JP5082331B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池は、通常は単セルを積層したセルスタックを有している。単セルとは、電解質膜を2つの電極層で挟持した膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)をさらにセパレータで挟持した発電モジュールである。セルスタックは、両側からエンドプレートによって挟持された状態で締結部材によって積層方向に締結荷重がかけられ燃料電池スタックとなる。 A fuel cell usually has a cell stack in which single cells are stacked. A single cell is a power generation module in which a membrane electrode assembly (MEA) in which an electrolyte membrane is sandwiched between two electrode layers is further sandwiched between separators. The cell stack is a fuel cell stack in which a fastening load is applied in the stacking direction by a fastening member while being sandwiched by end plates from both sides.
ところで、そうした燃料電池スタックにおいては、燃料電池スタックの環境温度や使用状態の変化によって、エンドプレート及び締結部材によって加えられる締結荷重が大きく変化する場合がある。例えば、燃料電池スタックの運転を継続し作動温度が上昇した場合に、セルスタックの積層方向への熱膨張量と締結部材の同方向への熱膨張量との差によって締結荷重は増加又は減少する傾向がある。 By the way, in such a fuel cell stack, the fastening load applied by the end plate and the fastening member may greatly change depending on the environmental temperature of the fuel cell stack and the change in the usage state. For example, when the operation of the fuel cell stack continues and the operating temperature rises, the fastening load increases or decreases depending on the difference between the thermal expansion amount in the stacking direction of the cell stack and the thermal expansion amount in the same direction of the fastening member. Tend.
そのような締結荷重が増加しすぎると最悪の場合、燃料電池スタックの構成部材の破損を引き起こす可能性がある。また、締結荷重が減少しすぎると、燃料電池スタックの構成部材間の密着度が低下しガスの漏洩などを引き起こすなど、燃料電池スタックの出力低下の原因となる場合がある。従って、燃料電池スタックにかかる締結荷重は一定していることが好ましい。 If such a fastening load increases too much, in the worst case, the components of the fuel cell stack may be damaged. Further, if the fastening load is excessively reduced, the degree of adhesion between the constituent members of the fuel cell stack may be reduced, causing gas leakage and the like, which may cause a decrease in the output of the fuel cell stack. Therefore, it is preferable that the fastening load applied to the fuel cell stack is constant.
そうした締結荷重を一定に保つために、セルスタックとエンドプレートとの間にロードセルなどのバネ機構を設けた燃料電池スタックが一般に知られている。また、燃料電池スタックの構成部材及び締結部材の線膨張係数に着目して締結荷重を燃料電池スタックの温度変化に対し一定に保つ技術が提案されている(特許文献1)。 In order to keep such a fastening load constant, a fuel cell stack in which a spring mechanism such as a load cell is provided between the cell stack and the end plate is generally known. Further, a technique for keeping the fastening load constant with respect to the temperature change of the fuel cell stack by focusing on the linear expansion coefficients of the constituent members and fastening members of the fuel cell stack has been proposed (Patent Document 1).
しかし、ロードセルなどを設けた燃料電池スタックの場合は、燃料電池スタックの部品数増加によるコストアップや重量増/体積増といった問題がある。また、特許文献1に示された技術においては、燃料電池スタックの環境温度のみに着目しているため根本的な解決には至っていない。
However, in the case of a fuel cell stack provided with a load cell or the like, there are problems such as an increase in cost due to an increase in the number of parts of the fuel cell stack and an increase in weight / volume. Further, the technique disclosed in
本発明は、燃料電池スタックに加わる締結荷重の変化を軽減する技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique which reduces the change of the fastening load added to a fuel cell stack.
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池スタックであって、単セルを積層したセルスタックと、前記セルスタックを両側から挟持するエンドプレートと、前記セルスタックと前記エンドプレートとを締結するための締結具とを備え、前記単セルは、電解質膜を含む発電部位と電解質膜を含まない非発電部位とを有し、前記締結具は、発電部締結具と非発電部締結具とを含み、前記発電部締結具は前記非発電部締結具よりも前記発電部位に近い部位に設けられており、前記非発電部締結具の線膨張係数は前記非発電部位を構成する部材の線膨張係数の厚み方向の平均である非発電部線膨張係数とほぼ同じ値であり、前記発電部締結具の線膨張係数は前記非発電部締結具の線膨張係数より大きいことを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention provides a fuel cell stack, in which a cell stack in which single cells are stacked, an end plate that sandwiches the cell stack from both sides, and the cell stack and the end plate are fastened. The single cell has a power generation part including an electrolyte membrane and a non-power generation part not including the electrolyte membrane, and the fastener includes a power generation part fastener and a non-power generation part fastener. The power generation unit fastener is provided in a portion closer to the power generation part than the non-power generation part fastener, and the linear expansion coefficient of the non-power generation part fastener is a line of a member constituting the non-power generation part The coefficient of expansion is approximately the same as the coefficient of linear expansion of the non-power generation part, which is an average of the expansion direction in the thickness direction, and the coefficient of linear expansion of the power generation part fastener is greater than the coefficient of linear expansion of the non-power generation part fastener.
