JP2004207074A - Fuel cell - Google Patents

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JP2004207074A JP2002375447A JP2002375447A JP2004207074A JP 2004207074 A JP2004207074 A JP 2004207074A JP 2002375447 A JP2002375447 A JP 2002375447A JP 2002375447 A JP2002375447 A JP 2002375447A JP 2004207074 A JP2004207074 A JP 2004207074A
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Takamoto Nakagawa
Tadashi Nishiyama
Taisuke Okonogi
Shigetoshi Sugita
Hiroyuki Tanaka
尊基 中川
泰介 小此木
成利 杉田
広行 田中
忠志 西山
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
本田技研工業株式会社
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    • Y02E60/50Fuel cells
    • Y02E60/52Fuel cells characterised by type or design
    • Y02E60/521Proton Exchange Membrane Fuel Cells [PEMFC]

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to maintain a required sealing function even if vibration, impact or the like is given from outside, and to aim at simplification of a structure. <P>SOLUTION: The fuel cell 10 has a first sealing member 50 integrated by turning round an outer periphery end part of a first metal separator 18 and has a second sealing member 58 integrated by turning round an outer periphery end part of a second metal separator 20. A spacer part 54 is fitted at the first sealing member 50 turning round a bent end part 52 of the first metal separator 18, and a spacer part 62 is fitted at the second sealing member 58 turning round a bent end part 60 of the second metal separator 20. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】 [0001]
【発明の属する技術分野】 BACKGROUND OF THE INVENTION
本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータにシール部材が設けられる燃料電池に関する。 The present invention includes a were provided with electrolyte between a pair of electrodes electrolyte electrode assembly, together with the metal separator is stacked, a fuel cell sealing member is provided on the metal separator.
【0002】 [0002]
【従来の技術】 BACKGROUND OF THE INVENTION
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質(電解質膜)・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。 For example, a solid polymer electrolyte fuel cell, on both sides of the electrolyte membrane is a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane), an electrolyte (electrolyte membrane) were oppositely arranged the anode and the cathode, respectively, the electrode structure and it is configured by sandwiching separators. この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定の数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 The fuel cell for generating, by stacking electrolyte electrode assembly and separators predetermined number, is used as a fuel cell stack.
【0003】 [0003]
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。 In this fuel cell, the fuel gas supplied to the anode, such as a gas chiefly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas), hydrogen is ionized on the electrode catalyst, the cathode side through the electrolyte move to the electrode side. その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。 Electrons generated in the meantime through an external circuit, is utilized as DC electric energy. なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。 Note that the cathode, the oxidant gas, for example, primarily gas or air containing oxygen to (hereinafter also referred to as the oxygen-containing gas) is supplied, in the cathode electrode, hydrogen ions, electrons and oxygen in the reaction to produce water.
【0004】 [0004]
この場合、燃料電池内では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を、それぞれ専用の流路に沿って気密(液密)に流す必要がある。 In this case, in the fuel cell, the fuel gas, oxidant gas and cooling medium, it is necessary to supply the gas-tight (liquid-tight) along a dedicated flow path, respectively. 従って、通常、電解質・電極構造体とセパレータとの間には、種々のシール部材が介装されている。 Therefore, usually, between the electrolyte electrode assembly and separators, various seal member is interposed. ところが、車載用燃料電池を構成する際には、走行時の振動や急停止時または急発進時の衝撃等によって、シール部材が大きく変形してしまうおそれがある。 However, when configuring the vehicle for a fuel cell, due to impact or the like during vibration or sudden stop or sudden acceleration during running, there is a possibility that the sealing member will be greatly deformed. このため、良好な接触面積を確保することができず、所望のシール性を維持することが困難になる場合がある。 This makes it impossible to ensure good contact area, it may become difficult to maintain the desired sealing properties.
【0005】 [0005]
さらに、金属セパレータが使用される際には、この金属セパレータの表面にガス圧力による変形、反り、うねり等が惹起し易い。 Further, when the metal separator is used, deformation on the surface of the metal separator by the gas pressure, warpage, undulation or the like is caused easily. その際、シール部材は、金属セパレータの表面変化に良好に追従することができず、所望のシール機能を維持するために必要なセパレータ表面とのシール面圧を確保することができないという問題がある。 At that time, the seal member can not be satisfactorily follow the surface variations of the metal separator, it is impossible to ensure the sealing surface pressure of the separator surface required to maintain the desired sealing function .
【0006】 [0006]
そこで、例えば、特許文献1の燃料電池では、図8に示すように、燃料電池用セル1の両側にスペーサ2を介装してパッキン3が配置されるとともに、前記セル1の片側面には、バイポーラセパレータ4が配置されている。 Therefore, for example, in the fuel cell of Patent Document 1, as shown in FIG. 8, with both sides of the fuel cell 1 by interposing the spacer 2 is the packing 3 is disposed, on one side of the cell 1 , bipolar separator 4 is disposed. セル1およびバイポーラセパレータ4が多数積層されて積層体5が構成されるとともに、前記積層体5は、エンドセパレータ6を介してフランジ7間に配置されている。 With cells 1 and the bipolar separator 4 is laminated body 5 is multiple stacked is configured, the laminate 5 is disposed between the flange 7 through an end separator 6. そして、フランジ7同士がボルト8により締め付けられることにより、積層体5に所定の締め付け力が付与されている。 By flange 7 together are tightened by bolts 8, a predetermined clamping force is applied to the laminate 5.
