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JP2005276484A - Fuel cell stack - Google Patents

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JP2005276484A JP2004084713A JP2004084713A JP2005276484A JP 2005276484 A JP2005276484 A JP 2005276484A JP 2004084713 A JP2004084713 A JP 2004084713A JP 2004084713 A JP2004084713 A JP 2004084713A JP 2005276484 A JP2005276484 A JP 2005276484A
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So Fujiwara
宗 藤原
Hironari Sato
裕也 佐藤
Ichiro Baba
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to maintain power generation performance and sealing performance by certainly applying a desired tightening load with a simple and compact structure. <P>SOLUTION: The casing 24 comprises end plates 20a, 20b and side plates 60a-60d. A coupling pin 64a is inserted in the tab portions 66a, 66b of the end plates 20a, 20b and the tab portions 70a, 70b of the side plates 60a, 60c, and a coupling pin 64b is inserted in the tab portions 66a, 66b of the end plate 20a and the tab portions 72a, 72b of the above side plates 60b, 60d. At this time, a plurality of coupling pins 64a, 64b selected respectively in various different diameters are prepared and by using any coupling pins 64a, 64b, the distance between the end plates 20a, 20b can be adjusted. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。   The present invention includes a unit cell in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is contained in a box-shaped casing. It relates to a battery stack.

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(電解質)を採用している。この電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合している。   For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane with a separator. Each of the anode side electrode and the cathode side electrode has a noble metal-based electrode catalyst layer bonded to a base material mainly composed of carbon.

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。   In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。   Normally, this fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) is stacked in order to obtain a desired power generation. In this fuel cell stack, the stacked fuel cells need to be reliably pressurized and held in order to prevent an increase in the internal resistance of the fuel cell and a decrease in the sealing performance of the reaction gas.

そこで、例えば、特許文献1の燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックは、図9に示すように、複数の単位セル1を積層した積層体2を備えるとともに、この積層体2の積層方向両端にエンドプレート3、3を介装して補助プレート4a、4bが配設されている。   Therefore, for example, a fuel cell stack of Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 9, the fuel cell stack includes a stacked body 2 in which a plurality of unit cells 1 are stacked, and an auxiliary plate 4 a with end plates 3 and 3 interposed at both ends in the stacking direction of the stacked body 2. 4b are arranged.

積層体2の両側部に沿って、一対の締結バンド5、5が配置されている。締結バンド5、5及び補助プレート4a、4bの端部には、円筒状の連結部6がそれぞれの孔部が一直線上に並ぶように設けられている。そして、各連結部6に金属ピン7が挿入されることにより、締結バンド5、5及び補助プレート4a、4bが一体的に連結されている。   A pair of fastening bands 5 and 5 are disposed along both side portions of the laminate 2. Cylindrical connecting portions 6 are provided at the ends of the fastening bands 5 and 5 and the auxiliary plates 4a and 4b so that the respective holes are aligned in a straight line. The fastening bands 5 and 5 and the auxiliary plates 4a and 4b are integrally connected by inserting the metal pin 7 into each connecting portion 6.

補助プレート4aには、複数のボルト8が螺合する一方、補助プレート4bには、複数の皿ばね9が配設されている。従って、ボルト8が螺入されると、補助プレート4aが下方に押圧されるとともに、補助プレート4bに配置された皿ばね9が圧縮され、エンドプレート3を介して積層体2に必要な締結圧が付与される、としている。   A plurality of bolts 8 are screwed onto the auxiliary plate 4a, while a plurality of disc springs 9 are disposed on the auxiliary plate 4b. Therefore, when the bolt 8 is screwed, the auxiliary plate 4a is pressed downward, and the disc spring 9 disposed on the auxiliary plate 4b is compressed, and the fastening pressure required for the laminate 2 via the end plate 3 is compressed. Is granted.

特開2001−135344号公報(図5)JP 2001-135344 A (FIG. 5)

上記の特許文献1では、締結バンド5、5の各連結部6と補助プレート4a、4bの連結部6とに金属ピン7が一体的に嵌合しており、前記補助プレート4a、4b間の距離が固定されている。このため、経時変化等によって燃料電池スタックの締め付け荷重が低下した際には、複数のボルト8を締め付けることにより、所望の締め付け荷重を維持する必要がある。   In said patent document 1, the metal pin 7 is integrally fitted by each connection part 6 of the fastening bands 5 and 5 and the connection part 6 of auxiliary plate 4a, 4b, Between the said auxiliary plates 4a, 4b. The distance is fixed. For this reason, when the tightening load of the fuel cell stack is reduced due to a change over time or the like, it is necessary to maintain a desired tightening load by tightening the plurality of bolts 8.

