JP2007280887A - Cell laminate and fuel cell with it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セル積層体およびこれを備えた燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、セル積層体を構成しているセパレータや樹脂フレーム等の部材の構造に関する。 The present invention relates to a cell stack and a fuel cell including the same. More specifically, the present invention relates to the structure of members such as a separator and a resin frame that constitute a cell laminate.
一般に、燃料電池(例えば固体高分子形燃料電池)は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。従来、このような燃料電池のセル積層体としては、セルの積層方向に垂直な表面と側面とが直角で交差するセルとなっているものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上述のような構造となっている場合、当該セル積層体が撓んだときに、拘束部材と接触して、セル間が離れる方向の力が作用する可能性があった。 However, in the case of the structure as described above, when the cell stack is bent, there is a possibility that a force in a direction in which the cells are separated from each other is brought into contact with the restraining member.
そこで、本発明は、当該セル積層体が撓んだ場合にも、セル間が離れる方向の力が作用するのを抑制できるようにした構造のセル積層体およびこれを備えた燃料電池を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a cell stack having a structure capable of suppressing the application of force in a direction in which the cells are separated even when the cell stack is bent, and a fuel cell including the same. For the purpose.
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。上述のごとく積層されたセルは、例えば左右一対のテンションプレート等によって積層方向への荷重をかけられることになる。このようなテンションプレートの内側面(セル積層体を向く面)には、漏電やスパークが生じるのを防止すべく例えば絶縁テープが貼られる等して絶縁膜が形成されている。ところが、メタルセパレータを採用した燃料電池の場合、打抜き加工等によって形成されたセパレータの角や縁(いわば金属エッジ)は打抜きされたままの状態となっており、発電中、このような金属エッジが絶縁膜に接触するとスタック全体への漏電が生じるおそれがある。また、傷付いた絶縁膜にメタルセパレータの金属エッジが引っ掛かり、ガスリークが生じるおそれも生じる。 In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. The cells stacked as described above can be loaded in the stacking direction by, for example, a pair of left and right tension plates. An insulating film is formed on the inner side surface (the surface facing the cell stack) of such a tension plate by, for example, attaching an insulating tape to prevent leakage or sparking. However, in the case of a fuel cell that employs a metal separator, the corners and edges (so-called metal edges) of the separator formed by punching or the like remain punched. Contact with the insulating film may cause leakage of electricity to the entire stack. In addition, the metal edge of the metal separator is caught on the damaged insulating film, which may cause a gas leak.
そこで、本発明者はこれらの問題についてさらに検討した。そもそも、上述のようにメタルセパレータとテンションプレートとが接触することについては、主として3つの理由が挙げられると考えられる。すなわち、第一に、燃料電池発電時の発熱によるセルの膨張(熱膨張)で、セル積層体の外周や厚みが大きくなる、というものである(図12参照)。図示しているように、これには面方向への膨張と、セル積層方向への膨張とがある。第二に、テンションプレートの荷重によってセル積層体に変形が生じうる、というものである(図13参照)。例えばセル積層方向に強い圧縮力が作用した場合にテンションプレートに変形を来す場合がある。第三に、セル積層時における組付け作業時、例えば手積みで行うことに起因して積載状態にばらつきが生じるというものである(図14参照)。セル積層は例えばジグに宛がう等しながら行うが、積層方向加圧時などにどうしてもばらつきが生じやすい。 Therefore, the present inventor further examined these problems. In the first place, it is considered that there are mainly three reasons for the contact between the metal separator and the tension plate as described above. That is, the first is that the outer circumference and thickness of the cell stack increase due to cell expansion (thermal expansion) due to heat generation during fuel cell power generation (see FIG. 12). As shown, this includes expansion in the surface direction and expansion in the cell stacking direction. Second, the cell stack can be deformed by the load of the tension plate (see FIG. 13). For example, the tension plate may be deformed when a strong compressive force is applied in the cell stacking direction. Third, there is a variation in the stacking state due to, for example, manual loading during assembly of the cells (see FIG. 14). Cell stacking is performed, for example, while being applied to a jig, but variations are apt to occur when pressing in the stacking direction.
このように、メタルセパレータとテンションプレートとが接触することについて検討した本発明者は、課題の解決に結び付く着想、すなわちセル積層体が撓んだときセル間が離れる方向の力が作用するのを抑制しうるという着想を得るに至った。 As described above, the inventor who examined the contact between the metal separator and the tension plate has an idea that leads to the solution of the problem, that is, when the cell stack is bent, the force in the direction of separating the cells acts. It came to the idea that it can be suppressed.
