JP2008171598A

JP2008171598A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2008171598A
Application number: JP2007001688A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Okabe; 裕樹岡部; Kenji Sato; 研二佐藤; Takashi Kajiwara; ▲隆▼ 梶原; Kenji Tsubosaka; 健二壷阪; Hitoshi Yamauchi; 仁司山内; Satoshi Futami; 諭二見; Yuko Yamauchi; 優子山内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】燃料電池スタックにおける面圧分布を均一に保ちつつ、燃料電池スタックの更なる小型化・軽量化を図る。
【解決手段】燃料電池は、表面に電極を備える電解質層を含む複数の薄板状部材を積層して成ると共に、両端部にエンドプレート２０を備える積層体と、エンドプレート２０を介して積層体の内部側に向かって積層の方向に作用する圧力を加えて積層体を締結する締結部と、を備える。積層体を構成する複数の薄板状部材の少なくとも一部は、積層体の積層面において締結部によって加えられる面圧の分布を均一化するように積層面内で厚みが変化する形状を有する。
【選択図】図１To further reduce the size and weight of a fuel cell stack while maintaining a uniform surface pressure distribution in the fuel cell stack.
A fuel cell is formed by laminating a plurality of thin plate-like members including an electrolyte layer having electrodes on its surface, and a laminated body having end plates 20 at both ends, and the laminated body via the end plates 20. And a fastening portion that fastens the laminate by applying a pressure acting in the direction of lamination toward the inside. At least a part of the plurality of thin plate members constituting the laminated body has a shape in which the thickness changes in the laminated surface so that the distribution of the surface pressure applied by the fastening portion on the laminated surface of the laminated body becomes uniform.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.

複数の単セルを積層して成る燃料電池スタックは、一般に、剛性を有するエンドプレートを両端に備え、締結部材によってエンドプレートの外側から積層方向に締結圧を加えることによって、その積層構造を維持している。このような積層体では、エンドプレートが充分な剛性を有することにより、エンドプレートに締結圧を加えたときには、積層面全体に対して充分な圧力を加えることができ、各単セルにおけるガスシール性や、積層された部材間の接触抵抗の低減を図ることができる。 A fuel cell stack formed by laminating a plurality of single cells generally has a rigid end plate at both ends, and maintains the laminated structure by applying fastening pressure from the outside of the end plate to the lamination direction by a fastening member. ing. In such a laminate, since the end plate has sufficient rigidity, when a fastening pressure is applied to the end plate, a sufficient pressure can be applied to the entire laminated surface, and gas sealing performance in each single cell. In addition, the contact resistance between the stacked members can be reduced.

ここで、例えば燃料電池を駆動用電源として車両などの移動体に搭載する場合には、搭載可能なスペースに限りがあるため、更なる小型化・軽量化が求められる。燃料電池を小型化・軽量化するために、エンドプレートを薄型化する方策が考えられるが、エンドプレートを薄型化すると、エンドプレートの剛性が低下するため、エンドプレートによって積層面全体に対して加えられる圧力が不均一になる。具体的には、通常はエンドプレートの周辺部において締結力が加えられるため、エンドプレートの剛性が不十分であると、積層体からエンドプレートに加えられる反力によって、締結位置から遠いエンドプレートの中央部が、積層体の外側方向に変形する。そのため、積層面の中央部付近では加えられる締結圧が相対的に小さくなり、積層面において面圧（単位面積当たりに加えられる圧力）の分布が不均一となる可能性がある。面圧の分布が不均一になると、部分的にガスシール性が不十分となったり、部分的に接触抵抗が大きくなることにより、電池性能の低下を伴う不都合が生じる可能性がある。このような面圧分布の不均一性を解消するために、エンドプレートを、燃料電池スタックとの接触面側に予め湾曲させて、締結圧が小さくなる領域である積層面の中央部付近の面圧を高める構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Here, for example, when a fuel cell is mounted on a moving body such as a vehicle as a driving power source, the space that can be mounted is limited, and therefore further reduction in size and weight is required. In order to reduce the size and weight of the fuel cell, it is conceivable to make the end plate thinner. However, if the end plate is made thinner, the rigidity of the end plate decreases. The applied pressure becomes uneven. Specifically, since a fastening force is usually applied at the periphery of the end plate, if the rigidity of the end plate is insufficient, the reaction force applied from the laminate to the end plate causes the end plate far from the fastening position. A center part deform | transforms into the outer side direction of a laminated body. Therefore, the fastening pressure applied in the vicinity of the central portion of the laminated surface is relatively small, and the distribution of the surface pressure (pressure applied per unit area) may be nonuniform on the laminated surface. If the surface pressure distribution is non-uniform, gas sealing performance may be partially insufficient, or contact resistance may be partially increased, resulting in inconvenience accompanied by a decrease in battery performance. In order to eliminate such nonuniformity of the surface pressure distribution, the end plate is curved in advance toward the contact surface side with the fuel cell stack, and the surface near the center of the laminated surface, which is a region where the fastening pressure is reduced. The structure which raises a pressure is proposed (for example, refer patent document 1).

特開２００４−２８８５３９号公報JP 2004-288539 A 特開２００４−２１４０４０号公報JP 2004-2104040 A 特開２００１−９３５６４号公報JP 2001-93564 A 特開２００３−１５１６１１号公報JP 2003-151611 A

しかしながら、エンドプレートを湾曲させることによってエンドプレートに生じる弾性力を利用して、積層面における面圧分布を均一化しようとすると、湾曲させることで生じる弾性力を維持できるように、エンドプレートの厚みをある程度厚くして、エンドプレートの強度を確保する必要がある。エンドプレートを薄くしすぎると、エンドプレートの強度が低下するため、積層面の中央部付近では、締結力に対して積層体で発生する反力によってエンドプレートの変形が引き起こされ、面圧分布を充分に均一化できなくなってしまうためである。したがって、エンドプレートを湾曲させることによって面圧分布の均一化を図る場合には、エンドプレートの薄型化に限界があり、燃料電池の小型化・軽量化を充分に行なうことができない可能性がある。 However, the thickness of the end plate can be maintained so that the elastic force generated by bending can be maintained by trying to equalize the surface pressure distribution on the laminated surface by using the elastic force generated in the end plate by bending the end plate. It is necessary to secure the strength of the end plate by increasing the thickness to some extent. If the end plate is made too thin, the strength of the end plate will decrease, and the reaction force generated in the laminate against the fastening force will cause deformation of the end plate near the center of the lamination surface, resulting in a reduction in surface pressure distribution. This is because it becomes impossible to make uniform enough. Therefore, when the surface pressure distribution is made uniform by curving the end plate, there is a limit to reducing the thickness of the end plate, and it may not be possible to sufficiently reduce the size and weight of the fuel cell. .

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおける面圧分布を均一に保ちつつ、燃料電池スタックの更なる小型化・軽量化を図ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and aims to further reduce the size and weight of the fuel cell stack while maintaining a uniform surface pressure distribution in the fuel cell stack. To do.

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池であって、表面に電極を備える電解質層を含む複数の薄板状部材を積層して成ると共に、両端部にエンドプレートを備える積層体と、前記エンドプレートを介して前記積層体の内部側に向かって前記積層の方向に作用する圧力を加えて前記積層体を締結する締結部と、を備え、前記積層体を構成する前記複数の薄板状部材の少なくとも一部は、前記積層体の積層面において前記締結部によって加えられる面圧の分布を均一化するように積層面内で厚みが変化する形状を有することを要旨とする。 In order to achieve the above object, the present invention is a fuel cell, which is formed by laminating a plurality of thin plate-like members including an electrolyte layer having electrodes on the surface, and a laminate having end plates at both ends. A plurality of thin plate-like members constituting the laminate, the fastening portion fastening the laminate by applying a pressure acting in the direction of the laminate toward the inside of the laminate via the end plate At least a part of the members has a shape in which the thickness changes in the laminated surface so as to make the distribution of the surface pressure applied by the fastening portion uniform on the laminated surface of the laminated body.

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、積層体を構成する複数の薄板状部材の少なくとも一部が、積層面内で厚みが変化する形状を有することによって、積層体の積層面において締結部によって加えられる面圧の分布が均一化されるため、燃料電池において面圧分布の不均一に起因して生じる問題を抑制することができる。また、このように、積層体を構成する薄板状部材が有する形状によって面圧分布を均一化するため、エンドプレートから積層体に加えられる圧力分布の不均一化を引き起こすエンドプレートの変形を許容することができる。そのため、積層体の締結時にエンドプレートが変形する程度にエンドプレートを薄型化することができるため、燃料電池全体を小型化・軽量化することができる。 According to the fuel cell of the present invention configured as described above, at least a part of the plurality of thin plate members constituting the stacked body has a shape in which the thickness changes in the stacking plane, thereby stacking the stacked body. Since the distribution of the surface pressure applied by the fastening portion on the surface is made uniform, problems caused by the nonuniform surface pressure distribution in the fuel cell can be suppressed. Further, in this way, the surface pressure distribution is made uniform by the shape of the thin plate member constituting the laminated body, and therefore, deformation of the end plate that causes non-uniform pressure distribution applied from the end plate to the laminated body is allowed. be able to. Therefore, since the end plate can be thinned to such an extent that the end plate is deformed when the laminate is fastened, the entire fuel cell can be reduced in size and weight.