【0007】 [0007]
その際、スペーサ2は、セル1に最適な締め付けを行ったときのセル厚さと等しい厚さとし、締め付け力によっても変化しない厚さを持ったもので作られている。 At that time, the spacer 2 is made of a one having the cell thickness and the same thickness when performing the optimum clamping in the cell 1 Satoshi, a thickness that does not vary with clamping force. これにより、セル1がスペーサ2により保護され、積層体5等を強い力で締め付けても集電部において締め付けすぎることがなく、前記セル1を損傷させることがない、としている。 Thus, the cell 1 is protected by the spacer 2, without too tightening the current collecting part be tightened with a strong force the laminate 5 and the like, the cell 1 is not damaging the, and the.
【0008】 [0008]
【特許文献1】 [Patent Document 1]
特開平6−267567号公報(段落[0010]、[0011]、図3) JP-6-267567 discloses (paragraph [0010], [0011], FIG. 3)
【0009】 [0009]
【発明が解決しようとする課題】 [Problems that the Invention is to Solve
しかしながら、上記の特許文献1では、セル1の両側に板状のスペーサ2が配置されているだけである。 However, it is only in Patent Document 1 above, on both sides of the cell 1 is plate-like spacer 2 is disposed. このため、燃料電池スタックに対して、例えば、斜め方向から衝撃力等が付与された際に、所望のシール機能を維持することができないという問題がある。 Therefore, the fuel cell stack, for example, when an impact force or the like is applied from an oblique direction, it is impossible to maintain the desired sealing function. しかも、バイポーラセパレータ4を金属セパレータで構成する際には、このバイポーラセパレータ4の変形をスペーサ2により確実に吸収することができず、シール性が低下するというおそれがある。 Moreover, when configuring a bipolar separator 4 with a metal separator can not be reliably absorb the deformation of the bipolar separator 4 by the spacer 2, the sealing property is likely decreased.
【0010】 [0010]
本発明はこの種の問題を解決するものであり、外部から振動や衝撃等が付与されても、所望のシール機能を確保することができ、しかも構成の簡素化を図ることが可能な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 this kind of problem, be vibration or shock or the like is externally applied, the desired sealing function can be ensured, yet simplified it can be achieved fuel cell arrangement an object of the present invention is to provide a.
【0011】 [0011]
【課題を解決するための手段】 In order to solve the problems]
本発明の請求項1に係る燃料電池では、電解質・電極構造体と、金属セパレータとが交互に積層されるとともに、前記金属セパレータにシール部材が設けられている。 In the fuel cell according to claim 1 of the present invention, the electrolyte electrode assembly, together with the metal separator are alternately stacked, the sealing member is provided on the metal separator. そして、この金属セパレータには、少なくともシール部材または前記金属セパレータの変形量を規制するために、該金属セパレータを挟んでその外周端部を周回してスペーサ部材が設けられている。 Then, this metallic separator, in order to regulate the amount of deformation of at least the sealing member or the metal separator, spacer member is provided orbiting the outer peripheral end portion across the metal separator.
【0012】 [0012]
このため、金属セパレータに、例えば、燃料電池内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねり等が発生した際、各金属セパレータに設けられているスペーサ部材同士が接触する。 Therefore, the metal separator, for example, deformation due to the gas pressure in the fuel cell, the surface of the warp, when the undulation or the like occurs, the spacer members contact each other are provided on each metal separator. 従って、金属セパレータやシール部材に過剰な変形が発生することを阻止することができ、良好なシール性を発揮することが可能になる。 Therefore, it is possible to prevent the excessive deformation is generated in the metal separator and the seal member, it is possible to exhibit good sealing properties. しかも、金属セパレータの外周端部の絶縁を行うことにより、前記金属セパレータ同士の電気的接触を良好に阻止することができる。 Moreover, by performing the insulation of the outer peripheral end portion of the metal separator, it is possible to suitably prevent electrical contact of the metal separator to each other.
【0013】 [0013]
さらに、燃料電池を車載用として使用する際に、スペーサ部材同士が接触することにより、振動や衝撃に対してシール部材と金属セパレータとの間に発生する摩擦力が増加し、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることが可能になる。 Furthermore, when using fuel cells for automotive, by spacer members contact each other, the frictional force generated between the seal member and the metal separator is increased with respect to vibration and impact, vibration resistance and resistance to it is possible to improve the impact resistance. しかも、車載時の衝撃に対して、スペーサ部材が荷重を良好に受けることができ、電解質・電極構造体の面圧上昇を防止することが可能になる。 Moreover, with respect to the impact of the vehicle at the time, the spacer member can receive good load, it is possible to prevent the surface pressure increase of the electrolyte electrode assembly.
