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JP4592940B2 - Polymer electrolyte fuel cell stack - Google Patents
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JP4592940B2 JP2000379173A JP2000379173A JP4592940B2 JP 4592940 B2 JP4592940 B2 JP 4592940B2 JP 2000379173 A JP2000379173 A JP 2000379173A JP 2000379173 A JP2000379173 A JP 2000379173A JP 4592940 B2 JP4592940 B2 JP 4592940B2
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誠治 杉浦
義典 割石
実 越沼
隆 鴻村
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    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池スタックに係り、特に、燃料電池スタックの積層方向端部に位置する単セルの性能低下防止に有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)の両側にそれぞれアノード側電極とカソード側電極を対設し、更にその外側を一対のセパレータによって挟持することにより構成されている。
この固体高分子型燃料電池の単セルは、通常、所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【0003】
この燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された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が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば酸素ガスあるいは空気が供給されているため、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【0004】
上記燃料電池スタックを車両、特に乗用車に搭載して使用する場合、車室の床下に配置される場合が多いことから、高さ方向のスペースが大きく制限される。
燃料電池スタックの高さを抑える技術として、各単セルを水平方向に複数個積層し、かつ、供給する燃料ガスや酸化剤ガスなどの供給通路を各セパレータの面内に連通孔として設けた内部マニホールド構造が知られている(例えば、特開平8−171926号公報参照)。
【0005】
図7を用いて、その一例について説明すると、同図において、符号1は燃料電池スタックを示し、この燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟持し、更にその外側を一対のセパレータで挟持してなる単セル2を水平方向に複数個積層させたものである。アノード側電極及びカソード電極には、各々の面内を貫く燃料ガス、酸化剤ガス、冷却液の供給・排出用の各連通孔(図示略)が設けられ、内部マニホールドが構成されている。
【0006】
各単セル2は、スタッドボルト4により締め付けられる。
燃料電池スタック1の積層方向の一端側には皿ばね等から成る締め付け構造部5が、また、他端側にはワッシャー等から成る他の締め付け構造部6が各々設けられており、これらによって、発電部分である各単セル2に、必要な締め付け力が付与されている。
【0007】
燃料電池スタック1の積層方向両端に位置する単セル2a,2bの端面には、銅製のターミナルプレート7が密接して設けられており、前記締め付け構造部5,6は、このターミナルプレート7の外側に絶縁プレート8を介して設けられている。
ターミナルプレート7の上部には電力取り出し用の端子部9が延出し、この端子部9が燃料電池スタック1の端部側に向かって屈曲形成されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本燃料電池において、各単セル2が所定の出力電圧(以下、「セル電圧」という。)を維持するためには、各単セル2を一定温度に保持する必要がある。
しかしながら、積層方向両端に位置する単セル2a,2bには銅製のターミナルプレート7が密接しているため、該ターミナルプレート7からの放熱量が大きく、これにより、単セル2a,2bのセル温度T1,TNは他の単セル2のセル温度T2 N-1よりも低くなるという傾向がある。
【0009】
このため、図8に示すように、セル温度T1,TNが相対的に低い単セル2a,2bのセル電圧V1,VNは、他の単セル2のセル電圧V2 N-1よりも低くなるという問題があった。
そして、単セル2a,2bの温度が低下すると、温度低下によって生じた結露水が電極反応面を覆って電極反応面への反応ガス供給が阻害され、単セル2a,2bのセル電圧低下を招く。
【0010】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの積層方向端部に位置する単セルの温度低下を抑制し、該単セルの性能低下を有効に防止することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用した。
