JP2009277521A - Fuel cell stack - 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、定置型コージェネレーションシステム等に用いる燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack used for a portable power source, a power source for an electric vehicle, a stationary cogeneration system, and the like.
固体高分子型燃料電池では、高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を密着して配置し、さらにその外側にガス通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散電極層を配置してアノードおよびカソードを構成した膜−電極接合体(以降、MEAと称する)を、一対の導電性のセパレータで挟持したものを燃料電池の基本構成とし、この基本構成を単セルと呼ぶ。 In a polymer electrolyte fuel cell, a catalytic reaction layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is disposed on both sides of a polymer electrolyte membrane in close contact with each other. Basic structure of a fuel cell in which a membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) in which a pair of gas diffusion electrode layers having characteristics is arranged to constitute an anode and a cathode is sandwiched between a pair of conductive separators This basic configuration is called a single cell.
そして両セパレータの、MEAのアノードとカソードとに接する面には、それぞれガス流路が設けてあり、このガス流路を通して、アノードおよびカソードにそれぞれ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(以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応ガスと総称する場合がある)とが供給される。 Gas separators are provided on the surfaces of the separators in contact with the anode and cathode of the MEA. Through these gas passages, the anode and cathode each contain hydrogen and other oxygen, such as hydrogen. An oxidant gas (hereinafter, fuel gas and oxidant gas may be collectively referred to as reaction gas) is supplied.
そしてアノードにおいて、電極反応により燃料ガス中の水素原子から電子が解放されて水素イオンが生成されるとともに、この電子がセパレータを介して外部回路(負荷)を通じてカソードに到達する。 At the anode, electrons are released from hydrogen atoms in the fuel gas by the electrode reaction to generate hydrogen ions, and these electrons reach the cathode through an external circuit (load) via the separator.
一方、水素イオンは高分子電解質膜を通過してカソードに到達し、カソードにおいて水素イオンと電子と酸化剤ガス中の酸素とが結合して水が生成される。 On the other hand, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and reach the cathode, where hydrogen ions, electrons, and oxygen in the oxidant gas are combined to generate water.
なお、セパレータとMEAとの間には、反応ガスが所定の領域から漏れ出ないようにするためのシール構造を備えたMEAガスケットが設けられている。 Note that an MEA gasket having a seal structure is provided between the separator and the MEA so that the reaction gas does not leak from a predetermined region.
一般的に、燃料電池は必要電力を得るために、単セルを電気的に直列に複数積層して締結した状態(燃料電池スタックと呼ぶ)で用いられる。すなわち単セルのアノード側セパレータと隣接する単セルのカソード側セパレータとを電気的に接続するように重ねて単セルの積層体を構成する。 In general, a fuel cell is used in a state (called a fuel cell stack) in which a plurality of single cells are electrically stacked in series and fastened in order to obtain necessary power. That is, a single-cell laminate is formed by overlapping the single-cell anode-side separator and the adjacent single-cell cathode-side separator so as to be electrically connected.
また、アノード側セパレータおよび/またはカソード側セパレータのガス流路が設けていない側の面には、反応領域に対応する領域に溝が設けてあり、隣接する単セルのセパレータと合わさることで冷却水流路を構成している。 In addition, a groove is provided in a region corresponding to the reaction region on the surface of the anode side separator and / or the cathode side separator where the gas flow path is not provided. Constitutes the road.
発電の際にはこの冷却水流路に冷却水や不凍液などを流通させることによって、燃料電池スタックの温度を所定の温度にコントロールするとともに、発生した熱を外部で利用することが可能となる。なお、隣接する単セル間には、この冷却水が所定の領域から漏れ出ないようにするための冷却水シールが配置されている。 In power generation, by circulating cooling water or antifreeze liquid through the cooling water flow path, the temperature of the fuel cell stack can be controlled to a predetermined temperature, and the generated heat can be used externally. A cooling water seal is arranged between adjacent single cells to prevent this cooling water from leaking from a predetermined area.
