JP2009163907A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell used for a portable power source, an electric vehicle power source, a domestic cogeneration system, and the like, and more particularly, to a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte.
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。これらの電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層を有する。このように高分子電解質膜と電極(ガス拡散層を含む)とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜電極接合体(以降、「MEA」と
する。)と呼ぶ。
A fuel cell using a polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. This fuel cell basically includes a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions and a pair of electrodes formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, that is, an anode and a cathode. These electrodes are mainly composed of carbon powder supporting a platinum group metal catalyst, and have both a gas permeability and an electronic conductivity disposed on the outer surface of the catalyst layer formed on the surface of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. It has a gas diffusion layer. An assembly in which the polymer electrolyte membrane and the electrode (including the gas diffusion layer) are integrally joined together is called an electrolyte membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”).
また、MEAの両側には、MEAを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。セパレータにおいてMEAと接触する部分には、それぞれの電極に燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。このようなガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が、一般的である。なお、このように、MEAが一対のセパレータにより挟み込まれた構造体を、単電池モジュールと言う。 Further, on both sides of the MEA, conductive separators for mechanically sandwiching and fixing the MEAs and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series are disposed. Gas separators are formed in portions of the separator that come into contact with the MEA to supply reaction gas such as fuel gas and oxidant gas to the respective electrodes and carry away generated water and surplus gas. Such a gas flow path can be provided separately from the separator, but a system in which a groove is provided on the surface of the separator to form a gas flow path is common. Note that the structure in which the MEA is sandwiched between the pair of separators is referred to as a unit cell module.
セパレータとMEAとの間に形成されるガス流路への反応ガスの供給及びガス流路からの反応ガス、生成水の排出は、セパレータの縁部にマニホールド孔と呼ばれる貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこのマニホールド孔に連通して、マニホールド孔から各ガス流路に反応ガスを分配することによって行われる。 The supply of the reaction gas to the gas flow path formed between the separator and the MEA and the discharge of the reaction gas and product water from the gas flow path are performed by providing a through hole called a manifold hole at the edge of the separator. The reaction is performed by distributing the reaction gas from the manifold hole to each gas flow path by connecting the inlet / outlet of the flow path to the manifold hole.
また、ガス流路に供給される燃料ガスや酸化剤ガスが外部へリークしたり、2種類のガスが互いに混合したりしないように、MEAにおける電極が形成されている部分、すなわち発電領域の外周を囲むように、一対のセパレータの間には、シール部材としてガスシール材やガスケットが配置される。これらのガスシール材やガスケットは、マニホールド孔の周囲のシールをも行う。 In addition, the portion where the electrode in the MEA is formed, that is, the outer periphery of the power generation region, so that the fuel gas and the oxidant gas supplied to the gas flow channel do not leak to the outside or the two kinds of gases are mixed with each other. Between the pair of separators, a gas seal material or a gasket is disposed as a seal member so as to surround the pair. These gas seals and gaskets also seal around the manifold holes.
燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、1〜3セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。これらのMEA、セパレータ及び冷却部を交互に重ねていき、10〜200セル積層した後、積層体の両端部に、集電板と絶縁板を介して端板を配置して、端板同士でこの積層体を挟み、締結ボルトとロッドで、両端から固定するのが、一般的な積層電池(燃料電池スタック)の構造である。 Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool the fuel cell with cooling water or the like in order to maintain the battery in a favorable temperature state. Usually, a cooling unit for flowing cooling water is provided for every 1 to 3 cells. After alternately stacking these MEAs, separators, and cooling units and laminating 10 to 200 cells, end plates are arranged on both ends of the laminate via current collector plates and insulating plates, It is the structure of a general laminated battery (fuel cell stack) that sandwiches this laminated body and is fixed from both ends with fastening bolts and rods.
このような積層電池では、冷却部を含む複数の単電池モジュールを一方向に積み重ね、その両端に一対の端板を配置し、それぞれの端板間を締結ボルト及びロッドで固定して、それぞれの単電池モジュールを締め付けるような締め付け方式が採用されている。このような締め付け方式として、機械的強度の観点から、端板や締結ボルトには、通常、ステンレス鋼などの金属材料を用い、これらの端板や締結ボルトと、積層電池との間を絶縁板により電気的に絶縁し、電流が端板を通して外部に漏れ出ることのない構造が採用されている。また、端板には絶縁板と一体化し、絶縁体を成形もしくは加工したものも用いられている。締結ボルトについては、セパレータの縁部に形成された貫通孔を通す方法や、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方式が、一般的である。 In such a stacked battery, a plurality of unit cell modules including a cooling unit are stacked in one direction, a pair of end plates are arranged at both ends, and each end plate is fixed with a fastening bolt and a rod, A tightening method for tightening the cell module is employed. As such a fastening method, from the viewpoint of mechanical strength, a metal material such as stainless steel is usually used for the end plate and fastening bolt, and an insulating plate is provided between these end plate and fastening bolt and the laminated battery. Therefore, a structure is employed in which the current is electrically insulated and current does not leak outside through the end plate. In addition, an end plate that is integrated with an insulating plate and molded or processed an insulator is also used. As for fastening bolts, a method of passing through a through-hole formed in the edge of the separator and a method of fastening the entire laminated battery with a metal belt over an end plate are common.
このような締め付け方式が採用されている積層電池においては、単電池モジュールを面内(積層方向に直交する平面内)で均一な締結力で締め付けられることが重要とされている。この均一な締結力によって、空気、水素、冷却水等の漏れを防止し、また単電池モジュールの破損を防止し、さらにそれによって発電効率を上げたり、電池寿命を延長したりすることが可能となるからである。このような締め付け方式における締結力の均一化の観点とコストダウンの観点から、例えば特許文献1では、ヘッダと低剛性の板体からなるボルスタを締結前にスタックに対して凸に湾曲変形させ、ロッドによりスタックへ締め付け、バネやベローズなどの部品を削減する方法が提案されている。 In a laminated battery employing such a fastening method, it is important that the single cell module is fastened with a uniform fastening force in a plane (in a plane orthogonal to the stacking direction). With this uniform fastening force, it is possible to prevent leakage of air, hydrogen, cooling water, etc., and to prevent damage to the unit cell module, thereby further improving power generation efficiency and extending battery life. Because it becomes. From the viewpoint of uniform fastening force and cost reduction in such a tightening method, for example, in Patent Document 1, a bolster composed of a header and a low-rigid plate is bent and deformed convexly with respect to the stack before fastening, There has been proposed a method of reducing parts such as springs and bellows by tightening to a stack with a rod.
詳しくは図16に示すように、燃料電池スタック801を挟持しているヘッダ802と低剛性の板体からなるボルスタ803を有し、かつ、このボルスタ803をヘッダ802のほうへ弾力的に引き寄せている複数のロッド804を有し、ボルスタ803はスタック801と反対側の面の両端に設けられた固定部と固定部間に渡架され張力調整ナットによって締め付けられた引張棒805とによって、あらかじめスタック801のほうに一時的に凸に湾曲変形させられてから、ロッド804によってスタック801のほうへ引き寄せられて平らな面になったところで、ボルスタ803の平面がスタック801を押圧接触しているので、面内に均一な荷重がかかるようになる。
Specifically, as shown in FIG. 16, a
ところで、複数の単電池モジュールを一方向に積み重ね、その両端に一対の端板を配置し、それぞれの端板間を締結ボルト及びロッドで固定する場合、締結ボルト及びロッドにより端板が大きく変形することがある。そのため、締結ボルト及びロッドで締め付けたことで発生した端板の変形により、単電池モジュールに均一な締結力が付加できずにMEAの接触圧力に不均一な面内接触圧力分布が生じる。このような不均一な面内接触圧力分布は接触抵抗の不均一な面内分布となり、燃料電池における発電性能を低下させる要因となるという問題がある。このような接触抵抗の不均一な面内分布による発電性能の低下が生じることを抑制するために、締結力として必要以上に荷重を付加するような対策が採用される場合もあり、このような場合にあっては、MEAやガスケットの機械的強度の低下が促進されて、燃料電池の寿命が短くなるという問題がある。 By the way, when a plurality of unit cell modules are stacked in one direction, a pair of end plates are disposed at both ends thereof, and the end plates are fixed by fastening bolts and rods, the end plates are greatly deformed by the fastening bolts and rods. Sometimes. Therefore, due to the deformation of the end plate generated by fastening with the fastening bolt and the rod, a uniform fastening force cannot be applied to the single cell module, and a non-uniform in-plane contact pressure distribution is generated in the MEA contact pressure. Such a non-uniform in-plane contact pressure distribution has a non-uniform in-plane contact resistance distribution, which causes a problem of reducing power generation performance in the fuel cell. In order to suppress the deterioration of the power generation performance due to such non-uniform distribution of the contact resistance, a measure for applying a load more than necessary as the fastening force may be employed. In that case, there is a problem that the mechanical strength of the MEA or gasket is accelerated and the life of the fuel cell is shortened.
さらに、特許文献1のような方式においては、締結力の均一化が可能となる、端板であるボルスタ803の湾曲変形させる度合いは規定されていない。また、スタック801に対してボルスタ803を凸に湾曲変形させるため、MEAに対しては十分に荷重が付加されるが、MEAの外周部及びマニホールドの外周部すなわちボルスタ803の外周部に配置されるガスシール材及びガスケットに対しては締結荷重が十分にかからず、シール性が不十分となるという問題が発生する。
Furthermore, in the method as disclosed in Patent Document 1, the degree of bending deformation of the
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、高分子電解質型燃料電池において、膜電極接合体とセパレータとの間に不均一な面内接触圧力分布が生じることを低減し、かつ、シール性を十分に発揮でき、適正な締結力を付加できる最適な形状を持つ締結端板が用いられた高分子電解質型燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problem, and in a polymer electrolyte fuel cell, it is possible to reduce the occurrence of non-uniform in-plane contact pressure distribution between the membrane electrode assembly and the separator. Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell in which a fastening end plate having an optimum shape that can sufficiently exhibit a sealing property and can add an appropriate fastening force is used.
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の第1態様によれば、膜電極接合体と上記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを有する複数の単電池モジュールが積層されて積層体を形成し、その積層体の両端に端板がそれぞれ配置され、複数の締結部材により、上記一対の端板で上記積層体を挟み付けて締結することにより組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
上記各端板は、上記締結部材で締め付ける締付部分よりも、上記締付部分から離れた非締付部分の剛性が高くなるように構成し、締結状態で上記各端板の積層体側の面を平坦とすること
を特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供する。
According to the first aspect of the present invention, a plurality of unit cell modules having a membrane electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly are laminated to form a laminate, and ends are formed at both ends of the laminate. In a polymer electrolyte fuel cell comprising a fuel cell stack that is assembled by sandwiching and fastening the laminate with the pair of end plates by a plurality of fastening members, each of which is arranged with a plate,
Each of the end plates is configured such that the rigidity of the non-clamping portion away from the clamping portion is higher than that of the clamping portion to be clamped by the fastening member, and the surface of each end plate on the laminate side in the fastening state The present invention provides a polymer electrolyte fuel cell characterized by flattening.
