JP5378049B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、複数の燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが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 plurality of fuel cells are stacked and a terminal plate, an insulating plate, and an end plate are disposed at both ends 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.
この種の燃料電池スタックでは、所望の発電性能を得るとともに、シール機能を発揮させるために、積層方向に対して良好な締め付け荷重を付与する必要がある。 In this type of fuel cell stack, it is necessary to apply a good tightening load to the stacking direction in order to obtain a desired power generation performance and to exert a sealing function.
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は、図6に示すように、複数の燃料電池が鉛直方向に積層された燃料電池アセンブリ1を備えている。燃料電池アセンブリ1の上下両端には、一対のターミナルプレート2、一対のスペーサプレート3及びエンドプレート4、5が配設されている。
Therefore, for example, the fuel cell stack disclosed in
エンドプレート4、5間は、サイドプレート6にねじ止めにより固定されることによって、前記エンドプレート4、5間の間隔が保持されている。そして、スペーサプレート3が1又は複数用いられることにより、燃料電池アセンブリ1に所望の締め付け荷重を付与している。
The space between the
しかしながら、上記の特許文献1では、スペーサプレート3は、絶縁機能を有する必要から樹脂材で構成されており、このスペーサプレート3を薄肉状にすることができない。例えば、0.1mm〜0.5mm等の薄肉状の樹脂製プレートでは、貫通孔の周囲にシール溝を設けることができないからである。従って、燃料電池スタックの積層方向の短尺化が図られないという問題がある。
However, in
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、薄肉状のスペーサを用いて積層荷重を高精度に調整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 has an object to provide a fuel cell stack capable of adjusting a stacking load with high accuracy using a thin spacer with a simple and compact configuration. To do.
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が積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が重力方向に積層されるとともに、積層方向下端には、積層方向下方に向かって、順次、第1ターミナルプレート、第1絶縁プレート及び第1エンドプレートが積層される一方、積層方向上端には、積層方向上方に向かって、順次、第2ターミナルプレート、第2絶縁プレート及び第2エンドプレートが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 includes a fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte membrane and a separator are stacked, and the plurality of fuel cells are stacked in the direction of gravity and the stacking direction is lower At the end, towards the stacking direction downward, sequentially, a first terminal plate, while the first insulating plate and the first end plate are stacked, the stacking direction on the end is toward the stacking direction upwards, successively, the The present invention relates to a fuel cell stack in which a two-terminal plate, a second insulating plate, and a second end plate are stacked.
第1エンドプレートには、積層方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス供給部、前記反応ガスを排出する反応ガス排出部、冷媒体を供給する冷媒体供給部及び前記冷媒体を排出する冷媒体排出部が形成されている。 The first end plate includes a reaction gas supply unit that supplies a reaction gas along a stacking direction, a reaction gas discharge unit that discharges the reaction gas, a refrigerant body supply unit that supplies a refrigerant body, and a cold that discharges the refrigerant body. A medium discharge portion is formed.
そして、第2エンドプレートと第2絶縁プレートとの間には、積層荷重を調整するための平板状スペーサが、該第2エンドプレートに当接して介装されるとともに、少なくとも前記第2エンドプレート、前記平板状スペーサ及び前記第2絶縁プレートは、反応ガス供給部、反応ガス排出部、冷媒体供給部及び冷媒体排出部を有さない。 A flat spacer for adjusting the stacking load is interposed between the second end plate and the second insulating plate in contact with the second end plate, and at least the second end plate. The flat spacer and the second insulating plate do not have a reaction gas supply unit, a reaction gas discharge unit, a refrigerant supply unit, and a refrigerant discharge unit.
さらに、平板状スペーサは、金属材又はカーボン材で構成されることが好ましい。 Furthermore, the flat spacer is preferably made of a metal material or a carbon material.
本発明によれば、平板状スペーサに反応ガスや冷却媒体をシールするためのシール構造が不要になり、前記平板状スペーサの構成が一挙に簡素化される。しかも、平板状スペーサは、絶縁性を考慮する必要がなく、樹脂材の他、金属材やカーボン材等、種々の材料で構成することができる。これにより、平板状スペーサは、例えば、金属薄板で構成すれば、微細な間隔調整が容易且つ高精度に遂行されるとともに、汎用性の向上が図られる。 According to the present invention, a sealing structure for sealing the reaction gas and the cooling medium to the flat spacer is not necessary, and the configuration of the flat spacer is simplified at a time. In addition, the flat spacer does not need to consider insulation, and can be made of various materials such as a metal material and a carbon material in addition to a resin material. Thereby, if the flat spacer is made of, for example, a metal thin plate, fine spacing adjustment can be easily performed with high accuracy, and versatility can be improved.
