JP4487396B2 - 燃料電池のスタック構造 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池のスタック構造に関し、特に多数の発電素子(セル)を積層した積層体の先頭と末尾にそれぞれ端板を配置し、積層方向に圧力を加えた燃料電池のスタック構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、セルと呼ばれる発電素子を複数並べて接続し、燃料電池スタックとして使用するのが一般的である。ここでセルは、水素イオンを通す高分子の伝導体膜を、水素極と酸素極からなる2枚の電極で挟んでおり、更にその両側をセパレータで囲む構造である。酸素と水素が、セパレータに設けた通路に互いに独立して供給されると、水素ガスは水素極によって水素イオンとなり、伝導体膜を通過して酸素極側に移動する。このとき水素は電子を放出しそれが電位差を生じさせる。電位差は1セル当りで1ボルト以下でありわずかであるが、多数のセルを積層して直列接続することで高い電圧が得られる。
【0003】
1個のセルの出力を向上させるためには、伝導体膜と電極との密着が必要である。また、燃料電池スタック全体の出力を向上させるためには、各セル間の密着度を向上させて、接続部分での電力の伝達損失を防ぐ必要があり、セルの積層体に所望の圧縮力を作用させる必要がある。このために、例えば米国特許第5,789,091号に記載される燃料電池のスタック構造によれば、図6,図7に示されるように、複数のセル2が集合したセル積層体3の先頭と末尾にそれぞれセル2と略同寸法の板状の端板104を配置し、弾性体無端バンド5を端板104間にセル積層体3を取囲むように張設して、燃料電池のスタック構造101を提供している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、スタック構造全体の小型化、軽量化の目的から、端板104の厚さは極力薄いことが望まれる。しかし、上述した従来の燃料電池のスタック構造101において、端板104の厚さを薄くしてその剛性が低下すると、バンド掛けによる積層体保持構造に起因して、図7のグラフに示されるように、端板104の角部(バンドの折曲がり部)付近の積層体3への圧縮応力が高く、端板104の中央部での圧縮応力が低くなる。よって端板104を薄くしバンド5の張力を増大させると、各セル2に対する加圧力の不均一が生じたり、図7に示されるような、端板104やセル2そのものの変形すら生じるおそれがあり、各セル2の発電能力の低下や、発電不能、セル2間の電気的接続不良を来す結果となる。
【0005】
そこで本発明は、セルに対して均一に加圧力を作用することができ、各セルの発電能力の低下がなく、セル間の電気的接続を長期に亘って保証することが可能な燃料電池のスタック構造を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、互いに積層された複数のセルが集合したセル積層体と、該セルの積層面の輪郭と略同一の主要面と、該主要面とは反対側の対向面と、厚さ方向の側面とを有し、該セル積層体を挟むように該セル積層体の先頭のセルの前方と末尾のセルの後方にそれぞれ該対向面が対向配置された端板と、該セルを加圧するために、該セル積層体を積層方向で取囲むように該端板の該主要面間に張設され該端板の該側面上を、該セル積層体及び該端板の長手方向の中心部を覆って積層方向に通過する弾性体の無端バンドとを備えた燃料電池のスタック構造において、該端板は弾性体であると共に、該バンドが掛けられる前の自由状態においては、少なくとも一方の端板の該対向面は、該対向面と該バンドが通過する側面とが交差する縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する湾曲形状をなし、かつ該バンドが掛けられた状態では、該端板は弾性変形して該端板の該セルに対する加圧力が該端板対向面全面に亘って均一となる燃料電池のスタック構造を提供している。
【0007】
ここで、該少なくとも一方の端板は厚さが均一な部材により構成されると共に、該縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する断面湾曲形状をなす反りが予め付与されているのが好ましい。
【0008】
また、該少なくとも一方の端板は、該バンドが掛けられる前の自由状態においては、該主要面が平坦面をなし、該対向面に関しては該縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する中央部厚肉、縁部薄肉形状をなしているのが好ましい。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施の形態による燃料電池のスタック構造について図1乃至図3に基づき説明する。
