JP4928251B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを積層する積層体が、絶縁部材間に配設される燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack in which a laminate in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator are laminated is disposed between insulating members.
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アノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単位セルを備えている。通常、単位セルを複数積層することにより燃料電池スタックが構成されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. An electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane includes a unit cell sandwiched by separators. Usually, a fuel cell stack is formed by stacking a plurality of unit cells.
ところで、燃料電池スタックでは、外部から水等が浸入して漏電が発生することを阻止する必要がある。一方、燃料電池スタックでは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をシールするため、種々のシール部材が用いられているが、前記シール部材を透過した燃料ガスが前記燃料電池スタック内に残存するおそれがある。 By the way, in the fuel cell stack, it is necessary to prevent water from entering from the outside and causing electric leakage. On the other hand, in the fuel cell stack, various seal members are used to seal the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium. However, the fuel gas that has permeated the seal member may remain in the fuel cell stack. There is.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池用ケースが知られている。図11に示すように、ケース1内には、燃料電池スタック2が収容されるとともに、前記ケース1の最上部に設けられる換気口3は、水は透過しないが水素や空気等の気体は透過する水素透過膜4により密封されている。
Thus, for example, a fuel cell case disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 11, the
しかしながら、上記の特許文献1では、燃料電池スタック2がケース1内に収容されるため、前記ケース1の外形寸法が前記燃料電池スタック2の寸法に比べて大きくなるとともに、前記ケース1自体が相当に重量物になるという問題がある。
However, in Patent Document 1 described above, since the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック全体の小型化且つ軽量化を図るとともに、防水性及び防塵性が向上し、しかも反応ガスを外部に良好に希釈排出させ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 it is possible to reduce the size and weight of the entire fuel cell stack, improve waterproofness and dustproofness, and allow the reaction gas to be diluted and discharged well outside. An object is to provide a possible fuel cell stack.
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを積層する積層体が、絶縁部材間に配設される燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack in which a laminate in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a separator are laminated is disposed between insulating members.
燃料電池スタックは、積層体を覆って少なくとも絶縁部材間に挟まれる範囲を周回する筒状カバー部材を備えるとともに、前記筒状カバー部材は、液体に対して非透過性で且つ気体に対して透過性を有する気体透過膜を設けている。 The fuel cell stack includes a cylindrical cover member that covers the laminate and circulates at least in a range sandwiched between insulating members, and the cylindrical cover member is impermeable to liquid and permeable to gas. A gas permeable membrane having properties is provided.
また、筒状カバー部材は、絶縁部材に係合する部分に弾性を有するシール部材を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable that a cylindrical cover member is provided with the sealing member which has elasticity in the part engaged with an insulating member.
さらに、絶縁部材が一対のエンドプレート間に挟持されるとともに、積層体及び筒状カバー部材は、前記一対のエンドプレートを端板とするケーシングにより囲繞されることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the insulating member is sandwiched between the pair of end plates, and the laminated body and the cylindrical cover member are surrounded by a casing having the pair of end plates as end plates.
さらにまた、絶縁部材が一対のエンドプレート間に挟持されるとともに、前記一対のエンドプレートは、締結部材により積層方向に伸縮可能に締め付け保持されることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the insulating member is sandwiched between a pair of end plates, and the pair of end plates are clamped and held by a fastening member so as to be expandable and contractable in the stacking direction.
また、筒状カバー部材は、異方性の素材で構成されるとともに、積層方向に沿って最大の伸縮性を有することが好ましい。 In addition, the cylindrical cover member is preferably made of an anisotropic material and has maximum stretchability along the stacking direction.
本発明では、少なくとも絶縁部材間に挟まれる範囲を筒状カバー部材により周回するだけでよい。従って、燃料電池スタックの内部に外部から水や塵埃等が進入することを阻止するために、前記燃料電池スタックを、例えば、密封容器内に収容する必要がない。これにより、燃料電池スタック全体の軽量化及び小型化が容易に図られるとともに、前記燃料電池スタックの内部の防水性及び防塵性を向上させることができる。 In the present invention, it is only necessary to circulate at least the range sandwiched between the insulating members by the cylindrical cover member. Therefore, in order to prevent water, dust, etc. from entering the inside of the fuel cell stack from the outside, it is not necessary to accommodate the fuel cell stack in, for example, a sealed container. As a result, the entire fuel cell stack can be easily reduced in weight and size, and the waterproofness and dustproofness inside the fuel cell stack can be improved.
