JP6801624B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.
電解質膜と電解質膜を挟持する電極とを有する単セルを積層してスタック構造とした燃料電池スタックが知られている。燃料電池スタックでは、外部から力が加わることで、複数の単セルが積層された積層体が撓み、単セル間にずれが発生することがある。そこで、単セル間のずれを抑制するために、複数の単セルが積層された積層体と積層体を収納するケースとの隙間を調整する隙間調整機構を設けた構成が知られている(例えば、特許文献1)。 A fuel cell stack in which a single cell having an electrolyte membrane and an electrode sandwiching the electrolyte membrane is laminated to form a stack structure is known. In the fuel cell stack, when a force is applied from the outside, the laminated body in which a plurality of single cells are laminated may be bent, and a gap may occur between the single cells. Therefore, in order to suppress the deviation between the single cells, a configuration is known in which a gap adjusting mechanism for adjusting the gap between the laminated body in which a plurality of single cells are laminated and the case for storing the laminated body is provided (for example). , Patent Document 1).
特許文献1では、複数の単セルの積層方向に均等な間隔で隙間調整機構を設けて単セル間のずれを抑制している。しかしながら、複数の単セルが積層され且つ一端側の単セルが他端側の単セルよりも重力方向上側に位置する積層体に対して、積層体の撓みを効率的に抑制するという点で改善の余地が残されている。 In Patent Document 1, gap adjusting mechanisms are provided at equal intervals in the stacking direction of a plurality of single cells to suppress deviation between the single cells. However, it is improved in that the deflection of the laminated body is efficiently suppressed with respect to the laminated body in which a plurality of single cells are laminated and the single cell on one end side is located on the upper side in the gravity direction with respect to the single cell on the other end side. There is room for.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、積層体の撓みを効率的に抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to efficiently suppress bending of a laminated body.
本発明は、複数の単セルが積層され、前記複数の単セルのうちの一端側の単セルが他端側の単セルよりも重力方向上側に位置する積層体と、前記積層体の積層方向に沿う側面に対向して設けられた外周部材と、前記積層体の側面と前記外周部材との間に前記外周部材に組み付けられて設けられ、前記積層体の側面側に押圧されて前記積層体を支持する支持部材と、を備え、前記支持部材は、前記積層体を支持する力が前記積層体の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるように、前記積層体の側面と前記外周部材との間に設けられている燃料電池スタックである。 In the present invention, a plurality of single cells are laminated, and the single cell on one end side of the plurality of single cells is located on the upper side in the gravity direction with respect to the single cell on the other end side, and the stacking direction of the laminated body. The outer peripheral member is provided so as to face the side surface along the side surface, and the outer peripheral member is assembled between the side surface of the laminated body and the outer peripheral member, and is pressed against the side surface side of the laminated body. The support member is provided with a support member for supporting the laminated body, and the support member is provided with a side surface of the laminated body so that the force for supporting the laminated body is biased upward in the gravity direction from the center of the laminated body. It is a fuel cell stack provided between the outer peripheral member and the outer peripheral member.
本発明によれば、積層体の撓みを効率的に抑制することができる。 According to the present invention, the bending of the laminated body can be efficiently suppressed.
