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JP4452585B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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JP4452585B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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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。   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.

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15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. 15, the fuel cell stack includes a stacked body 2 in which a plurality of unit cells 1 are stacked, and auxiliary plates 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、エンドプレート3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、一対のエンドプレート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 in, the end plate 3 is pressed downward, and the disc spring 9 disposed on the auxiliary plate 4b is compressed, which is necessary for the laminated body 2 via the pair of end plates 3. The fastening pressure is applied.

しかしながら、上記の特許文献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 described above, a plurality of bolts 8 that are dedicated parts are provided in order to adjust the tightening load of the fuel cell stack. 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 increases in size in the stacking direction of the unit cells 1.

そこで、例えば、特許文献2に開示されている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では、所定数の単セルを積層した積層体の外側に集電用電極(ターミナルプレート)を介装してエンドプレートが配設されるとともに、前記エンドプレートがヒンジ機構によってケーシングに連結されている。このケーシングは、エンドプレート間に上下及び左右に配設される複数枚のパネル(側板)を備えている。   Therefore, for example, a fuel cell stack disclosed in Patent Document 2 is known. In this fuel cell stack, an end plate is disposed outside a stacked body in which a predetermined number of single cells are stacked with a current collecting electrode (terminal plate) interposed therebetween, and the end plate is attached to a casing by a hinge mechanism. It is connected. The casing includes a plurality of panels (side plates) disposed between the end plates in the vertical and horizontal directions.

これにより、特許文献2では、特許文献1のボルト8が不要になるとともに、薄肉状のエンドプレートを用いることができ、燃料電池スタック全体の小型化及び軽量化が容易に図られる。   Thereby, in patent document 2, while the volt | bolt 8 of patent document 1 becomes unnecessary, a thin end plate can be used, and size reduction and weight reduction of the whole fuel cell stack are achieved easily.

特開2001−135344号公報(図5)JP 2001-135344 A (FIG. 5) 特開2002−298901号公報(図1)JP 2002-298901 A (FIG. 1)

ところで、上記の特許文献2では、例えば、ケーシングを構成する各側板と積層体の側部との間に比較的大きな隙間が発生する場合がある。このため、燃料電池スタックに衝撃が付与された際に、積層体に積層方向に対してずれが生じたり、又は前記積層体に振動が惹起したりするという問題がある。一方、各側板と積層体の側部との間に隙間が相当に小さく、前記側板と前記積層体とが必要以上に接触する場合がある。   By the way, in said patent document 2, a comparatively big clearance gap may generate | occur | produce between each side plate which comprises a casing, and the side part of a laminated body, for example. For this reason, when an impact is applied to the fuel cell stack, there is a problem that the stack is displaced with respect to the stacking direction or vibration is caused in the stack. On the other hand, a gap is considerably small between each side plate and the side part of the laminated body, and the side plate and the laminated body may be in contact with each other more than necessary.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、ケーシングを構成する側板と積層体との隙間を良好に調整するとともに、前記側板と前記積層体との接触状態を任意に設定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 configuration, the gap between the side plate constituting the casing and the laminate is well adjusted, and the contact state between the side plate and the laminate is arbitrarily set. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can be set.

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、前記端板と前記側板とを連結する連結ピンとを備えている。そして、側板の少なくとも1つは、該側板の中立面に対して連結ピンの中心が内側にオフセットすることにより、積層体に近接する方向に曲げ変形されている。 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, and connection pins that connect the end plates and the side plates. At least one of the side plates, by the center of the connecting pin in relation to the neutral plane of the side plate is offset inwardly, are bending deformation in the direction toward the stack.

ここで、側板の中立面とは、側板断面の変形が微少であると仮定した場合に、この側板に曲げ応力が作用する際、理論的に応力及び歪みが0となると推定される面(伸縮が発生しない面)をいう。なお、側板の中立面上に連結ピンの中心が配設されるとは、前記側板の中立軸(中立面が断面と交わる直線)と前記連結ピンの軸芯とが同一平面上にあると換言することができる。   Here, the neutral surface of the side plate is a surface that is assumed to have theoretically zero stress and strain when bending stress acts on the side plate, assuming that the deformation of the cross section of the side plate is very small. A surface that does not expand or contract). Note that the center of the connecting pin is disposed on the neutral surface of the side plate means that the neutral axis of the side plate (a straight line where the neutral surface intersects the cross section) and the axis of the connecting pin are on the same plane. In other words.

