JP6008202B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セルを複数積層したセル積層体の両端にエンドプレートを配置してなる燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack in which end plates are arranged at both ends of a cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked.
一般に燃料電池スタックは、例えば、膜電極接合体、ガス拡散層、セパレータ等からなる燃料電池セルを複数積層して構成されるセル積層体を、一対のエンドプレートで挟持し、これらを締結具(例えばボルト及びナット)で締め付けることにより形成されている。各燃料電池セルに対しては、燃料ガス(例えば水素)、酸化ガス(例えば空気)、あるいは燃料電池セルの過加熱を防止するための冷却媒体(例えば冷却水)を供給する必要がある。このため、燃料電池セル積層体の両端部に配置されるエンドプレートは、上記ガス又は冷媒をスタック内に流通させるための出入口となるマニホールドを具備している。 In general, a fuel cell stack includes, for example, a cell stack formed by stacking a plurality of fuel cell cells composed of a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a separator, and the like, and a pair of end plates. For example, it is formed by tightening with bolts and nuts). Each fuel cell needs to be supplied with a fuel gas (for example, hydrogen), an oxidizing gas (for example, air), or a cooling medium (for example, cooling water) for preventing overheating of the fuel cell. For this reason, the end plates arranged at both ends of the fuel cell stack include manifolds that serve as inlets and outlets for allowing the gas or refrigerant to flow through the stack.
このようなエンドプレートにあっては、ボルト等で強固に固定する必要があり、所定の締結力が及んでもプレート自体が機械的な変形や歪みを生じない程度に高強度であることが要求される。このため、エンドプレートは金属板を用いて形成されるのが通常である。 In such an end plate, it is necessary to firmly fix it with bolts, etc., and it is required that the plate itself is strong enough to prevent mechanical deformation or distortion even if a predetermined fastening force is exerted. Is done. For this reason, the end plate is usually formed using a metal plate.
金属板のエンドプレートを用いた燃料電池スタックとして、例えば、下記特許文献1に記載されたものが提案されている。下記特許文献1に記載された燃料電池スタックに用いられるエンドプレートは、チタン合金等で形成された複数の金属薄板を積層して構成される。複数の金属薄板を積層して構成することで、セル積層体の要求に応じて金属薄板の枚数を調整することができる。金属薄板の枚数を調整して、エンドプレートの板厚を増加させることにより、エンドプレートの曲げ強度や剛性を向上させることが可能となっている。 As a fuel cell stack using a metal plate end plate, for example, a fuel cell stack described in Patent Document 1 below has been proposed. The end plate used in the fuel cell stack described in Patent Document 1 below is configured by laminating a plurality of thin metal plates formed of titanium alloy or the like. By laminating a plurality of thin metal plates, the number of thin metal plates can be adjusted according to the requirements of the cell stack. By adjusting the number of thin metal plates and increasing the plate thickness of the end plate, it is possible to improve the bending strength and rigidity of the end plate.
しかしながら、下記特許文献1に記載の燃料電池スタックでは、要求される曲げ強度や剛性が大きいほど金属薄板の枚数が増加することとなるため、エンドプレートの重量が大きくなる。このため、燃料電池スタックを車両に搭載した場合に、車両衝突時の慣性衝撃力が増加し、燃料電池スタックの破損する可能性が高くなるという課題があった。 However, in the fuel cell stack described in Patent Document 1 described below, as the required bending strength and rigidity increase, the number of thin metal plates increases, so the weight of the end plate increases. For this reason, when the fuel cell stack is mounted on the vehicle, there is a problem that the inertial impact force at the time of the vehicle collision increases and the possibility of the fuel cell stack being damaged increases.
