JP5214260B2 - 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・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。 The present invention includes a unit cell in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is contained in a box-shaped casing. It relates to a battery stack.
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・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。 For example, a polymer electrolyte fuel cell employs an electrolyte membrane (electrolyte) made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell is configured by sandwiching 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 with a separator.
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。 Normally, this fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) is stacked in order to obtain a desired power generation. In this fuel cell stack, the stacked fuel cells need to be reliably pressurized and held in order to prevent an increase in the internal resistance of the fuel cell and a decrease in the sealing performance of the reaction gas.
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は、図7に示すように、単セル1が数積層されたセル列2を備え、このセル列2の一方の端部に可動エンドプレート3が配設された状態で、シリンダ4内に収容されている。可動エンドプレート3は、シリンダ4に対して単セル1の積層方向に移動可能である。
Therefore, for example, a fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 7, the fuel cell stack includes a
セル列2の可動エンドプレート3と反対側の端部には、固定エンドプレート5が配設されるとともに、シリンダ4の前記可動エンドプレート3側の開口端は、スプリングリテーナ6を介して閉止されている。
A fixed
可動エンドプレート3は、内側部3aと外側部3bとに2分割され、前記内側部3aとスプリングリテーナ6との間及び前記外側部3bと前記スプリングリテーナ6との間には、それぞれ個別のばね要素となる内側スプリング7a及び外側スプリング7bが介装されている。
The movable end plate 3 is divided into an
ところで、上記の燃料電池スタックでは、シリンダ4内にセル列2が収容されるとともに、このセル列2の一方の端部に、可動エンドプレート3と内側スプリング7a及び外側スプリング7bとが配設されている。このため、燃料電池スタックは、セル列2の積層方向(矢印L方向)に相当に長尺化し、前記燃料電池スタックの小型化が図られないという問題がある。特に、車載用燃料電池スタックとして使用する際には、狭小なスペースを有効に利用する必要があり、上記の従来技術では、良好に対応することができないおそれがある。
By the way, in the fuel cell stack described above, the
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、長期間にわたって積層体に所望の荷重を確実に付与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 an object thereof is to provide a fuel cell stack capable of reliably applying a desired load to a laminate for a long period of time with a simple and compact configuration. .
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・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関するものである。 The present invention includes a unit cell in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is contained in a box-shaped casing. It relates to a battery stack.
ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記端板及び前記側板に設けられ、連結ピンを挿入するための端板側支持部及び側板側支持部とを備えるとともに、前記端板側支持部と前記側板側支持部とは、前記連結ピンに弾性曲げ変形を発生させるために、前記連結ピンの軸方向に互いに離間して交互に配置されている。 The casing is provided on the end plate disposed at both ends in the stacking direction of the laminate, the plurality of side plates disposed on the side of the laminate, the end plate and the side plate, and for inserting the connection pin. An end plate side support portion and a side plate side support portion, and the end plate side support portion and the side plate side support portion are arranged in the axial direction of the connection pin in order to cause elastic bending deformation of the connection pin. They are alternately arranged apart from each other.
そして、積層体に積層方向に実装時の締め付け荷重が付与された際、側板の積層方向両端に設けられる各側板側支持部の軸線間の距離は、各端板に設けられる各端板側支持部の軸線間の距離よりも短尺に設定されている。 And when the tightening load at the time of mounting in the stacking direction is applied to the stacked body, the distance between the axes of the side plate side support portions provided at both ends of the side plate in the stacking direction is the end plate side support provided on each end plate. It is set to be shorter than the distance between the axes of the parts.
さらに、端板側支持部及び側板側支持部は、連結ピンが挿入される孔部内壁面に、孔部中心側に膨出する湾曲面を有することが好ましい。 Furthermore, the end plate side support portion and the side plate side support portion preferably have a curved surface that bulges toward the center of the hole on the inner wall surface of the hole into which the connecting pin is inserted.
