JP5302758B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する単位セルが、複数積層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 plurality of unit cells each having an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked.
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の両側に、それぞれ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(MEA)を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. A unit cell is provided. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.
燃料電池は、例えば、車載用として所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。この種の燃料電池スタックでは、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、一般的には、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置(セル電圧モニタ)に接続して、発電時の各単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。 The fuel cell is used as a fuel cell stack in which a predetermined number (for example, several tens to several hundreds) of unit cells are stacked in order to obtain a desired power generation for in-vehicle use, for example. In this type of fuel cell stack, it is necessary to detect whether each unit cell has a desired power generation performance. For this reason, generally, the operation | work which detects the cell voltage for every unit cell at the time of electric power generation by connecting the cell voltage terminal provided in the separator to the voltage detection apparatus (cell voltage monitor) is performed.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックは、図13に示すように、複数のセパレータ1、2及び3が積層されるとともに、積層方向両端には、端子板4a、4b、絶縁板5a、5b及びプレッシャプレート6a、6bが配設されている。セパレータ1には、電圧測定用端子7aが設けられる一方、セパレータ2には、電圧測定用端子7bが設けられている。
For example, as shown in FIG. 13, a fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 includes a plurality of separators 1, 2, and 3 stacked, and
セパレータ2の電圧測定用端子7bは、セパレータ1の電圧測定用端子7aと同じ端部に且つ下方にずれて設けられている。すなわち、隣接している電圧測定用端子7a、7bが接触してショートしないように、燃料電池スタックに組み立てられたときに、互いに上下に離れるようになっている。さらに、電圧測定用端子7a、7bには、電圧測定用コード8の一端が接続されるとともに、前記電圧測定用コード8の他端は、ワンタッチコネクタ9に接続されている。
The
上記の燃料電池スタックでは、セパレータ1、2及び3の厚さを肉薄化することが望まれており、電圧測定用端子7a、7b同士の隙間が相当に狭くなり易い。従って、電圧測定用端子7a、7bを互いにオフセットして配置する必要があり、セパレータ1、2では、それぞれの構成が異なっている。これにより、セパレータの種類が増加してしまい、経済的ではないという問題がある。
In the fuel cell stack described above, it is desired to reduce the thickness of the separators 1, 2 and 3, and the gap between the voltage measuring
本発明はこの種の課題を解決するものであり、セパレータの同一の位置に電流取り出し端子を設けることができ、前記セパレータの種類が増加することを阻止するとともに、前記電流取り出し端子に接続されるコネクタ同士を可及的に近接して配設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 a current extraction terminal can be provided at the same position of the separator, which prevents the number of types of the separator from increasing and is connected to the current extraction terminal. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack in which connectors can be arranged as close as possible.
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとを有する単位セルが、複数積層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 plurality of unit cells each having an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked.
セパレータには、外部へ電流を取り出す電流取り出し端子が設けられるとともに、単一の前記電流取り出し端子には、複数のコネクタが、単位セルの積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続可能な複数の接続部が設けられている。 The separator is provided with a current extraction terminal for extracting an electric current to the outside, and a plurality of connectors can be connected to the single current extraction terminal while being shifted from each other in a direction intersecting the stacking direction of the unit cells. A plurality of connecting portions are provided.
また、電流取り出し端子は、セパレータの側部から外方に突出して形成されるとともに、前記電流取り出し端子には、前記側部に沿う幅方向に複数の接続部が設けられることが好ましい。 In addition, it is preferable that the current extraction terminal is formed to protrude outward from the side portion of the separator, and the current extraction terminal is provided with a plurality of connection portions in the width direction along the side portion.
さらに、電流取り出し端子は、セパレータの側部から外方に突出して形成されるとともに、前記電流取り出し端子には、突出方向に沿う長さ方向に複数の接続部が設けられることが好ましい。 Furthermore, the current extraction terminal is preferably formed to protrude outward from the side portion of the separator, and the current extraction terminal is preferably provided with a plurality of connection portions in a length direction along the protruding direction.
さらにまた、この燃料電池スタックは、互いに隣接する電流取り出し端子には、コネクタが、積層方向に沿って互いに千鳥状に接続されることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell stack, it is preferable that the connectors are connected to the current extraction terminals adjacent to each other in a staggered manner along the stacking direction.
本発明によれば、単一の電流取り出し端子が、複数のコネクタを接続可能な複数の接続部を設けているため、互いに隣接する前記コネクタを、単位セルの積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして、すなわち、千鳥状に配設させることができる。従って、コネクタの配置スペースを良好に確保することが可能になり、前記コネクタ同士を可及的に近接して配設することができる。 According to the present invention, since a single current extraction terminal is provided with a plurality of connecting portions to which a plurality of connectors can be connected, the adjacent connectors are positioned relative to each other in a direction intersecting the stacking direction of the unit cells. Can be arranged in a staggered manner. Therefore, it is possible to secure a good connector arrangement space, and the connectors can be arranged as close as possible.
