JP4523371B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、横長の長方形セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルが長辺側を上下にして水平方向に積層されるとともに、各単位セルの上下には、積層方向に貫通して冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成される燃料電池スタックに関する。 The present invention provides a unit cell for sandwiching an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte with a horizontally long rectangular separator, and a plurality of the unit cells are stacked in a horizontal direction with the long side up and down. In addition, the present invention relates to a fuel cell stack in which a cooling medium inlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole are formed above and below each unit cell so as to penetrate in the stacking direction.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を設け、この電解質膜・電極構造体をセパレータによって挟持することにより燃料電池(単位セル)が構成されている。通常、この燃料電池を複数積層することにより燃料電池スタックが用いられている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. On both sides of the electrolyte membrane, there are provided an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode-side electrode and a cathode-side electrode each having a noble metal-based electrode catalyst layer bonded to a base mainly composed of carbon are provided. A fuel cell (unit cell) is configured by sandwiching the structure with a separator. Usually, a fuel cell stack is used by stacking a plurality of such fuel cells.
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。 In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.
ところで、燃料電池スタックを車両等に搭載しようとする場合、所望の電力を得るために各単位燃料電池セルの発電面積を大きく設定する必要があり、前記燃料電池スタック全体が相当に大型化してしまう。ところが、車両内では、燃料電池スタックの収容場所として床等の高さに制限を要するスペースが採用されており、車載用燃料電池スタックとしては、高さ方向の寸法を低く設定した横長の長方形状に構成されることが望ましい。 By the way, when the fuel cell stack is to be mounted on a vehicle or the like, it is necessary to set a large power generation area of each unit fuel cell in order to obtain a desired power, and the entire fuel cell stack is considerably increased in size. . However, in the vehicle, a space that requires a restriction on the height of the floor or the like is adopted as a storage location of the fuel cell stack, and the vehicle-mounted fuel cell stack has a horizontally long rectangular shape with a low height dimension. It is desirable to be configured.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、各単位セルが横長の長方形状に構成されるとともに、前記燃料電池スタック内には、横方向両端上下に位置してそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを各単位燃料電池セルに供給するための燃料ガス給排路及び酸化剤ガス給排路が設けられる一方、長辺側上下に位置して冷却媒体を供給するための冷却媒体給排路が設けられている。
Therefore, for example, a fuel cell stack disclosed in
ところで、この種の燃料電池スタックでは、例えば、図6に示すセパレータ1が使用されている。セパレータ1は、横長の長方形状に構成されており、水平方向(矢印X方向)一端部には、酸化剤ガス入口2a及び燃料ガス出口3dが形成されるとともに、水平方向他端部には、燃料ガス入口3a及び酸化剤ガス出口2bが形成されている。
By the way, in this type of fuel cell stack, for example, a
セパレータ1の矢印Y方向一端部(長辺側下部)には、それぞれ2つの冷却媒体入口4a、4bが、リブ部5a、5bにより仕切られて形成されている。一方、矢印Y方向他端(長辺側上部)には、同様に、それぞれ2つの冷却媒体出口4c、4dが、リブ部5c、5dにより仕切られて形成されている。
Two
この場合、セパレータ1では、横長の電極面(図示せず)に対応して冷却媒体を均一に供給するため、冷却媒体入口4a、4b及び冷却媒体出口4c、4dは、矢印X方向に長尺に構成される必要がある。
In this case, in the
一方、セパレータ1は、例えば、薄肉金属プレートで構成されており、車載型燃料電池スタックとして使用される際には、走行時に上下方向の衝撃や前後方向の衝撃等を受け易い。従って、セパレータ1は、この種の衝撃に耐え得る構造を採用する必要がある。このため、上記の衝撃が付与されることによって変形し易い冷却媒体入口4a、4b及び冷却媒体出口4c、4dでは、それぞれの略中央部に補強用のリブ部5a、5b及び5c、5dが設けられている。
On the other hand, the
しかしながら、リブ部5a〜5dでは、走行時の衝撃等によって変形することがないように、幅寸法Tを比較的幅広に設定する必要がある。一方、この幅寸法Tが大きくなるのに従って、連通孔断面積が小さくなる。これにより、冷却媒体の圧損が上昇し、特に、ポンプ能力を必要以上に上げなければならず、燃費の低下が惹起されるという問題がある。
However, in the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、高さ方向の寸法を低く抑えるとともに、外部衝撃による変形を有効に阻止し、しかも電極面全面を均一且つ円滑に冷却することが可能な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 this type of problem, and is a fuel that can keep the dimension in the height direction low, effectively prevent deformation due to external impact, and cool the entire electrode surface uniformly and smoothly. An object is to provide a battery stack.
