JP2012059712A - Fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に関し、とくに燃料電池のスタック構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell stack structure.
特開2002−124291号公報に開示されているように、また、図30、図31に示すように、燃料電池、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池10は、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータ18との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜11とこの電解質膜の一面に配置された触媒層12からなる電極(アノード、燃料極)14および電解質膜の他面に配置された触媒層15からなる電極(カソード、空気極)17とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ18との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層13、16が設けられる。
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-124291 and as shown in FIGS. 30 and 31, a fuel cell, for example, a solid polymer
The membrane-electrode assembly includes an
セパレータ18には、アノード14、カソード17に燃料ガス(水素)および酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための反応ガス流路27、28(燃料ガス流路27、酸化ガス流路28)と、その裏面に冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路26が形成されている。流体流路26、27、28をシールするために、ゴムガスケット32や接着剤シール33が設けられている。
In the
膜−電極アッセンブリとセパレータ18を重ねて単セル19を構成し、少なくとも1つのセル(たとえば、1〜3個のセルから1モジュールを構成する)からモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材(たとえば、テンションプレート24)、ボルト・ナット25にて固定して、スタック23を構成する。
The membrane-electrode assembly and the
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン(プロトン)と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる)から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O
従来のスタック法では、モジュールの保持はつぎのように行っている。
セル積層体のセル積層方向の一端にばね34が配置されるとともに首振り部35と調整ねじ36が設けられる。スタック23のモジュールは、ばね34のばね力でセル積層方向に定荷重が付与されて保持され、セル積層方向と直交する方向には、ばね力×まさつ係数をまさつ力として保持される。
モジュールをセル積層方向と直交する方向により一層確実に保持するために、モジュールをセル積層体の外側から外部拘束材で拘束することもある。
In each cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons is performed on the anode side, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side. On the cathode side, oxygen, hydrogen ions, and electrons (neighboring MEA) The electrons generated at the anode of the first electrode come through the separator, or the electrons generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction come to the cathode of the other end cell through an external circuit). Done.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
In the conventional stack method, the module is held as follows.
A
In order to hold the module more securely in the direction orthogonal to the cell stacking direction, the module may be restrained from the outside of the cell stack by an external restraining material.
従来のスタック法には、つぎの問題がある。
1.セル積層体の総質量Mに、セル積層方向と直交する方向に数G〜20G程度(Gは重力の加速度)の加速度αの衝撃がかかると、セル積層体の端部近傍には、Mα/2の剪断力がかかり、この剪断力がばね力×まさつ係数より大となると、セル積層体の端部近傍のモジュール間ですべりが生じて、スタックがばらけてしまう。
2.モジュールをセル積層体の外側から外部拘束材で保持すると、ばね力でMEAや拡散層などのセル構成部材がクリープした時の、スタック端部セルが外部拘束材に対してセル積層方向に移動した時に外部拘束材にひっかかり、セルが損傷するおそれがある。クリープ量を少なくするためにばね力を小さくすると、必要なセル間接触面圧を得ることができなくなる。
1. When an impact of an acceleration α of about several G to 20 G (G is acceleration of gravity) is applied to the total mass M of the cell stack in a direction orthogonal to the cell stacking direction, Mα / When a shearing force of 2 is applied and this shearing force is larger than the spring force × the shear coefficient, slip occurs between the modules near the end of the cell stack, and the stack is separated.
2. When the module is held by the external restraint material from the outside of the cell stack, the cell at the stack end moves in the cell stacking direction with respect to the external restraint material when the cell constituent member such as MEA or diffusion layer creeps by the spring force. Sometimes it can get caught in an external restraint and damage the cell. If the spring force is reduced to reduce the creep amount, the required inter-cell contact surface pressure cannot be obtained.
本発明が解決しようとする問題点は、セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時にセル積層体の端部近傍でモジュールがすべってスタックがばらけることである(第1の課題)。
本発明が解決しようとするもう一つの問題点は、セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時のスタックのばらけと、外部拘束材を設けた場合、セル構成部材のクリープによってセルが移動し、セル積層体の端部近傍でセルが外部拘束材にひっかかって生じるセルの損傷である(第2の課題)。
The problem to be solved by the present invention is that the module slips near the end of the cell stack when the impact of acceleration in a direction orthogonal to the cell stack direction is applied (first problem) ).
Another problem to be solved by the present invention is that the stack scatters when an impact of acceleration in the direction orthogonal to the cell stacking direction is applied, and when the external restraint material is provided, the cell component member creeps. This is cell damage caused by the movement of the cell and the cell being caught by the external restraint material in the vicinity of the end of the cell stack (second problem).
本発明の目的は、セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時にセル積層体の端部近傍でモジュールがすべってスタックがばらけることを防止できる燃料電池を提供することである(第1の目的)。
本発明のもう一つの目的は、セル積層方向と直交する方向の加速度の衝撃がかかった時にセル積層体の端部近傍でモジュールがすべってスタックがばらけることを防止でき、かつ、外部拘束材を設けた場合でも、セル積層体の端部近傍でセルが外部拘束材にひっかかることがない燃料電池を提供することである(第2の目的)。
An object of the present invention is to provide a fuel cell that can prevent the module from slipping and spreading the stack in the vicinity of the end of the cell stack when an acceleration impact in a direction orthogonal to the cell stack direction is applied ( First purpose).
Another object of the present invention is to prevent the module from slipping in the vicinity of the end of the cell stack when the impact of acceleration in the direction perpendicular to the cell stack direction is applied, and to prevent the stack from separating. (2nd object) is to provide a fuel cell in which the cell does not get caught by the external restraint material in the vicinity of the end of the cell stack.
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
(1) 直列に配置された複数の多セルモジュールと、外側部材と、外部拘束部材とを有し、
前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールは、複数のセルを積層した多セル集合体と、該多セル集合体を囲み該多セル集合体のセル積層方向に延びる第1の壁を備えたモジュール枠とを有しており、
前記各多セルモジュールの多セル集合体と該各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁とは互いに非接触であり、かつ前記各多セルモジュールの多セル集合体の外面と前記各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁の内面との間には変形可能な非導電性接着材が設けられており、
前記外部拘束部材は、前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁の外面と前記外側部材の内面との間に設けられ、前記外部拘束部材は、前記第1の壁の外面と前記外側部材の内面とに接触しており、前記外部拘束部材は、変形可能な材料から構成されており、
前記外側部材は、前記複数の多セルモジュールと前記外部拘束部材との外側で、全多セルモジュールにわたってセル積層方向に延び、かつ、前記直列に配置された複数の多セルモジュールのセル積層方向両側に配置されたエンドプレート間に延びている、
燃料電池。
(2) 前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールでは、多セル集合体のセル同士が互いに接着されている(1)記載の燃料電池。
(3) 前記各多セルモジュールの多セル集合体の外面と前記各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁の内面との間に設けられた変形可能な前記非導電性接着材は、セル積層方向と直交する方向の熱膨張も逃がすことが可能である(1)記載の燃料電池。
(4) 前記モジュール枠は、互いに離間した隣り合う多セルモジュール間に跨がって設けられている(1)記載の燃料電池。
(5) 隣り合う多セルモジュールの前記モジュール枠はセル積層方向に互いに離間しており、前記隣り合う多セルモジュールの前記モジュール枠と前記多セル集合体との間に設けられた前記接着剤はセル積層方向に互いに離間している(1)記載の燃料電池。
(6) 前記複数の多セルモジュールをセル積層方向に直列に配置し、該直列に配置された複数の多セルモジュールを含むスタックの一端にスプリングボックスをセル積層方向に直列に配置して、前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールに、セル積層方向に、前記スプリングボックスからのばね力をかけ、
前記スタックの他端に燃料ガスおよび酸化ガスの導入部を設けた(1)記載の燃料電池。
(7) 前記モジュール枠が、前記第1の壁と、セル積層方向と直交する方向に延びる第2の壁とを有しており、前記第2の壁はセル間に挟まれている(1)記載の燃料電池。
(8) 前記第2の壁内には冷媒通路が形成されている(7)記載の燃料電池。
(9) 前記第2の壁の、セルとの接触面は、導電材から構成されている(8)記載の燃料電池。
(10) 前記第2の壁の、セルとの接触面の少なくとも一部が、セル積層方向に変位可能に形成されている(7)記載の燃料電池。
(11) 前記第2の壁内には冷媒通路が形成されており、前記第2の壁の、セル積層方向に変位可能な部分が、冷媒圧により変位される(10)記載の燃料電池。
(12) 前記モジュール枠の外面と前記外部拘束部材の内面とを点接触させた(1)記載の燃料電池。
(13) 前記多セル集合体と外部とを電気的に接続する部材を前記多セル集合体に設置するための開口を前記モジュール枠に設けた(1)記載の燃料電池。
(14) 前記モジュール枠が、互いに別体の2以上の枠部材から構成されている(1)記載の燃料電池。
(15) 前記モジュール枠の内面に接着剤用の溝が形成されている(1)記載の燃料電池。
(16) セルモニターを前記多セル集合体のセルに取付け、前記モジュール枠から前記セルモニターの外側面に延びるセルモニター押さえが前記モジュール枠に設けられている(1)記載の燃料電池。
(17) 前記モジュール枠の少なくとも一部が非導電性材料からなる(1)記載の燃料電池。
(18) 前記多セルモジュールの多セル集合体の端部セルの四隅部位に樹脂製の前記モジュール枠を構成する枠部材を配置した(1)記載の燃料電池。