しかしながら、特許文献1では、燃料電池スタックの締め付け荷重を調整するために、専用部品である複数のボルト8を備えている。従って、専用部品の追加によって燃料電池スタックの重量が増加するとともに、前記燃料電池スタックは、単位セル1の積層方向に大型化するという問題がある。   However, in patent document 1, in order to adjust the fastening load of the fuel cell stack, a plurality of bolts 8 that are dedicated parts are provided. Accordingly, there is a problem that the weight of the fuel cell stack increases due to the addition of the dedicated parts, and the fuel cell stack is enlarged in the stacking direction of the unit cells 1.

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、積層体の積層方向に所望の締め付け荷重を確実に付与することができ、各単位セルの発電性能及びシール性を維持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 with a simple and compact configuration, a desired tightening load can be reliably applied in the stacking direction of the stack, and the power generation performance and sealing performance of each unit cell can be improved. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can be maintained.

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックである。   The present invention includes a unit cell in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is contained in a box-shaped casing. It is a battery stack.

ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記側板に設けられる第1連結部及び前記側板に設けられる第2連結部に同軸的に挿入されて前記端板と前記側板とを連結するとともに、異なる直径に選択されて該端板間の距離を調整可能な複数の連結ピンとを備えている。   The casing includes end plates disposed at both end portions in the stacking direction of the laminate, a plurality of side plates disposed at the side portions of the laminate, a first connecting portion provided on the side plate, and a second provided on the side plate. A plurality of connecting pins, which are coaxially inserted into the connecting portion to connect the end plate and the side plate, are selected to have different diameters and can adjust the distance between the end plates.

また、本発明では、ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記側板に設けられる第1連結部又は前記側板に設けられる第2連結部に挿入され、前記端板と前記側板とを連結ピンにより連結するとともに、連結ピン挿入孔が積層方向の異なる位置に選択されて該端板間の距離を調整可能な複数の連結コマ部材とを備えている。   In the present invention, the casing includes end plates disposed at both ends in the stacking direction of the laminate, a plurality of side plates disposed at the side portions of the laminate, and the first connecting portion provided on the side plate or the Inserted in the second connecting part provided on the side plate, connects the end plate and the side plate with a connecting pin, and the connecting pin insertion hole is selected at a different position in the stacking direction to adjust the distance between the end plates A plurality of connecting piece members.

さらに、セパレータは、反応ガス流路に対応して断面凹凸形状に形成された金属プレートで構成されることが好ましい。従って、積層体の端部には、皿ばね等の伸縮を吸収する部材を設ける必要がない。   Furthermore, it is preferable that the separator is composed of a metal plate having a concavo-convex shape corresponding to the reaction gas flow path. Therefore, it is not necessary to provide a member that absorbs expansion and contraction such as a disc spring at the end of the laminated body.

本発明では、連結ピンの直径が変更されると、第1及び第2連結部の内径と前記連結ピンの外径との寸法差によって、端板が側板に対して単位セルの積層方向に位置調整され、前記端板同士の距離が変更される。例えば、直径の小さな連結ピンが使用されると、端板同士の距離が長くなる一方、直径の大きな連結ピンが使用されると、前記端板同士の距離が短くなる。   In the present invention, when the diameter of the connecting pin is changed, the end plate is positioned in the stacking direction of the unit cells with respect to the side plate due to a dimensional difference between the inner diameter of the first and second connecting portions and the outer diameter of the connecting pin. It is adjusted and the distance between the end plates is changed. For example, when a connecting pin with a small diameter is used, the distance between the end plates increases, while when a connecting pin with a large diameter is used, the distance between the end plates decreases.

従って、予め直径の小さな連結ピンを用いて燃料電池スタックを組み立てておけば、経時変化等によって締め付け荷重が低下した際に、該直径の小さな連結ピンに換えて直径の大きな連結ピンを組み付けるだけで、端板同士の距離が短くなって締め付け荷重が増加する。しかも、燃料電池スタックの組み立て時に締め付けボルトの締め付け調整等が不要になって、前記燃料電池スタックの組み立て作業の簡素化が容易に遂行可能になる。   Therefore, if a fuel cell stack is assembled using connecting pins with a small diameter in advance, when the tightening load decreases due to changes over time, the connecting pin with a large diameter is simply assembled instead of the connecting pin with a small diameter. The distance between the end plates is shortened and the tightening load is increased. In addition, when the fuel cell stack is assembled, the tightening adjustment of the tightening bolts is not necessary, and the assembly operation of the fuel cell stack can be easily performed.

これにより、簡単且つコンパクトな構成で、積層体の積層方向に所望の締め付け荷重を確実に付与することができ、各単位セルの発電性能及びシール性を維持することが可能になる。   Thereby, it is possible to reliably apply a desired tightening load in the stacking direction of the stacked body with a simple and compact configuration, and to maintain the power generation performance and sealing performance of each unit cell.

