JP2010212149A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層させた積層体を備える燃料電池スタックの形態で利用される。この燃料電池スタックにおいて、各単セルは、膜電極接合体を含む発電体の周縁部に、燃料電池スタック内を流れる流体(燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水)の漏洩を防止するためのシール部材を配置するとともに、これらをセパレータによって挟持して構成される。そして、このような燃料電池スタックでは、一般に、シール部材のシール性を確保したり、発電体とセパレータとの接触抵抗を低減したりするために、単セルの積層方向に締結荷重が加えられ、締結部材によって締結される。 A fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. This fuel cell is generally used in the form of a fuel cell stack including a laminate in which a plurality of single cells are laminated. In this fuel cell stack, each single cell has a seal for preventing leakage of fluid (fuel gas, oxidant gas, cooling water) flowing in the fuel cell stack at the peripheral portion of the power generator including the membrane electrode assembly. The members are arranged and sandwiched by separators. In such a fuel cell stack, generally, a fastening load is applied in the stacking direction of the single cells in order to ensure the sealing performance of the sealing member or reduce the contact resistance between the power generator and the separator, Fastened by the fastening member.
ところで、燃料電池スタックでは、上記シール部材のシール性を確保するために要求される荷重と、発電体とセパレータとの接触抵抗を低減するために要求される荷重とが異なる場合があった。そこで、例えば、下記特許文献1では、複数の単セルの積層体における発電部(発電体)とシール部(シール部材)とに対して異なる締結荷重を加える締結荷重付与機構を備える燃料電池(燃料電池スタック)が提案されている。 By the way, in the fuel cell stack, the load required to ensure the sealing performance of the seal member may differ from the load required to reduce the contact resistance between the power generator and the separator. Therefore, for example, in Patent Document 1 below, a fuel cell (fuel) including a fastening load application mechanism that applies different fastening loads to a power generation unit (power generation unit) and a seal unit (seal member) in a stack of a plurality of single cells. Battery stacks) have been proposed.
しかし、上記特許文献1に記載された技術では、シール部での良好なシール性を確保しつつ発電部に対して過大な荷重がかからないように単セルの積層体を締結することを目的としており、発電体とセパレータとの接触抵抗を低減するために、シール部に対して加えられる荷重よりも大きな荷重を発電部に対して加えることについては考慮されていなかった。また、燃料電池スタックの構造が比較的複雑だった。 However, the technique described in Patent Document 1 is intended to fasten a single-cell laminate so that an excessive load is not applied to the power generation unit while ensuring good sealing performance at the seal unit. In order to reduce the contact resistance between the power generation body and the separator, no consideration has been given to applying a load larger than the load applied to the seal portion to the power generation portion. In addition, the structure of the fuel cell stack was relatively complicated.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、比較的簡易な構成で、シール部材のシール性を確保しつつ、シール部材に対して加えられる荷重よりも大きな荷重を発電体に対して加えることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a fuel cell stack, the seal member has a relatively simple configuration and ensures the sealing performance of the seal member, and more than the load applied to the seal member. The purpose is to apply a large load to the generator.
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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う発電体の周縁部にシール部材を配置するとともに、前記発電体および前記シール部材をセパレータによって挟持して構成される単セルを複数積層した積層体と、前記単セルの積層方向についての前記積層体の両端部にそれぞれ配置される一対のエンドプレートと、前記発電体と略同一の外形形状を有し、前記積層体の両端部のうちの少なくとも一方と前記エンドプレートとの間であって、前記発電体と対向する部位に配置されるシムと、前記一対のエンドプレート間に前記積層体および前記シムを挟んだ状態で、前記一対のエンドプレートを締結することによって、前記積層体に対して、前記積層方向に押圧力を加えるとともに、前記一対のエンドプレート間の距離を一定寸法に規定するための締結部材と、を備える燃料電池スタック。 Application Example 1 In a fuel cell stack, a seal member is disposed at a peripheral portion of a power generator that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and the power generator and the seal member are separated by a separator. A laminated body in which a plurality of unit cells are sandwiched and laminated, a pair of end plates respectively disposed at both ends of the laminated body in the lamination direction of the single cells, and substantially the same outer shape as the power generator A shim disposed between at least one of both end portions of the laminated body and the end plate and facing the power generation body, and the laminated body between the pair of end plates In addition, by pressing the pair of end plates with the shim sandwiched therebetween, a pressing force is applied to the stacked body in the stacking direction, and the pair of end plates Fuel cell stack comprising fastening a member, a for defining the distance between the end plates fixed dimensions.
適用例1の燃料電池スタックでは、上記締結部材を用いて上記一対のエンドプレートを締結することによって、上記積層体に対して、上記単セルの積層方向に押圧力を加えるとともに、エンドプレート間の距離を一定寸法に規定して締結することによって、上記シール部材に対して適切な荷重を加え、上記シール部材のシール性を確保することができる。なお、上記シール部材に対して加えられる荷重の大きさは、例えば、上記シール部材の材質および厚さや、上記セパレータの厚さを変更することによって、適宜、適切に変更可能である。 In the fuel cell stack of Application Example 1, the pair of end plates are fastened using the fastening member to apply a pressing force to the stacked body in the stacking direction of the single cells, and between the end plates. When the distance is set to a predetermined dimension and fastened, an appropriate load is applied to the seal member, and the sealing performance of the seal member can be ensured. In addition, the magnitude | size of the load applied with respect to the said sealing member can be suitably changed suitably, for example by changing the material and thickness of the said sealing member, and the thickness of the said separator.
