JP2008059942A - Fuel battery module, and fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池モジュール、燃料電池、及び、車両に関し、特に、容易に製造可能な燃料電池モジュール、当該燃料電池モジュールを収容可能な燃料電池、及び、当該燃料電池を搭載可能な車両に関する。 The present invention relates to a fuel cell module, a fuel cell, and a vehicle, and more particularly to a fuel cell module that can be easily manufactured, a fuel cell that can accommodate the fuel cell module, and a vehicle on which the fuel cell can be mounted.
燃料電池は、電解質層(以下、「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極(アノード及びカソード)とを備える膜電極接合体(以下、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」と記述する。)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記述する。)は、低温領域での運転が可能である。また、PEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。 A fuel cell has a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA (Membrane Electrode)” including an electrolyte layer (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”) and electrodes (anode and cathode) respectively disposed on both sides of the electrolyte membrane. The electrical energy generated by the electrochemical reaction in “Assembly)” is taken out to the outside through current collectors arranged on both sides of the MEA. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) used in household cogeneration systems and automobiles can be operated at low temperatures. It is. In addition, PEFC has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles and portable power sources because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and small and lightweight system.
単位体積当たりの発電量を向上させること等を目的として、近年、単セルが柱状のPEFC(以下、「チューブ型PEFC」という。)に関する研究が進められている。チューブ型PEFCのユニットセル(以下において、「チューブ型燃料電池セル」と記述する。)は、一般に、中空形状の電解質膜と当該電解質膜の内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される触媒層とを備える中空形状のMEA、を備えている。そして、例えば、当該MEAの内周面側に水素含有ガスを、外周面側に酸素含有ガスをそれぞれ供給することにより電気化学反応を起こし、この電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。すなわち、チューブ型PEFCでは、各チューブ型燃料電池セルに備えられるMEAの内周面側に一方の反応ガス(例えば、水素含有ガス)を、外周面側に他方の反応ガス(例えば、酸素含有ガス)を供給することにより発電エネルギーを取り出すので、隣り合う2つのユニットセルの外周面側に供給される反応ガスを同一とすることができる。したがって、チューブ型PEFCによれば、従来の平板型PEFCではガス遮蔽性能をも併せ持っていたセパレータが不要となるため、ユニットセルの小型化を図ることが容易になる。 For the purpose of improving the amount of power generation per unit volume, etc., research on a PEFC having a single cell columnar shape (hereinafter referred to as “tube type PEFC”) has been underway in recent years. Tube type PEFC unit cells (hereinafter referred to as “tube type fuel cells”) are generally disposed on a hollow electrolyte membrane and on the inner and outer peripheral surfaces of the electrolyte membrane, respectively. A hollow MEA including a catalyst layer. For example, an electrochemical reaction is caused by supplying a hydrogen-containing gas to the inner peripheral surface side of the MEA and an oxygen-containing gas to the outer peripheral surface side, and the electric energy generated by this electrochemical reaction is converted into the inner energy of the MEA. It is taken out to the outside through current collectors arranged on the peripheral surface side and the outer peripheral surface side, respectively. That is, in the tube type PEFC, one reaction gas (for example, hydrogen-containing gas) is provided on the inner peripheral surface side of the MEA provided in each tube type fuel cell, and the other reaction gas (for example, oxygen-containing gas) is provided on the outer peripheral surface side. ) Is taken out, so that the reaction gas supplied to the outer peripheral surfaces of two adjacent unit cells can be made the same. Therefore, according to the tube type PEFC, a separator that has gas shielding performance in the conventional flat plate type PEFC is not required, and it is easy to reduce the size of the unit cell.
このようなチューブ型PEFCに関する技術として、例えば、特許文献1には、中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、および前記一対の電極にそれぞれ接触する集電材を有するセルモジュールが2個以上集合したセルカートリッジを外装容器に収容してなる燃料電池であって、前記セルカートリッジは、2個以上のセルモジュールと、該セルモジュールを固定する固定部と、セルモジュールの集電材を電気的に接続するモジュール接続部と、接続されたセルモジュールの正極及び負極をそれぞれ統合する正極出力部及び負極出力部を有し、前記外装容器は、2個以上のセルカートリッジを収容する収容部と、収容したセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部を電気的に接続するカートリッジ接続部と、接続されたセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部をそれぞれ統合する正極出力端子及び負極出力端子を有し、2個以上のセルカートリッジが前記外装容器の収容部に収容されていることを特徴とする燃料電池が開示されている。特許文献1によれば、上記形態の燃料電池は、組立、分解に手間がかからず、維持管理性に優れる、としている。そして、特許文献1には、三次元状に配置された複数のセルモジュールを備えるセルカートリッジが図示されている。
しかし、特許文献1に開示されているように、複数のチューブ型燃料電池セルをケース内に3次元状に配置すると、チューブ型燃料電池セルの位置決めが困難であるほか、3次元状に配置された全てのチューブ型燃料電池セルを確実にシールすることが困難であるため、製造が困難であるという問題があった。それゆえ、燃料電池の修理や交換も行い難いという問題があった。
However, as disclosed in
そこで本発明は、容易に製造可能な燃料電池モジュール、当該燃料電池モジュールを収容可能な燃料電池、及び、当該燃料電池を搭載可能な車両を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell module which can be manufactured easily, the fuel cell which can accommodate the said fuel cell module, and the vehicle which can mount the said fuel cell.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第1の本発明は、複数のチューブ型燃料電池セルと、該複数のチューブ型燃料電池セルを内部に収容するケース部材とを備え、上記複数のチューブ型燃料電池セルが、並列かつ一列に平面配置されることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
A first aspect of the present invention includes a plurality of tube-type fuel cells and a case member that accommodates the plurality of tube-type fuel cells, and the plurality of tube-type fuel cells are arranged in parallel and in a plane. The fuel cell module is arranged.
ここに、本発明の燃料電池モジュールに備えられるチューブ型燃料電池セルは、中空形状の電解質膜と当該電解質膜の内周面側及び外周面側にそれぞれ備えられる一対の触媒層とを有する中空形状のMEAを備え、当該MEAの内周面側及び外周面側にそれぞれ集電体が配設される。そして、MEAの内周面側に還元剤(又は酸化剤)を、MEAの外周面側に酸化剤(又は還元剤)を、それぞれ供給することにより、電気化学反応を生じさせ、当該電気化学反応により生じた電気エネルギーが、上記集電体を介して取り出される。MEAへと供給される還元剤の具体例としては、水素含有ガス等を挙げることができ、MEAへと供給される酸化剤の具体例としては、酸素含有ガス等を挙げることができる。さらに、本発明において、「複数のチューブ型燃料電池セルが、並列かつ一列に平面配置される」とは、電気的に並列に接続された複数のチューブ型燃料電池セルが、2次元状(平面状)に一列に配置されることを意味する。以下の本発明においても同様である。 Here, the tubular fuel cell provided in the fuel cell module of the present invention has a hollow shape having a hollow electrolyte membrane and a pair of catalyst layers respectively provided on the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side of the electrolyte membrane. The current collectors are respectively disposed on the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side of the MEA. Then, by supplying a reducing agent (or oxidizing agent) on the inner peripheral surface side of the MEA and an oxidizing agent (or reducing agent) on the outer peripheral surface side of the MEA, an electrochemical reaction is caused, and the electrochemical reaction The electric energy generated by is taken out through the current collector. Specific examples of the reducing agent supplied to the MEA include a hydrogen-containing gas and the like, and specific examples of the oxidizing agent supplied to the MEA include an oxygen-containing gas and the like. Furthermore, in the present invention, “the plurality of tube-type fuel cells are arranged in parallel and in a plane” means that the plurality of tube-type fuel cells connected in parallel are two-dimensionally (planar). ) In a row. The same applies to the following present invention.
上記第1の本発明において、ケース部材に、第1ケース部材及び第2ケース部材が備えられ、複数のチューブ型燃料電池セルの少なくとも中央部が、第1ケース部材及び第2ケース部材によって狭持されることが好ましい。 In the first aspect of the present invention, the case member is provided with the first case member and the second case member, and at least the center part of the plurality of tube-type fuel cells is sandwiched between the first case member and the second case member. It is preferred that
さらに、上記第1の本発明(変形例も含む。以下同じ。)において、第1ケース部材が導電部材により構成され、第2ケース部材が絶縁部材により構成されることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention (including modifications, the same applies hereinafter), it is preferable that the first case member is formed of a conductive member and the second case member is formed of an insulating member.
さらに、上記第1の本発明において、第1ケース部材と複数のチューブ型燃料電池セルとを接着固定し得る接着剤を配置可能な凹部が、第1ケース部材に備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, it is preferable that the first case member is provided with a concave portion in which an adhesive capable of bonding and fixing the first case member and the plurality of tubular fuel cells is disposed.
さらに、上記第1の本発明において、第2ケース部材と複数のチューブ型燃料電池セルとを接着固定し得る接着剤を配置可能な凹部が、第2ケース部材に備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, it is preferable that the second case member is provided with a recess in which an adhesive capable of adhering and fixing the second case member and the plurality of tubular fuel cells is disposed.
さらに、上記第1の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルの一端側を収容可能な第1端部ケース部材、及び、複数のチューブ型燃料電池セルの他端側を収容可能な第2端部ケース部材が、ケース部材に備えられ、第1ケース部材と、第1端部ケース部材及び第2端部ケース部材とが連結されるとともに、第2ケース部材と、第1端部ケース部材及び第2端部ケース部材とが連結され、複数のチューブ型燃料電池セルの中央部が、第1ケース部材及び第2ケース部材によって狭持され、複数のチューブ型燃料電池セルの上記一端側が第1端部ケース部材に収容されるとともに、複数のチューブ型燃料電池セルの上記他端側が第2端部ケース部材に収容されることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, a first end case member capable of accommodating one end side of the plurality of tube-type fuel cells, and a second end member capable of accommodating the other end side of the plurality of tube-type fuel cells. An end case member is provided in the case member, and the first case member, the first end case member and the second end case member are connected to each other, and the second case member and the first end case member are connected to each other. And the second end case member are connected, the central portions of the plurality of tube-type fuel cells are sandwiched by the first case member and the second case member, and the one end side of the plurality of tube-type fuel cells is the first It is preferable that the other end side of the plurality of tubular fuel cells is accommodated in the second end case member while being accommodated in the one end case member.
さらに、上記第1の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルの熱膨張収縮とケース部材の熱膨張収縮との熱膨張収縮差を許容し得る第1許容手段が、ケース部材に備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, the case member is provided with first permissible means capable of allowing a difference in thermal expansion / contraction between the thermal expansion / contraction of the plurality of tubular fuel cells and the thermal expansion / contraction of the case member. Is preferred.
ここに、「第1許容手段」は、複数のチューブ型燃料電池セルの熱膨張収縮とケース部材の熱膨張収縮との差に起因する、複数のチューブ型燃料電池セルの変形を抑制し得る手段であれば、特に限定されるものではない。当該第1許容手段の具体的な形態例としては、ケース部材を分割し、分割されたケース部材同士を連結することにより本発明の燃料電池モジュールにおけるケース部材が構成される形態や、ケース部材の連結部に上記熱膨張収縮差を許容し得る隙間を設ける形態等を挙げることができる。 Here, the “first permissible means” is means capable of suppressing deformation of the plurality of tubular fuel cells due to the difference between the thermal expansion / contraction of the plurality of tubular fuel cells and the thermal expansion / contraction of the case member. If it is, it will not specifically limit. As a specific form example of the first permissible means, the case member in the fuel cell module of the present invention is configured by dividing the case member and connecting the divided case members, The form etc. which provide the clearance gap which can accept | permit the said thermal expansion / contraction difference in a connection part can be mentioned.