また、本発明では、連結ピン挿入孔の位置が積層方向に変更されると、端板が側板に対して単位セルの積層方向に位置調整され、前記端板同士の距離が変更される。このため、簡単且つコンパクトな構成で、積層体の積層方向に所望の締め付け荷重を確実に付与することができ、各単位セルの発電性能及びシール性を維持することが可能になる。   In the present invention, when the position of the connecting pin insertion hole is changed in the stacking direction, the end plates are adjusted in the stacking direction of the unit cells with respect to the side plates, and the distance between the end plates is changed. For this reason, it is possible to reliably apply a desired tightening load in the stacking direction of the stacked body with a simple and compact configuration, and to maintain the power generation performance and sealing performance of each unit cell.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の一部分解概略斜視図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の一部断面側面図である。   FIG. 1 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partial sectional side view of the fuel cell stack 10.

図1に示すように、燃料電池スタック10は、複数の単位セル12が水平方向(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(矢印A方向)一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、絶縁性スペーサ部材22及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 10 includes a stacked body 14 in which a plurality of unit cells 12 are stacked in the horizontal direction (arrow A direction). A terminal plate 16a, an insulating plate 18 and an end plate 20a are sequentially disposed at one end in the stacking direction (arrow A direction) of the stacked body 14 toward the outside. At the other end in the stacking direction of the stacked body 14, a terminal plate 16b, an insulating spacer member 22 and an end plate 20b are sequentially disposed outward.

燃料電池スタック10は、略四角形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含む箱状ケーシング24により一体的に保持される。なお、エンドプレート20a、20bは、多角形状に構成されていればよく、例えば、略六角形や略八角形等、種々の形状に設定することができる。   The fuel cell stack 10 is integrally held by a box-shaped casing 24 including end plates 20a and 20b each having a substantially rectangular shape as end plates. The end plates 20a and 20b only need to be configured in a polygonal shape, and can be set to various shapes such as a substantially hexagonal shape and a substantially octagonal shape.

図2及び図3に示すように、各単位セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ32、34とを備える。   As shown in FIGS. 2 and 3, each unit cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 30, and a thin plate-shaped first and second sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure 30. Second metal separators 32 and 34 are provided.

単位セル12の水平方向(図3中、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36a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔38a、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排出連通孔40bが設けられる。   One end edge of the unit cell 12 in the horizontal direction (in the direction of arrow B in FIG. 3) communicates with each other in the direction of arrow A, and an oxidant gas supply communication for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. A hole 36a, a cooling medium supply communication hole 38a for supplying a cooling medium, and a fuel gas discharge communication hole 40b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided.

単位セル12の水平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供給連通孔40a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔38b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔36bが設けられる。   At the other end edge of the unit cell 12 in the horizontal direction, a fuel gas supply communication hole 40a for supplying fuel gas and a cooling medium discharge communication hole 38b for discharging the cooling medium communicate with each other in the direction of arrow A. , And an oxidant gas discharge passage 36b for discharging the oxidant gas.

電解質膜・電極構造体30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を挟持するアノード側電極44及びカソード側電極46とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 30 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 42 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode 44 and a cathode side electrode 46 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 42. With.

アノード側電極44及びカソード側電極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た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の両面に接合される。   The anode side electrode 44 and the cathode side electrode 46 are composed of a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And have. The electrode catalyst layer is bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 42.

第1金属セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、燃料ガス供給連通孔40aと燃料ガス排出連通孔40bとを連通する燃料ガス流路48が形成される。この燃料ガス流路48は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。第1金属セパレータ32の面32bには、冷却媒体供給連通孔38aと冷却媒体排出連通孔38bとを連通する冷却媒体流路50が形成される。この冷却媒体流路50は、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。   A fuel gas flow path 48 that connects the fuel gas supply communication hole 40 a and the fuel gas discharge communication hole 40 b is formed on the surface 32 a of the first metal separator 32 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30. The fuel gas channel 48 is constituted by, for example, a plurality of grooves extending in the arrow B direction. On the surface 32b of the first metal separator 32, a cooling medium flow path 50 that connects the cooling medium supply communication hole 38a and the cooling medium discharge communication hole 38b is formed. The cooling medium flow path 50 is configured by a plurality of grooves extending in the arrow B direction.

第2金属セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路52が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路52は、酸化剤ガス供給連通孔36aと酸化剤ガス排出連通孔36bとに連通する。第2金属セパレータ34の面34bには、第1金属セパレータ32の面32bと重なり合って冷却媒体流路50が一体的に形成される。   The surface 34a of the second metal separator 34 facing the electrolyte membrane / electrode structure 30 is provided with, for example, an oxidant gas flow path 52 composed of a plurality of grooves extending in the direction of arrow B, and this oxidant gas. The flow path 52 communicates with the oxidant gas supply communication hole 36a and the oxidant gas discharge communication hole 36b. A cooling medium flow path 50 is integrally formed on the surface 34 b of the second metal separator 34 so as to overlap the surface 32 b of the first metal separator 32.

