JP2023159639A - fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.
特許文献1には、燃料電池のセルスタック構造が開示されている。特許文献1に記載のセルスタック構造は、セルスタックと、第1プレートと、第2プレートと、第3プレートと、伸縮部材とを有している。セルスタックは、単セルが上下方向に複数積層されることにより構成されている。単セルは、膜電極接合体と称される発電部と、発電部を上下方向の両側から挟持する一対のセパレータとを有している。第1プレートは、セルスタックの上面から上方に離間して配置されている。第2プレートは、セルスタックの上面に隣接して配置されている。第3プレートは、セルスタックの下面に隣接して配置されている。第1プレートと第2プレートとの間には、上下方向に沿って伸縮可能である伸縮部材が配置されている。伸縮部材は、第1プレートと第2プレートとの間において、圧縮された状態で配置されるとともに、等間隔で複数個配置されている。伸縮部材は、第2プレートを介して、セルスタックに対して面圧を印加する。これにより、例えば発電開始時における内圧の上昇によってセルスタックが熱膨張しても、伸縮部材によって面圧が印加されることで、セルスタックを構成する単セル間のシール性が低下することが抑制される。 Patent Document 1 discloses a cell stack structure of a fuel cell. The cell stack structure described in Patent Document 1 includes a cell stack, a first plate, a second plate, a third plate, and an elastic member. A cell stack is configured by stacking a plurality of single cells in the vertical direction. A single cell includes a power generation section called a membrane electrode assembly and a pair of separators that sandwich the power generation section from both sides in the vertical direction. The first plate is spaced upwardly from the top surface of the cell stack. A second plate is positioned adjacent the top surface of the cell stack. A third plate is located adjacent the bottom surface of the cell stack. An expandable member that can expand and contract in the vertical direction is arranged between the first plate and the second plate. A plurality of elastic members are arranged in a compressed state between the first plate and the second plate, and are arranged at equal intervals. The expandable member applies surface pressure to the cell stack via the second plate. As a result, even if the cell stack thermally expands due to an increase in internal pressure at the start of power generation, for example, the sealing performance between the single cells that make up the cell stack will not deteriorate due to surface pressure applied by the expandable member. be done.
ところで、特許文献1に記載のセルスタック構造の場合、複数の伸縮部材が等間隔に配置されているため、第2プレートにおいて、伸縮部材が配置されている部分と、伸縮部材が配置されていない部分とでは、セルスタックに印加される面圧がばらつく。このため、単セル間のシール性の低下を抑制する上では改善の余地がある。 By the way, in the case of the cell stack structure described in Patent Document 1, a plurality of elastic members are arranged at regular intervals, so in the second plate, there are parts where elastic members are arranged and parts where elastic members are not arranged. The surface pressure applied to the cell stack varies depending on the portion. Therefore, there is room for improvement in suppressing deterioration in sealing performance between single cells.
上記課題を解決するための燃料電池スタックは、発電部を有する単セルが複数積層されて形成されたセル積層体と、前記単セルの積層方向において前記セル積層体の両側に位置する2つのエンドプレートと、前記積層方向において前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に位置するとともに、前記積層方向において前記セル積層体の少なくとも一側に設けられる積層弾性体と、を備え、前記積層弾性体は、前記積層方向において剛性板と弾性ゴム層とが交互に積層されて形成されており、前記積層方向において前記発電部と重なる領域の全体にわたって設けられている。 A fuel cell stack for solving the above problems includes a cell stack formed by stacking a plurality of single cells each having a power generation section, and two ends located on both sides of the cell stack in the stacking direction of the single cells. a plate, and a laminated elastic body located between the cell laminate and the end plate in the lamination direction and provided on at least one side of the cell laminate in the lamination direction, the laminated elastic body is formed by alternately laminating rigid plates and elastic rubber layers in the lamination direction, and is provided over the entire region overlapping with the power generation section in the lamination direction.
