JP2012133965A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、車両の駆動用電源として用いられる燃料電池スタックに関し、より具体的には、膜電極構造体及びセパレータで構成した単位セルを複数積層して成る積層体を備えた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 used as a power source for driving a vehicle, for example. More specifically, the present invention relates to a fuel cell stack including a laminated body formed by laminating a plurality of unit cells composed of a membrane electrode structure and a separator. It is about.
従来において、単位セルの積層体を備えた燃料電池スタックとしては、例えば特許文献1に記載されているものがあった。この特許文献1に記載の燃料電池スタックは、単位セルを水平方向に複数積層して成る積層体を一対のエンドプレートによって所定圧力で挟持すると共に、両エンドプレートを複数の帯板状のテンションプレートで連結して、積層体の加圧状態を維持している。そして、この燃料電池スタックは、積層体の間の適数箇所に中間プレートを介装して、各中間プレートの位置で積層体を支持する構造にすることで、支持部分の間の共振周波数を大きくして、積層体の曲げ剛性を高めるようにしていた。
Conventionally, as a fuel cell stack including a stack of unit cells, for example, there is one described in
しかしながら、上記したような従来の燃料電池スタックにあっては、積層体の中間に複数の中間プレートを介装する構成であったため、その分だけ部品点数が増すと共に、積層体全体の容積も増大するという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。 However, since the conventional fuel cell stack as described above has a configuration in which a plurality of intermediate plates are interposed in the middle of the stack, the number of parts increases and the volume of the entire stack increases. It was a problem to solve such problems.
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、積層体の変位方向にばね要素を組み付けた構造にすることにより、部品点数や積層体全体の容積を増加させることなく、積層体の共振周波数(固有振動数)を高め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している。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and has a structure in which spring elements are assembled in the displacement direction of the laminate without increasing the number of parts or the overall volume of the laminate. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of increasing the resonance frequency (natural frequency) of a laminate.
本発明の燃料電池スタックは、四角形板状の単位セルを複数積層して成る積層体と、積層体のセル積層方向の両端面に配置したエンドプレートと、積層体のセル積層方向に平行な四面を周方向に第1〜第4の外周面としたときに第2及び第4の外周面に配置した一対の締結板を備えている。 The fuel cell stack of the present invention includes a laminate formed by laminating a plurality of rectangular plate-shaped unit cells, end plates disposed on both end faces of the laminate in the cell stacking direction, and four surfaces parallel to the cell stacking direction of the stack. Is provided with a pair of fastening plates arranged on the second and fourth outer peripheral surfaces when the first to fourth outer peripheral surfaces are defined in the circumferential direction.
そして、燃料電池スタックは、両エンドプレートと各締結板とを夫々連結していると共に、一対の締結板のうちの少なくとも一方の締結板が、セル積層方向に平行で且つ積層体を押えるリブを備えている構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。 The fuel cell stack connects both end plates and the respective fastening plates, and at least one of the pair of fastening plates has a rib that is parallel to the cell stacking direction and presses the stack. The above-described configuration is used as means for solving the conventional problems.
なお、上記構成において、締結板と積層体とは、互いに接触した状態、若しくは振動入力時に接触する程度に極めて微小な隙間を介して近接した状態にすることができるが、互いに接触状態にしておく方がより望ましい。 In the above configuration, the fastening plate and the laminate can be brought into contact with each other or in close proximity to each other through a very small gap to the extent that they come into contact with each other when vibration is input. Is more desirable.
本発明の燃料電池スタックによれば、部品点数や積層体全体の容積を増加させることなく、積層体の共振周波数を高めることができる。これにより、耐振動性能が向上し、構成部品の破損や発電性能の低下を防止することができると共に、製造に関わる工数やコストの低減などを実現することができる。 According to the fuel cell stack of the present invention, the resonance frequency of the multilayer body can be increased without increasing the number of parts and the volume of the entire multilayer body. As a result, vibration resistance can be improved, damage to components and power generation performance can be prevented, and man-hours and costs associated with manufacturing can be reduced.
