着される。マニホールド部材１１０には、燃料ガス排出連通孔３０ｂに連通する配管１１０ａが設けられる一方、マニホールド部材１１２には、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する配管１１２ａが設けられる。
　図７に示すように、エンドプレート８４ｂには、短辺方向上端縁部にマニホールド部材１１４、１１６がねじ６３を介して装着されるとともに、前記エンドプレート８４ｂの短辺方向下端縁部には、マニホールド部材１１８、１２０がねじ６３を介して装着される。上下に配置されるマニホールド部材１１４、１１８は、各冷却媒体供給連通孔３２ａに連通する配管１１４ａ、１１８ａを有し、これらが単一の配管１２２に接続される。上下に配置されるマニホールド部材１１６、１２０は、各冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通する配管１１６ａ、１２０ａを有し、これらが単一の配管１２４に接続される。
　このように構成される第２の実施形態では、エンドプレート８４ａの下端部には、凹部９２ａを挟んで一対のマウント部９８ａ、１００ａが一体に設けられるとともに、凹部９４ａ、９６ａを挟んで一対のマウント部１０２ａ、１０４ａが一体に設けられている。さらに、エンドプレート８４ｂには、凹部９２ｂを挟んでマウント部９８ｂ、１００ｂが一体に設けられるとともに、凹部９４ｂ、９６ｂを挟んでマウント部１０２ｂ、１０４ｂが一体に設けられている。このため、マウント構造をエンドプレート８４ａ、８４ｂとは別部材で構成する場合に比べ、構成が一挙に簡素化する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
　図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の概略斜視説明図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０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。
　燃料電池スタック１３０は、積層体１４の積層方向両端にエンドプレート１３２ａ、１３２ｂを配置する。図９に示すように、エンドプレート１３２ａは、下部中央部側を挟んで凹部１３４ａ、１３６ａを設けるとともに、前記凹部１３４ａ、１３６ａから所定間隔外方に離間して凹部１３８ａ、１４０ａが設けられる。凹部１３４ａ、１３８ａ間には、マウント部１４２ａが形成されるとともに、凹部１３６ａ、１４０ａ間には、マウント部１４４ａが形成される。
　凹部１３８ａ、１４０ａの外方には、それぞれマウント部１４６ａ、１４８ａが形成される。凹部１３４ａ、１３６ａの深さは、エンドプレート１３２ａの下端位置から上方に距離Ｌ１だけ離間する。
　エンドプレート１３２ｂは、同様に、凹部１３４ｂ、１３６ｂ、１３８ｂ及び１４０ｂを設けることにより、マウント部１４２ｂ、１４４ｂ、１４６ｂ及び１４８ｂが形成される。エンドプレート１３２ａには、マニホールド部材１０６、１０８、１１０及び１１２がねじ６３により固定される。
　図１０に示すように、エンドプレート１３２ｂには、マニホールド部材１１４、１１６がねじ６３により固定される。凹部１３４ｂ、１３６ｂの深さは、エンドプレート１３２ｂの下端位置から上方に距離Ｌ１だけ離間するとともに、この距離Ｌ１内には、マニホールド部材１１８、１２０を固定する下方のねじ６３が配置される。
　距離Ｌ１と距離Ｌとは、同一の寸法に設定されてもよく、又は、取り付け部材の形状等によって、前記距離Ｌ１と前記距離Ｌとは、異なる寸法に設定されてもよい。このように構成される第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

Claims (5)

  1. 　電解質（３４）の両側にそれぞれ電極（３６、３８）が設けられる電解質・電極構造体（２２）とセパレータ（２４、２６）とが積層される単位セル（１２）を備え、複数の前記単位セル（１２）が水平方向に積層されるとともに、積層方向に沿って少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体が流通する連通孔（３０ａ）が形成される積層体（１４）と、前記積層体（１４）の積層方向両端に配置されるエンドプレート（１６ａ、１６ｂ）とを有する燃料電池スタック（１０）であって、
    　少なくとも一方の前記エンドプレート（１６ａ）には、前記連通孔（３０ａ）に連なるマニホールド部材（６２）が締結部材（６３）により固定されるとともに、
    　前記エンドプレート（１６ａ）は、下端部に凹部（５０ａ）が設けられることにより、前記下端部に前記凹部（５０ａ）を挟んで下方に突出する一対のマウント部（５２ａ）が一体に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 　請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記一対のマウント部（５２ａ）には、前記締結部材（６３）の少なくとも一部が配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
  3. 　請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレート（１６ａ）は、前記マニホールド部材（６２）を取り付ける表面が、前記マウント部（５２ａ）を含んで平坦面に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
  4. 　請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレート（８４ａ）の下端部に、前記凹部（９４ａ、９６ａ）が複数設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
  5. 　請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレート（１６ａ）は、前記マウント部（５２ａ）の底部がねじ（５６）により固定されることを特徴とする燃料電池スタック。
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