JP3840370B2

JP3840370B2 - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP3840370B2
Application number: JP2000261260A
Authority: JP
Inventors: 成利杉田; 典昭尾棹
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: JP2001143741A

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アノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層されるとともに、前記単位燃料電池セルの積層方向両端にエンドプレートが配設された燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された単位燃料電池セルを、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は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを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】
この種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、水素含有ガスは、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、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタック内の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく電極面（発電面）に付与される面圧が均一になるように、積層されている各単位燃料電池セルに所望の締め付け力を付与する必要がある。
【０００５】
そこで、例えば、米国特許第５，４８４，６６６号公報に開示されているように、燃料電池スタックの両端に配置されているエンドプレートの一方に、上下方向および水平方向に２個ずつ合計４つの凹部を形成し、この凹部に皿ばねを配置するとともに、前記皿ばね内には、両エンドプレート間にわたってタイロッドを挿通して前記タイロッドの端部にナットを螺合することにより、前記燃料電池スタック全体を締め付け固定するように構成された燃料電池スタックが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、エンドプレートに上下および左右にそれぞれ２個ずつ凹部を形成して皿ばねを配置しているため、燃料電池スタック全体としてその高さ方向の寸法が、横方向の寸法と同等あるいはそれ以上の大きさとなっている。このため、特に、燃料電池スタックを車両等に搭載しようとする場合、この燃料電池スタックを収容し得る場所が相当に限定されてしまう。
【０００７】
しかも、上記の従来技術では、エンドプレートに４個の皿ばねを配置するだけである。これにより、皿ばねを介して単位燃料電池セルの発電面全面に均一な面圧を付与することができないおそれがある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック全体の高さ方向の寸法を有効に短尺化するとともに、積層される単位燃料電池セル全体に均一な締め付け力を付与することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池スタックでは、単位燃料電池セルが横長の長方形状に形成されるとともに、一方のエンドプレートとバックアッププレートとの間には面圧付与部材が設けられ、他方のエンドプレート側には横方向に２列に配置される６個の皿ばねを備える加圧手段が配置されている。このため、単位燃料電池セル全体に均一な面圧を付与するとともに、組み立て時に倒れ等が惹起することがなく、燃料電池スタックの組み立て作業が高精度かつ効率的に遂行される。さらにまた、単位燃料電池セルの横寸法と縦寸法の比が、略３：２に設定されている。このため、特に、横方向に２列ずつ、合計６個の皿ばねを単位燃料電池セル全面に対して均等に配置することができ、前記単位燃料電池セル全面に高精度かつ均一に面圧を付与することが可能になる。
【００１５】
さらに、面圧付与部材が皿ばねに対応して横方向に２列に配置される６個以上のワッシャプレートを備えている。ワッシャプレートは、一方の面に平坦面を設け、他方の面に湾曲面を設ける略円盤状に設定される。従って、構成が簡素化して経済的なものとなり、しかも各皿ばねと各ワッシャプレートとが互いに対向して配置されるため、モーメント荷重が付与されることを確実に防止して、燃料電池スタック全体を強固かつ確実に締め付けることが可能になる。その上、ワッシャプレートを用いることにより、厚さ方向である単位燃料電池セルの積層方向の寸法が薄肉化され、燃料電池スタック全体の積層方向を有効に短尺化することができる。
【００１７】
また、単位燃料電池セルを積層方向に一体的に保持する締め付けボルトと、前記締め付けボルトの頭部に係合する球面ワッシャとを備えている。これにより、燃料電池スタック全体を積層方向に加圧保持する際に、締め付けボルトを支持するエンドプレートやバックアッププレートが変形しても、球面ワッシャの作用下に燃料電池スタックに対して積層方向の締め付け力を確実に付与することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に関連してなされた第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システム１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の側面説明図である。
【００１９】
燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行に配列される第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の一端部鉛直面を構成する第１エンドプレート１６、１８には、正極である第１電力取り出し端子２０および負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる。
【００２０】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の他端部鉛直面である第２エンドプレート２４、２６側には、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の供給と排出を行うための配管機構２８が組み込まれる。第１および第２燃料電池スタック１２、１４は、取り付け機構３０を介して車両を構成する取り付けプレート３１に固定される。
【００２１】
第１燃料電池スタック１２は、図３および図４に示すように、単位燃料電池セル３２と、この単位燃料電池セル３２を挟持する第１および第２セパレータ３４、３６とを備え、これらが複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。第１燃料電池スタック１２は、全体として直方体状を有しており、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００２２】
単位燃料電池セル３２は、固体高分子電解質膜３８と、この電解質膜３８を挟んで配設されるカソード側電極４０およびアノード側電極４２とを有するとともに、前記カソード側電極４０および前記アノード側電極４２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層４４、４６が配設される。
【００２３】
単位燃料電池セル３２の両側には、第１および第２ガスケット４８、５０が設けられ、前記第１ガスケット４８は、カソード側電極４０および第１ガス拡散層４４を収納するための大きな開口部５２を有する一方、前記第２ガスケット５０は、アノード側電極４２および第２ガス拡散層４６を収納するための大きな開口部５４を有する。単位燃料電池セル３２と第１および第２ガスケット４８、５０とが、第１および第２セパレータ３４、３６によって挟持される。
【００２４】
第１セパレータ３４は、カソード側電極４０に対向する面３４ａおよび反対側の面３４ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺５５ａが水平方向に指向するとともに、短辺５５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００２５】
第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部上部側には、酸素ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口５６ａと、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口５８ａとが、上下方向に長尺な長方形状を有して設けられる。第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口５６ｂと燃料ガス出口５８ｂとが、酸化剤ガス入口５６ａおよび燃料ガス入口５８ａと対角位置になるようにかつ上下方向に長尺な長方形状を有して設けられている。
【００２６】
第１セパレータ３４の長辺５５ａの下端部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄが設けられるとともに、この第１セパレータ３４の長辺５５ａ側の上部には、同様に、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体出口６０ｅ〜６０ｈが設けられる。冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００２７】
第１セパレータ３４の面３４ａには、酸化剤ガス入口５６ａに連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝６２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝６２は、５本の第２酸化剤ガス流路溝６５に合流し、前記第２酸化剤ガス流路溝６５が酸化剤ガス出口５６ｂに連通する。第１セパレータ３４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００２８】
第２セパレータ３６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ３６の短辺６４ｂ側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口６６ａおよび燃料ガス入口６８ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口６６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂが、前記酸化剤ガス入口６６ａおよび前記燃料ガス入口６８ａと対角位置になるように貫通形成されている。
【００２９】
第２セパレータ３６の長辺６４ａ側の下部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄが貫通形成され、この長辺６４ａ側の上部には、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈが、同様に、矢印Ｃ方向に長尺に貫通形成される。
【００３０】
図５に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａには、燃料ガス入口６８ａに連通して１０本の第１燃料ガス流路溝７２が形成される。この第１燃料ガス流路溝７２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられ、５本の第２燃料ガス流路溝７３に合流し、前記第２燃料ガス流路溝７３が燃料ガス出口６８ｂに連通する。
【００３１】
図６に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａとは反対側の面３６ｂには、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈにそれぞれ個別に連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄが重力方向に向かって設けられる。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄは、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通するそれぞれ９本の第１流路溝７６ａ、７６ｂを備えるとともに、前記第１流路溝７６ａ、７６ｂ間には、それぞれ２本の第２流路溝７８が互いに重力方向に平行しかつ所定間隔ずつ離間して設けられる。第２セパレータ３６には、第１セパレータ３４と同様に、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に設けられている。
【００３２】
図７に示すように、所定数だけ積層された単位燃料電池セル３２の積層方向両端には、ターミナルプレートである端子板８０と第１導電プレート８２とが配設される。端子板８０には、絶縁板８４を介して第１エンドプレート１６が積層されるとともに、この端子板８０に第１電力取り出し端子２０が装着される。
【００３３】
図８に示すように、第１電力取り出し端子２０は、円柱状の大径部８６の両端に小径なねじ部８８ａ、８８ｂを設けている。このねじ部８８ａは、端子板８０に形成された孔部９０を通って第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａ内に突出し、前記ねじ部８８ａにナット部材９２が螺着される。大径部８６の肩部には、端子板８０との間のシール性を向上させるためにシール部材９４が介装されるとともに、前記大径部８６の外周と第１エンドプレート１６に形成された孔部９６との間に絶縁リング９８が介装される。
【００３４】
図９に示すように、第１導電プレート８２は、第２セパレータ３６とほぼ同一形状、すなわち、長方形状に設定されており、短辺側の両端縁部には、酸化剤ガス入口１００ａ、燃料ガス入口１０２ａおよび酸化剤ガス出口１００ｂ、燃料ガス出口１０２ｂが互いに対角位置に設けられている。第１導電プレート８２の長辺側下部および上部には、それぞれ４つの冷却媒体入口１０４ａ〜１０４ｄと冷却媒体出口１０４ｅ〜１０４ｈが設けられるとともに、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３５】
