JP2010140870A - Fuel battery cell stack, and end plate for fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用エンドプレートに関する。 The present invention relates to a fuel cell end plate.
燃料電池は、例えば、電解質膜・電極接合体、ガス拡散層、セパレータ等を積層した発電体を複数積層し、その両側をターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持した燃料電池スタックを締結して構成される。かかる燃料電池スタックにおいて、絶縁距離を確保しつつ、インシュレータの厚みを低減するために、インシュレータの形状を、板状の平面部の外縁に、隣接するエンドプレート側に向かって壁面が形成された形状とする場合、エンドプレートは、インシュレータの平面部と壁面によって形成される凹部に嵌合させて積層することとなる。しかし、かかる燃料電池スタックは、インシュレータの外形がエンドプレートよりも大きくなるため、1つの積層基準面に沿って積層することが容易でなかった。 A fuel cell is configured, for example, by laminating a plurality of power generation bodies in which an electrolyte membrane / electrode assembly, a gas diffusion layer, a separator, and the like are laminated, and fastening a fuel cell stack sandwiched between terminals, insulators, and end plates on both sides. The In such a fuel cell stack, in order to reduce the thickness of the insulator while ensuring an insulation distance, the shape of the insulator is a shape in which a wall surface is formed on the outer edge of the plate-like flat portion toward the adjacent end plate side. In this case, the end plate is laminated by being fitted into a recess formed by the planar portion and the wall surface of the insulator. However, since the outer shape of the insulator is larger than that of the end plate, it is not easy to stack the fuel cell stack along one stacking reference plane.
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックの積層を容易に行うことである。 In view of at least a part of the above problems, the problem to be solved by the present invention is to facilitate stacking of fuel cell stacks.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]燃料電池スタックであって、複数の発電体が積層された発電体積層部と、該発電体積層部の積層方向の両端に配置される集電板と、該集電板の前記積層方向の外側に配置され、前記積層方向に直交する板状の平面部と、該平面部の外縁部に前記集電板側と反対の方向に向かって形成された壁面と、前記壁面において内側に凹んだ第1の積層基準面とを備えたインシュレータと、前記平面部と前記壁面とによって形成される凹部に嵌合して配置されるエンドプレートであって、該エンドプレートの積層面以外の側面の、前記第1の積層基準面に対応する位置において内側に凹み、該凹みの端部における底面が、少なくとも前記第1の積層基準面における前記壁面の壁高以上の奥行き、かつ、少なくとも前記第1の積層基準面における前記壁面の厚み以上の深さで切り欠かれた第2の積層基準面を備えたエンドプレートとを備え、前記第2の積層基準面は、前記切り欠き部分に配置される前記第1の積層基準面と面一である燃料電池スタック。 [Application Example 1] A fuel cell stack, in which a plurality of power generators are stacked, a current collector plate disposed at both ends of the power generator stack in the stacking direction, A plate-like plane portion disposed outside the stacking direction and orthogonal to the stacking direction; a wall surface formed on an outer edge of the plane portion in a direction opposite to the current collector plate; and the wall surface An end plate that is fitted and disposed in a recess formed by an insulator having a first laminated reference surface recessed inward, and the flat portion and the wall surface, and other than the laminated surface of the end plate Of the side surface of the first laminated reference plane is recessed at the inner side at a position corresponding to the first laminated reference plane, and the bottom surface at the end of the recess is at least a depth greater than the wall height of the wall surface of the first laminated reference plane, and at least In the first laminated reference plane And an end plate having a second lamination reference plane cut out at a depth equal to or greater than the thickness of the wall surface, and the second lamination reference plane is arranged in the cutout portion. A fuel cell stack that is flush with the reference plane.
