JP2008103215A - Assembling method of fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法に関する。 The present invention includes a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked. Regarding the method.
通常、固体電解質型燃料電池(SOFC)は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and an electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the electrolyte. And sandwiched by separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.
上記の燃料電池では、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス(例えば、水素ガス)及び酸化剤ガス(例えば、空気)を供給するために、セパレータの面方向に沿って燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。 In the above fuel cell, in order to supply fuel gas (for example, hydrogen gas) and oxidant gas (for example, air) to the anode electrode and the cathode electrode constituting the electrolyte-electrode assembly, respectively, A fuel gas passage and an oxidant gas passage are formed along the same.
例えば、特許文献1に開示されている平板積層型燃料電池は、図19に示すように、発電セル(図示せず)に積層されるセパレータ1を備えている。セパレータ1は、左右のマニホールド部分2a、2aと、中央の発電セルを配置する部分2bとが、連結部分2c、2cにより連結されており、この連結部分2cが可撓性を有している。
For example, as shown in FIG. 19, a flat plate stacked fuel cell disclosed in Patent Document 1 includes a separator 1 that is stacked on a power generation cell (not shown). In the separator 1, left and
マニホールド部分2a、2aには、ガス孔3、4が設けられており、一方のガス孔3は、燃料ガス通路3aに連通するとともに、他方のガス孔4は、酸化剤ガス通路4aに連通している。燃料ガス通路3a及び酸化剤ガス通路4aは、部分2b内にらせん状に延在しており、この部分2bの中央部近傍で、図示しない燃料極集電体及び空気極集電体に開放されている。
The
ところで、上記の特許文献1では、マニホールド部分2a、2aのシール性と発電部である部分2bの接触性とを両立させることが望まれている。その際、特に燃料ガスの漏れを確実に防止する必要があり、マニホールド部分2a、2aのシール性の向上を図るために、大きな荷重のシール荷重を付与することが行われている。
By the way, in said patent document 1, it is desired to make compatible the sealing performance of the
しかしながら、連結部分2c、2cは、発電部である部分2bを囲むように形成されており、マニホールド部分2a、2aに大きな荷重が付与されると、前記各連結部分2c同士が近接し易い。これにより、部分2bの周縁から排ガスが排出されることを阻害するおそれがある。従って、電解質・電極接合体に温度勾配が生じ易くなり、電解質・電極接合体に損傷や劣化等の不良が生じたり、効率的且つ確実な発電反応の遂行が困難になるおそれがある。
However, the connecting
また、燃料電池全体の小型化及び軽量化を図ることが望まれており、このため、特にセパレータ1を可及的に薄肉状に構成する必要がある。ところが、薄肉状のセパレータ1では、部分2bに比較的小さな荷重が付与される一方、マニホールド部分2a、2aに大きな荷重が付与されると、前記セパレータ1に皺等の変形が惹起され易いという問題がある。これによって、電解質・電極接合体に損傷や劣化等の不良が生じたり、セパレータ間に短絡が生じ、効率的且つ確実な発電反応の遂行が困難になるおそれがある。
In addition, it is desired to reduce the size and weight of the entire fuel cell. For this reason, it is particularly necessary to configure the separator 1 as thin as possible. However, in the thin-walled separator 1, a relatively small load is applied to the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望のシール荷重を確実に付与するとともに、セパレータの変形を良好に抑制し、電解質・電極接合体の損傷や劣化等の不良や、セパレータ間の短絡を阻止することが可能な燃料電池スタックの組み立て方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, reliably imparts a desired sealing load, suppresses the deformation of the separator well, and causes defects such as damage and deterioration of the electrolyte / electrode assembly, and between the separators. It is an object of the present invention to provide a method for assembling a fuel cell stack capable of preventing short circuit.
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備え、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔又は前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第1反応ガス供給通路が形成される第1橋架部と、前記第1橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第1反応ガス供給通路に供給するための第1反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第1反応ガス供給部と、前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第2反応ガス供給通路が形成される第2橋架部と、前記第2橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第2反応ガス供給通路に供給するための第2反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第2反応ガス供給部とを備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法に関するものである。 The present invention includes a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly formed by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator, and the separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly. A sandwiching portion provided with at least a fuel gas supply hole for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode or an oxidant gas supply hole for supplying oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode And a first bridge part connected to the clamping part and forming a first reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas supply hole or supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole And a first reaction gas supply passage for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the first reaction gas supply passage is formed in the stacking direction. 1 reaction gas supply part and a second reaction gas supply passage connected to the sandwiching part for supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole or the fuel gas to the fuel gas supply hole are formed. A second bridge portion connected to the second bridge portion, and a second reaction gas supply passage for supplying the oxidant gas or the fuel gas to the second reaction gas supply passage is formed in the stacking direction. And a second reaction gas supply unit, and a method for assembling a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked.
そこで、本発明では、第1反応ガス供給部に積層方向に第1面圧(単位面積あたりの荷重)を発生させる第1荷重付与工程と、前記第1荷重付与工程の後、第2反応ガス供給部に前記積層方向に前記第1面圧よりも小さな第2面圧を発生させる第2荷重付与工程とを有している。 Therefore, in the present invention, the first reaction gas supply unit generates a first surface pressure (load per unit area) in the stacking direction, and the second reaction gas after the first load application step. And a second load applying step of generating a second surface pressure smaller than the first surface pressure in the stacking direction in the supply unit.
また、本発明では、第1反応ガス供給部に対して積層方向に第1荷重を付与する第1荷重付与工程と、前記第1荷重付与工程の後、第2反応ガス供給部に対して前記積層方向に第2荷重を付与する第2荷重付与工程とを有し、且つ、前記第1荷重を前記積層方向に受ける第1荷重受け部材の第1ヤング率は、前記第2荷重を前記積層方向に受ける第2荷重受け部材の第2ヤング率よりも大きい。 In the present invention, the first load applying step for applying a first load in the stacking direction to the first reactive gas supply unit, and the second reactive gas supply unit after the first load applying step, A second load applying step of applying a second load in the stacking direction, and the first Young's modulus of the first load receiving member receiving the first load in the stacking direction is the second load applied to the stack It is larger than the second Young's modulus of the second load receiving member received in the direction.
さらに、本発明では、第1反応ガス供給部に積層方向に第1面圧を発生させる第1荷重付与工程と、前記第1荷重付与工程の後、第2反応ガス供給部に前記積層方向に前記第1面圧よりも小さな第2面圧を発生させる第2荷重付与工程と、前記第2荷重付与工程の後、挟持部に前記積層方向に前記第2面圧よりも小さな第3面圧を発生させる第3荷重付与工程とを有している。 Further, in the present invention, after the first load applying step for generating the first surface pressure in the stacking direction in the first reaction gas supply unit, and after the first load applying step, the second reaction gas supply unit in the stacking direction. After the second load applying step for generating a second surface pressure smaller than the first surface pressure, and the second load applying step, a third surface pressure smaller than the second surface pressure in the stacking direction in the sandwiching portion. And a third load applying step for generating.