この構成によれば、燃料電池スタックを運転したときに、発電部位が各構成部材の熱膨張及び電解質膜の膨潤などによりスタック積層方向に膨張した場合でも、発電部締結具の膨張量が発電部位の膨張量より大きいため、発電部位にかかる締結荷重が増加することを防げる。また、非発電部位における各構成部材の単セルの厚み方向の熱膨張量と非発電部締結具の膨張量がほぼ等しくなり、非発電部位にかかる締結荷重をほぼ一定にすることができる。従って、燃料電池スタック全体で見たときに、燃料電池スタックにかかる締結荷重の変化を軽減できる。 According to this configuration, when the fuel cell stack is operated, even if the power generation site expands in the stack stacking direction due to thermal expansion of each component and swelling of the electrolyte membrane, the expansion amount of the power generation unit fastener is the power generation site. Therefore, the fastening load applied to the power generation site can be prevented from increasing. Further, the amount of thermal expansion in the thickness direction of the single cell of each constituent member in the non-power generation part and the expansion amount of the non-power generation part fastener are substantially equal, and the fastening load applied to the non-power generation part can be made substantially constant. Therefore, a change in the fastening load applied to the fuel cell stack can be reduced when viewed from the whole fuel cell stack.
前記燃料電池スタックの起動前から運転継続時までに発生する前記発電部位の熱膨張量と前記電解質膜の膨潤による膨張量との合計が、前記発電部締結具の熱膨張量とほぼ同じであることを特徴とするものとしても良い。 The sum of the thermal expansion amount of the power generation site generated from the start of the fuel cell stack to the continuation of operation and the expansion amount due to swelling of the electrolyte membrane is substantially the same as the thermal expansion amount of the power generation unit fastener. It is good also as what is characterized by this.
この構成によれば、各構成部材の熱膨張や電解質膜の膨潤によって発電部に加わる締結荷重の変化を低減することをできる。 According to this configuration, it is possible to reduce a change in fastening load applied to the power generation unit due to thermal expansion of each component member or swelling of the electrolyte membrane.
前記発電部締結具は、前記発電部位に囲まれた部位に設けられていることを特徴とするものとしても良い。 The power generation unit fastener may be provided in a part surrounded by the power generation part.
この構成によれば、発電部締結具によって直接発電部位に締結荷重を加えることができるため、より燃料電池スタックに加わる締結荷重の変化を軽減することができる。 According to this configuration, since the fastening load can be directly applied to the power generation site by the power generation unit fastener, the change in the fastening load applied to the fuel cell stack can be further reduced.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば燃料電池、その燃料電池を使用した燃料電池システム、その燃料電池を備えた車両等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system using the fuel cell, a vehicle including the fuel cell, and the like.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.参考例:
B.第1実施例:
C.第2実施例:
D.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Reference example:
B. First embodiment:
C. Second embodiment:
D. Variations:
A.参考例:
図1は参考例として燃料電池スタック100の構成を示す概略図である。燃料電池スタック100は、単セル10を積層したセルスタック100sを両側から2つのエンドプレート11a、11bによって挟持した構成である。単セル10については後述する。
A. Reference example:
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a
2つのエンドプレート11a、11bはセルスタック100sと重ねたときにセルスタック100sと接しない外縁部11eを有している。2つのエンドプレート11a、11bの四隅には外縁部11eを貫通する締結部材12が設けられている。締結部材12によって2つのエンドプレート11a、11bは、セルスタック100sを締め付け、セルスタック100sの積層方向に締結荷重をかけている。
