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JP2008177089A - Fuel cell - Google Patents

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JP2008177089A
JP2008177089A JP2007010324A JP2007010324A JP2008177089A JP 2008177089 A JP2008177089 A JP 2008177089A JP 2007010324 A JP2007010324 A JP 2007010324A JP 2007010324 A JP2007010324 A JP 2007010324A JP 2008177089 A JP2008177089 A JP 2008177089A
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Japan
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cell
fuel cell
cells
pair
disposed
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Pending
Application number
JP2007010324A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuichi Yatsugami
裕一 八神
Yuko Yamauchi
優子 山内
Yuichiro Ichikawa
雄一郎 市川
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

【課題】大型化や重量の増大を抑えつつ、面圧のバラツキを抑えた燃料電池を提供する。
【解決手段】この発明の燃料電池は、積層された複数のセルと、積層されたセルの積層方向の両外側に配置された一対の集電極板と、集電極板の外側に配置された一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートの外側から積層されたセルを締め付けて締結させる締結部材と備える。また、セルは、積層方向に平行な断面において湾曲した形状を有し、かつ、それぞれ、電解質膜と電解質膜の両側に配置された一対の電極と、一対の電極の両側に配置され、それぞれ、燃料ガス流路と酸化ガス流路とを構成するセパレータとを備えている。
【選択図】図1
Provided is a fuel cell in which variation in surface pressure is suppressed while suppressing increase in size and weight.
A fuel cell according to the present invention includes a plurality of stacked cells, a pair of collector plates disposed on both outer sides in the stacking direction of the stacked cells, and a pair disposed on the outside of the collector plates. And a fastening member that fastens and fastens the cells stacked from the outside of the pair of end plates. Further, the cell has a curved shape in a cross section parallel to the stacking direction, and each of the cells is disposed on both sides of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane, and on both sides of the pair of electrodes, The separator which comprises a fuel gas flow path and an oxidizing gas flow path is provided.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は燃料電池に関する。更に具体的には、積層された複数のセルを有する燃料電池として好適なものである。   The present invention relates to a fuel cell. More specifically, it is suitable as a fuel cell having a plurality of stacked cells.

従来、特開平8−153525号公報には、複数の単電池(セル)が積層されて構成された燃料電池が開示されている。この燃料電池の各セルは、電解質膜とその両側に配置されたアノード極とカソード極とからなる膜−電極接合体を備えている。各電極の両側はカーボン集電体(セパレータ)により挟持されている。ここで、アノード極側のセパレータには、アノード極に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が溝状に形成され、カソード極のセパレータには、カソード極に酸化ガスとなる空気を流通させる酸化ガス流路が溝状に形成されている。   Conventionally, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-153525 discloses a fuel cell in which a plurality of single cells (cells) are stacked. Each cell of this fuel cell includes a membrane-electrode assembly including an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes disposed on both sides thereof. Both sides of each electrode are sandwiched between carbon current collectors (separators). Here, the separator on the anode electrode side is formed with a fuel gas flow path through which the fuel gas flows through the anode electrode, and the oxidizing gas through which air serving as the oxidizing gas flows through the cathode electrode is formed in the cathode electrode separator. The flow path is formed in a groove shape.

この燃料電池のセパレータは、垂直方向の断面(つまりセルの積層方向に平行な断面)が円弧状になるように、所定の曲率で湾曲した形状に構成されている。酸化ガス流路はセパレータの円弧の方向に沿って湾曲した溝状に形成されている。一方、燃料ガス流路は、セパレータの、酸素ガス流路に対して垂直な方向(つまり上記の断面に垂直な方向)に直線状に形成されている。上記従来技術によれば、酸化ガス流路をセパレータの円弧に沿って湾曲した形状とすることで、酸化ガス流路を流れる空気に遠心力を発生させる。この遠心力により、酸化ガス流路を流れるガスに、カソード極に向う流れができる。その結果、酸化ガス流路内のガスのカソード極拡散層への拡散を促進し、酸素をより多く含む空気がカソード極に供給されるようにしている。   The separator of this fuel cell is formed in a shape curved with a predetermined curvature so that a vertical cross section (that is, a cross section parallel to the cell stacking direction) is an arc. The oxidizing gas channel is formed in a groove shape curved along the direction of the arc of the separator. On the other hand, the fuel gas channel is formed in a straight line in the direction perpendicular to the oxygen gas channel of the separator (that is, the direction perpendicular to the cross section). According to the above prior art, the oxidant gas flow path has a curved shape along the arc of the separator, thereby generating centrifugal force in the air flowing through the oxidant gas flow path. By this centrifugal force, the gas flowing through the oxidizing gas flow path can flow toward the cathode electrode. As a result, the diffusion of the gas in the oxidizing gas channel to the cathode electrode diffusion layer is promoted, and air containing more oxygen is supplied to the cathode electrode.