また、側板の少なくとも1つは、リブが一体的又は個別に構成されるリブ付きパネルであることが好ましい。側板自体の剛性を良好に向上させることができるからである。   Moreover, it is preferable that at least one of the side plates is a ribbed panel in which the ribs are integrally or individually configured. This is because the rigidity of the side plate itself can be improved satisfactorily.

本発明では、積層体に締め付け荷重が付与されることにより、連結ピンに積層方向に沿って荷重が作用する際、側板の中立面に対して前記連結ピンの中心がオフセットするため、前記側板が前記積層方向に曲げ変形される。   In the present invention, when a tightening load is applied to the laminate, when the load acts on the connecting pins along the stacking direction, the center of the connecting pin is offset with respect to the neutral surface of the side plate. Is bent and deformed in the stacking direction.

その際、連結ピンの中心が側板の中立面に対して積層体に近接する方向(内側)にオフセットしており、前記側板が前記積層体側に曲げ変形される。このため、側板は、積層体の側部に接触してこの積層体を保持することができ、例えば、外部からの衝撃によって前記積層体にずれや振動等が発生することを有効に低減することが可能になる。 At that time, the center of the connecting pin is offset in the direction (inner side) approaching the laminate with respect to the neutral surface of the side plate, and the side plate is bent and deformed toward the laminate. For this reason, the side plate can be in contact with the side portion of the laminated body to hold the laminated body. For example, it effectively reduces the occurrence of displacement or vibration in the laminated body due to an external impact. Is possible.

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。燃料電池スタック10は、四角形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含むケーシング24により一体的に保持される。   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. The fuel cell stack 10 is integrally held by a casing 24 including end plates 20a and 20b each having a rectangular shape as end plates.

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。なお、第1及び第2金属セパレータ32、34に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。   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. Instead of the first and second metal separators 32 and 34, for example, a carbon separator may be used.

単位セル12の長辺方向(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。   An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge of the unit cell 12 in the long side direction (the arrow B direction in FIG. 3). A communication 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。   The other end edge in the long side direction of the unit cell 12 communicates with each other in the direction of arrow A, and a fuel gas supply communication hole 40a for supplying fuel gas, and a cooling medium discharge communication hole for discharging the cooling medium. 38b and an oxidizing gas discharge communication hole 36b for discharging the oxidizing gas are provided.

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(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42の両面に形成される。   The anode side electrode 44 and the cathode side electrode 46 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. And an electrode catalyst layer (not shown) formed. The electrode catalyst layers are formed on 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るために、シール57が介装される。   As shown in FIG. 2, a seal 57 is interposed between the first and second seal members 54 and 56 in order to prevent the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 42 from directly contacting the casing 24. Is done.

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。側板60a〜60dは、薄板金属製プレートで構成される。   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 side plates 60a to 60d are composed of thin metal plates.

エンドプレート20a、20bの上下各辺には、それぞれ2つの第1連結部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つの第1連結部66c、66dが突出形成される。第1連結部66a〜66dには、孔67a〜67dが貫通形成される。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 first connection portions 66a and 66b are formed to project from the upper and lower sides of the end plates 20a and 20b, respectively, and one first connection portion 66c and 66d is formed to project from each side of each side. The Holes 67a to 67d are formed through the first connecting portions 66a to 66d. 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の矢印B方向両側に配置される側板60a、60cの長手方向(矢印A方向)両端には、第2連結部70a、70bが2つずつ形成される。積層体14の上下両側に配置される側板60b、60dの長手方向両端には、第2連結部72a、72bが3つずつ形成される。第2連結部70a、70bには、孔71a、71bが形成されるとともに、第2連結部72a、72bには、孔73a、73bが形成される。   Two second connecting portions 70a and 70b are formed at both ends in the longitudinal direction (arrow A direction) of the side plates 60a and 60c arranged on both sides in the arrow B direction of the laminate 14. Three second connecting portions 72a and 72b are formed at both ends in the longitudinal direction of the side plates 60b and 60d disposed on the upper and lower sides of the laminated body 14, respectively. Holes 71a and 71b are formed in the second connecting portions 70a and 70b, and holes 73a and 73b are formed in the second connecting portions 72a and 72b.