燃料電池スタックは、単セルの積層体の両端に外部回路と接続して電力を取り出すための端子を備えた集電板を備え、さらにその外側には一対の端板を備える。そして、この一対の端板間を締結治具によって締結することによって構成されている。 The fuel cell stack includes current collecting plates provided with terminals for taking out electric power by connecting to an external circuit at both ends of a single cell stack, and further includes a pair of end plates on the outside thereof. And it is comprised by fastening between this pair of end plates with a fastening jig.
また、集電板の積層方向の外側には、弾性体(例えばコイルバネや皿バネなど)が配置され、燃料電池スタックによって保持構造や配置順序に違いはあるが、セパレータとMEAとの間に押圧力を与えて密着性を高めている。 In addition, an elastic body (for example, a coil spring or a disc spring) is disposed outside the current collector in the stacking direction, and there are differences in the holding structure and arrangement order depending on the fuel cell stack, but there is a difference between the separator and the MEA. Pressure is applied to improve adhesion.
また、この弾性体は、MEAガスケットおよび冷却水シールにも押圧力を与え、シール性を発揮させている。また、燃料電池スタックの発電時と発電停止時に生じる温度差による燃料電池スタック構成部品の熱膨張・収縮による締結の緩みやシール性の低下、さらには長期間の使用による燃料電池スタック構成材料のクリープによる締結の緩みやシール性の低下を抑制する機能も果たしている。 In addition, this elastic body exerts a pressing force on the MEA gasket and the cooling water seal to exhibit the sealing performance. In addition, the looseness of the fastening due to the thermal expansion / contraction of the fuel cell stack components due to the temperature difference between when the fuel cell stack generates power and when the power generation stops, and the deterioration of the sealing performance. It also functions to suppress loosening of the fastening and deterioration of sealing performance.
弾性体を保持する構造は、例えば、端板と集電板との間に弾性体を挟み込み、端板間を締結治具で締結して弾性体を圧縮するものや、端板を貫通する締結ロッドの端部と端板との間に弾性体を配置し、締結ロッドの端部と端板とで弾性体を圧縮するものが一般的である。 The structure for holding the elastic body is, for example, a structure in which the elastic body is sandwiched between the end plate and the current collector plate, and the end plate is fastened with a fastening jig to compress the elastic body, or the end plate is fastened. Generally, an elastic body is disposed between the end portion of the rod and the end plate, and the elastic body is compressed between the end portion and the end plate of the fastening rod.
なお、セパレータとMEAとの押圧力は、反応面内で均一であることが好ましい。すなわち反応面内での押圧力はセパレータとMEAとの間の接触抵抗に密接に関係するので、押圧力の分布が発電の分布を引き起こし、MEAの耐久性を低下させることが考えられるためである。よって一般的な燃料電池スタックでは、複数の弾性体を反応面の押圧力が均一になるように配慮して配置している。 The pressing force between the separator and the MEA is preferably uniform within the reaction surface. That is, since the pressing force in the reaction surface is closely related to the contact resistance between the separator and the MEA, it is conceivable that the distribution of the pressing force causes the distribution of power generation and reduces the durability of the MEA. . Therefore, in a general fuel cell stack, a plurality of elastic bodies are arranged with consideration given to a uniform pressing force on the reaction surface.
また、図5に示す別の従来の燃料電池スタック31は、図6に示すように複数のコイルバネ32を第1のケーシング33および第2のケーシング34でアッセンブリ化したスプリングモジュール35を集電板36と端板37との間に配置し、MEAとセパレータとの接触圧の均一化を図っている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、上記従来の燃料電池スタック31では、以下のような課題があった。
However, the conventional
すなわち、特にコージェネレーションシステムで用いられる燃料電池スタック31では、発電の効率を高めるとともに、発電の際に同時に発生した熱を冷却水等の冷却媒体で燃料電池スタック31の外部に搬送し、その熱を有効に利用するために、燃料電池スタック31からの放熱による熱ロスを極力減らし、熱回収効率を高めることが求められている。
That is, in particular, in the
しかし、従来の燃料電池スタック31では、弾性体からの放熱による熱ロスが発生し、熱回収効率が低下するという課題があった。また、上記従来の燃料電池スタック31のように、弾性体32をケーシング33,34でアッセンブリ化したスプリングモジュール35を用いた燃料電池スタック31では、弾性体32からの直接的な放熱に加え、弾性体32からケーシング33,34への伝熱によって、ケーシング33,34からの放熱による熱ロスがあるという課題があった。
However, the conventional
本発明の燃料電池スタックは、上記従来の課題を解決するものであり、放熱による熱ロスが少ない燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The fuel cell stack of the present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a fuel cell stack with little heat loss due to heat dissipation.
