JP2010140665A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層される積層体を有するとともに、前記積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関する。 The present invention provides a unit cell having an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator, and includes a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked, and stacking the stacked body The present invention relates to a fuel cell stack in which end plates are disposed at both ends in the direction.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (an electrolyte / electrode structure) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane, respectively. ) (MEA) is provided with a unit cell sandwiched between separators.
この種の燃料電池は、通常、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、例えば、所定数の単位セルが積層された積層体をボックス状のケーシング内に収容したり、エンドプレート間をタイロッドで締め付けたり、又は積層体をバンドで囲繞して締め付けたりしている。 This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) of unit cells are stacked in order to obtain a desired power generation when used for in-vehicle use. Yes. At that time, the fuel cell stack, for example, accommodates a stack in which a predetermined number of unit cells are stacked in a box-shaped casing, tightens between end plates with tie rods, or surrounds the stack with a band. It is tightened.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池積層体では、図8に示すように、一対の端板アセンブリ1、2間に複数の燃料電池アセンブリ3が挿入されている。端板アセンブリ1、2及び積層された複数の燃料電池アセンブリ3は、圧縮バンド4に囲繞されることにより、積層方向に圧縮力が付与されている。
For example, in the fuel cell stack disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 8, a plurality of fuel cell assemblies 3 are inserted between a pair of
また、特許文献2に開示されている燃料電池には、単電池の積層をバンドを用いて押圧締縛する技術が記載されている。
In addition, the fuel cell disclosed in
上記の特許文献1では、圧縮バンド4を用いる一方、特許文献2では、同様のバンドを用いており、締め付け機構の簡素化が図られている。しかしながら、燃料電池スタックに外部荷重が付与された際、積層体が前記外部荷重に直接影響されてしまう。これにより、積層体は、外部荷重によって所望の締結状態を保持することができず、振動や衝撃に対して弱いという問題がある。
In Patent Document 1, the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、外部荷重を有効に緩和させて所望の締結状態を保持可能にするとともに、耐振動性や耐衝撃性の向上を図ることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and with a simple and economical configuration, it can effectively relax external loads to maintain a desired fastening state, and improve vibration resistance and impact resistance. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of achieving the above.
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層される積層体を有するとともに、前記積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。 The present invention provides a unit cell having an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator, and includes a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked, and stacking the stacked body The present invention relates to a fuel cell stack in which end plates are disposed at both ends in the direction.
この燃料電池スタックは、積層体及びエンドプレートの外周を積層方向に周回し、エンドプレート間に締め付け荷重を付与する弾性ゴムベルトを備え、前記弾性ゴムベルトは、繋ぎ目のない円筒形状に構成されるとともに、前記弾性ゴムベルトの内周面は、平坦面形状を有し且つ前記弾性ゴムベルトの外周面には、複数の弾性突起部が設けられている。 The fuel cell stack includes an elastic rubber belt that circulates the outer periphery of the laminate and the end plate in the stacking direction and applies a tightening load between the end plates, and the elastic rubber belt is configured in a seamless cylindrical shape. The inner peripheral surface of the elastic rubber belt has a flat surface shape, and a plurality of elastic protrusions are provided on the outer peripheral surface of the elastic rubber belt.
また、弾性突起部は、弾性ゴムベルトの幅方向に延在するとともに、前記弾性ゴムベルトの周回方向に所定の間隔ずつ離間して設けられることが好ましい。 In addition, it is preferable that the elastic protrusions extend in the width direction of the elastic rubber belt and are spaced apart by a predetermined interval in the circumferential direction of the elastic rubber belt.
さらに、弾性突起部は、弾性ゴムベルトの周回方向に延在するとともに、前記弾性ゴムベルトの幅方向に所定の間隔ずつ離間して設けられることが好ましい。 Further, it is preferable that the elastic protrusions extend in the circumferential direction of the elastic rubber belt and are spaced apart by a predetermined interval in the width direction of the elastic rubber belt.