第１導電プレート８２には、第１燃料電池スタック１２の下側にかつ第２燃料電池スタック１４に近接して延在する第１接続板部１０６が設けられる。第１接続板部１０６には、下方に突出して２本のボルト部１０８ａ、１０８ｂが設けられ、このボルト部１０８ａ、１０８ｂおよび第１導電プレート８２は、導電性を有する材料、例えば、ＳＵＳや銅等で構成されている。図７に示すように、第１導電プレート８２には、絶縁板１１０、蓋板１１２およびシール部材１１４を介して第２エンドプレート２４が積層される。
【００３６】
図１０および図１１に示すように、第２エンドプレート２４は長方形状に構成されており、その短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口１２０ａと燃料ガス入口１２２ａとが貫通形成されるとともに、その短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口１２０ｂと燃料ガス出口１２２ｂとが前記酸化剤ガス入口１２０ａおよび前記燃料ガス入口１２２ａと対角位置になるように設けられる。
【００３７】
第２エンドプレート２４の内側の面２４ａには、第２セパレータ３６の冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄと、前記第２セパレータ３６の冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通する第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈが、水平方向に長尺でかつ所定の深さを有して形成される。第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄは、それぞれ１２本の第１溝部１２６ａの端部に連通する。第１溝部１２６ａは、互いに平行に上方に延在した後、それぞれ２本ずつ合流して第２溝部１２６ｂが設けられ、前記第２溝部１２６ｂがそれぞれ２本ずつ第３溝部１２６ｃに合流して単一の冷却媒体供給口１２８に連通する。
【００３８】
第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈは、同様に、それぞれ１２本の第１溝部１３０ａに連通し、前記第１溝部１３０ａが鉛直下方向に延在して第２溝部１３０ｂに２本ずつ合流する。第２溝部１３０ｂは、２本ずつ第３溝部１３０ｃに合流して単一の冷却媒体排出口１３２に連通する。冷却媒体供給口１２８および冷却媒体排出口１３２には、図１０に示すように、供給管路１３４と排出管路１３６が連結されており、この供給管路１３４およびこの排出管路１３６が、第１燃料電池スタック１２の外方に所定の長さだけ突出している。第２エンドプレート２４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている（図１１参照）。
【００３９】
図７に示すように、第１燃料電池スタック１２は、締め付け機構１４０を介して積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付け固定される。締め付け機構１４０は、第１エンドプレート１６の外面側に設けられる液体チャンバ１４２と、この液体チャンバ１４２内に封入される非圧縮性の面圧付与用液体、例えば、シリコンオイル１４４と、加圧手段１４５とを備える。この加圧手段１４５は、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、前記第２エンドプレート２４を第１エンドプレート１６側に押圧するために水平方向に所定間隔ずつ離間して１列に配置される２つ以上、例えば、３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃを備える。
【００４０】
液体チャンバ１４２を挟んで第１エンドプレート１６に対向してバックアッププレート１４８が配設され、このバックアッププレート１４８とアルミニウムまたはステンレススチールの薄板１５０とにより液体チャンバ１４２を設けた面圧付与用液体封入部材が構成される。皿ばね１４６ａ〜１４６ｃは、第２エンドプレート２４の面内に略等間隔ずつ離間して配置されるとともに、取り付け板１５２により支持される。取り付け板１５２から第１燃料電池スタック１２を貫通してバックアッププレート１４８に６本のタイロッド１５４が挿入される。タイロッド１５４の端部にナット１５６がねじ込まれることにより、第１燃料電池スタック１２が一体的に保持される。
【００４１】
図１２に示すように、第１燃料電池スタック１２（すなわち、単位燃料電池セル３２）は、横長の長方形状に構成されるとともに、横寸法Ｈ１が縦寸法Ｈ２の２倍以上に設定されている。
【００４２】
第１の実施形態では、横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２の比が略ｎ（ｎは２以上の整数）：１、例えば、略３：１の整数比に設定されている。各単位燃料電池セル３２の全面に均一な面圧を付与するために、第１燃料電池スタック１２には、横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２の比に対応して３個の皿ばね１４６ａ〜１４６ｃが等間隔ずつ離間して水平方向（矢印Ｃ方向）に配置されている。換言すれば、単位燃料電池セル３２の横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２の比が整数比に設定されることにより、その比に対応する数の皿ばね１６４ａ〜１６４ｃを単位燃料電池セル３２の全面に対して均等に配置することができる。
【００４３】
図２および図１３に示すように、取り付け機構３０は、第１エンドプレート１６の下部側に一体的に設けられるブラケット部１６０ａ、１６０ｂと、第２エンドプレート２４の下部側にねじ止めされるマウントブラケット１６２ａ、１６２ｂとを備える。ブラケット部１６０ａ、１６０ｂには、第１燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）に長尺な長孔１６４ａ、１６４ｂが形成される一方、マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂに孔部１６６ａ、１６６ｂが形成される。
【００４４】
長孔１６４ａ、１６４ｂおよび孔部１６６ａ、１６６ｂには、それぞれゴムマウント１６８が配置される。ゴムマウント１６８は、上下にねじ部１７０ａ、１７０ｂが設けられており、上部に突出する前記ねじ部１７０ａにカラー１７２が配置されてこのカラー１７２がここから長孔１６４ａ、１６４ｂに挿入されるとともに、該ねじ部１７０ａにナット１７４が螺合される。マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂ側では、ゴムマウント１６８のねじ部１７０ａが孔部１６６ａ、１６６ｂに挿入されてその先端部にナット１７４が螺合される。ゴムマウント１６８の下部側に突出するねじ部１７０ｂは、取り付けプレート３１に挿入されてナット１７６が螺合されることにより、第１燃料電池スタック１２を車両等に固定する。
【００４５】
図１４に示すように、第２燃料電池スタック１４は、上述した第１燃料電池スタック１２とは対称的に構成されるとともに、電解質膜３８に対してカソード側電極４０とアノード側電極４２とが逆側に配置されており、第１エンドプレート１８側に負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる（図１５参照）。第２燃料電池スタック１４は、基本的には第１燃料電池スタック１２と同様に構成されており、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を省略する。
【００４６】
図１６に示すように、第２燃料電池スタック１４は、第２導電プレート１８０を備えており、この第２導電プレート１８０には、前記第２燃料電池スタック１４の下側に延在しかつ第１燃料電池スタック１２に設けられている第１導電プレート８２の第１接続板部１０６に近接する第２接続板部１８２を設けている。第１および第２接続板部１０６、１８２には、それぞれ一対のボルト部１０８ａ、１０８ｂと１８４ａ、１８４ｂとが設けられている。
【００４７】
ボルト部１０８ａと１８４ａおよびボルト部１０８ｂと１８４ｂには、それぞれ可撓性接続体、例えば、撚り線１８６ａ、１８６ｂが接続される。撚り線１８６ａ、１８６ｂは、多数の細線状の導線を網状に撚ることにより構成されており、それぞれゴムカバー１８８ａ、１８８ｂにより覆われている。
【００４８】
図１４に示すように、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６には、それぞれ燃料ガス入口１２２ａと酸化剤ガス出口１２０ｂとが互いに近接する位置に配置されており、この第２エンドプレート２４、２６に配管機構２８が組み込まれる。
【００４９】
図１および図１７に示すように、配管機構２８は、互いに並設される第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａを覆って前記第２エンドプレート２４、２６に一体的に固定される第１ブラケット１９０を備える。この第１ブラケット１９０には、各燃料ガス入口１２２ａにそれぞれ連通する燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが設けられ、前記燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが合流して燃料ガス供給口１９４に連通する。
【００５０】
第２エンドプレート２４、２６には、各酸化剤ガス出口１２０ｂを覆って第２ブラケット１９６が固定される。この第２ブラケット１９６に設けられ酸化剤ガス出口１２０ｂにそれぞれ連通する酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂの先端部が、酸化剤ガス排出口２００に一体的に連通する。
【００５１】
第２エンドプレート２４、２６には、それぞれの酸化剤ガス入口１２０ａおよび燃料ガス出口１２２ｂを覆って第３および第４ブラケット２０２、２０４が固定される。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、酸化剤ガス入口１２０ａに連通する酸化剤ガス供給管２０６の両端が連通するとともに、この酸化剤ガス供給管２０６の途上に酸化剤ガス供給口２０８が設けられる。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、燃料ガス出口１２２ｂに連通する燃料ガス排出管２１０の両端が連通し、この燃料ガス排出管２１０の途上に燃料ガス排出口２１２が設けられる。
【００５２】
第２エンドプレート２４、２６に設けられている各供給管路１３４に冷却媒体供給管２１４の両端が連結され、この冷却媒体供給管２１４に冷却媒体供給口２１６が設けられる。第２エンドプレート２４、２６に設けられている各排出管路１３６に冷却媒体排出管２１８が連結されるとともに、この冷却媒体排出管２１８に冷却媒体排出口２２０が設けられる。
【００５３】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５４】
図１に示すように、燃料電池システム１０には、燃料ガス供給口１９４から燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給口２０８に酸化剤ガスとして空気または酸素ガス（以下、単に空気ともいう）が供給される。さらに、冷却媒体供給口２１６に冷却媒体が供給される。
【００５５】
燃料ガス供給口１９４に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂを通って第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａに送られ、さらに第２セパレータ３６の各燃料ガス入口６８ａから第１燃料ガス流路溝７２に導入される。図５に示すように、第１燃料ガス流路溝７２に供給された燃料ガスは、第２セパレータ３６の面３６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５６】
その際、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層４６を通って単位燃料電池セル３２のアノード側電極４２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝７２に沿って移動しながらアノード側電極４２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝７３を介して燃料ガス出口６８ｂから排出される。この未使用の燃料ガスは、第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス出口１２２ｂを通って燃料ガス排出管２１０に導入され、燃料ガス排出口２１２を介して燃料電池システム１０から排出される。
【００５７】
一方、酸化剤ガス供給口２０８に供給された空気は、酸化剤ガス供給管２０６を介して第２エンドプレート２４、２６に設けられた各酸化剤ガス入口１２０ａに送られ、さらに第１および第２燃料電池スタック１２、１４内に組み込まれた第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａに供給される（図３参照）。第１セパレータ３４では、酸化剤ガス入口５６ａに供給された空気が面３４ａ内の第１酸化剤ガス流路溝６２に導入され、この第１酸化剤ガス流路溝６２に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５８】
その際、空気中の酸素ガスは、第１ガス拡散層４４からカソード側電極４０に供給される一方、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝６５を介して酸化剤ガス出口５６ｂから排出される。この酸化剤ガス出口５６ｂに排出された空気は、第２エンドプレート２４、２６に設けられた酸化剤ガス出口１２０ｂから酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂを介して酸化剤ガス排出口２００より排出される（図１参照）。
【００５９】
