JP2010277869A - Solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池のセルスタック及び燃料電池のセルスタックの締結方法に関し、締結バンドおよび絶縁性を有するバンド係合体を用いてセルスタック本体を締結した燃料電池のセルスタック及び燃料電池のセルスタックの締結方法に関する。 The present invention relates to a cell stack for a fuel cell and a method for fastening a cell stack for a fuel cell, and a cell stack for a fuel cell and a cell stack for a fuel cell in which a cell stack body is fastened using a fastening band and a band engaging body having insulation properties. It is related with the fastening method.
一般的な燃料電池のセルスタックは、複数のセル(単電池)が積層されたセル積層体の両端に、集電板、絶縁板及び端板がこの順に配設され、これらの積層体を締結ロッド(ボルト及びナット)により積層方向に締め付けることにより構成されている(例えば、特許文献1参照)。このような締結ロッド(ボルト及びナット)を用いた締結構造では、端板の表面からボルトの頭部及び先端部並びにナットが突出するため、燃料電池のサイズが大きくなるという問題があった。 In a general fuel cell stack, a current collector plate, an insulating plate, and an end plate are arranged in this order at both ends of a cell stack in which a plurality of cells (single cells) are stacked, and these stacks are fastened. It is configured by tightening in the stacking direction with rods (bolts and nuts) (see, for example, Patent Document 1). In such a fastening structure using fastening rods (bolts and nuts), there is a problem in that the size of the fuel cell is increased because the bolt head and tip and the nut protrude from the surface of the end plate.
このため、セルスタックの締結構造をより小さくすることによって、燃料電池を小型化する技術が種々開発されており、厚さの薄い締結バンドを用いてセルスタックを締結する技術が開示されている(例えば、特許文献2及び特許文献3参照)。特許文献2及び特許文献3に開示されている燃料電池のように、セル積層体及び端板等の締結に締結バンドを用いると、締結バンドが端板の表面から大きく突出することがないので、燃料電池のサイズを小さくすることができる。
For this reason, various technologies for reducing the size of the fuel cell by making the cell stack fastening structure smaller have been developed, and a technology for fastening the cell stack using a thin fastening band is disclosed ( For example, see
しかしながら、特許文献2に開示されている高分子電解質形燃料電池では、一つの締結バンドで両端の集電板側面上を通過するため、振動や衝撃などによりセル積層体がずれた場合、締結バンドで両端集電板を短絡するという問題があった。また、特許文献2には、締結バンドとセル積層体の間に絶縁フィルムを介することにより短絡を回避する方法が開示されているが、燃料電池のセルスタックに強い衝撃が加わった場合には、絶縁フィルムが破ける可能性があり、絶縁体としては不十分であるという問題があった。
However, in the polymer electrolyte fuel cell disclosed in
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、締結バンド自体の絶縁性または締結バンドとセルスタック間の絶縁性が破壊された場合においても、両端集電板の短絡を防ぐことができる、燃料電池のセルスタック及び燃料電池のセルスタックの締結方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and prevents short-circuiting of the current collector plates at both ends even when the insulation of the fastening band itself or the insulation between the fastening band and the cell stack is broken. It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack and a method for fastening the fuel cell stack.
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池のセルスタックは、複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の前記セルの積層方向の両端に配設された集電板と、さらに前記集電板の端に配設された弾性部材と、前記セル積層体と前記弾性部材とを挾持する一対の端板と、有するセルスタック本体と、両端部に第1バンド係合部と第2バンド係合部とを有し、前記セルスタック本体の一対の端面と互いに対向する一対の側面とを覆うように前記セルスタック本体の周囲に延在する締結バンドと、を備え、前記締結バンドは、U字状の第1バンド部材とU字状の第2バンド部材とから構成されている。 In order to solve the above problems, a cell stack of a fuel cell according to the present invention includes a cell stack in which a plurality of cells are stacked, and current collectors disposed at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. A cell stack body having a plate, an elastic member disposed at an end of the current collector plate, a pair of end plates sandwiching the cell stack and the elastic member, and first band members at both ends. A fastening band extending around the cell stack main body so as to cover a pair of side surfaces facing each other and a pair of end surfaces of the cell stack main body The fastening band includes a U-shaped first band member and a U-shaped second band member.
