JP2006269159A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタック、特に燃料電池スタックの組み立てに関するものである。 The present invention relates to fuel cell stacks, and more particularly to assembly of fuel cell stacks.
通常の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)の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極構造体(以下、MEAという)を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス(水素含有ガス)は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる(特許文献1参照)。 An ordinary polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (hereinafter referred to as a polymer ion exchange membrane) that is configured such that a polymer ion exchange membrane is sandwiched between an anode and a cathode on both sides of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). And MEA) are further sandwiched between separators. The fuel gas (hydrogen-containing gas) supplied to the anode is hydrogen-ionized on the catalyst electrode, and moves to the cathode through an electrolyte membrane that is appropriately humidified. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidant gas such as an oxygen-containing gas or air is supplied to the cathode, the hydrogen ions, the electrons, and the oxygen gas react with each other to generate water at the cathode. The chemical formula showing the above reaction is as follows (see Patent Document 1).
陽極反応: H2→2H++2e- (1)
陰極反応: 2H++2e-+(1/2)O2→H2O (2)
前記固体高分子型燃料電池の1組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、セル積層体を構成している。
Anodic reaction: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathodic reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
One set of the polymer electrolyte fuel cells is called a unit cell. A cell stack is configured by stacking a predetermined number of unit cells.
単位セルを積層する発明の一例として、特許文献2に示すものがある。この燃料電池スタックの構成は、セル積層体(電池本体11)を保持するガイドプレートを設けたもので、セル積層体への外部入力や熱膨張に伴うセル積層体の歪みやずれを防止するものである。
しかしながら、特許文献2に記載の構成では、セル積層体とガイドプレート間に絶縁材を配置して絶縁を確保している。しかしながら、燃料電池スタック組み立て時に、燃料電池スタックとガイドプレート間に絶縁材を配置しながら組み立てる作業は、単セルの位置決め精度を低下させ、積層後の燃料電池スタック形状の精度低下やセルの面圧の不均一を招くことになる。また、単セルの位置決め精度を向上するために、位置決め治具を設けることが考えられるが、治具の使用は、組み立て作業の時間を延長させることになる。 However, in the configuration described in Patent Document 2, insulation is ensured by disposing an insulating material between the cell stack and the guide plate. However, when assembling the fuel cell stack while disposing an insulating material between the fuel cell stack and the guide plate, the assembling work reduces the positioning accuracy of the single cell, reduces the accuracy of the fuel cell stack shape after stacking, and the surface pressure of the cell. Cause non-uniformity. In order to improve the positioning accuracy of the single cell, it is conceivable to provide a positioning jig. However, the use of the jig extends the time of assembly work.
したがって、本発明の目的は、燃料電池スタックの組み立て性を維持しつつ、単セルの位置決め精度を向上することである。 Therefore, an object of the present invention is to improve the positioning accuracy of the single cell while maintaining the assembly property of the fuel cell stack.
本発明は、電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を挟持して、各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路を形成するセパレータとからなるセルを積層して形成されるセル積層体と、セル積層体を積層方向に挟持し、絶縁材からなる一対のエンドプレートと、セル積層体とエンドプレート間に設置される集電板とからなる燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートの少なくとも一方には、前記セル積層体の外形に沿って積層方向に延出する脚部を設け、この脚部は、前記セルを積層する時の位置決めとする。 The present invention laminates a cell comprising an electrolyte membrane / electrode structure and a separator that sandwiches the electrolyte membrane / electrode structure and forms a flow path for supplying fuel gas or oxidant gas to each electrode. Cell stack, a cell stack sandwiched in the stacking direction, a pair of end plates made of an insulating material, and a current collector plate installed between the cell stack and the end plates In addition, at least one of the end plates is provided with a leg portion extending in the stacking direction along the outer shape of the cell stack, and the leg portion is positioned when the cells are stacked.
本発明では、セル積層体の外形に沿って延出する脚部をエンドプレートに設けたので、この脚部がセル積層時の位置決めとして機能する。このため、位置決め治具を用いることなく、位置決め精度を高めることができ、また作業時間が延長されることもない。 In the present invention, since the leg portion extending along the outer shape of the cell laminate is provided on the end plate, the leg portion functions as positioning during cell lamination. For this reason, positioning accuracy can be improved without using a positioning jig, and work time is not extended.