図1〜図4は、本発明の燃料電池スタックの一実施形態を説明する図である。
図1(A)及び図2に示す燃料電池スタックFSは、四角形板状の単位セルFCを複数積層して成る積層体1と、積層体1のセル積層方向(図中X方向)の両端面に配置した集電板5,5と、集電板5の外側に配置したエンドプレート2,2と、一方の組である一対の締結板(片側を図示)3と、他方の組である別の一対の締結板(片側を図示)4を備えている。エンドプレート2、及び締結板3,4は、その材料がとくに限定されるものではないが、金属製であることがより望ましい。
1 to 4 are diagrams illustrating an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention.
A fuel cell stack FS shown in FIGS. 1A and 2 includes a
単位セルFCは、発電要素である膜電極構造体を一対のセパレータで挟持した周知の構造を有するものであり、図2に示すように、長方形板状であると共に、長辺を上下にして水平方向に積層してある。なお、単位セルFCは、基本的に四角形板状を成すものが対象であるが、積層体1を形成した際に締結板3,4の組み付けが可能な近似形状でも良い。
The unit cell FC has a known structure in which a membrane electrode structure, which is a power generation element, is sandwiched between a pair of separators. As shown in FIG. 2, the unit cell FC has a rectangular plate shape and has a long side up and down. Laminated in the direction. The unit cell FC is basically a rectangular plate, but may have an approximate shape in which the
両エンドプレート2は、単位セルFCとほぼ同等の縦横寸法を有する長方形板状を成すものであって、積層体1にアノードガス(水素)、カソードガス(空気)及び冷却流体を供給するためのマニホールドMなどが形成してある。両集電板5は、単位セルFCの中央部(発電部)に対応し、エンドプレート2を貫通するコネクタ部5Aを有している。
Both
一方の組の各締結板3は、積層体1のセル積層方向に平行な四面を周方向に第1〜第4の外周面としたときに、第2及び第4の外周面に夫々配置してある。ここで、図1(A)中では、積層体1の右側面が第1外周面であって、上面が第2外周面、図に表れない左側面が第3外周面、及び底面が第4外周面である。
The
つまり、図示例の積層体1は、長方形板状の単位セルFCを水平方向に積層しており、この状態では、単位セルFCの短辺に沿う方向(上下方向)に変位しやすい。そこで、燃料電池スタックFSは、少なくとも単位セルFCの長辺側となる外周面、すなわち上下の第2及び第4の外周面に締結板3が設けてある。そして、この実施形態では、耐振動性能をより一層高めるために、単位セルFCの短辺側の外周面である左右の第1及び第3の外周面にも、別の締結板4を設けた構成になっている。
That is, the
各締結板3,4は、夫々の両端部に、フランジ状の取付部3A,4Aが折り曲げ形成してあり、複数のボルトBにより、各取付部3A,4Aを両エンドプレート2の外面(反積層体側の面)に連結している。そして、各締結板3,4は、セル積層方向に平行で且つ積層体1を押えるリブ3B,4Bを備えており、このリブ3B,4Bが積層体1にばね要素を附与する梁構造の働きをする。
Each
ここで、この種の燃料電池スタックFSでは、両エンドプレート2,2側で支持した状態において積層体1が振動すると、積層体1の中腹部の変位が最も大きくなる。そこで、前記締結板3,4のリブ3B,4Bは、少なくとも積層体1の振動方向の中腹部である第1〜第4の外周面の中央部に設けるのがより望ましい。
Here, in this type of fuel cell stack FS, when the
この実施形態における締結板3,4のリブ3B,4Bは、図1(B)に示すように、プレス加工により溝型に形成してあって、第1〜第4の外周面の中央部を通過して積層体1のセル積層方向全長にわたって設けてある。また、とくに、上下の一対の締結板3は、図1(B)に示す如く積層体1との間に隙間を形成して、リブ3Bの底面が積層体1に接触している。つまり、エンドプレート2の部分にリブ3B,4Bは無い。これにより、リブ3B,4Bによる梁構造が、図3に示す積層体1の範囲(斜線部分)のみに作用することとなる。
As shown in FIG. 1B, the
上記構成を備えた燃料電池スタックFSは、一対のエンドプレート2,2によって積層体1及び集電板5をセル積層方向に所定圧力で挟持すると共に、両エンドプレート2と、各締結板3,4とを夫々連結することで、積層体1の加圧状態を維持している。
The fuel cell stack FS having the above-described configuration sandwiches the