前記第1バンド部材の一方の端部には第1バンド部材係合部が設けられ、前記第1バンド部材の他方の端部には第2バンド部材係合部が設けられ、
前記第2バンド部材の一方の端部には第3バンド部材係合部が設けられ、前記第2バンド部材の他方の端部には第4バンド部材係合部が設けられ、
前記第1バンド部材係合部と前記第3バンド部材係合部とが第一のバンド係合体を介して係合され、かつ、
前記第2バンド部材係合部と前記第4バンド部材係合部とが第二のバンド係合体を介して係合することにより、前記セルスタック本体が前記締結バンドにより締結されており、
前記第一及び第二のバンド係合体が絶縁性を有している。
A first band member engaging portion is provided at one end of the first band member, and a second band member engaging portion is provided at the other end of the first band member,
A third band member engaging portion is provided at one end of the second band member, and a fourth band member engaging portion is provided at the other end of the second band member.
The first band member engaging portion and the third band member engaging portion are engaged via a first band engaging body, and
The cell stack body is fastened by the fastening band by engaging the second band member engaging portion and the fourth band member engaging portion via a second band engaging body,
The first and second band engaging bodies are insulative.
これにより、締結バンド自体の絶縁性または締結バンドとセルスタック間の絶縁性が破壊された場合においても、両端集電板の短絡を防ぐことができる。 Thereby, even when the insulation property of the fastening band itself or the insulation property between the fastening band and the cell stack is broken, it is possible to prevent short-circuiting of the current collector plates at both ends.
また、本発明に係る燃料電池のセルスタックでは、前記バンド係合体は表面を絶縁処理した金属であってもよい。 Moreover, in the cell stack of the fuel cell according to the present invention, the band engaging body may be a metal whose surface is insulated.
また、本発明に係る燃料電池のセルスタックでは、前記バンド係合体の材質は絶縁性ゴムであってもよい。 In the cell stack of the fuel cell according to the present invention, the material of the band engaging body may be an insulating rubber.
また、本発明に係る燃料電池のセルスタックでは、前記バンド係合体の材質は樹脂であってもよい。 In the cell stack of the fuel cell according to the present invention, the material of the band engaging body may be a resin.
また、本発明に係る燃料電池のセルスタックでは、前記バンド係合体はピンであってもよい。 In the cell stack of the fuel cell according to the present invention, the band engaging body may be a pin.
本発明の燃料電池のセルスタック及び燃料電池のセルスタックの締結方法では、締結バンド自体の絶縁性または締結バンドとセルスタック間の絶縁性が破壊された場合においても、両端集電板の短絡を防ぐことが可能となる。 In the fuel cell stack and the method for fastening the fuel cell stack according to the present invention, even if the insulation of the fastening band itself or the insulation between the fastening band and the cell stack is broken, the current collector plates at both ends are short-circuited. It becomes possible to prevent.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下に示す各実施の形態では、本発明を固体高分子形燃料電池(PEFC)に適用したものであるが、本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)またはリン酸形燃料電池(PAFC)等のような他の形式の燃料電池にも幅広く適用可能である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the following embodiments, the present invention is applied to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). However, the present invention is not limited to a solid oxide fuel cell (SOFC) or a phosphoric acid fuel cell. It can be widely applied to other types of fuel cells such as (PAFC).