しかも、セパレータの同一の位置に電流取り出し端子を設けるだけでよく、前記セパレータの種類が増加することを有効に阻止し、燃料電池スタックを経済的に構成することが可能になる。 In addition, it is only necessary to provide a current extraction terminal at the same position of the separator, and it is possible to effectively prevent an increase in the number of types of the separator and to economically configure the fuel cell stack.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の燃料電池(単位セル)12が矢印A方向(鉛直方向)に積層される。燃料電池12の積層方向一端には、第1ターミナルプレート14a、第1絶縁プレート16a及び第1エンドプレート18aが積層される一方、積層方向他端には、第2ターミナルプレート14b、第2絶縁プレート16b及び第2エンドプレート18bが積層される。
As shown in FIG. 1, in the
第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとは、複数のタイロッド19を介して積層方向に締め付け荷重が付与される。なお、タイロッド19に代えて、箱状のケーシング等を用いることができる。
A tightening load is applied to the
図2に示すように、燃料電池12は、電解質膜・電極構造体20が、第1及び第2セパレータ22、24に挟持される。第1及び第2セパレータ22、24は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
As shown in FIG. 2, the
燃料電池12の矢印C方向(図2中、重力方向)の上端縁部には、積層方向である矢印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26a、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入口連通孔28aが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。
An oxidation for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, to the upper edge of the
燃料電池12の矢印C方向の下端縁部には、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出口連通孔28b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔26bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The lower end edge of the
燃料電池12の矢印B方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔30a、及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔30bが設けられる。
A cooling medium
第1セパレータ22の電解質膜・電極構造体20に向かう面22aには、酸化剤ガス入口連通孔26aと酸化剤ガス出口連通孔26bとに連通する酸化剤ガス流路32が設けられる。
An oxidant
第2セパレータ24の電解質膜・電極構造体20に向かう面24aには、燃料ガス入口連通孔28aと燃料ガス出口連通孔28bとに連通する燃料ガス流路34が設けられる。
A
互いに隣接する燃料電池12を構成する第1セパレータ22の面22bと、第2セパレータ24の面24bとの間には、冷却媒体入口連通孔30aと冷却媒体出口連通孔30bとを連通する冷却媒体流路36が設けられる。
A cooling medium that connects the cooling medium
第1セパレータ22の面22a、22bには、第1シール部材38が、一体的又は個別に設けられるとともに、第2セパレータ24の面24a、24bには、第2シール部材40が、一体的に又は個別に設けられる。
The first seal member 38 is integrally or individually provided on the
第1及び第2シール部材38、40は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
The first and
電解質膜・電極構造体20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を挟持するカソード側電極44及びアノード側電極45とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード側電極44及びアノード側電極45は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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の両面に形成されている。
The
燃料電池12の短辺方向(矢印B方向)の一側部には、凹部46が形成されるとともに、例えば、第2セパレータ24には、前記凹部46に突出して電圧測定端子(電流取り出し端子)48が設けられる。電圧測定端子48には、後述する複数、例えば、2つのコネクタ56が同時に接続可能な2つの接続部50a、50bが上下に設定される(図2及び図3参照)。
A
図1に示すように、第1エンドプレート18aの上部側には、酸化剤ガス入口連通孔26aに連通する酸化剤ガス入口マニホールド52aと、燃料ガス入口連通孔28aに連通する燃料ガス入口マニホールド54aとが設けられる。第1エンドプレート18aの下部側には、酸化剤ガス出口連通孔26bに連通する酸化剤ガス出口マニホールド52bと、燃料ガス出口連通孔28bに連通する燃料ガス出口マニホールド54bとが設けられる。
As shown in FIG. 1, on the upper side of the
第2エンドプレート18bには、図示しないが、矢印C方向に延在してそれぞれ冷却媒体入口連通孔30aに連通する冷却媒体入口マニホールドと、冷却媒体出口連通孔30bに連通する冷却媒体出口マニホールドとが設けられる。
Although not shown, the
各燃料電池12を構成する第2セパレータ24の電圧測定端子48には、コネクタ56が前記燃料電池12の積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続される。コネクタ56は、ケーブル58を介して電圧測定装置(ECU)60に接続される。
A
図3及び図4に示すように、コネクタ56は、電圧測定端子48の接続部50a、50bに交互に接続される接続端子部62を有する。互いに隣接する電圧測定端子48には、接続部50aと接続部50bとにコネクタ56が交互に接続されることにより、前記コネクタ56は、矢印A方向に千鳥状に配設される。