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、実施例1に係る燃料電池スタックの透視側面図である。図1のように、実施例1の燃料電池スタック100は、積層体12と、エンドプレート14と、外周部材16と、支持部材18と、を備える。燃料電池スタック100は、例えば燃料電池自動車又は電気自動車などに搭載される。
FIG. 1 is a perspective side view of the fuel cell stack according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
積層体12は、複数の単セル10が重力方向に積層されて形成されている。すなわち、複数の単セル10のうちの一端側の単セル10aは他端側の単セル10bよりも重力方向上側に位置している。なお、単セル10aが単セル10bよりも重力方向上側に位置していれば、積層体12の積層方向は重力方向に完全に一致する場合に限られず、重力方向に対して斜めに傾いた方向であってもよい。
The laminated
単セル10は、反応ガスとして燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気)との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。単セル10は、1対のセパレータと膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)とを備える。1対のセパレータは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、MEGAに供給する燃料ガスが流れる燃料ガス流路及び酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を形成する。
The
MEGAは、電解質膜と電解質膜の両側に配置された1対の触媒層とを備える膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を含む。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。1対の触媒層は、電気化学反応を進行させる触媒を担持したカーボン粒子と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。MEAの両側に1対のガス拡散層が配置されている。MEAと1対のガス拡散層とによってMEGAが形成される。1対のガス拡散層は、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成される。 MEGA includes a membrane electrode assembly (MEA) comprising an electrolyte membrane and a pair of catalyst layers arranged on both sides of the electrolyte membrane. The electrolyte membrane is a solid polymer membrane formed of a fluorine-based resin material or a carbon-based resin material having a sulfonic acid group, and has good proton conductivity in a wet state. The pair of catalyst layers contains carbon particles carrying a catalyst for advancing an electrochemical reaction, and an ionomer which is a solid polymer having a sulfonic acid group and has good proton conductivity in a wet state. A pair of gas diffusion layers are arranged on both sides of the MEA. MEGA is formed by the MEA and a pair of gas diffusion layers. The pair of gas diffusion layers is formed by members having gas permeability and electron conductivity.
エンドプレート14は、積層体12を積層方向から挟んで設けられている。エンドプレート14は、積層体12を積層方向に押し付けて単セル10同士を密着させている。エンドプレート14は、例えばステンレス鋼又はアルミニウム合金などの金属で形成される。なお、エンドプレート14と積層体12との間には、燃料電池が発電した電力を外部に取り出すためのターミナル及び単セル10とエンドプレート14とを絶縁させるインシュレータなどを備えていてもよい。
The
外周部材16は、積層体12の積層方向に沿う側面24に対向して設けられている。外周部材16は、例えばエンドプレート14に固定されていて、積層体12の側面24を覆って設けられている。外周部材16は、例えばステンレス鋼又はアルミニウム合金などの金属で形成されている。
The outer
支持部材18は、積層体12の側面24と外周部材16との間に外周部材16に組み付けられて設けられている。支持部材18は、積層体12を積層方向で2等分した中央ライン30よりも重力方向上側に寄って設けられている。すなわち、積層体12の重力方向上側の端を一端50とし、重力方向下側の端を他端52とした場合、支持部材18は積層体12の中央ライン30よりも積層体12の一端50側に寄って設けられている。言い換えると、支持部材18を積層体12の積層方向で2等分した中央ライン32は、積層体12の中央ライン30よりも積層体12の一端50側に寄っている。一例として、支持部材18の積層体12の積層方向の長さは30mmであり、支持部材18の中央ライン32は積層体12の中央ライン30よりも積層体12の一端50側に15mmシフトしている。支持部材18は、外周部材16に設けられたネジなどの固定部材44によって積層体12の側面24側に押圧されて積層体12を支持している。
