JP5634978B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、前記ターミナルプレートよりも外形寸法が大きな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 includes a laminate in which a power generation cell having an electrolyte / electrode structure in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte and a separator is laminated, and a terminal plate and the terminal on both sides in the lamination direction of the laminate The present invention relates to a fuel cell stack in which an insulating plate and an end plate having a larger outer dimension than a plate are disposed.
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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒(電極触媒層)及び多孔質カーボン(ガス拡散層)を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持する発電セルを構成している。発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 For example, a solid polymer fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell comprises an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having an electrode catalyst (electrode catalyst layer) and porous carbon (gas diffusion layer) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane ( A power generation cell is formed in which the MEA is sandwiched between separators (bipolar plates). A fuel cell stack in which a predetermined number of power generation cells are stacked is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.
通常、燃料電池スタックは、所定数の発電セルが積層された積層体を備えるとともに、前記積層体の積層方向両側には、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ている。 Usually, the fuel cell stack includes a stacked body in which a predetermined number of power generation cells are stacked, and a terminal plate, an insulating plate, and an end plate are disposed on both sides in the stacking direction of the stacked body.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックでは、積層体の積層方向両側に、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とともに、前記絶縁プレートは、中央部に凹部が形成された枠形状に構成され、前記凹部に前記ターミナルプレートが収容されている。さらに、凹部の内壁面とターミナルプレートの外周面との間には、空気室が形成されており、前記空気室が断熱層と機能して前記ターミナルプレートからの放熱を抑制することができる、としている。
For example, in the fuel cell stack disclosed in
ところで、上記のように、絶縁プレートに凹部を設けるため、この凹部の溝深さ寸法に公差が存在するとともに、ターミナルプレート自体の板厚にも公差が存在している。従って、ターミナルプレートの面位置と前記ターミナルプレートの外周に位置する絶縁プレートの面位置との寸法差である段差寸法が変動してしまう。 By the way, as described above, since the recess is provided in the insulating plate, there is a tolerance in the groove depth dimension of the recess, and there is also a tolerance in the thickness of the terminal plate itself. Therefore, the step size, which is a dimensional difference between the surface position of the terminal plate and the surface position of the insulating plate located on the outer periphery of the terminal plate, varies.
このため、積層方向端部のセパレータと絶縁プレートとの間に配置され、前記絶縁プレートの面に接触するシール部材では、段差寸法の変動によりシール線圧が変動するおそれがある。これにより、燃料電池スタックに所望のスタック締め付け荷重を確実に付与することができず、発電効率等のスタック性能が低下するという問題がある。 For this reason, in the sealing member disposed between the separator at the end in the stacking direction and the insulating plate and in contact with the surface of the insulating plate, the seal line pressure may vary due to the variation in the step size. Accordingly, a desired stack tightening load cannot be reliably applied to the fuel cell stack, and there is a problem that stack performance such as power generation efficiency is lowered.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、段差寸法を調整してシール線圧の適正化を図り、発電効率等のスタック性能の向上が遂行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 can improve the stack performance such as power generation efficiency by adjusting the step size and optimizing the seal line pressure with a simple and economical configuration. An object is to provide a fuel cell stack.
本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、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、前記絶縁プレート及び前記エンドプレートは、前記ターミナルプレートよりも外形寸法が大きく、且つ、前記ターミナルプレートは、前記絶縁プレートの凹部に収容される燃料電池スタックに関するものである。 The present invention comprises a laminate power generation cell having a separator and the electrolyte electrode structure on both sides in the electrode is disposed in the electrolyte is laminated to both sides in the laminating direction of the laminated body, terminal plate, insulation is disposed is plate and end plate, said insulating plate and said end plate has a larger outside dimension than the terminal plate, and the terminal plate is in a fuel cell stack wherein Ru is received in the recess of the insulating plate is there.
この燃料電池スタックでは、少なくとも一方の絶縁プレートと積層体の一方の積層方向端部に配置される端部セパレータとの間には、ターミナルプレートの外周端部を周回してシール部材が介装されるとともに、前記端部セパレータは、前記シール部材が一体成形された金属セパレータであり、前記絶縁プレートには、前記シール部材の凸状シール部の線圧を調整するために、前記凸状シール部が当接する厚さ調整用シム部材が配設されている。 In this fuel cell stack, a seal member is interposed between the at least one insulating plate and the end separator disposed at one end in the stacking direction of the stack so as to go around the outer peripheral end of the terminal plate. The end separator is a metal separator in which the seal member is integrally formed, and the insulating plate is provided with the convex seal portion in order to adjust the linear pressure of the convex seal portion of the seal member. A thickness adjusting shim member that is in contact with is disposed .