本発明の燃料電池において、前記積層体を構成する前記複数の薄板状部材の少なくとも一部は、前記積層体の積層面において前記締結部によって加えられる面圧の分布を均一化する凸形状を有することとしても良い。このような構成とすれば、エンドプレートの変形により引き起こされる積層面内における圧力分布の不均一化を、薄板状部材に設けた凸形状により抑えることができる。 In the fuel cell of the present invention, at least a part of the plurality of thin plate members constituting the laminate has a convex shape that uniformizes the distribution of surface pressure applied by the fastening portion on the laminate surface of the laminate. It's also good. With such a configuration, it is possible to suppress the non-uniform pressure distribution in the laminated surface caused by the deformation of the end plate by the convex shape provided on the thin plate member.

本発明の燃料電池において、前記エンドプレートは、前記積層体を構成する他の薄板状部材よりも単位体積当たりの質量密度が大きい金属材料によって形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、積層体を構成する薄板状部材において所定の凸形状を設けることにより、この薄板状部材の重量が増加したとしても、この薄板状部材よりも単位体積当たりの質量密度が大きい金属材料からなるエンドプレートを薄型化することによる軽量化の効果の方が大きくなり、燃料電池全体を効果的に軽量化できる。 In the fuel cell of the present invention, the end plate may be formed of a metal material having a mass density per unit volume larger than that of the other thin plate members constituting the laminate. With such a configuration, even if the weight of the thin plate member is increased by providing a predetermined convex shape in the thin plate member constituting the laminate, the mass density per unit volume is higher than that of the thin plate member. By reducing the thickness of the end plate made of a metal material having a large thickness, the effect of reducing the weight is increased, and the entire fuel cell can be effectively reduced in weight.

本発明の燃料電池において、前記凸形状は、前記積層面において前記締結部の締結部位から遠い領域ほど厚みを厚くした形状であることとしても良い。締結部の締結部位から遠い領域ほど、エンドプレートから積層体の内部側に向かって積層の方向に作用する圧力が小さくなるため、このような領域ほど凸形状の厚みを厚くすることで、積層面内での面圧分布を効果的に均一化できる。 In the fuel cell of the present invention, the convex shape may be a shape in which the thickness is increased in a region farther from the fastening portion of the fastening portion on the stacked surface. Since the pressure acting in the direction of lamination from the end plate toward the inner side of the laminate decreases as the region farther from the fastening part of the fastening part, the thickness of the convex shape increases as the region increases. The surface pressure distribution in the inside can be effectively made uniform.

本発明の燃料電池において、前記凸形状は、前記エンドプレートから前記積層体の内側に向かって作用する圧力がより小さくなる領域ほど、厚みを厚くした形状であることとしても良い。エンドプレートから積層体の内側に向かって作用する圧力がより小さくなる領域ほど、凸形状の厚みを厚くすることで、このような領域の面圧を高め、面圧分布を均一化することができる。 In the fuel cell of the present invention, the convex shape may be a shape in which the thickness is increased in a region where the pressure acting from the end plate toward the inside of the stacked body becomes smaller. By increasing the thickness of the convex shape in the region where the pressure acting from the end plate toward the inside of the laminate becomes smaller, the surface pressure in such a region can be increased and the surface pressure distribution can be made uniform. .

本発明の燃料電池において、エンドプレートの厚みは、該エンドプレートを構成する材料から成る部材において、該部材の厚みと、該部材が弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値との合計が、最小となるときの前記部材の厚みに形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、エンドプレートを効果的に薄型化し、燃料電池全体を小型化する効果を高めることができる。 In the fuel cell of the present invention, the thickness of the end plate is the sum of the thickness of the member and the maximum amount of deformation that occurs in the range in which the member is elastically deformed in the member made of the material constituting the end plate. It is good also as forming in the thickness of the said member when becoming the minimum. With such a configuration, it is possible to effectively reduce the thickness of the end plate and increase the effect of downsizing the entire fuel cell.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池における積層面の面圧分布均一化方法などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in a form such as a method of uniforming the surface pressure distribution on the stacked surface in the fuel cell.

Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池１０の概略構成を表わす断面模式図であり、図２は、燃料電池１０の外観を表わす斜視図である。本実施例の燃料電池１０は、セル積層体３０と、セル積層体３０の両端に配置された集電板２６と、各々の集電板上に配置された絶縁板２４と、これらを積層した積層体の両端に配置されたエンドプレート２０と、上記積層体の上部と下部とに配置され、上記積層体の積層方向にわたって積層体の側面の一部を覆う２枚のテンションプレート２８と、を備えている。 A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a fuel cell 10 according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view illustrating an external appearance of the fuel cell 10. The fuel cell 10 according to the present embodiment includes a cell stack 30, a current collector plate 26 disposed at both ends of the cell stack 30, an insulating plate 24 disposed on each current collector, and a stack of these. End plates 20 disposed at both ends of the laminate, and two tension plates 28 disposed on the upper and lower portions of the laminate and covering a part of the side surface of the laminate in the stacking direction of the laminate. I have.

セル積層体３０は、燃料電池の基本単位である単セル３５によって構成されている。図３は、単セル３５の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セル３５は、電解質膜４０、アノード４１、カソード４２、ガス拡散層４３，４４、ガスセパレータ４５，４６によって構成されている。 The cell stack 30 is constituted by a single cell 35 which is a basic unit of a fuel cell. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the single cell 35. The fuel cell of the present embodiment is a solid polymer fuel cell, and the single cell 35 includes an electrolyte membrane 40, an anode 41, a cathode 42, gas diffusion layers 43 and 44, and gas separators 45 and 46.

電解質膜４０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。アノード４１およびカソード４２は、電解質膜４０上に形成されており、電気化学反応を進行する触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を備える層である。ガス拡散層４３，４４は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。このようなガス拡散層４３，４４は、電気化学反応に供されるガスを拡散させると共に、触媒を備える電極との間で集電を行なう。 The electrolyte membrane 40 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good proton conductivity in a wet state. The anode 41 and the cathode 42 are layers formed on the electrolyte membrane 40 and comprising platinum or an alloy made of platinum and other metals as a catalyst for proceeding an electrochemical reaction. The gas diffusion layers 43 and 44 are made of a member having gas permeability and electronic conductivity, and are formed of, for example, a metal member such as foam metal or metal mesh, or a carbon member such as carbon cloth or carbon paper. can do. Such gas diffusion layers 43 and 44 diffuse a gas to be subjected to an electrochemical reaction and collect current with an electrode including a catalyst.

ガスセパレータ４５，４６は、ガス不透過な導電性部材によって形成されている。ガスセパレータ４５，４６は、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成することができる。また、プレス成形したアルミニウムなどの金属部材によって形成しても良い。ガスセパレータ４５，４６は、その表面に、単セル内のガス流路を形成するための凹凸形状を有している。ガスセパレータ４５は、ガス拡散層４３との間に、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路４７を形成する。また、ガスセパレータ４６は、ガス拡散層４４との間に、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路４８を形成する。 The gas separators 45 and 46 are formed of a gas impermeable conductive member. The gas separators 45 and 46 can be formed of, for example, a carbon member such as dense carbon that has been made to be gas impermeable by compressing carbon. Moreover, you may form by metal members, such as press-molded aluminum. The gas separators 45 and 46 have a concavo-convex shape on the surface for forming a gas flow path in the single cell. Between the gas separator 45 and the gas diffusion layer 43, an in-cell fuel gas channel 47 through which a hydrogen-containing fuel gas passes is formed. In addition, the gas separator 46 forms an in-single cell oxidizing gas channel 48 through which an oxidizing gas containing oxygen passes, between the gas separator 46 and the gas diffusion layer 44.

なお、単セル３５の外周部には、単セル内燃料ガス流路４７および単セル内酸化ガス流路４８におけるガスシール性を確保するために、ガスケット等のシール部材が配設されている。また、単セル３５の外周部には、単セル３５の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている（図示せず）。これら複数のガスマニホールドのうちの燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル３５に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路４７内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。同様に、酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル３５に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路４８内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。 A sealing member such as a gasket is disposed on the outer periphery of the single cell 35 in order to ensure gas sealing performance in the single-cell fuel gas channel 47 and the single-cell oxidizing gas channel 48. A plurality of gas manifolds (not shown) through which fuel gas or oxidizing gas flows are provided on the outer peripheral portion of the single cell 35 in parallel with the stacking direction of the single cells 35. The fuel gas flowing through the fuel gas supply manifold among the plurality of gas manifolds is distributed to each single cell 35 and passes through each single cell fuel gas flow path 47 while being subjected to an electrochemical reaction. Collect in the gas exhaust manifold. Similarly, the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply manifold is distributed to each single cell 35, passes through the oxidant gas flow channel 48 in each single cell while being subjected to an electrochemical reaction, and then gathers in the oxidant gas discharge manifold. To do.