側板60a、60cの各第2連結部70a、70b間には、エンドプレート20a、20bの両側の各辺の第1連結部66c、66d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 second connection portions 70a and 70b of the side plates 60a and 60c, first connection portions 66c and 66d on both sides of the end plates 20a and 20b are arranged, and a short connection pin 64a is integrally formed therewith. The side plates 60a and 60c are attached to the end plates 20a and 20b.

同様に、側板60b、60dの第2連結部72a、72bがエンドプレート20a、20bの上辺及び下辺の第1連結部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 second connecting portions 72a and 72b of the side plates 60b and 60d are alternately arranged with the first connecting portions 66a and 66b on the upper and lower sides of the end plates 20a and 20b, and a long connecting pin 64b is provided on these. The side plates 60b and 60d are attached integrally 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ねじ孔74が形成される一方、アングル部材62a〜62dの各辺には、前記ねじ孔74に対応して孔部76が形成される。各孔部76に挿入される各ねじ77がねじ孔74に螺合することにより、アングル部材62a〜62dを介して側板60a〜60d同士が固定される。これにより、ケーシング24が構成される(図4参照)。   The side plates 60a to 60d are formed with a plurality of screw holes 74 at both edges in the short direction, respectively, while the sides 76 of the angle members 62a to 62d are formed with holes 76 corresponding to the screw holes 74. Is done. When the screws 77 inserted into the holes 76 are screwed into the screw holes 74, the side plates 60a to 60d are fixed to each other via the angle members 62a to 62d. Thereby, the casing 24 is configured (see FIG. 4).

なお、アングル部材62a〜62dにねじ孔を形成する一方、側板60a〜60dに孔部を形成し、前記アングル部材62a〜62dを前記側板60a〜60dの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。   In addition, while forming screw holes in the angle members 62a to 62d and forming holes in the side plates 60a to 60d and arranging the angle members 62a to 62d inward of the side plates 60a to 60d, these are integrated. Alternatively, it may be screwed.

図2及び図5に示すように、少なくとも側板60bでは、この側板60bの中立面NS上に前記側板60bの板厚中心PCが一致するとともに、連結ピン64bの中心Oが、前記側板60bの中立面NSに対して積層体14側(内方側)に距離hだけオフセットする。一対の連結ピン64bには、矢印A方向の荷重が作用しており、側板60bには、積層方向(矢印A方向)に沿って積層体14側に曲げ変形する変形部位78が設けられる(図5参照)。   As shown in FIGS. 2 and 5, at least in the side plate 60b, the thickness center PC of the side plate 60b coincides with the neutral surface NS of the side plate 60b, and the center O of the connecting pin 64b corresponds to the side plate 60b. The neutral plane NS is offset by a distance h toward the laminated body 14 (inward side). A load in the direction of arrow A acts on the pair of connecting pins 64b, and the side plate 60b is provided with a deformation portion 78 that bends and deforms toward the stacked body 14 along the stacking direction (arrow A direction) (see FIG. 5).

側板60dは、図2に示すように、上記の側板60bと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。また、側板60a、60bは、必要に応じて上記の側板60bと同様に構成される。   As shown in FIG. 2, the side plate 60d is configured in the same manner as the side plate 60b described above, and a detailed description thereof is omitted. Further, the side plates 60a and 60b are configured similarly to the side plate 60b as necessary.

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、厚さが調整される。なお、積層体14の積層方向の長さの変動が、第1及び第2金属セパレータ32、34自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材22を用いなくてもよい。   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. Note that the spacer member 22 may not be used if the variation in the length of the stacked body 14 in the stacking direction can be absorbed by the elasticity of the first and second metal separators 32 and 34 themselves.

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.

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 arrow A direction to the plurality of unit cells 12 stacked in the arrow A direction.

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 channel 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.