(実施の形態1)
[燃料電池のセルスタックの構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池のセルスタックの概略構成を模式的に示す平面図であり、図2は、図1に示す燃料電池のセルスタックの構成を示す係合部側正面図である。なお、図1及び図2において、燃料電池のセルスタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。図4は、図3に示す第1バンド部材及び第2バンド部材のバンド部材係合部を含む断面図(I―I´)である。
(Embodiment 1)
[Configuration of fuel cell stack]
1 is a plan view schematically showing a schematic configuration of a cell stack of a fuel cell according to
図1及び図2に示すように、本発明の実施の形態1に係る燃料電池のセルスタック10は、直方体状のセル積層体12と、U字状の第1バンド部材22とU字状の第2バンド部材23とから構成される締結バンドと、一対のバンド係合体24a、24bと、を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
セル積層体12(図1)は、起電力を生じさせる複数のセル(単電池)28を積層するとともに、これらを直列接続することによって構成された積層電池である。各セル28は、アノード(燃料極)とカソード(空気極)とこれらに挟まれた固体高分子膜(イオン交換膜)とからなるMEA(膜/電極接合体)を、2枚の導電性のセパレータ(バイポーラプレート)で挟みこんだ四角板状の部品であり、隣接するセル28のセパレータどうしが接触することによって、全てのセル28が直列に接続されている。
The cell stack 12 (FIG. 1) is a stacked battery configured by stacking a plurality of cells (unit cells) 28 that generate electromotive force and connecting them in series. Each
集電板14は、図1および図2に示すように、緻密質カーボンまたは銅等のようなガス不透過性かつ導電性の材料からなる四角板状の集電部14aを有しており、集電部14aの一つの側端縁には、出力端子14bが一体に形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
絶縁板16は、集電板14の端板18と対向する側の面を絶縁するものであり、ゴムまたはプラスチック等のような絶縁性の材料を用いて四角板状に形成されている。
The
端板18は、第1バンド部材22、第2バンド部材23による締結力をセル積層体12および集電板14に対して均等な面圧で付与するものであり、締結力による変形を防止するために硬質プラスチックまたは鋼等のような高剛性材料を用いて四角板状に形成されている。
The
圧縮ばね20は、セル積層体12および集電板14等を含む積層体に対して積層方向の押圧力を付与するものであり、図1に示すように、各辺4×4=16個の圧縮ばね20がセル積層体12の面に対し等間隔の位置に配設されている。
The
第1バンド部材22及び第2バンド部材23は、セル積層体12、集電板14、絶縁板16、端板18および圧縮ばね20を積層方向において締め付ける断面四角形の帯状部材であり、セル積層体12の上面(上端面)、下面(下端面)、及び互いに対向する一対の側面を覆って、セル積層体12の周囲に延在するように配置されている。
The
第1バンド部材22及び第2バンド部材23は、樹脂(エンジニアリングプラスチック、エラストマー等)、ステンレス鋼(SUS304等)またはクロムモリブデン鋼等のような引張強度及び防錆性に優れた材料によって構成されている。組立て性の観点から、U字形状であることが好ましい。
The
バンド係合体24a及び24bは、第1バンド部材22及び第2バンド部材23を係合する部材である。絶縁性を有し、締結に耐える剛性を有する材料であればよく、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼(SUS304等)などの金属材料の表面を絶縁処理したもの、絶縁性ゴム、硬質プラスチックなどの樹脂が好ましい。
The
第1バンド部材22の一方の端部には第1バンド部材係合部22a、他方の端部には第2バンド部材係合部22bが設けられ、第2バンド部材の一方の端部には第3バンド部材係合部23a、他方の端部には第4バンド部材係合部23bが設けられている。第1バンド部材係合部22a、第3バンド部材係合部23aは、バンド接合体24aを介して第1バンド部材22と第2バンド部材23を係合させるためにバンド端部に設けられた構造であり、例えば、ナットやロッドを通すための孔、バンド接合体24aと直接係り合う係止形状としてもよい。
A first band
ここで、図1から図4を参照しながら、第1バンド部材22の第1バンド部材係合部26aと第2バンド部材係合部26b及び第2バンド部材23の第3バンド部材係合部27aと第4バンド部材係合部27bの構成を詳細に説明する。なお、第1バンド部材22の第1バンド部材係合部26a及び第2バンド部材係合部26bと第2バンド部材23の第3バンド部材係合部27a及び第4バンド部材係合部27bは、同様に構成されているため、以下の説明では、第1バンド部材22の第1バンド部材係合部26aと第2バンド部材23の第4バンド部材係合部27aについて説明する。