(19) 前記モジュール枠が弾性部材からなる(1)記載の燃料電池。
(20) 前記弾性部材の表面の摩擦係数を前記弾性部材自体の摩擦係数より小さくした(19)記載の燃料電池。
(21) 前記モジュール枠を前記多セルモジュールの多セル集合体の端部セルに連結した(19)記載の燃料電池。
(22) 前記モジュール枠にワイヤーを埋め込んだ(19)記載の燃料電池。
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) having a plurality of multi-cell modules arranged in series, an outer member, and an external restraining member;
Each multi-cell module of the plurality of multi-cell modules includes a multi-cell assembly in which a plurality of cells are stacked, and a first wall that surrounds the multi-cell assembly and extends in the cell stacking direction of the multi-cell assembly. Module frame,
The multi-cell aggregate of each multi-cell module and the first wall of the module frame of each multi-cell module are not in contact with each other, and the outer surface of the multi-cell aggregate of each multi-cell module and each multi-cell A deformable non-conductive adhesive is provided between the inner surface of the first wall of the module frame of the module,
The external restraining member is provided between an outer surface of a first wall of a module frame of each of the multi-cell modules of the plurality of multi-cell modules and an inner surface of the outer member, and the outer restraining member is the first restraining member. It is in contact with the outer surface of the wall and the inner surface of the outer member, and the external restraining member is made of a deformable material,
The outer member extends outside the plurality of multi-cell modules and the external restraining member, extends in the cell stacking direction over all the multi-cell modules, and both sides of the plurality of multi-cell modules arranged in series in the cell stacking direction. Extending between the end plates arranged in the
Fuel cell.
(2) In each multi-cell module of the plurality of multi-cell modules, the fuel cell according to (1), wherein the cells of the multi-cell assembly are bonded to each other.
(3) The deformable non-conductive adhesive provided between the outer surface of the multi-cell assembly of each multi-cell module and the inner surface of the first wall of the module frame of each multi-cell module is a cell. The fuel cell according to (1), wherein thermal expansion in a direction orthogonal to the stacking direction can also be released.
(4) The fuel cell according to (1), wherein the module frame is provided across adjacent multi-cell modules spaced apart from each other.
(5) the module frame adjacent Ri suit multi-cell modules are spaced apart in the cell stacking direction to each other, the adhesive provided between the module frame and the multi-cell assembly of multi-cell modules adjacent ones Are fuel cells according to (1), which are separated from each other in the cell stacking direction.
(6) The plurality of multi-cell modules are arranged in series in the cell stacking direction, a spring box is arranged in series in the cell stacking direction at one end of the stack including the plurality of multi-cell modules arranged in series, A spring force from the spring box is applied to each multi-cell module of a plurality of multi-cell modules in the cell stacking direction,
The fuel cell according to (1), wherein a fuel gas and an oxidizing gas introduction part are provided at the other end of the stack.
(7) The module frame includes the first wall and a second wall extending in a direction orthogonal to the cell stacking direction, and the second wall is sandwiched between cells (1 ) The fuel cell described.
(8) The fuel cell according to (7), wherein a refrigerant passage is formed in the second wall.
(9) The fuel cell according to (8), wherein a contact surface of the second wall with the cell is made of a conductive material.
(10) The fuel cell according to (7), wherein at least a part of a contact surface of the second wall with the cell is formed to be displaceable in the cell stacking direction.
(11) The fuel cell according to (10), wherein a refrigerant passage is formed in the second wall, and a portion of the second wall that is displaceable in the cell stacking direction is displaced by refrigerant pressure.
(12) The fuel cell according to (1), wherein the outer surface of the module frame and the inner surface of the external restraining member are in point contact.
(13) The fuel cell according to (1), wherein an opening for installing in the multi-cell assembly a member that electrically connects the multi-cell assembly and the outside is provided in the module frame.
(14) The fuel cell according to (1), wherein the module frame includes two or more frame members that are separate from each other.
(15) The fuel cell according to (1), wherein a groove for an adhesive is formed on an inner surface of the module frame.
(16) The fuel cell according to (1), wherein a cell monitor is attached to a cell of the multi-cell assembly, and a cell monitor holding member extending from the module frame to an outer surface of the cell monitor is provided on the module frame.
(17) The fuel cell according to (1), wherein at least a part of the module frame is made of a non-conductive material.
(18) The fuel cell according to (1), wherein frame members constituting the module frame made of resin are arranged at four corner portions of end cells of the multi-cell assembly of the multi-cell module.
(19) The fuel cell according to (1), wherein the module frame is made of an elastic member.
(20) The fuel cell according to (19), wherein a coefficient of friction of the surface of the elastic member is smaller than a coefficient of friction of the elastic member itself.
(21) The fuel cell according to (19), wherein the module frame is connected to an end cell of the multi-cell assembly of the multi-cell module.
(22) The fuel cell according to (19), wherein a wire is embedded in the module frame.
上記(1)の燃料電池では、スタックを複数の多セルモジュールに分割し、各多セルモジュールを、セル積層方向と直交する方向に外側部材で受けるようにしたので、セル積層体の全体の質量をM、衝撃を受けた時の横方向加速度をαとした場合、従来、セル積層体全体にMαの横力が作用しMα/2の剪断力Sがセル積層体の端部のモジュールにかかっていたのに対し、本発明では分割数をnとすると、各多セルモジュールに作用する横力がMα/nとなり、各多セルモジュールにおける剪断力がS/nとなり、高Gの横方向衝撃に対応可能となる。
また、各多セルモジュールにセル積層方向にかけるばね力は、Mα/2の剪断力に打ち勝つ摩擦力を生じさせるだけの力が必要でなく、接触抵抗を低くするために必要な力をかければよくなり、セル積層方向にかけるばね力を小さくすることができ、クリープ量も減少する。
また、スタックを複数の多セルモジュールに分割したため、MEAなどのクリープによるセル積層方向の変位量も、従来のようにスタック両端のセルに集中することなく、各多セルモジュールに分散され、各多セルモジュールのセルのセル積層方向の変位量が従来に比べて大幅に低減する。しかも、ばね力減少によるクリープ量の減少によって、各多セルモジュールのセルのセル積層方向の変位量も低減する。その結果、外部拘束部材を設けた場合、各多セルモジュールの外部拘束部材に対するセル積層方向の変位量が低減する。そのため、MEAなどのクリープが生じても、各多セルモジュールのセルが外部拘束部材に対して大きく変位したり、その変位によって外部拘束部材にひっかかって割れたりすることがなくなる。
また、各多セルモジュールの多セル集合体と該各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁の内面との間には変形可能な非導電性接着材が設けられているので、セル積層方向のセルの熱膨張とモジュール枠の熱膨張差によって、セルが割れることがない。
また、各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁の外面と外側部材の内面との間に、外部拘束部材が設けられており、外部拘束部材は、第1の壁の外面と外側部材の内面とに接触しているので、多セルモジュールの横力を外部拘束部材を介して外側部材で確実に受けることができる。
また、外部拘束部材は変形可能な材料から構成されているので、外側部材と多セルモジュールの横方向熱膨張差(外側部材の温度は外気温の影響を受け、多セルモジュールの温度はセルの発熱の影響を受けるので、両者の間には温度差があり、熱膨張差が出る)を外部拘束部材の変形で逃がすことができる。
In the fuel cell of (1), the stack is divided into a plurality of multi-cell modules, and each multi-cell module is received by the outer member in a direction orthogonal to the cell stacking direction. Where M is the lateral acceleration upon impact, and α is the lateral force of Mα acting on the entire cell stack, and the shear force S of Mα / 2 is applied to the end module of the cell stack. In contrast, when the number of divisions is n in the present invention, the lateral force acting on each multi-cell module is Mα / n, the shear force in each multi-cell module is S / n, and a high G lateral impact It becomes possible to cope with.
