JP2007294243A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、複数積層したセパレータ等を締結するための構成の改良に関する。 The present invention relates to a fuel cell. More specifically, the present invention relates to an improved configuration for fastening a plurality of stacked separators and the like.
一般に、燃料電池(例えば固体高分子形燃料電池)は、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly)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。この場合、セルスタックを積層方向に締め付けるための構造例として、スタック両端を支持板で挟み、両支持板を複数のボルトによって締め付けるというものがある。また、この場合、セパレータの縁辺のうち窪んだ部分にボルトを配置するという構造も提案されている(例えば、特許文献1参照)
しかしながら、上述のようにセルスタックを複数のボルトを利用して締め付けるという従来構造の場合、積層されている各セルの面内に作用する締結荷重が不均一になりやすいという問題がある。 However, in the case of the conventional structure in which the cell stack is tightened using a plurality of bolts as described above, there is a problem that the fastening load acting on the surface of each stacked cell tends to be uneven.
また、上述のような燃料電池として、セパレータのうち矩形状の領域からはみ出た部分内にマニホールドの全部が収容された構成のものも開示されているが、これだと別の問題が生じうる。すなわち、このような構成だと、マニホールドと、MEAが設けられた発電領域内とを連通するための連絡通路(連通路)が、流れの方向を変換する部分を要するため複雑化するとともに、当該連絡通路長が長くなるため流路抵抗を招く(図3参照)。 Further, as a fuel cell as described above, there is also disclosed a configuration in which the entire manifold is accommodated in a portion of the separator that protrudes from the rectangular region, but this may cause another problem. That is, with such a configuration, the communication path (communication path) for communicating the manifold and the power generation region in which the MEA is provided becomes complicated because it requires a part to change the flow direction, and Since the communication path length becomes long, flow path resistance is caused (see FIG. 3).
そこで、本発明は、積層されてセルスタックを構成している各セルの面に作用する締結力の面内分布を均一化できるようにした構造、あるいは、マニホールドと発電領域内とを連通するため連絡通路の構成が複雑化するのを回避するとともに流路抵抗を低減できるようにした構造のうち、少なくともいずれか一方を備えた燃料電池を提供することを目的とする。 In view of this, the present invention provides a structure in which the in-plane distribution of the fastening force acting on the surfaces of the cells that are stacked to form the cell stack can be made uniform, or the manifold and the power generation region communicate with each other. An object of the present invention is to provide a fuel cell provided with at least one of the structures which can avoid the complication of the structure of the communication passage and reduce the flow resistance.
かかる課題を解決するため、本発明は、膜−電極アッセンブリとセパレータとを積層することによってセルを構成し、該セルを複数積層することによってセルスタックを構成している燃料電池において、前記セパレータの縁辺に形成された凹部に少なくとも一部が収まる板状のテンション部材を配置し、該テンション部材を利用して前記セルスタックに対して積層方向への荷重を付与することとしている。 In order to solve this problem, the present invention provides a fuel cell in which a cell is formed by stacking a membrane-electrode assembly and a separator, and a cell stack is formed by stacking a plurality of the cells. A plate-like tension member that is at least partially accommodated in a recess formed on the edge is disposed, and a load in the stacking direction is applied to the cell stack using the tension member.
本発明者は、従来のようにボルトを利用して圧縮荷重を作用させる構造、一例として対向する支持板の四隅を例えば4本のボルトで締め付ける構造の場合、各ボルト間における圧縮荷重のバランスをとり難いことから、バランスの偏りに伴ってセルスタックにおける面圧の偏りが生じやすく、各セルの面内に作用する締結荷重が不均一になりやすい点に着目し、かかる問題を解決しうる構成を知見するに至った。かかる知見に基づく本発明において荷重を付与するための構造体は、対向する支持板と支持板とを例えば一対の板状のテンション部材で繋ぐという構成、つまりは従前よりも剛性の高い構成となっている。このため、かかるテンション部材を利用して支持板間に圧縮荷重を作用させた場合、当該荷重のバランスをとりやすく、積層されている各セルの面内に作用する締結荷重が不均一になるのを抑えやすい。 In the case of a structure in which a compressive load is applied using bolts as in the prior art, for example, a structure in which the four corners of the supporting plate facing each other are tightened with, for example, four bolts, the inventor balances the compressive load between the bolts. Because it is difficult to remove, it is easy to cause unevenness of the surface pressure in the cell stack due to the unevenness of the balance, and the configuration that can solve such a problem paying attention to the fact that the fastening load acting on the surface of each cell tends to be uneven It came to know. The structure for applying a load in the present invention based on such knowledge has a configuration in which the opposing support plate and the support plate are connected by, for example, a pair of plate-like tension members, that is, a configuration having higher rigidity than before. ing. For this reason, when a compressive load is applied between the support plates using such a tension member, it is easy to balance the load, and the fastening load acting in the plane of each stacked cell becomes non-uniform. It is easy to suppress.