かかる構成の燃料電池スタックにおいて、エンドプレートは、第2の積層基準面が切り欠かれており、当該切り欠き部分にインシュレータの第1の積層基準面が配置されるので、第2の積層基準面の切り欠かれていない面は、第1の積層基準面と面一となる。したがって、面一となった積層基準面に沿って容易に燃料電池スタックの構成部材を積層することができる。また、その結果、積層に用いる治具を簡略化することができる。 In the fuel cell stack having such a configuration, the end plate has a second laminated reference surface cut out, and the first laminated reference surface of the insulator is disposed in the cutout portion. The not-cut surface is flush with the first laminated reference surface. Therefore, the constituent members of the fuel cell stack can be easily stacked along the stacking reference plane that is flush with each other. As a result, the jig used for stacking can be simplified.
また、本発明は、燃料電池スタックとしての構成のほか、適用例2の燃料電池用エンドプレートとしても実現することができる。 In addition to the configuration as a fuel cell stack, the present invention can also be realized as an end plate for a fuel cell according to Application Example 2.
[適用例2]燃料電池用エンドプレートであって、前記エンドプレートの厚み方向の側面において内側に凹んだ積層基準面であって、該積層基準面の端部に、該積層基準面の底面を切り欠いた切り欠き部を有する積層基準面を備えた燃料電池用エンドプレート。 Application Example 2 An end plate for a fuel cell, which is a laminated reference surface that is recessed inwardly on a side surface in the thickness direction of the end plate, and a bottom surface of the laminated reference surface is formed at an end of the laminated reference surface An end plate for a fuel cell having a laminated reference surface having a notched portion.
A.実施例:
本発明の実施例について説明する。
A−1.燃料電池スタック20の概略構成:
本発明の実施例としての燃料電池スタック20の概略構成を図1に示す。燃料電池スタック20は、固体高分子形の燃料電池であり、発電体30を複数積層し、積層方向の両端に配置したターミナル42,44、インシュレータ50,60、エンドプレート100,130で挟持して構成される。
A. Example:
Examples of the present invention will be described.
A-1. Schematic configuration of the fuel cell stack 20:
A schematic configuration of a
発電体30は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である電解質膜の表面上にカソード電極とアノード電極とを備える電解質膜・電極接合体の両面に、ガス拡散層、流路部材、セパレータが積層されて構成される(図示せず)。
The
ターミナル42,44は、発電体30で発生した電気を図示しない出力端子から取り出す集電板である。ターミナル42,44は、種々の導電性部材を用いて形成することができるが、本実施例では、板状に形成された銅製部材を用いている。
The