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、横長の長方形セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルが水平方向に積層されるとともに、各単位セルの対向する長辺には、積層方向に貫通してそれぞれ冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成される燃料電池スタックである。 The present invention is an electrolyte electrode assembly in which a pair of electrodes on both sides of the electrolyte, providing a unit cell for clamping the oblong rectangular separator, a plurality of unit cells are stacked in the horizontal direction, each unit A fuel cell stack in which a cooling medium inlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole are formed in the long sides facing each other so as to penetrate in the stacking direction.
そして、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔は、それぞれリブ部により長辺方向に分割されるとともに、前記リブ部は、単位セルの外方側の端部が前記単位セルの内方側の端部よりも幅広に構成されている。 The cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole are each divided in the long side direction by a rib portion, and the rib portion has an end on the outer side of the unit cell on the inner side of the unit cell. It is configured to be wider than the end portion.
本発明によれば、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔に設けられているリブ部は、単位セルの外方側が幅広に構成されるため、上下方向に振動等の荷重が付与された際、該荷重を確実に受けることができる。従って、単位セルは、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔の周縁部に変形や撓み等が発生することを有効に阻止することが可能になる。 According to the present invention, the rib portion provided in the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole is configured to have a wide outer side of the unit cell, so that a load such as vibration is applied in the vertical direction. In this case, the load can be reliably received. Accordingly, the unit cell can effectively prevent the peripheral edge of the cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole from being deformed or bent.
さらに、リブ部は、単位セルの内方側の端部が幅狭に構成されるため、冷却媒体の流路面積を確保することができ、前記冷却媒体の流動抵抗が低減される。これにより、電極面全面を均一且つ円滑に冷却することが可能になるとともに、冷却媒体供給用のポンプ能力を上げる必要がなく、ポンプ駆動に要する燃費が向上して経済的である。 Furthermore, since the rib part is configured such that the inner end of the unit cell is narrow, the flow path area of the cooling medium can be secured, and the flow resistance of the cooling medium is reduced. As a result, the entire surface of the electrode can be cooled uniformly and smoothly, and it is not necessary to increase the pumping capacity for supplying the cooling medium, and the fuel consumption required for driving the pump is improved, which is economical.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10の概略全体斜視図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の一部断面側面図である。
FIG. 1 is a schematic overall perspective view of a
燃料電池スタック10は、複数の単位セル12が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を備える。積層体14の積層方向一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18及び第1エンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、絶縁性スペーサ部材22及び第2エンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック10は、四角形(長方形)に構成される第1及び第2エンドプレート20a、20bを端板として含むケーシング23により一体的に保持される。
The
図2及び図3に示すように、各単位セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)24と、前記電解質膜・電極構造体24を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ26、28とを備える。なお、第1及び第2金属セパレータ26、28に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, each
単位セル12の長辺方向(図3中、矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔30aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔32bとが設けられる。
An oxidant gas inlet for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to one end edge of the
単位セル12の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔32aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bとが設けられる。
The other end edge in the long side direction of the
単位セル12の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔33a1、33a2と、冷却媒体入口連通孔34a1、34a2とが設けられるとともに、前記単位セル12の下端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔33b1、33b2と、冷却媒体出口連通孔34b1、34b2とが設けられる。
