JP2007087865A - Stack of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池のスタックに関する。 The present invention relates to a stack of fuel cells.
特許文献1に従来の燃料電池のスタックが開示されている。このスタックは、複数のセルと、個々のセルが多数積層され、積層方向の両端に設けられる一対のターミナルと、各ターミナルの外側に設けられる一対のインシュレータと、これらの外側に設けられる一対のエンドプレートと、両エンドプレートを締結する複数組のボルト及びナットとを備えている。
各セルはセパレータ、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)及びセパレータによって構成されており、隣り合うセルはセパレータを共通にしている。 Each cell includes a separator, a membrane electrode assembly (MEA), and a separator, and adjacent cells share a separator.
各膜電極接合体は、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupon社製))等の固体高分子膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有している。カソード極及びアノード極は白金(Pt)等の触媒を担持したカーボン粒子等からなる。 Each membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane such as Nafion (registered trademark, Nafion (manufactured by Dupon)), a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte membrane and supplied with air, and an electrolyte. And an anode electrode which is joined to the other surface of the membrane and supplied with fuel. The cathode and anode are made of carbon particles carrying a catalyst such as platinum (Pt).
各セパレータは、各膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各カソード極側に空気室を形成するとともに、各アノード極側に燃料室を形成するようになっている。各セパレータは導電性の材料によって気密に成形されている。 Each separator is laminated with each membrane electrode assembly interposed therebetween, and each separator forms an air chamber on each cathode electrode side and a fuel chamber on each anode electrode side. Each separator is airtightly formed of a conductive material.
この燃料電池のスタックにおいては、セパレータと膜電極接合体とにより空気室及び燃料室が形成され、カソード極に空気が供給されるとともにアノード極に燃料が供給される。この間、膜電極接合体では、アノード極における電気化学的反応により、燃料から水素イオン(H+;プロトン)と電子とが生成される。そして、プロトンは水分子を伴ったH3O+の形で電解質膜内をカソード極に向かって移動する。また、電子は、両ターミナルに接続された負荷を通り、カソード極に流れる。一方、カソード極においては、空気中に含まれる酸素とプロトンと電子とから水が生成される。このような電気化学的反応が連続して起こることにより、スタックは起電力を連続して発生することができる。 In this fuel cell stack, an air chamber and a fuel chamber are formed by the separator and the membrane electrode assembly, and air is supplied to the cathode electrode and fuel is supplied to the anode electrode. During this time, in the membrane electrode assembly, hydrogen ions (H + ; protons) and electrons are generated from the fuel by an electrochemical reaction at the anode electrode. The proton moves in the form of H 3 O + accompanied by water molecules toward the cathode electrode in the electrolyte membrane. Further, electrons flow through the load connected to both terminals and flow to the cathode electrode. On the other hand, in the cathode electrode, water is generated from oxygen, protons and electrons contained in the air. The stack can generate an electromotive force continuously as a result of such electrochemical reactions occurring continuously.
しかし、上記従来のスタックは、複数組のボルト及びナットによって、両エンドプレートを締結している。この種のスタックにおいては、両エンドプレート間に位置するセパレータと膜電極接合体のカソード極及びアノード極との電気抵抗が変化しないよう、その際の締結力及びそのバランスに留意する必要がある。このため、従来のスタックは、大型化し、例えば車両等への搭載性が損なわれてしまっていた。 However, in the conventional stack, both end plates are fastened by a plurality of sets of bolts and nuts. In this type of stack, it is necessary to pay attention to the fastening force and the balance at that time so that the electrical resistance between the separator located between both end plates and the cathode electrode and anode electrode of the membrane electrode assembly does not change. For this reason, the conventional stack is increased in size, and for example, mountability on a vehicle or the like has been impaired.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、小型であり、車両等への搭載性に優れたスタックを提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object to be solved is to provide a stack that is small in size and excellent in mountability on a vehicle or the like.