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックは、弾性体の周囲を断熱材で覆うようにしたものであり、これによって弾性体からの放熱を低減することができる。 In order to solve the above-described problems, the fuel cell stack of the present invention is configured such that the periphery of the elastic body is covered with a heat insulating material, thereby reducing heat dissipation from the elastic body.
本発明の燃料電池スタックは、弾性体からの放熱を低減することができるために、燃料電池スタックの熱ロスを低減し、熱回収効率が低下するのを抑制することができる。 Since the fuel cell stack of the present invention can reduce the heat radiation from the elastic body, it can reduce the heat loss of the fuel cell stack and suppress the reduction of the heat recovery efficiency.
第1の発明における燃料電池スタックは、複数の単セルの積層体と、積層体の両端に配した一対の集電板と、集電板の外側に配した一対の端板と、集電板の間に押圧力を与えるように設けた複数の弾性体と、弾性体の周囲を覆うように配置した断熱材とで構成され、弾性体からの放熱を抑制することにより、この放熱による熱回収効率の低下を抑制することができる。 A fuel cell stack according to a first aspect of the present invention includes a stack of a plurality of single cells, a pair of current collector plates disposed at both ends of the stack, a pair of end plates disposed outside the current collector plate, and a current collector plate. A plurality of elastic bodies provided so as to give a pressing force, and a heat insulating material arranged so as to cover the periphery of the elastic body. The decrease can be suppressed.
第2の発明における燃料電池スタックは、特に第1の発明において、断熱材を、前記弾性体が収まる穴を設けた略板状に形成したものであり、弾性体からの放熱を抑制することにより、弾性体からの放熱による熱回収効率の低下を抑制することができる。加えて、断熱材に弾性体が収まる構造であるために、燃料電池スタックの構造が大きくなることがない。 The fuel cell stack according to the second invention is the fuel cell stack according to the first invention, in particular, in which the heat insulating material is formed in a substantially plate shape provided with a hole for accommodating the elastic body, and by suppressing heat dissipation from the elastic body. And the fall of the heat recovery efficiency by the heat radiation from an elastic body can be suppressed. In addition, since the elastic body is accommodated in the heat insulating material, the structure of the fuel cell stack does not increase.
第3の発明における燃料電池スタックは、特に第2の発明において、弾性体が集電板と端板との間に位置するとともに、集電板と端板で覆われるものであり、前記第2の発明の効果に加えて弾性体の位置を断熱材で規制することが可能となるために、比較的簡単な構成で弾性体の位置決めが可能となる。しかも、断熱材が集電板と端板で覆われていることにより、断熱材の保護が図られる。 In the fuel cell stack according to the third invention, in particular, in the second invention, the elastic body is located between the current collector plate and the end plate, and is covered with the current collector plate and the end plate. Since the position of the elastic body can be regulated by the heat insulating material in addition to the effect of the invention, the elastic body can be positioned with a relatively simple configuration. Moreover, since the heat insulating material is covered with the current collector plate and the end plate, the heat insulating material can be protected.
