JP5239202B2 - Fuel cell stack - Google Patents

Fuel cell stack Download PDF

Info

Publication number
JP5239202B2
JP5239202B2 JP2007114448A JP2007114448A JP5239202B2 JP 5239202 B2 JP5239202 B2 JP 5239202B2 JP 2007114448 A JP2007114448 A JP 2007114448A JP 2007114448 A JP2007114448 A JP 2007114448A JP 5239202 B2 JP5239202 B2 JP 5239202B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
rigidity
fuel cell
cell stack
deformation amount
stack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2007114448A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2008270083A (en
Inventor
岳 原田
誠 藤内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2007114448A priority Critical patent/JP5239202B2/en
Publication of JP2008270083A publication Critical patent/JP2008270083A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5239202B2 publication Critical patent/JP5239202B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は燃料電池スタックに係り、特に複数の燃料電池セルが順次積層された積層部と、積層部の周囲を支持する外部プレート部とを有する燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell stack having a stacked portion in which a plurality of fuel cells are sequentially stacked and an external plate portion that supports the periphery of the stacked portion.

環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、電解質膜とその両側に配置された拡散電極層が積層されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒｅｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、その両側に設けられるセパレータとを基本構成要素とするものである。ここで、セパレータは、電力を取り出す機能と共に、燃料ガスと酸化ガスを供給し、反応生成水を排出する機能を有する。例えば、燃料電池のアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって必要な電力を取り出すことができる。   Since there is little impact on the environment, fuel cells are installed in vehicles. A fuel cell has MEA (Memblem Electrode Assembly) in which an electrolyte membrane and diffusion electrode layers disposed on both sides thereof are stacked, and separators provided on both sides thereof as basic components. Here, the separator has a function of taking out electric power and supplying fuel gas and oxidizing gas and discharging reaction product water. For example, a fuel gas such as hydrogen is supplied to the anode side of the fuel cell, an oxidizing gas containing oxygen such as air is supplied to the cathode side, and necessary electric power can be taken out by an electrochemical reaction through the electrolyte membrane.

燃料電池のこの基本構成要素は、単電池、単セルあるいは燃料電池セルと呼ばれ、１つでは、約１Ｖから約１．５Ｖ程度の端子電圧である。したがって、必要な電圧と電流を得るために、この単セルを適当な数の複数個積層し、外部プレートで締結して１つのユニットとなし、このユニットを必要な数だけ組合せて、燃料電池スタックとして構成して用いられる。   This basic component of the fuel cell is called a unit cell, unit cell or fuel cell, and one has a terminal voltage of about 1 V to about 1.5 V. Therefore, in order to obtain the necessary voltage and current, a suitable number of single cells are stacked, fastened with an external plate to form one unit, and the unit is combined as many times as necessary. Are used as configured.

このように、燃料電池スタックは、ＭＥＡとセパレータの積層体である燃焼電池セルを複数個組合せ、これを外部プレートで締結して用いられるので、内部において応力の分布が偏ることが考えられ、その解析が行われる。   Thus, since the fuel cell stack is used by combining a plurality of combustion battery cells, which are a laminate of MEA and separator, and fastening them with the external plate, it is conceivable that the stress distribution is biased inside, Analysis is performed.

例えば、特許文献１、特許文献２には、固体電解質型燃料電池において、一対の電極層の間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を、金属製セル基板に配置し、金属製セル基板を、電気伝導性を有するセル支持用金属薄板で支持することが開示されている。セル支持金属薄板は、肉厚が薄いので、セル形成接合時に変形して応力緩和を果たす。このほかに、セル基板よりもヤング率の小さい材料でセル支持金属薄板を構成する例が述べられている。   For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, in a solid oxide fuel cell, a battery element formed by sandwiching an electrolyte layer between a pair of electrode layers is disposed on a metal cell substrate, and the metal cell substrate is Further, it is disclosed to support the thin metal plate for supporting a cell having electric conductivity. Since the cell-supporting metal thin plate is thin, it is deformed at the time of cell formation bonding to achieve stress relaxation. In addition, an example is described in which the cell supporting metal thin plate is made of a material having a Young's modulus smaller than that of the cell substrate.

特開２００５−１５００５３号公報JP 2005-150053 A 特開２００６−１７２９６４号公報JP 2006-172964 A

特許文献１，２においては、燃料電池の構成要素である燃料電池セルにおける応力緩和のための構成が示されているが、燃料電池セルを複数個積層し、これらを外部プレートで締結したときの応力あるいは変形量について触れられていない。燃料電池セルの積層体に応力の偏りあるいは変形量の偏りがあると、燃料電池スタックの局部的な破損が生じる恐れがあり、またガスリークの恐れもある。   Patent Documents 1 and 2 show a structure for stress relaxation in a fuel cell that is a component of a fuel cell. When a plurality of fuel cells are stacked and fastened with an external plate, There is no mention of stress or deformation. If the stack of fuel cells has an uneven stress or an uneven deformation amount, the fuel cell stack may be locally damaged or a gas leak may occur.