本発明はかかる着想に基づくものであり、膜−電極アッセンブリをセパレータで挟持してなるセルが積層されることによって構成されるセル積層体であって、前記セルのうち積層方向に垂直な表面と側面とのなす角が面取りされている当該セルが積層されていることを特徴とするものである。 The present invention is based on such an idea, and is a cell laminate formed by laminating cells in which a membrane-electrode assembly is sandwiched between separators, and the surface of the cells is perpendicular to the laminating direction. The cells having chamfered angles formed with the side surfaces are stacked.
このように、セルはその積層方向側部において面取りされているために、例えば当該セル積層体が撓む等して拘束部材等と接触したとしても従来のような形での面接触はせず、それよりも小さい面での接触あるいは線接触するようになる。これによれば、当該セルの側部と拘束部材等との間における摩擦力(動摩擦力)を低減させることができるから、セル積層体が撓んで拘束部材等と接触したとしてもセル間が離れる方向に作用する力を抑制することが可能となる。 As described above, since the cell is chamfered on the side portion in the stacking direction, even if the cell stack is bent and comes into contact with the restraining member or the like, surface contact in the conventional manner is not performed. , Contact on a smaller surface or line contact. According to this, since the frictional force (dynamic frictional force) between the side portion of the cell and the restraining member or the like can be reduced, the cells are separated even if the cell stack is bent and comes into contact with the restraining member or the like. It is possible to suppress the force acting in the direction.
かかるセル積層体においては、前記セルの全周が面取りされていることが好ましい。セルの全周が面取りされていることにより、当該セルの周縁のいずれの部位が拘束部材等に接触したとしてもセル間が離れる方向に作用する力を抑制することが可能となる。 In such a cell laminate, it is preferable that the entire circumference of the cell is chamfered. By chamfering the entire periphery of the cell, it is possible to suppress the force acting in the direction in which the cells are separated from each other even if any part of the periphery of the cell contacts the restraining member or the like.
また、本発明は、前記セル間に設けられる流体シール用のシール部材が、弾性によって当該流体をシールするものとなっている場合に適用して特に好適である。弾性によっていわば物理的にシールする部材は、例えば接着剤などのようにいわば化学的にシールする部材に比して外力の影響を受けやすい。この点、本発明のごときセル積層体においては、セルの側部が拘束部材等と接触した場合にもセル間が離れる方向に作用する力を抑制することができるから、弾性によって流体をシールするいわば物理的なシール部材に及ぶ外力を軽減して影響を少なくすることが可能である。 The present invention is particularly suitable when applied to a case where a sealing member for fluid sealing provided between the cells seals the fluid by elasticity. A member that physically seals due to elasticity is more susceptible to external forces than a member that chemically seals such as an adhesive. In this respect, in the cell stack as in the present invention, even when the side portion of the cell comes into contact with the restraining member or the like, the force acting in the direction of separating the cells can be suppressed, so that the fluid is sealed by elasticity. In other words, it is possible to reduce the influence by reducing the external force exerted on the physical seal member.
また、本発明では、当該セル積層体を積層状態で拘束するための拘束部材、および当該セル積層体の積層方向端部付近に配置される絶縁板の少なくとも一方が設けられている場合に前記セルが面取りされているようにしている。 Further, in the present invention, when at least one of a restraining member for restraining the cell stack in a stacked state and an insulating plate arranged in the vicinity of the stacking direction end of the cell stack is provided, the cell Is chamfered.
さらに、セル積層体は、前記面取りにより、当該面取り部分が隅肉を削いで丸味が付された形状となっているものであることが好ましい。丸味が付されていわゆるR形状となっていることにより、拘束部材等と接触した場合の当該セル側部における接触領域がさらに小さくなるし、より滑らかに接触するようになる。このため、セル間が離れる方向に作用する力をさらに抑制することが可能である。 Furthermore, it is preferable that the cell laminated body has a shape in which the chamfered portion is rounded by shaving the fillet by the chamfering. By being rounded and having a so-called R shape, the contact area on the side portion of the cell when it comes into contact with the restraining member or the like is further reduced and comes into contact more smoothly. For this reason, it is possible to further suppress the force acting in the direction of separating the cells.
また、本発明にかかるセル積層体において、面取りされているのは前記セパレータ間に介在する絶縁性の枠状部材である。このような構造の場合、セル積層体が撓む等したときに当該枠状部材が拘束部材等と接触しうる。 Further, in the cell laminate according to the present invention, the chamfered portion is an insulating frame member interposed between the separators. In the case of such a structure, the frame-shaped member can come into contact with the restraining member or the like when the cell stack is bent.
