JP2016195065A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の単電池が積層されたスタック構造の燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell having a stack structure in which a plurality of single cells are stacked.
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する2つの電極(燃料極と酸素極)にそれぞれ反応ガス(水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス)を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の電解質膜を含む発電体で構成される単電池を積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが知られている。 In a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, a reactive gas (a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen) is respectively applied to two electrodes (a fuel electrode and an oxygen electrode) facing each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying and causing an electrochemical reaction, the chemical energy of the substance is directly converted into electrical energy. As a main structure of such a fuel cell, a so-called stack structure is known in which unit cells composed of a power generation body including a substantially flat electrolyte membrane are stacked and fastened in the stacking direction.
ところで、燃料電池は、その使用条件によって、外部からの衝撃や振動に対する十分な耐性が要求される場合がある。燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させるために、単電池の積層体の積層方向に沿う側面を覆うプレートを設け、そのプレートと積層体との間に緩衝部材を配置する技術が知られている(例えば、特許文献1)。緩衝部材は、内部に空気が密閉された中空部材で構成されている。この燃料電池では、緩衝部材の常温時における厚さを薄く設計することにより燃料電池の組み付けを容易とするとともに、燃料電池の使用時において、燃料電池の温度上昇に応じた緩衝部材の内部の空気の膨張により積層体の各単電池の動きを抑制して、燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を得ることができる。 By the way, the fuel cell may be required to have sufficient resistance against external impacts and vibrations depending on its use conditions. In order to improve the impact resistance and vibration resistance of a fuel cell, a technology is known in which a plate is provided to cover a side surface along the stacking direction of a stack of unit cells, and a buffer member is disposed between the plate and the stack. (For example, Patent Document 1). The buffer member is configured by a hollow member in which air is sealed. In this fuel cell, the buffer member is designed to be thin at room temperature to facilitate the assembly of the fuel cell, and when the fuel cell is used, the air inside the buffer member in accordance with the temperature rise of the fuel cell By suppressing the movement of each unit cell of the laminate, the impact resistance and vibration resistance of the fuel cell can be obtained.
しかしながら、上記緩衝部材では、例えば、低温環境での始動時のように、燃料電池が低温の状態において内部の空気が収縮することになり、各単電池の動きの抑制することができずに燃料電池の耐衝撃性、耐振動性が低下する、という課題がある。このため、燃料電池の組み付けを容易とするとともに、燃料電池の温度環境に関わらず積層体(「燃料電池スタック」とも呼ぶ)に含まれる各単電池の動きを抑制して、燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させることが望まれていた。 However, in the buffer member, for example, when the fuel cell is in a low temperature state, such as when starting in a low temperature environment, the internal air contracts, and the movement of each unit cell cannot be suppressed. There exists a subject that the impact resistance of a battery and vibration resistance fall. This facilitates the assembly of the fuel cell and suppresses the movement of each single cell contained in the laminate (also referred to as a “fuel cell stack”) regardless of the temperature environment of the fuel cell, thereby improving the impact resistance of the fuel cell. It has been desired to improve the property and vibration resistance.
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.
(1)本発明の一形態によれば、積層された複数の単電池を含む積層体がケースに収容された燃料電池が提供される。この燃料電池は、前記積層体の積層方向に沿う側面と前記ケースの内面との間に配置された拘束部材を備える。前記ケースに収容されていない状態における前記拘束部材の厚さは、大気圧条件よりも高い所定の加圧条件の下において前記積層体の前記側面と前記ケースの前記内面との間の隙間未満であり、前記大気圧の条件の下において前記隙間以上である。
この形態によれば、例えば、積層体をケースに収容した後、加圧条件下で、積層体の積層方向に沿う側面とケースの内面との間に拘束部材を配置し、その後、大気圧条件下に戻すことにより、積層体の拘束を容易に行うことができる。また、燃料電池の温度環境に関係なく積層体を拘束することができるとともに、積層体に含まれる複数の単電池の動きを抑制することができ、燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させることができる。
(1) According to one aspect of the present invention, there is provided a fuel cell in which a stacked body including a plurality of stacked single cells is accommodated in a case. The fuel cell includes a restraining member disposed between a side surface along the stacking direction of the stacked body and an inner surface of the case. The thickness of the restraining member in a state not accommodated in the case is less than a gap between the side surface of the laminate and the inner surface of the case under a predetermined pressurizing condition higher than an atmospheric pressure condition. Yes, and above the gap under the atmospheric pressure condition.