セル積層体３０は、このような単セル３５を複数積層することによって形成される。このようにセル積層体３０を形成する場合には、各ガスセパレータは、例えば、表裏両面に、単セル内ガス流路を形成するための凹凸形状を有することとすればよい。すなわち、ガスセパレータの一方の面では、ガスセパレータ４５としてガス拡散層４３との間で単セル内燃料ガス流路４７を形成し、他方の面では、ガスセパレータ４６として隣接する単セルにおけるガス拡散層４４との間で単セル内酸化ガス流路４８を形成すればよい。あるいは、セル積層体３０において、各単セル間や、所定数の単セルを積層する毎に、燃料電池の内部温度を調節するための冷媒が流れる冷媒流路を設けることとしても良い。なお、上記したセル積層体３０を構成する各部材は、いずれも矩形の薄板状部材であり、これらの部材を積層して成るセル積層体３０は、略直方体となる。 The cell stack 30 is formed by stacking a plurality of such single cells 35. Thus, when forming the cell laminated body 30, each gas separator should just have the uneven | corrugated shape for forming the gas flow path in a single cell on both front and back both surfaces. That is, in one surface of the gas separator, the fuel gas flow path 47 in the single cell is formed between the gas diffusion layer 43 as the gas separator 45, and the gas diffusion in the adjacent single cell as the gas separator 46 is formed on the other surface. A single-cell oxidizing gas channel 48 may be formed between the layer 44 and the layer 44. Alternatively, the cell stack 30 may be provided with a refrigerant flow path through which a refrigerant for adjusting the internal temperature of the fuel cell flows every single cell or every time a predetermined number of single cells are stacked. In addition, each member which comprises the above-mentioned cell laminated body 30 is a rectangular thin plate member, and the cell laminated body 30 formed by laminating these members is a substantially rectangular parallelepiped.

セル積層体３０の両端に配置された集電板２６は、導電性の高い材料、例えば銅などにより形成されている。このような集電板２６には、燃料電池からの出力を取り出すための図示しない出力端子が、各集電板の表面から延出して設けられている。集電板２６上に配置される絶縁板２４は、絶縁性材料、例えばゴムや樹脂などにより形成されている。なお、本実施例の燃料電池１０は、この集電板２６の形状に特徴を有しているが、集電板２６の形状については後に詳述する。また、セル積層体３０の両端部に配置されるエンドプレート２０は、剛性の高い材料、例えばステンレス鋼などの鋼（鉄含有金属）により形成されている。本実施例では、エンドプレート２０を薄型化することにより燃料電池全体の小型化を図っているが、このエンドプレート２０の薄型化については後に詳述する。これらの集電板２６、絶縁板２４およびエンドプレート２０は、いずれも、ガスセパレータ４５と略同一の矩形に形成された薄板状部材である。また、略直方体に形成されたセル積層体３０の積層方向を長手方向とする２つの対向する側面上に配置されたテンションプレート２８は、エンドプレート２０と同様の、鋼などの剛性の高い材料によって、上記側面を覆う略矩形に形成されている。 The current collector plates 26 disposed at both ends of the cell stack 30 are formed of a highly conductive material, such as copper. Such a current collector plate 26 is provided with an output terminal (not shown) for taking out the output from the fuel cell, extending from the surface of each current collector plate. The insulating plate 24 disposed on the current collector plate 26 is formed of an insulating material such as rubber or resin. The fuel cell 10 of this embodiment is characterized by the shape of the current collector plate 26. The shape of the current collector plate 26 will be described in detail later. Moreover, the end plate 20 arrange | positioned at the both ends of the cell laminated body 30 is formed with highly rigid materials, for example, steel (iron-containing metal), such as stainless steel. In this embodiment, the end plate 20 is thinned to reduce the size of the entire fuel cell. The thinning of the end plate 20 will be described in detail later. The current collector plate 26, the insulating plate 24, and the end plate 20 are all thin plate-like members formed in substantially the same rectangle as the gas separator 45. In addition, the tension plate 28 disposed on two opposing side surfaces having the stacking direction of the cell stack 30 formed in a substantially rectangular parallelepiped as a longitudinal direction is made of a material having high rigidity such as steel, similar to the end plate 20. , Formed in a substantially rectangular shape covering the side surface.

燃料電池１０を組み立てる際には、以上説明したセル積層体３０、集電板２６，絶縁板２４およびエンドプレート２０を所定の順序で積層し、両端に配置されたエンドプレート２０の外側からセル積層体３０方向に向かって締結圧を加える。また、このとき、上記各部材を積層した積層体の対向する２つの側面上にテンションプレート２８を配置する。そして、テンションプレート２８の端部近傍において、テンションプレート２８を、エンドプレート２０に対して、ネジ２９を用いて複数箇所でねじ止めする。図２では、図中の上側に配置したエンドプレート２０において、積層体の両端に配置したエンドプレート２０の各々に対して、３箇所でねじ止めした様子を表わしている。図中の下側に配置したエンドプレート２０においても、各々のエンドプレート２０に対する同様のねじ止めが行なわれている。 When assembling the fuel cell 10, the cell stack 30, the current collector plate 26, the insulating plate 24 and the end plate 20 described above are stacked in a predetermined order, and the cell stack is formed from the outside of the end plates 20 arranged at both ends. A fastening pressure is applied toward the body 30 direction. At this time, the tension plate 28 is disposed on the two opposite side surfaces of the laminate in which the above-described members are laminated. Then, in the vicinity of the end of the tension plate 28, the tension plate 28 is screwed to the end plate 20 at a plurality of locations using screws 29. FIG. 2 shows a state in which the end plate 20 disposed on the upper side in the drawing is screwed at three positions with respect to each of the end plates 20 disposed at both ends of the laminated body. In the end plate 20 arranged on the lower side in the drawing, the same screwing is performed for each end plate 20.

このように、積層体の両端部および側面に、剛性を有するエンドプレート２０およびテンションプレート２８をそれぞれ配置し、積層体に締結圧を加えつつ両者を止め付けることにより、締結圧を加えた状態で積層体を保持している。上記のように所定の締結圧を加えつつ保持されることにより、燃料電池１０においては、充分なガスシール性が確保されると共に、各部材間の接触抵抗が充分に抑えられる。 In this way, the end plate 20 and the tension plate 28 having rigidity are arranged on both end portions and side surfaces of the laminate, respectively, and the fastening pressure is applied to the laminate while being fastened to each other. Holds the laminate. By being held while applying a predetermined fastening pressure as described above, in the fuel cell 10, sufficient gas sealing performance is ensured and contact resistance between the members is sufficiently suppressed.

なお、図２では記載を省略しているが燃料電池１０では、エンドプレート２０において、集電板２６および絶縁板２４を介して既述したガスマニホールドと連通する開口部が設けられている。これらの開口部は、図示しない燃料ガス供給装置や酸化ガス供給装置あるいは燃料ガス排出用配管や酸化ガス排出用配管と接続される。 Although not shown in FIG. 2, in the fuel cell 10, the end plate 20 is provided with an opening that communicates with the gas manifold described above via the current collector plate 26 and the insulating plate 24. These openings are connected to a fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, a fuel gas discharge pipe, and an oxidant gas discharge pipe (not shown).

Ｂ．エンドプレート２０の厚み
エンドプレート２０は、既述したように、鋼などの剛性の高い材料によって構成されているが、本実施例の燃料電池１０では、このエンドプレート２０を、より薄く形成して、各部材を積層した積層体を締結する際におけるエンドプレート２０の変形を許容している。ここで、エンドプレートを充分に厚く形成した場合には、エンドプレートに対して締結圧を加えたときに、エンドプレートはほとんど変形することが無く、エンドプレート全体から積層体の積層面に対して略均一に締結圧が加わり、積層面全体において面圧分布をほぼ均一にすることができる。これに対して、エンドプレートを薄く形成した場合には、エンドプレートに対して締結力を加える締結位置（実施例ではねじ止め位置）から離れた部位ほど締結圧が弱くなり、積層体を圧縮する力が弱くなる（いわゆる荷重抜けが生じる）。そのため、このような部位では、積層体からの反力がかかることによって、エンドプレートは積層体の外側方向に変形することになる。 B. As described above, the end plate 20 is made of a material having high rigidity such as steel. However, in the fuel cell 10 of this embodiment, the end plate 20 is formed to be thinner. The end plate 20 is allowed to be deformed when the laminated body in which the respective members are laminated is fastened. Here, when the end plate is formed to be sufficiently thick, when the fastening pressure is applied to the end plate, the end plate hardly deforms, and from the entire end plate to the laminated surface of the laminate. The fastening pressure is applied substantially uniformly, and the surface pressure distribution can be made substantially uniform over the entire laminated surface. On the other hand, when the end plate is formed thin, the fastening pressure becomes weaker as the part is away from the fastening position (screwing position in the embodiment) where the fastening force is applied to the end plate, and the laminate is compressed. The force becomes weak (so-called load loss occurs). Therefore, in such a part, the end plate is deformed in the outer direction of the laminated body by applying a reaction force from the laminated body.