特開平8−153525号公報JP-A-8-153525 特開2004−47155号公報JP 2004-47155 A 特開2004−288539号公報JP 2004-288539 A 特開2004−327105号公報JP 2004-327105 A 特開2004−214040号公報JP 2004-2104040 A 特開2001−93564号公報JP 2001-93564 A

ところで、燃料電池の発電中にはセルにおける温度変化が大きくなる場合がある。例えば、燃料電池の始動時には低温の冷却水が流れ込むため、セルの一部分が急激に冷却される場合がある。この場合、温度差によるセル内での膨張に大きなバラツキが発生し、セルが変形する場合がある。   By the way, the temperature change in a cell may become large during power generation of a fuel cell. For example, since a low-temperature cooling water flows when the fuel cell is started, a part of the cell may be rapidly cooled. In this case, there is a case where a large variation occurs in expansion in the cell due to a temperature difference, and the cell is deformed.

また、燃料電池の電気化学反応は発熱を伴う。従って、燃料電池の発熱量が大きくなるにつれて、各セルの膨張が大きくなることとなる。ここで、一般に燃料電池は、上記のようにセルが積層され、その積層方向両側にエンドプレートが配置され、その外側から締結部材によって所定の締結荷重で締め付けられた状態となっている。従って、燃料電池の発熱によりセルが膨張すると、締結部材による締め付け箇所から遠い部分でセルが大きくたわみ、燃料電池の外側に向けてセルが膨らむように変形することが考えられる。   In addition, the electrochemical reaction of the fuel cell is accompanied by heat generation. Therefore, the expansion of each cell increases as the calorific value of the fuel cell increases. Here, in general, in a fuel cell, cells are stacked as described above, end plates are arranged on both sides in the stacking direction, and are tightened by a fastening member from the outside with a predetermined fastening load. Therefore, when the cell expands due to heat generation of the fuel cell, it is conceivable that the cell bends greatly at a portion far from the tightening portion by the fastening member and deforms so that the cell expands toward the outside of the fuel cell.

このように、燃料電池の温度変化による体格変化が大きくなると、各セル面内にかかる締結圧力(以下「面圧」)にバラツキが生じることが考えられる。面圧のバラツキは発電性能の低下に繋がることとなるため、面圧は均一に安定させることが好ましい。   Thus, when the physique change by the temperature change of a fuel cell becomes large, it is possible that the fastening pressure (henceforth "surface pressure") applied in each cell surface will vary. Since variations in surface pressure lead to a decrease in power generation performance, it is preferable to stabilize the surface pressure uniformly.

例えば面圧を一定にするために、エンドプレートの外側にばねを配置して、一定の弾性力でエンドプレートをセル面に垂直な方向に押圧したものがある。しかし、このようにばねを用いる構造とした場合、燃料電池の大型化や重量の増大や、バネ等の締結部材によるコストの増大が問題となる。   For example, in order to make the surface pressure constant, a spring is disposed outside the end plate, and the end plate is pressed in a direction perpendicular to the cell surface with a constant elastic force. However, in the case of using a structure using a spring in this way, there is a problem of an increase in size and weight of the fuel cell and an increase in cost due to a fastening member such as a spring.