本構成によって、部品数を増加することなく、単電池モジュールに均一な締結力が付加でき、シール性を発揮させながら、MEAの不均一な面内接触圧力分布を低減させすることができる。 With this configuration, a uniform fastening force can be applied to the single cell module without increasing the number of parts, and the non-uniform in-plane contact pressure distribution of the MEA can be reduced while exhibiting sealing performance.
本発明の第2態様によれば、上記各端板は、締結前のセル側の面が、上記締付部分よりも、上記締付部分から離れた上記非締付部分の厚さが大きくなるような形状をなしており、締結後に、上記締結部材による締結力により、上記各端板の上記セル側の面が平面となりかつ上記各端板の上記セル側とは反対側の面の形状が、上記締付部分よりも、上記締付部分から離れた上記非締付部分の厚さが大きくなるように弾性変形して、上記締付部分よりも上記非締付部分の剛性が高くなるようにしている、請求項1の態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。 According to the second aspect of the present invention, in each of the end plates, the surface of the cell side before fastening is thicker at the non-clamping part away from the clamping part than at the clamping part. After the fastening, due to the fastening force by the fastening member, the surface on the cell side of each end plate becomes a flat surface, and the shape of the surface on the opposite side to the cell side of each end plate is The non-clamping part is elastically deformed so that the thickness of the non-clamping part away from the clamping part is larger than that of the clamping part, so that the rigidity of the non-clamping part becomes higher than that of the clamping part. A polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 is provided.
本発明の第3態様によれば、上記各端板は、上記締付部分の材料のヤング率は、上記締付部分から離れた上記非締付部分の材料のヤング率よりも小さいことにより、上記締付部分よりも上記非締付部分の剛性が高くなるように構成している、第1の態様に記載の高分子電解質型燃料電池を提供する。 According to the third aspect of the present invention, each end plate has a Young's modulus of the material of the tightening portion smaller than a Young's modulus of the material of the non-tightening portion separated from the tightening portion. The polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, which is configured so that the rigidity of the non-tightened portion is higher than that of the tightened portion.
以上のように、本発明の高分子電解質型燃料電池によれば、上記各端板は、上記締結部材で締め付ける部分よりも、各締結部材から離れた部分の剛性が高くなるように構成して、上記一対の端板で上記積層体を挟み付けて、上記複数の締結部材により複数の単電池モジュールを締付けるようにしている。このため、各締結部材から離れた部分(締結部材による締付力が付与されにくい部分)に対しては、端板自体の剛性が高くなる一方、上記締結部材で締め付ける部分(締結部材による締付力が付与されやすい部分)に対しては、端板自体の剛性が低くなるように構成しているため、全体として、締結部材による締付力が均一になりやすく、端板側から複数の単電池モジュールに均一な締結力を付加することができて、シール性を十分に保ちながら、締結荷重を低減することができるため、燃料電池の耐久性を向上できるという効果を奏する。 As described above, according to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, each end plate is configured so that the rigidity of the part away from each fastening member is higher than the part fastened by the fastening member. The laminate is sandwiched between the pair of end plates, and the plurality of single cell modules are fastened by the plurality of fastening members. For this reason, the rigidity of the end plate itself is increased with respect to a portion away from each fastening member (a portion to which the fastening force by the fastening member is difficult to be applied), while a portion to be tightened with the fastening member (tightening with the fastening member). Since the rigidity of the end plate itself is low for the portion to which a force is easily applied, the tightening force by the fastening member tends to be uniform as a whole, and a plurality of units are easily viewed from the end plate side. A uniform fastening force can be applied to the battery module, and the fastening load can be reduced while sufficiently maintaining the sealing performance. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved.
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態にかかる高分子電解質形燃料電池(PEFC)の一例である燃料電池スタック101の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a part of a structure of a
図1に示すように、大略直方体形状の燃料電池スタック101は、単電池モジュール(セル)1を複数個積層させて積層体100を構成し、上記複数個のセル1で構成された上記積層体100の両端の最外層には、集電板2及び端板3がそれぞれ取り付けられて、複数の締結部材により、一対の端板3で積層体100が挟み付けられて組立てられている。上記各締結部材は、締結ボルト7とナット8とより構成されている。上記複数個のセル1で構成された上記積層体100は、一方の端板3側から、一方の端板3と集電板2と積層体100の各セル1と集電板2と他方の端板3のボルト用貫通孔6をそれぞれ締結ボルト7が挿通し、他方の端板3の外側でナット8を締結ボルト7のネジ部に螺合させて締結している。端板3の内面すなわち集電板側の面の凹部3gには、弾性体の一例としての多数の内側バネ4が取り付けられ、かつ、締結ボルト7の頭部7aと端板3との間にも外側バネ5がそれぞれ取り付けられている。
As shown in FIG. 1, a substantially rectangular parallelepiped
本第1実施形態では、一例として、セル1は60個積層されて積層体100を構成し、積層体100の端部の端板3は平面形状が正方形であり、端板3の正方形の各変の中心位置において、4個のボルト用貫通孔6にそれぞれ挿通される4本の締結ボルト7と、4個のナット8とが例えば締結力10kNでそれぞれ締結されている。
In the first embodiment, as an example, 60 cells 1 are stacked to form a
セル1は、両面の周縁部にガスケットを有する電解質膜電極接合体(MEA)9を一対の導電性のセパレータ10(具体的には、アノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10C)で挟むことにより、構成されている。これによって、MEA9の本体部9aの電極層のうちの最も外側に配置されているガス拡散層が、アノード側又はカソード側セパレータ10A又は10Cと当接し、アノード側セパレータ10Aの燃料ガス流路溝12Aのガス拡散層当接部及びカソード側セパレータ10Cの酸化剤ガス流路12Cのガス拡散層当接部が、MEA9のそれぞれの面のガス拡散層によって覆われる。つまり、MEA9の一方の面のガス拡散層当接部を流通する燃料ガスに、アノード側セパレータ10Aのガス拡散層が曝露され、MEA9の他方の面のガス拡散層当接部を流通する酸化剤ガスにカソード側セパレータ10C側のガス拡散層が曝露され、PEFCの電気化学反応を生じさせることができる。また、積層されたセル1においては、隣接したMEA9の本体部9aが互いに電気的に直列に、場合によっては並列に、接続される。
The cell 1 is formed by sandwiching an electrolyte membrane electrode assembly (MEA) 9 having gaskets on both peripheral edges between a pair of conductive separators 10 (specifically, an
セパレータ10の周縁部及びMEA9の周縁部9b、つまりガスケットに、燃料ガス及び酸化剤ガスが流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、一対の燃料ガスマニホールド孔11A及び一対の酸化剤ガスマニホールド孔11Cがそれぞれ穿たれている。セル1が積層されて積層体100を構成している状態では、これら貫通孔11A,11Cがそれぞれ連通して結合し、燃料ガスマニホールド及び酸化剤ガスマニホールドをそれぞれ形成する。
A pair of through-holes through which fuel gas and oxidant gas circulate, that is, a pair of fuel
また、セパレータ10の周縁部及びMEA9の周縁部9bに、燃料ガスマニホールド孔11A及び酸化剤ガスマニホールド孔11Cと同様に、アノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10Cのそれぞれの背面(燃料ガス流路溝12A又は酸化剤ガス流路12Cが形成されていない面)の冷却水流路溝12Wと連通しかつ冷却水が流通する二対のマニホールドを形成する冷却水マニホールド孔11Wがそれぞれ穿たれている。これによって、セル1が積層されて積層体100を構成している状態では、これらマニホールド孔11Wはそれぞれ連通して結合し、二対の冷却水マニホールドがそれぞれ形成される。
Further, similarly to the fuel
MEA9の本体部9aは、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、及び高分子電解質膜の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層(すなわちアノードとカソードの電極層)とから構成される。電極層は、ガス拡散層と、ガス拡散層と高分子電解質膜との間に配置される触媒層とを有する積層構造を有している。触媒層は、通常、白金族の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される。また、ガス拡散層は、触媒層の外面に形成されて、通気性と電子伝導性を併せ持つ。
The main body 9a of the
セパレータ10を構成するアノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10Cは、平板状であって、MEA9と接触する側の面、すなわち内面は、MEA9とガスケットの形状に応じるようにしている。ここでは、一例として、アノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10Cとして、東海カーボン株式会社製のグラッシーカーボン(厚さ3mm)を用いている。アノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10Cでは、各種マニホールド孔11A,11C,11W及びボルト用貫通孔6が、該アノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10Cを厚さ方向にそれぞれ貫通している。また、アノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10Cの内面には、燃料ガス流路溝12A又は酸化剤ガス流路溝12Cが形成され、アノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10Cの背面には冷却水流路溝12Wが形成されている。各種マニホールド孔11A,11C,11W、ボルト用貫通孔6、燃料ガス流路溝12A、酸化剤ガス流路溝12C、冷却水流路溝12W等は、切削加工あるいは成形加工により形成される。