本発明の目的は、燃料電池セルを積層し、その周囲を外部プレートで支持する構成において、応力の偏りを抑制することを可能とする燃料電池スタックを提供することである。また、他の目的は、燃料電池セルを積層し、その周囲を外部プレートで支持する構成において、応力低減と変形量低減とを両立させることを可能とする燃料電池スタックを提供することである。   An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of suppressing stress bias in a configuration in which fuel cells are stacked and the periphery thereof is supported by an external plate. Another object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of achieving both stress reduction and deformation reduction in a configuration in which fuel cells are stacked and the periphery thereof is supported by an external plate.

本発明に係る燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルが順次積層された積層部と、積層部の周囲を支持する外部プレート部と、を有し、積層部は、外部プレートによる締結力によって生じる変形量の積層方向に沿った分布に応じ、変形量が大きい他方側の部位の剛性を、変形量が小さい一方側の部位の剛性より低くする剛性変化特性を有することを特徴とする。 The fuel cell stack according to the present invention includes a stacked portion in which a plurality of fuel cells are sequentially stacked, and an external plate portion that supports the periphery of the stacked portion, and the stacked portion is generated by a fastening force by the external plate. depending on along the stacking direction of the deformation amount distribution, the rigidity of the site of the deformation amount is large the other side, and having a stiffness variation characteristics you lower than the rigidity of the site of one deformation amount is small side.

また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、積層部は、積層方向に沿って設定された剛性変更位置を境にして、一方側に剛性の高い高剛性積層部が、他方側に剛性の低い低剛性積層部が配置され、剛性変更位置は、剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大応力値が所定の閾値応力範囲となる第１積層位置範囲と、剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大変形量が所定の閾値変形量範囲となる第２積層位置範囲と、が重なる積層位置範囲の中で設定されることが好ましい。   Further, in the fuel cell stack according to the present invention, the stacked portion has a high-rigidity stacked portion with high rigidity on one side and a low-low rigidity on the other side, with the rigidity change position set along the stacking direction as a boundary. The rigid laminate portion is arranged, and the stiffness change position includes a first laminate position range in which the maximum stress value in the laminate portion becomes a predetermined threshold stress range when the stiffness change position is changed along the laminate direction, and the stiffness change position. It is preferable to set within a stacking position range where the second stacking position range in which the maximum deformation amount in the stacking portion falls within a predetermined threshold deformation amount range when is changed along the stacking direction.

上記構成の少なくとも１つにより、複数の燃料電池セルが順次積層された積層部の周囲外部プレート部で支持した燃料電池スタックにおいて、積層部は、積層方向に沿って剛性が変化する。例えば、燃料電池スタックにおいて積層方向に沿って局部的に応力の高い箇所がある場合、その箇所の剛性を低くすることで、応力の偏りを抑制することが可能となる。   In at least one of the above-described configurations, in the fuel cell stack supported by the peripheral external plate portion of the stacked portion in which a plurality of fuel cells are sequentially stacked, the stacked portion changes in rigidity along the stacking direction. For example, when there is a location where stress is locally high along the stacking direction in the fuel cell stack, it is possible to suppress stress bias by reducing the rigidity of the location.

また、燃料電池スタックにおいて、外部プレートの変形量に従って変形量が大きい積層部の部位の剛性を、変形量が小さい積層部の部位の剛性より低くする。一般的に外部プレートの剛性は燃料電池セルの剛性よりも十分高い値に設定されるので、外部プレートの変形量が大きい部位は、積層部も変形量が大きくなり、これに伴い、その部位の応力が高くなる。上記構成によれば、変形量の大きい積層部の部位の剛性を他の部位より低くするので、変形量の偏りに起因する応力の偏りを抑制することができる。   Further, in the fuel cell stack, the rigidity of the portion of the stacked portion where the deformation amount is large is made lower than the rigidity of the portion of the stacked portion where the deformation amount is small according to the deformation amount of the external plate. In general, the rigidity of the outer plate is set to a value sufficiently higher than the rigidity of the fuel battery cell. Therefore, the portion where the deformation amount of the outer plate is large also increases the deformation amount of the laminated portion. Stress increases. According to the above configuration, the rigidity of the portion of the stacked portion having a large amount of deformation is made lower than that of the other portions, so that the uneven stress due to the uneven deformation amount can be suppressed.

また、積層部を高剛性積層部と低剛性積層部とで構成したときに、その剛性変更位置について、剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大応力値が所定の閾値応力範囲となる第１積層位置範囲を求め、また、剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大変形量が所定の閾値変形量範囲となる第２積層位置範囲を求める。そして、第１積層位置範囲と第２積層位置範囲とが重なる積層位置範囲の中で、剛性変更位置を設定する。一般的に、積層部を高剛性で構成すると外部プレートの変形量に従う積層部の変形量を抑制できるが、応力は高くなる。一方、積層部を低剛性で構成すると応力を低減できるが、変形量が大きくなる。上記構成によれば、応力低減と変形量低減とを両立させることが可能となる。   Further, when the laminated portion is composed of a high-rigidity laminated portion and a low-rigidity laminated portion, the maximum stress value in the laminated portion is predetermined when the rigidity change position is changed along the lamination direction with respect to the rigidity change position. A first lamination position range that is a threshold stress range is obtained, and a second lamination position range in which the maximum deformation amount in the laminated portion becomes a predetermined threshold deformation amount range when the rigidity change position is changed along the lamination direction. Ask. Then, the stiffness change position is set in the stack position range where the first stack position range and the second stack position range overlap. In general, when the laminated portion is configured with high rigidity, the deformation amount of the laminated portion according to the deformation amount of the external plate can be suppressed, but the stress becomes high. On the other hand, if the laminated portion is configured with low rigidity, the stress can be reduced, but the amount of deformation increases. According to the above configuration, it is possible to achieve both stress reduction and deformation reduction.