The two
締結部材12は、セルスタック100sの積層方向に延びたシャフト部12sを備えている。また、シャフト部12sの両端にはナット部12nが設けられている。なお、締結部材12は他の形状のものとしても良く、また、2つのエンドプレート11a、11bの四隅以外の部位にさらに複数の締結部材12が設けられているものとしても良い。
The
図2(A)は、燃料電池スタック100を構成する単セル10の断面を示す概略図である。単セル10は、膜電極接合体MEAが2つのセパレータSP(後述)で挟持された発電モジュールである。膜電極接合体MEAは、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜20を2つの電極層21、22で挟持したものであり、その外周縁にはシールガスケット30が成形されている。
FIG. 2A is a schematic view showing a cross section of the
2つの電極層21、22の電解質膜20と接しない外面には燃料ガス及び酸化ガス(両者を併せて「反応ガス」と呼ぶ)を電極層21、22の全体に供給するためのガス拡散層25がそれぞれ設けられている。ガス拡散層25は、膜電極接合体MEAがセパレータSPによって挟持されたときに電極層21、22と接しない外面がセパレータSPと接するように設けられている。また、2つの電極層21、22には電気化学反応を促進するための触媒層が、例えば白金などを担持することによって設けられていることが好ましい。
A gas diffusion layer for supplying fuel gas and oxidizing gas (both are collectively referred to as “reactive gas”) to the
シールガスケット30は、膜電極接合体MEAに供給された反応ガスの単セル10の外部への漏洩やクロスリークを防ぐためのものである。ここで「クロスリーク」とは、アノード電極層21に供給された燃料ガスの一部が燃料電池反応に供されることなく、そのまままカソード電極層22へと漏洩することをいう。さらにシールガスケット30には反応ガス及び冷媒をセルスタック100s(図1)の各単セル10に供給するための複数の貫通孔であるマニホールド孔M1〜M6が設けられている。
The
マニホールド孔M1〜M6は、反応ガス及び冷媒の供給用マニホールド孔M1〜M3と排出用マニホールド孔M4〜M6とを含む。より具体的には、供給用マニホールド孔M1〜M3は、燃料ガスの供給用マニホールド孔M1と、酸化ガスの供給用マニホールド孔M2と、冷媒の供給用マニホールド孔M3とで構成される。排出用マニホールド孔M4〜M6は、燃料ガスの排出用マニホールド孔M4と、酸化ガスの排出用マニホールド孔M5と、冷媒の排出用マニホールド孔M6とで構成される。供給用マニホールド孔M1〜M3と排出用マニホールド孔M4〜M6とは、電解質膜20を挟んで対向する部位にそれぞれ設けられている。なお、マニホールド孔M1〜M6は他の構成であっても良い。
The manifold holes M1 to M6 include reaction gas and refrigerant supply manifold holes M1 to M3 and discharge manifold holes M4 to M6. More specifically, the supply manifold holes M1 to M3 include a fuel gas supply manifold hole M1, an oxidizing gas supply manifold hole M2, and a refrigerant supply manifold hole M3. The discharge manifold holes M4 to M6 include a fuel gas discharge manifold hole M4, an oxidizing gas discharge manifold hole M5, and a refrigerant discharge manifold hole M6. The supply manifold holes M1 to M3 and the discharge manifold holes M4 to M6 are respectively provided in portions facing each other with the
セパレータSPは、アノード電極層21側のガス拡散層25に接するアノードプレート41と、カソード電極層22側のガス拡散層25に接するカソードプレート43とを備える。また、セパレータSPは、2つのプレート41、43に挟持される冷却プレート42を備えている。セパレータSPには膜電極接合体MEAと同様に貫通孔であるマニホールド孔M1〜M6が設けられている。セパレータSPのマニホールド孔M1〜M6は、膜電極接合体MEAのマニホールド孔M1〜M6に接続している。
The separator SP includes an
3枚のプレート41、42、43は導電性のある金属板で構成されているため、セパレータSPは燃料電池反応で生じた電気を集電する機能を有している。また、冷却プレート42には冷却プレート42を厚み方向に貫通し、冷媒供給用マニホールド孔M3から冷媒排出用マニホールド孔M6に向かう方向に複数の冷媒流路(図示せず)が並列に設けられている。冷媒流路は、マニホールド孔M3、M6と接続しており、冷媒が流入することによって単セル10を冷却する機能を有している。
Since the three
シールガスケット30の表面にはリップと呼ばれる突起部(図示せず)が設けられている。リップはシールライン(図示せず)を形成しており、リップがセパレータSPに押圧されることによって、シールガスケット30と2つのプレート41、43との間に、マニホールド孔M1、M2、M4、M5からガス拡散層25に反応ガスを供給するための流路が形成される。即ち、セパレータSPは、膜電極接合体MEAに反応ガスを供給する機能を有している。
A protrusion (not shown) called a lip is provided on the surface of the
なお、セパレータSPは3枚のプレート41、42、43を備えた3層型セパレータでなくとも良い。例えば、セパレータSPは、膜電極接合体MEAとの接触面に反応ガスの流路となる溝が設けられたものとしても良い。
The separator SP does not have to be a three-layer separator provided with three
図2(B)は、単セル10を燃料電池スタック100として組み付けエンドプレート11a側から見たときの概略図である。エンドプレート11aにも単セル10と同様に貫通孔であるマニホールド孔M1〜M6が設けられている。エンドプレート11aのマニホールド孔M1〜M6は単セル10に設けられたマニホールド孔M1〜M6と接続している。マニホールド孔M1〜M6は、燃料電池スタック100の外部にある反応ガスや冷媒を供給するための反応ガス供給部(図示せず)や冷媒供給部(図示せず)と接続する。