また、このようにばねを使用した場合であっても、温度変化による体格変化が大きくなると面圧を一定内に保つことが困難となることも考えられる。更に、近年、燃料電池の小型化の要請は強く、このため、セパレータを含む個々のセルを薄くする傾向にある。セパレータの構造が薄くなれば、熱により発生するたわみも大きくなり、体格変化はより大きくなるため、面圧のばらつきは大きくなり、より面圧を均一に安定させることが困難となる。   Even when the spring is used in this way, it may be difficult to keep the surface pressure within a certain level when the physique changes due to temperature changes. Further, in recent years, there is a strong demand for miniaturization of fuel cells, and for this reason, individual cells including separators tend to be thin. If the separator structure is thin, the deflection generated by heat increases and the physique changes more. Therefore, the variation in surface pressure increases, making it more difficult to stabilize the surface pressure more uniformly.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の大型化や重量の増大化を抑えつつ、面圧を一定範囲内に保つことができるように改良した燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is an improved fuel cell so that the surface pressure can be kept within a certain range while suppressing an increase in size and weight of the fuel cell. The purpose is to provide.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
積層された複数のセルと、
前記積層されたセルの積層方向の両外側に配置された一対の集電極板と、
前記集電極板の外側に配置された、一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートの外側から、前記積層されたセルを締め付けて締結させる締結部材と、
を備え、
前記セルは、積層方向に平行な断面において湾曲した形状を有し、かつ、それぞれ、
電解質膜と、
前記電解質膜の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極の両側に配置され、それぞれ、燃料ガス流路と酸化ガス流路とを構成するセパレータと、
を備える。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell,
A plurality of stacked cells;
A pair of collector plates disposed on both outer sides in the stacking direction of the stacked cells;
A pair of end plates disposed outside the collector electrode plate;
From the outside of the pair of end plates, a fastening member that fastens and tightens the stacked cells;
With
Each of the cells has a curved shape in a cross section parallel to the stacking direction, and
An electrolyte membrane;
A pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane;
The separators disposed on both sides of the pair of electrodes, respectively, constituting a fuel gas channel and an oxidizing gas channel;
Is provided.

第2の発明は、第1の発明において、前記複数のセルは、前記断面において、同一の方向に、同一の曲率で湾曲している。   In a second aspect based on the first aspect, the plurality of cells are curved with the same curvature in the same direction in the cross section.

第3の発明は、第1又は第2の発明において、
前記締結部材により締結される前の状態において、
前記複数のセルは、異なる曲率で形成され、かつ、
前記断面において、前記複数のセルのうち最も曲率の小さなセルを中心セルとした場合に、前記中心セルより積層方向外側に配置されるセルは、外側が窪んだ形状とされると共に、前記中心セルよりも積層方向外側になるに伴って、曲率が大きくなっている。
According to a third invention, in the first or second invention,
In a state before being fastened by the fastening member,
The plurality of cells are formed with different curvatures; and
In the cross-section, when the cell having the smallest curvature among the plurality of cells is a central cell, the cell disposed outside the central cell in the stacking direction has a recessed shape on the outside, and the central cell In addition, the curvature increases with increasing outside in the stacking direction.

第4の発明は、第1から第3のいずれかの発明において、前記セルの曲率は、0.1〜10の範囲内である。   In a fourth invention according to any one of the first to third inventions, the curvature of the cell is in a range of 0.1 to 10.

第5の発明は、第1から第4の発明において、前記燃料電池の、前記セルのそれぞれにかかる圧力が、0.1MPa〜10MPaの範囲内である。   According to a fifth invention, in the first to fourth inventions, a pressure applied to each of the cells of the fuel cell is in a range of 0.1 MPa to 10 MPa.

第1の発明によれば、燃料電池の各セルは、積層方向に平行な断面において湾曲した形状となっている。これによれば、各セル自体にある程度の弾性力を持たせることができる。従って、ばね等の弾性体を使用することなく面圧を一定内に安定させることができる。また、このようにセルを湾曲した形状とすることで、電極面積を大きくすることができるため、燃料電池の小型化を図ることができる。   According to the first invention, each cell of the fuel cell has a curved shape in a cross section parallel to the stacking direction. According to this, each cell itself can have a certain amount of elastic force. Therefore, the surface pressure can be stabilized within a certain range without using an elastic body such as a spring. Moreover, since the electrode area can be increased by forming the cell in such a curved shape, the fuel cell can be reduced in size.

第2の発明によれば、各セルは同一方向に、同一の曲率で湾曲した形状となっている。これにより、燃料電池全体に同じ方向の弾性力を持たせることができるため、面圧を一定範囲内に維持することができる。   According to the second invention, each cell has a curved shape with the same curvature in the same direction. Thereby, since the whole fuel cell can be given elastic force in the same direction, the surface pressure can be maintained within a certain range.