Further, the spring force applied to each multi-cell module in the cell stacking direction is not required to generate a frictional force that overcomes the shear force of Mα / 2, and if a force necessary to reduce the contact resistance is applied. The spring force applied in the cell stacking direction can be reduced, and the creep amount is also reduced.
In addition, since the stack is divided into a plurality of multi-cell modules, the amount of displacement in the cell stacking direction due to creep such as MEA is also distributed to each multi-cell module without being concentrated on the cells at both ends of the stack as in the prior art. The amount of displacement in the cell stacking direction of the cells of the cell module is greatly reduced compared to the conventional case. Moreover, the amount of displacement in the cell stacking direction of the cells of each multi-cell module is also reduced due to the decrease in the creep amount due to the reduction in spring force. As a result, when an external restraint member is provided, the amount of displacement in the cell stacking direction with respect to the external restraint member of each multi-cell module is reduced. Therefore, even if creep such as MEA occurs, the cells of each multi-cell module are not greatly displaced with respect to the external restraint member, and the displacement does not cause the external restraint member to be caught and cracked.
In addition, since a deformable non-conductive adhesive is provided between the multi-cell assembly of each multi-cell module and the inner surface of the first wall of the module frame of each multi-cell module, the cell stacking direction The cell is not cracked by the difference between the thermal expansion of the cell and the thermal expansion of the module frame.
Further, an external restraining member is provided between the outer surface of the first wall of the module frame of each multi-cell module and the inner surface of the outer member, and the outer restraining member is connected to the outer surface of the first wall and the outer member. Since it is in contact with the inner surface, the lateral force of the multi-cell module can be reliably received by the outer member via the external restraint member.
In addition, since the external restraint member is made of a deformable material, the lateral thermal expansion difference between the outer member and the multi-cell module (the temperature of the outer member is affected by the outside air temperature, and the temperature of the multi-cell module is Because of the influence of heat generation, there is a temperature difference between them, and a difference in thermal expansion is generated).
上記(2)の燃料電池では、セル同士が互いに接着されているので、多セルモジュールに衝撃の横力がかかった時の、セル間の剪断力の少なくとも一部は接着力によっても受けられ、高Gの衝撃横力への対応が容易である。また、セル同士が外面を合わされて(凹凸なく)接着されている場合、MEAなどのクリープによってセル外面がセル外面とモジュール枠の第1の壁間の接着材に対してセル積層方向に相対変位を生じても、それによるセルの接着材とのひっかかりや割れも生じない。
上記(3)の燃料電池では、各多セルモジュールの多セル集合体の外面と各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁の内面との間に設けられた変形可能な非導電性接着材は、セル積層方向と直交する方向の熱膨張も逃がすことが可能であるので、セルの、セル積層方向と直交する方向の、モジュール枠や接着材との相対熱膨張やクリープ変位を、互いのひっかかりを生じることなく、逃がすことができる。
上記(4)、(5)の燃料電池では、モジュール枠が、互いに離間した隣り合う多セルモジュール間に跨がって設けられており、隣り合う多セルモジュールのモジュール枠はセル積層方向に互いに離間しており、隣り合う多セルモジュールのモジュール枠と多セル集合体との間に設けられた接着剤はセル積層方向に互いに離間しているので、モジュール枠および接着剤は自由にセル積層方向に熱膨張変形ができる。
上記(6)の燃料電池では、複数の多セルモジュールをセル積層方向に直列に配置し、その多セルモジュールの直列体にスプリングボックスをセル積層方向に直列に配置したので、スタックを複数の多セルモジュールに分割しても、1つのスプリングボックスからのばね力の定荷重を全多セルモジュールにかけることができる。
In the fuel cell of the above (2), since the cells are bonded to each other, at least a part of the shear force between the cells when the lateral force of impact is applied to the multi-cell module is also received by the adhesive force, It is easy to cope with high G impact lateral force. In addition, when the cells are bonded with their outer surfaces aligned (without unevenness), the cell outer surface is displaced relative to the adhesive between the cell outer surface and the first wall of the module frame in the cell stacking direction by creep such as MEA. Even if this occurs, the cell does not get caught or cracked.
In the fuel cell of the above (3), the deformable non-conductive adhesive provided between the outer surface of the multi-cell assembly of each multi-cell module and the inner surface of the first wall of the module frame of each multi-cell module Since the thermal expansion in the direction orthogonal to the cell stacking direction can be released, the relative thermal expansion and creep displacement of the cell with the module frame and adhesive in the direction orthogonal to the cell stacking direction can be reduced. You can escape without getting caught.
In the fuel cells of the above (4) and (5), the module frame is provided between adjacent multi-cell modules spaced apart from each other, and the module frames of the adjacent multi-cell modules are mutually connected in the cell stacking direction. The adhesive provided between the module frames and the multi-cell aggregates of the adjacent multi-cell modules that are separated from each other is separated from each other in the cell stacking direction, so that the module frame and the adhesive can freely move in the cell stacking direction. Can be thermally expanded.
In the fuel cell of the above (6), the plurality of multi-cell modules are arranged in series in the cell stacking direction, and the spring box is arranged in series in the cell stacking direction in the series body of the multi-cell modules. Even if it is divided into cell modules, a constant load of spring force from one spring box can be applied to all multi-cell modules.
上記(7)の燃料電池では、モジュール枠が、セル積層方向に延びる第1の壁と、セル積層方向と直交する方向に延びる第2の壁とを有しているので、第2の壁が外部からの衝撃荷重を受け、セルに外部衝撃荷重が入ることを防止することができる。また、第1の壁は外部からの荷重を分散しセルにかかる面圧を下げるので、接着材が設けられた場合でも、セル積層方向における、セルと接着材とのひっかかりを防止することができる。
上記(8)の燃料電池では、第2の壁内には冷媒通路が形成されているので、各多セルモジュールの端部セルの冷却制御(温度制御)をすることができる。
上記(9)の燃料電池では、第2の壁の、セルとの接触面は、導電材から構成されているので、モジュール間の通電を行うことができる。
上記(10)の燃料電池では、第2の壁の、セルとの接触面の少なくとも一部が、セル積層方向に変位可能に形成されているので、セル面圧を制御することができる。
上記(11)の燃料電池では、第2の壁内に冷媒通路が形成されており、第2の壁の、セル積層方向に変位可能な部分が、冷媒圧により変位されるので、冷媒圧によりセルにセル積層方向荷重を付与することができ、定荷重付与用のばね(上記(6)のスプリングボックス)を廃止することができ、それによって、スタックのコンパクト化をはかることができる。
上記(12)の燃料電池では、モジュール枠の外面と外部拘束部材の内面とを点接触させたので、モジュール枠と外側部材のクリアランスの最小化と、多セル集合体の積層バラツキの抑制とを、両立可能である。
上記(13)の燃料電池では、多セル集合体と外部とを電気的に接続する部材を多セル集合体に設置するための開口をモジュール枠に設けたので、セルモニタ配線が可能である。
上記(14)の燃料電池では、モジュール枠が、互いに別体の2以上の枠部材から構成されているので、枠部材間にセルモニターの配線のスペースが生じ、セルモニタ配線が可能である。 上記(15)の燃料電池では、モジュール枠の内面に接着剤用の溝が形成されているので、接着剤が溝内に固定しやすくなり、接着剤の洩れを抑制でき、安定的な接着が可能である。
上記(16)の燃料電池では、モジュール枠からセルモニターの外側面に延びるセルモニター押さえがモジュール枠に設けられているので、セルモニターの脱落を防止できる。
上記(17)の燃料電池では、モジュール枠の少なくとも一部が非導電性材料(たとえば、ゴム、樹脂など)からなるので、衝撃吸収が可能である。
上記(18)の燃料電池では、多セルモジュールの多セル集合体の端部セルの四隅部位に樹脂製のモジュール枠を構成する枠部材を一体化して配置したので、モジュール枠の小型化、コンパクト化をはかることができる。
上記(19)の燃料電池では、モジュール枠が弾性部材(たとえば、ゴム)からなるので、モジュール枠の寸法をセルモジュールの外形寸法よりある一定寸法小さくすることで、モジュール枠に引張力をもたせることができ、その結果、接着剤の廃止、接着設備不要、接着剤硬化時間の不要による工程短縮などをはかることができる。
上記(20)の燃料電池では、弾性部材の表面の摩擦係数を弾性部材自体の摩擦係数より小さくしたので、ゴム製モジュール枠が樹脂の外部拘束部材に対してすべりやすくなり、すべりが悪い場合に生じるおそれのあるMEAの荷重抜けなどを防止できる。
上記(21)の燃料電池では、モジュール枠を安定的に固定することができる。
上記(22)の燃料電池では、モジュール枠にワイヤー(望ましくは、伸縮可能なワイヤー)を埋め込んだので、装着時にワイヤを引張り多セルモジュールにはめ込むことができ、簡単に装着でき、かつ、外れにくいモジュール枠とすることができる。
In the fuel cell of (7), the module frame has a first wall extending in the cell stacking direction and a second wall extending in a direction orthogonal to the cell stacking direction. It is possible to prevent an external impact load from entering the cell by receiving an impact load from the outside. In addition, since the first wall distributes external loads and lowers the surface pressure applied to the cell, even when an adhesive is provided, it is possible to prevent the cell and the adhesive from being caught in the cell stacking direction. .