第1金属セパレータ32の面32a、32bには、この第1金属セパレータ32の外周端部を周回して第1シール部材54が一体成形される。第1シール部材54は、面32aで燃料ガス供給連通孔40a、燃料ガス排出連通孔40b及び燃料ガス流路48を囲繞してこれらを連通させる一方、面32bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50を囲繞してこれらを連通させる。   A first seal member 54 is integrally formed on the surfaces 32 a and 32 b of the first metal separator 32 around the outer peripheral end of the first metal separator 32. The first seal member 54 surrounds the fuel gas supply communication hole 40a, the fuel gas discharge communication hole 40b, and the fuel gas flow path 48 on the surface 32a so as to communicate with each other, and on the surface 32b, the cooling medium supply communication hole 38a, The medium discharge communication hole 38b and the cooling medium flow path 50 are surrounded and communicated with each other.

第2金属セパレータ34の面34a、34bには、この第2金属セパレータ34の外周端部を周回して第2シール部材56が一体成形される。第2シール部材56は、面34aで酸化剤ガス供給連通孔36a、酸化剤ガス排出連通孔36b及び酸化剤ガス流路52を囲繞してこれらを連通させる一方、面34bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50を囲繞してこれらを連通させる。   A second seal member 56 is integrally formed on the surfaces 34 a and 34 b of the second metal separator 34 around the outer peripheral end of the second metal separator 34. The second seal member 56 surrounds and communicates the oxidant gas supply communication hole 36a, the oxidant gas discharge communication hole 36b, and the oxidant gas flow path 52 on the surface 34a, while the cooling medium supply communication hole on the surface 34b. 38a, the cooling medium discharge communication hole 38b, and the cooling medium flow path 50 are surrounded and communicated.

図2に示すように、第1及び第2シール部材54、56間には、固体高分子電解質膜42の外周が直接ケーシング24に接触することを阻止すべく、シール57が介装される。第1及び第2シール部材54、56の外周端部は、ケーシング24の内面との間に僅かな隙間を有していてもよく、また、前記内面に接していてもよい。   As shown in FIG. 2, a seal 57 is interposed between the first and second seal members 54 and 56 to prevent the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 42 from directly contacting the casing 24. The outer peripheral end portions of the first and second seal members 54 and 56 may have a slight gap with the inner surface of the casing 24, or may be in contact with the inner surface.

図1及び図2に示すように、ターミナルプレート16a、16bの端部には、面方向に突出する板状の端子部58a、58bが形成される。端子部58a、58bには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。   As shown in FIGS. 1 and 2, plate-like terminal portions 58a and 58b protruding in the surface direction are formed at the ends of the terminal plates 16a and 16b. For example, a load such as a traveling motor is connected to the terminal portions 58a and 58b.

ケーシング24は、図1に示すように、端板であるエンドプレート20a、20bと、積層体14の側部に配置される複数の側板60a〜60dと、前記側板60a〜60dの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材(例えば、Lアングル)62a〜62dと、前記エンドプレート20a、20bと前記側板60a〜60dとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン64a、64bとを備える。連結ピン64a、64bは、後述するように種々の異なる直径D1〜Dnに設定された複数の連結ピン64a、64bを備えている。   As shown in FIG. 1, the casing 24 includes end plates 20 a and 20 b that are end plates, a plurality of side plates 60 a to 60 d disposed on the side of the laminated body 14, and end portions of the side plates 60 a to 60 d that are close to each other. Angle members (for example, L angles) 62a to 62d that connect the portions, and connecting pins 64a and 64b having different lengths that connect the end plates 20a and 20b and the side plates 60a to 60d, respectively. The connection pins 64a and 64b include a plurality of connection pins 64a and 64b set to various different diameters D1 to Dn as described later.

アングル部材62a〜62dは、積層体14と側板60a〜60dとの間に介装されるとともに、前記積層体14の四隅(角部)に配置される。側板60a〜60dは、比較的肉薄に構成される一方、アングル部材62a〜62dは、前記側板60a〜60dよりも肉厚に構成される。   The angle members 62a to 62d are interposed between the laminated body 14 and the side plates 60a to 60d, and are disposed at the four corners (corner portions) of the laminated body 14. The side plates 60a to 60d are configured to be relatively thin, while the angle members 62a to 62d are configured to be thicker than the side plates 60a to 60d.