これにより、第１および第２燃料電池スタック１２、１４で発電が行われ、それぞれ特性の異なる第１および第２電力取り出し端子２０、２２間に接続される負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００６０】
また、第１および第２燃料電池スタック１２、１４内は、冷却媒体により有効に冷却される。すなわち、冷却媒体供給口２１６に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給管２１４から第２エンドプレート２４、２６に設けられている供給管路１３４に導入される。この冷却媒体は、図１１に示すように、第２エンドプレート２４、２６の冷却媒体供給口１２８に導入され、複数の第２溝部１２６ｂから第１溝部１２６ａを通って第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに送られる。
【００６１】
第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに導入された冷却媒体は、第２セパレータ３６の下部側に形成された冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに導入され、図６に示すように、前記冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄに沿って下方から上方に向かって移動する。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを通って各単位燃料電池セル３２を冷却した冷却媒体は、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈを通って第２エンドプレート２４、２６の第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入される（図１１参照）。
【００６２】
この第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入された冷却媒体は、第１溝部１３０ａから第２溝部１３０ｂを介して冷却媒体排出口１３２に送られ、排出管路１３６から冷却媒体排出管２１８を通って冷却媒体排出口２２０より排出される。
【００６３】
この場合、第１の実施形態では、図１２に示すように、第１燃料電池スタック１２（すなわち、単位燃料電池セル３２）の横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２との比が、略３：１に設定されている。そして、第１燃料電池スタック１２に対して積層方向に面圧を付与するために締め付け機構１４０が、第１エンドプレート１６の外面側に設けられる液体チャンバ１４２と、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、第１燃料電池スタック１２の縦横比に対応して横方向に１列に配置される３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃとを備えている。
【００６４】
このように、第１の実施形態では、単位燃料電池セル３２の縦横比に対応して皿ばね１４６ａ〜１４６ｃが設定されるため、第１燃料電池スタック１２内の面圧分布が均一になる。これにより、発電性能を有効に向上させるとともに、燃料ガスや酸化剤ガスの漏れを阻止して、有効なシール性を確保することができるという効果が得られる。
【００６５】
しかも、単位燃料電池セル３２の横寸法Ｈ１と縦寸法Ｈ２の比が整数比、例えば、略３：１に設定されている。従って、その整数比に対応する数の皿ばね１６４ａ〜１６４ｃを使用すれば、前記皿ばね１６４ａ〜１６４ｃを単位燃料電池セル３２の全面に対して均等に配置することができる。これにより、特に、単位燃料電池セル３２の両端部に設けられた酸化剤ガス入口５６ａおよび酸化剤ガス出口５６ｂを含む酸化剤ガス連通路や、燃料ガス入口６８ａおよび燃料ガス出口６８ｂを含む燃料ガス連通路の周囲に均一な締め付け力を付与することが可能になり、酸化剤ガスおよび燃料ガスのシール性を高精度に維持することができるという利点がある。
【００６６】
さらに、第１燃料電池スタック１２を横長に構成することができ、前記第１燃料電池スタック１２の高さ方向の寸法を相当に低く設定することが可能になる。従って、燃料電池システム１０は、所望の起電力を有して高さ方向の寸法を大幅に削減することができ、特に、車載用燃料電池システム１０として効果的に使用することが可能になるという利点がある。
【００６７】
また、第２セパレータ３６では、一方の面３６ａに第１および第２燃料ガス流路溝７２、７３が水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられるとともに、前記第２セパレータ３６の面３６ｂには、冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを構成する第１流路溝７６ａ、７６ｂおよび第２流路溝７８が重力方向に向かって設けられている。
【００６８】
このように、第２セパレータ３６では、第１および第２燃料ガス流路溝７２、７３と、第１および第２流路溝７６ａ、７６ｂおよび７８とが、互いに直交するように設けられており、前記第２セパレータ３６自体の曲げ剛性が有効に向上する。これにより、第２セパレータ３６の厚さを有効に薄肉化することが可能になり、第１燃料電池スタック１２全体の積層方向の寸法を容易に短尺化することが可能になる。
【００６９】
なお、第１の実施形態では、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を積層方向に並列させた燃料電池システム１０を用いて説明したが、第１燃料電池スタック１２のみを使用する場合にも同様の効果が得られる。
【００７０】
図１８は、本発明に関連してなされた第２の実施形態に係る燃料電池スタック２４０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る第１燃料電池スタック１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。また、以下に説明する第３の実施形態に係る燃料電池スタック２６０においても同様である。
【００７１】
この燃料電池スタック２４０では、単位燃料電池セル３２の発電面を構成するカソード側電極４０およびアノード側電極４２が横長の長方形状を有しており、その横寸法Ｈ３がその縦寸法Ｈ４の２倍以上に設定されている。第２の実施形態では、横寸法Ｈ３と縦寸法Ｈ４の比が略ｎ（ｎは２以上の整数）：１、例えば、略３：１の整数比に設定されている。
【００７２】
燃料電池スタック２４０には、発電面の横寸法Ｈ３と縦寸法Ｈ４の比に対応して、３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃが等間隔ずつ離間して水平方向（矢印Ｃ方向）に配置されている。すなわち、単位燃料電池セル３２の発電面の横寸法Ｈ３と縦寸法Ｈ４の比が整数比に設定されることにより、その比に対応する数の皿ばね１４６ａ〜１４６ｃを発電面全面に対して均等に配置することができる。
【００７３】
これにより、第２の実施形態では、燃料電池スタック２４０内の発電面全面に均一な締め付け力を付与することが可能になり、発電性能を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００７４】
図１９は、本発明の実施形態である第３の実施形態に係る燃料電池スタック２６０の概略斜視説明図であり、図２０は、前記燃料電池スタック２６０の概略縦断面説明図である。
【００７５】
燃料電池スタック２６０は、締め付け機構２６２を介して積層方向に一体的に締め付け固定される。この締め付け機構２６２は、第１エンドプレート１６とバックアッププレート１４８との間に配置される面圧付与部材である６個以上、例えば、６個のワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆと、第２エンドプレート２４の外面側に設けられる加圧手段２６６とを備える。
【００７６】
ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆは、第１エンドプレート１６に接する側に平坦面２７６を設ける一方、バックアッププレート１４８に接触する側に球面あるいは円弧面である湾曲面２７８が設けられており、全体として略円盤状に設定されている。ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆは、第１エンドプレート１６側に対して水平方向に所定間隔ずつ離間して上下２列に配置されている。
【００７７】
加圧手段２６６は、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、この第２エンドプレート２４を第１エンドプレート１６側に押圧するために、水平方向に所定間隔ずつ離間して上下２列に配置される６個以上、例えば、６個の皿ばね２６８ａ〜２６８ｆを備える。皿ばね２６８ａ〜２６８ｃは、第２エンドプレート２４の上部側に水平方向に向かって配置され、かつワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｃと矢印Ａ方向に略一致する位置に設定されている。皿ばね２６８ｄ〜２６８ｆは、第２エンドプレート２４の下部側にかつワッシャプレート２６４ｄ〜２６４ｆと矢印Ａ方向に略一致する位置に対応して配置されている。
【００７８】
バックアッププレート１４８から燃料電池スタック２６０を貫通して取り付け板１５２に６本のタイロッド（締め付けボルト）２７０が挿入される。図２０に示すように、タイロッド２７０の端部にナット２７２がねじ込まれるとともに、前記タイロッド２７０の頭部２７０ａとバックアッププレート１４８との間には、球面ワッシャ２７４が介装される。
【００７９】
図２１に示すように、燃料電池スタック２６０は、横長の長方形状に形成されるとともに、横寸法Ｈ５と縦寸法Ｈ６との比が、略３：２に設定されている。
【００８０】
このように構成される第３の実施形態では、第２エンドプレート２４の面内に、上下２列でかつ水平方向に等間隔ずつ離間して６個の皿ばね２６８ａ〜２６８ｆが水平方向（矢印Ａ方向）に２列に配置されている。このため、特に、燃料電池スタック２６０を組み付ける際に取り付け板１５２が倒れることがなく、前記燃料電池スタック２６０を、簡単な作業で効率的に組み付けることができるという効果が得られる。
【００８１】
さらに、燃料電池スタック２６０では、横寸法Ｈ５と縦寸法Ｈ６の比が、略３：２に設定されている。従って、第２エンドプレート２４の全面に対して６個の皿ばね２６８ａ〜２６８ｆを、上下方向かつ水平方向に均等に配置することが可能になり、燃料電池スタック２６０全体を面圧分布が均一になるように確実に締め付け保持することができ、有効なシール性を確保することが可能になる。
【００８２】
さらにまた、この第３の実施形態では、第１エンドプレート１６の外面側に、６個のワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆが面圧付与部材として配置されている。これにより、構成が有効に簡素化されて極めて経済的なものになるとともに、厚さ方向の寸法が削減され、燃料電池スタック２６０全体の積層方向の短尺化が容易に図られる。
【００８３】
その際、皿ばね２６８ａ〜２６８ｆの中心とワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆの中心とは、矢印Ａ方向にそれぞれ略一致するようにして配置されている。このため、皿ばね２６８ａ〜２６８ｆを介して燃料電池スタック２６０に締め付け力が付与される際、モーメント荷重が発生することを有効に阻止することができ、前記燃料電池スタック２６０に曲がり等が発生することを防止し得るという効果がある。
【００８４】
また、タイロッド２７０の頭部２７０ａに係合して球面ワッシャ２７４が設けられている。従って、図２２に示すように、燃料電池スタック２６０の加圧時にバックアッププレート１４８が湾曲する際、球面ワッシャ２７４がこのバックアッププレート１４８の変形を有効に吸収し、タイロッド２７０を介して前記燃料電池スタック２６０を矢印Ａ方向に確実に締め付け固定することができる。
【００８５】
ここで、ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆは、平坦面２７６が第１エンドプレート１６に接触する一方、湾曲面２７８がバックアッププレート１４８の変形時にも、前記バックアッププレート１４８に面接触している。このため、燃料電池スタック２６０全体の締め付け状態を有効に維持することが可能になる。
【００８６】
図２３は、本発明に関連してなされた第４の実施形態に係る燃料電池スタック３００の一部断面説明図である。
【００８７】
この燃料電池スタック３００を構成する第１エンドプレート３０２の外面側には、面圧付与部材である平板状のワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆの一部を収容するための収容溝３０６が、上下２列でかつ水平方向に所定間隔ずつ離間して６箇所に設けられている。第１エンドプレート３０２に対向して配置されるバックアッププレート３０８には、収容溝３０６に対向してワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆを部分的に収容する収容溝３１０が、上下２列でかつ水平方向に所定間隔ずつ離間して６箇所に設けられる。この収容溝３１０には、ワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆ側に突出する押圧部３１２が設けられている。
【００８８】
このように構成される燃料電池スタック３００では、例えば、６個のワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆが、第１エンドプレート３０２とバックアッププレート３０８とにそれぞれ形成された収容溝３０６、３１０に対応して配置される。これにより、ワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆを所望の位置に容易かつ確実に組み込むことができ、燃料電池スタック３００の組み付け作業性が有効に向上するという効果が得られる。
【００８９】
図２４は、本発明に関連してなされた第５の実施形態に係る燃料電池スタック３２０の一部断面説明図である。
【００９０】
この燃料電池スタック３２０では、バックアッププレート３２２に収容溝３１０の中央部からワッシャプレート３０４ａ〜３０４ｆ側に膨出する球面状押圧部３２４が設けられている。その他の構成は第４の実施形態に係る燃料電池スタック３００と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
