JP2007227059A - Fuel cell and method of manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のセルを積層させた燃料電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which a plurality of cells are stacked and a manufacturing method thereof.
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. This fuel cell is environmentally superior and can realize high energy efficiency, and therefore has been widely developed as a future energy supply system.
一般に、燃料電池は、複数のセルが積層され、積層方向に所定の荷重をかけて締結されたスタック構造を有している。このようなスタックにおいては、セルの積層方向と垂直の方向に力が加わった場合にセルの位置ずれが生じる可能性がある。そこで、外部拘束部材をスタックの側面に接触させることによってセルの位置ずれを防止する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In general, a fuel cell has a stack structure in which a plurality of cells are stacked and fastened with a predetermined load in the stacking direction. In such a stack, if a force is applied in a direction perpendicular to the cell stacking direction, the cell may be displaced. In view of this, a technique for preventing positional displacement of cells by bringing an external restraining member into contact with the side surface of the stack is disclosed (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の技術では、スタックの側面においてスタックと外部拘束部材との間に摩擦力が生じる。この場合、セルは、積層方向にスムーズに移動することができない。その結果、スタックの積層方向の締結力が各セルに均等にはたらかないおそれがある。 However, in the technique of Patent Document 1, a frictional force is generated between the stack and the external restraining member on the side surface of the stack. In this case, the cell cannot move smoothly in the stacking direction. As a result, the fastening force in the stacking direction of the stack may not be applied equally to each cell.
本発明は、セルの積層方向の締結力が各セルに均等にはたらく燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a fuel cell in which the fastening force in the cell stacking direction is equally applied to each cell and a method for manufacturing the fuel cell.
本発明に係る燃料電池は、複数のセルを含む積層部品が積層されたスタックと、スタックの側面に設けられ積層部品の積層方向に伸びる外側部材とを備え、外側部材のスタック側には積層方向における積層部品と外側部材との間の摩擦力を低減する摩擦力低減手段が設けられていることを特徴とするものである。 A fuel cell according to the present invention includes a stack in which laminated parts including a plurality of cells are laminated, and an outer member that is provided on a side surface of the stack and extends in the lamination direction of the laminated parts, and the stacking direction is provided on the stack side of the outer member. Friction force reducing means for reducing the friction force between the laminated component and the outer member is provided.
本発明に係る燃料電池においては、各積層部品の積層方向に外力、熱膨張力等がはたらく場合、各積層部品が積層方向に移動しようとする。この場合、摩擦力低減手段によって各積層部品の積層方向への移動の際の摩擦力が低減されることになる。その結果、各積層部品は、同じ自由度を持って移動することができる。この場合、スタックの締結力が各積層部品に均等に分散することになる。したがって、各セルにおける面圧のばらつきを抑制することができる。その結果、セルにおける水素リークを防止することができるとともに、セルにおける接触抵抗の低減化を図ることができる。 In the fuel cell according to the present invention, when an external force, a thermal expansion force, or the like acts in the stacking direction of each stacked component, each stacked component tends to move in the stacking direction. In this case, the frictional force when the laminated parts are moved in the laminating direction is reduced by the frictional force reducing means. As a result, each laminated part can move with the same degree of freedom. In this case, the fastening force of the stack is evenly distributed to each laminated component. Therefore, variation in surface pressure in each cell can be suppressed. As a result, hydrogen leakage in the cell can be prevented and contact resistance in the cell can be reduced.
摩擦力低減手段は、積層方向に回転可能な複数の回転部材を含んでいてもよい。この場合、各積層部品が積層方向に移動しようとした場合に回転部材が回転する。それによって、各積層部品の積層方向への移動の際の摩擦力が低減される。また、積層部品は回転部材に対向する凹部を備え、回転部材は凹部に対向しつつ回転可能であってもよい。この場合、凹部によって積層部品の位置決めがなされる。 The frictional force reducing means may include a plurality of rotating members that can rotate in the stacking direction. In this case, the rotating member rotates when each laminated component tries to move in the laminating direction. Thereby, the frictional force at the time of movement of each laminated component in the lamination direction is reduced. The laminated component may include a recess facing the rotating member, and the rotating member may be rotatable while facing the recess. In this case, the laminated component is positioned by the recess.