一方、下記特許文献2に記載の燃料電池スタック用エンドプレートでは、そのエンドプレートに用いる材料として、重量が大きい金属製の材料ではなく高強度の樹脂材料を選定し、エンドプレートの軽量化を図ったものが提案されている。
On the other hand, in the end plate for a fuel cell stack described in
上記特許文献2に記載された燃料電池スタック用エンドプレートは、樹脂材料を用いているため、上記特許文献1に記載された金属板のエンドプレートによる重量の大きさの課題をある程度解消しているものと思われる。しかしながら、エンドプレートは面全体で高い圧力を継続して受けるため、エンドプレートを樹脂材料により成形した場合には、時間の経過とともに変形が増加していくクリープ現象の懸念がある。更に、エンドプレートの表面には、燃料電池スタックに水素ガスを供給するための水素系部品である水素ポンプや気液分離器等の補機類を取り付けることが通常であるが、これら補機類を取り付ける面においては、その表面精度を確保するために切削加工を行う必要がある。この切削加工の工程においては、その加工時間が数時間に及ぶため、製造コストの増加につながってしまうという課題もあった。
Since the end plate for a fuel cell stack described in
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンドプレートの強度、剛性を保ちつつ、軽量化を図ることができると共に、エンドプレートの製造コストの低減を図ることができる燃料電池スタックを提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to reduce the manufacturing cost of the end plate while reducing the weight while maintaining the strength and rigidity of the end plate. It is to provide a fuel cell stack that can be used.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池スタックは、燃料電池セルを複数積層したセル積層体の両端にエンドプレートを配置してなる燃料電池スタックであって、前記エンドプレートは、第1金属板と、前記燃料電池セルの積層方向に沿って貫通形成された多角形状の中空部が相互に間隔をおいて複数配置されている第2金属板とを備え、前記第1金属板と前記第2金属板とは複数交互に積層されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell stack according to the present invention is a fuel cell stack in which end plates are arranged at both ends of a cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked, A metal plate; and a second metal plate in which a plurality of polygonal hollow portions formed so as to penetrate along the stacking direction of the fuel cells are arranged at intervals, the first metal plate and the A plurality of second metal plates are alternately stacked.
本発明に係る燃料電池スタックでは、第1金属板と、燃料電池セルの積層方向に沿って貫通形成された多角形状の中空部が相互に間隔をおいて複数配置されている第2金属板とを複数交互に積層したエンドプレートを備えているので、エンドプレートの剛性を保ちつつ、エンドプレートの軽量化を図ることができる。 In the fuel cell stack according to the present invention, a first metal plate, and a second metal plate in which a plurality of polygonal hollow portions penetratingly formed along the stacking direction of the fuel cells are arranged at intervals from each other, Since the end plate in which a plurality of layers are alternately stacked is provided, it is possible to reduce the weight of the end plate while maintaining the rigidity of the end plate.
また本発明に係る燃料電池スタックにおいて、前記第2金属板は、前記中空部が六角形断面とされたハニカム構造を有していることも好ましい。 In the fuel cell stack according to the present invention, it is also preferable that the second metal plate has a honeycomb structure in which the hollow portion has a hexagonal cross section.
この好ましい態様では、第2金属板がハニカム構造を有しているので、金属板のみで製造されたエンドプレートと同等程度の剛性を保ちつつ、エンドプレートの軽量化を図ることができる。その結果、車両衝突時に燃料電池スタック破損の可能性を低下させることができる。 In this preferred embodiment, since the second metal plate has a honeycomb structure, it is possible to reduce the weight of the end plate while maintaining the same degree of rigidity as that of the end plate manufactured using only the metal plate. As a result, the possibility of damage to the fuel cell stack at the time of a vehicle collision can be reduced.
また本発明に係る燃料電池スタックにおいて、前記第1金属板のうち、前記燃料電池セルに水素ガスを供給するための水素系部品が取り付けられる側の第3金属板と、前記第3金属板に隣接する前記第2金属板との間に、断熱層を設けていることも好ましい。 In the fuel cell stack according to the present invention, the first metal plate may include a third metal plate on a side on which a hydrogen-based component for supplying hydrogen gas to the fuel cell is attached, and the third metal plate. It is also preferable to provide a heat insulating layer between the adjacent second metal plates.