The
図2(a)は、実施例1に係る燃料電池スタックの透視斜視図、図2(b)及び図2(c)は、積層体の角部での断面図である。図2(b)は、積層体の角部のうちの支持部材が設けられた領域での断面図であり、図2(c)は、支持部材が設けられていない領域での断面図である。図2(a)のように、支持部材18は、L字型の形状を有し、積層体12の側面24のうちの4つの角部に設けられている。
FIG. 2A is a perspective perspective view of the fuel cell stack according to the first embodiment, and FIGS. 2B and 2C are cross-sectional views at corners of the laminated body. FIG. 2B is a cross-sectional view of the corner portion of the laminated body in the region where the support member is provided, and FIG. 2C is a cross-sectional view in the region where the support member is not provided. .. As shown in FIG. 2A, the
図3は、支持部材の斜視図である。図3のように、支持部材18は、例えばステンレス鋼などの金属部40と、例えば樹脂(ポリプロピレンなど)などの弾性部42と、で形成されている。金属部40は、弾性部42を覆うように設けられている。したがって、積層体12の側面24には支持部材18の弾性部42が当接する。金属部40の厚さt1及び弾性部42の厚さt2は、例えば3mmである。支持部材18の幅W、長さL、及び高さHは、例えば30mmである。なお、支持部材18は、金属部40だけで形成されていてもよいし、弾性部42だけで形成されていてもよい。支持部材18が弾性部42を含むことで、外周部材16が変形したときの変位を弾性部42で吸収でき、積層体12への影響を抑えることができる。
FIG. 3 is a perspective view of the support member. As shown in FIG. 3, the
図2(b)及び図2(c)のように、外周部材16は、支持部材18が組み付けられた部分では他の部分に比べて外側に突出している。これにより、積層体12の側面24と外周部材16との間に支持部材18が設けられる空間が確保されている。支持部材18は、外周部材16に設けられたネジなどの固定部材44によって積層体12の側面24に押し付けられている。
As shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c), the outer
ここで、実施例1の燃料電池スタックの効果を説明するにあたり、比較例の燃料電池スタックについて説明する。図4(a)は、比較例に係る燃料電池スタックの透視側面図、図4(b)は、比較例に係る燃料電池スタックで生じる課題を説明する図である。図4(a)のように、比較例の燃料電池スタック500では、積層体12の側面24と外周部材16との間に支持部材18が設けられていない。その他の構成は実施例1と同じであるため説明を省略する。
Here, in explaining the effect of the fuel cell stack of the first embodiment, the fuel cell stack of the comparative example will be described. FIG. 4A is a perspective side view of the fuel cell stack according to the comparative example, and FIG. 4B is a diagram illustrating a problem that occurs in the fuel cell stack according to the comparative example. As shown in FIG. 4A, in the
比較例1の燃料電池スタック500では、複数の単セル10が重力方向に積層されて積層体12が形成されている。このため、例えば燃料電池スタック500を備えた自動車が加減速をした場合又は他の自動車などに衝突した場合、図4(b)のように、積層体12の積層方向に交差する方向の慣性力が積層体12に働くようになる。この慣性力によって、積層体12に撓みが生じ、この撓みが大きいときには、単セル10間にずれが生じることが起こり得る。積層体12の撓みは、積層体12を積層方向で2等分した中央ライン30よりも積層体12の一端50側(重力方向上側)で起こり易い。これは以下の理由によるものである。
In the
すなわち、複数の単セル10が重力方向に積層された積層体12では、積層体12の重力方向下側にある単セル10ほど重力方向上側にある単セル10の重みがかかるようになる。このため、積層体12の重力方向下側にある単セル10は重力方向上側にある単セル10に比べて圧縮荷重が大きくなる。積層体12の積層方向に交差する方向の力が積層体12に加わると、単セル10のうちの剛性が比較的低いガス拡散層が変形し、この変形によって積層体12が撓むことが生じる。単セル10の変形は、大きな圧縮荷重がかかっている積層体12の重力方向下側にある単セル10では起こり難く、圧縮荷重が小さい積層体12の重力方向上側にある単セル10で起こり易い。したがって、積層体12の積層方向に交差する方向の力が積層体12に加わると、積層体12の重力方向上側は重力方向下側に比べて撓み易くなり変形量が大きくなり易い。このような理由から、図4(b)のように、積層体12の積層方向に交差する方向の慣性力が積層体12に加わると、積層体12の中央ライン30よりも積層体12の一端50側(重力方向上側)で撓みが起こり易くなる。
That is, in the