固体高分子電解質膜(例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜12)を一対の電極(例えば、実施の形態におけるアノード側電極13,カソード側電極14)で挟持し、更にその外側を一対のセパレータ(例えば、実施の形態におけるセパレータ16,17)で挟持してなる単セル(例えば、実施の形態における単セル15)を、水平方向に複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池スタック(例えば、実施の形態における燃料電池スタック11)において、前記積層方向の少なくとも一方の端部に位置する単セル(例えば、実施の形態における単セル15a,15b)と、その更に外側に配設されるターミナルプレート(例えば、実施の形態におけるターミナルプレート21)との間に導電性断熱層(例えば、実施の形態における空気室51)を介在させたことを特徴とする。
【0012】
このような構成によれば、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱が断熱層によって阻害され、ターミナルプレートから外部への放熱量が減少するので、当該単セルの温度低下を抑制できる。
【0013】
また、前記少なくとも一方の端部に位置する単セルと前記ターミナルプレートとの間に、凹溝(例えば、実施の形態における丸溝50,格子溝53)又は貫通孔(例えば、実施の形態における貫通孔52)を有する導電性断熱プレート(例えば、実施の形態における導電プレート22)を介在させ、前記凹溝又は貫通孔からなる空気室(例えば、実施の形態における空気室51)により前記断熱層を構成したことを特徴とする。
【0014】
このような構成によれば、セパレータと断熱プレートの線膨張係数が共に等しくなるので、燃料電池スタックの作動温度が変化しても両者の間に熱応力が発生することはない。
また、セパレータと断熱プレートとが同材質であるため、接触抵抗を小さくできる。
【0015】
請求項1に記載した発明は、固体高分子電解質膜(例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜12)を一対の電極(例えば、実施の形態におけるアノード側電極13,カソード側電極14)で挟持し、更にその外側を一対のセパレータ(例えば、実施の形態におけるセパレータ16,17)で挟持してなる単セル(例えば、実施の形態におけるセル15)を、水平方向に複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池スタック(例えば、実施の形態における燃料電池スタック11)において、前記積層方向の少なくとも一方の端部に位置する単セル(例えば、実施の形態における単セル15a,15b)と、その更に外側に配設されるターミナルプレート(例えば、実施の形態におけるターミナルプレート21)との間に導電プレートを介在させ、前記ターミナルプレートの前記導電プレートに接触する側の端面に、凹溝又は貫通孔を形成したことを特徴とする。
【0016】
このような構成では、凹溝又は貫通孔からなる空気室が断熱層となり、このターミナルプレート内に形成された断熱層によって、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱が阻害されるので、新規部品を追加することなく、当該単セルの温度低下を抑制できる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図1において、符号11は車載用の燃料電池スタックを示している。
燃料電池スタック11は、固体高分子電解質膜12をアノード側電極13とカソード側電極14とで挟持し、更にその外側を一対のセパレータ16,17で挟持してなる単セル15を水平方向に複数個積層して構成される、いわゆる固体高分子型燃料電池スタックである。
【0018】
アノード側電極13と隣接するセパレータ16との間に水素ガス(反応ガスである燃料ガス)の供給路18が形成される一方で、カソード側電極14と隣接するセパレータ17との間には、空気(反応ガスである酸化剤ガス)の供給路19が形成される。
また、各セパレータ16,17の背面間の供給路20には、エチレングリコールなどの冷媒が供給され、単セル15を冷却するようになっている。
なお、図示都合上、図1において、断面を示すハッチングは省略する。
【0019】
そして、上記水素ガス、空気、冷媒を各供給路18,19,20に供給するため、各単セル15のアノード側電極13,カソード側電極14,後述する電極プレート21,導電プレート22,絶縁プレート23,及びエンドプレート24の各面内を貫通して連通孔(図示略)が各々形成されている。すなわち、この燃料電池スタック11は、内部マニホールド構造となっている。
【0020】
積層された単セル15は、スタッドボルト28により締め付けられるが、これら単セル15のうち積層方向の両端に位置する単セル15a,15bの外側には、冷媒隔離用及び断熱用の導電プレート(断熱プレート)22が各単セル15a,15bの端面に接触して配設されている。
【0021】