また、本発明の燃料電池において、前記凹部は、前記セパレータの四隅から当該セパレータの幅方向に突出するように形成されたコーナ部の間に形成されている。セパレータの四隅を幅方向に突出させた形状とすることにより、コーナ部間に形成されるスペース(凹部)にテンション部材の一部または全部を収めることが可能となる。 In the fuel cell of the present invention, the recess is formed between corner portions formed so as to protrude from the four corners of the separator in the width direction of the separator. By making the four corners of the separator project in the width direction, part or all of the tension member can be accommodated in a space (concave portion) formed between the corner portions.
さらに、かかる燃料電池においては、前記テンション部材の外面と前記コーナ部の外面とが面一になっていることが好ましい。この場合、各スペース(凹部)にテンション部材が完全に収まった状態となり、テンション部材を含めた状態でのセルスタックの全体形状を例えば矩形状とすることができる。こうした場合、外面から突出する部位がなくなることから移動体等に収容しやすく、扱いやすい燃料電池とすることが可能となる。 Furthermore, in this fuel cell, it is preferable that the outer surface of the tension member and the outer surface of the corner portion are flush with each other. In this case, the tension member is completely accommodated in each space (recessed portion), and the entire shape of the cell stack including the tension member can be, for example, a rectangular shape. In such a case, since there is no portion protruding from the outer surface, the fuel cell can be easily accommodated in a moving body or the like and can be handled easily.
また、かかる燃料電池においては、前記セパレータのうち、前記テンション部材によって挟まれた領域からはみ出た部分の縁に沿って反応ガスおよび冷却水の各流体用のマニホールドが設けられているとともに、前記セルに形成されている前記反応ガスの流路のうち少なくとも前記膜−電極アッセンブリと対向している部分が当該テンション部材によって挟まれた領域内に位置していることが好ましい。セパレータのうち各種流体(燃料ガスや酸化ガスなど)が流れる流路が形成されている部分は特に発電に寄与する部分であり、これに対し、本発明によれば当該発電に寄与する部分の締結力を均一にすることが可能となる。 In the fuel cell, a manifold for each fluid of the reaction gas and the cooling water is provided along an edge of a portion of the separator that protrudes from a region sandwiched between the tension members. It is preferable that at least a portion facing the membrane-electrode assembly in the flow path of the reactive gas formed in is located in a region sandwiched between the tension members. The part of the separator where the flow path for various fluids (fuel gas, oxidizing gas, etc.) is formed is a part that particularly contributes to power generation. In contrast, according to the present invention, the part that contributes to power generation is fastened. The force can be made uniform.
さらに、セパレータの形状とマニホールドの配置についても検討した本発明者は、連絡通路の複雑化と流路抵抗の増大を有効に抑えうる技術を知見するに至った。本発明はかかる知見に基づくものでもあり、膜−電極アッセンブリとセパレータとを積層することによってセルを構成し、該セルを複数積層することによってセルスタックを構成している燃料電池において、前記セパレータは、略矩形状の領域および該矩形状領域から当該セパレータの面方向に突出するように形成されたはみ出し領域からなり、反応ガスおよび冷却水の各流体用のマニホールドであって前記はみ出し領域内に一部が位置しているものは、少なくとも他の一部が前記矩形状領域に位置していることを特徴とするものである。 Furthermore, the present inventor who also studied the shape of the separator and the arrangement of the manifold has come to know a technique that can effectively suppress the complication of the communication passage and the increase in the flow resistance. The present invention is also based on such knowledge, and in a fuel cell in which a cell is configured by stacking a membrane-electrode assembly and a separator, and a cell stack is configured by stacking a plurality of the cells, the separator includes: A manifold having a substantially rectangular area and a protruding area formed so as to protrude from the rectangular area in the direction of the surface of the separator. The portion is located, at least the other part is located in the rectangular region.