第4の発明における燃料電池スタックは、特に第3の発明において、端板に弾性体の少なくとも一部が収まる凹部が設けられているもので、複数の弾性体の位置を断熱材および端板で規制することが可能となるために、比較的簡単な構成で弾性体の位置決めが可能となる。さらに加えて断熱材の位置を端板で規制することになるため、断熱材の位置決めが可能となる。 A fuel cell stack according to a fourth invention is the fuel cell stack according to the third invention, particularly in the third invention, wherein the end plate is provided with a recess in which at least a part of the elastic body can be accommodated. Since it becomes possible to regulate, the elastic body can be positioned with a relatively simple configuration. In addition, since the position of the heat insulating material is regulated by the end plate, the heat insulating material can be positioned.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は本発明による実施の形態1における燃料電池スタックを構成する単セルの分解図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded view of a single cell constituting the fuel cell stack according to
図1に示すように、固体高分子型燃料電池の単セル10は、高分子電解質膜21をカソードとアノードとを形成する一対の電極22で挟んで構成したMEA23と、MEA23の外周を保持し、MEA23と一体化された電気的絶縁物の樹脂で形成された枠体1を、一対のアノード側セパレータ24aとカソード側セパレータ24cとからなるカーボン製のセパレータ24で挟み込んで構成されている。枠体1とセパレータ24は互いに主面の大きさが同じ矩形状に形成されている。
As shown in FIG. 1, a
アノード側セパレータ24a、カソード側セパレータ24c、および枠体1の主面における一方の側部(図1で示す左側で、以降、第1の側部と称す)の上部には、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス入口マニホールド孔2が形成され、他方の側部(図1で示す右側で、以降、第2の側部と称す)の下部には、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス出口マニホールド孔3が形成されている。
The
第2の側部の上部には、外部から酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス入口マニホールド孔4が形成され、第1の側部の下部には、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス出口マニホールド孔5が形成されている。
An oxidant gas
さらに、アノード側セパレータ24a、カソード側セパレータ24c、および枠体1の酸化剤ガス入口マニホールド孔4の上部で内側には冷却水入口マニホールド孔6が形成され、酸化剤ガス出口マニホールド孔5の下部で内側には冷却水出口マニホールド孔7が形成されている。
Further, a cooling water
燃料ガス入口マニホールド孔2,燃料ガス出口マニホールド孔3,酸化剤ガス入口マニホールド孔4,酸化剤ガス出口マニホールド孔5,冷却水入口マニホールド孔6および冷却水出口マニホールド孔7は、単セルの厚み方向に貫通するように、それぞれが対応して設けられている。
The fuel gas inlet
そして、燃料ガス入口マニホールド孔2,燃料ガス出口マニホールド孔3,酸化剤ガス入口マニホールド孔4,酸化剤ガス出口マニホールド孔5,冷却水入口マニホールド孔6および冷却水出口マニホールド孔7は、後述するように、複数の単セルを積層して燃料電池スタックとした際に、それぞれ燃料ガス供給マニホールド,燃料ガス排出マニホールド,酸化剤ガス供給マニホールド,酸化剤ガス排出マニホールド,冷却水供給マニホールド,冷却水排出マニホールドを構成する。
The fuel gas
また、枠体1のカソード側には、電極22と酸化剤ガス入口マニホールド孔4と酸化剤ガス出口マニホールド孔5とを囲う領域と、燃料ガス入口マニホールド孔2と、燃料ガス出口マニホールド孔3と、冷却水入口マニホールド孔6と、冷却水出口マニホールド孔7との各孔外周をそれぞれ囲う領域とに、各領域に流通する所定の反応ガスまたは冷却水が当該領域外に漏れ出ないようにするためのMEAガスケット25が設けてある。
Further, on the cathode side of the
また、枠体1のアノード側には、カソード側と同様に、電極22と燃料ガス入口マニホールド孔2と燃料ガス出口マニホールド孔3とを囲う領域と、酸化剤ガス入口マニホールド孔4と、酸化剤ガス出口マニホールド孔5と、冷却水入口マニホールド孔6と、冷却水出口マニホールド孔7との各孔外周をそれぞれ囲う領域とに、各領域に流通する反応ガスまたは冷却水が当該領域外に漏れ出なくするためのMEAガスケット(図示せず)が設けてある。
On the anode side of the
また、アノード側セパレータ24aのMEA23と接する面(以降、この面をアノード側セパレータの正面とする)には、燃料ガス入口マニホールド孔2と燃料ガス出口マニホールド孔3とを結び、電極22に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路26が設けてある。