摩擦力低減手段は、回転部材をセルの積層方向と略垂直方向に伸縮可能に保持する保持手段をさらに備えていてもよい。また、保持手段は、弾性部材によって回転部材を保持してもよい。この場合、積層方向と略垂直方向の外力を保持手段によって吸収することができる。 The frictional force reducing means may further include holding means for holding the rotating member so as to be extendable and contractable in a direction substantially perpendicular to the cell stacking direction. The holding means may hold the rotating member by an elastic member. In this case, the external force in the direction substantially perpendicular to the stacking direction can be absorbed by the holding means.
摩擦力低減手段は、複数の回転部材に共通に巻き回されたベルトをさらに備えていてもよい。この場合、各積層部品が積層方向に移動しようとした場合に、ベルトの駆動によって各積層部品の積層方向への移動の際の摩擦力が低減される。また、積層部品にはスプリングボックスが含まれていてもよい。この場合、積層方向の外力、セルの熱膨張力等をスプリングボックスによって吸収することができる。また、スプリングボックスの伸縮に伴う各積層部品の移動の際の摩擦力が摩擦力低減手段によって低減される。さらに、外側部材は、積層部品の積層方向の両端に固定されていてもよい。 The frictional force reducing means may further include a belt wound around the plurality of rotating members in common. In this case, when each laminated component tries to move in the laminating direction, the frictional force at the time of moving each laminated component in the laminating direction is reduced by driving the belt. Further, the laminated component may include a spring box. In this case, the external force in the stacking direction, the thermal expansion force of the cells, etc. can be absorbed by the spring box. Further, the frictional force during movement of each laminated component accompanying the expansion and contraction of the spring box is reduced by the frictional force reducing means. Furthermore, the outer member may be fixed to both ends in the stacking direction of the multilayer component.
本発明に係る燃料電池の製造方法は、積層部品を所定の領域に案内するための複数の外側部材が所定の間隔を空けて配置された第1基材を準備する準備工程と、外側部材に案内させつつ積層部品を第1基材上に順に積層する第1積層工程とを含み、外側部材の積層部品側の面には積層部品の積層方向における積層部品と外側部材との間の摩擦力を低減する摩擦力低減手段が設けられていることを特徴とするものである。 The fuel cell manufacturing method according to the present invention includes a preparation step of preparing a first base material in which a plurality of outer members for guiding a laminated component to a predetermined region are arranged at predetermined intervals, and an outer member A first laminating step of sequentially laminating the laminated component on the first base material while guiding the frictional force between the laminated component and the outer member in the laminating direction of the laminated component on the surface of the outer member on the laminated component side Friction force reducing means for reducing the above is provided.
本発明に係る燃料電池の製造方法においては、外側部材によって各積層部品の位置決めがなされるとともに、摩擦力低減手段によって外側部材と各積層部品との間における摩擦力が低減される。それにより、スタックの締結の際に締結力が各積層部品に対して均等にはたらくことになる。また、摩擦力の低減によって各積層部品の損傷を防止することができる。それにより、製造コストの低減化を図ることができる。さらに、外側部材を燃料電池の構成部品として用いることができる。したがって、外側部材を着脱する工程を省略することができる。 In the fuel cell manufacturing method according to the present invention, each laminated component is positioned by the outer member, and the frictional force between the outer member and each laminated component is reduced by the frictional force reducing means. As a result, when the stack is fastened, the fastening force is equally applied to each laminated component. Moreover, damage of each laminated component can be prevented by reducing the frictional force. Thereby, the manufacturing cost can be reduced. Further, the outer member can be used as a component of the fuel cell. Therefore, the process of attaching / detaching the outer member can be omitted.