このような燃料電池の場合、セパレータのうち矩形状の領域からはみ出た部分(はみ出し領域)は、いずれかのマニホールドをすべて収容することはなく、当該マニホールドの一部しか収容していない。このため、発電領域とマニホールドとの連絡通路(連通路)の構成を簡略化するとともに当該連絡通路の流路長を短くすることが可能である。 In the case of such a fuel cell, the portion of the separator that protrudes from the rectangular region (the protruding region) does not accommodate any of the manifolds, but only a part of the manifold. For this reason, it is possible to simplify the configuration of the communication path (communication path) between the power generation region and the manifold and shorten the flow path length of the communication path.
本発明によれば、積層されてセルスタックを構成している各セルの面に作用する締結力の面内分布を均一化すること、あるいは、マニホールドと発電領域内とを連通するため連絡通路の構成が複雑化するのを回避するとともに流路抵抗を低減することという課題のうち、少なくともいずれか一方の課題を解決することができる。 According to the present invention, it is possible to equalize the in-plane distribution of the fastening force acting on the surfaces of the cells that are stacked to form the cell stack, or to connect the manifold and the power generation region. At least one of the problems of avoiding complication of the configuration and reducing the channel resistance can be solved.
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4に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。本実施形態における燃料電池システムは、膜−電極アッセンブリとセパレータとを積層することによってセルを構成し、該セルを複数積層することによってセルスタックを構成しているもので、本実施形態ではこのような燃料電池において、セパレータの縁辺に形成された凹部26に断面の少なくとも一部が収まる板状のテンション部材(以下、テンションプレートともいう)29を配置し、該テンションプレート29を利用してセルスタックに対して積層方向への荷重を付与することとしている。
1 to 4 show an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. The fuel cell system according to the present embodiment constitutes a cell by laminating a membrane-electrode assembly and a separator, and constitutes a cell stack by laminating a plurality of the cells. In such a fuel cell, a plate-like tension member (hereinafter also referred to as a tension plate) 29 in which at least a part of the cross section fits in 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、複数のセル2が積層されて構成される燃料電池1について説明する。
In the embodiments described below, first, a schematic configuration of the
図1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。なお、このようなセル2によって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としても用いることが可能である。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a
セル2は、膜−電極アッセンブリ(以下MEA;Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ)30と、MEA30を挟持する一対のセパレータ20a,20bとで構成されている(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。さらに、MEA30と各セパレータ20a,20bとは、それらの間の周辺部を第1シール部材13a、第2シール部材13bとともにモールドされている。