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルとして、ＭＥＡとその両側のセパレータとの積層体を説明するが、燃料電池セルが積層されるものであればこれ以外の構成であってもよい。例えば、隣接する燃料電池セルのセパレータを一体化するものとしてもよい。また、燃料電池スタックを構成する外部プレートとして、積層部の積層方向の一方端にマニフォールド、他方端に端部プレートを備えるものとして説明するが、積層部の周囲を支持するものであれば、これ以外の構成であってもよい。例えば、マニフォールドの具体的構成が以下の説明と異なるものでもよく、また、一方端がマニフォールドでなくてもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, as a fuel cell constituting the fuel cell stack, a stack of MEA and separators on both sides thereof will be described, but other configurations may be used as long as the fuel cells are stacked. For example, the separators of adjacent fuel cells may be integrated. In addition, the external plate constituting the fuel cell stack is described as having a manifold at one end in the stacking direction of the stacked portion and an end plate at the other end. Other configurations may be used. For example, the specific configuration of the manifold may be different from the following description, and one end may not be a manifold.

図１は、燃料電池スタック１０の構成を示す図である。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル２０を積層したもので、積層の一方端にはマニフォールド１２、他方端には端部プレート１４が配置され、全体として一体化されたものである。   FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 is formed by laminating a plurality of fuel cells 20. A manifold 12 is disposed at one end of the stack, and an end plate 14 is disposed at the other end, and is integrated as a whole.

燃料電池セル２０は、ＭＥＡ２２の両側にセパレータ２４が配置されているもので、ＭＥＡ２２の一方の片側に配置されるセパレータ２４から燃料ガスが供給され、他方の片側から酸化ガスが供給され、ＭＥＡ２２を介して電気化学反応を生じさせて、約１Ｖから約１．５Ｖの発電が行われる。燃料電池スタック１０は、所定の電圧と電流を得るために、燃料電池セル２０を所定数、例えば、５０段、あるいは１００段積層したものである。   The fuel battery cell 20 has separators 24 arranged on both sides of the MEA 22, fuel gas is supplied from the separator 24 arranged on one side of the MEA 22, and oxidizing gas is supplied from the other side. An electrochemical reaction is caused to generate electricity of about 1 V to about 1.5 V. The fuel cell stack 10 is obtained by stacking a predetermined number, for example, 50 stages or 100 stages, of fuel cells 20 in order to obtain a predetermined voltage and current.

マニフォールド１２は、燃料ガス配管と酸化ガス配管が接続され、各燃料電池セル２０に燃料ガスと酸化ガスを分配し、また、各燃料電池セル２０から電気化学反応後の使用済みガスを戻す機能を有する分配器である。なお、各燃料電池セル２０を適度な温度に保つための循環冷却水配管もマニフォールド１２に設けられる。また、各燃料電池セル２０からの反応生成水は、使用済みガスとともに排出される。   The manifold 12 is connected to the fuel gas pipe and the oxidizing gas pipe, distributes the fuel gas and the oxidizing gas to each fuel cell 20, and returns the used gas after the electrochemical reaction from each fuel cell 20. It is a distributor. A circulating cooling water pipe for keeping each fuel cell 20 at an appropriate temperature is also provided in the manifold 12. Moreover, the reaction product water from each fuel battery cell 20 is discharged together with the used gas.

このように、燃料電池スタック１０は、燃料電池セル２０が所定数積層された積層部３０と、積層部３０を一体として支持する部分とで構成される。図１の例では、マニフォールド１２と端部プレート１４と、これらを接続する接続部とが積層部３０の周囲に配置され、マニフォールド１２と端部プレート１４との間に所定の締結力が加えられて、全体として一体化されている。   As described above, the fuel cell stack 10 includes the stacked portion 30 in which a predetermined number of the fuel cells 20 are stacked, and the portion that integrally supports the stacked portion 30. In the example of FIG. 1, the manifold 12, the end plate 14, and the connecting portion that connects them are arranged around the laminated portion 30, and a predetermined fastening force is applied between the manifold 12 and the end plate 14. And integrated as a whole.

図２は、モデル化した燃料電池スタック５０を示す図で、ここでは、燃料電池セル２０が積層された積層部６０と、積層部６０の周囲を支持する外部プレート７０が示されている。外部プレート７０は、図１で説明したマニフォールド１２と端部プレート１４とこれらを接続する接続部とを合わせてモデル化したものである。そして、図２に示されるように、外部プレート７０の一方端の端部プレート７２と他方端の端部プレート７４との間に締結力Ｐが印加される。   FIG. 2 is a diagram showing a modeled fuel cell stack 50, in which a stacked unit 60 in which the fuel cells 20 are stacked and an external plate 70 that supports the periphery of the stacked unit 60 are illustrated. The external plate 70 is modeled by combining the manifold 12, the end plate 14 described in FIG. 1, and the connecting portion that connects them. Then, as shown in FIG. 2, a fastening force P is applied between one end plate 72 and the other end plate 74 of the external plate 70.