摩擦力低減手段は積層方向に回転可能な回転部材を複数含み、第1積層工程は回転部材を回転させつつ積層部品を積層する工程であってもよい。この場合、各積層部品を積層する際に回転部材が回転する。それによって、各積層部品の積層の際の摩擦力が低減される。 The frictional force reducing means may include a plurality of rotating members that can rotate in the stacking direction, and the first stacking step may be a step of stacking stacked components while rotating the rotating member. In this case, the rotating member rotates when the laminated components are laminated. Thereby, the frictional force at the time of laminating each laminated component is reduced.
積層部品は回転部材に対向する凹部を備え、第1積層工程は凹部を回転部材に対向させつつ積層部品を積層する工程であってもよい。この場合、凹部によって積層部品の位置決めをすることができる。 The laminated component may include a concave portion facing the rotating member, and the first laminating step may be a step of laminating the laminated component with the concave portion facing the rotating member. In this case, the laminated component can be positioned by the recess.
摩擦力低減手段は複数の回転部材に共通に巻き回されたベルトをさらに備え、第1積層工程はベルトを駆動させつつ積層部品を積層する工程であってもよい。この場合、各積層部品を積層する際に、ベルトが駆動する。それによって、各積層部品の積層の際の摩擦力が低減される。 The frictional force reducing means may further include a belt wound around a plurality of rotating members in common, and the first lamination step may be a step of laminating laminated components while driving the belt. In this case, the belt is driven when the laminated parts are laminated. Thereby, the frictional force at the time of laminating each laminated component is reduced.
積層部品を積層した後に第2基材を積層部品上に積層する第2積層工程と、第2基材に対して第1基材側に所定の圧力を加えつつ第2基材を外側部材に締結する締結工程とをさらに含んでいてもよい。また、外側部材は積層方向に分割可能であり、締結工程の後に積層部品よりも上側の外側部材を分離する分離工程をさらに含んでいてもよい。この場合、積層工程から締結工程までの工程にわたって積層部品の位置がずれることを防止することができる。また、スタックの締結後には不要な外側部材を簡単な作業によって取り外すことができる。 A second laminating step of laminating the second substrate on the laminated component after laminating the laminated component; and applying the predetermined pressure on the first substrate side to the second substrate while using the second substrate as the outer member A fastening step of fastening may be further included. The outer member can be divided in the stacking direction, and may further include a separation step of separating the outer member on the upper side of the laminated component after the fastening step. In this case, it is possible to prevent the position of the laminated component from being shifted over the process from the lamination process to the fastening process. Further, after the stack is fastened, the unnecessary outer member can be removed by a simple operation.
本発明によれば、スタックの締結力を各セルに均等に分散させることができる。 According to the present invention, the fastening force of the stack can be evenly distributed to each cell.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施例に係る燃料電池100の全体構成を示す斜視図である。図1に示すように、燃料電池100は、スタック10および複数の外側部材20を備える。スタック10は、エンドプレート1a上に、インシュレータ2a、ターミナル3a、複数のセル4、ターミナル3b、インシュレータ2b、スプリングボックス5およびエンドプレート1bが順に積層された構造を有する。
FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of a
エンドプレート1a,1bは、スタック10に含まれる他の積層部品を挟持するための部材である。インシュレータ2a,2bは、絶縁体から構成され、セル4からの発生電力の漏電を防止する。ターミナル3a,3bは、セル4からの発生電力を外部に取り出すための配線等を備える。セル4は、セパレータ、アノード、電解質、カソードおよびセパレータが順に積層された構造を有し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。本実施例においては、セル4の積層数は、例えば、数百程度である。
The
スプリングボックス5は、各積層部品の積層方向に伸縮可能な複数のスプリングを内部に備える。それにより、スプリングボックス5は、各積層部品の積層方向にかかる外力を吸収することができる。また、スプリングボックス5は、各セル4の熱膨張力等の内力を吸収することができる。エンドプレート1aとエンドプレート1bとの間には、所定の圧力が加えられている。それにより、各積層部品が積層方向と垂直方向に位置ずれすることが抑制される。
The
外側部材20は、エンドプレート1aの各角部からエンドプレート1bの対応する各角部に伸びる部材である。各外側部材20は、エンドプレート1a,1bの各角部を挟む両側面にボルト等によって固定されている。それにより、各積層部品の位置ずれを防止することができる。
The
以下、図2および図3を参照しつつ外側部材20の詳細について説明する。図2は、外側部材20を図1の矢印Xの方向に見た場合の図である。図3は、外側部材20を図1の矢印Yの方向に見た場合の図である。図2および図3に示すように、外側部材20は、基材21、複数のベアリング22、複数の保持部材23およびベルト24を含む。ベルト24は、例えば、ニトリル系、クロロプレン系等のゴムから構成されるものである。
Hereinafter, the details of the
基材21は、矢印Xの方向に見た場合に断面L字状となる形状を備える。基材21の各面には、一対の孔25が積層部品の積層方向に所定の間隔で形成されている。各孔25は、スタック10側の端部において径が小さくなっている。保持部材23は、孔25と平行に配置された棒状部材を2本含む。この棒状部材は、中央部に孔25のスタック10側における端部の径よりも小さい径を有する縮径部を備える。また、棒状部材の縮径部以外の径は、孔25のスタック10側における端部の径よりも大きくなっている。それにより、棒状部材の縮径部は、孔25内において摺動可能となっている。また、保持部材23が孔25からスタック10側に抜け落ちることを防止することができる。
The
保持部材23は、ベアリング22を、2本の棒状部材のスタック10側の端部において積層部品の積層方向に回転可能に保持している。棒状部材の外周には、棒状部材の長さ方向に伸縮可能なバネ26が設けられている。それにより、ベアリング22は、孔25と平行に伸縮可能であり、スタック10に対して所定の付勢力を付勢することができる。また、ベルト24は、複数のベアリング22にわたって巻き回されている。
The holding
本実施例に係る燃料電池100においては、各積層部品の積層方向に外力、熱膨張力等がはたらく場合、スプリングボックス5が伸縮可能であることから各積層部品が積層方向に移動しようとする。この場合、各積層部品の移動に伴うベルト24の駆動とともに、ベアリング22が回転する。それにより、各積層部品の積層方向への移動の際の摩擦力が低減されることになる。その結果、各積層部品は、同じ自由度を持って移動することができる。この場合、スタック10の締結力が各セル4に均等に分散することになる。したがって、各セル4における面圧のばらつきを抑制することができる。その結果、セル4における水素リークを防止することができるとともに、セル4における接触抵抗の低減化を図ることができる。
In the
なお、ベルト24は必ずしも設けられている必要はない。この場合、各ベアリング22が回転することによって、各積層部品は同じ自由度を持って移動することができる。また、積層部品の移動に対する摩擦力低減手段は、上記のベアリング構造に限られない。摩擦力低減手段は、各積層部品の積層方向に回転可能に保持されたものであればよい。摩擦力低減手段は、例えば、滑車等でもよい。
Note that the
また、摩擦力低減手段は、必ずしもスタック10に対して付勢力を備えている必要はなく、所定の位置に固定されていてもよい。外側部材20が設けられる位置は特に限定されない。各積層部品が積層方向と垂直方向に位置ずれしないようにスタック10を固定する箇所に配置されていればよい。さらに、ベアリング22の径は特に限定されない。ベアリング22の径は、ベルト24の材質、セル4の厚さ等を考量して変更してもよい。また、ベアリング22の数は特に限定されない。ベアリング22の数は、ベアリング22の径、セル4の積層枚数等によって変更してもよい。
Further, the frictional force reducing means does not necessarily need to have a biasing force with respect to the stack 10, and may be fixed at a predetermined position. The position where the
また、燃料電池100が上記構造を有することによって、燃料電池100の製造工程においても、スタック10の締結力を各積層部品に対して均等に分散させることができる。以下、その詳細について説明する。図4は、燃料電池100の製造方法について説明するための図である。図4(a)に示すように、まず、エンドプレート1aに外側部材20を固定するとともに、外側部材20上に、外側部材20と同様の構造を有する延長部材30を固定する。延長部材30にも、外側部材20と同様のベアリングが設けられている。外側部材20と延長部材30との接続は、外側部材20の上端および延長部材30下端のいずれか一方に凹部が形成され、他方にその凹部と嵌合する凸部が形成されていれば実現可能である。
Further, since the