Here, with reference to FIGS. 1 to 4, the first band
図2(b)に示したように、第1バンド部材22の第1バンド部材係合部26aと第2バンド部材23の第4バンド部材係合部27aはセル積層体12の側面側においてバンド係合体24aを介して係り合った状態となって固定されている。本実施形態では、第1バンド部材係合部26aとバンド係合体24aは、連結ねじ22aによって固定されている。連結ねじ22aのような第1バンド部材係合部26aとバンド係合体24aを固定するための部材は必ずしも必要ではなく、例えば、第1バンド部材係合部26aとバンド係合体24aが直接係り合い係止するような形状としてもよい。
As shown in FIG. 2B, the first band
燃料電池スタック10を組み立てる際には、第2バンド部材23上に、セル積層体12の積層方向両側に集電板14、絶縁板16および端板18を配置するとともに、一方の絶縁板16と端板18との間に圧縮ばね20を配置し、さらにその上から第1バンド部材22を配置する。これらを第1バンド部材22、第2バンド部材23の外側から押圧し、積層方向に締め付けながら、第1バンド部材係合部26a、バンド係合体24a、第2バンド部材係合部27aの位置を合わせて貫通孔を一致させた後、一致した貫通孔に連結ネジ22a、23aを貫通させ、接続部を形成し締結する。したがって、第1バンド部材22と第2バンド部材23は絶縁性を有するバンド係合体24aを挟んで係合されることになり、第1バンド部材22と第2バンド部材23は電気的に絶縁することができる。
When assembling the
なお、第1実施形態では、セル28、集電板14、絶縁板16および端板18を四角板状に形成しているが、これらの形状は特に限定されるものではなく、長円板状または六画板状等であってもよい。
In the first embodiment, the
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池のセルスタックの概略構成を模式的に示す平面図であり、図6は、図5に示す燃料電池のセルスタックの構成を示す係合部側正面図である。なお、図5及び図6において、燃料電池のセルスタックにおける上下方向を図における上下方向として表している。図8は、図7に示す第1バンド部材及び第2バンド部材の断面図(II−II´、III−III´)である。
(Embodiment 2)
5 is a plan view schematically showing a schematic configuration of a cell stack of a fuel cell according to
図5及び図6に示すように、本発明の実施の形態2に係る燃料電池のセルスタック10は、実施の形態1に係る燃料電池のセルスタック10と基本的構成は同じであるが、第1バンド部材22の第1バンド部材係合部26a及び第2バンド部材係合部26b、第2バンド部材23の第3バンド部材係合部27a及び第4バンド部材係合部27bの構成が異なる。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
具体的には、本実施の形態2に係る燃料電池のセルスタック10では、第1バンド部材係合部26a〜第4バンド部材係合部27bは、第1バンド部材22及び第2バンド部材23の端から面方向(ここでは、鉛直方向)に沿って突出するように形成されており、鉛直方向に締結ピン25a、25bを通すための挿通孔が形成されている(図8)。また、第1バンド部材22の第1バンド部材係合部26aと第2バンド部材23の第4バンド部材係合部27aは、互いに接触しないように形成されていて、同様に、第1バンド部材22の第2バンド部材係合部26bと第2バンド部材23の第3バンド部材係合部27bは、互いに接触しないように形成されている。
Specifically, in the
そして、第1バンド部材22の挿通穴(第1バンド部材係合部26a)と第2バンド部材23の挿通穴(第4バンド部材係合部27a)には、絶縁性を有する締結ピン25a(バンド係合体)が挿通され、同様に、第1バンド部材22の挿通穴(第2バンド部材係合部26b)と第2バンド部材23の挿通穴(第3バンド部材係合部27bには、絶縁性を有する締結ピン25b(バンド係合体)が挿通され、第1バンド部材22と第2バンド部材23が係合されている。したがって、第1バンド部材22と第2バンド部材23は絶縁性を有する締結ピン25aを挟んで係合されることになり、第1バンド部材22と第2バンド部材23を電気的に絶縁することができる。
In addition, in the insertion hole (first band
このように構成された本実施の形態2に係る燃料電池のセルスタック10であっても、実施の形態1に係る燃料電池のセルスタック10と同様の作用効果を奏する。
Even the