エンドプレートを薄型化することによって積層体の締結時にエンドプレートが変形する様子を、図４に示す。図４に示すように、締結位置から離れた部位ほど、荷重抜けの程度がより大きくなり、積層体からの反力による変形量が大きくなる。積層体内において、このように締結圧が弱く、変形量が大きくなる部分に対応する領域では、ガスシール性が不十分となったり、接触抵抗が部分的に高まる可能性がある。本実施例の燃料電池１０は、このようなエンドプレート２０の変形を許容して、エンドプレート２０を薄型化し、燃料電池全体の小型化・軽量化を図りつつ、後述するように絶縁板２４の形状によって面圧を確保することにより、積層面における面圧分布の不均一化を抑制している。 FIG. 4 shows how the end plate is deformed when the laminate is fastened by reducing the thickness of the end plate. As shown in FIG. 4, the portion away from the fastening position is more severely loaded and the amount of deformation due to the reaction force from the laminate is increased. In the laminated body, in such a region corresponding to the portion where the fastening pressure is weak and the deformation amount is large, there is a possibility that the gas sealing property is insufficient or the contact resistance is partially increased. In the fuel cell 10 of this embodiment, the end plate 20 is allowed to be deformed as described above, and the end plate 20 is thinned to reduce the size and weight of the entire fuel cell. By ensuring the surface pressure according to the shape, unevenness of the surface pressure distribution on the laminated surface is suppressed.

エンドプレート２０のような板状部材は、薄く形成するほど、弾性変形する範囲で生じる変形量（ひずみ）の最大値が大きくなる。そのため、エンドプレート２０は、その厚みを、弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値と厚みの合計がより小さくなる厚みに設定することにより、エンドプレートを薄型化する効果を高めることができる。図５は、エンドプレート２０を構成するステンレス鋼から成る板状部材において、その板状部材の厚みおよびその板状部材が弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値の合計と、上記板状部材の厚みとの関係を表わす説明図である。上記したように、板状部材の厚みが薄いほど変形量の最大値は大きくなるため、変形量の最大値と厚みとの合計も大きくなる。また、厚みが厚いと、変形量は少なくなるが、部材の厚みそのものが厚いために、変形量の最大値と厚みとの合計も大きくなる。そのため、図５に示すように、板状部材は、その厚みが、その構成材料に応じた所定の値となるときに、変形量の最大値と厚みとの合計が最小値を示す。図５では、変形量の最大値と厚みとの合計が最小となるときの部材の厚みを、Ｔ_Aと示している。本実施例では、エンドプレート２０の厚みを、エンドプレート２０の構成材料に応じた上記Ｔ_Aの値とほぼ等しい値にすることによって、エンドプレート２０を薄型化することによる燃料電池全体の小型化の効果を高めている。 As the plate-like member such as the end plate 20 is formed thinner, the maximum amount of deformation (strain) generated in the range of elastic deformation increases. Therefore, the effect of thinning the end plate can be enhanced by setting the thickness of the end plate 20 to such a thickness that the sum of the maximum deformation amount and the thickness generated in the range of elastic deformation becomes smaller. FIG. 5 shows a plate-like member made of stainless steel constituting the end plate 20, the sum of the thickness of the plate-like member and the maximum amount of deformation that occurs in the range where the plate-like member is elastically deformed, and the plate-like member. It is explanatory drawing showing the relationship with the thickness of. As described above, since the maximum value of the deformation amount increases as the thickness of the plate member decreases, the sum of the maximum value of the deformation amount and the thickness also increases. Further, when the thickness is thick, the deformation amount decreases, but since the thickness of the member itself is large, the sum of the maximum deformation amount and the thickness also increases. Therefore, as shown in FIG. 5, when the thickness of the plate-like member becomes a predetermined value corresponding to the constituent material, the sum of the maximum value of the deformation amount and the thickness shows the minimum value. In Figure 5, the thickness of the member when the sum of the maximum value and the thickness of the deformation amount becomes minimum is indicated as T _A. In this embodiment, the thickness of the end plate 20 is made substantially equal to the value of T _A corresponding to the constituent material of the end plate 20, thereby reducing the size of the entire fuel cell by reducing the thickness of the end plate 20. The effect is enhanced.

Ｃ．絶縁板２４の形状：
本実施例の燃料電池１０が備える絶縁板２４は、既述したように外形が略矩形に形成されている。そして、その中央部近傍、より具体的には、締結位置からより遠く、エンドプレート２０側から積層体へと加えられる締結圧がより弱くなる領域における厚みが、締結位置により近い外周部近傍の厚みよりも厚く形成されていることを特徴としている。図６は、絶縁板２４の形状の概略を表わす説明図である。図６（Ａ）は、絶縁板２４の外観を表わす斜視図であり、図６（Ｂ）は、絶縁板２４の断面図である。図４に示したような、エンドプレート２０で生じる荷重抜けの程度や変形の程度は、例えば、用いる各部材の形状や締結位置および加える締結荷重の大きさ、あるいは用いる各部材の構成材料を考慮してシミュレーションを行なうことにより、予め予測することができる。このような、エンドプレートから積層体の内側に向かって作用する圧力がより小さくなる領域ほど、絶縁板２４の厚みを厚くすることで、燃料電池１０の内部では、より厚く形成された中央部近傍の領域における面圧を高め、積層面における面圧分布を均一化することができる。 C. Insulating plate 24 shape:
The insulating plate 24 provided in the fuel cell 10 of this embodiment has an outer shape that is substantially rectangular as described above. The thickness in the vicinity of the central portion, more specifically, in the region farther from the fastening position and in the region where the fastening pressure applied to the laminate from the end plate 20 side becomes weaker is the thickness in the vicinity of the outer peripheral portion closer to the fastening position. It is characterized by being formed thicker. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the outline of the shape of the insulating plate 24. FIG. 6A is a perspective view illustrating the appearance of the insulating plate 24, and FIG. 6B is a cross-sectional view of the insulating plate 24. As shown in FIG. 4, the degree of load loss or deformation occurring in the end plate 20 takes into account, for example, the shape of each member to be used, the fastening position, the magnitude of the fastening load to be applied, or the constituent material of each member to be used. Then, it can be predicted in advance by performing a simulation. By increasing the thickness of the insulating plate 24 in such a region where the pressure acting from the end plate toward the inside of the laminate becomes smaller, the inside of the fuel cell 10 is thicker in the vicinity of the central portion. The surface pressure in the region can be increased, and the surface pressure distribution on the laminated surface can be made uniform.

このように、絶縁板２４の中央部をより厚く形成することによる面圧分布の均一化の様子を、以下に、積層体をモデル化することによって説明する。以下の説明では、積層体を構成する各部が、締結圧を加えられて圧縮される際に、加えられた締結圧に応じた変形量を示すことに基づいて、積層体を構成する各部をばね体とみなしている。 In this way, how the surface pressure distribution is made uniform by forming the central portion of the insulating plate 24 thicker will be described below by modeling the laminate. In the following description, when each part constituting the laminated body is compressed by applying fastening pressure, the parts constituting the laminated body are shown as springs based on the amount of deformation corresponding to the applied fastening pressure. It is regarded as a body.

図７は、集電板２６とセル積層体３０とを合わせた積層体全体や、エンドプレート２０をばね体とみなした場合の、締結時の力の釣り合いの様子を表わす説明図である。図７（Ａ）は、集電板２６とセル積層体３０とを合わせた積層体全体の、締結荷重がかかっていないときの様子を表わす。図７（Ｂ）は、絶縁板２４を無視して上記積層体だけに着目した場合の、エンドプレート２０端部の締結位置における様子を表わしている。締結位置における面圧をＰ₁、積層される部材の積層面の面積をＳ、上記積層体をばね体とみなした場合のばね定数をｋ、上記積層体の変形量（圧縮量）をδとすると、力の釣り合い状態は、以下の（１）式で表わすことができる。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing the balance of force at the time of fastening when the entire laminated body including the current collector plate 26 and the cell laminated body 30 or the end plate 20 is regarded as a spring body. FIG. 7A shows a state where the entire laminate including the current collector plate 26 and the cell laminate 30 is not subjected to a fastening load. FIG. 7B shows a state at the fastening position of the end portion of the end plate 20 when the insulating plate 24 is ignored and only the above laminated body is focused. The surface pressure at the fastening position is P ₁ , the area of the laminated surface of the members to be laminated is S, the spring constant when the laminated body is regarded as a spring body, k, and the deformation amount (compression amount) of the laminated body is δ. Then, the force balance state can be expressed by the following equation (1).