ここで、検討を重ねた本発明者は更なる着想を得るに至った。すなわち、上述したように、テンションプレートの内側面には絶縁膜が形成されているが、この絶縁膜にセパレータのエッジが接触すると漏電やガスリークが生じるおそれがある。本発明者は、このような従来構造を鑑み、セル間が離れる方向に作用する力を抑制しつつ、漏電やガスリークをも効果的に抑制しうる構造に着目し、更なる着想を得るに至ったものである。 Here, the present inventor who has repeatedly studied has come to obtain further ideas. That is, as described above, an insulating film is formed on the inner side surface of the tension plate. However, if the edge of the separator comes into contact with this insulating film, there is a risk of electric leakage or gas leakage. In view of such a conventional structure, the present inventor has focused on a structure that can effectively suppress leakage and gas leakage while suppressing the force acting in the direction of separating the cells, and has obtained further ideas. It is a thing.
本発明はかかる着想に基づくものであり、膜−電極アッセンブリをセパレータで挟持してなるセルが積層されることによって構成されるセル積層体であって、当該セル積層体を積層状態で拘束するための拘束部材によって拘束されているとともに、前記セパレータ間に介在する絶縁性の枠状部材の少なくとも一部が、当該セパレータのエッジが前記拘束部材に接触するよりも先に当該拘束部材に接触する程度に前記セパレータのエッジから外側にはみ出ているというものである。前記セパレータは例えばメタルセパレータである。 The present invention is based on such an idea, and is a cell stack formed by stacking cells formed by sandwiching a membrane-electrode assembly between separators, and restrains the cell stack in a stacked state. In addition to being restrained by the restraining member, at least a part of the insulating frame-like member interposed between the separators contacts the restraining member before the edge of the separator contacts the restraining member. It protrudes outward from the edge of the separator. The separator is, for example, a metal separator.
例えば打抜き加工等によって形成されたメタルセパレータの角や縁といった金属エッジは打抜きされたままの状態となっているため、当該エッジが拘束部材の表面に接触して傷を付けてしまうと、漏電が生じたりガスリークの原因となったりするおそれがある。この点、本発明にかかるセル積層体においては、枠状部材の一部がこのようなエッジよりも外側にはみ出した構造となっているから、例えばセル積層体が撓んだ場合、当該枠状部材の一部が拘束部材に接触することになる。枠状部材は例えば樹脂フレームなどからなるものであり、拘束部材に接触したとしても金属エッジの場合のように傷を付けてしまうおそれがない。したがって、漏電やガスリークが生じるのを抑制することができるようになる。 For example, metal edges such as corners and edges of a metal separator formed by punching or the like are left in a state of being punched. May cause gas leakage. In this regard, in the cell laminated body according to the present invention, since a part of the frame-shaped member has a structure that protrudes outside the edge, for example, when the cell laminated body is bent, the frame shape A part of the member comes into contact with the restraining member. The frame member is made of, for example, a resin frame, and even if it contacts the restraining member, there is no risk of scratching as in the case of a metal edge. Therefore, it becomes possible to suppress the occurrence of leakage or gas leak.
また、例えば金属エッジが接触している場合であれば拘束部材等に引っ掛かる等して摩擦力が大きくなることがありうるが、このセル積層体においては枠状部材の一部が接触する構造であり、金属エッジのように引っ掛かることもなく、摩擦力(動摩擦力)を低減させることが可能である。このため、セル積層体が撓んで拘束部材等と接触したとしてもセル間が離れる方向に作用する力を抑制することができる。 In addition, for example, when the metal edge is in contact, the frictional force may be increased by being caught by a restraining member or the like, but in this cell laminate, a part of the frame-like member is in contact. In addition, the frictional force (dynamic frictional force) can be reduced without being caught like a metal edge. For this reason, even if a cell laminated body bends and contacts with a restraining member etc., the force which acts on the direction which leaves | separates between cells can be suppressed.
加えて、このセル積層体は、従来も利用されている例えば樹脂フレーム等の枠状部材を大型化してセパレータのエッジからはみ出させるという簡単な構造であり、また、積層等の工程も従来と大きく変わるところはない。したがって従来の構造や工程に大きな変更が不要であり、コスト等の面でも好適である。 In addition, this cell laminate has a simple structure in which a frame-like member such as a resin frame that has been conventionally used is enlarged and protrudes from the edge of the separator. There is no change. Therefore, no major changes are required in the conventional structure or process, which is preferable in terms of cost and the like.