本発明の燃料電池のスタックは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する複数の膜電極接合体と、 The fuel cell stack of the present invention comprises an electrolyte membrane, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte membrane and supplied with air, and an anode electrode joined to the other surface of the electrolyte membrane and supplied with fuel. A plurality of membrane electrode assemblies having,
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータと、 A plurality of separators that are stacked with each membrane electrode assembly sandwiched therebetween, each forming an air chamber on each cathode electrode side, and forming a fuel chamber on each anode electrode side;
該セパレータ、該膜電極接合体及び該セパレータによって構成された個々のセルが多数積層され、積層方向の両端に設けられる一対のエンドプレートと、 A plurality of individual cells constituted by the separator, the membrane electrode assembly, and the separator are stacked, and a pair of end plates provided at both ends in the stacking direction;
両該エンドプレートを締結する締結手段とを備えた燃料電池のスタックにおいて、 In a fuel cell stack comprising fastening means for fastening both end plates,
前記各膜電極接合体は導電金属製の網又は多孔板からなる集電体に挟持され、個々の前記セパレータを介して隣り合う両該集電体は、前記積層方向に直交する方向の端部において、前記各セルが直列になるように、個々の固定手段によって該セパレータとともに一体化されていることを特徴とする。 Each membrane electrode assembly is sandwiched between current collectors made of conductive metal nets or perforated plates, and the current collectors adjacent to each other through the separators are end portions in a direction perpendicular to the stacking direction. The cell is integrated with the separator by individual fixing means so that the cells are in series.
このスタックでは、各膜電極接合体が導電金属製の集電体によって挟持されているため、個々の膜電極接合体のカソード極及びアノード極は、それぞれ集電体を介し、隣接するセパレータに通電されることとなる。 In this stack, each membrane electrode assembly is sandwiched between conductive metal current collectors, so that the cathode electrode and the anode electrode of each membrane electrode assembly are each energized to the adjacent separator via the current collector. Will be.
そして、このスタックでは、個々のセパレータを介して隣り合う両集電体は、積層方向に直交する方向の端部において、各セルが直列になるように、個々の固定手段によってセパレータとともに一体化されている。このため、このスタックは、積層方向に直交する方向の端部が強固なものとなっている。特に、金属製の網又は多孔板からなる集電体の高い剛性により、各膜電極接合体は形状が長期に亘って保持されることから、この傾向は顕著である。 In this stack, the current collectors adjacent to each other via the individual separators are integrated with the separators by the individual fixing means so that the cells are in series at the end in the direction orthogonal to the stacking direction. ing. For this reason, this stack has a strong end in a direction orthogonal to the stacking direction. In particular, this tendency is remarkable because the shape of each membrane electrode assembly is maintained over a long period of time due to the high rigidity of the current collector made of a metal net or a perforated plate.
このため、このスタックは、締結手段による締結力及びそのバランスにさほどの留意をしなくても、セパレータとカソード極及びアノード極との電気抵抗の変化を生じ難い。なお、集電体は、網又は多孔板であることにより、燃料、プロトン又は空気を好適に伝導させることができる。 For this reason, this stack is unlikely to cause a change in electrical resistance between the separator, the cathode electrode, and the anode electrode without much attention to the fastening force by the fastening means and its balance. The current collector is a net or a perforated plate, so that fuel, protons, or air can be suitably conducted.
このため、締結手段として、一般的なもの、例えばボルト及びナットを採用することができる。また、一般的な締結手段及び一対のエンドプレートとして、小型のものを採用することも可能になる。 For this reason, a general thing, for example, a volt | bolt and a nut, is employable as a fastening means. Further, it is possible to adopt a small size as a general fastening means and a pair of end plates.
したがって、本発明のスタックは、同一出力が可能な従来のものよりも小型のものとなり得る。このため、このスタックは、例えば車両等へ搭載する場合において、優れた搭載性を実現できる。また、このスタックは、小型の締結手段等を採用し得ることから、軽量化及び製造コストの低廉化も実現可能である。 Therefore, the stack of the present invention can be smaller than the conventional stack capable of the same output. For this reason, this stack | stuck can implement | achieve the outstanding mountability, when mounting in a vehicle etc., for example. In addition, since this stack can employ a small fastening means or the like, it is possible to reduce the weight and the manufacturing cost.
集電体としては、導電金属製の網又は多孔板を採用することができる。ここで、多孔板とは、気孔が厚さ方向に連続し、厚さ方向両側で外部に気孔が開くものをいう。 As the current collector, a conductive metal net or a perforated plate can be employed. Here, the perforated plate refers to a plate in which pores are continuous in the thickness direction and the pores are opened to the outside on both sides in the thickness direction.