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32a,32b(アノードおよびカソード)とで構成されている。これらのうち、電解質膜31は、各電極32a,32bよりも僅かに大きくなるように形成されている。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が供給され、これら2種類のガスにより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。
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の流路が形成される構造となっている(図1参照)。なお、隣接するセル2,2のセパレータ20aとセパレータ20bは、それらの間における周辺の部分がシール部材によりモールドされるようになっている。
Further, a groove-like flow path constituted by a plurality of concave portions is formed on both surfaces of 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)。
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、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、ともに枠状でありほぼ同一形状に形成されている部材である(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、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、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、枠状の第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。ちなみに、本実施形態のセル2においては、セパレータ20a,20bにおける流体の各種通路(34〜36,15a,15b,16a,16b,17a,17b,61〜66)のうち、各種流体の入口側のマニホールド15a,16a,17aおよび出口側のマニホールド15b,16b,17bが、第1シール部材13a、第2シール部材13bや第3シール部材13cの外側に位置する通路ということになる(図1参照)。
Further, a frame-shaped
以上のように構成されたセル2は、複数積層されてスタック(セルスタック)3を構成する。また、このようにセル2が積層されて形成されたスタック3は、締結手段などを利用して積層方向への圧縮荷重を作用させることによって締め付けられる。ここで、本実施形態では、スタック3の両端を支持板8,9で挟むとともに、これら対向する支持板8,9どうしを繋ぐように板状のテンションプレート29を配置し、該テンションプレート29も使ってスタック3に対して積層方向へ荷重を作用させることとしている(図2参照)。
A plurality of the
このような板状のテンション部材(テンションプレート)29を採用した本実施形態の燃料電池1の利点について説明すると以下のとおりである。すなわち、従来のようにボルトを利用して圧縮荷重を作用させる構造、例えば対向する支持板8,9の四隅を4本のボルトで締め付ける構造だと、各ボルト間における圧縮荷重のバランスをとり難いためにバランスの偏りを生じやすいということがあったが、これに対し、本実施形態においては、対向する支持板8,9と支持板8,9とを繋ぐようにテンションプレート29を配置し、該テンションプレート29をも使って積層方向への圧縮荷重を作用させることとしている。この場合、従前よりも剛性の高い構成の締結手段を構築することができ、かかるテンションプレート29を利用して支持板8,9間に圧縮荷重を作用させた場合、当該荷重のバランスをとりやすく、積層されている各セル2の面内に作用する締結荷重が不均一になるのを抑えやすいという利点がある。
The advantages of the
さらに本実施形態では、セパレータ20の縁辺に関し、上述したテンションプレート29の少なくとも一部が収まるような凹部26が形成された形状としている(図2参照)。こうした場合、当該凹部26中にテンションプレート29の少なくとも一部が収まるから、締結手段を一体にした状態で表面の凹凸の少ないスタック3を構成することが可能となる。
Furthermore, in this embodiment, it is set as the shape in which the recessed
ここで、このような凹部26は、例えばセパレータ20の四隅から当該セパレータ20の外側に向かって突出するようにコーナ部25を形成し、2つのコーナ部25によって挟まれたスペースを利用して形成することができる(図2参照)。このようにセパレータ20の一部を突出させて凹部26を形成する手法によれば、例えば既に設計されて実用化されているようなセパレータ20に対しても適用しやすいという利点がある。すなわち、従来のセパレータ20の外部にコーナ部25を追加した形状ないしは構造となるから大幅な設計変更を伴わずに済むし、流体流路の変更や修正も必要ない。
Here, such
例えば本実施形態では、セパレータ20の四隅から当該セパレータ20の幅方向に突出するようにコーナ部25を形成することとしている(図1、図2参照)。ここでいう幅方向とはセパレータ20の形状等において異なりうるが、例えば各流体の流れる方向(一端のマニホールド15a,16b,17bから他端のマニホールド15b,16a,17aへと向かう方向)が長手方向と一致している本実施形態のセパレータ20の場合であれば短手方向、つまり流体流れの左右両方向である。ただし、本実施形態においては幅方向が当該セパレータ20の短手方向と一致していたがこれは一例に過ぎず、このように短手方向に一致していなくても構わない。
For example, in this embodiment, the