また、この燃料電池スタックでは、端部セパレータと発電セルを構成するセパレータとは、シール部材が一体成形された金属セパレータを共用することが好ましい。 In this fuel cell stack, it is preferable that the end separator and the separator constituting the power generation cell share a metal separator integrally formed with a seal member.
さらに、この燃料電池スタックでは、厚さ調整用シム部材は、絶縁プレートに凹部を周回して形成された他の凹部に配設されることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell stack, the thickness adjusting shim member is preferably disposed in the other recess formed by circling a concave portion on insulation plate.
さらにまた、この燃料電池スタックでは、厚さ調整用シム部材は、絶縁プレートの積層体側の面に対して、積層方向に位置調整可能な調整ねじを備えることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell stack, it is preferable that the thickness adjusting shim member includes an adjusting screw whose position can be adjusted in the stacking direction with respect to the surface of the insulating plate on the stacked body side.
本発明によれば、ターミナルプレートの面位置と前記ターミナルプレートの外周端部を周回する絶縁プレートの面位置との段差寸法は、端部セパレータ側に配設されたシール部材が当接する厚さ調整用シム部材により調整することができる。 According to the present invention, the step size between the surface position of the terminal plate and the surface position of the insulating plate that circulates around the outer peripheral end of the terminal plate is adjusted to the thickness with which the seal member disposed on the end separator side abuts. It can be adjusted by the shim member.
このため、段差寸法の変動を良好に抑制することが可能になり、端部セパレータのシール線圧を調整することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、段差寸法を良好に調整してシール線圧の適正化を図り、発電効率等のスタック性能の向上が遂行可能になる。 For this reason, it becomes possible to suppress the fluctuation | variation of a level | step difference dimension favorably, and the seal linear pressure of an edge part separator can be adjusted. Accordingly, it is possible to improve the stack performance such as power generation efficiency by adjusting the step size well and optimizing the seal line pressure with a simple and economical configuration.
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の発電セル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18a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(図1参照)。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、絶縁プレート18b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(図1及び図2参照)。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
燃料電池スタック10は、例えば、四角形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持され、あるいは、矢印A方向に延在する複数のタイロッド(図示せず)により一体的に締め付け保持される。
The
発電セル12は、図3に示すように、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持する第1金属セパレータ24及び第2金属セパレータ26とを備える。第1金属セパレータ24及び第2金属セパレータ26は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板で構成されるが、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。金属板は、金属薄板を波状にプレス成形される。
As shown in FIG. 3, the
電解質膜・電極構造体22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28と、前記固体高分子電解質膜28を挟持するアノード電極30及びカソード電極32とを備える。アノード電極30は、カソード電極32及び固体高分子電解質膜28よりも小さな表面積を有している。
The electrolyte membrane /
なお、カソード電極32は、アノード電極30及び固体高分子電解質膜28よりも小さな表面積を有していてもよく、また、前記アノード電極30、前記カソード電極32及び前記固体高分子電解質膜28は、同一の表面積を有していてもよい。
The
アノード電極30及びカソード電極32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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布し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28の両面に形成されている。
The
発電セル12の矢印B方向(図3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34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔36a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出口連通孔38bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
One end edge of the
発電セル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、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔36b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34bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
図4に示すように、第1金属セパレータ24の電解質膜・電極構造体22に向かう面24aには、矢印B方向に延在する燃料ガス流路40が形成される。第1金属セパレータ24には、燃料ガス入口連通孔38aを燃料ガス流路40に連通するための複数の供給孔部42aと、前記燃料ガス流路40を燃料ガス出口連通孔38bに連通するための複数の排出孔部42bとが形成される。