Ｐ₁Ｓ＝ｋδ …（１） P ₁ S = kδ (1)

図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）と同じく絶縁板２４を無視した場合であって、締結位置から離れたエンドプレート２０中央部（絶縁板２４に設けた凸部の頂上部）における様子を表わしている。この場合には、締結荷重が比較的弱くエンドプレート２０が変形して外側に膨らむため、エンドプレート２０もばね体として表わしている。このような中央部における面圧をＰ₂、エンドプレート２０をばね体とみなした場合のばね定数をＫ、エンドプレート２０の変形量をｘ₁とすると、力の釣り合い状態は、以下の（２）式および（３）式で表わすことができる。 FIG. 7C is a case where the insulating plate 24 is ignored as in FIG. 7B, and is in the center of the end plate 20 away from the fastening position (the top of the convex portion provided on the insulating plate 24). Represents. In this case, since the fastening load is relatively weak and the end plate 20 is deformed and bulges outward, the end plate 20 is also represented as a spring body. When the surface pressure at such a central portion is P ₂ , the spring constant when the end plate 20 is regarded as a spring body is K, and the deformation amount of the end plate 20 is x ₁ , the force balance state is as follows (2 ) And (3).

Ｐ₂Ｓ＝ｋ（δ−ｘ₁） …（２）
ｋ（δ−ｘ₁）＝Ｋｘ₁ …（３） P ₂ S = k (δ−x ₁ ) (2)
k (δ−x ₁ ) = Kx ₁ (3)

図７（Ｄ）は、凸部を設けた絶縁板２４を配置した場合であって、エンドプレート２０端部の締結位置における様子を表わしている。なお、この図７（Ｄ）は、中央部には凸部が設けられているが端部には凸部が形成されていない実際のエンドプレート２０端部の様子を表わすものではなく、凸部を設けたことによって積層体の変形量が変化する様子を、エンドプレート２０の変形の影響を除外して仮想的に表わすものである。このような場合の面圧をＰ₃、絶縁板２４に設ける凸部の高さをＬとすると、力の釣り合い状態は、以下の（４）式で表わすことができる。 FIG. 7D shows a state in which the insulating plate 24 provided with a convex portion is arranged and the end plate 20 end portion is in the fastening position. This FIG. 7D does not represent the state of the actual end of the end plate 20 in which the convex portion is provided at the center portion but the convex portion is not formed at the end portion. The state in which the deformation amount of the laminated body changes due to the provision of the above is virtually represented by excluding the influence of the deformation of the end plate 20. When the surface pressure in such a case is P ₃ and the height of the convex portion provided on the insulating plate 24 is L, the force balance state can be expressed by the following equation (4).

Ｐ₃Ｓ＝ｋ（δ＋Ｌ） …（４） P ₃ S = k (δ + L) (4)

図７（Ｅ）は、凸部を設けた絶縁板２４を配置した場合であって、締結位置から離れたエンドプレート２０中央部における様子を表わしている。この場合には、締結荷重が比較的弱くエンドプレート２０が変形して外側に膨らむため、図７（Ｃ）と同様にエンドプレート２０もばね体として表わしている。このような中央部における面圧をＰ₄、エンドプレート２０の変形量をｘ₂とすると、力の釣り合い状態は、以下の（５）式および（６）式で表わすことができる。 FIG. 7E shows a state in the central portion of the end plate 20 away from the fastening position, in the case where the insulating plate 24 provided with the convex portions is arranged. In this case, since the fastening load is relatively weak and the end plate 20 is deformed and bulges outward, the end plate 20 is also represented as a spring body as in FIG. 7C. When the surface pressure in such a central portion is P ₄ and the deformation amount of the end plate 20 is x ₂ , the force balance state can be expressed by the following equations (5) and (6).

Ｐ₄Ｓ＝ｋ（δ＋Ｌ−ｘ₂） …（５）
ｋ（δ＋Ｌ−ｘ₂）＝Ｋｘ₂ …（６） P ₄ S = k (δ + L−x ₂ ) (5)
k (δ + L−x ₂ ) = Kx ₂ (6)

以上説明したモデルにおいて、絶縁板２４を無視した場合の、エンドプレート２０の変形による、エンドプレート２０端部の面圧（Ｐ₁）に比べて中央部の面圧（Ｐ₂）が低下する量は、（１）式、（２）式、（３）式に基づいて、以下の（７）式で表わすことができる。 In the model described above, when the insulating plate 24 is ignored, the amount by which the surface pressure (P ₂ ) at the central portion is lower than the surface pressure (P ₁ ) at the end of the end plate 20 due to deformation of the end plate 20. Can be expressed by the following equation (7) based on equations (1), (2), and (3).

また、絶縁板２４を配置した場合の、エンドプレート２０の変形による、エンドプレート２０端部の面圧（Ｐ₁）に比べて中央部の面圧（Ｐ₄）が低下する量は、（４）式、（５）式、（６）式に基づいて、以下の（８）式で表わすことができる。なお、ここでは、締結荷重が充分にかかる端部においては、エンドプレート２０の変形の影響が無いものとして、エンドプレート２０端部の面圧としてＰ₁を用いている。 Further, in the case of disposing an insulating plate 24, due to deformation of the end plate 20, the amount of surface pressure of the central portion (P ₄₎ is reduced in comparison with the surface pressure of the end plate 20 end (P ₁₎ is (4 ), (5), and (6) can be expressed by the following (8). Here, P ₁ is used as the surface pressure of the end portion of the end plate 20 assuming that there is no influence of the deformation of the end plate 20 at the end portion where the fastening load is sufficiently applied.

上記した（７）式と（８）式とを比較すると、絶縁板に凸部を設けることにより、左辺第２項に相当する値だけ、エンドプレート２０中央部における面圧低下を抑えることができるといえる。すなわち、積層体やエンドプレート２０の示す弾性の程度（ばね定数ｋおよびＫ）や積層面の面積Ｓに応じて、絶縁板２４に設ける凸部の高さを適宜設定することにより、エンドプレート２０中央部における面圧低下を抑える程度を調節することができる。 Comparing the equations (7) and (8) described above, by providing a convex portion on the insulating plate, it is possible to suppress a decrease in surface pressure at the center portion of the end plate 20 by a value corresponding to the second term on the left side. It can be said. That is, by appropriately setting the height of the convex portion provided on the insulating plate 24 according to the degree of elasticity (spring constants k and K) indicated by the laminated body and the end plate 20 and the area S of the laminated surface, the end plate 20 It is possible to adjust the degree of suppressing the decrease in the surface pressure at the central portion.

ここで、仮に、面圧分布が完全に均一になる場合には、エンドプレート２０端部の面圧（Ｐ₁）と、絶縁板２４を配置した場合のエンドプレート２０中央部の面圧（Ｐ₄）とが等しくなる。すなわち、Ｐ₁−Ｐ₄＝０が成り立つ。そのため、以下の（９）式が得られる。以下の（９）式を満たすように絶縁板２４の高さＬを設定する場合には、理論的には、面圧分布を均一化できることになる。また、凸部の高さを（９）式を満たす値により近い値に設定することにより、面圧分布を、より均一化することが可能になる。 Here, if the surface pressure distribution is completely uniform, the surface pressure (P ₁ ) at the end portion of the end plate 20 and the surface pressure (P) at the center portion of the end plate 20 when the insulating plate 24 is disposed. ₄ ) is equal. That is, P ₁ −P ₄ = 0 holds. Therefore, the following equation (9) is obtained. When the height L of the insulating plate 24 is set so as to satisfy the following expression (9), theoretically, the surface pressure distribution can be made uniform. In addition, the surface pressure distribution can be made more uniform by setting the height of the convex portion to a value closer to a value satisfying the expression (9).

なお、絶縁板２４の中央部に凸部を設けることによって、エンドプレート２０の変形量も増加する。しかしながら、この増加する量が、面圧分布の均一化をエンドプレート２０の厚型化によって実現する場合の厚みの増加量に比べて充分に小さければ良い。このように凸部に起因するエンドプレート２０の変形量が充分に小さければ、面圧分布の均一化と、エンドプレート２０の薄型化による燃料電池全体の小型化とを両立する本実施例の効果を得ることができる。絶縁板２４に凸部を設けることに起因するエンドプレート２０の変形量の増加は、以下の（１０）式で表わすことができる。 In addition, the amount of deformation of the end plate 20 increases by providing a convex portion at the center of the insulating plate 24. However, it is sufficient that this increasing amount is sufficiently smaller than the increasing amount of thickness when the uniform surface pressure distribution is realized by thickening the end plate 20. As described above, if the deformation amount of the end plate 20 due to the convex portion is sufficiently small, the effect of the present embodiment that achieves both uniform surface pressure distribution and miniaturization of the entire fuel cell by thinning the end plate 20 is achieved. Can be obtained. The increase in the deformation amount of the end plate 20 resulting from the provision of the convex portion on the insulating plate 24 can be expressed by the following equation (10).