さらに、上記第1の本発明において、第1ケース部材並びに第2ケース部材のそれぞれが分割及び連結可能に構成され、分割された一のケース部材と他のケース部材とが連結されることにより、熱膨張収縮差が許容されることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, each of the first case member and the second case member is configured to be split and connectable, and by connecting the split case member and the other case member, It is preferable that a difference in thermal expansion and contraction is allowed.
ここに、「第1ケース部材並びに第2ケース部材のそれぞれが分割及び連結可能に構成され、分割された一のケース部材と他のケース部材とが連結される」とは、例えば、第1ケース部材が第1の部材と第2の部材とに分割されるとともに、第2ケース部材が第3の部材と第4の部材とに分割される場合には、分割された第1の部材と第2の部材とが連結されることにより第1ケース部材が構成され、分割された第3の部材と第4の部材とが連結されることにより第2ケース部材が構成されることを意味する。 Here, “each of the first case member and the second case member is configured to be divided and connectable, and one divided case member and another case member are connected” means, for example, the first case When the member is divided into the first member and the second member, and the second case member is divided into the third member and the fourth member, the divided first member and the second member The first case member is configured by connecting the two members, and the second case member is configured by connecting the divided third member and fourth member.
さらに、上記第1の本発明において、分割された第1ケース部材の連結部、及び/又は、分割された第2ケース部材の連結部に、熱膨張収縮差を許容し得る許容部が備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, the connecting portion of the divided first case member and / or the connecting portion of the divided second case member is provided with an allowable portion that can allow a difference in thermal expansion and contraction. It is preferable.
ここに、「分割された第1ケース部材の連結部、及び/又は、分割された第2ケース部材の連結部に、熱膨張収縮差を許容し得る許容部が備えられる」とは、例えば、第1ケース部材が第1の部材と第2の部材とに分割されるとともに、第2ケース部材が第3の部材と第4の部材とに分割される場合に、分割された第1の部材と第2の部材との連結部(以下、「第1連結部」という。)にのみ熱膨張収縮差を許容可能な許容部(例えば、隙間等。以下において同じ。)が設けられる形態、分割された第3の部材と第4の部材との連結部(以下、「第2連結部」という。)にのみ熱膨張収縮差を許容可能な許容部が設けられる形態のほか、第1連結部及び第2連結部に熱膨張収縮差を許容可能な許容部が設けられる形態が想定されることを意味する。 Here, "the connecting portion of the divided first case member and / or the connecting portion of the divided second case member is provided with an allowable portion capable of allowing a difference in thermal expansion and contraction", for example, When the first case member is divided into the first member and the second member, and the second case member is divided into the third member and the fourth member, the divided first member A configuration in which a permissible portion (for example, a gap or the like; the same applies hereinafter) capable of allowing a thermal expansion / contraction difference is provided only in a connection portion (hereinafter referred to as a “first connection portion”) between the first member and the second member. In addition to a configuration in which an allowable portion capable of allowing a difference in thermal expansion and contraction is provided only in the connecting portion between the third member and the fourth member (hereinafter referred to as “second connecting portion”), the first connecting portion And that the second connecting portion is assumed to be provided with an allowable portion capable of allowing a difference in thermal expansion and contraction. That.
さらに、上記第1の本発明において、第1ケース部材の熱膨張収縮と第2ケース部材の熱膨張収縮との熱膨張収縮差を許容し得る第2許容手段が、ケース部材に備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, the case member may be provided with second allowing means that can allow a difference in thermal expansion and contraction between the thermal expansion and contraction of the first case member and the thermal expansion and contraction of the second case member. preferable.
ここに、「第2許容手段」は、第1ケース部材の熱膨張収縮と第2ケース部材の熱膨張収縮との差を許容することにより、ケース部材の外形が変化することを抑制可能な手段であれば、特に限定されるものではない。当該第2許容手段の具体的な形態例としては、第1ケース部材を構成する第1ケース材料の線熱膨張係数値と、第2ケース部材を構成する第2ケース材料の線熱膨張係数値との差が所定の範囲内となるように、第1ケース材料及び第2ケース材料を選定する形態等を挙げることができる。 Here, the “second permitting means” is a means capable of suppressing a change in the outer shape of the case member by allowing a difference between the thermal expansion / contraction of the first case member and the thermal expansion / contraction of the second case member. If it is, it will not specifically limit. As a concrete example of the second permitting means, the linear thermal expansion coefficient value of the first case material constituting the first case member and the linear thermal expansion coefficient value of the second case material constituting the second case member The form etc. which select a 1st case material and a 2nd case material can be mentioned so that a difference may be in a predetermined range.
さらに、上記第1の本発明において、第1ケース部材を構成する第1ケース材料の線熱膨張係数値と、第2ケース部材を構成する第2ケース材料の線熱膨張係数値との差の絶対値が、5×10−6[℃−1]以下となるように、第1ケース材料及び第2ケース材料が選定されることにより、上記熱膨張収縮差が許容されることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, the difference between the linear thermal expansion coefficient value of the first case material constituting the first case member and the linear thermal expansion coefficient value of the second case material constituting the second case member. It is preferable that the thermal expansion / contraction difference is allowed by selecting the first case material and the second case material so that the absolute value is 5 × 10 −6 [° C. −1 ] or less.
ここで、第1ケース材料が、例えば、表面に金メッキ等が施されたアルミニウムのダイキャスト材である場合、現時点において市場で一般に入手可能なダイキャスト材の線熱膨張係数値は、約21×10−6[℃−1]〜約25×10−6[℃−1]である。そのため、線熱膨張係数値が約21×10−6[℃−1]〜約25×10−6[℃−1]である第2ケース材料(例えば、フェノール樹脂やガラス繊維強化樹脂等)を選定すれば、上記絶対値が5×10−6[℃−1]以下となる、第1ケース材料及び第2ケース材料を選定することができる。 Here, when the first case material is, for example, an aluminum die-cast material having a surface plated with gold or the like, the linear thermal expansion coefficient value of the die-cast material generally available in the market at present is about 21 × 10 −6 [° C. −1 ] to about 25 × 10 −6 [° C. −1 ]. Therefore, a second case material (for example, phenol resin or glass fiber reinforced resin) having a linear thermal expansion coefficient value of about 21 × 10 −6 [° C. −1 ] to about 25 × 10 −6 [° C. −1 ] is used. If it chooses, the 1st case material and the 2nd case material from which the above-mentioned absolute value will be 5x10-6 [C- 1 ] or less can be chosen.
さらに、上記第1の本発明において、第1ケース部材の熱膨張収縮と第1端部ケース部材及び/又は第2端部ケース部材の熱膨張収縮との熱膨張収縮差を許容し得る第3許容手段が、ケース部材に備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, a third thermal expansion / contraction difference between the thermal expansion / contraction of the first case member and the thermal expansion / contraction of the first end case member and / or the second end case member may be allowed. It is preferable that the allowing means is provided in the case member.
ここに、「第3許容手段」の具体的な形態例としては、第1ケース部材と第1端部ケース部材及び/又は第2端部ケース部材との連結部に隙間が設けられる形態のほか、第1ケース部材が熱膨張収縮した際に、当該熱膨張収縮に追従して変形し得る材料(例えば、フッ素ゴムやシリコーンゴム等)により、第1端部ケース部材及び/又は第2端部ケース部材が構成される形態等を挙げることができる。 Here, as a specific form example of the “third permitting means”, in addition to a form in which a gap is provided in the connecting portion between the first case member and the first end case member and / or the second end case member. When the first case member is thermally expanded and contracted, the first end case member and / or the second end portion is made of a material that can be deformed following the thermal expansion and contraction (for example, fluorine rubber or silicone rubber). The form etc. which a case member is comprised can be mentioned.
さらに、上記第1の本発明において、第1ケース部材と、第1端部ケース部材及び/又は第2端部ケース部材との連結部に許容部が備えられることにより、第1許容手段によって許容され得る熱膨張収縮差、第2許容手段によって許容され得る熱膨張収縮差、及び、第3許容手段によって許容され得る熱膨張収縮差の少なくとも1以上が許容されることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, an allowance portion is provided at a connecting portion between the first case member and the first end case member and / or the second end case member, so that the allowance is allowed by the first allowance means. It is preferable that at least one of the difference in thermal expansion / contraction that can be allowed, the difference in thermal expansion / contraction that can be allowed by the second permitting means, and the difference in thermal expansion / contraction that can be allowed by the third permitting means is allowed.
さらに、上記第1の本発明において、第2ケース部材の熱膨張収縮と第1端部ケース部材及び/又は第2端部ケース部材の熱膨張収縮との熱膨張収縮差を許容し得る第4許容手段が、ケース部材に備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, a fourth difference that allows a thermal expansion / contraction difference between the thermal expansion / contraction of the second case member and the thermal expansion / contraction of the first end case member and / or the second end case member. It is preferable that the allowing means is provided in the case member.
ここに、「第4許容手段」の具体的な形態例としては、第2ケース部材と第1端部ケース部材及び/又は第2端部ケース部材との連結部に許容部が設けられる形態のほか、第2ケース部材が熱膨張収縮した際に、当該熱膨張収縮に追従して変形し得る材料(例えば、フッ素ゴムやシリコーンゴム等)により、第1端部ケース部材及び/又は第2端部ケース部材が構成される形態等を挙げることができる。 Here, as a specific form example of the “fourth allowance means”, an allowance portion is provided at a connecting portion between the second case member and the first end case member and / or the second end case member. In addition, when the second case member is thermally expanded and contracted, the first end case member and / or the second end is made of a material (for example, fluorine rubber or silicone rubber) that can be deformed following the thermal expansion and contraction. The form etc. which a part case member is comprised can be mentioned.
さらに、上記第1の本発明において、第2ケース部材と、第1端部ケース部材及び/又は第2端部ケース部材との連結部に許容部が備えられることにより、第1許容手段によって許容され得る熱膨張収縮差、第2許容手段によって許容され得る熱膨張収縮差、第3許容手段によって許容され得る熱膨張収縮差、及び、第4許容手段によって許容され得る熱膨張収縮差の少なくとも1以上が許容されることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, an allowance portion is provided at a connecting portion between the second case member and the first end case member and / or the second end case member, so that the allowance is allowed by the first allowance means. At least one of a difference in thermal expansion and contraction that can be allowed, a difference in thermal expansion and contraction that can be allowed by the second permitting means, a difference in thermal expansion and contraction that can be allowed by the third allowing means, and a difference in thermal expansion and contraction that can be allowed by the fourth allowing means The above is preferably allowed.
さらに、上記第1の本発明において、複数の燃料電池セルへと供給される流体のマニホールドが、ケース部材の一部によって構成されることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, it is preferable that the manifold of the fluid supplied to the plurality of fuel cells is constituted by a part of the case member.
さらに、上記第1の本発明において、複数の燃料電池セルの端部を収容するケース部材に、流体のマニホールドが並列に備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, it is preferable that a fluid manifold is provided in parallel in a case member that accommodates end portions of a plurality of fuel cells.