The anode-
ここで、冷却水流路溝12Wは、二対の冷却水マニホールド孔11W間を結ぶようにして形成される。つまり、冷却水が、それぞれ一方のマニホールド11W、すなわち冷却水供給側の冷却水マニホールド11Wから、冷却水流路溝12Wに分岐して、それぞれ他方の冷却水マニホールド11W、すなわち冷却水排出側の冷却水マニホールド11Wに流通するように構成される。これによって、水の伝熱能力により、セル1を電気化学反応に適した所定の温度に保つことができる。なお、燃料ガス及び酸化剤ガスと同様にして、セパレータ10の周縁部及びMEA9の周縁部9bに冷却水マニホールド孔11Wを形成せずに、冷却水給排路を外部マニホールド構造にしてもよい。さらには、アノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10Cの背面に冷却水流路溝12Wを形成せずに、隣接するセル1の間に、冷却水が循環する冷却ユニットを挿入して、セル1同士を冷却ユニットを介して積層するように構成してもよい。
Here, the cooling
ガスケットは、弾性体で構成され、MEA9及び、アノード側セパレータ10A又はカソード側セパレータ10Cの押圧によって、アノード側セパレータ10A又はカソード側セパレータ10Cの形状に応じて変形し、MEA9の本体部9aの周囲、及び冷却水マニホールド孔11Wの周囲がシールされる。燃料ガスマニホールド孔11A及び酸化剤マニホールド孔11Cにおいても、同様にして、ガスケットによって、それぞれのマニホールド孔11A,11Cの周囲がシールされる。
The gasket is made of an elastic body, and is deformed according to the shape of the
アノード側セパレータ10A及びカソード側セパレータ10Cのそれぞれの背面には、各種マニホールド孔11A,11C,11Wの周囲に、耐熱性の材質からなるガスケット等の一般的なシール部材が配設されている。これによって、隣接するセル1の間において、各種マニホールド孔11A,11C,11Wのセル1間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の漏出が防止される。
General sealing members such as gaskets made of a heat-resistant material are disposed around the
集電板2は、セル積層体100の外側に配置し、発電された電気を効率良く集電できるように、一例として、銅板に金メッキが施したものを使用する。なお、集電板2には、一例として、電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス鋼、又は、アルミニウム等を使用しても良い。また、集電板2の表面処理は、一例として、スズメッキ、又は、ニッケルメッキ等を施してもよい。集電板2の外側には、通常、電気を絶縁するための絶縁板が配置されるが、本第1実施形態では、一例として、電気絶縁性のある材料を用いた端板3でその役割も兼用させている。
The
ここで、端板3は、一例として、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて、射出成形で製作したものを使用している。端板3と一体となっている配管は、セル積層体100のマニホールドにガスケットを介して押し当てられて構成している。端板3の集電板2側の内面の締結前の形状が、締結ボルト7とナット8とで締め付ける部分よりも、各締結ボルト7とナット8から離れた部分の剛性が高くなるように構成している。具体例としては、図2Aに示すように、端板3の、締結ボルト7のボルト貫通孔6の周囲の部分すなわちボルト貫通孔周囲部分(各辺の中間部分)(締付部分の一例)3bの厚さが薄く、各締結ボルト7から一番離れた外周部部分(角)(非締付部分の一例)3aの厚さが一番厚くなり、ボルト貫通孔周囲部分3bから一番厚い角3aまでを、なだらかな湾曲面で連結したような構造となっている。第1実施形態では、さらに、端板3の内側には、セル1に荷重を加える内側バネ4を、MEA9の投影部分(本体部9a)、つまり、セル1の内側の部分に対向する領域に集中的に配置し、端板3を積層体100に締め付けた状態で積層体100に対して例えば8.4kN荷重が加えられるような締め付け寸法で、内側バネ4の付勢力が管理されている。外側バネ5は、締結ボルト7とナット8で組立時に、締結ボルト7による締付力のバラツキを調整可能として、燃料電池スタック101全体を例えば10kNで締結するようにしている。
Here, as an example, the end plate 3 is manufactured by injection molding using polyphenylene sulfide resin. The pipe integrated with the end plate 3 is configured to be pressed against the manifold of the
図2Aでは、セル1すなわち積層体100を締め付ける前の端板3の形状を示しているが、図2Bには、積層体100を締め付けた後の端板3の形状を示している。
2A shows the shape of the end plate 3 before the cell 1, that is, the
すなわち、上記したように、積層体100を一対の端板3で締め付ける前の図2Aでは、各端板3の集電板2側の内面の形状が、締結ボルト7のボルト貫通孔6の周囲の部分(各辺の中間部分)3bの厚さが薄く、各締結ボルト7から一番離れた外周部部分(角)3aの厚さが一番厚くなっている。
That is, as described above, in FIG. 2A before the laminate 100 is fastened by the pair of end plates 3, the shape of the inner surface of each end plate 3 on the
これに対して、図2Bに示すように、積層体100を一対の端板3で締め付けた後では、各端板3の集電板2側の内面の形状が平坦になる一方、集電板2側の内面とは反対側の各端板3の外面の形状が、各締結ボルト7のボルト貫通孔6の周囲の部分(各辺の中間部分)3bの厚さが薄く、各締結ボルト7から一番離れた外周部部分(角)3aの厚さが一番厚くなっている。これは、一対の端板3で積層体100を挟みこんで、4本の締結ボルト7と4個のナット8で荷重付加した際、各端板3が締付力の影響を受けて各端板3自体が変形し、各端板3の集電板側すなわち単電池モジュール1側の面が平面となって、大略均一な力で集電板2及び積層体100を締め付けるようにするためである。各端板3は合成樹脂で構成されているため、端板3自体は容易に変形可能としている。このように、各端板3が、積層体100に対して平面となって締付力を付与するため、単電池モジュール1の面内に均一に荷重をかけることができ、積層体100のアノード側セパレータ10A又はカソード側セパレータ10Cの変形を抑制し、MEA9とその外周のガスケットに均等に荷重を加えることができて、シール性を十分に保つことができるとともに、MEA9の面内接触圧力差も低減することができる。これにより、燃料電池スタック1の耐久性を向上することが可能となる。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, after the laminate 100 is fastened with the pair of end plates 3, the shape of the inner surface of each end plate 3 on the side of the
言い換えれば、上記各端板3は、上記締結ボルト7とナット8で締め付ける部分よりも、各締結ボルト7又はナット8から離れた部分の剛性が高くなるように構成しているため、上記一対の端板3で上記積層体100を挟み付けて、上記複数の締結ボルト7とナット8により複数の単電池モジュール1を締付けるようにしている。このため、締結ボルト7とナット8による締付力が付与されにくい部分に対しては、端板自体の剛性が高くなる一方、締結ボルト7とナット8による締付力が付与されやすい部分に対しては、端板自体の剛性が低くなるように構成するため、全体として、締結ボルト7とナット8による締付力が均一になりやすく、複数の単電池モジュール1に均一な締結力を付加することができて、シール性を十分に保ちながら、締結荷重を低減することができ、燃料電池の耐久性を向上できるという効果を奏する。また、上記構成によれば、内側バネ4により、電解質膜電極接合体(MEA)9を均一に押圧することができるとともに、外側バネ5により、反力の小さいシール部材をしっかり押し切ることができる。
In other words, each end plate 3 is configured such that the portion separated from each
本発明は、上記バネ付の端板3に限定されるものではなく、バネ無しの端板3Aにも適用することができる。
The present invention is not limited to the end plate 3 with a spring, but can be applied to an
図3Bは、上記バネ付の端板3の代わりに、バネ無しの端板3Aの斜視図、端面図、斜視図のA−A線の断面図を含む説明図を示している。内側バネ4を配置するための凹部3gが不要となっているだけである。このようにバネ無しの端板3Aを使用する場合には、バネ付の端板3よりも構造が簡素化されるという利点がある。
FIG. 3B shows an explanatory view including a perspective view, an end view, and a cross-sectional view taken along line AA of the
図5は、そのバネ無しの端板3Aを使用した高分子電解質形燃料電池(PEFC)の一例である燃料電池スタック101の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。端板3A以外の構造は、上記端板3と同じであるため、それらの説明を省略する。このバネ無しの端板3Aでも、バネによる作用効果を除き、バネ付の端板3と同様な作用効果を奏することができる。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing a part of the structure of a
図6は、各辺の中間部分にボルト貫通孔6が貫通形成された正方形のバネ無しの端板3Aの集電板側の面を示す底面図である。
FIG. 6 is a bottom view showing the surface on the side of the current collector plate of the square
図7の(A1)、(B1)、(C1)は、それぞれ、上記端板3Aにおいて、図6のA−A線沿いの端面図(端板3Aの側面図に相当)、B−B線断面図(端板3Aの対向する辺の中間部を結ぶ線沿いの断面図に相当)、及びC−C線断面図(端板3Aの対向する角を結ぶ対角線沿いの断面図に相当)を含む説明図である。図7の(A2)〜(A6)、(B2)〜(B6)、(C2)〜(C6)は、それぞれ、5種類の変形例にかかる端板3Aにおいて、図6のA−A線沿いの端面図、B−B線断面図、及びC−C線断面図を含む説明図である。なお、バネ付の端板3でも、凹部3eがあるだけで、凹部3eの部分以外の部分の基本的な形状は、バネ無しの端板3Aと同じである。
(A1), (B1), and (C1) in FIG. 7 are respectively an end view along the line AA in FIG. 6 (corresponding to a side view of the
上記第1実施形態では、上記説明したように、端板3Aの集電板側の面(図7では下面)の各締結ボルト7に対して一番離れた外周部部分(正方形の角)3aから、端板3Aの集電板側の面(図7では下面)のボルト貫通孔6の周囲の部分(各辺の中間部分)3b及び中央部分3fを底とするような、ゆるやかな湾曲した湾曲した凹面で結ばれた形状を呈している。よって、図7の端面図(A1)では、端板3Aの集電板側の面(図7では下面)の1つの締結ボルト7に対する両側の角3aから端板3Aの集電板側の面(図7では下面)の各辺の中間部分3bに向けて各辺の中間部分3bを底とするような、ゆるやかな湾曲した凹面で結ばれた形状を呈している。図7のB−B線断面図(B1)では、各辺の中間部分3bと端板3Aの集電板側の面(図7では下面)の中央部分3fと各辺の中間部分3bとを結ぶ部分では、厚さが一定であり、中央部分3fは、各辺の中間部分3bと同様な厚さとなっている。図7のC−C線断面図(C1)では、両端の端板3Aの角3aから中央部分3fに向けて中央部分3fを底とするような、ゆるやかな湾曲した凹面で結ばれた形状を呈している。このように構成する結果、角3aは各辺の中間部分3bと中央部分3fより厚くなり大きな剛性を有する一方、各辺の中間部分3bと中央部分3fには薄いため小さな剛性を有することになる。このような構成によれば、他の変形例と比較して、曲面の湾曲度合いを調整することにより、より均一性を高めることが可能である。
In the first embodiment, as described above, the outer peripheral portion (square corner) 3a farthest from the
本発明は、このような形状に限定されるものではなく、以下の変形例のように種々の形状としてもよい。なお、以下の変形例においても、基本的に、第1実施形態の作用効果をほぼ同様に奏することができる。 The present invention is not limited to such a shape, and may have various shapes as in the following modifications. In addition, also in the following modified examples, basically, the operational effects of the first embodiment can be obtained in substantially the same manner.