インシュレータ50,60は、ターミナル42,44とエンドプレート100,130とを絶縁する絶縁部材である。インシュレータ50,60は、種々の絶縁性部材を用いて形成することができるが、本実施例では、ナイロンとEVOH(エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂)とからなる。また、本実施例では、インシュレータ50は、板状の形状であるが、インシュレータ60は、板状形状に加えて、ターミナル44側またはインシュレータ60側に折り返した壁面部を有している。本実施例では、かかるインシュレータ60の形状は、真空成形により成形する。かかる形状の詳細については後述する。なお、インシュレータ50,60は、燃料電池スタック20の各部材を積層するための積層基準面を備えているが、図1では、図示を省略している。
The
エンドプレート100,130は、燃料電池スタック20を積層方向の両端から加圧するための部材である。エンドプレート100,130は、耐食性、剛性を備えた種々の金属部材で形成することができるが、本実施例では、ステンレスからなる。なお、エンドプレート130は、エンドプレート100と同一の積層方向の厚みを有しているが、上述したインシュレータ60の壁面部の内側にエンドプレート130が挿入されているため、図1では、エンドプレート130の厚みがエンドプレート100の厚みよりも小さいように見えている。エンドプレート130のインシュレータ60側の実際の端部は、点線で表示した部分である。なお、エンドプレート100,130は、燃料電池スタック20の各部材を積層するための積層基準面を備えているが、図1では、図示を省略している。
The
かかる燃料電池スタック20は、締結シャフトとボルトからなる締結部材111〜116により、積層方向に加圧されて締結される。具体的には、エンドプレート100,130及びインシュレータ50,60は、その外周部に、連通する6個の貫通孔を備えており、ターミナル42,44及び発電体30は、当該貫通孔に対応する位置に凹部を備えている。かかる貫通孔及び凹部に締結部材111〜116の締結シャフトを通し、積層方向に加圧してボルトで固定することで、エンドプレート100,130を介して、燃料電池スタック20が締結されるのである。
The
また、エンドプレート100には、燃料ガスとしての水素を発電体30に給排するための孔部121,122、酸化ガスとしての空気を発電体30に給排するための孔部123,124、冷却水を発電体30に給排するための孔部125,126を備えている。これらの孔部は、インシュレータ50、ターミナル42、発電体30に備えられた孔部(図示せず)と連通してマニホールドを形成し、水素、空気及び冷却水を循環させる役割を果たす。なお、燃料電池スタック20に供給される水素、空気及び冷却水は、エンドプレート100側から供給され、ターミナル44に隣接する発電体30で折り返して、エンドプレート100側から排出されるので、インシュレータ60及びエンドプレート130は、上述の孔部を有していない。
Further, the
A−2.インシュレータ60の形状:
上述したインシュレータ60の全体形状を図2に示す。図示するインシュレータ60は、図1に示した積層位置関係においては、図の上側にターミナル44が、図の下側にエンドプレート130が積層される。図示するように、インシュレータ60は、燃料電池スタック20の積層方向に直交する略矩形の板状の平面部61を備えている。また、インシュレータ60は、その外縁部の全体に亘ってエンドプレート130側(図2の下側)に向かって形成された壁面62〜65を備えている。
A-2.
The overall shape of the
また、インシュレータ60は、その外縁部の略矩形形状の4角及び長辺の中央部において、開口部91〜96を備えている。開口部91〜96の外縁部には、当該外縁部の全体に亘って、ターミナル44側に向かって壁面81〜86が形成されている。開口部91〜96は、上述した締結部材111〜116の締結シャフトを通す貫通口である。なお、壁面81〜86は、インシュレータ60の外縁部に形成された壁面62〜65と一体的に形成されているが、ここでは、説明の便宜上、仮想的に分離した壁面として説明している。
また、インシュレータ60は、壁面62〜65において、内側に凹んだ凹部を有している。かかる凹部の底面を積層基準面71〜76という。かかる積層基準面71〜76は、燃料電池スタック20の各部材の積層時において、積層面を揃えるために設けられている。積層基準面71〜76は、請求項の第1の積層基準面に該当する。
Moreover, the
A−3.エンドプレート130の形状:
上述したエンドプレート130の全体形状を図3に示す。図示するエンドプレート130は、図1に示した積層位置関係においては、図の上側にインシュレータ60が積層される。図示するように、エンドプレート130は、図2に示したインシュレータ60の内寸よりも小さい略矩形の板状の形状を有している。また、エンドプレート130は、インシュレータ60の開口部91〜96に対応する位置に、上述した締結部材111〜116の締結シャフトを通す貫通孔131〜136を備えている。
A-3.