集電体は、カソード極及びアノード極と一体でも、別体でもよい。集電体がカソード極及びアノード極と一体であれば、膜電極接合体の形状が保持され易く、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。 The current collector may be integral with or separate from the cathode and anode electrodes. If the current collector is integrated with the cathode electrode and the anode electrode, the shape of the membrane electrode assembly is easily maintained, and the effects of the present invention are maintained over a long period of time.
固定手段としては、溶接、かしめ又はクリップを採用することができる。これら簡易な固定手段を採用すれば、スタックの低廉化が顕著である。これらに比べればやや簡便性に欠けるが、ボルト及びナットを固定手段として採用することも可能である。 As the fixing means, welding, caulking, or a clip can be employed. If these simple fixing means are adopted, the cost reduction of the stack is remarkable. Although it is slightly less convenient than these, it is also possible to employ bolts and nuts as fixing means.
両集電体は、一体化される領域において、ガスケットによって電解質膜と離反されていることが好ましい。このようなガスケットを介在させることによって、スタックの端部がより強固なものとなり、本発明の作用効果が顕著になる。また、ガスケットとして、絶縁性のものを採用すれば、隣り合うセルの短絡を防止しやすく、高い出力も確保できる。ガスケットは、予め成形されたものでもよく、スタックを組付ける際に射出成形等によって成形するものでもよい。 Both current collectors are preferably separated from the electrolyte membrane by a gasket in an integrated region. By interposing such a gasket, the end of the stack becomes stronger, and the effects of the present invention become remarkable. Further, if an insulating material is used as the gasket, it is easy to prevent a short circuit between adjacent cells, and a high output can be secured. The gasket may be formed in advance, or may be formed by injection molding or the like when the stack is assembled.
各セパレータは導電金属製であることが好ましい。金属製のセパレータであれば、高い剛性によって、本発明の作用効果がさらに顕著になる。 Each separator is preferably made of a conductive metal. If the separator is made of metal, the effect of the present invention becomes more remarkable due to the high rigidity.
カソード極及びアノード極の少なくとも一つが電解質側とは逆側に形成されて空気又は燃料を拡散する拡散層を有する場合、拡散層に集電体が一部を露出させて含まれていることが好ましい。この場合、集電体がセパレータと直接当接し、集電機能が確実に発揮される。 When at least one of the cathode electrode and the anode electrode is formed on the side opposite to the electrolyte side and has a diffusion layer for diffusing air or fuel, a current collector may be partially exposed in the diffusion layer. preferable. In this case, the current collector is in direct contact with the separator, and the current collecting function is reliably exhibited.
膜電極接合体及びセパレータの少なくとも一方は、端部を除き、平板材が二次元又は三次元で屈曲されていることが好ましい。 In at least one of the membrane electrode assembly and the separator, it is preferable that the flat plate material is bent in two dimensions or three dimensions except for the end portions.
膜電極接合体が屈曲されている場合、カソード極及びアノード極の投影面積当たりの表面積がともに大きくなるため、スタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。 When the membrane electrode assembly is bent, the surface area per projected area of the cathode electrode and the anode electrode is increased, so that the stack generates an electrochemical reaction in a large area per unit volume, and the power generation capacity is increased.
また、セパレータが屈曲されている場合、端部で固定手段やガスケットを設けやすく、製造が容易になる。平板材を二次元又は三次元で屈曲させた各セパレータを採用すれば、特開平4−154047号公報に開示された各セパレータに比べ、各セパレータの製造が容易であり、この意味でも製造コストの低廉化を実現することもできる。 In addition, when the separator is bent, it is easy to provide a fixing means and a gasket at the end portion, which facilitates manufacture. If each separator obtained by bending a flat plate material in two dimensions or three dimensions is employed, each separator can be easily manufactured as compared with each separator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-154007. Inexpensive can also be realized.
空気室が燃料室よりも大きくされていることが好ましい。この場合、スタックは、アノード極側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極側で空気の圧力損失を生じ難いため、消費動力を軽減できる。また、スタックにおける空気室の断面積を燃料室に応じて大きくすることで比較的小さくできることから、スタックの小型化も顕著になる。 The air chamber is preferably made larger than the fuel chamber. In this case, the stack is less likely to cause a pressure loss of air on the cathode side as the fuel consumption volume increases on the anode side, so that power consumption can be reduced. In addition, since the cross-sectional area of the air chamber in the stack can be made relatively small by increasing it according to the fuel chamber, the stack can be downsized significantly.