A fuel gas
この燃料ガス流路26は、枠体1のアノード側の電極22と燃料ガス入口マニホールド孔2と燃料ガス出口マニホールド孔3とを囲うMEAガスケット(枠体1の背面につき図示せず)で外部とシールされた領域内に対応する位置に、実質、水平方向に延びる水平部と、鉛直方向に延びる鉛直部とを複数組み合わせてサーペンタイン状に形成されている。
This fuel
具体的には第1の側部側にある燃料ガス入口マニホールド孔2から、水平方向に第2の側部に向かって延び、MEAガスケットで囲まれた領域内の第2の側部近傍で、鉛直方向下向きに向きを変えて所定の距離下向きに延びた後、再び第1の側部に向かって水平に延びる。そしてそこから、所定の回数上記流路パターンをMEAガスケットで囲まれた領域内で繰り返して、最終的に燃料ガス出口マニホールド孔3に到達する構成である。
Specifically, from the fuel gas
そして、燃料ガス流路26が設けられた領域は、燃料ガス入口マニホールド孔2および燃料ガス出口マニホールド孔3と接続される水平部の一部を除いて電極22と接する領域と概ね重なる。これにより、燃料ガスを電極22の全面に行き渡らせることが可能となる。
The region where the
また、カソード側セパレータ24cのMEA23と接する面(以降、この面をカソード側セパレータの正面とする)には、アノード側セパレータ24aの正面と同様に、酸化剤ガス入口マニホールド孔4と酸化剤ガス出口マニホールド孔5とを結び、電極22に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路(図示せず)がサーペンタイン状に設けられている。
Further, on the surface of the
酸化剤ガス流路が設けられた領域は、酸化剤ガス入口マニホールド孔4および酸化剤ガス出口マニホールド孔5と接続される水平部の一部を除いて電極22と接する領域と概ね重なる。これにより、酸化剤ガスを電極22の全面に行き渡らせることが可能となる。
The region where the oxidant gas flow path is provided substantially overlaps the region in contact with the
また、カソード側セパレータの正面でない側の主面(以降、この面をカソード側セパレータの背面とする)には、冷却水入口マニホールド孔6と冷却水出口マニホールド孔7とを結ぶ冷却水流路8が設けてある。
A cooling
さらに、カソード側セパレータの背面には、冷却水流路8と冷却水入口マニホールド孔6と冷却水出口マニホールド孔7とを囲む領域と、燃料ガス入口マニホールド孔2と、燃料ガス出口マニホールド孔3と、酸化剤ガス入口マニホールド孔4と、酸化剤ガス出口マニホールド孔5の各孔外周の領域をそれぞれ囲む冷却水シール9を設け、各領域に流通する所定の反応ガスおよび冷却水が外部に漏れ出ないようにしてある。
Further, on the back surface of the cathode separator, a region surrounding the cooling
冷却水流路8は、水平方向に延びる水平部と、鉛直方向に延びる鉛直部とで実質的に構成されている。
The cooling
具体的には、冷却水流路8は、第2の側部の上側にある冷却水入口マニホールド孔6から鉛直下向きに所定距離延びてから、第1の側部側に向きを変えて第2の側部に至り、再度、鉛直下向きに向きを変える。
Specifically, the cooling
そして所定の距離下向きに延びた後、今度は第2の側部に向かって水平方向に延びて第2の側部に至り、第2の側部で下向きに向きを変えて所定の距離延びた後、今度は第1の側部に向かって水平に延びる。そして、この水平と鉛直の流路パターンを所定回数繰り返し、最後は、第1の側部下側にある冷却水出口マニホールド孔7に接続する。
And after extending downward for a predetermined distance, this time it extended horizontally toward the second side to reach the second side, and turned downward for a predetermined distance on the second side. Later, it now extends horizontally towards the first side. The horizontal and vertical flow path patterns are repeated a predetermined number of times, and finally connected to the cooling water
この冷却水流路8が設けられた領域は、カソード側セパレータの正面に酸化剤ガス流路が設けられた領域および、アノード側セパレータの正面の燃料ガス流路26が設けられた領域、すなわち電極22の領域と概ね重なる。
The area where the cooling
ただし、冷却水入口マニホールド孔6および冷却水出口マニホールド孔7と接続される鉛直部の一部は、前記領域の外側に位置する。
However, a part of the vertical part connected to the cooling water
図2は図1に示す単セルを複数積層して構成した燃料電池スタックの斜視図であり、図3は図2におけるA−A断面図である。ただし、図2における左側面を図3では上として示している。 2 is a perspective view of a fuel cell stack formed by stacking a plurality of single cells shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. However, the left side surface in FIG. 2 is shown as the top in FIG.