本発明において、前記拘束部材は例えば当該セル積層体の積層方向側部に配置されているテンションプレートである。また、前記テンションプレートのうち当該セル積層体側の面には例えば絶縁膜が形成されている。このように絶縁膜が形成されたテンションプレートが用いられている場合、本発明にかかるセル積層体によれば、当該絶縁膜に傷が付くことによって漏電やスパークが生じるのを回避することが可能となる。 In the present invention, the restraining member is, for example, a tension plate disposed on a side in the stacking direction of the cell stack. Further, for example, an insulating film is formed on a surface of the tension plate on the cell stack side. When a tension plate with an insulating film formed in this way is used, according to the cell stack according to the present invention, it is possible to avoid the occurrence of electric leakage and spark due to the insulating film being scratched. It becomes.
また、前記枠状部材のうち面取りされた部分が隅肉を削いで丸味が付された形状となっていることが好ましい。丸味が付されてR形状となっていることにより、拘束部材等と接触した場合の当該セル側部における接触領域がさらに小さくなるし、より滑らかに接触するようになる。このため、セル間が離れる方向に作用する力をさらに抑制することが可能である。 Moreover, it is preferable that the chamfered portion of the frame-shaped member has a rounded shape by shaving the fillet. By being rounded and having an R shape, the contact area on the side portion of the cell when it comes into contact with the restraining member or the like is further reduced and comes into contact more smoothly. For this reason, it is possible to further suppress the force acting in the direction of separating the cells.
さらに、本発明にかかる燃料電池は上述のごときセル積層体を備えているというものである。 Furthermore, the fuel cell according to the present invention includes the cell stack as described above.
本発明によれば、セル積層体が撓んだ場合にも、セル間が離れる方向の力が作用するのを抑制することが可能となる。 According to the present invention, even when the cell stack is bent, it is possible to suppress the force in the direction in which the cells are separated from each other.
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.
図1〜図10に本発明にかかるセル積層体およびこれを備えた燃料電池の実施形態を示す。本実施形態におけるセル積層体(スタック)3は、膜−電極アッセンブリ30を挟持したセパレータ20(図1においては、セル2を構成する2枚のセパレータをそれぞれ符号20a,20bで示している)を複数枚、あるいは複数組積層することによって構成されているものである。本実施形態では、各セル2のうち積層方向に垂直な表面と側面とのなす角を面取りすることとしている。
1 to 10 show an embodiment of a cell stack according to the present invention and a fuel cell including the same. The cell stack (stack) 3 in the present embodiment includes a
以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池1を構成するセル2の概略構成について説明し、その後、セル2を積層することによって構成されるセル積層体3等について説明することとする。
In the embodiment described below, first, the schematic configuration of the
図1等に本実施形態における燃料電池1のセル2の概略構成を示す。図示するように構成されるセル2は、順次積層されることによってセル積層体(スタック)3を構成する(図2、図7等参照)。また、このように形成されたセル積層体3は、例えばスタック両端を一対のエンドプレート8で挟まれ、さらにこれらエンドプレート8どうしを繋ぐように拘束部材(例えばテンションプレート)9が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている(図3参照)。
FIG. 1 shows a schematic configuration of the
なお、このようなセル積層体(スタック)3等で構成される燃料電池1は、例えば燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体(例えば船舶や飛行機など)やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の燃料電池1のセパレータとしても用いることが可能である。
The
セル2は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ(以下MEA;Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ)30、該MEA30を挟持する一対のセパレータ20(図1においてはそれぞれ符号20a,20bを付して示している)等で構成されている(図1参照)。MEA30および各セパレータ20a,20bはおよそ矩形の板状に形成されている。また、MEA30はその外形が各セパレータ20a,20bの外形よりも小さくなるように形成されている。
The
MEA30は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ともいう)31と、電解質膜31を両面から挟んだ一対の電極(アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極)32a,32bとで構成されている(図1参照)。電解質膜31は、各電極32a,32bよりも大きく形成されている。この電解質膜31には、その周縁部33を残した状態で各電極32a,32bが例えばホットプレス法により接合されている。
The