また、上述のようなコーナ部25の形状も特に限定されるものではないが、例えば本実施形態では凹部26を構成する辺を斜辺とし、幅方向に突出するに従い幅狭となるような台形状としている(図1、図2参照)。こうした場合、各コーナ部25は根元ほど幅広となるため強度(例えば曲げ強度)という面で有利となりうる。また、本実施形態では四隅の各コーナ部25を互いに線対称ないしは点対称の同形状に形成しているが、これらコーナ部25の形状や大きさを互いに異ならせることも可能である。一例を挙げれば、流体流路(ガス流路34,35、冷却水流路36)を挟んだ左右にてコーナ部25の大きさや形状、ひいては凹部26の大きさや形状を異ならせることも可能である。
Further, the shape of the
さらに、本実施形態においては、テンションプレート29の外面29aと各コーナ部25の外面25aとが面一になるようにしている(図2参照)。こうした場合には、幅方向両側に形成された各凹部26にテンションプレート29が完全に収まる状態とすることができるから、テンションプレート29を含めた状態でのスタック3の断面形状を矩形あるいはこれに近似した形状とし、スタック全体形状を例えば直方体あるいはこれに近似した形状とすることが可能となる。こうした場合、当該スタック3の外面ないしは外郭から突出する部位がなくなることから移動体等に収容しやすく、扱いやすい燃料電池1を形成しやすくなる等の点で好ましい。
Furthermore, in this embodiment, the
加えて、本実施形態においては、セパレータ20のうち、テンションプレート29によって挟まれた領域からはみ出た部分の縁に沿うようにして反応ガス(酸化ガスおよび水素ガス)ならびに冷却水の各流体用のマニホールド15a,15b,16a,16b,17a,17bを設けている(図2参照)。また、セル2に形成されている反応ガスの流路(酸化ガスのガス流路34、水素ガスのガス流路35)のうち、少なくともMEA30と対向する部分が上述のテンションプレート29によって挟まれた領域内に位置するようにしている(図2参照)。セパレータ20のうち水素ガスや酸化ガス用の流路が形成されている部分は特に発電に寄与する部分であるのに対し、このように当該部分を所定領域内に含めるようにした本実施形態の燃料電池1によれば、当該発電に寄与する部分に対する締結力を均一化することが可能となっている。
In addition, in the present embodiment, for each fluid of the reaction gas (oxidizing gas and hydrogen gas) and cooling water along the edge of the portion of the
ここで、上述したセパレータ20の形状と各マニホールド15a〜17bの配置については以下のようになっていることが好ましい。すなわち、セパレータ20が、略矩形状の領域および該矩形状領域から当該セパレータ20の面方向に突出するように形成されたはみ出し領域(本実施形態の場合、例えばコーナ部25)とからなる場合、当該コーナ部(はみ出し領域)25内に一部が位置するマニホールド15a〜17bは、少なくとも他の一部が矩形状領域に位置していることである(図2参照)。
Here, the shape of the
例えば、従前の燃料電池にみられたように、セパレータ20のうち矩形状の領域からはみ出た部分(はみ出し領域)内にマニホールドの全部が収容された構成となっていると構成上好ましくない(図3参照)。すなわち、当該マニホールド(図3中では符号15’で示す)34とMEAが設けられた発電領域内とを連通するための連絡通路(図3中では符号64’で示す)が、流れの方向を変換する部分を要するため複雑化するとともに、当該連絡通路64’の長さが長くなるため流路抵抗を招きかねない(図3参照)。
For example, as seen in a conventional fuel cell, it is not preferable in terms of configuration if the entire manifold is accommodated in a portion of the
これに対し、本実施形態における燃料電池1の場合、セパレータ20のうち矩形状の領域からはみ出たはみ出し領域(コーナ部25)は、例えばマニホールド15bをすべて収容することはなく、当該マニホールド15bの一部しか収容していない。このため、発電領域とマニホールド15bとの連絡通路(例えば連絡通路64)の構成を簡略化するとともに当該連絡通路の流路長を短くすることが可能である(図2参照)。このことは、他のマニホールドおよび連絡通路についても同様である。
On the other hand, in the case of the
ここで、上述した構成の本実施形態の燃料電池1は、セル(単セル)2が積層されたスタック構造となっている、この燃料電池1は、複数のセル2を積層したスタック3を有し、スタック3の両端に位置するセル2,2の外側に順次、出力端子(図示省略)付きの集電板4,5、絶縁板6,7およびエンドプレート8,9が各々配置された構造となっている。また、燃料電池1は、例えば両エンドプレート8,9間を架け渡すようにして配置されたテンションプレート29が各エンドプレート8,9にボルト27等で固定されることにより、セル2の積層方向に所定の締結力がかかった状態となっている。
Here, the
あるいは、ばね等の弾性部材(付勢手段)11を利用して所定の締結力(圧縮力)を作用させることとしてもよい。一例として図4に示す燃料電池1は、スタック3と、第1の集電板4と、第2の集電板5と、第1のインシュレータ6と、第2のインシュレータ7と、第1のプレッシャープレート(支持板)8と、第2のプレッシャープレート(支持板)9と、プレッシャープレート10と、弾性部材11と、ボルト27と、ナット28と、テンションプレート29とを有している(図4参照)。スタック3は、積層された複数のセル2、第1の集電板4、第1のインシュレータ6、第2の集電板5、第2のインシュレータ7によって構成されている(図4参照)。
