JP2008270083A

JP2008270083A - 燃料電池スタック

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Publication number: JP2008270083A
Application number: JP2007114448A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Harada; 岳原田; Makoto Tonai; 誠藤内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: JP5239202B2

Abstract

【課題】燃料電池セルを積層し、その周囲を外部プレートで支持する燃料電池スタックにおいて、応力の偏りを抑制することである。
【解決手段】燃料電池スタック５２は、燃料電池セルが積層された積層部６２と、積層部６０の周囲を支持する外部プレート７０を含んで構成される。ここで、燃料電池スタック５２は、積層部６２が、積層方向に沿って剛性が変化する剛性変化特性を有する。具体的には、外部プレート７０による締結力Ｐによって生じる変形量の積層方向に沿った分布に応じ、変形量が大きい部位の剛性Ｅ_Bを、変形量が小さい部位の剛性Ｅ_Aより低くする。また、剛性Ｅ_Bを有する低剛性積層部６６と剛性Ｅ_Aを有する高剛性積層部６４の境界である剛性変更位置を、応力低減と変形量低減の双方を満たす積層位置範囲に設定することもできる。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池スタックに係り、特に複数の燃料電池セルが順次積層された積層部と、積層部の周囲を支持する外部プレート部とを有する燃料電池スタックに関する。

環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、電解質膜とその両側に配置された拡散電極層が積層されたＭＥＡ（ＭｅｍｂｒｅｍＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、その両側に設けられるセパレータとを基本構成要素とするものである。ここで、セパレータは、電力を取り出す機能と共に、燃料ガスと酸化ガスを供給し、反応生成水を排出する機能を有する。例えば、燃料電池のアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって必要な電力を取り出すことができる。

燃料電池のこの基本構成要素は、単電池、単セルあるいは燃料電池セルと呼ばれ、１つでは、約１Ｖから約１．５Ｖ程度の端子電圧である。したがって、必要な電圧と電流を得るために、この単セルを適当な数の複数個積層し、外部プレートで締結して１つのユニットとなし、このユニットを必要な数だけ組合せて、燃料電池スタックとして構成して用いられる。

このように、燃料電池スタックは、ＭＥＡとセパレータの積層体である燃焼電池セルを複数個組合せ、これを外部プレートで締結して用いられるので、内部において応力の分布が偏ることが考えられ、その解析が行われる。

例えば、特許文献１、特許文献２には、固体電解質型燃料電池において、一対の電極層の間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を、金属製セル基板に配置し、金属製セル基板を、電気伝導性を有するセル支持用金属薄板で支持することが開示されている。セル支持金属薄板は、肉厚が薄いので、セル形成接合時に変形して応力緩和を果たす。このほかに、セル基板よりもヤング率の小さい材料でセル支持金属薄板を構成する例が述べられている。

特開２００５−１５００５３号公報特開２００６−１７２９６４号公報

特許文献１，２においては、燃料電池の構成要素である燃料電池セルにおける応力緩和のための構成が示されているが、燃料電池セルを複数個積層し、これらを外部プレートで締結したときの応力あるいは変形量について触れられていない。燃料電池セルの積層体に応力の偏りあるいは変形量の偏りがあると、燃料電池スタックの局部的な破損が生じる恐れがあり、またガスリークの恐れもある。

本発明の目的は、燃料電池セルを積層し、その周囲を外部プレートで支持する構成において、応力の偏りを抑制することを可能とする燃料電池スタックを提供することである。また、他の目的は、燃料電池セルを積層し、その周囲を外部プレートで支持する構成において、応力低減と変形量低減とを両立させることを可能とする燃料電池スタックを提供することである。

本発明に係る燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルが順次積層された積層部と、積層部の周囲を支持する外部プレート部と、を有し、積層部は、積層方向に沿って剛性が変化する剛性変化特性を有することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、積層部は、外部プレートによる締結力によって生じる変形量の積層方向に沿った分布に応じ、変形量が大きい部位の剛性を、変形量が小さい部位の剛性より低くする剛性変化特性を有することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、積層部は、積層方向に沿って設定された剛性変更位置を境にして、一方側に剛性の高い高剛性積層部が、他方側に剛性の低い低剛性積層部が配置され、剛性変更位置は、剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大応力値が所定の閾値応力範囲となる第１積層位置範囲と、剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大変形量が所定の閾値変形量範囲となる第２積層位置範囲と、が重なる積層位置範囲の中で設定されることが好ましい。