MEA30を構成する電極32a,32bは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材(拡散層)で構成されている。一方の電極(アノード)32aには燃料ガス(反応ガス)としての水素ガス、他方の電極(カソード)32bには空気や酸化剤などの酸化ガス(反応ガス)が供給され、これら2種類の反応ガスによりMEA30内で電気化学反応が生じてセル2の起電力が得られるようになっている。
The
セパレータ20(20a,20b)はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属(メタル)が挙げられる。本実施形態のセパレータ20(20a,20b)の基材は板状のメタルで形成されているものであり(メタルセパレータ)、この基材の電極32a,32b側の面には耐食性に優れた膜(例えば金メッキで形成された皮膜)が形成されている。
The separator 20 (20a, 20b) is made of a gas impermeable conductive material. Examples of the conductive material include carbon and a hard resin having conductivity, and metals such as aluminum and stainless steel. The base material of the separator 20 (20a, 20b) of the present embodiment is formed of a plate-like metal (metal separator), and a film having excellent corrosion resistance is formed on the surface of the base material on the
また、セパレータ20a,20bの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ20a,20bの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路34や水素ガスのガス流路35、あるいは冷却水流路36を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ20aの電極32a側となる内側の面には水素ガスのガス流路35が複数形成され、その裏面(外側の面)には冷却水流路36が複数形成されている(図1参照)。同様に、セパレータ20bの電極32b側となる内側の面には酸化ガスのガス流路34が複数形成され、その裏面(外側の面)には冷却水流路36が複数形成されている(図1参照)。例えば本実施形態の場合、セル2におけるこれらガス流路34およびガス流路35は互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する2つのセル2,2に関し、一方のセル2のセパレータ20aの外面と、これに隣接するセル2のセパレータ20bの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路36が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている(図1参照)。
Further, a groove-like flow path constituted by a plurality of concave portions is formed on both surfaces of the
さらに、上述したように各セパレータ20a,20bは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ20aにおいては、水素ガスのガス流路35を形成する凸形状(凸リブ)の裏面が冷却水流路36を形成する凹形状(凹溝)であり、ガス流路35を形成する凹形状(凹溝)の裏面が冷却水流路36を形成する凸形状(凸リブ)である。さらに、セパレータ20bにおいては、酸化ガスのガス流路34を形成する凸形状(凸リブ)の裏面が冷却水流路36を形成する凹形状(凹溝)であり、ガス流路34を形成する凹形状(凹溝)の裏面が冷却水流路36を形成する凸形状(凸リブ)である。
Furthermore, as described above, the
また、セパレータ20a,20bの長手方向の端部付近(本実施形態の場合であれば、図1中向かって左側に示す一端部の近傍)には、酸化ガスの入口側のマニホールド15a、水素ガスの出口側のマニホールド16b、および冷却水の出口側のマニホールド17bが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド15a,16b,17bは各セパレータ20a,20bに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている(図1参照)。さらに、セパレータ20a,20bのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド15b、水素ガスの入口側のマニホールド16a、および冷却水の入口側のマニホールド17aが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド15b,16a,17aも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている(図1参照)。なお、図3、図4等においてはa,bの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。
Further, in the vicinity of the longitudinal ends of the
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ20aにおける水素ガス用の入口側マニホールド16aと出口側マニホールド16bは、セパレータ20aに溝状に形成されている入口側の連絡通路61および出口側の連絡通路62を介してそれぞれが水素ガスのガス流路35に連通している。同様に、セパレータ20bにおける酸化ガス用の入口側マニホールド15aと出口側マニホールド15bは、セパレータ20bに溝状に形成されている入口側の連絡通路63および出口側の連絡通路64を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路34に連通している(図1参照)。さらに、各セパレータ20a,20bにおける冷却水の入口側マニホールド17aと出口側マニホールド17bは、各セパレータ20a,20bに溝状に形成されている入口側の連絡通路65および出口側の連絡通路66を介してそれぞれが冷却水流路36に連通している。ここまで説明したような各セパレータ20a,20bの構成により、セル2には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル2が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ20aの入口側マニホールド16aから連絡通路61を通り抜けてガス流路35に流入し、MEA30の発電に供された後、連絡通路62を通り抜けて出口側マニホールド16bに流出することになる。
Among the manifolds as described above, the
