JP2014049269A - Solid polymer fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層形燃料電池(燃料電池スタック)に係り、特に高分子電解質膜を使用した燃料電池の単位セルを複数枚積層した燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a stacked fuel cell (fuel cell stack), and more particularly to a fuel cell stack in which a plurality of unit cells of a fuel cell using a polymer electrolyte membrane are stacked.
燃料電池には、固体高分子型，リン酸型，溶融炭酸塩型，固体酸化物型等が挙げられる。その中で、固体高分子型燃料電池は、室温から１００℃程度の比較的低温で発電が可能であり、出力密度が高いことから、上述した用途では固体高分子型燃料電池が最も適している。この電解質膜に固体高分子電解質膜を用いる燃料電池について、水素を燃料とするものは固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）と呼ばれ、メタノールを燃料とするものは直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）と呼ばれる。 Examples of the fuel cell include a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, and a solid oxide type. Among them, the polymer electrolyte fuel cell can generate power at a relatively low temperature of room temperature to about 100 ° C., and has a high output density. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell is most suitable for the above-described applications. . Regarding a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane, a fuel cell using hydrogen as a fuel is called a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and a fuel cell using methanol as a direct fuel type. It is called a fuel cell (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell).
ＰＥＦＣやＤＭＦＣは、一般的に固体高分子電解質膜の両面にアノード、カソードとなる触媒金属を担持した担持カーボンの層（以下、単に電極触媒層と述べる）が配置された構造で構成されている。これを膜・電極接合体(ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)と呼ぶ。ここでアノード、カソードの固体高分子電解質膜とは反対の面には、燃料である水素やメタノールあるいは空気や酸素の拡散を円滑に行うために拡散層が配置される。 PEFCs and DMFCs generally have a structure in which a supported carbon layer (hereinafter simply referred to as an electrode catalyst layer) carrying a catalytic metal serving as an anode and a cathode is disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. . This is called a membrane electrode assembly (MEA). Here, a diffusion layer is disposed on the surface opposite to the solid polymer electrolyte membranes of the anode and cathode in order to smoothly diffuse hydrogen, methanol, air, and oxygen as fuel.
たとえば燃料に水素を用いるＰＥＦＣの場合、燃料中の水素と空気中の酸素から発電中に（式１）〜（式３）に示した反応式で表される反応によって水が生成する。
アノード側 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ・・・（式１）
カソード側 １／２Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ ・・・（式２）
全反応 Ｈ2 ＋ １／２Ｏ2 → Ｈ2Ｏ ・・・（式３）
For example, in the case of PEFC using hydrogen as a fuel, water is generated from the hydrogen in the fuel and the oxygen in the air by the reactions represented by the reaction formulas shown in (Formula 1) to (Formula 3) during power generation.
Anode side H 2 → 2H + + 2e − (Formula 1)
Cathode side 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (Formula 2)
Total reaction H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (Formula 3)
上記の反応において固体高分子形燃料電池の発電時には単位セルあたり最大約１Vの電圧しか発生しない。このために、出力規模に応じて単セルを複数個積層し、電気的に直列に接続した積層形燃料電池が実際のシステムに用いられる。たとえば、燃料電池自動車用の燃料電池では５０〜７０ｋWの出力が求められており、２００〜５００個の単セルを積層する必要がある。この単セルの積層体を燃料電池スタックと呼ぶが、これはＭＥＡと、燃料や空気を流通させるための流路が形成されたセパレータを交互に積層し、積層方向の両端に端板(エンドプレート)で挟み込む形で構成される。この燃料電池スタックについては、各燃料電池セルで（式１）〜（式３）の反応により生成した電子を流通させたり、燃料や空気をリークさせることなく流通させたりする必要があり、スタックの積層方向について均一に荷重をかけ締結する必要がある。締結力が不足したり、均一でなかった場合には、燃料や空気がリークしたり、ＭＥＡとセパレータ間の接触抵抗により効率が低下してしまう。また、締結力が強すぎた場合には、セパレータが破損したり、セパレータの燃料や空気を流通させる流路がつぶれたりする事により、発電不能に陥ってしまう危険性がある。一般的にセルスタックは、セパレータよりも大きい端板を積層方向の両端に設置し、端板のセパレータよりもはみ出した部分を利用して、複数の連結ロッドとナットを使用して締結される。しかし、この方法では、複数の連結ロッドを適切にトルク管理して締め付ける必要があり、作業に時間がかかる、各ボルト間のトルクの調整が難しいなどの問題があった。また、セパレータよりも大きい端板を用いることにより、スタックが大型化し、燃料電池スタックの体積の増加を招いていた。 