JP2005190760A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell composed of single cells or a fuel cell in which a plurality of single cells are stacked.
固体電解質膜型の燃料電池においては、通常、複数の単セルがスタック状に積層されて用いられる。単セルは、一般的に、冷却液用流路形成部が形成された一の面と、膜電極接合体を挟持する他の面を有するアノードセパレータとカソードセパレータ、両セパレータの他の面によって挟持される膜電極接合体を備えている。単セルを積層するに際しては、隣接するアノードセパレータの一の面の所定位置とカソードセパレータの一の面の所定位置にシール材を配置して両セパレータが当接される(例えば、特許文献1参照)。 In a solid electrolyte membrane type fuel cell, a plurality of single cells are usually stacked in a stack. A single cell is generally sandwiched between an anode separator and a cathode separator having one surface on which a flow path forming portion for coolant is formed, and another surface for sandwiching a membrane electrode assembly, and the other surfaces of both separators. The membrane electrode assembly is provided. When stacking single cells, a sealing material is disposed at a predetermined position on one surface of an adjacent anode separator and a predetermined position on one surface of a cathode separator, and both separators are brought into contact with each other (see, for example, Patent Document 1). ).
さらに、冷却液用流路形成部が各セパレータにおける一の面の一部の領域に形成されている場合には、冷却液用流路形成部が形成されている領域から、冷却液用流路形成部が形成されていない領域への、冷却液の移動を防止するためのシール材が必要となる。すなわち、冷却液用流路からの冷却液の漏出を防止し、冷却液量の減少、不測の冷却液の漏出を防止する必要がある。 Further, when the coolant channel forming part is formed in a partial region of one surface of each separator, the coolant channel is formed from the region where the coolant channel forming part is formed. A sealing material is required to prevent the coolant from moving to the region where the formation portion is not formed. That is, it is necessary to prevent leakage of the cooling liquid from the cooling liquid flow path, to prevent a decrease in the amount of cooling liquid, and an unexpected leakage of the cooling liquid.
しかしながら、冷却液の移動を防止するシール材は、通常、セパレータの中央付近に配置されることになるため、かかるシール材に起因して、他の面において挟持されている膜電極接合体に押圧力が作用するという問題があった。膜電極接合体に作用する押圧力は、膜電極接合体に損傷をもたらすと共に、反応ガスの良好な拡散を妨げてしまうおそれがある。 However, since the sealing material for preventing the movement of the cooling liquid is usually disposed near the center of the separator, the sealing material is pressed against the membrane electrode assembly held on the other surface due to the sealing material. There was a problem that pressure acted. The pressing force acting on the membrane electrode assembly may cause damage to the membrane electrode assembly and may hinder good diffusion of the reaction gas.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、シール材に起因して膜電極接合体に作用する押圧力を低減することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce a pressing force acting on a membrane electrode assembly due to a sealing material in a fuel cell.
上記課題を解決するために本発明の第1の態様は、燃料電池を提供する。本発明の第1の態様に係る燃料電池は、膜電極接合体と、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第1の面と、前記緻密質部に形成された第1の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成された第1の冷却ガス流路形成部とを有する第2の面とを備える第1のセパレータと、前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第1の面と、第2の冷却液流路形成部と第2の冷却ガス流路形成部とを有する第2の面とを備える第2のセパレータとを備える単電池と、
前記単電池が積層され、前記第1のセパレータの第2の面と前記第2のセパレータの第2の面とが組み合わされた際に、
前記第1のセパレータの第2の面の外縁部と前記第2のセパレータの第2の面の外縁 部との間に配置される第1のシール部と、前記第1の冷却液流路形成部と前記第2の冷却液流路形成部とによって形成されると共に冷却液が流れる冷却液流路と、前記第1の冷却ガス流路形成部と前記第2の冷却ガス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路と、の間に配置されると共に前記第1のシール部よりも発生反力が低い第2のシール部とを備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides a fuel cell. The fuel cell according to the first aspect of the present invention includes a membrane electrode assembly, a dense portion that does not allow liquid permeation, and a porous portion that permits liquid permeation, and is in contact with the membrane electrode assembly. A first surface having a reaction gas flow path forming portion that forms a reaction gas flow path when formed, a first coolant flow path forming portion formed in the dense portion, and a porous portion. A first separator having a second surface having a first cooling gas flow path forming portion, and a reactive gas flow path forming portion that forms a reactive gas flow path when contacting the membrane electrode assembly. A unit cell comprising: a first separator having a second separator comprising a first surface having a second surface having a second coolant flow passage forming portion and a second cooling gas passage forming portion;
When the unit cells are stacked and the second surface of the first separator and the second surface of the second separator are combined,
A first seal portion disposed between an outer edge portion of the second surface of the first separator and an outer edge portion of the second surface of the second separator; and formation of the first coolant flow path. A coolant flow path through which the coolant flows, and the first cooling gas flow path formation section and the second cooling gas flow path formation section. And a cooling gas flow path through which a cooling gas flows, and a second sealing portion that is disposed between and has a lower reaction force than the first sealing portion.
本発明の第1の態様に係る燃料電池によれば、冷却液流路と冷却ガス流路との間に配置されている第2のシール部は、第1のシール部よりも発生反力が低いので、シール部の反力に起因して膜電極接合体に加わる押圧力を低減させることができる。この結果、押圧力による膜電極接合体の損傷を防止することができると共に、押圧力による反応ガス流路における反応ガスの良好な拡散の阻害を防止することができる。また、第2のシール部によって、冷却液流路から冷却ガス流路への不測の冷却液の移動を防止することができる。 According to the fuel cell of the first aspect of the present invention, the second seal portion disposed between the coolant flow path and the cooling gas flow path has a reaction force generated more than that of the first seal section. Since it is low, the pressing force applied to the membrane electrode assembly due to the reaction force of the seal portion can be reduced. As a result, it is possible to prevent damage to the membrane electrode assembly due to the pressing force, and it is possible to prevent hindering good diffusion of the reaction gas in the reaction gas flow path due to the pressing force. Moreover, the unexpected movement of the coolant from the coolant channel to the coolant gas channel can be prevented by the second seal portion.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記第1のシール部は第1のシール材であり、前記第2のシール部は、前記第1のシール材よりも低反力な特性を有する第2のシール材であっても良い。かかる場合には、第2のシール部に対して、第1のシール部に適用される応力と同一の応力が加えられたとしても、反力が低い第2のシール材によって、第2のシール部における発生反力を、第1のシール部における発生反力よりも低くすることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the first seal portion is a first seal material, and the second seal portion has a lower reaction force than the first seal material. The 2nd sealing material which has may be sufficient. In such a case, even if the same stress as the stress applied to the first seal portion is applied to the second seal portion, the second seal material has a low reaction force, and thus the second seal portion has a low reaction force. The reaction force generated at the portion can be made lower than the reaction force generated at the first seal portion.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記第2のシール部は、前記第1のセパレータの前記第2の面に形成されている第1の挟持部と、前記第2のセパレータの第2の面に形成されている第2の挟持部と、前記第1の挟持部および第2の挟持部によって挟持されるシール材とによって形成され、前記第1の挟持部の挟持面および前記第2の挟持部の挟持面には、シール距離増大部が形成されていても良い。かかる場合には、シール距離増大部によってシール距離(シール長さ)が増大されるため、第1のシール部に適用される押圧力よりも少ない押圧力によっても十分なシール性能を得ることができる。したがって、第2のシール部における発生反力を第1のシール部における発生反力よりも低くすることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the second seal portion includes a first sandwiching portion formed on the second surface of the first separator, and a second separator. Formed by a second sandwiching portion formed on the second surface, and a sealing material sandwiched by the first sandwiching portion and the second sandwiching portion, and the sandwiching surface of the first sandwiching portion and the A seal distance increasing portion may be formed on the clamping surface of the second clamping portion. In such a case, since the seal distance (seal length) is increased by the seal distance increasing portion, sufficient sealing performance can be obtained even with a pressing force smaller than the pressing force applied to the first seal portion. . Therefore, the reaction force generated in the second seal portion can be made lower than the reaction force generated in the first seal portion.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記シール距離増大部は、複数の凹凸部であっても良い。かかる場合には、挟持面における表面積を増大し、単位面積当たりの圧力を低減することができるので、第2のシール部における発生反力を第1のシール部における発生反力よりも低くすることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the sealing distance increasing portion may be a plurality of uneven portions. In such a case, since the surface area on the clamping surface can be increased and the pressure per unit area can be reduced, the reaction force generated in the second seal portion is made lower than the reaction force generated in the first seal portion. Can do.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記複数の凹凸部のうち少なくとも1つの凹部の深さは、他の凹部の深さよりも深くても良い。かかる場合には、他の凹部よりも深さの深い凹部によって冷却液を滞留させることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the depth of at least one recess among the plurality of recesses and projections may be deeper than the depth of other recesses. In such a case, the cooling liquid can be retained by a recess having a deeper depth than other recesses.