In the fuel cell of the above (8), since the refrigerant passage is formed in the second wall, cooling control (temperature control) of the end cells of each multi-cell module can be performed.
In the fuel cell of the above (9), the contact surface of the second wall with the cell is made of a conductive material, so that energization between the modules can be performed.
In the fuel cell of the above (10), since at least a part of the contact surface of the second wall with the cell is formed to be displaceable in the cell stacking direction, the cell surface pressure can be controlled.
In the fuel cell of (11) above, the refrigerant passage is formed in the second wall, and the portion of the second wall that can be displaced in the cell stacking direction is displaced by the refrigerant pressure. The cell stacking direction load can be applied to the cell, and the constant load applying spring (the spring box of (6) above) can be eliminated, whereby the stack can be made compact.
In the fuel cell of the above (12), since the outer surface of the module frame and the inner surface of the external restraining member are in point contact, minimization of the clearance between the module frame and the outer member and suppression of stacking variation of the multi-cell assembly are achieved. Are compatible.
In the fuel cell of the above (13), since the opening for installing the member for electrically connecting the multi-cell assembly and the outside is provided in the module frame, the cell monitor wiring is possible.
In the fuel cell of the above (14), since the module frame is composed of two or more frame members that are separate from each other, a cell monitor wiring space is generated between the frame members, and cell monitor wiring is possible. In the fuel cell of the above (15), since the groove for the adhesive is formed on the inner surface of the module frame, the adhesive can be easily fixed in the groove, leakage of the adhesive can be suppressed, and stable adhesion can be achieved. Is possible.
In the fuel cell of the above (16), since the cell monitor holding member extending from the module frame to the outer surface of the cell monitor is provided on the module frame, the cell monitor can be prevented from falling off.
In the fuel cell of the above (17), since at least a part of the module frame is made of a non-conductive material (for example, rubber, resin, etc.), shock absorption is possible.
In the fuel cell of the above (18), since the frame members constituting the resin module frame are integrally arranged at the four corner portions of the end cells of the multi-cell assembly of the multi-cell module, the module frame can be downsized and compact. Can be realized.
In the fuel cell of (19) above, since the module frame is made of an elastic member (for example, rubber), the module frame is given a tensile force by making the size of the module frame smaller than the outer dimension of the cell module. As a result, it is possible to shorten the process due to the abolition of the adhesive, the need for the adhesive equipment, and the need for the adhesive curing time.
In the fuel cell of the above (20), since the friction coefficient of the surface of the elastic member is made smaller than the friction coefficient of the elastic member itself, the rubber module frame easily slides against the resin external restraining member, and the slip is bad. It is possible to prevent MEA load loss that may occur.
In the fuel cell of (21), the module frame can be stably fixed.
In the fuel cell of the above (22), since the wire (preferably, a stretchable wire) is embedded in the module frame, the wire can be pulled and fitted into the multi-cell module at the time of mounting, and can be easily mounted and hardly detached. It can be a module frame.
以下に、本発明の燃料電池を、図1〜図29、図30を参照して説明する。図30のセルの構成は従来のセルの構成に準じる。
図1〜図4は本発明の実施例1を示し、
図5は本発明の実施例2を示し、
図6は本発明の実施例3を示し、
図7〜図9は本発明の実施例4を示し、 図10は本発明の実施例5を示し、
図11は本発明の実施例6を示し、
図12〜図15は本発明の実施例7を示し、
図16、図17は本発明の実施例8を示し、
図18、図19は本発明の実施例9を示し、
図20、図21は本発明の実施例10を示し、
図22、図23は本発明の実施例11を示し、
図24は本発明の実施例12を示し、
図25、図26、図27は本発明の実施例13を示し、
図28、図29は本発明の実施例14を示す。図27は本発明の何れの実施例にも適用可能である。本発明の全実施例に共通する、または類似する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
Below, the fuel cell of this invention is demonstrated with reference to FIGS. 1-29, FIG. The configuration of the cell in FIG. 30 conforms to the configuration of the conventional cell.
1 to 4 show Example 1 of the present invention,
FIG. 5 shows a second embodiment of the present invention,
FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention,
7 to 9 show a fourth embodiment of the present invention, FIG. 10 shows a fifth embodiment of the present invention,
FIG. 11 shows Embodiment 6 of the present invention,
12 to 15 show Example 7 of the present invention,
16 and 17 show an eighth embodiment of the present invention.
18 and 19 show Embodiment 9 of the present invention,
20 and 21 show Example 10 of the present invention,
22 and 23 show an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 24
25, 26 and 27
28 and 29
まず、本発明の全実施例に共通する、または類似する部分を、たとえば、図1〜図4、図9を参照して説明する。
本発明の燃料電池は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池10である。該燃料電池10は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池10は、図10に示すように、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータ18との積層体からなる。積層の方向は、上下、または水平に限るものではなく、任意である。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜11と、この電解質膜の一面に配置された触媒層12からなる電極(アノード、燃料極)14および電解質膜11の他面に配置された触媒層15からなる電極(カソード、空気極)17とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ18との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層13、16が設けられる。
セパレータ18は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ、または導電製樹脂セパレータ、またはメタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、またはこれらの組合せ、の何れであってもよい。
セパレータ18には、アノード14、カソード17に燃料ガス(水素)および酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための反応ガス流路27、28(燃料ガス流路27、酸化ガス流路28)と、その裏面に冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路26が形成されている。
First, portions common to or similar to all the embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4 and FIG. 9, for example.