この好ましい態様では、エンドプレートの水素系部品が取り付けられる側の第3金属板と、第3金属板に隣接する中空部を有する第2金属板との間に、断熱層を設けているので、熱の伝播方向をエンドプレートの面方向に制限することができる。その結果、エンドプレートにおける放熱を促進させることができる。 In this preferred embodiment, since the heat insulating layer is provided between the third metal plate on the side where the hydrogen-based parts of the end plate are attached and the second metal plate having a hollow portion adjacent to the third metal plate, The heat propagation direction can be limited to the end plate surface direction. As a result, heat dissipation in the end plate can be promoted.
また本発明に係る燃料電池スタックにおいて、前記第3金属板のうち、前記第3金属板の前記水素系部品が取り付けられる部位は、他の部位よりも薄く形成されていることも好ましい。 In the fuel cell stack according to the present invention, it is also preferable that a portion of the third metal plate to which the hydrogen-based component is attached is formed thinner than other portions.
この好ましい態様では、エンドプレートにおける水素系部品が取り付けられる部位の金属板を薄く形成することにより、水素系部品が取り付けられる部位の熱容量を下げることができる。その結果、水素系部品で発生した熱が金属板の面方向に伝播しやすくすることができるので、放熱を促進させることができる。 In this preferred embodiment, the heat capacity of the part to which the hydrogen-based part is attached can be reduced by forming the metal plate of the part to which the hydrogen-based part is attached in the end plate thinly. As a result, heat generated in the hydrogen-based component can be easily propagated in the surface direction of the metal plate, and thus heat dissipation can be promoted.
本発明によれば、高強度、高剛性の金属塊で形成された従来のエンドプレートと同等の強度、剛性を保ちつつ、軽量化を図ることができるエンドプレートを備える燃料電池スタックを提供することができる。また、本発明によれば、金属板材を積層してエンドプレートを構成しているため、エンドプレート表面の水素ポンプ等の補機類を取り付ける部分における切削加工の工程を削減することできる。その結果、製造コストの低減を図ることができる燃料電池スタックを提供することができる。 According to the present invention, there is provided a fuel cell stack including an end plate that can be reduced in weight while maintaining the same strength and rigidity as a conventional end plate formed of a high-strength, high-rigidity metal lump. Can do. Further, according to the present invention, since the end plate is configured by laminating metal plate materials, it is possible to reduce the cutting process in the portion where the auxiliary equipment such as a hydrogen pump on the surface of the end plate is attached. As a result, a fuel cell stack capable of reducing the manufacturing cost can be provided.
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態における燃料電池スタック1の概略構成を示す側面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a fuel cell stack 1 according to the first embodiment of the present invention.