第3の発明によれば、各セルを積層して締結させる前の状態において、各セルは最も曲率が小さいセルを中心セルとし、中心セルより外側のセルは中心セルに向けて湾曲するように構成され、かつ、中心セルより外側に離れるに連れて曲率が大きくなるように構成されている。これによれば、燃料電池の締結時にかかる圧力によるたわみを考慮した形状とすることができ、締結後の燃料電池のセルが、湾曲した形状となるものとすることができる。   According to the third invention, in a state before each cell is stacked and fastened, each cell has a cell having the smallest curvature as a central cell, and cells outside the central cell are curved toward the central cell. It is comprised and it is comprised so that a curvature may become large as it leaves outside a center cell. According to this, it can be set as the shape which considered the deflection | deviation by the pressure applied at the time of the fastening of a fuel cell, and the cell of the fuel cell after fastening can become a curved shape.

第4の発明によれば、セルの曲率は0.1〜10である。これにより、より確実に燃料電池の面圧を安定させることができる。   According to the fourth invention, the curvature of the cell is 0.1-10. Thereby, the surface pressure of the fuel cell can be stabilized more reliably.

第5の発明によれば、燃料電池の各セルにかかる面圧が、0.1〜10MPaである。上記のように、燃料電池のセルを湾曲させることで、このように面圧の安定した燃料電池を得ることができる。   According to the fifth invention, the surface pressure applied to each cell of the fuel cell is 0.1 to 10 MPa. As described above, a fuel cell having a stable surface pressure can be obtained by curving the cells of the fuel cell.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.

実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における燃料電池について説明するための模式図である。図1は、燃料電池の各セルの積層方向に平行な一面における断面を表している。図2は、この燃料電池のセルについて説明するための模式図であり、図1と同一方向の断面を表している。図3は、このセルのセパレータについて説明するための模式図である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram for illustrating a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1 shows a cross section on one surface parallel to the stacking direction of each cell of the fuel cell. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a cell of this fuel cell, and shows a cross section in the same direction as FIG. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the separator of this cell.

図1の燃料電池10は、複数のセル12が積層されて構成されている。セル12の両側には、ターミナル14(集電極板)が配置されている。ターミナル14は、積層された複数のセル12の発電反応により発生した電力を取り出す機能を有している。ターミナル14の両外側にはインシュレータ16が配置され、更に、その外側にはエンドプレート18が配置されている。インシュレータ16は、その両側に配置されるターミナル14とエンドプレート18との間を絶縁する絶縁体である。この燃料電池10は、エンドプレート18の外側から締結部材20により所定の圧力で押圧されて締結されている。   The fuel cell 10 of FIG. 1 is configured by stacking a plurality of cells 12. Terminals 14 (collector electrode plates) are disposed on both sides of the cell 12. The terminal 14 has a function of taking out the electric power generated by the power generation reaction of the plurality of stacked cells 12. An insulator 16 is disposed on both outer sides of the terminal 14, and an end plate 18 is disposed on the outer side thereof. The insulator 16 is an insulator that insulates between the terminal 14 and the end plate 18 disposed on both sides thereof. The fuel cell 10 is pressed and fastened by a fastening member 20 from the outside of the end plate 18 with a predetermined pressure.

図2は、図1の燃料電池10内の各セルについて説明するための図である。図2に示すように、各セル12には、電解質膜22が配置されている。電解質膜22は、燃料電池の種類に応じて異なるものであるが、ここではプロトン導電性を有する固体高分子電解質膜22が用いられている。電解質膜22の両側には、アノード極24とカソード極26とが配置されている。アノード極24及びカソード極26は、例えば白金を担体に担持させた触媒からなる触媒層と、その触媒層の表面に形成された拡散層とにより構成されている。   FIG. 2 is a diagram for explaining each cell in the fuel cell 10 of FIG. As shown in FIG. 2, an electrolyte membrane 22 is disposed in each cell 12. The electrolyte membrane 22 varies depending on the type of fuel cell, but here, a solid polymer electrolyte membrane 22 having proton conductivity is used. An anode electrode 24 and a cathode electrode 26 are arranged on both sides of the electrolyte membrane 22. The anode electrode 24 and the cathode electrode 26 are composed of, for example, a catalyst layer made of a catalyst in which platinum is supported on a carrier, and a diffusion layer formed on the surface of the catalyst layer.