In the above reaction, only a maximum voltage of about 1 V is generated per unit cell during power generation of the polymer electrolyte fuel cell. For this reason, a stacked fuel cell in which a plurality of single cells are stacked in accordance with the output scale and electrically connected in series is used in an actual system. For example, in a fuel cell for a fuel cell vehicle, an output of 50 to 70 kW is required, and it is necessary to stack 200 to 500 single cells. This single-cell stack is called a fuel cell stack. This is a stack of MEAs and separators in which flow paths for circulating fuel and air are alternately stacked, and end plates (end plates) at both ends in the stacking direction. ). About this fuel cell stack, it is necessary to distribute the electrons generated by the reactions of (Equation 1) to (Equation 3) in each fuel cell, or to circulate without leaking fuel or air. It is necessary to apply a load uniformly in the stacking direction and fasten. If the fastening force is insufficient or not uniform, fuel or air leaks or the efficiency decreases due to contact resistance between the MEA and the separator. Further, if the fastening force is too strong, there is a risk that the separator may be damaged, or the flow path through which the fuel and air in the separator are crushed, resulting in the inability to generate power. In general, a cell stack is fastened using a plurality of connecting rods and nuts using end portions larger than the separator at both ends in the stacking direction and using the portions of the end plate that protrude beyond the separator. However, this method requires a plurality of connecting rods to be properly torqued and tightened, and there are problems such as that it takes time to work and it is difficult to adjust the torque between the bolts. In addition, the use of an end plate larger than the separator increases the size of the stack, leading to an increase in the volume of the fuel cell stack.
この課題に対し、特許文献１には、電池モジュール(燃料電池スタック)外周にバンドを通し、ターンバックルを回転させることで燃料電池スタックを締結する方法が開示されている。 In response to this problem, Patent Document 1 discloses a method of fastening a fuel cell stack by passing a band around the outer periphery of a battery module (fuel cell stack) and rotating a turnbuckle.
特許文献１の電池モジュールによれば、複数の連結ロッドとナットを使用して締結した場合と比較してモジュール体積を小さくでき、生産性を高めることできる。しかしながら、従来の燃料電池スタックの締結構造ではスタックの周辺領域に対して中央領域で締結荷重が小さくなる傾向にあり、スタック面内で圧力分布が発生するという課題を有する。スタック面内で圧力分布が発生すると、圧力の低い部分で電極部とセパレータの接触抵抗が増加し、発電効率低下の原因となる。また、部分的に接触抵抗が増加することで電流分布も発生し、電極等の部材劣化が生じやすくなり、信頼性が低下するといった問題を有する。 According to the battery module of Patent Document 1, the module volume can be reduced compared with the case where a plurality of connecting rods and nuts are used for fastening, and the productivity can be increased. However, in the conventional fastening structure of the fuel cell stack, the fastening load tends to be smaller in the central region with respect to the peripheral region of the stack, and there is a problem that pressure distribution occurs in the stack surface. When pressure distribution occurs in the stack surface, the contact resistance between the electrode portion and the separator increases at a low pressure portion, which causes a decrease in power generation efficiency. In addition, since the contact resistance partially increases, current distribution is also generated, and members such as electrodes are likely to be deteriorated, resulting in a decrease in reliability.
本発明は、スタック面内で締結荷重をより均一にでき、発電効率や信頼性に優れた燃料電池スタックを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell stack in which the fastening load can be made more uniform in the stack surface and the power generation efficiency and reliability are excellent.
本発明の燃料電池スタックは、複数枚の膜・電極接合体および、燃料や空気を流通させるための流路が形成されたセパレータを交互に積層し、積層方向の両端を端板で挟んで構成されており、前記端板と前記セパレータの接触面積が前記セパレータの面積よりも小さく、前記端板と前記セパレータの接触面の外周が、前記セパレータに形成された燃料や空気の外部へのリークを防ぐためのシール部と重なる位置か、それよりも外側に位置していることを特徴とする。 The fuel cell stack of the present invention is configured by alternately laminating a plurality of membrane / electrode assemblies and a separator having a flow path for circulating fuel and air, and sandwiching both ends in the stacking direction between end plates. The contact area between the end plate and the separator is smaller than the area of the separator, and the outer periphery of the contact surface between the end plate and the separator leaks fuel or air formed in the separator to the outside. It is characterized by being positioned on the outer side or on the position overlapping the sealing portion for prevention.