Alternatively, a predetermined fastening force (compression force) may be applied using an elastic member (biasing means) 11 such as a spring. As an example, the
第1の集電板4は、セル2の積層方向における一端と電気的に直接接続するための端子であり、第2の集電板5は、セル2の積層方向における他端と電気的に直接接続するための端子である。第1のインシュレータ6は、第1の集電板4と第1のプレッシャープレート8との間を絶縁する絶縁体であり、第2のインシュレータ7は、第2の集電板5とプレッシャープレート10との間を電気的に絶縁する絶縁体である。
The first
第1のプレッシャープレート8は、スタック3側からの圧縮荷重を受けるプレートであり、第1のプレッシャープレート8の側端にボルト27と螺合する複数の孔(図示せず)を有している。第1のプレッシャープレート8の外側の面には、例えば酸化ガスの供給口8aおよび排気口8b、燃料ガスの供給口8cおよび排気口8dが設けられている。
The
第2のプレッシャープレート9は、プレッシャープレート10と間隔をおいて配置されたプレートであり、テンションプレート29のロッド部29aが貫通する複数の孔(図示せず)を有している。この第2のプレッシャープレート9は、弾性部材11による押圧力を受ける。
The
プレッシャープレート10は、弾性部材11による押圧力によってスタック3を第1のプレッシャープレート8側に押付けるプレートである。
The
弾性部材11は、プレッシャープレート10を介してスタック3に押圧力を付与するための弾性体であり、第2のプレッシャープレート9とプレッシャープレート10との間に複数(例えば4つ)配置されている。このような弾性部材11としては、例えば圧縮コイルスプリングや皿ばね等を用いることができる。
The
テンションプレート29は、第1のプレッシャープレート8と第2のプレッシャープレート9を締結するための平板状のプレートとして設けられている。ここで示しているテンションプレート29は、スタック3の外側で積層方向に配置され、ボルト27にて第1のプレッシャープレート8の側端に締結するための複数の孔(図示せず)を有し、第2のプレッシャープレート9の孔(図示せず)を貫通するロッドが溶接された複数のロッド部29aを有する。テンションプレート29は、例えば2枚で一対とされ、スタック3を挟んで対向するように配置されている(図4参照)。
The
ボルト27は、テンションプレート29を第1のプレッシャープレート8に取り付けるための取付部材であり、テンションプレート29の孔(図示せず)を貫通し、第1のプレッシャープレート8の側端の孔(図示せず)で螺合する。ナット28は、弾性部材11によって押圧された第2のプレッシャープレート9を受けるための部材であり、第2のプレッシャープレート9の孔(図示せず)を貫通したロッド部29aの先端で螺合する。
The
なお、スタック3には、燃料電池1の運転状態を監視し制御するためにセル2の電圧を測定するためのセルモニタ(図示省略)が設けられている。燃料電池1においては、この電圧測定結果に基づく出力等の制御が行われる。なお、図4においては集電板として2個を例示したが(符号4,5で示した集電板)、このようなセルモニタによる電圧監視を実行するためには、セル積層方向に沿った所定の複数箇所にさらに別の出力端子(および集電板)をあらかじめ設けておき、セル電圧を監視しながらこれら別の出力端子に切り換えられるようにしておくことが望ましい。
The
以上、ここまで説明した本実施形態の燃料電池1によれば、積層されてスタック3を構成している各セル2の面に作用する締結力の面内分布を均一化(ないしは均質化)することが可能である。すなわち、上述した燃料電池1においては、板状のテンション部材(テンションプレート)29で第1のプレッシャープレート8と第2のプレッシャープレート9とを締結しているため、捻りに対する剛性、曲げ剛性に優れ、ねじれに対する抵抗力が大きいという利点がある。このため、剛性の高い締結手段を構成できるから、エンドプレート(支持板)8,9間に作用させる圧縮荷重のバランスをとり、積層されている各セル2の面内に作用する締結荷重を均一にすることが可能である。
As described above, according to the
このように各セル2の面内にて作用する荷重を均一にした場合の利点としては以下のようなことを挙げることができる。すなわち、例えば固体高分子電解質形燃料電池において、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動するとともに、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子(隣接のMEA30のアノードで生成した電子がセパレータ20を通ってくる)から水を生成する反応が行われる。このような電気化学反応が正常に行われるには、スタック3の締結荷重がスタック3の電極部の横断面全域にわたって均一で、しかも大きく変動しないことが必要である。また、カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ20間には、各セル2にあるいは複数個のセル2毎に、冷却媒体(通常は冷却水)が流れる流路が形成されており、燃料電池1を冷却している。そのため、燃料電池1の環境温度は、運転停止時の周囲温度(例えば、20℃)と運転時の冷却媒体温度(例えば、約80℃)との間に繰り返し変化し、それによって締結荷重も変動する。また、膜や電極のクリープ現象によっても荷重は変わりうる。このような状況に対し、本実施形態で説明した燃料電池1によればセル面内荷重をより均一にすることができるから、電池内における電気化学反応をより正常な状態で継続させうるという点で有利である。