上記構成の少なくとも１つにより、複数の燃料電池セルが順次積層された積層部の周囲外部プレート部で支持した燃料電池スタックにおいて、積層部は、積層方向に沿って剛性が変化する。例えば、燃料電池スタックにおいて積層方向に沿って局部的に応力の高い箇所がある場合、その箇所の剛性を低くすることで、応力の偏りを抑制することが可能となる。

また、燃料電池スタックにおいて、外部プレートの変形量に従って変形量が大きい積層部の部位の剛性を、変形量が小さい積層部の部位の剛性より低くする。一般的に外部プレートの剛性は燃料電池セルの剛性よりも十分高い値に設定されるので、外部プレートの変形量が大きい部位は、積層部も変形量が大きくなり、これに伴い、その部位の応力が高くなる。上記構成によれば、変形量の大きい積層部の部位の剛性を他の部位より低くするので、変形量の偏りに起因する応力の偏りを抑制することができる。

また、積層部を高剛性積層部と低剛性積層部とで構成したときに、その剛性変更位置について、剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大応力値が所定の閾値応力範囲となる第１積層位置範囲を求め、また、剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大変形量が所定の閾値変形量範囲となる第２積層位置範囲を求める。そして、第１積層位置範囲と第２積層位置範囲とが重なる積層位置範囲の中で、剛性変更位置を設定する。一般的に、積層部を高剛性で構成すると外部プレートの変形量に従う積層部の変形量を抑制できるが、応力は高くなる。一方、積層部を低剛性で構成すると応力を低減できるが、変形量が大きくなる。上記構成によれば、応力低減と変形量低減とを両立させることが可能となる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルとして、ＭＥＡとその両側のセパレータとの積層体を説明するが、燃料電池セルが積層されるものであればこれ以外の構成であってもよい。例えば、隣接する燃料電池セルのセパレータを一体化するものとしてもよい。また、燃料電池スタックを構成する外部プレートとして、積層部の積層方向の一方端にマニフォールド、他方端に端部プレートを備えるものとして説明するが、積層部の周囲を支持するものであれば、これ以外の構成であってもよい。例えば、マニフォールドの具体的構成が以下の説明と異なるものでもよく、また、一方端がマニフォールドでなくてもよい。

図１は、燃料電池スタック１０の構成を示す図である。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル２０を積層したもので、積層の一方端にはマニフォールド１２、他方端には端部プレート１４が配置され、全体として一体化されたものである。

燃料電池セル２０は、ＭＥＡ２２の両側にセパレータ２４が配置されているもので、ＭＥＡ２２の一方の片側に配置されるセパレータ２４から燃料ガスが供給され、他方の片側から酸化ガスが供給され、ＭＥＡ２２を介して電気化学反応を生じさせて、約１Ｖから約１．５Ｖの発電が行われる。燃料電池スタック１０は、所定の電圧と電流を得るために、燃料電池セル２０を所定数、例えば、５０段、あるいは１００段積層したものである。

マニフォールド１２は、燃料ガス配管と酸化ガス配管が接続され、各燃料電池セル２０に燃料ガスと酸化ガスを分配し、また、各燃料電池セル２０から電気化学反応後の使用済みガスを戻す機能を有する分配器である。なお、各燃料電池セル２０を適度な温度に保つための循環冷却水配管もマニフォールド１２に設けられる。また、各燃料電池セル２０からの反応生成水は、使用済みガスとともに排出される。

このように、燃料電池スタック１０は、燃料電池セル２０が所定数積層された積層部３０と、積層部３０を一体として支持する部分とで構成される。図１の例では、マニフォールド１２と端部プレート１４と、これらを接続する接続部とが積層部３０の周囲に配置され、マニフォールド１２と端部プレート１４との間に所定の締結力が加えられて、全体として一体化されている。