本発明では、端板側支持部及び側板側支持部に連結ピンが挿入される際、前記端板側支持部と前記側板側支持部とが互いに離間しており、前記連結ピンに弾性曲げ変形が発生する。このため、積層体に積層方向の伸縮が発生した際、連結ピンの弾性により前記積層体の伸縮量を吸収することができる。従って、積層体にへたり等が惹起しても、連結ピンの弾性作用により前記積層体に対して安定した締め付け力を付与することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを長期間にわたって良好に使用することができる。 In the present invention, when the connecting pin is inserted into the end plate side support part and the side plate side support part, the end plate side support part and the side plate side support part are separated from each other, and the connecting pin is elastically bent and deformed. Will occur. For this reason, when expansion and contraction in the stacking direction occurs in the stacked body, the expansion and contraction amount of the stacked body can be absorbed by the elasticity of the connecting pin. Therefore, even if a sag or the like is caused in the laminated body, a stable tightening force can be applied to the laminated body by the elastic action of the connecting pin. As a result, the fuel cell stack can be used satisfactorily for a long period of time with a simple and compact configuration.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10の一部分解概略斜視図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の一部断面側面図である。
FIG. 1 is a partially exploded schematic 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(矢印A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(絶縁プレート18を用いてもよい)及びエンドプレート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、四角形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含むケーシング24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)30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ32、34とを備える。
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供給連通孔36a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔38a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔40bが設けられる。
An oxidant gas supply for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at 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供給連通孔40a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔38b、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36bが設けられる。
The other end edge in the long side direction of the
電解質膜・電極構造体30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42と、前記固体高分子電解質膜42を挟持するアノード側電極44及びカソード側電極46とを備える。
The electrolyte membrane /
アノード側電極44及びカソード側電極46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42の両面に形成される。
The
第1金属セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、燃料ガス供給連通孔40aと燃料ガス排出連通孔40bとを連通する燃料ガス流路48が形成される。この燃料ガス流路48は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。第1金属セパレータ32の面32bには、冷却媒体供給連通孔38aと冷却媒体排出連通孔38bとを連通する冷却媒体流路50が形成される。この冷却媒体流路50は、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。
A fuel
第2金属セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路52が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路52は、酸化剤ガス供給連通孔36aと酸化剤ガス排出連通孔36bとに連通する。第2金属セパレータ34の面34bには、第1金属セパレータ32の面32bと重なり合って冷却媒体流路50が一体的に形成される。
The
第1金属セパレータ32の面32a、32bには、この第1金属セパレータ32の外周端縁部を周回して第1シール部材54が一体成形される。第1シール部材54は、面32aで燃料ガス供給連通孔40a、燃料ガス排出連通孔40b及び燃料ガス流路48を囲繞してこれらを連通させる一方、面32bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50を囲繞してこれらを連通させる。
A
第2金属セパレータ34の面34a、34bには、この第2金属セパレータ34の外周端縁部を周回して第2シール部材56が一体成形される。第2シール部材56は、面34aで酸化剤ガス供給連通孔36a、酸化剤ガス排出連通孔36b及び酸化剤ガス流路52を囲繞してこれらを連通させる一方、面34bで冷却媒体供給連通孔38a、冷却媒体排出連通孔38b及び冷却媒体流路50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54、56間には、固体高分子電解質膜42の外周が、直接、ケーシング24に接触することを阻止するために、シール57が介装される。
As shown in FIG. 2, a
図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bの略中央部には、積層方向に突出する棒状の端子部58a、58bが形成される。端子部58a、58bには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。