この導電プレート22は、単セル15a,15bの端面を構成するセパレータ16と同材料のカーボン材からなり、その一方の端面22Aには、図2及び図3に示すように、該端面22Aに接触して配設されるターミナルプレート21に閉塞されることによって空気室(断熱層)51(図1参照)を構成する、止まり穴状の丸溝50が略全面にわたって多数形成されている。
なお、符号25は水素ガスが通る連通孔、26は空気が通る連通孔である。
【0022】
燃料電池スタック11の一端側(図1において左側)の導電プレート22の外側には、後述する電極プレート21を介して樹脂などからなる絶縁プレート23が配置され、この絶縁プレート23の更に外側には、エンドプレート24とバックアッププレート29との間に皿ばね30が介装されてなる、締め付け構造部31が設けられている。
【0023】
燃料電池スタック11の他端側(図1において右側)の導電プレート22の外側には、後述する電極プレート21を介して樹脂などからなる絶縁プレート23が配置され、この絶縁プレート23の更に外側には、エンドプレート24とバックアッププレート29との間にワッシャー32が介装されてなる、締め付け構造部33が設けられている。
【0024】
なお、ターミナルプレート21は、導電性材料(例えば、銅)から構成されており、その略中央部からは略垂直方向、すなわち、単セル15の積層方向に沿って電力取出用の端子部21aが突出している。
端子部21aの外周は、絶縁材料から成る絶縁チューブ36で覆われ、エンドプレート24,バックアッププレート29等との電気的短絡が防止されている。
【0025】
以上の如く構成された燃料電池スタック11は、積層方向の両端に位置する単セル15a,15bと、その更に外側に配設されるターミナルプレート21との間に配設された導電プレート22の端面22Aに丸溝50を形成し、これら丸溝50をターミナルプレート21で閉塞することによって形成される空気室51が、断熱層として有効に機能する構成になっている。
【0026】
したがって、単セル15a,15bからターミナルプレート21への伝熱が空気室51によって阻害され、ターミナルプレート21から外部への放熱量が減少するので、単セル15a,15bの温度低下は抑制される。
これにより、単セル15a,15bにおける反応温度の低下及び結露水の生成を原因とする性能低下を有効に防止できる。
【0027】
また、導電プレート22を、単セル15a,15bの端面を構成するセパレータ16と同材質のカーボン材料から構成したので、互いに接触するセパレータ16と導電プレート22の線膨張係数は共に等しくなっている。
したがって、燃料電池スタック11の作動温度が変化しても両者の間には熱応力が発生しなくなり、単セル15に過剰な締付力を与えてしまうことによる破損も有効に防止できる。
さらに、セパレータ16と導電プレート22とが同材質であるため、接触抵抗も小さくできる。
【0028】
本発明は、上記実施の形態に限られるものではない。
例えば、上記実施の形態では、導電プレート22に形成する凹溝を止まり穴状の丸溝50としたが、図4の断面図に示すような貫通孔52や、図5の平面図及び図6の断面図に示すような格子状の格子溝53としてもよい。
なお、これら図4〜図6において、上記実施の形態と同一の構成要素には同一符号を付している。
【0029】
図4に示した貫通孔52を有する導電プレート61の場合、これら貫通孔52の両端開口が、単セル15a,15bのセパレータ16と、ターミナルプレート21とで閉塞されることにより、断熱層としての空気室が形成される。
これら空気室の総容積は、上記実施形態による空気室51の総容積よりも大きくなるので、断熱層としての機能は向上する。
【0030】
他方、図5及び図6に示した格子溝53を有する導電プレート71の場合、この格子溝53の上端開口がターミナルプレート21で閉塞されることにより、断熱層としての空気室が形成される。
この格子溝53は、導電プレート71の長辺部側の側面71A,71Bにおいて開口するように形成されているので、空気室は完全には密閉されていない。
従って、空気室内に結露水が生成されても自然に排出されるようになり、断熱層としての機能を良好に維持できる。
【0031】
さらに、上記各実施形態では、単セル15a,15bとターミナルプレート21との間に配設された導電プレート22,61,71に凹溝(丸溝50,格子溝53)又は貫通孔52を形成したが、ターミナルプレート21の導電プレート22に接触する側の端面に凹溝又は貫通孔を形成してもよい。
この場合には、新規部品を追加することなく、単セル15a,15bの温度低下を抑制し得るので、それらの性能低下を有効に防止できる。
【0032】
また、上記実施の形態では、積層方向両端に位置する単セル15a,15bと、ターミナルプレート21との間に断熱層を介在させる構成としたが、積層方向のいずれか一方の端部に位置する単セル15a(又は単セル15b)と、ターミナルプレート21との間にのみ断熱層を介在させる構成としてもよい。
同様に、ターミナルプレート21の端面に凹溝又は貫通孔を形成する場合においても、積層方向のいずれか一方の端部に位置するターミナルプレート21にのみ凹溝又は貫通孔を形成する構成であってもよい。
【0033】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得る。