上記の燃料電池スタックFSは、各締結板3,4のリブ3B,4Bが、積層体1に接触する梁構造を形成していることから、とくに、第2及び第4の外周面に設けた締結板3のリブ3Bにより、積層体1の振動方向(図1中で上下方向)にばね要素を組み付けたものとなる。つまり、図4に示すように、ばね定数kを有する複数のばね要素により、質量Mを有する積層体1を複数箇所で支持したものと同等の構造になる。とくに、この実施形態の場合は、セル積層方向に連続するリブ3Bにより、ばね要素がセル積層方向全長に連続して作用する構造となって、積層体1を支持している。
In the fuel cell stack FS, the
このようにして、上記の燃料電池スタックFSは、とくに、リブ3Bを有する簡単な構造の上下一対の締結板3,3により、積層体1の変位を抑制するので、部品点数を増加させることなく共振周波数(固有振動数)を大きくすることができる。しかも、燃料電池スタックFSは、積層体1と締結板3の間に緩衝材を介装したり、積層体1の中間部を専用部材で支持したりする構成が一切不要であるから、積層体収容空間の容積が増すこともなく、両エンドプレート2,2側で支持した構造において、共振周波数を大きくすることができる。
As described above, the fuel cell stack FS suppresses the displacement of the
燃料電池スタックFSは、エンドプレート2の各マニホールドMに、反応用ガスや冷却流体を供給・排出するための配管を接続するので、上記の如く両エンドプレート2,2側で支持した構造にすれば、配管接続部分における振動を抑制し得るという利点がある。
Since the fuel cell stack FS is connected to each manifold M of the
そして、上記の燃料電池スタックFSは、上述した積層体1の共振周波数の増大に伴って、耐振動性能が向上したものとなり、振動による構成部品の破損や発電性能の低下を防止することができるほか、製造に関わる工数やコストの低減などを実現する。
The fuel cell stack FS has improved vibration resistance as the resonance frequency of the
また、燃料電池スタックFSは、積層体1の左右の第1及び第3の外周面に、別の一対の締結板4を配置したので、積層体1の加圧状態を維持する機能部品であるエンドプレート2及び各締結板3,4により、ケース一体型構造を形成することができる。これにより、別の専用ケースを廃止することが可能となり、部品点数のさらなる削減や製造コストのさらなる低減に貢献することができる。
Further, the fuel cell stack FS is a functional component that maintains the pressurized state of the
さらに、燃料電池スタックFSは、締結板3が、少なくとも積層体1の外周面の中央部に対応する位置にリブ3Bを備えた構成にすることで、積層体1の振動を抑制する必要最低限の構成により、積層体1の共振一次モードの腹を抑えることができる。
Furthermore, in the fuel cell stack FS, the
さらに、燃料電池スタックFSは、締結板3,4のリブ3B,4Bをプレス加工により形成することで、部品の重量を増すことなく、リブ3B,4Bを有する締結板3,4を極めて容易に製造することができる。
Furthermore, the fuel cell stack FS is very easy to form the
さらに、燃料電池スタックFSは、締結板3,4のリブ3B,4Bを積層体1のセル積層方向全長にわたって設けることで、積層体1の振動をより確実に抑制することができると共に、締結板3,4の剛性をも高めることができる。
Furthermore, the fuel cell stack FS can more reliably suppress the vibration of the
さらに、燃料電池スタックFSは、車両の駆動用電源として車載することができ、この際には、積層体1における固有振動数(共振周波数)を60Hz以上とするのが望ましい。これにより、車両特有の振動等の外力による積層体1の共振現象を充分に抑制することができる。
Furthermore, the fuel cell stack FS can be mounted on the vehicle as a power source for driving the vehicle. In this case, it is desirable that the natural frequency (resonance frequency) in the
なお、上記の実施形態では、締結板3のリブ3Bと積層体1とを接触させた場合を説明したが、リブ3Bと積層体1とは、振動入力時に接触する程度に極めて微小な隙間を介して、近接させた状態にしても良い。この場合には、振動の入力と同時に積層体1とリブ3Bとが接触して、梁構造を形成するリブ3Bにより積層体1の振動を抑制する。
In the above embodiment, the case where the