As shown in FIG. 1, rod-shaped
ケーシング24は、端板であるエンドプレート20a、20bと、積層体14の側部に配置される複数の側板60a〜60dと、前記側板60a〜60dの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材(例えば、Lアングル)62a〜62dと、前記エンドプレート20a、20bと前記側板60a〜60dとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン64a、64bとを備える。
The
側板60a〜60dは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。側板60a〜60dは、アングル部材62a〜62d及びボルト65を介して互いに固定され、ケーシング24が構成される(図4参照)。
The
エンドプレート20a、20bの上下各辺には、それぞれ2つの第1支持部(端板側支持部)66a、66bが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ1つの第1支持部(端板側支持部)66c、66dが突出形成される。第1支持部66a〜66dには、孔67a〜67dが貫通形成される。
Two first support portions (end plate side support portions) 66a and 66b are formed to protrude on the upper and lower sides of the
積層体14の矢印B方向両側に配置される側板60a、60cの長手方向(矢印A方向)両端には、第2支持部(側板側支持部)70a、70bが2つずつ形成される。積層体14の上下両側に配置される側板60b、60dの長手方向両端には、第2支持部(側板側支持部)72a、72bが3つずつ形成される。第2支持部70a、70bには、孔71a、71bが形成されるとともに、第2支持部72a、72bには、孔73a、73bが形成される。
Two second support portions (side plate side support portions) 70a and 70b are formed at both ends in the longitudinal direction (arrow A direction) of the
図4に示すように、側板60a、60cの各第2支持部70a、70b間には、エンドプレート20a、20bの両側の各辺の第1支持部66c、66dが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン64aが一体的に挿入される。
As shown in FIG. 4, between the
同様に、側板60b、60dの第2支持部72a、72bは、エンドプレート20a、20bの上辺及び下辺の第1支持部66a、66bと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン64bが一体的に挿入される。
Similarly, the
図5に示すように、第1支持部66a、66bと第2支持部72aとは、連結ピン64bに弾性曲げ変形を発生させるために、前記連結ピン64bの軸方向(矢印B方向)に互いに距離Sだけ離間して交互に配置される。この距離Sは、連結ピン64bの剛性、直径、積層体14全体の弾性、必要締め付け荷重等に基づいて設定される。
As shown in FIG. 5, the
積層体14に積層方向に実装時の締め付け荷重が付与された際、側板60bの積層方向(矢印A方向)両端に設けられる各第2支持部72a、72aの軸線間の距離L1は、各エンドプレート20a、20bに設けられる各第1支持部66a、66bの軸線間の距離L2よりも短尺に設定される(距離L1<距離L2)。
When a tightening load is applied to the laminate 14 in the stacking direction, the distance L1 between the axes of the
図6に示すように、第1支持部66a、66bの孔67a、67bの内壁面には、孔中心側に膨出する湾曲面74が設けられる。第2支持部72aの孔73aの内壁面には、孔中心側に膨出する湾曲面76が設けられる。湾曲面74、76は、連結ピン64bの弾性曲げ変形を良好に行わせるためのガイド面を構成しており、少なくとも曲げ方向の内壁面に設ければよい。
As shown in FIG. 6, a
なお、第1支持部66a、66bと第2支持部72b、72bとの関係、第1支持部66c、66dと第2支持部70a、70aとの関係、及び前記第1支持部66c、66dと第2支持部70b、70bとの関係は、上記の第1支持部66a、66bと第2支持部72a、72aとの関係と同様であり、その詳細な説明は省略する。
The relationship between 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を組み立てる際には、側板60a〜60dがアングル部材62a〜62d及びボルト65を介して互いに固定されるとともに、所定数の単位セル12を積層した積層体14が、前記側板60a〜60d内に配置される。
First, when assembling the
次いで、積層体14の積層方向両端には、エンドプレート20a、20bが配設される一方、前記積層体14には、一旦、実装時の締め付け荷重よりも大きな荷重が積層方向に付与される。このため、積層体14では、電解質膜・電極構造体30、第1金属セパレータ32及び第2金属セパレータ34が積層方向に圧縮され、前記積層体14全体は、積層方向に圧縮保持される。
Next,
この状態で、側板60a、60cの各第2支持部70a、70bと、エンドプレート20a、20bの第1支持部66c、66dとに、連結ピン64aが一体的に挿入される。同様に、側板60b、60dの第2支持部72a、72bと、エンドプレート20a、20bの第1支持部66a、66bとに、連結ピン64bが一体的に挿入される。これにより、ケーシング24が組み立てられる。
In this state, the connecting
上記のように、ケーシング24が組み立てられた後、積層体14への荷重の付与が解除される。従って、積層体14は、積層方向の圧縮力が解除されるため、それ自体の弾性によって積層方向外方に拡張される。
As described above, after the
この場合、本実施形態では、図5に示すように、第1支持部66a、66bと第2支持部72a、72aとは、互いに距離Sだけ離間して交互に配置されるとともに、積層体14に積層方向に実装時の締め付け荷重が付与された際、各第2支持部72a、72aの軸線間の距離L1は、各第1支持部66a、66bの軸線間の距離L2よりも短尺に設定されている。
In this case, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the
このため、エンドプレート20a、20bは、積層方向外方に押圧されて移動し、連結ピン64a、64bが弾性曲げ変形される。従って、連結ピン64a、64bは、ばね機能を有し、エンドプレート20a、20bを互いに積層方向内方に押圧する。
Therefore, the
ここで、例えば、図6に示すように、第1支持部66a、66bの孔67a、67bの内壁面及び第2支持部72aの孔73aの内壁面には、湾曲面74、76が設けられている。これにより、連結ピン64bの弾性曲げ変形が、良好且つ確実に遂行される。
Here, for example, as shown in FIG. 6, curved surfaces 74 and 76 are provided on the inner wall surfaces of the
