JP2018081861A - Fuel cell stack and manufacturing method of fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックのような平板部品を複数枚積層して締結する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for stacking and fastening a plurality of flat plate components such as a fuel cell stack.
燃料電池スタックとは、燃料電池の単電池セルモジュールを積層した構造である。単電池セルモジュールは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体(membrane electrode assembly;以下「MEA」とも称する)と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、からなる。 The fuel cell stack is a structure in which unit cells of fuel cells are stacked. The unit cell module includes a polymer electrode membrane and a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) having a pair of catalyst electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane and a pair of membrane electrode assemblies. And a separator.
高分子電解質膜は、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。 The polymer electrolyte membrane is composed of an electrolyte having a fluororesin ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a polymer ion exchange membrane such as a hydrocarbon resin ion exchange membrane.
触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料ガスを流す側の電極である燃料極の触媒層には、例えば白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、酸化ガスを流す側の電極である空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。 The catalyst electrode is located on the polymer electrolyte membrane side, and includes a catalyst layer that promotes a redox reaction in the catalyst electrode, and a gas diffusion layer that is located outside the catalyst layer and has air permeability and conductivity. . Furthermore, the gas diffusion layer is located on the catalyst layer side, and a carbon coating layer for improving the contact property with the catalyst layer, and a gas diffusion base material for diffusing a gas supplied from the outside and supplying the catalyst layer Composed of layers. The catalyst layer of the fuel electrode that is the electrode on the side through which the fuel gas flows includes platinum or an alloy of platinum and ruthenium, for example, and the catalyst layer of the air electrode that is the electrode on the side through which the oxidizing gas flows includes, for example, Examples include platinum and alloys of platinum and cobalt.
セパレータは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化ガスが混ざらないようにするための導電性部材である。 The separator is a conductive member for preventing the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidizing gas supplied to the air electrode from being mixed.
燃料電池スタックは、このような単電池セルモジュールを積層することで、電気的に直列に接続される。さらに、一対の端板で、単電池セルモジュールを積層したセル積層体を挟み、連結ボルト等で両端から固定するのが一般的な燃料電池スタックの構造である。 The fuel cell stack is electrically connected in series by stacking such unit cell modules. In addition, a general fuel cell stack structure includes a pair of end plates sandwiching a cell stack in which unit cell modules are stacked and fixed from both ends with connecting bolts or the like.
このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれの単電池セルモジュールに、燃料ガス(水素を含む)、および酸化ガス(酸素を含む)を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。以下、単セルに燃料ガスおよび酸化ガスを供給することによって生じる化学反応について説明する。 By supplying the fuel cell (including hydrogen) and the oxidizing gas (including oxygen) to each unit cell module of the fuel cell stack having such a configuration, electric energy can be continuously taken out. . Hereinafter, a chemical reaction caused by supplying the fuel gas and the oxidizing gas to the single cell will be described.
燃料極に供給された水素分子は、燃料極の触媒層によって、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。一方、電子は、外部回路を通して、酸化ガスが供給される空気極に移動する。この時、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極の触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。また、上述した化学反応により熱が発生する。 The hydrogen molecules supplied to the fuel electrode are separated into hydrogen ions and electrons by the catalyst layer of the fuel electrode. Hydrogen ions move to the air electrode side through the humidified polymer electrolyte membrane. On the other hand, the electrons move through the external circuit to the air electrode to which the oxidizing gas is supplied. At this time, electrons passing through the external circuit can be used as electric energy. In the catalyst layer of the air electrode, hydrogen ions that have moved through the polymer electrolyte membrane, electrons that have moved through the external circuit, and oxygen supplied to the air electrode react to generate water. Further, heat is generated by the above-described chemical reaction.
このように、燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給することで、電気エネルギと熱エネルギとを同時に得ることができる。このため燃料電池スタックは、発電と給湯とが要求される家庭用コージェネレーションシステムとしての利用がすすんでいる。 Thus, by supplying the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell, electric energy and thermal energy can be obtained simultaneously. For this reason, the fuel cell stack is being used as a home cogeneration system that requires power generation and hot water supply.
特許文献1〜3では、燃料電池スタックを締結ボルトで締め付けることや、金属ベルトで締め付けることを提案している。
近年、燃料電池材料の更なるコスト低減が求められており、特に、MEA、その中でも高分子電解質膜(以下、膜)は性能を左右する重要部品かつコストが高いために、性能を高めながら薄く、安価な膜が開発されつつある。 In recent years, there has been a demand for further cost reduction of fuel cell materials. In particular, MEA, and in particular, polymer electrolyte membranes (hereinafter referred to as membranes) are important components that affect performance and cost is high. Inexpensive membranes are being developed.