さらにまた、本発明では、第1反応ガス供給部に対して積層方向に第1荷重を付与する第1荷重付与工程と、前記第1荷重付与工程の後、第2反応ガス供給部に対して前記積層方向に第2荷重を付与する第2荷重付与工程と、前記第2荷重付与工程の後、挟持部に対して前記積層方向に第3荷重を付与する第3荷重付与工程とを有し、且つ、前記第1荷重を前記積層方向に受ける第1荷重受け部材の第1ヤング率、前記第2荷重を前記積層方向に受ける第2荷重受け部材の第2ヤング率、及び前記第3荷重を前記積層方向に受ける第3荷重受け部材の第3ヤング率は、第1ヤング率>第2ヤング率>第3ヤング率の関係を有している。 Furthermore, in the present invention, a first load applying step for applying a first load in the stacking direction to the first reactive gas supply unit, and a second reactive gas supply unit after the first load applying step. A second load applying step of applying a second load in the stacking direction; and a third load applying step of applying a third load in the stacking direction to the sandwiching portion after the second load applying step. And a first Young's modulus of a first load receiving member that receives the first load in the stacking direction, a second Young's modulus of a second load receiving member that receives the second load in the stacking direction, and the third load. The third Young's modulus of the third load receiving member receiving in the laminating direction has a relationship of first Young's modulus> second Young's modulus> third Young's modulus.
また、第1反応ガス供給部は、燃料ガス供給部である一方、第2反応ガス供給部は、酸化剤ガス供給部であることが好ましい。 The first reaction gas supply unit is preferably a fuel gas supply unit, while the second reaction gas supply unit is preferably an oxidant gas supply unit.
本発明では、先ず、大きな面圧(単位面積あたりの荷重)である第1面圧が第1反応ガス供給部に発生した後、比較的小さな面圧(単位面積あたりの荷重)である第2面圧が第2反応ガス供給部に発生している。このため、最もシール荷重が要求される部位から順に、大きな面圧(単位面積あたりの荷重)を発生させることができる。 In the present invention, first, after a first surface pressure that is a large surface pressure (load per unit area) is generated in the first reactive gas supply unit, a second surface pressure that is relatively small (load per unit area). A surface pressure is generated in the second reaction gas supply unit. For this reason, it is possible to generate a large surface pressure (a load per unit area) in order from the portion where the seal load is most required.
従って、大きな面圧(単位面積あたりの荷重)の発生によりセパレータに歪みが発生しても、この歪みが第1橋架部や第2橋架部の他、小さな面圧(単位面積あたりの荷重)の発生する側の部位に分散吸収され、該歪みが残存することがない。これにより、特に薄肉状のセパレータであっても、歪み等による変形が惹起することを良好に阻止して、セパレータ間に短絡が生じるのを阻止するとともに、所望の大きな面圧(単位面積あたりの荷重)を確実に発生させることができ、ガスシール性の向上が容易に図られる。 Therefore, even if the separator is distorted due to the generation of a large surface pressure (load per unit area), this distortion is caused by a small surface pressure (load per unit area) in addition to the first and second bridge portions. It is dispersed and absorbed at the site where it is generated, and the strain does not remain. As a result, even in the case of a thin-walled separator, it is possible to satisfactorily prevent the occurrence of deformation due to distortion and the like, thereby preventing a short circuit between the separators, and a desired large surface pressure (per unit area). Load) can be reliably generated, and the gas sealing property can be easily improved.
また、本発明では、大きなヤング率である第1ヤング率の第1荷重受け部材に第1荷重が付与された後、小さなヤング率である第2ヤング率の第2荷重受け部材に第2荷重が付与されている。このため、最もシール荷重が要求される部位から順に、大きな面圧(単位面積あたりの荷重)を発生させることができ、第2荷重受け部材による荷重吸収作用等を介してセパレータの変形を有効に抑制して、セパレータ間に短絡が生じるのを阻止するとともに、ガスシール性を良好に向上させることが可能になる。 Further, in the present invention, after the first load is applied to the first load receiving member having the first Young's modulus having a large Young's modulus, the second load is applied to the second load receiving member having the second Young's modulus having a small Young's modulus. Is granted. For this reason, it is possible to generate a large surface pressure (a load per unit area) in order from the part where the seal load is most required, and the deformation of the separator is effectively performed through the load absorbing action by the second load receiving member. It is possible to suppress the short circuit between the separators and improve the gas sealing performance.
さらに、本発明では、先ず、大きな面圧(単位面積あたりの荷重)である第1面圧が第1反応ガス供給部に発生した後、比較的小さな面圧(単位面積あたりの荷重)である第2面圧が第2反応ガス供給部に発生し、さらに小さな面圧(単位面積あたりの荷重)である第3面圧が挟持部に発生している。このため、最もシール面圧が要求される部位から順に、大きな面圧(単位面積あたりの荷重)を発生させることができるとともに、発電部分である電解質・電極接合体の電気的接触性を確実に維持し、しかも前記電解質・電極接合体の損傷や劣化を有効に阻止することが可能になる。従って、セパレータの変形を抑制し、セパレータ間に短絡が生じるのを阻止して、反応ガスの漏れを確実に阻止するとともに、効率的且つ確実な発電反応が遂行可能になる。 Furthermore, in the present invention, first, after the first surface pressure, which is a large surface pressure (load per unit area), is generated in the first reaction gas supply unit, the surface pressure is relatively small (load per unit area). A second surface pressure is generated in the second reaction gas supply unit, and a third surface pressure, which is a smaller surface pressure (load per unit area), is generated in the clamping unit. For this reason, it is possible to generate a large surface pressure (load per unit area) in order from the part where the seal surface pressure is most required, and to ensure the electrical contact of the electrolyte / electrode assembly that is the power generation part. In addition, it is possible to effectively prevent damage and deterioration of the electrolyte / electrode assembly. Therefore, the deformation of the separator is suppressed, the occurrence of a short circuit between the separators is prevented, the reaction gas is surely prevented from leaking, and an efficient and reliable power generation reaction can be performed.
さらにまた、本発明では、大きなヤング率である第1ヤング率の第1荷重受け部材に第1荷重が付与された後、小さなヤング率である第2ヤング率の第2荷重受け部材に第2荷重が付与され、さらに小さなヤング率である第3ヤング率の第3荷重受け部材に第3荷重が付与されている。 Furthermore, in the present invention, after the first load is applied to the first load receiving member having the first Young's modulus having a large Young's modulus, the second load receiving member having the second Young's modulus having a small Young's modulus is applied to the second load receiving member. A load is applied, and a third load is applied to a third load receiving member having a third Young's modulus, which is a smaller Young's modulus.