しかも、燃料電池スタックの内部から反応ガスが漏れた際には、積層体を周回する筒状カバー部材が十分な面積を確保するため、前記反応ガスを速やかに外部に排出させることが可能になる。従って、燃料電池スタックの外部で反応ガスを良好に希釈することができ、例えば、換気装置等が不要になって経済的である。 In addition, when the reaction gas leaks from the inside of the fuel cell stack, the cylindrical cover member that circulates around the stacked body secures a sufficient area, so that the reaction gas can be quickly discharged to the outside. . Therefore, the reaction gas can be diluted well outside the fuel cell stack, and for example, a ventilation device or the like is not required, which is economical.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の概略斜視図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の一部分解斜視説明図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
燃料電池スタック10は、積層体12を備え、この積層体12がケーシング14内に収容される。積層体12は、複数の単位セル16が水平方向(矢印A方向)に積層されるとともに、積層方向の両端には、ターミナルプレート18a、18b及び絶縁プレート20a、20bを介して、ケーシング14を構成するエンドプレート22a、22bが配設される。
The
図3に示すように、各単位セル16は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)26と、前記電解質膜・電極構造体26を挟持する薄板波形状の第1及び第2セパレータ28、30とを備えるとともに、縦長に構成される。第1及び第2セパレータ28、30としては、例えば、波形状に加工された金属セパレータやカーボンセパレータ等が使用される。
As shown in FIG. 3, each
単位セル16の長辺方向(矢印C方向)の一端縁部(上端縁部)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供給連通孔32a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔34a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔36aが設けられる。
One end edge (upper end edge) of the
単位セル16の長辺方向の他端縁部(下端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔36b、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔34b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔32bが設けられる。
The other end edge (lower end edge) in the long side direction of the
電解質膜・電極構造体26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38と、前記固体高分子電解質膜38を挟持するアノード側電極40及びカソード側電極42とを備える。
The electrolyte membrane /
第1セパレータ28の電解質膜・電極構造体26に向かう面には、燃料ガス供給連通孔36aと燃料ガス排出連通孔36bとを連通する燃料ガス流路44が形成される。この燃料ガス流路44は、例えば、矢印C方向に延在する溝部により構成される。
On the surface of the
第2セパレータ30の電解質膜・電極構造体26に向かう面には、例えば、矢印C方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路46が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路46は、酸化剤ガス供給連通孔32aと酸化剤ガス排出連通孔32bとに連通する。第2セパレータ30の他方の面には、第1セパレータ28と重なり合って冷却媒体流路48が一体的に形成される。図示しないが、第1及び第2セパレータ28、30には、所望の形状に設定されるシール部材が一体成形又は介装される。
The surface of the
図4に示すように、燃料電池スタック10は、積層体12を覆って絶縁プレート20a、20b間に挟まれる範囲を周回する筒状カバー部材50を備える。筒状カバー部材50は、液体に対して非透過性で且つ気体に対して透過性を有する気体透過膜を設けている。この気体透過膜としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を加熱延展させて繊維構造とした多孔質膜により構成されている。筒状カバー部材50は、異方性を有しており、積層方向に沿って最大の伸縮性を有している。
As shown in FIG. 4, the
筒状カバー部材50の両端には、肉厚部52a、52bが形成されている。この肉厚部52a、52bは、絶縁プレート20a、20bの外周に形成された溝部53a、53bに係合することにより、筒状カバー部材50が前記絶縁プレート20a、20bに支持される。
Thick
図2に示すように、ケーシング14は、端板であるエンドプレート22a、22bと、単位セル16が積層された積層体12の側部に配置される4枚の側部プレート54a〜54dと、前記エンドプレート22a、22bと前記側部プレート54a〜54dとを連結するヒンジ構造56と、前記側部プレート54a〜54dの互いに近接する端部同士をボルト58により連結するアングル部材60a〜60dとを備える。
As shown in FIG. 2, the
ヒンジ構造56は、エンドプレート22a、22bの上下左右各辺に設けられる第1円筒部62a、62bと、側部プレート54a〜54dの長手方向両端に設けられ、前記第1円筒部62a、62bと交互且つ同軸に配置される第2円筒部64a〜64dと、前記第1円筒部62a、62b及び前記第2円筒部64a〜64dに一体に挿入されるそれぞれ長さの異なるピン部材66a、66bとを備える。
The
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、燃料電池スタック10では、図1に示すように、エンドプレート22aの酸化剤ガス供給連通孔32aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔36aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔34aに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、矢印A方向に重ね合わされた複数の単位セル16に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印A方向に供給される。