さらに、適用例1の燃料電池スタックでは、上記単セルの積層方向についての上記積層体の両端部のうちの少なくとも一方と上記エンドプレートとの間であって、上記発電体と対向する部位に、上記発電体と略同一の外形形状を有するシムが配置されるので、比較的容易に、上記シール部材に対して加えられる荷重よりも大きな荷重を上記発電体に対して適切に加えることができる。なお、上記発電体に対して加えられる荷重の大きさは、例えば、上記シムの厚さを変更することによって、適宜、適切に変更可能である。 Furthermore, in the fuel cell stack of Application Example 1, between at least one of both end portions of the stacked body in the stacking direction of the single cells and the end plate, the portion facing the power generator, Since the shim having substantially the same outer shape as the power generation body is disposed, a load larger than the load applied to the seal member can be appropriately applied to the power generation body relatively easily. In addition, the magnitude | size of the load added with respect to the said electric power generation body can be suitably changed suitably, for example by changing the thickness of the said shim.
つまり、適用例1の燃料電池スタックによれば、比較的簡易な構成で、シール部材のシール性を確保するとともに、シール部材に加えられる荷重よりも大きな荷重を発電体に加えることができる。 That is, according to the fuel cell stack of Application Example 1, with a relatively simple configuration, it is possible to ensure the sealing performance of the seal member and to apply a load larger than the load applied to the seal member to the power generator.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック100の概略構成および製造方法を示す説明図である。図1では、燃料電池スタック100の側面図を、燃料電池スタック100を構成する単セル10の断面図とともに示した。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration and a manufacturing method of a
この燃料電池スタック100は、複数の単セル10を積層させた積層体10Lを有している。各単セル10は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を含む発電体10aを備えている。そして、各単セル10は、発電体10aの周縁部にシール部材10bを配置するとともに、これらをセパレータ10cによって挟持することにより構成されている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。また、シール部材10bとして、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有するシリコーンゴムを用いるものとした。また、セパレータ10cとして、導電性および可撓性を有する金属製のセパレータを用いるものとした。なお、燃料電池スタック100における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
The
そして、燃料電池スタック100は、概略、単セル10の積層方向についての積層体10Lの両端部に、エンドプレート20a,20bを配置し、これらを締結棒30およびナット32を用いて締結することによって構成される。締結棒30およびナット32は、本発明における締結部材に相当する。そして、エンドプレート20aとエンドプレート20bとを締結することによって、積層体10Lに対して、単セル10の積層方向に押圧力が加えられる。なお、各エンドプレート20a,20bは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、積層体10Lとエンドプレート20aとの間、および、積層体10Lとエンドプレート20bとの間には、それぞれ、図示しない集電板、および、絶縁板が介装される。また、各集電板には、それぞれ出力端子が設けられており、これらの出力端子から燃料電池スタック100によって発電された電力を出力可能となっている。
In the
燃料電池スタック100において、各エンドプレート20a,20bと各締結棒30とは、例えば、各エンドプレート20a,20bの四隅に厚さ方向に形成された各貫通孔20hに、各締結棒30における棒状部30aの両端部に形成された雄ネジ部30bを挿入して、内壁に雌ねじが形成されたナット32を雄ネジ部30bに螺合することによって固定される。なお、締結棒30における棒状部30aの太さは、各エンドプレート20a,20bに形成された各貫通孔20hのサイズよりも太く設定されており、燃料電池スタック100における単セル10の積層方向の長さは、積層体10Lに加えられる締結荷重の大きさに関わらず、棒状部30aの長さによって規定される。
In the
一般に、燃料電池スタックにおいて、複数の単セル10を締結する締結構造としては、本実施例の燃料電池スタック100のように、締結棒30によって、燃料電池スタック100における単セル10の積層方向の長さが規定される、いわゆる定寸構造の燃料電池スタックと、スプリング等を用いて、積層体10Lに対して一定の荷重が加えられる、いわゆる定荷重構造の燃料電池スタックとが知られている。そして、定荷重構造の燃料電池スタックでは、定寸構造の燃料電池スタックと比較して、例えば、単セル10に一定荷重が加わり続けるため、単セル10における各部のクリープが進行しやすい、上記スプリング等を配置するためのスペースが必要であり、燃料電池スタックの体格が大型になりやすいという欠点がある。このため、本実施例の燃料電池スタック100では、複数の単セル10の締結構造として定寸構造を採用することによって、上述した定荷重構造の欠点を解消している。
In general, in a fuel cell stack, a fastening structure for fastening a plurality of