The fuel cell of the present invention is a low temperature fuel cell, for example, a solid polymer
As shown in FIG. 10, the solid polymer
The membrane-electrode assembly includes an
The
In the
セパレータ18には、冷媒マニホールド29、燃料ガスマニホールド30、酸化ガスマニホールド31が貫通している。各種(冷媒、燃料ガス、酸化ガス)流体供給配管からそれぞれのマニホールド29、30、31に各種流体が供給され、それぞれのマニホールド29、30、31の入り側からセルの流路26、27、28に流体が流入し、セルの流路26、27、28から流体がそれぞれのマニホールド29、30、31の出側に流出し、各種流体排出配管から出ていく。スタック23への各種流体供給配管と各種流体排出配管は、スタック23のセル積層方向一端側に設けられている。
各種流体流路は、各種流体が互いに混じり合わないよう、また外部にリークしないように、シール材32、33によってシールされている。図示例では、32はゴムガスケット32(ゴムガスケットは接着剤シールとしてもよい)であり、33は接着剤シール(シール接着剤ともいう)である。
A refrigerant manifold 29, a fuel gas manifold 30, and an oxidizing gas manifold 31 pass through the
The various fluid flow paths are sealed with
MEAをセパレータ18で挟んで単セル19を構成し、複数のセル19(たとえば、5セル以上、望ましくは10〜30のセル)を積層し必要に応じてセル同士を接着剤(前述の接着剤シール33)にて接着した多セル集合体(マルチセル集合体)41とモジュール枠42とから多セルモジュール(マルチセルモジュール)40を構成し、多セルモジュール40をセル積層方向に直列に配置し、この直列配置された複数の多セルモジュール40のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、直列配置された複数の多セルモジュール40の全体をセル積層方向に締め付け、多セルモジュール40の外側で全多セルモジュール40にわたってセル積層方向に延びる外側部材24と、ボルト・ナット25にて固定して、燃料電池スタック23を構成する。
外側部材24は、たとえば、ケーシングからなり、従来のテンションプレート24の役割を兼ねるので、符号はテンションプレートと同じく「24」とする。
A
The
したがって、本発明の燃料電池10は、セル積層方向に直列に配置された複数の多セルモジュール40と、外側部材24とを有する。
複数の多セルモジュールの各多セルモジュール40は、複数のセルを積層した多セル集合体41と、多セル集合体41を囲み多セル集合体41のセル積層方向に延びる第1の壁43を備えたモジュール枠42とを有する。
外側部材24は、複数の多セルモジュール40の外側で、全多セルモジュール40にわたってセル積層方向に延びている。
Therefore, the
Each
The
燃料電池スタック23を多セルモジュール40に分割する際、たとえば、スタック23が200セルあって、20セルで1多セルモジュールを構成する場合は、多セルモジュール数は10となる。
各多セルモジュール40では、セル19のセル積層方向の熱膨張を逃がすことができるように、各多セルモジュール40の多セル集合体41は該各多セルモジュール40のモジュール枠42によってセル積層方向に拘束されていない。
When the
In each
望ましくは、各多セルモジュール40では、セル19同士が互いに接着されている。隣り合う多セルモジュール40間では、セル19同士は接着されていない。
ただし、各多セルモジュール40において、セル19同士が互いに接着されていなくてもよい。
各多セルモジュール40でセル同士が接着される場合は、その接着は、流路シール用の接着剤33(図30)にて行われ、その場合は、ゴムガスケット32(図30)は用いられず、ゴムガスケット32の部分のシールは接着剤33によって行われる。
Desirably, in each
However, in each
When cells are bonded in each
各多セルモジュール40では、セル19のセル積層方向と直交する方向の熱膨張を逃がすことができるように、各多セルモジュール40の多セル集合体41の外面と該各多セルモジュール40のモジュール枠42の第1の壁43の内面との間に、空間が形成されているか、または変形可能な接着材45が設けられている。
セル19は発電部で熱を生じるが、第1の壁43は熱を生じず外側部材24を介して外気温の影響を受けるので、セル19と第1の壁43との間には熱膨張差が生じるが、セル19と第1の壁43との間に空間を設けるか、その空間に変形可能な接着材45を配置することにより、その熱膨張差を逃がすことができる。ただし、隣り合う多セルモジュール40間には、セル積層方向に、第1の壁43間、および接着材45間に、空間を設けておいて、接着材45が自由にセル積層方向に、その結果セル積層方向と直交する方向に熱膨張変形できるようにしてある。
In each
The
複数の多セルモジュール40の各多セルモジュール40のモジュール枠42の第1の壁43の外面と外側部材24の内面との間に、外部拘束部材46が設けられている。外部拘束部材46は、第1の壁43の外面と外側部材24の内面との、セル積層方向と直交する方向の、熱膨張差を吸収することができるように、変形可能な材料から構成されることが望ましい。そのような材料として、樹脂や、ガラス混入エポキシ材がある。ただし、外部拘束部材46の材料は、樹脂や、ガラス混入エポキシ材に限るものではない。
第1の壁43の外面と外側部材24の内面との間に外部拘束部材46を配置したため、車両衝突時などに多セルモジュール40にかかる慣性力を外部拘束部材46を介して外側部材24で受けることができる。ただし、外部拘束部材46を変形可能な材料とすることにより、第1の壁43の外面と外側部材24の内面との、セル積層方向と直交する方向の、熱膨張差を吸収できるようにしてある。
An external restraining
Since the
セル積層方向に直列に配置された複数の多セルモジュール40に対して、セル積層方向に直列に、スプリングボックス47が配置されており、複数の多セルモジュールの各多セルモジュール40に、セル積層方向に、スプリングボックス47からのばね力(定荷重)がかけられている。スプリングボックス47は、互いに並列に配置された複数のねじ48を有している。スプリングボックス47は、スタック23の各種流体の供給、排出管が接続されない方の端部に設けられており、インシュレータ21とエンドプレート22との間に配置されている。そのばね力はスプリングボックス47とエンドプレート22との間に設けられた調整ねじ49によって調整可能である。ただし、スプリングボックス47は設けられなくてもよい。
A
モジュール枠42は、セル積層方向に延びる第1の壁43の他に、セル積層方向と直交する方向に延び、かつ、セル積層方向と直交する方向に剛性を有する第2の壁44を有していてもよい。第2の壁44はなくてもよい。
モジュール枠42が第2の壁44を有する場合、多セルモジュール40の多セル集合体41は、図2に示すように、第2の壁44のセル積層方向両側に配置されていてもよいし、図3に示すように、第2の壁44のセル積層方向片側に配置されていてもよい。
モジュール枠42が第2の壁44を有する場合、第2の壁44は、導電性をもつ必要がある。ただし、第1の壁43は導電性をもっても、もたなくてもよい。
In addition to the
When the
When the
つぎに、本発明の全実施例に共通する部分の作用、効果を説明する。
図10の従来の燃料電池では、セル積層体の横力が両端のみで支持されているので、セル積層体の全体の質量をM、衝撃を受けた時の横方向加速度をαとした場合、セル積層体全体にMαの横力が作用しMα/2の剪断力がセル積層体の各端部のモジュールにかかっていた。
これに対し、本発明の燃料電池10では、スタック23を複数の多セルモジュール40に分割し、各多セルモジュール40の横力を、セル積層方向と直交する方向に外側部材24で受けるようにしたので、セル積層体の全体の質量をM、衝撃を受けた時の横方向加速度をα、スタック23の多セルモジュールへの分割数をnとした場合、各多セルモジュール40に作用する横力はMα/nとなり、この横力を各多セルモジュールの両端で支持してもその剪断力のMα/(2n)となり、高Gの横方向衝撃に対応可能となる。
Next, operations and effects of portions common to all the embodiments of the present invention will be described.
In the conventional fuel cell of FIG. 10, since the lateral force of the cell stack is supported only at both ends, when the overall mass of the cell stack is M and the lateral acceleration when subjected to impact is α, A lateral force of Mα acted on the entire cell laminate, and a shear force of Mα / 2 was applied to the module at each end of the cell laminate.