本発明の第1に態様に係る燃料電池において、前記第2のシール部は、前記第1のセパレータの前記第2の面に形成された第1の挟持部と、前記第2のセパレータの第2の面に形成された第2の挟持部と、前記第1および第2の挟持部によって挟持されるシール材とによって形成され、前記第1および第2の挟持部の挟持面および前記シール材は、所定の官能基で修飾されていても良い。かかる場合には、官能基間の物理的、化学的相互作用によってシール材と、第1および第2の挟持部の当接面との間に結合力が形成されるので、より少ない押圧力(圧着力)によって、あるいは、圧着力に依存することなく十分なシール性能を得ることができる。したがって、第2のシール部における発生反力を低減させることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the second seal portion includes a first holding portion formed on the second surface of the first separator, and a second portion of the second separator. Formed by a second clamping part formed on the second surface and a sealing material clamped by the first and second clamping parts, and the clamping surface of the first and second clamping parts and the sealing material May be modified with a predetermined functional group. In such a case, a bonding force is formed between the sealing material and the contact surfaces of the first and second holding portions by physical and chemical interaction between the functional groups, so that a smaller pressing force ( A sufficient sealing performance can be obtained by the pressure-bonding force) or without depending on the pressure-bonding force. Therefore, the reaction force generated at the second seal portion can be reduced.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記第2のシール部は、前記第1のセパレータの前記第2の面に形成された第1の第2シール部形成部と、前記第2のセパレータの前記第2の面に形成された第2の第2シール部形成部と、略コの字状の開口部を有すると共に前記第1および第2の第2シール部形成部において前記冷却液流路に対して前記略コの字状の開口部を向けて配置されるシール材によって形成されていても良い。かかる場合には、冷却液流路から開口部に適用される内圧によって冷却液に対するシール機能が実現されるので、押圧力に依存することなく十分なシール性能を得ることができる。したがって、第2のシール部における発生反力を低減させることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the second seal portion includes a first second seal portion forming portion formed on the second surface of the first separator, and the second seal portion. A second second seal portion forming portion formed on the second surface of the separator, and a substantially U-shaped opening, and the cooling in the first and second seal portion forming portions. You may form with the sealing material arrange | positioned facing the said substantially U-shaped opening part with respect to a liquid flow path. In such a case, since the sealing function for the coolant is realized by the internal pressure applied to the opening from the coolant channel, a sufficient sealing performance can be obtained without depending on the pressing force. Therefore, the reaction force generated at the second seal portion can be reduced.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記シール材はさらに、前記冷却ガス流路に向けられた略コの字状の開口部を備えても良い。かかる場合には、冷却ガス流路から開口部に適用される内圧によってもシール機能が実現されるので、さらに十分なシール性能を得ることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the sealing material may further include a substantially U-shaped opening directed to the cooling gas flow path. In such a case, since the sealing function is realized also by the internal pressure applied from the cooling gas flow path to the opening, further sufficient sealing performance can be obtained.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記第2のセパレータは、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記第2の冷却液流路形成部は前記緻密質部に形成され、前記第2の冷却ガス流路形成部は前記多孔質部に形成されていても良い。かかる場合には、多孔質部から生成水を始めとする液体を排出することができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the second separator includes a dense portion that does not allow liquid permeation and a porous portion that allows liquid permeation, and the second coolant flow The path forming part may be formed in the dense part, and the second cooling gas flow path forming part may be formed in the porous part. In such a case, liquids such as generated water can be discharged from the porous portion.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記冷却ガス流路の下流端は、前記第1のセパレータと膜電極接合体によって形成される反応ガス流路と連通していても良い。かかる場合には、多孔質部によって加湿された冷却ガスを反応ガスとして用いることができるので、反応ガスを加湿するための加湿器が不要、あるいは加湿器の小型化を図ることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the downstream end of the cooling gas channel may be in communication with the reaction gas channel formed by the first separator and the membrane electrode assembly. In such a case, since the cooling gas humidified by the porous portion can be used as the reaction gas, a humidifier for humidifying the reaction gas is unnecessary, or the humidifier can be downsized.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記第1のセパレータはカソード側のセパレータであり、前記第2のセパレータはアノード側のセパレータであり、前記冷却ガスは酸化ガスとしての空気であっても良い。かかる場合には、冷却ガスを反応ガスとしての酸化ガスとして用いることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the first separator is a cathode-side separator, the second separator is an anode-side separator, and the cooling gas is air as an oxidizing gas. May be. In such a case, the cooling gas can be used as the oxidizing gas as the reaction gas.
本発明の第1の態様に係る燃料電池において、前記冷却液はエチレングリコール水溶液であっても良い。かかる場合には、冷却液の凍結を防止することができる。また、本発明の第1の態様に係る燃料電池においては、冷却液として不凍液を用いても、不凍液による、膜電極接合体、特には、電解質膜の損傷を防止することができる。したがって、冷却液として不凍液を用いることができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the coolant may be an aqueous ethylene glycol solution. In such a case, freezing of the cooling liquid can be prevented. Further, in the fuel cell according to the first aspect of the present invention, even when an antifreeze liquid is used as the coolant, the membrane electrode assembly, particularly the electrolyte membrane, can be prevented from being damaged by the antifreeze liquid. Accordingly, an antifreeze liquid can be used as the cooling liquid.