このため、最もシール面圧が要求される部位から順に、大きな面圧(単位面積あたりの荷重)を発生させることができるとともに、電解質・電極接合体の電気的接触性を確実に維持し、しかも前記電解質・電極接合体の損傷や劣化を有効に阻止することが可能になる。これにより、セパレータの変形を有効に抑制して、セパレータ間に短絡が生じるのを阻止するとともに、ガスシール性を良好に向上させ、効率的且つ確実な発電反応を行うことができる。 For this reason, it is possible to generate a large surface pressure (load per unit area) in order from the part where the seal surface pressure is most required, and to reliably maintain the electrical contact property of the electrolyte / electrode assembly. It is possible to effectively prevent damage and deterioration of the electrolyte / electrode assembly. Thereby, deformation of the separator can be effectively suppressed to prevent a short circuit between the separators, and the gas sealing property can be improved satisfactorily, and an efficient and reliable power generation reaction can be performed.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る組み立て方法が採用される燃料電池スタック12の概略斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池スタック12の、図1中、II−II線断面図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
燃料電池スタック12は、複数の燃料電池10が矢印A方向に積層されている。燃料電池10は、固体電解質型燃料電池であり、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
In the
燃料電池10は、図3及び図4に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質(電解質板)20の両面に、カソード電極22及びアノード電極24が設けられた電解質・電極接合体26を備える。電解質・電極接合体26は、円板状に形成される。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
燃料電池10は、図3に示すように、一対のセパレータ28間に複数(例えば、4個)の電解質・電極接合体26を挟んで構成される。セパレータ28間には、このセパレータ28の中心部である燃料ガス供給連通孔30を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔30と同心円上に4個の電解質・電極接合体26が配置される。
As shown in FIG. 3, the
セパレータ28は、例えば、ステンレス等の板金で構成される第1プレート32及び第2プレート34を有する。第1プレート32及び第2プレート34は、薄肉状に形成されている。第1プレート32及び第2プレート34は、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。第1プレート32及び第2プレート34は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等(接合方法は省略する)で構成してもよい。
図3及び図5に示すように、第1プレート32は、中央部に積層方向(矢印A方向)に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔(第1反応ガス供給連通孔)30が形成される第1燃料ガス供給部(第1反応ガス供給部)36を有する。この第1燃料ガス供給部36から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する4つの第1橋架部38を介し、比較的大径な第1挟持部40が一体に設けられる。第1挟持部40は、電解質・電極接合体26と略同一寸法に設定されるとともに、各第1挟持部40には、短尺な第2橋架部42を介して環状の第1筐体部44が一体に設けられる。
As shown in FIGS. 3 and 5, the
第1挟持部40のアノード電極24に接触する面には、前記アノード電極24の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路46を形成する複数の突起部48が設けられる。突起部48は、集電部を構成する。第1挟持部40の略中央には、燃料ガス供給連通孔30側に偏心しアノード電極24の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔52が形成される。
A plurality of
第1筐体部44は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路78に供給するための酸化剤ガス供給連通孔(第2反応ガス供給連通孔)54が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部(第2反応ガス供給部)56を有する。第1筐体部44には、複数のボルト挿入用孔部58が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔30、第1橋架部38、第1挟持部40、第2橋架部42及び酸化剤ガス供給連通孔54は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。
The
図3及び図6に示すように、第2プレート34は、中央部に燃料ガス供給連通孔30が形成される第2燃料ガス供給部(第1反応ガス供給部)60を有する。この第2燃料ガス供給部60から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する4つの第1橋架部62を介して比較的大径な第2挟持部64が一体に設けられる。第2挟持部64は、第1挟持部40と同様に、電解質・電極接合体26と略同一寸法に設定されるとともに、各第2挟持部64には、短尺な第2橋架部66を介して環状の第2筐体部68が一体に設けられる。
As shown in FIGS. 3 and 6, the
第2燃料ガス供給部60の第1燃料ガス供給部36と接合される面には、燃料ガス供給連通孔30に連通する複数の溝部70が、前記燃料ガス供給連通孔30を中心にして放射状に形成される。各溝部70は、周溝72に一体に連通するとともに、前記周溝72には、4本の燃料ガス供給通路(第1反応ガス供給通路)74が連通する。各燃料ガス供給通路74は、各第1橋架部62から各第2挟持部64の中央部近傍に延在し、第1プレート32の燃料ガス供給孔52に対応して終端する。
A plurality of
第2筐体部68には、酸化剤ガス供給連通孔54が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部56と、ボルト挿入用孔部58とが設けられる。この第2筐体部68の第1筐体部44に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔54から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室76が形成される。
The
充填室76は、各第2橋架部66から各第2挟持部64の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路(第2反応ガス供給通路)78に連通する。酸化剤ガス供給通路78の先端には、第2挟持部64を貫通する酸化剤ガス供給孔80が連通する。
The filling
第1プレート32には、複数の突起部48が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第2プレート34には、溝部70、周溝72、燃料ガス供給通路74、充填室76及び酸化剤ガス供給通路78が、例えば、エッチングにより形成される。
The
図3に示すように、第2プレート34のカソード電極22に向かう面には、変形可能な弾性通路部、例えば、金属フェルト等の導電性不織布である導電性フェルト部材(第3荷重受け部材)84が配設される。このフェルト部材84により、第2挟持部64とカソード電極22との間には、酸化剤ガス通路86が形成される。なお、フェルト部材84に代えて、メッシュ部材(金属メッシュ等の導電性織布)、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。電解質・電極接合体26の外周部には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出するための排ガス通路88が設けられる。
As shown in FIG. 3, the surface of the
図7に示すように、各セパレータ28間には、燃料ガス供給連通孔30をシールするための第1絶縁シール(第1荷重受け部材)90と、酸化剤ガス供給連通孔54をシールするための第2絶縁シール(第2荷重受け部材)92とが設けられる。第1絶縁シール90及び第2絶縁シール92は、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等が使用される。また、第2絶縁シール92は、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。第2絶縁シール92は、第1筐体部44及び第2筐体部68に対応して略リング状に形成される。
As shown in FIG. 7, between each separator 28, a first insulating seal (first load receiving member) 90 for sealing the fuel gas
図1及び図2に示すように、燃料電池スタック12は、複数の燃料電池10の積層方向一端に、略円板状の第1エンドプレート94aが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁95を介装して小径且つ略円板状の複数の第2エンドプレート94bと、大径且つ略リング状の固定リング94cとが配置される。隔壁95は、排ガスが燃料電池10の外部に拡散することを阻止する機能を有する一方、第2エンドプレート94bは、各電解質・電極接合体26の積層位置に対応して4つ配設される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第1エンドプレート94a及び固定リング94cは、セパレータ28のボルト挿入用孔部58に連通する複数の孔部96を有する。孔部96からボルト挿入用孔部58に挿入されるボルト98及び前記ボルト98に螺合するナット100を介し、セパレータ28の第1筐体部44及び第2筐体部68が第1エンドプレート94aに締め付け固定される。
The
第1エンドプレート94aには、燃料ガス供給連通孔30に連通する単一の燃料ガス供給パイプ102と、各酸化剤ガス供給連通孔54に連通する4本の酸化剤ガス供給パイプ104と、排ガス通路88に連通する4本の排ガス排出パイプ105とが設けられる。
The
第1エンドプレート94aは、複数のボルト98、ナット108a、108b及び板状カラー部材110を介して支持プレート112が固定される。支持プレート112と第1エンドプレート94aとの間には、第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60(第1反応ガス供給部)に対して積層方向に第1締め付け荷重T1を付与する第1荷重付与機構114と、酸化剤ガス供給部56(第2反応ガス供給部)に対して前記積層方向に第2締め付け荷重T2を付与する第2荷重付与機構116と、第1挟持部40及び第2挟持部64を介し各電解質・電極接合体26に対して前記積層方向に第3締め付け荷重T3を付与する第3荷重付与機構118とが設けられる。
The
第1の実施形態では、第1締め付け荷重T1が付与されることにより第1反応ガス供給部に発生する第1面圧(単位面積あたりの荷重)F1、第2締め付け荷重T2が付与されることにより第2反応ガス供給部に発生する第2面圧(単位面積あたりの荷重)F2、及び第3締め付け荷重T3が付与されることにより挟持部に発生する第3面圧(単位面積あたりの荷重)F3は、第1面圧F1>第2面圧F2>第3面圧F3の関係に設定される。第1締め付け荷重T1を積層方向に受ける第1絶縁シール90の第1ヤング率E1、第2締め付け荷重T2を前記積層方向に受ける第2絶縁シール92の第2ヤング率E2、及び第3締め付け荷重T3を前記積層方向に受けるフェルト部材84の第3ヤング率E3は、第1ヤング率E1>第2ヤング率E2>第3ヤング率E3の関係に設定される。
In the first embodiment, the first contact pressure (load per unit area) F1 and the second tightening load T2 generated in the first reaction gas supply unit by applying the first tightening load T1 are applied. The second surface pressure (load per unit area) F2 generated in the second reaction gas supply unit and the third surface pressure (load per unit area) generated in the clamping unit by applying the third tightening load T3. ) F3 is set such that the first surface pressure F1> the second surface pressure F2> the third surface pressure F3. The first Young's modulus E1 of the first insulating