このように構成された膜―電極接合体(MEA)の両側にはセパレータ28が配置されている。セパレータ28は、カーボンを主材料として形成されている。アノード極24に接するセパレータ28には、アノード極24に水素等の燃料を流通させるためのアノード流路が構成されている。一方カソード極26に接するセパレータ28には、カソード極26に酸化ガスとしての大気を供給するためのカソード流路が形成されている。   Separators 28 are disposed on both sides of the thus configured membrane-electrode assembly (MEA). The separator 28 is formed using carbon as a main material. The separator 28 in contact with the anode electrode 24 is configured with an anode flow channel for allowing a fuel such as hydrogen to flow through the anode electrode 24. On the other hand, the separator 28 in contact with the cathode electrode 26 is formed with a cathode channel for supplying the cathode electrode 26 with air as an oxidizing gas.

図3に示すように、セパレータ28は、図1に示すセルの湾曲形状に構成されている。このセパレータ28に挟持されることで、膜―電極接合体もこのセパレータ28に沿って湾曲して形成され、図2に示すように各セル12は円弧状に湾曲した状態となる。   As shown in FIG. 3, the separator 28 is configured in the curved shape of the cell shown in FIG. By being sandwiched between the separators 28, the membrane-electrode assembly is also curved along the separators 28, and each cell 12 is curved in an arc as shown in FIG.

再び図1を参照して、セル12及びターミナル14は、図1の断面において、同一方向に向けて中央付近が膨らんだ、円弧状に湾曲した形状となっている。ここで、各セル12及びターミナル14の曲率は、0.1〜10の範囲内とすることが好ましい。一方、ターミナル14の外側のインシュレータ16とエンドプレート18とは、断面が直線状に、即ち平面に形成されている。なお、ターミナル14とインシュレータ16との間に発生する隙間は、弾性力を有する絶縁部材等によって埋め込んだものであってもよく、また、特に埋め込まれていなくてもよい。   Referring again to FIG. 1, the cell 12 and the terminal 14 have an arcuate shape in which the vicinity of the center swells in the same direction in the cross section of FIG. 1. Here, the curvature of each cell 12 and terminal 14 is preferably in the range of 0.1 to 10. On the other hand, the insulator 16 and the end plate 18 outside the terminal 14 have a cross section that is linear, that is, a plane. The gap generated between the terminal 14 and the insulator 16 may be embedded with an insulating member having elasticity, or may not be embedded in particular.

燃料電池10内において、各セル12のMEA設置面内にかかる圧力(面圧)は常に0.1MPa〜10MPaの範囲内となるように構成されている。つまり、締結部材20による締結圧力と湾曲したセパレータ28(セル12)の弾性力とで面圧のバラツキが抑えられ、この範囲内に維持される。   In the fuel cell 10, the pressure (surface pressure) applied to the MEA installation surface of each cell 12 is always in the range of 0.1 MPa to 10 MPa. That is, the variation in surface pressure is suppressed by the fastening pressure by the fastening member 20 and the elastic force of the curved separator 28 (cell 12), and is maintained within this range.

以上のように、実施の形態1の燃料電池10によれば、締結力と湾曲したセル12の弾性力とにより、全セル12の面圧が均一に維持されている。ここで例えば、燃料電池10の発電中は、その電気化学反応により発熱すると、MEAとセパレータ28とが共に膨張する。しかし、セル12は湾曲した状態とされており、セル12自体が弾性力を有している。従って膨張に対向して弾性力が働きMEAとセパレータ28による膨張が吸収されて、燃料電池10の体格変化が抑えられるようになっている。また、セル12が膨張して変形した場合であっても、セル12が全体として同一方向に湾曲して構成され弾性力を有するため、その膨張に対して応力を発揮することができる。従って、セル12内の面圧のバラツキは比較的小さく抑えることができる。   As described above, according to the fuel cell 10 of Embodiment 1, the surface pressure of all the cells 12 is uniformly maintained by the fastening force and the elastic force of the curved cells 12. Here, for example, during the power generation of the fuel cell 10, when the heat is generated by the electrochemical reaction, both the MEA and the separator 28 expand. However, the cell 12 is in a curved state, and the cell 12 itself has an elastic force. Accordingly, an elastic force acts against the expansion, and the expansion by the MEA and the separator 28 is absorbed, so that the physique change of the fuel cell 10 is suppressed. Further, even when the cell 12 is expanded and deformed, the cell 12 as a whole is curved in the same direction and has an elastic force, so that stress can be exerted against the expansion. Therefore, the variation in the surface pressure in the cell 12 can be kept relatively small.