同構成によれば、積層弾性体により、セル積層体に対して積層方向において発電部と重なる領域の全体にわたって面圧が印加されるようになる。これにより、セル積層体のうち発電に伴って熱膨張する部分に印加される面圧が位置によってばらつくことを抑制できる。 According to this configuration, the laminated elastic body applies surface pressure to the cell laminate over the entire region overlapping with the power generation section in the stacking direction. Thereby, it is possible to suppress variations in the surface pressure applied to the portion of the cell stack that thermally expands due to power generation depending on the position.
また、上記構成によれば、面圧を印加する部材が弾性ゴムのみにより形成される場合と比べて、各弾性ゴム層の厚みの総和を小さくできる。これにより、セル積層体の熱膨張によって弾性ゴム層が圧縮された状態が継続した際に弾性ゴム層のクリープ変形が発生しても、クリープ変形量の総和を低減できる。このため、積層弾性体により印加される面圧が低下することを抑制できる。 Moreover, according to the above configuration, the total thickness of each elastic rubber layer can be made smaller than when the member applying surface pressure is formed only of elastic rubber. Thereby, even if creep deformation of the elastic rubber layer occurs when the elastic rubber layer continues to be compressed due to thermal expansion of the cell laminate, the total amount of creep deformation can be reduced. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the surface pressure applied by the laminated elastic body.
したがって、セル積層体のシール性の低下を長期間にわたって抑制することができる。 Therefore, deterioration of the sealing performance of the cell stack can be suppressed for a long period of time.
以下、図1~図4を参照して、燃料電池スタックの一実施形態について説明する。
なお、各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張または簡略化して示しているため、各構成の寸法比率が実際とは異なる場合がある。
Hereinafter, one embodiment of a fuel cell stack will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
Note that in each drawing, a part of the structure is exaggerated or simplified for convenience of explanation, so the dimensional ratio of each structure may be different from the actual one.
図1に示すように、燃料電池スタックは、セル積層体10と、2つの積層弾性体60A,60Bと、2つのエンドプレート70A,70Bと、ケース80とを有している。
<セル積層体10>
図2に示すように、セル積層体10は、単セル90が複数積層されて形成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell stack includes a
<
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、単セル90は、膜電極接合体11(Membrane Electrode Assembly(MEA)、以下、発電部11)と、発電部11を囲む電気絶縁性のシート部材20とを有している。また、単セル90は、発電部11及びシート部材20を挟持するカソード側セパレータ50及びアノード側セパレータ30を有している。
As shown in FIG. 3, the
図2及び図3に示すように、単セル90は、全体として長方形板状である。