ここに、「燃料電池セルの端部」とは、チューブ型燃料電池セルの一端側及び他端側を意味し、具体的には、中空形状のMEAの内周面側に配設される集電体(以下、「内部集電体」という。)の表面が、ケース部材の内部において剥き出しとされている箇所を意味する。すなわち、本発明の燃料電池モジュールに備えられる複数のチューブ型燃料電池セルは、内部集電体の中央部表面に中空形状のMEAが備えられる一方、内部集電体の端部表面には中空形状のMEAが備えられず、内部集電体の端部表面は、ケース内部において剥き出しとされている。そして、当該剥き出しとされている内部集電体の端部表面を介して、中空形状のMEAの内周面へ還元剤(又は酸化剤)が供給される。したがって、「複数の燃料電池セルの端部を収容するケース部材」とは、ケース部材の内部において表面が剥き出しとされた内部集電体を収容する、ケース部材の一部を意味する。さらに、「流体のマニホールドが並列に備えられる」とは、複数の燃料電池セルの一端側及び他端側のそれぞれに、流体のマニホールドが複数備えられ、上記一端側に備えられる流体のマニホールドをA1及びA2とし、上記他端側に備えられる流体のマニホールドをB1及びB2とするとき、複数の燃料電池セルの中央部側にA1及びB1が備えられ、A1の外側にA2が、B1の外側にB2が、それぞれ備えられることを意味する。 Here, the “end portion of the fuel cell” means one end side and the other end side of the tube type fuel cell, and specifically, a collection disposed on the inner peripheral surface side of the hollow MEA. It means a portion where the surface of the electric body (hereinafter referred to as “internal current collector”) is exposed inside the case member. That is, the plurality of tubular fuel cells provided in the fuel cell module of the present invention are provided with a hollow MEA on the surface of the central portion of the internal current collector, and on the end surface of the internal current collector with a hollow shape. The MEA is not provided, and the end surface of the internal current collector is exposed inside the case. Then, a reducing agent (or oxidizing agent) is supplied to the inner peripheral surface of the hollow MEA through the end surface of the exposed internal current collector. Therefore, the “case member that accommodates the ends of the plurality of fuel cells” means a part of the case member that houses the internal current collector whose surface is exposed inside the case member. Further, “a fluid manifold is provided in parallel” means that a plurality of fluid manifolds are provided on each of one end side and the other end side of the plurality of fuel cells, and the fluid manifold provided on the one end side is A1. And A2, and the fluid manifolds provided on the other end side are B1 and B2, A1 and B1 are provided on the center side of the plurality of fuel cells, A2 is provided outside A1, and A2 is provided outside B1. B2 means that each is provided.
さらに、上記第1の本発明において、流体は、複数の燃料電池セルの温度を制御可能な熱媒体、及び、複数の燃料電池セルへと供給される気体であり、複数の燃料電池セルの中央部側に気体のマニホールドが備えられ、気体のマニホールドの外側に熱媒体のマニホールドが備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, the fluid is a heat medium capable of controlling the temperature of the plurality of fuel cells, and a gas supplied to the plurality of fuel cells, and the center of the plurality of fuel cells. It is preferable that a gas manifold is provided on the part side and a heat medium manifold is provided outside the gas manifold.
さらに、上記第1の本発明において、流体のマニホールドの周縁部に、シール部材が備えられることが好ましい。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, it is preferable that a seal member is provided on the peripheral edge of the fluid manifold.
ここに、「シール部材」を構成する材料としては、従来の平板型PEFCの単セルの気密性を確保する等の目的で使用されるシール部材を構成し得る材料を用いることができる。 Here, as a material constituting the “seal member”, a material that can constitute a seal member used for the purpose of ensuring the airtightness of a single cell of a conventional flat plate type PEFC can be used.
第2の本発明は、積層される複数の燃料電池モジュールと、積層された複数の燃料電池モジュールを収容する外部ケース部材とを備え、上記燃料電池モジュールは、複数のチューブ型燃料電池セルと、該複数のチューブ型燃料電池セルを内部に収容するケース部材とを備え、複数のチューブ型燃料電池セルは、並列かつ一列に平面配置されることを特徴とする、燃料電池である。 The second aspect of the present invention includes a plurality of stacked fuel cell modules and an outer case member that houses the stacked plurality of fuel cell modules, and the fuel cell module includes a plurality of tube-type fuel cell cells, A plurality of tubular fuel cells, and the plurality of tubular fuel cells are arranged in parallel and in a plane in a row.
上記第2の本発明において、隣接する燃料電池モジュールと通電可能な通電部が、ケース部材に備えられることが好ましい。 In the second aspect of the present invention, it is preferable that the case member is provided with an energization portion capable of energizing an adjacent fuel cell module.
ここに、「隣接する燃料電池モジュールと通電可能な通電部が、ケース部材に備えられる」とは、積層された複数の燃料電池モジュールのうち、互いに接触している燃料電池モジュールの一方の燃料電池モジュールのケース部材に、他方の燃料電池モジュールと通電可能な通電部が備えられることを意味する。本発明では、積層された複数の燃料電池モジュールの全てに、隣接する他の燃料電池モジュールと通電可能な部位を有するケース部材が備えられることが好ましい。 Here, “the case member is provided with an energization section that can be energized with an adjacent fuel cell module” means that one of the stacked fuel cell modules is in contact with each other. This means that the case member of the module is provided with a current-carrying part that can be energized with the other fuel cell module. In the present invention, it is preferable that a case member having a portion that can be energized with another adjacent fuel cell module is provided in all of the stacked fuel cell modules.
さらに、上記第2の本発明(変形例も含む。以下同じ。)において、隣接する燃料電池モジュールと通電可能な通電部が、ケース部材を貫通する形態で備えられることが好ましい。 Furthermore, in the second aspect of the present invention (including modifications, the same applies hereinafter), it is preferable that an energization portion capable of energizing an adjacent fuel cell module is provided in a form penetrating the case member.
ここに、「隣接する燃料電池モジュールと通電可能な通電部が、ケース部材を貫通する形態で備えられる」とは、積層された複数の燃料電池モジュールのうち、互いに接触している燃料電池モジュールの一方の燃料電池モジュールに、他方の燃料電池モジュールと通電可能な通電部が備えられ、当該通電部が、当該一方の燃料電池モジュールのケース部材を貫通する形態で備えられることを意味する。本発明では、積層された複数の燃料電池モジュールの全てに、隣接する他の燃料電池モジュールと通電可能な通電部が備えられることが好ましい。 Here, “an energizing portion capable of energizing adjacent fuel cell modules is provided in a form penetrating the case member” means that the fuel cell modules in contact with each other among the plurality of stacked fuel cell modules. It means that one fuel cell module is provided with an energization part capable of energizing with the other fuel cell module, and the energization part is provided in a form penetrating the case member of the one fuel cell module. In the present invention, it is preferable that all of the plurality of stacked fuel cell modules are provided with a current-carrying portion that can be energized with another adjacent fuel cell module.
上記第2の本発明において、積層された複数の燃料電池モジュールが、拘束部材によって拘束されることが好ましい。 In the second aspect of the present invention, it is preferable that the plurality of stacked fuel cell modules are restrained by a restraining member.
ここに、「拘束部材」は、少なくとも−40℃以上120℃以下の温度環境において、積層された複数の燃料電池モジュールが脱落しない形態で拘束可能であれば特に限定されるものではく、例えば、アルミニウム等に代表される金属や、各種樹脂等からなる帯状部材を備える拘束部材を用いることができる。 Here, the “restraint member” is not particularly limited as long as it can be restrained in a form in which the stacked fuel cell modules do not fall off at least in a temperature environment of −40 ° C. or more and 120 ° C. or less. A restraint member provided with a belt-shaped member made of a metal typified by aluminum or the like or various resins can be used.
さらに、上記第2の本発明において、外部ケース部材に、複数の燃料電池モジュールへと気体を供給可能な気体供給手段が備えられることが好ましい。 Furthermore, in the second aspect of the present invention, it is preferable that the outer case member is provided with a gas supply means capable of supplying gas to the plurality of fuel cell modules.
ここに、「気体供給手段」は、複数の燃料電池モジュールへと気体を供給可能なものであれば特に限定されるものではない。気体供給手段の具体例としては、複数の燃料電池モジュールへ酸素含有ガスを供給することが可能な電動ファン等を挙げることができる。 Here, the “gas supply means” is not particularly limited as long as gas can be supplied to the plurality of fuel cell modules. Specific examples of the gas supply means include an electric fan that can supply an oxygen-containing gas to a plurality of fuel cell modules.
さらに、上記第2の本発明において、積層された複数の燃料電池モジュールと、外部ケース部材との間に、シール部材が配設されることが好ましい。 Furthermore, in the second aspect of the present invention, it is preferable that a seal member is disposed between the plurality of stacked fuel cell modules and the outer case member.
ここに、「シール部材」は、燃料電池の運転時に気体供給手段から供給される気体が、複数の燃料電池モジュールへと効率良く到達可能とする機能を果たし得るものであれば、特に限定されるものではない。シール部材を構成し得る材料の具体例としては、従来の平板型PEFCの単セルの気密性を確保する等の目的で使用されるシール部材を構成し得る材料を用いることができる。 Here, the “seal member” is particularly limited as long as the gas supplied from the gas supply means during the operation of the fuel cell can fulfill the function of efficiently reaching the plurality of fuel cell modules. It is not a thing. As a specific example of the material that can constitute the seal member, a material that can constitute the seal member used for the purpose of ensuring the air tightness of a single cell of a conventional flat plate type PEFC can be used.
さらに、上記第2の本発明において、燃料電池モジュールが、上記第1の本発明の燃料電池モジュールであることが好ましい。 Furthermore, in the second aspect of the present invention, the fuel cell module is preferably the fuel cell module of the first aspect of the present invention.
第3の本発明は、気体供給手段が、前方側に設けられていることを特徴とする、上記第2の本発明にかかる燃料電池を備える車両である。 A third aspect of the present invention is a vehicle comprising the fuel cell according to the second aspect of the present invention, wherein the gas supply means is provided on the front side.
ここに、「前方側」とは、気体供給手段を有する燃料電池を備える車両の前方側を意味する。 Here, “front side” means the front side of a vehicle including a fuel cell having gas supply means.
第1の本発明によれば、複数のチューブ型燃料電池セルが、並列かつ一列に平面配置されるので、複数のチューブ型燃料電池セルを容易かつ確実にシールすることが可能な燃料電池モジュールを提供できる。さらに、複数のチューブ型燃料電池セルが、並列かつ一列に平面配置されるので、各チューブ型燃料電池セルに備えられる集電体も一列に平面配置することができ、集電が容易な燃料電池モジュールを提供できる。さらに、複数のチューブ型燃料電池セルが平面配置されるので、内部に収容される複数のチューブ型燃料電池セルの位置決めが容易になり、容易に製造可能な燃料電池モジュールを提供できる。 According to the first aspect of the present invention, since the plurality of tube-type fuel cells are arranged in parallel and in a plane, the fuel cell module capable of easily and reliably sealing the plurality of tube-type fuel cells. Can be provided. Further, since the plurality of tube-type fuel cells are arranged in parallel and in a plane, the current collectors provided in each tube-type fuel cell can also be arranged in a plane in a row, and a fuel cell that is easy to collect current Can provide modules. Furthermore, since the plurality of tube-type fuel cells are arranged in a plane, the plurality of tube-type fuel cells accommodated therein can be easily positioned, and a fuel cell module that can be easily manufactured can be provided.