As shown in FIG. 4, a fuel
図3に示すように、第2金属セパレータ26の電解質膜・電極構造体22に向かう面26aには、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路44が設けられる。この酸化剤ガス流路44は、酸化剤ガス入口連通孔34aと酸化剤ガス出口連通孔34bとに連通する。
As shown in FIG. 3, for example, an oxidant
互いに隣接する第1金属セパレータ24の面24bと第2金属セパレータ26の面26bとの間には、冷却媒体入口連通孔36aと冷却媒体出口連通孔36bとに連通する冷却媒体流路46が形成される。この冷却媒体流路46は、例えば、矢印B方向に延在する。
A cooling
図3〜図5に示すように、第1金属セパレータ24の面24a、24bには、この第1金属セパレータ24の外周端部を周回して、第1シール部材48が一体化されるとともに、第2金属セパレータ26の面26a、26bには、この第2金属セパレータ26の外周端部を周回して、第2シール部材50が一体化される。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
第1シール部材48及び第2シール部材50には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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が用いられる。
The
図4に示すように、第1シール部材48は、第1金属セパレータ24の面24aに一体成形される凸状シール部48aを有する。凸状シール部48aは、平面状シール部48bから突出しており、燃料ガス流路40と供給孔部42a及び排出孔部42bとの外周部を取り囲んで(覆って)いる。
As shown in FIG. 4, the
図2及び図3に示すように、第1シール部材48は、第1金属セパレータ24の面24bに一体成形される平面状シール部48cを有する。平面状シール部48cには、冷却媒体流路46と冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bとを連通する連絡通路52a、52bが設けられる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
第2シール部材50は、第2金属セパレータ26の面26aに一体成形される凸状シール部50aを有し、前記凸状シール部50aは、平面状シール部50bから突出形成される。凸状シール部50aは、面26aの外周縁部を周回し、酸化剤ガス入口連通孔34a及び酸化剤ガス出口連通孔34bを酸化剤ガス流路44に連通する。平面状シール部50bには、酸化剤ガス入口連通孔34a及び酸化剤ガス出口連通孔34bと酸化剤ガス流路44とを連通する連絡通路54a、54bが設けられる。
The
第2シール部材50は、図5に示すように、第2金属セパレータ26の面26bに内側凸状シール部50cと外側凸状シール部50dとを一体成形する。内側凸状シール部50c及び外側凸状シール部50dは、平面状シール部50eから突出形成される。
As shown in FIG. 5, the
内側凸状シール部50cは、冷却媒体流路46と冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bとを覆って設けられる。冷却媒体流路46と冷却媒体入口連通孔36a及び冷却媒体出口連通孔36bとは、連絡通路56a、56bを介して連通する。
The inner
図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bの略中央には、積層方向外方に延在する端子部58a、58bが設けられる。端子部58a、58bは、絶縁性筒体60に挿入されて、絶縁プレート18a、18bの孔部62a、62b及びエンドプレート20a、20bの孔部64a、64bを貫通して前記エンドプレート20a、20bの外部に突出する。
As shown in FIG. 1,
絶縁プレート18a、18bは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート(PC)やフェノール樹脂等で形成されている。絶縁プレート18a、18bは、中央部に矩形状の凹部66a、66bが設けられるとともに、この凹部66a、66bの略中央に孔部62a、62bが形成される。凹部66a、66bには、ターミナルプレート16a、16bが絶縁プレート18a、18bの面18bsから突出して収容され、前記ターミナルプレート16a、16bの端子部58a、58bが絶縁性筒体60を介装して孔部62a、62bに挿入される。
The insulating
図2に示すように、少なくとも一方の絶縁プレート18bと積層体14の一方の積層方向端部に配置される端部金属セパレータ26(end)との間には、ターミナルプレート16bの外周端部を周回して第2シール部材50が介装される。第2シール部材50は、内側凸状シール部50c及び外側凸状シール部50dが絶縁プレート18b側に配置される厚さ調整用シム部材68に当接する。シム部材68は、絶縁性を有する樹脂材料で形成されることが好ましい。なお、端部金属セパレータ26(end)は、第2金属セパレータ26と同一の部品を共用する。
As shown in FIG. 2, the outer peripheral end of the
シム部材68は、図1に示すように、枠形状(額縁形状)を有し、図5に示すように、第2金属セパレータ26に設けられた第2シール部材50の内側凸状シール部50c及び外側凸状シール部50dに当接する寸法に設定される。シム部材68には、絶縁プレート18b側から所定の深さに複数の穴部70が形成される。
As shown in FIG. 1, the
絶縁プレート18bには、凹部66b(第1の凹部)を周回して凹部72(第2の凹部)が形成される。凹部72は、シム部材68を収容するために前記シム部材68に対応する形状を有し、前記シム部材68の面68aは、絶縁プレート18bの面18bsから内方(積層体14側)に突出可能である。
In the insulating
絶縁プレート18bには、図1に示すように、凹部72内に位置し且つシム部材68の各穴部70と同軸的にねじ孔74が形成される。ねじ孔74には、調整ねじ76が螺合するとともに、前記調整ねじ76の先端がシム部材68の穴部70に嵌合する。調整ねじ76は、シム部材68を押圧することにより、前記シム部材68の積層方向の位置調整が行われる。調整ねじ76は、ワッシャ78を用いることにより、シム部材68の位置調整量を変更することができる。なお、調整ねじ76を用いずに、シム部材68自体の厚さを調整してもよい。
As shown in FIG. 1, screw holes 74 are formed in the insulating
絶縁プレート18a及びエンドプレート20aには、酸化剤ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔36a、燃料ガス出口連通孔38b、燃料ガス入口連通孔38a、冷却媒体出口連通孔36b及び酸化剤ガス出口連通孔34bが形成される。
The insulating
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、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート20aの酸化剤ガス入口連通孔34aに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート20aの燃料ガス入口連通孔38aに供給される一方、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、前記エンドプレート20aの冷却媒体入口連通孔36aに供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
酸化剤ガスは、図3に示すように、酸化剤ガス入口連通孔34aから第2金属セパレータ26の酸化剤ガス流路44に導入され、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体22のカソード電極32に供給される。