具体的には、ステンレス等の金属製セパレータ28のヤング率が約200GPaであるのに対して、第1ヤング率E1が約1GPa〜約20GPa、第2ヤング率E2が約100MPa〜約1GPa、及び第3ヤング率E3が約100MPa以下であることが好ましい。
Specifically, while the Young's modulus of the
第1荷重付与機構114は、図2に示すように、燃料ガス供給連通孔30から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池10の中央部(第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60の中央部)に配置される押圧部材120を備え、この押圧部材120は、4つの第2エンドプレート94bの配列中心近傍に位置して前記燃料電池10に隔壁95を介して押圧する。押圧部材120には、第1受け部材122a及び第2受け部材122bを介して第1スプリング124が配置される。第2受け部材122bには、第1押圧ボルト126の先端が当接する。第1押圧ボルト126は、支持プレート112に形成された第1ねじ孔128に螺合するとともに、第1ナット130を介して位置調整可能に固定される。
As shown in FIG. 2, the first
第2荷重付与機構116は、孔部96からボルト挿入用孔部58に挿入されるボルト98と、前記ボルト98に螺合するナット100とを備え、酸化剤ガス供給部56から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。
The second
第3荷重付与機構118は、第2エンドプレート94bに各電解質・電極接合体26に対応して配置される第3受け部材132aを備える。第3受け部材132aは、ピン134を介して第2エンドプレート94bに位置決め支持される。第3受け部材132aに第2スプリング136の一端が当接する一方、前記第2スプリング136の他端が第4受け部材132bに当接する。第4受け部材132bには、第2押圧ボルト138の先端が当接する。第2押圧ボルト138は、支持プレート112に形成された第2ねじ孔140に螺合するとともに、第2ナット142を介して位置調整可能に固定される。
The third
このように構成される燃料電池スタック12の動作について、第1の実施形態に係る組み立て方法との関連で、以下に説明する。
The operation of the
先ず、第1エンドプレート94aに対して、4個の電解質・電極接合体26を挟んだ一対のセパレータ28が所定数だけ積層された後、隔壁95、押圧部材120、固定リング94c及び各電解質・電極接合体26の積層位置に対応して4つの第2エンドプレート94bが配置される。次いで、第1荷重付与機構114及び第3荷重付与機構118が配置されるとともに、支持プレート112がボルト98、ナット108a、108b及び板状カラー部材110を介して第1エンドプレート94aに固定される。この状態で、第1荷重付与機構114が操作される。
First, after a predetermined number of
この第1荷重付与機構114では、第1押圧ボルト126が支持プレート112の第1ねじ孔128にねじ込まれることにより、前記第1押圧ボルト126の先端が、第2受け部材122bを押圧部材120側に押圧する。このため、第1反応ガス供給部である第1燃料ガス供給部36、及び第2燃料ガス供給部60には、第1スプリング124を介して積層方向に第1締め付け荷重T1が付与され、第1面圧F1が発生する。
In the first
次に、第2荷重付与機構116を構成するナット100をボルト98にねじ込むことにより、第1エンドプレート94a及び固定リング94c間に積層方向に締め付け力が付与される。これにより、第2反応ガス供給部である酸化剤ガス供給部56には、積層方向に第2締め付け荷重T2が付与され、第2面圧F2が発生する。
Next, the
さらに、第3荷重付与機構118を構成する第2押圧ボルト138が、支持プレート112の第2ねじ孔140にねじ込まれる。このため、第2押圧ボルト138の先端は、第4受け部材132bを第3受け部材132a側に押圧する。従って、各第2エンドプレート94bには、第2スプリング136を介して押圧力が付与され、第1挟持部40及び第2挟持部64を介して各電解質・電極接合体26には、積層方向に第3締め付け荷重T3が付与され、第3面圧F3が発生する。その際、第1面圧F1>第2面圧F2>第3面圧F3の関係を有している。
Further, the second
一方、最初に付与される第1締め付け荷重T1を積層方向に受ける第1絶縁シール90の第1ヤング率E1と、次に付与される第2締め付け荷重T2を前記積層方向に受ける第2絶縁シール92の第2ヤング率E2と、最後に付与される第3締め付け荷重T3を前記積層方向に受けるフェルト部材84の第3ヤング率E3とは、第1ヤング率E1>第2ヤング率E2>第3ヤング率E3の関係を有している。
On the other hand, the first Young's modulus E1 of the first insulating
上記のように組み付けられた燃料電池スタック12では、図1に示すように、第1エンドプレート94aに接続されている燃料ガス供給パイプ102から燃料ガス供給連通孔30には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ104から酸化剤ガス供給連通孔54には、酸素含有ガスである空気が供給される。
In the
燃料ガス供給連通孔30に供給された燃料ガスは、図4及び図7に示すように、積層方向(矢印A方向)に移動しながら、各燃料電池10を構成するセパレータ28の第2プレート34に形成された溝部70から周溝72を介して各燃料ガス供給通路74に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路74に沿って移動した後、第1プレート32に形成された燃料ガス供給孔52から燃料ガス通路46に導入される。
As shown in FIGS. 4 and 7, the fuel gas supplied to the fuel gas
燃料ガス供給孔52は、各電解質・電極接合体26のアノード電極24の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス供給孔52からアノード電極24に供給され、このアノード電極24の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路46を流動する。
The fuel
一方、酸化剤ガス供給部56に供給される空気は、第1プレート32の第1筐体部44と第2プレート34の第2筐体部68との間に設けられる充填室76に一旦充填される。この充填室76には、酸化剤ガス供給通路78が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路78に沿って第1挟持部40及び第2挟持部64の中心側に移動する。
On the other hand, the air supplied to the oxidant
第2挟持部64の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔80が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔80は、電解質・電極接合体26のカソード電極22の略中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、図7に示すように、酸化剤ガス供給孔80からカソード電極22に供給され、このカソード電極22の略中心部から外周部に向かってフェルト部材84に形成された酸化剤ガス通路86を流動する。
An oxidant
従って、各電解質・電極接合体26では、アノード電極24の略中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極22の略中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして各電解質・電極接合体26の外周部から排ガス通路88に排気される。
Accordingly, in each electrolyte /
この場合、第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60は、燃料ガスの漏れを可及的に阻止する必要があり、高精度なガスシール性が求められている。また、酸化剤ガス供給部56は、同様に、酸化剤ガスの漏れを有効に阻止するために、所望のガスシール性を確保する必要があるものの、燃料ガスに比べてガス漏れに対するシール性の要求は比較的低い。さらに、電解質・電極接合体26では、セパレータ28との電気的接触性を確保する必要がある一方、必要以上の荷重の付与によって前記電解質・電極接合体26が損傷することを防止する必要がある。
In this case, the first fuel
このため、第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60に積層方向に発生する第1面圧F1と、酸化剤ガス供給部56に前記積層方向に発生する第2面圧F2と、第1挟持部40及び第2挟持部64に前記積層方向に発生する第3面圧F3とは、第1面圧F1>第2面圧F2>第3面圧F3の関係を有している。
Therefore, the first surface pressure F1 generated in the stacking direction in the first fuel
一方、第1絶縁シール90の第1ヤング率E1、第2絶縁シール92の第2ヤング率E2、及びフェルト部材84の第3ヤング率E3は、第1ヤング率E1>第2ヤング率E2>第3ヤング率E3の関係を有している。
On the other hand, the first Young's modulus E1 of the first insulating
そこで、第1の実施形態では、先ず、第1荷重付与機構114を介して第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60に第1面圧F1が発生した後、第2荷重付与機構116を介して酸化剤ガス供給部56に第2面圧F2が発生し、さらに、第3荷重付与機構118を介して第1挟持部40及び第2挟持部64に第3面圧F3が発生している。
Therefore, in the first embodiment, first, after the first surface pressure F1 is generated in the first fuel
従って、最大面圧である第1面圧F1が、第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60に発生する際、セパレータ28に歪みが発生しても、第1橋架部38、62や第2橋架部42、66の他、第2面圧F2が発生する第2絶縁シール92の積層方向の追随性(荷重吸収機能)や、第3面圧F3が発生するフェルト部材84の積層方向の追随性(荷重吸収機能)等によって、前記セパレータ28の歪みを有効に吸収することができる。
Accordingly, when the first surface pressure F1, which is the maximum surface pressure, is generated in the first fuel
さらに、第2締め付け荷重T2が酸化剤ガス供給部56に付与される際、セパレータ28に発生する歪みは、同様に第2橋架部42、66や第1橋架部38、62の他、フェルト部材84の積層方向の追随性(荷重吸収機能)等によって良好に吸収することが可能になる。これにより、特に薄肉状のセパレータ28に対して第1締め付け荷重T1や第2締め付け荷重T2を有する際に、このセパレータ28に発生する歪みを確実に吸収することができ、前記セパレータ28に変形が残ることを良好に阻止することが可能になり、セパレータ28間に短絡が生じるのを阻止するという効果が得られる。しかも、第1燃料ガス供給部36、第2燃料ガス供給部60及び酸化剤ガス供給部56のガスシール性と、各電解質・電極接合体26の電気的接触性との両立を図ることができるとともに、該電解質・電極接合体26の損傷を確実に阻止することが可能になる。
Furthermore, when the second tightening load T2 is applied to the oxidant
図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池160の分解斜視図であり、図9は、前記燃料電池160の動作を説明する概略断面説明図である。
FIG. 8 is an exploded perspective view of the
なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3〜第6の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
The same components as those of the
燃料電池160を構成するセパレータ162は、第1プレート164と第2プレート166とを備える。第1プレート164を構成する第1挟持部40は、電解質・電極接合体26に接触する面を平坦面に構成するとともに、この面には、アノード電極24の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路46を形成し且つ前記アノード電極24に密着する導電性フェルト部材(金属フェルト等の導電性不織布)167が配設される(図8及び図9参照)。
The
なお、導電性フェルト部材に代えて、メッシュ部材(金属メッシュ等の導電性織布)、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。 In place of the conductive felt member, a mesh member (conductive woven fabric such as a metal mesh), a foam metal, an expanded metal, a punching metal, or a press embossed metal may be employed.