As shown in FIGS. 3 and 4, 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、図1に示すように、第1エンドプレート18aの酸化剤ガス入口マニホールド52aから酸化剤ガス入口連通孔26aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド54aから燃料ガス入口連通孔28aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、第2エンドプレート18bの冷却媒体入口マニホールドから冷却媒体入口連通孔30aには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied from an oxidant
このため、図2に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔26aから第1セパレータ22の酸化剤ガス流路32に導入される。酸化剤ガスは、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体20を構成するカソード側電極44に供給される。
For this reason, as shown in FIG. 2, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔28aから第2セパレータ24の燃料ガス流路34に導入される。この燃料ガスは、矢印C方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体20を構成するアノード側電極45に供給される。
On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、電解質膜・電極構造体20では、カソード側電極44に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極45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 the electrolyte membrane /
次いで、カソード側電極44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26bに沿って矢印A方向に排出され、第1エンドプレート18aの酸化剤ガス出口マニホールド52bに排出される(図1参照)。
Next, the oxidant gas supplied and consumed to the
一方、アノード側電極45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28bに沿って矢印A方向に排出され、第1エンドプレート18aの燃料ガス出口マニホールド54bに排出される。
On the other hand, the fuel gas supplied to and consumed by the
また、冷却媒体入口連通孔30aに供給された冷却媒体は、第1及び第2セパレータ22、24間の冷却媒体流路36に導入された後、矢印C方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体20を冷却した後、冷却媒体出口連通孔30bから第2エンドプレート18bに排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、第1の実施形態では、単一の電圧測定端子48が、複数の、例えば、2つのコネクタ56を接続可能な2つの接続部50a、50bを幅方向(矢印C方向)に設けている。このため、互いに隣接するコネクタ56は、燃料電池12の積層方向に交差する方向(矢印C方向)に互いに位置をずらして、すなわち、千鳥状に配設させることができる(図3参照)。
In this case, in the first embodiment, the single
従って、コネクタ56の配置スペースを良好に確保することが可能になり、特に、燃料電池12が薄肉状に構成される際にも、前記コネクタ56同士を可及的に近接して配設することができる。
Therefore, it is possible to secure a good space for the
しかも、第2セパレータ24の同一の位置に、同一の形状の電圧測定端子48を設けるだけでよい。これにより、互いに隣接する燃料電池12の各第2セパレータ24同士は、電圧測定端子48の接続部50a又は50bに接続されるコネクタ56を介して電気的に接続される。このため、第2セパレータ24の種類が増加することを有効に阻止し、燃料電池スタック10を経済的に構成することが可能になるという効果が得られる。
Moreover, it is only necessary to provide
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80の斜視説明図である。
FIG. 5 is a perspective explanatory view of a
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。
The same components as those of the
燃料電池スタック80は、電圧測定端子82を設けるとともに、前記電圧測定端子82は、突出方向(矢印B方向)に沿う長さ方向に複数、例えば、2つの接続部84a、84bを設ける。互いに隣接する電圧測定端子82には、コネクタ56が接続部84aと84bとに交互に接続されており、前記コネクタ56は、積層方向に沿って互いに千鳥状に接続される(図6及び図7参照)。
The
従って、第2の実施形態では、単一の電圧測定端子82に、2つのコネクタ56を接続可能な2つの接続部84a、84bが設けられている。これにより、セパレータの種類が増加することがなく、燃料電池スタック80を経済的に構成することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, in the second embodiment, two
図8は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック90の斜視説明図である。
FIG. 8 is a perspective explanatory view of a
燃料電池スタック90は、複数の燃料電池12を重力方向に沿って積層するとともに、積層方向両端には、第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとが配設される。第2エンドプレート18bは、上端部に配置されており、図示していないが、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の出入口は、第1エンドプレート18a側に集中して設けられる。
The
第1エンドプレート18aと第2エンドプレート18bとは、複数本の金属製連結部材92にねじ94を介して固定される。各燃料電池12の一方の短辺側(又は長辺側)には、電圧測定端子48(又は82)が形成され、前記電圧測定端子48には、コネクタ56が鉛直方向に向かって千鳥状に配設される。
The
これにより、第3の実施形態では、燃料電池12の薄肉化が容易に図られるとともに、セパレータの種類が増加することを有効に阻止し、燃料電池スタック90を小型且つ経済的に構成することができる等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
As a result, in the third embodiment, the
第1〜第3の実施形態では、電流取り出し端子として電圧測定端子48、82を用いて説明したが、これに限定されるものではない。
In the first to third embodiments, the