各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体及びセパレータを採用し、空気室が燃料室よりも大きくなるようにするためには、膜電極接合体の山と谷とを同一のピッチで形成しつつ、セパレータの山と谷との幅を変えることが可能である。また、膜電極接合体又はセパレータの山と谷とのピッチを変えることも可能である。 In order to employ a membrane electrode assembly and a separator in which each flat plate is bent in two or three dimensions, and to make the air chamber larger than the fuel chamber, the peaks and valleys of the membrane electrode assembly are formed. It is possible to change the width of the crest and trough of the separator while forming at the same pitch. It is also possible to change the pitch between the peak and valley of the membrane electrode assembly or separator.
なお、空気室を燃料室よりもどの程度大きくするかは、2H2+O2→2H2Oのモル数、燃料の供給圧力、空気の供給圧力及び空気中の酸素分圧によって設定することができる。 Note that how much the air chamber is made larger than the fuel chamber can be set by the number of moles of 2H 2 + O 2 → 2H 2 O, the fuel supply pressure, the air supply pressure, and the oxygen partial pressure in the air. .
各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体及びセパレータを採用する場合、膜電極接合体の平板材を屈曲することにより本発明に係る膜電極接合体が得られ、セパレータの平板材を屈曲することにより本発明に係るセパレータが得られる。平板材の屈曲は、二次元(つまり、山及び谷が一方向に連続した波板形状)でもよく、三次元(つまり、山及び谷が連続せずに独立して形成された形状)でもよい。平板材の屈曲は、屈曲点又は屈曲線が緩やかな湾曲を含む。 When each of the flat plate materials employs a membrane electrode assembly and a separator bent in two dimensions or three dimensions, the membrane electrode assembly according to the present invention can be obtained by bending the flat plate material of the membrane electrode assembly. The separator according to the present invention is obtained by bending the flat plate material. The bending of the flat plate may be two-dimensional (that is, a corrugated shape in which peaks and valleys are continuous in one direction), or may be three-dimensional (that is, a shape in which peaks and valleys are independently formed without being continuous). . The bending of the flat plate material includes a curve having a gentle bending point or bending line.
各セパレータが膜電極接合体の形状を保持するように形成されていることが好ましい。この場合、セパレータによって膜電極接合体の屈曲した形状が保持され、長期に亘って本発明の作用効果が維持される。また、セパレータが膜電極接合体の形状を保持すれば、別に形状保持体を設ける必要がなく、製造コストの低廉化を実現することができる。 Each separator is preferably formed so as to maintain the shape of the membrane electrode assembly. In this case, the bent shape of the membrane electrode assembly is maintained by the separator, and the effects of the present invention are maintained over a long period of time. Further, if the separator retains the shape of the membrane electrode assembly, it is not necessary to provide a separate shape retainer, and the manufacturing cost can be reduced.
各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体及びセパレータを採用する場合、屈曲した膜電極接合体又はセパレータは、山同士が対面されていることが好ましい。この場合、スタックが積層方向で押圧力に対抗しやすく、締結手段による締結を強固にして安定した出力を確保し易い。 When each flat plate material employs a membrane electrode assembly and a separator that are bent two-dimensionally or three-dimensionally, it is preferable that the bent membrane electrode assembly or the separator face each other. In this case, the stack can easily resist the pressing force in the stacking direction, and the fastening by the fastening means can be strengthened to ensure a stable output.
各々の平板材が二次元又は三次元で屈曲された膜電極接合体及びセパレータを採用する場合、1枚の膜電極接合体及び1枚のセパレータを1ユニットとすると、1ユニットの膜電極接合体側の谷の裏面が隣のユニットのセパレータ側の山の表面に当接してもよく、1ユニットの膜電極接合体側の谷の裏面が隣のユニットのセパレータ側の谷の表面に当接してもよい。 When each plate material employs a membrane electrode assembly and a separator bent in two dimensions or three dimensions, if one membrane electrode assembly and one separator are one unit, one unit of membrane electrode assembly side The rear surface of the valley of one unit may contact the surface of the peak on the separator side of the adjacent unit, or the rear surface of the valley on the side of the membrane electrode assembly of one unit may contact the surface of the valley on the separator side of the adjacent unit .