(第1実施形態の第1の変形例)
第1実施形態の第1の変形例としては、端板3Aの集電板側の面を、4隅の端板3Aの角3aに対して端板3Aの各辺の中間部分3b及び中央部分3fをそれぞれ底とする屈曲した平面で構成するようにしてもよい。言い換えれば、各角3aと中央部分3fとを結ぶ線を山折り線とし、各辺の中間部分3bと中央部分3fを結ぶ線を谷折り線とした、平面が屈曲した形状としてもよい。よって、図7の端面図(A2)に示すように、隣接する2つの角3aに対して、その中間の各辺の中間部分3bを頂点とした、屈曲した逆V字形状を呈している。図7のB−B線断面図(B2)では、各辺の中間部分3bと中央部分3fと各辺の中間部分3bとを結ぶ部分では、厚さが一定であり、各辺の中間部分3bと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図7のC−C線断面図(C2)では、両端の端板3Aの角3aに対して、その中間の中央部分3fを頂点とした、屈曲した逆V字形状を呈している。このように構成する結果、角3aは各辺の中間部分3bと中央部分3fより厚くなり大きな剛性を有する一方、各辺の中間部分3bと中央部分3fには薄いため小さな剛性を有することになる。
(First Modification of First Embodiment)
As a first modification of the first embodiment, the surface of the
このような形状にすれば、加工が簡単で製造しやすいものとすることができる。 With such a shape, it is easy to process and easy to manufacture.
(第1実施形態の第2の変形例)
第1実施形態の第2の変形例としては、第1実施形態の第1の変形例に追加して、各辺の中間部分3b及び中央部3fに、それぞれ、平面部3dを形成して互いに連結するようにしてもよい。すなわち、第1の変形例に十字形状の平面部3dを形成したような形状としてもよい。よって、図7の端面図(A3)に示すように、隣接する2つの角3aに対して、その中間の各辺の中間部分3bには平面部3dが現われた、台形形状を呈している。図7のB−B線断面図(B3)では、各辺の中間部分3bと中央部分3fと各辺の中間部分3bとを結ぶ部分では、厚さが一定であり、各辺の中間部分3bと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図7のC−C線断面図(C3)では、両端の端板3Aの角3aに対して、その中間の中央部分3fには平面部3dが現われた、台形形状を呈している。平面部3dの幅は、図7の端面図(A3)において、端板3Aの正方形の一辺の長さをLとするとき、(L/6)〜(L/3)の範囲とするのが好ましい。このように構成する結果、角3aは各辺の中間部分3bと中央部分3fより厚くなり大きな剛性を有する一方、各辺の中間部分3bと中央部分3fには薄いため小さな剛性を有することになる。
(Second modification of the first embodiment)
As a second modification of the first embodiment, in addition to the first modification of the first embodiment, a
このような形状にすれば、加工が比較的簡単で製造しやすいものとすることができる。 With such a shape, processing can be made relatively easy and easy to manufacture.
なお、平面部3dの幅を(L/6)〜(L/3)の範囲とするのは、以下の理由による。すなわち、平面部3dの幅が(L/6)未満ならば、中央部が狭すぎて、中心の剛性が大きくなりすぎる。平面部3dの幅が(L/3)を越えると、角部が小さくなり、剛性も小さくなるため、積層体に押圧力を十分に掛けられないためである。
The reason why the width of the
(第1実施形態の第3の変形例)
第1実施形態の第3の変形例としては、第1実施形態の第2の変形例に類似し、角3aの厚さと同じ厚さを全体的に持つ端板3Aとして構成し、第2の変形例の各辺の中間部分3b及び中央部3fのそれぞれの平面部3dに対応する部分に凹部3eを形成するようにしてもよい。すなわち、第2の変形例の十字形状の平面部3dが凹部3eの底面となるように、他の部分を厚肉の板材としたものである。よって、図7の端面図(A4)に示すように、隣接する2つの角3aの付近は厚肉の板材となり、その中間の各辺の中間部分3bのみ凹部3eが現われた形状を呈している。図7のB−B線断面図(B4)では、各辺の中間部分3bと中央部分3fと各辺の中間部分3bとを結ぶ部分では、厚さが一定であり、各辺の中間部分3bと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図7のC−C線断面図(C4)では、両端の端板3Aの角3aの付近は厚肉の板材となり、その中間の中央部分3fのみ凹部3eが現われた形状を呈している。凹部3eの幅は、第2の変形例の平面部3dの幅と同じで、図7の端面図(A4)において、端板3Aの正方形の一辺の長さをLとするとき、(L/6)〜(L/3)の範囲とするのが好ましい。このように構成する結果、角3aは各辺の中間部分3bと中央部分3fより厚くなり大きな剛性を有する一方、各辺の中間部分3bと中央部分3fには薄いため小さな剛性を有することになる。
(Third Modification of First Embodiment)
The third modification of the first embodiment is similar to the second modification of the first embodiment, and is configured as an
このような形状にすれば、曲面及び傾斜面が無く、加工が簡単で製造しやすいものとすることができる。 With such a shape, there are no curved surfaces and inclined surfaces, and the processing is simple and easy to manufacture.
なお、端板3Aの正方形の一辺の長さを(L/6)〜(L/3)の範囲とするのは、以下の理由による。すなわち、端板3Aの正方形の一辺の長さが(L/6)未満ならば、中央部が狭すぎて、中心の剛性が大きくなりすぎる。端板3Aの正方形の一辺の長さが(L/3)を越えると、角部が小さくなり、剛性も小さくなるため、積層体に押圧力を十分に掛けられないためである。
The reason why the length of one side of the
(第1実施形態の第4の変形例)
第1実施形態の第4の変形例としては、第1実施形態の第3の変形例に類似し、端板3Aを単一の材料で一体的に形成する代わりに、複数の材料を組み合わせて形成するようにしたものである。すなわち、各辺の中間部分3bと中央部分3fと同じ厚さの薄いベース板材3E1と、ベース板材3E1の各辺の中間部分3bと中央部分3fを除く部分に配置され、かつ、角3aの厚さからベース板材3E1の厚さを引いた厚さを有する補強部材3E2とより構成するようにしてもよい。ここで、ベース板材3E1の材料のヤング率E1は補強部材3E2の材料のヤング率E2より小さいものとする。この結果、ベース板材3E1と補強部材3E2とにより、第3の変形例と同様な凹部3eが形成されるとともに、角3aは補強部材3E2により大きな剛性を有する一方、各辺の中間部分3bと中央部分3fには、補強部材3E2が無いので小さな剛性を有するようにしている。よって、図7の端面図(A5)に示すように、隣接する2つの角3aの付近は、ベース板材3E1と補強部材3E2とにより、大きな一定厚さを持つ部分となり、その中間の各辺の中間部分3bはベース板材3E1のみの凹部3eが形成された形状を呈している。図7のB−B線断面図(B5)では、各辺の中間部分3bと中央部分3fと各辺の中間部分3bとを結ぶ部分では、ベース板材3E1のみで厚さが一定であり、各辺の中間部分3bと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図7のC−C線断面図(C5)では、両端の端板3Aの角3aの付近はベース板材3E1と補強部材3E2とにより、大きな一定厚さを持つ部分となり、その中間の中央部分3fはベース板材3E1のみの凹部3eが形成された形状を呈している。凹部3eの幅は、第2の変形例の平面部3dの幅と同じで、図7の端面図(A5)において、端板3Aの正方形の一辺の長さをLとするとき、(L/6)〜(L/3)の範囲とするのが好ましい。
(Fourth modification of the first embodiment)
As a fourth modification of the first embodiment, similar to the third modification of the first embodiment, instead of integrally forming the
このような構成にすれば、ベース板材3E1と補強部材3E2とで異なる材料を使用することにより、材料を適宜選択することができて、剛性の調整を簡単に行なうことができる。 With such a configuration, by using different materials in the base plate 3E 1 and the reinforcing member 3E 2, to be able to select materials appropriate, it is possible to adjust the rigidity easily.
なお、端板3Aの正方形の一辺の長さを(L/6)〜(L/3)の範囲とするのは、以下の理由による。すなわち、端板3Aの正方形の一辺の長さが(L/6)未満ならば、中央部が狭すぎて、中心の剛性が大きくなりすぎる。端板3Aの正方形の一辺の長さが(L/3)を越えると、角部が小さくなり、剛性も小さくなるため、積層体に押圧力を十分に掛けられないためである。
The reason why the length of one side of the
ベース板材3E1の材料の例として、ポリフェニレンサルファイド樹脂を使用することができる。また、補強部材3E2の材料の例として、ベース板材3E1の材料よりも剛性(ヤング率)の大きな樹脂を使用することができる。 Examples of the material of the base plate 3E 1, may be used polyphenylene sulfide resin. As examples of the material of the reinforcing member 3E 2, than the material of the base plate 3E 1 can use large resin rigidity (Young's modulus).
(第1実施形態の第5の変形例)
第1実施形態の第5の変形例としては、第1実施形態の第4の変形例の角3aの厚さと同じ厚さを端板3Aの全面にわたって一定に有するベース板材3E3とし、かつ、角3aの付近にのみ、異なる材料の補強部材3E4を内蔵するようにしてもよい。ここで、ベース板材3E3の材料のヤング率E3は補強部材3E4の材料のヤング率E4より小さいものとする。この結果、角3aの付近は、ベース板材3E3と補強部材3E4とにより、大きな剛性を有する一方、各辺の中間部分3bと中央部分3fには、補強部材3E4が無いので小さな剛性を有するようにしている。よって、図7の端面図(A6)に示すように、全体として同一厚さのベース板材3E3ではあるが、隣接する2つの角3aの付近は、図中に点線で示すように、補強部材3E4により、大きな剛性を持つ部分となり、その中間の各辺の中間部分3bには、補強部材3E4が無いように構成されて小さな剛性を持つ部分として構成している。図7のB−B線断面図(B6)では、各辺の中間部分3bと中央部分3fと各辺の中間部分3bとを結ぶ部分では、補強部材3E4が無く、ベース板材3E3のみで厚さが一定であり、各辺の中間部分3bと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図7のC−C線断面図(C6)では、全体として同一厚さのベース板材3E3ではあるが、両端の端板3Aの角3aの付近は、図中に点線で示すように、補強部材3E4により、大きな剛性を持つ部分となり、その中間の中央部分3fには補強部材3E4が無いように構成されて小さな剛性を持つ部分として構成している。
(Fifth Modification of First Embodiment)
As a fifth modification of the first embodiment, a base plate 3E 3 having the same thickness as the
このような構成にすれば、ベース板材3E3と補強部材3E4とで異なる材料を使用することにより、剛性の調整を簡単に行なうことができる上に、端板3Aの集電板側の面に凹凸が無く、取り扱いやすいものとなる。すなわち、端板3Aが両面とも平面であるため、組立てやすいとともに、締結が行ないやすい。
With such a configuration, by using different materials in the base plate 3E 3 and the reinforcing member 3E 4, on which it is possible to adjust the rigidity easily, the collector plate side surface of the
ベース板材3E3の材料の例として、ポリフェニレンサルファイド樹脂を使用することができる。また、補強部材3E4の材料の例として、ベース板材3E3の材料よりも剛性(ヤング率)の大きな樹脂を使用することができる。 Examples of the material of the base plate 3E 3, it is possible to use polyphenylene sulfide resin. As examples of the material of the reinforcing member 3E 4, than the material of the base plate 3E 3 can use large resin rigidity (Young's modulus).