しかしながら、薄く安価な膜は機械的な強度が弱いため、締結時に掛かる荷重によって膜が損傷し、発電効率の低下や電池寿命の低下に繋がるという課題を有している。 However, since a thin and inexpensive film has a low mechanical strength, the film is damaged by a load applied at the time of fastening, which causes a problem that power generation efficiency and battery life are reduced.
特許文献1〜3の構造の燃料電池スタックは、セル積層体に掛かる荷重を均一化する構造となっている。しかし、特許文献1〜3の構造の燃料電池スタックでは、セル積層体に荷重を掛け締め上げる。このため、セル積層体に所定の締結状態よりも大きな荷重を付加する必要があり、この時の荷重が膜を損傷させる問題があった。
The fuel cell stack having the structure of
本発明は、従来の課題を解決するもので、燃料電池スタックの締結(組立)時の過大な荷重による膜の損傷を防止することで、発電性能と耐久性に優れた燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves the conventional problems, and provides a fuel cell stack excellent in power generation performance and durability by preventing membrane damage due to an excessive load during fastening (assembly) of the fuel cell stack. For the purpose.
上記目的を達成するため、複数のセルが積層されたセル積層体と、上記セル積層体の上記セルの積層方向の両端のそれぞれに配設された集電板と、それぞれの上記集電板の上記セルと異なる側に配設された弾性部材と、上記セル積層体と上記弾性部材と上記集電板とを挾持する一対の端板と、を有し、上記一対の端板は、それぞれ、複数種類の第1係合部と複数種類の第2係合部と、上記第1係合部と上記第2係合部とを固定する複数のピンと、を有する燃料電池スタックを用いる。 In order to achieve the above object, a cell stack in which a plurality of cells are stacked, current collectors disposed at both ends of the cell stack in the cell stacking direction, and each of the current collector plates An elastic member disposed on a side different from the cell, and a pair of end plates that sandwich the cell stack, the elastic member, and the current collector plate, and the pair of end plates, A fuel cell stack having a plurality of types of first engaging portions, a plurality of types of second engaging portions, and a plurality of pins for fixing the first engaging portions and the second engaging portions is used.
また、複数のセルが積層されたセル積層体と、上記セル積層体の上記セルの積層方向の両端に配設された集電板と、さらに上記集電板の端に配設された弾性部材と、を積層する積層工程と、上記積層された積層体を一対の端板間で加圧しつつ、上記一対の端板のそれぞれに設けられた第1係合部と第2係合部と組み合わせて、2種類のピンで固定するセット工程と、燃料電池スタックの製造方法を用いる。 In addition, a cell stack in which a plurality of cells are stacked, current collectors disposed at both ends of the cell stack in the cell stacking direction, and an elastic member disposed at an end of the current collector A combination of the first engaging portion and the second engaging portion provided on each of the pair of end plates while pressing the stacked layered body between the pair of end plates. Then, a setting process of fixing with two kinds of pins and a method of manufacturing a fuel cell stack are used.
以上の構成によって、燃料電池スタックの締結(組立)時に、所定の締結状態よりも過大な荷重がセル積層体に掛からないため、膜に損傷のない、発電性能と耐久性に優れた燃料電池スタックを提供できる。 With the above configuration, when the fuel cell stack is fastened (assembled), an excessive load is not applied to the cell stack, so the fuel cell stack has excellent power generation performance and durability without damage to the membrane. Can provide.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池スタックの断面図である。図1に示すように、燃料電池スタック1は、その中心部に、単電池セルモジュール2が複数積層されてセル積層体7が構成されている。セル積層体7の一方の端部の最終層には、集電板3と、複数の配管5と、締結部材として端板4aとが配置されている。セル積層体7の他方の端部の最終層には、集電板3と、例えば複数の内側バネなどで構成される弾性体6と、締結部材として端板4bとが配置されている。そして、集電板3および配管5およびセル積層体7を、弾性体6を介して樹脂などの一対の端板4a、4bで締め上げて、燃料電池スタック1を構成している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell stack according to
端板4a、4bの材料としては、成形性に優れた高強度の樹脂であることが好ましい。このような材料の例として、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などがある。特に、材質を限定するものではなく、また、金属と樹脂を一体に成形した構成や、部分的に分割した構成、金属板と樹脂板の組合せによって構成されるものなどでも良い。
The material of the
また、複数の配管5は、燃料ガス、酸化ガス、冷媒をセル積層体7に供給および排出するための配管だが、その数は特に規定するものではなく、また何れかの端板と同一の部品として形成されていても良い。
The plurality of
図2(a)は、実施の形態における端板4a、4b及びピン10の関係を示す斜視図である。図2(b)は、端板4a、4bを組み合わせた時の第1係合部9a、第2係合部9bの拡大平面図である。
FIG. 2A is a perspective view showing the relationship between the
端板4a、4bは、箱形状をしている。端板4aと端板4bとは、開口部分17で対向する。開口部分17の対向する2辺である縁部8a、8bには、縁部8a、8bに沿って所定間隔ごとに、第1係合部9a、第2係合部9bが複数個設けられている。
The
第1係合部9a、第2係合部9bとの配置は、互い違いに配置されており、端板4a、4bを対向するように組み合わせた際に、セル積層体7の積層方向Xと直交する方向Yに貫通した貫通孔18を形成できる。
Arrangement with the 1st engaging
第1係合部9a、第2係合部9bの形状は、各々フック形状となっている。貫通孔18には、ピン10を挿入することが出来る。第1係合部9a、第2係合部9bの数は特に規定するものではなく、締結荷重と端板4a、4bの強度などに応じて自由に設定することが出来る。また、端板4a、4bの開口面は長方形形状となっている。第1係合部9a、第2係合部9bが設けられた縁部8a、8bは端板4a、4bの開口面において長辺側であることが好ましい。これは、第1係合部9a、第2係合部9bに発生する応力を低減することができるためである。ただし、必ずしも長辺である必要はなく、短辺側に構成することもできる。
The first
端板4a、4bの形状は同一となっていることが好ましい。端板4a、4bの製造が容易になる。また、同一形状の端板4a、4bで挟持できるので、セル積層体7に掛かる荷重のバランスを改善することができる。セル積層体7に均等に荷重できる。
It is preferable that the
ただし、構成はこれに限るものではなく、端板4a、4bは異なる形状で構成されていても良い。さらに、端板4a、4bには、配管5を設けるための貫通孔や、弾性体6を精度良く配置するためのリブ形状などが設けられていても良い。
However, the configuration is not limited to this, and the
図3(a)〜図4(d)で第1係合部9a、第2係合部9bの詳細、その動作を説明する。第1係合部9a、第2係合部9bは、2種類ある。図3(a)〜図3(c)の第3係合部9c、第4係合部9dと、図4(a)〜図4(c)の第5係合部9e、第6係合部9fである。
3A to 4D, details of the first engaging
第1係合部9a、第2係合部9bにおいて、第3係合部9c、第4係合部9dが、第5係合部9e、第6係合部9fより多く存在する。第5係合部9e、第6係合部9fは、第1係合部9a、第2係合部9bの端部に位置するのが好ましい。後で説明するが、第2ピン10bを第2貫通孔18bに挿入するためである。
In the first engaging
図3(a)は、第3係合部9cと第4係合部9dとを組み合わせできる第1貫通孔18aに第1ピン10a挿入時時の拡大平面図である。なお、第1貫通孔18aは複数あり、直線状に並び貫通孔を形成する。
FIG. 3A is an enlarged plan view when the
図3(b)は、図3(a)から、第1ピン10aを回転された状態を示す。図3(c)は、図3(b)からさらに、第1ピン10aを回転させた場合を示す。
FIG. 3B shows a state where the
第1ピン10aの回転と共に、端板4aと端板4b間が締められる。
Along with the rotation of the
図3(a)〜図3(c)の状態に対応するのが、それぞれ、図4(a)〜図4(c)である。 FIGS. 4A to 4C correspond to the states of FIGS. 3A to 3C, respectively.
図4(a)〜図4(c)では、第1ピン10aの回転ともに、第5係合部9eと第6係合部9fとで組み合わされる第2貫通孔18bが大きくなる。第2貫通孔18bも複数あるのが好ましい。第1貫通孔18aと第2貫通孔18bとは異なる形状である。
4 (a) to 4 (c), the second through
ここで、もし、図3(b)、図4(b)の状態で固定した場合、第2貫通孔18bに第2ピン10bを挿入し、端板4aと端板4bとを固定する。同様に、図3(c)、図4(c)の状態で固定したい場合、第2ピン10bを第2貫通孔18bに挿入する。第2ピン10bは、図4(e)に示すように径の異なる複数本を準備する。または、図4(d)のように、長さ方向で径が異なるピンを準備する。第2ピン10bは、第2貫通孔18b中で回転できない。
Here, if it is fixed in the state of FIGS. 3B and 4B, the
結果、高分子電解質膜(以下、膜)に過大な負荷を掛けず、端板4a、4bの任意の締結時に固定できる。
As a result, the polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as a membrane) can be fixed at any time when the
第1ピン10a、第2ピン10b、は、締結荷重を発揮させることが可能な程度の剛性を有すればよく、材質は特に限定するものではないが、好ましくは金属類、又は、繊維強化樹脂材料、など強度の比較的高い材料により構成することができる。実施の形態では、一例として、クロムモリブデン鋼鋼材SCM435を使用している。
The
第1ピン10aの断面形状を図5(a)〜図5(d)に示す。第1ピン10aの断面は、楕円や長円、卵形、半円などの形状をしており、断面の長手方向がセル積層体7の積層方向となるように挿入したときに、所定の設計荷重がセル積層体7にかかるように各部材の寸法が構成されている。
The cross-sectional shape of the
また、第1ピン10aの断面形状は円形ではないため、図6で示すように回転用部品11を一時的に取り付けることでピン10を容易に回転させることが出来る。回転用部品11には、孔または開口12があり、開口12にピン10を入れて、ピン10をまわす。
または、第1ピン10aの端部に図7(a)、7(b)の示すように、曲げを設けるなどしても良い。
Moreover, since the cross-sectional shape of the
Alternatively, the end of the
かかる構成および製造方法によって、ボルト機構を用いずにセル積層体7の締結時に、所定の設計荷重以上の荷重を掛けることなく締結をすることができ、膜の損傷を防止できる。 With such a configuration and manufacturing method, when the cell stack 7 is fastened without using a bolt mechanism, it can be fastened without applying a load higher than a predetermined design load, and damage to the film can be prevented.
本発明の高分子電解質型燃料電池スタックは、ポータブル電源、電気自動車用電源、又
は、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に対して有用である。
The polymer electrolyte fuel cell stack of the present invention is useful for a fuel cell used for a portable power source, a power source for an electric vehicle, a domestic cogeneration system, or the like.
1 燃料電池スタック
2 単電池セルモジュール
3 集電板
4a、4b 端板
5 配管
6 弾性体
7 セル積層体
8a、8b 縁部
9a 第1係合部
9b 第2係合部
9c 第3係合部
9d 第4係合部
9e 第5係合部
9f 第6係合部
10 ピン
10a 第1ピン
10b 第2ピン
X 積層方向
Y 方向
11 回転用部品
12 開口
17 開口部分
18 貫通孔
18a 第1貫通孔
18b 第2貫通孔
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記セル積層体の前記セルの積層方向の両端のそれぞれに配設された集電板と、
それぞれの前記集電板の前記セルと異なる側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前記集電板とを挾持する一対の端板と、を有し、
前記一対の端板は、それぞれ、複数種類の第1係合部と複数種類の第2係合部と、
前記第1係合部と前記第2係合部とを固定する複数のピンと、
を有する燃料電池スタック。 A cell stack in which a plurality of cells are stacked;
Current collectors disposed on both ends of the cell stack in the cell stacking direction;
An elastic member disposed on a different side of the current collector plate from the cell;
A pair of end plates that sandwich the cell stack, the elastic member, and the current collector plate;
Each of the pair of end plates includes a plurality of types of first engaging portions and a plurality of types of second engaging portions,
A plurality of pins for fixing the first engagement portion and the second engagement portion;
A fuel cell stack.
前記複数種類の第2係合部は、第4係合部と第6係合部を有し、
前記第3係合部と前記第4係合部とは、組み合わせられ、直線状の第1貫通孔を形成し、
前記第5係合部と前記第6係合部とは、組み合わせられ、直線状の第2貫通孔を形成し、
前記第1貫通孔と前記第2貫通孔とは異なる形状である請求項1記載の燃料電池スタック。 The plurality of types of first engagement portions have a third engagement portion and a fifth engagement portion, and the plurality of types of second engagement portions have a fourth engagement portion and a sixth engagement portion. ,
The third engagement portion and the fourth engagement portion are combined to form a linear first through hole,
The fifth engagement portion and the sixth engagement portion are combined to form a linear second through hole,
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first through hole and the second through hole have different shapes.
前記第1貫通孔に第1ピンを挿入し、第2貫通孔に前記第1ピンと異なる形状の第2ピンを挿入する請求項2または3記載の燃料電池スタック。 The pin has a first pin and a second pin;
The fuel cell stack according to claim 2 or 3, wherein a first pin is inserted into the first through hole, and a second pin having a shape different from that of the first pin is inserted into the second through hole.
前記積層された積層体を一対の端板間で加圧しつつ、前記一対の端板のそれぞれに設けられた第1係合部と第2係合部と組み合わせて、2種類のピンで固定するセット工程と、燃料電池スタックの製造方法。
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; Laminating step of laminating,
While pressing the laminated body between a pair of end plates, the first and second engaging portions provided on each of the pair of end plates are combined and fixed with two types of pins. A setting process and a method of manufacturing a fuel cell stack
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