図2に示すように、燃料電池スタックは図1に示す単セルを、単セルのアノード側セパレータ24aと、隣接する単セルのカソード側セパレータ24cとが電気的に接続するようにして複数枚積層した積層体11の両端に一対の集電板(第1の集電板12a,第2の集電板12c)を配置し、さらにその両端に一対の端板(第1の端板13a,第2の端板13c)を配置し、第1の端板13aと第2の端板13cの間を締結ボルト(図示せず)で締結したものである。
As shown in FIG. 2, the fuel cell stack is formed by stacking a plurality of single cells shown in FIG. 1 so that the
集電板12には、第1の集電板12aおよび第2の集電板12cの2種類があり、第1の集電板12aには、燃料ガス排出マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドおよび冷却水排出マニホールドとに対応した貫通穴が設けてあり、第2の集電板12cには燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドおよび冷却水供給マニホールドとに対応した貫通穴が設けてある。
The current collector plate 12 includes two types, a first
また、集電板(第1の集電板12a,第2の集電板12c)の一部が積層体11の主面形状から突出し、端子部12dを形成して外部負荷(図示せず)と接続されている。
In addition, a part of the current collector plates (first
ところで、この集電板は、燃料電池スタックで発生した電力を、少ない電気的損失で長期間にわたって外部回路に取り出すために、積層体11との接触抵抗が小さく、かつ耐食性に優れ、更には導電性が良いことが求められる。
By the way, the current collector plate takes out the electric power generated in the fuel cell stack to an external circuit over a long period of time with a small electric loss, so that the contact resistance with the
よって金属製の集電板が使われることが一般的である。しかしながら金属製の集電板は、複雑な形状を成形した場合は、成形・加工コストが高価になることや燃料電池スタックの重量が増加するため、板厚の比較的薄い金属板(厚さが1〜5mm程度)をプレス成形で打ち抜いた様な比較的簡単な形状のものを用いるのが望ましい。 Therefore, a metal current collector plate is generally used. However, when a metal current collector plate is formed into a complicated shape, the metal plate having a relatively thin plate thickness (thickness is increased) because the molding and processing costs are increased and the weight of the fuel cell stack is increased. It is desirable to use one having a relatively simple shape, such as punching out about 1 to 5 mm.