(第2実施形態)
先の第1実施形態では、締結ボルト7は、端板3Aの正方形の各辺の中間部分(一例としては、各辺の中心位置)に配置されていたが、これに限られるものではなく、例えば、締結ボルト7は、端板3Aの各角に配置されるようにしてもよい。
(Second Embodiment)
In previous 1st Embodiment, although the
そのような構造を有する端板3Bを有する、本発明の第2実施形態にかかる高分子電解質形燃料電池(PEFC)の一例である燃料電池スタック101について、以下に説明する。
A
図8Aは、積層体100を締め付け前の端板3Bの形状を示している(第1実施形態の図2Aに相当。)。この状態では、端板3Bの集電板2側の内面の形状が、締結ボルト7のボルト貫通孔6の周囲の部分(角部)(締付部分の一例)3iの厚さが薄く、各締結ボルト7から一番離れた外周部部分(各辺の中間部)(非締付部分の一例)3hの厚さが一番厚くなっている。
FIG. 8A shows the shape of the
これに対して、図8Bに示すように、
積層体100を一対の端板3Bで締め付けた後では、各端板3Bの集電板2側の内面の形状が平坦になる一方、集電板2側の内面とは反対側の各端板3Bの外面の形状が、各締結ボルト7のボルト貫通孔6の周囲の部分(角部)3iの厚さが薄く、各締結ボルト7から一番離れた外周部部分(各辺の中間部)3hの厚さが一番厚くなっている。これは、一対の端板3Bで積層体100を挟みこんで、4本の締結ボルト7と4個のナット8で荷重付加した際、各端板3Bが締付力の影響を受けて各端板3B自体が変形し、各端板3Bの集電板側すなわち単電池モジュール1側の面が平面となって、大略均一な力で集電板2及び積層体100を締め付けるようにするためである。各端板3Bは合成樹脂で構成されているため、端板3B自体は容易に変形可能としている。このように、各端板3Bが、積層体100に対して平面となって締付力を付与するため、単電池モジュール1の面内に均一に荷重をかけることができ、積層体100のアノード側セパレータ10A又はカソード側セパレータ10Cの変形を抑制し、MEA9とその外周のガスケットに均等に荷重を加えることができて、シール性を十分に保つことができるとともに、MEA9の面内接触圧力差も低減することができる。これにより、燃料電池スタック1の耐久性を向上することが可能となる。
In contrast, as shown in FIG.
After the
言い換えれば、上記各端板3Bは、上記締結ボルト7とナット8で締め付ける部分よりも、各締結ボルト7又はナット8から離れた部分の剛性が高くなるように構成しているため、上記一対の端板3Bで上記積層体100を挟み付けて、上記複数の締結ボルト7とナット8により複数の単電池モジュール1を締付けるようにしている。このため、締結ボルト7とナット8による締付力が付与されにくい部分に対しては、端板自体の剛性が高くなる一方、締結ボルト7とナット8による締付力が付与されやすい部分に対しては、端板自体の剛性が低くなるように構成するため、全体として、締結ボルト7とナット8による締付力が均一になりやすく、複数の単電池モジュール1に均一な締結力を付加することができて、シール性を十分に保ちながら、締結荷重を低減することができ、燃料電池の耐久性を向上できるという効果を奏する。
In other words, each
図9は、各角部にボルト貫通孔6が貫通形成された、正方形のバネ無しの端板3Bの集電板側の面を示す底面図である。
FIG. 9 is a bottom view showing a surface on the current collecting plate side of a square
図10の(A1)、(B1)、(C1)は、それぞれ、上記端板3Bにおいて、図9のA−A線沿いの端面図(端板3Bの側面図に相当)、B−B線断面図(端板3Bの対向する辺の中間部を結ぶ線沿いの断面図に相当)、及びC−C線断面図(端板3Bの対向する角を結ぶ対角線沿いの断面図に相当)を含む説明図である。図10の(A2)〜(A6)、(B2)〜(B6)、(C2)〜(C6)は、それぞれ、5種類の変形例にかかる端板3Bにおいて、図9のA−A線沿いの端面図、B−B線断面図、及びC−C線断面図を含む説明図である。
(A1), (B1), and (C1) in FIG. 10 are respectively an end view along the line AA in FIG. 9 (corresponding to a side view of the
上記第2実施形態では、上記説明したように、端板3Bの集電板側の面(図10では下面)のボルト貫通孔6の周囲の部分(各辺の角部)3hから、端板3Bの集電板側の面(図10では下面)の各締結ボルト7に対して一番離れた外周部部分(正方形の中間部分)3i及び中央部分3fを頂点とするような、ゆるやかな湾曲した湾曲した凸面で結ばれた形状を呈している。よって、図10の端面図(A1)では、端板3Bの集電板側の面(図10では下面)の隣接する2つの締結ボルト7の角部3iから、端板3Bの集電板側の面(図10では下面)の各辺の中間部分3hに向けて各辺の中間部分3hを頂点とするような、ゆるやかな湾曲した凸面で結ばれた形状を呈している。図10のB−B線断面図(B1)では、各辺の中間部分3hと端板3Bの集電板側の面(図10では下面)の中央部分3fと各辺の中間部分3hとを結ぶ部分では、厚さが一定であり、中央部分3fは、各辺の中間部分3hと同様な厚さとなっている。図10のC−C線断面図(C1)では、両端の端板3Bの角部3iから中央部分3fに向けて中央部分3fを頂点とするような、ゆるやかな湾曲した凸面で結ばれた形状を呈している。このように構成する結果、中間部分3hと中央部分3fは各辺の角部3iより厚くなり大きな剛性を有する一方、各辺の角部3hは薄いため小さな剛性を有することになる。また、他の変形例と比較して、曲面の湾曲度合いを調整することにより、より均一性を高めることが可能である。
In the second embodiment, as described above, the
本発明は、このような形状に限定されるものではなく、以下の変形例のように種々の形状としてもよい。 The present invention is not limited to such a shape, and may have various shapes as in the following modifications.
(第2実施形態の第1の変形例)
第2実施形態の第1の変形例としては、端板3Bの集電板側の面を、4隅の端板3Bの角部3iに対して端板3Bの各辺の中間部分3h及び中央部分3fをそれぞれ頂点とする屈曲した平面で構成するようにしてもよい。言い換えれば、各角部3iと中央部分3fとを結ぶ線を谷折り線とし、各辺の中間部分3hと中央部分3fを結ぶ線を山折り線とした、平面が屈曲した形状としてもよい。よって、図10の端面図(A2)に示すように、隣接する2つの角部3iに対して、その中間の各辺の中間部分3hを頂点とした、屈曲したV字形状を呈している。図10のB−B線断面図(B2)では、各辺の中間部分3hと中央部分3fと各辺の中間部分3hとを結ぶ部分では、厚さが一定であり、各辺の中間部分3hと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図10のC−C線断面図(C2)では、両端の端板3Bの角部3iに対して、その中間の中央部分3fを頂点とした、屈曲したV字形状を呈している。このように構成する結果、角部3iは各辺の中間部分3hと中央部分3fより薄いため小さな剛性を有する一方、各辺の中間部分3hと中央部分3fは厚くなり大きな剛性を有することになる。
(First Modification of Second Embodiment)
As a first modified example of the second embodiment, the surface of the
このような形状にすれば、加工が簡単で製造しやすいものとすることができる。 With such a shape, it is easy to process and easy to manufacture.
(第2実施形態の第2の変形例)
第2実施形態の第2の変形例としては、第2実施形態の第1の変形例に追加して、各辺の角部3iに平面部3kを形成するようにしてもよい。すなわち、第1の変形例の各辺の角部3iに平面部3kを形成したような形状としてもよい。よって、図10の端面図(A3)に示すように、隣接する2つの角部3iに対して、それぞれ、平面部3kが現われた形状を呈している。図10のB−B線断面図(B3)では、各辺の中間部分3hと中央部分3fと各辺の中間部分3hとを結ぶ部分では、厚さが一定であり、各辺の中間部分3hと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図10のC−C線断面図(C3)では、両端の端板3Bの角部3iに対して、それぞれ、平面部3kが現われた形状を呈している。平面部3kの幅は、図10の端面図(A3)において、端板3Bの正方形の一辺の長さをLとするとき、{L−(L/3)}〜{L−(L/6)}/2=(L/3)〜(5L/12)の範囲とするのが好ましい。このように構成する結果、角部3iは各辺の中間部分3hと中央部分3fより薄いため小さな剛性を有する一方、各辺の中間部分3hと中央部分3fは厚くなり大きな剛性を有することになる。
(Second Modification of Second Embodiment)
As a second modification example of the second embodiment, in addition to the first modification example of the second embodiment, a plane part 3k may be formed at the
このような形状にすれば、加工が比較的簡単で製造しやすいものとすることができる。 With such a shape, processing can be made relatively easy and easy to manufacture.
なお、端板3Bの正方形の一辺の長さを(L/3)〜(5L/12)の範囲とするのは、以下の理由による。すなわち、端板3Bの正方形の一辺の長さが(L/3)未満ならば、中央凸部が大きいため中心の剛性が大きくなりすぎる。端板3Bの正方形の一辺の長さが(5L/12)を越えると、角部が小さくなり、剛性も小さくなるため、積層体に押圧力を十分に掛けられないためである。
The reason why the length of one side of the
(第2実施形態の第3の変形例)
第2実施形態の第3の変形例としては、第2実施形態の第2の変形例に類似し、中間部分3iの厚さと同じ厚さを全体的に持つ端板3Bとして構成し、第2の変形例の各辺の角部3iの平面部3kに対応する部分に凹部3jを形成するようにしてもよい。すなわち、第2の変形例の4隅の平面部3kが凹部3jの底面となるように、他の部分を厚肉の板材としたものである。よって、図10の端面図(A4)に示すように、中間部分3hは厚肉の板材となり、隣接する2つの角部3iの付近にのみ凹部3jが現われた形状を呈している。図10のB−B線断面図(B4)では、各辺の中間部分3hと中央部分3fと各辺の中間部分3hとを結ぶ部分では、厚さが一定であり、各辺の中間部分3hと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図10のC−C線断面図(C4)では、中央部分3fは厚肉の板材となり、隣接する2つの角部3iの付近にのみ凹部3jが現われた形状を呈している。凹部3jの幅は、第2の変形例の平面部3kの幅と同じで、図10の端面図(A4)において、端板3Bの正方形の一辺の長さをLとするとき、{L−(L/3)}〜{L−(L/6)}/2=(L/3)〜(5L/12)の範囲とするのが好ましい。このように構成する結果、角部3iは各辺の中間部分3hと中央部分3fより薄いため小さな剛性を有する一方、各辺の中間部分3hと中央部分3fは厚くなり大きな剛性を有することになる。
(Third Modification of Second Embodiment)
The third modification of the second embodiment is similar to the second modification of the second embodiment, and is configured as an
このような形状にすれば、曲面及び傾斜面が無く、加工が簡単で製造しやすいものとすることができる。 With such a shape, there are no curved surfaces and inclined surfaces, and the processing is simple and easy to manufacture.