燃料電池スタック1は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池であり、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される燃料電池セル2を複数積層したセル積層体3を有している。電解質膜は、フッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
The fuel cell stack 1 is a solid polymer fuel cell having a solid polymer separation membrane, and is a
燃料電池スタック1は、エンドプレート10A、10Bに固定されている。エンドプレート10A、10Bは、セル積層体3を挟持するように、ボルト及びナット(図示せず)により積層方向へ荷重をかけて締結されている。以下に示す実施形態においては、燃料電池セルを積層する方向が「積層方向」に、積層方向に略垂直な方向が「面方向」に、それぞれ対応している。
The fuel cell stack 1 is fixed to the
続いて、図2を参照しながらエンドプレート10を構成する金属薄板31(第1金属板)及び異形断面金属板41(第2金属板)について説明する。図2(A)はエンドプレート10の平面図である。図2(B)は、エンドプレート10の断面図である。図2(C)は、図2(A)に示すエンドプレート10のA−A線における断面図である。
Next, the metal thin plate 31 (first metal plate) and the modified cross-section metal plate 41 (second metal plate) constituting the
図2(A)、図2(B)及び図2(C)に示すように、エンドプレート10は、金属薄板31と、異形断面金属板41とを複数交互に積層して構成される。つまり、エンドプレート10を積層方向に見たときに、金属薄板31c、異形断面金属板41b、金属薄板31b、異形断面金属板41a、金属薄板31aの順に積層するように構成されている。金属薄板31及び異形断面金属板41の積層枚数は、調整することが可能であり、セル積層体3の積層数、燃料電池セル2の特性等に合わせてその枚数が適宜決定される。本実施形態においては、エンドプレート10の表面10a、10bは、両方ともハニカム構造に加工されていない金属板、すなわち、金属薄板31a及び金属薄板31cにより形成されている。
As shown in FIGS. 2A, 2B, and 2C, the
金属薄板31a、金属薄板31b及び金属薄板31cには、例えばアルミ板材が用いられている。金属薄板31a、金属薄板31b及び金属薄板31cは、例えば板厚5mm程度の金属板であり、それぞれ同一の厚さであることが好ましい。金属薄板31a、金属薄板31b及び金属薄板31cには、ボルト穴21及び貫通穴22が形成されている。ボルト穴21は、金属薄板31a、金属薄板31b及び金属薄板31cの外周端部に複数設けられている。貫通穴22は、金属薄板31a、金属薄板31b及び金属薄板31cの長手方向の両端部近傍に、その表面から裏面まで貫通して複数設けられている。
For example, an aluminum plate material is used for the metal
異形断面金属板41a及び異形断面金属板41bには、例えばアルミ板材が用いられている。異形断面金属板41aと異形断面金属板41bは、それぞれ同一の厚さであることが好ましい。異形断面金属板41a及び異形断面金属板41bには、金属薄板31と同様に、ボルト穴21及び貫通穴22が形成されている。
For example, an aluminum plate material is used for the modified
金属薄板31及び異形断面金属板41の製作方法は、例えばアルミ板材をプレス加工により一定の厚さを有する薄板に成形することにより製作される。同時に、プレス加工によりボルト穴21及びその表面から裏面を貫通する貫通穴22を形成する。異形断面金属板41については、ボルト穴21及び貫通穴22以外の部分において、プレス抜き加工によりハニカム構造に加工する(詳細は後述する)。これにより、金属薄板31及び異形断面金属板41が作製される。そして、作製された金属薄板31と異形断面金属板41とを、セル積層体3等に求められる強度、剛性が得られる積層数に重ねて配置し、各々の金属薄板31及び異形断面金属板41の表面に、クラッド材を塗布し熱を加える手法を用いて固定又はボルト締結等によって固定することで、エンドプレート10が作製される。
The metal
図2(C)に示すように、金属薄板31と異形断面金属板41とを積層した際に、貫通穴22は、それぞれ互いに重なり合う位置に形成されている。互いに重なり合うことで、エンドプレート10とセル積層体3との間で流路が形成される。この流路を介して、セル積層体3の内部に、水素ガス、酸化ガス、冷却媒体等の流体を導入又は排出することができるように構成される。
As shown in FIG. 2C, when the
また、エンドプレート10の一方の表面10a、すなわち金属薄板31aの表面には、水素系部品25が装着される。水素系部品25は、燃料電池セル2に水素ガスを供給するための部品であり、図示しない水素入口弁、レギュレータ、水素ポンプ、気液分離器、水素排出弁などの補機類、及びこれらに接続された配管を含むものである。この補機類等を取り付ける部分では、シール性が求められるため、ある程度の表面精度を確保する必要がある。この表面精度を確保するために、金属板材を積層したタイプではない従来のエンドプレートでは、その表面を切削加工する必要があり、この切削加工に多くの時間を費やしていた。本実施形態のエンドプレート10は、金属板材を積層して構成され、その表面10aがプレス加工により成形されたアルミ板材であることから、ある程度の表面精度を確保することができる。このため、補機類等を取り付ける部分の切削加工を行わずに使用することができ、加工時間の短縮を図ることができる。加工時間短縮の結果、エンドプレート10の製造コストの低減を図ることができる。