図２は、モデル化した燃料電池スタック５０を示す図で、ここでは、燃料電池セル２０が積層された積層部６０と、積層部６０の周囲を支持する外部プレート７０が示されている。外部プレート７０は、図１で説明したマニフォールド１２と端部プレート１４とこれらを接続する接続部とを合わせてモデル化したものである。そして、図２に示されるように、外部プレート７０の一方端の端部プレート７２と他方端の端部プレート７４との間に締結力Ｐが印加される。

燃料電池スタックにおける応力分布を積層方向に沿って評価すると、外部プレート７０の他方端の端部プレート７４の側に高い応力値が出ることが分かった。その様子を図３に示す。図３は、横軸を燃料電池スタックの位置として、燃料電池セルの積層方向に沿った位置をとり、縦軸に各位置における応力値をとって示す図である。ここで、積層方向位置を図２のモデル化した燃料電池スタック５０の積層方向に沿った位置とし、Ａとある位置が、他方側の端部プレート７４に接する燃料電池セル２０の位置で、Ｄとある位置が、一方側の端部プレート７２に接する燃料電池セル２０の位置である。

図３と図２とを参照すると、他方側の端部プレート７４に近い燃料電池セル２０の応力値が最も高い値を示す。この理由は次のように考えられる。すなわち、外部プレート７０は、締結力Ｐの印加により変形するが、図２のように一方側の端部プレート７２に締結力Ｐが他方側の端部プレート７４に向けて印加されると、自由端となっている他方側の端部プレート７４が最も大きく変形する。そして、外部プレート７０は、積層部６０を支持するものであるので、一般的に燃料電池セル２０の剛性よりも高い剛性とされる。したがって、外部プレート７０より剛性の低い各燃料電池セル２０は、外部プレート７０の変形に従って変形する。換言すれば、外部プレート７０の変形量に拘束されて各燃料電池セル２０が変形する。

外部プレート７０において最も変形量の大きいのは、他方側の端部プレート７４である。したがって、この他方側の端部プレート７４に接する燃料電池セル２０が最も大きい変形量となり、これにより最も大きな応力値を示すことになる。すなわち、図２、図３において、Ａとして示される位置の燃料電池セル２０が応力値の最大値を示し、この位置からＤとして示される位置に向かって、応力値は減少することになる。

次に、このようにＡとして示される位置で応力値が高く、積層方向に沿って偏った応力分布となっているものを、応力低減する構成について説明する。上記のように、外部プレートの変形に従って積層部が変形する場合、積層部の変形量の多い部位の応力を低減するには、その部位の剛性を低くすればよい。すなわち、歪量をεとし、応力値をσとし、剛性、すなわちヤング率をＥとすれば、σ＝Ｅεであるから、同じεであっても、Ｅを低く設定することで、応力σを低減することができる。

図４は、積層部の剛性を積層方向に変化させる様子を示す図で、図５はその結果の応力値分布を示す図である。以下では、図１から図３の要素と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では、図１から図３の符号を用いて説明する。図４に示す燃料電池スタック５２は、積層部６２が、積層方向に沿って剛性が変化する剛性変化特性を有するものである。具体的には、外部プレート７０による締結力Ｐによって生じる変形量の積層方向に沿った分布に応じ、変形量が大きい部位の剛性を、変形量が小さい部位の剛性より低くする剛性変化特性を有するものである。

図３で説明したように、外部プレート７０による締結力Ｐによって積層部において生じる変形量は、Ａとして示される位置で最も大きく、Ｄとして示される位置に向かって次第に小さくなり、ある位置から先ではほぼ一定となる。そこで、図４に示す燃料電池スタック５２では、積層部６２において、Ａとして示される位置から積層方向に沿ってある位置までの範囲の剛性を他の部分の剛性よりも低くする。図４では、基準となる剛性をＥ_Aよりも低剛性のＥ_Bの領域を低剛性積層部６６、剛性がＥ_Aの領域を高剛性積層部６４として示されている。低剛性積層部６６の領域は、図３において応力値が他の部分より高い領域に対応する。

