JP2006040807A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に固体高分子形燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel cell)のガス漏れを防止する技術に適用して好適なものである。 The present invention relates to a fuel cell, and is particularly suitable for application to a technique for preventing gas leakage in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).
従来より、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを燃料電池スタックに供給することで、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出す燃料電池が知られている。 Conventionally, there is known a fuel cell in which a fuel gas such as hydrogen gas and an oxygen-containing oxidant gas are supplied to a fuel cell stack to cause an electrochemical reaction via an electrolyte and to directly extract electric energy between electrodes. It has been.
ここで、燃料電池スタックは、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、前記一面に燃料ガス用流路が形成されたセパレータと、前記他面に酸化剤ガス用流路が形成されたセパレータとを対向させて構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する(起電力を生じる)燃料電池セルとしての単位燃料電池(以下、これを単に単電池と称する)を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材としての集電板、絶縁板およびエンドプレートを配置して構成されている。 Here, the fuel cell stack includes a separator in which a fuel electrode is disposed on one surface of the solid polymer film, an oxidant electrode is disposed on the other surface, and a fuel gas channel is formed on the one surface, and an oxidant on the other surface. A unit fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) as a fuel cell, which is configured to face a separator having a gas flow path and generates electric power (generates an electromotive force) by receiving supply of fuel gas and oxidant gas. Is simply referred to as a single cell) to form a laminated body, and a current collector plate, an insulating plate, and an end plate as terminal members are arranged at both ends of the laminated body.
また、燃料電池スタックは、各単電池へのガス供給やガス排出のための孔、および燃料電池スタックを冷却させる冷却水を供給したり排出したりするための孔、すなわちガスマニホールドを内部もしくは外部に設けている。 Also, the fuel cell stack has holes for supplying and discharging gas to each unit cell, and holes for supplying and discharging cooling water for cooling the fuel cell stack, that is, gas manifolds inside or outside. Provided.
そして、この燃料電池は、発電効率が高いことに加え、有害な物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、発電プラントや家庭用発電機など定置型発電に適用されるばかりでなく、車両の駆動源として利用した燃料電池自動車としても近年注目されている。 In addition to high power generation efficiency, this fuel cell has the advantage of extremely low emissions of harmful substances, so it is not only applied to stationary power generation such as power plants and household generators, but also In recent years, it has attracted attention as a fuel cell vehicle used as a drive source.
しかしながら、前記ガスマニホールドを内部に備えた(以下、これを内部マニホールドと称する)燃料電池スタックでは、改質ガスを用いて運転する場合、各単電池の燃料ガス流路の下流側で一酸化炭素(CO)の濃度が高くなるため、電極被毒によって温度が低下し、この電極被毒を益々促進させる恐れがあった。 However, in a fuel cell stack provided with the gas manifold inside (hereinafter referred to as an internal manifold), when operating using reformed gas, carbon monoxide is provided downstream of the fuel gas flow path of each unit cell. Since the concentration of (CO) is increased, the temperature is lowered due to electrode poisoning, which may further promote the electrode poisoning.
そして、このような電池性能の低下を緩和する手法の一つとして、ガスマニホールドから各単電池へのガス供給部、ガス排出部を可能な限り広く確保する構造として、前記ガスマニホールドを外部に備えた(以下、これを外部マニホールドと称す)燃料電池スタックが見直されている。 And, as one of the methods to mitigate such a decrease in battery performance, the gas manifold is provided outside as a structure that secures the gas supply section and gas discharge section from the gas manifold to each unit cell as wide as possible. The fuel cell stack (hereinafter referred to as the external manifold) has been reviewed.
この種の外部マニホールド型燃料電池としては、例えば、特許文献1に開示されるように、燃料電池スタックの側面にガス気密性で非導電性のシール部材を介して、剛体であり、且つ前記シール部材が弾性体で構成された外部マニホールドを配置したものが知られている。そして、この外部マニホールド型燃料電池は、外部マニホールドの少なくとも一部が、前記積層体の側面に嵌め込まれた構造とされている。
かかる特許文献1に記載の燃料電池では、上述したような構成をとることにより、外部マニホールドのシール面と接する積層体の側面を平滑にすることが可能となり、外部マニホールドと積層体の側面とのガスシール性を向上させることができる。 In the fuel cell described in Patent Document 1, by adopting the above-described configuration, it is possible to smooth the side surface of the stacked body in contact with the seal surface of the external manifold. Gas sealability can be improved.
また、外部マニホールドを剛体で、気密性材料を弾性体でそれぞれ構成すると、積層体の積層方向における厚みのクリープを吸収し、且つ外部マニホールドと積層体の側面とのガスシール性をより一層向上させることができる。 Further, when the external manifold is made of a rigid body and the airtight material is made of an elastic body, the thickness creep in the stacking direction of the stacked body is absorbed, and the gas sealability between the external manifold and the side surface of the stacked body is further improved. be able to.