FIG. 2B is a schematic view when the
なお、本明細書において単セル10の電解質膜20を含み、主に燃料電池反応の行われる部位を「発電部200」と呼び、電解質膜20をほとんど含まず、燃料電池反応の行われない部位を「非発電部300」と呼ぶ。即ち、発電部200は、主に電解質膜20と、電極層21、22と、ガス拡散層25とが積層された構成であり、非発電部300は主にシールガスケット30とセパレータSPとが積層された構成である。
In this specification, the part including the
燃料電池は一般に、使用状況によって温度変化が著しい。具体的には、その作動温度が−30℃〜60℃にまで変化する場合がある。また、燃料電池は一般に、湿潤状態で作動させることが好ましいため、起動時に乾燥状態であっても、運転動作中は湿潤状態に保たれる。 In general, the temperature change of a fuel cell is remarkable depending on the usage condition. Specifically, the operating temperature may change from −30 ° C. to 60 ° C. In general, since the fuel cell is preferably operated in a wet state, the fuel cell is kept in a wet state during a driving operation even if it is in a dry state at the time of startup.
燃料電池スタックの各構成部材は、燃料電池スタックの作動温度が上昇すれば、その線膨張係数に応じた量の膨張をする。また、電解質膜を構成する電解質膜は、湿度による膨潤が著しいことが一般に知られている。ここで、燃料電池スタックの単セルの各構成部材の積層方向への膨張量の合計を「スタック膨張量」と呼ぶ。スタック膨張量は、熱による膨張量と湿潤化による膨張量との和である。また、燃料電池スタックを締結する締結部材の単セルの積層方向への膨張量を「締結部材膨張量」と呼ぶ。 Each component of the fuel cell stack expands by an amount corresponding to its linear expansion coefficient when the operating temperature of the fuel cell stack rises. Further, it is generally known that the electrolyte membrane constituting the electrolyte membrane is significantly swollen by humidity. Here, the total expansion amount in the stacking direction of the constituent members of the single cell of the fuel cell stack is referred to as “stack expansion amount”. The stack expansion amount is the sum of the expansion amount due to heat and the expansion amount due to wetting. Further, the amount of expansion of the fastening member that fastens the fuel cell stack in the stacking direction of the single cells is referred to as “fastening member expansion amount”.
燃料電池スタックの起動前から継続運転時までに発生するスタック膨張量と締結部材膨張量との間で差が生じると、その分だけ締結部材によって燃料電池スタックにかかる締結荷重(以下、単に「締結荷重」と呼ぶ)は変化する。より具体的には、スタック膨張量より締結部材膨張量が小さい場合には、締結荷重は増加し、スタック膨張量より締結部材膨張量が大きい場合には、締結荷重は減少する。 If there is a difference between the amount of expansion of the stack that occurs between the start of the fuel cell stack and the continuous operation, and the amount of expansion of the fastening member, the fastening load applied to the fuel cell stack by the fastening member (hereinafter referred to simply as “fastening”). Called “load”). More specifically, the fastening load increases when the fastening member expansion amount is smaller than the stack expansion amount, and the fastening load decreases when the fastening member expansion amount is larger than the stack expansion amount.
締結荷重の増加が著しいときには、電解質膜の破壊など各構成部材の破損の可能性が増し、締結荷重の低下が著しいときには、燃料電池スタックの出力低下や、ガスの漏洩の原因となる場合がある。従って、締結荷重は一般に燃料電池スタックの環境温度や動作状態に関わらず一定していることが好ましい。 When the fastening load increases significantly, there is an increased possibility of damage to each component such as destruction of the electrolyte membrane, and when the fastening load decreases significantly, it may cause a decrease in fuel cell stack output and gas leakage. . Therefore, it is generally preferable that the fastening load is constant regardless of the environmental temperature and operating state of the fuel cell stack.