図５は、図４の構成の燃料電池スタック５２の積層部６２について、積層方向に沿った応力値の分布を示す図である。図５の横軸、縦軸は図３と同じで、図３のデータも参考のため、破線で示されている。このように、図４の構成によれば、燃料電池セル２０を積層し、その周囲を外部プレート７０で支持する構成において、応力の偏りを抑制することができる。

このように、剛性が一様な燃料電池スタック５０に比べ、積層方向に剛性を変化させた燃料電池スタック５２の方が応力低減できる理由は次の通りである。すなわち、第１に、両者において、外部プレート７０は同じものであり、また外部プレート７０の剛性は上記のように燃料電池セル２０の剛性よりも十分に高く設定されるので、締結力Ｐによって生じる外部プレート７０の変形量は同じと考えてよい。第２に、燃料電池セル２０の剛性は外部プレート７０の剛性より十分に低いので、その変形量は、外部プレート７０の変形量に従う。したがって、燃料電池スタック５０，５２の両者において、燃料電池セル２０の変形量は同じと考えてよい。第３に、燃料電池スタック５０，５２の両者において、燃料電池セル２０は同じものであるので、燃料電池セル２０の元の長さも同じである。第２で述べたように、燃料電池セル２０の変形量が同じであるので、したがって、燃料電池セル２０の歪εも同じである。

第４に、燃料電池スタック５０においては、剛性がＥ_Aであるので、歪εに対する応力σは、Ｅ_Aεである。これに対し、燃料電池スタック５２において、低剛性積層部６６においては剛性がＥ_Bであるので、ここでの歪εに対する応力σは、Ｅ_Bεであり、この値は、燃料電池スタック５０の応力値Ｅ_Aεより小さくなる。したがって、剛性が一様な燃料電池スタック５０に比べ、積層方向に剛性を変化させた燃料電池スタック５２の方が応力低減できる。

図６は、図２，３で説明した剛性が一様な燃料電池スタック５０の最大応力値と、図４、５で説明したように積層方向に剛性をＥ_A，Ｅ_Bと変化させた燃料電池スタック５２の最大応力値を比較した図である。ここで示されるように、積層方向に剛性を変化させることで、最大応力値を約（１／２．７）に低減することができる。換言すれば、最大応力値を約６１％低減し、約３９％とすることができる。

上記においては、外部プレートによる締結力によって積層部において生じる変形量が大きい部位の剛性を低下させて応力低減を図っている。しかしながら、剛性を低下させると、燃料電池スタックの全体の変形量が増大し、これによって、破損、ガスリークが生じる恐れがある。そこで、剛性低下をある範囲で行う必要がある。以下では、低剛性積層部と高剛性積層部との境界を剛性変更位置とし、剛性変更位置を適切に設定することで、応力低減と変形量低減とを両立させることができる構成について説明する。

図７は、剛性変更位置を説明する図である。なお、これらの図では、説明のために、変形等が誇張して示されている。ここで、図７（ａ）は、積層部６０の剛性がＥ_Aで一様で、締結力Ｐが印加されていない状態を示す図である。図７（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、締結力Ｐが印加された状態の図である。ここで、図７（ｂ）は図７（ａ）において，締結力Ｐを印加した場合の図で、ここでは積層部６０の剛性がＥ_Aで一様であるので、剛性変更位置はない。図７（ｃ）は、低剛性積層部６６と高剛性積層部６４がある場合で、剛性変更位置がＢで示される位置にある。図７（ｄ）も低剛性積層部６７と高剛性積層部６５がある場合で、剛性変更位置がＣで示される位置にある。なお、剛性変更位置は、燃料電池セルの積層方向に沿って測ってある。

積層部全体についての変形量は、図７（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ、Δ１，Δ２，Δ３として示されている。すなわち、高剛性Ｅ_Aで一様な図７（ｂ）のΔ１が最も小さく、剛性変更位置がＢにある図７（ｃ）におけるΔ２はΔ１よりも大きな変形量となっている。また、剛性変更位置がＣにあって、低剛性積層部の割合が最も大きい図７（ｄ）におけるΔ３は、Δ２よりも大きな変形量となっている。