As shown in FIG. 3, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、図3及び図4に示すように、燃料ガス入口連通孔38aから供給孔部42aを通って第1金属セパレータ24の燃料ガス流路40に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路40に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体22のアノード電極30に供給される。
On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, the fuel gas is introduced from the fuel gas
従って、各電解質膜・電極構造体22では、カソード電極32に供給される酸化剤ガスと、アノード電極30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て発電が行われる。
Accordingly, in each electrolyte membrane /
次いで、カソード電極32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34bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極30に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部42bを通り燃料ガス出口連通孔38b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36aに供給された冷却媒体は、図3及び図5に示すように、第1金属セパレータ24と第2金属セパレータ26との間の冷却媒体流路46に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、冷却媒体出口連通孔36bから排出される。
Further, the cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、本実施形態では、図2に示すように、絶縁プレート18bと端部金属セパレータ26(end)との間には、ターミナルプレート16bの外周端部を周回して第2シール部材50が介装されている。そして、第2シール部材50は、内側凸状シール部50c及び外側凸状シール部50dが、絶縁プレート18b側に配置されるシム部材68に当接している。
In this case, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
このため、ターミナルプレート16bの面位置と前記ターミナルプレート16bの外周端部を周回する絶縁プレート18bの面位置との段差寸法は、端部金属セパレータ26(end)側に配設された第2シール部材50が当接するシム部材68により調整することができる。具体的には、シム部材68の積層方向の厚さや、調整ねじ76のねじ込み量や、前記調整ねじ76に外装されるワッシャ78の厚さを変更することにより、段差寸法が調整される。
For this reason, the step size between the surface position of the
従って、段差寸法の変動を良好に抑制することが可能になり、端部金属セパレータ26(end)のシール線圧を調整することが可能になる。これにより、燃料電池スタック10では、簡単且つ経済的な構成で、段差寸法を良好に調整してシール線圧の適正化を図り、発電効率等のスタック性能の向上が遂行可能になるという効果が得られる。
Accordingly, it is possible to satisfactorily suppress the variation in the step size, and it is possible to adjust the seal line pressure of the end metal separator 26 (end). As a result, the
しかも、端部金属セパレータ26(end)は、実質的に、発電セル12を構成する第2金属セパレータ26と同一に構成されており、前記第2金属セパレータ26を共用することができる。このため、燃料電池スタック10全体の構成が簡素化されるとともに、経済的であるという利点がある。
Moreover, the end metal separator 26 (end) is configured substantially the same as the
なお、端部セパレータは、発電に供されるセパレータではなく、ダミーで作製されたMEAを挟持するセパレータでもよい。 The end separator may not be a separator used for power generation, but may be a separator that holds a dummy MEA.
10…燃料電池スタック 12…発電セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
20a、20b…エンドプレート 22…電解質膜・電極構造体
24、26…金属セパレータ 26(end)…端部金属セパレータ
28…固体高分子電解質膜 30…アノード電極
32…カソード電極 40…燃料ガス流路
44…酸化剤ガス流路 46…冷却媒体流路
48、50…シール部材 50c、50d…凸状シール部
68…シム部材 70…穴部
72…凹部 74…ねじ孔
76…調整ねじ 78…ワッシャ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
少なくとも一方の前記絶縁プレートと前記積層体の一方の積層方向端部に配置される端部セパレータとの間には、前記ターミナルプレートの外周端部を周回してシール部材が介装されるとともに、
前記端部セパレータは、前記シール部材が一体成形された金属セパレータであり、
前記絶縁プレートには、前記シール部材の凸状シール部の線圧を調整するために、前記凸状シール部が当接する厚さ調整用シム部材が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。 Comprising a stack power generation cell having a separator and the electrolyte electrode structure on both sides in the electrode is disposed in the electrolyte is laminated to both sides in the laminating direction of the laminated body, terminal plate, insulation plate and an end plate there are disposed, the insulating plate and said end plate has a larger outside dimension than the terminal plate, and the terminal plate is a fuel cell stack that will be received in the recess of the insulating plate,
Between at least one of the insulating plates and an end separator disposed at one end in the stacking direction of the stacked body, a seal member is interposed around the outer peripheral end of the terminal plate, and
The end separator is a metal separator in which the seal member is integrally formed,
Wherein the insulating plate, in order to adjust the line pressure of the convex sealing portion of the sealing member, the fuel cell stack thickness adjusting shim member in which the convex seal portion abuts is characterized Rukoto disposed .
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