【００９１】
図２５は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック３４０の一部断面説明図である。
【００９２】
この燃料電池スタック３４０では、バックアッププレート３４２に第１エンドプレート３０２の収容溝３０６と同一形状の収容溝３４４が形成されている。この収容溝３０６、３４４には、ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆが収容されている。ワッシャプレート２６４ａ〜２６４ｆは、平坦面２７６が第１エンドプレート３０２側に配置される一方、湾曲面２７８がバックアッププレート３４２側に対応して配置されている。その他の構成は第４の実施形態に係る燃料電池スタック３００と同一であるため、その詳細な説明は省略する。
【００９３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、単位燃料電池セルが横長形状に構成されるとともに、面圧付与部材に対向して配置されている加圧手段が、横方向に２列に配置される６個の皿ばねを備えている。従って、燃料電池スタックの組み付け作業性が向上するとともに、単位燃料電池セル全面の面圧分布を均一にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの側面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの要部縦断面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する電力取り出し端子の接続構造を示す説明図である。
【図９】前記燃料電池スタックを構成する導電プレートの斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタック内の流体の流れを示す流路説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックを構成する第２エンドプレートの内方側の面の正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックの正面説明図である。
【図１３】前記燃料電池スタックの平面説明図である。
【図１４】配管機構が省略された状態の前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図１５】前記燃料電池システムの背面説明図である。
【図１６】前記燃料電池システムの下側を示す斜視説明図である。
【図１７】前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの正面説明図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２０】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図２１】前記燃料電池スタックの正面説明図である。
【図２２】前記燃料電池スタックの加圧状態を示す一部断面説明図である。
【図２３】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図２４】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図２５】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
１２、１４、２４０、２６０、３００、３２０、３４０…燃料電池スタック
１６、１８、２４、２６、３０２…エンドプレート
２０、２２…電力取り出し端子２８…配管機構
３０…取り付け機構３２…単位燃料電池セル
３４、３６…セパレータ３８…電解質膜
４０…カソード側電極４２…アノード側電極
５６ａ、６６ａ、１００ａ、１２０ａ…酸化剤ガス入口
５６ｂ、６６ｂ、１００ｂ、１２０ｂ…酸化剤ガス出口
５８ａ、６８ａ、１０２ａ、１２２ａ…燃料ガス入口
５８ｂ、６８ｂ、１０２ｂ、１２２ｂ…燃料ガス出口
６０ａ〜６０ｄ、７０ａ〜７０ｄ、１０４ａ〜１０４ｄ…冷却媒体入口
６０ｅ〜６０ｈ、７０ｅ〜７０ｈ、１０４ｅ〜１０４ｈ…冷却媒体出口
６２、６５…酸化剤ガス流路溝７２、７３…燃料ガス流路溝
７４ａ〜７４ｄ…冷却媒体流路８０…端子板
８２、１８０…導電プレート１０６、１８２…接続板部
１２４ａ〜１２４ｈ…冷却媒体流路溝
１３４…供給管路１３６…排出管路
１４０、２６２…締め付け機構１４２…液体チャンバ
１４５、２６６…加圧手段
１４６ａ〜１４６ｃ、２６８ａ〜２６８ｆ…皿ばね
１４８、３０８、３２２、３４２…バックアッププレート
１５４、２７０…タイロッド１６０ａ、１６０ｂ…ブラケット部
１６２ａ、１６２ｂ…マウントブラケット
１６８…ゴムマウント１８６ａ、１８６ｂ…撚り線
１８８ａ、１８８ｂ…ゴムカバー
２６４ａ〜２６４ｆ、３０４ａ〜３０４ｆ…ワッシャプレート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, a plurality of unit fuel cells each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode are stacked in a horizontal direction via a separator. The present invention relates to a fuel cell stack in which end plates are disposed at both ends in the stacking direction.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell is a unit fuel cell that is configured by arranging an anode side electrode and a cathode side electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). It is comprised by pinching with a separator. This polymer electrolyte fuel cell is usually used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit fuel cells and separators.
[0003]
In this type of fuel cell stack, fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, hydrogen-containing gas, is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode side electrode side through an appropriately humidified electrolyte membrane. To do. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas or air, the hydrogen ions, the electrons, and the oxygen gas react with each other to generate water at the cathode side electrode.
[0004]
By the way, when the contact resistance in the fuel cell stack increases, the internal resistance loss increases and the terminal voltage decreases. For this reason, it is necessary to apply a desired tightening force to the unit fuel cells stacked so that the surface pressure applied to the electrode surface (power generation surface) is uniform in order to reduce the contact resistance.
[0005]
Therefore, for example, as disclosed in US Pat. No. 5,484,666, a total of four pieces, two in the vertical direction and two in the horizontal direction, are provided on one of the end plates arranged at both ends of the fuel cell stack. The fuel cell stack is formed by forming a recess and disposing a disc spring in the recess, and inserting a tie rod between both end plates into the disc spring and screwing a nut to an end of the tie rod. 2. Description of the Related Art A fuel cell stack configured to be clamped and fixed as a whole is known.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described prior art, since the disc spring is arranged by forming two concave portions on the upper and lower sides and left and right sides of the end plate, the height dimension of the fuel cell stack as a whole is the lateral dimension. It is the same size or larger. For this reason, especially when the fuel cell stack is to be mounted on a vehicle or the like, the place where the fuel cell stack can be accommodated is considerably limited.
[0007]
Moreover, in the above-described prior art, only four disc springs are arranged on the end plate. Thereby, there exists a possibility that a uniform surface pressure cannot be provided to the whole electric power generation surface of a unit fuel cell via a disc spring.
[0008]
The present invention solves this type of problem, and can effectively shorten the height dimension of the entire fuel cell stack and provide a uniform clamping force to the stacked unit fuel cells. An object is to provide a possible fuel cell stack.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In the fuel cell stack of the present invention, the unit fuel cell isSix dishes that are formed in a horizontally-long rectangular shape, are provided with a surface pressure imparting member between one end plate and the backup plate, and are arranged in two rows in the lateral direction on the other end plate side A pressure means comprising a spring is arranged. For this reason, a uniform surface pressure is applied to the entire unit fuel cell, and the assembly operation of the fuel cell stack is performed with high accuracy and efficiency without causing a collapse or the like during assembly. Furthermore, the ratio between the horizontal dimension and the vertical dimension of the unit fuel cell is set to approximately 3: 2. For this reason, in particular, a total of six disc springs can be arranged evenly with respect to the entire surface of the unit fuel cell in two rows in the lateral direction, and the surface pressure can be applied to the entire surface of the unit fuel cell with high accuracy and uniformity. GrantIt becomes possible to do.