エンドプレート20a、20bの上下各辺には、それぞれ2つのタブ部66a、66bが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ1つのタブ部66a、66bが突出形成される。タブ部66a、66bには、孔部67a、67bが形成されている。エンドプレート20a、20bの両側の各辺下端には、マウント用ボス部68a、68bが形成される。このボス部68a、68bが、図示しない搭載部位にボルト等を介して固定されることにより、燃料電池スタック10を、例えば、車両に搭載する。   Two tab portions 66a and 66b project from the upper and lower sides of the end plates 20a and 20b, respectively, and one tab portion 66a and 66b project from the sides on both sides. Hole portions 67a and 67b are formed in the tab portions 66a and 66b. Mount bosses 68a and 68b are formed at the lower ends of the respective sides of the end plates 20a and 20b. The boss portions 68a and 68b are fixed to a mounting portion (not shown) via a bolt or the like, so that the fuel cell stack 10 is mounted on, for example, a vehicle.

積層体14の両側に配置される側板60a、60cの長手方向両端には、タブ部70a、70bが2つずつ形成される。タブ部70a、70bには、孔部71a、71bが形成されている。積層体14の上下に配置される側板60b、60dの長手方向両端には、タブ部72a、72bが3つずつ形成される。タブ部72a、72bには、孔部73a、73bが形成されている。   Two tab portions 70a and 70b are formed at both ends in the longitudinal direction of the side plates 60a and 60c arranged on both sides of the laminated body 14, respectively. Hole portions 71a and 71b are formed in the tab portions 70a and 70b. Three tab portions 72a and 72b are formed at both ends in the longitudinal direction of the side plates 60b and 60d arranged above and below the laminated body 14, respectively. Hole portions 73a and 73b are formed in the tab portions 72a and 72b.

側板60a、60cの各タブ部70a、70b間には、エンドプレート20a、20bの両側の各辺のタブ部66a、66bが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン64aが一体的に挿入されて、前記側板60a、60cが前記エンドプレート20a、20bに取り付けられる。   Between the tab portions 70a and 70b of the side plates 60a and 60c, tab portions 66a and 66b on both sides of the end plates 20a and 20b are disposed, and a short connecting pin 64a is integrally inserted therein. The side plates 60a and 60c are attached to the end plates 20a and 20b.

同様に、側板60b、60dのタブ部72a、72bがエンドプレート20a、20bの上辺及び下辺のタブ部66a、66bと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン64bが一体的に挿入されて、前記側板60b、60dが前記エンドプレート20a、20bに取り付けられる。   Similarly, the tab portions 72a and 72b of the side plates 60b and 60d are alternately arranged with the tab portions 66a and 66b on the upper side and the lower side of the end plates 20a and 20b, and a long connecting pin 64b is inserted integrally therewith. Then, the side plates 60b and 60d are attached to the end plates 20a and 20b.

側板60a〜60dには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数の孔部74が形成される一方、アングル部材62a〜62dの各辺には、前記孔部74に対応してねじ孔76が形成される。各孔部74に挿入される各ねじ78がねじ孔76に螺合することにより、側板60a〜60dがアングル部材62a〜62dに固定される。これにより、ケーシング24が構成される(図4参照)。   In the side plates 60a to 60d, a plurality of hole portions 74 are formed at both edges in the short direction, and screw holes 76 are formed on the sides of the angle members 62a to 62d corresponding to the hole portions 74. Is done. The screws 78 inserted into the holes 74 are screwed into the screw holes 76, whereby the side plates 60a to 60d are fixed to the angle members 62a to 62d. Thereby, the casing 24 is configured (see FIG. 4).

図1及び図2に示すように、スペーサ部材22は、ケーシング24の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材22は、積層体14の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体14に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整されており、必要に応じて用いられている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the spacer member 22 has a rectangular shape set to a predetermined size so as to be positioned on the inner periphery of the casing 24. The spacer member 22 is adjusted in thickness in order to absorb a variation in the length of the stacked body 14 in the stacking direction and to apply a desired tightening load to the stacked body 14, and is used as necessary. It has been.

このように構成される燃料電池スタック10を組み立てる作業について、以下に説明する。   The operation of assembling the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

先ず、それぞれ比較的小径な直径D1に設定された連結ピン64a、64bが選択されており、図5に示すように、前記連結ピン64aは、エンドプレート20a、20bのタブ部66a、66bと、側板60a、60cのタブ部70a、70bとに一体的に挿入される。その際、連結ピン64aの直径D1は、タブ部66a、66bの孔部67a、67b及びタブ部70a、70bの孔部71a、71bのそれぞれの開口径よりも相当に小径に設定されている。このため、エンドプレート20a、20b同士は、比較的大きな距離L1だけ離間することができる。   First, connecting pins 64a and 64b each having a relatively small diameter D1 are selected. As shown in FIG. 5, the connecting pins 64a are connected to the tab portions 66a and 66b of the end plates 20a and 20b, The tabs 70a and 70b of the side plates 60a and 60c are inserted integrally. At that time, the diameter D1 of the connecting pin 64a is set to be considerably smaller than the respective opening diameters of the holes 67a and 67b of the tab portions 66a and 66b and the holes 71a and 71b of the tab portions 70a and 70b. For this reason, the end plates 20a and 20b can be separated from each other by a relatively large distance L1.

