JP2005100701A - Fuel cell stack - Google Patents

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岳志 室
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable secure application of a desired fastening load with a simple structure without being influenced by temperature. <P>SOLUTION: A fuel cell stack 10 is equipped with a plurality of fuel cells 12, and a laminate 14 is formed by laminating the fuel cells 12 in the direction shown as an arrow A. Outside the laminate 14, terminal plates 16a, 16b, insulating plates 18a, 18b and end plates 20a, 20b are formed. Outside the end plate 20a, a volume-variable bag member 54 is formed, and in a liquid chamber 56 formed in the bag member 54, stored liquid 58 expanding at a temperature equal to or lower than a predetermined temperature is sealed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層される燃料電池を複数積層した燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells in which a solid polymer electrolyte membrane is disposed between a pair of electrodes and a metal separator and a plurality of fuel cells are laminated.

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及びカソード側電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及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。   For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is sandwiched between separators. doing. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.

燃料電池において、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、電極触媒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へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。   In a fuel cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a hydrogen-containing gas, is hydrogen-ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode through an appropriately humidified electrolyte membrane. The 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 such as air, hydrogen ions, electrons and oxygen gas react with each other to generate water at the cathode side electrode.

ところで、燃料電池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に付与される面圧が均一になるように、燃料電池スタック全体に所望の締め付け力を付与する必要がある。   By the way, when the contact resistance in the fuel cell 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 entire fuel cell stack so that the surface pressure applied to the electrode surface is uniform in order to reduce the contact resistance.

そこで、例えば、特許文献1の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図6に示すように、電解質膜・電極構造体1を一対のセパレータ2で挟持したセル3を備えており、このセル3は、集電板4を介装して端板5で締め付け保持されている。端板5には、ピストン6が設けられるとともに、前記ピストン6と前記端板5との間には、パック封入水7が収容されている。端板5には、熱媒体であるパック封入水7を加熱するためのヒータ8が固着されている。   Therefore, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell of Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 6, the fuel cell includes a cell 3 in which an electrolyte membrane / electrode structure 1 is sandwiched between a pair of separators 2, and the cell 3 includes an end plate with a current collector plate 4 interposed therebetween. 5 is tightened and held. A piston 6 is provided on the end plate 5, and pack-filled water 7 is accommodated between the piston 6 and the end plate 5. A heater 8 for heating the packed water 7 as a heat medium is fixed to the end plate 5.

このような構成において、図示しない空気圧力源からの空気によりパック封入水7のパック材の外周部が加圧されるとともに、ヒータ8の作用下に熱媒体である前記パック封入水7のパック水が加熱されて、セル3を所定締め付け圧に制御している。   In such a configuration, the outer peripheral portion of the pack material of the pack-filled water 7 is pressurized by air from an air pressure source (not shown), and the pack water of the pack-filled water 7 that is a heat medium under the action of the heater 8. Is heated to control the cell 3 to a predetermined clamping pressure.

特開2000−123854号公報(図2)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-123854 (FIG. 2)

しかしながら、上記の特許文献1では、ヒータ8を用いてセル加熱制御を行うため、構成及び制御が複雑化する。このため、燃料電池全体のコストが高騰するという問題が指摘されている。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, since the cell heating control is performed using the heater 8, the configuration and the control are complicated. For this reason, the problem that the cost of the whole fuel cell rises is pointed out.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ安価な構成で、温度に影響されることがなく、所望の締め付け荷重を確実に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。   The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell stack capable of reliably applying a desired tightening load without being influenced by temperature with a simple and inexpensive configuration. For the purpose.

本発明の燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの端部に配設される容積可変な袋部材と、前記袋部材内に収容されるとともに、所定の温度以下で体積が膨張する収容物とを備えている。   The fuel cell stack of the present invention includes a variable volume bag member disposed at an end of the fuel cell stack, and a container that is accommodated in the bag member and expands at a predetermined temperature or less. ing.