また、この発明の実施の形態1の燃料電池10によれば、例えばエンドプレート18の外側にバネ等を設置して、このバネによる圧力を加えるようなことなく、セル12に弾性力を持たせることで必要な面圧を維持することができる。従って、燃料電池10全体の体格を大きくしたり、セパレータ28等の部材を厚くしたりすることなく、燃料電池10の体格変化を小さく抑えることができる。更に、各セル12が湾曲して形成されていることで、同一の体格の燃料電池で比較した場合に、各セル12の電極面積をより大きく確保することができる。これにより、燃料電池10のいっそうの小型化が図られている。   Further, according to the fuel cell 10 of Embodiment 1 of the present invention, for example, a spring or the like is installed outside the end plate 18 and the cell 12 is given elastic force without applying pressure by the spring. Thus, the required surface pressure can be maintained. Therefore, the physique change of the fuel cell 10 can be suppressed to a small size without increasing the physique of the entire fuel cell 10 or increasing the thickness of the members such as the separator 28. Furthermore, since each cell 12 is formed in a curved shape, a larger electrode area can be secured for each cell 12 when compared with fuel cells of the same physique. Thereby, further miniaturization of the fuel cell 10 is achieved.

なお、以上の実施の形態1においては、セル12とターミナル14とを湾曲した形状とし、インシュレータ16及びエンドプレート18とは平面状に形成されている場合について説明した。しかし、この発明における燃料電池はこれに限るものではなく、インシュレータ16とエンドプレート18とを、セル12と同様の形状に湾曲させたものであってもよい。これについては、実施の形態2についても同様である。   In the first embodiment, the case where the cell 12 and the terminal 14 are curved and the insulator 16 and the end plate 18 are formed in a planar shape has been described. However, the fuel cell in the present invention is not limited to this, and the insulator 16 and the end plate 18 may be curved in the same shape as the cell 12. The same applies to the second embodiment.

また、セル12とターミナル14とが同一の曲率で形成されている場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものではなく、セル12とターミナル14との曲率は異なるものであってもよい。これにより、例えばセル12とターミナル14とで異なるヤング率の材料を使用した場合に、曲率を変化させることでバネ定数を任意に設定することができる。また、実施の形態1においては、セル12とターミナル14との曲率が0.1〜10である場合について説明した。しかし、曲率についても、これに限定されるものではなく、各部材を構成する材料の膨張率やヤング率等を考慮してそれぞれ、適宜曲率を設定することができる。これらについては、実施の形態2においても同様である。   Moreover, the case where the cell 12 and the terminal 14 were formed with the same curvature was demonstrated. However, the present invention is not limited to this, and the curvature of the cell 12 and the terminal 14 may be different. Thereby, for example, when materials having different Young's moduli are used in the cell 12 and the terminal 14, the spring constant can be arbitrarily set by changing the curvature. Moreover, in Embodiment 1, the case where the curvature of the cell 12 and the terminal 14 is 0.1-10 was demonstrated. However, the curvature is not limited to this, and the curvature can be appropriately set in consideration of the expansion coefficient, Young's modulus, etc. of the material constituting each member. The same applies to the second embodiment.

実施の形態2.
図4は、従来の燃料電池の締結時の状態を説明するための模式図である。図5は、この発明の実施の形態2における燃料電池の締結部材による締結前の状態を説明するための図である。図5に示す燃料電池は、燃料電池の締結後には図1に示す燃料電池のように、一方向に湾曲したセルを有する燃料電池となる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a state when a conventional fuel cell is fastened. FIG. 5 is a diagram for illustrating a state before fastening by the fastening member of the fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. The fuel cell shown in FIG. 5 becomes a fuel cell having cells curved in one direction after the fastening of the fuel cell, like the fuel cell shown in FIG.

図4に示すように、燃料電池110は、エンドプレート118の外側から締結部材120により締め付けられて締結される。従来の燃料電池110ではこの締結時の圧力に対しセル112の剛性を確保することができず、図4に示すような状態で、締結部分とは遠いセル112の中央部分が外側に大きく膨らむような形でたわみ、燃料電池110の体格変化が大きくなる場合がある。   As shown in FIG. 4, the fuel cell 110 is fastened and fastened by a fastening member 120 from the outside of the end plate 118. In the conventional fuel cell 110, the rigidity of the cell 112 cannot be secured with respect to the pressure at the time of fastening, and in the state shown in FIG. 4, the central portion of the cell 112 far from the fastening portion is greatly expanded outward. In some cases, the physique change of the fuel cell 110 may increase.