一方、連結ピン64bにおいても同様に、この連結ピン64bは、比較的小径な直径D1に設定される。これにより、エンドプレート20a、20bに側板60b、60dが取り付けられた状態で、前記エンドプレート20a、20b同士は、比較的大きな距離L1を保持することが可能になる。   On the other hand, the connecting pin 64b is similarly set to a relatively small diameter D1. Thus, the end plates 20a and 20b can hold a relatively large distance L1 with the side plates 60b and 60d attached to the end plates 20a and 20b.

次いで、燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。   Next, the operation of the fuel cell stack 10 will be described below.

この燃料電池スタック10では、先ず、図4に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給連通孔36aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔40aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔38aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、積層体14では、矢印A方向に重ね合わされた複数の単位セル12に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印A方向に供給される。   In the fuel cell stack 10, first, as shown in FIG. 4, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas supply communication hole 36a of the end plate 20a, and hydrogen is supplied to the fuel gas supply communication hole 40a. Fuel gas such as contained gas is supplied. Further, a coolant such as pure water or ethylene glycol is supplied to the coolant supply passage 38a. For this reason, in the stacked body 14, the oxidant gas, the fuel gas, and the cooling medium are supplied in the direction of arrow A to the plurality of unit cells 12 stacked in the direction of arrow A.

図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔36aから第2金属セパレータ34の酸化剤ガス流路52に導入され、電解質膜・電極構造体30のカソード側電極46に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔40aから第1金属セパレータ32の燃料ガス流路48に導入され、電解質膜・電極構造体30のアノード側電極44に沿って移動する。   As shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 52 of the second metal separator 34 through the oxidant gas supply communication hole 36 a, and along the cathode side electrode 46 of the electrolyte membrane / electrode structure 30. Move. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas passage 48 of the first metal separator 32 through the fuel gas supply communication hole 40 a and moves along the anode side electrode 44 of the electrolyte membrane / electrode structure 30.

従って、各電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極46に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極44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 each electrolyte membrane / electrode structure 30, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 46 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 44 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.

次いで、カソード側電極46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36bに沿って流動した後、エンドプレート20aから外部に排出される。同様に、アノード側電極44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40bに排出されて流動し、エンドプレート20aから外部に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 46 flows along the oxidant gas discharge communication hole 36b, and then is discharged to the outside from the end plate 20a. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 44 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 40b, flows, and is discharged from the end plate 20a to the outside.

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔38aから第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、冷却媒体排出連通孔38bを移動してエンドプレート20aから排出される。   The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling medium flow path 50 between the first and second metal separators 32 and 34 from the cooling medium supply communication hole 38a. The cooling medium cools the electrolyte membrane / electrode structure 30, and then moves through the cooling medium discharge communication hole 38b and is discharged from the end plate 20a.

ところで、上記の燃料電池スタック10では、例えば、第1及び第2金属セパレータ32、34のへたり等によって、積層体14の締め付け荷重が経時的に低下する場合がある。そこで、第1の実施形態では、比較的小径な直径D1に設定された連結ピン64a、64bに代えて、比較的大径な直径D2に設定された連結ピン64a、64bをケーシング24に組み込む作業が行われる。   Incidentally, in the fuel cell stack 10 described above, the tightening load of the stacked body 14 may decrease with time due to, for example, the sag of the first and second metal separators 32 and 34. Therefore, in the first embodiment, the connecting pins 64a and 64b set to the relatively large diameter D2 are incorporated into the casing 24 instead of the connecting pins 64a and 64b set to the relatively small diameter D1. Is done.

その際、図6に示すように、直径D2に設定された連結ピン64aは、各タブ部66a、66b、70a及び70bの各孔部67a、67b、71a及び71bの開口径と略同一の寸法に設定されている。従って、連結ピン64aを孔部67a、71a間、67a、71b間、67b、71a間及び67b、71b間に一体的に挿入すると、エンドプレート20a、20bの距離L2が距離L1よりも短く調整される。   At that time, as shown in FIG. 6, the connecting pin 64a set to the diameter D2 has substantially the same dimensions as the opening diameters of the holes 67a, 67b, 71a and 71b of the tabs 66a, 66b, 70a and 70b. Is set to Accordingly, when the connecting pin 64a is integrally inserted between the holes 67a and 71a, 67a and 71b, 67b and 71a, and 67b and 71b, the distance L2 between the end plates 20a and 20b is adjusted to be shorter than the distance L1. The

これにより、積層体14に対して付与される締め付け荷重が増加し、へたり等の経時変化によって締め付け荷重が低下しても、該積層体14に対して所望の締め付け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。   As a result, the tightening load applied to the laminate 14 increases, and even if the tightening load decreases due to changes over time such as sag, the desired tightening load is reliably applied to the laminate 14. Can be obtained.

