JP2008112708A

JP2008112708A - 燃料電池スタックの締結構造

Info

Publication number: JP2008112708A
Application number: JP2006322917A
Authority: JP
Inventors: Sang Hyun Cho; 相鉉曹; Young Bum Kum; 榮範琴
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: KR20080037944A; US20080102343A1; CN101170197A; JP5234710B2; KR100873238B1

Abstract

【課題】工程偏差や、熱変形による面圧の変化を補正することができる燃料電池スタックの締結構造を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１０の締結構造において、セパレータ１１の上、下両端面にエンドプレート１２ａ、１２ｂが密着固定され、前記セパレータ１１の上、下両端面を除く４周面が１対のコ字型エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂで脱着式に覆われていている。前記脱着式の締結構造は、前記エンドプレート１２ａ、１２ｂ側面部の周面に沿って凹に形成された凹部と、前記エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂの上、下側の縁部に形成された突部が嵌合する方式である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックの締結構造に係り、より詳細には、従来のボルト固定方式の代りに簡単な噛合いの固定方式の脱着構造で燃料電池スタックを固定結合するようにした燃料電池スタックの締結構造に関する。

電気の６０％は、火力発電で発電されるが、この火力発電に用いられる燃料は、ほとんどを輸入に頼っているために資源貧国で必要とする発電源として研究されたのが燃料電池である。

既存の火力発電は、化石燃料を燃やし、蒸気タービンを可動させて発電を行うため、発電途中に多量のエネルギー損失があるが、燃料電池は化石燃料を電気化学的に反応させてすぐに電気エネルギーを得ることができるためエネルギー損失が少なく環境にも優しい発電法である。

二酸化炭素発生による地球温暖化現象など、様々な環境汚染問題解決のために化石燃料に代替する清浄エネルギー源として、太陽光、太陽熱エネルギー、バイオエネルギー、風力エネルギー、水素エネルギーに対する関心が高まっているが、水素を燃料として使用する燃料電池分野もその研究が急速に進行している。

燃料電池の基本構造である単位電池、即ち、セル（ｃｅｌｌ）は、多孔性構造の電極、そして正極と負極との間に位置してイオン伝導性を有する電解質からなる。気体状の燃料は、負極に供給され、酸素を含む気体は、正極に供給され、反応気体と電解質、固体である触媒が共存する三相界面の領域から電気化学的反応で発生した電子が外部回路を介して流れ、発電が行なわれる。

即ち、燃料極と空気極にそれぞれ水素と空気（酸素）が供給されて電解質と反応してイオンを形成し、生成したイオンが電気化学反応を起こして水を形成する過程で燃料極に電子が生成して空気極に移動しながら、電気が発生する。

このような単位電池であるセルから電気が発生するが、この電気量は、実生活に使用するには非常に少ない量である。
このため、セル（ｃｅｌｌ）を複数個重ねて、まとまった電気エネルギーを取り出す方法がとられる。この複数個のセル（ｃｅｌｌ）を集めたものをスタック（Ｓｔａｃｋ）と言う。

このように燃料電池は、セルを複数個重ねてスタックを作らなければならないが、複数個のセルを締結させる従来の燃料電池スタックの締結構造を、図５及び図６を参照して説明する。
図５は、特開２００６−６６２５６号公報に開示されているもので、積層体１００の積層方向両端部に配置されるエンドプレート１１０、１２０と、積層体１００の上下部に配置される上下板１３０、１４０と、エンドプレート１１０、１２０及び上下板１３０、１４０を連結する連結ピン１５０を備えている。上下板１３０、１４０の少なくとも１個は、リーブ１６０を備えるパネルで構成される同時に、リーブ１６０を備えるパネルの中立面上に連結ピン１５０の中心が設置されて剛性維持及び面圧が付与されている。

また、図６は、特開２００６−１４０００７号公報に開示されたもので、複数列のスタックと複数列にわたる１対のエンドプレート２００、２１０を備えた燃料電池において、隣接するスタック間支持部材２２０と、絶縁プレート２３０および剛性が高いフレームで構成されている。
しかし、このような従来技術は、燃料電池スタックの構成を最大限単純にし、重量を減らそうとしたものであるが、その連結部品にボルトを含む多量の連結部材を使用するため、部品数および作業工数が増加する問題点がある。
特開２００６−６６２５６号公報特開２００６−１４０００７号公報

本発明は、前記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、燃料電池セルとエンドプレートとの間にスプリングを装着して工程偏差や、熱変形による面圧の変化を補正することができる燃料電池スタックの締結構造を提供することである。

本発明は、燃料電池スタックの締結構造において、セパレータ１１の上、下両端面にエンドプレート１２ａ、１２ｂが密着固定され、前記セパレータ１１の上、下両端面を除く４周面が１対のコ字型エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂで脱着式に覆われることを特徴とする。

前記脱着式の締結構造は、前記エンドプレート１２ａ、１２ｂ側面部の周面に沿って凹に形成された凹部１５と、前記エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂの上、下側の縁部に形成された突部１６が嵌合する方式であることを特徴とする。

前記脱着式の締結構造は、前記エンドプレート１２ａ、１２ｂ側面部の周面に沿って凸に形成された突部１６と、前記エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂの上、下側の縁部に形成された凹部１５が互いに嵌合する方式であることを特徴とする。