(1)請求項1記載の発明によれば、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱が断熱層によって阻害され、ターミナルプレートから外部への放熱量が減少するので、当該単セルの温度低下を抑制し得るようになり、その性能低下を有効に防止できる。
【0034】
(2)請求項2記載の発明によれば、セパレータと断熱プレートの線膨張係数が共に等しくなり、燃料電池スタックの作動温度が変化しても両者の間には熱応力が発生しなくなるので、上記効果に加え、セルに過剰な締付力を与えてしまうことによる破損も有効に防止できる。
また、セパレータと断熱プレートとが同材質であるため、接触抵抗も小さくできる。
【0035】
(3)請求項3記載の発明によれば、凹溝又は貫通孔からなる空気室が断熱層となり、このターミナルプレート内に形成された断熱層によって、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱が阻害されるので、新規部品を追加することなく、当該単セルの温度低下を抑制し得て、その性能低下を有効に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池スタックの一実施の形態を示す正断面図である。
【図2】図1に示す導電プレートの平面図である。
【図3】図2のA−A線に沿う断面の一部を示す断面図である。
【図4】本発明に係る燃料電池スタックの他の実施の形態に係る導電プレートの断面の一部を示す断面図である。
【図5】本発明に係る燃料電池スタックの更に他の実施の形態に係る導電プレートの平面図である。
【図6】図5のB−B線に沿う断面の一部を示す断面図である。
【図7】燃料電池スタックの一従来例を示す正面図である。
【図8】燃料電池スタックを構成している各セルのセル温度とセル電圧との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
11 燃料電池スタック
12 固体高分子電解質膜
13 アノード側電極
14 カソード側電極
15、15a、15b 単セル
16、17 セパレータ
21 ターミナルプレート
22、61、71 導電プレート(断熱プレート)
50 丸溝(凹溝)
51 空気室(断熱層)
52 貫通孔
53 格子溝(凹溝)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid polymer fuel cell stack using a solid polymer electrolyte membrane, and more particularly to a technique effective for preventing deterioration in performance of a single cell located at the stacking direction end of the fuel cell stack.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell is constructed by arranging an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (cation exchange membrane), and sandwiching the outside with a pair of separators. Has been.
A single cell of this polymer electrolyte fuel cell is usually used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of cells.
[0003]
In this fuel cell stack, a fuel gas, for example, hydrogen gas, supplied to the anode side electrode is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode side electrode side through an appropriately humidified electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the oxidant gas, such as oxygen gas or air, is supplied to the cathode side electrode, the hydrogen ions, the electrons and the oxygen gas react with each other to generate water at the cathode side electrode.
[0004]
When the fuel cell stack is used by being mounted on a vehicle, particularly a passenger car, the space in the height direction is greatly limited because the fuel cell stack is often disposed under the floor of the passenger compartment.