図3(A)は、燃料電池スタック100の動作温度の変化に対する締結荷重の変化を示したグラフである。グラフG1は、燃料電池スタック100が乾燥状態で−30℃〜60℃の温度変化をした場合を示し、グラフG2は、燃料電池スタック100が湿潤状態で−30℃〜60℃の変化をした場合を示している。即ち、これらのグラフG1、G2における締結荷重の変化は、スタック膨張量のうち熱膨張によるもの(以下「スタック熱膨張量」と呼ぶ)と締結部材膨張量の差によって生じていることを示している。
FIG. 3A is a graph showing a change in fastening load with respect to a change in operating temperature of the
なお、スタック熱膨張量及び締結部材膨張量の差は、燃料電池スタックの線膨張係数αs及び締結部材の線膨張係数αcの差によって発生する。ここで、一般に積層体の積層方向の線膨張係数は、各層の線膨張係数を、各層の厚みで重み付き平均することによって求めることができる。燃料電池スタックの線膨張係数αsも、各層の構成部材の線膨張係数とその厚みによって求めることができる。 The difference between the stack thermal expansion amount and the fastening member expansion amount is caused by the difference between the linear expansion coefficient αs of the fuel cell stack and the linear expansion coefficient αc of the fastening member. Here, in general, the linear expansion coefficient in the stacking direction of the laminate can be obtained by weighted averaging of the linear expansion coefficient of each layer by the thickness of each layer. The linear expansion coefficient αs of the fuel cell stack can also be obtained from the linear expansion coefficient of the constituent members of each layer and the thickness thereof.
2つのグラフG1、G2からも理解できるように、この燃料電池スタック100では、スタック熱膨張量より締結部材膨張量が大きく、作動温度が上昇するに従い締結荷重が低下する。これは乾燥状態においても湿潤状態においても同様である。ただし、湿潤状態の燃料電池スタック100では電解質膜20の膨潤による膨張量が加わるため、締結荷重は乾燥状態の燃料電池スタック100より高くなる。後述するように、燃料電池スタック100では、起動時(作動温度−30℃;乾燥状態)の締結荷重と運転動作継続時(作動温度60℃;湿潤状態)の締結荷重がほぼ一致するように部材が選択される。
As can be understood from the two graphs G1 and G2, in this
図3(B)は、燃料電池スタック100の各構成部材の線膨張係数及び燃料電池スタックの線膨張係数αsと膨張量の計算結果の一例を示した表である。なお、膨張量の計算にあたっては、燃料電池スタック100を起動前から継続運転時までに、その作動温度が−30℃から60℃に変化した場合の単セル10あたりの発電部200(図2(B))における厚み方向の膨張量を計算する。
FIG. 3B is a table showing an example of the linear expansion coefficient of each component of the
参考例の単セル10は、セパレータSPがチタン(厚み4600μm、線膨張係数8.2×10−6/℃)で構成され、ガス拡散層25はカーボンクロス(厚み150μm×2層、線膨張係数96×10−6/℃)で構成されているものとする。また、電極層21、22を含んだ電解質膜20を、ゴア膜(厚み30μm、線膨張係数46×10−6/℃)として計算する。すると、燃料電池スタック100の線膨張係数αsは13.8×10−6/℃となり、−30℃〜60℃の温度変化量90℃に対する単セル10の熱膨張量E10Dを求めと、約6.1μmとなる。
In the
電解質膜20は、燃料電池スタック100の起動時の乾燥状態から運転を継続した湿潤状態では、膨潤によりその厚みに対して約2割程度の膨張量を示すことが知られている。そこで、上で求めた膨張量E10Dに対して電解質膜20の膨潤による膨張量6.0μmを加算することによって、湿潤状態における単セル10の膨張量E10Wを求めると、約12.1μmとなる。
It is known that the
一方、締結部材12の構成部材としてガラスエポキシ樹脂(線膨張係数28×10−6/℃)を採用した場合における締結部材12の単セル10の厚み(4930μm)あたりの温度変化量90℃に対する膨張量E12は、約12.4μmとなる。これは上記の湿潤状態における単セル10の膨張量E10W(=12.1μm)とほぼ一致する。
On the other hand, when glass epoxy resin (linear expansion coefficient 28 × 10 −6 / ° C.) is adopted as a constituent member of the
従って、燃料電池スタック100は図3(A)において矢印で示すように、締結荷重がほぼ一定に保たれる。なお、単セル10の線膨張係数(13.8×10−6/℃)は、ガラスエポキシ樹脂の線膨張係数(28×10−6/℃)より低い値である。
Therefore, the fastening load of the
ところで、上述した単セル10の膨張量E10Wは、発電部200の構成に従って求めた線膨張係数を基に計算を行っている。しかし、図2(B)に示すように、単セル10は電解質膜20をほとんど含まない非発電部300を有しており、発電部200と非発電部300とでは、積層方向への膨張量及び線膨張係数が異なる。従って、締結部材12が発電部200に近い部位に設けられた場合と非発電部300に近い部位に設けられた場合とでは締結荷重の変化に差が生じてしまう。
By the way, the expansion amount E10W of the
そこで、以下に、参考例に示した考え方をもとにして、締結荷重をより安定した値に維持することができる燃料電池スタックの構成を本発明の実施例として説明する。 Therefore, a configuration of a fuel cell stack capable of maintaining a fastening load at a more stable value based on the concept shown in the reference example will be described below as an embodiment of the present invention.