次に、図4(b)に示すように、各積層部品をエンドプレート1a上に順に積層する。この場合、延長部材30および外側部材20を用いて案内することによって各積層部品の位置決めがなされるとともに、ベアリング22の回転によって延長部材30および外側部材20と各積層部品との間における摩擦力が低減される。それにより、各積層部品の損傷を防止することができる。図4(c)は、全ての積層部品が積層された状態を示す。図4(c)に示すように、締結力が加えられていない状態においては、積層部品全体の積層長さは外側部材20の長さよりも大きくなっている。
Next, as shown in FIG. 4B, the respective laminated components are sequentially laminated on the
次いで、図4(d)に示すように、エンドプレート1bに対して所定の圧力を加えて積層部品の積層長さを小さくするとともに、エンドプレート1bと外側部材20とを固定する。この場合、エンドプレート1bから下向きに締結力が加えられることによって各積層部品がエンドプレート1a側に移動することになるが、ベアリング22による摩擦低減機能によってスタック10の締結力が各積層部品に均等にはたらくことになる。次に、図4(e)に示すように、延長部材30と外側部材20とを分離することによって、燃料電池100が完成する。
Next, as shown in FIG. 4D, a predetermined pressure is applied to the
このように、図4に示す製造方法によれば、スタック10の締結力が各積層部品に対して均等にはたらくことになる。また、各積層部品の損傷を防止することができることから、製造コストの低減化を図ることができる。さらに、燃料電池100の構成部品である外側部材20を位置決め用冶具として用いることができる。したがって、位置決め用冶具を着脱する工程を省略することができる。
As described above, according to the manufacturing method shown in FIG. 4, the fastening force of the stack 10 is equally applied to each laminated component. Moreover, since damage to each laminated component can be prevented, the manufacturing cost can be reduced. Further, the
本実施例においては、ベアリング22が摩擦力低減手段および回転部材に相当し、バネ26が弾性部材に相当し、エンドプレート1aが第1基材に相当し、エンドプレート1bが第2基材に相当する。
In this embodiment, the
続いて、本発明の第2実施例に係る燃料電池100aについて説明する。燃料電池100aが図1の燃料電池100と異なる点は、各積層部品の形状である。以下、その詳細について説明する。
Subsequently, a fuel cell 100a according to a second embodiment of the present invention will be described. The difference between the fuel cell 100a and the
図5は、エンドプレート1bの上面側から燃料電池100aを見た場合の一部拡大図である。図5に示すように、各積層部品においてベアリング22と接触する箇所に凹部60が形成されている。ベアリング22およびベルト24は、この凹部60に沿って運動する。この場合、ベアリング22によって各積層部品の位置決めがなされる。したがって、各積層部品の積層方向と垂直方向の外力が加わっても、各積層部品の位置がずれることが防止される。
FIG. 5 is a partially enlarged view of the fuel cell 100a when viewed from the upper surface side of the
続いて、本発明の第3実施例に係る燃料電池100bについて説明する。図6は、燃料電池100bの斜視図である。燃料電池100bが図1の燃料電池100と異なる点は、スプリングボックス5が設けられていない点である。燃料電池100bにおいてはスプリングボックス5が設けられている場合に比較して各積層部品の移動量は小さくなるが、各積層部品は、大きな外力によって移動しようとする。この場合、ベアリング22の回転によって各積層部品が元の位置に摩擦力を受けることなく戻ることができる。したがって、本実施例に係る燃料電池100bにおいても、スタック10の締結力が各積層部品に対して均等にはたらくことになる。また、図4で示したように、製造工程においてもスタック10の締結力が各積層部品に対して均等にはたらくことになる。
Subsequently, a
1a,1b エンドプレート
4 セル
5 スプリングボックス
10 スタック
20 外側部材
21 基材
22 ベアリング
23 保持部材
24 ベルト
26 バネ
30 延長部材
100,100a,100b 燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記スタックの側面に設けられ、前記積層部品の積層方向に伸びる外側部材とを備え、
前記外側部材の前記スタック側には、前記積層方向における前記積層部品と前記外側部材との間の摩擦力を低減する摩擦力低減手段が設けられていることを特徴とする燃料電池。 A stack in which laminated parts including a plurality of cells are laminated;
An outer member provided on a side surface of the stack and extending in a stacking direction of the stacked component;
2. A fuel cell according to claim 1, wherein a frictional force reducing means for reducing a frictional force between the laminated component and the outer member in the stacking direction is provided on the stack side of the outer member.