なお、以降では、複数の単セル90の積層方向を第1方向Xとして説明する。
また、単セル90の長辺の延在方向及び短辺の延在方向を、それぞれ第2方向Y及び第3方向Zとして説明する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
Note that, hereinafter, the stacking direction of the plurality of
Further, the extending direction of the long side and the extending direction of the short side of the
単セル90は、燃料ガス、冷却媒体、及び酸化剤ガスを単セル90内にそれぞれ導入するための導入孔91,93,95と、単セル90内の燃料ガス、冷却媒体、及び酸化剤ガスをそれぞれ外部へ導出するための導出孔92,94,96とを有している。
The
導入孔91,93,95及び導出孔92,94,96は、単セル90を第1方向Xに貫通している。導入孔91及び導出孔94,96は、第2方向Yにおける単セル90の一側(図2の左右方向における左側)に設けられている。導入孔91及び導出孔94,96は、第3方向Zにおいて互いに間隔をあけて順に並んでいる。導出孔92及び導入孔93,95は、第2方向Yにおける単セル90の他側(図2の右側)に設けられている。導出孔92及び導入孔93,95は、第3方向Zにおいて互いに間隔をあけて順に並んでいる。
The
<発電部11>
図3に示すように、発電部11は、図示しない固体高分子電解質膜(以下、電解質膜)と、電解質膜の両面に設けられた電極11A,11Bとを有している。なお、本実施形態では、第1方向Xにおける電解質膜(図示略)の一側(図3の上下方向における上側)の面に接合された電極が、カソード電極11Aである。また、第1方向Xにおける電解質膜の他側(図3の下側)の面に接合された電極が、アノード電極11Bである。
<
As shown in FIG. 3, the
電極11A,11Bは、電解質膜に接合された触媒層(図示略)と、触媒層に接合されたガス拡散層12(Gas Diffusion Layer、以下、GDL12)とを有している。
シート部材20は、単セル90を構成するカソード側セパレータ50とアノード側セパレータ30との間に設けられている。シート部材20は、第2方向Yに長い平面視略長方形板状である。シート部材20は、例えば電気絶縁性の合成樹脂材料により形成されている。
The
The
シート部材20は、孔91,92,93,94,95,96をそれぞれ構成する貫通孔21,22,23,24,25,26を有している。
シート部材20は、中央に開口部27を有している。開口部27の内周縁部には、第1方向Xの一側(図3の上側)から発電部11の周縁部が接合されている。
The
The
<カソード側セパレータ50>
図3に示すように、カソード側セパレータ50は、第2方向Yに長い平面視長方形板状である。
<
As shown in FIG. 3, the cathode-
カソード側セパレータ50は、例えばチタン、ステンレス鋼などの金属薄板をプレス成形することにより形成されている。
カソード側セパレータ50は、発電部11のカソード電極11A側に設けられている。
The
The
カソード側セパレータ50は、発電部11に対向する第1面50aと、第1面50aとは反対側の面である第2面50bとを有している。
カソード側セパレータ50は、孔91,92,93,94,95,96をそれぞれ構成する貫通孔51,52,53,54,55,56を有している。
The
The
カソード側セパレータ50は、酸化剤ガスが流通する複数の溝流路57と、冷却媒体が流通する複数の溝流路58とを有している。溝流路57は、第1面50aに設けられている。溝流路58は、第2面50bに設けられている。なお、図3には、カソード側セパレータ50において、複数の溝流路57が形成された部分の外縁と、複数の溝流路58が形成された部分の外縁とをそれぞれ簡略化して示している。
The
<アノード側セパレータ30>
図3に示すように、アノード側セパレータ30は、第2方向Yに長い平面視長方形板状である。
<
As shown in FIG. 3, the
アノード側セパレータ30は、例えばチタン、ステンレス鋼などの金属薄板をプレス成形することにより形成されている。
アノード側セパレータ30は、発電部11のアノード電極11B側に設けられている。
The
The
アノード側セパレータ30は、発電部11に対向する第1面30aと、第1面30aとは反対側の面である第2面30bとを有している。
アノード側セパレータ30は、孔91,92,93,94,95,96をそれぞれ構成する貫通孔31,32,33,34,35,36を有している。
The
The
アノード側セパレータ30は、燃料ガスが流通する複数の溝流路37と、冷却媒体が流通する複数の溝流路38とを有している。溝流路37は、第1面30aに設けられている。溝流路38は、第2面30bに設けられている。なお、図3には、アノード側セパレータ30において、複数の溝流路37が形成された部分の外縁と、複数の溝流路38が形成された部分の外縁とをそれぞれ簡略化して示している。