以下、本発明を具体化した実施例1〜6を図面を参照しつつ説明する。
図1に実施例1のスタックを示す。このスタックは、複数のセル10(図2参照)と、個々のセル10が多数積層され、積層方向の両端に設けられる一対のターミナル11、12と、各ターミナル11、12の外側に設けられる一対のインシュレータ13、14と、これらの外側に設けられる一対のエンドプレート15、16と、両エンドプレート15、16を締結する複数組のボルト17及びナット18とを備えている。
FIG. 1 shows a stack of the first embodiment. The stack includes a plurality of cells 10 (see FIG. 2), a plurality of
図2に示すように、セル10は、膜電極接合体1と、膜電極接合体1を挟持する対をなすセパレータ2とからなる。隣り合う各セル10は各々セパレータ2を共有している。
As shown in FIG. 2, the
膜電極接合体1は、図3に示すように、電解質膜3と、この電解質膜3の一面に接合されたカソード極4と、電解質膜3の他面に接合されたアノード極5とからなる。この膜電極接合体1は平板状に形成されている。
As shown in FIG. 3, the
電解質膜3はナフィオン(登録商標、Nafion(Dupon社製))等の固体高分子膜からなる。
The
カソード極4は、図4に示すように、集電体としての網4aと、この網4aの電解質膜3側に形成されたカソード触媒層4bと、非電解質側で網4aの目によって形成されたカソード拡散層4cとからなる。網4aはステンレスに耐食性のコーティング(例えば、金メッキ)が施されたものである。また、網4aはカソード拡散層4cから一部が露出している。カソード触媒層4bは、カーボン粒子に白金(Pt)等の触媒を担持したカーボン粒子と電解質とを混合したものであり、カソード拡散層4cは、カーボン粒子とPTFEとの混合物からなる。
As shown in FIG. 4, the
また、アノード極5も、集電体としての上記網5aと、この網5aの電解質膜3側に形成されたアノード触媒層5bと、非電解質側で網5aの目によって形成されたアノード拡散層5cとからなる。網5aはアノード拡散層5cから一部が露出している。アノード触媒層5bも、カーボン粒子に白金(Pt)等の触媒を担持したカーボン粒子と電解質とを混合したものであり、アノード拡散層5cも、カーボン粒子とPTFEとの混合物からなる。
The
この膜電極接合体1は、図2に示すように、積層方向に直交する方向の端部においては、アノード極5、電解質膜3及びカソード極4が離反されている。
As shown in FIG. 2, the
各セパレータ2は、ステンレスに耐食性のコーティング(例えば、金メッキ)が施されたものである。これらのセパレータ2は、屈曲前の平板材が二次元で、つまり等脚台形状の山2a及び谷2bが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。セパレータ2は谷2bの方が山2aよりも幅広に形成されている。但し、各セパレータ2は、積層方向に直交する方向の端部においては、谷2bと平行な平板状に形成されている。
Each
対をなすセパレータ2によって膜電極接合体1を挟持して各セル10が構成される。そして、セル10が多数積層される。
Each
この際、隣り合う各セル10が各々セパレータ2を共有するようにする。また、カソード拡散層4cから露出した網4a及びアノード拡散層5cから露出した網5aがセパレータ2と当接するようにする。さらに、各セパレータ2の各山2a及び谷2bが整合するようにする。1枚の膜電極接合体1及び1枚のセパレータ2を1ユニットとすると、このユニットは、膜電極接合体1の表面がセパレータ2の谷2bの裏面と当接し、膜電極接合体1の裏面はセパレータ2の山2aの表面と当接を有している。
At this time, each
特に、個々のカソード極4、セパレータ2及びアノード極5は、積層方向に直交する方向の端部において、セパレータ2を挟む状態で溶接部20によって溶接されている。また、各溶接部20と電解質膜3との間には、予め成形された樹脂製のガスケット21が介在されている。こうして、各セル10が直列に接続される。
In particular, the
こうして得られたセル10のモジュールは、図1に示すように、一対のターミナル11、12及び一対のインシュレータ13、14を介して一対のエンドプレート15、16によって挟持される。この後、両エンドプレート15、16に複数個のボルト17が挿通され、各ボルト17の軸部に各々ナット18が螺合される。こうして、スタックが得られる。
As shown in FIG. 1, the module of the
得られたスタックでは、図2に示すように、セパレータ2は、膜電極接合体2のカソード極4側に空気室6を形成するとともに、アノード極5側に燃料室7を形成することとなる。つまり、スタックは、複数の膜電極接合体1と、各膜電極接合体1を間に挟んで積層され、個々が各カソード極4側に空気室6を形成するとともに、各アノード極5側に燃料室7を形成する複数のセパレータ2とを備えている。
In the obtained stack, as shown in FIG. 2, the
以上のように構成されたスタックでは、各膜電極接合体1が網4a、5aによって挟持されているため、個々の膜電極接合体1のカソード極4及びアノード極5は、それぞれ網4a、5aを介し、隣接するセパレータ2に通電されることとなる。
In the stack configured as described above, each
そして、このスタックでは、個々のセパレータ2を介して隣り合う両網4a、5aは、積層方向に直交する方向の端部において、各セル10が直列になるように、個々の溶接部20によってセパレータ2とともに一体化されている。このため、このスタックは、積層方向に直交する方向の端部が強固なものとなっている。特に、金属製の網4a、5aの高い剛性により、各膜電極接合体1は形状が長期に亘って保持されることから、この傾向は顕著である。