本発明の燃料電池のセルスタック及び燃料電池のセルスタックの締結方法は、締結バンド自体の絶縁性または締結バンドとセルスタック間の絶縁性が破壊された場合においても、両端集電板の短絡を防ぐことができるため、燃料電池の技術分野で有用である。 According to the fuel cell stack of the present invention and the method of fastening the fuel cell stack, even if the insulation of the fastening band itself or the insulation between the fastening band and the cell stack is broken, the collector plates at both ends are short-circuited. This is useful in the technical field of fuel cells.
10 燃料電池セルスタック
12 セル積層体
14 集電板
14a 集電部
14b 出力端子
16 絶縁板
18 端板
20 圧縮ばね
22 第1バンド部材
23 第2バンド部材
22a,22b,23a,23b 連結ネジ
24a,24b バンド係合体
25a,25b バンド係合ピン
26a,26b,27a,27b バンド部材係合部
28 セル
30 配管
DESCRIPTION OF
Claims (5)
両端部に第1バンド係合部と第2バンド係合部とを有し、前記セルスタック本体の一対の端面と互いに対向する一対の側面とを覆うように前記セルスタック本体の周囲に延在する締結バンドと、を備え、
前記締結バンドは、第1バンド部材と第2バンド部材とから構成され、
前記第1バンド部材の一方の端部には第1バンド部材係合部が設けられ、前記第1バンド部材の他方の端部には第2バンド部材係合部が設けられ、
前記第2バンド部材の一方の端部には第3バンド部材係合部が設けられ、前記第2バンド部材の他方の端部には第4バンド部材係合部が設けられ、
前記第1バンド部材係合部と前記第3バンド部材係合部とが第一のバンド係合体を介して係合され、かつ、
前記第2バンド部材係合部と前記第4バンド部材係合部とが第二のバンド係合体を介して係合することにより、前記セルスタック本体が前記締結バンドにより締結されており、
前記第一及び第二のバンド係合体が絶縁性を有する、燃料電池のセルスタック。 A cell stack in which a plurality of cells are stacked, current collectors disposed at both ends of the cells in the cell stacking direction, and an elastic member disposed at an end of the current collector; A pair of end plates that sandwich the cell laminate and the elastic member, and a cell stack body having
A first band engaging portion and a second band engaging portion are provided at both ends, and extends around the cell stack body so as to cover a pair of end faces of the cell stack body and a pair of side surfaces facing each other. A fastening band to
The fastening band is composed of a first band member and a second band member,
A first band member engaging portion is provided at one end of the first band member, and a second band member engaging portion is provided at the other end of the first band member,
A third band member engaging portion is provided at one end of the second band member, and a fourth band member engaging portion is provided at the other end of the second band member.
The first band member engaging portion and the third band member engaging portion are engaged via a first band engaging body, and
The cell stack body is fastened by the fastening band by engaging the second band member engaging portion and the fourth band member engaging portion via a second band engaging body,
A cell stack of a fuel cell, wherein the first and second band engaging bodies have insulating properties.
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