低温時には、各燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体が縮小して燃料電池スタックの全長が短尺化し、金属セパレータ自体の弾性だけでは、前記燃料電池スタックの締め付け荷重が低下し易い。その際、袋部材内の収容物は、所定の温度以下で体積が膨張し、前記袋部材の容積が増大する。このため、袋部材の容積増加によって各燃料電池の縮小分を補うことができ、燃料電池スタック全体の締め付け荷重の低下が緩和される。   When the temperature is low, the electrolyte membrane / electrode structure constituting each fuel cell is reduced to shorten the overall length of the fuel cell stack, and the tightening load of the fuel cell stack is likely to be reduced only by the elasticity of the metal separator itself. At that time, the volume of the contents in the bag member expands below a predetermined temperature, and the volume of the bag member increases. For this reason, the reduction | decrease of each fuel cell can be supplemented by the volume increase of a bag member, and the fall of the clamping load of the whole fuel cell stack is relieve | moderated.

また、収容物は、少なくとも水を含むことが好ましく、さらに、袋部材と金属セパレータとの間には、断熱部材が介装されることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the container contains at least water, and it is preferable that a heat insulating member is interposed between the bag member and the metal separator.

本発明によれば、所定の温度以下で体積が膨張する収容物を袋部材内に収容するだけでよく、例えば、ヒータによる加熱制御が不要になる。このため、簡単且つ安価な構成で、温度低下に伴う締め付け荷重の低下を有効に阻止し、反応ガスの洩れ等を確実に防止することができる。   According to the present invention, it is only necessary to house a container whose volume expands below a predetermined temperature in the bag member, and for example, heating control by a heater becomes unnecessary. For this reason, with a simple and inexpensive configuration, it is possible to effectively prevent a decrease in tightening load due to a decrease in temperature, and reliably prevent leakage of reaction gas and the like.

さらに、収容物に含まれる水は、凍結する際に体積が膨張する。これにより、極めて経済的な構成で、袋部材の容積を確実に増大させることが可能になる。その際、収容物が水と溶媒との混合液であれば、この溶媒の種類及び量等を設定することによって、前記収容物の凝固点や体積膨張率を変更させることができ、汎用性の向上が図られる。   Furthermore, the volume of the water contained in the contents expands when frozen. This makes it possible to reliably increase the volume of the bag member with an extremely economical configuration. At that time, if the contents are a mixture of water and a solvent, the freezing point and volume expansion coefficient of the contents can be changed by setting the type and amount of the solvent, thereby improving versatility. Is planned.

また、袋部材内の収容物が凍結していても、断熱部材の作用下に金属セパレータが冷却され過ぎることがない。従って、袋部材に近接する燃料電池では、特に低温起動時に温度低下による発電不良が惹起されることがなく、低温起動が効率的に遂行される。   Moreover, even if the contents in the bag member are frozen, the metal separator is not cooled too much under the action of the heat insulating member. Therefore, in the fuel cell close to the bag member, power generation failure due to a temperature drop is not caused particularly at low temperature startup, and low temperature startup is efficiently performed.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の概略構成説明図である。   FIG. 1 is a schematic configuration explanatory view of a fuel cell stack 10 according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池スタック10は、複数の燃料電池12を備え、前記燃料電池12を矢印A方向に積層して積層体14が構成される。積層体14の外方には、ターミナルプレート16a、16b、絶縁プレート18a、18b及びエンドプレート20a、20bが、順次、配設される。ターミナルプレート16a、16bには、負荷21が接続される。   The fuel cell stack 10 includes a plurality of fuel cells 12, and the stacked body 14 is configured by stacking the fuel cells 12 in the direction of arrow A. Terminal plates 16a and 16b, insulating plates 18a and 18b, and end plates 20a and 20b are sequentially arranged on the outer side of the laminate 14. A load 21 is connected to the terminal plates 16a and 16b.

図2に示すように、燃料電池12は、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持する第1及び第2金属セパレータ24、26とを備える。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure 22, and first and second metal separators 24 and 26 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 22.

燃料電池12の矢印B方向の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔32b、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   One end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and an oxidant gas supply communication hole 30a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. A cooling medium discharge communication hole 32b for discharging the medium and a fuel gas discharge communication hole 34b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

燃料電池12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔32a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 12 in the direction of the arrow B communicates with each other in the direction of the arrow A, the fuel gas supply communication hole 34a for supplying the fuel gas, and the cooling medium supply communication hole for supplying the cooling medium. 32a and an oxidant gas discharge communication hole 30b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

電解質膜・電極構造体22は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜36と、前記固体高分子電解質膜36の両面に配設されるアノード側電極38及びカソード側電極40とを備える(図1及び図2参照)。   The electrolyte membrane / electrode structure 22 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 36 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, anode-side electrodes 38 disposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36, and A cathode side electrode 40 (see FIGS. 1 and 2).