さらに具体例を挙げて説明する。図２に示す本実施例の燃料電池１０において、積層面の幅ｗが５００ｍｍ、積層面の高さｈが２５０ｍｍ、燃料電池１０の長さｌが３００ｍｍ、エンドプレート２０の厚みｔ₁が１０ｍｍ、テンションプレート２８の厚みｔ₂が１ｍｍであるとする。燃料電池における既述したばね定数やエンドプレート２０の変形量は、実際に用いる構成部材を組み立てて、所定の力を加えて変形量を測定することによって、燃料電池毎に求めることができる。ここで、上記燃料電池において、積層体におけるばね定数ｋが５Ｎ／ｍ、エンドプレート２０におけるばね定数Ｋが１５Ｎ／ｍであったとする。また、このとき、締結位置であるエンドプレート２０端部における面圧Ｐ₁を０．４ＭＰａとすると、エンドプレート２０中央部における既述したエンドプレート２０の変形量ｘ１が０．３ｍｍになるとする。これらの値を、例えば（７）式に代入すると、絶縁板２４を無視した場合の、エンドプレート２０の変形による、エンドプレート２０端部の面圧（Ｐ₁）よりも中央部の面圧（Ｐ₂）が低下する量は、約０．１ＭＰａとなる。すなわち、絶縁板２４に凸部を設けない場合には、面圧はエンドプレート２０中央部において端部に比べて２５％に低下することになる。 Furthermore, a specific example is given and demonstrated. In the fuel cell 10 of the present embodiment shown in FIG. 2, the width w of the laminated surface is 500 mm, the height h of the laminated surface is 250 mm, the length l of the fuel cell 10 is 300 mm, the thickness t ₁ of the end plate 20 is 10 mm, It is assumed that the thickness t ₂ of the tension plate 28 is 1 mm. The above-described spring constant and the deformation amount of the end plate 20 in the fuel cell can be obtained for each fuel cell by assembling the components actually used and measuring the deformation amount by applying a predetermined force. Here, in the fuel cell, it is assumed that the spring constant k in the laminate is 5 N / m and the spring constant K in the end plate 20 is 15 N / m. At this time, if the surface pressure P ₁ at the end portion of the end plate 20 that is the fastening position is 0.4 MPa, the deformation amount x1 of the end plate 20 described above at the center portion of the end plate 20 is 0.3 mm. By substituting these values into the equation (7), for example, the surface pressure (P ₁ ) at the center of the end plate 20 due to deformation of the end plate 20 when the insulating plate 24 is ignored (P ₁ ). The amount by which P ₂ ) decreases is about 0.1 MPa. That is, when the insulating plate 24 is not provided with a convex portion, the surface pressure is reduced to 25% in the central portion of the end plate 20 as compared with the end portion.

このような場合に、エンドプレート２０中央部における面圧低下を無くすには、既述した値を（９）式に代入することによって、絶縁板２４に設ける凸部の高さＬを０．２ｍｍにすればよいことがわかる。また、このとき、絶縁板２４に凸部を設けることに起因するエンドプレート２０の変形量の増加量は、既述した値を（１０）式に代入することによって、０．０５ｍｍであることがわかる。 In such a case, in order to eliminate the decrease in the surface pressure at the central portion of the end plate 20, the height L of the convex portion provided on the insulating plate 24 is set to 0.2 mm by substituting the above-described value into the equation (9). You can see that Further, at this time, the increase amount of the deformation amount of the end plate 20 due to the provision of the convex portion on the insulating plate 24 may be 0.05 mm by substituting the above-described value into the equation (10). Recognize.

なお、上記した説明では、絶縁板２４に設ける凸部の高さを、エンドプレート２０の変形量が大きくなる領域に対応する中央部における高さとして説明したが、実際のエンドプレート２０の変形の程度は、図４のように滑らかに変化するものである。そのため、絶縁板２４に所定の高さの凸部を形成する際には、図６（Ａ）に示したように、エンドプレート２０の変形状態に応じて滑らかに高さが変化する凸形状として形成しており、このような凸形状とすることで、積層面全体で、面圧分布を良好に均一化できる。このような絶縁板２４を積層する際には、凸形状における凸の向きを、集電板２６と対向する向きとしても良く、また、エンドプレート２０と対向する向きとしても良い。また、絶縁板２４に設ける凸形状は、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示したように、絶縁板２４の一方の面においてのみ突出する形状としても良いが、図６（Ｃ）に示すように、絶縁板２４の両面に突出する形状としても良い。この場合には、既述した凸部の高さＬは、両側に突出する高さの合計とすればよい。 In the above description, the height of the convex portion provided on the insulating plate 24 has been described as the height at the central portion corresponding to the region where the deformation amount of the end plate 20 increases, but the actual deformation of the end plate 20 is not described. The degree changes smoothly as shown in FIG. Therefore, when forming a convex portion having a predetermined height on the insulating plate 24, as shown in FIG. 6A, a convex shape whose height changes smoothly according to the deformation state of the end plate 20 is used. By forming such a convex shape, the surface pressure distribution can be satisfactorily uniform over the entire laminated surface. When such insulating plates 24 are stacked, the convex direction of the convex shape may be the direction facing the current collector plate 26 or the direction facing the end plate 20. The convex shape provided on the insulating plate 24 may be a shape that protrudes only on one surface of the insulating plate 24 as shown in FIGS. 6A and 6B, but FIG. As shown in FIG. 4, the insulating plate 24 may have a shape protruding on both surfaces. In this case, the height L of the convex portion described above may be the sum of the heights protruding on both sides.

以上のように構成された本実施例の燃料電池１０によれば、エンドプレート２０を薄型化することにより、燃料電池１０全体を小型化・軽量化することが可能になる。また、このようにエンドプレート２０を薄型化して、エンドプレート２０の変形を許容しても、絶縁板２４において、エンドプレート２０における締結位置に対応する形状の凸部を設けることにより、燃料電池１０の内部において、面圧分布を均一化することができる。そのため、燃料電池１０において、面圧分布の不均一に起因する問題の発生を抑えることができる。 According to the fuel cell 10 of the present embodiment configured as described above, it is possible to reduce the size and weight of the entire fuel cell 10 by reducing the thickness of the end plate 20. Further, even if the end plate 20 is thinned and the end plate 20 is allowed to be deformed in this way, the fuel cell 10 can be provided by providing the insulating plate 24 with a convex portion having a shape corresponding to the fastening position in the end plate 20. In the interior, the surface pressure distribution can be made uniform. Therefore, in the fuel cell 10, it is possible to suppress the occurrence of problems due to the nonuniform surface pressure distribution.

特に、面圧分布均一化のために凸部を設ける絶縁板２４は、ゴムや樹脂などの絶縁性材料により形成されている。そのため、このような絶縁板２４の厚みを部分的に増して絶縁板２４の重量が増加したとしても、鋼により形成されるエンドプレート２０を薄型化することによる軽量化の効果の方が大きくなり、燃料電池１０全体を、効果的に軽量化することができる。 In particular, the insulating plate 24 provided with a convex portion for uniform surface pressure distribution is formed of an insulating material such as rubber or resin. Therefore, even if the thickness of the insulating plate 24 is partially increased and the weight of the insulating plate 24 is increased, the effect of reducing the weight by reducing the thickness of the end plate 20 made of steel becomes larger. The entire fuel cell 10 can be effectively reduced in weight.

また、本実施例では、エンドプレート２０を薄型化する際に、その厚みを、弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値と厚みの合計がより小さくなる厚みにより近づけて設定することにより、エンドプレートを薄型化する効果を高めることができる。板状部材が弾性変形する範囲で生じる変形量の最大値と厚みとの合計の最小値は、板状部材の構成材料が、剛性の高い鉄含有金属である場合には、他種の金属や樹脂を構成材料とする板状部材に比べて特に小さな値となる。そのため、エンドプレート２０の厚みを上記のように設定することにより、燃料電池を小型化する効果を特に高めることができる。 Further, in the present embodiment, when the end plate 20 is thinned, the thickness is set closer to the thickness at which the sum of the maximum value of the deformation amount and the thickness generated in the range of elastic deformation becomes smaller, so that the end plate 20 The effect of thinning the plate can be enhanced. The minimum value of the sum of the maximum deformation amount and the thickness that occurs in the range in which the plate-shaped member is elastically deformed is that when the constituent material of the plate-shaped member is a highly rigid iron-containing metal, The value is particularly small as compared with a plate-shaped member made of resin. Therefore, by setting the thickness of the end plate 20 as described above, the effect of downsizing the fuel cell can be particularly enhanced.