さらに、外部マニホールドの少なくとも一部が、前記積層体の側面に嵌め込まれることにより、外部マニホールド内の圧力による内部隔壁のたわみが軽減され、外部マニホールドと積層体側面とのシール性を向上させることが可能となる。 Furthermore, at least a part of the external manifold is fitted into the side surface of the laminate, thereby reducing the deflection of the internal partition due to the pressure in the external manifold and improving the sealing performance between the external manifold and the side surface of the laminate. It becomes possible.
しかしながら、かかる特許文献1に記載の燃料電池のように、積層体の側面にガス気密性で非導電性のシール部材を介して外部マニホールドを配置するという構成では、外部マニホールドと、単電池(すなわち、燃料電池セルであり、この場合、主にセパレータ)と、シール部材とが、それぞれ発電前後の温度変化によって熱伸縮を繰り返す。 However, as in the fuel cell described in Patent Document 1, in the configuration in which the external manifold is disposed on the side surface of the stacked body through a gas-tight and non-conductive seal member, the external manifold and the single cell (that is, In this case, the separator) and the sealing member mainly repeat thermal expansion and contraction due to temperature changes before and after power generation.
そして、このような熱伸縮によって、各材料の熱膨張係数の違いにより、外部マニホールドと燃料電池セルとの間での締め付け力が低下するため、外部マニホールドと燃料電池セルとの間に隙間が生じたり、シール部材が剥離したりして、これら隙間からガス漏れが発生する未だ不十分な問題があった。 Then, due to the thermal expansion and contraction, the tightening force between the external manifold and the fuel cell decreases due to the difference in thermal expansion coefficient of each material, so that a gap is generated between the external manifold and the fuel cell. Or the seal member peels off, and there is still an insufficient problem that gas leaks from these gaps.
また、このように、ガス漏れが発生することによって、必要な電力が得られなくなるため、かかる燃料電池を搭載した燃料電池自動車においては、航続可能な距離が減少してしまう問題へと繋がってしまう。特に水素が大量に漏れた場合(空気容量の4%〜75%)安全面上でも大きな問題となりうる。 In addition, since the necessary electric power cannot be obtained due to the gas leakage as described above, in a fuel cell vehicle equipped with such a fuel cell, the distance that can be traveled is reduced. . In particular, when a large amount of hydrogen leaks (4% to 75% of the air capacity), it can be a serious problem in terms of safety.
そこで、本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルの温度変化、温度偏りに起因したガス漏れを未然に防止し得る燃料電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can prevent gas leakage due to temperature change and temperature deviation of the fuel cell.
本発明にあっては、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成し、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層してなる積層体の外部にガスマニホールドを備えた燃料電池であって、上記ガスマニホールドと上記積層体とを、上記単位燃料電池の積層方向に対する直交方向で、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材とで締結固定したことを特徴としている。
また、本発明にあっては、固体高分子膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、上記一面に燃料ガス流路が形成されたセパレータと、上記他面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータとを対向させて構成し、上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する単位燃料電池を複数積層してなる積層体の外部にガスマニホールドを備えた燃料電池であって、上記ガスマニホールドと上記積層体とを、上記単位燃料電池の積層方向で、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材とで締結固定したことを特徴としている。
In the present invention, a fuel electrode is disposed on one surface of the solid polymer film, an oxidant electrode is disposed on the other surface, and a fuel gas channel is formed on the one surface, and an oxidant gas flow is disposed on the other surface. A gas manifold is provided outside a laminate formed by laminating a plurality of unit fuel cells that generate electric power upon receiving the supply of the fuel gas and the oxidant gas. In the fuel cell, the gas manifold and the stacked body have a positive thermal expansion coefficient so as to cover the outer periphery of the gas manifold and the stacked body in a direction orthogonal to the stacking direction of the unit fuel cell. 1 fastening member and the 2nd fastening member which has a negative thermal expansion coefficient, It is characterized by being fastened and fixed.
In the present invention, a separator in which a fuel electrode is disposed on one surface of the solid polymer film, an oxidant electrode is disposed on the other surface, and a fuel gas flow path is formed on the one surface, and an oxidant on the other surface. A gas manifold is formed outside a laminate formed by laminating a plurality of unit fuel cells that are configured to face a separator in which a gas flow path is formed and receive power from the fuel gas and the oxidant gas. A first fuel cell having a positive coefficient of thermal expansion so as to cover the gas manifold and the stack in the stacking direction of the unit fuel cells so as to cover the outer periphery of the gas manifold and the stack. And a second fastening member having a negative coefficient of thermal expansion.