本発明によれば、弾性ゴムベルトは、繋ぎ目がなく、積層体側の内周面が平坦面形状を有している。このため、積層体に対して面圧を良好に分散させることができ、面圧の集中による締め付け不良を阻止することが可能になる。 According to the present invention, the elastic rubber belt has no joints, and the inner peripheral surface on the laminated body side has a flat surface shape. For this reason, it is possible to favorably disperse the surface pressure with respect to the laminated body, and it is possible to prevent tightening failure due to concentration of the surface pressure.
しかも、弾性ゴムベルトの外周面には、複数の弾性突起部が設けられている。従って、外部荷重は、弾性突起部の弾性変形により分散及び吸収され、前記外部荷重を有効に緩和させることができる。これにより、積層体は、所望の締結保持を可能にするとともに、耐振動性や耐衝撃性を向上させることができる。 In addition, a plurality of elastic protrusions are provided on the outer peripheral surface of the elastic rubber belt. Therefore, the external load is dispersed and absorbed by the elastic deformation of the elastic protrusion, and the external load can be effectively relaxed. Thereby, while being able to perform desired fastening holding | maintenance, a laminated body can improve vibration resistance and impact resistance.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の概略斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の断面側面図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
燃料電池スタック10は、複数の単位セル12が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を設ける。積層体14の積層方向(矢印A方向)の一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが外方に向かって配設される。積層体14の積層方向の他端には、ターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが外方に向かって配設される。絶縁プレート18bは、燃料電池スタック10全体の締め付け荷重を調整するために、厚さが選択される。
The
図3に示すように、各単位セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持するカソード側セパレータ24及びアノード側セパレータ26とを備える。カソード側セパレータ24及びアノード側セパレータ26は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータで構成してもよい。
As shown in FIG. 3, each
単位セル12の矢印B方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔30a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔32bが設けられる。
One end edge of the
単位セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔32a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔30b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔28bが設けられる。
The other end edge of the
図2及び図3に示すように、カソード側セパレータ24の電解質膜・電極構造体22側の面24aには、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路36が設けられる。酸化剤ガス流路36は、酸化剤ガス供給連通孔28a及び酸化剤ガス排出連通孔28bに連通する。カソード側セパレータ24の面24aとは反対の面24bには、冷却媒体流路38が形成される。冷却媒体流路38は、冷却媒体供給連通孔30a及び冷却媒体排出連通孔30bに連通する。
As shown in FIGS. 2 and 3, for example, an oxidant
アノード側セパレータ26の電解質膜・電極構造体22側の面26aには、燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとに連通し、矢印B方向に延在する燃料ガス流路40が形成される。アノード側セパレータ26の面26aとは反対の面26bには、カソード側セパレータ24の面24bと重なり合うことにより冷却媒体供給連通孔30aと冷却媒体排出連通孔30bとに連通する冷却媒体流路38が形成される。
On the
カソード側セパレータ24は、金属薄板上に第1シール部材42が一体に射出成形されるとともに、アノード側セパレータ26は、金属薄板上に第2シール部材44が一体に射出成形される。
The cathode-
電解質膜・電極構造体22は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜(電解質)46と、前記固体高分子電解質膜46を挟持するカソード側電極48及びアノード側電極50とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード側電極48及びアノード側電極50は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜46の両面に形成されている。
The
図1に示すように、エンドプレート20aの矢印B方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔28aに連通する酸化剤ガス入口52a、冷却媒体供給連通孔30aに連通する冷却媒体入口54a、及び燃料ガス排出連通孔32bに連通する燃料ガス出口56bが設けられる。
As shown in FIG. 1, at one end edge of the
エンドプレート20aの矢印B方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔32aに連通する燃料ガス入口56a、冷却媒体排出連通孔30bに連通する冷却媒体出口54b、及び酸化剤ガス排出連通孔28bに連通する酸化剤ガス出口52bが設けられる。
At the other end edge of the