なお、端板3Bの正方形の一辺の長さを(L/3)〜(5L/12)の範囲とするのは、以下の理由による。すなわち、端板3Bの正方形の一辺の長さが(L/3)未満ならば、中央凸部が大きいため中心の剛性が大きくなりすぎる。端板3Bの正方形の一辺の長さが(5L/12)を越えると、角部が小さくなり、剛性も小さくなるため、積層体に押圧力を十分に掛けられないためである。
The reason why the length of one side of the
(第2実施形態の第4の変形例)
第2実施形態の第4の変形例としては、第2実施形態の第3の変形例に類似し、端板3Bを単一の材料で一体的に形成する代わりに、複数の材料を組み合わせて形成するようにしたものである。すなわち、各辺の角部3iと同じ厚さの薄いベース板材3E5と、ベース板材3E5の各辺の角部3iを除く部分に配置され、かつ、中間部分3hと中央部分3fの厚さからベース板材3E5の厚さを引いた厚さを有する補強部材3E6とより構成するようにしてもよい。ここで、ベース板材3E5の材料のヤング率E5は補強部材3E6の材料のヤング率E6より小さいものとする。この結果、ベース板材3E5と補強部材3E6とにより、第3の変形例と同様な凹部3jが形成されるとともに、中間部分3hと中央部分3fは、補強部材3E6により大きな剛性を有する一方、各辺の角部3iには、補強部材3E6が無いので小さな剛性を有するようにしている。よって、図10の端面図(A5)に示すように、隣接する2つの角部3iの付近は、ベース板材3E5のみの凹部3jが形成され、その中間の各辺の中間部分3hは、ベース板材3E5と補強部材3E6とにより、大きな一定厚さを持つ部分となった形状を呈している。図10のB−B線断面図(B5)では、各辺の中間部分3hと中央部分3fと各辺の中間部分3hとを結ぶ部分では、ベース板材3E5のみで厚さが一定であり、各辺の中間部分3hと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図10のC−C線断面図(C5)では、両端の端板3Bの角部3iの付近は、ベース板材3E5のみの凹部3jが形成され、その中間の中央部分3fは、ベース板材3E5と補強部材3E6とにより、大きな一定厚さを持つ部分となった形状を呈している。凹部3jの幅は、第2の変形例の平面部3kの幅と同じで、図10の端面図(A5)において、端板3Bの正方形の一辺の長さをLとするとき、(L/3)〜(5L/12)の範囲とするのが好ましい。
(Fourth modification of the second embodiment)
The fourth modification of the second embodiment is similar to the third modification of the second embodiment, and instead of integrally forming the
このような構成にすれば、ベース板材3E5と補強部材3E6とで異なる材料を使用することにより、材料を適宜選択することができて、剛性の調整を簡単に行なうことができる。 With such a configuration, by using different materials for the base plate material 3E 5 and the reinforcing member 3E 6 , the material can be appropriately selected, and the rigidity can be easily adjusted.
なお、端板3Bの正方形の一辺の長さを(L/3)〜(5L/12)の範囲とするのは、以下の理由による。すなわち、端板3Bの正方形の一辺の長さが(L/3)未満ならば、中央凸部が大きいため中心の剛性が大きくなりすぎる。端板3Bの正方形の一辺の長さが(5L/12)を越えると、角部が小さくなり、剛性も小さくなるため、積層体に押圧力を十分に掛けられないためである。
The reason why the length of one side of the
ベース板材3E5の材料の例として、ポリフェニレンサルファイド樹脂を使用することができる。また、補強部材3E6の材料の例として、ベース板材3E5の材料よりも剛性(ヤング率)の大きな樹脂を使用することができる。 As an example of the material of the base plate 3E 5 , polyphenylene sulfide resin can be used. Further, as an example of the material of the reinforcing member 3E 6, a resin having higher rigidity (Young's modulus) than that of the material of the base plate 3E 5 can be used.
(第2実施形態の第5の変形例)
第2実施形態の第5の変形例としては、第2実施形態の第4の変形例の各辺の中間部分3hと中央部分3fの厚さと同じ厚さを端板3Bの全面にわたって一定に有するベース板材3E7とし、かつ、中間部分3hと中央部分3fの付近にのみ、異なる材料の補強部材3E8を内蔵するようにしてもよい。ここで、ベース板材3E7の材料のヤング率E7は補強部材3E8の材料のヤング率E8より小さいものとする。この結果、角部3iの付近は、補強部材3E8が無いので小さな剛性を有する一方、各辺の中間部分3hと中央部分3fは、ベース板材3E7と補強部材3E8とにより、大きな剛性を有するようにしている。よって、図10の端面図(A6)に示すように、全体として同一厚さのベース板材3E7ではあるが、隣接する2つの角部3iの付近は、補強部材3E8が無いように構成されて小さな剛性を持つ部分となり、その中間の各辺の中間部分3hには、図中に点線で示すように、補強部材3E8により、大きな剛性を持つ部分として構成している。図10のB−B線断面図(B6)では、各辺の中間部分3hと中央部分3fと各辺の中間部分3hとを結ぶ部分では、補強部材3E8が内蔵されており、外観上はベース板材3E7で厚さが一定であり、各辺の中間部分3hと中央部分3fとは同様な厚さとしている。図10のC−C線断面図(C6)では、全体として同一厚さのベース板材3E7ではあるが、両端の端板3Bの角部3iの付近は、補強部材3E8が無いように構成されて小さな剛性を持つ部分となり、その中間の中央部分3fは、図中に点線で示すように、補強部材3E8により、大きな剛性を持つ部分として構成している。
(Fifth Modification of Second Embodiment)
As a fifth modification of the second embodiment, the same thickness as that of the
このような構成にすれば、ベース板材3E7と補強部材3E8とで異なる材料を使用することにより、剛性の調整を簡単に行なうことができる上に、端板3Bの集電板側の面に凹凸が無く、取り扱いやすいものとなる。また、端板3Aが両面とも平面であるため、組立てやすいとともに、締結が行ないやすい。
With such a configuration, by using different materials for the base plate material 3E 7 and the reinforcing member 3E 8 , the rigidity can be easily adjusted, and the surface of the
ベース板材3E7の材料の例として、ポリフェニレンサルファイド樹脂を使用することができる。また、補強部材3E8の材料の例として、ベース板材3E7の材料よりも剛性(ヤング率)の大きな樹脂を使用することができる。 Examples of the material of the base plate 3E 7, it is possible to use polyphenylene sulfide resin. As examples of the material of the reinforcing member 3E 8, than the material of the base plate 3E 7 can be used a large resin rigidity (Young's modulus).
(第3実施形態)
先の第1及び2実施形態では、端板を正方形とし、かつ、その端板3,3A,3Bの四隅又は各辺の中心位置に締結ボルト7が配置されているが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、端板3Cを長方形とし、かつ、その端板3Cの四隅及び長辺の中心位置に締結ボルト7、言い換えれば、ボルト貫通孔6をそれぞれ配置するようにしてもよい。この例を図11〜図12に本発明の第3実施形態の端板3Cとして示す。図11は、端板3Cの底面図及び底面図中のA−A線断面図を含む説明図である。図12は、端板3Cの底面図中のB−B線断面図である。図11のA−A線断面図は、長辺沿いの3つのボルト貫通孔6、すなわち、隣接する一対の角部のボルト貫通孔6と、その中間位置のボルト貫通孔6とを結ぶ線沿いの断面図では、厚さは一定となっている。これに対して、図12のB−B線断面図は、対向する短辺沿いの一対のボルト貫通孔6を結ぶ線沿いの断面図であり、短辺沿いの中心位置を頂点として最も厚さが大きくなるような湾曲した凸面を形成する形状となっている。これは、図11の底面図の左端側及び右端側の対向する一対の角部で短辺沿いの一対のボルト貫通孔6を結ぶ線沿いの断面図でも同じ形状となっている。
(Third embodiment)
In the previous first and second embodiments, the end plate is square, and the
この第3実施形態の端板3Cでは、ボルト貫通孔6の周囲の部分3nが、最も厚さが小さく、剛性の小さい部分である一方、ボルト貫通孔6の周囲の部分3nから離れた短辺の中心位置を結ぶ線沿いの部分3mが、最も厚さが大きく、剛性の大きい部分である。
In the
この第3実施形態によれば、長方形の端板3Cの四隅及び長辺の中心位置にボルト貫通孔6をそれぞれ配置して剛性の小さい部分を配置するため、長方形の端板3Cの外周部に等間隔で剛性の小さい部分を配置することができる一方、長方形の端板3Cの短辺の中心位置を結ぶ線沿いの部分3mにのみ剛性の大きい部分を配置するようにしている。一般に、正方形の端板よりも長方形の端板の方が、締付力のバラツキが発生しやすくなり、均一な締付力で締め付けることが困難であるが、このような構造とすることにより、長方形の端板であっても、締付力のバラツキの発生を極力抑えることができて、均一な締付け力で締め付けることが容易に可能となり、先の実施形態とほぼ同様な作用効果を奏することができる。
According to the third embodiment, the bolt through
(第4実施形態)
第3実施形態の別の態様として、端板3Dを長方形とし、かつ、その端板3Dの2組の対向する一対の角部のうちの1組の角部(図13の底面図では、左上の角部と右下の角部)近傍に、2個の締結ボルト7、言い換えると、2個のボルト貫通孔6をそれぞれ配置するようにしてもよい。この例を図13に本発明の第4実施形態の端板3Dとして示す。図13は、端板3Dの底面図、底面図中のC−C線断面図、底面図中のD−D線断面図を含む説明図である。図13の底面図のC−C線断面図は、右下の角部近傍の一対のボルト貫通孔6のうちの下側のボルト貫通孔6を通る長辺沿いの線の断面図であり、ボルト貫通孔6の周囲の部分が、厚さが小さく、剛性の小さな部分である。これに対して、C−C線断面図において、ボルト貫通孔6とは反対側の角部の近傍部分が、厚さが大きく、剛性の大きい部分である。図13の底面図のD−D線断面図は、右下の角部近傍の一対のボルト貫通孔6のうちの上側のボルト貫通孔6を通る長辺沿いの線の断面図であり、ボルト貫通孔6の周囲の部分が、厚さが小さく、剛性の小さな部分である。これに対して、D−D線断面図において、ボルト貫通孔6とは反対側の角部の近傍部分が、厚さが大きく、剛性の大きい部分である。
(Fourth embodiment)
As another aspect of the third embodiment, the
この第4実施形態の端板3Dでは、ボルト貫通孔6の周囲の部分3qが、最も厚さが小さく、剛性の小さい部分である一方、ボルト貫通孔6が配置された角部とは反対側の角部(ボルト貫通孔6が配置されていない角部)3pが、最も厚さが大きく、剛性の大きい部分である。
In the
この第4実施形態によれば、長方形の端板3Dの2組の対向する一対の角部のうちの1組の角部(図13の底面図では、左上の角部と右下の角部)近傍に2個のボルト貫通孔6をそれぞれ配置する一方、残りの1組の角部(図13の底面図では、左下の角部と右上の角部)近傍にはボルト貫通孔6を形成してないので、マニホールド孔などを配置することができ、締付力の均一性の向上に配慮しつつ、マニホールド孔の配置設計の自由度を大きくすることができる。なお、この第4実施形態でも、先の実施形態とほぼ同様な作用効果を奏することができる。
According to the fourth embodiment, one set of corners of a pair of opposing corners of the
(その他)
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。
(Other)
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement with another various aspect.