本発明によれば、単位燃料電池を複数積層してなる積層体の外部にガスマニホールドを固定させる締結部材として、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材とを用い、これら第1および第2の締結部材を単位燃料電池の積層方向で、またはこの積層方向に対する直交方向でガスマニホールドと積層体の外周を覆うように配置して締結固定したことにより、発電中の高温時には第1の締結部材によって、締結部材の単位燃料電池(すなわち、燃料電池セル)に対する締め付け力を高めることができる。一方、停止中の低温(または氷点下)時においても第2の締結部材によって、締結部材の単位燃料電池に対する締め付け力を高めることができる。 According to the present invention, the first fastening member having a positive thermal expansion coefficient and the negative thermal expansion coefficient as a fastening member for fixing the gas manifold to the outside of the stacked body formed by stacking a plurality of unit fuel cells. The second fastening member is used, and the first and second fastening members are arranged so as to cover the outer periphery of the gas manifold and the stack in the stacking direction of the unit fuel cells or in a direction orthogonal to the stacking direction. By fixing, the fastening force of the fastening member on the unit fuel cell (that is, the fuel cell) can be increased by the first fastening member at a high temperature during power generation. On the other hand, the fastening force of the fastening member to the unit fuel cell can be increased by the second fastening member even at a low temperature (or below freezing point) during the stop.
従って、本発明によれば、燃料電池の起動中における高温時、または停止中の低温時の両状態において、ガスマニホールドと積層体との間に隙間が生じるのを回避することができ、この隙間の発生によるガス漏れや、ガスマニホールドと積層体との間に設けられたシール部材の剥離を未然に防止することができる。しかも、このようにガス漏れが発生するのを防止できることにより、必要な電力を実用上十分に得ることができ、かかる燃料電池を搭載した燃料電池自動車においては、航続可能な距離が減少するのを防止して当該距離を十分に確保することができる。また水素が大量に漏れる(空気容量の4%〜75%)可能性がなくなり、安全性も十分確保することができる。 Therefore, according to the present invention, it is possible to avoid the formation of a gap between the gas manifold and the laminate in both the high temperature state during start-up of the fuel cell and the low temperature state during stoppage. It is possible to prevent gas leakage due to the occurrence of gas and peeling of the seal member provided between the gas manifold and the laminate. In addition, since it is possible to prevent the occurrence of gas leakage in this way, the necessary power can be obtained practically enough, and in a fuel cell vehicle equipped with such a fuel cell, the cruising distance is reduced. It is possible to prevent and secure the distance sufficiently. Further, there is no possibility that a large amount of hydrogen leaks (4% to 75% of the air capacity), and sufficient safety can be ensured.
かくして、本発明によれば、燃料電池セルの温度変化、温度偏りに起因したガス漏れを未然に防止し得る燃料電池を実現することができる。 Thus, according to the present invention, it is possible to realize a fuel cell that can prevent gas leakage due to temperature change and temperature deviation of the fuel cell.
以下、本発明に係る燃料電池の一実施の形態について説明する前に、本発明の燃料電池である固体高分子燃料電池を用いた固体高分子形燃料電池システムについて、図面に基づいて簡単に説明する。 Before describing an embodiment of a fuel cell according to the present invention, a solid polymer fuel cell system using a solid polymer fuel cell which is a fuel cell of the present invention will be briefly described with reference to the drawings. To do.
〔固体高分子形燃料電池システムの概要〕
図1は、本発明の燃料電池を適用した固体高分子形燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。
[Outline of polymer electrolyte fuel cell system]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell system to which a fuel cell of the present invention is applied.
図1に示すように、固体高分子形燃料電池1には燃料電池スタック2が備えられ、この燃料電池スタック2には燃料極3と酸化剤極4とが配置される。燃料電池スタック2の燃料極3には燃料ガス用のガス供給流路である燃料供給ライン6が接続される一方、燃料極3に供給されて反応したガスを排気する燃料ガス用のガス排出流路である燃料排気ライン7が接続される。燃料供給ライン6には燃料としての水素を供給する水素供給源8が備えられる一方、燃料排気ライン7には水素含有ガス処理装置9が備えられる。
As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte fuel cell 1 is provided with a
また、燃料電池スタック2の酸化剤極4には酸化剤ガス用のガス供給流路である酸化剤供給ライン10が接続される一方、酸化剤極4に供給されて反応した水素含有ガスを排気する酸化剤ガス用のガス排出流路である酸化剤排気ライン11が接続される。酸化剤供給ライン10には酸化剤を供給する酸化剤供給源12が備えられる。さらに、燃料電池スタック2の燃料極3と酸化剤極4とには、電気制御装置13を介して電気配線14が接続される。
The
因みに、図1では、固体高分子形燃料電池1の発電時の燃料ガスと酸化剤ガスとの流れを、それぞれ実線矢印a、bを用いて示しているとともに、固体高分子形燃料電池1の発電時の電流の流れを破線矢印cを用いて示している。 Incidentally, in FIG. 1, the flow of the fuel gas and the oxidant gas during power generation of the polymer electrolyte fuel cell 1 is shown using solid arrows a and b, respectively. A current flow during power generation is indicated by a broken-line arrow c.