一方、比較的大径な直径D2に設定された連結ピン64bは、上記の連結ピン64aと同様に、タブ部66a、66b、72a及び72bの孔部67a、67b、73a及び73bに略嵌合するように挿入される。このため、エンドプレート20a、20bの距離が有効に短尺化(距離L2)され、積層体14の締め付け荷重を増加させることができる。   On the other hand, the connecting pin 64b set to a relatively large diameter D2 is substantially fitted in the holes 67a, 67b, 73a and 73b of the tab portions 66a, 66b, 72a and 72b, similarly to the connecting pin 64a. To be inserted. For this reason, the distance between the end plates 20a and 20b is effectively shortened (distance L2), and the tightening load of the laminate 14 can be increased.

このように、第1の実施形態では、それぞれ異なる直径D1、D2あるいはそれ以上の異なる直径D3〜Dnに設定された複数の連結ピン64a、64bを用意し、締め付け荷重の変化に応じて選択された連結ピン64a、64bをケーシング24に組み付けるだけで、エンドプレート20a、20b間の締め付け荷重を変えることができる。   As described above, in the first embodiment, a plurality of connecting pins 64a and 64b set to different diameters D1 and D2 or different diameters D3 to Dn are prepared and selected according to changes in the tightening load. The fastening load between the end plates 20a and 20b can be changed simply by assembling the connecting pins 64a and 64b to the casing 24.

従って、例えば、締め付けボルトの締め付け調整によって、締め付け荷重を調整する必要がなく、燃料電池スタック10の組み立て作業の簡素化が容易に遂行可能になる。   Therefore, for example, it is not necessary to adjust the tightening load by adjusting the tightening of the tightening bolt, and the assembly work of the fuel cell stack 10 can be easily simplified.

これにより、第1の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、積層体14の積層方向に所望の締め付け荷重を確実に付与することができ、各単位セル12の発電性能及びシール性を維持して高品質な燃料電池スタック10が得られるという利点がある。   Thereby, in the first embodiment, a desired tightening load can be reliably applied in the stacking direction of the stacked body 14 with a simple and compact configuration, and the power generation performance and the sealing performance of each unit cell 12 can be maintained. There is an advantage that a high-quality fuel cell stack 10 can be obtained.

図7は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック80を収容した箱状ケーシング82の一部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10及びケーシング24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. 7 is a partial cross-sectional explanatory view of a box-shaped casing 82 that houses 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 and the casing 24 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

ケーシング82を構成する側板60a〜60は、それぞれ長手方向両端にタブ部84が形成される。タブ部84は、積層方向に長尺な開口断面長方形状の開口部86を設け、この開口部86には、連結ピン挿入孔88a、88bが積層方向の異なる位置に選択されてエンドプレート20a、20b間の距離を調整可能な2種類の連結コマ部材90a、90bが選択的に収容される(図7及び図8参照)。   The side plates 60a to 60 constituting the casing 82 have tab portions 84 formed at both ends in the longitudinal direction. The tab portion 84 is provided with an opening 86 having a rectangular opening cross section that is long in the stacking direction. In the opening 86, the connecting pin insertion holes 88a and 88b are selected at different positions in the stacking direction, and the end plate 20a, Two types of connecting piece members 90a and 90b capable of adjusting the distance between 20b are selectively accommodated (see FIGS. 7 and 8).

このように構成される第2の実施形態では、先ず、各タブ部84の開口部86には、連結コマ部材90aが収容されており、連結ピン92が前記連結コマ部材90aの連結ピン挿入孔88aとタブ部66a、66bとに一体的に挿入される。その際、連結コマ部材90aは、連結ピン挿入孔88aが中心位置よりも積層方向外方に偏心しており、エンドプレート20a、20b同士は、比較的大きな距離L1だけ離間することができる(図7参照)。   In the second embodiment configured as described above, first, the connecting piece member 90a is accommodated in the opening 86 of each tab portion 84, and the connecting pin 92 is connected to the connecting pin insertion hole of the connecting piece member 90a. 88a and tab portions 66a and 66b are integrally inserted. At that time, the connecting piece member 90a has the connecting pin insertion hole 88a decentered outward in the stacking direction from the center position, and the end plates 20a and 20b can be separated from each other by a relatively large distance L1 (FIG. 7). reference).

一方、積層体14の締め付け荷重が低下した際には、図8に示すように、連結コマ部材90aに代えて、連結コマ部材90bが使用される。ここで、連結コマ部材90bは、連結ピン挿入孔88bが略中心位置に設定されている。従って、連結ピン92が連結コマ部材90bの連結ピン挿入孔88bとタブ部66a、66bとに一体的に挿入されると、エンドプレート20a、20bの距離L2が距離L1よりも短く調整される。   On the other hand, when the tightening load of the laminated body 14 is lowered, as shown in FIG. 8, a connecting piece member 90b is used instead of the connecting piece member 90a. Here, in the connecting piece member 90b, the connecting pin insertion hole 88b is set at a substantially central position. Therefore, when the connecting pin 92 is integrally inserted into the connecting pin insertion hole 88b and the tab portions 66a and 66b of the connecting piece member 90b, the distance L2 between the end plates 20a and 20b is adjusted to be shorter than the distance L1.