図5は、本発明の燃料電池スタックの他の実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、先の実施形態と同様の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 5 is a diagram illustrating another embodiment of the fuel cell stack of the present invention. In the following embodiments, the same components as those in the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図示の燃料電池スタックFSは、積層体1における上下の第2及び第4の外周面に一対の締結板3が配置してあると共に、締結板3の中央に、セル積層方向全長にわたるリブ3Bが形成してある。そして、締結板3におけるリブ3Bが、その中心線に沿ってスリットSを有するものとなっている。
In the illustrated fuel cell stack FS, a pair of
上記の燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、リブ3の中心線に沿ってスリットSを設けたことで、断面においてリブ3Bが二分され、スリットS側が自由端となる二つのばね(片持ち梁)として作用させることが可能になる。これにより、積層体1の振動抑制効果をより高めることができる。
The fuel cell stack FS can obtain the same operations and effects as those of the previous embodiment, and the
図6は、本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する図である。図示の燃料電池スタックFSは、図5に示すものと同様の構成を備えるほかに、締結板3が、撓んだ状態にしてエンドプレート2に連結することで、リブ3Bを積層体1に圧接させたものとしている。
FIG. 6 is a diagram for explaining still another embodiment of the fuel cell stack of the present invention. The illustrated fuel cell stack FS has the same configuration as that shown in FIG. 5, and the
上記の燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、締結板3のリブ3Bの押付け荷重(図中矢印F)を発生させ、リブ3Bと積層体1との接触を確実にして、リブ3Bの梁構造による振動抑制効果をさらに高めることができる。
The fuel cell stack FS can obtain the same operation and effect as those of the previous embodiment, and generates a pressing load (arrow F in the figure) of the
図7は、本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する図である。燃料電池スタックFSは、先述したように、締結板3が、少なくとも積層体1の外周面の中央部に対応する位置にリブ3Bを備えていれば良い。そこで、図7に示す燃料電池スタックFSは、振動の上下側となる一対の締結板3において、その中央部のみにリブ3Bを設けた構成である。
FIG. 7 is a diagram illustrating still another embodiment of the fuel cell stack of the present invention. As described above, in the fuel cell stack FS, it is only necessary that the
上記の燃料電池スタックFSにあっても、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、積層体1の振動を抑制する必要最低限の構成で、積層体1の共振一次モードの腹を抑えることができる。
Even in the above fuel cell stack FS, the same operations and effects as those of the previous embodiments can be obtained, and the resonance of the
図8及び図9は、本発明の燃料電池スタックのさらに他の実施形態を説明する図である。ここで、本発明の燃料電池スタックは、より好ましい実施形態として、締結板のリブが、複数箇所に設けてある構成にすることができる。 8 and 9 are diagrams for explaining still another embodiment of the fuel cell stack of the present invention. Here, the fuel cell stack of the present invention can be configured such that the ribs of the fastening plate are provided at a plurality of locations as a more preferred embodiment.