図８は、剛性変更位置と、燃料電池スタックの積層部全体における最大応力値と、全体変形量との関係を示す図である。横軸は剛性変更位置、縦軸は最大応力値と全体変形量である。ここでは、実線で応力値の変化を示し、破線で変形量の変化が示されている。なお、剛性変更位置が「０」とされているところが、図２から図５におけるＡの位置に相当し、剛性変更位置が「２５」とされているところが、図２から図５におけるＤの位置に相当する。

図８から分かるように、剛性変更位置を「０」から「２５」に向かって移動させてゆくにつれ、低剛性積層部の割合が増加するので、応力値が低減するが、一方で変形量が増加する。

図９は、応力値上限と、変形量上限を設定し、応力値上限以下となる剛性変更位置の範囲と、変形量上限以下となる剛性変更位置の範囲とを求め、応力低減と変形量低減とを両立する剛性変更位置を求める様子を示す図である。図９の例では、応力値上限としての閾値応力値が「１０．４」に設定され、変形量上限としての閾値変形量が「８．７」に設定されている。これらの上限値は、別途実験等で求めることができる。

図９の場合、応力値上限以下となる剛性変更位置は、「２０」以下の積層位置範囲である。これを第１積層位置範囲とする。また、変形量上限値以下となる剛性変更位置は、「１３」以上の積層位置範囲である。これを第２積層位置範囲とする。応力低減と変形量低減とを両立させる積層位置範囲は、第１積層位置範囲と第２積層位置範囲とが重なる積層位置範囲である。上記の例では、「１３」以上「２０」以下の積層位置範囲で、剛性変更位置を設定することで、応力低減と変形量低減とを両立させることができる。特に最適な剛性変更位置は、「１３」の積層位置である。ここでは、「１３」から「２０」の積層位置範囲において、応力値が最小となり、変形量もほぼ最小となる。

このようにして、燃料電池セルを積層し、その周囲を外部プレートで支持する構成において、応力低減と変形量低減とを両立させることができ、例えば、燃料電池スタックにおいて局部的破損を防止し、ガスリークの発生を抑制することができる。

本発明に係る実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。本発明に係る実施の形態においてモデル化した燃料電池スタックを示す図である。横軸に燃料電池スタックの位置として、燃料電池セルの積層方向に沿った位置をとり、縦軸に各位置における応力値をとって示す図である。本発明に係る実施の形態の燃料電池スタックにおいて、積層部の剛性を積層方向に変化させる様子を示す図である。図４の構成としたときの応力値分布を示す図である。剛性が一様な燃料電池スタックの最大応力値と、積層方向に剛性を変化させた燃料電池スタックの最大応力値を比較した図である。本発明に係る実施の形態において、剛性変更位置を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、剛性変更位置と、燃料電池スタックの積層部全体における最大応力値と、全体変形量との関係を示す図である。本発明に係る実施の形態において、応力低減と変形量低減とを両立する剛性変更位置を求める様子を示す図である。

符号の説明

１０，５０，５２燃料電池スタック、１２マニフォールド、１４端部プレート、２０燃料電池セル、２２ＭＥＡ、２４セパレータ、３０，６０，６２積層部、６４，６５高剛性積層部、６６，６７低剛性積層部、７０外部プレート、７２，７４端部プレート。

Claims

複数の燃料電池セルが順次積層された積層部と、
積層部の周囲を支持する外部プレート部と、
を有し、
積層部は、
積層方向に沿って剛性が変化する剛性変化特性を有することを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
積層部は、
外部プレートによる締結力によって生じる変形量の積層方向に沿った分布に応じ、変形量が大きい部位の剛性を、変形量が小さい部位の剛性より低くする剛性変化特性を有することを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
積層部は、
積層方向に沿って設定された剛性変更位置を境にして、一方側に剛性の高い高剛性積層部が、他方側に剛性の低い低剛性積層部が配置され、
剛性変更位置は、
剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大応力値が所定の閾値応力範囲となる第１積層位置範囲と、
剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大変形量が所定の閾値変形量範囲となる第２積層位置範囲と、
が重なる積層位置範囲の中で設定されることを特徴とする燃料電池スタック。