これにより、積層体14に対して付与される締め付け荷重が増加し、へたり等の経時変化によって締め付け荷重が低下しても、該積層体14に対して所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。   As a result, the tightening load applied to the laminate 14 increases, and even if the tightening load decreases due to changes over time such as sag, the desired tightening load is reliably applied to the laminate 14. The same effect as the first embodiment can be obtained.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。1 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。It is a partial cross section side view of the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the unit cell which comprises the said fuel cell stack. 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。It is a perspective view of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成するケーシングに小径な連結ピンを組み込む際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of incorporating a small diameter connection pin in the casing which comprises the said fuel cell stack. 前記ケーシングに大径な連結ピンを組み込む際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of incorporating a large diameter connecting pin in the casing. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを収容した箱状ケーシングの一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view of the box-shaped casing which stored the fuel cell stack concerning a 2nd embodiment of the present invention. 異なる連結コマ部材が用いられた前記ケーシングの一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view of the casing in which a different connection piece member was used. 特許文献1の燃料電池の概略説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of a fuel cell of Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10、80…燃料電池スタック 12…単位セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
22…スペーサ部材 24…ケーシング
30…電解質膜・電極構造体 32、34…金属セパレータ
42…固体高分子電解質膜 44…アノード側電極
46…カソード側電極 48…燃料ガス流路
50…冷却媒体流路 52…酸化剤ガス流路
54、56…シール部材 60a〜60d…側板
62a〜62d…アングル部材 64a、64b、92…連結ピン
66a、66b、70a、70b、72a、72b、84…タブ部
67a、67b、71a、71b、73a、73b、74…孔部
78…ねじ 88a、88b…連結ピン挿入孔
90a、90b…連結コマ部材

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 80 ... Fuel cell stack 12 ... Unit cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18 ... Insulating plate 20a, 20b ... End plate 22 ... Spacer member 24 ... Casing 30 ... Electrolyte membrane and electrode structure 32, 34 ... Metal separator 42 ... Solid polymer electrolyte membrane 44 ... Anode side electrode 46 ... Cathode side electrode 48 ... Fuel gas channel 50 ... Coolant flow channel 52 ... Oxidant gas channel 54, 56 ... Seal members 60a-60d ... Side plate 62a ... 62d ... Angle members 64a, 64b, 92 ... Connecting pins 66a, 66b, 70a, 70b, 72a, 72b, 84 ... Tab portions 67a, 67b, 71a, 71b, 73a, 73b, 74 ... Holes 78 ... Screws 88a, 88b ... Connecting pin insertion holes 90a, 90b ... Connecting piece members

Claims (3)

一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
前記側板に設けられる第1連結部及び前記側板に設けられる第2連結部に同軸的に挿入されて前記端板と前記側板とを連結するとともに、異なる直径に選択されて該端板間の距離を調整可能な複数の連結ピンと、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
A fuel cell stack comprising a unit cell in which an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is housed in a box-shaped casing. And
The casing includes end plates disposed at both ends in the stacking direction of the stacked body,
A plurality of side plates disposed on the side of the laminate;
The end plate and the side plate are coaxially inserted into the first connecting portion provided on the side plate and the second connecting portion provided on the side plate, and are selected to have different diameters. A plurality of adjustable connecting pins,
A fuel cell stack comprising:
一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
前記側板に設けられる第1連結部又は前記側板に設けられる第2連結部に挿入され、前記端板と前記側板とを連結ピンにより連結するとともに、連結ピン挿入孔が積層方向の異なる位置に選択されて該端板間の距離を調整可能な複数の連結コマ部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
A fuel cell stack comprising a unit cell in which an electrolyte / electrode structure having a pair of electrodes provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is housed in a box-shaped casing. And
The casing includes end plates disposed at both ends in the stacking direction of the stacked body,
A plurality of side plates disposed on the side of the laminate;
Inserted into the first connecting part provided on the side plate or the second connecting part provided on the side plate, the end plate and the side plate are connected by a connecting pin, and the connecting pin insertion holes are selected at different positions in the stacking direction. A plurality of connecting pieces that can adjust the distance between the end plates;
A fuel cell stack comprising:
請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータは、反応ガス流路に対応して断面凹凸形状に形成された金属プレートで構成されることを特徴とする燃料電池スタック。

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the separator is formed of a metal plate having a concavo-convex shape corresponding to the reaction gas flow path. 4.

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