図1及び図2に示すように、燃料電池スタック10は、積層体14からエンドプレート20a、20bの外周を積層方向(矢印A方向)に周回し、前記エンドプレート20a、20b間に締め付け荷重を付与する弾性ゴムベルト60を備える。エンドプレート20a、20bの上下両端面には、弾性ゴムベルト60に摺接する部分に対応してアール(R)が設けられる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
弾性ゴムベルト60は、弾性ゴム部材で構成され、必要に応じて内部に樹脂繊維や金属繊維が設けられる。弾性ゴムベルト60は、繋ぎ目のない円筒形状に形成されるとともに、前記弾性ゴムベルト60の内周面は、平坦面形状62を構成する。弾性ゴムベルト60の外周面には、複数の弾性突起部64が設けられる。なお、弾性ゴムベルト60の外周面全周にわたって弾性突起部64を設けなくてもよく、例えば、エンドプレート20a、20bの面内に対応して平坦面に形成してもよい。以下の実施形態においても、同様である。
The
弾性突起部64は、弾性ゴムベルト60の幅方向(矢印B方向)に延在するとともに、前記弾性ゴムベルト60の周回方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。図4に示すように、弾性突起部64は、弾性ゴムベルト60の肉厚t1に対して同等の肉厚t2を有し、且つ前記肉厚t1よりも大きな高さt3に設定される(t1≒t2<t3)。各弾性突起部64同士の間隔t4は、前記弾性突起部64の肉厚t2と同等に設定される(t2≒t4)。
The
このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス入口52aから酸化剤ガス供給連通孔28aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口56aから燃料ガス供給連通孔32aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口54aから冷却媒体供給連通孔30aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied from the
このため、酸化剤ガスは、図3に示すように、酸化剤ガス供給連通孔28aからカソード側セパレータ24に設けられた酸化剤ガス流路36に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路36を矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するカソード側電極48に供給される。
Therefore, as shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
一方、燃料ガスは、アノード側セパレータ26に設けられている燃料ガス流路40に導入される。燃料ガス流路40に導入された燃料ガスは、矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するアノード側電極50に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、電解質膜・電極構造体22では、カソード側電極48に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極50に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in the electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極48に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔28bに排出され、酸化剤ガス出口52bを介して燃料電池スタック10の外部に排出される(図1参照)。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
一方、アノード側電極50に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔32bに導出された後、燃料ガス出口56bを介して燃料電池スタック10の外部に排出される(図1参照)。
On the other hand, spent fuel gas supplied to and consumed by the anode-
また、冷却媒体は、図3に示すように、冷却媒体供給連通孔30aから冷却媒体流路38に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、冷却媒体排出連通孔30bに排出される。さらに、冷却媒体は、図1に示すように、冷却媒体出口54bを介して燃料電池スタック10の外部に排出される。
Further, as shown in FIG. 3, the cooling medium is introduced into the cooling
この場合、第1の実施形態では、燃料電池スタック10に積層方向に締め付け荷重を付与するために弾性ゴムベルト60を備えるとともに、前記弾性ゴムベルト60は、繋ぎ目がない円筒形状に形成され、積層体14側の内周面に平坦面形状62が構成されている。このため、積層体14に対して面圧を良好に分散させることができ、面圧の集中による締め付け不良を阻止することが可能になる。
In this case, in the first embodiment, the
しかも、弾性ゴムベルト60の外周面には、複数の弾性突起部64が設けられている。従って、図4に示すように、燃料電池スタック10に外部荷重Fが付与されると、この外部荷重Fは、弾性突起部64が倒れ変形(弾性変形)することにより分散及び吸収され(図4中、二点鎖線参照)、前記外部荷重Fを有効に緩和させることができる。これにより、積層体14は、所望の締結状態を保持可能にするとともに、耐振動性や耐衝撃性の向上を図ることができるという効果が得られる。
In addition, a plurality of
図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック70の概略斜視説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3及び第4の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 5 is a schematic perspective explanatory view of a
燃料電池スタック70は、弾性ゴムベルト60に代えて弾性ゴムベルト72を備える。弾性ゴムベルト72は、弾性ゴムベルト60と同様に構成されるとともに、前記弾性ゴムベルト72の外周面には、複数の弾性突起部74が設けられる。弾性突起部74は、弾性ゴムベルト72の周回方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト72の幅方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。
The
このように構成される第2の実施形態では、燃料電池スタック70に外部荷重が付与されると、複数の弾性突起部74の倒れ変形作用下に、前記外部荷重を分散及び吸収することができ、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment configured as described above, when an external load is applied to the