Thus, the following can be mentioned as an advantage when the load which acts in the surface of each
以上に加え、本実施形態の燃料電池1においては、テンションプレート29の外面29aと各コーナ部25の外面25aとが面一になるようにしているから、各凹部26にテンションプレート29を収めた状態とすることができる(図2参照)。また、これにより、スタック3の外面ないしは外郭から突出する部位をなくし、扱いやすい燃料電池1とすることも可能である。
In addition to the above, in 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、上述した実施形態では各流体流路がストレート流路であるものを例示したが(図1参照)、これに限らず、例えばサーペンタイン流路であってももちろん本発明の適用が可能である。 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 above-described embodiment, each fluid channel is exemplified as a straight channel (see FIG. 1). However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a serpentine channel, for example. .
また、本実施形態では板状のテンション部材29の好例としてテンションプレートを例示したがこのような板状のものに限られるわけではない。例えば矩形のフレームに斜交い等が設けられた部材であっておよそ板状でない場合であっても、板状と同程度の剛性を有するものであればテンションプレートと同様にテンション部材29として適用することが可能である。
In the present embodiment, a tension plate is illustrated as a good example of the plate-
1…燃料電池、2…セル、3…スタック(セルスタック)、20…セパレータ、25…コーナ部(はみ出し領域)、25a…コーナ部の外面、26…凹部、29…テンションプレート(テンション部材)、29a…テンションプレート(テンション部材)の外面、30…MEA(膜−電極アッセンブリ)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記セパレータの縁辺に形成された凹部に少なくとも一部が収まる板状のテンション部材を配置し、該テンション部材を利用して前記セルスタックに対して積層方向への荷重を付与することを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell in which a cell is configured by stacking a membrane-electrode assembly and a separator, and a cell stack is configured by stacking a plurality of the cells,
A plate-like tension member that is at least partially accommodated in a recess formed on an edge of the separator is disposed, and a load in the stacking direction is applied to the cell stack using the tension member. Fuel cell.
前記セパレータは、略矩形状の領域および該矩形状領域から当該セパレータの面方向に突出するように形成されたはみ出し領域からなり、
反応ガスおよび冷却水の各流体用のマニホールドであって前記はみ出し領域内に一部が位置しているものは、少なくとも他の一部が前記矩形状領域に位置している
ことを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell in which a cell is configured by stacking a membrane-electrode assembly and a separator, and a cell stack is configured by stacking a plurality of the cells,
The separator includes a substantially rectangular region and a protruding region formed so as to protrude from the rectangular region in the surface direction of the separator,
A manifold for each fluid of reaction gas and cooling water, a part of which is located in the protruding area, at least the other part of which is located in the rectangular area battery.
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