【0014】 [0014]
また、本発明の請求項2に係る燃料電池では、スペーサ部材は、シール部材に一体成形されるとともに、前記スペーサ部材と前記シール部材とは、金属セパレータに一体化されている。 Further, in the fuel cell according to claim 2 of the present invention, the spacer member, while being integrally molded on the sealing member, and said spacer member and said sealing member is integrated with the metal separator. これにより、簡単な構成で、所望のシール機能を確実に保持することができる。 Thus, with a simple configuration, it is possible to reliably retain the desired sealing function.
【0015】 [0015]
さらにまた、本発明の請求項3に係る燃料電池では、金属セパレータの外周端部に屈曲端部が設けられるため、前記金属セパレータの外周端部を補強して剛性の向上を図ることが可能になる。 Furthermore, in the fuel cell according to claim 3 of the present invention, since the bent end portion is provided on the outer edge of the metal separator, to be capable to reinforce the outer peripheral edge portion of the metal separator to improve the rigidity Become.
【0016】 [0016]
さらに、本発明の請求項4に係る燃料電池では、金属セパレータは、第1および第2金属セパレータを備え、前記第1および第2金属セパレータに設けられる各スペーサ部材は、互いに隣接して交互に配設される。 Further, in the fuel cell according to claim 4 of the present invention, the metal separator comprises a first and second metal separators, each spacer member provided on said first and second metal separators are alternately adjacent to each other It is disposed. 従って、簡単な構成で、第1および第2金属セパレータ同士が電気的に接触することを有効に阻止することができる。 Thus, with a simple configuration, the first and second metal separators each other to effectively prevent the electrical contact.
【0017】 [0017]
【発明の実施の形態】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池10の要部分解斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池10を積層する燃料電池スタック12の要部断面説明図である。 Figure 1 is an exploded perspective view showing main components of a fuel cell 10 according to the embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-section view of the fuel cell stack 12 to stack the fuel cell 10.
【0018】 [0018]
図2に示すように、燃料電池スタック12は、複数の燃料電池10を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート14a、14bが配置される。 As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 12, with stacking a plurality of fuel cells 10 in the arrow A direction, the end plates 14a at opposite ends in the stacking direction, 14b are arranged. エンドプレート14a、14bは、図示しないタイロッドを介して固定されることにより、積層されている燃料電池10には、矢印A方向に所定の締め付け荷重が付与される。 End plates 14a, 14b, by being secured through tie rods (not shown), the fuel cell 10 are stacked, the predetermined tightening load is applied in the arrow A direction.
【0019】 [0019]
図1に示すように、燃料電池10は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)16が、第1および第2金属セパレータ18、20に挟持されて構成される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly (electrolyte electrode assembly) 16 is constructed by being nipped in the first and second metal separators 18, 20. 第1および第2金属セパレータ18、20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されており、厚さが、例えば、0.05mm〜1.0mmの範囲内に設定されている。 First and second metal separators 18, 20, for example, steel, stainless steel, aluminum plate, is constituted by a plated steel sheets, or metal plates subjected to surface treatment for corrosion prevention on the metal surface, the thickness , for example, it is set in the range of 0.05Mm~1.0Mm.
【0020】 [0020]
燃料電池10の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。 (In FIG. 1, horizontal direction) arrow B direction of the fuel cell 10 At one end of, communicate with each other in the arrow A direction is the stacking direction, oxidizing gas, for example, oxidation to supply oxygen-containing gas containing gas supply passage 30a, the coolant discharge passage 32b for discharging the coolant, and a fuel gas, for example, a fuel gas discharge passage 34b for discharging a hydrogen-containing gas, the arrow C direction (vertical direction) It is provided and arranged to.
【0021】 [0021]
燃料電池10の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。 At the other edge of the arrow B direction of the fuel cell 10, communicate with each other in the direction of arrow A, the fuel gas supply passage 34a for supplying the fuel gas, coolant supply passage for supplying the cooling medium 32a, and the oxygen-containing gas discharge passage 30b for discharging the oxygen-containing gas is provided and arranged in the direction of arrow C.
【0022】 [0022]
電解質膜・電極構造体16は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜36と、前記固体高分子電解質膜36を挟持するアノード側電極38およびカソード側電極40とを備える。 Membrane electrode assembly 16 is, for example, a solid polymer electrolyte membrane 36 where water a thin membrane of perfluorosulfonic acid is formed by impregnating the anode 38 and the cathode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 36 and a 40. アノード側電極38は、カソード側電極40よりも大きな表面積を有している。 Anode 38 has a larger surface area than the cathode 40.
【0023】 [0023]
アノード側電極38およびカソード側電極40は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とを有する。 Anode 38 and cathode 40 includes carbon or the like and the gas diffusion layer made of paper, the surface electrode catalyst comprising been uniformly applied to the porous carbon particles of platinum alloy supported on the surface of the gas diffusion layer and a layer. 電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜36を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜36の両面に接合されている。 Electrode catalyst layer, so as to face each other with interposed a solid polymer electrolyte membrane 36 to each other, are joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36.
【0024】 [0024]
第1金属セパレータ18の電解質膜・電極構造体16側の面18aには、例えば、矢印B方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路(反応ガス流路)42が設けられる。 The membrane electrode assembly 16 side surface 18a of the first metal separator 18, for example, straight of the oxidizing gas channel extending in the direction of arrow B (reaction gas passages) 42 are provided. 図1および図2に示すように、第2金属セパレータ20の電解質膜・電極構造体16側の面20aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通し、矢印B方向に延在する直線状の燃料ガス流路(反応ガス流路)44が形成される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the membrane electrode assembly 16 side surface 20a of the second metal separator 20, communicating with the fuel gas supply passage 34a and the fuel gas discharge passage 34b, an arrow B linear fuel gas flow path extending in a direction (reaction gas passages) 44 are formed.
【0025】 [0025]
第1金属セパレータ18の面18bと第2金属セパレータ20の面20bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路46が形成される。 Between the surface 20b of the surface 18b and the second metal separator 20 of the first metal separator 18, the cooling medium passage 46 which communicates with the cooling medium passage 32a and the coolant discharge passage 32b is formed. この冷却媒体流路46は、矢印B方向に直線状に延在する。 The coolant flow field 46 extends linearly in the arrow B direction.
【0026】 [0026]
第1金属セパレータ18の面18a、18bには、この第1金属セパレータ18の外周端部を周回して、第1シール部材50が一体化される。 Surface 18a of the first metal separator 18, the 18b, and around the outer edge of the first metal separator 18, the first seal member 50 are integrated. 第1シール部材50は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、またはアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。 The first seal member 50, for example, using EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone silicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloro plane or sealing material such as an acrylic rubber, a cushion material, or packing material to.
【0027】 [0027]
図1乃至図3に示すように、第1金属セパレータ18の外周端部には、電解質膜・電極構造体16側に向かって屈曲する屈曲端部52が形成される。 As shown in FIGS. 1 to 3, the outer peripheral end portion of the first metal separator 18, the bent end portion 52 which is bent toward the membrane electrode assembly 16 side is formed. この屈曲端部52を囲繞して、第1シール部材50を構成するスペーサ部(スペーサ部材)54が一体化される。 The bent end portion 52 to surround the spacer portions constituting the first sealing member 50 (spacer member) 54 are integrated. このスペーサ部54は、所定の幅寸法H1に設定されている。 The spacer portion 54 is set to a predetermined width H1.
【0028】 [0028]
第1金属セパレータ18の面18aには、スペーサ部54に近接して第1突部56aが設けられ、この第1突部56aから内方に所定の距離だけ離間して第2突部56bが設けられる。 On the surface 18a of the first metal separator 18, the first protrusion 56a is provided adjacent to the spacer portion 54, the second projections 56b spaced apart by a predetermined distance from the first projection 56a inwardly It is provided. 図4に示すように、第1および第2突部56a、56bは、酸化剤ガス流路42を囲繞するとともに、前記酸化剤ガス流路42と酸化剤ガス入口連通孔30aおよび酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通して形成される。 As shown in FIG. 4, the first and second projections 56a, 56b is adapted to surround the oxidant gas flow passage 42, and the oxidant gas flow path 42 the oxygen-containing gas supply passage 30a and the oxygen-containing gas outlet It is formed to communicate the communication hole 30b.
【0029】 [0029]
第1および第2突部56a、56bは、先端先細り形状(リップ形状)、台形状または蒲鉾形状等、種々の形状に選択可能である。 The first and second projections 56a, 56b, the tip tapered (lip-shaped), trapezoidal or semi-cylindrical shape or the like, can be selected in a variety of shapes. この第2突部56bは、電解質膜・電極構造体16を構成する固体高分子電解質膜36に直接接触する。 The second protrusion 56b is in direct contact with the solid polymer electrolyte membrane 36 of the membrane electrode assembly 16.
【0030】 [0030]
第1金属セパレータ18の面18bには、スペーサ部54に近接して第3突部56cが設けられ、この第3突部56cから内方に所定の距離だけ離間して第4突部56dが設けられる。 The surface 18b of the first metal separator 18, the third protrusion 56c is provided near the spacer section 54, a fourth projection 56d spaced apart by a predetermined distance inwardly from the third protrusion 56c is It is provided. 第3および第4突部56c、56dは、上記の第1および第2突部56a、56bと同様の形状を有している。 Third and fourth projections 56c, 56d have the same shape as the first and second projections 56a, 56b described above.
【0031】 [0031]
第2金属セパレータ20の面20a、20bには、この第2金属セパレータ20の外周端部を周回して第2シール部材58が一体化される。 Surface 20a of the second metal separator 20, the 20b, the second seal member 58 and around the outer end of the second metal separator 20 are integrated. この第2シール部材58は、上記の第1シール部材50と同一の材料で構成される。 The second seal member 58 is composed of the same material as the first sealing member 50 above. 第2金属セパレータ20の外周端部には、第1金属セパレータ18の屈曲端部52と同一方向に屈曲する屈曲端部60が形成され、この屈曲端部60を囲繞して第2シール部材58を構成するスペーサ部(スペーサ部材)62が一体化される。 The outer peripheral end portion of the second metal separator 20, the bent end portion 60 which is bent in the same direction as the bent end portion 52 of the first metal separator 18 is formed, the second seal member 58 surrounds the bent end portion 60 spacer unit (spacer member) 62 constituting a are integrated. このスペーサ部62は、所定の幅寸法H2に設定されており、燃料電池スタック12が構成される際に、スペーサ部54、62の間に隙間H3が形成される。 The spacer portion 62 is set to a predetermined width H2, when the fuel cell stack 12 is constituted, the clearance and H3 are formed between the spacer portions 54 and 62.
【0032】 [0032]
第2金属セパレータ20の面20aには、第1シール部材50の第1突部56aが密着する第1平面部64が一体化される。 The surface 20a of the second metal separator 20, the first flat portion 64 of the first protrusion 56a of the first seal member 50 comes into close contact are integrated. 第2金属セパレータ20の面20bには、第1平面部64よりも長尺で、第1シール部材50の第3および第4突部56c、56dが密着する第2平面部66が一体化される。 The surface 20b of the second metal separator 20, a long than the first planar portion 64, the third and fourth protrusions 56c of the first seal member 50, the second plane portion 66 56d is in close contact are integrated that.
【0033】 [0033]
図2に示すように、第1平面部64は、電解質膜・電極構造体16の外周端部から外部に離間した位置を周回する一方、第2平面部66は、アノード側電極38に所定の範囲にわたって重合する位置を周回する。 As shown in FIG. 2, the first flat portion 64, while orbiting the position spaced outward from the outer edge of the membrane electrode assembly 16, second flat section 66, predetermined to anode 38 orbiting position to polymerize over a range. 図5に示すように、第1平面部64は、燃料ガス入口連通孔34aおよび燃料ガス出口連通孔34bを燃料ガス流路44に連通して形成される一方、第2平面部66は、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとを連通して形成される。 As shown in FIG. 5, the first planar portion 64, while the fuel gas supply passage 34a and the fuel gas discharge passage 34b is formed to communicate with the fuel gas flow path 44, second flat section 66, cooling is formed to communicate the with the medium passage 32a coolant discharge passage 32b.
【0034】 [0034]
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。 Operation of the fuel cell 10 will be described below.
【0035】 [0035]
まず、図1に示すように、燃料ガス入口連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。 First, as shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas supply passage 34a, the oxygen-containing gas such as oxygen-containing gas is supplied to the oxygen-containing gas supply passage 30a. さらに、冷却媒体入口連通孔32aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。 Further, pure water or ethylene glycol coolant supply passages 32a, the cooling medium such as oil is supplied.
【0036】 [0036]
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第1金属セパレータ18の酸化剤ガス流路42に導入され、矢印B方向に移動しながら電解質膜・電極構造体16を構成するカソード側電極40に供給される。 Thus, the oxygen-containing gas is introduced from the oxygen-containing gas supply passage 30a to the oxygen-containing gas flow field 42 of the first metal separator 18, the cathode of the membrane electrode assembly 16 while moving in the direction of arrow B It is supplied to the side electrode 40. 一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから第2金属セパレータ20の燃料ガス流路44に導入され、矢印B方向に移動しながら電解質膜・電極構造体16を構成するアノード側電極38に供給される。 On the other hand, the fuel gas is introduced from the fuel gas supply passage 34a to the fuel gas flow path 44 of the second metal separator 20, the anode 38 of the membrane electrode assembly 16 while moving in the direction of arrow B It is supplied.
【0037】 [0037]
従って、各電解質膜・電極構造体16では、カソード側電極40に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極38に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。 Therefore, in each of the membrane electrode assembly 16, the oxygen-containing gas supplied to the cathode 40, and the fuel gas supplied to the anode 38 are consumed in the electrochemical reactions at catalyst layers of the power generation is performed.
【0038】 [0038]
次いで、アノード側電極38に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。 Then, the fuel gas consumed is supplied to the anode 38 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas discharge passage 34b. 同様に、カソード側電極40に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。 Similarly, the cathode-side electrode 40 is supplied and consumed in the oxidant gas is discharged in the direction of arrow A along the oxygen-containing gas discharge passage 30b.
【0039】 [0039]
また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1および第2金属セパレータ18、20間の冷却媒体流路46に導入された後、矢印B方向に流通する。 The cooling medium supplied to the cooling medium passage 32a, after being introduced into the coolant flow field 46 between the first and second metal separators 18, 20, it flows in the arrow B direction. この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体16を冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。 After the coolant has a membrane electrode assembly 16 is cooled, and is discharged from the coolant discharge passage 32b.
【0040】 [0040]
この場合、本実施形態では、第1金属セパレータ18の外周端部を周回してスペーサ部54が設けられるとともに、第2金属セパレータ20の外周端部を周回してスペーサ部62が設けられている。 In this case, in the present embodiment, the spacer section 54 and around the outer edge of the first metal separator 18 is provided, the spacer portion 62 is provided around the outer end portion of the second metal separator 20 . スペーサ部54、62は、燃料電池スタック12が所定の締め付け荷重を付与された状態で、互いに隙間H3を有して離間している(図2参照)。 The spacer portion 54 and 62, in a state where the fuel cell stack 12 is imparted a predetermined tightening load, are spaced by a gap H3 from each other (see FIG. 2).
【0041】 [0041]
そこで、第1および第2金属セパレータ18、20に、例えば、各燃料電池10の内部のガス圧力による変形、反りまたはうねり等が発生した場合、各スペーサ部54、62同士が接触する。 Therefore, the first and second metal separators 18 and 20, for example, deformation due to the internal gas pressure in each fuel cell 10, if the warping or undulation or the like occurs, the spacer portions 54 and 62 come into contact with each other. 従って、第1および第2金属セパレータ18、20や第1および第2シール部材50、58に過剰な変形が発生することを阻止することができ、良好なシール性を発揮することが可能になるという効果が得られる。 Therefore, it is possible to excessive deformation in the first and second metal separators 18, 20 and first and second seal members 50, 58 it is possible to prevent the occurrence, exhibit good sealability the effect is obtained that.
【0042】 [0042]
図6には、スペーサ部54、62を用いた本実施形態(実線参照)と、このスペーサ部54、62を用いない従来構造(点線参照)とにおいて、ガス圧力とリーク量との関係を検出した結果が示されている。 6, the present embodiment using the spacer portions 54 and 62 (see the solid line), in the conventional structure without using the spacer portions 54 and 62 (see dotted line), detecting the relationship between the gas pressure and the amount of leakage the results are shown.
【0043】 [0043]
これにより、スペーサ部54、62を用いない従来構造では、燃料電池10内のガス圧力が増大することによって、第1および第2金属セパレータ18、20やシール部分に変形が生じ、シール性が著しく低下した。 Thus, in the conventional structure using no spacer portion 54 and 62, by the gas pressure in the fuel cell 10 is increased, deformation occurs in the first and second metal separators 18, 20 and the seal portion is significantly sealability reduced. これに対し、本実施形態では、スペーサ部54、62同士が互いに接触することにより、リーク量が有効に低減されて所望のシール機能を有することができた。 In contrast, in the present embodiment, by the spacer portion 54, 62 with each other are in contact with each other, it was possible to have a desired sealing function leakage amount is effectively reduced.
【0044】 [0044]
さらに、燃料電池スタック12に対し積層方向に衝撃が発生する際には、スペーサ部54、62同士が互いに接触して荷重を受けることが可能になる。 Further, when the relative fuel cell stack 12 impact occurs in the stacking direction, it is possible to receive the load in contact spacer portions 54 and 62 to each other mutually. すなわち、図7に示すように、スタック締め付け荷重が増加する際、電解質膜・電極構造体(MEA)16の分担荷重およびシール分担荷重が一定の関係を有して増加する。 That is, as shown in FIG. 7, when the stack tightening load is increased, shared load and seal shared load of the membrane electrode assembly (MEA) 16 is increased with a certain relationship.
【0045】 [0045]
そこで、燃料電池スタック12に衝撃が発生すると、スペーサ部54、62同士が接触して前記スペーサ部54、62の分担荷重が増加するため、電解質膜・電極構造体16の分担荷重(面圧)が有効に減少する。 Therefore, when the fuel cell stack 12 impact occurs, the shared load of the spacer portion 54 and 62 in contact with each other spacer section 54, 62 is increased, shared load of the membrane electrode assembly 16 (surface pressure) It is reduced effectively. 従って、車載時の衝撃等に対して電解質膜・電極構造体16の面圧が上昇することを防止し、前記電解質膜・電極構造体16の破損を有効に低減し得るという利点がある。 Therefore, the surface pressure of the membrane electrode assembly 16 is prevented from rising relative to the impact or the like vehicle during an advantage of being able to effectively reduce the damage of the membrane electrode assembly 16.
【0046】 [0046]
さらにまた、本実施形態では、第1金属セパレータ18の外周端部を周回して一体化される第1シール部材50に、スペーサ部54が一体的に設けられる一方、第2金属セパレータ20の外周端部を周回して一体化される第2シール部材58にスペーサ部62が一体的に設けられている。 Furthermore, in the present embodiment, the first seal member 50 which is integrated with around the outer edge of the first metal separator 18, while the spacer 54 is provided integrally, the outer periphery of the second metal separator 20 spacer section 62 to the second seal member 58 which is integrally orbiting the end is integrally provided. これにより、第1および第2シール部材50、58の構成が簡素化するとともに、所望のシール機能を確実に保持することができる。 Thus, the configuration of the first and second seal members 50, 58 is simplified, it is possible to reliably retain the desired sealing function.
【0047】 [0047]
しかも、図2に示すように、第1シール部材50は、第1金属セパレータ18の面18a側に突出する第1および第2突部56a、56bを設けるとともに、第1金属セパレータ18の面18b側に突出する第3および第4突部56c、56dを有している。 Moreover, as shown in FIG. 2, the first seal member 50, the first and second projections 56a projecting surface 18a side of the first metal separator 18, provided with a 56b, surface 18b of the first metal separator 18 the third and fourth protrusions 56c protruding to the side, and a 56d. その際、第1突部56aは、第2シール部材58の第1平面部64に密着し、第2突部56bは、電解質膜・電極構造体16の固体高分子電解質膜36に密着する一方、第3および第4突部56c、56dは、第2シール部材58の第2平面部66に密着している。 At that time, the first projection 56a is in close contact with the first flat portion 64 of the second seal member 58, the second projection 56b, while in close contact with the solid polymer electrolyte membrane 36 of the membrane electrode assembly 16 , third and fourth protrusions 56c, 56d is in close contact with the second flat section 66 of the second sealing member 58.
【0048】 [0048]
従って、第1および第2シール部材50、58は、スペーサ部54、62同士が密着する部分と、第1および第3突部56a、56cが配列される部分と、第2および第4突部56b、56dが配列される部分との3箇所で、荷重を受けることができる。 Therefore, the first and second seal members 50, 58 includes a portion spacer portions 54, 62 with each other are in close contact, a portion where the first and third projections 56a, 56c are arranged, the second and fourth projections 56b, at three points of the portions 56d are arranged, it is possible to receive the load. このため、特に車載時に、燃料電池スタック12に急発進時や急停車時に衝撃が付与されても、荷重を確実に支持してシール機能の低下を可及的に阻止することが可能になる。 Therefore, particularly when the vehicle, even if an impact is applied during rapid starting or sudden stop in the fuel cell stack 12, it is possible to reliably support the load to prevent the deterioration of the sealing function as much as possible.
【0049】 [0049]
しかも、第1および第2金属セパレータ18、20の外周端部には、屈曲端部52、60に設けられている。 Moreover, the outer peripheral end portion of the first and second metal separators 18, 20 are provided on the bent end portion 52, 60. これにより、第1および第2金属セパレータ18、20の外周端部が補強されて剛性が向上し、例えば、燃料電池スタック12に対し積層方向に傾斜する外部荷重が作用しても、この外部荷重を確実に支持することができ、所望のシール機能を保持することが可能になる。 Thus, the outer peripheral edge portion is reinforced to improve the rigidity of the first and second metal separators 18 and 20, for example, it is an external load to tilt in the stacking direction with respect to the fuel cell stack 12 acts, this external loading the can be reliably supported, it is possible to maintain the desired sealing function.
【0050】 [0050]
さらに、第1および第2金属セパレータ18、20の外周端部にスペーサ部54、62が設けられている。 Furthermore, the spacer portion 54, 62 is provided on the outer peripheral edge portion of the first and second metal separators 18, 20. 従って、第1および第2金属セパレータ18、20の外周端部の絶縁を行うことにより、前記第1および第2金属セパレータ18、20同士の電気的接触を良好に阻止することができる。 Therefore, by performing the insulation of the outer peripheral edge portion of the first and second metal separators 18 and 20, it is possible to satisfactorily prevent electrical contact between the first and second metal separators 18, 20.
【0051】 [0051]
なお、本実施形態では、第1金属セパレータ18の外周端部を周回して両面18a、18bにスペーサ部54を一体化するとともに、第2金属セパレータ20の外周端部を周回して両面20a、20bにスペーサ部62を一体化しているが、これに限定されるものではない。 In the present embodiment, both surfaces 18a and around the outer edge of the first metal separator 18, together with the integrated spacer 54 in 18b, both sides and around the outer edge of the second metal separator 20 20a, It is integrated spacer 62 in 20b, but not limited thereto. 例えば、第1金属セパレータ18の面18aにのみスペーサ部54を設ける一方、第2金属セパレータ20の面20bにのみスペーサ部62を設けてもよい。 For example, while providing the spacers 54 only on the surface 18a of the first metal separator 18, the spacer 62 may be provided only on the surface 20b of the second metal separator 20. また、スペーサ部54、62を第1および第2シール部材50、58とは別体に構成し、前記スペーサ部54、62をそれぞれの屈曲端部52、60に、直接、接着等により取り付けることもできる。 Moreover, the spacer portion 54 and 62 and the first and second seal members 50, 58 formed separately, the spacer portions 54 and 62 to the respective bent end portions 52 and 60, directly be attached by bonding or the like It can also be.