Cooling medium inlet communication holes 33a1 and 33a2 for supplying a cooling medium and cooling medium inlet communication holes 34a1 and 34a2 are provided at the upper end edge of the
冷却媒体入口連通孔33a1、33a2は、リブ部35を介して長辺方向(矢印B方向)に仕切られている。図4に示すように、リブ部35は、単位セル12の外方側の端部35aが、前記単位セル12の内方側の端部35bよりも幅広に構成される。具体的には、端部35aの幅寸法H1と端部35bの幅寸法H2とは、H1:H2=10:9〜3:1の範囲内に設定される。
The cooling medium inlet communication holes 33 a 1 and 33 a 2 are partitioned in the long side direction (arrow B direction) via the
端部35aは、冷却媒体入口連通孔33a1、33a2を構成する内壁面に曲率R1の曲面を設ける一方、端部35bは、前記冷却媒体入口連通孔33a1、33a2を構成する内壁面に曲率R2の曲面を設ける。
The end portion 35a is provided with a curved surface having a curvature R1 on the inner wall surface constituting the cooling medium inlet communication holes 33a1 and 33a2, while the
冷却媒体入口連通孔34a1、34a2、冷却媒体出口連通孔33b1、33b2及び冷却媒体出口連通孔34b1、34b2は、上記の冷却媒体入口連通孔33a1、33a2と同様に、それぞれリブ部35を介して長辺方向に仕切られている(図3及び図5参照)。
The cooling medium inlet communication holes 34a1 and 34a2, the cooling medium outlet communication holes 33b1 and 33b2, and the cooling medium outlet communication holes 34b1 and 34b2 are respectively long through the
図2及び図3に示すように、電解質膜・電極構造体24は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜36と、前記固体高分子電解質膜36を挟持するアノード側電極38及びカソード側電極40とを備える。
2 and 3, the electrolyte membrane /
アノード側電極38及びカソード側電極40は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜36の両面に形成される。
The
第1金属セパレータ26の電解質膜・電極構造体24に向かう面26aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する燃料ガス流路42が形成される。第1金属セパレータ26の面26bには、冷却媒体入口連通孔33a1、33a2及び34a1、34a2と、冷却媒体出口連通孔33b1、33b2及び34b1、34b2とを連通する冷却媒体流路44が形成される。
A fuel
第2金属セパレータ28の電解質膜・電極構造体24に向かう面28aには、酸化剤ガス流路46が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路46は、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通する。第2金属セパレータ28の面28bには、第1金属セパレータ26の面26bと重なり合って冷却媒体流路44が一体的に形成される。
The
第1金属セパレータ26の面26a、26bには、この第1金属セパレータ26の外周端縁部を周回して第1シール部材48が一体成形される。第1シール部材48は、面26aで燃料ガス入口連通孔32a、燃料ガス出口連通孔32b及び燃料ガス流路42を囲繞してこれらを連通させる一方、面26bで冷却媒体入口連通孔33a1、33a2、34a1及び34a2と、冷却媒体出口連通孔33b1、33b2、34b1及び34b2と、冷却媒体流路44とを囲繞してこれらを連通させる。
A
第2金属セパレータ28の面28a、28bには、この第2金属セパレータ28の外周端縁部を周回して第2シール部材50が一体成形される。第2シール部材50は、面28aで酸化剤ガス入口連通孔30a、酸化剤ガス出口連通孔30b及び酸化剤ガス流路46を囲繞してこれらを連通させる一方、面28bで冷却媒体入口連通孔33a1、33a2、34a1及び34a2と、冷却媒体出口連通孔33b1、33b2、34b1及び34b2と、冷却媒体流路44とを囲繞してこれらを連通させる。
A
図2に示すように、第1及び第2シール部材48、50間には、固体高分子電解質膜36の外周が直接ケーシング23に接触することを阻止すべく、シール51が介装される。図1及び図2に示すように、ターミナルプレート16a、16bの端部には、面方向に突出する板状の端子部52a、52bが形成される。
As shown in FIG. 2, a
ケーシング23は、図1及び図2に示すように、端板である第1及び第2エンドプレート20a、20bと、積層体14の側部に配置される複数の側板54a〜54dと、前記側板54a〜54dの互いに近接する端部同士をねじ止めにより連結するアングル部材(例えば、Lアングル)56a〜56dと、前記第1及び第2エンドプレート20a、20bと前記側板54a〜54dとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン58a、58bとを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図1に示すように、第1エンドプレート20aの矢印B方向一端には、酸化剤ガス入口連通孔30aに連結される酸化剤ガス供給配管60aと、燃料ガス出口連通孔32bに連結される燃料ガス排出配管62bとが設けられる。第1エンドプレート20aの矢印B方向他端には、燃料ガス入口連通孔32aに連結される燃料ガス供給配管62aと、酸化剤ガス出口連通孔30bに連結される酸化剤ガス排出配管60bとが設けられる。
As shown in FIG. 1, at one end in the arrow B direction of the
第1エンドプレート20aの上端部には、冷却媒体入口連通孔33a1、33a2、34a1及び34a2に連結される冷却媒体供給配管64aが設けられる。第1エンドプレート20aの下端部には、冷却媒体出口連通孔33b1、33b2、34b1及び34b2に連結される冷却媒体排出配管64bが設けられる。
A cooling
このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、燃料電池スタック10では、第1エンドプレート20aにおいて、酸化剤ガス供給配管60aに酸素含有ガス等の酸化剤ガス(空気)が供給されるとともに、燃料ガス供給配管62aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給配管64aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, in the
図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2金属セパレータ28の酸化剤ガス流路46に導入され、電解質膜・電極構造体24のカソード側電極40に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔32aから第1金属セパレータ26の燃料ガス流路42に導入され、電解質膜・電極構造体24のアノード側電極38に沿って移動する。
As shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