第2プレート166を構成する第2挟持部64は、カソード電極22に接触する面に、酸化剤ガス通路86を形成する複数の突起部168が設けられる。突起部168は、例えば、エッチングにより形成される。
The
この第2の実施形態では、第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60に積層方向に発生する第1面圧F1と、酸化剤ガス供給部56に前記積層方向に発生する第2面圧F2と、第1挟持部40及び第2挟持部64を介して各電解質・電極接合体26に前記積層方向に発生する第3面圧F3とは、第1面圧F1>第2面圧F2>第3面圧F3の関係に設定されている。
In the second embodiment, the first surface pressure F1 generated in the stacking direction in the first fuel
さらに、第1締め付け荷重T1を積層方向に受ける第1絶縁シール90の第1ヤング率E1、第2締め付け荷重T2を前記積層方向に受ける第2絶縁シール92の第2ヤング率E2、及び第3締め付け荷重T3を前記積層方向に受けるフェルト部材167の第3ヤング率E3は、第1ヤング率E1>第2ヤング率E2>第3ヤング率E3の関係に設定されている。
Further, the first Young's modulus E1 of the first insulating
そして、第2の実施形態では、第1面圧F1が発生した後、第2面圧F2が発生し、さらに第3面圧F3が発生している。従って、セパレータ162に歪みが残存することを良好に阻止することができる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment, after the first surface pressure F1 is generated, the second surface pressure F2 is generated, and further the third surface pressure F3 is generated. Therefore, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained, for example, it is possible to satisfactorily prevent the
図10は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック170の側面説明図である。
FIG. 10 is an explanatory side view of a
燃料電池スタック170は、複数の燃料電池10を第1エンドプレート94aと第2エンドプレート94dとにより挟持する。第2エンドプレート94dは、略ドーナツ形状を有しており、実質的に、第1の実施形態で用いられている第2エンドプレート94b及び固定リング94cを一体化した構成に設定される。第2エンドプレート94d側には、第1荷重付与機構114と第2荷重付与機構116とが設けられている。
The
この第3の実施形態では、先ず、第1荷重付与機構114を介して第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60に積層方向に第1面圧F1が発生した後、第2荷重付与機構116を介して酸化剤ガス供給部56に前記積層方向に第2面圧F2が発生している。
In the third embodiment, first, after the first surface pressure F1 is generated in the stacking direction in the first fuel
その際、第2荷重付与機構116は、第1エンドプレート94a及び第2エンドプレート94d間をボルト98で締め付けることにより、酸化剤ガス供給部56に積層方向に第2面圧F2を発生させるとともに、各電解質・電極接合体26に前記積層方向に第3面圧F3を発生させている。
At that time, the second
従って、第3の実施形態では、先ず、第1荷重付与機構114を介して最大面圧である第1面圧F1を発生させるため、この第1面圧F1によって発生する歪みは、第1橋架部38、62や第2橋架部42、66の他、前記第1面圧F1よりも小さな面圧が発生する部分に確実に吸収される。これにより、燃料電池スタック170では、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, in the third embodiment, first, since the first surface pressure F1 that is the maximum surface pressure is generated via the first
図11は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタック180の側面説明図である。
FIG. 11 is an explanatory side view of a
燃料電池スタック180を構成する複数の燃料電池10は、第1エンドプレート94aと第2エンドプレート94eとの間に挟持される。第1エンドプレート94aと第2エンドプレート94eとの間には、第1荷重付与機構182と第2荷重付与機構116とが設けられる。
The plurality of
第1荷重付与機構182は、第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60に近接して設けられており、複数のボルト184とナット186とを有する。第1エンドプレート94a及び第2エンドプレート94eには、燃料ガス供給連通孔30を周回して、例えば、第1橋架部38、62の間に対応してボルト184を挿通させるための孔部188が形成される。
The first
このように構成される第4の実施形態では、先ず、第1荷重付与機構182により燃料ガス供給連通孔30の近傍に締め付け荷重が付与された後、第2荷重付与機構116を介して酸化剤ガス供給連通孔54の近傍に締め付け荷重が付与されている。
In the fourth embodiment configured as described above, first, after a tightening load is applied in the vicinity of the fuel gas
このため、各燃料電池10では、第1燃料ガス供給部36及び第2燃料ガス供給部60に第1面圧F1が発生した後、酸化剤ガス供給部56に第2面圧F2が発生するとともに、各電解質・電極接合体26に第3面圧F3が発生している。従って、燃料電池スタック180では、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。
For this reason, in each
図12は、燃料電池190が矢印A方向に複数積層された本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタック192の概略斜視説明図ある。
FIG. 12 is a schematic perspective explanatory view of a
燃料電池190は、図13に示すように、一組のセパレータ194間に電解質・電極接合体26を挟んで構成される。セパレータ194は、第1及び第2プレート196、198と、前記第1及び第2プレート196、198間に配設される第3プレート200とを備える。第1〜第3プレート196、198及び200は、例えば、ステンレス合金等の薄肉状板金で構成され、前記第3プレート200の両面に、前記第1プレート196と前記第2プレート198とが、例えば、ろう付けにより接合される。
As shown in FIG. 13, the
第1プレート196は、積層方向(矢印A方向)に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔30が形成される第1燃料ガス供給部202を備え、この第1燃料ガス供給部202には、幅狭な第1橋架部204を介して比較的大径な第1挟持部206が一体的に設けられる。第1挟持部206は、電解質・電極接合体26のアノード電極24と略同一寸法に設定されている。
The