The
<ケース80>
図1に示すように、ケース80は、第1方向Xの両側に開口する断面長方形の筒状である。ケース80は、セル積層体10の側面を取り囲んでいる。ケース80の内周面80aとセル積層体10との間には、隙間が設けられている。
<
As shown in FIG. 1, the
<エンドプレート70A,70B>
図1に示すように、第1方向Xにおいてセル積層体10の一側(図1の上側)には、エンドプレート70Aが設けられている。第1方向Xにおいてセル積層体10の他側(図1の下側)には、エンドプレート70Bが設けられている。エンドプレート70A,70Bは、ケース80の開口をそれぞれ閉塞している。エンドプレート70A,70Bは、第1方向Xに延在する図示しないボルトとナットとによって、互いに連結されている。
<
As shown in FIG. 1, an
<積層弾性体60A,60B>
図1に示すように、積層弾性体60A,60Bは、第1方向Xにおいてセル積層体10とエンドプレート70A,70Bとの間に位置している。ケース80の内周面80aと積層弾性体60A,60Bとの間には、隙間が設けられている。積層弾性体60Aは、第1方向Xにおいてセル積層体10の一側(図1の上側)に設けられている。積層弾性体60Bは、第1方向Xにおいてセル積層体10の他側(図1の下側)に設けられている。すなわち、積層弾性体60A,60Bは、第1方向Xにおいてセル積層体10の両側にそれぞれ設けられている。
<Laminated
As shown in FIG. 1, the laminated
積層弾性体60A,60Bは、第1方向Xにおいてセル積層体10の端面10a,10bに隣り合ってそれぞれ設けられている。
図1及び図2に示すように、積層弾性体60A,60Bは、第1方向Xにおいて発電部11と重なる領域の全体にわたって設けられている。本実施形態の積層弾性体60Aは、セル積層体10の端面10aの全体にわたって設けられている。本実施形態の積層弾性体60Bは、セル積層体10の端面10bの全体にわたって設けられている。
The laminated
As shown in FIGS. 1 and 2, the laminated
図2、図4(a)、及び図4(b)に示すように、積層弾性体60Aは、第1方向Xにおいて剛性板67と弾性ゴム層68とが交互に複数積層されて形成されている。剛性板67と弾性ゴム層68とは、例えば接着剤によって互いに接着されている。
As shown in FIGS. 2, 4(a), and 4(b), the laminated
弾性ゴム層68は、第2方向Yに長い平面視略長方形板状である。
本実施形態の弾性ゴム層68は、電気絶縁性を有している。
なお、弾性ゴム層68は、天然ゴム、合成ゴムなどのゴムにより形成されている。
The
The
Note that the
剛性板67は、第2方向Yに長い平面視略長方形板状である。本実施形態の剛性板67は、平板状であり、貫通孔を有していない。したがって、剛性板67は、第1方向Xにおいて発電部11と重なる領域の全体にわたって、第1方向Xにおいて隣り合う弾性ゴム層68同士を隔離している。なお、剛性板67は、例えばアルミニウム、ステンレス鋼などの金属薄板により形成されている。
The
図2に示すように、積層弾性体60Aには、積層弾性体60Aを第1方向Xに貫通する貫通孔61,62,63,64,65,66が設けられている。貫通孔61,64,66は、単セル90の孔91,94,96にそれぞれ対応する位置に設けられている。貫通孔62,63,65は、単セル90の孔92,93,95とそれぞれ対応する位置に設けられている。
As shown in FIG. 2, the laminated
なお、図示は省略するが、積層弾性体60Bには、貫通孔61,62,63,64,65,66が設けられていない。
図4(a)及び図4(b)に示すように、積層弾性体60Aの弾性ゴム層68は、セル積層体10の端面10aに当接している。また、図示は省略するが、積層弾性体60Bの弾性ゴム層68は、セル積層体10の端面10bに当接している。
Although not shown in the drawings, the laminated
As shown in FIGS. 4(a) and 4(b), the
図4(b)に示すように、上記ボルト及びナットによってエンドプレート70A,70B同士が連結された組付状態においては、積層弾性体60Aは、第1方向Xにおいて圧縮される。このとき、弾性ゴム層68は、ケース80の内周面80aに向かって突出する。
As shown in FIG. 4(b), in the assembled state in which the
次に、本実施形態の作用について説明する。
積層弾性体60A,60Bにより、セル積層体10に対して第1方向Xにおいて発電部11と重なる領域の全体にわたって面圧が印加されるようになる。これにより、セル積層体10のうち発電に伴って熱膨張する部分に印加される面圧が位置によってばらつくことを抑制できる。
Next, the operation of this embodiment will be explained.