The overall shape of the
また、エンドプレート130は、積層面以外の側面において、内側に凹んだ凹部を有している。かかる凹部の底面を積層基準面141〜146という。かかる積層基準面141〜146は、上述した積層基準面71〜76と面一となることで、燃料電池スタック20の各部材の積層時において、積層面を揃えるために設けられている。そのため、積層基準面141〜146は、インシュレータ60の積層基準面71〜76に対応する位置に設けられている。また、エンドプレート130は、インシュレータ60の内寸に嵌合するため、積層基準面141〜146の幅は、積層基準面71〜76よりも大きくなっている。
Further, the
積層基準面141〜146は、インシュレータ60側の端部が切り欠かれた形状を有している。本実施例では、切り欠きの奥行き(図3ではy方向)を、積層基準面71〜76(壁面62〜65)の壁高と等しくなるように成形している。また、切り欠きの深さ(図3ではz方向)を、壁面62〜65の厚みと等しくなるように成形している。なお、説明を容易にするため、積層基準面141〜146のうち、切り欠かかれていない部分には、積層基準面の符号に「a」を付加し、切り欠かれた部分には、積層基準面の符号に「b」を付加して表現するものとする。例えば、積層基準面142は、切り欠かれていない積層基準面142aと、切り欠かれた積層基準面142bとからなる。積層基準面141〜146は、請求項の第2の積層基準面に該当する。
The laminated reference surfaces 141 to 146 have a shape in which an end portion on the
A−4.インシュレータ60及びエンドプレート130の積層状態:
図1〜図3に示した切断指示線A−Aに基づく切断面におけるインシュレータ60及びエンドプレート130の積層状態を図4に示す。図示するとおり、インシュレータ60は、エンドプレート130側では、平面部61とエンドプレート130側に向かって形成された壁面64及び65とにより形成される凹部にエンドプレート130が嵌合するように積層される。また、インシュレータ60は、ターミナル44側では、壁面64及び65の内寸と概ね同一レベルでターミナル44及び発電体30と共に積層される。本実施例では、インシュレータ60の板厚を2mmとし、壁面63及び65の積層方向の長さを、エンドプレート130とターミナル44とを絶縁するために必要な絶縁距離ID1(本実施例では8mm)とした。このように、インシュレータ60は、壁面63及び65によって、ターミナル44とエンドプレート130との絶縁距離ID2(沿面距離)を必要な絶縁距離ID1以上にすることで、絶縁距離を確保しつつ、平面部61の積層方向の厚みを小さくすることができる。
A-4. Laminated state of
FIG. 4 shows a stacked state of the
また、図1〜図3に示した切断指示線B−Bに基づく切断面におけるインシュレータ60及びエンドプレート130の積層状態を図5に示す。図示するとおり、インシュレータ60は、エンドプレート130側では、上述のA−A断面と同様に、平面部61とエンドプレート130側に向かって形成された壁面63及び65とにより形成される凹部にエンドプレート130が嵌合するように積層される。また、インシュレータ60は、ターミナル44側では、平面部61とターミナル44側に向かって形成された壁面81及び82とにより形成される凹部にターミナル44及び発電体30が嵌合するように積層される。壁面81及び発電体30と締結部材111との隙間、ならびに、壁面82及び発電体30と締結部材116との隙間には、絶縁シート151,152がそれぞれ設けられている。かかる積層状態においては、開口部91及び92の周辺においても、壁面81及び82によって、ターミナル44及び発電体30とエンドプレート130との絶縁距離ID3(沿面距離)を、必要な絶縁距離ID1以上とすることができる。
Further, FIG. 5 shows a stacked state of the
以上説明したように、インシュレータ60は、発電体30及びターミナル44とエンドプレート130との絶縁距離を十分に確保しつつ、インシュレータの厚みを低減することができる。その結果、燃料電池スタック20のコンパクト化に資することができる。
As described above, the
また、図2〜図3に示した切断指示線C−Cに基づく切断面におけるインシュレータ60及びエンドプレート130の積層状態を図6に示す。かかる切断面は、インシュレータ60の積層基準面72とエンドプレート130の積層基準面142とを含む断面である。図示するとおり、積層基準面72及び142を有しない壁面65側においては、図4に示した積層状態と同様である。
Further, FIG. 6 shows a stacked state of the
一方、積層基準面72及び142側においては、インシュレータ60とエンドプレート130とは、壁面63の内寸と積層基準面142bとが接して、積層基準面142の切り欠き部分に壁面63が収まるように積層される。このとき、積層基準面72と142aとは、面一となる。
On the other hand, on the side of the lamination reference surfaces 72 and 142, the
かかるインシュレータ60及びエンドプレート130の積層状態を斜視図として図7に示す。図中のハッチング表示部分は、インシュレータ60を示している。また、図中の点線は、エンドプレート130の輪郭のうち、インシュレータ60によって目隠しされた部分を示し、図中の太線は、インシュレータ60の輪郭とエンドプレート130の輪郭とが重なって見える部分を示している。図示するように、エンドプレート130は、積層基準面72及び142以外の部分では、インシュレータ60の内寸に収まるように積層されている。すなわち、インシュレータ60の壁面63は、エンドプレート130よりも外側に張り出している。一方、積層基準面72及び142の部分では、積層基準面72と積層基準面142aとが互いの端部で接し、かつ、面一となっていることがわかる。このように積層基準面72と積層基準面142aとが端部で接するのは、上述したとおり、積層基準面142の切り欠き部の奥行きDを壁面63の壁高に等しくしているからである。