アノード側電極38及びカソード側電極40は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜36を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜36の両面に接合されている。   The anode side electrode 38 and the cathode side electrode 40 include a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. Have The electrode catalyst layers are bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 36 interposed therebetween.

図2に示すように、第1金属セパレータ24の電解質膜・電極構造体22に向かう面24aには、酸化剤ガス供給連通孔30aと酸化剤ガス排出連通孔30bとに連通する酸化剤ガス流路42が設けられる。酸化剤ガス流路42は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部を備える。   As shown in FIG. 2, on the surface 24a of the first metal separator 24 facing the electrolyte membrane / electrode structure 22, an oxidant gas flow communicating with the oxidant gas supply communication hole 30a and the oxidant gas discharge communication hole 30b. A path 42 is provided. The oxidant gas flow path 42 includes, for example, a plurality of grooves extending in the direction of arrow B.

第2金属セパレータ26の電解質膜・電極構造体22に向かう面26aには、燃料ガス供給連通孔34aと燃料ガス排出連通孔34bとに連通する燃料ガス流路44が形成される。この燃料ガス流路44は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部を備える。   A fuel gas flow path 44 that communicates with the fuel gas supply communication hole 34 a and the fuel gas discharge communication hole 34 b is formed on the surface 26 a of the second metal separator 26 facing the electrolyte membrane / electrode structure 22. The fuel gas channel 44 includes, for example, a plurality of grooves extending in the arrow B direction.

第1金属セパレータ24の面24bと第2金属セパレータ26の面26bとの間には、図2に示すように、冷却媒体供給連通孔32aと冷却媒体排出連通孔32bとに連通する冷却媒体流路46が形成される。この冷却媒体流路46は、第1及び第2金属セパレータ24、26に設けられる複数本の溝部を重ね合わせることにより、矢印B方向に延在して一体的に構成される。   As shown in FIG. 2, a cooling medium flow between the surface 24b of the first metal separator 24 and the surface 26b of the second metal separator 26 communicates with the cooling medium supply communication hole 32a and the cooling medium discharge communication hole 32b. A path 46 is formed. The cooling medium flow path 46 is integrally configured to extend in the direction of arrow B by overlapping a plurality of grooves provided in the first and second metal separators 24 and 26.

第1金属セパレータ24の両面24a、24bには、第1シール部材50が、モールド成形等により一体的に設けられる。この第1シール部材50は、例えば、シリコーンゴムで構成されており、面24aにおいて、酸化剤ガス流路42を囲繞し、且つ前記酸化剤ガス流路42を酸化剤ガス供給連通孔30a及び酸化剤ガス排出連通孔30bに連通して形成される。第1シール部材50は、面24bにおいて、冷却媒体流路46を囲繞し、且つ前記冷却媒体流路46を冷却媒体供給連通孔32a及び冷却媒体排出連通孔32bに連通して形成される。   A first seal member 50 is integrally provided on both surfaces 24a and 24b of the first metal separator 24 by molding or the like. The first seal member 50 is made of, for example, silicone rubber, and surrounds the oxidant gas flow path 42 on the surface 24a, and the oxidant gas flow path 42 passes through the oxidant gas supply communication hole 30a and the oxidant gas flow path 42. It is formed to communicate with the agent gas discharge communication hole 30b. The first seal member 50 is formed on the surface 24b so as to surround the cooling medium flow path 46 and to communicate the cooling medium flow path 46 with the cooling medium supply communication hole 32a and the cooling medium discharge communication hole 32b.

第2金属セパレータ26の両面26a、26bには、第2シール部材52が、モールド成形等により一体的に設けられる。第2シール部材52は、例えば、シリコーンゴムで構成されており、面26aにおいて、燃料ガス流路44を囲繞するとともに、前記燃料ガス流路44を燃料ガス供給連通孔34a及び燃料ガス排出連通孔34bに連通する。第2シール部材52は、面26bにおいて、冷却媒体流路46を囲繞するとともに、冷却媒体供給連通孔32a及び冷却媒体排出連通孔32bを前記冷却媒体流路46に連通する。   A second seal member 52 is integrally provided on both surfaces 26a and 26b of the second metal separator 26 by molding or the like. The second seal member 52 is made of, for example, silicone rubber, and surrounds the fuel gas passage 44 on the surface 26a, and the fuel gas passage 44 is connected to the fuel gas supply passage 34a and the fuel gas discharge passage. It communicates with 34b. The second seal member 52 surrounds the cooling medium flow path 46 on the surface 26 b and communicates the cooling medium supply communication hole 32 a and the cooling medium discharge communication hole 32 b with the cooling medium flow path 46.

図1に示すように、断熱部材であるエンドプレート20aの外側には、容積可変な袋部材54が配設されるとともに、前記袋部材54内に形成される液体チャンバ56には、所定の温度以下で体積が膨張する収容物58が封入される。収容物58は、少なくとも水を含み、必要に応じて溶媒、例えば、アルコール類やエーテル類が混合される。この溶媒の種類及び量等を設定することによって、収容物58の凝固点や体積膨張率を変更させることができる。   As shown in FIG. 1, a variable volume bag member 54 is disposed outside the end plate 20a, which is a heat insulating member, and a liquid chamber 56 formed in the bag member 54 has a predetermined temperature. The container 58 whose volume expands below is enclosed. The container 58 contains at least water, and a solvent, for example, alcohols or ethers is mixed as necessary. By setting the type and amount of the solvent, the freezing point and the volume expansion coefficient of the contents 58 can be changed.

袋部材54は、エンドプレート20aよりも薄肉状に構成されるプレート部60を設けており、このプレート部60の一方の面には、例えば、アルミニウム薄板やステンレス薄板等の可撓性の金属板材62が溶接、ろう付け、あるいは接着等により固着される。金属板材62とプレート部60との間には、液体チャンバ56が構成される。   The bag member 54 is provided with a plate portion 60 configured to be thinner than the end plate 20a. On one surface of the plate portion 60, for example, a flexible metal plate material such as an aluminum thin plate or a stainless thin plate is provided. 62 is fixed by welding, brazing, adhesion or the like. A liquid chamber 56 is formed between the metal plate 62 and the plate portion 60.

図3に示すように、プレート部60の外面60aには、液体チャンバ56に収容物58を充填するための液体封入口64が形成され、この液体封入口64がシーリングワシャ66及びシーリングボルト68を介して閉塞される。液体封入口64と対角な位置にセンサ取り付け口70が設けられ、このセンサ取り付け口70にワシャ72を介して圧力センサ74が取着される。圧力センサ74は、液体チャンバ56内の収容物58の液体圧を検出するものであり、必要に応じて設ければよい。   As shown in FIG. 3, a liquid sealing port 64 for filling the liquid chamber 56 with the contents 58 is formed on the outer surface 60 a of the plate portion 60, and the liquid sealing port 64 is provided with a sealing washer 66 and a sealing bolt 68. Is blocked through. A sensor mounting port 70 is provided at a position diagonal to the liquid sealing port 64, and a pressure sensor 74 is attached to the sensor mounting port 70 via a washer 72. The pressure sensor 74 detects the liquid pressure of the contents 58 in the liquid chamber 56, and may be provided as necessary.

プレート部60には、4つのボルト孔76が貫通形成され、前記ボルト孔76にタイロッド78が挿入されるとともに、前記タイロッド78がエンドプレート20a、20b間を所定の締め付け荷重で締め付け固定する。   Four bolt holes 76 are formed through the plate portion 60, and tie rods 78 are inserted into the bolt holes 76, and the tie rods 78 fasten and fix the end plates 20a and 20b with a predetermined tightening load.

このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell stack 10 configured as described above will be described below.

図1に示すように、燃料電池スタック10内では、複数の燃料電池12が積層された積層体14に対して、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス、及び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。   As shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 10, a fuel gas such as an oxidant gas that is an oxygen-containing gas such as air, a hydrogen-containing gas, In addition, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied.