B.第1実施例:
図4は、本発明の第1実施例としての燃料電池スタック100Aを示す斜視図である。第1実施例の燃料電池スタック100Aは、締結部材12に替えて2種類の締結部材12a、12bが設けられている点以外は参考例の燃料電池スタック100とほぼ同じである。
B. First embodiment:
FIG. 4 is a perspective view showing a
第1実施例の燃料電池スタック100Aは、構成部材の異なる2種類の板状の締結部材12a、12bが設けられている。締結部材12a、12bは、対向する2つの端面がそれぞれエンドプレート11a、11bの各辺に接するように配置され、エンドプレート11a、11bを貫通するネジ13によって固定されることによって燃料電池スタック100aを締結している。
The
締結部材12a、12bのうち、単セル10の発電部200に近い部位に設けられたものを発電部締結部材12aと呼び、非発電部300に近い部位に設けられたものを非発電部締結部材12bと呼ぶ。より具体的には、エンドプレート11aのマニホールド孔M1〜M6の設けられていない2辺に接するように配置された1組の締結部材が発電部締結部材12aであり、残りの2辺に接するように配置された1組の締結部材が非発電部締結部材12bである。
Among the
なお、発電部締結部材12a及び非発電部締結部材12bは、板形状のものでなくとも良く、燃料電池スタックに締結荷重をかけることができるのであれば他の構成であっても良い。
The power generation
図5は、第1実施例の燃料電池スタック100Aの各構成部材の線膨張係数及び燃料電池スタック100Aの線膨張係数と膨張量の計算結果の一例を示した表である。上述したように発電部200と非発電部300とでは層構造が異なるため、図5に示す表では、上段に発電部200について示し、下段に非発電部300について示してある。なお、膨張量の計算にあたっては、参考例と同様に、燃料電池スタック100Aを起動前から継続運転時までに、その作動温度が−30℃から60℃に変化した場合の単セル10あたりの厚み方向の膨張量を計算する。
FIG. 5 is a table showing an example of the linear expansion coefficient of each component of the
発電部200の層構造は、図3(B)に示した燃料電池スタック100の層構造と同じであるため、発電部200の線膨張係数αeは図3(B)に示した燃料電池スタック100の線膨張係数αsと同じである。また、膨張量E10D、E10Wについても同じである。発電部締結部材12aは、参考例の締結部材12と同じくガラスエポキシ樹脂で構成することができる。従って、発電部締結部材12aの線膨張係数αceは参考例の締結部材12の線膨張係数αcと同じとなる。
Since the layer structure of the power generation unit 200 is the same as the layer structure of the
次に、非発電部300の線膨張係数αnを基に温度変化量90℃に対する積層方向の膨張量を計算する。非発電部300は、セパレータSPがチタン(厚み4600μm、線膨張係数8.2×10−6/℃)で構成され、シールガスケット30がシリコンゴム(厚み2000μm、線膨張係数30×10−6/℃)で構成される。従って、非発電部線膨張係数αnは14.8×10−6/℃となり、非発電部300の温度変化量90℃に対する積層方向の膨張量E300は8.8μmとなる。
Next, the amount of expansion in the stacking direction with respect to the temperature change of 90 ° C. is calculated based on the linear expansion coefficient αn of the non-power generation unit 300. In the non-power generation unit 300, the separator SP is made of titanium (
なお、シールガスケット30は、燃料電池100Aに組み付けられたときにその厚みが、発電部200の電解質膜20(電極層21、22を含む)と2つのガス拡散層25との厚みの合計330μmと等しくなるように圧縮される。但し、非発電部300の膨張量の計算では、シールガスケット30の非圧縮時の厚み(=2000μm)を使用して計算を実行する。
The thickness of the
非発電部締結部材12bは、ステンレス鋼(SUS304)で構成されている。非発電部締結部材12bの線膨張係数αcnは14.8×10−6/℃となり、温度変化量90℃に対する積層方向の膨張量E12bは8.8μmとなる。非発電部300の線膨張係数αnと非発電部締結部材の線膨張係数αcnとはほぼ一致し、膨張量E300、E12bも同もほぼ一致する。従って、非発電部300における締結荷重は一定に保つことができる。
The non-power generation
このように、発電部締結部材12aは、発電部200の線膨張係数αeより低い線膨張係数αcを有する部材を採用する。また、非発電部締結部材12bは、非発電部300の線膨張係数αnと同じかほぼ等しい値(例えば線膨張係数αn±10%程度の値)を有する部材を採用する。
Thus, the power generation
この結果、燃料電池スタックの環境温度や動作状態に関わらず燃料電池スタックに対して、その部位ごとに締結荷重の変化を軽減することができる。従って、締結荷重の変化による燃料電池スタックの構成部材の破損やガス漏れの発生などの可能性を低減できる。 As a result, it is possible to reduce the change in the fastening load for each portion of the fuel cell stack regardless of the environmental temperature and the operating state of the fuel cell stack. Therefore, it is possible to reduce the possibility of breakage of the constituent members of the fuel cell stack and the occurrence of gas leakage due to changes in the fastening load.