On the other hand, in the
また、各多セルモジュール40にセル積層方向にかけるばね力は、従来と異なり、Mα/2の剪断力に打ち勝つ摩擦力を生じさせるだけの力が必要でなく、電気接触抵抗を低くするために必要な力をかければよくなり、セル積層方向にかけるばね力を小さくすることができる。その結果、MEAや拡散層のクリープ量も減少する。
In addition, unlike the conventional case, the spring force applied to each
また、スタック23を複数の多セルモジュール40に分割したため、MEAなどのクリープによるセル積層方向の変位量も、従来のようにスタック両端のセルに集中することなく、各多セルモジュール40に分散され、各多セルモジュール40のセル19のセル積層方向の変位量が従来に比べて大幅に低減する。しかも、ばね力減少によるクリープ量の減少によって、各多セルモジュール40のセル19のセル積層方向の変位量も低減する。その結果、第1の壁43を設けた場合、各多セルモジュール40の外部拘束部材46に対するセル積層方向の変位量が低減する。そのため、MEAなどのクリープが生じても、各多セルモジュール40のセル19が外部拘束部材46に対して大きく変位したり、その変位によって外部拘束部材46にひっかかって割れたりすることがなくなる。
Further, since the
各多セルモジュール40の多セル集合体41がモジュール枠42によってセル積層方向に拘束されていないので、セル積層方向の多セル集合体41の熱膨張とモジュール枠42の熱膨張差によって、セル19が割れることがない。
もしもモジュール枠42の第1の壁43の両端を多セル集合体41側に折り曲げて多セル集合体41のセル積層方向両端をセル積層方向に第1の壁の折り曲げ部により拘束すると、第1の壁43と多セル集合体41とがセル積層方向に熱膨張差を生じた場合、セル19のカーボンセパレータが第1の壁の折り曲げ部によって強く押されて割れたりするが、本発明では、多セル集合体40がモジュール枠42によってセル積層方向に拘束されていないので、カーボンセパレータが割れることはない。
Since the
If both ends of the
また、多セルモジュール40においてセル19同士がセル面で互いに接着されている場合は、多セルモジュール40に車両衝突などの衝撃の横力がかかった時の、セル間の剪断力の少なくとも一部は接着力によっても受けられ、また、上記のように本発明では剪断力が小さいこともあり、高Gの横方向衝撃への対応が容易である。また、セル同士が外面を合わされて(凹凸なく)接着されている場合、MEAなどのクリープによってセル外面が、接着材45(セル外面とモジュール42の第1の壁43間の接着材45が設けられている場合の接着材45)に対してセル積層方向に相対変位を生じても、それによるセル19の、接着材45とのひっかかりや割れも生じない。
Further, when the
各多セルモジュール40の多セル集合体41の外面と該各多セルモジュール40のモジュール枠42の第1の壁43の内面との間に、空間が形成されているかまたは変形可能な接着材45が設けられている場合は、セル19の、セル積層方向と直交する方向の、モジュール枠42および接着材45との相対熱膨張やクリープ変位を、互いのひっかかりを生じることなく(ひっかかっても接着材45の変形により)、逃がすことができる。
A
各多セルモジュール40のモジュール枠42の第1の壁43の外面と外側部材24の内面との間に、外部拘束部材46が設けられているので、多セルモジュール40の衝撃の横力を外側部材24で確実に受けることができる。外側部材24の温度は外気温の影響を受け、多セルモジュール40の温度はセル19の発電時の発熱の影響を受けるので、両者の間には温度差があり、熱膨張差が出るが、外側部材24と多セルモジュール40の横方向熱膨張差を、外部拘束部材46の変形で逃がすことができる。
Since the
複数の多セルモジュール40をセル積層方向に直列に配置し、その多セルモジュール40の直列配置にスプリングボックス47をセル積層方向に直列に配置した場合は、スタック23を複数の多セルモジュール40に分割しても、1つのスプリングボックス47からのばね力の定荷重を全多セルモジュール40にかけることができる。また、スプリング48によって多セルモジュール40にセル積層方向の定荷重をかけるので、多セルモジュール40に熱膨張やクリープの変形が生じても、定荷重をほとんど変化させることなく、変形をスプリング48で吸収することができる。
When a plurality of
つぎに、本発明の各実施例の特有な部分を説明する。
本発明の実施例1では、図1〜図4に示すように、モジュール枠42は、セル積層方向に延びる第1の壁43と、セル積層方向と直交する方向に延びる第2の壁44とを有している。第2の壁44は導電性を有する材料から構成され、たとえば、SUSなどの金属材料から構成される。第1の壁43は非導電性材料であっても導電性材料であってもよく、樹脂から構成されても、SUSなどの金属材料から構成されてもよい。第2の壁44の外周と第1の壁43の内周とは連結または一体に形成されている。
第2の壁44には、冷媒マニホールド29、燃料ガスマニホールド30、酸化ガスマニホールド31などの流体マニホールドが貫通している。
多セル集合体41の第2の壁44側のセパレータは、第2の壁44とシール接着剤でシール接着されていてもよいし、あるいは、第2の壁44とは接着されないで、第2の壁44とはOリング50によってシールされていてもよい。
Next, the specific part of each embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 to 4, the
A fluid manifold such as the refrigerant manifold 29, the fuel gas manifold 30, and the oxidizing gas manifold 31 passes through the
The separator on the
本発明の実施例1の作用、効果については、多セル集合体41にかかる衝撃の横力の少なくとも一部は、第2の壁44を介して第1の壁43に伝えられ、第1の壁43から外部拘束部材46を介して外側部材24で受けられる。多セル集合体41の外面と第1の壁43の内面との間に接着材45が存在する場合は、多セル集合体41にかかる衝撃の横力の一部は接着材45を介して第1の壁43に伝えられる。
外部から横力が入る場合は、外側部材24からの横力が外部拘束部材46を介して第1の壁43に入るが、この荷重は第2の壁44で受けられるので、多セル集合体41には外部荷重がほとんど入らない。また、第1の壁43は外部からの荷重を分散しセル19にかかる面圧を下げるので、接着材45が設けられた場合でも、セル積層方向における、セル19と接着材45とのひっかかりを防止することができる。
Regarding the operation and effect of the first embodiment of the present invention, at least a part of the lateral force of the impact applied to the
When a lateral force is applied from the outside, the lateral force from the
本発明の実施例2では、図5に示すように、モジュール枠42の第2の壁44内には、冷媒通路51が形成されている。この冷媒通路51は、冷媒マニホールド29に連通している。第2の壁44の、セルとの接触面は、導電材から構成されている。
冷媒通路51は、第2の壁44を2枚の板で作り、そのうちの1枚の板に冷媒流路を形成し、もう1枚の板を張り合わせることにより、容易に形成することができる。冷媒通路51は、第2の壁44に接触するセルのセパレータのうち、強く冷却したい部分は通路を密に形成し、冷却を弱めたい部分は通路を疎に形成することにより、冷却に強弱と分布をつけることができる。
In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, a
The
本発明の実施例2の作用、効果については、第2の壁の、セルとの接触面は、導電材から構成されているので、多セルモジュール間の通電を行うことができる。また、冷媒通路51に冷媒を流すことにより、各多セルモジュール40の第2の壁44側の端部セルの冷却制御(温度制御)をすることができる。
Regarding the operation and effect of the second embodiment of the present invention, since the contact surface of the second wall with the cell is made of a conductive material, it is possible to conduct electricity between the multi-cell modules. In addition, the cooling of the end cell on the
本発明の実施例3では、図6に示すように、モジュール枠42の第2の壁44内には、冷媒通路51が形成されている。この冷媒通路51は、冷媒マニホールド29に連通している。第2の壁44の、セルとの接触面は、導電材から構成されている。また、第2の壁44の、セルとの接触面の少なくとも一部は、セル積層方向に変位可能に形成されている。この変位可能構造は、たとえば、第2の壁44の、セル積層方向に変位させたい部分の周囲に形成された波形状部52からなる。
In Embodiment 3 of the present invention, as shown in FIG. 6, a
本発明の実施例3の作用、効果については、セルとの接触面の少なくとも一部が、セル積層方向に変位可能に形成されているので、セル積層方向のセル面圧を制御することができる。また、冷媒圧によりセル19にセル積層方向荷重を付与することができ、定荷重付与用のばね(スプリングボックス47のスプリング48)を廃止することができる。その場合は、スプリングボックス47の厚み分、スタック23のコンパクト化をはかることができる。
Regarding the operation and effect of the third embodiment of the present invention, since at least a part of the contact surface with the cell is formed to be displaceable in the cell stacking direction, the cell surface pressure in the cell stacking direction can be controlled. . Moreover, the cell stacking direction load can be applied to the
本発明の実施例4では、図7〜図9に示すように、モジュール枠42が第2の壁44をもたず、第1の壁43のみを有する。
多セルモジュール40は複数セルの多セル集合体41を有し、多セル集合体41はモジュール枠42の第1の壁43内に配置される。この場合、図8、図9に示すように、第1の壁43の2面を基準として多セル集合体41をモジュール枠42に位置決めすることが望ましい。多セル集合体41の複数セル19同士は互いに接着されていることが望ましい。ただし、接着されていなくてもよい。多セル集合体41の外面とモジュール枠42の第1の壁43の内面との間には、望ましくは接着材45が設けられる。隣り合う多セルモジュール間には、セル積層方向に、第1の壁43間、および接着材45間に、空間が設けられている。
In the fourth embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 7 to 9, the
The
本発明の実施例4の作用、効果については、各多セルモジュール40は、衝撃の横力(多セル集合体41の慣性力の横方向成分)を、モジュール枠42の第1の壁43と外側拘束材46を介して、外側部材24で受けられる。そのため、スタック端部のセルに剪断力が集中することはない。
本発明は、燃料電池のスタック構造に利用できる。
Regarding the operation and effect of the fourth embodiment of the present invention, each
The present invention can be used for a stack structure of a fuel cell.