[0015]
  further,surfaceThe pressure applying member includes six or more washer plates arranged in two rows in the lateral direction corresponding to the disc springs.The washer plate is set in a substantially disk shape having a flat surface on one surface and a curved surface on the other surface.Therefore, the configuration is simplified and economical, and the disc springs and the washer plates are arranged opposite to each other, so that moment load is reliably prevented and the entire fuel cell stack is prevented. Can be tightened firmly and securely. In addition, by using the washer plate, the dimension in the stacking direction of the unit fuel cells, which is the thickness direction, is reduced, and the stacking direction of the entire fuel cell stack can be effectively shortened.
[0017]
  Also,singleA clamping bolt that integrally holds the fuel cell in the stacking direction and a spherical washer that engages with the head of the clamping bolt are provided. As a result, when the entire fuel cell stack is pressed and held in the stacking direction, even if the end plate or backup plate that supports the tightening bolt is deformed, the fuel cell stack is tightened in the stacking direction under the action of the spherical washer. Power can be reliably given.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  FIG. 1 shows the present invention.Made in connection withFIG. 2 is a schematic perspective view of a fuel cell system 10 incorporating the fuel cell stack according to the first embodiment, and FIG. 2 is a side view of the fuel cell system 10.
[0019]
The fuel cell system 10 includes a first fuel cell stack 12 and a second fuel cell stack 14 that are arranged in parallel to each other along a horizontal direction (arrow A direction). The first end plates 16 and 18 constituting the one end vertical surface on the same side of the first and second fuel cell stacks 12 and 14 have a first power extraction terminal 20 as a positive electrode and a second power extraction terminal as a negative electrode. 22 is provided.
[0020]
A fuel gas with respect to the first and second fuel cell stacks 12 and 14 is disposed on the second end plates 24 and 26 side, which is the other end vertical surface on the same side of the first and second fuel cell stacks 12 and 14. A piping mechanism 28 for supplying and discharging the oxidant gas and the cooling medium is incorporated. The first and second fuel cell stacks 12 and 14 are fixed to an attachment plate 31 constituting the vehicle via an attachment mechanism 30.
[0021]
As shown in FIGS. 3 and 4, the first fuel cell stack 12 includes a unit fuel cell 32 and first and second separators 34 and 36 that sandwich the unit fuel cell 32, and a plurality of these are provided. Only one set is stacked in the horizontal direction (arrow A direction). The first fuel cell stack 12 has a rectangular parallelepiped shape as a whole, and the short side direction (arrow B direction) is oriented in the gravity direction, and the long side direction (arrow C direction) is oriented in the horizontal direction. Is done.
[0022]
The unit fuel cell 32 includes a solid polymer electrolyte membrane 38, a cathode side electrode 40 and an anode side electrode 42 disposed with the electrolyte membrane 38 interposed therebetween, and the cathode side electrode 40 and the anode side electrode. 42 is provided with first and second gas diffusion layers 44 and 46 made of, for example, porous carbon paper that is a porous layer.
[0023]
First and second gaskets 48 and 50 are provided on both sides of the unit fuel cell 32, and the first gasket 48 has a large opening 52 for accommodating the cathode side electrode 40 and the first gas diffusion layer 44. On the other hand, the second gasket 50 has a large opening 54 for accommodating the anode side electrode 42 and the second gas diffusion layer 46. The unit fuel cell 32 and the first and second gaskets 48 and 50 are sandwiched between the first and second separators 34 and 36.
[0024]
The first separator 34 has a surface 34a facing the cathode side electrode 40 and an opposite surface 34b set in a rectangular shape. For example, the long side 55a is oriented in the horizontal direction, and the short side 55b is directed in the gravitational direction. Oriented.
[0025]
An oxidant gas inlet 56a for passing an oxidant gas, which is oxygen gas or air, and a fuel gas such as hydrogen gas are passed through the upper ends of both edge portions on the short side 55b side of the first separator 34. The fuel gas inlet 58a has a rectangular shape that is long in the vertical direction. The oxidant gas outlet 56b and the fuel gas outlet 58b are diagonally positioned on the lower side of both edge portions on the short side 55b side of the first separator 34 with respect to the oxidant gas inlet 56a and the fuel gas inlet 58a. It has a rectangular shape that is long in the vertical direction.
[0026]
At the lower end portion of the long side 55a of the first separator 34, four cooling medium inlets 60a to 60d that are long in the direction of arrow C are provided, and the upper portion of the first separator 34 on the long side 55a side is the same. In addition, four coolant outlets 60e to 60h that are long in the direction of arrow C are provided. A cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlets 60a to 60d.
[0027]
On the surface 34a of the first separator 34, ten independent first oxidant gas flow channels 62 communicating with the oxidant gas inlet 56a are provided in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction. The first oxidant gas flow channel 62 merges with the five second oxidant gas flow channels 65, and the second oxidant gas flow channel 65 communicates with the oxidant gas outlet 56b. The first separator 34 has six holes 63 for inserting tie rods.
[0028]
The second separator 36 is formed in a rectangular shape, and an oxidant gas inlet 66a and a fuel gas inlet 68a are formed through the upper side of both end edges on the short side 64b side of the second separator 36. An oxidant gas outlet 66b and a fuel gas outlet 68b are formed through the lower ends of the both end edges so as to be diagonal to the oxidant gas inlet 66a and the fuel gas inlet 68a.
[0029]
Four cooling medium inlets 70a to 70d that are long in the direction of arrow C are formed through the lower portion of the second separator 36 on the long side 64a side, and cooling medium outlets 70e to 70h are formed on the upper side of the long side 64a. In the same manner, a long penetration is formed in the direction of arrow C.
[0030]
As shown in FIG. 5, ten first fuel gas passage grooves 72 are formed on the surface 36a of the second separator 36 so as to communicate with the fuel gas inlet 68a. The first fuel gas channel groove 72 is provided in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction, and merges with the five second fuel gas channel grooves 73, and the second fuel gas channel groove 73 It communicates with the fuel gas outlet 68b.
[0031]
As shown in FIG. 6, on the surface 36b opposite to the surface 36a of the second separator 36, cooling medium flow paths 74a to 74d that individually communicate with the cooling medium inlets 70a to 70d and the cooling medium outlets 70e to 70h, respectively. Are provided in the direction of gravity. The cooling medium channels 74a to 74d include nine first channel grooves 76a and 76b that communicate with the cooling medium inlets 70a to 70d and the cooling medium outlets 70e to 70h, respectively, and the first channel grooves 76a and 76b. In between, two second flow path grooves 78 are provided in parallel to each other in the direction of gravity and spaced apart by a predetermined distance. Similar to the first separator 34, the second separator 36 is provided with six holes 63 for inserting tie rods.
[0032]
As shown in FIG. 7, a terminal plate 80 as a terminal plate and a first conductive plate 82 are disposed at both ends in the stacking direction of the unit fuel cells 32 stacked by a predetermined number. The terminal plate 80 is laminated with the first end plate 16 via the insulating plate 84, and the first power extraction terminal 20 is attached to the terminal plate 80.
[0033]
As shown in FIG. 8, the first power extraction terminal 20 is provided with small-diameter screw portions 88 a and 88 b at both ends of a cylindrical large-diameter portion 86. The threaded portion 88a protrudes into the oxidant gas inlet 56a of the first separator 34 through the hole 90 formed in the terminal plate 80, and the nut member 92 is screwed to the threaded portion 88a. A seal member 94 is interposed on the shoulder portion of the large diameter portion 86 to improve the sealing performance between the large diameter portion 86 and the outer periphery of the large diameter portion 86 and the first end plate 16. An insulating ring 98 is interposed between the holes 96.
[0034]
As shown in FIG. 9, the first conductive plate 82 is set to have substantially the same shape as the second separator 36, that is, a rectangular shape, and an oxidant gas inlet 100 a, a fuel is provided at both end edges on the short side. The gas inlet 102a, the oxidant gas outlet 100b, and the fuel gas outlet 102b are provided at diagonal positions. Four cooling medium inlets 104a to 104d and cooling medium outlets 104e to 104h are provided in the lower part and the upper part of the long side of the first conductive plate 82, respectively, and six holes 63 for inserting tie rods are formed. Yes.
[0035]
The first conductive plate 82 is provided with a first connection plate portion 106 that extends below the first fuel cell stack 12 and close to the second fuel cell stack 14. The first connecting plate portion 106 is provided with two bolt portions 108a and 108b protruding downward. The bolt portions 108a and 108b and the first conductive plate 82 are made of a conductive material such as SUS or copper. Etc. As shown in FIG. 7, the second end plate 24 is laminated on the first conductive plate 82 via the insulating plate 110, the lid plate 112 and the seal member 114.
[0036]
As shown in FIGS. 10 and 11, the second end plate 24 is configured in a rectangular shape, and an oxidant gas inlet 120 a and a fuel gas inlet 122 a pass through the upper side of both edge portions on the short side. The oxidant gas outlet 120b and the fuel gas outlet 122b are formed diagonally to the oxidant gas inlet 120a and the fuel gas inlet 122a at the lower side of both edge portions on the short side. Provided.
[0037]
On the inner surface 24 a of the second end plate 24, first cooling medium passage grooves 124 a to 124 d communicating with the cooling medium inlets 70 a to 70 d of the second separator 36, and cooling medium outlets 70 e to 70 e of the second separator 36. Second cooling medium passage grooves 124e to 124h communicating with 70h are formed to be long in the horizontal direction and have a predetermined depth. The first coolant passage grooves 124a to 124d communicate with the end portions of the twelve first groove portions 126a, respectively. The first groove portions 126a extend upward in parallel with each other, and then two second groove portions 126b are formed by joining two first groove portions 126a, and two second groove portions 126b are joined to the third groove portion 126c by two each. One cooling medium supply port 128 communicates.