A laminated state of the
なお、説明は省略するが、積層基準面71,73〜76及び積層基準面141,143〜146についても、上述した積層基準面72と積層基準面142と同様の位置関係となる。
In addition, although description is abbreviate | omitted, it becomes the positional relationship similar to the lamination | stacking
かかる構成の燃料電池スタック20は、積層基準面141〜146に切り欠き部を備えているため、燃料電池スタック20の積層時において、当該切り欠き部にインシュレータ60の積層基準面71〜76を配置すれば、積層基準面71〜76と積層基準面142a〜146aとをそれぞれ面一とすることができる。したがって、面一となった積層基準面に沿って容易に燃料電池スタック20の構成部材を積層することができる。また、その結果、積層に用いる治具を簡略化することができる。また、エンドプレート130を必要最低限切り欠くだけであるから、エンドプレート130の強度の低下を問題が生じない程度に小さく抑えることができる。
Since the
B:変形例:
上述の実施例の変形例について説明する。
B−1.変形例1:
インシュレータ60の形状は、図2に示した形状に限定するものではなく、平面部61の外縁部の少なくとも一部に、エンドプレート130側に向かって形成された壁面を備え、さらに、当該壁面部に積層基準面が設けられた形状であればよい。例えば、図8に示すように、平面部61の一部に、ターミナル44側に向かって形成される壁面67を備えた形状としてもよいし、壁面81〜86及び91〜96を有しない形状としてもよい。
B: Modification:
A modification of the above embodiment will be described.
B-1. Modification 1:
The shape of the
同様に、エンドプレート130についても、図3に示した形状に限定するものではなく、所定形状の切り欠きを備えた積層基準面が設けられた形状であればよい。例えば、図3に示したエンドプレート130の形状において、貫通孔131〜136を有さない形状としてもよい。
Similarly, the
また、インシュレータ60及びエンドプレート130が有する積層基準面の数は、実施例に示した6個に限らず、積層作業の便宜を考慮して、適宜設定すればよい。例えば、略矩形の外形の各辺に1個ずつ計4個の積層基準面を備える構成としてもよいし、各辺に2個ずつ計8個の積層基準面を備える構成としてもよい。
Further, the number of reference planes of the
B−2.変形例2:
上述の実施形態においては、燃料電池スタック20を構成するインシュレータ50及び60のうちのインシュレータ60についてのみ、図2に示した形状とし、エンドプレート100,130のうちのエンドプレート130についてのみ、図3に示した形状としたが、その理由は、インシュレータ50には、孔部121〜126に連通する孔部を設ける必要があり、当該孔部のシール性にも配慮する必要があるからである。これらの孔部の周辺に、シール部材を好適に取り付けるなどして、シール性を確保できる形状とするのであれば、インシュレータ50にも、図2に示した形状を採用し、さらに、エンドプレート100にも図3に示した形状を採用してもよい。
B-2. Modification 2:
In the above-described embodiment, only the
B−3.変形例3:
上述の実施形態においては、積層基準面71〜76と積層基準面141a〜146aとが互いの端部で接し、かつ、面一となる構成について示したが、積層基準面71〜76と積層基準面141a〜146aとは、必ずしも端部で接することを要しない。例えば、図9に示すように、積層基準面72の端部と積層基準面142aの端部との間には、隙間C1があってもよい。すなわち、積層基準面142の切り欠き部の奥行きが壁面63の壁高よりも大きければよいのである。また、上述の実施形態においては、壁面63の内寸と積層基準面142bとが接する構成について示したが、これらは、必ずしも接することを要しない。例えば、図9に示すように、壁面63の内寸と積層基準面142bとの間には、隙間C2があってもよい。すなわち、積層基準面142の切り欠きの深さが、壁面63の厚みよりも大きければよいのである。このような形状であっても、積層基準面72と積層基準面142aとは面一となるので、実施例と同様の効果を奏することができる。
B-3. Modification 3:
In the above-described embodiment, the stacking
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to such an example, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. For example, the present invention is not limited to the polymer electrolyte fuel cell shown in the embodiments, but can be applied to various fuel cells such as a direct methanol fuel cell and a phosphoric acid fuel cell.