本発明によって、スタック面内での締結荷重がより均一になることでＭＥＡの電極部とセパレータの接触抵抗を低減でき、発電効率や信頼性に優れた燃料電池スタックを提供できる。 According to the present invention, the contact load between the electrode portion of the MEA and the separator can be reduced by making the fastening load in the stack surface more uniform, and a fuel cell stack excellent in power generation efficiency and reliability can be provided.
以下に、本発明の実施の形態を示す。 Embodiments of the present invention are shown below.
本発明に係る燃料電池スタックについて説明する。本発明に係る燃料電池スタックの基本構成の一例を図１に示す。本発明の燃料電池スタック１１は、燃料や空気を流通させるための流路が形成されたセパレータ１２と、発電部である膜・電極接合体（ＭＥＡ）（図示せず）が交互に積層されており、さらにセパレータ１２およびＭＥＡの積層体の、積層方向の両端に配置され、各セパレータ１２の流路と連結された燃料入口１５、燃料出口１６、空気入口１７、空気出口１８が形成された端板１３、及び、燃料電池スタックを締結するための締結バンド１４などから構成される。次に、図１に示した本発明に係る燃料電池スタックを側面から見た図を図２に示す。図２にはセパレータ１２に設けられた燃料や空気のリークを防ぐためのシール部１９を破線で示している。ここで、本発明の燃料電池スタックの大きな特徴は端板１３を特定のサイズにしたことである。 The fuel cell stack according to the present invention will be described. An example of the basic configuration of the fuel cell stack according to the present invention is shown in FIG. In the fuel cell stack 11 of the present invention, separators 12 having flow paths for circulating fuel and air and membrane / electrode assemblies (MEA) (not shown) that are power generation units are alternately stacked. Furthermore, the end of the laminated body of the separator 12 and the MEA, which is disposed at both ends in the laminating direction and is connected to the flow path of each separator 12, is formed with a fuel inlet 15, a fuel outlet 16, an air inlet 17, and an air outlet 18. It comprises a plate 13 and a fastening band 14 for fastening the fuel cell stack. Next, FIG. 2 shows a side view of the fuel cell stack according to the present invention shown in FIG. In FIG. 2, the seal portion 19 provided in the separator 12 for preventing leakage of fuel and air is indicated by a broken line. Here, a major feature of the fuel cell stack according to the present invention is that the end plate 13 has a specific size.
スタックの周辺領域に対して中央領域で締結荷重が小さくなる要因の一つとして、締結荷重がかかった際にシール部１９の外周領域が変形しやすく、これに伴って端板１３が撓むことが挙げられる。シール部１９の外周領域が変形しやすい理由は以下である。シール部１９を介してセパレータ１２とＭＥＡを積層した際にシール部１９の外周領域にはセパレータ１２とＭＥＡの間に空間が存在する。この領域に締結荷重が加わると空間が潰れることで中央部よりも変形が大きくなるためである。従来の締結構造では、セパレータの全面を端板で押さえつけた構成を採用しているため、シール部１９の外周領域における変形が大きくなり、これによりスタック面内の圧力分布が生じていた。 As one of the factors that reduce the fastening load in the central region relative to the peripheral region of the stack, the outer peripheral region of the seal portion 19 is easily deformed when the fastening load is applied, and the end plate 13 bends accordingly. Is mentioned. The reason why the outer peripheral region of the seal portion 19 is easily deformed is as follows. When the separator 12 and the MEA are stacked via the seal portion 19, a space exists between the separator 12 and the MEA in the outer peripheral region of the seal portion 19. This is because when the fastening load is applied to this region, the space is crushed and deformation becomes larger than the central portion. Since the conventional fastening structure employs a configuration in which the entire surface of the separator is pressed by the end plate, the deformation in the outer peripheral region of the seal portion 19 is increased, thereby causing pressure distribution in the stack surface.