前記回転部材は、前記凹部に対向しつつ回転可能であることを特徴とする請求項2記載の燃料電池。 The laminated component includes a recess facing the rotating member,
The fuel cell according to claim 2, wherein the rotating member is rotatable while facing the recess.
前記外側部材に案内させつつ前記積層部品を前記第1基材上に順に積層する第1積層工程とを含み、
前記外側部材の前記積層部品側の面には、前記積層部品の積層方向における前記積層部品と前記外側部材との間の摩擦力を低減する摩擦力低減手段が設けられていることを特徴とする燃料電池の製造方法。 A preparation step of preparing a first base material in which a plurality of outer members for guiding a laminated part to a predetermined region are arranged at a predetermined interval;
A first laminating step of sequentially laminating the laminated component on the first base material while guiding the outer member,
Friction force reducing means for reducing a frictional force between the laminated component and the outer member in the lamination direction of the laminated component is provided on the surface of the outer member on the laminated component side. Manufacturing method of fuel cell.
前記第1積層工程は、前記回転部材を回転させつつ前記積層部品を積層する工程であることを特徴とする請求項9記載の燃料電池の製造方法。 The frictional force reducing means includes a plurality of rotating members that are rotatable in the stacking direction,
The fuel cell manufacturing method according to claim 9, wherein the first stacking step is a step of stacking the stacked components while rotating the rotating member.
前記第1積層工程は、前記凹部を前記回転部材に対向させつつ、前記積層部品を積層する工程であることを特徴とする請求項10記載の燃料電池の製造方法。 The laminated component includes a recess facing the rotating member,
The method of manufacturing a fuel cell according to claim 10, wherein the first stacking step is a step of stacking the stacked components with the concave portion facing the rotating member.
前記第1積層工程は、前記ベルトを駆動させつつ前記積層部品を積層する工程であることを特徴とする請求項10または11記載の燃料電池の製造方法。 The frictional force reducing means further comprises a belt wound around the plurality of rotating members in common,
12. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 10, wherein the first stacking step is a step of stacking the stacked components while driving the belt.
前記第2基材に対して前記第1基材側に所定の圧力を加えつつ前記第2基材を前記外側部材に締結する締結工程とをさらに含むことを特徴とする請求項10〜12のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。 A second laminating step of laminating the second base material on the laminated component after laminating the laminated component;
The fastening step of fastening the second base material to the outer member while applying a predetermined pressure to the first base material side with respect to the second base material. The manufacturing method of the fuel cell in any one.
前記締結工程の後に、前記積層部品よりも上側の外側部材を分離する分離工程をさらに含むことを特徴とする請求項13記載の燃料電池の製造方法。
The outer member can be divided in the stacking direction,
The method of manufacturing a fuel cell according to claim 13, further comprising a separation step of separating the outer member above the laminated component after the fastening step.
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2006
- 2006-02-22 JP JP2006044974A patent/JP2007227059A/en active Pending
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