By the laminated
また、面圧を印加する部材が弾性ゴムのみにより形成される場合と比べて、各弾性ゴム層68の厚みの総和を小さくできる。これにより、セル積層体10の熱膨張によって弾性ゴム層68が圧縮された状態が継続した際に弾性ゴム層68のクリープ変形が発生しても、クリープ変形量の総和を低減できる。このため、積層弾性体60A,60Bにより印加される面圧が低下することを抑制できる。
Furthermore, the total thickness of each
次に、本実施形態の効果について説明する。
(1)積層弾性体60A,60Bは、第1方向Xにおいてセル積層体10とエンドプレート70A,70Bとの間に位置している。積層弾性体60A,60Bは、第1方向Xにおいて剛性板67と弾性ゴム層68とが交互に積層されて形成されており、第1方向Xにおいて発電部11と重なる領域の全体にわたって設けられている。
Next, the effects of this embodiment will be explained.
(1) The laminated
こうした構成によれば、上記作用を奏することから、セル積層体10のシール性の低下を長期間にわたって抑制することができる。
(2)積層弾性体60A,60Bは、第1方向Xにおいてセル積層体10の両側の端面10a,10bに隣り合って設けられている。弾性ゴム層68は、電気絶縁性を有しており、端面10a,10bに当接している。
According to such a configuration, since the above-described effects are achieved, deterioration in the sealing performance of the
(2) The laminated
こうした構成によれば、積層弾性体60A,60Bがセル積層体10の端面10a,10bに隣り合って設けられる構成において、積層弾性体60A,60Bとセル積層体10とを電気的に絶縁することが容易にできる。
According to such a configuration, in a configuration in which the laminated
(3)積層弾性体60A,60Bが、第1方向Xにおいてセル積層体10の両側にそれぞれ設けられている。
こうした構成によれば、積層弾性体60A,60Bにより、セル積層体10に対して第1方向Xの両側から面圧が印加されるようになる。これにより、セル積層体10のうち発電に伴って熱膨張する部分に印加される面圧が位置によってばらつくことを一層抑制できる。
(3) The laminated
According to this configuration, surface pressure is applied to the
(4)剛性板67は、第1方向Xにおいて発電部11と重なる領域の全体にわたって、第1方向Xにおいて隣り合う弾性ゴム層68同士を隔離している。
こうした構成によれば、積層弾性体60A,60Bからセル積層体10に対して印加される面圧を均一にできる。これにより、セル積層体10のうち発電に伴って熱膨張する部分に印加される面圧が位置によってばらつくことを一層抑制できる。
(4) The
According to such a configuration, the surface pressure applied to the
<変更例>
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
<Example of change>
This embodiment can be modified and implemented as follows. This embodiment and the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
・図5に示すように、剛性板67は、第1方向Xにおいて剛性板67を貫通する貫通孔100を有していてもよい。
発電部11においては、熱膨張しやすい部位と熱膨張しにくい部位とが存在する。
- As shown in FIG. 5, the
In the
上記構成によれば、積層弾性体60A,60Bのうち剛性板67に貫通孔100が設けられている部分は、貫通孔100が設けられていない部分に比べて第1方向Xに弾性変形し易くなる。このため、例えば剛性板67において、発電部11のうち熱膨張しやすい部位に対応する位置に貫通孔100を設けるようにすれば、積層弾性体60A,60Bによってセル積層体10の熱膨張を効果的に吸収することができる。このように、貫通孔100の位置、大きさ、及び形状を適宜設定することによって、積層弾性体60A,60Bからセル積層体10に対して印加される面圧を部分的に調整することが容易にできる。
According to the above configuration, of the laminated
・積層弾性体60A,60Bのいずれか一方を省略してもよい。
・積層弾性体60A,60Bの剛性板67がセル積層体10の端面10a,10bに当接する構成であってもよい。この場合、積層弾性体60A,60Bとセル積層体10の端面10a,10bの間に、電気絶縁性のシートを設けるようにすることが好ましい。
- Either one of the laminated
- The
・上記実施形態では、積層弾性体60A,60Bが、セル積層体10の端面10a,10bの全体にわたって設けられるようにしたが、これに限らない。積層弾性体60A,60Bは、第1方向Xにおいて発電部11と重なる領域の全体にわたって設けられていればよく、第1方向Xにおいて発電部11と重なる領域にのみ設けられるものであってもよい。
- In the above embodiment, the laminated
10…セル積層体
10a,10b…端面
11…発電部
11A…カソード電極
11B…アノード電極
12…ガス拡散層
20…シート部材
21~26…貫通孔
27…開口部
30…アノード側セパレータ
30a…第1面
30b…第2面
31~36…貫通孔
37,38…溝流路
50…カソード側セパレータ
50a…第1面
50b…第2面
