JP2005093169A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using a polymer electrolyte used for a portable power source, a power source for portable devices, a power source for electric vehicles, a home cogeneration system, and the like.
高分子電解質を用いた燃料電池は、反応ガスである水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。その基本的な構造は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、およびその両面に配置されたアノードおよびカソードからなる。これをMEA(膜電極接合体)と呼ぶ。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層、および触媒層の外面に配置された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層からなる。 Fuel cells using polymer electrolytes generate electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen, which is a reaction gas, and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is something to be made. Its basic structure consists of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, and an anode and a cathode disposed on both sides thereof. This is called MEA (membrane electrode assembly). The electrode is composed of a catalyst layer mainly composed of carbon powder supporting a platinum group metal catalyst, and a gas diffusion layer having both air permeability and electronic conductivity disposed on the outer surface of the catalyst layer.
次に、供給する反応ガスが外にリークしたり、二種類の反応ガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これをMESA(膜電極シール材接合体)と呼ぶ。MESAの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配置する。セパレータ板のMEAと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。 Next, a gas seal material or a gasket is disposed around the electrode with a polymer electrolyte membrane interposed so that the reaction gas to be supplied does not leak outside or the two kinds of reaction gases are mixed with each other. The sealing material and gasket are assembled in advance by being integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane. This is called MESA (membrane electrode sealing material assembly). Outside the MESA, a conductive separator plate is disposed for mechanically fixing the MESA and for connecting adjacent MEAs electrically in series with each other. In the portion of the separator plate that comes into contact with the MEA, a reaction gas is supplied to the electrode surface, and a gas flow path for carrying away the generated gas and surplus gas is formed. Although the gas flow path can be provided separately from the separator plate, a method of providing a gas flow path by providing a groove on the surface of the separator plate is generally used.
セパレータ板のガス流路に反応ガスを供給するためは、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような反応ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、1〜3セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータ板とセパレータ板との間に挿入するが、セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのMESAとセパレータ板および冷却部を交互に重ねていき、10〜200セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定し、まわりを断熱材で囲むのが一般的な積層電池の構造である。
In order to supply the reaction gas to the gas flow path of the separator plate, a piping jig that branches the piping for supplying the reaction gas to the number of separator plates to be used and connects the branch destination directly to the groove of the separator plate is required. It becomes. This jig is called a manifold, and the type that connects directly from the reaction gas supply pipe as described above is called an external manifold. There is a type of this manifold called an internal manifold with a simplified structure. The internal manifold is a separator plate in which a gas flow path is formed with a through-hole, through the gas flow path to the hole, and a reaction gas is directly supplied from the hole.
Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool it with cooling water or the like in order to maintain the battery at a good temperature. Usually, a cooling unit for flowing cooling water every 1 to 3 cells is inserted between the separator plate and the separator plate. In many cases, a cooling water channel is provided on the back surface of the separator plate to form a cooling unit. After alternately stacking these MESA, separator plates, and cooling units, stacking 10 to 200 cells, sandwiching them with end plates through current collector plates and insulating plates, fixing them from both ends with fastening bolts, The general laminated battery structure is surrounded by a heat insulating material.
このような高分子電解質型燃料電池のガスケットは、セパレータ板と電極との接触を行わせつつガスシールを行うため、高い寸法精度および/または十分な弾性とガスケット締め代が必要であった。そのため、従来のガスケットは樹脂やゴムでできたシート状の平ガスケットやゴムでできたOリング等が用いられていた。
また、最近では特許文献1や特許文献2に見られるように、スタックの締結荷重を低下させ、構造部材の軽量化、簡素化、および低コスト化を行うために、ガスケットのシールに必要な荷重を下げる試みも行われており、Oリング形状だけでなく三角形状や半円形状等の断面を持ったガスケットによる構成が試みられている。また、Oリング等ガスケットにある程度の断面積があるものは、ガスケットをセパレータ板側に構成した試みも行われている。
Since the gasket of such a polymer electrolyte fuel cell performs gas sealing while making contact between the separator plate and the electrode, high dimensional accuracy and / or sufficient elasticity and gasket fastening allowance are required. Therefore, the conventional gasket used is a sheet-like flat gasket made of resin or rubber, an O-ring made of rubber, or the like.
Recently, as seen in Patent Document 1 and Patent Document 2, the load necessary for sealing the gasket in order to reduce the stack fastening load and reduce the weight, simplification, and cost of the structural member. Attempts have been made to reduce the thickness of the gasket, and not only an O-ring shape but also a gasket having a triangular or semicircular cross section has been attempted. In addition, when the gasket such as an O-ring has a certain cross-sectional area, an attempt is made to configure the gasket on the separator plate side.
電解質膜を挟んでシールするOリング等のガスケット構成では、Oリングで電解質膜をセパレータ板に押し付けることでシールを行う。そのためアノード側ガスシールとカソード側ガスシールとの二重ガスシール構成が必要であり、シール部位が大型化するという問題があった。さらに、Oリングが入る溝をセパレータ板に構成する必要があり、その溝寸法を確保するため、セパレータ板の厚さを薄くできない等の制約があった。そういった問題を鑑みて省スペースでのシール構成が試みられている。 In a gasket configuration such as an O-ring that seals with the electrolyte membrane interposed therebetween, sealing is performed by pressing the electrolyte membrane against the separator plate with the O-ring. For this reason, a double gas seal configuration of an anode side gas seal and a cathode side gas seal is necessary, and there is a problem that the size of the seal portion is increased. Furthermore, it is necessary to form a groove in the separator plate for the O-ring, and there is a restriction that the thickness of the separator plate cannot be reduced in order to ensure the groove dimension. In view of such problems, a space-saving seal configuration has been attempted.
一般的に用いられる電解質膜を挟んでシールするOリングあるいは平形状のガスケット構成がある。Oリングでは、Oリングが入る溝をセパレータ板に構成する必要があり、その溝寸法を確保するためセパレータ板の厚さを薄くできない等の制約があった。そのため積層電池での体積の増大やコスト増、複雑なセパレータ板の形状が必要であるため、セパレータ板の加工時の歩留まりの悪化原因になっていた。
また、積層電池を組み付ける際、セパレータ板を下に置き、その上にMESAあるいはMEAを置き、その上にセパレータ板あるいはガスケットとセパレータ板を重ね、それを積み重ねていく工程をとる。その際、MEAの上に置くガスケットあるいはセパレータ板は、組み付け治具のガイドにより組み付けていた。しかし、各部品には寸法誤差があり、電極とガスケット、セパレータ板の組み付け性の観点から、ガスシール部と電極部の間には、作業性あるいは製造の歩留まり性を確保するためのクリアランスが必要であった。
There is an O-ring or a flat gasket configuration that seals with a commonly used electrolyte membrane in between. In the O-ring, it is necessary to form a groove in the separator plate for the O-ring, and there is a restriction that the thickness of the separator plate cannot be reduced in order to secure the groove dimension. For this reason, an increase in volume and cost in the laminated battery and a complicated shape of the separator plate are necessary, which has been a cause of deterioration in the yield during the processing of the separator plate.
Moreover, when assembling the laminated battery, the separator plate is placed below, the MESA or MEA is placed thereon, the separator plate or the gasket and the separator plate are stacked thereon, and the steps are stacked. At that time, the gasket or separator plate placed on the MEA was assembled by the guide of the assembly jig. However, there are dimensional errors in each part, and from the viewpoint of assembly of electrodes, gaskets, and separator plates, a clearance is required between the gas seal part and the electrode part to ensure workability or manufacturing yield. Met.