燃料電池スタックにおける応力分布を積層方向に沿って評価すると、外部プレート７０の他方端の端部プレート７４の側に高い応力値が出ることが分かった。その様子を図３に示す。図３は、横軸を燃料電池スタックの位置として、燃料電池セルの積層方向に沿った位置をとり、縦軸に各位置における応力値をとって示す図である。ここで、積層方向位置を図２のモデル化した燃料電池スタック５０の積層方向に沿った位置とし、Ａとある位置が、他方側の端部プレート７４に接する燃料電池セル２０の位置で、Ｄとある位置が、一方側の端部プレート７２に接する燃料電池セル２０の位置である。   When the stress distribution in the fuel cell stack was evaluated along the stacking direction, it was found that a high stress value appeared on the end plate 74 side of the other end of the external plate 70. This is shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing the position along the stacking direction of the fuel cells with the horizontal axis as the position of the fuel cell stack, and the stress value at each position as the vertical axis. Here, the position in the stacking direction is a position along the stacking direction of the modeled fuel cell stack 50 of FIG. 2, and a position A is a position of the fuel cell 20 in contact with the end plate 74 on the other side. A certain position is a position of the fuel cell 20 in contact with the end plate 72 on one side.

図３と図２とを参照すると、他方側の端部プレート７４に近い燃料電池セル２０の応力値が最も高い値を示す。この理由は次のように考えられる。すなわち、外部プレート７０は、締結力Ｐの印加により変形するが、図２のように一方側の端部プレート７２に締結力Ｐが他方側の端部プレート７４に向けて印加されると、自由端となっている他方側の端部プレート７４が最も大きく変形する。そして、外部プレート７０は、積層部６０を支持するものであるので、一般的に燃料電池セル２０の剛性よりも高い剛性とされる。したがって、外部プレート７０より剛性の低い各燃料電池セル２０は、外部プレート７０の変形に従って変形する。換言すれば、外部プレート７０の変形量に拘束されて各燃料電池セル２０が変形する。   3 and 2, the stress value of the fuel cell 20 close to the other end plate 74 is the highest. The reason is considered as follows. That is, the external plate 70 is deformed by the application of the fastening force P. However, when the fastening force P is applied to the one end plate 72 toward the other end plate 74 as shown in FIG. The end plate 74 on the other side that is the end is most deformed. Since the outer plate 70 supports the stacked portion 60, the outer plate 70 generally has higher rigidity than that of the fuel cell 20. Therefore, each fuel cell 20 having a lower rigidity than the outer plate 70 is deformed according to the deformation of the outer plate 70. In other words, each fuel cell 20 is deformed by being restrained by the deformation amount of the external plate 70.

外部プレート７０において最も変形量の大きいのは、他方側の端部プレート７４である。したがって、この他方側の端部プレート７４に接する燃料電池セル２０が最も大きい変形量となり、これにより最も大きな応力値を示すことになる。すなわち、図２、図３において、Ａとして示される位置の燃料電池セル２０が応力値の最大値を示し、この位置からＤとして示される位置に向かって、応力値は減少することになる。   The outer plate 70 has the largest deformation amount on the other end plate 74. Therefore, the fuel cell 20 in contact with the other end plate 74 has the largest amount of deformation, and thereby exhibits the largest stress value. That is, in FIGS. 2 and 3, the fuel cell 20 at the position indicated by A exhibits the maximum stress value, and the stress value decreases from this position toward the position indicated by D.

次に、このようにＡとして示される位置で応力値が高く、積層方向に沿って偏った応力分布となっているものを、応力低減する構成について説明する。上記のように、外部プレートの変形に従って積層部が変形する場合、積層部の変形量の多い部位の応力を低減するには、その部位の剛性を低くすればよい。すなわち、歪量をεとし、応力値をσとし、剛性、すなわちヤング率をＥとすれば、σ＝Ｅεであるから、同じεであっても、Ｅを低く設定することで、応力σを低減することができる。   Next, a description will be given of a configuration for reducing stress in such a stress distribution that is high at the position indicated by A and has a stress distribution that is biased along the stacking direction. As described above, when the laminated portion is deformed in accordance with the deformation of the external plate, in order to reduce the stress at the portion where the amount of deformation of the laminated portion is large, the rigidity of the portion may be lowered. That is, if the strain amount is ε, the stress value is σ, and the stiffness, that is, the Young's modulus is E, σ = Eε. Therefore, even if the same ε, the stress σ can be set by setting E low. Can be reduced.

図４は、積層部の剛性を積層方向に変化させる様子を示す図で、図５はその結果の応力値分布を示す図である。以下では、図１から図３の要素と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では、図１から図３の符号を用いて説明する。図４に示す燃料電池スタック５２は、積層部６２が、積層方向に沿って剛性が変化する剛性変化特性を有するものである。具体的には、外部プレート７０による締結力Ｐによって生じる変形量の積層方向に沿った分布に応じ、変形量が大きい部位の剛性を、変形量が小さい部位の剛性より低くする剛性変化特性を有するものである。   FIG. 4 is a diagram showing how the rigidity of the laminated portion is changed in the lamination direction, and FIG. 5 is a diagram showing the resulting stress value distribution. In the following, the same elements as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In the following, description will be made using the reference numerals in FIGS. The fuel cell stack 52 shown in FIG. 4 has a rigidity change characteristic in which the stacked portion 62 changes in rigidity along the stacking direction. Specifically, according to the distribution along the stacking direction of the deformation amount caused by the fastening force P by the external plate 70, the rigidity change characteristic is set such that the rigidity of the portion with the large deformation amount is lower than the rigidity of the portion with the small deformation amount. Is.