特に、上記の説明のように低温起動時には燃料電池スタックは乾燥状態にある場合が多い。低温起動時と運転継続時における締結荷重の差が低減されることによって、電極層と電解質膜及びガス拡散層との接触面における面圧の低下を低減することができ、さらに他の構成部材間の接触抵抗を低減することもできる。そのため燃料電池の起動をスムーズに行うことができる。 In particular, as described above, the fuel cell stack is often in a dry state at low temperature startup. By reducing the difference in fastening load between low temperature startup and continued operation, it is possible to reduce the decrease in surface pressure at the contact surface between the electrode layer, the electrolyte membrane and the gas diffusion layer, and between other components It is also possible to reduce the contact resistance. Therefore, the fuel cell can be started up smoothly.
なお、発電部締結部材12aは、燃料電池スタック100Aの起動前から運転継続時までに発生する発電部200の積層方向への熱膨張量と電解質膜20の膨潤による膨張量との合計が発電部締結部材12aの同方向への膨張量とほぼ同じとなるように構成部材を選択するものとしても良い。ここで、「膨張量がほぼ同じ」とは、例えば一方のが他方の膨張量の0.9〜1.1倍の範囲の値を有している場合を意味する。
Note that the power generation
なお、発電部締結部材12aとしてガラスエポキシ樹脂に替えてアルミ(線膨張係数23×10−6/℃)を採用しても良い。その場合の締結部材12aの温度変化量90℃に対する膨張量E12aは10.2μmとなる。これは、発電部200の単セル10の湿潤状態における単セル10の膨張量E10W=12.1μmより低い値である。ところで、発電部締結部材12aに非発電部締結部材12bと同じSUS304を採用した場合には、発電部締結部材12aの膨張量E12aは6.6μmとなる。従って、発電部締結部材12aとしてアルミを採用した方が、非発電部締結部材12bと同じSUS304を採用304を採用するよりも締結荷重の変化は低減されている。
In addition, you may employ | adopt aluminum (linear expansion coefficient 23 * 10-6 / degreeC) instead of glass epoxy resin as the electric power generation
C.第2実施例:
図6(A)は、本発明の第2実施例としての燃料電池スタック100Bを示す斜視図である。図6(A)の燃料電池スタック100Bは、2種類の締結部材12a、12bの形状及び位置が異なる点以外は第1実施例の燃料電池スタック100Aと同じである。
C. Second embodiment:
FIG. 6A is a perspective view showing a
2つの締結部材12a、12bは、参考例と同様のものであり、シャフト部12sとナット部12nとで構成されている。発電部締結部材12aは、発電部200を貫通するように設けられており、非発電部締結部材12bは、エンドプレート11a、11bの四隅に設けられている。なお、2つの締結部材12a、12bは他の構成でも良く、例えば非発電部締結部材12bが第1実施例と同様に板形状として設けられていても良い。発電部締結部材12aは発電部200に直接締結荷重をかけることができる構成であれば良い。
The two
図6(B)は、燃料電池スタック100Bを構成する単セル10に含まれる膜電極接合体MEA2を示す斜視図である。膜電極接合体MEA2は、発電部締結部材12aが貫通する貫通孔14と、貫通孔14の内壁面をシールするシールガスケット31が設けられている点以外は、参考例の膜電極接合体MEAと同じである。シールガスケット31は、貫通孔14におけるクロスリークを防ぐために設けられている。
FIG. 6B is a perspective view showing the membrane electrode assembly MEA2 included in the
発電部締結部材12aが発電部200を貫通しているので、発電部200に対して直接的に締結荷重が加わることになる。従って燃料電池スタック100Bは、第1実施例の燃料電池スタック100Aよりさらに締結荷重の変化を軽減することができる。従って、燃料電池スタックの構成部材の破損やガス漏れの発生などの可能性がさらに低減される。
Since the power generation
D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
D1.変形例1:
上記実施例における構成部材及び各層の厚みは第1実施例を説明するための一例に過ぎず、これらに限定されるものではない。構成部材としては他のものを採用しても良く、各層の厚みも構成部材に合わせて任意に変更することができる。
D1. Modification 1:
The thicknesses of the constituent members and the respective layers in the above embodiment are merely examples for explaining the first embodiment, and are not limited thereto. Other components may be adopted, and the thickness of each layer can be arbitrarily changed in accordance with the components.