In this stack, the two
このため、このスタックは、ボルト17及びナット18による締結力及びそのバランスにさほどの留意をしなくても、セパレータ2とカソード極4及びアノード極5との電気抵抗の変化を生じ難い。
For this reason, this stack is unlikely to cause a change in electrical resistance between the
したがって、このスタックは、一般的かつ小型のボルト17及びナット18を採用し、かつ比較的薄肉のエンドプレート15、16を採用することができ、同一出力が可能な従来のものよりも小型のものとなり得る。このため、このスタックは、例えば車両等へ搭載する場合において、優れた搭載性を実現できる。また、このスタックは、軽量化及び製造コストの低廉化も実現可能である。
Therefore, this stack employs general and
また、このスタックでは、簡易な溶接部20によって両網4a、5aとセパレータ2とを一体化しているため、より低廉化を実現している。
Moreover, in this stack, since both the
さらに、このスタックは、端部にガスケット20を有しているため、端部がより強固になっており、本発明の作用効果が顕著になっている。また、ガスケット20として、絶縁性のものを採用していることから、隣り合うセル10の短絡を防止しやすく、高い出力も確保できる。
Furthermore, since this stack has the
また、このスタックは、各セパレータ2が導電金属製のものであるため、高い剛性によって、本発明の作用効果がさらに顕著になっている。
Further, in this stack, since each
さらに、このスタックでは、平板材が二次元で屈曲された各セパレータ2を採用し、空気室6が燃料室7よりも大きくなるようにしている。このため、このスタックでは、アノード極5側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極4側で空気の圧力損失を生じ難いため、消費動力を軽減できる。また、スタックにおける空気室6の断面積を燃料室7に応じて大きくすることで比較的小さくできることから、小型化も実現できる。
Further, in this stack, each
また、このスタックは、平板材を二次元で屈曲させた各セパレータ2を採用していることから、各セパレータ2の製造が容易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。
In addition, since this stack employs each
さらに、このスタックでは、各膜電極接合体1が網4a、5aを有し、各セパレータ2に挟持されている。このため、網4a、5a及びセパレータ2によって膜電極接合体1の屈曲した形状が保持され、長期に亘って上記作用効果が維持される。特に、網4a、5a及びセパレータ2がステンレス製であり、かつ耐食性のコーティングを有するものであるため、高い剛性により形状保持機能が長期に亘って作用するとともに、電解質膜3の酸に対する優れた耐食性も発揮する。なお、網4a、5aが目を有することから、燃料、プロトン又は空気を好適に伝導させることは維持されている。
Further, in this stack, each
実施例2のスタックは、図5に示す膜電極接合体30を採用している。この膜電極接合体30は、電解質膜3と、この電解質膜3の一面に接合されたカソード極31と、カソード極31の非電解質側に接合された金属製の網32と、電解質膜3の他面に接合されたアノード極33と、アノード極33の非電解質側に接合された金属製の網34とからなる。
The stack of Example 2 employs the
カソード極31は、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等のガス透過性のある基材と、この基材の電解質膜3側に形成され、白金(Pt)等の触媒が担持されたカソード触媒層とからなる。カソード極31におけるカソード触媒層以外の部分は基材によって構成されており、ここは非電解質側でカソード触媒層に空気を拡散するカソード拡散層とされている。
The
また、アノード極33も、上記基材と、この基材の電解質膜3側に形成され、触媒が担持されたアノード触媒層とからなる。アノード極33におけるアノード触媒層以外の部分も基材によって構成されており、ここは非電解質側でアノード触媒層に空気を拡散するアノード拡散層とされている。
The
電解質膜3、カソード極31及びアノード極33によって公知の膜電極接合体35が形成されている。集電体としての網32、34は、この公知の膜電極接合体35に後付で接合されている。他の構成は実施例1と同様である。
A known
このスタックは、網32、34が公知の膜電極接合体35に後付で接合されることから、公知の膜電極接合体35を有効利用することができる。他の作用効果は実施例1と同様である。
In this stack, since the
実施例3のスタックは、図6に示すように、実施例1、2とは異なり、かしめ部材40及びガスケット41を採用している。
As shown in FIG. 6, the stack of the third embodiment employs a
このスタックでは、アノード極5、セパレータ2及びカソード極4は、端部において、アノード極5及びセパレータ2がカソード極4を巻き込むように屈曲された状態でかしめられたかしめ部材40により、固定されている。
In this stack, the
また、このスタックでは、組付けの際に射出成形を行うことにより、ガスケット41を各かしめ部材40と電解質膜3との間に設けている。他の構成は実施例1と同様である。
In this stack, the