20…燃料電池スタック
30…発電体
42,44…ターミナル
50,60…インシュレータ
61…平面部
62〜65,67,81〜86…壁面
71〜76,141〜146,142a,142b…積層基準面
91〜96…開口部
100,130…エンドプレート
111〜116…締結部材
121〜126…孔部
131〜136…貫通孔
151,152…絶縁シート
ID1〜ID3…絶縁距離
C1〜C2…隙間
DESCRIPTION OF
Claims (2)
複数の発電体が積層された発電体積層部と、
該発電体積層部の積層方向の両端に配置される集電板と、
該集電板の前記積層方向の外側に配置され、前記積層方向に直交する板状の平面部と、該平面部の外縁部に前記集電板側と反対の方向に向かって形成された壁面と、前記壁面において内側に凹んだ第1の積層基準面とを備えたインシュレータと、
前記平面部と前記壁面とによって形成される凹部に嵌合して配置されるエンドプレートであって、該エンドプレートの積層面以外の側面の、前記第1の積層基準面に対応する位置において内側に凹み、該凹みの端部における底面が、少なくとも前記第1の積層基準面における前記壁面の壁高以上の奥行き、かつ、少なくとも前記第1の積層基準面における前記壁面の厚み以上の深さで切り欠かれた第2の積層基準面を備えたエンドプレートと
を備え、
前記第2の積層基準面は、前記切り欠き部分に配置される前記第1の積層基準面と面一である
燃料電池スタック。 A fuel cell stack,
A power generator stacking unit in which a plurality of power generators are stacked;
Current collector plates disposed at both ends in the stacking direction of the power generator stack,
A plate-shaped plane portion that is disposed outside the stacking direction of the current collector plate and is orthogonal to the stacking direction, and a wall surface that is formed on the outer edge of the plane portion in a direction opposite to the current collector plate side. And an insulator comprising a first laminated reference surface recessed inward on the wall surface;
An end plate that is fitted and disposed in a recess formed by the flat portion and the wall surface, and is located on an inner side at a position corresponding to the first stacking reference surface on a side surface other than the stacking surface of the end plate. The bottom surface at the end of the recess is at least a depth equal to or greater than the wall height of the wall surface at the first lamination reference plane, and at least a depth equal to or greater than the thickness of the wall surface at the first lamination reference plane. An end plate with a second laminated reference plane cut out,
The second stacking reference plane is flush with the first stacking reference plane disposed in the cutout portion.
前記エンドプレートの厚み方向の側面において内側に凹んだ積層基準面であって、該積層基準面の端部に、該積層基準面の底面を切り欠いた切り欠き部を有する積層基準面
を備えた燃料電池用エンドプレート。 An end plate for a fuel cell,
A lamination reference surface that is recessed inwardly on the side surface in the thickness direction of the end plate, and is provided with a lamination reference surface having a notch formed by cutting out the bottom surface of the lamination reference surface at the end of the lamination reference surface. End plate for fuel cell.
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