この場合、第1の実施形態では、図2及び図5に示すように、例えば、側板60bにおいて、連結ピン64bの中心Oが、この側板60bの中立面NSに対して積層体14側に距離hだけオフセットしている。このため、燃料電池スタック10に、積層方向の締め付け荷重が付与される際、側板60bには、一対の連結ピン64bを介して矢印A方向に荷重が作用し、前記側板60bが前記積層体14側に曲げ変形される(図5参照)。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 5, for example, in the side plate 60b, the center O of the connecting pin 64b is closer to the laminate 14 side than the neutral surface NS of the side plate 60b. Offset by distance h. Therefore, when a tightening load in the stacking direction is applied to the fuel cell stack 10, a load acts on the side plate 60b in the direction of the arrow A via the pair of connecting pins 64b, and the side plate 60b is connected to the stacked body 14. It is bent and deformed to the side (see FIG. 5).

これにより、側板60bは、積層体14側に曲げ変形される変形部位78を介して前記積層体14aに接触して該積層体14を保持することができる。従って、積層体14には、積層方向のずれや、矢印B方向及び矢印C方向への振動等が発生することを有効に低減することが可能になり、簡単な構成で、前記積層体14のシール性を確保するとともに、安定した発電が行われるという効果が得られる。   Thereby, the side plate 60b can contact the laminated body 14a and hold the laminated body 14 via the deformation portion 78 that is bent and deformed to the laminated body 14 side. Therefore, it is possible to effectively reduce the occurrence of the deviation in the stacking direction, the vibration in the direction of the arrow B and the direction of the arrow C, and the like in the stack 14 with a simple configuration. In addition to ensuring sealing performance, the effect of stable power generation can be obtained.

図6は、本発明に関連する燃料電池スタック90の断面側面図である。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 Figure 6 is a cross-sectional side view of the fuel cell stack 90 that relate to 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 .

燃料電池スタック90を構成するケーシング92は、上下に配置される側板94a、94bを備える。図6及び図7に示すように、側板94aでは、この側板94aの中立面NS(板厚中心PC)に対して、連結ピン64bの中心Oが積層体14から離間する側(外方側)に距離h1だけオフセットする。側板94bは、上記の側板94aと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。なお、図示していないが、積層体14の両側には、側板60a、60cに対応する側板が配置されており、必要に応じて上記の側板94aと同様に構成される。   The casing 92 that constitutes the fuel cell stack 90 includes side plates 94a and 94b that are arranged vertically. As shown in FIGS. 6 and 7, in the side plate 94a, a side (outside side) where the center O of the connecting pin 64b is separated from the laminated body 14 with respect to the neutral surface NS (plate thickness center PC) of the side plate 94a. ) By a distance h1. The side plate 94b is configured in the same manner as the side plate 94a, and a detailed description thereof is omitted. Although not shown, side plates corresponding to the side plates 60a and 60c are disposed on both sides of the laminate 14, and are configured in the same manner as the side plate 94a as necessary.

この場合、図7に示すように、積層体14に締め付け荷重を付与する際、一対の連結ピン64bを介して側板94aが矢印A方向に引張される。その際、連結ピン64bの中心Oは、側板94aの中立面NSに対して積層体14から離間する側に距離h1だけオフセットしている。従って、側板94aは、積層体14から離間する側に曲げ変形されて変形部位96が設けられる。 In this case , as shown in FIG. 7, when a tightening load is applied to the laminate 14, the side plate 94a is pulled in the direction of arrow A via the pair of connecting pins 64b. At that time, the center O of the connecting pin 64b is offset by a distance h1 toward the side away from the stacked body 14 with respect to the neutral surface NS of the side plate 94a. Accordingly, the side plate 94a is bent and deformed on the side away from the laminated body 14 to be provided with a deformed portion 96.

このため、側板94aは、積層体14の側部から離間して、前記側板94aと前記積層体14の側部との間に所望の隙間が形成される。これにより、側板94aと積層体14とが、必要以上に接触することを阻止することが可能になるという効果が得られる。 For this reason, the side plate 94 a is separated from the side portion of the laminated body 14, and a desired gap is formed between the side plate 94 a and the side portion of the laminated body 14. Thus, the side plate 94a and the laminated body 14, the effect is obtained that it is possible to prevent the contact than necessary.

図8は、本発明の第の実施形態に係る燃料電池スタック100の一部分解概略斜視図であり、図9は、前記燃料電池スタックの断面側面図である。 FIG. 8 is a partially exploded schematic perspective view of a fuel cell stack 100 according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a sectional side view of the fuel cell stack.

燃料電池スタック100を構成するケーシング102は、積層体14の側部に配置される側板104a〜104dを備える。少なくとも側板104bには、積層体14の積層方向に延在して2つのリブ部106が一体成形され、リブ付きパネルが構成される。リブ部106は、積層体14から離間する側に突出し、前記リブ部106によって側板104b自体の剛性を向上させている。   The casing 102 that constitutes the fuel cell stack 100 includes side plates 104 a to 104 d that are disposed on the side portions of the stacked body 14. At least the side plate 104b extends in the stacking direction of the stacked body 14 and is integrally formed with two rib portions 106 to form a ribbed panel. The rib part 106 protrudes to the side away from the laminated body 14, and the rib part 106 improves the rigidity of the side plate 104b itself.

図9に示すように、連結ピン64bの中心Oは、側板104bの板厚中心PCと一致するとともに、この連結ピン64bの中心Oは、前記側板104bの中立面NSに対して積層体14側に距離h2だけオフセットしている。側板104dは、上記の側板104bと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。なお、側板104a、104bには、必要に応じて単一のリブ部106が設けられる。   As shown in FIG. 9, the center O of the connecting pin 64b coincides with the thickness center PC of the side plate 104b, and the center O of the connecting pin 64b is the laminate 14 with respect to the neutral plane NS of the side plate 104b. It is offset to the side by a distance h2. The side plate 104d is configured similarly to the side plate 104b described above, and a detailed description thereof is omitted. The side plates 104a and 104b are provided with a single rib portion 106 as necessary.

この第の実施形態では、側板104bに2つのリブ部106が一体成形されてリブ付きパネルが構成されるため、平面状パネルに比べて剛性が有効に向上する。しかも、連結ピン64bの中心Oが、側板104bの中立面NSに対して積層体14側に距離h2だけオフセットしている。このため、連結ピン64b間に積層方向の荷重が作用する際、側板104bは、積層体14側に曲げ変形される(図10参照)。従って、第の実施形態では、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, since the two rib portions 106 are integrally formed on the side plate 104b to form a panel with ribs, the rigidity is effectively improved as compared with the planar panel. Moreover, the center O of the connecting pin 64b is offset from the neutral surface NS of the side plate 104b by the distance h2 toward the laminate 14 side. For this reason, when the load of the lamination direction acts between the connection pins 64b, the side plate 104b is bent and deformed to the laminated body 14 side (see FIG. 10). Therefore, in the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

図11は、本発明に関連する燃料電池スタック110の断面側面図である。 Figure 11 is a cross-sectional side view of the fuel cell stack 110 that are related to the present invention.

燃料電池スタック110を構成するケーシング112は、積層体14の上下に配置される側板114a、114bを備える。少なくとも側板114aには、矢印A方向に延在して、複数、例えば、2つのリブ部116が一体成形され、リブ付きパネルが構成される。   The casing 112 constituting the fuel cell stack 110 includes side plates 114 a and 114 b disposed above and below the stacked body 14. At least the side plate 114a extends in the direction of arrow A, and a plurality of, for example, two rib portions 116 are integrally formed to form a ribbed panel.

リブ部116は、積層体14側に突出している。連結ピン64bの中心Oは、側板114aの板厚中心PCに一致するとともに、前記連結ピン64bの中心Oは、前記側板114aの中立面NSに対して積層体14から離間する側に距離h3だけオフセットする。なお、側板114bは、上記の側板114aと同様に構成されている。   The rib part 116 protrudes to the laminated body 14 side. The center O of the connecting pin 64b coincides with the thickness center PC of the side plate 114a, and the center O of the connecting pin 64b is a distance h3 on the side away from the stacked body 14 with respect to the neutral surface NS of the side plate 114a. Only offset. The side plate 114b is configured in the same manner as the side plate 114a.

この場合、図12に示すように、一対の連結ピン64bに矢印A方向の荷重が作用すると、側板114aは、積層体14から離間する側に曲げ変形する In this case , as shown in FIG. 12, when a load in the direction of arrow A acts on the pair of connecting pins 64b, the side plate 114a is bent and deformed to the side away from the laminated body 14 .

なお、第2の実施形態では、側板1にリブ部106が一体成形されているが、前記側板104bに代替して、図13に示す側板120を用いることができる。 In the second embodiment, but the rib portion 106 is integrally formed with the side plate 1 0 4 b, and alternatives to the side plate 104 b, can be used side plates 12 0 shown in FIG. 13.

図13に示すように、第の実施形態では、側板120は、略平面状のパネル122を備え、このパネル122の外側の面122aには、2つのリブ部材124が接合される。すなわち、側板120は、パネル122にリブ部材124が接合されることにより、実質的に第の実施形態に用いられる側板104bと同様に構成される。 As shown in FIG. 13, in the third embodiment, the side plate 120 includes a substantially planar panel 122, and two rib members 124 are joined to an outer surface 122 a of the panel 122. That is, the side plate 120 is configured substantially in the same manner as the side plate 104b used in the second embodiment by joining the rib member 124 to the panel 122.

図14に示すように、側板130は、略平面状のパネル132を備え、このパネル132の内側の面132aには、2つのリブ部材134が接合される。従って、側板130は、実質的に側板114aと同様に構成される。 As shown in FIG. 14, the side plate 130 includes a generally planar panel 132, the inner surface 132a of the panel 132, two rib members 134 are joined. Thus, the side plate 130 is similarly configured substantially the side plate 114a.

本発明の第1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 a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの断面側面図である。2 is a cross-sectional side view of the fuel cell stack. FIG. 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. ケーシングを構成する側板の説明図である。It is explanatory drawing of the side plate which comprises a casing. 本発明に関連する燃料電池スタックの断面側面図である。It is a cross-sectional side view of a fuel cell stack that are related to the present invention. ケーシングを構成する側板の説明図である。It is explanatory drawing of the side plate which comprises a casing. 本発明の第の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分概略斜視図である。It is a partial schematic perspective 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断面側面図である。2 is a cross-sectional side view of the fuel cell stack. FIG. ケーシングを構成する側板の説明図である。It is explanatory drawing of the side plate which comprises a casing. 本発明に関連する燃料電池スタックの断面側面図である。It is a cross-sectional side view of a fuel cell stack that are related to the present invention. ケーシングを構成する側板の説明図である。It is explanatory drawing of the side plate which comprises a casing. 本発明の第の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する側板の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the side plate which comprises the fuel cell stack which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明に関連する燃料電池スタックを構成する側板の分解斜視説明図である。It is an exploded perspective view showing a side plate of a fuel cell stack that are related to the present invention. 特許文献1の燃料電池スタックの説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell stack of Patent Document 1.

符号の説明Explanation of symbols

10、90、100、110…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、92、102、112…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、94a、94b、104a〜104d、114a、114b、120、130…側板
62a〜62d…アングル部材 64a、64b…連結ピン
106、116…リブ部 122、132…パネル
124、134…リブ部材

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 90, 100, 110 ... Fuel cell stack 12 ... Unit cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18 ... Insulating plate 20a, 20b ... End plate 22 ... Spacer member 24, 92, 102, 112 ... Casing 30 ... Electrolyte membrane / electrode structure 32, 34 ... metal separator 42 ... solid polymer electrolyte membrane 44 ... anode side electrode 46 ... cathode side electrode 48 ... fuel gas passage 50 ... cooling medium passage 52 ... oxidant gas passage 54, 56 ... Seal members 60a-60d, 94a, 94b, 104a-104d, 114a, 114b, 120, 130 ... Side plates 62a-62d ... Angle members 64a, 64b ... Connecting pins 106, 116 ... Ribbed parts 122, 132 ... Panel 124, 134: Rib member

Claims (2)

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、
前記端板と前記側板とを連結する連結ピンと、
を備え、
前記側板の少なくとも1つは、該側板の中立面に対して前記連結ピンの中心が内側にオフセットし、該側板が前記積層体の積層方向に沿って引張されることにより、前記積層体に近接する方向に曲げ変形され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;
A connecting pin for connecting the end plate and the side plate;
With
At least one of the side plates has the center of the connecting pin offset inward with respect to the neutral surface of the side plate, and the side plate is pulled along the stacking direction of the stack, thereby fuel cell stack, characterized that you are bent and deformed in the direction to close.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記側板の少なくとも1つは、リブが一体的又は個別に構成されるリブ付きパネルであることを特徴とする燃料電池スタック。   2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein at least one of the side plates is a ribbed panel in which the ribs are integrally or individually formed.
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