例えば、第1実施形態では、端板3の剛性の大きな部分の一例として、締結ボルト7から一番離れた外周部箇所を角3aとしているが、角3aに限定されるものではない。例えば、変形例でも示したように、角3aの付近、又は、各辺の中間部分3bと中央部分3fを除く部分としてもよい。要するに、剛性の小さな部分とは、締付ボルト7により端板3が締付けられる部分を指す一方、剛性の大きな部分とは、締付ボルト7により端板3が締付けられるとき締付力が最も作用しにくく、締付力が、締付ボルト7により端板3が締付けられる部分での締付力に対して最も差が大きくなる部分を指す。
For example, in the first embodiment, as an example of a portion having a large rigidity of the end plate 3, the outermost peripheral portion farthest from the
上記各実施形態及び変形例などの1つの端板3,3A,3Bにおいて、剛性の小さい部分、例えば、最も薄い部分での厚さhと、剛性の大きい部分、例えば、最も厚い部分での厚さ(h+Ty)との差Tyは(図7参照)、0.2mm〜0.4mmとするのが実用的である。その理由は、0.2mm未満のときは、剛性の大小にさほど差が出ず、本発明の効果が明確に期待できない一方、0.4mmを越えるときは、剛性の差が大きくなりすぎて、均一性の調整に手間がかかる場合があるからである。 In one end plate 3, 3 </ b> A, 3 </ b> B of the above-described embodiments and modifications, the thickness h at the thinst portion, for example, the thinnest portion, and the thickness at the thickest portion, for example, the thickest portion The difference Ty from (h + Ty) (see FIG. 7) is practically 0.2 mm to 0.4 mm. The reason is that when it is less than 0.2 mm, there is not much difference in the magnitude of rigidity, and the effect of the present invention cannot be expected clearly, whereas when it exceeds 0.4 mm, the difference in rigidity becomes too large, This is because it may take time to adjust the uniformity.
なお、上記各実施形態及び変形例などの1つの端板3,3A,3Bにおいて、剛性の小さい部分が例えば四箇所ある場合、それらの部分の全てで剛性は互いに大略同じとし、剛性の大きい部分が例えば四箇所ある場合、それらの部分の全てで剛性は互いに大略同じとし、締付力の均一性を容易に維持できるようにしている。
In addition, in one
本発明の上記実施形態にかかる端板3を用いた締結構造においては、従来例とは、荷重分布の均一性が大きく改善されている点で異なる。ここで、上記実施形態にかかる、いくつかの実施例について言及するとともに、その荷重分布のシミュレーション結果について説明する。 The fastening structure using the end plate 3 according to the above embodiment of the present invention is different from the conventional example in that the uniformity of the load distribution is greatly improved. Here, some examples according to the above-described embodiment will be referred to, and simulation results of the load distribution will be described.
(実施例に共通する構成)
まず、以降に説明するそれぞれの実施例に共通する単電池モジュール1の具体的な形成材料及び製造方法について説明する。アセチレンブラック系カーボン粉末(電気化学株式会社製の商品名「DENKABLACKFX−35」)に、平均粒径約30Åの白金粒子を25重量%担持させたものを、カソード側の触媒とした。また、アセチレンブラック系カーボン粉末(電気化学株式会社製の商品名「DENKABLACKFX−35」)に、平均粒径約30Åの白金−ルテニウム合金(Pt:Ru=1:1(重量比))粒子を25重量%担持させたものを、アノード側の触媒とした。これらの触媒の粉末をそれぞれイソプロパノール分散液に分散させたのち、これらのイソプロパノール分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液(旭硝子株式会社製の商品名「FlemionFSS−1」)をそれぞれ混合して、それぞれ、ペースト状にした。その後、これらのペーストを原料とし、スクリーン印刷法を用いて、それぞれ厚さ250μmのカーボン不織布(東レ工業株式会社製の商品名「TGP−H−090」)の一方の面に電極触媒層を形成した。このようにして形成されたカソード側及びアノード側のそれぞれの電極の触媒層に含まれる白金量は、0.3mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は1.2mg/cm2とした。
(Configuration common to the embodiments)
First, the specific forming material and manufacturing method of the single cell module 1 common to each Example demonstrated below are demonstrated. A catalyst on the cathode side was prepared by supporting 25% by weight of platinum particles having an average particle diameter of about 30 mm on acetylene black carbon powder (trade name “DENKABLACKFX-35” manufactured by Electrochemical Co., Ltd.). Further, 25 particles of platinum-ruthenium alloy (Pt: Ru = 1: 1 (weight ratio)) having an average particle diameter of about 30 mm are added to acetylene black carbon powder (trade name “DENKABLACKFX-35” manufactured by Electrochemical Co., Ltd.). The catalyst supported by weight% was used as the catalyst on the anode side. After each of these catalyst powders was dispersed in an isopropanol dispersion, an ethyl alcohol dispersion of perfluorocarbon sulfonic acid powder (trade name “FlemionFSS-1” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) was mixed with each of these isopropanol dispersions. Each was made into a paste. After that, using these pastes as raw materials, an electrode catalyst layer is formed on one surface of a carbon nonwoven fabric (trade name “TGP-H-090” manufactured by Toray Industries, Inc.) each having a thickness of 250 μm using a screen printing method. did. Amount of platinum contained in the catalyst layer of each of the electrodes of the thus formed a cathode side and the anode side, 0.3mg /
これらの電極においては、触媒材料以外の構成は、カソード及びアノード共に同一構成である。これらの電極を、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性の高分子電解質膜(米国デュポン社製の商品名「NAFiON122」)の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するように、ホットプレス加工によって接合した。また、それぞれの電極の外周部に露出する高分子電解質膜の周縁部は、厚さ250μmのフッ素系ゴム(旭硝子株式会社製の商品名「アフラス」(登録商標))のシートからなるガスケットで挟み、ホットプレス加工によって高分子電解質膜の周縁部とガスケットとを接合して一体化させた。こうして、電解質膜電極接合体(MEA)を作製した。プロトン伝導性の高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸を30μmの厚さに薄膜化したものを用いた。 In these electrodes, the structure other than the catalyst material is the same for both the cathode and the anode. The printed catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane side on both sides of the central portion of a proton conductive polymer electrolyte membrane (trade name “NAFiON122” manufactured by DuPont, USA) having an area slightly larger than the electrode. Thus, it joined by hot press processing. In addition, the peripheral part of the polymer electrolyte membrane exposed on the outer peripheral part of each electrode is sandwiched between gaskets made of a sheet of fluorine rubber (trade name “Aphras” (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) having a thickness of 250 μm. The peripheral part of the polymer electrolyte membrane and the gasket were joined and integrated by hot pressing. Thus, an electrolyte membrane electrode assembly (MEA) was produced. As the proton conductive polymer electrolyte membrane, a perfluorocarbon sulfonic acid thinned to a thickness of 30 μm was used.
また、厚さ3mmの等方性黒鉛板に、機械加工によってガス流路及びマニホールド孔を形成することにより、導電性セパレータを形成した。ガス流路の溝幅は2mm、深さは1mm、流路間の幅は1mmとし、それぞれ2本パス(ただし、簡略化のため、図示は1本パス)の流路構成とした。冷却水の流路は、溝の深さを0.5mmにし、冷却水の流路のその他の構成は、ガス流路の構成と同様である。この電池の定格運転条件は、燃料利用率75%、酸素利用率40%、電流密度0.3A/cm2である。 In addition, a conductive separator was formed by forming a gas channel and a manifold hole by machining on an isotropic graphite plate having a thickness of 3 mm. The groove width of the gas flow path is 2 mm, the depth is 1 mm, and the width between the flow paths is 1 mm, and each has a flow path configuration of two paths (however, for simplification, one path is shown). The cooling water channel has a groove depth of 0.5 mm, and the other configuration of the cooling water channel is the same as that of the gas channel. The rated operating conditions of this battery are a fuel utilization rate of 75%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 0.3 A / cm 2 .