クリアランスが小さい場合、組み付け時の信頼性が低く、シール部に電極の一部が噛み込む等でシール不良が生じたり、電極にシール部が当たったりして、電池性能の低下や、電極への過大な面圧が働き、電解質膜の破損、耐久性の低下等を引き起こしていた。特に、ガスケットとMEAの間のクリアランスは大きくとらなければ、組み付け性を確保できなかった。そのため、反応ガスがセパレータ板のガス流路とガスケットと電極との間のクリアランスを通り、バイパスしてしまうことがあった。MEAやガスケットの組み付け誤差等で周囲のクリアランスはセル毎にばらつき、各セル間の圧力損失ばらつきの原因となっていた。各セル間に圧力損失のばらつきがあった場合、積層電池において各セルの圧力損失に見合った反応ガスがそれぞれのセルに流れるため、反応ガスの流量にばらつきが生じる。その結果、電池性能がばらつき、発電電圧の低下、耐久性の低下、低出力運転時の安定性の低下等の弊害が生じた。これらの症状は、反応ガスの利用率が比較的大きい燃料ガス側で顕著であった。 If the clearance is small, the reliability at the time of assembly is low, seal failure may occur due to part of the electrode biting into the seal part, etc., or the seal part may hit the electrode, reducing the battery performance, Excessive surface pressure worked, causing damage to the electrolyte membrane and a decrease in durability. In particular, the assembling property could not be ensured unless the clearance between the gasket and the MEA was large. For this reason, the reaction gas sometimes bypasses through the clearance between the gas flow path of the separator plate, the gasket, and the electrode. The surrounding clearance varies from cell to cell due to errors in assembly of the MEA or gasket, causing pressure loss variation between cells. When there is a variation in pressure loss between the cells, the reaction gas corresponding to the pressure loss of each cell flows in each cell in the laminated battery, and therefore the flow rate of the reaction gas varies. As a result, the battery performance varied, causing problems such as a decrease in generated voltage, a decrease in durability, and a decrease in stability during low-power operation. These symptoms were remarkable on the fuel gas side where the utilization rate of the reaction gas was relatively large.
また、それらのクリアランスを低減するため、ガスケットと電極間のクリアランスを少なくしていった場合、部品寸法の精度向上の必要性があり、歩留まりの低下や部品コストの上昇を招いていた。特に、成形セパレータ板では、組み立て時に利用するガイド部等の加工精度に限界があり、従ってガイド部の精度向上に限界があり、クリアランスを低減することが困難であった。そのためセパレータ板を成形後、ガイド部分を後加工で追加していた。その結果、コスト上昇を招いていた。
また、平形状のガスケットでは、ガスケットの占める体積は低減可能であるものの、上記の組付けに関する課題やクリアランス部の反応ガスのバイパスに関する課題は共通に存在する。さらに、シールに必要となる面圧を確保するために過大な締結力が必要となり、スタック締結部材の軽量化、コンパクト化、および低コスト化に対しての阻害要因となっていた。また、特許文献3では、締結力の低減および厚み方向のクリアランスの拡大を目的としてOリングの代替としてチューブ状のシール材を用いている。しかし、ガスケット−電極間のクリアランスを通しての反応ガスのバイパスに対しては有効ではなかった。
Moreover, in the flat-shaped gasket, although the volume occupied by the gasket can be reduced, the above-described problems relating to the assembly and the problems relating to the bypass of the reaction gas in the clearance portion exist in common. Furthermore, an excessive fastening force is required to ensure the surface pressure required for the seal, which has been an obstacle to reducing the weight, compactness, and cost of the stack fastening member. In Patent Document 3, a tubular sealing material is used as an alternative to the O-ring for the purpose of reducing the fastening force and increasing the clearance in the thickness direction. However, it was not effective for bypassing the reaction gas through the gasket-electrode clearance.
上記のように、電極部とこれを囲むシール部の間のクリアランスは、部品の加工精度などから限度がある。このクリアランスは、電池組立の作業性や歩留まりの点からは大きい方がよいが、クリアランス部を反応ガスがバイパスしてしまうという不都合がある。このように前記のクリアランスを小さくすることは困難であった。
本発明は、電極部とこれを囲むシール部の間のクリアランスは、電池の組み立てに際しては大きいが、完成した電池においては小さくなるような構成のシール手段を備えた燃料電池を提供することを目的とする。
As described above, the clearance between the electrode portion and the seal portion surrounding the electrode portion is limited due to the processing accuracy of the parts. This clearance is preferably large in terms of battery assembly workability and yield, but there is a disadvantage that the reaction gas bypasses the clearance portion. Thus, it has been difficult to reduce the clearance.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell having a sealing means configured such that a clearance between an electrode portion and a seal portion surrounding the electrode portion is large when the battery is assembled, but is small in a completed battery. And
本発明は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側セパレータ板、およびカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セパレータ板を含むセルスタック、並びにアノードとアノード側セパレータ板の間の気密およびカソードとカソード側セパレータ板の間の気密を保つ一対のシール手段を具備する燃料電池に関する。
本発明に係る燃料電池は、前記シール手段の少なくとも一方が、加圧用ガス吸入口を有し、前記セパレータ板の表面に配置された少なくとも一本の伸縮性管からなることを特徴とする。
The present invention includes a polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, an anode separator plate having a gas flow path for supplying fuel gas to the anode, and a gas flow path for supplying oxidant gas to the cathode The present invention relates to a cell stack including a cathode-side separator plate and a fuel cell including a pair of sealing means for maintaining airtightness between an anode and an anode-side separator plate and airtightness between a cathode and a cathode-side separator plate.
The fuel cell according to the present invention is characterized in that at least one of the sealing means has at least one stretchable tube disposed on the surface of the separator plate having a pressurizing gas suction port.
本発明によると、アノード側およびカソード側の一対のシール手段の少なくとも一方が、セパレータ板の表面に配置された、加圧用ガス吸入口を有する伸縮性管のシール構造をとり、スタック締結後に伸縮性管にガスを加圧注入して変形させることにより、組み立て時に必要であったクリアランスを大幅に低減することが可能になる。このため、シールの信頼性が向上するとともに、量産時の歩留まりの向上および大幅なコスト低減が図れ、さらに電池のコンパクト化が図れる。また、反応ガスがクリアランス部をバイパスすることによる電池性能の低下を抑制することができる。 According to the present invention, at least one of the pair of sealing means on the anode side and the cathode side takes the sealing structure of an elastic tube having a gas inlet for pressurization disposed on the surface of the separator plate, and is elastic after stacking. By injecting gas into the tube and deforming it, the clearance required during assembly can be greatly reduced. As a result, the reliability of the seal can be improved, the yield during mass production can be improved, the cost can be greatly reduced, and the battery can be made more compact. Moreover, the fall of the battery performance by a reactive gas bypassing a clearance part can be suppressed.
本発明は、アノードとアノード側セパレータ板の間の気密およびカソードとカソード側セパレータ板の間の気密を保つ一対のシール手段の少なくとも一方が、加圧用ガス吸入口を有し、前記セパレータ板の表面に配置された少なくとも一本の伸縮性管からなる点に特徴を有する。 According to the present invention, at least one of a pair of sealing means for maintaining an airtightness between the anode and the anode-side separator plate and an airtightness between the cathode and the cathode-side separator plate has a pressurizing gas inlet and is disposed on the surface of the separator plate. It is characterized in that it consists of at least one stretchable tube.