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の積層方向下端(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、積層方向上端(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
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B方向(図2中、水平方向)の一端縁部には、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C方向(水平方向)に配列して設けられる。
One end edge of the
燃料電池12の矢印B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 other end edge of the
燃料電池12の矢印C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
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46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46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
図1に示すように、例えば、アルミニウム製の第1及び第2エンドプレート18a、18b間には、複数本の連結部材50が架け渡され、前記第1及び第2エンドプレート18a、18b間の距離が一定に保持される。連結部材50は、例えば、アルミニウム製の長尺な板状を有し、燃料電池スタック10の長辺側に2本ずつで、且つ、前記燃料電池スタック10の短辺側に1本ずつ配設される。連結部材50は、第1及び第2エンドプレート18a、18bの側部にねじ52を介して固定される。
As shown in FIG. 1, for example, a plurality of connecting
第1エンドプレート18aには、酸化剤ガス入口連通孔(反応ガス供給部)26a、燃料ガス入口連通孔(反応ガス供給部)28a、冷却媒体入口連通孔(冷媒体供給部)30a、酸化剤ガス出口連通孔(反応ガス排出部)26b、燃料ガス出口連通孔(反応ガス排出部)28b及び冷却媒体出口連通孔(冷媒体排出部)30bに連通し、外部に延在するマニホールド(図示せず)が設けられる一方、第2エンドプレート18bは、これら及びシール部材を削除した平板状に構成される。
The
図3に示すように、第2ターミナルプレート14bには、所望の位置に積層方向(重力方向)上方に突出して棒状の電力取り出し端子54が設けられる。この電力取り出し端子54の先端には、軸方向にねじ穴55が形成される。
As shown in FIG. 3, the
図3及び図4に示すように、第2絶縁プレート16bには、電力取り出し端子54を周回して積層方向上方に突出する筒状部56が設けられる。筒状部56は、第2エンドプレート18bに形成された孔部58に嵌合するとともに、前記第2エンドプレート18bには、前記孔部58の上端側に径方向内部に膨出して凸状部60が設けられる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the second
電力取り出し端子54には、ねじ62を介して導電板64の一端部が固定されるとともに、前記導電板64の他端は、第2エンドプレート18bの側方に突出し、図示しないケーブルに接続される。
One end of a
導電板64及び電力取り出し端子54を囲繞してカバー部材66が設けられる。カバー部材66は、第2絶縁プレート16bの筒状部56の内周面にシール67を介して摺動自在に嵌合する筒体部68を有する。この筒体部68は、第2エンドプレート18bの凸状部60に圧入され、前記凸状部60に固定される。
A
なお、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においても、上記の構成と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
The first
図3に示すように、第2絶縁プレート16bは、酸化剤ガス入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、冷却媒体入口連通孔30a、酸化剤ガス出口連通孔26b、燃料ガス出口連通孔28b及び冷却媒体出口連通孔30bを削除した平板状に構成されるとともに、電力取り出し端子54を周回する筒状部56のみが設けられている。
As shown in FIG. 3, the second insulating
第2エンドプレート18bと第2絶縁プレート16bとの間には、積層荷重を調整するための平板状スペーサ70が所定の枚数だけ積層して配置される。平板状スペーサ70は、長方形状の板材で構成され、第2絶縁プレート16bの筒状部56を挿入するための孔部72のみが設けられる。平板状スペーサ70は、樹脂材の他、金属材又はカーボン材で構成される。
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、図2に示すように、酸化剤ガス入口連通孔26aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔28aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔30aに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. 2, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、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B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。
Therefore, 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B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46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46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方向に排出される。一方、アノード側電極46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方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to 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、第1エンドプレート18a側に、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体をそれぞれ流通させるためのマニホールドが集中して設けられており、第2エンドプレート18b側、具体的には、第2絶縁プレート16b、平板状スペーサ70及び前記第2エンドプレート18bには、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を流通させる必要がない。
In this case, in the first embodiment, manifolds for circulating the oxidant gas, the fuel gas, and the cooling medium are concentrated on the