すなわち、図8に示す燃料電池スタックFSは、振動の上下側となる一対の締結板3において、その中央部を通過するセル積層方向の中心線に沿って、三箇所にリブ3Bを設けた構成である。また、図9に示す燃料電池スタックFSは、同じく上下一対の締結板3において、その中央部を通過するセル積層方向の中心線及びその両側である3箇所に、互いに平行で且つ積層体1のセル積層方向全長わたる3本のリブ3Bを設けた構成である。
That is, the fuel cell stack FS shown in FIG. 8 has a configuration in which
上記の燃料電池スタックFSは、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、梁構造として機能するリブ3Bの荷重点を任意に設定することができる。つまり、燃料電池スタックFSは、例えば、積層体1の振動特性、締結板3,4の厚さ及び材質等の諸条件に応じて、リブ3Bの大きさや位置、断面形状、及び積層体1に対する接触面積などを選択することで、リブ3Bの梁構造によるばね定数kを自由に設定することができる。
The fuel cell stack FS can obtain the same operations and effects as those of the previous embodiments, and can arbitrarily set the load point of the
このように、燃料電池スタックFSは、積層体1の振幅を抑えたい箇所に応じてリブ3Bの形態を選択することにより、梁構造(リブ3B)のばね定数kを自由に設定して、積層体1の振動を効率良く抑制することができる。
As described above, the fuel cell stack FS can freely set the spring constant k of the beam structure (
なお、本発明の燃料電池スタックFSは、必須要件として、積層体1の第1〜第4の外周面のうちの第2及び第4の外周面に締結板3,3を備え、一対の締結板3,3のうちの少なくとも一方にリブ3Bを設けた構成である。したがって、燃料電池スタックFSは、片方の締結板3がリブの無い平板である構成にしたり、図9に示す如く左右の第1及び第3の外周面に締結板が無い構成にしたりすることができる。
The fuel cell stack FS of the present invention includes, as an essential requirement, a
本発明の燃料電池スタックは、より好ましい実施形態として、締結板3,4の少なくとも積層体側の面に絶縁コーティングを施した構成にすることができる。これにより、上記の燃料電池スタックFSは、締結板3,4と積層体1との間に絶縁部材を挿入しなくても、内外の絶縁性を確保することができ、部品点数のさらなる削減、製造の工数やコストのさらなる低減に貢献することができる。
As a more preferred embodiment, the fuel cell stack of the present invention can have a configuration in which an insulating coating is applied to at least the surface of the
本発明の燃料電池スタックは、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各構成部位の形態、数及び材質等々を適宜変更することが可能である。 The configuration of the fuel cell stack of the present invention is not limited to the above embodiments, and the form, number, material, and the like of each component can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. It is.
また、上記の各実施形態においては、長方形板状の単位セルFCを積層して成る積層体1を例示した。この場合には、長辺及び短辺の長さの比率にもよるが、通常、単位セルの短辺に沿う方向(図1中で上下方向)に振動が生じ易いので、少なくとも振動方向である上下の第2及び第4の外周面に締結板を設け、その締結板3にリブ3Bを設けた構成を説明した。
Further, in each of the above embodiments, the
本発明の燃料電池セルは、四角形板状の単位セルを積層して成る積層体を対象としているので、単位セルが正方形板状であっても良い。この場合には、第2及び第4の外周面に沿う方向、並びに第1及び第3の外周面に沿う方向に振動が生じる可能性がある。そこで、単位セルが正方形板状である場合には、第1〜第4の外周面に締結板を配置し、各締結板にリブを設ける構成にすることがより望ましく、これにより、二方向の振動を効果的に抑制することが可能となる。 Since the fuel battery cell of the present invention is intended for a laminate formed by stacking rectangular plate unit cells, the unit cell may be a square plate. In this case, vibration may occur in the direction along the second and fourth outer peripheral surfaces and in the direction along the first and third outer peripheral surfaces. Therefore, when the unit cell has a square plate shape, it is more desirable to arrange a fastening plate on the first to fourth outer peripheral surfaces and to provide a rib on each fastening plate. Vibration can be effectively suppressed.
FC 単位セル
FS 燃料電池スタック
1 積層体
2 エンドプレート
3 締結板
3B リブ
4 締結板
4B リブ
FC unit cell FS
Claims (11)
積層体のセル積層方向の両端面に配置したエンドプレートと、
積層体のセル積層方向に平行な四面を周方向に第1〜第4の外周面としたときに第2及び第4の外周面に配置した一対の締結板を備えると共に、両エンドプレートと各締結板とを夫々連結し、
一対の締結板のうちの少なくとも一方が、セル積層方向に平行で且つ積層体を押えるリブを備えていることを特徴とする燃料電池スタック。 A laminate formed by laminating a plurality of rectangular plate unit cells;
End plates arranged on both end faces in the cell stacking direction of the laminate,
The laminate includes a pair of fastening plates arranged on the second and fourth outer peripheral surfaces when the four surfaces parallel to the cell stacking direction of the laminate are defined as the first to fourth outer peripheral surfaces in the circumferential direction. Connect the fastening plates respectively.
At least one of the pair of fastening plates includes a rib that is parallel to the cell stacking direction and presses the stack.
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