さらに、第1の本発明において、ケース部材に、第1ケース部材及び第2ケース部材が備えられ、第1ケース部材を導電部材により構成し、第2ケース部材を絶縁部材により構成することにより、複数のチューブ型燃料電池セルを電気的に直列に接続することが容易な燃料電池モジュールを提供できる。加えて、第1の本発明において、第1ケース部材及び/又は第2ケース部材に、接着剤を配置可能な凹部が備えられる構成とすることで、製造時の作業性を向上させることができる。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, the case member is provided with a first case member and a second case member, the first case member is constituted by a conductive member, and the second case member is constituted by an insulating member, It is possible to provide a fuel cell module that can easily connect a plurality of tubular fuel cells electrically in series. In addition, in the first aspect of the present invention, the first case member and / or the second case member may be provided with a recess capable of arranging an adhesive, thereby improving workability during manufacturing. .
さらに、第1の本発明において、チューブ型燃料電池セルの端部を、中央部と異なる部材(第1端部ケース部材、第2端部ケース部材)に収容することで、ケース部材とチューブ型燃料電池セルとの熱膨張収縮差に起因するチューブ型燃料電池セルの変形を抑制することが可能になる。加えて、ケース部材に第1許容手段が備えられる構成とすることで、この効果をより顕著にすることができる。 Further, in the first aspect of the present invention, the end portion of the tube type fuel cell is accommodated in a member (first end case member, second end case member) different from the central portion, so that the case member and the tube type are accommodated. It becomes possible to suppress deformation of the tubular fuel cell due to the difference in thermal expansion and contraction from the fuel cell. In addition, this effect can be made more remarkable by adopting a configuration in which the case member is provided with the first allowing means.
さらに、第1の本発明において、ケース部材に第2許容手段〜第4許容手段が備えられる構成とすることで、例えば、内部に複数のチューブ型燃料電池セルを収容するケース部材の変形、及び/又は、ケース部材とチューブ型燃料電池セルとの熱膨張収縮差に起因するチューブ型燃料電池セルの変形を防止することができる。これにより、シール性を向上させること、及び/又は、チューブ型燃料電池セルの発電性能の低下を抑制することが可能になる。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, the case member is provided with the second permission means to the fourth permission means, for example, the deformation of the case member that accommodates a plurality of tubular fuel cells therein, and / Or deformation of the tubular fuel cell due to the difference in thermal expansion and contraction between the case member and the tubular fuel cell can be prevented. Thereby, it becomes possible to improve sealing performance and / or to suppress a decrease in power generation performance of the tube-type fuel cell.
さらに、第1の本発明において、ケース部材の一部によって流体のマニホールドが構成されることにより、燃料電池モジュールを構成する部材数の増加を抑制することが可能になる。加えて、流体のマニホールドが並列に備えられる構成とすることにより、燃料電池モジュールの小型化を図ることが容易になる。さらに、第1の本発明において、マニホールドの周縁部にシール部材が備えられる構成とすることにより、流体を確実にシールすることが可能な燃料電池モジュールを提供できる。 Furthermore, in the first aspect of the present invention, by forming a fluid manifold by a part of the case member, it is possible to suppress an increase in the number of members constituting the fuel cell module. In addition, by adopting a configuration in which fluid manifolds are provided in parallel, the fuel cell module can be easily downsized. Furthermore, in the first aspect of the present invention, a fuel cell module capable of reliably sealing a fluid can be provided by adopting a configuration in which the peripheral portion of the manifold is provided with a seal member.
一方、第2の本発明によれば、複数のチューブ型燃料電池セルが、並列かつ一列に平面配置されるので、複数のチューブ型燃料電池セルを確実にシールすることが可能であるとともに、集電が容易であり、かつ、容易に製造可能な燃料電池モジュールが備えられる。したがって、シール性及び集電効率を向上させることが可能であり、かつ、容易に製造可能な、燃料電池を提供できる。 On the other hand, according to the second aspect of the present invention, the plurality of tube-type fuel cells are arranged in parallel and in a plane, so that the plurality of tube-type fuel cells can be reliably sealed and A fuel cell module is provided that is easy to generate electricity and can be easily manufactured. Therefore, it is possible to provide a fuel cell that can improve the sealing performance and the current collection efficiency and can be easily manufactured.
さらに、第2の本発明において、ケース部材に、及び/又は、ケース部材を貫通する形態で、通電部が備えられる構成とすることで、積層される複数の燃料電池モジュールを電気的に直列に接続することが容易な、燃料電池を提供できる。 Furthermore, in the second aspect of the present invention, a plurality of fuel cell modules to be stacked are electrically connected in series by providing the energization part in the case member and / or through the case member. A fuel cell that can be easily connected can be provided.
さらに、第2の本発明において、積層された複数の燃料電池モジュールが、拘束部材によって拘束される構成とすることで、燃料電池の構造を簡素化することが可能になるほか、燃料電池モジュール間の接触抵抗を低減するために必要とされる圧力を、当該拘束部材を介して加えることが可能になる。 Furthermore, in the second aspect of the present invention, the structure in which the plurality of stacked fuel cell modules are constrained by the constraining member can simplify the structure of the fuel cells and The pressure required to reduce the contact resistance can be applied via the restraining member.
さらに、第2の本発明において、外部ケース部材に気体供給手段が備えられる構成とすることで、複数のチューブ型燃料電池セルへ多くの反応ガスを供給することが可能になるため、燃料電池の発電性能を向上させることができる。そして、積層された複数の燃料電池モジュールと外部ケース部材との間に、シール部材が配設される構成とすることにより、この効果を一層向上させることが可能になる。 Further, in the second aspect of the present invention, since the gas supply means is provided in the outer case member, a large amount of reaction gas can be supplied to the plurality of tube-type fuel cells. The power generation performance can be improved. This effect can be further improved by adopting a configuration in which the seal member is disposed between the plurality of stacked fuel cell modules and the outer case member.
さらに、第2の本発明にかかる燃料電池に、第1の本発明にかかる燃料電池モジュールが備えられていれば、シール性及び集電効率を向上させることが容易になり、かつ、製造が容易になる。 Further, if the fuel cell according to the second aspect of the present invention is provided with the fuel cell module according to the first aspect of the present invention, it is easy to improve the sealing performance and the current collection efficiency, and the manufacture is easy. become.
他方、第3の本発明によれば、気体供給手段により増幅された走行風を、複数のチューブ型燃料電池セルへ供給できるので、走行風の利用効率を向上させることが可能な、燃料電池搭載車両を提供できる。 On the other hand, according to the third aspect of the present invention, the traveling wind amplified by the gas supply means can be supplied to the plurality of tube-type fuel cells, so that the utilization efficiency of traveling wind can be improved. A vehicle can be provided.
図面を参照しつつ、本発明の燃料電池モジュール及び本発明の燃料電池について、以下に説明する。以下の説明では、チューブ型燃料電池セルに備えられる中空形状のMEAの外周面側へ酸素含有ガス(以下、「空気」という。)が供給されるとともに、同MEAの内周面側へ水素含有ガス(以下、「水素」という。)が供給され、チューブ型燃料電池セルに冷媒が供給される形態を例示するが、本発明は当該形態に限定されるものではない。チューブ型燃料電池セルには、中空形状のMEAの外周面側へ水素を供給し、同MEAの内周面側へ空気を供給することも可能であり、寒冷地等で使用される場合には、冷媒に代えて温水等の温熱媒体を供給することもできる。 The fuel cell module of the present invention and the fuel cell of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “air”) is supplied to the outer peripheral surface side of the hollow MEA provided in the tubular fuel cell, and the hydrogen-containing gas is supplied to the inner peripheral surface side of the MEA. Although a mode in which a gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) is supplied and a refrigerant is supplied to the tubular fuel cell is illustrated, the present invention is not limited to this mode. It is also possible to supply hydrogen to the outer peripheral surface side of the hollow MEA and supply air to the inner peripheral surface side of the MEA in the tubular fuel cell. Instead of the refrigerant, a hot medium such as hot water can be supplied.
1.燃料電池モジュール
1.1.第1実施形態
図1は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す上面図である。図2は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す側面図である。図3は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す下面図である。図4は、図1に点線で示した部位を一部省略して示す拡大図であり、本発明の燃料電池モジュールに収容される複数のチューブ型燃料電池セルを破線で示している。図5は、図1のX−X断面を示す拡大図であり、一部を省略して示している。図6は、図2のY−Y断面図であり、一部のみを拡大して示している。図7は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールが積層された形態を示す断面図であり、図が煩雑になることを防ぐため、符合を適宜省略して示している。図1〜図5、及び、図7の直線矢印は、重力方向を示しており、図6では、紙面に垂直な方向が重力方向である。以下、図1〜図7を適宜参照しつつ、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールについて説明する。
1. Fuel cell module 1.1. First Embodiment FIG. 1 is a top view schematically showing an example of a fuel cell module according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side view schematically showing an example of the fuel cell module according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a bottom view schematically showing an example of the fuel cell module according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is an enlarged view in which a part indicated by a dotted line in FIG. 1 is omitted, and a plurality of tubular fuel cells accommodated in the fuel cell module of the present invention are indicated by broken lines. FIG. 5 is an enlarged view showing the XX cross section of FIG. 1, and a part thereof is omitted. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line YY in FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing an embodiment in which the fuel cell modules of the present invention according to the first embodiment are stacked. In order to prevent the figure from becoming complicated, the reference numerals are appropriately omitted. 1 to 5 and FIG. 7 indicate the direction of gravity, and in FIG. 6, the direction perpendicular to the paper surface is the direction of gravity. The fuel cell module according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 7 as appropriate.
図1〜図4に示すように、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール100(以下、「燃料電池モジュール100」という。)は、ケース部材としての第1ケース部材10及び第2ケース部材20を備え、それぞれ一体に成形された第1ケース部材10及び第2ケース部材20の両端部には、冷媒用マニホールド31、32と、水素用マニホールド33、34と、が備えられ、ケース部材の側面には、空気流入口35が備えられている。燃料電池モジュール100の作動時には、重力方向上方側から冷媒(例えば、LLC等)が供給され、チューブ型燃料電池セル(以下、単に「セル」ということがある。)50、50、…を冷却した後の冷媒は、重力方向下方側から排出される。一方、水素は空気よりも軽いため、重力方向下方側から供給されて重力方向上方側へと移動し、セル50、50、…にて使用されなかった水素は、重力方向上方側から排出されて回収される。そして、冷媒用マニホールド31、32、及び、水素用マニホールド33、34の周縁部には、ビードガスケット40、40、…が備えられ、ビードガスケット40、40、…は、第1ケース部材10に加硫接着されている。かかる形態の燃料電池モジュール100が積層されて積層方向に圧縮圧力が加えられると、ビードガスケット40、40、…がシール部材として機能する(図7参照)。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
図4及び図5に示すように、燃料電池モジュール100に収容される複数のセル50、50、…は、並列かつ一列に平面配置され、当該セル50、50、…が、第1ケース部材10及び第2ケース部材20によって狭持されている。ここで、第1ケース部材10は、例えば、所定の形状に成形したアルミニウムのダイキャスト材の表面に金めっきを施すことにより構成され、第2ケース部材20は、絶縁材料であるガラス繊維強化樹脂(FRP)を所定の形状に成形することにより構成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the plurality of
図5〜図7に示すように、第1ケース部材10及び第2ケース部材20によって狭持されるセル50は、内部に冷媒流路55を備え、且つ、外表面に反応ガス流路54、54、…を備える内部集電体52と、当該内部集電体52の外表面に配設される中空形状のMEA51と、当該MEA51の外表面に巻回される外部集電体53と、を備えている。燃料電池モジュール100では、外部集電体53と第1ケース部材10との間に絶縁性のシート状部材(絶縁シート)57が備えられることにより、短絡が防止されている。そして、外部集電体53及び外部集電板56、56が、図5にB、Bで示される部位にて接触し、内部集電体52及び第1ケース部材10が、図5にA、A、…で示される部位にて接触している。ここで、内部集電体52、外部集電体53、及び、外部集電板56、56は、表面に金めっきが施された銅等の導電材料により構成されている。
As shown in FIGS. 5 to 7, the
図5に示すように、第1ケース部材10には、接着剤を配置可能な凹部11、12、13が備えられるとともに、第2ケース部材20には、接着剤を配置可能な凹部21、22、23が備えられている。そのため、例えば、凹部21、22、23に接着剤を配置するとともに、外部集電体56、56用の孔24、24に外部集電体56、56を配置した第2ケース部材20の上に、セル50、50、…を並列かつ一列に平面配置し、さらに、第2ケース部材20の上に配置されたセル50、50、…に備えられる外部集電体53、53、…の上に絶縁シート57を配置した後、凹部11、12、13に接着剤を配置した第1ケース部材10を、第1ケース部材10の凹部11と第2ケース部材20の凹部21とが対向する形態で配置する等の工程を経ることにより、燃料電池モジュール100を容易に組み立てる(製造する)ことができる。
As shown in FIG. 5, the
このように、燃料電池モジュール100によれば、複数のセル50、50、…が並列かつ一列に平面配置されるので、第1ケース部材10と複数のセル50、50、…と第2ケース部材20とを、接着剤を介して固定することにより、全てのセル50、50、…を容易かつ確実にシールすることができる。さらに、後述するように、外部集電体56、56の上に複数のセル50、50、…を配置するのみで、燃料電池モジュール100に収容される複数のセル50、50、…を位置決めすることができる。加えて、複数のセル50、50、…が並列かつ一列に平面配置されるので、全てのセル50、50、…と第1ケース部材10とを、図5にA、A、…で示される部位を介して接触させることができ、アノード側の集電を容易に行うことが可能になる。したがって、燃料電池モジュール100によれば、製造が容易になるのみならず、セル50、50、…の位置決め、シール性、及び、集電効率を向上させることが可能になる。
As described above, according to the
燃料電池モジュール100の作動時には、重力方向上方側に位置する冷媒用マニホールド31の冷媒流入口31aから冷媒が供給される。冷媒流入口31aから流入した冷媒の一部は、冷媒用マニホールド31を介して複数のセル50、50、…の冷媒流路55、55、…へと分岐することにより、セル50、50、…の冷媒流路55、55、…へと流入する。これに対し、冷媒流入口31から流入した残りの冷媒は、冷媒流出口31bから燃料電池モジュール100の外へと流出し、当該燃料電池モジュール100と隣接して積層される他の燃料電池モジュール100の冷媒流入口から、当該他の燃料電池モジュール内へと流入する(図7参照)。上記工程を経て冷媒用マニホールド31から冷媒流路55へと流入した冷媒は、冷媒流路55内を流れる間にセル50を冷却することにより、MEA51を所定の温度(例えば、80℃前後)に維持するために機能する。その後、冷却流路55から重力方向下方側に位置する冷媒用マニホールド32へと流出した冷媒は、隣接する他の燃料電池モジュールから冷媒流入口32aを介して流入してきた冷媒とともに、冷媒流出口32bから燃料電池モジュール100の外へと流出し、回収される。
During the operation of the
一方、燃料電池モジュール100の作動時には、重力方向下方側に位置する水素用マニホールド33の水素流入口33aから水素が供給される。水素流入口33aから流入した水素の一部は、水素用マニホールド33を介して複数のセル50、50、…の反応ガス流路54、54、…へと分岐することにより、セル50、50、…の反応ガス流路54、54、…へと流入し、当該反応ガス流路54、54、…からMEA51、51、…の内周面側へ水素が供給される。これに対し、水素流入口33aから流入した残りの水素は、水素流出口33bから燃料電池モジュール100の外へと流出し、当該燃料電池モジュール100と隣接して積層される他の燃料電池モジュール100の水素流入口から、当該他の燃料電池モジュール100の内部へと流入する。上記工程を経てMEA51、51、…の内周面側へと供給された水素は、その後、MEA51、51、…における電気化学反応に使用され、内部集電体52、52、…及び第1ケース部材10を介して、MEA51、51、…のアノード側の集電がなされる。MEA51、51、…における上記電気化学反応に使用されなかった水素は、その後、重力方向上方側に位置する水素用マニホールド34へと到達する。このようにして水素用マニホールド34へと到達した水素は、隣接する他の燃料電池モジュール100から水素流入口34aを介して流入してきた水素とともに、水素流出口34bから燃料電池モジュール100の外へと流出し、回収される。
On the other hand, when the
すなわち、燃料電池モジュール100では、ケース部材の一部によって構成される冷媒用マニホールド31及び水素用マニホールド33を介して、冷媒及び水素がセル50、50、…へと供給され、ケース部材の一部によって構成される冷媒用マニホールド32及び水素用マニホールド34を介して、冷媒及び水素が燃料電池モジュール100の外へと流出する。このように、燃料電池モジュール100は、ケース部材の一部によって冷媒用マニホールド及び水素用マニホールドが構成され、かつ、冷媒用マニホールド及び水素用マニホールドが並列に備えられているので、燃料電池モジュールを構成する部材数の増加を抑制することが可能になり、燃料電池モジュールの小型化を図ることが容易になる。また、主に図4及び図5に示すように、燃料電池モジュール100では、冷媒用マニホールド31、32、及び水素用マニホールド33、34(より正確には、冷媒流入口31a、32a、及び、冷媒流出口31b、32b、並びに、水素流入口33a、34a、及び、水素流出口33b、34b)の周囲にビードガスケット40、40、…が備えられているので、水素及び冷媒を確実にシールすることができる。さらに、水素用マニホールド33、34の外側に冷媒用マニホールド31、32が配置されるので、過冷却状態で供給される水素を、冷媒用マニホールド31、32を介して供給される冷媒によって暖めることができ、暖められた水素をセル50、50、…へと供給することができる。
That is, in the
他方、図2及び図6に示すように、燃料電池モジュール100の作動時には、燃料電池モジュール100の側面に備えられる空気流入口35を介して、MEA51、51の外周面側へ空気が供給される。MEA51、51の外周面側へと供給された空気は、MEA51、51における電気化学反応に使用され、外部集電体53、53及び外部集電板56を介して、カソード側の集電がなされる。MEA51、51における上記電気化学反応に使用されなかった空気は、その後、空気流入口35が備えられる側面とは反対側の側面に備えられる空気流出口(不図示)から燃料電池モジュール100の外へと排出される。
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 6, when the
加えて、図6に示すように、燃料電池モジュール100に備えられる外部集電板56は、セル50、50側の面に凹部が備えられ、当該凹部は、外部集電体53、53と対応した形状とされている。したがって、燃料電池モジュール100によれば、外部集電板56、56の凹部にセル50、50、…を並列かつ一列に平面配置することのみによって、セル50、50、…の位置決めをすることができるので、燃料電池モジュール100を容易に組み立てる(製造する)ことができる。
In addition, as shown in FIG. 6, the external
図7に示すように、燃料電池モジュール100、100、…は、外部集電板56、56、…と第1ケース部材10、10、…とが接触する形態で積層される。それゆえ、燃料電池モジュール100によれば、導電部材である外部集電板56、56、…、及び、第1ケース部材10、10、…を介して、複数の燃料電池モジュール100、100、…を電気的に直列に接続することができる。
As shown in FIG. 7, the
また、上述のように、燃料電池モジュール100において、第1ケース部材10は、表面に金めっきが施されたアルミニウムのダイキャスト材からなり、第2ケース部材20はFRPからなる。ここで、アルミニウムのダイキャスト材の線熱膨張係数値は約21×10−6[℃−1]〜約25×10−6[℃−1]であり、第2ケース部材20を構成するFRPの線熱膨張係数値も約21×10−6[℃−1]〜約25×10−6[℃−1]である。すなわち、第1ケース部材10を構成する材料の線熱膨張係数値と第2ケース部材20を構成する材料の線熱膨張係数値との差の絶対値が5×10−6[℃−1]以下となるため、燃料電池モジュール100によれば、第1ケース部材10と第2ケース部材20との熱膨張収縮差が小さい。当該熱膨張収縮差が大きいと、第1ケース部材と第2ケース部材との間に隙間が生じやすくなる等、燃料電池モジュールのケース部材の変形が懸念されるが、燃料電池モジュール100によれば、当該熱膨張収縮差に起因するケース部材の変形を抑制することが可能になる。
Further, as described above, in the
燃料電池モジュール100に関する上記説明では、一体に成形された第1ケース部材10及び第2ケース部材20によって、複数のセル50、50、…が狭持される形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールは当該形態に限定されるものではない。図5に示すように、第1ケース部材10と第2ケース部材20は、凹部11及び凹部21に配置される接着剤によって接着固定され、内部集電体52と第1ケース部材10及び第2ケース部材20は、凹部12及び凹部22に配置される接着剤によって接着固定され、MEA51と第1ケース部材10及び第2ケース部材20は、凹部13及び凹部23に配置される接着剤によって接着固定されている。すなわち、燃料電池モジュール100の内部に収容される複数のセル50、50、…は、その両端部が接着剤によって固定されている。ここで、燃料電池モジュール100の作動時又は停止時に、燃料電池モジュール100の温度は、例えば、−40℃〜120℃の範囲内で変動し得る。そのため、燃料電池モジュール100に収容されている複数のセル50、50、…は、熱膨張又は熱収縮し得る。そして、燃料電池モジュール100において、少なくとも、MEA51と第1ケース部材10及び第2ケース部材20とは、異なる材料からなるため、第1ケース部材10の熱膨張収縮度とセル50の熱膨張収縮度は異なり、第2ケース部材20の熱膨張収縮度とセル50の熱膨張収縮度も異なる。したがって、燃料電池モジュール100では、上記熱膨張収縮度の差に起因する応力が生じ得ると考えられる。ところが、上述のように、燃料電池モジュール100に収容される複数のセル50、50、…は両端部が固定されているため、熱膨張・熱収縮の自由度が制限され、その結果、外部集電体53が巻回されているセル50、50、…の中央部等が変形する虞がある。そこで、かかる変形を防止する等の観点から、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールは、例えば、分割・連結可能な2以上の部材を連結することにより構成される第1ケース部材及び第2ケース部材が備えられる形態とすることが好ましい。このようにすれば、第1ケース部材及び第2ケース部材の分割・連結部において、上記応力を分散することができるので、セル50、50、…の変形を抑制することが可能になる。
In the above description regarding the
1.2.第2実施形態
図8は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す上面図である。図9は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す側面図である。図10は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す下面図である。図11は、図8のZ−Z断面を示す拡大図であり、一部を省略して示している。図12は、図11にCで示す部位を拡大して示す概略図である。図13は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールが積層された形態を示す断面図であり、図が煩雑になることを防ぐため、符号を適宜省略して示している。図8〜図13において、図1〜図7と同様の構成を採る部位・部材には、図1〜図7にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図8〜図13を参照しつつ、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールについて説明する。ここで、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールは、上記燃料電池モジュール100と同様に、並列かつ一列に平面配置された複数のチューブ型燃料電池セルを備えている。したがって、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールによっても、複数のチューブ型燃料電池セルを並列かつ一列に平面配置することにより得られる上記効果を奏することができる。
1.2. Second Embodiment FIG. 8 is a top view schematically showing an example of a fuel cell module according to a second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a side view schematically showing a form example of the fuel cell module according to the second embodiment of the present invention. FIG. 10 is a bottom view schematically showing an example of a fuel cell module according to the second embodiment of the present invention. FIG. 11 is an enlarged view showing a ZZ cross section of FIG. 8, and a part thereof is omitted. FIG. 12 is a schematic view showing the portion indicated by C in FIG. 11 in an enlarged manner. FIG. 13 is a cross-sectional view showing an embodiment in which the fuel cell modules of the present invention according to the second embodiment are stacked. In order to prevent the figure from becoming complicated, the reference numerals are appropriately omitted. 8 to 13, parts and members having the same configurations as those in FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 1 to 7, and description thereof is omitted as appropriate. Hereinafter, the fuel cell module according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 to 13. Here, the fuel cell module of the present invention according to the second embodiment includes a plurality of tube-type fuel cells arranged in parallel and in a plane in the same manner as the