図9に示す本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタック100は、複数の燃料電池12が矢印A方向に積層されるとともに、所定数の前記燃料電池12が直列に接続された燃料電池モジュール102を構成する。なお、燃料電池モジュール102は、単一の燃料電池12であってもよい。
The
各燃料電池モジュール102の積層方向両端には、電流取り出し端子104a、104bが設けられ、前記電流取り出し端子104a、104bにバイパス回路106のコネクタ(図示せず)が接続される。各バイパス回路106は、第1〜第3の実施形態と同様に、燃料電池12の積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続される。
バイパス回路106には、ダイオード108が設けられる。このダイオード108は、図10に示すように、アノード側がアノード側電極45に接続されるとともに、カソード側がカソード側電極44に接続される。ダイオード108は、燃料電池モジュール102が正常である際に逆方向バイアス状態になる一方、前記燃料電池モジュール102に異常が発生した際に順方向バイアス状態になるように設定される。
The
このように構成される第4の実施形態では、燃料電池12のいずれかに故障が発生した場合、この燃料電池12を含む燃料電池モジュール102に並列接続されたダイオード108が順バイアス状態になり、前記ダイオード108に電流が流れる(図10参照)。
In the fourth embodiment configured as described above, when a failure occurs in any of the
図11に示す本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタック110は、複数の燃料電池12が矢印A方向に積層されるとともに、所定数の前記燃料電池12が直列に接続された燃料電池モジュール112を構成する。なお、燃料電池モジュール112は、単一の燃料電池12であってもよい。
A
各燃料電池モジュール112の積層方向両端には、電流取り出し端子114a、114bが設けられ、前記電流取り出し端子114a、114bにディスチャージ回路116のコネクタ(図示せず)が接続される。各ディスチャージ回路116は、第1〜第4の実施形態と同様に、燃料電池12の積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続される。
ディスチャージ回路116には、ダイオード118が設けられる。このダイオード118は、図12に示すように、アノード側がカソード側電極に接続されるとともに、カソード側がアノード側電極45に接続される。
The
このように構成される第5の実施形態では、燃料電池スタック110の停止時に、燃料電池12内に残存するガス(特に燃料ガス)を消費させるために、ダイオード118が設けられている。従って、運転停止時には、図12に示すように、各ディスチャージ回路116内で、矢印に示すようにダイオード118に電流が流れる。これにより、燃料電池モジュール112のディスチャージが遂行され、前記燃料電池モジュール112に残存するガスが消費される。
In the fifth embodiment configured as described above, a
10、80、90、100、110…燃料電池スタック
12…燃料電池
18a、18b…エンドプレート 20…電解質膜・電極構造体
22、24…セパレータ 26a…酸化剤ガス入口連通孔
26b…酸化剤ガス出口連通孔 28a…燃料ガス入口連通孔
28b…燃料ガス出口連通孔 30a…冷却媒体入口連通孔
30b…冷却媒体出口連通孔 32…酸化剤ガス流路
34…燃料ガス流路 36…冷却媒体流路
42…固体高分子電解質膜 44…カソード側電極
45…アノード側電極 48、82…電圧測定端子
50a、50b、84a、84b…接続部
56…コネクタ 58…ケーブル
60…電圧測定装置 62…接続端子部
102、112…燃料電池モジュール
104a、104b、114a、114b…電流取り出し端子
106…バイパス回路 108、118…ダイオード
116…ディスチャージ回路
10, 80, 90, 100, 110 ...
Claims (4)
前記セパレータには、外部へ電流を取り出す電流取り出し端子が設けられるとともに、
単一の前記電流取り出し端子には、複数のコネクタが、前記単位セルの積層方向に交差する方向に互いに位置をずらして接続可能な複数の接続部が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 in which a plurality of unit cells having an electrolyte membrane / electrode structure and a separator provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte membrane are stacked,
The separator is provided with a current extraction terminal for extracting current to the outside,
A fuel cell stack, wherein a single current extraction terminal is provided with a plurality of connection portions to which a plurality of connectors can be connected with their positions shifted in a direction crossing the stacking direction of the unit cells.
前記電流取り出し端子には、前記側部に沿う幅方向に複数の前記接続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 according to claim 1, wherein the current extraction terminal is formed to protrude outward from a side portion of the separator,
The fuel cell stack, wherein the current extraction terminal is provided with a plurality of connection portions in a width direction along the side portion.
前記電流取り出し端子には、突出方向に沿う長さ方向に複数の前記接続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 according to claim 1, wherein the current extraction terminal is formed to protrude outward from a side portion of the separator,
The fuel cell stack, wherein the current extraction terminal is provided with a plurality of the connection portions in a length direction along the protruding direction.
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