これに対し、実施例1によれば、図1のように、積層体12の側面24と外周部材16との間に、積層体12の側面24側に押圧されて積層体12を支持する支持部材18が設けられている。支持部材18は、積層体12の中央ライン30よりも積層体12の一端50側(重力方向上側)に寄って設けられていて、積層体12を支持する力が積層体12の中央ライン30より重力方向下側よりも重力方向上側で大きくなっている。すなわち、支持部材18による積層体12を支持する力が、積層体12の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなっている。これにより、積層体12のうちの撓みが起こり易い重力方向上側の部位を支持部材18で重点的に支持でき、積層体12の撓みを効率的に抑制することができる。例えば積層体12の積層方向の全体にわたって積層体12の側面24に支持部材18を点在して設ける場合に比べて、支持部材18の部品点数を削減しつつ、積層体12の撓みを抑制することができる。
On the other hand, according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, a support that supports the
図5は、実施例1の変形例に係る燃料電池スタックの透視斜視図である。図5のように、実施例1の変形例の燃料電池スタック110では、支持部材18が、積層体12の側面24の4つの角部ではなく、各側面24の平坦部に設けられている。その他の構成は実施例1と同じであるため説明を省略する。
FIG. 5 is a perspective perspective view of the fuel cell stack according to the modified example of the first embodiment. As shown in FIG. 5, in the
支持部材18は、実施例1のように積層体12の側面24の角部に設けられてもよいし、実施例1の変形例のように積層体12の側面24の平坦部に設けられてもよい。
The
図6(a)は、実施例2に係る燃料電池スタックの透視側面図、図6(b)は、実施例2の変形例に係る燃料電池スタックの透視側面図である。図6(a)のように、実施例2の燃料電池スタック200では、支持部材18が積層体12の積層方向で間隔を開けて並んで積層体12の側面24に設けられている。積層体12の一端50側に位置する支持部材18は、積層体12を積層方向で3等分した3等分ライン34のうちの積層体12の一端50側に位置する3等分ライン34よりも積層体12の一端50側に寄って配置されている。積層体12の他端52側に位置する支持部材18は、積層体12の3等分ライン34のうちの積層体12の他端52側に位置する3等分ライン34よりも積層体12の一端50側に寄って配置されている。すなわち、支持部材18を積層体12の積層方向で2等分した中央ライン32は、積層体12の3等分ライン34よりも積層体12の一端50側に寄っている。その他の構成は実施例1と同じであるため説明を省略する。
FIG. 6A is a perspective side view of the fuel cell stack according to the second embodiment, and FIG. 6B is a perspective side view of the fuel cell stack according to the modified example of the second embodiment. As shown in FIG. 6A, in the
図6(b)のように、実施例2の変形例の燃料電池スタック210では、積層体12を積層方向で2等分した中央ライン30よりも積層体12の一端50側での積層体12の側面24に、積層体12の積層方向で間隔を開けて並んだ2つの支持部材18が設けられている。積層体12の中央ライン30よりも積層体12の他端52側での積層体12の側面24に、積層体12の積層方向で1つの支持部材18が設けられている。その他の構成は実施例1と同じであるため説明を省略する。
As shown in FIG. 6B, in the
実施例2のように、積層体12の積層方向に並んで設けられた2つの支持部材18が、積層体12の3等分ライン34よりも積層体12の一端50側(重力方向上側)に寄って設けられている場合でもよい。実施例2の変形例のように、積層体12の積層方向に並んで複数の支持部材18が設けられ、積層体12の中央ライン30よりも積層体12の一端50側(重力方向上側)に設けられた支持部材18の個数が他端52側(重力方向下側)に設けられた支持部材18の個数よりも多い場合でもよい。これらの場合でも、支持部材18による積層体12を支持する力が積層体12の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるため、積層体12の撓みを効率的に抑制することができる。
As in the second embodiment, the two
図7は、実施例3に係る燃料電池スタックの透視側面図である。図7のように、実施例3の燃料電池スタック300では、積層体12の側面24に積層体12の積層方向で間隔を開けて並んだ支持部材18a及び18bが設けられている。支持部材18aは、例えば積層体12を積層方向で3等分した3等分ライン34のうちの積層体12の一端50側に位置する3等分ライン34の箇所で積層体12の側面24に設けられている。支持部材18bは、例えば積層体12の3等分ライン34のうちの積層体12の他端52側に位置する3等分ライン34の箇所で積層体12の側面24に設けられている。例えば、支持部材18aを積層体12の積層方向で2等分した中央ライン32aは積層体12の一端50側に位置する3等分ライン34に一致し、支持部材18bを積層体12の積層方向で2等分した中央ライン32bは積層体12の他端52側に位置する3等分ライン34に一致している。
FIG. 7 is a perspective side view of the fuel cell stack according to the third embodiment. As shown in FIG. 7, in the