First, in the
図3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔32aから第2セパレータ30の酸化剤ガス流路46に導入され、電解質膜・電極構造体26のカソード側電極42に沿って矢印C方向に移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔36aから第1セパレータ28の燃料ガス流路44に導入され、電解質膜・電極構造体26のアノード側電極40に沿って矢印C方向に移動する。
As shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各電解質膜・電極構造体26では、カソード側電極42に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極40に供給される燃料ガスとが、図示しない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42に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔32bから外部に排出される。同様に、アノード側電極40に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔36bから外部に排出される。
Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔34aから第1及び第2セパレータ28、30間の冷却媒体流路48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26を冷却した後、冷却媒体排出連通孔34bから排出される。
The cooling medium flows in the direction of the arrow C after being introduced into the cooling
この場合、第1の実施形態では、図4に示すように、筒状カバー部材50が、積層体12を覆って絶縁プレート20a、20b間に設けられるとともに、前記筒状カバー部材50は、液体に対して非透過性で且つ気体に対して透過性を有する気体透過膜を設けている。このため、燃料電池スタック10の内部に外部から水や塵埃等が進入することを阻止するために、前記燃料電池スタック10を、例えば、図示しない密封容器内に収容する必要がない。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 4, a
これにより、燃料電池スタック10全体の軽量化及び小型化が容易に図られるとともに、前記燃料電池スタック10の内部の防水性及び防塵性を向上させることができるという効果が得られる。
Accordingly, it is possible to easily reduce the weight and size of the entire
しかも、積層体12の内部から反応ガス、例えば、燃料ガスが漏れた際には、前記積層体12を周回する筒状カバー部材50が十分な面積を確保するため、前記燃料ガスを速やかに前記積層体12の外部に排出させることが可能になる。従って、積層体12の外部で燃料ガスを良好に希釈することができ、例えば、排気装置等が不要になって、経済的であるという利点がある。
In addition, when a reaction gas, for example, fuel gas, leaks from the inside of the laminate 12, the
図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック70の側面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3及び第4の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 5 is an explanatory side view of the
燃料電池スタック70は、積層体12を収容するケーシング72を備えるとともに、絶縁プレート20a、20bに筒状カバー部材74が支持される。筒状カバー部材74は、気体透過膜76と弾性を有するシール部材78とを備え、前記気体透過膜76と前記シール部材78とが、接着あるいは熱溶着等によって一体化される。シール部材78には、絶縁プレート20a、20bの溝部53a、53bに係合する膨出部80a、80bが一体形成される。
The
ケーシング72は、エンドプレート22a、22bを端板とし、4枚の側部プレート82がヒンジ構造84により連結される。ヒンジ構造84は、積層体12側に突出するパネル部86を設けており、前記パネル部86は、筒状カバー部材74を構成するシール部材78に係合する。
The
パネル部86は、シール部材78を押圧保持することにより、筒状カバー部材74を絶縁プレート20a、20bに固定する機能を有するとともに、シール部材78の浮き上がりを防止し、シール性を確保する機能をも有している。
The
これにより、第2の実施形態では、筒状カバー部材74を用いることによって、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、筒状カバー部材74の外周をケーシング72を介して囲繞することにより、薄肉な気体透過膜76の損傷を防止することができる。
Thereby, in 2nd Embodiment, the effect similar to said 1st Embodiment is acquired by using the
なお、第1及び第2の実施形態では、筒状カバー部材50、74に代えて、例えば、図6に示す筒状カバー部材90を用いてもよい。この筒状カバー部材90は、気体透過膜92の内側に吸水層94が設けられている。
In the first and second embodiments, for example, a
従って、各単位セル16を構成する第1セパレータ28や第2セパレータ30の表面に生じる結露水を、速やかに吸水層94により吸収して拡散させることができる。このため、第1セパレータ28や第2セパレータ30に結露水が滞留することを防止するとともに、気体透過膜92を透過して外部への蒸発が促進されるという利点がある。
Therefore, the dew condensation water generated on the surfaces of the
図7は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック100の概略斜視図であり、図8は、前記燃料電池スタック100の一部省略斜視図である。
FIG. 7 is a schematic perspective view of a