第1シール部材13a、第2シール部材13bは、ともに複数の部材(例えば小型の4つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体)で形成されているものである(図1参照)。これらのうち、第1シール部材13aはMEA30とセパレータ20aとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜31の周縁部33と、セパレータ20aのうちガス流路35の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第2シール部材13bは、MEA30とセパレータ20bとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜31の周縁部33と、セパレータ20bのうちガス流路34の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
The
さらに、隣接するセル2,2のセパレータ20bとセパレータ20aとの間には、複数の部材(例えば小型の4つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体)で形成された第3シール部材13cが設けられている(図1参照)。この第3シール部材13cは、セパレータ20bにおける冷却水流路36の周囲の部分と、セパレータ20aにおける冷却水流路36の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
Furthermore, a plurality of members (for example, four small rectangular frames and a large frame for forming a fluid flow path) are formed between the
なお、第1〜第3シール部材13a〜13cとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体(ガスケット)や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材13a〜13cとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが(図8等参照)、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。
In addition, as the first to
枠状部材40(図1中では符号40a,40bで示す)は、MEA30とともにセパレータ20a,20b間に挟持される例えば樹脂からなる部材(以下、樹脂フレームともいう)である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム40(40a,40b)をセパレータ20a,20b間に介在させ、当該樹脂フレーム40によってMEA30の少なくとも一部、例えば周縁部33に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている(図6等参照)。このように設けられる樹脂フレーム40は、締結力を支持するセパレータ20(20a,20b)間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ20(20a,20b)の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
The frame-like member 40 (indicated by
続いて、燃料電池1の構成について簡単に説明する(図2、図3等参照)。本実施形態における燃料電池1は、複数の単セル2を積層したセル積層体(スタック)3を有し、セル積層体3の両端に位置する単セル2,2の外側に順次、出力端子5付きの集電板6、絶縁板7およびエンドプレート8が各々配置された構造となっている(図2参照)。また、セル積層体3は拘束部材(以下、テンションプレートともいう)9によって積層状態で拘束されている。テンションプレート9は両エンドプレート8,8間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体3の両側に対向するように配置される(図7等参照)。テンションプレート9は、各エンドプレート8,8にボルト等で固定され、単セル2の積層方向に所定の締結力(圧縮力)を作用させた状態を維持する。
Next, the configuration of the
さらに、上述したテンションプレート9の内側面(セル積層体3を向く面)には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜9aが形成されている(図8等参照)。絶縁膜9aは、具体的には例えば当該テンションプレート9の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。
Furthermore, an insulating
また、セル積層体3に締結力(圧縮力)を作用させる部材(弾性モジュール)の一例を挙げれば以下のとおりである。すなわち、互いに並列に配置されたコイルスプリング等の弾性体11と、これら複数の弾性体11を積層方向にて挟持する一対の板状部材12とがセル積層体3の一端に配置されているものである(図7参照)。また、板状部材12とエンドプレート8との間には接続部材13が介在しており、当該接続部材13自体の可撓性またはピボット状に接触する構成などによって首振り可能な構造を実現している(図7参照)。多数(例えば200〜400程度)のセル2を積層した結果、セル積層体3が例えば台形に近似した状態になるなど側方への偏りが生じて歪んだとしても、このような支持構造によれば、当該接続部材13を中心として首を振る動きをすることにより、偏りに応じた分だけ適宜角度を変えて歪みを矯正することが可能である。さらには、当該接続部材13がねじ部を備えていることも好ましい。ねじ部付きの接続部材13によれば、当該位置において回転することにより板状部材12とエンドプレート8との間隔を変化させることが可能となるから、セル積層時、積層厚みに固体毎のばらつきが生じた場合にもねじ部付き接続部材13を相対的に回転させて軸方向長さを変えることによりセル積層体3の全体厚み(全体長さ)を微調整することができる。このため、セル積層体3に作用する締結力の微調整も行いやすい。以上のようなねじ部付き接続部材13としては、「いもねじ」等と呼ばれるねじ(一例として、すりわり付き止めねじ等)を利用することが可能である。
An example of a member (elastic module) that applies a fastening force (compression force) to the
続いて、本発明にかかるセル積層体3の特徴的な構造、より具体的にはセパレータ20や樹脂フレーム(枠状部材)40の特に周縁部分における構造について説明する。上述したように、セル積層体3は、積層方向に垂直な表面と側面とのなす角が面取りされているセル2が積層された構造となっているもので、拘束部材(テンションプレート)9によって積層状態で拘束された状態となっている(図8等参照)。
Next, the characteristic structure of the
例えば本実施形態においては、セパレータ20(20a,20b)間に介在する絶縁性の樹脂フレーム40の少なくとも一部が、当該セパレータ20のエッジ(図8中において符号20eで示す)が拘束部材(テンションプレート)9に接触するよりも先に当該拘束部材9に接触する程度にセパレータ20のエッジ20eから外側にはみ出した構造となっている(図8等参照)。上述したように、拘束部材9の内側面には絶縁膜9aが形成されており(図8参照)、この絶縁膜9aにセパレータ(例えばメタルセパレータ)20のエッジ20eが接触すると漏電やガスリークが生じるおそれがある。これに対し、上述したような本実施形態のセル積層体3によれば、樹脂フレーム40の方がセパレータ20のエッジ20eよりも先に絶縁膜9aに接触し、当該エッジ20eが絶縁膜9aに接触しないように機能する。