第1挟持部206のアノード電極24に接触する面には、燃料ガス通路46を形成する多数の第1凸部208が外周縁部近傍から中心部にわたって設けられるとともに、前記第1挟持部206の外周縁部には、略リング状凸部210が設けられる。第1凸部208及び略リング状凸部210は、集電部を構成する。第1挟持部206の中央部には、アノード電極24の中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔52が形成される(図13及び図14参照)。なお、第1凸部208は、略リング状凸部210と同一平面内に複数の凹部を形成することによって構成してもよい。
A number of first
第2プレート198は、積層方向(矢印A方向)に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔54が形成される第1酸化剤ガス供給部212を備える。この第1酸化剤ガス供給部212には、幅狭な第2橋架部214を介して比較的大径な第2挟持部216が一体的に設けられる。
The
第2挟持部216のカソード電極22に接する面には、酸化剤ガス通路86を形成するための複数の第2凸部217が面内全体にわたって設けられる。第2挟持部216の中央部には、酸化剤ガスをカソード電極22の中央部に向かって供給するための酸化剤ガス供給孔80が形成される。
A plurality of second
第3プレート200は、燃料ガス供給連通孔30が形成される第2燃料ガス供給部218と、酸化剤ガス供給連通孔54が形成される第2酸化剤ガス供給部220とを備える。第2燃料ガス供給部218及び第2酸化剤ガス供給部220は、幅狭な第1橋架部224及び第2橋架部226を介して比較的大径な第3挟持部228と一体的に構成される。第3挟持部228は、第1及び第2挟持部206、216と同一直径に設定される。
The
第3プレート200の第1プレート196に向かう面において、第2燃料ガス供給部218には、燃料ガス供給連通孔30に連通する複数のスリット230が放射状に形成され、このスリット230には、前記第2燃料ガス供給部218を周回して凹部232が連通する。燃料ガス供給連通孔30からスリット230を介して第1橋架部204、224間に燃料ガス供給通路233が形成され、この燃料ガス供給通路233は、第1挟持部206及び第3挟持部228間に延在する。第3挟持部228には、複数の第3凸部234が形成され、この第3凸部234は、燃料ガス供給通路233の一部を構成する。
On the surface of the
第3プレート200の第2プレート198に接する面において、第2酸化剤ガス供給部220には、酸化剤ガス供給連通孔54に連通する複数のスリット236が放射状に形成されるとともに、前記スリット236には、凹部238が連通する。酸化剤ガス供給連通孔54からスリット236を介して第2橋架部214、226間に酸化剤ガス供給通路240が形成され、この酸化剤ガス供給通路240は、第2挟持部216及び第3挟持部228間に延在する。
On the surface of the
第1プレート196が第3プレート200の一方の面にろう付けされることにより、第1及び第3プレート196、200間には、燃料ガス供給連通孔30に連通する燃料ガス供給通路233が設けられる。この燃料ガス供給通路233は、第1及び第3挟持部206、228間に該第1挟持部206を挟んでアノード電極24の電極面を覆い、且つ燃料ガスが供給されることにより前記第1挟持部206を前記アノード電極24に圧接可能な燃料ガス圧力室242を構成する(図15参照)。
By brazing the
第2プレート198が第3プレート200にろう付けされることにより、第2及び第3プレート198、200間には、酸化剤ガス供給連通孔54に連通する酸化剤ガス供給通路240が形成される。この酸化剤ガス供給通路240は、第2及び第3挟持部216、228間に該第2挟持部216を挟んでカソード電極22の電極面を覆い、且つ酸化剤ガスが供給されることにより前記第2挟持部216を前記カソード電極22に圧接可能な酸化剤ガス圧力室244を構成する(図15参照)。
By brazing the
各セパレータ194間には、燃料ガス供給連通孔30をシールするための第1絶縁シール246が設けられるとともに、酸化剤ガス供給連通孔54をシールするための第2絶縁シール248が設けられる。第1絶縁シール246は、第1絶縁シール90と同一材料で形成されるとともに、第2絶縁シール248は、第2絶縁シール92と同一材料で形成される。
Between each
図12に示すように、燃料電池スタック192は、複数の燃料電池190の積層方向両端に第1及び第2エンドプレート250a、250bを配置する。第1エンドプレート250aと第2エンドプレート250bとの間には、第1反応ガス供給部である第1燃料ガス供給部202及び第2燃料ガス供給部218に積層方向に第1面圧F1を発生させる第1荷重付与機構252と、第2反応ガス供給部である第1酸化剤ガス供給部212及び第2酸化剤ガス供給部220に前記積層方向に第2面圧F2を発生させる第2荷重付与機構254とが設けられる。
As shown in FIG. 12, in the
第1荷重付与機構252は、燃料ガス供給連通孔30に近接する位置に配置される一対の締め付けボルト256を備え、前記締め付けボルト256は、第1エンドプレート250a及び第2エンドプレート250bに形成されたボルト孔258に挿入される。各締め付けボルト256の先端には、ナット260が螺合される。
The first
第2荷重付与機構254は、同様に、酸化剤ガス供給連通孔54に近接して配置される一対の締め付けボルト262を備え、前記締め付けボルト262は、第1エンドプレート250a及び第2エンドプレート250bに形成されたボルト孔264に挿入される。各締め付けボルト262の先端には、ナット266が螺合される。
Similarly, the second
なお、締め付けボルト256には、必要に応じて第1エンドプレート250aと第2エンドプレート250bとの間隔を調整する円筒部268が外装される。第1エンドプレート250aには、燃料ガス供給連通孔30に連通する第1配管270と、酸化剤ガス供給連通孔54に連通する第2配管272とが接続される。
The
そこで、燃料電池190を組み付ける際には、図13に示すように、先ず、セパレータ194を構成する第1プレート196が第3プレート200の一方の面に接合されるとともに、第2プレート198が前記第3プレート200の他方の面に接合される。このため、セパレータ194内には、第3プレート200に仕切られて燃料ガス供給通路233と、酸化剤ガス供給通路240とが独立して形成される(図14参照)。
Therefore, when assembling the
さらに、第1及び第3挟持部206、228間には、燃料ガス圧力室242が形成される一方、第2及び第3挟持部216、228間には、酸化剤ガス圧力室244が形成される(図15参照)。
Further, a fuel
次いで、図12に示すように、セパレータ194と電解質・電極接合体26とが交互に積層され、積層方向両端に第1及び第2エンドプレート250a、250bが配置される。そして、先ず、第1荷重付与機構252を構成する締め付けボルト256とナット260との螺合作用下に、第1燃料ガス供給部202及び第2燃料ガス供給部218に積層方向に第1面圧F1が発生される。
Next, as shown in FIG. 12,
第1荷重付与機構252による締め付け作業が終了した後、第2荷重付与機構254を構成する締め付けボルト262及びナット266の螺合作用下に、第2酸化剤ガス供給部220及び第1酸化剤ガス供給部212に積層方向に第2面圧F2が発生される。
After the tightening operation by the first
なお、第1荷重付与機構252及び第2荷重付与機構254は、第1エンドプレート250aと第2エンドプレート250bとに締め付け荷重を付与しており、第1挟持部206、第2挟持部216及び第3挟持部228には、第3面圧F3が発生される。これにより、第5の実施形態では、上記の第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。
The first
次に、燃料電池スタック192の動作について説明すると、第1エンドプレート250aに接続されている第1配管270から燃料ガス供給連通孔30に燃料ガスが供給されるとともに、前記第1エンドプレート250aに接続されている第2配管272から酸化剤ガス供給連通孔54に酸化剤ガスが供給される。
Next, the operation of the