図6は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック80を構成する弾性ゴムベルト82の一部拡大説明図である。
FIG. 6 is a partially enlarged explanatory view of the
弾性ゴムベルト82の外周面には、複数の弾性突起部84が設けられる。弾性突起部84は、断面台形状を有するとともに、弾性ゴムベルト82の幅方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト82の周回方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。なお、弾性突起部84は、弾性ゴムベルト82の周回方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト82の幅方向に所定の間隔ずつ離間して設けられてもよい。
A plurality of
このように構成される第3の実施形態では、外部荷重Fが付与されると、弾性突起部84が潰れるように弾性変形することにより、前記外部荷重Fが分散及び吸収される(図6中、二点鎖線参照)。このため、外部荷重Fを有効に緩和させることができる等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
In the third embodiment configured as described above, when the external load F is applied, the
図7は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタック90を構成する弾性ゴムベルト92の一部拡大説明図である。
FIG. 7 is a partially enlarged explanatory view of the
弾性ゴムベルト92の外周面には、複数の弾性突起部94が設けられる。弾性突起部94は、断面波形状を有するとともに、弾性ゴムベルト92の幅方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト92の周回方向に所定の間隔ずつ離間して設けられる。なお、弾性突起部94は、弾性ゴムベルト92の周回方向に延在し且つ前記弾性ゴムベルト92の幅方向に所定の間隔ずつ離間して設けられてもよい。
A plurality of
このように構成される第4の実施形態では、外部荷重Fが付与されると、弾性突起部94が潰れるように弾性変形することにより、前記外部荷重Fを分散及び吸収することができ、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。
In the fourth embodiment configured as described above, when the external load F is applied, the
10、70、80、90…燃料電池スタック
12…単位セル 14…積層体
16a、16b…ターミナルプレート 18a、18b…絶縁プレート
20a、20b…エンドプレート 22…電解質膜・電極構造体
24、26…セパレータ 36…酸化剤ガス流路
38…冷却媒体流路 40…燃料ガス流路
46…固体高分子電解質膜 48…カソード側電極
50…アノード側電極
60、72、82、92…弾性ゴムベルト
62…平坦面形状 64、74、84、94…弾性突起部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記積層体及び前記エンドプレートの外周を積層方向に周回し、前記エンドプレート間に締め付け荷重を付与する弾性ゴムベルトを備え、
前記弾性ゴムベルトは、繋ぎ目のない円筒形状に構成されるとともに、
前記弾性ゴムベルトの内周面は、平坦面形状を有し且つ前記弾性ゴムベルトの外周面には、複数の弾性突起部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 A unit cell having an electrolyte / electrode structure and a separator each having a pair of electrodes provided on both sides of the electrolyte is provided, and has a laminate in which a plurality of the unit cells are laminated, and ends at both ends in the lamination direction of the laminate. A fuel cell stack in which a plate is disposed,
Comprising an elastic rubber belt that orbits the outer circumference of the laminate and the end plate in the laminating direction and applies a tightening load between the end plates;
The elastic rubber belt is configured in a seamless cylindrical shape,
The fuel cell stack, wherein an inner peripheral surface of the elastic rubber belt has a flat surface shape and a plurality of elastic protrusions are provided on the outer peripheral surface of the elastic rubber belt.
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Cited By (1)
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DE102013212899A1 (en) * | 2013-07-02 | 2015-01-08 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Tension system for a fuel cell system |
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2008
- 2008-12-09 JP JP2008313361A patent/JP2010140665A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
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DE102013212899A1 (en) * | 2013-07-02 | 2015-01-08 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Tension system for a fuel cell system |
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