図３で説明したように、外部プレート７０による締結力Ｐによって積層部において生じる変形量は、Ａとして示される位置で最も大きく、Ｄとして示される位置に向かって次第に小さくなり、ある位置から先ではほぼ一定となる。そこで、図４に示す燃料電池スタック５２では、積層部６２において、Ａとして示される位置から積層方向に沿ってある位置までの範囲の剛性を他の部分の剛性よりも低くする。図４では、基準となる剛性をＥAよりも低剛性のＥBの領域を低剛性積層部６６、剛性がＥAの領域を高剛性積層部６４として示されている。低剛性積層部６６の領域は、図３において応力値が他の部分より高い領域に対応する。 As described with reference to FIG. 3, the amount of deformation that occurs in the stacked portion due to the fastening force P by the external plate 70 is greatest at the position indicated as A, gradually decreases toward the position indicated as D, and from a certain position forward. It becomes almost constant. Therefore, in the fuel cell stack 52 shown in FIG. 4, the rigidity in the range from the position indicated by A to a certain position along the stacking direction is made lower than the rigidity of other portions in the stacking section 62. In Figure 4, the low-rigidity stacking unit 66 a region E B of lower rigidity than the rigidity E A as a reference, the stiffness is shown an area E A as a high rigidity laminate part 64. The region of the low-rigidity laminated portion 66 corresponds to a region where the stress value is higher than other portions in FIG.

図５は、図４の構成の燃料電池スタック５２の積層部６２について、積層方向に沿った応力値の分布を示す図である。図５の横軸、縦軸は図３と同じで、図３のデータも参考のため、破線で示されている。このように、図４の構成によれば、燃料電池セル２０を積層し、その周囲を外部プレート７０で支持する構成において、応力の偏りを抑制することができる。   FIG. 5 is a diagram showing a distribution of stress values along the stacking direction for the stacking portion 62 of the fuel cell stack 52 configured as shown in FIG. The horizontal and vertical axes in FIG. 5 are the same as those in FIG. 3, and the data in FIG. 3 is also shown by broken lines for reference. As described above, according to the configuration of FIG. 4, stress unevenness can be suppressed in the configuration in which the fuel cells 20 are stacked and the periphery thereof is supported by the external plate 70.

このように、剛性が一様な燃料電池スタック５０に比べ、積層方向に剛性を変化させた燃料電池スタック５２の方が応力低減できる理由は次の通りである。すなわち、第１に、両者において、外部プレート７０は同じものであり、また外部プレート７０の剛性は上記のように燃料電池セル２０の剛性よりも十分に高く設定されるので、締結力Ｐによって生じる外部プレート７０の変形量は同じと考えてよい。第２に、燃料電池セル２０の剛性は外部プレート７０の剛性より十分に低いので、その変形量は、外部プレート７０の変形量に従う。したがって、燃料電池スタック５０，５２の両者において、燃料電池セル２０の変形量は同じと考えてよい。第３に、燃料電池スタック５０，５２の両者において、燃料電池セル２０は同じものであるので、燃料電池セル２０の元の長さも同じである。第２で述べたように、燃料電池セル２０の変形量が同じであるので、したがって、燃料電池セル２０の歪εも同じである。   The reason why the stress can be reduced in the fuel cell stack 52 in which the rigidity is changed in the stacking direction as compared with the fuel cell stack 50 in which the rigidity is uniform is as follows. That is, first, in both cases, the external plate 70 is the same, and the rigidity of the external plate 70 is set sufficiently higher than the rigidity of the fuel battery cell 20 as described above, and therefore is generated by the fastening force P. The deformation amount of the external plate 70 may be considered to be the same. Secondly, since the rigidity of the fuel cell 20 is sufficiently lower than the rigidity of the external plate 70, the deformation amount follows the deformation amount of the external plate 70. Therefore, the deformation amount of the fuel cell 20 may be considered to be the same in both the fuel cell stacks 50 and 52. Third, since the fuel cell 20 is the same in both the fuel cell stacks 50 and 52, the original length of the fuel cell 20 is also the same. As described above, since the deformation amount of the fuel cell 20 is the same, the strain ε of the fuel cell 20 is also the same.

第４に、燃料電池スタック５０においては、剛性がＥAであるので、歪εに対する応力σは、ＥAεである。これに対し、燃料電池スタック５２において、低剛性積層部６６においては剛性がＥBであるので、ここでの歪εに対する応力σは、ＥBεであり、この値は、燃料電池スタック５０の応力値ＥAεより小さくなる。したがって、剛性が一様な燃料電池スタック５０に比べ、積層方向に剛性を変化させた燃料電池スタック５２の方が応力低減できる。 Fourth, since the rigidity of the fuel cell stack 50 is E A , the stress σ with respect to the strain ε is E A ε. In contrast, in the fuel cell stack 52, the rigidity in the low-rigidity stacking unit 66 is E B, the stress σ with respect to strain epsilon herein are E B epsilon, the value of the fuel cell stack 50 It becomes smaller than the stress value E A ε. Therefore, the stress can be reduced in the fuel cell stack 52 in which the rigidity is changed in the stacking direction, compared to the fuel cell stack 50 in which the rigidity is uniform.