[0038]
Similarly, each of the second cooling medium passage grooves 124e to 124h communicates with twelve first groove portions 130a, and the first groove portions 130a extend vertically downward to join two second groove portions 130b. To do. Two second groove portions 130 b join the third groove portion 130 c two by two and communicate with a single cooling medium discharge port 132. As shown in FIG. 10, the cooling medium supply port 128 and the cooling medium discharge port 132 are connected to a supply pipe line 134 and a discharge pipe line 136. The supply pipe line 134 and the discharge pipe line 136 are connected to One fuel cell stack 12 protrudes outward by a predetermined length. The second end plate 24 has six holes 63 for inserting tie rods (see FIG. 11).
[0039]
As shown in FIG. 7, the first fuel cell stack 12 is integrally fastened and fixed in the stacking direction (arrow A direction) via the fastening mechanism 140. The tightening mechanism 140 includes a liquid chamber 142 provided on the outer surface side of the first end plate 16, an incompressible surface pressure applying liquid enclosed in the liquid chamber 142, such as silicon oil 144, and a pressurizing unit. 145. The pressurizing means 145 is provided on the outer surface side of the second end plate 24, and is arranged in a row at a predetermined interval in the horizontal direction so as to press the second end plate 24 toward the first end plate 16 side. Two or more, for example, three disc springs 146a to 146c are provided.
[0040]
A back-up plate 148 is disposed opposite to the first end plate 16 with the liquid chamber 142 interposed therebetween, and a liquid sealing member for applying a surface pressure is provided by the back-up plate 148 and the thin plate 150 made of aluminum or stainless steel. Is configured. The disc springs 146a to 146c are arranged in the plane of the second end plate 24 so as to be spaced apart at substantially equal intervals, and are supported by the mounting plate 152. Six tie rods 154 are inserted into the backup plate 148 through the first fuel cell stack 12 from the mounting plate 152. When the nut 156 is screwed into the end portion of the tie rod 154, the first fuel cell stack 12 is integrally held.
[0041]
As shown in FIG. 12, the first fuel cell stack 12 (that is, the unit fuel cell 32) is configured in a horizontally long rectangular shape, and the horizontal dimension H1 is set to be twice or more the vertical dimension H2. .
[0042]
In the first embodiment, the ratio of the horizontal dimension H1 to the vertical dimension H2 is set to an integer ratio of approximately n (n is an integer equal to or greater than 2): 1, for example, approximately 3: 1. In order to apply a uniform surface pressure to the entire surface of each unit fuel cell 32, the first fuel cell stack 12 has three disc springs 146a to 146c corresponding to the ratio of the horizontal dimension H1 to the vertical dimension H2. They are arranged at equal intervals in the horizontal direction (arrow C direction). In other words, when the ratio of the horizontal dimension H1 and the vertical dimension H2 of the unit fuel cell 32 is set to an integer ratio, the number of disc springs 164a to 164c corresponding to the ratio is placed on the entire surface of the unit fuel cell 32. On the other hand, it can arrange | position equally.
[0043]
As shown in FIGS. 2 and 13, the attachment mechanism 30 includes bracket portions 160 a and 160 b that are integrally provided on the lower side of the first end plate 16, and a mount that is screwed to the lower side of the second end plate 24. Brackets 162a and 162b are provided. The bracket portions 160a and 160b are formed with long holes 164a and 164b elongated in the stacking direction (arrow A direction) of the first fuel cell stack 12, while the mounting brackets 162a and 162b are formed with holes 166a and 166b. Is done.
[0044]
Rubber mounts 168 are disposed in the long holes 164a and 164b and the hole portions 166a and 166b, respectively. The rubber mount 168 is provided with screw parts 170a and 170b on the upper and lower sides, a collar 172 is disposed on the screw part 170a protruding upward, and the collar 172 is inserted into the elongated holes 164a and 164b from here. A nut 174 is screwed into the threaded portion 170a. On the side of the mount brackets 162a and 162b, the threaded portion 170a of the rubber mount 168 is inserted into the holes 166a and 166b, and the nut 174 is screwed to the tip portion thereof. The threaded portion 170b protruding to the lower side of the rubber mount 168 is inserted into the mounting plate 31 and screwed into the nut 176, thereby fixing the first fuel cell stack 12 to the vehicle or the like.
[0045]
As shown in FIG. 14, the second fuel cell stack 14 is configured symmetrically with the first fuel cell stack 12 described above, and the cathode side electrode 40 and the anode side electrode 42 are separated from the electrolyte membrane 38. The second power extraction terminal 22, which is disposed on the opposite side and is a negative electrode, is provided on the first end plate 18 side (see FIG. 15). The second fuel cell stack 14 is basically configured in the same manner as the first fuel cell stack 12, and the same reference numerals are assigned to the same components, and detailed description thereof is omitted.
[0046]
As shown in FIG. 16, the second fuel cell stack 14 includes a second conductive plate 180, which extends below the second fuel cell stack 14 and has a second conductive plate 180. A second connection plate portion 182 is provided adjacent to the first connection plate portion 106 of the first conductive plate 82 provided in the one fuel cell stack 12. The first and second connecting plate portions 106 and 182 are provided with a pair of bolt portions 108a and 108b and 184a and 184b, respectively.
[0047]
Flexible connection bodies, for example, stranded wires 186a and 186b are connected to the bolt portions 108a and 184a and the bolt portions 108b and 184b, respectively. The stranded wires 186a and 186b are formed by twisting a large number of thin wire wires in a net shape, and are covered with rubber covers 188a and 188b, respectively.
[0048]
As shown in FIG. 14, the fuel gas inlet 122a and the oxidant gas outlet 120b are arranged at positions close to each other on the second end plates 24, 26 constituting the first and second fuel cell stacks 12, 14, respectively. The piping mechanism 28 is incorporated in the second end plates 24 and 26.
[0049]
As shown in FIGS. 1 and 17, the piping mechanism 28 covers the fuel gas inlets 122 a of the second end plates 24 and 26 constituting the first and second fuel cell stacks 12 and 14 arranged in parallel with each other. A first bracket 190 is integrally fixed to the second end plates 24 and 26. The first bracket 190 is provided with fuel gas supply pipes 192a and 192b communicating with the respective fuel gas inlets 122a, and the fuel gas supply pipes 192a and 192b join to communicate with the fuel gas supply port 194.
[0050]
A second bracket 196 is fixed to the second end plates 24 and 26 so as to cover the oxidant gas outlets 120b. The tip portions of the oxidant gas discharge pipes 198 a and 198 b provided on the second bracket 196 and communicating with the oxidant gas outlet 120 b respectively communicate with the oxidant gas discharge port 200 integrally.
[0051]
Third and fourth brackets 202 and 204 are fixed to the second end plates 24 and 26 so as to cover the oxidant gas inlet 120a and the fuel gas outlet 122b, respectively. Both ends of an oxidant gas supply pipe 206 communicating with the oxidant gas inlet 120 a communicate with the third and fourth brackets 202 and 204, and an oxidant gas supply port 208 is provided along the oxidant gas supply pipe 206. Provided. Both ends of a fuel gas discharge pipe 210 communicating with the fuel gas outlet 122 b communicate with the third and fourth brackets 202 and 204, and a fuel gas discharge port 212 is provided in the middle of the fuel gas discharge pipe 210.
[0052]
Both ends of the cooling medium supply pipe 214 are connected to the supply pipe lines 134 provided in the second end plates 24 and 26, and a cooling medium supply port 216 is provided in the cooling medium supply pipe 214. A cooling medium discharge pipe 218 is connected to each discharge pipe path 136 provided in the second end plates 24 and 26, and a cooling medium discharge port 220 is provided in the cooling medium discharge pipe 218.
[0053]
The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.
[0054]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 is supplied with fuel gas (for example, a gas containing hydrogen obtained by reforming hydrocarbons) from a fuel gas supply port 194 and is oxidized at an oxidant gas supply port 208. Air or oxygen gas (hereinafter also simply referred to as air) is supplied as the agent gas. Further, the cooling medium is supplied to the cooling medium supply port 216.
[0055]
The fuel gas supplied to the fuel gas supply port 194 passes through the fuel gas supply pipes 192a and 192b, and the fuel gas inlets 122a of the second end plates 24 and 26 constituting the first and second fuel cell stacks 12 and 14, respectively. And is introduced into the first fuel gas passage groove 72 from each fuel gas inlet 68 a of the second separator 36. As shown in FIG. 5, the fuel gas supplied to the first fuel gas channel groove 72 moves in the direction of gravity while meandering along the surface 36 a of the second separator 36 in the horizontal direction.
[0056]
At that time, the hydrogen gas in the fuel gas is supplied to the anode electrode 42 of the unit fuel cell 32 through the second gas diffusion layer 46. The unused fuel gas is supplied to the anode side electrode 42 while moving along the first fuel gas channel groove 72, while the unused fuel gas passes through the second fuel gas channel groove 73. It is discharged from the fuel gas outlet 68b. The unused fuel gas is introduced into the fuel gas discharge pipe 210 through the fuel gas outlets 122b of the second end plates 24 and 26, and is discharged from the fuel cell system 10 through the fuel gas discharge port 212.