D2.変形例2:
上記実施例において、膨張量を計算する際に単セルごとに計算しているが、エンドプレートの厚み方向の膨張量を考慮し、燃料電池スタック全体の積層方向の膨張量を計算するものとしても良い。
D2. Modification 2:
In the above embodiment, the expansion amount is calculated for each single cell, but the expansion amount in the stacking direction of the entire fuel cell stack may be calculated in consideration of the expansion amount in the thickness direction of the end plate. good.
10…単セル
11a…エンドプレート
11e…外縁部
12…締結部材
12a…発電部締結部材
12b…非発電部締結部材
12n…ナット部
12s…シャフト部
13…ネジ
14…貫通孔
20…電解質膜
21…アノード電極層
22…カソード電極層
25…ガス拡散層
30、31…シールガスケット
41…アノードプレート
42…冷却プレート
43…カソードプレート
100…燃料電池スタック
100A…燃料電池スタック
100B…燃料電池スタック
100s…セルスタック
200…発電部
300…非発電部
M1〜M3…供給用マニホールド孔
M4〜M6…排出用マニホールド孔
MEA、MEA2…膜電極接合体
SP…セパレータ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
単セルを積層したセルスタックと、
前記セルスタックを両側から挟持するエンドプレートと、
前記セルスタックと前記エンドプレートとを締結するための締結具と、
を備え、
前記単セルは、電解質膜を含む発電部位と電解質膜を含まない非発電部位とを有し、
前記締結具は、発電部締結具と非発電部締結具とを含み、
前記発電部締結具は前記非発電部締結具よりも前記発電部位に近い部位に設けられており、
前記非発電部締結具の線膨張係数αcnは前記非発電部位を構成する部材の線膨張係数の厚み方向の平均である非発電部線膨張係数αnの±10%以内の値であり、
前記発電部締結具の線膨張係数は前記非発電部締結具の線膨張係数より大きいことを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack,
A cell stack in which single cells are stacked;
An end plate sandwiching the cell stack from both sides;
A fastener for fastening the cell stack and the end plate;
With
The single cell has a power generation site including an electrolyte membrane and a non-power generation site not including an electrolyte membrane,
The fastener includes a power generation unit fastener and a non-power generation unit fastener,
The power generation part fastener is provided in a part closer to the power generation part than the non-power generation part fastener,
The linear expansion coefficient αcn of the non-power generation part fastener is a value within ± 10% of the non-power generation part linear expansion coefficient αn, which is the average of the linear expansion coefficients of the members constituting the non-power generation part in the thickness direction,
The fuel cell stack, wherein a linear expansion coefficient of the power generation unit fastener is larger than a linear expansion coefficient of the non-power generation unit fastener.
前記燃料電池スタックの起動前から運転継続時までに発生する前記発電部位の熱膨張量と前記電解質膜の膨潤による膨張量との合計βcが、前記発電部締結具の熱膨張量βcnに対して、βcn×0.9≦βc≦βcn×1.1であ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, wherein
The total βc of the thermal expansion amount of the power generation site generated from the start of the fuel cell stack to the continuation of operation and the expansion amount due to swelling of the electrolyte membrane is relative to the thermal expansion amount βcn of the power generation unit fastener . , Βcn × 0.9 ≦ βc ≦ βcn × 1.1 .
前記発電部締結具は、前記発電部位に囲まれた部位に設けられてい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 fuel cell stack, wherein the power generation unit fastener is provided in a region surrounded by the power generation region.
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