固体高分子形燃料電池1の発電では、燃料電池スタック2の燃料極3に水素供給源8から燃料ガスとして水素含有ガスを、および酸化剤極4に酸化剤供給源12から酸化剤ガスとして酸素含有ガスをそれぞれ供給し、発生した起電力を電気制御装置13にて回収し出力させる。
In the power generation of the polymer electrolyte fuel cell 1, a hydrogen-containing gas as a fuel gas is supplied from the
〔燃料電池の構成〕
次に、本発明にかかる燃料電池としての固体高分子形燃料電池について、第1〜第3の実施の形態を用いて、図面を参照しながら詳細に説明する。
[Configuration of fuel cell]
Next, a polymer electrolyte fuel cell as a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings using first to third embodiments.
「第1の実施の形態」
図2および図3は、本発明にかかる燃料電池の第1の実施の形態を示し、図2は本発明の固体高分子形燃料電池を概略的に示す斜視図、図3は図2の固体高分子形燃料電池の要部を示す斜視図、図4は図2の固体高分子形燃料電池における燃料電池スタックを拡大して示す断面図である。
“First Embodiment”
2 and 3 show a first embodiment of a fuel cell according to the present invention, FIG. 2 is a perspective view schematically showing a solid polymer fuel cell of the present invention, and FIG. 3 is a solid diagram of FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a fuel cell stack in the solid polymer fuel cell of FIG. 2.
燃料電池スタック2は、図2および図3に示すように、単位燃料電池としての単電池15が複数積層された積層体Sによって構成されている。この単電池15には、図4に示すように、燃料極3と酸化剤極4とが備わっており、これら燃料極3と酸化剤極4の間に固体高分子電解質膜16が挟持されている。また、これら燃料極3および酸化剤極4には、ガス拡散層17と触媒層18とがそれぞれ備わっている。さらに、燃料極3には、燃料ガス流路19が備えられる一方、酸化剤極4には、酸化剤ガス流路20が備えられる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
なお、燃料電池スタック2を構成する単電池15が複数積層された積層体Sは、燃料極3と酸化剤極4とが交互に積層され、燃料極3と酸化剤極4とにそれぞれ供給されるガスを分離するために、個々の単電池15間にセパレータ21が挟持されており、各単電池15は、その四隅部分に貫通して設けられたロッドLによって固定されている。
Note that, in the stacked body S in which a plurality of
そして、燃料供給ライン6(図1参照)から燃料電池スタック2に水素含有ガスが供給されると、この燃料電池スタック2を構成する個々の単電池15の燃料極3に備えられる燃料ガス流路19に水素含有ガスが供給される。同時に、酸化剤供給ライン10(図1参照)から燃料電池スタック2に酸素供給ガスが供給されると、この燃料電池スタック2を構成する個々の単電池15の酸化剤極4に備えられる酸化剤ガス流路20に酸素含有ガスが供給される。そして、それぞれ供給された水素と酸素が固体高分子電解質膜16において反応することで、固体高分子形燃料電池1の発電が行われる。
When a hydrogen-containing gas is supplied to the
かかる構成に加えて、本実施の形態の場合、固体高分子形燃料電池1を構成する単電池15の積層体Sは、図3に示すように、その積層方向両端に位置する端末部材としてのエンドプレート22を備える。ここで、端末部材とは、それ自体で発電はしないものであり、燃料電池スタック2にて発電される電力を外部へ取り出す集電機能、単電池15の積層体Sを積層方向に加圧する加圧機能の少なくとも一つの機能を有している。
In addition to this configuration, in the case of the present embodiment, the stacked body S of the
また、この燃料電池スタック2は、図3に示すように、その側面の1つが、外部の燃料供給ライン6および酸化剤供給ライン10(図1参照)から単電池15へ供給される各ガスの接続並びに、単電池15から燃料排気ライン7および酸化剤排気ライン11(図1参照)へと排気される各ガスの接続を行うガスマニホールド23に対して、積層体Sにおける単電池15の積層方向と直交する方向に嵌め込まれるようにして接続されている。この場合、ガスマニホールド23は、弾性のある非導電性材料を用いて形成されている。また、これら燃料電池スタック2の積層体Sとガスマニホールド23との間には、図示省略する接着剤等のシール部材が介在されている。
そして、このように接続された積層体Sとガスマニホールド23は、積層体Sの両端(すなわち、エンドプレート22、22側)を除く外周面に非導電性の保護シート24を介して正の熱膨張係数を有する第1の締結部材25と、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材26とで締結固定されている。
Further, as shown in FIG. 3, the
And the laminated body S and the
なお、ガスマニホールド23は、第1および第2の締結部材25,26で締結する前に、必要に応じて積層体Sに対して接着剤で固定しても良い。また、前記保護シート24は、必要に応じて省略することもできる。
Note that the
前記第1および第2の締結部材25、26は、2本で1組とし、単電池15の積層方向と略直交する方向に設けられると共に、ガスマニホールド23と積層体Sとの外周を覆うようにして、当該積層体Sのエンドプレート22間を3〜10箇所程度配置させている。本実施の形態では、積層体Sの両端近傍部と略中央部の3箇所に、種類の異なる第1の締結部材25と第2の締結部材26を1組とした締結部材を縛ることで、前記ガスマニホールド23を積層体Sの側面に固定させた。勿論、ここで記載した第1および第2の締結部材25、26の数は、理想的な配置例の1つであり、本発明はこれに限定されるものではない。
The first and