図６は、図２，３で説明した剛性が一様な燃料電池スタック５０の最大応力値と、図４、５で説明したように積層方向に剛性をＥA，ＥBと変化させた燃料電池スタック５２の最大応力値を比較した図である。ここで示されるように、積層方向に剛性を変化させることで、最大応力値を約（１／２．７）に低減することができる。換言すれば、最大応力値を約６１％低減し、約３９％とすることができる。 6 shows the maximum stress value of the fuel cell stack 50 having the uniform rigidity described in FIGS. 2 and 3, and the fuel in which the rigidity is changed to E A and E B in the stacking direction as described in FIGS. It is the figure which compared the maximum stress value of the battery stack 52. FIG. As shown here, the maximum stress value can be reduced to about (1 / 2.2.7) by changing the rigidity in the stacking direction. In other words, the maximum stress value can be reduced by about 61% to about 39%.

上記においては、外部プレートによる締結力によって積層部において生じる変形量が大きい部位の剛性を低下させて応力低減を図っている。しかしながら、剛性を低下させると、燃料電池スタックの全体の変形量が増大し、これによって、破損、ガスリークが生じる恐れがある。そこで、剛性低下をある範囲で行う必要がある。以下では、低剛性積層部と高剛性積層部との境界を剛性変更位置とし、剛性変更位置を適切に設定することで、応力低減と変形量低減とを両立させることができる構成について説明する。   In the above, the stress is reduced by reducing the rigidity of the portion where the deformation amount generated in the laminated portion is large due to the fastening force by the external plate. However, when the rigidity is lowered, the overall deformation amount of the fuel cell stack increases, which may cause breakage and gas leak. Therefore, it is necessary to reduce the rigidity within a certain range. Below, the structure which can make stress reduction and deformation amount reduction compatible by setting the boundary of a low-rigidity laminated part and a high-rigidity laminated part as a rigidity change position and setting a rigidity change position appropriately is demonstrated.

図７は、剛性変更位置を説明する図である。なお、これらの図では、説明のために、変形等が誇張して示されている。ここで、図７（ａ）は、積層部６０の剛性がＥAで一様で、締結力Ｐが印加されていない状態を示す図である。図７（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、締結力Ｐが印加された状態の図である。ここで、図７（ｂ）は図７（ａ）において，締結力Ｐを印加した場合の図で、ここでは積層部６０の剛性がＥAで一様であるので、剛性変更位置はない。図７（ｃ）は、低剛性積層部６６と高剛性積層部６４がある場合で、剛性変更位置がＢで示される位置にある。図７（ｄ）も低剛性積層部６７と高剛性積層部６５がある場合で、剛性変更位置がＣで示される位置にある。なお、剛性変更位置は、燃料電池セルの積層方向に沿って測ってある。 FIG. 7 is a diagram illustrating the rigidity change position. In these drawings, modifications and the like are exaggerated for explanation. Here, FIG. 7 (a), the rigidity of the laminate 60 is uniform in E A, is a diagram showing a state where the fastening force P is not applied. FIGS. 7B, 7C, and 7D are diagrams in a state where the fastening force P is applied. Here, in FIG. 7 (b) FIG. 7 (a), in view of the case of applying a fastening force P, wherein the stiffness of the laminate 60 since a uniform in E A, stiffness changing position is not. FIG. 7C shows a case where the low-rigidity laminated portion 66 and the high-rigidity laminated portion 64 are present, and the rigidity change position is at a position indicated by B. FIG. 7D also shows a case where the low-rigidity laminated portion 67 and the high-rigidity laminated portion 65 are present, and the rigidity change position is at a position indicated by C. The rigidity change position is measured along the stacking direction of the fuel cells.

積層部全体についての変形量は、図７（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ、Δ１，Δ２，Δ３として示されている。すなわち、高剛性ＥAで一様な図７（ｂ）のΔ１が最も小さく、剛性変更位置がＢにある図７（ｃ）におけるΔ２はΔ１よりも大きな変形量となっている。また、剛性変更位置がＣにあって、低剛性積層部の割合が最も大きい図７（ｄ）におけるΔ３は、Δ２よりも大きな変形量となっている。 The deformation amounts for the entire laminated portion are shown as Δ1, Δ2, and Δ3 in FIGS. 7B, 7C, and 7D, respectively. That, .DELTA.1 smallest uniform Figure 7 with high rigidity E A (b), Δ2 in FIG. 7 (c) the stiffness changing position is B has a large deformation amount than .DELTA.1. Further, Δ3 in FIG. 7D in which the rigidity change position is C and the ratio of the low-rigidity laminated portion is the largest is a larger deformation amount than Δ2.