これに対し、本実施の形態2では、締結時にセル12及びターミナル14に発生するたわみを見越して、締結後の燃料電池が、最終的に図1に示すような燃料電池10となるように、セル12の形状を、下記のように構成しておく。   On the other hand, in the second embodiment, in anticipation of the deflection generated in the cell 12 and the terminal 14 at the time of fastening, the fuel cell after fastening is finally a fuel cell 10 as shown in FIG. The shape of the cell 12 is configured as follows.

即ち、締結時に発生するたわみは、図4に示すように、外側に配置されるセル(またはターミナル)ほど、外側に大きく膨らむような形で発生する。従って、図1の断面において、最終的に構成される燃料電池10の円弧形状の膨らんでいる方(紙面では左)の、ターミナル14a付近に配置されるセル12a(及びターミナル14a)は、締結前は、逆に内側(紙面では右)に膨らむように形成されている。一方、円弧形状の窪んでいる方(紙面右)の、ターミナル14b付近に配置されるセル12b(及びターミナル14b)は、締結後よりもそのセル12bの曲率が小さくなるように内側方向(紙面左)に向けて湾曲して形成されている。   That is, as shown in FIG. 4, the deflection that occurs at the time of fastening occurs in such a manner that the more outwardly arranged cells (or terminals) are, the larger the outward expansion occurs. Therefore, in the cross section of FIG. 1, the cell 12a (and the terminal 14a) disposed in the vicinity of the terminal 14a on the bulging side of the arc shape of the fuel cell 10 finally configured (left side in the drawing) is Is formed so as to swell inward (right in the drawing). On the other hand, the cell 12b (and the terminal 14b) disposed in the vicinity of the terminal 14b of the arc-shaped depression (right side of the drawing) is inward (left of the drawing) so that the curvature of the cell 12b is smaller than after the fastening. ) Curved toward the surface.

つまり、締結前において、燃料電池10の中心より紙面左側に配置される最も曲率が小さなセルを中心セル12cとした場合に、その中心セル12cとターミナル14a、14bとの間に配置されるセルは、それぞれ中心セル12cとは反対側(外側)が窪んだ形状となる。また、中心セル12cから離れて積層方向の外側に配置されるセルほど、曲率は大きくなるように形成されている。   In other words, before the fastening, when the cell having the smallest curvature arranged on the left side of the paper from the center of the fuel cell 10 is the center cell 12c, the cell arranged between the center cell 12c and the terminals 14a and 14b is Each has a shape in which the opposite side (outer side) from the center cell 12c is recessed. Further, the curvature of the cell is increased as the cell is located farther away from the center cell 12c and placed outside in the stacking direction.

締結前において上記のように構成される燃料電池10において、その締結時、中心セル12cよりも紙面左側に配置されたセル12a(及びターミナル14a)には、紙面左側に向けたたわみが発生する。従って、中心セル12c側(内側)に湾曲された分が打ち消されて、紙面左側に膨らんだ形状となる。また、中心セル12cを含めて積層されたセル12の実際の中心に配置されているセル12dよりも紙面左側に配置されているセル12に対しては、締結時には紙面左側に向けて膨らむ方向でたわみが発生する。従って、中心セル12c付近のセルも図1に示すように紙面左側に向けて湾曲した状態となる。   In the fuel cell 10 configured as described above before fastening, at the time of fastening, the cell 12a (and the terminal 14a) disposed on the left side of the paper with respect to the center cell 12c is bent toward the left side of the paper. Accordingly, the portion bent toward the center cell 12c (inner side) is canceled out, and the shape swells to the left side of the drawing. Further, with respect to the cell 12 arranged on the left side of the paper 12d than the cell 12d arranged at the actual center of the stacked cells 12 including the center cell 12c, the cell 12 is swelled toward the left side of the paper at the time of fastening. Deflection occurs. Accordingly, the cells in the vicinity of the center cell 12c are also curved toward the left side of the page as shown in FIG.