According to this embodiment, for example, after the laminated body is accommodated in the case, the restraint member is disposed between the side surface along the lamination direction of the laminated body and the inner surface of the case under a pressurized condition, and then the atmospheric pressure condition By returning to the bottom, the laminate can be easily restrained. In addition, the stack can be restrained regardless of the temperature environment of the fuel cell, and the movement of a plurality of single cells included in the stack can be suppressed, improving the shock resistance and vibration resistance of the fuel cell. Can be made.
本発明は、この他にも、上記形態の燃料電池を搭載した車両もしくは移動体のような装置発明、燃料電池の製造方法もしくは設置方法などの方法発明を始めとして、種々の形態にて実現することが可能である。 In addition to the above, the present invention can be realized in various forms including a device invention such as a vehicle or a moving body equipped with the fuel cell of the above-described form, a method invention such as a method of manufacturing or installing a fuel cell. It is possible.
A.実施形態:
図1は、一実施形態としての燃料電池100の概略構成を示す斜視図である。図2は、図1に示した燃料電池100を分解して示す斜視図である。なお、図1及び図2に示すように、燃料電池100は、積層体10と、2枚のエンドプレート20A,20Bと、プレッシャープレート30と、4つの拘束部材40と、2つの絶縁体50と、ケース60と、を備えている。なお、図1は、図示の便宜上、ケース60を透視した状態で示しており、絶縁体50を破線で示している。
A. Embodiment:
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a
積層体10は、複数の単電池11が積層された電池スタックと、2枚の集電板12と、2枚の絶縁板13から構成されている。2枚の集電板12は、電池スタックの積層方向(X方向)の両端部に、電池スタックを挟むように配置されている。2枚の絶縁板13は、集電板12の外側にそれぞれ配置されている。絶縁板13は、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板12は、緻密質カーボンや銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。
The stacked
単電池11は、図示は省略するが、発電体としての膜電極接合体(以下、「MEA」ともいう)と、MEAを挟持するセパレータと、から構成されている。MEAは、電解質膜と、電解質膜の両面に配置された触媒電極と、触媒電極とセパレータとの間にそれぞれ配置された拡散層と、から構成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料により形成されたイオン交換膜である。触媒電極は、触媒(例えば白金、あるいは白金合金)を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体(例えば、カーボン粒子)上に担持させることによって形成されている。拡散層は、反応ガス(酸化ガスや燃料ガス)の流路として機能し、例えば、金属やカーボンを用いて構成された多孔体である。
Although not shown, the
第1のエンドプレート20Aと、第2のエンドプレート20B及びプレッシャープレート30は、積層体10を積層方向に挟持するための挟持部材である。エンドプレート20A,20B及びプレッシャープレート30は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。ケース60も、同様に、剛性を確保するため、鋼等の金属やセラミックスによって形成されている。
The
図1及び図2に示すように、第1のエンドプレート20Aは、積層体10を挟持した状態で、ケース60の開口部61を覆うようにボルト70によってケース60に結合されている。また、プレッシャープレート30は、積層体10を挟持した状態で荷重調整ネジ64によって押圧されている。荷重調整ネジ64は、開口部61に対向するケース側面62に設けられた複数(本例では6つ)のネジ穴63にねじ込まれることによってプレッシャープレート30を押圧する。これにより、2つのエンドプレート20A,20B及び積層体10がケース60に締結された状態でケース60内に収容されている。なお、2つのエンドプレート20A,20B及び積層体10のケース60内への収容及び締結の方法については後述する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
2つの絶縁体50は、ケース60と積層体10とを絶縁するための絶縁部材であり、積層体10を積層方向(X方向)に垂直な上下方向(Z方向)から挟んで覆うように、ケース60の内面に当接して配置される。絶縁体50は、剛性及び絶縁を確保した種々の部材、例えば、絶縁性の樹脂や絶縁性のセラミックス、絶縁材料の塗工により絶縁処理が施された金属等によって形成されている。
The two
4つの拘束部材40は、積層体10の積層方向に沿う4つの側面の端部である4か所の角部を覆うように、積層体10の積層方向に沿う側面と絶縁体50の内面との間に配置されたL字型の部材である。拘束部材40は、積層体10に含まれる各単電池11の動きを抑制するための拘束機能、及び、燃料電池に対する衝撃や振動を抑制し、耐衝撃性や耐振動性を高めるための緩衝機能を発揮する部材である。ケース60の内面が絶縁材料の塗工等により絶縁処理が施されている場合やケース60が絶縁性部材で形成されている場合には、絶縁体50は省略可能であり、その場合、拘束部材40は、積層体10の積層方向に沿う側面とケース60の内面との間に設置される。なお、4つの拘束部材40は、後述するように、積層体10がケース60内に収容された後にケース側面62に設けられた4つの挿入孔65から挿入されて設置される。
The four restraining
開口部61に対向するケース側面62には、ネジ穴63や挿入孔65の他に2つの貫通孔67が設けられている。各挿入孔65には挿入孔を閉じるための挿入カバー66が装着されており、各貫通孔67には換気カバー68が装着されている。なお、2つの貫通孔67は、後述するように、2つのエンドプレート20A,20Bで挟持された積層体10のケース60への締結において、プレッシャープレート30を押圧するための加圧シャフトの挿入孔として利用される。
In addition to the
図3は、2つのエンドプレート20A,20Bで挟持された積層体10のケース60内への収容及び締結の方法を示す説明図である。図3は、図示の便宜上、積層体10を覆うケース60及び絶縁体50の紙面手前側の側面(図1のY方向の手前側の側面に対応)を破断した状態を模式的に示している。
FIG. 3 is an explanatory view showing a method for housing and fastening the
図3(A)に示すように、締結治具の支持部92で第1のエンドプレート20Aを支持し、2つのエンドプレート20A,20Bで挟持された積層体10を、支持部92とプレッシャープレート30とで挟持した状態で、加圧シャフト94によってプレッシャープレート30側から押圧する。加圧シャフト94は、不図示の搬送治具に載置されたケース60の貫通孔67を介してプレッシャープレート30を押圧する。ケース60にはあらかじめ絶縁体50がケース60の内面に接するように配置されている。これにより、2つのエンドプレート20A,20Bで挟持された積層体10に、設定した所定の荷重(例えば、10kN〜100kNの範囲内の荷重)が付与される。
As shown in FIG. 3A, the
荷重が付与された状態を維持したまま、図3(B)に示すように、搬送治具に載置されたケース60を、開口部61の外側のフランジ69が第1のエンドプレート20Aのフランジ21に接触するまで移動させ、第1のエンドプレート20Aとケース60とをボルト70で締結する。そして、ケース60の開口部61と対向するケース側面62のネジ穴63に荷重調整ネジ64をプレッシャープレート30に接触するまでネジ込むことにより、加圧シャフト94による荷重の付与を無くした後も、その荷重を荷重調整ネジ64によって維持させた状態とすることができる。これにより、2つのエンドプレート20A,20Bで挟持された積層体10をケース60内に収容するとともに、ケース60に締結することができる。なお、以下では、2つのエンドプレート20A,20Bで挟持された積層体10がケース60内に収容されてケース60に締結されているが、まだ拘束部材40が設置されていない状態の構造体を「非拘束締結体80」とも呼ぶ。
While maintaining the state where the load is applied, as shown in FIG. 3B, the
図4は非拘束締結体80中に拘束部材40を配置する方法を示す説明図である。図4(A)に示すように、非拘束締結体80及び4つの拘束部材40を加圧容器110内に配置する。なお、図4(A)は、図示の便宜上、非拘束締結体80を覆うケース60及び絶縁体50の紙面手前側の側面(図1のY方向の手前側の側面に対応)で破断した状態を模式的に示している。
FIG. 4 is an explanatory view showing a method of arranging the restraining
拘束部材40は、上記したように、積層体10の各単電池11の動きを拘束する拘束機能および衝撃や振動を抑制する緩衝機能を発揮する部材である。また、拘束部材40は、さらに、加圧によって体積が収縮する性質を有する部材である。この拘束部材40としては、連結していない孔を有する多孔質性で、かつ、ダイラタンシー特性を有する種々の部材を用いることができる。「ダイラタンシー特性」とは、非線形粘弾性の一種であり、急激な外力に対し固体のように振る舞い、ゆっくりとした外力に対し液体のように振る舞う特性、例えば、瞬間的に大きな衝撃が加わったときに硬化するような特性を言う。
As described above, the restraining
一例として、拘束部材40は、ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料や有機材料を含有した多孔質材料からなる部材を用いることができる。例えば、拘束部材40は、ポリウレタン発泡体又はセルロース発泡体等の気泡発泡体の空孔中に、ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料を含有させた複合材料で構成することができる。
As an example, the constraining
ダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料としては、例えば、シリコーン・バウンシング・パテ(silicon bouncing putties)が挙げられる。ここで、シリコーン・バウンシング・パテは、ジメチルシロキサンをホウ酸を触媒として重合してなるホウ素含有シロキサンポリマーである。この材料は、変形速度に敏感な、せん断増粘性の材料であり、低速のひずみ変形では粘性流になるが、高速のひずみ変形では、十分な粘度上昇を果たす。 Examples of the polymer base material that imparts dilatancy characteristics include silicone bouncing putties. Here, the silicone bouncing putty is a boron-containing siloxane polymer obtained by polymerizing dimethylsiloxane using boric acid as a catalyst. This material is a shear-thickening material that is sensitive to deformation speed, and becomes a viscous flow at low-speed strain deformation, but sufficiently increases viscosity at high-speed strain deformation.
また、ダイラタンシー特性を付与する有機材料としては、例えば、粘性流体中の固体粒子の分散液とした液状もしくはゲル状の物質が挙げられる。有機材料は、樹脂材料を、中空体または発泡体の多孔質体に加工することにより、樹脂内部にダイラタンシー特性を付与する有機材料を内封させることにより拘束部材40として用いることができる。なお、拘束部材40として用いられるダイラタンシー特性を付与するポリマーベース材料または有機物質を含有した多孔質材料については、例えば、国際公開2012/081173号に記載されており、その開示内容は参照により組み込まれる。
In addition, examples of the organic material imparting dilatancy characteristics include a liquid or gel substance that is a dispersion of solid particles in a viscous fluid. The organic material can be used as the restraining
ケース60に収容されていない状態における拘束部材40の厚さは、通常の燃料電池の使用環境である大気圧条件下(900hpa〜1100hpa(0.88atm〜1.08atm))の状態(以下、「常圧状態」とも呼ぶ)において、非拘束締結体80の積層体10とケース60の内面(具体的には、ケース60の内面に接するように配置された絶縁体50の内面)との間の隙間81の長さ以上の厚さに設定されている。
The thickness of the restraining
そして、拘束部材40を非拘束締結体80中に配置する場合には、加圧容器110内を大気圧条件下よりも高い所定の加圧条件下(例えば、1115hpa〜2027hpa(1.1atm〜2atm))の加圧状態とする。この場合、加圧容器110内に配置された拘束部材40は圧縮されて、拘束部材40の厚さは隙間81よりも薄くなる。これにより、拘束部材40をケース側面62の挿入孔65から挿入して、図4(B)に示すように、隙間81に拘束部材40を配置することができる。なお、図4(B)は、図示の便宜上、ケース60のケース側面62を破断し、荷重調整ネジ64を省略した状態で模式的に示している。但し、ケース側面62からの拘束部材40の挿入位置を示すために、ケース側面62に設けられた挿入孔65については破線枠で示している。なお、拘束部材40の挿入や抜出は、拘束部材40を把持するとともに、拘束部材40を挿入孔65から隙間81へ挿入するための不図示の挿入ロボットハンドによって実行される。
When the restraining
図5は、非拘束締結体80中に配置された拘束部材40によって積層体10を拘束する方法を示す説明図である。なお、図5(A)は、図4(A)と同様に、図示の便宜上、拘束部材40を配置済みの非拘束締結体80を、ケース60及び絶縁体50の紙面手前側の側面(図1のY方向の手前側の側面に対応)で破断した状態を模式的に示している。また、図5(B)は、図4(B)と同様に、図示の便宜上、ケース60のケース側面62を破断し、荷重調整ネジ64を省略した状態で模式的に示している。
FIG. 5 is an explanatory view showing a method of restraining the
図4で説明したように拘束部材40を隙間81に配置した後、加圧容器110の加圧状態を止めて、大気圧条件下の常圧状態に戻すと、圧縮されていた拘束部材40は膨張する。上記したように、常圧状態での拘束部材40の厚さは隙間81以上に設定されているので、図5(A)及び図5(B)に示すように、隙間81が拘束部材40で埋められる。これにより、拘束部材40の拘束機能によって積層体10を拘束して各単電池の動きを抑制し、緩衝機能によって衝撃や振動を抑制し、耐衝撃性や耐振動性を確保した燃料電池100(図1)を得ることができる。
As described with reference to FIG. 4, after the
ここで、従来、拘束部材の組み付けは、積層体をケースに収容してケースに積層体を締結する前に、積層体上に拘束部材を配置し、ケースの内面で拘束部材を押しつぶしながらケースに積層体を収容して締結することにより行われていた。このため、ケースの内面から拘束部材に加わる押圧力によって積層体に含まれる部材、例えば、単電池を構成する部材(MEA,セパレータ)等が変形する、という問題があった。また、拘束部材を交換する際に、ケースの組み付けを解除することが要求される、という問題があった。また、課題で説明したように、燃料電池が低温の状態において、拘束能力が低下して、各単電池の動きを抑制することができない、という問題があった。 Here, conventionally, the restraint member is assembled by placing the restraint member on the laminate before the laminate is accommodated in the case and fastening the laminate to the case, and crushing the restraint member on the inner surface of the case. This was done by accommodating and fastening the laminate. For this reason, there has been a problem that a member included in the laminate, for example, a member (MEA, separator) constituting the unit cell is deformed by the pressing force applied to the restraining member from the inner surface of the case. In addition, when replacing the restraining member, there is a problem that it is required to release the assembly of the case. In addition, as described in the problem, there is a problem that when the fuel cell is in a low temperature state, the restraining ability is reduced and the movement of each unit cell cannot be suppressed.
しかしながら、上記実施形態の場合には、ケース60を第1のエンドプレート20Aに締結して、2つのエンドプレート20A,20Bで挟持された積層体10をケース60内に収容した後、加圧状態で圧縮された拘束部材40をケース60の外部から挿入して積層体10上に配置する。そして、加圧状態を常圧状態に戻して拘束部材40を膨張させて、積層体10とケース60の内面(具体的には絶縁体50の内面)との間の隙間81を拘束部材40で埋めて、積層体10の拘束を実現している。このため、上記のように、ケースに積層体を収容する際に拘束部材に加わる押圧力によって積層体に含まれる部材、単電池11を構成する部材等が変形することを抑制することができる。また、温度環境に関係なく積層体を拘束することができるとともに、積層体に含まれる複数の単電池の動きを抑制することができ、燃料電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させることができる。
However, in the case of the above-described embodiment, the
また、拘束部材40を交換する場合、燃料電池100を加圧容器110に配置して、加圧状態とすれば、拘束部材40を圧縮して挿入孔65から容易に抜き出すことが可能である。従って、上記のように、ケースの組み付けを解除することなく、容易に拘束部材40の交換が可能である。
Further, when replacing the
B.変形例:
上記実施形態では、積層体10の角部を覆うように4つの拘束部材40を設けた場合を例に示したが、これに限定されるものではない。例えば、積層体10の積層方向に沿う4つの側面にそれぞれ拘束部材が設けられた構成としてもよい。また、積層体10の対向する2つの側面にそれぞれ拘束部材が設けられた構成としてもよい。また、積層体10のいずれか一つの側面に拘束部材が設けられた構成としてもよい。
B. Variations:
In the said embodiment, although the case where the four
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10…積層体
11…単電池
12…集電板
13…絶縁板
20A,20B…エンドプレート
21…フランジ
30…プレッシャープレート
40…拘束部材
50…絶縁体
60…ケース
61…開口部
62…ケース側面
63…ネジ穴
64…荷重調整ネジ
65…挿入孔
66…挿入カバー
67…貫通孔
68…換気カバー
69…フランジ
70…ボルト
80…非拘束締結体
81…隙間
92…支持部
94…加圧シャフト
100…燃料電池
110…加圧容器
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記積層体の積層方向に沿う側面と前記ケースの内面との間に配置された拘束部材を備え、
前記ケースに収容されていない状態における前記拘束部材の厚さは、大気圧条件よりも高い所定の加圧条件の下において前記積層体の前記側面と前記ケースの前記内面との間の隙間未満であり、前記大気圧条件の下において前記隙間以上である、
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell in which a laminate including a plurality of unit cells stacked is housed in a case,
A restraining member disposed between a side surface along the stacking direction of the laminate and an inner surface of the case;
The thickness of the restraining member in a state not accommodated in the case is less than a gap between the side surface of the laminate and the inner surface of the case under a predetermined pressurizing condition higher than an atmospheric pressure condition. Yes, and above the gap under the atmospheric pressure condition,
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
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