このため、図2に示すように、各燃料電池12では、酸化剤ガス供給連通孔30aから第1金属セパレータ24の酸化剤ガス流路42に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体22のカソード側電極40に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔34aから第2金属セパレータ26の燃料ガス流路44に導入され、電解質膜・電極構造体22のアノード側電極38に沿って移動する。   For this reason, as shown in FIG. 2, in each fuel cell 12, an oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 42 of the first metal separator 24 from the oxidant gas supply communication hole 30a, and this oxidant gas is supplied to the electrolyte. It moves along the cathode side electrode 40 of the membrane / electrode structure 22. The fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 44 of the second metal separator 26 from the fuel gas supply communication hole 34 a and moves along the anode side electrode 38 of the electrolyte membrane / electrode structure 22.

従って、電解質膜・電極構造体22では、カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極38に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte membrane / electrode structure 22, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 40 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 38 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, thereby generating power. Is done.

次いで、カソード側電極40に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード側電極38に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 40 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas discharge communication hole 30b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 38 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas discharge communication hole 34b.

さらに、冷却媒体供給連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1及び第2金属セパレータ、26間の冷却媒体流路46に導入された後、矢印B方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、冷却媒体排出連通孔32bから排出される。   Further, the cooling medium supplied to the cooling medium supply communication hole 32 a is introduced into the cooling medium flow path 46 between the first and second metal separators 26 and then circulates in the direction of arrow B. The cooling medium is discharged from the cooling medium discharge communication hole 32b after the electrolyte membrane / electrode structure 22 is cooled.

ところで、燃料電池スタック10が低温で起動される際、特に各燃料電池12を構成する電解質膜・電極構造体22が縮小して積層方向(矢印A方向)の寸法が減少する。具体的には、図4に示すように、起動温度が低下するのに伴って、燃料電池スタック10の積層方向の長さLが短くなる。   By the way, when the fuel cell stack 10 is started at a low temperature, the electrolyte membrane / electrode structure 22 constituting each fuel cell 12 is particularly reduced and the dimension in the stacking direction (arrow A direction) is reduced. Specifically, as shown in FIG. 4, the length L in the stacking direction of the fuel cell stack 10 becomes shorter as the starting temperature decreases.

燃料電池スタック10の長さLが短くなると、第1及び第2金属セパレータ24、26自体の弾性力が作用していても、この燃料電池スタック10の締め付け荷重が減少する。そして、温度Tに至ると、締め付け荷重が限界荷重以下になり、燃料電池スタック10の締め付け不良が発生し易い。   When the length L of the fuel cell stack 10 is shortened, the tightening load of the fuel cell stack 10 is reduced even if the elastic forces of the first and second metal separators 24 and 26 themselves are acting. When the temperature T is reached, the tightening load becomes equal to or less than the limit load, and the tightening failure of the fuel cell stack 10 is likely to occur.

そこで、第1の実施形態では、図1に示すように、エンドプレート20aに容積可変な袋部材54が配設されるとともに、前記袋部材54内に形成される液体チャンバ56には、所定の温度T1(図4参照)以下で凍結して体積が膨張する収容物58が封入されている。このため、収容物58は、温度T1以下で凍結して体積が膨張し、袋部材54の容積が増大する。   Therefore, in the first embodiment, as shown in FIG. 1, a variable volume bag member 54 is disposed on the end plate 20a, and a liquid chamber 56 formed in the bag member 54 has a predetermined volume. A container 58 that is frozen at a temperature T1 (see FIG. 4) or less and expands in volume is enclosed. For this reason, the contents 58 are frozen at a temperature T1 or lower to expand the volume, and the volume of the bag member 54 is increased.

これにより、袋部材54を構成する金属板材62は、エンドプレート20a側に突出するように変形し、燃料電池スタック10の締め付け方向に荷重が付与される。特に、低温起動時に燃料電池スタック10の荷重抜けが有効に緩和され、前記燃料電池スタック10を限界荷重以上に確実に維持することができる。   As a result, the metal plate member 62 constituting the bag member 54 is deformed so as to protrude toward the end plate 20 a, and a load is applied in the tightening direction of the fuel cell stack 10. In particular, the load drop of the fuel cell stack 10 can be effectively mitigated at the time of low temperature startup, and the fuel cell stack 10 can be reliably maintained above the limit load.