正の熱膨張係数を有する第1の締結部材25としては、線膨張係数が10−6〔K−1〕〜10−5〔K−1〕程度の金属や、線膨張係数が10−5〔K−1〕〜10−3〔K−1〕程度のガラス転移点が発電温度以上の高分子材料等が候補となる。特に、線膨張係数が1.7×10−5〔K−1〕程度のステンレス材(SUS304材)や、線膨張係数が1.3×10−4〔K−1〕程度である高分子のポリアミド樹脂材等の熱伸縮性材料を用いるのが好ましい。
As the
また、第1の締結部材25として非導電性材料を用いることにより、単電池15の積層体Sとガスマニホールド23との間における短絡を防止することができる。
Further, by using a non-conductive material as the
一方、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材26としては、ガラスセラミックスや繊維などが好ましい。特に、線膨張係数が−7.0×10−6〔K−1〕程度のポリ(p−フェニレンベンゾビスオキサゾール)繊維や、線膨張係数が−7.6×10−6〔K−1〕程度のNEX−I(株式会社オハラの商品名)等の熱収縮性材料を用いるのが好ましい。また、第2の締結部材26として、発電温度が高くなるほど、より締め付け力を向上させるためには、熱膨張係数がなるべく小さい(絶対値が大きい)材料を用いることが望ましいが、材料として選定するには、熱膨張係数だけでなく、引張り強度が1〔Mpa〕以上であるなど機械強度の最低限の基準を設定する必要がある。さらに、第2の締結部材26を配置した各部位での初期の締結力には張力やトルクの管理を行い、基準以上に設定しておく必要がある。
On the other hand, as the
特に、積層体Sの各箇所における発電中の温度分布に対して熱膨張率が一定となるように、第2の締結部材26の配置位置を、選定することが望ましい。例えば、図2に示すように、積層体Sの両端近傍部では負の熱膨張係数が低い材料からなる第2の締結部材26を配置し、積層体Sの中央部分では負の熱膨張係数が高い材料からなる第2の締結部材26を配置する。すなわち、3箇所に設けた第2の締結部材26のうち、積層体Sの両端では該第2の締結部材26の熱膨張係数を低くし、中央部では該両端よりもさらに熱膨張係数を高くする。
In particular, it is desirable to select the arrangement position of the
このようにすることで、発電時に積層体Sの中央部分が高温になり易く、両端部分が高温になり難い性質を持つ燃料電池において、積層体Sの温度分布のばらつきから生じる前記第1および第2の締結部材25,26の締め付け力を、それぞれの配置箇所で均一なものとすることができる。つまり、積層体Sの場所に拘わらず、ガスマニホールド23を積層体Sに対して均一に締結させることができる。
In this way, in the fuel cell having the property that the central portion of the stacked body S is likely to be high temperature and the both end portions are not likely to be high temperature during power generation, the first and the first results from variations in the temperature distribution of the stacked body S. The fastening force of the two
以上、説明したように、本実施の形態によれば、積層体Sの外部にガスマニホールド23を固定させるのに、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材25と、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材26とを用い、これら第1および第2の締結部材25、26を単電池15の積層方向に対する直交方向でガスマニホールド23と積層体Sの外周を覆うように配置して締結固定したことにより、発電中の高温時(例えば、60〔℃〕〜100〔℃〕程度)には第1の締結部材25によって、締結部材の単電池15(すなわち、燃料電池セル)に対する締め付け力を高めることができる。一方、停止中の低温時または氷点下(例えば、−10〔℃〕〜30〔℃〕程度)においても第2の締結部材26によって、締結部材の単電池15に対する締め付け力を高めることができる。
As described above, according to the present embodiment, in order to fix the
従って、固体高分子形燃料電池1の起動中における高温時、または停止中の低温時(すなわち、燃料電池セルである単電池15の温度変化、温度偏り)において、共に第1および第2の締結部材25、26の緩みに起因してガスマニホールド23と積層体Sとの間に隙間が生じるのを回避することができ、この隙間の発生によるガス漏れや、ガスマニホールド23と積層体Sとの間に設けられたシール部材の剥離を未然に防止することができる。
Therefore, the first and second fastening are both performed at a high temperature during start-up of the polymer electrolyte fuel cell 1 or at a low temperature during stoppage (that is, temperature change and temperature deviation of the
しかも、このようにガス漏れが発生するのを防止できることにより、必要な電力を実用上十分に得ることができ、かかる固体高分子形燃料電池1を搭載した燃料電池自動車においては、航続可能な距離が減少するのを防止して当該距離を十分に確保することができる。特に水素が大量に漏れる(空気容量の4%〜75%)可能性がなくなり、安全性も十分確保することができる。 In addition, since the occurrence of gas leakage can be prevented in this way, the necessary electric power can be obtained practically sufficiently, and in a fuel cell vehicle equipped with such a polymer electrolyte fuel cell 1, the cruising distance is possible. Can be prevented, and the distance can be sufficiently secured. In particular, there is no possibility of a large amount of hydrogen leaking (4% to 75% of the air capacity), and sufficient safety can be ensured.