さらに、本実施例の燃料電池１０によれば、面圧分布を均一化するために、絶縁板２４のように、従来から燃料電池が備える既存の部材に凸部を設けているため、更なる特別な部材を必要とせず、簡素な構成により面圧分布均一化を図ることができる。 Furthermore, according to the fuel cell 10 of the present embodiment, in order to make the surface pressure distribution uniform, the conventional member provided in the fuel cell, such as the insulating plate 24, has been provided with a convex portion. A special member is not required, and the surface pressure distribution can be made uniform with a simple configuration.

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 D. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

Ｄ１．変形例１：
本発明を適用する燃料電池は、実施例とは異なる形状としても良く、積層面内での面圧分布を均一化する凸形状は、絶縁板２４以外の他の積層部材に形成しても良い。他の積層部材において上記凸形状を形成する場合にも、実施例と同様の効果を得ることができる。 D1. Modification 1:
The fuel cell to which the present invention is applied may have a shape different from that of the embodiment, and the convex shape for uniforming the surface pressure distribution in the laminated surface may be formed on a laminated member other than the insulating plate 24. . Even when the above-described convex shape is formed in another laminated member, the same effect as in the embodiment can be obtained.

例えば、絶縁板２４に代えて、集電板２６において上記凸形状を形成しても良い。集電板を形成するために用いる銅などの導電性の特に高い金属は、一般に、エンドプレート２０の構成材料である剛性に優れた鉄含有合金に比べて、単位体積当たりの質量密度が小さい。そのため、集電板２６に凸形状を設けることによって集電板２６の重量が増加しても、エンドプレート２０を薄型化することで燃料電池全体を軽量化する効果を充分に得ることができる。また、集電板２６に凸形状を設けて集電板２６を厚く形成すると、集電板２６における抵抗が減少するため、燃料電池の性能を向上させる効果が得られる。 For example, the convex shape may be formed on the current collecting plate 26 instead of the insulating plate 24. A metal having a particularly high conductivity such as copper used for forming the current collector plate generally has a lower mass density per unit volume than an iron-containing alloy having excellent rigidity, which is a constituent material of the end plate 20. Therefore, even if the weight of the current collector plate 26 is increased by providing a convex shape on the current collector plate 26, the effect of reducing the weight of the entire fuel cell can be sufficiently obtained by making the end plate 20 thinner. Further, when the current collecting plate 26 is provided with a convex shape to make the current collecting plate 26 thick, the resistance in the current collecting plate 26 decreases, so that the effect of improving the performance of the fuel cell can be obtained.

また、絶縁板２４に代えて、ガス拡散層４３，４４において上記凸形状を形成しても良い。ガス拡散層４３，４４を構成する多孔質体は、エンドプレート２０の構成材料よりも、単位体積当たりの質量密度が小さいため、同様に、燃料電池を軽量化する効果が得られる。ガス拡散層４３，４４は、燃料電池を構成するセル積層体３０において複数備えられているため、ガス拡散層４３，４４に凸形状を設ける場合には、各ガス拡散層４３，４４において少しずつ凸形状を設け、燃料電池全体として所望の高さの凸形状を形成すれば良い。これにより、燃料電池全体で、面圧分布を均一化することができる。このようにすれば、個々のガス拡散層に形成すべき凸形状の高さを抑えることができるため、燃料電池の組み立て時の各部材の位置合わせが容易になり、凸形状を設けることに起因する燃料電池組み立て操作の煩雑化を抑えることができる。また、燃料電池の構成部材の一部に凸形状が設けられている場合には、例えば低温時に積層体全体の熱膨張の程度が低下したときに、ガスリークが生じやすくなったり接触抵抗が増大しやすくなる場合がある。しかしながら、上記のように個々のガス拡散層に形成すべき凸形状の高さが抑えられることで、このような不都合を抑制することができる。 Further, the convex shape may be formed in the gas diffusion layers 43 and 44 instead of the insulating plate 24. Since the porous body constituting the gas diffusion layers 43 and 44 has a mass density per unit volume smaller than that of the constituent material of the end plate 20, an effect of reducing the weight of the fuel cell can be obtained. Since a plurality of gas diffusion layers 43 and 44 are provided in the cell stack 30 constituting the fuel cell, when the gas diffusion layers 43 and 44 are provided with a convex shape, the gas diffusion layers 43 and 44 are little by little. A convex shape may be provided to form a convex shape having a desired height as the entire fuel cell. Thereby, the surface pressure distribution can be made uniform throughout the fuel cell. In this way, since the height of the convex shape to be formed in each gas diffusion layer can be suppressed, the positioning of each member during assembly of the fuel cell is facilitated, and the convex shape is provided. Therefore, complication of the fuel cell assembling operation can be suppressed. In addition, when a part of the constituent members of the fuel cell is provided with a convex shape, for example, when the degree of thermal expansion of the entire laminate is reduced at low temperatures, gas leakage is likely to occur or contact resistance is increased. It may be easier. However, such a disadvantage can be suppressed by suppressing the height of the convex shape to be formed in each gas diffusion layer as described above.

また、絶縁板２４に代えて、電解質膜４０において上記凸形状を形成しても良い。電解質膜４０を構成する固体高分子は、エンドプレート２０の構成材料よりも、単位体積当たりの質量密度が小さいため、同様に、燃料電池を軽量化する効果が得られる。電解質膜４０において凸形状を形成する場合にも、セル積層体３０が備える各々の電解質膜４０において少しずつ凸形状を設け、燃料電池全体として所望の高さの凸形状を形成すれば良い。 Further, the convex shape may be formed in the electrolyte membrane 40 instead of the insulating plate 24. Since the solid polymer constituting the electrolyte membrane 40 has a mass density per unit volume smaller than that of the constituent material of the end plate 20, the effect of reducing the weight of the fuel cell can be obtained. Even when a convex shape is formed in the electrolyte membrane 40, a convex shape may be provided little by little in each electrolyte membrane 40 included in the cell stack 30, and a convex shape having a desired height may be formed as a whole fuel cell.

また、絶縁板２４に代えて、ガスセパレータ４５，４６において上記凸形状を形成しても良い。ガスセパレータをカーボンによって形成する場合には、エンドプレートを薄型化することによる燃料電池の軽量化の効果を顕著に得ることができる。また、ガスセパレータを金属にによって形成する場合であっても、ガスセパレータは、エンドプレートほどの剛性は要求されないため、エンドプレートに比べて単位体積当たりの質量密度の小さい金属（例えばアルミニウム）によって形成することができる。このような場合には、同様に、燃料電池を軽量化する効果を高めることができる。なお、ガスセパレータにおいて凸形状を形成する場合には、既述したガス拡散層の場合と同様に、セル積層体３０が備える各々のガスセパレータにおいて少しずつ凸形状を設け、燃料電池全体として所望の高さの凸形状を形成すれば良い。また、実施例では、ガスセパレータ４５，４６を溝付きセパレータとしたが、異なる形状としても良い。例えば、ガスセパレータを、表面が平坦な平板状に形成しても良い。このような場合には、平板状のガスセパレータと電極との間に、単セル内のガス流路となる空間を形成する薄板状の多孔質体を配置すれば良い。 Further, the convex shape may be formed in the gas separators 45 and 46 instead of the insulating plate 24. When the gas separator is formed of carbon, the effect of reducing the weight of the fuel cell by reducing the thickness of the end plate can be obtained remarkably. Even when the gas separator is formed of metal, the gas separator is not required to be as rigid as the end plate, so it is formed of a metal (for example, aluminum) having a lower mass density per unit volume than the end plate. can do. In such a case, similarly, the effect of reducing the weight of the fuel cell can be enhanced. In the case of forming a convex shape in the gas separator, as in the case of the gas diffusion layer described above, a convex shape is provided little by little in each gas separator provided in the cell stack 30, and the desired fuel cell as a whole is formed. A convex shape having a height may be formed. In the embodiment, the gas separators 45 and 46 are grooved separators, but may have different shapes. For example, the gas separator may be formed in a flat plate shape with a flat surface. In such a case, a thin plate-like porous body that forms a space serving as a gas flow path in the single cell may be disposed between the flat gas separator and the electrode.