燃料ガス供給連通孔30に供給された燃料ガスは、図15に示すように、積層方向(矢印A方向)に移動しながら、各燃料電池190を構成するセパレータ194内の燃料ガス供給通路233に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路233に沿って第1及び第3挟持部206、228間に形成された燃料ガス圧力室242に導入され、複数の第3凸部234間を移動して第1挟持部206の中央部に形成される燃料ガス供給孔52に導入される。
As shown in FIG. 15, the fuel gas supplied to the fuel gas
燃料ガス供給孔52は、各電解質・電極接合体26のアノード電極24の中心位置に対応して設けられている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔52からアノード電極24に供給され、該アノード電極24内を中心部から外周部に向かって流動する。
The fuel
一方、酸化剤ガス供給連通孔54に供給される酸化剤ガスは、セパレータ194内の酸化剤ガス供給通路240を移動し、第2及び第3挟持部216、228間の酸化剤ガス圧力室244に供給される。さらに、酸化剤ガスは、第2挟持部216の中心位置に設けられる酸化剤ガス供給孔80に導入される。
On the other hand, the oxidant gas supplied to the oxidant gas
酸化剤ガス供給孔80は、各電解質・電極接合体26のカソード電極22の中心位置に対応して設けられている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔80からカソード電極22に供給され、該カソード電極22の中心部から外周部に向かって流動する。
The oxidant
従って、各電解質・電極接合体26では、アノード電極24の中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極22の中心部から外周部に向かって酸化剤ガスが供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスは、排ガスとして第1〜第3挟持部206、216及び228の外周部から排気される。
Accordingly, in each electrolyte /
図16は、燃料電池300が矢印A方向に複数積層された本発明の第6の実施形態に係る燃料電池スタック302の概略斜視説明図あり、図17は、前記燃料電池300の分解斜視説明図である。
FIG. 16 is a schematic perspective explanatory view of a
燃料電池300は、一組のセパレータ308間に複数、例えば、15個の電解質・電極接合体26を挟んで構成される。セパレータ308は、互いに積層される第1及び第2プレート310、312と、前記第1及び第2プレート310、312間に配設される第3プレート314とを備える。第1〜第3プレート310、312及び314は、例えば、ステンレス合金等の薄肉状板金で構成されている。
The
第1プレート310は、燃料ガス供給連通孔30を形成する第1燃料ガス供給部315を備え、この第1燃料ガス供給部315には、幅狭な第1橋架部316を介して第1挟持部318が一体的に設けられる。第1挟持部318は、積層方向である矢印A方向に直行する矢印B方向及び矢印C方向にそれぞれ3個及び5個ずつ、合計で15個設けられており、前記第1挟持部318同士が第3橋架部320により連結されている。
The
なお、矢印B方向両端部の第1挟持部318は、矢印B方向中央部の第1挟持部318に対して第3橋架部320のみにより連結されているが、例えば、矢印C方向に隣り合う第1挟持部318同士を前記第3橋架部320により連結してもよい。
In addition, although the
各第1挟持部318の電解質・電極接合体26のアノード電極24に接する面には、複数の第1凸部208と、略リング状凸部210とが形成されるとともに、面内中央部に燃料ガス供給孔52が形成される。
A plurality of first
第2プレート312は、酸化剤ガス供給連通孔54が形成される第1酸化剤ガス供給部322を備え、前記第1酸化剤ガス供給部322には、第2橋架部324を介して第2挟持部326が一体的に設けられる。
The
第2挟持部326は、第4橋架部328を介して互いに一体的に設けられており、前記第2挟持部326は、第1挟持部318と同様に矢印B方向に3個で且つ矢印C方向に5個の、合計15個設けられている。第2挟持部326のカソード電極22に接する面内には、複数の第2凸部217が形成されるとともに、面内中央部には、酸化剤ガス供給孔80が形成される。
The
第3プレート314は、燃料ガス供給連通孔30が形成される第2燃料ガス供給部330と、酸化剤ガス供給連通孔54が形成される第2酸化剤ガス供給部332とを備えるとともに、前記第2燃料ガス供給部330及び第2酸化剤ガス供給部332に第1橋架部334及び第2橋架部336を介して第3挟持部338が連結される。
The
第3挟持部338は、矢印B方向に3個で且つ矢印C方向に5個の、合計15個設けられ、各第3挟持部338同士が第5橋架部340を介して連結される。各第3挟持部338には、第1プレート310に向かう面に複数の第3凸部234が形成される。
There are a total of 15
第1プレート310が第3プレート314に、例えば、ろう付けにより接合されることにより、これらの間に燃料ガス供給通路233が形成される。この燃料ガス供給通路233は、第1橋架部316、334間から第1及び第3挟持部318、338間に形成される燃料ガス圧力室242を有する(図18参照)。
The
第2プレート312が第3プレート314に、例えば、ろう付けにより接合されることにより、これらの間に酸化剤ガス供給通路240が形成される。この酸化剤ガス供給通路240は、第2橋架部324、336間から第2及び第3挟持部326、338間に形成される酸化剤ガス圧力室244を有する(図18参照)。
The
図16に示すように、燃料電池スタック302は、複数の燃料電池300の積層方向両端に略長方形状の第1及び第2エンドプレート342a、342bを配置する。第1エンドプレート342aには、燃料ガス供給連通孔30に連通する第1配管344が接続されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔54に連通する第2配管346が接続される。第1エンドプレート342aと第2エンドプレート324bとには、燃料ガス供給連通孔30に近接して第1荷重付与機構252が設けられるとともに、酸化剤ガス供給連通孔54に近接して第2荷重付与機構254が設けられる。
As shown in FIG. 16, in the
そして、先ず、第1荷重付与機構252を介して第1燃料ガス供給部315、及び第2燃料ガス供給部330に第1面圧F1が発生した後、第2荷重付与機構254を介して第1酸化剤ガス供給部322及び第2酸化剤ガス供給部332に前記第1面圧F1よりも小さな第2面圧F2が発生する。これにより、第6の実施形態では、上記の第5の実施形態と同様の効果が得られる。
First, after the first surface pressure F1 is generated in the first fuel
10、160、190、300…燃料電池
12、170、180、192、302…燃料電池スタック
20…電解質 22…カソード電極
24…アノード電極 26…電解質・電極接合体
28、162、194、308…セパレータ
30…燃料ガス供給連通孔
32、34、164、166、196、198、200、310、312、314…プレート
36、60、202、218、315、330…燃料ガス供給部
38、42、62、66、204、214、224、226、316、320、324、328、334、336、340…橋架部
40、64、206、216、228、318、326、338…挟持部
44、68…筐体部 46…燃料ガス通路
52…燃料ガス供給孔 54…酸化剤ガス供給連通孔
56、212、220、322、332…酸化剤ガス供給部
74、233…燃料ガス供給通路 76…充填室
78、240…酸化剤ガス供給通路 80…酸化剤ガス供給孔
84、167…フェルト部材 86…酸化剤ガス通路
88…排ガス通路 90、92…絶縁シール
94a、94b、94d、94e、250a、250b、342a、342b…エンドプレート
94c…固定リング 98、184…ボルト
112…支持プレート
114、116、118、182、252、254…荷重付与機構
124、136…スプリング 126、138…押圧ボルト
256、262…締め付けボルト
10, 160, 190, 300 ...