これに対して、本発明ではシール部１９の外周領域に大きな締結荷重がかからないように端板のサイズを調整している。図２に示したように、本発明の燃料電池スタック１１では、端板１３の端部がセパレータの外周よりも内側で、かつ、シール部１９よりも外側、あるいは、シール部１９と重なる位置にしたことを特徴とする。ここで、内側、外側とは、基準位置に対しスタック中央部に向かう方向を内側、スタック中央部から遠ざかる方向を外側とする。 On the other hand, in the present invention, the size of the end plate is adjusted so that a large fastening load is not applied to the outer peripheral region of the seal portion 19. As shown in FIG. 2, in the fuel cell stack 11 of the present invention, the end portion of the end plate 13 is inside the outer periphery of the separator and outside the seal portion 19 or at a position overlapping the seal portion 19. It is characterized by that. Here, the inner side and the outer side refer to the direction toward the center of the stack with respect to the reference position as the inside, and the direction away from the center of the stack as the outside.
このように端板をセパレータの外周サイズよりも小さくしたことによって、端板よりも外側に位置する積層体への締結荷重が小さくなり、積層体の外周領域の変形を抑制することができる。これにより、端板の撓みが抑制されることで、スタック面内の締結荷重をより均一にできる。なお、端板の外周をシール部よりも内側に設けてしまうと燃料や空気のリークや、発電面での締結荷重のばらつき発生の原因となるため好ましくない。そのため、本発明では端板の外周はシール部と重なる位置かそれよりも外側とする。シール部外周領域の変形を抑制する観点からは、端板の外周の位置はシール部材により近いことが好ましい。 Thus, by making the end plate smaller than the outer peripheral size of the separator, the fastening load to the laminated body located outside the end plate is reduced, and deformation of the outer peripheral region of the laminated body can be suppressed. Thereby, the fastening load in the stack surface can be made more uniform by suppressing the bending of the end plate. If the outer periphery of the end plate is provided on the inner side of the seal portion, it is not preferable because it causes fuel and air leakage and variation in fastening load on the power generation surface. Therefore, in this invention, the outer periphery of an end plate shall be the position which overlaps with a seal | sticker part, or the outer side from it. From the viewpoint of suppressing deformation of the outer peripheral region of the seal portion, the position of the outer periphery of the end plate is preferably closer to the seal member.
なお、ここで重要な点はスタック外周部に端板の面圧がかからないようにすることであり、端板とセパレータの接触面積がセパレータの面積よりも小さく、端板とセパレータの接触面の外周が、セパレータに形成された燃料や空気の外部へのリークを防ぐためのシール部と重なる位置か、それよりも外側に位置していればよい。図１、２では、端板の端部をセパレータよりも内側に位置した例を示したが、例えば、図１２のようにセパレータと対向する面が小さくなった端板を用いることも可能である。
(実施例１)
図３は本実施例に係る端板を示したものである。また、図４は端板締結部の模式図を示したものである。本実施例の端板１３には、燃料電池スタックを締結するための締結バンドを収容する溝形状の締結バンドガイド部２０が形成されている。この締結バンドガイド部２０によって締結バンドがずれないようにしている。バンドガイド部２０については、中央部から外周部に行くにしたがって板厚が減少しているが、外周部で厚さを０にしてしまうと、締結バンド１４を締め付けた際、締結バンド１４と端板に接した最外部のセパレータとの干渉により、締結バンドガイド部２０と締結バンド１４が外周部付近で一部浮いた状態になってしまう。そのため、図４の端板締結部の模式図に示したように、締結バンド１４を締め付けた際にも、締結バンドガイド部２０全面と締結バンド１４が接するよう、外周部に厚さを持たせてある。すなわち、締結バンドで締結した際に、締結バンドガイド部２０からスタック側面に至るまでの間に締結バンドが屈曲する部分がなくなるように端板の外周部に位置する締結バンドガイド部２０の溝の深さを調整している。締結バンドに屈曲点があるとその部分に荷重が集中し、面内圧力のばらつきを生じやすくなるためである。
The important point here is that the surface pressure of the end plate is not applied to the outer periphery of the stack. The contact area between the end plate and the separator is smaller than the area of the separator, and the outer periphery of the contact surface between the end plate and the separator. However, what is necessary is just to be located in the position which overlaps with the seal | sticker part for preventing the leakage of the fuel and air formed in the separator to the exterior, or the outer side. 1 and 2 show an example in which the end portion of the end plate is positioned inside the separator. However, for example, an end plate having a smaller surface facing the separator as shown in FIG. 12 may be used. .
(Example 1)
FIG. 3 shows an end plate according to the present embodiment. FIG. 4 is a schematic view of the end plate fastening portion. The end plate 13 of the present embodiment is formed with a groove-shaped fastening band guide portion 20 that accommodates a fastening band for fastening the fuel cell stack. The fastening band guide portion 20 prevents the fastening band from shifting. As for the band guide part 20, the plate thickness decreases from the central part to the outer peripheral part. However, if the thickness is reduced to zero at the outer peripheral part, when the fastening band 14 is tightened, the end of the band guide part 20 is Due to the interference with the outermost separator in contact with the plate, the fastening band guide part 20 and the fastening band 14 are partially lifted near the outer periphery. Therefore, as shown in the schematic diagram of the end plate fastening portion in FIG. 4, even when the fastening band 14 is fastened, the outer peripheral portion is made thick so that the entire fastening band guide portion 20 contacts the fastening band 14. It is. That is, when the fastening band is fastened, the groove of the fastening band guide part 20 located on the outer peripheral part of the end plate is eliminated so that there is no portion where the fastening band bends from the fastening band guide part 20 to the stack side surface. The depth is adjusted. This is because if there is a bending point in the fastening band, the load is concentrated on that portion and variations in in-plane pressure are likely to occur.
なお、端板については、ステンレス鋼、アルミニウム、強化プラスチックなど、種々の材料が使用可能であり、使用する材料の弾性率によって厚さを制御することにより、スタックの均一締結に必要な機械強度を保持することができる。また、バンドの締結方法については、ねじによって締結する、ターンバックルを回転させることによって締結する、バンドの両端にそれぞれが対抗して引っ掛ける機構を設けることによって締結する、など種々の方法が考えられるが、燃料電池スタックに荷重をかけた状態でその荷重を維持したまま締結できる方法であれば、いずれの方法でもよい。
(実施例２)
図５は、本実施例に係る端板の別の形態の一例である。また、図６は端板締結部の模式図を示したものである。本実施例では、バンド締結部の端板の幅がセパレータの幅と同一になるよう締結バンドガイド部２０に締結バンドガイド羽部２１を持たせているのが特徴である。この締結バンドガイド羽根部２１により、端板の締結バンドガイド部２０から燃料電池スタック側面部に締結バンドを導くようにしている。このような形状とすることにより、締結バンド１４が端板１３と接している最外部のセパレータの外周部に干渉して、セパレータ１２と締結バンド１４との接触部への荷重の集中を防止することが可能となる。
(実施例３)
図７〜図９は、本実施例に係る燃料電池スタックの別の形態の一例である。本実施例では、実施例１および実施例２に示した締結バンドの変わりに、板ばね２２を用いて燃料電池スタックを締結したものである。このような締結方法をとることにより、燃料電池スタックの締結力を実施例１および２と同じように最適な状態に保ちながら、締結バンドの際に注意しなければならない締結バンドと端板と接しているセパレータの外周部との干渉を防止することが可能となる。
(実施例４)
図１０〜図１１は、本実施例に係る燃料電池スタックの別の形態の一例である。本実施例の端板は、投影面積はセパレータと同じであるが、凸形形状をしており、セパレータと接する面はセパレータより小さく、燃料や空気のリークを防止するためのシール部よりも大きな面積となっている(図１１のハッチング部)。このような端板形状をとることにより、燃料電池スタックの締結力を実施例１〜３と同じように最適な状態に保ちながら、締結バンドの際に注意しなければならない締結バンドと端板と接しているセパレータの外周部との干渉を防止することが可能となる。
(実施例５)
図１２は、本実施例に係る燃料電池スタックの別の形態の一例である。本実施例の端板は、投影面積はセパレータと同じであるが、台形形状をしており、セパレータと接する面は実施例４と同様の形状としており、セパレータより小さく、燃料や空気のリークを防止するためのシール部よりも大きな面積となっている(図１１のハッチング部)。このような端板形状をとることにより、燃料電池スタックの締結力を実施例１〜３と同じように最適な状態に保ちながら、締結バンドの際に注意しなければならない締結バンドと端板と接しているセパレータの外周部との干渉を防止することが可能となる。
(比較例)
本比較例は、実施例１の端板のサイズをセパレータと同サイズにしたものである。その他の構成については実施例１と同様である。
（評価）
上述した各実施例および比較例について、端板の厚みを同じにした際の端板重量および、両端板間の中心部と外周部の厚さ(端板間距離変位(外周部厚さ／中心部厚さ))を測定することで、スタックのたわみを評価した。なお、端板の材質はポリアセタールとし、最も厚い部分の厚さを１５ｍｍとした。
For the end plate, various materials such as stainless steel, aluminum, and reinforced plastic can be used. By controlling the thickness according to the elastic modulus of the material used, the mechanical strength necessary for uniform fastening of the stack can be obtained. Can be held. As for the method of fastening the band, various methods such as fastening with screws, fastening by rotating a turnbuckle, and fastening by providing a mechanism for engaging each other at both ends of the band can be considered. Any method may be used as long as it can be fastened with the load being applied to the fuel cell stack.
(Example 2)
FIG. 5 is an example of another form of the end plate according to the present embodiment. FIG. 6 is a schematic diagram of the end plate fastening portion. The present embodiment is characterized in that the fastening band guide wing portion 21 is provided on the fastening band guide portion 20 so that the width of the end plate of the band fastening portion is the same as the width of the separator. The fastening band guide blade portion 21 guides the fastening band from the fastening band guide portion 20 of the end plate to the side surface portion of the fuel cell stack. By adopting such a shape, the fastening band 14 interferes with the outer peripheral portion of the outermost separator in contact with the end plate 13, thereby preventing load concentration on the contact portion between the separator 12 and the fastening band 14. It becomes possible.
Example 3
7-9 is an example of another form of the fuel cell stack according to the present embodiment. In this embodiment, the fuel cell stack is fastened using a leaf spring 22 instead of the fastening band shown in the first and second embodiments. By adopting such a fastening method, the fastening force of the fuel cell stack is kept in the optimum state in the same manner as in the first and second embodiments, and the fastening band and the end plate, which must be noted in the fastening band, must be contacted. It is possible to prevent interference with the outer peripheral portion of the separator.
Example 4
10 to 11 show an example of another form of the fuel cell stack according to the present embodiment. The end plate of the present embodiment has the same projected area as the separator, but has a convex shape, and the surface in contact with the separator is smaller than the separator and larger than the seal portion for preventing fuel and air leakage. It is an area (hatched portion in FIG. 11). By adopting such an end plate shape, the fastening band and the end plate that must be noted in the fastening band while keeping the fastening force of the fuel cell stack in an optimum state as in the first to third embodiments. It becomes possible to prevent interference with the outer peripheral part of the separator in contact.
(Example 5)
FIG. 12 is an example of another form of the fuel cell stack according to the present embodiment. The end plate of the present example has the same projected area as the separator, but has a trapezoidal shape, and the surface in contact with the separator has the same shape as that of Example 4, which is smaller than the separator, and leaks fuel and air. The area is larger than the seal portion for preventing (hatched portion in FIG. 11). By adopting such an end plate shape, the fastening band and the end plate that must be noted in the fastening band while keeping the fastening force of the fuel cell stack in an optimum state as in the first to third embodiments. It becomes possible to prevent interference with the outer peripheral part of the separator in contact.
(Comparative example)
In this comparative example, the size of the end plate of Example 1 is the same as that of the separator. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
(Evaluation)
For each of the above-described Examples and Comparative Examples, the weight of the end plate when the thickness of the end plate is the same, and the thickness of the center portion and the outer peripheral portion between both end plates (distance displacement between the end plates (outer peripheral portion thickness / center) The stack deflection was evaluated by measuring the part thickness)). The material of the end plate was polyacetal, and the thickness of the thickest part was 15 mm.
評価結果を表１に示す。なお、端板重量については、比較例を１に規格化した値で示す。いずれの実施例もセパレータ形状、ＭＥＡ形状は同一であり、締結荷重についても、セパレータ全面に均一に荷重がかかったと仮定した際、同じ荷重となるよう締結した。ここで、端板間距離変位については、まったく端板にたわみがなく均一に締結されている場合が１であり、１からずれるほど端板が変形していることを示す。すなわち、端板間距離が０．９８の場合は、外周部に比べ中心部で両端板間の厚さが厚く、ＭＥＡの電極部の荷重が中心部にいくにしたがって弱くなっており、接触抵抗による発電ロスが大きくなることを示しているといえる。なお、表1に示した今回評価した燃料電池スタックについては、比較例も含めいずれのスタックもリークは確認されなかった。 The evaluation results are shown in Table 1. In addition, about the end plate weight, it shows by the value which normalized the comparative example to 1. In all the examples, the separator shape and the MEA shape were the same, and the fastening load was fastened to be the same when it was assumed that a uniform load was applied to the entire surface of the separator. Here, the displacement between the end plates is 1 when the end plates are not bent at all and is uniformly fastened, and indicates that the end plates are deformed as they deviate from 1. That is, when the distance between the end plates is 0.98, the thickness between the two end plates is thicker at the center than at the outer periphery, and the load on the MEA electrode portion becomes weaker toward the center. It can be said that the power generation loss due to is increased. As for the fuel cell stacks evaluated this time shown in Table 1, no leakage was confirmed in any stack including the comparative example.
比較例の燃料電池スタックと比較して、実施例１〜５の端板重量は６〜９％重量を低減できるとともに、端板間距離変位も１／２〜１／４に低減しており、スタックの厚さ方向のたわみが少なく、面圧が均一になっていることが確認できた。 Compared to the fuel cell stack of the comparative example, the end plate weights of Examples 1 to 5 can be reduced by 6 to 9%, and the end plate distance displacement is also reduced to 1/2 to 1/4. It was confirmed that there was little deflection in the thickness direction of the stack and the surface pressure was uniform.
以上のように、本発明の燃料電池スタックを適用することにより、燃料電池スタックの軽量化および面圧の均一化による電極とセパレータの接触抵抗の低減が可能となる。 As described above, by applying the fuel cell stack of the present invention, the contact resistance between the electrode and the separator can be reduced by reducing the weight of the fuel cell stack and making the surface pressure uniform.
本発明は、積層形燃料電池(燃料電池スタック)に係り、特に高分子電解質膜を使用した燃料電池を複数枚積層した積層形燃料電池(燃料電池スタック)に関するものであり、水素を燃料として発電するＰＥＦＣ、メタノールを燃料として発電をするＤＭＦＣや、ＤＭＦＣの一種であるアニオン交換基を有するアニオン交換型電解質膜を用いたアルカリ形燃料電池(ＡＦＣ)およびこれらを電源として搭載した電子機器、自動車、定置用発電機などに利用できる。 The present invention relates to a stacked fuel cell (fuel cell stack), and more particularly to a stacked fuel cell (fuel cell stack) in which a plurality of fuel cells using a polymer electrolyte membrane are stacked, and generates power using hydrogen as a fuel. PEFC, DMFC that generates electricity using methanol as fuel, alkaline fuel cell (AFC) using an anion exchange electrolyte membrane having an anion exchange group, which is a kind of DMFC, and electronic devices, automobiles, and the like that use these as power sources It can be used for stationary generators.
１１ 燃料電池スタック
１２ セパレータ
１３ 端板
１４ 締結バンド
１５ 燃料入口
１６ 燃料出口
１７ 空気入口
１８ 空気出口
１９ シール部
２０ 締結バンドガイド部
２１ 締結バンドガイド羽根部
２２ 板ばね
２３ 端板とセパレータの接触部(ハッチング部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Fuel cell stack 12 Separator 13 End plate 14 Fastening band 15 Fuel inlet 16 Fuel outlet 17 Air inlet 18 Air outlet 19 Sealing part 20 Fastening band guide part 21 Fastening band guide blade part 22 Leaf spring 23 Contact part of end plate and separator ( (Hatching part)
Claims (4)
前記端板と前記セパレータの接触面積が前記セパレータの面積よりも小さく、前記端板と前記セパレータの接触面の外周が、前記セパレータに形成された燃料や空気の外部へのリークを防ぐためのシール部と重なる位置か、それよりも外側に位置していることを特徴とする燃料電池スタック。 In a fuel cell stack having a configuration in which a plurality of membrane / electrode assemblies and separators in which flow paths for circulating fuel and air are alternately stacked, both ends in the stacking direction are sandwiched between end plates,
The contact area between the end plate and the separator is smaller than the area of the separator, and the outer periphery of the contact surface between the end plate and the separator is a seal for preventing leakage of fuel and air formed in the separator to the outside A fuel cell stack, characterized in that the fuel cell stack is located at a position overlapping with or outside the portion.
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