図1は、本発明に用いる単セルの構成の一例を示す断面図である。単セル30は、固体高分子電解質膜10と、電解質膜10を挟持するアノード11とカソード12とからなるMEA20と、アノード11に燃料ガスを、カソード12に酸素を供給するための流路を形成したアノードセパレータ13、及びカソードセパレータ14とから構成され、これらは略四角形に形成される。単セルを積層することで図2の燃料電池スタック1が形成される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a single cell used in the present invention. The unit cell 30 forms a solid
アノード11に面したアノードセパレータ13の面13bには、燃料ガスの流路15が形成される。一方、カソード12に面したカソードセパレータ14の面14bには酸化剤、例えば酸素の流路16が形成される。さらに、アノードセパレータ13とカソードセパレータ14の他方の面13a、14aには、単セルを冷却するための冷却水流路17が形成されている。そして、各セパレータ13、14には、前述の3つ流路15、16、17に連通し、それぞれ異なるガス等を供給あるいは排出するための出入口流路(不図示)がセルの積層方向に貫通して形成される。
A fuel
図2は、燃料電池スタック1の構成を示す構成である。燃料電池スタック1は、前述の単セル30を積層した立方体状のセル積層体4と、セル積層体4を積層方向に保持するエンドプレート1a、1bと、セル積層体4と各エンドプレート1a、1b間に設置される集電板3a、3bと、セル積層体4をエンドプレート1a、1bを介して積層方向に押圧する力の反力を受けるテンションプレート5とから構成される。ここで、エンドプレート1a、1bは絶縁性を有する材料で構成される。
FIG. 2 is a configuration showing the configuration of the fuel cell stack 1. The fuel cell stack 1 includes a
エンドプレート1a、1bには、隣接する2辺に積層方向に延出する脚部2a、2bがセル積層体4の外形に沿うように形成される。この脚部2a、2bは、積層される単セル30を所定の位置に設置するための位置決めとして機能し、エンドプレート1a、1bがセル積層体4を保持する時に、形成された4本の脚部でセル積層体4を所定位置で囲うように配置される。各脚部2a、2bは、絶縁性を有する、エンドプレート1a、1bと同様の材料からなり、各辺の略中央部に位置する。このため、セル積層体4の角部が外部から目視できるように形成される。これにより、単セル30の積層状態を積層後でも確認することができる。また、エンドプレート1a、1bの脚部2a、2bを設けることにより、セル積層体4への外部入力や熱膨張に伴うセル積層体4の歪みやずれを防止することが可能である。
In the
なお、図のように脚部2a、2bはエンドプレート1a、1bと一体に形成されてもよいが、脚部2a、2bを別部材として、ボルト等によりエンドプレート1a、1bに固定する構成としてもよい。この場合には、エンドプレート1aとエンドプレート1bおよび脚部2aと脚部2bを共通化し、コスト低減を図ることができる。また、エンドプレート1a、1bの各脚部2a、2bは、単セル30を位置決めできればよく、例えば、一方のエンドプレートの全ての辺、または3辺にのみ設けることとしてもよい。
As shown in the figure, the
燃料電池スタック1のセル積層体4には、積層方向に力が加わり、各単セルに所定の面圧が生じるように構成される。ここで、セル積層体4に加わる積層方向の力の反力を受けるテンションプレート5が設置される。テンションプレート5は、絶縁性を有する材料を用いてコの字状に構成され、上下の鍔部5a、5bで荷重が作用したセル積層体4をエンドプレート1a、1bを介して挟み込み、荷重の反力を受ける。
The
次に、燃料電池スタック1の組み立て手順を説明する。 Next, the assembly procedure of the fuel cell stack 1 will be described.
まず一方のエンドプレート1aをその脚部2aが上方を向くように設置し、このエンドプレート1aに集電板3bを設置する。集電板3bの上に単セル30を所定枚数、積層していく。このとき、エンドプレート1aの脚部2aの内側に単セル30が接するようにする。このように、単セル30が脚部2aに接して配置されることで、単セル30を所定位置に位置決めでき、単セル30が積層されたセル積層体4の形状精度を確保することができる。また、エンドプレート1aと脚部2aは絶縁性を有しており、絶縁材を設ける必要がなく、セルの積層作業を容易にし、積層形状の精度を向上することができる。
First, one
所定数の単セル30を積層したら、上側の集電板3aを設置し、その上で他方のエンドプレート1bを脚部2a、2bが下方に向くように配置し、セル積層体4を一対のエンドプレート1a、1bとその脚部2a、2bで取り囲む。
After the predetermined number of unit cells 30 are stacked, the upper current collector plate 3a is installed, and the
次に、図示しないプレス機等によりセル積層体4に積層方向の所定の荷重を加える。そして、セル積層体4に所定の荷重が負荷された状態で、テンションプレート5をセル積層体4に嵌め込む。このようにして燃料電池スタック1を構成する単セル30に所定の面圧が負荷され、最適な発電状態とすることができる。
Next, a predetermined load in the stacking direction is applied to the
図3は、第2の実施形態を示す構成図である。この実施形態では、セル積層体4の外形に沿って全体を囲うようにエンドプレートに脚部を形成したものである。
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating the second embodiment. In this embodiment, leg portions are formed on the end plate so as to surround the whole of the outer shape of the
下側に位置する一方のエンドプレート1cの一対の脚部2c、2dは、エンドプレートの外縁に沿って、積層方向から見てコ型に形成され、積層方向上側に延出する。一対の脚部2c、2dは対面して設置され、コ型の脚部2c、2dのそれぞれの鍔部2e、2fが、所定間隙Sを持って対面している。
The pair of
上側に位置する他方のエンドプレート1dには、前述の間隙Sに嵌るような脚部2gが下側に向いて形成され、この脚部2gが間隙Sに嵌り込む。この脚部2gが間隙Sに嵌り込むことで、セル積層体4は脚部2c、2d、2gにより外形全体を覆われ、外部から遮蔽される。また、エンドプレート1c、1dと脚部2c、2d、2gは絶縁材で形成されるため、隣接するセル積層体4との間の絶縁を確実にすることができる。
On the
図4に示す構成図は、図3に示す脚部に基づく他の構成を示すものである。燃料電池スタック1は、通常、複数個の燃料電池スタック1を接続して用いることが多い。このとき、各燃料電池スタック1間での絶縁が確実に行われていないと、発電効率の低下に繋がる。そこで、図3では積層方向にセル積層体全体に渡って同一平面となるように形成されているそれぞれの脚部を、図4の脚部の構成では、脚部2h、2iの両端で所定の長さだけ重なり合うようにして2つの脚部2h、2iが一体的に接続する構成とした。