本発明の第2の態様は、少なくとも一方が液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とからなる一組のセパレータと、一組のセパレータによって挟持される膜電極接合体とを備える単電池が複数積層されてなる燃料電池を提供する。本発明の第2の態様に係る燃料電池は、前記各単電池の隣接部において、前記緻密質部に対応する部分に形成され、冷却液が流れる冷却液流路と、前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、外縁部に配置される第1のシール部と、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置され、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路とを分離すると共に前記第1のシール部よりも応力に対する反力が低い第2のシール部とを備えることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a pair of separators, at least one of which includes a dense part that does not allow liquid permeation and a porous part that allows liquid permeation, and a membrane electrode sandwiched between the pair of separators. Provided is a fuel cell in which a plurality of unit cells including a joined body are stacked. The fuel cell according to the second aspect of the present invention is formed in a portion corresponding to the dense portion in the adjacent portion of each unit cell, and corresponds to the coolant flow path through which the coolant flows and the porous portion. A cooling gas flow path formed in a portion to be formed, a first seal portion disposed at an outer edge, and the cooling liquid flow path and the cooling gas flow path are disposed between the cooling liquid flow path and the cooling gas flow path. And a second seal portion that separates the cooling gas flow path and has a lower reaction force to stress than the first seal portion.
本発明の第2の態様に係る燃料電池によれば、本発明の第1の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができると共に、本発明の第2の態様に係る燃料電池は、本発明の第1の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現され得る。 According to the fuel cell according to the second aspect of the present invention, the same effect as the fuel cell according to the first aspect of the present invention can be obtained, and the fuel cell according to the second aspect of the present invention provides In the same manner as the fuel cell according to the first aspect of the present invention, it can be realized in various aspects.
以下、本発明に係る燃料電池について図面を参照しつつ、いくつかの実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, a fuel cell according to the present invention will be described based on several embodiments with reference to the drawings.
・第1の実施例:
図1〜図5を参照して第1の実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図1は第1の実施例に係る燃料電池の外観構成の一例を模式的に示す説明図である。図2は第1の実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第1の面(膜電極接合体との接触面)の構成を模式的に示す説明図である。図3は第1の実施例の燃料電池の構成要素であるカソードセパレータの第2の面(冷却流路側面)の構成を模式的に示す説明図である。図4は第1の実施例の燃料電池の構成要素であるアノードセパレータの第1の面(膜電極接合体との接触面)の構成を模式的に示す説明図である。図5は、第1の実施例に係る燃料電池10の一部を縦方向に(例えば、図2の5−5線にて)切断した縦断面を模式的に示す説明図である。
First embodiment:
A schematic configuration of the fuel cell according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing an example of the external configuration of the fuel cell according to the first embodiment. FIG. 2 is an explanatory view schematically showing the configuration of the first surface (contact surface with the membrane electrode assembly) of the cathode separator which is a component of the fuel cell of the first embodiment. FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the second surface (cooling flow channel side surface) of the cathode separator, which is a component of the fuel cell of the first embodiment. FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the first surface (contact surface with the membrane electrode assembly) of the anode separator which is a component of the fuel cell of the first embodiment. FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a longitudinal section obtained by cutting a part of the
第1の実施例に係る燃料電池10は、複数の単セル20と、エンドプレート30と、テンションプレート31を備えている。複数の単セル20は、2枚のエンドプレート30によって挟まれ、テンションプレート31がボルト32によって各エンドプレート30に結合されることによって、スタック状の燃料電池10を形成する。
The
単セル20は、膜電極接合体21、カソードセパレータ22、アノードセパレータ23とによって構成されている。単セル20は、カソードセパレータ22とアノードセパレータ23とが接するようにして複数個積層される。
The
膜電極接合体21は、図5に詳細に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜211と、電解質膜211の一方の面に配置された触媒層からなる電極(例えば、アノード電極、図示せず)、電解質膜211の他方の面に配置された触媒層からなる電極(例えば、カソード電極、図示せず)、各触媒層のセパレータ対向面に配置された拡散層212とを備えている。なお、膜電極接合体21は、電解質膜211と触媒層(電極)から構成されるものとし、これに別体の構成部材として拡散層が備えられても良い。いずれの場合にも、電解質膜211、触媒層および拡散層が両セパレータ22、23によって挟持される。
As shown in detail in FIG. 5, the
カソードセパレータ22は、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。カソードセパレータ22は、そのほとんどが緻密質部で形成されているが、図2および図3における下側中央領域には多孔質部40にて形成されている。多孔質部40は、例えば、ポーラス状に形成されたカーボン、燒結金属または金属メッシュといった多孔質の金属を用いることで緻密質部と同一の材料にて形成され得る。多孔質部40は緻密質部と一体に成形されても良く、あるいは別に成形した後に緻密質部と接合または結合されても良い。
The
カソードセパレータ22は、膜電極接合体21(カソード電極)との接触面である第1の面22aと冷却流路が形成されている第2の面22bとを備えている。カソードセパレータ22は、酸化ガス供給マニホールド形成部221a、酸化ガス排気マニホールド形成部221b、燃料ガス供給マニホールド形成部222a、燃料ガス排気マニホールド形成部222bを備えている。これら各形成部221a、221b、222a、222bは、積層時に、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排気マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、および燃料ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。
The
カソードセパレータ22は、さらに、冷却液供給マニホールド形成部223a、冷却液排出マニホールド形成部223b、冷却ガス供給マニホールド形成部224a、冷却ガス排気マニホールド形成部224bを備えている。これら各形成部223a、223b、224a、224bは、積層時に冷却液供給マニホールド、冷却液排出マニホールド、冷却ガス供給マニホールド、および冷却ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。なお、図2および図3から明らかなように、冷却ガス排気マニホールド形成部224bおよび酸化ガス供給マニホールド形成部221aは同一の開口部によって実現され、それぞれ冷却ガス排気部および酸化ガス供給部としても機能する。これら冷却液および冷却ガスは、燃料電池10を冷却するために用いられる。冷却液としては、氷点下環境下における凍結を防止するために、例えば、エチレングリコールを成分に含む不凍液が用いられている。冷却ガスとしては、例えば、酸化ガスとしても利用可能な空気が用いられる。
The
カソードセパレータ22の第1の面22aについて、図2を参照して詳述する。カソードセパレータ22の第1の面22aの略中央には、膜電極接合体21と接し、覆われることにより酸化ガス流路(反応ガス流路)を形成する酸化ガス(反応ガス)流路形成部225が形成されている。酸化ガス流路形成部225は、リブ70によって複数の直線状の流路形成部に区画されている。また、カソードセパレータ22の第1の面22aの外周縁部、および各マニホールド形成部の周囲には、各流体の漏出、混合を防止するために第1のシール部60(シール材)が配置されている。
The
なお、酸化ガス流路としては、直線状流路の他に、サーペンタイン流路の形状を取っても良い。さらに、酸化ガス流路形成部225は、リブ70に代えて、複数の突起を備え、複数の突起によって酸化ガス流路を区画してもよい。
In addition, as an oxidizing gas flow path, you may take the shape of a serpentine flow path other than a linear flow path. Further, the oxidizing gas flow
酸化ガス供給部221aから酸化ガス流路形成部225に導入された酸化ガスは、例えば、図2に示すように流動して、酸化ガス排気マニホールド形成部221bからセパレータ外(酸化ガス排気マニホールド)へ排出される。
The oxidant gas introduced from the oxidant
一般的に、燃料電池10のカソード側では、起電反応に伴い水(生成水)が生成されるため、酸化ガス流路形成部225の領域のうち、酸化ガス供給部221aに近い領域DAは比較的乾燥している一方で、酸化ガス排気マニホールド形成部221bに近い領域WAは湿潤傾向となりやすい。これに対して、第1の実施例では、カソードセパレータ22の下部は、多孔質部40から構成されているので、生成された水は多孔質部40に吸収され、後述する冷却ガス流路55に排出されるので、いわゆるフラッディングが防止される。
Generally, on the cathode side of the
カソードセパレータ22の第2の面22bについて、図3を参照して詳述する。カソードセパレータ22の第2の面22bは、緻密質部である冷却液流路形成部226、多孔質部40を含む冷却ガス流路形成部227を備えている。冷却液流路形成部226および冷却ガス流路形成部227は、カソードセパレータ22の第2の面22bと、同様の各流路形成部を有するアノードセパレータ23の第2の面23bとが組み合わされることにより、それぞれ冷却液流路50および冷却ガス流路55を形成する。
The
冷却液流路形成部226は、冷却液供給マニホールド形成部223aおよび冷却液排出マニホールド形成部223bと連通されており、液冷によって燃料電池10を冷却する。冷却ガス流路形成部227は、冷却ガス供給部224a、および冷却ガス排気マニホールド形成部224bと連通されており、空冷によって燃料電池10を冷却する。
The coolant flow
冷却ガス流路形成部227を通過する冷却ガスは、多孔質部40を通過する際に加湿される。多孔質部40は、既述のように生成水を含んでいるので、乾いた冷却ガスが通過(接触)すると、毛細管現象、気化現象によって含有している水分が冷却ガスによって奪われる、すなわち、冷却ガスが加湿される。加湿された冷却ガスは、冷却ガス排気マニホールド形成部224b、すなわち酸化ガス供給部221aから酸化ガス流路形成部225へと導かれる。したがって、加湿された冷却ガスを酸化ガスとして利用することができる。
The cooling gas passing through the cooling gas flow
各セパレータ22、23の第2の面22b、23bにおいて冷却液流路50(冷却液流路形成部226)と冷却ガス流路55(冷却ガス流路形成部227)との間には第2のシール部61(中間シール材)が配置されている。第2のシール部61は、冷却液の冷却ガス流路へと移動(漏出)を防止するために設けられている。
On the
一般的に、カソードセパレータ22の第2の面における中間シール材の周辺領域は、押圧シールによってシール機能を提供する中間シール材によって、カソードセパレータ22の第2の面における他の領域よりも高い押圧力を発生させる領域となる。したがって、膜電極接合体21には、カソードセパレータ22の第1の面におけるリブ70を介して高い押圧力が作用する。
In general, the peripheral area of the intermediate seal material on the second surface of the
しかしながら、第1の実施例における第2のシール部61は、押圧力に対する反力が第1のシール部60の反力よりも低くなるように、また、低い反力でも第1のシール部60と同等のシール能力を発揮するよう構成されている。すなわち、後述するように、第2のシール部61を構成するシール材として、第1のシール部におけるシール材よりも低反力な材質のシール材を用いられている。したがって、第2のシール部61における反力は、第1のシール部60における反力よりも低くなり、カソードセパレータ22を介して膜電極接合体21の電解質膜211に加わる押圧力を低減することができる。
However, the
アノードセパレータ23は、カソードセパレータ22と同様にして、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料から形成されている。第1の実施例におけるアノードセパレータ23は、カソードセパレータ22と同様にして緻密質部および多孔質部40から形成されている。アノードセパレータ23は、膜電極接合体21(アノード電極)との接触面である第1の面23aと、冷却流路が形成されている第2の面23bとを備えている。
The
アノードセパレータ23は、酸化ガス供給マニホールド形成部231a、酸化ガス排気マニホールド形成部231b、燃料ガス供給マニホールド形成部232a、燃料ガス排気マニホールド形成部232bを備えている。これら各形成部231a、231b、232a、232bは、積層時に酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排気マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、および燃料ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。
The
アノードセパレータ23は、さらに、冷却液供給マニホールド形成部233a、冷却液排出マニホールド形成部233b、冷却ガス供給マニホールド形成部234a、冷却ガス排気マニホールド形成部234bを備えている。これら各形成部233a、233b、234a、234bは、積層時に冷却液供給マニホールド、冷却液排出マニホールド、冷却ガス供給マニホールド、および冷却ガス排気マニホールドをそれぞれ形成する。
The
アノードセパレータ23の第1の面23aについて、図4を参照して詳述する。アノードセパレータ23の第1の面23aの略中央には、膜電極接合体21と接し、覆われることにより燃料ガス流路(反応ガス流路)を形成する燃料ガス(反応ガス)流路形成部235が形成されている。燃料ガス流路形成部235は、リブ70によって複数の直線状の流路形成部に区画されている。
The
アノードセパレータ23の第2の面23bにも、カソードセパレータ22の第2の面22bと同様にして、冷却液流路50(冷却液流路形成部226)と冷却ガス流路55(冷却ガス流路形成部227)との間には第2のシール部61が配置(形成)されている。また、アノードセパレータ23の第2の面23bの外縁部および各マニホールド形成部の周囲には第1のシール部60が配置(形成)されている。
Similarly to the
なお、燃料ガス流路としては、直線状流路の他に、サーペンタイン流路の形状を取っても良い。さらに、燃料ガス流路形成部225は、リブ70に代えて、複数の突起を備え、複数の突起によって燃料ガス流路を区画してもよい。
In addition to the linear flow path, the fuel gas flow path may take the shape of a serpentine flow path. Further, the fuel gas flow
燃料ガス供給マニホールド形成部232aから燃料ガス流路形成部235に導入された燃料ガスは、例えば、図4中矢印にて示すように流動して、燃料ガス排気マニホールド形成部232bからセパレータ外へ排出される。
The fuel gas introduced from the fuel gas supply
アノードセパレータ23の第2の面23bの構成は、カソードセパレータ22の第2の面22bと同様であるから、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
Since the configuration of the
図6を参照して第1の実施例における第2のシール部61の具体的構成について説明する。図6は第1の実施例における第2のシール部61を模式的に拡大して示す拡大図である。第1の実施例におけるカソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)されている第2のシール部61は、応力に対して第1のシール部60に用いられるシール材よりも低い反力を示す低反力シール材611、余剰の低反力シール材611を貯めるシール材たまり部612、低反力シール材611を挟持してシール機能を実現するビード部613、第2のシール部61においてビード部613と冷却液流路および冷却ガス流路を区画する区画部614を備えている。
A specific configuration of the
低反力シール材611としては、例えば、硬度が低減されたゴム材(弾性材)、ゲル化剤、接着剤が適当である。ゲル化剤としては、例えば、半固体状のポリマーのポリイソブチレンである、新日本石油社のテトラックスを用いることができる。また、接着剤は、一般的に、接着剤に起因する反力を生じさせない。
As the low reaction
ここで、一般的に、シール特性は、シール部(ビード部613)の長さによって決定され、シール部長さが長ければ長いほど良好なシール特性を示す。一方、第2のシール部61によって膜電極接合体21に与える押圧力を低減するためには、ビード部613間の隙間が厚いほど膜電極接合体21に対する押圧力を低減することができる。したがって、ビード部613の長さはできる限り長く取られ、ビード部613の高さは、区画部614の高さよりも低く形成されている。
Here, generally, the sealing characteristics are determined by the length of the sealing portion (bead portion 613), and the longer the sealing portion length, the better the sealing characteristics. On the other hand, in order to reduce the pressing force applied to the
さらに、ビード部613の高さは、冷却液流路50および冷却ガス流路55に流路を規定するリブが形成されている場合には、これらリブの高さよりも低く形成されていることが好ましい。ビード部613の高さがリブ高さよりも低く形成されることによってビード部613における隙間が確保され、低反力な低反力シール材611と相まって、第2のシール部61によって膜電極接合体21に与える応力を低減することができる。
Furthermore, the height of the
低反力シール材611を用いた第2のシール部の他の構成例について図7および図8を参照して説明する。図7は第1の実施例における第2のシール部の第1の変形例を模式的に示す説明図である。図8は第1の実施例における第2のシール部の第2の変形例を模式的に示す説明図である。
Another configuration example of the second seal portion using the low reaction
図7に示す第1の変形例に係る、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部61aは、ビード部613に代えて低反力シール材611aを配置するための収容部615を備えている。低反力シール材611aは、凸状の形状を有すると共に収容部615の全域にわたって配置(充填)されており、その距離によって良好なシール特性の実現を図っている。
The
図8に示す第2の変形例に係る、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部61bは、第1の変形例に係る第2のシール部61aと同様の構成を備えるが、凸状の形状を有する低反力シール材611bを複数備えることによって良好なシール特性の実現を図っている。なお、低反力シール材611bは1つのシール材が複数の凸部(山状部)を備える構成としても良い。
The
以上説明したように、第1の実施例に係る燃料電池10は、押圧力に対する反力が各セパレータ22、23の外縁部に配置(形成)される第1のシール部60の反力よりも低い第2のシール部61(低反力シール材611)を備えている。したがって、第2のシール部61における反力を、第1のシール部60における反力よりも低くすることが可能となり、カソードセパレータ22を介して膜電極接合体21の電解質膜211に加わる押圧力を低減することができる。この結果、第2のシール部61に起因する押圧力による膜電極接合体21の電解質膜の損傷を防止することができる。また、第2のシール部61は起因する押圧力による拡散層212のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。したがって、電池寿命を延ばすことができる。
As described above, in the
さらに、第2のシール部61は低い反力でも第1のシール60と同等のシール能力を発揮するよう構成されているので、冷却液流路50(冷却ガス流路226)から冷却ガス流路55(冷却ガス流路形成部227)への冷却液の移動、漏れを防止することができる。したがって、冷却液としてエチレングリコール等の不凍液を用いても、冷却液が多孔質部40から膜電極接合体21に到達することはなく、不凍液のアルコール成分による電解質膜211の溶解を防止することができる。また、冷却液として純水を用いる場合にも、膜電極接合体21に対して、何ら調整されることなく純水が供給される事態を防止することができる。
Further, since the
また、本発明の第1の態様に係る燃料電池では、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23における冷却ガス流路の下流端は、カソードセパレータ22の酸化ガス流路形成部225と連通されている。したがって、多孔質部40によって加湿された冷却ガスを酸化ガスとして用いることができるので、酸化ガスを加湿するための加湿器が不要、あるいは加湿器の小型化を図ることができる。
In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the downstream ends of the cooling gas flow paths in the
・第2の実施例:
図9〜図11を参照して第2の実施例に係る燃料電池における第2のシール部について説明する。図9は第2の実施例における第2のシール部の第1の態様を模式的に示す説明図である。図10は第2の実施例における第2のシール部の第2の態様を模式的に示す説明図である。図11は第2の実施例における第2のシール部の第3の態様を模式的に示す説明図である。
Second embodiment:
The second seal portion in the fuel cell according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is an explanatory view schematically showing a first mode of the second seal portion in the second embodiment. FIG. 10 is an explanatory view schematically showing a second mode of the second seal portion in the second embodiment. FIG. 11 is an explanatory view schematically showing a third mode of the second seal portion in the second embodiment.
第2の実施例に係る燃料電池は、第2のシール部の構成を除いて第1の実施例に係る燃料電池10と同様の構成を備えるので、各構成要素についての説明は第1の実施例において用いた符号と同一の符号を用いることで省略する。
Since the fuel cell according to the second embodiment has the same configuration as that of the
第2の実施例における、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部62は、シール長さを長く取ることによって押圧力に依存することなく良好なシール特性を実現すると共に、表面面積を増大させることによって単位面積当たりの押圧力を低下させ、もって反力を低減する。図9に示す第1の態様を用いて具体的に説明する。第2のシール部62の第1の態様は、山型に凹凸が形成されたビード部621、ビード部621間に配置されるシール材622を備えている。ビード部621は、山型の凹凸部を有することで、平滑な表面状体の場合と比較して、その表面積を増大させ、結果としてシール長さを増大させている。
In the second embodiment, the
ビード部621の表面積が増大されると、同一の押圧力に対する単位面積当たりの圧力が小さくなり、シール材622に加わる押圧力が小さくなるので、シール材622の反力も低減される。また、ビード部621のシール長さが増大されることによって、良好なシール特性を実現することができると共に、ガスバリア性を向上させることができる。なお、シール材622としては、第1のシール部60に用いられるシール材と同一のシール材が用いられても良く、さらには、低反力な特性を有するシール材が用いられることが好ましい。
When the surface area of the
図10に示す第2の態様における、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部62aは、表面が不均一に荒らされたビード部623を備えている。かかるビード部623によってもシール長さ、ビード部表面積が増大される。
The
図11に示す第3の態様における、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部62bは、複数の半球状のシール材たまり部625を有するビード部624を備えている。かかるビード部624によってもシール長さ、ビード部表面積が増大される。また、シール材中に含まれる透過ガスはシール材たまり部625に溜まったシール材に滞留するので、ガスバリア性を向上させることができる。
The
以上説明したように、第2の実施例における第2のシール部62(62a、62b、62c)は、その表面(当接面)に、ビード部(シール部)の表面積を増大させる形状を有しているので、第2のシール部62における面圧を低くすることが可能となり、この結果、第2のシール部62の反力を、低減させることができる。したがって、カソードセパレータ22を介して膜電極接合体21の電解質膜211に加わる押圧力を低減し、第2のシール部62に起因する押圧力による膜電極接合体21の電解質膜の損傷を防止することができる。また、第2のシール部62は起因する押圧力による拡散層212のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。したがって、電池寿命を延ばすことができる。
As described above, the second seal portion 62 (62a, 62b, 62c) in the second embodiment has a shape that increases the surface area of the bead portion (seal portion) on the surface (contact surface). Therefore, the surface pressure in the
さらに、第2のシール部62はビード部(シール部)のシール長さを増大させる形状を有しているので、不凍液に対する良好なシール特性を実現すると共に、ガスバリア性を向上させることができる。したがって、冷却液流路50(冷却ガス流路226)から冷却ガス流路55(冷却ガス流路形成部227)への冷却液の移動、漏れを防止することができる。この結果、冷却液としてエチレングリコール等の不凍液を用いても、冷却液が多孔質部40から膜電極接合体21に到達することはなく、不凍液のアルコール成分による電解質膜211の溶解を防止することができる。
Furthermore, since the
・第3の実施例:
図12〜図15を参照して第3の実施例に係る燃料電池における第2のシール部について説明する。図12は第3の実施例における第2のシール部の第1の態様を模式的に示す説明図である。図13は第3の実施例における第2のシール部の第2の態様を模式的に示す説明図である。図14は第3の実施例における第2のシール部の第3の態様を模式的に示す説明図である。図15は第3の実施例における第2のシール部の第4の態様を模式的に示す説明図である。
Third embodiment:
A second seal portion in the fuel cell according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is an explanatory view schematically showing a first aspect of the second seal portion in the third embodiment. FIG. 13 is an explanatory view schematically showing a second mode of the second seal portion in the third embodiment. FIG. 14 is an explanatory view schematically showing a third mode of the second seal portion in the third embodiment. FIG. 15 is an explanatory view schematically showing a fourth aspect of the second seal portion in the third embodiment.
第3の実施例に係る燃料電池は、第2のシール部の構成を除いて第1の実施例に係る燃料電池10と同様の構成を備えるので、各構成要素についての説明は第1の実施例において用いた符号と同一の符号を用いることで省略する。
The fuel cell according to the third embodiment has the same configuration as that of the
第3の実施例における、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部63は、シール表面を所定の官能基で修飾することによって押圧力に依存することなく良好なシール特性を実現し、押圧力に依存しないことによって第2のシール部63に起因する反力を低減する。図12に示す第1の態様を用いて具体的に説明する。第2のシール部63の第1の態様は、親水性の官能基が修飾されたビード部631、修飾されている官能基と親和性の高い官能基を含むシール材632を備えている。
In the third embodiment, the
図12の例では、ビード部631は、ヒドロキシル基を末端に持つ分子鎖(−R−OH)によって修飾処理されており、シール材632もまたヒドロキシル基を末端に持つ分子鎖(−R−OH)を含んでいる。したがって、シール材632挿入後にエチレングリコール水溶液等の酸溶液がビード部631およびシール材632に接触すると、両分子鎖のヒドロキシル基間で縮合反応が生じ、水分子が取り除かれ、ビード部631の官能基とシール材632の官能基とが結合して、より強固なシール面を形成するため、低荷重であってもシール部の接触性が損なわれることなくエチレングリコールの浸透を阻止する。なお、ヒドロキシル基の他に、例えば、官能基として、カルボン酸基(−COOH)を用いてもよい。かかる場合には、エチレングリコール水溶液等の酸溶液が酸触媒として機能し、カルボン酸とアルコールの脱水重合によって架橋が形成され、強固なシール面が形成される。
In the example of FIG. 12, the
すなわち、官能基間の物理的、化学的相互作用によって、ビード部631とシール材632との間に結合力を発生させて、冷却液の浸透を防止するための良好なシール特性を実現する。このように、官能基間の物理的、化学的相互作用を利用してシール機能を実現するので、第2のシール部63におけるシール特性は押圧力に依存しない。親水性の官能基としては、この他に、アルデヒド基、ケトン基、アセチル基、アミノ基が用いられ得る。すなわち、冷却液中に含まれる化学種を架橋剤として、架橋反応を起こす官能基であればよい。
That is, a bonding force is generated between the
図13に示す第2の態様における、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部63aは、疎水処理が施されたビード部633と、疎水性基を含むシール材634を備えている。かかる場合には、ビード部633およびシール材634にエチレングリコール水溶液が触れると、疎水結合が形成される。したがって、かかる化学的結合によってエチレングリコール水溶液のさらなる浸透が阻止される。疎水性基としては、アルキル基(−CnH2n+1)、フェニル基(−C6H5)、または、フッ素、シリカ等の無機化合物が用いられ得る。また、疎水処理としては、ジメチルシクロロシラン(C2H6Cl2Si)によるシランカップリング等が用いられ得る。
In the second mode shown in FIG. 13, the
図13に示す第2の態様は、図14に示す第3の態様としても実現され得る。第3の態様における、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部63bは、冷却液流路側端部に親水処理が施されたビード部635と、疎水性基を含むシール材636を備えている。かかる場合には、親水基および疎水基間の反発力によって、シール材636が、ビード部635間に封入される。したがって、押圧力に依存することなく、良好なシール特性を得ることができる。
The second mode shown in FIG. 13 can also be realized as the third mode shown in FIG. In the third embodiment, the
図15に示す第4の態様における、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部63cは、アミノ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基等の水素原子が電気陰性度の高い原子に結合した官能基により親水処理が施されたビード部637と、同様な水素原子を含む官能基により親水処理された表面を持つシール材638とを備えている。かかる場合には、ビード部637とシール材638との間で水素結合が形成される。したがって、かかる化学的結合によってエチレングリコール水溶液のさらなる浸透が阻止される。
In the fourth embodiment shown in FIG. 15, the
以上説明したように、第3の実施例における第2のシール部63(63a、63b、63c)は、ビード部のシール表面を所定の官能基で修飾し、シール材にはビード部の修飾に用いられた官能基と親和性の高い官能基が含まれている。したがって、第2のシール部63には、化学的・物理的相互作用によって共有結合または水素結合、疎水結合といった非共有結合が形成され、これら形成された結合によって良好なシール特性を実現することができる。したがって、第2のシール部63は、冷却液流路50(冷却ガス流路226)から冷却ガス流路55(冷却ガス流路形成部227)への冷却液の移動、漏れを防止することができる。この結果、冷却液としてエチレングリコール等の不凍液を用いても、冷却液が多孔質部40から膜電極接合体21に到達することはなく、不凍液のアルコール成分による電解質膜211の溶解を防止することができる。
As described above, the second seal portion 63 (63a, 63b, 63c) in the third embodiment modifies the seal surface of the bead portion with a predetermined functional group, and the seal material is used to modify the bead portion. A functional group having high affinity with the functional group used is included. Therefore, a non-covalent bond such as a covalent bond or a hydrogen bond or a hydrophobic bond is formed in the
また、第2のシール部63におけるシール特性は、化学的・物理的相互作用によって形成された結合力によって得られるので、押圧力(圧着力)に依存せず、第2のシール部63に起因する反力を低減することができる。したがって、カソードセパレータ22を介して膜電極接合体21の電解質膜211に加わる押圧力を低減し、第2のシール部63に起因する押圧力による膜電極接合体21の電解質膜の損傷を防止することができる。また、第2のシール部63は起因する押圧力による拡散層212のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。したがって、電池寿命を延ばすことができる。
In addition, since the seal characteristic in the
・第4の実施例:
図16を参照して第4の実施例に係る燃料電池における第2のシール部について説明する。図16は第4の実施例における第2のシール部を模式的に示す説明図である。なお、第4の実施例に係る燃料電池は、第2のシール部の構成を除いて第1の実施例に係る燃料電池10と同様の構成を備えるので、各構成要素についての説明は第1の実施例において用いた符号と同一の符号を用いることで省略する。
Fourth embodiment:
A second seal portion in the fuel cell according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 16 is an explanatory view schematically showing a second seal portion in the fourth embodiment. The fuel cell according to the fourth embodiment has the same configuration as that of the
第4の実施例における、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23に形成(配置)された第2のシール部64は、冷却液流路からの冷却液の作用圧(内圧)および冷却ガス流路からの冷却ガスの作用圧(内圧)によってシール機能を実現する。
In the fourth embodiment, the
第2のシール部64は、各開口部641が冷却液流路および冷却ガス流路に向けられているシール材642、シール材642を格納する格納部643、シール材642の中央部の位置を規定するために格納部643の略中央に形成された規定部644、冷却液流路から冷却液を導入する冷却液導入部645、冷却ガス流路から冷却ガスを導入する冷却ガス導入部646を備えている。
The
第2のシール部64では、冷却液導入部645を介して導入された冷却液によってシール材642の開口部641が押し広げられ格納部643の内壁面643aに当接し、冷却ガス導入部646を介して導入された冷却ガスによってシール材642の開口部641が押し広げられ格納部643の内壁面643bに当接する。したがって、第2のシール部64では、冷却液流路および冷却ガス流路からの内圧によって押し広げられたシール材642の各開口部641と格納部643(643a、643b)との当接によってシール機能が実現される。このような形状では、第2のシール部64には、反力はほとんど発生しない。
In the
なお、シール材642は図17に示す形状であっても良い。図17は第4の実施例における第2のシール部の他の態様を模式的に示す説明図である。すなわち、冷却液流路に対して良好なシール特性を発揮できれば、冷却液の漏出による膜電極接合体21(電解質膜211)の損傷を防止することができるからである。 Note that the sealing material 642 may have the shape shown in FIG. FIG. 17 is an explanatory view schematically showing another aspect of the second seal portion in the fourth embodiment. That is, if good sealing characteristics can be exhibited with respect to the coolant channel, damage to the membrane electrode assembly 21 (electrolyte membrane 211) due to leakage of the coolant can be prevented.
以上説明したように、第4の実施例における第2のシール部64は、冷却液流路および冷却ガス流路からの内圧を利用して、シール材642の各開口部641を押し広げ、各開口部641と格納部643(643a、643b)とを当接させるによってシール機能を実現している。したがって、第2のシール部64は、冷却液流路50(冷却ガス流路226)から冷却ガス流路55(冷却ガス流路形成部227)への冷却液の移動、漏れを防止することができる。この結果、冷却液としてエチレングリコール等の不凍液を用いても、冷却液が多孔質部40から膜電極接合体21に到達することはなく、不凍液のアルコール成分による電解質膜211の溶解を防止することができる。
As described above, the
また、第2のシール部64におけるシール特性は、押圧力に依存せず、第2のシール部64に起因する反力を低減することができる。したがって、カソードセパレータ22を介して膜電極接合体21の電解質膜211に加わる押圧力を低減し、第2のシール部64に起因する押圧力による膜電極接合体21の電解質膜の損傷を防止することができる。また、第2のシール部64は起因する押圧力による拡散層212のつぶれも防止または抑制することができるので、反応ガスの良好な拡散性を維持することができる。したがって、電池寿命を延ばすことができる。
Further, the sealing characteristic of the
・その他の実施例:
上記実施例では、カソードセパレータ22およびアノードセパレータ23の双方に多孔質部40が備えられているが、カソードセパレータ22のみに多孔質部40を備えても良い。生成水はカソードセパレータ22にて生成され、電池性能の低下は、カソードセパレータ22側において顕著だからである。
Other examples:
In the above embodiment, both the
上記実施例では、冷却ガスとして空気を用いているが、水素等の燃料ガスを用いても良い。かかる場合には、乾燥しがちなアノード側に対して、別体の加湿装置を備えることなく加湿された水素を供給することができる。 In the above embodiment, air is used as the cooling gas, but a fuel gas such as hydrogen may be used. In such a case, humidified hydrogen can be supplied to the anode side, which tends to be dried, without providing a separate humidifier.
上記実施例では、酸化ガス、燃料ガス、冷却液、冷却ガスの供給態様について詳細に説明されていないが、気体であれば外部の気体ポンプ、液体であれば外部の液体ポンプによってそれぞれ供給され得る。燃料ガスについては、高圧燃料ガスが用いられる場合、ポンプを用いることなく圧力制御によって供給量が調整されても良い。 In the above embodiment, the supply mode of the oxidizing gas, the fuel gas, the cooling liquid, and the cooling gas is not described in detail. . As for the fuel gas, when high-pressure fuel gas is used, the supply amount may be adjusted by pressure control without using a pump.
以上、実施例に基づき本発明に係る燃料電池を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。 As described above, the fuel cell according to the present invention has been described based on the embodiments. However, the above-described embodiments of the present invention are for facilitating understanding of the present invention and do not limit the present invention. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
10…燃料電池
20…単セル
21…膜電極接合体
22…カソードセパレータ
221a…酸化ガス供給マニホールド形成部
221b…酸化ガス排気マニホールド形成部
222a…燃料ガス供給マニホールド形成部
222b…燃料ガス排気マニホールド形成部
223a…冷却液供給マニホールド形成部
223b…冷却液排出マニホールド形成部
224a…冷却ガス供給マニホールド形成部
224b…冷却ガス排気マニホールド形成部
225…酸化ガス流路形成部
226…冷却液流路形成部
227…冷却ガス流路形成部
22a…第1の面
22b…第2の面
23…アノードセパレータ
231a…酸化ガス供給マニホールド形成部
231b…酸化ガス排気マニホールド形成部
232a…燃料ガス供給マニホールド形成部
232b…燃料ガス排気マニホールド形成部
233a…冷却液供給マニホールド形成部
233b…冷却液排出マニホールド形成部
234a…冷却ガス供給マニホールド形成部
234b…冷却ガス排気マニホールド形成部
23a…第1の面
23b…第2の面
235…燃料ガス流路形成部
30…エンドプレート
31…テンションプレート
40…多孔質部
50…冷却液流路
55…冷却ガス流路
60…第1のシール部
61、62、63、64…第2のシール部
611、611a、611b…低反力シール材
612、625…シール材たまり部
613、621、623、624、631、633、635、637…ビード部
614…区画部
615…収容部
622、632、634、636、638、642…シール材
641…開口部
643…格納部
643a、643b…内壁面
644…規定部
645…冷却液導入部
646…冷却ガス導入部
70…リブ
DESCRIPTION OF
Claims (14)
膜電極接合体と、
液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記 膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有する第1 の面と、前記緻密質部に形成された第1の冷却液流路形成部と前記多孔質部に形成され た第1の冷却ガス流路形成部とを有する第2の面とを備える第1のセパレータと、
前記膜電極接合体と当接した際に反応ガス流路を形成する反応ガス流路形成部を有す る第1の面と、第2の冷却液流路形成部と第2の冷却ガス流路形成部とを有する第2の 面とを備える第2のセパレータと
を備える単電池と、
前記単電池が積層され、前記第1のセパレータの第2の面と前記第2のセパレータの第2の面とが組み合わされた際に、
前記第1のセパレータの第2の面の外縁部と前記第2のセパレータの第2の面の外縁 部との間に配置される第1のシール部と、
前記第1の冷却液流路形成部と前記第2の冷却液流路形成部とによって形成されると 共に冷却液が流れる冷却液流路と、前記第1の冷却ガス流路形成部と前記第2の冷却ガ ス流路形成部とによって形成されると共に冷却ガスが流れる冷却ガス流路と、の間に配 置されると共に前記第1のシール部よりも発生反力が低い第2のシール部とを備える燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly;
A dense portion not allowing liquid permeation and a porous portion allowing liquid permeation, and having a reaction gas flow path forming portion that forms a reaction gas flow path when contacting the membrane electrode assembly. 1 surface, and a second surface having a first coolant flow path forming portion formed in the dense portion and a first cooling gas flow path forming portion formed in the porous portion. A first separator;
A first surface having a reaction gas flow path forming part that forms a reaction gas flow path when abutting against the membrane electrode assembly, a second coolant flow path forming part, and a second cooling gas flow A unit cell comprising: a second separator comprising a second surface having a path forming part;
When the unit cells are stacked and the second surface of the first separator and the second surface of the second separator are combined,
A first seal portion disposed between an outer edge portion of the second surface of the first separator and an outer edge portion of the second surface of the second separator;
Formed by the first cooling liquid flow path forming portion and the second cooling liquid flow path forming portion, a cooling liquid flow path through which the cooling liquid flows, the first cooling gas flow path forming portion, and the A second cooling gas flow path forming section and a cooling gas flow path through which cooling gas flows, and a second reaction force generated lower than that of the first seal section. A fuel cell comprising a seal portion.
前記第1のシール部は第1のシール材であり、
前記第2のシール部は、前記第1のシール材よりも低反力な特性を有する第2のシール材である燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The first seal portion is a first seal material;
The fuel cell, wherein the second seal portion is a second seal material having a lower reaction force characteristic than the first seal material.
前記第2のシール部は、前記第1のセパレータの前記第2の面に形成されている第1の挟持部と、前記第2のセパレータの第2の面に形成されている第2の挟持部と、前記第1の挟持部および第2の挟持部によって挟持されるシール材とによって形成され、
前記第1の挟持部の挟持面および前記第2の挟持部の挟持面には、シール距離増大部が形成されている燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The second seal portion includes a first holding portion formed on the second surface of the first separator and a second holding portion formed on the second surface of the second separator. Part and a sealing material sandwiched between the first sandwiching part and the second sandwiching part,
A fuel cell in which a sealing distance increasing portion is formed on a clamping surface of the first clamping unit and a clamping surface of the second clamping unit.
前記シール距離増大部は、複数の凹凸部である燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
The sealing distance increasing portion is a fuel cell that is a plurality of uneven portions.
前記複数の凹凸部のうち少なくとも1つの凹部の深さは、他の凹部の深さよりも深い燃料電池。 The fuel cell according to claim 4, wherein
The depth of at least one recess among the plurality of recesses and projections is a fuel cell deeper than the depth of other recesses.
前記第2のシール部は、前記第1のセパレータの前記第2の面に形成された第1の挟持部と、前記第2のセパレータの第2の面に形成された第2の挟持部と、前記第1および第2の挟持部によって挟持されるシール材とによって形成され、
前記第1および第2の挟持部の挟持面および前記シール材は、所定の官能基で修飾されている燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The second seal portion includes a first clamping portion formed on the second surface of the first separator, and a second clamping portion formed on the second surface of the second separator. And a sealing material sandwiched between the first and second sandwiching portions,
The fuel cell in which the clamping surfaces of the first and second clamping parts and the sealing material are modified with predetermined functional groups.
前記第2のシール部は、前記第1のセパレータの前記第2の面に形成された第1の第2シール部形成部と、前記第2のセパレータの前記第2の面に形成された第2の第2シール部形成部と、略コの字状の開口部を有すると共に前記第1および第2の第2シール部形成部において前記冷却液流路に対して前記略コの字状の開口部を向けて配置されるシール材によって形成されている燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The second seal portion includes a first second seal portion forming portion formed on the second surface of the first separator and a second surface formed on the second surface of the second separator. Two second seal portion forming portions and a substantially U-shaped opening, and the first and second second seal portion forming portions are substantially U-shaped with respect to the coolant flow path. A fuel cell formed by a sealing material arranged with an opening directed.
前記シール材はさらに、前記冷却ガス流路に向けられた略コの字状の開口部を備える燃料電池。 The fuel cell according to claim 7, wherein
The sealing material further includes a substantially U-shaped opening directed to the cooling gas flow path.
前記第2のセパレータは、液体の透過を許容しない緻密質部と液体の透過を許容する多孔質部とから成り、前記第2の冷却液流路形成部は前記緻密質部に形成され、前記第2の冷却ガス流路形成部は前記多孔質部に形成される燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 8,
The second separator includes a dense portion that does not allow liquid permeation and a porous portion that allows liquid permeation, and the second coolant flow path forming portion is formed in the dense portion, The second cooling gas flow path forming part is a fuel cell formed in the porous part.
前記冷却ガス流路の下流端は、前記第1のセパレータと膜電極接合体によって形成される反応ガス流路と連通している燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9,
A fuel cell, wherein a downstream end of the cooling gas channel is in communication with a reaction gas channel formed by the first separator and a membrane electrode assembly.
前記第1のセパレータはカソード側のセパレータであり、
前記第2のセパレータはアノード側のセパレータであり、
前記冷却ガスは酸化ガスとしての空気である燃料電池。 The fuel cell according to claim 10, wherein
The first separator is a cathode-side separator;
The second separator is an anode-side separator;
The fuel cell, wherein the cooling gas is air as an oxidizing gas.
前記冷却液はエチレングリコール水溶液である燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 11,
The fuel cell, wherein the coolant is an aqueous ethylene glycol solution.
前記各単電池の隣接部において、
前記緻密質部に対応する部分に形成され、冷却液が流れる冷却液流路と、
前記多孔質部に対応する部分に形成される冷却ガス流路と、
外縁部に配置される第1のシール部と、
前記冷却液流路と前記冷却ガス流路との間に配置され、前記冷却液流路と前記冷却ガス流路とを分離すると共に前記第1のシール部よりも応力に対する反力が低い第2のシール部とを備える燃料電池。 A plurality of unit cells each provided with a pair of separators, each of which includes at least one dense part that does not allow liquid permeation and a porous part that allows liquid permeation, and a membrane electrode assembly sandwiched between the pair of separators A stacked fuel cell,
In the adjacent part of each unit cell,
A coolant flow path formed in a portion corresponding to the dense portion and through which the coolant flows;
A cooling gas passage formed in a portion corresponding to the porous portion;
A first seal portion disposed on the outer edge portion;
A second liquid gas is disposed between the cooling liquid flow path and the cooling gas flow path, separates the cooling liquid flow path and the cooling gas flow path, and has a lower reaction force against stress than the first seal portion. A fuel cell.
前記冷却液はエチレングリコール水溶液である燃料電池。 The fuel cell according to claim 13, wherein
The fuel cell, wherein the coolant is an aqueous ethylene glycol solution.
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JP2008084812A (en) * | 2006-09-27 | 2008-04-10 | Hyundai Motor Co Ltd | Gasket structure to prevent stack contamination of fuel cell vehicle |
JP2011238364A (en) * | 2010-05-06 | 2011-11-24 | Uchiyama Manufacturing Corp | Gasket for fuel cell and sealing structure of fuel cell |
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