更に、実際に中心に配置されているセル12dより紙面右側のセル12b(及びターミナル14b)は、締結後の湾曲方向と同一の方向に湾曲して形成されている。しかし、これらのセル12bに対しては、締結時には、締結後のセル12の湾曲方向とは逆方向(紙面右)にたわみが発生する。従って、これらのセル12bの曲率は、締結前に比べて小さなものとなる。   Furthermore, the cell 12b (and the terminal 14b) on the right side of the paper surface from the cell 12d that is actually arranged at the center is formed to bend in the same direction as the bent direction after fastening. However, when these cells 12b are fastened, deflection occurs in the direction opposite to the bending direction of the cells 12 after fastening (right side of the drawing). Therefore, the curvature of these cells 12b is smaller than that before fastening.

以上の結果、実施の形態2によれば、全てのセル12が締結時の締結力を受けて、図1に示すように、同一方向に同一の曲率で湾曲した形状となる。このように、締結時のたわみを考慮した形状とすることで、燃料電池10の締結時に発生するたわみによる面圧のばらつきを小さくすることができる。   As a result, according to the second embodiment, all the cells 12 receive the fastening force at the time of fastening, and as shown in FIG. 1, the cells 12 are curved in the same direction with the same curvature. Thus, by adopting a shape that takes into account the deflection at the time of fastening, it is possible to reduce the variation in surface pressure due to the deflection that occurs when the fuel cell 10 is fastened.

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。   In the above embodiment, when the number of each element, number, quantity, range, etc. is mentioned, it is mentioned unless otherwise specified or clearly specified in principle. The number is not limited. The structures described in the embodiments are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.

この発明の実施の形態1における燃料電池について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the fuel cell in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1の燃料電池のセルについて説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the cell of the fuel cell of Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1のセルのセパレータについて説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the separator of the cell of Embodiment 1 of this invention. 従来の燃料電池の締結時に発生するたわみについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the bending which generate | occur | produces at the time of the fastening of the conventional fuel cell. この発明の実施の形態2の燃料電池の締結前の状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the state before the fastening of the fuel cell of Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池
12 セル
14 ターミナル
16 インシュレータ
18 エンドプレート
20 締結部材
22 電解質膜
24 アノード
26 カソード
28 セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 12 Cell 14 Terminal 16 Insulator 18 End plate 20 Fastening member 22 Electrolyte membrane 24 Anode 26 Cathode 28 Separator

Claims (5)

積層された複数のセルと、
前記積層されたセルの積層方向の両外側に配置された一対の集電極板と、
前記集電極板の外側に配置された、一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートの外側から、前記積層されたセルを締め付けて締結させる締結部材と、
を備え、
前記セルは、積層方向に平行な断面において湾曲した形状を有し、かつ、それぞれ、
電解質膜と、
前記電解質膜の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極の両側に配置され、それぞれ、燃料ガス流路と酸化ガス流路とを構成するセパレータと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
A plurality of stacked cells;
A pair of collector plates disposed on both outer sides in the stacking direction of the stacked cells;
A pair of end plates disposed outside the collector electrode plate;
From the outside of the pair of end plates, a fastening member that fastens and tightens the stacked cells;
With
Each of the cells has a curved shape in a cross section parallel to the stacking direction, and
An electrolyte membrane;
A pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane;
The separators disposed on both sides of the pair of electrodes, respectively, constituting a fuel gas channel and an oxidizing gas channel;
A fuel cell comprising:
前記複数のセルは、前記断面において、同一の方向に、同一の曲率で湾曲していることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the plurality of cells are curved with the same curvature in the same direction in the cross section. 前記締結部材により締結される前の状態において、
前記複数のセルは、異なる曲率で形成され、かつ、
前記断面において、前記複数のセルのうち最も曲率の小さなセルを中心セルとした場合に、前記中心セルより積層方向外側に配置されるセルは、外側が窪んだ形状とされると共に、前記中心セルよりも積層方向外側になるに伴って、曲率が大きくなっていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。
In a state before being fastened by the fastening member,
The plurality of cells are formed with different curvatures; and
In the cross-section, when the cell having the smallest curvature among the plurality of cells is a central cell, the cell disposed outside the central cell in the stacking direction has a recessed shape on the outside, and the central cell 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the curvature increases with increasing outside in the stacking direction.
前記セルの曲率は、0.1〜10の範囲内であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the curvature of the cell is in a range of 0.1 to 10. 前記燃料電池の、前記セルのそれぞれにかかる圧力が、0.1MPa〜10MPaの範囲内であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a pressure applied to each of the cells of the fuel cell is in a range of 0.1 MPa to 10 MPa.
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