For example, in this embodiment, at least a part of the insulating
また、樹脂フレーム40のはみ出した縁部は、セル積層方向に垂直な表面と側面とのなす角が面取りされている状態となっている。ここでいう面取りとは、面と面との交わりの角に斜面または丸味を付すことであり、例えば本実施形態では、当該縁部の隅肉を削いで丸味を付した形状としている(図6、図8等参照)。このように樹脂フレーム40の縁部に丸味を付してR形状とした場合、拘束部材(テンションプレート)9と接触した場合における接触領域が小さく尚かつ滑らかになり、摺接する際の摩擦力(動摩擦力)を低下させることが可能となる。したがって、セル積層他3が撓んでその一部が拘束部材9に接触したとしても、セル2どうしが離れるようにセル間に作用する力を抑制することが可能である。
Further, the protruding edge portion of the
しかも、このような端面形状の樹脂フレーム40によれば、当該周縁が接触しても拘束部材(テンションプレート)9自体あるいはその表面に形成されている絶縁膜9aに傷を付けるようなおそれがない。したがって、漏電やガスリークが生じるのを抑制することもできる。
Moreover, according to the
加えて、本実施形態におけるセル積層体3は、従来も利用されている枠状部材(例えば本実施形態における樹脂フレーム40)を大型化してセパレータ20のエッジ20eからはみ出させるという簡単な構造のものである。また、積層等の工程も従来と大きく変わるところはない。したがって従来の構造や工程に大きな変更が不要であり、コスト等の面でも好適なものである。
In addition, the
また、本実施形態においては拘束部材9の片面(セル積層体3を向く面)の全体に絶縁膜9aが形成されている場合について説明したが、この絶縁膜9aが一部形成されていない場合においても本実施形態のセル積層体3は適用可能である。例示すれば、絶縁膜9aに所定どおり形成されていない部分があって拘束部材9の一部が露出しているような場合(図10参照)、従来の構造であればセル2間が離れる方向の力が作用したり漏電などが生じたりするおそれがあったが、本実施形態のセル積層体3によればこれらを効果的に抑制することが可能である。すなわち、樹脂フレーム40の周縁が拘束部材9の露出した表面上をも滑らかに摺接することによってセル2間が離れる方向の力が作用するのを抑制することができ、また、はみ出した形状の樹脂フレーム40が当該拘束部材9とセパレータ20のエッジ20aとを一定距離以上離れさせることによって電気的に絶縁する。
In the present embodiment, the case where the insulating
また、本実施形態によれば、セル積層体3がさらに大きな外力を受ける等して傾いた場合にも所望の作用効果が得られる。すなわち、外力等の影響によって複数のセルが例えばθ度傾斜したとしても、拘束部材9あるいはその表面に形成されている絶縁膜9aに接触するのは樹脂フレーム40の周縁部分であり、これにより、セパレータ20のエッジ20eが拘束部材9あるいは絶縁膜9aに接触するのを回避することができる(図9参照)。
Further, according to the present embodiment, a desired effect can be obtained even when the
なお、樹脂フレーム40の周縁を面取りするにあたっては、セル2(あるいはセル2を構成している当該樹脂フレーム40)の全周にわたって当該面取りが施されていることが好ましい。このようにセル2の全周に亘って面取りされていることにより、当該セル2の周縁のいずれの部位(本実施形態の場合、樹脂フレーム40の周縁のいずれの部位)が拘束部材9に接触したとしてもセル2間が離れる方向の力が作用するのを抑制し、尚かつ漏電やガスリークが生じるのを抑制することができる。
In addition, in chamfering the periphery of the
以上のようなセル積層体3においては、例えば燃料電池1の発電時の発熱によるセル2の熱膨張(図12参照)、拘束部材(テンションプレート)9の荷重による影響(図13参照)、組付け作業時に例えば手積みで行うことに起因して生じうるばらつき(図14参照)、等によって当該セル積層体3が撓んだ場合に、セパレータ20のエッジ20eではなく樹脂フレーム40の端部が拘束部材9に接触する構造となっている。しかもこの場合、樹脂フレーム40は拘束部材9(またはその表面の絶縁膜9a)に対して滑らかに、かつ摩擦力の少ない状態で摺接しうる。このような本実施形態のセル積層体3によれば、当該セル積層体3が撓んだ場合にも、セル2間が離れる方向の力が作用するのを抑制し、尚かつ漏電やガスリークが生じるのを抑制することができる。
In the
上述のごときセル積層体3は、セル2間に設けられる流体シール用のシール部材が、弾性によって当該流体をシールするものとなっている場合に特に好適である。弾性によっていわば物理的にシールする部材は、例えば接着剤などのようにいわば化学的にシールする部材に比して外力の影響を受けやすい。この点、上述したようなセル積層体3においては、樹脂フレーム40の周縁部が拘束部材9と接触した場合、セル2間が離れる方向に作用する力を抑制することができるから、弾性によって流体をシールするいわば物理的なシール部材に及ぶ外力を軽減して影響を少なくすることが可能となる。例えば本実施形態の場合、上述した第3シール部材13cは例えばゴム製であって弾性により流体(冷却水)をシールするガスケットであり、当該第3シール部材に及ぶ外力を軽減して影響を少なくすることが可能となっている。なお、ここでは第3シール部材13cがいわば物理的なシール(ガスケット)である場合を例示したがこれは一例にすぎない。シール部材が例えば接着剤といったように化学結合によってシールする部材である場合であっても本実施形態にかかる構造を適用することが可能である。
The
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では樹脂フレーム40に対する面取りの一例として丸味を付したものを例示したが(図8等参照)、面と面との交わりの角にこのように丸味を付すばかりでなく、先述のように斜面を付すことも可能である。例示すれば、詳しくは図示していないが面取りの幅を僅かとすることも可能である(図10参照)。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, a rounded surface is illustrated as an example of chamfering on the resin frame 40 (see FIG. 8 and the like). In addition to rounding the corner of the intersection between the surface in this way, It is also possible to attach a slope. For example, although not shown in detail, the width of the chamfer can be made slightly (see FIG. 10).