図８は、剛性変更位置と、燃料電池スタックの積層部全体における最大応力値と、全体変形量との関係を示す図である。横軸は剛性変更位置、縦軸は最大応力値と全体変形量である。ここでは、実線で応力値の変化を示し、破線で変形量の変化が示されている。なお、剛性変更位置が「０」とされているところが、図２から図５におけるＡの位置に相当し、剛性変更位置が「２５」とされているところが、図２から図５におけるＤの位置に相当する。   FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the stiffness change position, the maximum stress value in the entire stack of the fuel cell stack, and the overall deformation amount. The horizontal axis represents the rigidity change position, and the vertical axis represents the maximum stress value and the total deformation amount. Here, the change of the stress value is shown by a solid line, and the change of the deformation amount is shown by a broken line. The position where the rigidity change position is “0” corresponds to the position A in FIGS. 2 to 5, and the position where the rigidity change position is “25” is the position D in FIGS. 2 to 5. It corresponds to.

図８から分かるように、剛性変更位置を「０」から「２５」に向かって移動させてゆくにつれ、低剛性積層部の割合が増加するので、応力値が低減するが、一方で変形量が増加する。   As can be seen from FIG. 8, as the rigidity change position is moved from “0” to “25”, the ratio of the low-rigidity laminated portion increases, so the stress value decreases, but the amount of deformation decreases. To increase.

図９は、応力値上限と、変形量上限を設定し、応力値上限以下となる剛性変更位置の範囲と、変形量上限以下となる剛性変更位置の範囲とを求め、応力低減と変形量低減とを両立する剛性変更位置を求める様子を示す図である。図９の例では、応力値上限としての閾値応力値が「１０．４」に設定され、変形量上限としての閾値変形量が「８．７」に設定されている。これらの上限値は、別途実験等で求めることができる。   FIG. 9 sets the upper limit of the stress value and the upper limit of the deformation amount, obtains the range of the rigidity change position that is lower than the upper limit of the stress value, and the range of the rigidity change position that is lower than the upper limit of the deformation amount. It is a figure which shows a mode that the rigidity change position which balances is calculated | required. In the example of FIG. 9, the threshold stress value as the stress value upper limit is set to “10.4”, and the threshold deformation amount as the deformation amount upper limit is set to “8.7”. These upper limit values can be obtained by experiments or the like.

図９の場合、応力値上限以下となる剛性変更位置は、「２０」以下の積層位置範囲である。これを第１積層位置範囲とする。また、変形量上限値以下となる剛性変更位置は、「１３」以上の積層位置範囲である。これを第２積層位置範囲とする。応力低減と変形量低減とを両立させる積層位置範囲は、第１積層位置範囲と第２積層位置範囲とが重なる積層位置範囲である。上記の例では、「１３」以上「２０」以下の積層位置範囲で、剛性変更位置を設定することで、応力低減と変形量低減とを両立させることができる。特に最適な剛性変更位置は、「１３」の積層位置である。ここでは、「１３」から「２０」の積層位置範囲において、応力値が最小となり、変形量もほぼ最小となる。   In the case of FIG. 9, the stiffness change position that is below the upper limit of the stress value is a stacking position range of “20” or less. This is the first stack position range. Further, the rigidity changing position that is equal to or less than the upper limit of deformation amount is a stacking position range of “13” or more. This is the second stack position range. The stacking position range that achieves both stress reduction and deformation reduction is a stacking position range in which the first stacking position range and the second stacking position range overlap. In the above example, by setting the rigidity change position in the stacking position range of “13” or more and “20” or less, it is possible to achieve both stress reduction and deformation reduction. The particularly optimum rigidity changing position is the stacking position of “13”. Here, in the stacking position range of “13” to “20”, the stress value is minimized and the deformation amount is also substantially minimized.

このようにして、燃料電池セルを積層し、その周囲を外部プレートで支持する構成において、応力低減と変形量低減とを両立させることができ、例えば、燃料電池スタックにおいて局部的破損を防止し、ガスリークの発生を抑制することができる。   In this way, in the configuration in which fuel cells are stacked and the periphery thereof is supported by an external plate, both stress reduction and deformation reduction can be achieved, for example, preventing local damage in the fuel cell stack, The occurrence of gas leak can be suppressed.

本発明に係る実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell stack in embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態においてモデル化した燃料電池スタックを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell stack modeled in embodiment which concerns on this invention. 横軸に燃料電池スタックの位置として、燃料電池セルの積層方向に沿った位置をとり、縦軸に各位置における応力値をとって示す図である。It is a figure which takes the position along the lamination direction of a fuel cell as a position of a fuel cell stack on a horizontal axis, and takes a stress value in each position on a vertical axis. 本発明に係る実施の形態の燃料電池スタックにおいて、積層部の剛性を積層方向に変化させる様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the rigidity of a laminated part is changed in the lamination direction in the fuel cell stack of embodiment which concerns on this invention. 図４の構成としたときの応力値分布を示す図である。It is a figure which shows stress value distribution when it is set as the structure of FIG. 剛性が一様な燃料電池スタックの最大応力値と、積層方向に剛性を変化させた燃料電池スタックの最大応力値を比較した図である。It is the figure which compared the maximum stress value of the fuel cell stack with uniform rigidity, and the maximum stress value of the fuel cell stack which changed rigidity in the lamination direction. 本発明に係る実施の形態において、剛性変更位置を説明する図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure explaining a rigidity change position. 本発明に係る実施の形態において、剛性変更位置と、燃料電池スタックの積層部全体における最大応力値と、全体変形量との関係を示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows the relationship between a rigidity change position, the maximum stress value in the whole lamination | stacking part of a fuel cell stack, and the whole deformation amount. 本発明に係る実施の形態において、応力低減と変形量低減とを両立する剛性変更位置を求める様子を示す図である。In embodiment which concerns on this invention, it is a figure which shows a mode that the rigidity change position which makes stress reduction and deformation amount reduction compatible is calculated | required.