上記のシール構造を適用することにより、電極部とこれを囲むシール部の間のクリアランスは、電池の組み立てに際しては大きいが、完成した電池においては小さくすることができる。従って、シール性を確保し、信頼性の高い組み立てが可能になる。また、組付け時にセパレータ板に必要であるガイド部位の精度を低減できるから、セパレータ板への後加工を廃止し、製造時における歩留まりの向上を図ることができる。それに伴ってコストの低減が図れる。
一方、完成電池においては、前記のクリアランスを低減できるから、反応ガスのバイパスを低減し、電池性能の低下を防止することができる。
さらに、本発明によれば、ガスケットが占めるスペースの低減に伴い、スタック体積の低減およびスタック締結力の低減により、電池の軽量化、コンパクト化および低コスト化を図ることができる。
By applying the above-described seal structure, the clearance between the electrode portion and the seal portion surrounding the electrode portion is large when the battery is assembled, but can be reduced in a completed battery. Therefore, it is possible to secure a sealing property and to assemble with high reliability. In addition, since the accuracy of the guide portion necessary for the separator plate during assembly can be reduced, post-processing on the separator plate can be eliminated, and the yield in manufacturing can be improved. Accordingly, the cost can be reduced.
On the other hand, in the completed battery, since the clearance can be reduced, the bypass of the reaction gas can be reduced and the battery performance can be prevented from being lowered.
Furthermore, according to the present invention, as the space occupied by the gasket is reduced, the battery can be reduced in weight, size and cost by reducing the stack volume and the stack fastening force.
本発明の好ましい実施の形態において、前記伸縮性管は、被シール部を囲む2本の伸縮性管からなり、外側の伸縮性管の硬度が内側の伸縮性管のそれより高く、伸縮性が小さい。
本発明の他の好ましい実施の形態において、前記伸縮性管のシール部位の少なくとも一部は、前記セパレータ板に固定されている。
本発明の他の好ましい実施の形態において、前記セパレータ板は、シール部の外側に前記伸縮性管の外側への膨れを阻止する突部を有する。前記突部は、伸縮性管に接するエッヂ部が曲面加工されており、そのエッヂ部の曲率半径が0.5mm以上2mm以下であることが好ましい。
本発明のさらに他の好ましい実施の形態において、前記セルスタックが、加圧ガス用マニホールド孔を有し、このマニホールド孔から前記伸縮性管の加圧用ガス吸入口にガスを注入するように構成されている。
In a preferred embodiment of the present invention, the stretchable tube is composed of two stretchable tubes surrounding the sealed portion, and the hardness of the outer stretchable tube is higher than that of the inner stretchable tube, and the stretchability is high. small.
In another preferred embodiment of the present invention, at least a part of the seal portion of the stretchable tube is fixed to the separator plate.
In another preferred embodiment of the present invention, the separator plate has a protrusion for preventing the expansion of the stretchable tube to the outside of the seal portion. The protrusion preferably has a curved edge portion in contact with the elastic tube, and the curvature radius of the edge portion is preferably 0.5 mm or more and 2 mm or less.
In still another preferred embodiment of the present invention, the cell stack has a pressurized gas manifold hole, and is configured to inject gas from the manifold hole into the pressurized gas inlet of the stretchable tube. ing.
本発明の特徴である伸縮性管について説明する。この伸縮性管体としての必要要件としては、(1)加圧ガスの注入により柔軟に変形すること、(2)化学的耐久性が高いこと、が挙がられる。これらを満たす材料としては、フッ素ゴム、ポリイソブレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、およびそれらの複合材などである。
このような材料からなる伸縮性管をシール部位に、外側の伸縮性管の硬度が高く、伸縮性が小さくなるように複数本配設すると、次のような効果を得ることができる。
(i)二重のシールで高い信頼性が得られる。
(ii)内側の伸縮性管の変形を内方に向けさせ、より有効にクリアランスを低減し、反 応ガスのバイパスを低減することができる。
The stretchable tube, which is a feature of the present invention, will be described. Necessary requirements for the stretchable tube include (1) flexible deformation by injection of pressurized gas and (2) high chemical durability. Examples of the material satisfying these include fluorine rubber, polyisobrene, butyl rubber, ethylene propylene rubber, silicone rubber, nitrile rubber, thermoplastic elastomer, and composite materials thereof.
The following effects can be obtained by arranging a plurality of elastic tubes made of such a material at the seal site so that the outer elastic tube has high hardness and low elasticity.
(I) High reliability is obtained with a double seal.
(Ii) The inner elastic tube can be deformed inward to reduce the clearance more effectively and reduce the reaction gas bypass.
伸縮性管は、シール部位の少なくとも一部がセパレータ板に固定されていると、伸縮性管を複数本配設し、内側の伸縮性管を内方に向けて変形させるのと同様の効果が得られる。伸縮性管の固定には、粘着材層を用いるか、焼きつけにより固定するのがよい。
セパレータ板がシール部の外側に突部を有すると、伸縮性管が外側に膨れるのを防止することができる。また、伸縮性管を複数本配設した場合、内側の伸縮性管を内方に向けて変形させるのと同様の効果が得られる。前記突部の伸縮性管に接するエッヂ部が曲面に加工されていると、伸縮性管への機械的ダメージを低減し、耐久性を向上できる。セパレータ板の厚み、および電極とセパレータ板の間のクリアランスを考慮すると、エッヂ部の曲面に加工する際には、その曲率半径Rは0.5mm以上2mm以下が好ましい。
When at least a part of the seal part is fixed to the separator plate, the elastic tube has the same effect as arranging a plurality of elastic tubes and deforming the inner elastic tube inward. can get. For fixing the stretchable tube, an adhesive layer is preferably used or fixed by baking.
When the separator plate has a protrusion on the outside of the seal portion, the stretchable tube can be prevented from bulging outward. Further, when a plurality of elastic tubes are provided, the same effect as that of deforming the inner elastic tube inward can be obtained. When the edge portion of the protrusion that contacts the stretchable tube is processed into a curved surface, mechanical damage to the stretchable tube can be reduced and durability can be improved. In consideration of the thickness of the separator plate and the clearance between the electrode and the separator plate, the radius of curvature R is preferably 0.5 mm or more and 2 mm or less when processing into the curved surface of the edge portion.
《実施の形態1》
図1は本実施の形態におけるアノード側セパレータ板の正面図、図2はセルスタックを図1のII−II線で切った断面図、図3は伸縮性管に加圧用ガスを注入した状態を示す図2と同じ断面図、図4はセルスタックを図1のIV−IV線で切った断面図である。
MEA10は高分子電解質膜11、並びに高分子電解質膜11を挟むアノード12およびカソ−ド13からなる。アノード12およびカソード13は、それぞれ触媒層14および15、ガス拡散層16および17からなる。アノード側セパレータ板20は、黒鉛板または炭素粉末とバインダーの混合物を成形した炭素板からなり、各一対の燃料ガス用マニホールド孔22、酸化剤ガス用マニホールド孔25および冷却水用マニホールド孔23を有する。アノード側セパレータ板20は、さらに、アノードと対向する面に、一対のマニホールド孔22を連絡する燃料ガスの流路24を有し、背面には、一対のマニホールド孔23を連絡する冷却水の流路27を有する。図1の例では、ガス流路24は、並行する4本の溝で構成されている。このガス流路24のマニホールド孔22と連絡する部分には、ガスケットが溝内へ垂れ込むのを防止するためのカバープレート26が設置され、この部分のガス流路はトンネル状になっている。このカバープレートに関しては、例えば特開2000−133289号公報に記載されており、これを引用する。
Embodiment 1
1 is a front view of an anode separator plate according to the present embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view of the cell stack taken along line II-II in FIG. 1, and FIG. 3 is a state in which a pressurizing gas is injected into an elastic tube. FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 1.
The
同様に、カソード側セパレータ板30は、各一対の燃料ガス用マニホールド孔、酸化剤ガス用マニホールド孔および冷却水用マニホールド孔を有し、さらに、カソードと対向する面に、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔を連絡する酸化剤ガスの流路35を有し、背面には、一対の冷却水用マニホールド孔を連絡する冷却水の流路37を有する。
Similarly, the
次に、シールのための伸縮性管について説明する。
まず、アノード側セパレータ板20に装着されたアノード側の伸縮性管40は、燃料ガスの流路24を囲むように配置された管46、各一対のマニホールド孔22、23、および25を囲むように配置された管42、43および45、加圧ガス用マニホールド孔28を囲むように配置された管48、並びにこれらの管を一体に連結する連結部から構成されている。この伸縮性管40は、粘着剤層41によりセパレータ板20に接着されている。同様に、カソード側セパレータ板30のカソードと対向する面には、伸縮性管50が粘着剤層51により接着されている。伸縮性管50は、伸縮性管40と同様に、カソードを囲む部分、各一対のマニホールド孔を囲む部分、加圧ガス用マニホールド孔28と連通するマニホールド孔を囲む部分、およびこれらを一体に連結する部分からなる。
Next, the stretchable tube for sealing will be described.
First, the anode-side
上記のように伸縮性管40および50を装着したセパレータ板20および30を用いて図2に示すようにセルスタックを組み立て、所定の締結圧で締結する。次いで、伸縮性管40および50に加圧ガスを注入し、これを膨張させてシール構造を確立させる。
図4を参照して、加圧ガス用マニホールド孔28から伸縮性管40および50に加圧用ガスを注入する構造について説明する。アノード側セパレータ板20の加圧ガス用マニホールド孔28、カソード側セパレータ板30の加圧ガス用マニホールド孔38、およびこれらに対応して高分子電解質膜に設けられた加圧ガス用マニホールド孔をとおして加圧ガス供給源から加圧ガスが送り込まれる。一方、伸縮性管40および50の加圧ガス注入部49および59は、それぞれセパレータ板20の孔29およびセパレータ板30の孔39を貫通してセパレータ板の背面に開口している。そして孔29および39は前記の加圧ガス用マニホールド孔に連通しているから、28および38で表されている加圧ガス用マニホールド孔に供給された加圧ガスは、加圧ガス注入部49および59から伸縮性管40および50に注入され、管40および50を膨張させる。
The cell stack is assembled as shown in FIG. 2 using the
With reference to FIG. 4, a structure for injecting the pressurizing gas from the pressurized
管40および50が適度に膨張することにより、図3に示すように、高分子電解質膜11とこれを挟むアノード側セパレータ板20およびカソード側セパレータ板30との間が気密に封じられ、ガス流路24および35並びにアノード12およびカソード13に供給される反応ガスは外部へ漏洩することがない。
アノード側セパレータ板20とカソード側セパレータ板30との間には、冷却水の流路27と37が向き合って1つの冷却水の流路を形成する。この流路に流れる冷却水および加圧ガス用マニホールド孔に供給されるガスが外部へ漏洩するのを防止するために、セパレータ板20と30との間にはOリング55などが設置されている。
By appropriately expanding the
Between the anode
《実施の形態2》
本実施の形態にかかる電池の要部の断面図を図5および6に示す。図5は伸縮性管に加圧ガスを注入していない状態を示し、図6は伸縮性管に加圧ガスを注入した状態を示す。本実施の形態では、セパレータ板20および30の外周縁部に突部26および36を設けた他は実施の形態1と同じである。突部26および36により、伸縮性管40および50がセパレータ板より外側へ膨れるのを防止する。
<< Embodiment 2 >>
5 and 6 are cross-sectional views of the main part of the battery according to the present embodiment. FIG. 5 shows a state where no pressurized gas is injected into the stretchable tube, and FIG. 6 shows a state where pressurized gas is injected into the stretchable tube. The present embodiment is the same as the first embodiment except that the
《実施の形態3》
本実施の形態にかかる電池の要部の断面図を図7および8に示す。図7は伸縮性管に加圧ガスを注入していない状態を示し、図8は伸縮性管に加圧ガスを注入した状態を示す。本実施の形態では、実施の形態1の伸縮性管40および50の代わりに、それぞれ2本の伸縮性管40a、40bおよび50a、50bを用いた。外側の管40bおよび50bはゴム硬度の高いフッ素ゴム製のもの、内側の管40aおよび50aは硬度の低いフッ素ゴム製のものを用いた。この実施の形態によれば、シール構造が二重になった効果と、外周部の伸縮性管の硬度が内側のそれより高いため、内側の伸縮性管の変形が図8に示すようにMEA側に向けた変形に限定される効果が得られる。
<< Embodiment 3 >>
7 and 8 are cross-sectional views of the main part of the battery according to the present embodiment. FIG. 7 shows a state where no pressurized gas is injected into the stretchable tube, and FIG. 8 shows a state where pressurized gas is injected into the stretchable tube. In the present embodiment, two
《実施の形態4》
本実施の形態にかかるアノード側セパレータ板の正面図を図9に示す。このアノード側セパレータ板120は、黒鉛板または成形した炭素板からなり、各一対の燃料ガス用マニホールド孔122、酸化剤ガス用マニホールド孔125および冷却水用マニホールド孔123を有する。アノード側セパレータ板120は、さらに、アノードと対向する面に、一対のマニホールド孔122を連絡する燃料ガスの流路124を有し、背面には、一対のマニホールド孔123を連絡する冷却水の流路を有する。
<< Embodiment 4 >>
A front view of the anode separator plate according to this embodiment is shown in FIG. The anode-
アノード側セパレータ板120のアノードと対向する面には、燃料ガスの流路124を囲むように配置された、アノード側の伸縮性管140が粘着剤層により取りつけられている。一方、各一対のマニホールド孔122、123、および125の周囲には、Oリング142、143および145が、各々のマニホールド孔を囲む溝に装着されている。また、伸縮性管140の加圧ガス注入部にガスを注入するための加圧用ガスのマニホールド128を囲むようにように設けられた溝にはOリング148が装着されている。ガス流路124のマニホールド122と連絡する部分には、ガスケットが溝内へ垂れ込むのを防止するためのカバープレート126が設置され、この部分のガス流路はトンネル状になっている。Oリング142は、一部がカバープレート126上にまたがって配置されている。
ここでは、アノード側セパレータ板について説明したが、カソード側セパレータ板についても同様の構成にすることができる。加圧用ガスのマニホールド128から伸縮性管140の加圧ガス注入部にガスを注入するためのガスの通路については、実施の形態1と同様に構成できることは当業者には容易に理解できよう。
On the surface of the anode
Here, the anode side separator plate has been described, but the cathode side separator plate can also have the same configuration. Those skilled in the art will readily understand that the gas passage for injecting gas from the pressurizing gas manifold 128 to the pressurized gas injection portion of the stretchable tube 140 can be configured in the same manner as in the first embodiment.
以上の実施の形態においては、アノードとアノード側セパレータ板の間の気密およびカソードとカソード側セパレータ板の間の気密を保つ一対のシール手段の双方を、本発明による加圧用ガス吸入口を有する伸縮性管で構成した。しかし、前記一対のシール手段の一方にのみ本発明の伸縮性管を適用することもできる。
電池の組み立ては、通常、ガイドピンを立てた組み立て用治具の上に、一方のセパレータ板、MEA、および他方のセパレータ板をその順に組み付けることにより行われる。シール手段の一方にのみ本発明の伸縮性管を適用するときは、このような組み付け方法を採る場合、伸縮性管は、MEAの上に組み付けるセパレータ板側に取りつけてるのがよい。
In the above embodiment, both the pair of sealing means for keeping the airtightness between the anode and the anode-side separator plate and the airtightness between the cathode and the cathode-side separator plate are constituted by the stretchable tube having the gas inlet for pressurization according to the present invention. did. However, the stretchable tube of the present invention can be applied to only one of the pair of sealing means.
The battery is usually assembled by assembling one separator plate, MEA, and the other separator plate in that order on an assembly jig with guide pins raised. When the stretchable tube of the present invention is applied to only one of the sealing means, in the case of adopting such an assembly method, the stretchable tube is preferably attached to the separator plate assembled on the MEA.
以下、本発明の実施例を説明する。
《実施例1》
炭素粉末であるアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック、粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のD1)と混合し、乾燥重量としてPTFEを20重量%含む撥水インクを調製した。このインクを、ガス拡散層の基材となるカーボンペーパー(東レ(株)製のTGPH060H)の片面に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて300℃で熱処理し、厚さ約200μmのガス拡散層を形成した。
Examples of the present invention will be described below.
Example 1
Carbon powder acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.,
一方、炭素粉末であるケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル(株)製のKetjen Black EC、粒径30nm)上にPt触媒を50重量%担持させた触媒体66重量部を、水素イオン伝導材かつ結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー(米国Aldrich社製の5重量%Nafion分散液)33重量部(高分子乾燥重量)と混合し、得られた混合物を成形して厚さ10〜20μmの触媒層を形成した。
上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜(米国DuPont社のNafion112膜)の両面に接合し、膜電極接合体(MEA)を作製した。高分子電解質膜のサイズは後述するセパレータ板のサイズと同じとし、高分子電解質膜には後述する燃料ガス用、冷却水用、および酸化剤ガス用のマニホールドに対応した大きさの孔を打ち抜き型により加工した。
On the other hand, 66 parts by weight of a catalyst body in which 50% by weight of a Pt catalyst is supported on Ketjen Black (Ketjen Black EC, Ketjen Black International Co., Ltd.,
The gas diffusion layer and the catalyst layer obtained as described above were bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane (Nafion 112 membrane manufactured by DuPont, USA) to prepare a membrane electrode assembly (MEA). The size of the polymer electrolyte membrane is the same as the size of the separator plate described later, and the polymer electrolyte membrane is punched with holes of a size corresponding to the manifolds for fuel gas, cooling water, and oxidant gas described later. It processed by.
本実施例では、実施の形態1にかかる構成の高分子電解質型燃料電池を作製した。この燃料電池の各構成要素の構造を説明する。
まず、セパレータ板について説明する。ガス不浸透性の等方性黒鉛板(厚さ3mm)に機械加工により燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各マニホールド孔、並びにガス流路および冷却水の流路を形成した。アノード側セパレータ板は、図1に示すように、並行する4本の溝(溝幅1.5mm)からなるガス流路を有し、背面には並行する6本の溝からなる冷却水の流路を有する。カソード側セパレータ板は、一方の面に並行する7本の溝からなるガス流路を有し、他方の面には並行する6本の溝からなる冷却水の流路を有する。
In this example, a polymer electrolyte fuel cell having the configuration according to the first embodiment was manufactured. The structure of each component of the fuel cell will be described.
First, the separator plate will be described. A gas impervious isotropic graphite plate (thickness 3 mm) was machined to form manifold holes for fuel gas, oxidant gas, and cooling water, and gas passages and cooling water passages. As shown in FIG. 1, the anode-side separator plate has a gas flow path composed of four parallel grooves (groove width of 1.5 mm), and a cooling water flow composed of six parallel grooves on the back surface. Has a road. The cathode-side separator plate has a gas flow path composed of seven grooves parallel to one surface, and a cooling water flow path composed of six grooves parallel to the other surface.
次に、一対のガスケットを構成する伸縮性管40および50はフッ素ゴム製で、図1に示すように、MEAの周囲および各マニホールド孔を隔離できるようにセパレータ板に配設した。無加圧時の伸縮性管の外径は0.5mm、肉厚0.1mmであった。これらの伸縮性管は、すべて連結されている。管のセパレータ板への固定は厚さ25μmのブチルゴム粘着剤層で行った。電極に対応する個所の寸法は、電極部とのクリアランスが伸縮性管の中心より片側で0.5mmとなるようにした。
次に、これらの伸縮性管を接合したセパレータ板により、電極面積100cm2のMEAを挟み、図2に示すような単電池を構成した。隣接する単電池間には、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とで形成される、冷却水を流す冷却部を設けた。そして、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板との間にはOリングを介在させて、冷却水の漏洩を防止するようにした。
Next, the
Next, an MEA having an electrode area of 100 cm 2 was sandwiched between separator plates to which these stretchable tubes were joined, thereby constituting a single battery as shown in FIG. Between the adjacent single cells, a cooling unit for flowing cooling water, which is formed of an anode side separator plate and a cathode side separator plate, was provided. Then, an O-ring is interposed between the anode side separator plate and the cathode side separator plate to prevent leakage of cooling water.
セルスタックの組み立て手順を以下に説明する。
ガイドピンを立てた組み立て用治具を置き、その上に伸縮性管を付けたセパレータ板を置く。次に、MEAをガイドピンにそってセットする。その際、MEAのガス拡散層が、伸縮性管で囲まれた電極セット用領域からはみ出して伸縮性管に乗り上げないよう慎重に組み付けた。MEAをセットした後に、もう一方のセパレータ板を組み付ける。セパレータ板は不透明であるため、MEAのガス拡散層と伸縮性管が接する様子を目視できないため、ガイドピンにしたがって組み付けを行った。
以上のようにして単電池を50セル積層した後、集電板と絶縁板を介して、ステンレス鋼製の端板と締結ロッドで、600kgfの締結荷重で締結した。次に、図3のように伸縮性管の加圧用マニホールドに窒素ガスを1.0kgf/cm2の圧力で供給し、シールを行った。このとき感圧紙でMEAとセパレータ板の当たりを確認した結果、MEAにかかる面圧は10kgf/cm2であった。
The procedure for assembling the cell stack will be described below.
Place an assembly jig with a guide pin up, and place a separator plate with a stretchable tube on it. Next, the MEA is set along the guide pins. At that time, the gas diffusion layer of the MEA was carefully assembled so as not to protrude from the electrode set region surrounded by the elastic tube. After setting the MEA, the other separator plate is assembled. Since the separator plate is opaque, it cannot be visually observed that the gas diffusion layer of the MEA and the stretchable tube are in contact with each other.
After 50 cells were stacked as described above, they were fastened with a fastening load of 600 kgf with a stainless steel end plate and a fastening rod via a current collector plate and an insulating plate. Next, as shown in FIG. 3, nitrogen gas was supplied to the pressurizing manifold of the stretchable tube at a pressure of 1.0 kgf / cm 2 to perform sealing. At this time, as a result of checking the contact between the MEA and the separator plate with the pressure sensitive paper, the surface pressure applied to the MEA was 10 kgf / cm 2 .
このようにして作製した積層電池についてリークチェックを行った。カソード側、アノード側、冷却水側共にリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。このときのリークチェックは、流路の出口側マニホールドを締め切り、入口側マニホールドからHeガスを0.5kgf/cm2の圧力で流入させ、封止後の圧力変化で評価した。 A leak check was performed on the laminated battery thus manufactured. There were no leaks on the cathode side, the anode side, and the cooling water side, and it was confirmed that there was no problem in the fluid sealability as a laminated battery. In this case, the leak check was performed by closing the outlet side manifold of the flow path, allowing He gas to flow from the inlet side manifold at a pressure of 0.5 kgf / cm 2 , and evaluating the pressure change after sealing.
《比較例1》
従来の平形状断面を有するガスケットをシールに用いた。
図9はガスケットをセットしたアノード側セパレータ板の正面図であり、図10はその要部の断面図である。ガスケット60は、MEAのアノードをセットすべき中央部分、並びに燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のマニホールド孔部分を切り欠いた平板状である。カソード側セパレータ板に装着されるガスケットも同様の構成を有する。この他は実施例1と同様の構成である。電極に対応する個所の寸法は、電極部とのクリアランスが平面状ガスケットの端部より片側で0.2mmとなるようにした。セルスタックの組み立ては、組立治具により実施例1と同様に行った。
単電池を50セル積層した後、同様にリークチェックを行った。締結荷重は4000kgfで、MEAにかかる面圧が10kgf/cm2であったため、締結は4000kgfで行った。その結果、一部のセルにおいてガスの外部リークやカソード側からアノード側へのガスのクロスリーク、あるいはその両方が発生し、シール不良が生じた。リークチェック条件は実施例1と同条件である。
<< Comparative Example 1 >>
A conventional gasket having a flat cross section was used for the seal.
FIG. 9 is a front view of an anode separator plate on which a gasket is set, and FIG. 10 is a cross-sectional view of an essential part thereof. The
After stacking 50 cells, a leak check was performed in the same manner. Since the fastening load was 4000 kgf and the surface pressure applied to the MEA was 10 kgf / cm 2 , the fastening was performed at 4000 kgf. As a result, in some cells, gas external leakage, gas cross leakage from the cathode side to the anode side, or both occurred, resulting in poor sealing. The leak check conditions are the same as those in the first embodiment.
《比較例2》
ここでは、従来の平形状断面を有するガスケットをシールに用い、かつ電極のガス拡散層とのクリアランスを大きくした例を説明する。ガスケットと電極とのクリアランスを片側で0.5mmとした以外は比較例1の構成と同じである。セルスタックの組み立ては、組立治具により同様に行った。単位電池を50セル積層した後、同様にリークチェックを行った。締結荷重は4000kgfでMEAにかかる面圧が10kgf/cm2であったため、締結は4000kgfで行った。その結果、カソード側、アノード側、冷却水側共にリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。リークチェック条件は実施例1と同条件である。
<< Comparative Example 2 >>
Here, an example in which a conventional gasket having a flat cross section is used for the seal and the clearance between the electrode and the gas diffusion layer is increased will be described. The configuration is the same as that of Comparative Example 1 except that the clearance between the gasket and the electrode is 0.5 mm on one side. The cell stack was assembled in the same manner using an assembly jig. After stacking 50 unit batteries, a leak check was performed in the same manner. Since the fastening load was 4000 kgf and the surface pressure applied to the MEA was 10 kgf / cm 2 , the fastening was performed at 4000 kgf. As a result, there was no leakage on the cathode side, the anode side, and the cooling water side, and it was confirmed that there was no problem in the fluid sealability as a laminated battery. The leak check conditions are the same as those in the first embodiment.
以上の実施例1および比較例1、2の電池のリークチェック後、分解したところ、全電池ともにMEAのアノード側ガス拡散層がアノード側用ガスケットの中心から多少ずれて組み付けられていた。しかし、実施例1と比較例2の電池では、シールする部位がガス拡散層よりも十分な余裕をもった外側にあるため、組み付け時のガス拡散層のずれ範囲ではシール性が確保可能であった。一方、比較例1の電池では、同様にガス拡散層とガスケットがずれていたが、平形状断面を有するガスケットでは、一部でもガス拡散層がガスケットに乗り上げるとシール性が損なわれ、シール不良を招くことがわかった。 When the batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were checked for leaks and disassembled, the MEA anode-side gas diffusion layer was assembled with a slight shift from the center of the anode-side gasket for all batteries. However, in the batteries of Example 1 and Comparative Example 2, since the part to be sealed is on the outside with a sufficient margin than the gas diffusion layer, sealing performance can be secured in the range of deviation of the gas diffusion layer during assembly. It was. On the other hand, in the battery of Comparative Example 1, the gas diffusion layer and the gasket were similarly deviated. However, in the gasket having a flat cross section, when even part of the gas diffusion layer rides on the gasket, the sealing performance is impaired, resulting in poor sealing. I understood that it would invite.
単電池の組み立てでは、MEAをセットした後に、もう一方のセパレータ板を組み付ける。この際、MEAのガス拡散層がガスケットの中心にセットされることが望ましいが、治具のクリアランス、MEAの寸法誤差、セパレータ板の寸法誤差の集積により、位置ずれが発生する。MEAのガス拡散層とガスケットが接する様子を目視できれば安定した組み付けが可能であるが、セパレータ板は不透明であるためその部分の目視ができず、ガイドピンにしたがって組み付けることとなる。
従来の平形状断面を有するガスケットであれば、想定される位置ずれの上限付近では、ガス拡散層がガスケットに乗り上げ、シール性を確保できない。組み付け性を向上させるため、クリアランスを大きくとれば、ガスがそのクリアランスを通り、電極に供給されなくなるため、発電性能が低下するのである。
In assembling the cell, after setting the MEA, the other separator plate is assembled. At this time, it is desirable that the gas diffusion layer of the MEA is set at the center of the gasket. However, misalignment occurs due to accumulation of jig clearance, MEA dimensional error, and separator plate dimensional error. If the state of contact between the gas diffusion layer of the MEA and the gasket can be visually observed, stable assembly is possible. However, since the separator plate is opaque, the portion cannot be visually observed, and is assembled according to the guide pins.
In the case of a gasket having a conventional flat cross section, the gas diffusion layer rides on the gasket near the upper limit of the assumed positional deviation, and the sealing performance cannot be ensured. If the clearance is increased in order to improve the assemblability, the gas passes through the clearance and is no longer supplied to the electrode, so that the power generation performance is lowered.
一方、本発明の伸縮性管からなるガスケットを用いた場合は、寸法ずれによりガス拡散層がずれても、ガスケットとガス拡散層とのクリアランスが十分にあるため、シール性は確保可能となる。さらに、組み立て時に大きくとっていたクリアランスも、セルスタックを締結した後に加圧ガス用マニホールドより伸縮性管内にガスを注入してこれを膨張させると、ガス拡散層とのクリアランスを減少させることが可能になる。
さらに、シール部位が垂直方向に並んでいるため、シール材を締結していった際に電解質膜やセパレータ板へせん断力や曲げモーメントが働かない。そのため、電解質膜やシール材自体は勿論、セパレータ板等へのストレスがなく、材料破損の危険性を無くすことが可能である。
On the other hand, when the gasket made of the stretchable tube of the present invention is used, even if the gas diffusion layer is displaced due to dimensional deviation, there is sufficient clearance between the gasket and the gas diffusion layer, so that sealing performance can be ensured. Furthermore, the clearance that was taken at the time of assembly can be reduced by injecting gas into the elastic tube from the pressurized gas manifold after fastening the cell stack and expanding it. become.
Furthermore, since the sealing parts are arranged in the vertical direction, no shear force or bending moment acts on the electrolyte membrane or the separator plate when the sealing material is fastened. Therefore, there is no stress on the separator plate or the like as well as the electrolyte membrane and the sealing material itself, and the risk of material damage can be eliminated.
次に、実施例1と比較例2の高分子電解質型燃料電池を、75℃に保持し、アノード側に70℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、カソード側に60℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。その結果、両電池とも電流を外部に出力しない無負荷時には、50Vの電池開放電圧を得た。クロスリーク、ショート等の不具合がないことが確認された。
上記の電池を燃料利用率80%、電流密度0.3A/cm2、燃料ガスの加湿を露点70℃、酸化剤ガス側の加湿を65℃とし、酸化剤ガス利用率を20%から5%刻みで変更する条件で発電を開始し、各条件でそれぞれ12時間発電させた。そのときの電池電圧と、12時間発電中の最小電圧と最大電圧とをエラーバーで図12に示した。その結果、比較例2の積層電池は、酸化剤ガス利用率が40%以上の条件で出力電圧が不安定となり、50%の酸化剤ガス利用率では出力電圧の低下が確認された。それに対して実施例1の電池は、65%の酸化剤ガス利用率まで安定した出力電圧が確認された。
Next, the polymer electrolyte fuel cells of Example 1 and Comparative Example 2 were maintained at 75 ° C., and hydrogen gas that had been humidified and heated to a dew point of 70 ° C. on the anode side was added to the cathode side at 60 ° C. Air that was humidified and warmed to the dew point was supplied. As a result, a battery open voltage of 50 V was obtained at the time of no load when both batteries did not output current. It was confirmed that there were no problems such as cross leak and short circuit.
The above battery has a fuel utilization rate of 80%, a current density of 0.3 A / cm 2 , a fuel gas humidification with a dew point of 70 ° C., an oxidant gas side humidification of 65 ° C., and an oxidant gas utilization rate of 20% to 5%. Power generation was started under conditions that changed in increments, and power generation was performed for 12 hours under each condition. The battery voltage at that time and the minimum and maximum voltages during 12 hours of power generation are shown in FIG. 12 with error bars. As a result, in the laminated battery of Comparative Example 2, the output voltage became unstable under conditions where the oxidant gas utilization rate was 40% or more, and a decrease in output voltage was confirmed at 50% oxidant gas utilization rate. In contrast, the battery of Example 1 was confirmed to have a stable output voltage up to an oxidant gas utilization rate of 65%.
このことから、比較例2の電池におけるような、カソード側のガス拡散層とガスケットの間のクリアランスでは、そのクリアランスに反応ガスがバイパスし、電池性能を維持するに必要な量の反応ガスを電極部へ供給できていないことが確認された。それに対して実施例1のガスケット構成では、組付け時のガス拡散層とガスケットとのクリアランスは大きいが、上述したようにガス注入により伸縮性管が変形してガス拡散層とガスケットとのクリアランスが低減するので、反応ガスのバイパスを低減し、電池性能の低下を防止することが可能である。 Therefore, in the clearance between the gas diffusion layer on the cathode side and the gasket as in the battery of Comparative Example 2, the reaction gas bypasses the clearance and an amount of the reaction gas necessary for maintaining the battery performance is supplied to the electrode. It was confirmed that the product could not be supplied to the department. On the other hand, in the gasket configuration of Example 1, the clearance between the gas diffusion layer and the gasket at the time of assembly is large, but as described above, the elastic tube is deformed by gas injection and the clearance between the gas diffusion layer and the gasket is increased. Therefore, it is possible to reduce the bypass of the reaction gas and prevent the battery performance from being lowered.
《実施例2》
図7に示すように2本の伸縮性管を配設したこと以外は実施例1と同様の積層電池を作製した。この2本の伸縮性管は、ゴム硬度の異なるフッ素ゴムを用い、外側に配設される管は内側の管よりもゴム硬度が高いものを用いた。
実施例1と同様にセルスタックを600kgfの締結荷重で締結した。次に、伸縮性管の加圧用マニホールドに窒素ガスを0.5〜1.0kgf/cm2の圧力で供給し、シールを行った。このとき感圧紙でMEAとセパレータ板の当たりを確認した結果、MEAにかかる面圧は10kgf/cm2であった。
Example 2
A laminated battery similar to that of Example 1 was produced except that two stretchable tubes were disposed as shown in FIG. The two stretchable tubes were made of fluororubber having different rubber hardness, and the tubes disposed on the outer side had higher rubber hardness than the inner tubes.
As in Example 1, the cell stack was fastened with a fastening load of 600 kgf. Next, sealing was performed by supplying nitrogen gas to the pressurizing manifold of the stretchable tube at a pressure of 0.5 to 1.0 kgf / cm 2 . At this time, as a result of checking the contact between the MEA and the separator plate with the pressure sensitive paper, the surface pressure applied to the MEA was 10 kgf / cm 2 .
このようにして作製した積層電池について、伸縮性管内のガス圧0.5〜1.0kgf/cm2の範囲で上と同様のリークチェックを行った。また、同時に実施例1の積層電池についても同様のガス圧の範囲でリークテストを行った。その結果を表1に示した。実施例1では、シールガス圧が0.5〜0.7kgf/cm2の範囲ではリークが発生したが、実施例2では0.5kgf/cm2からリークはなく、良好なシール性を示した。これはシール構造が二重になった効果と、外側の伸縮性管の硬度が内側のそれより高いため、内側の伸縮性管の変形が、図8に示すように、MEA側に向いた変形に限定された効果である。積層電池の発電特性は実施例1と同様の結果を得た。 The laminated battery thus manufactured was subjected to the same leak check as above in the range of gas pressure 0.5 to 1.0 kgf / cm 2 in the elastic tube. At the same time, the laminated battery of Example 1 was subjected to a leak test in the same gas pressure range. The results are shown in Table 1. In the first embodiment, the seal gas pressure leak occurs in the range of 0.5~0.7kgf / cm 2, no leakage from Example 2, 0.5 kgf / cm 2, showed good sealability . This is due to the double seal structure and the hardness of the outer elastic tube is higher than that of the inner one, so the deformation of the inner elastic tube is a deformation facing the MEA side as shown in FIG. It is an effect limited to. The power generation characteristics of the laminated battery were the same as those in Example 1.
《実施例3》
図5に示すようにセパレータ板の外周縁部に突部を設けたこと以外は実施例1と同様の積層電池を作製した。この突部の、膨張する管に接するエッジ部分は、曲率半径R=0.5mmの曲面となるように面取り加工をした。
セルスタックは実施例1と同様に600kgfの締結荷重で締結した。次に、伸縮性管の加圧用マニホールドに窒素ガスを0.5〜1.0kgf/cm2の圧力で供給し、シールを行った。このとき感圧紙でMEAとセパレータ板の当たりを確認した結果、MEAにかかる面圧は10kgf/cm2であった。
Example 3
As shown in FIG. 5, a laminated battery similar to that of Example 1 was produced except that a protrusion was provided on the outer peripheral edge of the separator plate. The edge portion of the protrusion that is in contact with the expanding tube was chamfered so as to be a curved surface with a radius of curvature R = 0.5 mm.
The cell stack was fastened with a fastening load of 600 kgf as in Example 1. Next, sealing was performed by supplying nitrogen gas to the pressurizing manifold of the stretchable tube at a pressure of 0.5 to 1.0 kgf / cm 2 . At this time, as a result of checking the contact between the MEA and the separator plate with the pressure sensitive paper, the surface pressure applied to the MEA was 10 kgf / cm 2 .
このようにして作製した積層電池について、伸縮性管内のガス圧0.5〜1.0kgf/cm2の範囲で上と同様のリークチェックを行った。その結果を表1に示した。実施例2の場合と同様に0.5kgf/cm2からリークはなく、良好なシール性を示した。これはセパレータ板の外周縁部の突部が実施例2の外周シールと同様の働きをし、伸縮性管の変形が図6に示すようにMEA側に向いた変形に限定された効果である。積層電池の発電特性は実施例1と同様の結果を得た。 The laminated battery thus manufactured was subjected to the same leak check as above in the range of gas pressure 0.5 to 1.0 kgf / cm 2 in the elastic tube. The results are shown in Table 1. As in the case of Example 2, there was no leakage from 0.5 kgf / cm 2 , and good sealing performance was shown. This is the effect that the protrusion on the outer peripheral edge of the separator plate functions in the same manner as the outer peripheral seal of Example 2, and the deformation of the elastic tube is limited to the deformation facing the MEA side as shown in FIG. . The power generation characteristics of the laminated battery were the same as those in Example 1.
《実施例4》
実施の形態4で説明したように、電極外周部は伸縮性管によりシールし、燃料ガス、冷却水、酸化剤ガス、および加圧ガス用の各マニホールド孔はそれぞれO−リングによりシールする構造にした以外は実施例1と同様の積層電池を作製した。
セルスタックを実施例1と同様に600kgfの締結荷重で締結した。次に、伸縮性管の加圧用マニホールドに窒素ガスを0.5〜1.0kgf/cm2の圧力で供給し、シールを行った。このとき感圧紙でMEAとセパレータ板の当たりを確認した結果、MEAにかかる面圧は10kgf/cm2であった。
Example 4
As described in the fourth embodiment, the outer periphery of the electrode is sealed by an elastic tube, and each manifold hole for fuel gas, cooling water, oxidant gas, and pressurized gas is sealed by an O-ring. A laminated battery similar to that of Example 1 was produced except that.
The cell stack was fastened in the same manner as in Example 1 with a fastening load of 600 kgf. Next, sealing was performed by supplying nitrogen gas to the pressurizing manifold of the stretchable tube at a pressure of 0.5 to 1.0 kgf / cm 2 . At this time, as a result of checking the contact between the MEA and the separator plate with the pressure sensitive paper, the surface pressure applied to the MEA was 10 kgf / cm 2 .
このようにして作製した積層電池について、上と同様のリークチェックを行った。カソード側、アノード側、冷却水側共にリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことが確認された。積層電池の発電特性は実施例1と同様の結果を得た。
このようにクリアランスの精度の要求される電極外周部にのみ伸縮性管を加圧するシール構造を適用しても実施例1と同様のシール性を確保することができた。電極外周部のみに伸縮性管を配設する構造にすることで、構造の簡素化ができるので、組み立ての信頼性、コストダウンにより効果がある。
A leak check similar to the above was performed on the laminated battery thus manufactured. There were no leaks on the cathode side, the anode side, and the cooling water side, and it was confirmed that there was no problem in the fluid sealability as a laminated battery. The power generation characteristics of the laminated battery were the same as those in Example 1.
Thus, even when the seal structure that pressurizes the elastic tube is applied only to the outer peripheral portion of the electrode that requires clearance accuracy, the same sealing performance as in Example 1 could be secured. Since the structure can be simplified by arranging the stretchable tube only on the outer periphery of the electrode, it is more effective in assembling reliability and cost reduction.
以上実施例と比較例を用いて本発明を具体的に説明したが、本発明はそれらに限定されるものではない。
伸縮性管を含むガスケットに使用する部材については、フッ素ゴム以外にも、ポリイソブレン、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、テレフタルアミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、またはそれらの複合材が用いられる。伸縮性管をセパレータ板に接着する粘着剤は、スチレンとエチレンブチレンの共重合体、ポリイソブチレン、エチエンプロピレンゴム、ブチルゴム、それらの複合品などが用いられる。
Although the present invention has been specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, the present invention is not limited to them.
In addition to fluororubber, members used for gaskets including elastic tubes include polyisobrene, butyl rubber, ethylene propylene rubber, silicone rubber, nitrile rubber, thermoplastic elastomer, liquid crystal polymer, polyimide resin, polyether ether ketone resin, poly Ether imide resin, polyphenylene sulfide resin, terephthalamide resin, polyether sulfone resin, polysulfone resin, syndiotactic polystyrene resin, polymethylpentene resin, modified polyphenylene ether resin, polyacetal resin, polypropylene resin, fluorine resin, polyethylene terephthalate resin, Or those composite materials are used. As the pressure-sensitive adhesive for bonding the stretchable tube to the separator plate, a copolymer of styrene and ethylene butylene, polyisobutylene, ethylene propylene rubber, butyl rubber, a composite product thereof, or the like is used.
上の実施例においては、伸縮性管体を粘着剤でセパレータ板に固定したが、セパレータ板に直接焼き付けなどにより固定しても同様の効果が得られる。さらに、伸縮性管を加圧する方法として、実施例では窒素により加圧したが、加圧できる流体であれば、液体、気体を問わない。例えば、コンプレッサーにより加圧された空気、加圧されて供給される燃料ガス、冷却水なども利用可能である。
伸縮性管によるシールは、O−リングを用いたシール方式のように、O―リングを填める溝の必要性がないため、その分セパレータ板の厚さを薄くし、積層電池をコンパクトにできることは言うまでもない。さらに、本発明によれば、セルスタックの締結力を大幅に低減できるため、スタックの締結構造自体の簡素化ができるとともに、端板の素材に樹脂を用いることも可能であり、コンパクト化、低コスト化が図れる。
In the above embodiment, the stretchable tube is fixed to the separator plate with an adhesive, but the same effect can be obtained even if it is fixed to the separator plate directly by baking or the like. Further, as a method for pressurizing the stretchable tube, in the embodiment, the pressurization is performed by nitrogen. However, any fluid or gas can be used as long as the fluid can be pressurized. For example, air pressurized by a compressor, fuel gas supplied under pressure, cooling water, or the like can be used.
The sealing with an elastic tube does not require a groove to fill the O-ring unlike the sealing method using an O-ring, so the thickness of the separator plate can be reduced by that amount, and the laminated battery can be made compact. Needless to say. Furthermore, according to the present invention, the fastening force of the cell stack can be greatly reduced, so that the stack fastening structure itself can be simplified, and a resin can be used for the material of the end plate. Cost can be reduced.
本発明によれば、組み立て時に必要であったクリアランスを大幅に低減することが可能になり、シールの信頼性が向上するとともに、量産時の歩留まりの向上により大幅なコスト低減が図れので、各種高分子電解質型燃料電池に有用である。 According to the present invention, it is possible to greatly reduce the clearance required at the time of assembly, improve the reliability of the seal, and significantly reduce the cost by improving the yield during mass production. Useful for molecular electrolyte fuel cells.
10 MEA
11 高分子電解質膜
12 アノード
13 カソード
14、15 触媒層
16、17 ガス拡散層
20 アノード側セパレータ板
30 カソード側セパレータ板
22 燃料ガスマニホールド孔
23 冷却水用マニホールド孔
24、35 ガス流路
25 酸化剤用マニホールド孔
27、37 冷却水の流路
28、38 加圧ガス用マニホールド孔
40、50 伸縮性管
41、51 粘着剤層
10 MEA
11
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