【0010】
図1に示されるように、燃料電池のスタック構造1は互いに積層された複数のセル2が集合したセル積層体3と、セル積層体3を挟むように配置された一対の端板4、4と、セル積層体3を取囲むように端板4、4間に張設された無端バンド5とを有する。
【0011】
それぞれのセル2の構造は、従来のセルと同様であり、水素電極と、酸素電極と両電極間に配置された伝導体膜と、一方のセルの水素電極と他方のセルの酸素電極とを仕切るためのセパレータを備える。上述したように、酸素と水素が、セパレータに設けた通路に互いに独立して供給されると、水素ガスは水素極によって水素イオンとなり、伝導体膜を通過して酸素極側に移動する。このとき水素は電子を放出し電位差を生じさせる。そしてセル積層体3は、隣接するセル2を互いに積層させて電気的に接続したものであり、多数のセル2積層して直列接続することで所望の高い電圧が得られる。
【0012】
それぞれの端板4は厚さが均一な塑性変形しない弾性体により構成され、セル2の積層面の輪郭と略同一の主要面4Aと、主要面4Aとは反対側の対向面4Bと、厚さ方向の側面4Cとを有し、セル積層体2を挟むようにセル積層体2の先頭のセル2Aの前方と、末尾のセル2Zの後方にそれぞれの端板4の対向面4Bが対向配置される。
【0013】
無端バンド5も塑性変形しない弾性体により構成され、セル2間の電気的接続を確保するためにセル2を加圧する目的から、セル積層体3を積層方向で取囲むように端板4の主要面4A、4A間に張設される。この状態では、無端バンド5は、端板4の側面4C上を積層方向に通過する。なお、無端バンド5は、各セル2間の電気的接続を保証し、かつ端板4が塑性変形しない程度の弾性収縮力を有するものであればよい。
【0014】
ここで、無端バンド5が掛けられる前の自由状態においては、それぞれの端板4の対向面4Bは、対向面4Bと無端バンド5が通過する側面4Cとが交差する縁部4Dが、対向するセル2A、2Zから離間し、対向面の中央部のみがセル2A、2Zに接触可能な湾曲形状をなすように、予め反りが付与されている。
【0015】
この状態から、セル積層体3を積層方向に取囲むように端板4の主要面4A、4A間に無端ベルト5を掛けると、無端ベルトの収縮力によって端板4、4が弾性変形し、図3に示されるように、端板4の反りが解消して平板状をなす。
【0016】
ベルトが掛った状態では、主要面4Aと平行なベルトの収縮力F1と、積層方向と平行なベルトの収縮力F2とにより、上記縁部4Dにおいては、F1とF2の合力F3が作用し、縁部4Dは、端板4の他の部位よりも大きな加重が作用することになるが、縁部4Dは対向するセル2A、2Zから離間し、対向面4Bの中央部のみがセル2A、2Zに接触可能な湾曲形状をなすように端板4には予め反りが付与されていたので、無端ベルト5が掛けられた後は、上記加重の相違から、縁部4Dを含む端板4の対向面4B全体が平坦面となると共に、対向面4Bの全面が、セル2又はセル積層体3に対して均一な加圧力をもたらすことになる。その結果、セル2相互のズレや変形を防止でき、セル2間の良好な電気的接続関係を維持することができる。
【0017】
本発明の第2の実施の形態による燃料電池のスタック構造について図4、図5に基づき説明する。第2の実施の形態による燃料電池のスタック構造11は、第1の実施の形態によるスタック構造1と端板の形状を除いて同一である。第2の実施の形態による端板14は、無端バンド5が掛けられる前の自由状態においては、主要面14Aは略平坦面をなし、対向面14Bが円弧状をなしている。具体的には、第1の実施の形態における縁部4Dに対応する対向面14Bの縁部14Dが、対向するセル2A、2Zから離間し、対向面の中央部のみがセル2A、2Zに接触する湾曲形状であって、中央部が厚肉、縁部が薄肉となる。
【0018】
この状態から、セル積層体3を積層方向に取囲むように端板14の主要面14A、14A間に無端ベルト5を掛けると、無端ベルト5の収縮力によって端板14、14が弾性変形し、図5に示されるように、端板14の対向面14B全面が対向するセル2A、2Zと密着する。
【0019】
当初端板14は、中央部が厚肉、縁部が薄肉形状であって、縁部14Dがセル2A、2Zから離間し対向面14Bの中央部のみがセル2A、2Zに接触可能な湾曲形状をなしているので、ベルトが掛った後では、上述したように、縁部14Dとそれ以外の部位の荷重の相違から、縁部14Dを含む端板14の対向面14B全体が平坦面となると共に、対向面14Bの全面が、セル2又はセル積層体3に対して均一な加圧力をもたらすことになる。その結果、第1の実施の形態と同様に、セル2相互のズレや変形を防止でき、セル2間の良好な電気的接続関係を維持することができる。
【0020】