図8〜図12に示すように、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール200(以下、「燃料電池モジュール200」ということがある。)は、セル50、50、…の中央部を狭持可能な第1ケース部材61及び第2ケース部材62と、セル50、50、…の端部を収容可能な第1端部ケース部材63及び第2端部ケース部材64と、を備え、第1端部ケース部材63には、冷媒用マニホールド31と水素用マニホールド34とが備えられ、第2端部ケース部材64には、冷媒用マニホールド32と水素用マニホールド33とが備えられている。ここで、第1ケース部材61は、所定の形状に成形したアルミニウムのダイキャスト材の表面に金めっきを施した一体の部材により構成され、第2ケース部材62は、絶縁材料であるガラス繊維強化樹脂(FRP)を所定の形状に成形した一体の部材により構成されている。一方、第1端部ケース部材63及び第2端部ケース部材64は、フェノール樹脂を所定の形状に成形することにより構成されている。
As shown in FIGS. 8 to 12, the
図12に示すように、燃料電池モジュール200において、第1ケース部材61と第1端部ケース部材63は、嵌合爪63eを介して連結され、第1ケース部材61と第1端部ケース部材63との連結部には、許容部としての隙間63f、63f、…が設けられている。さらに、第1ケース部材61と第2端部ケース部材64、第2ケース部材62と第1端部ケース部材63、及び、第2ケース部材62と第2端部ケース部材64は、上記嵌合爪63eと同様の嵌合爪を介して連結され、各連結部には、許容部としての上記隙間63f、63f、…と同様の隙間(許容部)が設けられている。
As shown in FIG. 12, in the
燃料電池モジュール200において、第1端部ケース部材63と内部集電体52は、凹部63a、63b、63c、及び63dに配設された接着剤によって接着固定され、これによって、冷媒及び水素のシール性が確保されている。同様に、第2端部ケース部材64と内部集電体52は、凹部64a、64b、64c、及び64dに配設された接着剤によって接着固定され、これによって、冷媒及び水素のシール性が確保されている。これに対し、第1ケース部材61及び第2ケース部材62とセル50は、接着固定されていない。それゆえ、セル50は、端部のみが、第1端部ケース部材63及び第2端部ケース部材64と接着固定され、当該第1端部ケース部材63及び第2端部ケース部材64と第1ケース部材61及び第2ケース部材62とは、上記隙間(許容部)を介して連結されている。したがって、燃料電池モジュール200によれば、セル50が熱膨張・熱収縮した場合であっても、上記隙間(許容部)によってこの熱膨張・熱収縮に起因する変位を吸収(許容)できるので、セル50の変形を抑制できる。
In the
図13に示すように、燃料電池モジュール200、200、…は、一方の燃料電池モジュール200の外部集電板56、56、…と、当該一方の燃料電池モジュール200と隣接する他方の燃料電池モジュール200の第1ケース部材61、61、…とが接触する形態で積層される。ここで、第1ケース部材61は、図12にA、Aで示される部位において内部集電体52と接触しているため、燃料電池モジュール200では、内部集電体52及び第1ケース部材61を介して、アノード側の集電がなされる。一方、外部集電板56、56は、図12にB、Bで示される部位において外部集電体53と接触しているため、燃料電池モジュール200では、外部集電体53及び外部集電板56、56を介して、カソード側の集電がなされる。したがって、図13に示す形態で燃料電池モジュール200、200、…を積層することで、燃料電池モジュール200、200、…を電気的に直列に接続することができる。
As shown in FIG. 13, the
第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、第1端部ケース部材と第1ケース部材との連結部、第1端部ケース部材と第2ケース部材との連結部、第2端部ケース部材と第1ケース部材との連結部、及び、第2端部ケース部材と第2ケース部材との連結部に、熱膨張収縮差を許容し得る許容手段として機能する隙間(許容部)が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールは、当該形態に限定されるものではない。上記形態のほか、例えば、第1端部ケース部材と第1ケース部材との連結部、及び、第1端部ケース部材と第2ケース部材との連結部にのみ、許容手段として機能する隙間(許容部)が備えられる形態や、第2端部ケース部材と第1ケース部材との連結部、及び、第2端部ケース部材と第2ケース部材との連結部にのみ、許容手段として機能する隙間(許容部)が備えられる形態とすることも可能である。ただし、許容手段としての隙間(許容部)の数が多いほど、熱膨張収縮差に起因するセルの変形等を抑制する効果が増大すると考えられるため、許容手段としての隙間(許容部)がケース部材に備えられる場合には、上記燃料電池モジュール200の形態とすることが好ましい。
In the above description of the fuel cell module according to the second embodiment of the present invention, the connecting portion between the first end case member and the first case member, the connecting portion between the first end case member and the second case member, A gap (allowable) functioning as a permitting means capable of allowing a difference in thermal expansion and contraction at a connecting portion between the two end case member and the first case member and a connecting portion between the second end case member and the second case member. However, the fuel cell module of the present invention is not limited to the embodiment. In addition to the above-described form, for example, a gap that functions as an allowance means only in the connecting portion between the first end case member and the first case member and the connecting portion between the first end case member and the second case member ( Function only as a permitting means, in a form provided with a permissible portion), a connecting portion between the second end case member and the first case member, and a connecting portion between the second end case member and the second case member. A configuration in which a gap (allowable portion) is provided is also possible. However, as the number of gaps (allowable portions) as the allowance means increases, the effect of suppressing cell deformation due to the difference in thermal expansion and contraction is considered to increase. When the member is provided, the
また、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、熱膨張収縮差を許容し得る許容手段として機能する隙間(許容部)がケース部材に備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールに備えられる許容手段の形態は、これに限定されるものではない。上記形態のほか、第1端部ケース部材及び/又は第2端部ケース部材を、熱膨張収縮差に起因する応力を吸収可能な材料(例えば、フッ素ゴムやシリコーンゴム等)で構成することにより、熱膨張収縮差に起因するセルの変形が抑制される形態とすることも可能である。 In the above description of the fuel cell module according to the second embodiment of the present invention, the case member is provided with a gap (allowable portion) that functions as a permitting means that can allow a difference in thermal expansion and contraction. The form of the accepting means provided in the fuel cell module of the invention is not limited to this. In addition to the above form, by configuring the first end case member and / or the second end case member with a material (for example, fluorine rubber, silicone rubber, etc.) that can absorb the stress caused by the difference in thermal expansion and contraction. Further, it is possible to adopt a form in which the deformation of the cell due to the thermal expansion / contraction difference is suppressed.
また、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、一体に成形された第1ケース部材61及び第2ケース部材62によって、複数のセル50、50、…の中央部が狭持される形態を例示したが、第1端部ケース部材及び第2端部ケース部材を備える本発明の燃料電池モジュールは、当該形態に限定されるものではない。例えば、セル50、50、…の中央部を狭持する第1ケース部材及び第2ケース部材が、セル50、50、…の中央で分割・連結され得る2つの部材により構成されていても良い。このようにすれば、第1ケース部材及び第2ケース部材の分割・連結部においても、熱膨張収縮差に起因する応力を分散することができるので、セル50、50、…の変形をより一層抑制することが可能になる。
In the above description of the fuel cell module according to the second embodiment, the central portion of the plurality of
本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、シール部材としてのビードガスケットが第1ケース部材に加硫接着されている形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールは当該形態に限定されるものではない。ただし、シール部材が第1ケース部材に接着固定されている形態とすれば、燃料電池モジュールの組立作業時にシール部材が落下する等の事態を回避することができ、組立作業時の作業性を容易に向上させることができるので好ましい。 In the above description of the fuel cell module of the present invention, the form in which the bead gasket as the seal member is vulcanized and bonded to the first case member is illustrated, but the fuel cell module of the present invention is not limited to this form. Absent. However, if the seal member is bonded and fixed to the first case member, it is possible to avoid a situation in which the seal member falls during the assembly operation of the fuel cell module, and the workability during the assembly operation is easy. Therefore, it is preferable.
本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、導電部材により構成される第1ケース部材及び絶縁部材により構成される第2ケース部材が、それぞれ、線熱膨張係数値の近い材料で構成される形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールは、当該形態に限定されるものではない。ただし、第1ケース部材及び第2ケース部材が、線熱膨張係数値が大きく異なる材料により構成されると、第1ケース部材の熱膨張収縮量と第2ケース部材の熱膨張収縮量との差が大きくなってケース部材が変形し、冷媒及び/又は水素のシール性等が低下する虞がある。そこで、冷媒及び/又は水素のシール性を維持する等の観点から、第1ケース部材及び第2ケース部材は、それぞれ、線熱膨張係数値の近い材料で構成されることが好ましい。 In the said description regarding the fuel cell module of this invention, the 2nd case member comprised by the 1st case member comprised by an electrically-conductive member and the insulating member is respectively comprised by the material with a linear thermal expansion coefficient value close | similar. Although illustrated, the fuel cell module of the present invention is not limited to this form. However, if the first case member and the second case member are made of materials having greatly different linear thermal expansion coefficient values, the difference between the thermal expansion / contraction amount of the first case member and the thermal expansion / contraction amount of the second case member. , The case member may be deformed, and the sealing performance of the refrigerant and / or hydrogen may be reduced. Therefore, from the viewpoint of maintaining the sealability of the refrigerant and / or hydrogen, it is preferable that the first case member and the second case member are each made of a material having a close linear thermal expansion coefficient value.
本発明の燃料電池モジュールにおいて、「導電部材」及び「絶縁部材」は、少なくとも−40℃以上120℃以下の温度環境において使用可能であれば特に限定されるものではないが、平板型のPEFC運転時の単セル内と同等の環境に耐え得る耐食性を有することが好ましい。「導電部材」の具体例としては、アルミニウム、銀、白金、金等に代表される金属等を挙げることができる。「絶縁部材」は、さらに、成形可能なものであれば特に限定されず、その具体例としては、エンジニアリングプラスチック、フェノール樹脂、ガラス繊維強化樹脂等を挙げることができる。 In the fuel cell module of the present invention, the “conductive member” and the “insulating member” are not particularly limited as long as they can be used in a temperature environment of at least −40 ° C. to 120 ° C. It is preferable to have corrosion resistance that can withstand an environment equivalent to that in a single cell. Specific examples of the “conductive member” include metals such as aluminum, silver, platinum, and gold. The “insulating member” is not particularly limited as long as it can be molded, and specific examples thereof include engineering plastic, phenol resin, glass fiber reinforced resin, and the like.