A hydrogen-based
続いて、図3を参照しながらエンドプレート10に含まれる異形断面金属板41の構造についてさらに詳細に説明する。図3は、図2(B)に示すエンドプレート10のB−B線における断面図である。
Next, the structure of the modified
異形断面金属板41は、貫通穴22の周囲に配置される金属板42a、42b(例えばアルミ板材)と、燃料電池セル2の積層方向に沿って貫通形成された多角形状(本実施形態では正六角形又はその一部が切り欠かれた形状)の中空部43が相互に間隔をおいて複数配置されてなるハニカム構造部44とを有している。中空部43は、異形断面金属板41の表面から裏面まで貫通して形成されている。
The odd-shaped
金属板42a、42bは、貫通穴22の幅と同程度又は一回り大きい幅を有し、貫通穴22を覆うように形成される。そして、この金属板42a、42bが形成された部分以外の部分は、プレス抜き加工した中空部43が相互に間隔をおいて複数配置されてなるハニカム構造部44が形成される。エンドプレート10のより一層の軽量化を図る観点からは、貫通穴22等が形成された部分以外の部分において、ハニカム構造部44が広範囲に形成されていることが好ましい。ハニカム構造部44は、金属製の薄板が六角形を成し、垂直に立てられた多数の構造となっている。このため、ハニカム構造部44は、積層方向の圧縮に強い特性を有している。
The
このように、エンドプレート10を、ハニカム構造部44を有する異形断面金属板41を含む構成とすることにより、従来のチタン合金等の金属板のみで形成されたエンドプレートと同等程度の強度、剛性を保ちつつ、軽量化を図ることができるエンドプレート10を提供することができる。その結果、エンドプレート10を備える燃料電池スタック1を車両に搭載した場合において、車両衝突時における慣性衝撃力を低減することができるため、燃料電池スタック1破損の可能性を低下させることができる。
As described above, the
続いて、図4を参照しながら、本発明の第2実施形態における燃料電池スタック1について説明する。図4に示すエンドプレート10は、第1実施形態で示した燃料電池スタック1におけるエンドプレート10に、断熱性能を有する断熱層51を形成したもので、それ以外の構成及び機能は第1実施形態の燃料電池スタック1と同じである。したがって、第1実施形態の燃料電池スタック1におけるエンドプレート10と同じ部分については第1実施形態のものと同一の符合を用い、それらについての説明は省略する。
Next, the fuel cell stack 1 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The
断熱層51は、水素系部品25である補機類が取り付けられる金属薄板31a(第3金属板)と、この金属薄板31aに隣接する異形断面金属板41aとの間に配置されている。その結果、エンドプレート10の断面を、補機類が取り付けられる金属薄板31aから下方に向かって見たときに、金属薄板31a、断熱層51、異形断面金属板41a、金属薄板31b、異形断面金属板41b及び金属薄板31cの順に積層される構造となっている。断熱層51は、例えばアルミ等の金属板の表面に樹脂コーティングしたものにより形成され、断熱性を有している。このため、エンドプレート10の板厚方向に熱が伝播した場合に、熱の伝播方向を制限することができる。断熱層51は、熱伝導率が低く、また安価であれば好ましい。断熱層51の材料としては、例えば、PP材、PA材等(PA6T−GF等)が挙げられる。また、貫通穴22内には、絶縁、腐食防止のため樹脂がインサート成形されているが、断熱層51の材料を貫通穴22内の樹脂と同じにすることにより、断熱層51のはがれを抑制することができる。なお、断熱層51を設ける方法として、加工された(貫通穴が形成された)樹脂板を積層して設けても良い。
The
本実施形態におけるエンドプレート10の作製としては、まず、プレス加工により異形断面金属板41を成形する。そして、金属薄板31と断熱層51と異形断面金属板41とを重ね合わせ、ボルト締結、樹脂インサート成型等を用いて、エンドプレート10が作製される。
In producing the
このようにエンドプレート10を、金属薄板31aと異形断面金属板41との間に断熱層51を積層することにより、エンドプレート10の板厚方向に補機類から発生した熱が伝播した場合に、熱の伝播方向をエンドプレート10の面方向に制限することができる。その結果、エンドプレート10の軽量化、製造コストの低減を図ることできることに加えて、エンドプレート10における放熱が促進され、異形断面金属板41に形成されたハニカム構造部44に熱がこもることを抑制することができる。
In this way, when the heat generated from the auxiliary equipment is propagated in the thickness direction of the