燃料電池スタック100は、各単位セル16毎又は複数の単位セル16毎にセル電圧を検出するための複数のコネクタ102を備えており、前記コネクタ102は、図示しないセル電圧端子に接続されている。各コネクタ102に接続されるハーネス104は、図示しない電圧測定装置に接続される。
The
図8及び図9に示すように、積層体12を覆って筒状カバー部材106が設けられる。筒状カバー部材106は、気体透過膜76とシール部材78とを一体化して構成されるとともに、コネクタ102に対応してシール部108が設けられる。このシール部108の開口部110は、コネクタカバー112に覆われており、前記コネクタカバー112と前記シール部108とは、防水性を確保した接続構造114を構成する。
As shown in FIGS. 8 and 9, a
筒状カバー部材106は、予め筒状に構成してもよく、あるいはシート状の両端部に防水性を有する接続構造114を設け、前記両端部を互いに接合して筒状に形成してもよい。また、この筒状カバー部材106を2分割等に分割してもよい。これにより、組立性及びメンテナンス性の向上が図られるからである。
The
図10は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタック120の側面説明図である。
FIG. 10 is an explanatory side view of the
燃料電池スタック120は、絶縁プレート20a、20bの外方に、エンドプレート122aと中間プレート124とが配置されるとともに、前記中間プレート124には、複数の皿ばね126を介装してエンドプレート122bが配設される。エンドプレート122a、122b間には、締結部材、例えば、複数本の締め付けボルト128とナット130とにより積層方向(矢印A方向)に締め付け力が付与される。なお、締結部材としては、締め付けボルト128に代えて、バンド部材やワイヤー部材等が使用可能である。
In the
積層体12を覆って絶縁プレート20a、20bに筒状カバー部材132が装着される。この筒状カバー部材132は、例えば、第1の実施形態に用いられている筒状カバー部材50と同様に構成される。
A
筒状カバー部材132は、絶縁プレート20a、20b間の寸法変動に応じて矢印A方向に伸縮可能に構成されることが好ましく、矢印A方向に伸縮性を有する繊維構造に設定される。
The
これにより、第4の実施形態では、ケーシング構造に代えて締め付けボルト128とナット130とを用いるために、特に、絶縁プレート20a、20b間の距離が変動する。その際、筒状カバー部材132自体の伸縮性によって、絶縁プレート20a、20b間の変動に容易に追従することができる。従って、積層体12の内部に外部から水や塵埃等が進入することを阻止するとともに、燃料ガスを外部に速やかに排出させることが可能になる等、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。
Thereby, in the fourth embodiment, since the tightening
10、70、100、120…燃料電池スタック
12…積層体 14、72…ケーシング
16…単位セル 20a、20b…絶縁プレート
22a、22b、122a、122b…エンドプレート
26…電解質膜・電極構造体 28、30…セパレータ
32a…酸化剤ガス供給連通孔 32b…酸化剤ガス排出連通孔
34a…冷却媒体供給連通孔 34b…冷却媒体排出連通孔
36a…燃料ガス供給連通孔 36b…燃料ガス排出連通孔
38…固体高分子電解質膜 40…アノード側電極
42…カソード側電極 44…燃料ガス流路
46…酸化剤ガス流路 48…冷却媒体流路
50、74、90、106、132…筒状カバー部材
52a、52b…肉厚部 53a、53b…溝部
76、92…気体透過膜 78…シール部材
80a、80b…膨出部 86…パネル部
94…吸水層 102…コネクタ
108…シール部 112…コネクタカバー
124…中間プレート 126…皿ばね
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記積層体を覆って少なくとも前記絶縁部材間に挟まれる範囲を周回する筒状カバー部材を備えるとともに、
前記筒状カバー部材は、液体に対して非透過性で且つ気体に対して透過性を有する気体透過膜を設けることを特徴とする燃料電池スタック。 A laminate in which a separator and an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte are stacked is a fuel cell stack disposed between insulating members,
While including a cylindrical cover member that covers the laminate and circulates at least in a range sandwiched between the insulating members,
The fuel cell stack, wherein the cylindrical cover member is provided with a gas permeable membrane that is impermeable to liquid and permeable to gas.
前記積層体及び前記筒状カバー部材は、前記一対のエンドプレートを端板とするケーシングにより囲繞されることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein the insulating member is sandwiched between a pair of end plates,
The fuel cell stack, wherein the laminate and the cylindrical cover member are surrounded by a casing having the pair of end plates as end plates.
前記一対のエンドプレートは、締結部材により積層方向に伸縮可能に締め付け保持されることを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein the insulating member is sandwiched between a pair of end plates,
The pair of end plates are fastened and held by a fastening member so as to be expandable and contractable in the stacking direction.
積層方向に沿って最大の伸縮性を有することを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, wherein the cylindrical cover member is made of an anisotropic material,
A fuel cell stack having maximum elasticity along the stacking direction.
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