以上のようなカソード側セパレータ10Cとアノード側セパレータ10AとによりMEA9を挟んだ単電池モジュール1を50セル積層した。隣接するセル間には、両セパレータ10C,10Aにより冷却水の流路が形成される。このセル積層体100を、表面に金メッキした5mmの銅製の集電板2とポリフェニレンサルファイド樹脂製の端板3で挟み、両端板3を、4本の締結ボルト7と4個のナット8で1000kgfの荷重を付加して締結した。
50 cells of the unit cell module 1 in which the
(実施例1)
ここで、図1及び図2Bに本第1実施形態における燃料電池スタック101の具体的な締結構造の一例を実施例1として示す。この締結形状における締結ボルト7は、正方形の端板3の一辺の中心に位置する形状となっている。締結構造に使用する端板3の内面(集電板側の面)は、締結前の状態で、締結ボルト7で締結する箇所(各辺の中間部分)3bが一番薄く、締結ボルト7から一番遠くなる端板3の端部(角)3aが一番厚くなるよう、単電池モジュール1に対して凹形状としている。このように図1及び図2Bに示すように構成された燃料電池スタック101の締結構造においては、締結ボルト7とナット8で荷重付加した際の端板3の変形を吸収できる端板構造となっているため、結果としてセパレータ10C,10Aの変形を抑制し、MEA9とその外周のガスケットに均等に荷重を加えることができて、シール性を十分に保つことができた。
Example 1
Here, FIGS. 1 and 2B show an example of a specific fastening structure of the
図3Aに、実施例1における端板3を示す。端板3の凹(曲面)形状について、締結ボルト7の1本にかける荷重P、端板3の材料のヤング率E、及び端板3の各箇所の寸法として、一番厚い箇所(角)3aからの距離x、一番厚くなっている箇所(角)3aからの厚さ方向距離y、正方形の端板3の一辺の長さL、端板3の内側バネ配置用の凹部3gまでの幅w、端板3の最薄部(ボルト貫通孔周囲部分、言い換えると、各辺の中間部分)3bの厚さhを用いて、次のように表現できる。単位はSi単位系である。また、w=(L/2)〜(L/10)である。ここで、幅wをこの範囲とする理由は、幅wが(L/2)未満のときは、幅が小さすぎて、剛性の大小にさほど差が出ず、本発明の効果が明確に期待できない一方、幅wが(L/10)を越えるときは、幅が大きくなりすぎて、内側バネ配置用の凹部3gの領域が小さくなり、内側バネ4による均一性の調整が困難となるからである。
FIG. 3A shows the end plate 3 in the first embodiment. About the concave (curved surface) shape of the end plate 3, the thickest portion (corner) as the load P applied to one of the
本実施例で用いた端板3の最薄部と最厚部の差Tyは、0.3mm程度である。端板3の一例として、x=L/2のとき、y=Ty=0.3mm、h=10mm程度である。 The difference Ty between the thinnest part and the thickest part of the end plate 3 used in this example is about 0.3 mm. As an example of the end plate 3, when x = L / 2, y = Ty = 0.3 mm and h = about 10 mm.
端板3の締結ボルト7又はナット8が接する箇所以外の外周部には、マニホールド用の配管の孔も加工されるため、強度が弱くなる。このため、締結ボルト7又はナット8の周囲が薄く、その他の箇所が厚い凹形状の端板は、締結ボルト7又はナット8による変形に対して強度が強く、変形の小さい形状となっている。締結ボルト7とナット8で単電池モジュール1を締結後に、この曲面形状を持つ端板3は、セパレータ10A,10Cに対して平面となるため、単電池モジュール1の面内に均一に荷重をかけられるようになった。その結果、シール性を十分に保ち、MEA9の面内接触圧力差も低減することができたため、燃料電池スタック1の耐久性を向上することが可能となった。
Since the hole of the piping for manifolds is also processed in the outer peripheral part other than the part where the
従来、面圧力が大きい箇所では、電解質膜にガス拡散層のカーボン繊維が過度に押し付けられ、カーボン繊維による電解質膜の突き刺しが発生することで、電気的にショートし、電圧が低下することがあった。また、電流集中により、局部的な発熱が発生し、膜にダメージを与えることもあった。よって、従来では、5000時間程度で電解質膜に穴が開き、発電不可能となった。 Conventionally, at locations where the surface pressure is high, carbon fibers in the gas diffusion layer are excessively pressed against the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane is pierced by the carbon fibers, resulting in an electrical short and a voltage drop. It was. Further, due to current concentration, local heat generation may occur and the film may be damaged. Therefore, conventionally, a hole was opened in the electrolyte membrane in about 5000 hours, and power generation was impossible.
これに対して、今回の実施例の場合は、電解質膜に対し、ガス拡散層のカーボン繊維の突き刺しが発生することなく、均一に面圧力が発生しているため、電解質膜にダメージを与えることなく、面内に局部的な電圧低下は発生しない。よって、電解質膜の耐久性を確保することができ、40000時間の発電を確認することができた。さらに、実施例の場合は、端板3だけで荷重の均一化を図ることができるために、燃料電池スタック1の小型化が可能であり、燃料電池スタック1の締結構造及び組み立て方法を、簡易化することが可能となった。 On the other hand, in the case of the present example, the surface pressure is uniformly generated without causing the carbon fiber piercing of the gas diffusion layer to the electrolyte membrane, so that the electrolyte membrane is damaged. No local voltage drop occurs in the plane. Therefore, durability of the electrolyte membrane could be ensured, and power generation for 40000 hours could be confirmed. Further, in the case of the embodiment, since the load can be made uniform only by the end plate 3, the fuel cell stack 1 can be reduced in size, and the fastening structure and assembly method of the fuel cell stack 1 can be simplified. Became possible.
なお、端板3としては、本実施例では合成樹脂を射出成形して製造したものを用いているが、その他にも電気絶縁性のある材料を用いて成形加工もしくは機械加工した端板を用いても良い。さらに、絶縁板とともにステンレス鋼などの金属材料を用いた端板を使用しても良い。 In this embodiment, the end plate 3 is manufactured by injection molding of synthetic resin. However, an end plate molded or machined using an electrically insulating material is also used. May be. Further, an end plate using a metal material such as stainless steel may be used together with the insulating plate.
また、MEA9における電極配置領域の圧力分布の均一性の度合いを確かめるために、構造解析ソフト(Dassault Systemes Simulia Corp.の汎用非線形有限要素解析プログラム ABAQUS Version6.4)を用いて、1/4モデルでシミュレーションを行った。燃料電池スタック1のシミュレーションを行って得られた、実施例1の締結構造におけるMEA9の電極配置領域(本体部9a)に生じる接触圧力のシミュレーション計算結果を図4に示す。図4は、MEA9における接触圧力の均一性の度合い、あるいは面内接触圧力分布の均一性の度合いを示しており、図示される濃淡の変化の小さい場合や間隔が広い場合には、面内接触圧力分布の均一性が低いことを示し、その逆の場合には、接触圧力分布の均一性が高いことを示すグラフである。図4からは、端板の中心位置から隅部端部の位置に向けて、面内接触圧力分布はあるものの、その接触圧力差は小さなものに抑えられている。また、このシミュレーション結果を確認するために、実施例1の単電池モジュール1において、MEA9とセパレータ10との間に感圧紙(富士フイルム製の感圧紙)を挟み込み、その接触圧力の確認を行ったところ、シミュレーションと同様の結果が得られた。従って、実施例1の端板を持つ燃料電池スタック101は、MEA9の接触面圧差が小さく、荷重が均一化できることが証明できた。
Further, in order to confirm the degree of uniformity of the pressure distribution in the electrode arrangement region in the
図14に比較例の締結構造を、図15にはその接触圧力分布のシミュレーション計算結果を示す。図14に示すように比較例では合成樹脂製の平行な端板203を用いて締結している。そのため、締結ボルト207とナット208で締結すると端板203が変形し、実施例1に比べて均一に荷重を付加することが難しい。上記と同様にシミュレーションを行った結果、セル201のMEAの中心位置から隅部端部位置に向けて面内接触圧力分布は大きく、その接触圧力差は実施例1の8倍ほどとなる。
FIG. 14 shows the fastening structure of the comparative example, and FIG. 15 shows the simulation calculation result of the contact pressure distribution. As shown in FIG. 14, in the comparative example, it fastens using the
(実施例2)
次に、本発明の第2実施形態における燃料電池スタック101の具体的な締結構造の一例を実施例2として示す。実施例2として、端板3Bの一辺の両端(言い換えれば、角)に締結ボルト7又はナット8を配置した締結構造を図8A及び図8Bに示す。締結構造に使用する端板3Bは締結ボルト7とナット8で締結する角部3iが一番薄く、締結ボルト7又はナット8から一番遠くなる端板3Bの一辺の中間部(ここでは、各辺の中心位置)3hが一番厚くなるよう、単電池モジュール1に対して凸形状となっている。図8A及び図8Bに示すように構成された燃料電池スタック1の締結構造においては、実施例1と同様に、締結ボルト7とナット8で荷重付加した際の端板3Bの変形を吸収できる端板構造となっているため、結果として、セパレータ10A,10Cの変形を抑制することができて、シール性を十分に保ち、MEA9に均等に荷重を加えることができた。本実施例2で用いる端板3Bの最薄部と最厚部の差は、実施例1と同様に0.3mm程度である。また、接触圧力分布のシミュレーションを行った結果も、実施例1と同様に、図4のような圧力分布が得られ、接触圧力分布差は小さく、均一性が高いことが分かった。
(Example 2)
Next, an example of a specific fastening structure of the
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。 It is to be noted that, by appropriately combining arbitrary embodiments of the various embodiments described above, the effects possessed by them can be produced.
本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コー
ジェネレーションシステム等に使用する燃料電池として有用である。
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is useful as a fuel cell for use in portable power supplies, electric vehicle power supplies, domestic cogeneration systems, and the like.
1 単電池モジュール(セル)
2 集電板
3 バネ付の端板
3A,3B バネ無しの端板
3E1,3E3,3E5,3E7, ベース板材
3E2,3E4,3E6,3E8, 補強部材
3a 締結ボルトから一番離れた外周部部分(角)
3b ボルト貫通孔の周囲の部分(ボルト貫通孔周囲部分)(各辺の中間部)
3d 平面部
3e 凹部
3f 中央部
3g 内側バネ配置用の凹部
3h 締結ボルトから一番離れた外周部部分(各辺の中間部)
3i ボルト貫通孔の周囲の部分(角部)
4 内側バネ
5 外側バネ
6 ボルト用貫通孔
7 締結ボルト
8 ナット
9 MEA
9a 本体部
9b 周縁部
10 セパレータ
10A アノード側セパレータ
10C カソード側セパレータ
11A 燃料ガスマニホールド孔
11C 酸化剤ガスマニホールド孔
11W 冷却水マニホールド孔
12A 燃料ガス流路溝
12C 酸化剤ガス流路溝
12W 冷却水流路溝
100,100A 積層体
101,101A 燃料電池スタック
801 燃料電池スタック
802 ヘッダ
803 ボルスタ
804 ロッド
805 引張棒
1 Single battery module (cell)
Second collector plate 3
3b Bolt through hole surrounding part (bolt through hole surrounding part) (intermediate part of each side)
3i Bolt through hole (corner)
4
Claims (3)
上記各端板は、上記締結部材で締め付ける締付部分よりも、上記締付部分から離れた非締付部分の剛性が高くなるように構成し、締結状態で上記各端板の積層体側の面を平坦とすること
を特徴とする高分子電解質型燃料電池。 A plurality of unit cell modules having a membrane electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly are laminated to form a laminate, and end plates are respectively disposed at both ends of the laminate, and a plurality of fastening members In a polymer electrolyte fuel cell comprising a fuel cell stack assembled by sandwiching and fastening the laminate with the pair of end plates,
Each of the end plates is configured such that the rigidity of the non-clamping portion away from the clamping portion is higher than that of the clamping portion to be clamped by the fastening member, and the surface of each end plate on the laminate side in the fastening state A polymer electrolyte fuel cell characterized by flattening.
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- 2007-12-28 JP JP2007339648A patent/JP2009163907A/en active Pending
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