As a technology to reduce the height of the fuel cell stack, a plurality of single cells are stacked in the horizontal direction, and a supply passage for supplying fuel gas, oxidant gas, etc. is provided as a communication hole in the surface of each separator A manifold structure is known (see, for example, JP-A-8-171926).
[0005]
An example thereof will be described with reference to FIG. 7. In FIG. 7, reference numeral 1 denotes a fuel cell stack, and this fuel cell stack 1 sandwiches a solid polymer electrolyte membrane between an anode side electrode and a cathode side electrode, Further, a plurality of unit cells 2 each having the outside sandwiched by a pair of separators are stacked in the horizontal direction. Each of the anode side electrode and the cathode electrode is provided with respective communication holes (not shown) for supplying and discharging fuel gas, oxidant gas, and cooling liquid penetrating the respective surfaces, thereby constituting an internal manifold.
[0006]
Each single cell 2 is fastened by a stud bolt 4.
A fastening structure portion 5 made of a disc spring or the like is provided on one end side in the stacking direction of the fuel cell stack 1, and another fastening structure portion 6 made of a washer or the like is provided on the other end side. Necessary tightening force is applied to each single cell 2 which is a power generation portion.
[0007]
Copper terminal plates 7 are provided in close contact with the end surfaces of the single cells 2a and 2b located at both ends of the fuel cell stack 1 in the stacking direction. The fastening structures 5 and 6 are arranged outside the terminal plates 7. Is provided via an insulating plate 8.
On the upper part of the terminal plate 7, a terminal portion 9 for taking out electric power extends, and this terminal portion 9 is bent toward the end side of the fuel cell stack 1.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In this fuel cell, in order for each single cell 2 to maintain a predetermined output voltage (hereinafter referred to as “cell voltage”), it is necessary to keep each single cell 2 at a constant temperature.
However, since the copper terminal plates 7 are in intimate contact with the single cells 2a and 2b located at both ends in the stacking direction, the heat radiation from the terminal plates 7 is large, so that the cell temperature T of the single cells 2a and 2b is increased. 1 and T N tend to be lower than the cell temperatures T 2 to N−1 of the other single cells 2.
[0009]
Therefore, as shown in FIG. 8, the cell voltages V 1 and V N of the single cells 2a and 2b having relatively low cell temperatures T 1 and T N are equal to the cell voltages V 2 to N− of the other single cells 2, respectively. There was a problem of being lower than 1 .
When the temperature of the single cells 2a and 2b is decreased, the dew condensation water generated by the temperature decrease covers the electrode reaction surface and the reaction gas supply to the electrode reaction surface is hindered, leading to a decrease in the cell voltage of the single cells 2a and 2b. .
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to suppress a temperature drop of a single cell located at an end portion in a stacking direction of a fuel cell stack and effectively prevent a performance drop of the single cell. There is.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
A solid polymer electrolyte membrane (for example, the solid polymer electrolyte membrane 12 in the embodiment) is sandwiched between a pair of electrodes (for example, the anode side electrode 13 and the cathode side electrode 14 in the embodiment), and the outside thereof is further paired with a pair of electrodes. A polymer electrolyte fuel cell configured by horizontally stacking a plurality of unit cells (for example, the unit cell 15 in the embodiment) sandwiched between separators (for example, the separators 16 and 17 in the embodiment). In the stack (for example, the fuel cell stack 11 in the embodiment), the single cell (for example, the single cells 15a and 15b in the embodiment) located at at least one end in the stacking direction and the outer side thereof are disposed. Conductive heat insulating layer (for example, in the embodiment) between the terminal plate (for example, the terminal plate 21 in the embodiment) Kicking wherein the interposed air chamber 51).
[0012]
According to such a configuration, the heat transfer from the single cell located at the end in the stacking direction to the terminal plate is hindered by the heat insulating layer, and the amount of heat released from the terminal plate to the outside is reduced. Can be suppressed.
[0013]
Further , a concave groove (for example, the round groove 50 or the lattice groove 53 in the embodiment) or a through hole (for example, the through hole in the embodiment) is provided between the single cell positioned at the at least one end and the terminal plate. A conductive heat insulating plate (for example, the conductive plate 22 in the embodiment) having a hole 52) is interposed, and the heat insulating layer is formed by the air chamber (for example, the air chamber 51 in the embodiment) including the concave groove or the through hole. It is characterized by comprising.
[0014]
According to such a configuration, since the linear expansion coefficients of the separator and the heat insulating plate are both equal, no thermal stress is generated between the two even if the operating temperature of the fuel cell stack changes.
Further, since the separator and the heat insulating plate are made of the same material, the contact resistance can be reduced.
[0015]
In the first aspect of the invention, the solid polymer electrolyte membrane (for example, the solid polymer electrolyte membrane 12 in the embodiment) is formed by a pair of electrodes (for example, the anode side electrode 13 and the cathode side electrode 14 in the embodiment). A plurality of single cells (for example, cells 15 in the embodiment), which are sandwiched and further sandwiched outside by a pair of separators (for example, separators 16 and 17 in the embodiment), are stacked in the horizontal direction. In the polymer electrolyte fuel cell stack (for example, the fuel cell stack 11 in the embodiment), a single cell (for example, the single cells 15a and 15b in the embodiment) positioned at at least one end in the stacking direction. When the conductive play between the terminal plate (e.g., a terminal plate 21 in the embodiment) is further disposed on the outside of its The interposed, to the end surface of the side contacting to the conductive plate of the terminal plate, characterized in that the formation of the grooves or holes.
[0016]
In such a configuration, the air chamber composed of the concave groove or the through hole serves as a heat insulating layer, and heat transfer from the single cell located at the end in the stacking direction to the terminal plate is hindered by the heat insulating layer formed in the terminal plate. Therefore, the temperature drop of the single cell can be suppressed without adding new parts.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
In FIG. 1, the code | symbol 11 has shown the fuel cell stack for vehicle mounting.
The fuel cell stack 11 includes a plurality of single cells 15 in a horizontal direction in which a solid polymer electrolyte membrane 12 is sandwiched between an anode-side electrode 13 and a cathode-side electrode 14 and the outside is sandwiched between a pair of separators 16 and 17. This is a so-called polymer electrolyte fuel cell stack constituted by stacking individual pieces.
[0018]
A supply path 18 for hydrogen gas (a fuel gas that is a reaction gas) is formed between the anode side electrode 13 and the adjacent separator 16, while air is provided between the cathode side electrode 14 and the adjacent separator 17. A supply path 19 for (oxidant gas which is a reaction gas) is formed.
A refrigerant such as ethylene glycol is supplied to the supply path 20 between the back surfaces of the separators 16 and 17 to cool the single cell 15.
For the sake of illustration, hatching indicating a cross section is omitted in FIG.
[0019]
And in order to supply the said hydrogen gas, air, and a refrigerant | coolant to each supply path 18,19,20, the anode side electrode 13 of each single cell 15, the cathode side electrode 14, the electrode plate 21, the conductive plate 22, and the insulation plate mentioned later 23 and a through hole (not shown) are formed through each surface of the end plate 24. That is, the fuel cell stack 11 has an internal manifold structure.
[0020]
The stacked single cells 15 are tightened by stud bolts 28. Out of these single cells 15, the single cells 15a and 15b positioned at both ends in the stacking direction are provided with conductive plates (heat insulating materials) for refrigerant isolation and heat insulation. Plate) 22 is disposed in contact with the end faces of the single cells 15a and 15b.
[0021]
This conductive plate 22 is made of the same carbon material as that of the separator 16 constituting the end surfaces of the single cells 15a and 15b. One end surface 22A is in contact with the end surface 22A as shown in FIGS. A large number of blind-hole-shaped round grooves 50 constituting an air chamber (heat insulating layer) 51 (see FIG. 1) are formed over substantially the entire surface by being closed by the terminal plate 21 arranged in this manner.