上記のように、単セル内のガス流路となる空間を形成するために、電極とガスセパレータとの間に多孔質体を配置する場合には、このような多孔質体において、絶縁板２４に代えて、上記凸形状を形成しても良い。このような構成とすれば、多孔質体の単位体積当たりの質量密度が小さいことにより、燃料電池を軽量化する同様の効果が得られる。また、上記したガス流路を形成する多孔質体に凸形状を形成する場合にも、セル積層体が備える各々の多孔質体において少しずつ凸形状を設け、燃料電池全体として所望の高さの凸形状を形成すれば良い。 As described above, when a porous body is disposed between the electrode and the gas separator in order to form a space serving as a gas flow path in the single cell, in such a porous body, the insulating plate 24 is used. Instead of the above, the convex shape may be formed. With such a configuration, the same effect of reducing the weight of the fuel cell can be obtained because the mass density per unit volume of the porous body is small. Also, when forming a convex shape on the porous body forming the gas flow path described above, a convex shape is provided little by little in each porous body included in the cell stack, and the fuel cell as a whole has a desired height. A convex shape may be formed.

また、図１ないし図３では、実施例の燃料電池１０の構成を簡略化して示しているが、燃料電池は図示しない他の部材をさらに備えることとし、このような他の部材において既述した凸形状を形成しても良い。他の部材としては、例えば、エンドプレート２０と絶縁板２４との間に配置される弾性を有する薄板状部材であって、燃料電池に加えられる振動を吸収する免震ゴムを挙げることができる。このような構成としても、エンドプレートの構成材料よりも単位体積当たりの質量密度が小さい免震ゴムに凸形状を設けることで、燃料電池を軽量化する同様の効果が得られる。 1 to 3, the configuration of the fuel cell 10 according to the embodiment is shown in a simplified manner. However, the fuel cell further includes other members (not shown), and the other members described above have been described above. A convex shape may be formed. As another member, for example, an elastic thin plate member disposed between the end plate 20 and the insulating plate 24 and a seismic isolation rubber that absorbs vibration applied to the fuel cell can be used. Even in such a configuration, the same effect of reducing the weight of the fuel cell can be obtained by providing a convex shape on the seismic isolation rubber having a mass density per unit volume smaller than that of the constituent material of the end plate.

エンドプレートは、テンションプレート２８およびネジ２９から成る締結部によって締結圧が加えられる部材であり、充分な剛性が必要であるため、一般に、単位体積当たりの質量密度が大きな、鉄を含む合金によって形成されている。そのため、このようなエンドプレートの変形を許容しつつ薄型化することにより、積層体を構成する他の部材に設ける凸形状に起因する重量増加があっても、燃料電池全体を小型化・軽量化することができる。なお、上記凸形状は、燃料電池を構成する積層体が備えるいずれか一種の薄板状部材のみに設けるのではなく、複数種類の部材に設けても良い。積層体の構成部材の少なくとも一部が、積層面内で厚みが変化する形状であることにより、燃料電池全体で面圧分布を均一化できれば良い。 The end plate is a member to which a fastening pressure is applied by a fastening portion composed of a tension plate 28 and a screw 29 and needs to have sufficient rigidity. Therefore, the end plate is generally formed of an alloy containing iron having a large mass density per unit volume. Has been. Therefore, by reducing the thickness while allowing such deformation of the end plate, the entire fuel cell can be reduced in size and weight even if there is an increase in weight due to the convex shape provided on the other members of the laminate. can do. In addition, you may provide the said convex shape in multiple types of member instead of providing in only one kind of thin plate-shaped member with which the laminated body which comprises a fuel cell is provided. It suffices that the surface pressure distribution can be made uniform in the entire fuel cell when at least a part of the constituent members of the laminated body has a shape whose thickness changes in the laminated surface.

Ｄ２．変形例２：
実施例では、テンションプレート２８と、１２箇所に設けたネジ２９によって締結部を形成したが、締結部は異なる構成としても良い。例えば、各テンションプレート２８に代えて、積層方向に延出して設けられて、両端で各エンドプレート２０とねじ止めされる３本の棒状部材を設けても良い。あるいは、テンションプレート２８とエンドプレート２０とのねじ止め箇所は、エンドプレート２０の一辺当たり３箇所ではなく、２箇所、あるいは４箇所以上としても良い。また、エンドプレート２０とテンションプレート２８との間は、ねじ止め以外の方法によって締結しても良い。いずれの場合であっても、設けた締結部の位置に応じて、積層体の構成部材に形成する凸形状を適宜設定すればよい。積層面における面圧分布を均一化するには、締結部位からより遠く、積層体に加えられる締結圧がより低い（荷重抜けの程度がより大きくなる）領域ほど、厚みを厚くした形状となるように、凸形状を形成すれば良い。 D2. Modification 2:
In the embodiment, the fastening portion is formed by the tension plate 28 and the screws 29 provided at 12 locations, but the fastening portion may have a different configuration. For example, instead of each tension plate 28, three rod-like members that extend in the stacking direction and are screwed to each end plate 20 at both ends may be provided. Alternatively, the screwing locations between the tension plate 28 and the end plate 20 may be two locations, or four or more locations, instead of three locations per side of the end plate 20. Further, the end plate 20 and the tension plate 28 may be fastened by a method other than screwing. In either case, the convex shape formed on the constituent members of the laminate may be set as appropriate in accordance with the position of the provided fastening portion. In order to make the surface pressure distribution on the laminated surface uniform, the region that is farther from the fastening part and has a lower fastening pressure applied to the laminated body (a greater degree of load loss) has a thicker shape. In addition, a convex shape may be formed.

Ｄ３．変形例３：
実施例では、燃料電池１０は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池に本発明を適用しても良い。例えば、固体電解質型燃料電池に本発明を適用する場合には、固体酸化物から成る電解質層において、既述した凸形状を形成しても良い。燃料電池を構成する積層体において、エンドプレートの内側に配置される積層部材のいずれかの部材が、既述した凸形状を有しているならば、同様の効果を得ることができる。 D3. Modification 3:
In the embodiment, the fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell, but the present invention may be applied to different types of fuel cells. For example, when the present invention is applied to a solid oxide fuel cell, the above-described convex shape may be formed in an electrolyte layer made of a solid oxide. In the laminated body constituting the fuel cell, if any member of the laminated members arranged inside the end plate has the convex shape described above, the same effect can be obtained.

燃料電池１０の概略構成を表わす断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a fuel cell 10. 燃料電池１０の外観を表わす斜視図である。1 is a perspective view illustrating an appearance of a fuel cell 10. FIG. 単セル３５の概略構成を表わす断面模式図である。2 is a schematic cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a single cell 35. FIG. 積層体の締結時にエンドプレートが変形する様子を表わす図である。It is a figure showing a mode that an end plate deform | transforms when the laminated body is fastened. 板状部材の厚みと変形量の最大値との合計と、板状部材の厚みとの関係を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the relationship between the sum total of the thickness of a plate-shaped member and the maximum value of deformation, and the thickness of a plate-shaped member. 絶縁板２４の形状の概略を表わす説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing an outline of the shape of an insulating plate 24. 締結時の力の釣り合いの様子を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the mode of the balance of the force at the time of fastening.

Explanation of symbols

１０…燃料電池
２０…エンドプレート
２４…絶縁板
２６…集電板
２８…テンションプレート
２９…ネジ
３０…セル積層体
３５…単セル
４０…電解質膜
４１…アノード
４２…カソード
４３，４４…ガス拡散層
４５，４６…ガスセパレータ
４７…単セル内燃料ガス流路
４８…単セル内酸化ガス流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 20 ... End plate 24 ... Insulating plate 26 ... Current collecting plate 28 ... Tension plate 29 ... Screw 30 ... Cell laminated body 35 ... Single cell 40 ... Electrolyte membrane 41 ... Anode 42 ... Cathode 43, 44 ... Gas diffusion layer 45, 46 ... Gas separator 47 ... Fuel gas flow path in single cell 48 ... Oxidation gas flow path in single cell

Claims

A fuel cell,
A laminate comprising a plurality of thin plate-like members each including an electrolyte layer having electrodes on the surface, and a laminate having end plates at both ends;
A fastening portion for fastening the laminate by applying a pressure acting in the direction of the laminate toward the inner side of the laminate via the end plate;
At least a part of the plurality of thin plate members constituting the laminated body has a shape whose thickness changes in the laminated surface so that the distribution of the surface pressure applied by the fastening portion on the laminated surface of the laminated body is made uniform Having a fuel cell.

The fuel cell according to claim 1, wherein
At least a part of the plurality of thin plate members constituting the laminated body has a convex shape that uniformizes the distribution of surface pressure applied by the fastening portion on the laminated surface of the laminated body.

A fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The end plate is formed of a metal material having a mass density per unit volume larger than that of the other thin plate members constituting the laminate.

A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The convex shape is a shape in which the thickness is increased in a region farther from the fastening portion of the fastening portion on the laminated surface.

A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The convex shape is a shape in which the thickness is increased in a region where the pressure acting from the end plate toward the inside of the laminate becomes smaller.

A fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The thickness of the end plate is the above-mentioned member when the sum of the thickness of the member and the maximum amount of deformation that occurs within the range in which the member is elastically deformed is the minimum in the member made of the material constituting the end plate. The fuel cell is formed to a thickness of.