従って、燃料電池スタック10では、例えば、ヒータによる加熱制御が不要になり、簡単且つ安価に構成で、温度低下に伴う締め付け荷重の低下を有効に阻止し、燃料ガスや酸化剤ガスの洩れ等を確実に防止することが可能になるという効果が得られる。   Accordingly, in the fuel cell stack 10, for example, heating control by a heater is not required, and the configuration is simple and inexpensive, effectively preventing a decrease in tightening load accompanying a temperature decrease, and leaking fuel gas or oxidant gas. The effect that it becomes possible to prevent reliably is acquired.

しかも、燃料電池スタック10は、各燃料電池12を構成する第1及び第2金属セパレータ24、26自体の弾性と、収容物58の膨張とを介して所望の締め付け荷重が付与されるように構成されている。このため、燃料電池スタック10には、例えば、締め付け荷重を付与すべくスプリング等を設ける必要がなく、前記燃料電池スタック10全体の小型化が容易に図られる。   Moreover, the fuel cell stack 10 is configured such that a desired tightening load is applied through the elasticity of the first and second metal separators 24 and 26 constituting each fuel cell 12 and the expansion of the accommodation 58. Has been. For this reason, for example, it is not necessary to provide the fuel cell stack 10 with a spring or the like so as to apply a tightening load, and the entire fuel cell stack 10 can be easily downsized.

さらに、収容物58に含まれる水は、凍結する際に体積が膨張するため、極めて経済的な構成で、袋部材54の容積を確実に増大させることができる。その際、収容物58が水と溶媒との混合液であれば、この溶媒の種類及び量等を設定することによって、前記収容物58の凝固点や体積膨張率を変更させることが可能になり、汎用性の向上が図られる。   Furthermore, since the volume of the water contained in the accommodation 58 expands when frozen, the volume of the bag member 54 can be reliably increased with an extremely economical configuration. At that time, if the container 58 is a mixed liquid of water and a solvent, it becomes possible to change the freezing point and volume expansion coefficient of the container 58 by setting the type and amount of the solvent. The versatility can be improved.

また、袋部材54内の収容物58が凍結していても、エンドプレート20aの断熱作用下に、燃料電池12が冷却され過ぎることがない。従って、袋部材54に近接する燃料電池12では、特に低温起動時に温度低下による発電不良が惹起することがなく、効率的な低温起動が遂行されるという利点がある。なお、積層方向端部の燃料電池12とエンドプレート20aとの間に、断熱部材を介装して袋部材54を配設しても、同様の効果が得られる。   Further, even if the contents 58 in the bag member 54 are frozen, the fuel cell 12 is not excessively cooled under the heat insulating action of the end plate 20a. Therefore, the fuel cell 12 in the vicinity of the bag member 54 has an advantage that efficient low-temperature start-up is performed without causing power generation failure due to a temperature drop particularly at low-temperature start-up. Even if the bag member 54 is disposed between the fuel cell 12 at the end in the stacking direction and the end plate 20a with a heat insulating member interposed therebetween, the same effect can be obtained.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック90の概略構成図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a fuel cell stack 90 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell stack 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池スタック90は、エンドプレート20aの外側に配設されるプレート92を備え、このプレート92内の開口部94に容積可変な袋部材96が収容される。袋部材96内には、収容物58が封入されている。開口部94には、複数のピストン98がエンドプレート20aに向かって進退自在に配設される。各ピストン98の位置は、燃料電池スタック90に対して良好に荷重を付与し得るように、エンドプレート20aの所望の部位に対応して設定される。なお、複数のピストン98に代替して、単一のピストン(図示せず)を用いてもよい。   The fuel cell stack 90 includes a plate 92 disposed outside the end plate 20a, and a bag member 96 having a variable volume is accommodated in an opening 94 in the plate 92. In the bag member 96, an accommodation 58 is enclosed. A plurality of pistons 98 are disposed in the opening 94 so as to be movable forward and backward toward the end plate 20a. The position of each piston 98 is set corresponding to a desired portion of the end plate 20a so that a load can be applied to the fuel cell stack 90 satisfactorily. In place of the plurality of pistons 98, a single piston (not shown) may be used.