Claims (5)
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔又は前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第1反応ガス供給通路が形成される第1橋架部と、
前記第1橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第1反応ガス供給通路に供給するための第1反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第1反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第2反応ガス供給通路が形成される第2橋架部と、
前記第2橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第2反応ガス供給通路に供給するための第2反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第2反応ガス供給部と、
を備えるとともに、
前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記第1反応ガス供給部に前記積層方向に第1面圧を発生させる第1荷重付与工程と、
前記第1荷重付与工程の後、前記第2反応ガス供給部に前記積層方向に前記第1面圧よりも小さな第2面圧を発生させる第2荷重付与工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。 A fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated,
The separator sandwiches the electrolyte-electrode assembly, and at least supplies a fuel gas supply hole for supplying a fuel gas along the electrode surface of the anode electrode or an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A sandwiching portion provided with an oxidant gas supply hole for supplying;
A first bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a first reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas supply hole or supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole;
A first reaction gas supply unit that is connected to the first bridge portion and has a first reaction gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the first reaction gas supply passage. When,
A second bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a second reaction gas supply passage for supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole or the fuel gas to the fuel gas supply hole;
Second reaction gas supply connected to the second bridge portion and having a second reaction gas supply communication hole for supplying the oxidant gas or the fuel gas to the second reaction gas supply passage is formed in the stacking direction. And
With
A method of assembling a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked,
A first load applying step of generating a first surface pressure in the stacking direction in the first reactive gas supply unit;
After the first load application step, the second load application step of generating a second surface pressure smaller than the first surface pressure in the stacking direction in the second reaction gas supply unit;
A method for assembling a fuel cell stack, comprising:
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔又は前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第1反応ガス供給通路が形成される第1橋架部と、
前記第1橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第1反応ガス供給通路に供給するための第1反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第1反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第2反応ガス供給通路が形成される第2橋架部と、
前記第2橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第2反応ガス供給通路に供給するための第2反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第2反応ガス供給部と、
を備えるとともに、
前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記第1反応ガス供給部に対して前記積層方向に第1荷重を付与する第1荷重付与工程と、
前記第1荷重付与工程の後、前記第2反応ガス供給部に対して前記積層方向に第2荷重を付与する第2荷重付与工程と、
を有し、且つ、
前記第1荷重を前記積層方向に受ける第1荷重受け部材の第1ヤング率は、前記第2荷重を前記積層方向に受ける第2荷重受け部材の第2ヤング率よりも大きいことを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。 A fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated,
The separator sandwiches the electrolyte-electrode assembly, and at least supplies a fuel gas supply hole for supplying a fuel gas along the electrode surface of the anode electrode or an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A sandwiching portion provided with an oxidant gas supply hole for supplying;
A first bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a first reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas supply hole or supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole;
A first reaction gas supply unit that is connected to the first bridge portion and has a first reaction gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the first reaction gas supply passage. When,
A second bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a second reaction gas supply passage for supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole or the fuel gas to the fuel gas supply hole;
Second reaction gas supply connected to the second bridge portion and having a second reaction gas supply communication hole for supplying the oxidant gas or the fuel gas to the second reaction gas supply passage is formed in the stacking direction. And
With
A method of assembling a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked,
A first load applying step of applying a first load in the stacking direction to the first reactive gas supply unit;
After the first load application step, a second load application step of applying a second load in the stacking direction to the second reaction gas supply unit;
And
The first Young's modulus of the first load receiving member that receives the first load in the stacking direction is greater than the second Young's modulus of the second load receiving member that receives the second load in the stacking direction. How to assemble a fuel cell stack.
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔又は前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第1反応ガス供給通路が形成される第1橋架部と、
前記第1橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第1反応ガス供給通路に供給するための第1反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第1反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第2反応ガス供給通路が形成される第2橋架部と、
前記第2橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第2反応ガス供給通路に供給するための第2反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第2反応ガス供給部と、
を備えるとともに、
前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記第1反応ガス供給部に前記積層方向に第1面圧を発生させる第1荷重付与工程と、
前記第1荷重付与工程の後、前記第2反応ガス供給部に前記積層方向に前記第1面圧よりも小さな第2面圧を発生させる第2荷重付与工程と、
前記第2荷重付与工程の後、前記挟持部に前記積層方向に前記第2面圧よりも小さな第3面圧を発生させる第3荷重付与工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。 A fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated,
The separator sandwiches the electrolyte-electrode assembly, and at least supplies a fuel gas supply hole for supplying a fuel gas along the electrode surface of the anode electrode or an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A sandwiching portion provided with an oxidant gas supply hole for supplying;
A first bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a first reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas supply hole or supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole;
A first reaction gas supply unit that is connected to the first bridge portion and has a first reaction gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the first reaction gas supply passage. When,
A second bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a second reaction gas supply passage for supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole or the fuel gas to the fuel gas supply hole;
Second reaction gas supply connected to the second bridge portion and having a second reaction gas supply communication hole for supplying the oxidant gas or the fuel gas to the second reaction gas supply passage is formed in the stacking direction. And
With
A method of assembling a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked,
A first load applying step of generating a first surface pressure in the stacking direction in the first reactive gas supply unit;
After the first load application step, the second load application step of generating a second surface pressure smaller than the first surface pressure in the stacking direction in the second reaction gas supply unit;
After the second load applying step, a third load applying step of generating a third surface pressure smaller than the second surface pressure in the stacking direction in the sandwiching portion;
A method for assembling a fuel cell stack, comprising:
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔又は前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第1反応ガス供給通路が形成される第1橋架部と、
前記第1橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第1反応ガス供給通路に供給するための第1反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第1反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第2反応ガス供給通路が形成される第2橋架部と、
前記第2橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第2反応ガス供給通路に供給するための第2反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第2反応ガス供給部と、
を備えるとともに、
前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記第1反応ガス供給部に対して前記積層方向に第1荷重を付与する第1荷重付与工程と、
前記第1荷重付与工程の後、前記第2反応ガス供給部に対して前記積層方向に第2荷重を付与する第2荷重付与工程と、
前記第2荷重付与工程の後、前記挟持部に対して前記積層方向に第3荷重を付与する第3荷重付与工程と、
を有し、且つ、
前記第1荷重を前記積層方向に受ける第1荷重受け部材の第1ヤング率、前記第2荷重を前記積層方向に受ける第2荷重受け部材の第2ヤング率、及び前記第3荷重を前記積層方向に受ける第3荷重受け部材の第3ヤング率は、第1ヤング率>第2ヤング率>第3ヤング率の関係を有することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。 A fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are laminated,
The separator sandwiches the electrolyte-electrode assembly, and at least supplies a fuel gas supply hole for supplying a fuel gas along the electrode surface of the anode electrode or an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A sandwiching portion provided with an oxidant gas supply hole for supplying;
A first bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a first reaction gas supply passage for supplying the fuel gas to the fuel gas supply hole or supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole;
A first reaction gas supply unit that is connected to the first bridge portion and has a first reaction gas supply communication hole formed in the stacking direction for supplying the fuel gas or the oxidant gas to the first reaction gas supply passage. When,
A second bridge portion connected to the sandwiching portion and forming a second reaction gas supply passage for supplying the oxidant gas to the oxidant gas supply hole or the fuel gas to the fuel gas supply hole;
Second reaction gas supply connected to the second bridge portion and having a second reaction gas supply communication hole for supplying the oxidant gas or the fuel gas to the second reaction gas supply passage is formed in the stacking direction. And
With
A method of assembling a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked,
A first load applying step of applying a first load in the stacking direction to the first reactive gas supply unit;
After the first load application step, a second load application step of applying a second load in the stacking direction to the second reaction gas supply unit;
After the second load applying step, a third load applying step of applying a third load in the stacking direction to the clamping portion;
And
The first Young's modulus of the first load receiving member that receives the first load in the stacking direction, the second Young's modulus of the second load receiving member that receives the second load in the stacking direction, and the third load. 3. A method of assembling a fuel cell stack, characterized in that the third Young's modulus of the third load receiving member received in the direction has a relationship of first Young's modulus> second Young's modulus> third Young's modulus.
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