本実施の形態の燃料電池スタックでは、真鍮の薄板(厚さ2mm)を集電板形状にプレス加工で打ち抜いたものに金メッキを施し、平面度および耐食性、導電性を向上させたものを集電板として用いた。
In the fuel cell stack according to the present embodiment, a brass plate (
端板(第1の端板13a,第2の端板13c)は電気絶縁性の樹脂で形成され、第2の端板13cには、燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドおよび冷却水供給マニホールドとに対応した貫通穴が設けてあり、さらに第2の端板13cの第2の集電板12cに対向する主面の反対面には、燃料ガスを燃料電池スタックに導入する燃料ガス入口配管15、酸化剤ガスを燃料電池スタックに導入する酸化剤ガス入口配管16、そして冷却水を燃料電池スタックに導入する冷却水入口配管17が設けてある。
The end plates (the
また、第1の端板13aには、燃料ガス排出マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドおよび冷却水排出マニホールドとに対応した貫通穴が設けてあり、さらに第1の端板13aの第1の集電板12aに対向する面の反対面には、燃料ガスをスタックから排出する燃料ガス出口配管と、酸化剤ガスをスタックから排出する酸化剤ガス出口配管と、冷却水を排出する冷却水出口配管とが設けてある。
The
また、図3に示すように集電板12と端板13との間には、複数のコイルバネ14が、MEAとセパレータとの接触圧が反応面内で均一になるように応力分布解析等によって考慮された配置で設けられている。さらに、端板13のコイルバネ14が配置される位置には、コイルバネ14の一部が挿入される凹部13dが設けてあり、燃料電池スタックの組み立ての際などにコイルバネ14が所定の位置からずれるのを防止している。
Further, as shown in FIG. 3, a plurality of
また、図3に示すように集電板12と端板13との間には、板状の断熱材18が設けてある。この断熱材18には、集電板12と端板13とによって圧縮されたコイルバネ14が収まる貫通穴18aが設けてあり、この貫通穴18aの内壁によってコイルバネ14は自重によって落下しない程度に保持される。
Further, as shown in FIG. 3, a plate-like
また、断熱材18の厚さは燃料電池スタックを締結した際に、端板と集電板との間に生じる隙間と同等の厚さをもたせている。すなわちコイルバネの自然長よりも薄く、燃料電池スタックを構成する部材を積層していく際には、断熱材にコイルバネを挿入しても、コイルバネが完全に断熱材に埋まることはなく、一部が断熱材から出ていることになる。
Moreover, the thickness of the
なお、本実施の形態1に示す燃料電池スタックでは、断熱材18としてグラスウールを芯材に用いた硬質で板状の真空断熱材を用いたが、シリコーンスポンジのような比較的軟質で圧縮が可能なものでもよく、この場合は、断熱材の厚さは上記の関係でなくとも良い。
In the fuel cell stack shown in the first embodiment, a hard plate-like vacuum heat insulating material using glass wool as a core material is used as the
この構成により、集電板の端板と対する面およびコイルバネの外周面が断熱材によって覆われているために、積層体で生じた熱の放熱が少なくなり、放熱によって冷却水による熱の回収の効率が低下することを抑制することができる。 With this configuration, since the surface of the current collector plate facing the end plate and the outer peripheral surface of the coil spring are covered with a heat insulating material, the heat generated by the laminate is reduced, and the heat recovery by the cooling water is reduced by the heat dissipation. It can suppress that efficiency falls.
なお、本実施の形態1による構成では、集電板からコイルバネを介して端板に伝わって逃げる熱は減少させることを期待できないが、発熱源である積層体に近い集電板からの直接の放熱に比べれば、その放熱量は小さいことが予想され、また、本実施の形態1の断熱材に設けた貫通穴の一方を塞ぎ、貫通穴でなくして穴の底面でコイルバネの圧縮を行うようにすれば、コイルバネを伝わって端板から逃げる熱を減少させることも可能である。ただし、その場合も発熱源に近い集電板側で断熱するほうが、放熱の影響をより小さくする効果が期待できる。 In the configuration according to the first embodiment, the heat escaping from the current collector plate through the coil spring to the end plate cannot be expected to decrease, but the direct current from the current collector plate close to the laminate as a heat source is not expected. Compared to heat radiation, the heat radiation amount is expected to be small, and one of the through holes provided in the heat insulating material of the first embodiment is closed, and the coil spring is compressed at the bottom of the hole instead of the through hole. In this case, it is possible to reduce the heat that escapes from the end plate through the coil spring. However, also in that case, it is expected that the effect of reducing the influence of heat radiation can be expected by heat insulation on the side of the current collector plate close to the heat source.