積層体12の積層方向において、支持部材18aは支持部材18bよりも長くなっている。例えば、積層体12の積層方向における長さが、支持部材18bでは30mmであるのに対し、支持部材18aでは50mmとなっている。したがって、支持部材18aが積層体12の側面24に当接する面積は支持部材18bが積層体12の側面24に当接する面積よりも大きくなっている。その他の構成は実施例1と同じであるため説明を省略する。
In the stacking direction of the
実施例3のように、積層体12の一端50側(重力方向上側)に、積層体12の他端52側(重力方向下側)に設けられた支持部材18bが積層体12に当接する面積よりも大きな面積で当接する支持部材18aが設けられている場合でもよい。この場合でも、支持部材18a及び18bによる積層体12を支持する力が積層体12の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるため、積層体12の撓みを効率的に抑制することができる。
Area where the
図8は、実施例4に係る燃料電池スタックの透視側面図である。図8のように、実施例4の燃料電池スタック400では、積層体12を積層方向で3等分した3等分ライン34のうちの積層体12の一端50側に位置する3等分ライン34の箇所で積層体12の側面24に支持部材20が設けられている。積層体12の3等分ライン34のうちの積層体12の他端52側に位置する3等分ライン34の箇所で積層体12の側面24に支持部材22が設けられている。例えば、支持部材20を積層体12の積層方向で2等分した中央ライン32c及び支持部材22を2等分した中央ライン32dは積層体12の3等分ライン34に一致している。支持部材20は、支持部材22よりも高い硬度(例えば高いビッカース硬度)を有する。例えば、支持部材20はステンレス鋼などの金属で形成され、支持部材22はポリプロピレンなどの樹脂で形成されている。その他の構成は実施例1と同じであるため説明を省略する。
FIG. 8 is a perspective side view of the fuel cell stack according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 8, in the
実施例4のように、積層体12の一端50側(重力方向上側)に設けられた支持部材20が、積層体12の他端52側(重力方向下側)に設けられた支持部材22よりも硬い場合でもよい。この場合でも、支持部材20及び22による積層体12を支持する力が積層体12の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるため、積層体12の撓みを効率的に抑制することができる。
As in the fourth embodiment, the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the examples of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific examples, and various modifications and modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10〜10b 単セル
12 積層体
14 エンドプレート
16 外周部材
18〜22 支持部材
24 側面
30 中央ライン
32〜32d 中央ライン
34 3等分ライン
40 金属部
42 弾性部
44 固定部材
50 一端
52 他端
100〜500 燃料電池スタック
10 to 10b
Claims (1)
前記積層体の積層方向に沿う側面に対向して設けられた外周部材と、
前記積層体の側面と前記外周部材との間に前記外周部材に組み付けられて設けられ、前記積層体の側面側に押圧されて前記積層体を支持する支持部材と、を備え、
前記支持部材は、前記積層体を支持する力が前記積層体の積層方向の中央よりも重力方向上側に偏って大きくなるように、前記積層体の側面と前記外周部材との間に設けられている燃料電池スタック。 A laminated body in which a plurality of single cells are laminated, and the single cell on one end side of the plurality of single cells is located above the single cell on the other end side in the direction of gravity.
An outer peripheral member provided so as to face the side surface of the laminated body along the laminating direction,
A support member that is assembled and provided on the outer peripheral member between the side surface of the laminated body and the outer peripheral member and is pressed against the side surface side of the laminated body to support the laminated body is provided.
The support member is provided between the side surface of the laminated body and the outer peripheral member so that the force for supporting the laminated body is biased toward the upper side in the gravity direction with respect to the center of the laminated body. Fuel cell stack.
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