[0057]
On the other hand, the air supplied to the oxidant gas supply port 208 is sent to the oxidant gas inlets 120a provided in the second end plates 24 and 26 via the oxidant gas supply pipe 206, and further, the first and first oxidant gas supply ports 208 are supplied. 2 is supplied to the oxidant gas inlet 56a of the first separator 34 incorporated in the fuel cell stacks 12 and 14 (see FIG. 3). In the first separator 34, the air supplied to the oxidant gas inlet 56 a is introduced into the first oxidant gas flow channel 62 in the surface 34 a and horizontally along the first oxidant gas flow channel 62. Move in the direction of gravity while meandering.
[0058]
At that time, oxygen gas in the air is supplied from the first gas diffusion layer 44 to the cathode-side electrode 40, while unused air flows from the oxidant gas outlet 56 b through the second oxidant gas flow channel groove 65. Discharged. The air discharged to the oxidant gas outlet 56b is discharged from the oxidant gas discharge port 200 via the oxidant gas discharge pipes 198a and 198b from the oxidant gas outlet 120b provided in the second end plates 24 and 26. (See FIG. 1).
[0059]
As a result, power is generated in the first and second fuel cell stacks 12 and 14, and power is supplied to loads connected between the first and second power extraction terminals 20 and 22 having different characteristics, for example, motors (not shown). Will be supplied.
[0060]
Further, the inside of the first and second fuel cell stacks 12 and 14 is effectively cooled by the cooling medium. That is, the cooling medium supplied to the cooling medium supply port 216 is introduced from the cooling medium supply pipe 214 to the supply pipe line 134 provided in the second end plates 24 and 26. As shown in FIG. 11, the cooling medium is introduced into the cooling medium supply port 128 of the second end plates 24, 26, and passes through the first groove 126a from the plurality of second grooves 126b to the first cooling medium flow channel. 124a to 124d.
[0061]
The cooling medium introduced into the first cooling medium passage grooves 124a to 124d is introduced into cooling medium inlets 70a to 70d formed on the lower side of the second separator 36, and as shown in FIG. It moves from below to above along the coolant flow paths 74a to 74d communicating with 70a to 70d. The cooling medium that has cooled each unit fuel cell 32 through the cooling medium channels 74a to 74d passes through the cooling medium outlets 70e to 70h, and the second cooling medium channel grooves 124e to 124h of the second end plates 24, 26. (See FIG. 11).
[0062]
The cooling medium introduced into the second cooling medium flow path grooves 124e to 124h is sent from the first groove part 130a to the cooling medium discharge port 132 via the second groove part 130b and from the discharge pipe 136 to the cooling medium discharge pipe 218. And is discharged from the cooling medium discharge port 220.
[0063]
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 12, the ratio between the horizontal dimension H1 and the vertical dimension H2 of the first fuel cell stack 12 (that is, the unit fuel cell 32) is approximately 3: 1. Is set. A tightening mechanism 140 for applying a surface pressure in the stacking direction to the first fuel cell stack 12 includes a liquid chamber 142 provided on the outer surface side of the first end plate 16 and an outer surface side of the second end plate 24. And three disc springs 146 a to 146 c arranged in a row in the horizontal direction corresponding to the aspect ratio of the first fuel cell stack 12.
[0064]
Thus, in the first embodiment, the disc springs 146a to 146c are set corresponding to the aspect ratio of the unit fuel cell 32, so that the surface pressure distribution in the first fuel cell stack 12 becomes uniform. As a result, it is possible to effectively improve the power generation performance, prevent fuel gas and oxidant gas from leaking, and ensure effective sealing performance.
[0065]
Moreover, the ratio of the horizontal dimension H1 and the vertical dimension H2 of the unit fuel cell 32 is set to an integer ratio, for example, approximately 3: 1. Therefore, if the number of disc springs 164 a to 164 c corresponding to the integer ratio is used, the disc springs 164 a to 164 c can be evenly arranged on the entire surface of the unit fuel cell 32. Thereby, in particular, an oxidant gas communication path including the oxidant gas inlet 56a and the oxidant gas outlet 56b provided at both ends of the unit fuel cell 32, and a fuel gas including the fuel gas inlet 68a and the fuel gas outlet 68b. There is an advantage that a uniform tightening force can be applied around the communication path, and the sealing performance of the oxidant gas and the fuel gas can be maintained with high accuracy.
[0066]
Further, the first fuel cell stack 12 can be configured to be horizontally long, and the height dimension of the first fuel cell stack 12 can be set to be considerably low. Therefore, the fuel cell system 10 has a desired electromotive force, and can greatly reduce the height dimension. In particular, the fuel cell system 10 can be effectively used as the on-vehicle fuel cell system 10. There are advantages.
[0067]
In the second separator 36, the first and second fuel gas channel grooves 72 and 73 are provided on one surface 36a in the direction of gravity while meandering in the horizontal direction, and the surface 36b of the second separator 36 is provided. The first flow path grooves 76a and 76b and the second flow path groove 78 constituting the cooling medium flow paths 74a to 74d are provided in the gravitational direction.
[0068]
As described above, in the second separator 36, the first and second fuel gas flow channel grooves 72, 73 and the first and second flow channel grooves 76a, 76b, 78 are provided so as to be orthogonal to each other. The bending rigidity of the second separator 36 itself is effectively improved. As a result, the thickness of the second separator 36 can be effectively reduced, and the dimensions of the entire first fuel cell stack 12 in the stacking direction can be easily shortened.
[0069]
In the first embodiment, the fuel cell system 10 in which the first and second fuel cell stacks 12 and 14 are arranged in parallel in the stacking direction has been described. However, when only the first fuel cell stack 12 is used. The same effect can be obtained.
[0070]
  FIG. 18 shows the present invention.Made in connection withIt is front explanatory drawing of the fuel cell stack 240 which concerns on 2nd Embodiment. The same components as those of the first fuel cell stack 12 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The same applies to the fuel cell stack 260 according to the third embodiment described below.
[0071]
In this fuel cell stack 240, the cathode side electrode 40 and the anode side electrode 42 constituting the power generation surface of the unit fuel cell 32 have a horizontally long rectangular shape, and its horizontal dimension H3 is twice the vertical dimension H4. It is set above. In the second embodiment, the ratio of the horizontal dimension H3 to the vertical dimension H4 is set to approximately n (n is an integer equal to or greater than 2): 1, for example, approximately 3: 1.
[0072]
In the fuel cell stack 240, three disc springs 146a to 146c are arranged in the horizontal direction (in the direction of arrow C) at regular intervals corresponding to the ratio of the horizontal dimension H3 and the vertical dimension H4 of the power generation surface. . That is, by setting the ratio of the horizontal dimension H3 and the vertical dimension H4 of the power generation surface of the unit fuel cell 32 to an integer ratio, the number of disc springs 146a to 146c corresponding to the ratio is evenly distributed over the entire power generation surface. Can be arranged.
[0073]
Thereby, in 2nd Embodiment, it becomes possible to give uniform clamping force to the whole electric power generation surface in the fuel cell stack 240, and the effect that electric power generation performance can be improved effectively is acquired.
[0074]
  FIG. 19 illustrates the present invention.It is an embodimentFIG. 20 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell stack 260 according to a third embodiment, and FIG. 20 is a schematic vertical cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack 260.
[0075]
The fuel cell stack 260 is integrally fastened and fixed in the stacking direction via the fastening mechanism 262. The tightening mechanism 262 includes six or more surface pressure applying members disposed between the first end plate 16 and the backup plate 148, for example, six washer plates 264 a to 264 f and the second end plate 24. Pressure means 266 provided on the outer surface side.
[0076]
The washer plates 264a to 264f are provided with a flat surface 276 on the side in contact with the first end plate 16, and on the side in contact with the backup plate 148, a curved surface 278 which is a spherical surface or an arc surface is provided. Is set. The washer plates 264a to 264f are arranged in two upper and lower rows at a predetermined interval in the horizontal direction with respect to the first end plate 16 side.
[0077]
The pressurizing means 266 is provided on the outer surface side of the second end plate 24. In order to press the second end plate 24 toward the first end plate 16, the pressurizing unit 266 is spaced apart by a predetermined interval in the horizontal direction in two rows. Six or more, for example, six disc springs 268a to 268f are provided. The disc springs 268a to 268c are arranged on the upper side of the second end plate 24 in the horizontal direction, and are set to positions that substantially coincide with the washer plates 264a to 264c in the arrow A direction. The disc springs 268d to 268f are arranged on the lower side of the second end plate 24 and corresponding to positions substantially coincident with the washer plates 264d to 264f in the arrow A direction.
[0078]
Six tie rods (clamping bolts) 270 are inserted into the mounting plate 152 from the backup plate 148 through the fuel cell stack 260. As shown in FIG. 20, a nut 272 is screwed into the end of the tie rod 270, and a spherical washer 274 is interposed between the head 270a of the tie rod 270 and the backup plate 148.
[0079]
As shown in FIG. 21, the fuel cell stack 260 is formed in a horizontally long rectangular shape, and the ratio of the horizontal dimension H5 to the vertical dimension H6 is set to approximately 3: 2.
[0080]
In the third embodiment configured as described above, six disc springs 268a to 268f are arranged in the horizontal direction (arrows) in two rows in the upper and lower rows and at equal intervals in the horizontal direction within the surface of the second end plate 24. (A direction) are arranged in two rows. For this reason, in particular, when the fuel cell stack 260 is assembled, the mounting plate 152 does not fall down, and the effect that the fuel cell stack 260 can be assembled efficiently by a simple operation is obtained.