Reference numeral 25 denotes a communication hole through which hydrogen gas passes, and 26 denotes a communication hole through which air passes.
[0022]
An insulating plate 23 made of resin or the like is disposed outside the conductive plate 22 on one end side (left side in FIG. 1) of the fuel cell stack 11 via an electrode plate 21 described later. A clamping structure 31 is provided in which a disc spring 30 is interposed between the end plate 24 and the backup plate 29.
[0023]
An insulating plate 23 made of resin or the like is disposed outside the conductive plate 22 on the other end side (right side in FIG. 1) of the fuel cell stack 11 via an electrode plate 21 described later. A fastening structure portion 33 is provided in which a washer 32 is interposed between the end plate 24 and the backup plate 29.
[0024]
The terminal plate 21 is made of a conductive material (for example, copper), and a terminal portion 21a for extracting power is provided in a substantially vertical direction from the substantially central portion, that is, in the stacking direction of the single cells 15. It protrudes.
The outer periphery of the terminal portion 21a is covered with an insulating tube 36 made of an insulating material to prevent an electrical short circuit with the end plate 24, the backup plate 29, and the like.
[0025]
The fuel cell stack 11 configured as described above has an end face of the conductive plate 22 disposed between the single cells 15a and 15b located at both ends in the stacking direction and the terminal plate 21 disposed further outside. An air chamber 51 formed by forming round grooves 50 in 22A and closing these round grooves 50 with the terminal plate 21 is configured to effectively function as a heat insulating layer.
[0026]
Therefore, heat transfer from the single cells 15a, 15b to the terminal plate 21 is inhibited by the air chamber 51, and the amount of heat released from the terminal plate 21 to the outside is reduced, so that the temperature drop of the single cells 15a, 15b is suppressed.
Thereby, the performance fall resulting from the fall of the reaction temperature in the single cell 15a, 15b and the production | generation of condensed water can be prevented effectively.
[0027]
Further, since the conductive plate 22 is made of the same carbon material as that of the separator 16 constituting the end surfaces of the single cells 15a and 15b, the linear expansion coefficients of the separator 16 and the conductive plate 22 that are in contact with each other are equal.
Therefore, even if the operating temperature of the fuel cell stack 11 changes, no thermal stress is generated between the two, and damage caused by applying an excessive clamping force to the single cell 15 can be effectively prevented.
Furthermore, since the separator 16 and the conductive plate 22 are made of the same material, the contact resistance can be reduced.
[0028]
The present invention is not limited to the above embodiment.
For example, in the above embodiment, the concave groove formed in the conductive plate 22 is a blind hole-like round groove 50, but the through hole 52 as shown in the cross-sectional view of FIG. 4, the plan view of FIG. A lattice-like lattice groove 53 as shown in the sectional view of FIG.
4 to 6, the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals.
[0029]
In the case of the conductive plate 61 having the through holes 52 shown in FIG. 4, the openings at both ends of these through holes 52 are closed by the separators 16 of the single cells 15 a and 15 b and the terminal plate 21, thereby serving as a heat insulating layer. An air chamber is formed.
Since the total volume of these air chambers becomes larger than the total volume of the air chamber 51 according to the above embodiment, the function as a heat insulating layer is improved.
[0030]
On the other hand, in the case of the conductive plate 71 having the lattice groove 53 shown in FIGS. 5 and 6, the upper end opening of the lattice groove 53 is closed by the terminal plate 21, thereby forming an air chamber as a heat insulating layer.
Since the lattice grooves 53 are formed so as to open on the side surfaces 71A and 71B on the long side portion side of the conductive plate 71, the air chamber is not completely sealed.
Therefore, even if condensed water is generated in the air chamber, it is discharged naturally, and the function as a heat insulating layer can be maintained well.