このように構成される第2の実施形態では、低温時に袋部材96内の収容物58が凍結して体積が膨張し、この袋部材96の容積が増大する。このため、開口部94に配設されている各ピストン98は、袋部材96に押圧されてエンドプレート20a側に突出し、このエンドプレート20aを加圧して燃料電池スタック90に締め付け方向の荷重が付与される。   In the second embodiment configured as described above, the contents 58 in the bag member 96 are frozen at a low temperature to expand the volume, and the volume of the bag member 96 is increased. For this reason, each piston 98 disposed in the opening 94 is pressed by the bag member 96 and protrudes toward the end plate 20a, and the end plate 20a is pressurized to apply a load in the tightening direction to the fuel cell stack 90. Is done.

これにより、第2の実施形態では、低温起動時に燃料電池スタック90に所望の締め付け荷重を確実に付与することができ、簡単且つ安価に構成で、燃料ガスや酸化剤ガスの洩れ等を確実に防止することが可能になる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。なお、プレート92を用いることがなく、エンドプレート20a内又は絶縁プレート18a内に袋部材96を収容することができる。   As a result, in the second embodiment, a desired tightening load can be reliably applied to the fuel cell stack 90 at the time of low-temperature startup, and fuel gas and oxidant gas can be leaked with a simple and inexpensive configuration. The same effects as those of the first embodiment can be obtained, for example, it can be prevented. Note that the bag member 96 can be accommodated in the end plate 20a or the insulating plate 18a without using the plate 92.

また、第1及び第2の実施形態では、燃料電池スタック10、90がタイロッド78を介して締め付け保持されているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池スタック10、90を箱状ケーシング内に保持する構成であってもよい。さらに、各ピストン98毎に後部に袋部材96を別々に設けてもよい。   In the first and second embodiments, the fuel cell stacks 10 and 90 are clamped and held via the tie rods 78, but the present invention is not limited to this. For example, the structure which hold | maintains the fuel cell stacks 10 and 90 in a box-shaped casing may be sufficient. Furthermore, you may provide the bag member 96 in the rear part for every piston 98 separately.

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。2 is an exploded perspective view of a fuel cell constituting the fuel cell stack. FIG. 前記燃料電池スタックを構成する袋部材の一部分解斜視説明図である。FIG. 4 is a partially exploded perspective view of a bag member constituting the fuel cell stack. 温度とスタック長さ及び締め付け荷重との関係図である。It is a related figure of temperature, stack length, and clamping load. 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。FIG. 5 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention. 特許文献1の燃料電池の要部断面図である。2 is a cross-sectional view of a main part of a fuel cell of Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10、90…燃料電池スタック 12…燃料電池
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18b…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
22…電解質膜・電極構造体 24、26…金属セパレータ
36…固体高分子電解質膜 38…アノード側電極
40…カソード側電極 50、52…シール部材
54、96…袋部材 56…液体チャンバ
58…収容物 92…プレート
94…開口部 98…ピストン

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 90 ... Fuel cell stack 12 ... Fuel cell 14 ... Laminated body 16a, 16b ... Terminal plate 18a, 18b ... Insulation plate 20a, 20b ... End plate 22 ... Electrolyte membrane and electrode structure 24, 26 ... Metal separator 36 ... Solid Polymer electrolyte membrane 38 ... Anode side electrode 40 ... Cathode side electrode 50, 52 ... Seal members 54, 96 ... Bag member 56 ... Liquid chamber 58 ... Container 92 ... Plate 94 ... Opening 98 ... Piston

Claims (3)

固体高分子電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが交互に積層される燃料電池を複数積層した燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックの端部に配設される容積可変な袋部材と、
前記袋部材内に収容されるとともに、所定の温度以下で体積が膨張する収容物と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells in which a solid polymer electrolyte membrane is disposed between a pair of electrodes and a metal separator are alternately stacked,
A variable volume bag member disposed at an end of the fuel cell stack;
A container that is accommodated in the bag member and has a volume that expands below a predetermined temperature; and
A fuel cell stack comprising:
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記収容物は、少なくとも水を含むことを特徴とする燃料電池スタック。   2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the container contains at least water. 請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記袋部材と前記金属セパレータとの間には、断熱部材が介装されることを特徴とする燃料電池スタック。

3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a heat insulating member is interposed between the bag member and the metal separator.

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