本発明による燃料電池のスタック構造は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
【0021】
例えば、弾性無端バンド4は当初より無端構造である必要はなく、1本の帯状体の端部をバンドの所望の位置に係止可能なものでも良い。
【0022】
また、上述した実施の形態ではそれぞれの端板の対向面が、湾曲形状をなしているが、対向面全面でセル2に対する均等な加圧力が提供できる限りにおいては、片方の端板の対向面のみを湾曲形状としてもよい。
【0023】
更に、無端バンド4の内周面は、端板4、14の主要面4A、14Aと、側面4C、14Cとに圧力下で接触することになるが、無端バンド4の局部的な応力集中を避けるために、この主要面4A,14Aと側面4C、14Cとの交差部4E、14Eは角部のない丸みを帯びる形状にしてもよい。
【0024】
【発明の効果】
請求項1記載の燃料電池のスタック構造によれば、無端バンドが掛けられる前の自由状態においては、少なくとも一方の端板のセルに対向する対向面に関しては、バンドが通過する側面と交差する縁部が、対向するセルから離間し、対向面の中央部のみがセルに接触する湾曲形状をなしているので、バンドが掛けられた後は、バンドによる圧縮荷重によって、縁部を含む対向面全体が平坦面状をなして、セルに対する加圧力が端板対向面全面に亘って均一となる。よって、セルの変形や、セル間の電気的接続不良を防止することができる。
【0025】
請求項2、3記載の燃料電池のスタック構造によれば、端板が単純な形状であり製造が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す斜視図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛ける前の端板の形状を示す。
【図3】本発明の第1の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛けた後の端板の形状、並びに端板がセルに作用する応力分布を示す。
【図4】 本発明の第2の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛ける前の端板の形状を示す。
【図5】本発明の第2の実施の形態による燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛けた後の端板の形状、並びに端板がセルに作用する応力分布を示す。
【図6】従来の燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛ける前の状態を示す。
【図7】従来の燃料電池のスタック構造を示す断面図であって、特にベルトを掛けた後の端板のセルに作用する応力分布を示す図。
【符号の説明】
1、11 燃料電池のスタック構造
2、2A、2Z セル
3 セル積層体
4、14 端板
4A、14A 端板の主要面
4B、14B 端板の対向面
4C、14C 端板の側面(ベルト通過面)
4D、14D 端板の縁部
5 無端ベルト
Claims (3)
- 互いに積層された複数のセルが集合したセル積層体と、
該セルの積層面の輪郭と略同一の主要面と、該主要面とは反対側の対向面と、厚さ方向の側面とを有し、該セル積層体を挟むように該セル積層体の先頭のセルの前方と末尾のセルの後方にそれぞれ該対向面が対向配置された端板と、
該セルを加圧するために、該セル積層体を積層方向で取囲むように該端板の該主要面間に張設され該端板の該側面上を、該セル積層体及び該端板の長手方向の中心部を覆って積層方向に通過する弾性体の無端バンドとを備え、
該端板は弾性体であると共に、該バンドが掛けられる前の自由状態においては、少なくとも一方の端板の該対向面は、該対向面と該バンドが通過する側面とが交差する縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する湾曲形状をなし、かつ該バンドが掛けられた状態では該端板が弾性変形して該端板の該セルに対する加圧力が該端板対向面全面に亘って均一となる燃料電池のスタック構造。 - 該少なくとも一方の端板は厚さが均一な部材により構成されると共に、該縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する断面湾曲形状をなす反りが予め付与されている請求項1記載の燃料電池のスタック構造。
- 該少なくとも一方の端板は、該バンドが掛けられる前の自由状態においては、該主要面が平坦面をなし、該対向面に関しては該縁部が該対向するセルから離間し該対向面の中央部のみが該セルに接触する中央部厚肉、縁部薄肉形状をなす請求項1記載の燃料電池のスタック構造。
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