[0031]
Further, in each of the above embodiments, the concave grooves (round grooves 50, lattice grooves 53) or through holes 52 are formed in the conductive plates 22, 61, 71 disposed between the single cells 15a, 15b and the terminal plate 21. However, you may form a ditch | groove or a through-hole in the end surface of the side which contacts the conductive plate 22 of the terminal plate 21. FIG.
In this case, since the temperature drop of the single cells 15a and 15b can be suppressed without adding new parts, it is possible to effectively prevent such performance drop.
[0032]
Moreover, in the said embodiment, although it was set as the structure which interposed the heat insulation layer between the single cell 15a, 15b located in the lamination direction both ends, and the terminal plate 21, it is located in either one edge part of the lamination direction. A heat insulating layer may be interposed only between the single cell 15a (or the single cell 15b) and the terminal plate 21.
Similarly, in the case where a groove or a through hole is formed on the end surface of the terminal plate 21, the groove or the through hole is formed only in the terminal plate 21 located at one end in the stacking direction. Also good.
[0033]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, the following effects are obtained.
(1) According to the invention described in claim 1, heat transfer from the single cell located at the end in the stacking direction to the terminal plate is hindered by the heat insulating layer, and the amount of heat released from the terminal plate to the outside is reduced. The temperature drop of the single cell can be suppressed, and the performance drop can be effectively prevented.
[0034]
(2) According to the invention described in claim 2, since the linear expansion coefficients of the separator and the heat insulating plate are both equal, even if the operating temperature of the fuel cell stack changes, no thermal stress is generated between them. In addition to the above effects, it is possible to effectively prevent damage caused by applying an excessive tightening force to the cell.
Further, since the separator and the heat insulating plate are made of the same material, the contact resistance can be reduced.
[0035]
(3) According to the invention described in claim 3, the air chamber composed of the concave groove or the through hole serves as a heat insulating layer, and the heat insulating layer formed in the terminal plate allows the terminal from the single cell located at the end in the stacking direction. Since heat transfer to the plate is hindered, the temperature drop of the single cell can be suppressed without adding new parts, and the performance drop can be effectively prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view showing an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the conductive plate shown in FIG.
3 is a cross-sectional view showing a part of a cross section taken along the line AA in FIG. 2;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a part of a cross section of a conductive plate according to another embodiment of the fuel cell stack according to the present invention.
FIG. 5 is a plan view of a conductive plate according to still another embodiment of the fuel cell stack according to the present invention.
6 is a cross-sectional view showing a part of a cross section taken along line BB in FIG. 5;
FIG. 7 is a front view showing a conventional example of a fuel cell stack.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a relationship between a cell temperature and a cell voltage of each cell constituting the fuel cell stack.
[Explanation of symbols]
11 Fuel Cell Stack 12 Solid Polymer Electrolyte Membrane 13 Anode Side Electrode 14 Cathode Side Electrode 15, 15a, 15b Single Cell 16, 17 Separator 21 Terminal Plate 22, 61, 71 Conductive Plate (Insulation Plate)
50 Round groove (concave groove)
51 Air chamber (heat insulation layer)
52 Through-hole 53 Lattice groove (concave groove)

Claims (1)

固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持し、更にその外側を一対のセパレータで挟持してなる単セルを、水平方向に複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記積層方向の少なくとも一方の端部に位置する単セルと、その更に外側に配設されるターミナルプレートとの間に導電プレートを介在させ、前記ターミナルプレートの前記導電プレートに接触する側の端面に、凹溝又は貫通孔を形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
In a polymer electrolyte fuel cell stack configured by laminating a plurality of unit cells in a horizontal direction, sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes and further sandwiching the outside with a pair of separators,
A single cell located at least one end of the stacking direction, by interposing a conductive plate between the terminal plate is further disposed on the outside of its end faces on the side in contact with the conductive plate of the terminal plate And a polymer electrolyte fuel cell stack in which a concave groove or a through hole is formed.
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