以下、燃料電池スタック100の製造工程の一例を説明する。まず、矩形形状を有するエンドプレート20aの四隅に、それぞれ、積層体10Lを締結するための締結棒30を固定する(図1の上段参照)。次に、エンドプレート20a上に所定数の単セル10を積層して、積層体10Lを構成する。なお、図示は省略しているが、各単セル10は、それぞれ、四隅に切り欠き部が形成されたほぼ矩形形状を有しており、各切り欠き部をそれぞれ締結棒30に当接させることによって、エンドプレート20a上における積層体10Lの位置決めがなされる。次に、エンドプレート20bに形成された各貫通孔20hに、各締結棒30の他方の雄ネジ部30bを挿入してナット32によって固定することにより、積層体10Lにおける単セル10の積層方向に締結荷重が加えられる。
Hereinafter, an example of the manufacturing process of the
この際、積層体10Lとエンドプレート20bとの間であって、積層体10Lを構成する各単セル10における発電体10aと対向する部位に、発電体10aとほぼ同一の外形形状を有するシム40を配置した状態で、エンドプレート20bを固定する。積層体10Lとエンドプレート20bとの間にシム40を挟み込むことによって、各単セル10は、シール部材10bの弾力性、および、セパレータ10cの可撓性によって撓みつつ、各単セル10における発電体10aが配置された領域が押圧される(図1の下段参照)。なお、本実施例の燃料電池スタック100では、エンドプレート20bの積層体10Lと対向する側の面に、シム40が嵌合する嵌合凹部20bdが形成されており、この嵌合凹部20bdによって、シム40の位置決め、および、位置ずれを防止することができる。
At this time, a
以上説明した本実施例の燃料電池スタック100によれば、締結棒30およびナット32を用いてエンドプレート20a,20bを締結することによって、積層体10Lに対して、単セル10の積層方向に押圧力を加えるとともに、エンドプレート20a,20b間の距離を一定寸法に規定して締結することによって、上記シール部材に対して適切な荷重を加え、上記シール部材のシール性を確保することができる。なお、シール部材10bに対して加えられる荷重の大きさは、例えば、シール部材10bの材質および厚さや、セパレータ10cの厚さを適切に設計することによって可能である。
According to the
さらに、本実施例の燃料電池スタック100よれば、単セル10の積層方向についての積層体10Lの端部とエンドプレート20bとの間であって、発電体10aと対向する部位に、シム40が介装されるので、シール部材10bに対して加えられる荷重よりも大きな荷重を発電体10aに対して適切に加えることができる。なお、発電体10aに対して加えられる荷重の大きさは、例えば、シム40の厚さを適切に設計することによって可能である。
Further, according to the
つまり、本実施例の燃料電池スタック100によれば、比較的簡易な構成で、シール部材10bのシール性を確保するとともに、シール部材10bに加えられる荷重よりも大きな荷重を発電体10aに加えることができる。
That is, according to the
なお、本実施例では、積層体10Lとエンドプレート20bとの間にシム40を介装するものとしたが、さらに、積層体10Lとエンドプレート20aとの間にもシム40を介装するようにしてもよい。すなわち、単セル10の積層方向についての積層体10Lの両端部にシム40を介装するようにしてもよい。こうすることによって、積層体10Lの一方の端部にシム40を介装する場合と比較して、発電体10aに荷重を加えるときのセパレータ10cの撓み量を半分に減少させ、セパレータ10cのクリープを抑制することができる。
In this embodiment, the
100…燃料電池スタック
10…単セル
10L…積層体
10a…発電体
10b…シール部材
10c…セパレータ
20a,20b…エンドプレート
20h…貫通孔
20bd…嵌合凹部
30…締結棒
30a…シャフト部
30b…雄ネジ部
32…ナット
40…シム
DESCRIPTION OF
Claims (1)
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う発電体の周縁部にシール部材を配置するとともに、前記発電体および前記シール部材をセパレータによって挟持して構成される単セルを複数積層した積層体と、
前記単セルの積層方向についての前記積層体の両端部にそれぞれ配置される一対のエンドプレートと、
前記発電体と略同一の外形形状を有し、前記積層体の両端部のうちの少なくとも一方と前記エンドプレートとの間であって、前記発電体と対向する部位に配置されるシムと、
前記一対のエンドプレート間に前記積層体および前記シムを挟んだ状態で、前記一対のエンドプレートを締結することによって、前記積層体に対して、前記積層方向に押圧力を加えるとともに、前記一対のエンドプレート間の距離を一定寸法に規定するための締結部材と、
を備える燃料電池スタック。 A fuel cell stack,
A seal member is disposed at a peripheral portion of a power generator that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and a plurality of single cells configured by sandwiching the power generator and the seal member with a separator are stacked. A laminate,
A pair of end plates respectively disposed at both ends of the stacked body in the stacking direction of the single cells;
A shim that has substantially the same outer shape as the power generation body, is disposed between at least one of both end portions of the laminate and the end plate, and is disposed at a portion facing the power generation body;
By fastening the pair of end plates in a state where the laminate and the shim are sandwiched between the pair of end plates, a pressing force is applied to the laminate in the stacking direction, and the pair of end plates A fastening member for defining the distance between the end plates to a certain dimension;
A fuel cell stack comprising:
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