本発明の実施例5では、図10に示すように、モジュール枠42の外面と外部拘束部材46の内面とが軸方向に見て点接触させてある。この軸方向点接触は、モジュール枠42と外部拘束部材46との少なくとも一方に、図10の例ではモジュール枠42に、モジュール枠42の軸方向の中央部に、外側に突出する突起60を設けて、この突起60の頂点でモジュール枠42の外面と外部拘束部材46の内面とを接触させる。突起60は、図10に示すように、頂点が尖った断面が三角形の突起であってもうよいし、あるいは円弧状の突起であってもよい。
上記において「軸方向に見て点接触」には、「軸方向と直交する方向には線接触している」場合を含む。突起60は、モジュール枠42の外面と外部拘束部材46の内面との何れに形成されてもよいし、あるいは両方に形成されてもよい。
In the fifth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 10, the outer surface of the
In the above description, “point contact as viewed in the axial direction” includes the case of “line contact in a direction perpendicular to the axial direction”. The
本発明の実施例5の作用、効果はつぎの通りである。
多セルモジュール40を積層する場合、多セルモジュール40のセル数が多い程、モジュール枠42の全長Lが長くなる。多セルモジュール40を積層すると、隣接する多セルモジュール40の端部のセル面Bが合わさる。モジュール枠42の外面Aは面Bに垂直であることが望ましいが、実際には組み立て誤差などにより多少バラツキをもつ。このバラツキを逃がすために、モジュール枠42の外面と外部拘束部材46の内面との間にはクリアランスCが必要であるが、モジュール枠42の全長Lが長い程、クリアランスCを多くとる必要がある。クリアランスCを多くとると衝撃が加わったときに多セルモジュール40がセル積層方向と直交する方向に面Bでずれやすくなるという問題が出る。逆にクリアランスCを小さくすると、隣接する多セルモジュール40の端部のセル面Bが合わなくなり積層バラツキが出るという問題が出る。
本発明の実施例5では、突起60を設けて、モジュール枠42の外面と外部拘束部材46の内面とを点接触させたので、モジュール枠42と外部拘束部材46間の突起60の先端におけるクリアランスCの最小化と、多セル集合体の積層バラツキの抑制とを、両立可能である。これによって、衝撃が加わったときに多セルモジュール40がセル積層方向と直交する方向にずれにくく、かつ、隣接する多セルモジュール40が端部のセル面Bで合った積層体を作製できる。
The operation and effects of the fifth embodiment of the present invention are as follows.
When the
In the fifth embodiment of the present invention, since the
本発明の実施例6では、図11に示すように、多セル集合体41と外部とを電気的に接続する部材、すなわちセルモニターと配線、を多セル集合体41に取り付けるための開口61がモジュール枠42に設けられている。開口61は、孔でもよいし、切り欠きでもよい。この開口61を通して、セルモニターを多セル集合体41のセルに取付け、セルモニターに接続する配線を開口61を通して外部に導く。
本発明の実施例6の作用、効果については、多セル集合体41と外部とを電気的に接続する部材を多セル集合体41に設置するための開口61をモジュール枠42に設けたので、多セル集合体41がモジュール枠42で覆われていても、セルモニタ配線が可能である。
In Embodiment 6 of the present invention, as shown in FIG. 11, an
Regarding the operation and effect of the sixth embodiment of the present invention, the
本発明の実施例7では、図12〜図15に示すように、モジュール枠42が、互いに別体の、または一部で互いに一体に連結された、2以上の枠部材42a、42bから構成されている。枠部材42a、42bの間にはスペースがある。
枠部材42a、42bは、図13に示すように、端部セルの位置で、互いに連結していてもよい。
枠部材42a、42bは、図14に示すように、多セル集合体41のセル積層方向の途中で、互いに連結していてもよい。
また、各枠部材42a、42bは、互いに連結されずに、図15に示すように、接着剤45で多セル集合体41のセルに接着されてもよい。
本発明の実施例7の作用、効果については、枠部材42a、42bの間にはスペースがあるので、このスペースを通してセルモニターを多セル集合体41のセルに取付け、セルモニターに接続する配線を外部に導くことができる。
In Embodiment 7 of the present invention, as shown in FIGS. 12 to 15, the
As shown in FIG. 13, the
As shown in FIG. 14, the
Further, the
As for the operation and effect of the seventh embodiment of the present invention, since there is a space between the
本発明の実施例8では、図16、図17に示すように、モジュール枠42の内面に接着剤用の溝63が形成されている。溝62の数は1本でも、複数本でもよい。溝62はセル積層方向と直交する方向に延びる。
本発明の実施例8の作用、効果については、モジュール枠42の内面に接着剤用の溝62が形成されているので、接着剤が溝62内に入り、接着剤の外部への洩れを抑制でき、安定した接着が可能である。
In the eighth embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 16 and 17, an
Regarding the operation and effect of the eighth embodiment of the present invention, since the
本発明の実施例9では、図18、図19に示すように、モジュール枠42からセルモニター63の外側面に延びるセルモニター押さえ64がモジュール枠42に設けられている。セルモニター押さえ64はモジュール枠42に一体的に形成されている。セルモニター押さえ64とセルモニター63との間には僅かな隙間、たとえば0.5mm程度の隙間を設ける。
本発明の実施例9の作用、効果については、モジュール枠42からセルモニター63の外側面に延びるセルモニター押さえ64がモジュール枠42に設けられているので、セルモニター63のセルからの脱落を防止することができる。
In the ninth embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 18 and 19, a
Regarding the operation and effect of the ninth embodiment of the present invention, since the
本発明の実施例10では、図20、図21に示すように、モジュール枠42の少なくとも一部が非導電性材料、たとえば樹脂、ゴムなどからなる。
また、多セルモジュール40の多セル集合体41の矩形の端部セル19A(積層方向端部のセル)の四隅部位に、樹脂製のモジュール枠42を構成する枠部材42cを配置し、端部セル19Aに一体化する。枠部材42cは端部セル以外のセルとは別体で、多セル集合体41がセル積層方向に熱膨張・伸縮しても、相対的に動き得る。両端セルの枠部材42c間にスペースaをとることで、多セル集合体41がセル積層方向に収縮することができる。
本発明の実施例10の作用、効果については、モジュール枠42の少なくとも一部が非導電性材料からなるので、衝撃吸収が可能であるとともに、各セルのセパレータ間の絶縁を確保することができる。
また、多セルモジュール40の多セル集合体41の端部セル19Aの四隅部位に樹脂製のモジュール枠42cを構成する枠部材42cを一体化して配置したので、モジュール枠42の小型化、コンパクト化、軽量化をはかることができる。また、事前に端部セル19Aと枠部材42cをアッセンブリにすれば、モジュール枠42の組み立ての効率化をはかることができる。
In the tenth embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 20 and 21, at least a part of the
Further, frame members 42c constituting the
As for the operation and effect of the
Further, since the frame members 42c constituting the resin-made module frame 42c are integrally arranged at the four corners of the
本発明の実施例11では、図22、図23に示すように、モジュール枠42の少なくとも一部が弾性部材、たとえばゴムからなる。図22はモジュール枠42の全部がゴムからなる場合を示し、図23はモジュール枠42の一部、たとえばセルの四隅がゴムからなり、残りが樹脂からなる場合を示す。
本発明の実施例11の作用、効果については、自由状態での弾性モジュール枠42の寸法を多セル集合体41の外形より、ある一定寸法小さくすることで、モジュール枠42を多セル集合体41に取り付けたときのモジュール枠42に引張力Tを生じさせる。これによって、モジュール枠42を多セル集合体41に接着するための接着剤が廃止可能となる。接着剤を廃止することにより、接着剤塗布設備が不要となり、また、接着剤硬化時間分、組み立て工程を短縮できる。また、ゴムの弾性で衝撃吸収ができる。
In the eleventh embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 22 and 23, at least a part of the
With respect to the operation and effect of the eleventh embodiment of the present invention, the
本発明の実施例12では、図24に示すように、モジュール枠42を弾性部材、たとえばゴムから構成し、この弾性部材の表面の摩擦係数を弾性部材自体の摩擦係数より小さくする。弾性部材の表面の摩擦係数を小さくするには、ポリテトラフルオロエチレンなど、潤滑性のよい樹脂プレート65をモジュール枠42の弾性部材の外表面に溶着、はめ込みなどにより貼付するか、樹脂コーティングを施すなどによる。
本発明の実施例12の作用、効果については、ゴム製モジュール枠42と樹脂製の外部拘束部材46とはまさつ係数が大きくすべりが悪い。しかし、弾性部材の表面の摩擦係数を弾性部材自体の摩擦係数より小さくので、ゴム製モジュール枠42が樹脂の外部拘束部材46に対してすべりやすくなり、すべりが悪い場合に生じるおそれのあるMEAの荷重抜けなどを防止することができる。