続いて、図5を参照しながら、本発明の第3実施形態における燃料電池スタック1について説明する。図5に示すエンドプレート10は、第1実施形態で示したエンドプレート10における水素系部品25としての補機類が取り付けられる側の金属薄板31aの板厚を薄くしたもので、それ以外の構成及び機能は第1実施形態の燃料電池スタック1と同じである。したがって、第1実施形態の燃料電池スタック1におけるエンドプレート10と同じ部分については第1実施形態のものと同一の符合を用い、それらについての説明は省略する。
Next, the fuel cell stack 1 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The
図5に示すように、補機類が取り付けられる側の金属薄板31aにおいて、補機類が取り付けられる部位61の板厚が、他の部位における金属薄板31aの板厚よりも薄く形成される。本実施形態におけるエンドプレート10の作製としては、まず、アルミ等の金属薄板を鍛造加工等により、補機類が取り付けられる部位のみ板厚を薄く成形した金属薄板31aを作製する。次に、プレス加工により、異形断面金属板41を成形する。そして、補機類が取り付けられる部位のみ板厚を薄く成形した金属薄板31aと、部分的に薄く加工していない金属薄板31b、31cと、異形断面金属板41とを組み合わせて焼き固め、ボルト締結、樹脂インサート成型等を用いてエンドプレート10を作製する。
As shown in FIG. 5, in the metal
このように金属薄板31aの補機類取付面の板厚を薄くすることにより、金属薄板31aにおける補機類取付面の熱容量を下げることができる。このため、補機類で発生した熱が金属薄板31aの面方向に伝播させやすくすることができる。その結果、エンドプレート10の軽量化、製造コストの低減を図ることできることに加えて、エンドプレート10の放熱を促進させることができる。
Thus, by reducing the plate thickness of the accessory mounting surface of the metal
以上、本発明の実施例を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施例にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の実施例でも実施することが可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, this is an illustration for description of this invention, Comprising: It is not the meaning which limits the scope of the present invention only to this Example. The present invention can be implemented in various other embodiments.
1:燃料電池スタック
2:燃料電池セル
3:セル積層体
10:エンドプレート
21:ボルト穴
22:貫通穴
25:水素系部品
31:金属薄板
31a、31b、31c:金属薄板(第1金属板)
41a、41b:異形断面金属板(第2金属板)
43:中空部
44:ハニカム構造部
51:断熱層
1: Fuel cell stack 2: Fuel cell 3: Cell stack 10: End plate 21: Bolt hole 22: Through hole 25: Hydrogen-based component 31: Metal
41a, 41b: Deformed cross-section metal plate (second metal plate)
43: Hollow part 44: Honeycomb structure part 51: Heat insulation layer
Claims (3)
前記エンドプレートは、第1金属板と、前記燃料電池セルの積層方向に沿って貫通形成された多角形状の中空部が相互に間隔をおいて複数配置されている第2金属板とを備え、
前記第1金属板と前記第2金属板とは複数交互に積層され、
前記第2金属板は、前記中空部が六角形断面とされたハニカム構造を有していることを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack in which end plates are arranged at both ends of a cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked,
The end plate includes a first metal plate, and a second metal plate in which a plurality of polygonal hollow portions penetratingly formed along the stacking direction of the fuel cells are arranged at intervals.
A plurality of the first metal plates and the second metal plates are alternately laminated ,
The fuel cell stack, wherein the second metal plate has a honeycomb structure in which the hollow portion has a hexagonal cross section .
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