51~56…貫通孔
57,57…溝流路
60A,60B…積層弾性体
61~66…貫通孔
67…剛性板
68…弾性ゴム層
70A,70B…エンドプレート
80…ケース
80a…内周面
90…単セル
91,93,95…導入孔
92,94,96…導出孔
100…貫通孔
X…第1方向(積層方向)
Y…第2方向
Z…第3方向
DESCRIPTION OF
Y...Second direction Z...Third direction
Claims (5)
前記単セルの積層方向において前記セル積層体の両側に位置する2つのエンドプレートと、
前記積層方向において前記セル積層体と前記エンドプレートとの間に位置するとともに、前記積層方向において前記セル積層体の少なくとも一側に設けられる積層弾性体と、を備え、
前記積層弾性体は、前記積層方向において剛性板と弾性ゴム層とが交互に積層されて形成されており、前記積層方向において前記発電部と重なる領域の全体にわたって設けられている、
燃料電池スタック。 A cell stack formed by stacking a plurality of single cells each having a power generation section;
two end plates located on both sides of the cell stack in the stacking direction of the single cells;
a laminated elastic body located between the cell laminate and the end plate in the lamination direction and provided on at least one side of the cell laminate in the lamination direction,
The laminated elastic body is formed by alternately laminating rigid plates and elastic rubber layers in the lamination direction, and is provided over the entire region overlapping with the power generation section in the lamination direction.
fuel cell stack.
前記弾性ゴム層は、電気絶縁性を有しており、前記端面に当接している、
請求項1に記載の燃料電池スタック。 The laminated elastic body is provided adjacent to at least one end surface of the cell laminate in the lamination direction,
The elastic rubber layer has electrical insulation and is in contact with the end surface.
The fuel cell stack according to claim 1.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池スタック。 The laminated elastic body is provided on both sides of the cell laminate in the lamination direction,
The fuel cell stack according to claim 1 or 2.
請求項1に記載の燃料電池スタック。 The rigid plate isolates the elastic rubber layers adjacent in the stacking direction over the entire region overlapping with the power generation section in the stacking direction.
The fuel cell stack according to claim 1.
請求項1に記載の燃料電池スタック。 The rigid plate has a through hole that penetrates the rigid plate in the lamination direction.
The fuel cell stack according to claim 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022069463A JP2023159639A (en) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022069463A JP2023159639A (en) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | fuel cell stack |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2023159639A true JP2023159639A (en) | 2023-11-01 |
Family
ID=88514881
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022069463A Pending JP2023159639A (en) | 2022-04-20 | 2022-04-20 | fuel cell stack |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2023159639A (en) |
-
2022
- 2022-04-20 JP JP2022069463A patent/JP2023159639A/en active Pending
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