また、本発明の燃料電池モジュールにおいて、外部集電体と接触する外部電極板は、第2ケース部材側に備えられ、かつ、複数の燃料電池モジュールが積層された時に隣接する燃料電池モジュールの第1ケース部材と接触可能な形態で備えられていれば、その形態は特に限定されない。ここで、複数の燃料電池モジュールを積層してスタック形態の燃料電池(以下、「スタック」という。)とする場合、燃料電池モジュール間の接触抵抗を低減するために、スタックの両端側からは圧力が加えられる。それゆえ、当該圧力が加えられた状態において、外部電極板と第1ケース部材とが接触することにより複数の燃料電池モジュールを電気的に直列に接続可能とする観点から、外部電極板は、第2ケース部材からわずかに(例えば、50〜100μm程度)外側へはみ出す形態で備えられることが好ましい。さらに、複数の燃料電池モジュールを電気的に直列に接続可能とする観点からは、上記圧力が加えられた状態の単一の燃料電池モジュール内において、外部集電体と外部集電板とが接触した状態に維持されること、すなわち、外部集電板が燃料電池モジュールの外側へ脱離しないことが必要とされる。それゆえ、本発明の燃料電池モジュールでは、上記圧力が加えられた状態において、外部集電板が第2ケース部材に引っかかる形態で備えられることが好ましい。当該形態は、例えば、上記第1実施形態及び第2実施形態にかかる燃料電池モジュールのように、外部集電板が配置されるべき第2ケース部材の箇所に断面形状T字型の孔を形成するとともに、外部集電板の断面形状を上記孔と対応するT字型とした上で、第2ケース部材の上記孔に外部集電板を配置することにより、構成することができる。 In the fuel cell module of the present invention, the external electrode plate in contact with the external current collector is provided on the second case member side, and the second of the adjacent fuel cell modules when the plurality of fuel cell modules are stacked. If it is provided in a form that can contact one case member, the form is not particularly limited. Here, when a plurality of fuel cell modules are stacked to form a stack type fuel cell (hereinafter referred to as “stack”), pressure is applied from both ends of the stack to reduce contact resistance between the fuel cell modules. Is added. Therefore, from the viewpoint of enabling a plurality of fuel cell modules to be electrically connected in series by contacting the external electrode plate and the first case member in a state where the pressure is applied, the external electrode plate is It is preferable to be provided in a form that slightly protrudes from the two case members (for example, about 50 to 100 μm). Furthermore, from the viewpoint of enabling a plurality of fuel cell modules to be electrically connected in series, the external current collector and the external current collector plate are in contact with each other in a single fuel cell module in the state where the pressure is applied. In other words, it is required that the external current collector plate is not detached from the outside of the fuel cell module. Therefore, in the fuel cell module of the present invention, it is preferable that the external current collector plate is provided in a form to be caught by the second case member in a state where the pressure is applied. In this mode, for example, a hole having a T-shaped cross section is formed at the location of the second case member where the external current collector plate is to be disposed, as in the fuel cell modules according to the first and second embodiments. In addition, the external current collector plate can be configured by arranging the external current collector plate in the hole of the second case member after making the cross-sectional shape of the external current collector plate T-shaped corresponding to the hole.
また、本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、内部に複数のセルを収容するケース部材が複数の部材からなる形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールは当該形態に限定されるものではなく、単一の部材からなるケース部材が備えられる形態とすることも可能である。かかる形態であっても、ケース部材に収容される複数のセルが、並列かつ一列に平面配置されていれば、セルの位置決め及び集電が容易になるので、容易に製造し得る燃料電池モジュールを提供することができる。ただし、より組み立て易い構造とする等の観点からは、複数の部材からなるケース部材が備えられる形態とすることが好ましい。 In the above description of the fuel cell module according to the present invention, the case member in which a plurality of cells are housed is exemplified by a plurality of members. However, the fuel cell module according to the present invention is not limited to this mode. Alternatively, a case in which a case member made of a single member is provided is also possible. Even in such a form, if the plurality of cells accommodated in the case member are arranged in parallel and in a plane, the cells can be easily positioned and collected. Can be provided. However, from the viewpoint of making the structure easier to assemble, etc., it is preferable to have a form in which a case member composed of a plurality of members is provided.
以上のように、本発明の燃料電池モジュールによれば、容易に製造することができるほか、集電の容易化を図ることができ、さらに、セルの位置決めを容易に行うことができる。それゆえ、別の観点から言えば、本発明の燃料電池モジュールは、チューブ型燃料電池セルを備える従来の燃料電池モジュールと比較して、容易に分解することができる。したがって、本発明の燃料電池モジュールによれば、修理性・交換性を向上させることも可能になる。 As described above, according to the fuel cell module of the present invention, it can be easily manufactured, current collection can be facilitated, and cell positioning can be easily performed. Therefore, if it says from another viewpoint, the fuel cell module of this invention can be decomposed | disassembled easily compared with the conventional fuel cell module provided with a tube-type fuel cell. Therefore, according to the fuel cell module of the present invention, repairability and exchangeability can be improved.
2.燃料電池及びこれを備える車両
2.1.第1実施形態
図14は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を示す側面図であり、積層された複数の燃料電池モジュールと、冷媒用配管及び水素用配管と、エンドプレートと、電極素子との配置を概略的に示している。図14の直線矢印は、重力方向を示している。図15は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を示す上面図であり、積層された複数の燃料電池モジュールと、冷媒用配管及び水素用配管と、電極端子と、外部ケースとの配置を概略的に示している。図15の点線矢印は、空気の流れ方向を示しており、図15では、紙面に垂直な方向が重力方向である。図14及び図15において、図1〜図7と同様の構成を採る部位・部材には、図1〜図7にて使用した符号と同符号を付し、その説明を省略する。以下、図1〜図7、並びに、図14及び図15を参照しつつ、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池について説明する。
2. Fuel cell and vehicle equipped with the same 2.1. First Embodiment FIG. 14 is a side view showing an example of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention. A plurality of stacked fuel cell modules, refrigerant pipes and hydrogen pipes, and end plates And the arrangement of the electrode elements are schematically shown. The straight arrow in FIG. 14 indicates the direction of gravity. FIG. 15 is a top view showing an example of a fuel cell according to the first embodiment of the present invention, in which a plurality of stacked fuel cell modules, refrigerant pipes and hydrogen pipes, electrode terminals, and an outer case are shown. Is schematically shown. The dotted arrows in FIG. 15 indicate the direction of air flow. In FIG. 15, the direction perpendicular to the paper surface is the direction of gravity. 14 and 15, parts and members that have the same configuration as in FIGS. 1 to 7 are assigned the same reference numerals as those used in FIGS. 1 to 7, and descriptions thereof are omitted. Hereinafter, the fuel cell according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7 and FIGS. 14 and 15.
第1実施形態にかかる本発明の燃料電池1000(以下、「燃料電池1000」ということがある。)は、電気的に直列に接続された複数の燃料電池モジュール100、100、…と、マニホールド一体型エンドプレート505(以下、「マニホールド505」という。)及びエンドプレート506と、電極素子601、602と、を備え、マニホールド505には、冷媒用配管501、502、及び、水素用配管503、504が接続されている。そして、複数の燃料電池モジュール100、100、…の積層方向両端側から、圧力付与手段(不図示)によって、燃料電池モジュール間の接触抵抗を低減させ得る圧力が付与されている。燃料電池1000では、水素用配管503を介して供給された水素が、マニホールド505を介して、燃料電池モジュール100、100、…へと供給され、発電に利用される。そして、燃料電池モジュール100、100、…から排出された水素は、マニホールド505、及び、水素用配管504を介して回収される。一方、冷媒用配管501を介して供給された冷媒は、マニホールド505を介して燃料電池モジュール100、100、…へと供給され、燃料電池モジュール100、100、…から排出された冷媒は、マニホールド505、及び、冷媒用配管502を介して回収される。そして、電気的に直列に接続された燃料電池モジュール100、100、…の最も外側(図14及び図15の紙面左側)に位置する燃料電池モジュール100に備えられる外部集電板56、56と電極素子601とが接続され、電極素子601が接続された上記燃料電池モジュール100と反対側の最も外側(図14及び図15の紙面右側)に位置する燃料電池モジュール100に備えられる第1ケース部材10と、電極素子602とが接続されている。したがって、燃料電池1000によれば、電極素子601及び電極素子602を介して電気エネルギーを取り出すことができる。
The
図15に示すように、燃料電池1000は、外部ケース部材700を備え、当該外部ケース部材700の中に、図14で示した各部材が収容される。外部ケース部材700には、塵や埃等を排除可能であるとともに空気を透過可能な透過膜701、701、…を配置可能な開口部が備えられ、透過膜701、701、…を通過した空気が、燃料電池モジュール100、100、…へと供給される。
As shown in FIG. 15, the
このように、燃料電池1000には、容易に製造することが可能な燃料電池100、100、…が備えられている。したがって、本発明によれば、容易に製造することが可能な燃料電池1000を提供できる。
As described above, the
なお、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池に関する上記説明では、燃料電池モジュール100、100、…が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、燃料電池モジュール200、200、…が備えられる形態のほか、燃料電池モジュール100、100、…、及び、燃料電池モジュール200、200、…が備えられる形態、さらには、中央部で分割・連結可能な部材からなる第1ケース部材及び第2ケース部材を有する本発明の燃料電池モジュールが備えられる形態とすることも可能である。上述のように、本発明の燃料電池モジュールは、容易に製造することができるので、燃料電池モジュール100以外の本発明の燃料電池モジュールが備えられる形態であっても、容易に製造することが可能な燃料電池を提供できる。
In the above description related to the fuel cell of the present invention according to the first embodiment, the mode in which the
また、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池に関する上記説明では、燃料電池モジュール100、100、…が一列に積層される形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されず、後述する図17に示すように、2列以上に積層することも可能である。
In the above description of the fuel cell according to the first embodiment, the
2.2.第2実施形態
図16及び図17は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる複数の燃料電池モジュールの形態例を示す正面図であり、図16は、複数の燃料電池モジュールが拘束手段によって拘束される前の状態を、図17は、複数の燃料電池モジュールが拘束手段によって拘束された後の状態を、それぞれ概略的に示している。図18は、図17におけるXVIII−XVIII矢視図である。図19は、拘束手段の形態例を示す概略図である。図20は、車両に搭載される第2実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す上面図であり、紙面下方が車両前方側である。図21は、図20におけるXXI−XXI矢視図であり、直線矢印は重力方向を示している。図16〜図21において、図1〜図15と同様の構成を採る部位・部材には、図1〜図15にて使用した符号と同符号を付し、その説明を省略する。また、図20及び図21において、図16〜図19と同様の構成を採る部材には、図16〜図19にて使用した符号と同符号を付し、その説明を省略する。以下、図1〜図21を参照しつつ、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池について説明する。
2.2. Second Embodiment FIGS. 16 and 17 are front views showing examples of a plurality of fuel cell modules provided in a fuel cell of the present invention according to a second embodiment, and FIG. 16 shows a plurality of fuel cell modules. FIG. 17 schematically shows a state before being restrained by the restraining means, and FIG. 17 schematically shows a state after the plurality of fuel cell modules are restrained by the restraining means. 18 is a view taken along arrow XVIII-XVIII in FIG. FIG. 19 is a schematic view showing a form example of the restraining means. FIG. 20 is a top view schematically showing an example of a fuel cell according to the second embodiment mounted on a vehicle, and the lower side of the drawing is the front side of the vehicle. FIG. 21 is an XXI-XXI arrow view in FIG. 20, and the straight arrow indicates the direction of gravity. 16 to 21, parts and members that have the same configuration as in FIGS. 1 to 15 are assigned the same reference numerals as those used in FIGS. 1 to 15, and descriptions thereof are omitted. 20 and 21, members having the same configuration as in FIGS. 16 to 19 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 16 to 19, and description thereof is omitted. Hereinafter, the fuel cell according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図16、図17、及び図20に示すように、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池2000(以下、「燃料電池2000」ということがある。)は、燃料電池モジュール積層体171〜174を備え、燃料電池モジュール積層体171〜174は、複数の燃料電池モジュール100、100、…を備えている。燃料電池モジュール積層体171〜174の一端側には、エンドプレート175が備えられるとともに、他端側には、マニホールド一体型エンドプレート176が備えられ、マニホールド一体型エンドプレート176には、冷媒用配管501、502、及び、水素用配管503、504が接続されている。そして、燃料電池モジュール積層体171〜174、エンドプレート175、及び、マニホールド一体型エンドプレート176(以下、これらをまとめて「スタック構成部材」という。)の周囲に、拘束部材177が配置され、当該拘束部材177によって、スタック構成部材が拘束されている(図17及び図18参照)。
As shown in FIGS. 16, 17, and 20, the
一方、図17にα、β、γで示される箇所には、導電部材により構成される通電板(不図示)が備えられ、当該通電板を介して、燃料電池モジュール積層体171〜174を構成する全ての燃料電池モジュール100、100、…が、電気的に直列に接続されている。そして、燃料電池モジュール積層体171の一端側の燃料電池モジュール100に備えられる外部集電板56、56(図5参照)と電極素子601とが接続され、燃料電池モジュール積層体174の一端側の燃料電池モジュール100に備えられる第1ケース部材10(図5参照)と電極素子602とが接続されている。したがって、燃料電池2000によれば、電極素子601及び電極素子602を介して電気エネルギーを取り出すことができる。
On the other hand, at positions indicated by α, β, and γ in FIG. 17, current plates (not shown) made of conductive members are provided, and the fuel cell module stacks 171 to 174 are configured via the current plates. All of the
上述のように、燃料電池2000では、スタック構成部材が拘束部材177によって拘束され、燃料電池モジュール積層体171〜174は電気的に直列に接続されている。ここで、燃料電池モジュール間の接触抵抗を低減するためには、エンドプレート175及びマニホールド一体型エンドプレート176を介して、燃料電池モジュール積層体171〜174の積層方向に圧縮圧力を加えることが望まれるところ、燃料電池2000によれば、拘束部材177を介して当該圧縮圧力を付与することができ、拘束部材177の拘束度合いを調整することで、燃料電池モジュール100、100、…へと加えられる圧縮圧力を調整することが可能になる。
As described above, in the
燃料電池2000において、拘束部材177は、スタック構成部材の周囲を拘束することで、各燃料電池モジュール100、100、…が脱落しないように保持可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。拘束部材177は、例えば図19に示すような、拘束体177aとバンド部177bとを備える形態とすることができる。拘束部材177が図19に示される形態である場合、バンド部177bの材料は、例えば、−40℃〜120℃の温度環境において拘束部材177の上記機能を発揮させ得るものであれば特に限定されるものではない。バンド部177bを構成する材料の具体例としては、アルミニウム等に代表される金属や、各種樹脂等を挙げることができる。燃料電池2000において、燃料電池モジュール間の接触抵抗を低減させ得る圧縮圧力を加えることが可能な拘束部材177とする観点からは、バンド部177bを高強度の材料により構成することが好ましい。当該高強度の材料の具体例としては、アルミニウム等に代表される金属や、ガラス繊維強化が施された樹脂等を挙げることができる。
In the
図20及び図21に示すように、燃料電池2000は、拘束部材177によって拘束された複数の燃料電池モジュール100、100、…、エンドプレート175及びマニホールド一体型エンドプレート176、シール部材803、緊急遮断リレー804、804、サービスプラグ805、並びに、高電圧系配線806が、外部ケース部材800に収容されている。外部ケース部材800には、塵や埃等を排除可能であるとともに空気を透過可能な透過膜801、801、…を配置可能な開口部が備えられ、さらに燃料電池モジュール100、100、…へ空気を供給可能な空気供給手段としての電動ファン802、802が備えられている。
As shown in FIGS. 20 and 21, the
燃料電池2000が搭載された車両の運転が開始されることにより燃料電池2000へと到達する走行風は、電動ファン802、802によって増幅され、増幅された走行風(空気)が燃料電池モジュール100、100、…へと供給される。燃料電池2000において、増幅された空気の大部分は、燃料電池モジュール100、100、…へと供給される一方、一部の空気は、拘束部材177によって拘束されたスタック構成部材の周りを迂回してサービスプラグ805や高電圧系配線806等の高電圧系部品へと供給され、高電圧系部品を冷却するために利用される。ここで、電動ファン802、802は、燃料電池モジュール100、100、…へ多量の空気を供給可能とすることを主目的として備えられる部材であるため、電動ファン802、802によって増幅された空気の大部分が燃料電池モジュール100、100、…へと供給され、高電圧系部品へと供給される空気は残りの一部に留まることが好ましい。そこで、燃料電池2000では、拘束部材177によって拘束されたスタック構成部材を迂回して高電圧系部品へと達する空気の量を一部に留めるため、外部ケース部材800とスタック構成部材との間にシール部材803を配置している。このように、電動ファン802、802が外部ケース部材800に備えられるとともに、外部ケース部材800の内側にシール部材803が備えられる形態とすれば、走行風を燃料電池モジュール100、100、…へ効率良く供給することができるので、セル50、50、…の外側への空気の供給効率を向上させることができ、その結果、燃料電池2000の発電効率を向上させることが可能になる。
The traveling wind that reaches the
燃料電池2000において、シール部材803は、上記機能を発揮可能な材料により構成されていれば、その構成材料は特に限定されるものではなく、シール部材803を構成し得る材料の具体例としては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、エンジニアリングプラスチックに代表される樹脂等を挙げることができる。ここで、燃料電池2000の運転時には、燃料電池モジュール100、100、…の内部で水が生成され、燃料電池モジュール100、100、…からは高湿度の空気が排出される。それゆえ、燃料電池2000の運転時には、外部ケース800の内部に水が溜まる虞があり、かかる水は、短絡の原因となり得る。したがって、燃料電池2000の運転時における短絡を抑制する等の観点から、シール部材803は絶縁材料により構成することが好ましい。
In the
また、燃料電池2000において、外部ケース部材800を構成する材料は特に限定されるものではないが、燃料電池2000の軽量化を可能とし、さらに、車両搭載時における剛性を容易に確保可能とする等の観点から、アルミニウム等に代表される軽金属や、ガラス繊維強化等を施した高強度の樹脂等により構成することが好ましい。
Further, in the
なお、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池に関する上記説明では、燃料電池モジュール100、100、…が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、燃料電池モジュール200、200、…が備えられる形態のほか、燃料電池モジュール100、100、…、及び、燃料電池モジュール200、200、…が備えられる形態、さらには、中央部で分割・連結可能な部材からなる第1ケース部材及び第2ケース部材を有する本発明の燃料電池モジュールが備えられる形態とすることも可能である。上述のように、本発明の燃料電池モジュールは、容易に製造することができるので、燃料電池モジュール100以外の本発明の燃料電池モジュールが備えられる形態であっても、容易に製造することが可能な燃料電池を提供できる。
In the above description regarding the fuel cell according to the second embodiment, the
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、マニホールド一体型エンドプレートが備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、マニホールドとエンドプレートが別体に構成され、冷媒及び水素が互いに流入・流出可能なように連結される形態のマニホールド及びエンドプレートが備えられる形態とすることも可能である。 Further, in the above description regarding the fuel cell of the present invention, the form in which the manifold integrated end plate is provided is illustrated, but the fuel cell of the present invention is not limited to this form, and the manifold and the end plate are separated. It is also possible to employ a configuration in which a manifold and an end plate are configured and connected so that refrigerant and hydrogen can flow in and out of each other.
10 第1ケース部材
11、12、13 凹部
20 第2ケース部材
21、22、23 凹部
31、32 冷媒用マニホールド
31a、32a 冷媒流入口
31b、32b 冷媒流出口
33、34 水素用マニホールド
33a、34a 水素流入口
33b、34b 水素流出口
35 空気流入口
40 ビードガスケット(シール部材)
50 チューブ型燃料電池セル
51 MEA
52 内部集電体
53 外部集電体
54 反応ガス流路
55 冷媒流路
56 外部集電板
57 絶縁シート
61 第1ケース部材
62 第2ケース部材
63 第1端部ケース部材
63a、63b 凹部
63c、63d 凹部
63e 嵌合爪
63f 隙間(許容部)
64 第2端部ケース部材
64a、64b 凹部
64c、64d 凹部
100 燃料電池モジュール
171、172 燃料電池モジュール積層体
173、174 燃料電池モジュール積層体
175 エンドプレート
176 マニホールド一体型エンドプレート
177 拘束部材
177a 拘束体
177b バンド部
200 燃料電池モジュール
501、502 冷媒用配管
503、504 水素用配管
505 マニホールド一体型エンドプレート
506 エンドプレート
601、602 電極素子
700 外部ケース部材
701 透過膜
800 外部ケース部材
801 透過膜
802 電動ファン(気体供給手段)
803 シール部材
804 緊急遮断リレー
805 サービスプラグ
806 高電圧系配線
1000 燃料電池
2000 燃料電池
10
50 Tube
52 Internal
64 Second
803
Claims (27)
前記第1ケース部材と、前記第1端部ケース部材及び前記第2端部ケース部材とが連結されるとともに、前記第2ケース部材と、前記第1端部ケース部材及び前記第2端部ケース部材とが連結され、
前記複数のチューブ型燃料電池セルの中央部が、前記第1ケース部材及び前記第2ケース部材によって狭持され、前記複数のチューブ型燃料電池セルの前記一端側が前記第1端部ケース部材に収容されるとともに、前記複数のチューブ型燃料電池セルの前記他端側が前記第2端部ケース部材に収容されることを特徴とする、請求項2〜5のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。 The first end case member capable of accommodating one end side of the plurality of tube-type fuel cells, and the second end case member capable of accommodating the other end side of the plurality of tube-type fuel cells, the case Provided in the member,
The first case member, the first end case member, and the second end case member are coupled, and the second case member, the first end case member, and the second end case are connected. The parts are connected,
A center portion of the plurality of tube-type fuel cells is sandwiched between the first case member and the second case member, and the one end side of the plurality of tube-type fuel cells is accommodated in the first end case member. The fuel cell module according to claim 2, wherein the other end side of the plurality of tube-type fuel cells is accommodated in the second end case member. .
前記複数の燃料電池セルの中央部側に前記気体のマニホールドが備えられ、前記気体のマニホールドの外側に前記熱媒体のマニホールドが備えられることを特徴とする、請求項17に記載の燃料電池モジュール。 The fluid is a heat medium capable of controlling the temperature of the plurality of fuel cells, and a gas supplied to the plurality of fuel cells.
18. The fuel cell module according to claim 17, wherein the gas manifold is provided at a central portion side of the plurality of fuel cells, and the heat medium manifold is provided outside the gas manifold.
前記燃料電池モジュールは、複数のチューブ型燃料電池セルと、前記複数のチューブ型燃料電池セルを内部に収容するケース部材とを備え、前記複数のチューブ型燃料電池セルは、並列かつ一列に平面配置されることを特徴とする、燃料電池。 A plurality of fuel cell modules to be stacked; and an outer case member that houses the plurality of fuel cell modules stacked,
The fuel cell module includes a plurality of tube-type fuel cells and a case member that accommodates the plurality of tube-type fuel cells, and the plurality of tube-type fuel cells are arranged in parallel and in a plane. A fuel cell.
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