In
Regarding the operation and effect of the twelfth embodiment of the present invention, the
本発明の実施例13では、図25、図26、図27に示すように、モジュール枠42を弾性部材、たとえばゴムから構成し、この弾性部材のモジュール枠42を多セルモジュール40の多セル集合体41の端部セル19Aに連結する。モジュール枠42の端部セル19Aとの連結は、図25に示すように、端部セル19Aのセル積層方向外側面に溝66を設け、モジュール枠42に設けた凸部67を溝66に嵌合させるか、図26、図27に示すように、端部セル19Aのセル積層方向外側面に円筒の突起68を設け、モジュール枠42に設けた孔69を突起68に嵌合させるか、などにより行う。
本発明の実施例13の作用、効果については、モジュール枠42を端部セル19Aに安定的に固定することができる。これによって、モジュール枠42が多セル集合体41が外れることを防止し、モジュール枠42にセル積層方向に引張力を安定的にかけることができる。
In the thirteenth embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 25, 26, and 27, the
Regarding the operation and effect of the thirteenth embodiment of the present invention, the
本発明の実施例14では、図28、図29に示すように、モジュール枠42を弾性部材、たとえばゴムから構成し、この弾性部材のモジュール枠42にワイヤー70を埋め込んだ。ワイヤー70は、伸縮可能なワイヤーであることが望ましく、たとえば、ゴム、ばね等からなる。モジュール枠42の多セル集合体41には、多セル集合体41の上下部に、多セル集合体41の全セルにわたって形成された溝71を形成しておく。モジュール枠42の多セル集合体41への装着時には、ワイヤー70を引張り、モジュール枠42を多セル集合体41に嵌めた後、ワイヤー70の引張りを解除して、モジュール枠42のワイヤー埋め込み部を溝71にはめ込む。
本発明の実施例11の作用、効果については、モジュール枠42のワイヤー70を埋め込んだ部分を拡げてはめ込むという簡単な操作でモジュール枠42を多セル集合体41にはめ込むことができる。また、モジュール枠42のワイヤー埋め込み部を溝71にはめ込む構造をとっているため、はめ込み後はモジュール枠42が多セル集合体41から外れにくく、モジュール枠42を多セル集合体41に接着するための接着剤が廃止可能となる。接着剤を廃止することにより、接着剤塗布設備が不要となり、また、接着剤硬化時間分、組み立て工程を短縮できる。また、ゴムの弾性で衝撃吸収ができる。
In Example 14 of the present invention, as shown in FIGS. 28 and 29, the
As for the operation and effect of the eleventh embodiment of the present invention, the
10 (固体高分子電解質型)燃料電池
11 電解質膜
12 触媒層
13 拡散層
14 電極(アノード、燃料極)
15 触媒層
16 拡散層
17 電極(カソード、空気極)
18 セパレータ
19 セル
19A 多セル集合体の端部セル
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 スタック
24 外側部材または締結部材(テンションプレート)
25 ボルト
26 冷媒流路
27 燃料ガス流路
28 酸化ガス流路
29 冷媒マニホールド
30 燃料ガスマニホールド
31 酸化ガスマニホールド
32 シール材(ゴムガスケット)
33 シール材(接着剤)
34 ばね
35 首振り部
36 調整ねじ36
40 多セルモジュール(マルチセルモジュール)
41 多セル集合体(マルチセル集合体)
42 モジュール枠
42a、42b、42c 枠部材
43 第1の壁
44 第2の壁
45 接着材
46 外部拘束部材
47 スプリングボックス
48 スプリング
49 調整ねじ
50 Oリング
51 冷却通路
52 波形形状部
60 突起
61 開口
62 溝
63 セルモニター
64 セルモニター押さえ
65 樹脂プレート
66 溝
67 凸部
68 突起
69 孔
70 ワイヤー
71 溝
10 (solid polymer electrolyte type)
15
18
25
33 Sealing material (adhesive)
34
40 Multi-cell module (multi-cell module)
41 Multi-cell aggregate (multi-cell aggregate)
42
Claims (22)
前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールは、複数のセルを積層した多セル集合体と、該多セル集合体を囲み該多セル集合体のセル積層方向に延びる第1の壁を備えたモジュール枠とを有しており、
前記各多セルモジュールの多セル集合体と該各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁とは互いに非接触であり、かつ前記各多セルモジュールの多セル集合体の外面と前記各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁の内面との間には変形可能な非導電性接着材が設けられており、
前記外部拘束部材は、前記複数の多セルモジュールの各多セルモジュールのモジュール枠の第1の壁の外面と前記外側部材の内面との間に設けられ、前記外部拘束部材は、前記第1の壁の外面と前記外側部材の内面とに接触しており、前記外部拘束部材は、変形可能な材料から構成されており、
前記外側部材は、前記複数の多セルモジュールと前記外部拘束部材との外側で、全多セルモジュールにわたってセル積層方向に延び、かつ、前記直列に配置された複数の多セルモジュールのセル積層方向両側に配置されたエンドプレート間に延びている、
燃料電池。 A plurality of multi-cell modules arranged in series, an outer member, and an external restraint member;
Each multi-cell module of the plurality of multi-cell modules includes a multi-cell assembly in which a plurality of cells are stacked, and a first wall that surrounds the multi-cell assembly and extends in the cell stacking direction of the multi-cell assembly. Module frame,
The multi-cell aggregate of each multi-cell module and the first wall of the module frame of each multi-cell module are not in contact with each other, and the outer surface of the multi-cell aggregate of each multi-cell module and each multi-cell A deformable non-conductive adhesive is provided between the inner surface of the first wall of the module frame of the module,
The external restraining member is provided between an outer surface of a first wall of a module frame of each of the multi-cell modules of the plurality of multi-cell modules and an inner surface of the outer member, and the outer restraining member is the first restraining member. It is in contact with the outer surface of the wall and the inner surface of the outer member, and the external restraining member is made of a deformable material,
The outer member extends outside the plurality of multi-cell modules and the external restraining member, extends in the cell stacking direction over all the multi-cell modules, and both sides of the plurality of multi-cell modules arranged in series in the cell stacking direction. Extending between the end plates arranged in the
Fuel cell.
前記スタックの他端に燃料ガスおよび酸化ガスの導入部を設けた請求項1記載の燃料電池。 The plurality of multi-cell modules are arranged in series in the cell stacking direction, and a spring box is arranged in series in the cell stacking direction at one end of the stack including the plurality of multi-cell modules arranged in series. Applying the spring force from the spring box in the cell stacking direction to each multi-cell module of the cell module,
The fuel cell according to claim 1, wherein a fuel gas and an oxidizing gas introduction part are provided at the other end of the stack.
The fuel cell according to claim 19, wherein a wire is embedded in the module frame.
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