[0081]
Further, in the fuel cell stack 260, the ratio of the horizontal dimension H5 to the vertical dimension H6 is set to approximately 3: 2. Accordingly, the six disc springs 268a to 268f can be uniformly arranged in the vertical direction and the horizontal direction with respect to the entire surface of the second end plate 24, and the surface pressure distribution is uniform in the entire fuel cell stack 260. As a result, it is possible to securely hold and secure an effective sealing property.
[0082]
Furthermore, in the third embodiment, six washer plates 264a to 264f are arranged on the outer surface side of the first end plate 16 as surface pressure applying members. As a result, the configuration is effectively simplified and extremely economical, the dimension in the thickness direction is reduced, and the fuel cell stack 260 as a whole can be easily shortened in the stacking direction.
[0083]
At this time, the centers of the disc springs 268a to 268f and the centers of the washer plates 264a to 264f are arranged so as to substantially coincide with each other in the direction of the arrow A. For this reason, when a tightening force is applied to the fuel cell stack 260 via the disc springs 268a to 268f, it is possible to effectively prevent the moment load from being generated, and the fuel cell stack 260 is bent. There is an effect that can be prevented.
[0084]
A spherical washer 274 is provided to engage with the head 270a of the tie rod 270. Therefore, as shown in FIG. 22, when the backup plate 148 is curved when the fuel cell stack 260 is pressurized, the spherical washer 274 effectively absorbs the deformation of the backup plate 148, and the fuel cell stack is connected via the tie rod 270. 260 can be securely tightened and fixed in the direction of arrow A.
[0085]
Here, the washer plates 264a to 264f have the flat surface 276 in contact with the first end plate 16, while the curved surface 278 is in surface contact with the backup plate 148 even when the backup plate 148 is deformed. For this reason, the tightening state of the entire fuel cell stack 260 can be effectively maintained.
[0086]
  FIG. 23 shows the present invention.Made in connection withIt is a partial cross section explanatory view of the fuel cell stack 300 concerning a 4th embodiment.
[0087]
On the outer surface side of the first end plate 302 constituting the fuel cell stack 300, there are two upper and lower rows of receiving grooves 306 for receiving a part of flat washer plates 304a to 304f which are surface pressure applying members. And it is provided in six places spaced apart by a predetermined interval in the horizontal direction. The backup plate 308 disposed opposite to the first end plate 302 has storage grooves 310 that partially store the washer plates 304a to 304f facing the storage groove 306 in two vertical rows and in a predetermined horizontal direction. It is provided at six locations separated by an interval. The receiving groove 310 is provided with a pressing portion 312 that protrudes toward the washer plates 304a to 304f.
[0088]
In the fuel cell stack 300 configured as described above, for example, six washer plates 304a to 304f are arranged corresponding to the receiving grooves 306 and 310 formed in the first end plate 302 and the backup plate 308, respectively. The Accordingly, the washer plates 304a to 304f can be easily and surely assembled at desired positions, and the effect of effectively improving the assembly workability of the fuel cell stack 300 can be obtained.
[0089]
  FIG. 24 shows the present invention.Made in connection withFIG. 10 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack 320 according to a fifth embodiment.
[0090]
In the fuel cell stack 320, a spherical pressing portion 324 is provided on the backup plate 322 so as to bulge from the central portion of the housing groove 310 toward the washer plates 304 a to 304 f. Since the other configuration is the same as that of the fuel cell stack 300 according to the fourth embodiment, a detailed description thereof will be omitted.
[0091]
FIG. 25 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack 340 according to the sixth embodiment of the present invention.
[0092]
In the fuel cell stack 340, a storage groove 344 having the same shape as the storage groove 306 of the first end plate 302 is formed in the backup plate 342. Washers plates 264a to 264f are housed in the housing grooves 306 and 344, respectively. The washer plates 264a to 264f have a flat surface 276 disposed on the first end plate 302 side and a curved surface 278 disposed on the backup plate 342 side. Since the other configuration is the same as that of the fuel cell stack 300 according to the fourth embodiment, a detailed description thereof will be omitted.
[0093]
【The invention's effect】
  In the fuel cell stack according to the present invention, the unit fuel cell is configured in a horizontally long shape,It is arranged facing the surface pressure applying memberThe pressurizing means2Arranged in a column6With a disc springYes. Therefore,Fuel cell stackAssembling workability is improved,Uniform surface pressure distribution over the entire unit fuel cellPossibleBecome.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell system incorporating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory side view of the fuel cell system.
FIG. 3 is an exploded perspective view of a main part of the fuel cell stack.
FIG. 4 is an explanatory view of a longitudinal section of a main part of the fuel cell stack.
FIG. 5 is a front explanatory view of one surface of a second separator constituting the fuel cell stack.
FIG. 6 is a front explanatory view of the other surface of the second separator.
FIG. 7 is a schematic longitudinal sectional view of the fuel cell stack.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a connection structure of power extraction terminals constituting the fuel cell stack.
FIG. 9 is a perspective explanatory view of a conductive plate constituting the fuel cell stack.
FIG. 10 is a flow path explanatory diagram showing the flow of fluid in the fuel cell stack.
FIG. 11 is an explanatory front view of an inner surface of a second end plate constituting the fuel cell stack.
FIG. 12 is an explanatory front view of the fuel cell stack.
FIG. 13 is an explanatory plan view of the fuel cell stack.
FIG. 14 is a front explanatory view of the fuel cell system in a state where a piping mechanism is omitted.
FIG. 15 is a rear view of the fuel cell system.
FIG. 16 is a perspective explanatory view showing the lower side of the fuel cell system.
FIG. 17 is a front explanatory view of the fuel cell system.
FIG. 18 is an explanatory front view of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a schematic vertical sectional view of the fuel cell stack.
FIG. 21 is an explanatory front view of the fuel cell stack.
FIG. 22 is a partial cross-sectional explanatory view showing a pressurized state of the fuel cell stack.
FIG. 23 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack according to a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10. Fuel cell system
12, 14, 240, 260, 300, 320, 340 ... fuel cell stack
16, 18, 24, 26, 302 ... end plate
20, 22 ... Power extraction terminal 28 ... Piping mechanism
30 ... Mounting mechanism 32 ... Unit fuel cell
34, 36 ... separator 38 ... electrolyte membrane
40 ... Cathode side electrode 42 ... Anode side electrode
56a, 66a, 100a, 120a ... oxidant gas inlet
56b, 66b, 100b, 120b ... Oxidant gas outlet
58a, 68a, 102a, 122a ... Fuel gas inlet
58b, 68b, 102b, 122b ... Fuel gas outlet
60a-60d, 70a-70d, 104a-104d ... Cooling medium inlet
60e-60h, 70e-70h, 104e-104h ... Cooling medium outlet
62, 65 ... Oxidant gas channel groove 72, 73 ... Fuel gas channel groove
74a-74d ... Cooling medium flow path 80 ... Terminal board
82, 180 ... conductive plate 106, 182 ... connection plate
124a-124h ... Cooling medium flow channel
134 ... Supply line 136 ... Discharge line
140, 262 ... Tightening mechanism 142 ... Liquid chamber
145, 266 ... Pressurizing means
146a-146c, 268a-268f ... disc spring
148, 308, 322, 342 ... backup plate
154, 270 ... Tie rods 160a, 160b ... Bracket part
162a, 162b ... Mount bracket
168 ... Rubber mount 186a, 186b ... Stranded wire
188a, 188b ... rubber cover
264a to 264f, 304a to 304f ... Washer plate

Claims

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んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層されるとともに、前記単位燃料電池セルの積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
一方のエンドプレートとバックアッププレートとの間に設けられる面圧付与部材と、
他方のエンドプレート側に設けられ、積層されている前記単位燃料電池セルを前記一方のエンドプレート側に押圧する加圧手段と、
を備え、
前記単位燃料電池セルは、横長の長方形状に形成されるとともに、横寸法と縦寸法の比が、略３：２に設定され、
前記加圧手段は、横方向に２列に配置される６個の皿ばねを備え、
前記面圧付与部材は、前記皿ばねに対応して横方向に２列に配置される６個のワッシャプレートを備え、
前記ワッシャプレートは、前記一方のエンドプレートに接する面に平坦面を設け、かつ、前記バックアッププレートに接する面に湾曲面を設ける略円盤状に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。A plurality of unit fuel cells each having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode-side electrode and a cathode-side electrode are stacked in a horizontal direction through separators, and at both ends of the unit fuel cells in the stacking direction. A fuel cell stack in which an end plate is disposed,
A surface pressure imparting member provided between one end plate and the backup plate;
A pressurizing means that is provided on the other end plate side and presses the stacked unit fuel cells to the one end plate side;
With
The unit fuel cell is formed in a horizontally long rectangular shape, and the ratio of the horizontal dimension to the vertical dimension is set to approximately 3: 2.
The pressurizing means includes six disc springs arranged in two rows in the lateral direction ,
The surface pressure imparting member includes six washer plates arranged in two rows in the lateral direction corresponding to the disc springs,
The washer plate is provided with a flat surface on the surface in contact with the end plate of the one, and the fuel cell stack, wherein Rukoto set in a substantially disk shape provided with a curved surface on a surface in contact with the backup plate.

請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートを貫通して配置され、複数の前記単位燃料電池セルを積層方向に一体的に保持する締め付けボルトと、
前記締め付けボルトの頭部に係合する球面ワッシャと、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。The fuel cell stack according to claim 1 , wherein the fastening bolt is disposed through the end plate and integrally holds the plurality of unit fuel cells in the stacking direction.
A spherical washer that engages the head of the clamping bolt;
A fuel cell stack comprising: