JP2004207074A - Fuel cell - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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】
【発明の属する技術分野】
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。
【0002】
【従来の技術】
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。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。
【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。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。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。
【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。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。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。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。
【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。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。
【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。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。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。
【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。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。
【0008】
【特許文献1】
特開平6−267567号公報(段落[0010]、[0011]、図3)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
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。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。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。
【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。
【0011】
【課題を解決するための手段】
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。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。
【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。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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。
【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。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。
【0017】
【発明の実施の形態】
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。
【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。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。
【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。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。
【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。
【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。
【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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。この冷却媒体流路46は、矢印B方向に直線状に延在する。
【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。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。
【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。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。このスペーサ部54は、所定の幅寸法H1に設定されている。
【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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。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。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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。
【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。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。
【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。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。
【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。
【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。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。
【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。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。
【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。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)。
【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。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。
【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。
【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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。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。
【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。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。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。
【0052】
【発明の効果】
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。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。
【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。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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【図3】前記燃料電池の一部断面斜視説明図である。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図8】従来技術に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【符号の説明】
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
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is disposed between a pair of electrodes and a metal separator are laminated, and a seal member is provided on the metal separator.
[0002]
[Prior art]
For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte (electrolyte membrane) / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). Is sandwiched between separators. This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte / electrode structures and separators.
[0003]
In this fuel cell, a fuel gas supplied to the anode electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas) is obtained by ionizing hydrogen on the electrode catalyst and passing through the electrolyte to the cathode side. Move to the electrode side. The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode side electrode, hydrogen ions, electrons, And oxygen react to produce water.
[0004]
In this case, in the fuel cell, the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling medium need to flow in a gas-tight (liquid-tight) manner along dedicated channels. Therefore, usually, various seal members are interposed between the electrolyte / electrode structure and the separator. However, when configuring a fuel cell for a vehicle, there is a possibility that the seal member may be significantly deformed due to vibration during traveling, impact at the time of sudden stop or sudden start, and the like. For this reason, a good contact area cannot be secured, and it may be difficult to maintain desired sealing properties.
[0005]
Further, when a metal separator is used, the surface of the metal separator is liable to be deformed, warped, undulated, etc. due to gas pressure. At that time, the sealing member cannot satisfactorily follow the surface change of the metal separator, and there is a problem that the sealing surface pressure with the separator surface required for maintaining a desired sealing function cannot be secured. .
[0006]
Therefore, for example, in the fuel cell of Patent Document 1, as shown in FIG. 8, packings 3 are disposed on both sides of a fuel cell 1 with spacers 2 interposed therebetween, and one side of the cell 1 , A bipolar separator 4 is disposed. A plurality of cells 1 and bipolar separators 4 are stacked to form a stacked body 5, and the stacked body 5 is disposed between flanges 7 via an end separator 6. The flanges 7 are tightened by the bolts 8 to apply a predetermined tightening force to the laminate 5.
[0007]
At this time, the spacer 2 has a thickness which is equal to the cell thickness when the cell 1 is optimally tightened, and has a thickness which does not change even with the tightening force. Thereby, the cell 1 is protected by the spacer 2, and even if the laminate 5 or the like is fastened with a strong force, the current collector does not overtighten, and the cell 1 is not damaged.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-6-267567 (paragraphs [0010] and [0011], FIG. 3)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1 described above, only the plate-like spacers 2 are arranged on both sides of the cell 1. For this reason, when an impact force or the like is applied to the fuel cell stack from an oblique direction, for example, there is a problem that a desired sealing function cannot be maintained. In addition, when the bipolar separator 4 is made of a metal separator, the deformation of the bipolar separator 4 cannot be reliably absorbed by the spacer 2, and the sealing performance may be reduced.
[0010]
The present invention solves this kind of problem, and can secure a desired sealing function even when vibration or impact is applied from the outside, and can further simplify the configuration. The purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the electrolyte / electrode structure and the metal separator are alternately stacked, and the metal separator is provided with a seal member. In order to regulate at least the amount of deformation of the seal member or the metal separator, the metal separator is provided with a spacer member which is formed around the metal separator and around the outer peripheral end thereof.
[0012]
Therefore, when, for example, deformation, surface warpage, undulation, or the like occurs due to gas pressure inside the fuel cell, the spacer members provided on each metal separator come into contact with each other. Therefore, it is possible to prevent the metal separator and the seal member from being excessively deformed, and it is possible to exhibit good sealing properties. In addition, by insulating the outer peripheral edge of the metal separator, electrical contact between the metal separators can be satisfactorily prevented.
[0013]
Furthermore, when the fuel cell is used in a vehicle, the spacer members come into contact with each other, so that the frictional force generated between the sealing member and the metal separator due to vibration or impact increases, and the vibration resistance and the resistance to vibration increase. It is possible to improve the impact properties. In addition, the spacer member can receive the load satisfactorily in response to an impact when mounted on a vehicle, and it is possible to prevent the surface pressure of the electrolyte / electrode structure from increasing.
[0014]
In the fuel cell according to claim 2 of the present invention, the spacer member is integrally formed with the seal member, and the spacer member and the seal member are integrated with the metal separator. Thus, a desired sealing function can be reliably maintained with a simple configuration.
[0015]
Furthermore, in the fuel cell according to claim 3 of the present invention, since the bent end is provided at the outer peripheral end of the metal separator, it is possible to enhance the rigidity by reinforcing the outer peripheral end of the metal separator. Become.
[0016]
Furthermore, in the fuel cell according to claim 4 of the present invention, the metal separator includes first and second metal separators, and the spacer members provided on the first and second metal separators are alternately adjacent to each other. Will be arranged. Therefore, it is possible to effectively prevent the first and second metal separators from electrically contacting each other with a simple configuration.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a fuel cell stack 12 in which the fuel cells 10 are stacked.
[0018]
As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 12 has a plurality of fuel cells 10 stacked in the direction of arrow A, and end plates 14a and 14b arranged at both ends in the stacking direction. By fixing the end plates 14a and 14b via tie rods (not shown), a predetermined tightening load is applied to the stacked fuel cells 10 in the direction of arrow A.
[0019]
As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 is configured by sandwiching an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) 16 between first and second metal separators 18 and 20. The first and second metal separators 18 and 20 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal plate whose metal surface has been subjected to a surface treatment for anticorrosion. For example, it is set in the range of 0.05 mm to 1.0 mm.
[0020]
One end of the fuel cell 10 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, to oxidize an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. The agent gas inlet communication hole 30a, the cooling medium outlet communication hole 32b for discharging the cooling medium, and the fuel gas outlet communication hole 34b for discharging the fuel gas, for example, the hydrogen-containing gas, are arranged in the direction of arrow C (vertical direction). Are arranged in a row.
[0021]
At the other end of the fuel cell 10 in the direction of the arrow B, a fuel gas inlet communication hole 34a for supplying a fuel gas and a cooling medium inlet communication hole for supplying a cooling medium are communicated with each other in the direction of the arrow A. 32a and an oxidizing gas outlet communication hole 30b for discharging the oxidizing gas are arranged in the arrow C direction.
[0022]
The electrolyte membrane / electrode assembly 16 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 36 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, an anode electrode 38 and a cathode electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 36. 40. The anode 38 has a larger surface area than the cathode 40.
[0023]
The anode-side electrode 38 and the cathode-side electrode 40 have a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst formed by uniformly applying porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface thereof to the surface of the gas diffusion layer. And a layer. The electrode catalyst layers are joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 36 so as to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 36 interposed therebetween.
[0024]
On the surface 18a of the first metal separator 18 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 16, for example, a linear oxidizing gas flow path (reactive gas flow path) 42 extending in the direction of arrow B is provided. As shown in FIGS. 1 and 2, a surface 20 a of the second metal separator 20 on the side of the electrolyte membrane / electrode structure 16 communicates with a fuel gas inlet communication hole 34 a and a fuel gas outlet communication hole 34 b, and an arrow B A linear fuel gas flow path (reactive gas flow path) 44 extending in the direction is formed.
[0025]
Between the surface 18b of the first metal separator 18 and the surface 20b of the second metal separator 20, a cooling medium passage 46 communicating with the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b is formed. The cooling medium passage 46 extends linearly in the direction of arrow B.
[0026]
The first seal member 50 is integrated with the surfaces 18 a and 18 b of the first metal separator 18 around the outer peripheral end of the first metal separator 18. The first sealing member 50 uses, for example, a sealing material, a cushion material, or a packing material such as EPDM, NBR, fluorine rubber, silicon rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene, or acrylic rubber. I do.
[0027]
As shown in FIGS. 1 to 3, a bent end portion 52 that is bent toward the electrolyte membrane / electrode structure 16 is formed on the outer peripheral end portion of the first metal separator 18. A spacer portion (spacer member) 54 constituting the first seal member 50 is integrated around the bent end portion 52. This spacer portion 54 is set to a predetermined width dimension H1.
[0028]
A first protrusion 56a is provided on the surface 18a of the first metal separator 18 near the spacer portion 54, and the second protrusion 56b is separated from the first protrusion 56a by a predetermined distance inward. Provided. As shown in FIG. 4, the first and second protrusions 56a and 56b surround the oxidizing gas passage 42, and communicate with the oxidizing gas passage 42, the oxidizing gas inlet communication hole 30a and the oxidizing gas outlet. It is formed to communicate with the communication hole 30b.
[0029]
The first and second protrusions 56a and 56b can be selected to have various shapes such as a tapered tip (lip shape), a trapezoidal shape, or a trapezoidal shape. The second protrusion 56b directly contacts the solid polymer electrolyte membrane 36 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 16.
[0030]
A third protrusion 56c is provided on the surface 18b of the first metal separator 18 near the spacer portion 54, and the fourth protrusion 56d is spaced inward from the third protrusion 56c by a predetermined distance. Provided. The third and fourth protrusions 56c, 56d have the same shape as the first and second protrusions 56a, 56b.
[0031]
The second seal member 58 is integrated with the surfaces 20 a and 20 b of the second metal separator 20 around the outer peripheral end of the second metal separator 20. The second seal member 58 is made of the same material as the first seal member 50 described above. A bent end portion 60 that is bent in the same direction as the bent end portion 52 of the first metal separator 18 is formed at an outer peripheral end portion of the second metal separator 20, and the second seal member 58 surrounds the bent end portion 60. Are integrated with each other. The spacer portion 62 is set to a predetermined width dimension H2, and a gap H3 is formed between the spacer portions 54 and 62 when the fuel cell stack 12 is configured.
[0032]
On the surface 20a of the second metal separator 20, a first flat portion 64 to which the first protrusion 56a of the first seal member 50 is in close contact is integrated. On the surface 20b of the second metal separator 20, a second flat portion 66, which is longer than the first flat portion 64 and in which the third and fourth protrusions 56c and 56d of the first seal member 50 are in close contact, is integrated. You.
[0033]
As shown in FIG. 2, the first flat portion 64 orbits a position spaced apart from the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure 16 to the outside, while the second flat portion 66 is provided on the anode electrode 38 at a predetermined position. It circles the position where it polymerizes over the range. As shown in FIG. 5, the first flat portion 64 is formed by connecting the fuel gas inlet communication hole 34a and the fuel gas outlet communication hole 34b to the fuel gas flow path 44, while the second flat portion 66 is formed by cooling. It is formed by communicating the medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b.
[0034]
The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.
[0035]
First, as shown in FIG. 1, a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a, and an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.
[0036]
Therefore, the oxidizing gas is introduced into the oxidizing gas flow path 42 of the first metal separator 18 from the oxidizing gas inlet communication hole 30a, and moves in the direction of arrow B to form the cathode constituting the electrolyte membrane / electrode structure 16. It is supplied to the side electrode 40. On the other hand, the fuel gas is introduced from the fuel gas inlet communication hole 34a into the fuel gas flow path 44 of the second metal separator 20, and moves in the direction of arrow B to the anode electrode 38 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 16. Supplied.
[0037]
Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 16, the oxidizing gas supplied to the cathode 40 and the fuel gas supplied to the anode 38 are consumed by the electrochemical reaction in the electrode catalyst layer, Power generation is performed.
[0038]
Next, the fuel gas supplied to and consumed by the anode 38 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b. Similarly, the oxidizing gas supplied to the cathode 40 and consumed is discharged in the direction of arrow A along the oxidizing gas outlet communication hole 30b.
[0039]
The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 46 between the first and second metal separators 18 and 20, and then flows in the arrow B direction. This cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b after cooling the electrolyte membrane / electrode structure 16.
[0040]
In this case, in the present embodiment, the spacer 54 is provided around the outer peripheral end of the first metal separator 18, and the spacer 62 is provided around the outer peripheral end of the second metal separator 20. . The spacers 54 and 62 are separated from each other with a gap H3 when the fuel cell stack 12 is given a predetermined tightening load (see FIG. 2).
[0041]
Therefore, when the first and second metal separators 18 and 20 are deformed, warped or undulated due to the gas pressure inside each fuel cell 10, for example, the spacer portions 54 and 62 come into contact with each other. Therefore, it is possible to prevent the first and second metal separators 18 and 20 and the first and second seal members 50 and 58 from being excessively deformed, and it is possible to exhibit good sealing properties. The effect is obtained.
[0042]
FIG. 6 shows the relationship between the gas pressure and the leak amount in the present embodiment using the spacer portions 54 and 62 (see the solid line) and the conventional structure not using the spacer portions 54 and 62 (see the dotted line). The results are shown.
[0043]
As a result, in the conventional structure that does not use the spacer portions 54 and 62, the gas pressure in the fuel cell 10 increases, so that the first and second metal separators 18 and 20 and the sealing portion are deformed, and the sealing performance is remarkably improved. Dropped. On the other hand, in the present embodiment, since the spacer portions 54 and 62 are in contact with each other, the amount of leak is effectively reduced, and a desired sealing function can be provided.
[0044]
Further, when an impact is generated on the fuel cell stack 12 in the stacking direction, the spacer portions 54 and 62 come into contact with each other and receive a load. That is, as shown in FIG. 7, when the stack tightening load increases, the shared load and the seal shared load of the electrolyte membrane / electrode structure (MEA) 16 increase with a certain relationship.
[0045]
Therefore, when an impact occurs in the fuel cell stack 12, the spacers 54 and 62 come into contact with each other and the load shared by the spacers 54 and 62 increases, so that the load (surface pressure) shared by the electrolyte membrane / electrode structure 16 is increased. Is effectively reduced. Accordingly, there is an advantage that the surface pressure of the electrolyte membrane / electrode structure 16 can be prevented from increasing due to a shock or the like when mounted on a vehicle, and damage to the electrolyte membrane / electrode structure 16 can be effectively reduced.
[0046]
Furthermore, in the present embodiment, the spacer portion 54 is provided integrally with the first sealing member 50 that is integrated around the outer peripheral end of the first metal separator 18, while the outer periphery of the second metal separator 20 is provided. The spacer portion 62 is provided integrally with the second seal member 58 which is integrated around the end. Thus, the configuration of the first and second seal members 50 and 58 can be simplified, and a desired sealing function can be reliably maintained.
[0047]
Moreover, as shown in FIG. 2, the first seal member 50 has first and second protrusions 56 a and 56 b protruding toward the surface 18 a of the first metal separator 18, and also has the surface 18 b of the first metal separator 18. It has third and fourth protrusions 56c and 56d protruding to the sides. At this time, the first protrusion 56a is in close contact with the first flat portion 64 of the second seal member 58, and the second protrusion 56b is in close contact with the solid polymer electrolyte membrane 36 of the electrolyte membrane / electrode structure 16. The third and fourth protrusions 56c and 56d are in close contact with the second flat portion 66 of the second seal member 58.
[0048]
Therefore, the first and second seal members 50 and 58 include a portion where the spacer portions 54 and 62 are in close contact with each other, a portion where the first and third protrusions 56a and 56c are arranged, and a second and fourth protrusion. The load can be received at three places, that is, the portion where the 56b and 56d are arranged. Therefore, even when an impact is applied to the fuel cell stack 12 when the fuel cell stack 12 suddenly starts or stops when the vehicle is mounted on a vehicle, it is possible to reliably support the load and prevent the deterioration of the sealing function as much as possible.
[0049]
In addition, the first and second metal separators 18 and 20 are provided with bent ends 52 and 60 at their outer peripheral ends. Accordingly, the outer peripheral ends of the first and second metal separators 18 and 20 are reinforced and rigidity is improved. For example, even if an external load inclined to the fuel cell stack 12 in the stacking direction acts on the fuel cell stack 12, this external load is Can be reliably supported, and a desired sealing function can be maintained.
[0050]
Further, spacer portions 54 and 62 are provided at outer peripheral ends of the first and second metal separators 18 and 20. Accordingly, by insulating the outer peripheral ends of the first and second metal separators 18 and 20, electrical contact between the first and second metal separators 18 and 20 can be satisfactorily prevented.
[0051]
In the present embodiment, the spacer 54 is integrated with both surfaces 18 a and 18 b around the outer peripheral end of the first metal separator 18, and the both surfaces 20 a and 20 a around the outer peripheral end of the second metal separator 20. Although the spacer portion 62 is integrated with 20b, it is not limited to this. For example, the spacer 54 may be provided only on the surface 18 a of the first metal separator 18, while the spacer 62 may be provided only on the surface 20 b of the second metal separator 20. Further, the spacers 54, 62 are formed separately from the first and second seal members 50, 58, and the spacers 54, 62 are directly attached to the respective bent ends 52, 60 by bonding or the like. You can also.
[0052]
【The invention's effect】
In the fuel cell according to the present invention, the spacer members provided on each metal separator come into contact with each other when, for example, deformation, surface warpage, undulation, or the like occurs due to gas pressure inside the fuel cell. Therefore, it is possible to prevent the metal separator from being excessively deformed, and it is possible to exhibit good sealing properties.
[0053]
Further, when the fuel cell is used in a vehicle, the frictional force against external vibrations and impacts is increased, and the vibration resistance and impact resistance can be improved. In addition, the spacer member can receive the load satisfactorily with respect to vibration, impact, or the like when mounted on a vehicle, and the surface pressure of the electrolyte / electrode structure can be prevented from increasing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory sectional view of a main part of a fuel cell stack in which the fuel cells are stacked.
FIG. 3 is a partially sectional perspective view of the fuel cell.
FIG. 4 is an explanatory front view of a first metal separator constituting the fuel cell.
FIG. 5 is an explanatory front view of a second metal separator constituting the fuel cell.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between a gas pressure and a leak amount depending on the presence or absence of a spacer portion.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a stack tightening load and a shared load.
FIG. 8 is an exploded perspective view of a fuel cell according to the related art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Fuel cell stack 16 ... Electrolyte membrane / electrode structure 18, 20 ... Metal separator 30a ... Oxidant gas inlet communication hole 30b ... Oxidant gas outlet communication hole 32a ... Cooling medium inlet communication hole 32b ... Cooling medium Outlet communication hole 34a ... fuel gas inlet communication hole 34b ... fuel gas outlet communication hole 36 ... solid polymer electrolyte membrane 38 ... anode side electrode 40 ... cathode side electrode 42 ... oxidant gas flow path 44 ... fuel gas flow path 50, 58 ... seal members 52 and 60 ... bent end portions 54 and 62 ... spacer portions 56a to 56d ... protruding portions 64 and 66 ... plane portions

Claims (4)

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、
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。
An electrolyte / electrode structure in which an electrolyte is disposed between a pair of electrodes, and a metal separator are alternately laminated, and a fuel cell in which a seal member is provided on the metal separator,
A fuel cell, wherein a spacer member is provided on the metal separator so as to surround at least an outer peripheral end of the metal separator in order to regulate at least a deformation amount of the seal member or the metal separator.
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。2. The fuel cell according to claim 1, wherein the spacer member is formed integrally with the seal member, and the spacer member and the seal member are integrated with the metal separator. 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。3. The fuel cell according to claim 1, wherein a bent end is provided at an outer peripheral end of the metal separator. 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。4. The fuel cell according to claim 1, wherein the metal separator includes first and second metal separators, and the spacer members provided on the first and second metal separators are adjacent to each other. 5. A fuel cell, wherein the fuel cells are alternately arranged.
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