また、積層体Sの各箇所における発電中の温度分布に対して熱膨張率が一定となるように、積層体Sの両端近傍では負の熱膨張係数が低い材料からなる第2の締結部材26を配置し、積層体Sの中央部分では負の熱膨張係数が高い材料からなる第2の締結部材26を配置することによって、発電中の単電池15内における温度のばらつきに起因した締め付け箇所ごとの締結力のばらつきを防ぐことができる。
Further, the
単電池15の積層体Sは外気に接触するため、積層体Sの表面の方が中心部分より温度が低い。このため、全ての配置箇所で同様の負の熱膨張係数を有する第2の締結部材26によって締め付けを行うと、温度のより低い積層体Sの両端部分ほど締め付け力が弱くなり、該両端部分からのガス漏れが発生し易くなってしまうので、これを防止するべく、燃料電池スタック2における各箇所の温度分布に応じて、より高温になり易い中央部分ほど負の熱膨張係数が高く(絶対値を小さく)、より高温になり難い積層体Sの両端部分(すなわち、エンドプレート22、22側)ほど負の熱膨張係数が低い(絶対値を高く)第2の締結部材26を配置することで、各締結箇所ごとの締め付け力をより均一にすることができる。
Since the stacked body S of the
すなわち、第2の締結部材26における締結力を、該第2の締結部材26の各配置箇所で均一とすることができるため、本発明におけるガス漏れ防止効果を増大させることができる。
That is, since the fastening force in the
従って、ガスマニホールド23と積層体Sとの固定を、第2の締結部材26の各配置箇所において均一にすることができ、前記隙間が生じるのをより確実に回避することができる。つまり、隙間の発生によるガス漏れや、ガスマニホールド23と積層体Sとの間に設けられたシール部材の剥離をより確実に防止することができる。
Therefore, the
さらに、第1の締結部材25として非導電性材料を用いることにより、単電池15の積層体Sとガスマニホールド23との間における短絡を防止することができる。
Further, by using a non-conductive material as the
「第2の実施の形態」
図2との対応部分に同一符号を付した図5は、本発明の第2の実施の形態である固体高分子形燃料電池30を示す斜視図であり、第1および第2の締結部材25、26の配置位置が異なることを除いて、上述した第1の実施の形態における固体高分子形燃料電池1とほぼ同様に構成されている。
“Second Embodiment”
FIG. 5, in which the same reference numerals are assigned to the parts corresponding to those in FIG. 2, is a perspective view showing the polymer
すなわち、この固体高分子形燃料電池30は、燃料電池スタック2における積層体Sの両端(すなわち、エンドプレート22、22側)を除く外周面に、非導電性の保護シート24が設けられるとともに、単電池15の積層方向にガスマニホールド23と積層体Sとの外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材25と、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材26とが配置されている。
That is, this polymer
具体的には、2本で1組とした第1および第2の締結部材25、26を、積層体Sの高さ方向の略中央1箇所と幅方向の均等3箇所で積層体Sとガスマニホールド23とを縛って、当該積層体Sを固定すると共にガスマニホールド23を積層体Sの側面に固定させた。なお、ここで記載した第1および第2の締結部材25、26の数は理想的な配置例の1つであり、本発明はこれに限定されるものではない。
Specifically, the first and
このように、第1および第2の締結部材25、26を配置することにより、固体高分子形燃料電池30の発電中の高温時(例えば、60〔℃〕〜100〔℃〕程度)において、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材25によって、積層体Sとガスマニホールド23との締め付け力を高めることができる。一方、固体高分子形燃料電池30の発電中の低温時または氷点下(例えば、−10〔℃〕〜30〔℃〕程度)において、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材26によって、積層体Sとガスマニホールド23との締め付け力を高めることができる。
In this manner, by arranging the first and
また、この実施の形態の場合、第1の締結部材25として、高分子のポリアミド樹脂材を用いることにより、図5に示すように、該第1の締結部材25が単電池15と直接接触したとしても短絡せず、低い温度でより締結力を高めることができる利点を得ることができる。
Further, in the case of this embodiment, the
以上、説明したように、本実施の形態によれば、積層体Sの外部にガスマニホールド23を固定させる場合、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材25と、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材26とを用い、これら第1および第2の締結部材25、26を単電池15の積層方向と平行にガスマニホールド23と積層体Sの外周を覆うように配置して締結固定したことにより、発電中の高温時には第1の締結部材25によって、締結部材の単電池15(すなわち、燃料電池セル)に対する締め付け力を高めることができる。一方、停止中の低温時または氷点下においても第2の締結部材26によって、締結部材の単電池15に対する締め付け力を高めることができる。
As described above, according to the present embodiment, when the
従って、この固体高分子形燃料電池30では、発電中の高温時および停止中の低温時において、共に第1または第2の締結部材25、26の緩みに起因して、積層体Sとガスマニホールド23との間に隙間が生じるのを回避することができ、この隙間の発生に起因するガス漏れを未然に回避することができる。しかも、積層体Sにおける単電池15(すなわち燃料電池セル)同士の面圧を向上させることが可能であるため、固体高分子形燃料電池30の起電力を向上させることもできる。
Therefore, in the polymer
また、この実施の形態の場合、第1の締結部材25として、高分子のポリアミド樹脂材を用いることにより、該第1の締結部材25が単電池15と直接接触したとしても短絡せず、低い温度でより締結力を高めることができる利点を得ることができる。
In the case of this embodiment, a polymer polyamide resin material is used as the
さらに、第1の締結部材25として非導電性材料を用いることにより、単電池15の積層体Sとガスマニホールド23との間における短絡を防止することができる。しかも、この非導電性材料が高分子や合成繊維からなる場合、積層体Sとガスマニホールド23との間における短絡防止効果を絶大にすることができる。
Further, by using a non-conductive material as the
「第3の実施の形態」
図2および図5との対応部分に同一符号を付した図6は、本発明の第3の実施の形態である固体高分子形燃料電池40を示す斜視図であり、第1および第2の締結部材25、26の配置位置が異なることを除いて、上述した第1および第2の実施の形態における固体高分子形燃料電池1、30とほぼ同様に構成されている。
“Third Embodiment”
FIG. 6, in which the same reference numerals are assigned to the parts corresponding to FIG. 2 and FIG. 5, is a perspective view showing a polymer
すなわち、この固体高分子形燃料電池40は、燃料電池スタック2における積層体Sの両端(すなわち、エンドプレート22、22側)を除く外周面に、第1および第2の締結部材をそれぞれ異なる方向に交互に並べて(いわゆる格子状として)織り込んで集合体27を形成し、当該集合体27を、ガスマニホールド23と積層体Sの外周全体を覆うように配置して固定させている。このとき、第1および第2の締結部材25、26として非導電性材料を用いることにより、この集合体27が、上述した第1および第2の実施の形態における保護シート24の役割なす。これにより、固体高分子形燃料電池全体として部品点数を削減することができる。
That is, in this polymer
この実施の形態においても上述した第1および第2の実施の形態と同様に、固体高分子形燃料電池40の発電中の高温時においては、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材25によって、積層体Sとガスマニホールド23との締め付け力を高めることができる。一方、固体高分子形燃料電池40の発電停止中の低温時または氷点下においては、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材26によって、積層体Sとガスマニホールド23との締め付け力を高めることができる。従って、この固体高分子形燃料電池40では、発電中の高温時および停止中の低温時、共に積層体Sとガスマニホールド23との間に隙間が生じるのを回避することができ、この隙間の発生に起因するガス漏れを未然に回避することができる。しかも、積層体Sにおける単電池15(すなわち燃料電池セル)同士の面圧を向上させることが可能であるため、固体高分子形燃料電池30の起電力を向上させることもできる。
Also in this embodiment, as in the first and second embodiments described above, the
さらに、この実施の形態の場合、第1の締結部材25として非導電性材料を用いることにより、単電池15の積層体Sとガスマニホールド23との間における短絡を防止することができる。しかも、この非導電性材料が高分子や合成繊維からなる場合、積層体Sとガスマニホールド23との間における短絡防止効果を絶大にすることができる。
Furthermore, in the case of this embodiment, by using a non-conductive material as the
「他の実施の形態」
以上、本発明における燃料電池について、上述した一実施の形態を例にとって説明したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施形態を採用することができる。
"Other embodiments"
The fuel cell according to the present invention has been described above by taking the above-described embodiment as an example. However, the present invention is not limited to this, and various embodiments can be employed without departing from the gist of the present invention.
例えば、第1および第2の締結部材25、26として撥水性材料を用いたり、これら第1および第2の締結部材25、26の表面に撥水加工を施したりするようにしてもよい。
For example, a water-repellent material may be used as the first and
この場合、単電池15とガスマニホールド23との間で短絡が生じるのを確実に防止するとともに、水分の付着に起因する漏電の回避効果を絶大にすることができる。
In this case, it is possible to surely prevent a short circuit from occurring between the
1、30、40…固体高分子形燃料電池(燃料電池)
2…燃料電池スタック
3…燃料極
4…酸化剤極
15…単電池(単位燃料電池)
16…固体高分子電解質膜(固体高分子膜)
17…ガス拡散層
18…触媒層
19…燃料ガス流路
20…酸化剤ガス流路
21…セパレータ
22…エンドプレート
23…ガスマニホールド
24…保護シート
25…第1の締結部材
26…第2の締結部材
27…集合体
S…積層体
L…ロッド
1, 30, 40 ... solid polymer fuel cell (fuel cell)
2 ...
16. Solid polymer electrolyte membrane (solid polymer membrane)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
上記ガスマニホールドと上記積層体とを、
上記単位燃料電池の積層方向に対する直交方向で、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材とで締結固定した
ことを特徴とする燃料電池。 A separator in which a fuel electrode is disposed on one surface of the solid polymer film, an oxidant electrode is disposed on the other surface, and a fuel gas channel is formed on the one surface; and a separator in which an oxidant gas channel is formed on the other surface; A fuel cell comprising a gas manifold outside a laminate formed by laminating a plurality of unit fuel cells that receive power from the fuel gas and the oxidant gas to generate power,
The gas manifold and the laminate are
A first fastening member having a positive coefficient of thermal expansion and a second coefficient having a negative coefficient of thermal expansion so as to cover the gas manifold and the outer periphery of the stack in a direction orthogonal to the stacking direction of the unit fuel cells. A fuel cell characterized by being fastened and fixed by a fastening member.
上記ガスマニホールドと上記積層体とを、
上記単位燃料電池の積層方向で、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周を覆うように、正の熱膨張係数を有する第1の締結部材と、負の熱膨張係数を有する第2の締結部材とで締結固定した
ことを特徴とする燃料電池。 A separator in which a fuel electrode is disposed on one surface of the solid polymer film, an oxidant electrode is disposed on the other surface, and a fuel gas channel is formed on the one surface; and a separator in which an oxidant gas channel is formed on the other surface; A fuel cell comprising a gas manifold outside a laminate formed by laminating a plurality of unit fuel cells that receive power from the fuel gas and the oxidant gas to generate power,
The gas manifold and the laminate are
A first fastening member having a positive thermal expansion coefficient and a second fastening member having a negative thermal expansion coefficient so as to cover the gas manifold and the outer periphery of the stack in the stacking direction of the unit fuel cells; A fuel cell characterized by being fastened and fixed with
少なくとも上記積層体の両端近傍部及び略中央部に、第1および第2の締結部材を1組とする締結部材をそれぞれ配置し、上記中央部分の第2の締結部材が、当該配置したうちの両端部分の第2の締結部材より、上記負の熱膨張係数が大きい
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
A fastening member including one set of the first and second fastening members is disposed at least in the vicinity of both ends and the substantially central portion of the laminate, and the second fastening member of the central portion The fuel cell, wherein the negative thermal expansion coefficient is larger than that of the second fastening member at both ends.
上記第1および第2の締結部材が非導電性材料からなる
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The fuel cell, wherein the first and second fastening members are made of a non-conductive material.
上記第1および第2の締結部材に用いる上記非導電性材料が、高分子や合成繊維からなる
ことを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 4, wherein
The fuel cell, wherein the non-conductive material used for the first and second fastening members is made of a polymer or a synthetic fiber.
上記第1および第2の締結部材をそれぞれ異なる方向に交互に並べて集合体を形成し、その集合体を、上記ガスマニホールドと上記積層体の外周全体を覆うように配置した
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell according to claim 4 or claim 5, wherein
The fuel is characterized in that the first and second fastening members are alternately arranged in different directions to form an assembly, and the assembly is disposed so as to cover the entire outer periphery of the gas manifold and the laminate. battery.
上記第1および第2の締結部材が撥水性を有する
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 4 to 6, comprising:
The fuel cell, wherein the first and second fastening members have water repellency.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010257609A (en) * | 2009-04-21 | 2010-11-11 | Honda Motor Co Ltd | Fuel battery cell stack |
DE102010011206A1 (en) * | 2010-03-09 | 2011-09-15 | Kai Klinder | Fuel cell stack i.e. proton exchange membrane fuel cell stack, for producing power, has bipolar plates whose edges rest against outer structure, where supply of fuel and oxidant and removal of products takes place over edges of plates |
JP2012059558A (en) * | 2010-09-09 | 2012-03-22 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | Fuel cell power generation device |
-
2004
- 2004-07-29 JP JP2004222050A patent/JP2006040807A/en active Pending
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