また、断熱材は燃料電池スタックを組み立てる際にも重要な役割を果たす。すなわち、燃料電池スタックを組み立てる際には、あらかじめ作成した複数の単セルを、冷却水シールを間に挟み込みながら積層していくが、一方の端板に複数のコイルバネおよび断熱材を所定の位置に配置してからその上に一方の集電板を乗せ、さらにその上に単セルの積層体を形成していく。 Insulation also plays an important role in assembling the fuel cell stack. That is, when assembling a fuel cell stack, a plurality of single cells prepared in advance are stacked with a cooling water seal interposed therebetween, and a plurality of coil springs and heat insulating materials are placed at predetermined positions on one end plate. After the arrangement, one current collector plate is placed thereon, and a single cell laminate is formed thereon.
この際、端板に設けた凹部および断熱材に設けた貫通穴がコイルバネの位置を所定の位置に配置することを容易にする。さらに他方の集電板を積層体の上に配置した後にさらにコイルバネを配置する際には、断熱材を先に集電板の上に配置してからその貫通穴にコイルバネを配置することにより、コイルバネの位置を所定の位置に配置することを容易にすることが可能である。 Under the present circumstances, the recessed part provided in the end plate and the through-hole provided in the heat insulating material make it easy to arrange | position the position of a coil spring in a predetermined position. Furthermore, when arranging the coil spring after arranging the other current collector plate on the laminate, by arranging the coil spring in the through hole after arranging the heat insulating material on the current collector plate first, It is possible to easily arrange the coil spring at a predetermined position.
なお、本実施の形態1の燃料電池スタックでは、コイルバネと断熱材を集電板と端板との間に配置したが、図4に示すように、コイルバネを端板の外側で、端板間を締結する締結ロッド19によってコイルバネの内穴を貫通される状態で保持した燃料電池スタックにおいても、コイルバネの周囲を断熱材で覆うことによって、放熱による熱回収効率の低下を抑制することが可能である。
In the fuel cell stack of the first embodiment, the coil spring and the heat insulating material are disposed between the current collector plate and the end plate. However, as shown in FIG. 4, the coil spring is disposed outside the end plate and between the end plates. Even in the fuel cell stack that is held in a state where the inner hole of the coil spring is penetrated by the
また、本実施の形態1では、弾性体としてコイルバネを用いたが、板バネや皿バネなどの別の形態の弾性体でも、本実施の形態の効果を妨げることはない。 In the first embodiment, the coil spring is used as the elastic body. However, the elastic body of another form such as a leaf spring or a disc spring does not hinder the effect of the present embodiment.
以上のように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。 As described above, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be applied to uses such as a portable power source, a power source for an electric vehicle, and a stationary cogeneration system.
1 枠体
2 燃料ガス入口マニホールド孔
3 燃料ガス出口マニホールド孔
4 酸化剤ガス入口マニホールド孔
5 酸化剤ガス出口マニホールド孔
6 冷却水入口マニホールド孔
7 冷却水出口マニホールド孔
8 冷却水流路
9 冷却水シール
10 単セル
11 積層体
12 集電板
12a 第1の集電板
12c 第2の集電板
12d 端子部
13 端板
13a 第1の端板
13c 第2の端板
13d 凹部
14 コイルバネ
15 燃料ガス入口配管
16 酸化剤ガス入口配管
17 冷却水入口配管
18 断熱材
18a 貫通穴
21 高分子電解質膜
22 電極
23 MEA
24 セパレータ
24a アノード側セパレータ
24c カソード側セパレータ
25 MEAガスケット
26 燃料ガス流路
DESCRIPTION OF
24
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WO2010106753A1 (en) * | 2009-03-17 | 2010-09-23 | パナソニック株式会社 | Fuel cell stack |
US9269969B2 (en) | 2011-12-21 | 2016-02-23 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell stack |
JP2017063017A (en) * | 2015-09-24 | 2017-03-30 | 現代自動車株式会社Hyundai Motor Company | Fuel cell stack with multilayer type collector plate |
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