The configuration diagram shown in FIG. 4 shows another configuration based on the legs shown in FIG. In general, the fuel cell stack 1 is often used by connecting a plurality of fuel cell stacks 1. At this time, if insulation between the fuel cell stacks 1 is not reliably performed, power generation efficiency is reduced. Therefore, in FIG. 3, the legs formed so as to be in the same plane in the stacking direction over the entire cell stack, the
脚部2h、2iの接続は、図に示すように一方の脚部2iの両端に、他方の脚部2hの厚さに対応する段部2kを設け、この段部2kに他方の脚部2hが嵌る構成とする。絶縁性を有する脚部2h、2iが段部2kで接続されることで、燃料電池スタック1間の絶縁を確実にすることができる。
As shown in the figure, the
このときの嵌合長さは、積層方向に対して直交する方向で所定の長さを確保する必要があり、6.4mm以上確保することが望ましい。6.4mmの嵌合長さを確保することで、電位差が直流で約150Vまでの絶縁が可能であり、10mmの嵌合長さとすると、約300Vまでの絶縁が可能である。また、隣接する燃料電池スタックとの関係では、図に示すように、段部2kの積層方向の位置を異ならせることで、絶縁性を確保することができる。
As for the fitting length at this time, it is necessary to ensure a predetermined length in a direction orthogonal to the stacking direction, and it is desirable to ensure 6.4 mm or more. By securing a fitting length of 6.4 mm, the potential difference can be insulated up to about 150 V with a direct current, and when the fitting length is 10 mm, insulation up to about 300 V is possible. Further, in relation to the adjacent fuel cell stack, as shown in the figure, the insulating property can be ensured by changing the position of the stepped
このように本発明の燃料電池スタック1は、単セル30の位置決めのための脚部2a、2bをエンドプレートと一体的に構成したため、燃料電池スタック1の組み立て時に単セル30の位置決め治具を設ける必要がなく、位置決め治具への取付けを廃止し、作業時間の短縮化を図ることができる。
As described above, the fuel cell stack 1 of the present invention has the
また、エンドプレート1a、1bと脚部2a、2bとを別部材として構成し、ボルトとにより、一体的に固定することで、部材の共通化をはかり、低コスト化を図ることができる。
Further, the
1a、1b:エンドプレート
2a、2b、2c、2d:脚部
2e、2f:鍔部
2g、2h、2i:脚部
2k:段部
3a、3b:集電板
4:セル積層体
5:テンションプレート
13:アノードセパレータ
14:カソードセパレータ
15:燃料ガス流路
16:酸化剤流路
17:冷却水流路
20:MEA
30:単セル
1a, 1b:
30: Single cell
Claims (7)
セル積層体を積層方向に挟持し、絶縁材からなる一対のエンドプレートと、
セル積層体とエンドプレート間に設置される集電板とからなる燃料電池スタックにおいて、
前記エンドプレートの少なくとも一方には、前記セル積層体の外形に沿って積層方向に延出する脚部を設け、
この脚部は、前記セルを積層する時の位置決めとすることを特徴とする燃料電池スタック。 It is formed by stacking cells consisting of an electrolyte membrane / electrode structure and a separator that sandwiches the electrolyte membrane / electrode structure and forms a flow path for supplying fuel gas or oxidant gas to each electrode. A cell stack,
A cell stack is sandwiched in the stacking direction, a pair of end plates made of an insulating material,
In a fuel cell stack consisting of a cell stack and a current collector plate installed between end plates,
At least one of the end plates is provided with legs extending in the stacking direction along the outer shape of the cell stack,
The fuel cell stack is characterized in that the legs are positioned when the cells are stacked.
Priority Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2007184200A (en) * | 2006-01-10 | 2007-07-19 | Toyota Motor Corp | Fuel cell stack |
JP2008112708A (en) * | 2006-10-27 | 2008-05-15 | Hyundai Motor Co Ltd | Fastening structure of fuel cell stack |
JP2008234985A (en) * | 2007-03-20 | 2008-10-02 | Toyota Motor Corp | Catching member for fuel cell stack, and fuel cell stack |
US8313872B2 (en) | 2007-03-02 | 2012-11-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and fastening device for fuel cell |
-
2005
- 2005-03-23 JP JP2005083342A patent/JP2006269159A/en active Pending
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