このスタックにおいても、実施例1と同様の作用効果を奏することができる。なお、膜電極接合体1の代わりに実施例2の膜電極接合体30を採用することもできる。
Even in this stack, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. In place of the
実施例4のスタックは、図7に示すように、実施例1〜3とは異なり、互いに対抗する面が閉じる方向に弾性力をもつクリップ42を採用している。
As shown in FIG. 7, the stack of the fourth embodiment employs a
このスタックでは、カソード極4、セパレータ2及びアノード極5は、端部において、クリップ42により固定されている。他の構成は実施例2と同様である。
In this stack, the
このスタックにおいても、実施例2と同様の作用効果を奏することができる。なお、膜電極接合体1の代わりに実施例2の膜電極接合体30を採用することもできる。
Also in this stack, the same operational effects as in the second embodiment can be obtained. In place of the
実施例5のスタックは、図8に示すように、実施例1〜4とは異なり、波板形状の膜電極接合体36と、平板形状のセパレータ37とを採用している。
As illustrated in FIG. 8, the stack of the fifth embodiment employs a corrugated
膜電極接合体36は、図9に示すように、屈曲前の平板材が二次元で、つまり緩やかな山36a及び谷36bが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。膜電極接合体36は山36aと谷36bとが同一のピッチで形成されている。
As shown in FIG. 9, the
このスタックでは、各膜電極接合体36は、各セパレータ37を介し、山36a同士及び谷36b同士が対面するように積層されている。なお、空気室6と燃料室7とは断面積において等しくなっている。他の構成は実施例1と同様である。
In this stack, the
このスタックでは、平板材が二次元で屈曲された膜電極接合体36を採用していることから、カソード極4及びアノード極5の投影面積当たりの表面積がともに大きくなっている。このため、このスタックは、単位体積当たり、大きな面積で電気化学反応を生じ、発電能力が高くなる。
In this stack, since the
また、このスタックでは、積層方向で押圧力に対抗しやすく、ボルト17及びナット18による締結を強固にして安定した出力を確保し易い。他の作用効果は実施例1と同様である。なお、実施例2の膜電極接合体30を屈曲させた膜電極接合体を採用することもできる。また、溶接部20の代わりに実施例3のかしめ部材40又は実施例4のクリップ42を採用することもできる。さらに、実施例3、4のガスケット41を採用することもできる。
Further, in this stack, it is easy to counter the pressing force in the stacking direction, and it is easy to secure a stable output by tightening the fastening by the
実施例6のスタックは、図10に示すように、実施例5と異なり、波板形状のセパレータ38を採用している。
As shown in FIG. 10, the stack of the sixth embodiment employs a
各セパレータ38は、屈曲前の平板材が二次元、つまり山38a及び谷38bが一方向に連続した波板形状に屈曲されている。セパレータ38は山38aの方が谷38bよりも幅広に形成されている。
Each
このスタックでは、各膜電極接合体36の各山36aと各セパレータ38の各山38aとが整合し、各膜電極接合体36の各谷36bと各セパレータ38の各谷38bとが整合している。こうして、このスタックでは、各セパレータ38が膜電極接合体36の形状を保持している。
In this stack, each
1枚の膜電極接合体36及び1枚のセパレータ38を1ユニットとすると、このユニットは、膜電極接合体36の山36aの表面がセパレータ38の山38aの裏面と当接し、膜電極接合体36の谷36bの表面はセパレータ38の谷38bの裏面と間隙を有している。そして、各膜電極接合体36の各谷36bのカソード極4側である裏面が各セパレータ38の各山38aの表面と当接されている。他の構成は実施例5と同様である。
When one
このスタックでは、空気室6が燃料室7よりもかなり大きくなっているため、アノード極5側での燃料の消費体積の増加に従ってカソード極4側で空気の圧力損失を極めて生じ難い。このため、このスタックであれば、消費動力をかなり軽減できる。
In this stack, since the
また、このスタックは、平板材を二次元で屈曲させた各セパレータ2を採用していることから、各セパレータ2の製造がさほど困難でなく、製造コストの低廉化を実現することもできる。他の作用効果は実施例5と同様である。
In addition, since this stack employs each
以上において、本発明を実施例1〜6に即して説明したが、本発明は上記実施例1〜6に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。 In the above, the present invention has been described with reference to the first to sixth embodiments. However, the present invention is not limited to the first to sixth embodiments, and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit of the present invention. Needless to say.
例えば、網の代わりに多孔板を用いることができる。また、膜電極接合体やセパレータは、二次元に屈曲されたものに限定されず、三次元に屈曲されたものでもよい。 For example, a perforated plate can be used instead of the net. The membrane electrode assembly and the separator are not limited to those bent in two dimensions, and may be bent in three dimensions.
本発明は、車両等に用いる燃料電池システムに利用可能である。 The present invention is applicable to a fuel cell system used for a vehicle or the like.
3…電解質膜
4、31…カソード極
5、33…アノード極
1、30、36…膜電極接合体
6…空気室
7…燃料室
2、37、38…セパレータ
10…セル
15、16…エンドプレート
17、18…締結手段(17…ボルト、18…ナット)
4a、4b、32、34…網、集電体
20、40、42…固定手段(20…溶接部、40…かしめ部材、42…クリップ)
21…ガスケット
4c…カソード拡散層
5c…アノード拡散層
2a、36a、38a…山
DESCRIPTION OF
4a, 4b, 32, 34 ... net,
21 ...
Claims (10)
各該膜電極接合体を間に挟んで積層され、個々が各該カソード極側に空気室を形成するとともに、各該アノード極側に燃料室を形成する複数のセパレータと、
該セパレータ、該膜電極接合体及び該セパレータによって構成された個々のセルが多数積層され、積層方向の両端に設けられる一対のエンドプレートと、
両該エンドプレートを締結する締結手段とを備えた燃料電池のスタックにおいて、
前記各膜電極接合体は導電金属製の網又は多孔板からなる集電体に挟持され、個々の前記セパレータを介して隣り合う両該集電体は、前記積層方向に直交する方向の端部において、前記各セルが直列になるように、個々の固定手段によって該セパレータとともに一体化されていることを特徴とする燃料電池のスタック。 A plurality of membrane electrode assemblies having an electrolyte membrane, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte membrane and supplied with air, and an anode electrode joined to the other surface of the electrolyte membrane and supplied with fuel;
A plurality of separators that are stacked with each membrane electrode assembly sandwiched therebetween, each forming an air chamber on each cathode electrode side, and forming a fuel chamber on each anode electrode side;
A plurality of individual cells constituted by the separator, the membrane electrode assembly, and the separator are stacked, and a pair of end plates provided at both ends in the stacking direction;
In a fuel cell stack comprising fastening means for fastening both end plates,
Each membrane electrode assembly is sandwiched between current collectors made of a conductive metal mesh or a perforated plate, and both current collectors adjacent to each other through the separators are end portions in a direction perpendicular to the stacking direction. A fuel cell stack, wherein the cells are integrated with the separator by individual fixing means so that the cells are in series.
該拡散層に前記集電体が一部を露出させて含まれている請求項1乃至5のいずれか1項記載の燃料電池のスタック。 At least one of the cathode electrode and the anode electrode has a diffusion layer formed on the side opposite to the electrolyte side and diffusing the air or the fuel,
6. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the current collector is partially exposed in the diffusion layer.
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