次に、燃料電池スタック10を運転する際には、先ず、図4に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給連通孔36a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40a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38a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、積層体14では、矢印A方向に重ね合わされた複数の単位セル12に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印A方向に供給される。
Next, when 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36aから第2金属セパレータ34の酸化剤ガス流路52に導入され、電解質膜・電極構造体30のカソード側電極46に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔40aから第1金属セパレータ32の燃料ガス流路48に導入され、電解質膜・電極構造体30のアノード側電極44に沿って移動する。
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30では、カソード側電極46に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極44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46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36bに沿って流動した後、エンドプレート20aから外部に排出される。同様に、アノード側電極44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40bに排出されて流動し、エンドプレート20aから外部に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔38aから第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印B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30を冷却した後、冷却媒体排出連通孔38bを移動してエンドプレート20aから排出される。
The cooling medium flows in the direction of arrow B after being introduced into the cooling
この場合、上記の燃料電池スタック10では、連結ピン64a、64bが弾性曲げ変形しており、ばね機能を有してエンドプレート20a、20bを互いに積層方向内方に押圧している(図5参照)。このため、積層体14に伸縮が発生した際に、連結ピン64a、64b自体の弾性により、前記積層体14の伸縮量を吸収することができる。
In this case, in the
従って、特に長期間の使用によって積層体14にへたり等が惹起しても、連結ピン64a、64bの弾性作用下に、前記積層体14に対して安定した締め付け力を確実に付与することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタック10を長期間にわたって良好に使用することができるという効果が得られる。しかも、積層体14の端部には、前記積層体14の伸縮を吸収するための皿ばね等の弾性部材が不要になるという利点がある。
Therefore, even when a sag or the like is caused in the
10…燃料電池スタック 12…単位セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
22…スペーサ部材 24…ケーシング
30…電解質膜・電極構造体 32、34…金属セパレータ
42…固体高分子電解質膜 44…アノード側電極
46…カソード側電極 48…燃料ガス流路
50…冷却媒体流路 52…酸化剤ガス流路
54、56…シール部材 60a〜60d…側板
62a〜62d…アングル部材 64a、64b…連結ピン
66a〜66d、70a、70b、72a、72b…支持部
67a〜67d、71a、71b、73a、73b…孔
74、76…湾曲面
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
前記端板及び前記側板に設けられ、連結ピンを挿入するための端板側支持部及び側板側支持部と、
を備え、
前記端板側支持部と前記側板側支持部とは、前記連結ピンに弾性曲げ変形を発生させるために、前記連結ピンの軸方向に互いに離間して交互に配置されるとともに、
前記積層体に積層方向に実装時の締め付け荷重が付与された際、前記側板の積層方向両端に設けられる各側板側支持部の軸線間の距離は、各端板に設けられる各端板側支持部の軸線間の距離よりも短尺に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack comprising a unit cell in which a pair of electrodes provided on both sides of an electrolyte is sandwiched between separators, and a stacked body in which a plurality of the unit cells are stacked is housed in a box-shaped casing. And
The casing includes end plates disposed at both ends in the stacking direction of the stacked body,
A plurality of side plates disposed on the side of the laminate;
An end plate side support portion and a side plate side support portion that are provided on the end plate and the side plate and for inserting a connection pin;
Equipped with a,
And said end plate side supporting portion and the side plate side support portion, in order to generate an elastic bending deformation to the connecting pins, with Ru are alternately arranged spaced apart from one another in the axial direction of the connecting pins,
When a tightening load is applied to the laminate in the stacking direction, the distance between the axes of the side plate support portions provided at both ends of the side plate in the stacking direction is the end plate side support provided on each end plate. A fuel cell stack, characterized in that the fuel cell stack is set to be shorter than the distance between the axes of the parts .
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