従って、第2絶縁プレート16bと第2エンドプレート18bとの間に介装される積層荷重調整用の複数枚の平板状スペーサ70は、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体をシールするためのシール構造が不要になる。このため、平板状スペーサ70は、構成が一挙に簡素化され、シールの不要な孔部72のみを設けるだけでよく、前記平板状スペーサ70の製造コストが大幅に削減されるという効果が得られる。
Accordingly, the plurality of
しかも、平板状スペーサ70は、第2絶縁プレート16bと第2エンドプレート18bとの間に介装されるため、絶縁性を考慮する必要がなく、樹脂材の他、金属材やカーボン材等、種々の材料で構成することができる。これにより、平板状スペーサ70は、例えば、金属薄板で構成することにより、樹脂材に比べて相当に薄肉化を図ることができ、微細な間隔調整が容易且つ高精度に遂行されるという利点がある。
In addition, since the
さらに、平板状スペーサ70は、種々の材料で構成することができ、汎用性の向上が図られるとともに、経済的である。
Further, 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80の要部分解斜視説明図である。
FIG. 5 is an exploded perspective view of a main part 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。
The same components as those of the
燃料電池スタック80を構成する第2ターミナルプレート14bは、一の側面に面方向外方に突出して板状の電力取り出し端子82が設けられる。第2絶縁プレート16b及び第2エンドプレート18bは、連通孔、シール構造及び孔部を削除した閉塞された板状に構成される。
The second
第2絶縁プレート16bと第2エンドプレート18bとの間に介装される所定枚数の平板状スペーサ84は、同様に、連通孔、シール構造及び孔部を削除した閉塞された板状に構成される。
Similarly, the predetermined number of
このように構成される第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる他、平板状スペーサ84には、何ら孔部等を設ける必要がない。これにより、前記平板状スペーサ84の構成が一層簡素化して、経済的であるという利点が得られる。
In the second embodiment configured as described above, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the
なお、第1及び第2の実施形態では、燃料電池スタック10、80は、複数の燃料電池12を重力方向に積層しているが、これに代えて、前記燃料電池12を水平方向に積層して構成してもよい。
In the first and second embodiments, the fuel cell stacks 10 and 80 have a plurality of
10、80…燃料電池スタック 12…燃料電池
14a、14b…ターミナルプレート 16a、16b…絶縁プレート
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
46…アノード側電極 50…連結部材
54、82…電力取り出し端子 56…筒状部
58、72…孔部 66…カバー部材
70、84…平板状スペーサ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記第1エンドプレートには、前記積層方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス供給部、前記反応ガスを排出する反応ガス排出部、冷媒体を供給する冷媒体供給部及び前記冷媒体を排出する冷媒体排出部が形成され、
前記第2エンドプレートと前記第2絶縁プレートとの間には、積層荷重を調整するための平板状スペーサが、該第2エンドプレートに当接して介装されるとともに、
少なくとも前記第2エンドプレート、前記平板状スペーサ及び前記第2絶縁プレートは、前記反応ガス供給部、前記反応ガス排出部、前記冷媒体供給部及び前記冷媒体排出部を有さないことを特徴とする燃料電池スタック。 Comprising a fuel cell and a separator and the membrane electrode assembly in which a pair of electrodes on both sides of the electrolyte membrane is laminated, a plurality of the fuel cells are stacked in the direction of gravity, in the stacking direction under end, toward a stacking direction downward, sequentially, a first terminal plate, while the first insulating plate and the first end plate are stacked, the stacking direction on the end is toward the stacking direction upwards, successively, a second terminal plate, A fuel cell stack in which a second insulating plate and a second end plate are stacked,
The first end plate has a reaction gas supply unit that supplies a reaction gas along the stacking direction, a reaction gas discharge unit that discharges the reaction gas, a refrigerant supply unit that supplies a refrigerant body, and a discharge of the refrigerant body A refrigerant discharge part is formed,
Between the second end plate and the second insulating plate, a flat spacer for adjusting the stacking load is interposed in contact with the second end plate ,
At least the second end plate, the flat spacer, and the second insulating plate do not have the reaction gas supply unit, the reaction gas discharge unit, the refrigerant supply unit, and the refrigerant discharge unit. Fuel cell stack.
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