【0052】 [0052]
【発明の効果】 【Effect of the invention】
本発明に係る燃料電池では、金属セパレータに、例えば、燃料電池内部のガス圧力による変形、表面の反り、うねり等が発生した際に、各金属セパレータに設けられているスペーサ部材同士が接触する。 In the fuel cell according to the present invention, a metal separator, for example, deformation due to the gas pressure in the fuel cell, the surface of the warp, when the undulation or the like occurs, the spacer members contact each other are provided on each metal separator. 従って、金属セパレータに過剰な変形が発生することを阻止することができ、良好なシール性を発揮することが可能になる。 Therefore, it is possible to prevent the excessive deformation is generated in the metal separator, it is possible to exhibit good sealing properties.
【0053】 [0053]
さらに、燃料電池を車載用として使用する際に、外部からの振動や衝撃等に対して摩擦力が増加し、耐振動性および耐衝撃性の向上を図ることができる。 Furthermore, when using fuel cells for automotive can frictional force increases relative to the vibration or external impact or the like, to improve the vibration resistance and impact resistance. しかも、車載時の振動や衝撃等に対して、スペーサ部材が荷重を良好に受けることが可能になり、電解質・電極構造体の面圧が上昇することを防止することができる。 Moreover, to the in-vehicle when vibration or shock or the like, the spacer member becomes possible to receive a good load, can be surface pressure of the electrolyte electrode assembly is prevented from increasing.
【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 1 is an exploded perspective view showing main components of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
【図2】前記燃料電池を積層する燃料電池スタックの要部断面説明図である。 2 is a cross sectional view showing main components of a fuel cell stack for stacking the fuel cells.
【図3】前記燃料電池の一部断面斜視説明図である。 3 is a partially sectional perspective view showing the fuel cell.
【図4】前記燃料電池を構成する第1金属セパレータの正面説明図である。 4 is a front view showing a first metal separator of the fuel cell.
【図5】前記燃料電池を構成する第2金属セパレータの正面説明図である。 5 is a front view showing a second metal separator of the fuel cell.
【図6】スペーサ部の有無によるガス圧力とリーク量との関係説明図である。 6 is a relationship diagram between the gas pressure and leakage amount due to the presence or absence of the spacer portion.
【図7】スタック締め付け荷重と分担荷重との説明図である。 FIG. 7 is an explanatory diagram of a shared load a stack tightening load.
【図8】従来技術に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 8 is an exploded perspective view showing a fuel cell according to the prior art.
【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS
10…燃料電池 12…燃料電池スタック16…電解質膜・電極構造体 18、20…金属セパレータ30a…酸化剤ガス入口連通孔 30b…酸化剤ガス出口連通孔32a…冷却媒体入口連通孔 32b…冷却媒体出口連通孔34a…燃料ガス入口連通孔 34b…燃料ガス出口連通孔36…固体高分子電解質膜 38…アノード側電極40…カソード側電極 42…酸化剤ガス流路44…燃料ガス流路 50、58…シール部材52、60…屈曲端部 54、62…スペーサ部56a〜56d…突部 64、66…平面部 10: fuel cell 12: fuel cell stack 16 ... membrane electrode assembly 18, 20 ... metal separator 30a ... oxidant gas supply passage 30b ... oxidant gas discharge passage 32a ... coolant supply passage 32 b ... cooling medium outlet communication hole 34a: fuel gas supply passage 34b ... fuel gas discharge passage 36 ... solid polymer electrolyte membrane 38 ... anode 40 ... cathode electrode 42 ... oxidizing gas channel 44 ... fuel gas flow path 50, 58 ... sealing member 52, 60 ... bent end portions 54, 62 ... spacer portion 56a to 56d ... protrusions 64, 66 ... flat portion

Claims (4)

  1. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、金属セパレータとが交互に積層されるとともに、前記金属セパレータにシール部材が設けられる燃料電池であって、 And were provided with electrolyte between a pair of electrodes electrolyte electrode assembly, together with the metal separator are alternately stacked, a fuel cell sealing member is provided on the metal separator,
    前記金属セパレータには、少なくとも前記シール部材または該金属セパレータの変形量を規制するために、該金属セパレータを挟んでその外周端部を周回してスペーサ部材が設けられることを特徴とする燃料電池。 Wherein the metal separator, in order to regulate at least the amount of deformation of the sealing member or the metal separator, a fuel cell, wherein a spacer member is provided orbiting the outer peripheral end portion across the metal separator.
  2. 請求項1記載の燃料電池において、前記スペーサ部材は、前記シール部材に一体成形されるとともに、該スペーサ部材と該シール部材とは、前記金属セパレータに一体化されることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell according to claim 1, wherein said spacer member, while being integrally molded on the sealing member, and said spacer member and said sealing member, a fuel cell characterized in that it is integrated with the metal separator.
  3. 請求項1または2記載の燃料電池において、前記金属セパレータの外周端部には、屈曲端部が設けられることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the outer peripheral end portion of the metal separator, a fuel cell, wherein the bent end portion is provided.
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池において、前記金属セパレータは、第1および第2金属セパレータを備え、前記第1および第2金属セパレータに設けられる各スペーサ部材は、互いに隣接して交互に配設されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal separator comprises a first and second metal separators, each spacer member provided on said first and second metal separators adjacent to each other fuel cell characterized in that it is arranged alternately with.
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