従って、各電解質膜・電極構造体24では、カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極38に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Therefore, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極40に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って流動した後、酸化剤ガス排出配管60bに排出される(図1参照)。同様に、アノード側電極38に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔32bに排出されて流動し、燃料ガス排出配管62bに排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔33a1、33a2、34a1及び34a2から第1及び第2金属セパレータ26、28間の冷却媒体流路44に導入された後、矢印C方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体24を冷却した後、冷却媒体出口連通孔33b1、33b2、34b1及び34b2を移動して冷却媒体排出配管64bに排出される。
The cooling medium flows in the direction of arrow C after being introduced into the cooling
この場合、本実施形態では、図4に示すように、冷却媒体入口連通孔33a1、33a2間にリブ部35が設けられている。このリブ部35は、単位セル12の外方側の端部35aの幅寸法H1が幅広に構成されるため、上下方向(矢印C方向)に振動等の荷重が付与された際、前記リブ部35によって前記荷重を確実に受けることができる。従って、単位セル12は、冷却媒体入口連通孔33a1、33a2の周縁部に変形や撓み等が発生することを有効に阻止することが可能になる。
In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 4, the
さらに、リブ部35は、単位セル12の内方側の端部35bの幅寸法H2が幅狭に構成されている。このため、冷却媒体入口連通孔33a1、33a2の流路面積を確保することができ、冷却媒体の流動抵抗が有効に低減される。これにより、電極面全面を均一且つ円滑に冷却することができるとともに、図示しない冷却媒体供給用のポンプ能力を上げる必要がなく、ポンプ駆動に要する燃費が向上して、経済的であるという利点が得られる。
Further, the
さらにまた、図5に示すように、第1金属セパレータ26では、通常、金属プレートに対してLIMS(液状射出成形システム)成形により樹脂材を用いて第1シール部材48が一体成形される際、位置P1〜P6に対応してLIMS成形用ゲートが設けられている。
Furthermore, as shown in FIG. 5, in the
その際、本実施形態では、冷却媒体入口連通孔33a1、33a2間及び34a1、34a2間と、冷却媒体出口連通孔33b1、33b2間及び34b1、34b2間とに、それぞれリブ部35が設けられている。従って、各リブ部35上の位置P7〜P10に対応してLIMS成形用ゲートを設けることができる。
At this time, in the present embodiment, the
このため、第1金属セパレータ26の面には、位置P1〜P10に示す位置に対応してそれぞれLIMS成形用ゲートを設けることが可能になり、ゲート間隔が有効に短尺化される。これにより、例えば、シリコン樹脂を高温の状態で第1金属セパレータ26の所望の部位にわたって良好に行きわたらせることができ、所望の第1シール部材48を効率的且つ高精度に成形することが可能になるという効果が得られる。
For this reason, it is possible to provide LIMS molding gates on the surface of the
また、リブ部35では、各端部35a、35bに対応して曲率R1、R2の曲面が形成されている。従って、単位セル12に矢印C方向の荷重が付与された際に、この荷重がリブ部35に部分的に集中することがなく、前記リブ部35の損傷を有効に回避することができる。
In the
なお、本実施形態では、連結部材として、例えば、アングル部材56a〜56dを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、側板54a〜54d自体に屈曲するフランジ部を形成し、各フランジ部をねじ止めして前記側板54a〜54d同士を連結することにより連結部材を構成してもよい。また、側板54a〜54d同士を溶接して一体化することにより、連結部材を構成してもよい。さらに、ケーシング23に代替して、第1及び第2エンドプレート20a、20bを図示しないタイロッドで締め付け保持する構成を採用してもよい。
In the present embodiment, for example,
10…燃料電池スタック 12…単位セル
14…積層体 20a、20b…エンドプレート
23…ケーシング 24…電解質膜・電極構造体
26、28…セパレータ 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…燃料ガス入口連通孔
32b…燃料ガス出口連通孔
33a1、33a2、34a1、34a2…冷却媒体入口連通孔
33b1、33b2、34b1、34b2…冷却媒体出口連通孔
35…リブ部 35a、35b…端部
36…固体高分子電解質膜 38…アノード側電極
40…カソード側電極 42…燃料ガス流路
44…冷却媒体流路 46…酸化剤ガス流路
52a、52b…端子部 54a〜54d…側板
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、それぞれリブ部により長辺方向に分割されるとともに、
前記リブ部は、前記単位セルの外方側の端部が前記単位セルの内方側の端部よりも幅広に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。 The both sides of the electrolyte provided with a pair of electrodes electrolyte electrode assembly is provided with a unit cell for clamping the oblong rectangular separator, a plurality of unit cells are stacked in the horizontal direction, opposite of each unit cell The long side is a fuel cell stack in which a cooling medium inlet communication hole and a cooling medium outlet communication hole are formed through each in the stacking direction,
The cooling medium inlet communication hole and the cooling medium outlet communication hole are each divided in the long side direction by a rib portion, and
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the rib portion is configured such that an outer end portion of the unit cell is wider than an inner end portion of the unit cell.
各冷却媒体入口連通孔間及び各冷却媒体出口連通孔間に前記リブ部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。The fuel cell stack, wherein the rib portions are provided between the cooling medium inlet communication holes and between the cooling medium outlet communication holes.
前記金属セパレータに成形されるシール部材の成形用ゲートが、前記リブ部に対応して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。A fuel cell stack, wherein a molding gate of a sealing member molded on the metal separator is provided corresponding to the rib portion.
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