また、上述した実施形態では、セル積層体3を積層状態で拘束するための拘束部材9、および当該セル積層体3の積層方向端部付近に配置される絶縁板7の両方が設けられている燃料電池1に適用した場合について例示したが対象がこれに限られることはない。例えば、拘束部材9と絶縁板7のいずれか一方のみが設けられている場合にも、セル2の一部(樹脂フレーム40の周縁)を面取りして本発明を適用することが可能である。
Moreover, in embodiment mentioned above, both the
さらに、本実施形態においてはセル2の一部として樹脂フレーム40の周縁を面取りした場合について説明したがこれも好適な一例に過ぎない。他の例を示せば、セル電圧を検出するためのセルモニタ(図示省略)がセパレータ20の周縁において面内方向で突出した凸部に設けられているような場合を挙げることができる。この場合、当該セルモニタあるいは突出した凸部を、本実施形態でみ出すように設けられていた樹脂フレーム40と同様に機能させることが可能である。
Furthermore, in the present embodiment, the case where the periphery of the
また、本実施形態においては拘束部材9あるいはその表面に形成されている絶縁膜9aと樹脂フレーム40との間にある程度のクリアランスを設けるようにしていたが(図8等参照)、このクリアランスをなくす、つまり通常時において樹脂フレーム40の周縁が拘束部材9あるいは絶縁膜9aに当接した状態とすることも可能である(図11参照)。この場合、当該樹脂フレーム40のはみ出し量を大きくすればその分だけ拘束部材9(あるいは絶縁膜9a)とセパレータ20のエッジ20eとを離すことができるから、更なる絶縁性を確保することができるようになる。この場合、積層時に生じることのあるセル2間のばらつきをなくすべく、当該拘束部材(テンションプレート)9上にてセル2を積層することも可能である。ただし、熱膨張による変形を考慮し、両者を当接した状態とするのは片側のみとし、反対側においては上述した実施形態と同様にクリアランスを設けておくことが好ましい(図11参照)。
In the present embodiment, a certain amount of clearance is provided between the restraining
1…燃料電池、2…セル、3…スタック(セル積層体)、7…絶縁板、9…テンションプレート(拘束部材)、9a…絶縁膜、13c…第3シール部材(流体シール用のシール部材)、20(20a,20b)…セパレータ、20a…セパレータのエッジ、30…MEA(膜−電極アッセンブリ)、40…樹脂フレーム(枠状部材)
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記セルのうち積層方向に垂直な表面と側面とのなす角が面取りされている当該セルが積層されていることを特徴とするセル積層体。 A cell laminate constituted by laminating cells formed by sandwiching a membrane-electrode assembly with a separator,
A cell laminate, wherein the cells are chamfered at an angle formed by a surface and a side surface perpendicular to the stacking direction of the cells.
当該セル積層体を積層状態で拘束するための拘束部材によって拘束されているとともに、
前記セパレータ間に介在する絶縁性の枠状部材の少なくとも一部が、当該セパレータのエッジが前記拘束部材に接触するよりも先に当該拘束部材に接触する程度に前記セパレータのエッジから外側にはみ出ている
ことを特徴とするセル積層体。 A cell laminate constituted by laminating cells formed by sandwiching a membrane-electrode assembly with a separator,
While being restrained by a restraining member for restraining the cell laminate in a laminated state,
At least a part of the insulating frame member interposed between the separators protrudes outward from the edge of the separator to the extent that the edge of the separator contacts the restraining member before contacting the restraining member. A cell laminate characterized by comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006108882A JP2007280887A (en) | 2006-04-11 | 2006-04-11 | Cell laminate and fuel cell with it |
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