前記セパレータ１１と一側のエンドプレート１２ａ、１２ｂとの間には、その間の工程偏差や、熱変形による各構成セルの長さ変化で締結力に変化が発生する場合でも、一定面圧を確保するだけではなく、緩衝の役割をもたせるスプリング１３が装着されることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池スタックの締結構造によると、以下の効果がある。即ち、燃料電池スタック自体に剛性を与えて外部エンクロージャーの大きさを減らすことにより体積当りの燃料電池の出力密度を向上させることができる。工程偏差や、温度変化による締結力変化、即ち、面圧の変化を補正できる弾性手段を締結構造内部に設置して燃料電池の温度変化にもかかわらず、面圧を一定に維持することができて安全性が向上する。燃料電池スタック締結時、または再組立時に、所要部品数を減らし、ボルト締結方式による締結力の差を減らして作業性の不良を低減させることは勿論、作業工程を単純化することができる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池スタックの締結構造を示した分解斜視図であり、図２は、図１の‘Ａ−Ａ’線の断面図である。
図１及び図２に示す通り、燃料電池スタック１０は、これを構成する複数のセパレータ１１が電極膜接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）及びガス拡散層を間に置いて積層され、このセパレータ１１の上、下両端面にはエンドプレート１２ａ、１２ｂが密着固定されている。
セパレータ１１とエンドプレート１２ａ、１２ｂは、締結手段で結合され、エンドプレート１２ａ、１２ｂには、一つの端子（（＋）または（−）端子）が形成されている。

下両端面を除く４周面は、１対のコ字型エンクロージャーパネル（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅｐａｎｅｌ）１４ａ、１４ｂで脱着式に覆われており、エンドプレート１２ａ、１２ｂの外部面積とエンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂの内部面積は同一になるように構成されている。

エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂの締結手段は、燃料電池の各構成セルに適正締結力を付与し、全体的なモジュールの剛性を確保するものであるが、量産システムに適用可能にするため簡単な脱着式締結構造になっている。
脱着式の締結構造は、図４のエンドプレート１２ａ、１２ｂの凹部１５と、図３のエンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂの突部１６から構成される。

燃料電池スタック１０の上、下部に構成されたエンドプレート１２ａ、１２ｂの４周に沿って凹部１５が形成され、エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂの上、下側縁部には、突部１６が形成されて突部１６を凹部１５に嵌合して固定する方式となっている。

本発明の他の実施形態として、前記と反対にエンドプレート１２ａ、１２ｂの４周に突部１６を形成し、エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂに凹部１５を形成することもできる。

一方、セパレータ１１とエンドプレート１２ａ、１２ｂとの間の工程偏差や熱変形による長さ変化で発生する締結力の変化に対応するために、一定の面圧を確保するだけではなく、緩衝役割をもたせるためにスプリング１３が装着される。
これによって、燃料電池スタック１０の温度変化や工程偏差による誤差が発生しても、安定した締結力が付与される。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの締結方法を説明する。
図２に示す通り、複数個の燃料電池セルが積層された状態において、これを支持するセパレータ１１の両側面にエンドプレート１２ａ、１２ｂを密着させて、セパレータ１１と一側のエンドプレート１２ａ、１２ｂとの間に一定の面圧を与え、緩衝役割をもたせるためにスプリング１３を装着する。

エンドプレート１２ａ、１２ｂの側面に凹部１５が露出する状態で、エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂを燃料電池スタック１０の両側面に密着させると同時に、エンクロージャーパネル１４ａ、１４ｂの上、下側縁部に形成された突部１６を凹部１５に嵌合させる簡単な組立作業で燃料電池スタック１０が締結できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

本発明による燃料電池スタックの締結構造を示した分解斜視図である。図１の‘Ａ−Ａ’線の断面図である。本発明によるエンクロージャーパネルの突部を示した斜視図である。本発明によるエンドプレートの凹部を示した斜視図である。従来の燃料電池スタックの締結構造を示した斜視図である。従来の燃料電池スタックの締結構造を示した斜視図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック
１１…セパレータ
１２ａ、１２ｂ…エンドプレート
１３…スプリング
１４ａ、１４ｂ…エンクロージャーパネル
１５…凹部
１６…突部

Claims

燃料電池スタックの締結構造において、
セパレータ（１１）の上、下両端面にエンドプレート（１２ａ）、（１２ｂ）が密着固定され、前記セパレータ（１１）の上、下両端面を除く４周面が１対のコ字型エンクロージャーパネル（１４ａ）、（１４ｂ）で脱着式に覆われることを特徴とする燃料電池スタックの締結構造。
前記脱着式の締結構造は、前記エンドプレート（１２ａ）、（１２ｂ）側面部の周面に沿って凹に形成された凹部（１５）と、前記エンクロージャーパネル（１４ａ）、（１４ｂ）の上、下側の縁部に形成された突部（１６）が嵌合する方式であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの締結構造。
前記脱着式の締結構造は、前記エンドプレート（１２ａ）、（１２ｂ）側面部の周面に沿って凸に形成された突部（１６）と、
前記エンクロージャーパネル（１４ａ）、（１４ｂ）の上、下側の縁部に形成された凹部（１５）が互いに嵌合する方式であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの締結構造。
前記セパレータ（１１）と一側のエンドプレート（１２ａ）、（１２ｂ）との間には、その間の工程偏差や、熱変形による各構成セルの長さ変化で締結力に変化が発生する場合でも、一定面圧を確保するだけではなく、緩衝の役割をもたせるスプリング１３が装着されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックの締結構造。