符号の説明Explanation of symbols

１０，５０，５２ 燃料電池スタック、１２ マニフォールド、１４ 端部プレート、２０ 燃料電池セル、２２ ＭＥＡ、２４ セパレータ、３０，６０，６２ 積層部、６４，６５ 高剛性積層部、６６，６７ 低剛性積層部、７０ 外部プレート、７２，７４ 端部プレート。   10, 50, 52 Fuel cell stack, 12 Manifold, 14 End plate, 20 Fuel cell, 22 MEA, 24 Separator, 30, 60, 62 Laminate, 64, 65 High stiffness laminate, 66, 67 Low stiffness laminate Part, 70 external plate, 72, 74 end plate.

Claims (2)

複数の燃料電池セルが順次積層された積層部と、
積層部の周囲を支持する外部プレート部と、
を有し、
積層部は、
外部プレートによる締結力によって生じる変形量の積層方向に沿った分布に応じ、変形量が大きい他方側の部位の剛性を、変形量が小さい一方側の部位の剛性より低くする剛性変化特性を有することを特徴とする燃料電池スタック。 A stacked portion in which a plurality of fuel cells are sequentially stacked;
An external plate that supports the periphery of the stack,
Have
The stacking part
According to the distribution along the stacking direction of the deformation amount caused by the fastening force by the external plate, it has a rigidity change characteristic that lowers the rigidity of the other side portion where the deformation amount is larger than the rigidity of the one side portion where the deformation amount is small. A fuel cell stack characterized by 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
積層部は、
積層方向に沿って設定された剛性変更位置を境にして、一方側に剛性の高い高剛性積層部が、他方側に剛性の低い低剛性積層部が配置され、
剛性変更位置は、
剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大応力値が所定の閾値応力範囲となる第１積層位置範囲と、
剛性変更位置を積層方向に沿って変化させたときに積層部における最大変形量が所定の閾値変形量範囲となる第２積層位置範囲と、
が重なる積層位置範囲の中で設定さ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 stacking part
With a rigidity change position set along the lamination direction as a boundary, a high-rigidity laminated part with high rigidity is arranged on one side, and a low-rigidity laminated part with low rigidity is arranged on the other side,
The rigidity change position is
A first lamination position range in which the maximum stress value in the laminated portion is a predetermined threshold stress range when the rigidity change position is changed along the lamination direction;
A second stack position range in which the maximum deformation amount in the stack portion is a predetermined threshold deformation range when the rigidity change position is changed along the stack direction;
Fuel cell stack according to claim Rukoto is set in the stacking position range overlap.
JP2007114448A 2007-04-24 2007-04-24 Fuel cell stack Expired - Fee Related JP5239202B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007114448A JP5239202B2 (en) 2007-04-24 2007-04-24 Fuel cell stack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007114448A JP5239202B2 (en) 2007-04-24 2007-04-24 Fuel cell stack

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008270083A JP2008270083A (en) 2008-11-06
JP5239202B2 true JP5239202B2 (en) 2013-07-17

Family

ID=40049312

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007114448A Expired - Fee Related JP5239202B2 (en) 2007-04-24 2007-04-24 Fuel cell stack

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5239202B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6696852B2 (en) * 2016-07-15 2020-05-20 株式会社Ｓｏｋｅｎ Fuel cell

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58164169A (en) * 1982-03-25 1983-09-29 Kansai Electric Power Co Inc:The Cell stack of fuel cell
JP4956882B2 (en) * 2003-07-22 2012-06-20 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008270083A (en) 2008-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6118225B2 (en) Electrolyte membrane / electrode structure with resin frame for fuel cells
JP5227543B2 (en) Fuel cell
JP6317222B2 (en) Solid oxide fuel cell stack
JP2009163909A (en) Fuel battery unit, and fuel battery
JP4815762B2 (en) Fuel cell
JP6082362B2 (en) Fuel cell
JP2008218278A (en) Flat plate stacking type fuel cell
JP5254673B2 (en) Fuel cell stack
JP4645092B2 (en) Fuel cell device
JP2009070674A (en) Fuel cell stack
EP1756896B1 (en) Fuell cell stack
JP5239202B2 (en) Fuel cell stack
JP2013211240A (en) Fuel cell stack
JP6104833B2 (en) Fuel cell stack
JP2008251236A (en) Flat lamination type fuel cell
WO2011045839A1 (en) Fuel cell stack
JP2008078148A (en) Fuel cell
US9425477B2 (en) Fuel cell stack
JP4461949B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP5756388B2 (en) Fuel cell
JP2007184200A (en) Fuel cell stack
JP2008177089A (en) Fuel cell
JP2009252617A (en) Fuel cell
JP2010192219A (en) Fuel cell
JP6403099B2 (en) Fuel cell module

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090807

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120607

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120626

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120820

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130305

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130318

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160412

Year of fee payment: 3

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5239202

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160412

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees