JP2007299673A - Fuel cell stack - Google Patents

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Takahito Osada
貴仁 長田
Motoharu Obika
基治 小比賀
Yasuhiro Numao
康弘 沼尾
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack which can improve an output density. <P>SOLUTION: The fuel cell stack is composed of a reaction part which divides and forms a gas passage 6 or an oxidant gas passage 7 with separators 12, 13 making a conductive corrugated metal plate to contact an anode 11b or a cathode 11c and a sealing part which surrounds the reaction part and is provided with a seal 14 to secure a sealing property between an electrolyte membrane/electrode assembly. The seal bonds the electrolyte/electrode assembly with the separator and a rigidity of the seal in a lamination direction is larger than a rigidity of a lamination direction of the reaction part of the separator, and the sealing part is arranged within a range of a height of a corrugation of the reaction part in a lamination direction. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell stack.

通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極構造体(以下、MEAという)を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス(水素含有ガス)は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる(特許文献1参照)。   An ordinary polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (hereinafter referred to as a polymer ion exchange membrane) that is configured such that a polymer ion exchange membrane is sandwiched between both sides of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). And MEA) are further sandwiched between separators. The fuel gas (hydrogen-containing gas) supplied to the anode is hydrogen-ionized on the catalyst electrode, and moves to the cathode through an electrolyte membrane that is appropriately humidified. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidant gas such as an oxygen-containing gas or air is supplied to the cathode, the hydrogen ions, the electrons, and the oxygen gas react with each other to generate water at the cathode. The chemical formula showing the above reaction is as follows (see Patent Document 1).

陽極反応: H2→2H++2e- (1)
陰極反応: 2H++2e-+(1/2)O2→H2O (2)
前記固体高分子型燃料電池の1組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックを構成している。
Anodic reaction: H 2 → 2H + + 2e (1)
Cathodic reaction: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
One set of the polymer electrolyte fuel cells is called a unit cell. A fuel cell stack is configured by stacking a predetermined number of unit cells.

また、供給されるガスの外部への漏洩、およびガスの混入を防止するために、MEAとセパレータ間、または各セパレータ間に液状シール材を塗布して各ガス流路からのガスの外部、または他のガス流路への漏えいを防止し、シール性を確保する技術がある。   Further, in order to prevent leakage of supplied gas to the outside and mixing of gas, a liquid sealing material is applied between the MEA and the separator, or between each separator, and the outside of the gas from each gas flow path, or There is a technology for preventing leakage to other gas flow paths and ensuring sealing performance.

このような燃料電池スタックの出力密度の向上及び生産性の向上に関する技術が日々研究され、例えば、出力密度の向上の手段の一例としては、単セルの積層間隔であるセルピッチを縮小するために金属セパレータや前述の反応が生じるアクティブエリアの面積を拡大するため、非アクティブエリアであるシール部の面積を縮小する技術がある。   Technologies for improving the output density and productivity of such fuel cell stacks are being researched every day. For example, as an example of means for improving the output density, metal is used to reduce the cell pitch, which is the stacking interval of single cells. In order to increase the area of the active area where the separator or the above-described reaction occurs, there is a technique for reducing the area of the seal portion which is an inactive area.

生産性の向上の一例としては、特許文献2に示すような単セルのモジュール化の技術がある。特許文献2の技術は、MEAと、MEAを挟持するセパレータとを接着剤を用いてモジュール化するもので、モジュール化にあたり使用する接着剤が硬化後でも弾性を有し、かつセパレータ間のスペーサとして機能する球状のビーズを接着剤に混入させた接着剤である。   As an example of the improvement in productivity, there is a technique of modularization of a single cell as shown in Patent Document 2. The technology of Patent Document 2 is to modularize an MEA and a separator sandwiching the MEA using an adhesive, and the adhesive used for modularization has elasticity even after curing, and as a spacer between separators An adhesive in which functional spherical beads are mixed into the adhesive.

このような硬化後でも弾性を備えた接着剤を用いることによりMEAの熱膨張を許容することができ、またスペーサとしてのビーズを接着剤に混入させることによりセパレータ間の電気的短絡を防止することができる。
特開平8−106914号公報 特開2002−352845号公報
Even after such curing, the MEA thermal expansion can be allowed by using an elastic adhesive, and electrical shorting between separators can be prevented by mixing beads as spacers into the adhesive. Can do.
JP-A-8-106914 JP 2002-352845 A

しかしながら、特許文献2に記載の技術では、スペーサとしてのビーズがセパレータとMEA間のアクティブエリアに入り込むと、単セル積層時の締結荷重によりビーズがMEAを損傷する恐れがあり、ビーズをアクティブエリア側に入り込まないように十分なシール領域を確保する必要があり、燃料電池の大型化及び出力密度の低下を招くという課題がある。   However, in the technique described in Patent Document 2, if the beads as a spacer enter the active area between the separator and the MEA, the beads may damage the MEA due to the fastening load at the time of stacking the single cells. There is a problem that it is necessary to secure a sufficient seal area so as not to enter, and the fuel cell is increased in size and the output density is reduced.

したがって、本発明の目的は、出力密度を向上できる燃料電池スタックを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of improving the power density.

本発明は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持するアノード及びカソードとからなる電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を挟持して、前記アノード及び前記カソードに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが流通する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成する一対のセパレータと、からなる単セルを積層して構成される燃料電池スタックにおいて、前記セパレータは、波形にプレス成形された導電性の金属板を、前記アノードまたは前記カソードに接することで前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を画成する反応部と、前記反応部を取り囲み、前記電解質膜・電極構造体との間のシール性を担保するシールが設けられるシール部とから構成され、前記シールは、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとを接着し、前記シールの積層方向の剛性は、前記セパレータの反応部の積層方向の剛性より大きく、前記シール部は、前記反応部の波形形状の積層方向の高さの範囲内に設置される。   The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure comprising a solid polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane, and sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure, the anode and the cathode In the fuel cell stack configured by laminating a single cell composed of a fuel gas flow path through which a fuel gas and an oxidant gas are supplied and a pair of separators that form an oxidant gas flow path, the separator is A conductive metal plate press-molded into a corrugated shape so as to contact the anode or the cathode to surround the reaction part defining the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path, A seal portion provided with a seal that ensures sealing performance between the electrolyte membrane / electrode structure, and the seal includes the electrolyte membrane / electrode structure and the separator. The rigidity in the stacking direction of the seal is greater than the rigidity in the stacking direction of the reaction part of the separator, and the seal part is within the height range of the corrugated shape of the reaction part in the stacking direction. Installed.

本発明では、従来技術のようなビーズを用いることなく、反応部より剛性の高いシールにより電解質膜・電極構造体とセパレータ間の位置決めを行い、また波形形状の反応部とすることで電解質膜・電極構造体の変形を許容することで、シール部の拡大を抑制して出力密度を向上することができる。   In the present invention, without using beads as in the prior art, positioning between the electrolyte membrane / electrode structure and the separator is performed with a seal that is stiffer than the reaction portion, and the electrolyte membrane By permitting the deformation of the electrode structure, it is possible to suppress the expansion of the seal portion and improve the output density.

図1は、燃料電池スタック1を示す斜視図であり、図2は、同じく正面図である。本実施形態の燃料電池は、例えば車両に搭載される固体高分子電解質型燃料電池である。   FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell stack 1, and FIG. 2 is a front view of the same. The fuel cell of this embodiment is a solid polymer electrolyte fuel cell mounted on a vehicle, for example.

スタック1は、起電力を生じる単位電池としての単セル10を所定数だけ積層したセル積層体10aからなる積層電池である。単セル10は、それぞれが固体高分子型燃料電池として形成されており、各単セル10が1V程度の起電圧を生じる。   The stack 1 is a stacked battery including a cell stack 10a in which a predetermined number of single cells 10 as unit batteries that generate electromotive force are stacked. Each single cell 10 is formed as a polymer electrolyte fuel cell, and each single cell 10 generates an electromotive voltage of about 1V.

スタック1は、セル積層体10aの両端に集電板2を設置し、絶縁板3を介してエンドプレート4が配置される。さらにスタック1は、セル積層体10aを積層方向に締め付けるテンションロッド5を備える。   In the stack 1, current collector plates 2 are installed at both ends of the cell stack 10 a, and end plates 4 are arranged via insulating plates 3. Furthermore, the stack 1 includes a tension rod 5 that tightens the cell stack 10a in the stacking direction.

集電板2は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、直列に接続された単セル10からなるセル積層体10aで発電された起電力は、集電板2の端子2aに接続された図示しない負荷に供給される。   The current collector plate 2 is formed of a gas-impermeable conductive member such as dense carbon or copper plate, and the electromotive force generated by the cell stack 10a composed of the single cells 10 connected in series is It is supplied to a load (not shown) connected to the terminal 2a.

絶縁板3は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、集電板2とエンドプレート4間の絶縁を確保する。   The insulating plate 3 is formed of an insulating member such as rubber or resin, and ensures insulation between the current collector plate 2 and the end plate 4.

エンドプレート4は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。   The end plate 4 is made of a material having rigidity, for example, a metal material such as steel.

これら集電板2、絶縁板3及びエンドプレート4には、後述する単セル10の燃料ガス流路6、酸化剤ガス流路7及び冷却媒体流路8に連通する貫通孔が形成される。   The current collector plate 2, the insulating plate 3, and the end plate 4 are formed with through holes that communicate with a fuel gas flow path 6, an oxidant gas flow path 7, and a cooling medium flow path 8 of a single cell 10 described later.

テンションロッド5は、各単セル10に所定圧が作用するようにセル積層体10aをセル積層方向に締め付ける。テンションロッド5は、ボルト状に形成され、セル積層体10aの角部に貫通した貫通孔を挿通し、テンションロッド5の端部に形成したネジ部にナットが螺合することでセル積層体10aを積層方向に締め付ける。テンションロッド5は剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、単セル10同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁の処理をした構造を有している。   The tension rod 5 fastens the cell stack 10a in the cell stacking direction so that a predetermined pressure acts on each single cell 10. The tension rod 5 is formed in a bolt shape, is inserted into a through-hole penetrating the corner of the cell laminate 10a, and a nut is screwed into a screw portion formed at the end of the tension rod 5, whereby the cell laminate 10a. Tighten in the stacking direction. The tension rod 5 is formed of a material having rigidity, for example, a metal material such as steel, and has a structure in which the surface is insulated in order to prevent an electrical short circuit between the single cells 10.

なお、セル積層体10aの締め付け方法は、テンションロッド5をセル積層体10a内部を貫通する構成ではなく、スタック1外部にテンションロッド5を配置して、セル積層体を挟持したエンドプレート4同士をテンションロッド5により締め付ける機構であっても良い。   Note that the cell stack 10a is not tightened by passing the tension rod 5 through the inside of the cell stack 10a, but by placing the tension rod 5 outside the stack 1 and sandwiching the end plates 4 sandwiching the cell stack. A mechanism for tightening with the tension rod 5 may be used.

また、一方のエンドプレート4と、このエンドプレート4に隣接する絶縁板2との間に、第2エンドプレートを追加して配置し、一方のエンドプレート4と第2エンドプレート間にバネ等の加圧装置を設置し、第2エンドプレート、他方のエンドプレート4間をテンションロッド5によって締め付ける機構としても良く、さらにはこれらの加圧方法には限定されず、他の方法であってもよい。   Further, a second end plate is additionally arranged between one end plate 4 and the insulating plate 2 adjacent to the end plate 4, and a spring or the like is provided between the one end plate 4 and the second end plate. A mechanism may be provided in which a pressurizing device is installed and the second end plate and the other end plate 4 are tightened by the tension rod 5, and the present invention is not limited to these pressurizing methods, and other methods may be used. .

図3は本発明の第1の実施形態のセパレータの構成を示すセル積層体10aの一部断面図である。   FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the cell stack 10a showing the configuration of the separator according to the first embodiment of the present invention.

単セル10は、MEA11と、このMEA11を挟持するアノードセパレータ12とカソードセパレータ13から構成される。   The single cell 10 includes an MEA 11, an anode separator 12 that sandwiches the MEA 11, and a cathode separator 13.

MEA11は、イオン交換膜からなる電解質膜11aと、この電解質膜11aの一面に面して配置され、ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるアノード(燃料極)11b、および電解質膜11aの対面に面して配置され、ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるカソード(空気極)11cとからなる。   The MEA 11 is disposed so as to face an electrolyte membrane 11a made of an ion exchange membrane, one surface of the electrolyte membrane 11a, an anode (fuel electrode) 11b made of a gas diffusion layer, a water repellent layer, and a catalyst layer, and the electrolyte membrane 11a. The cathode (air electrode) 11c is disposed facing the opposite surface and is composed of a gas diffusion layer, a water repellent layer, and a catalyst layer.

電解質膜11aは、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、所定の湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。   The electrolyte membrane 11a is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good electrical conductivity in a predetermined wet state.

アノード11bおよびカソード11cは、ガス拡散電極であり、ガス拡散層、撥水層、触媒層からから構成される。ガス拡散層は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトなど、適当なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。撥水層は、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラックからなる。   The anode 11b and the cathode 11c are gas diffusion electrodes, and are composed of a gas diffusion layer, a water repellent layer, and a catalyst layer. The gas diffusion layer is constituted by a member having appropriate gas diffusibility and conductivity, such as carbon cloth woven with yarn made of carbon fiber, carbon paper, or carbon felt. The water repellent layer is a layer containing, for example, polyethylene fluoroethylene and a carbon material, and the catalyst layer is made of carbon black carrying platinum.

図3によれば、アノードセパレータ12は、アノード11bに接して燃料ガスが流通する燃料ガス流路6を画成し、頂部12aと底部12bとから波形に形成される反応部と、この反応部の周囲に形成され、反応部を流通する燃料ガスが外部へ漏洩するのを防止するシール14が設置される平面状のシール部12cから構成される。シール部12cは、積層方向でのMEA11からの距離にして反応部の頂部12aと底部12bとの間に配置されており、アノードセパレータ12とMEA11(電解質膜11aの保持部)との間にシール14が設置される。シール14はアノードセパレータ12とMEA11との間のシール性を確保する接着剤であり、この接着剤は絶縁性を有し、硬化後の積層方向の剛性が、各セパレータ12、13のシール部12c、13c間に設置されるゴムシール15より高いことを特徴とする接着剤、例えばエポキシ系接着剤を用いる。このような剛性の高いシール14を用いることで各単セル間の電気的短絡が生じることを防止できる。   According to FIG. 3, the anode separator 12 defines a fuel gas flow path 6 through which fuel gas flows in contact with the anode 11 b, a reaction portion formed in a waveform from the top portion 12 a and the bottom portion 12 b, and the reaction portion Is formed of a planar seal portion 12c provided with a seal 14 that prevents the fuel gas flowing through the reaction portion from leaking to the outside. The seal portion 12c is disposed between the top portion 12a and the bottom portion 12b of the reaction portion at a distance from the MEA 11 in the stacking direction, and seals between the anode separator 12 and the MEA 11 (the holding portion of the electrolyte membrane 11a). 14 is installed. The seal 14 is an adhesive that secures a sealing property between the anode separator 12 and the MEA 11, and this adhesive has an insulating property, and the rigidity in the stacking direction after curing is the sealing portion 12 c of each separator 12, 13. , 13c, an adhesive characterized by being higher than the rubber seal 15 is used, for example, an epoxy adhesive. By using such a highly rigid seal 14, it is possible to prevent an electrical short circuit between the single cells.

また、ゴムシール15は、例えばシリコン系やフッ素系のゴム材料を用い、各セパレータ12、13間に形成される冷媒流路8からの冷媒の外部への漏洩を防止する。なお、積層方向から見て、シール14の中心位置とゴムシール15の中心位置とが略一致するように配置することで、シール部12c、13cに必要なスペースを最小限とし、燃料電池の大きさが同じ場合に、燃料電池の出力密度を向上することができる。   The rubber seal 15 uses, for example, a silicon-based or fluorine-based rubber material, and prevents leakage of the refrigerant from the refrigerant flow path 8 formed between the separators 12 and 13 to the outside. Note that the space required for the seal portions 12c and 13c is minimized by arranging the seal 14 and the rubber seal 15 so that the center position of the seal 14 and the center position of the rubber seal 15 substantially coincide with each other when viewed from the stacking direction. Can be improved, the output density of the fuel cell can be improved.

シール14が塗布されるセパレータ12、13のシール部12c、13cの表面粗さは、反応部の表面粗さより粗く設定することで、クサビ効果によりシール14をシール部12c、13c表面に接着させることができる。   The surface roughness of the seal portions 12c and 13c of the separators 12 and 13 to which the seal 14 is applied is set to be rougher than the surface roughness of the reaction portion, so that the seal 14 is adhered to the surfaces of the seal portions 12c and 13c due to the wedge effect. Can do.

アノードセパレータ12の底部12bは、MEA11のアノード11bに接して、アノード11bに燃料ガス(水素)を供給する燃料ガス流路6を画成する。また、頂部12aが隣接するカソードセパレータ13の底部13bと接して、アノードセパレータ12の頂部12aとカソードセパレータ13の頂部13aとの間で単セル10の熱を放熱する冷媒が流通する冷媒流路8を画成する。   The bottom 12b of the anode separator 12 is in contact with the anode 11b of the MEA 11, and defines a fuel gas flow path 6 for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode 11b. Further, the refrigerant flow path 8 in which the refrigerant that radiates heat of the single cell 10 flows between the top part 12a of the anode separator 12 and the top part 13a of the cathode separator 13 with the top part 12a in contact with the bottom part 13b of the adjacent cathode separator 13. Is defined.

またカソードセパレータ13も、アノードセパレータ12と同様に、カソード11cに接して酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路7を画成し、頂部13aと底部13bとから波形に形成される反応部と、この反応部の周囲に形成され、反応部を流通する酸化剤ガスが外部へ漏洩するのを防止するシール14が設置されるシール部13cから構成される。シール部13cは、積層方向でのMEA11からの距離にして反応部の頂部13aと底部13bとの間に配置されており、シール14がカソードセパレータ13とMEA11(電解質膜11aの保持部)との間に設置される。   Similarly to the anode separator 12, the cathode separator 13 also defines an oxidant gas flow path 7 through which the oxidant gas flows in contact with the cathode 11c, and a reaction portion formed in a waveform from the top portion 13a and the bottom portion 13b. The seal portion 13c is provided in which a seal 14 formed around the reaction portion and preventing the oxidant gas flowing through the reaction portion from leaking to the outside is installed. The seal portion 13c is disposed between the top portion 13a and the bottom portion 13b of the reaction portion at a distance from the MEA 11 in the stacking direction, and the seal 14 is formed between the cathode separator 13 and the MEA 11 (the holding portion of the electrolyte membrane 11a). Installed between.

カソードセパレータ13の頂部13aは、MEA11のカソード11cに接して、カソード11cに酸化剤ガス(酸素、通常は空気)を供給する酸化剤ガス流路7を画成する。   The top portion 13a of the cathode separator 13 is in contact with the cathode 11c of the MEA 11, and defines an oxidant gas flow path 7 for supplying an oxidant gas (oxygen, usually air) to the cathode 11c.

なお、各セパレータ12、13は、適当な導電性と強度と耐食性とを有する、例えば金属の薄厚板材を用い、プレス加工により成形される。プレス成形されたセパレータ12、13は、前述の通り波形の形状を有し、積層方向の剛性、特に反応部の剛性はシール14としての接着剤より低く抑えられている。このため、MEA11が後述の図5で示すようなシール14の接着後に変形を生じても、セパレータ12、13が変形することにより、MEA11の変形を許容することができる。   Each of the separators 12 and 13 is formed by press working using, for example, a thin metal plate material having appropriate conductivity, strength, and corrosion resistance. The press-molded separators 12 and 13 have a corrugated shape as described above, and the rigidity in the stacking direction, particularly the rigidity of the reaction part, is suppressed to be lower than that of the adhesive as the seal 14. For this reason, even if the MEA 11 is deformed after bonding the seal 14 as shown in FIG. 5 described later, the deformation of the MEA 11 can be allowed by the deformation of the separators 12 and 13.

また、アノード11b、カソード11cは、シール部12c、13c近傍まで配置され、反応部をできるだけ大きくレイアウトする。具体的には図3に示すように、シール部12c、13cに隣接する燃料ガス流路6または酸化剤ガス流路7の中心よりシ−ル部側まで設定する。   The anode 11b and the cathode 11c are arranged up to the vicinity of the seal portions 12c and 13c, and the reaction portion is laid out as large as possible. Specifically, as shown in FIG. 3, it is set from the center of the fuel gas passage 6 or the oxidant gas passage 7 adjacent to the seal portions 12c and 13c to the seal portion side.

図4は、セパレータのシール部の積層方向の位置関係を説明する図であり、シール部は積層方向で、各セパレータの頂部と底部との間に位置するように配置され、電極膜11a表面からシール部12c、13cまでの距離Lは、下式で示される。   FIG. 4 is a diagram for explaining the positional relationship in the stacking direction of the seal portion of the separator. The seal portion is disposed so as to be positioned between the top and bottom of each separator in the stacking direction, from the surface of the electrode film 11a. The distance L to the seal portions 12c and 13c is expressed by the following formula.

ここで、H1:各セパレータの積層方向の高さ、すなわち、アノードセパレータまたはカソードセパレータの頂部からセパレータ底部までの距離、
H2:MEAから遠い側のセパレータ端部からシール部までの積層方向での距離、すなわち、アノードセパレータまたはカソードセパレータのシール部からセパレータ底部までの距離(H1>H2)、
t2:燃料電池スタック状態でのアノードまたはカソードの厚さ
とする。なお、距離Lは、上式を満たした上で、積層方向にアノード11bまたはカソード11cから離れるように設定することが、シール14の成形上、望ましい。
Here, H1: the height in the stacking direction of each separator, that is, the distance from the top of the anode separator or cathode separator to the bottom of the separator,
H2: Distance in the stacking direction from the end of the separator far from the MEA to the seal portion, that is, the distance from the seal portion of the anode separator or cathode separator to the bottom of the separator (H1> H2),
t2: The thickness of the anode or cathode in the fuel cell stack state. The distance L is preferably set so as to be separated from the anode 11b or the cathode 11c in the stacking direction after satisfying the above equation.

図5は、単セル10の成形方法及び波形形状のセパレータの効果を説明する図である。   FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the forming method of the single cell 10 and the corrugated separator.

(a)ではアノードセパレータ12とカソードセパレータ13の間にMEA11を挟持するように配置し、アノードセパレータ12及びカソードセパレータ13とMEA11との間にシール14としての接着剤を塗布し、MEA11を所定の荷重Fで挟持し、挟持した状態を維持したままシール14が硬化するのを待つ。シール14を用いて各セパレータ12、13とMEA11とを接着することで、単セル10が形成される。   In (a), it arrange | positions so that MEA11 may be pinched | interposed between the anode separator 12 and the cathode separator 13, the adhesive agent as the seal | sticker 14 may be apply | coated between the anode separator 12, the cathode separator 13, and MEA11, and MEA11 may be predetermined | prescribed. It clamps with the load F and waits for the seal | sticker 14 to harden | cure with the clamped state maintained. The single cell 10 is formed by bonding the separators 12 and 13 and the MEA 11 using the seal 14.

シール14としての接着剤が硬化した後、荷重Fを除去すると(b)に示すようにアノード11b、カソード11cの厚さがt2からt1に増大する。しかしながら、単セル10の形成に使用するシール14としての接着剤は、硬化後の剛性の高い接着剤を使用するため、アノード11b、カソード11cの厚さの増大に伴う変形は、各セパレータ12、13が撓むことにより吸収する。したがって、各セパレータ12、13の積層方向の剛性は、アノード11b、カソード11cの積層方向のバネ特性より低く設定されるように、その形状、材質及びその厚さ等が決定される。また、シール14の硬化後の剛性は、アノード11b、カソード11cの積層方向の剛性より高く設定される。なお、ここで、アノード11b、カソード11cの厚さt2が燃料電池スタック1状態での厚さに相当する。   After the adhesive as the seal 14 is cured, when the load F is removed, the thickness of the anode 11b and the cathode 11c increases from t2 to t1 as shown in FIG. However, since the adhesive as the seal 14 used for forming the single cell 10 uses a highly rigid adhesive after curing, the deformation accompanying the increase in the thickness of the anode 11b and the cathode 11c is caused by the separators 12, Absorbs 13 by bending. Accordingly, the shape, material, thickness, and the like of the separators 12 and 13 are determined so that the rigidity in the stacking direction of the separators 12 and 13 is set lower than the spring characteristics in the stacking direction of the anode 11b and the cathode 11c. The rigidity of the seal 14 after curing is set to be higher than the rigidity in the stacking direction of the anode 11b and the cathode 11c. Here, the thickness t2 of the anode 11b and the cathode 11c corresponds to the thickness in the state of the fuel cell stack 1.

したがって、本発明では、セパレータの反応部を波形形状に成形して、MEA11の変形を許容するとともに、シールとして剛性の高い接着剤を用いることで、MEA11と各セパレータ間の間隔を維持するため、従来技術のようなビーズを用いる必要がなく、シール部の領域を抑制し、燃料電池スタックの出力密度を向上することができる。   Therefore, in the present invention, the reaction part of the separator is formed into a corrugated shape to allow deformation of the MEA 11, and by using a highly rigid adhesive as a seal, the distance between the MEA 11 and each separator is maintained. There is no need to use beads as in the prior art, and the area of the seal portion can be suppressed and the output density of the fuel cell stack can be improved.

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are equivalent to the present invention.

燃料電池スタックの斜視図である。It is a perspective view of a fuel cell stack. 燃料電池スタックの正面図である。It is a front view of a fuel cell stack. セパレータの構成を示すセル積層体の一部断面図である。It is a partial cross section figure of the cell laminated body which shows the structure of a separator. セパレータのシール部の位置を説明する図である。It is a figure explaining the position of the seal part of a separator. 単セルの成形方法及び波形形状のセパレータの効果を説明する図である。It is a figure explaining the shaping | molding method of a single cell, and the effect of a waveform-shaped separator.

符号の説明Explanation of symbols

6:燃料ガス流路
7:酸化剤ガス流路
8:冷媒流路
10:単セル
11:MEA
11a:電解質膜
11b:アノード
11c:カソード
12:アノードセパレータ
12a:頂部
12b:底部
13:カソードセパレータ
13a:頂部
13b:底部
14:シール
15:ゴムシール
6: Fuel gas flow path 7: Oxidant gas flow path 8: Refrigerant flow path 10: Single cell 11: MEA
11a: electrolyte membrane 11b: anode 11c: cathode 12: anode separator 12a: top 12b: bottom 13: cathode separator 13a: top 13b: bottom 14: seal 15: rubber seal

Claims (6)

固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持するアノード及びカソードとからなる電解質膜・電極構造体と、
この電解質膜・電極構造体を挟持して、前記アノード及び前記カソードに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが流通する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成する一対のセパレータと、からなる単セルを積層して構成される燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータは、
波形にプレス成形された導電性の金属板を、前記アノードまたは前記カソードに接することで前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を画成する反応部と、
前記反応部を取り囲み、前記電解質膜・電極構造体との間のシール性を担保するシールが設けられるシール部とから構成され、
前記シールは、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとを接着し、前記シールの積層方向の剛性は、前記セパレータの反応部の積層方向の剛性より大きく、
前記シール部は、前記反応部の波形形状の積層方向の高さの範囲内に設置されることを特徴とする燃料電池スタック。
An electrolyte membrane / electrode structure comprising a solid polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane;
The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between the fuel gas flow path for the fuel gas and the oxidant gas supplied to the anode and the cathode, and a pair of separators that form the oxidant gas flow path. In a fuel cell stack configured by stacking single cells,
The separator is
A reaction part that defines the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path by contacting a conductive metal plate pressed into a corrugated shape with the anode or the cathode;
A seal portion that surrounds the reaction portion and is provided with a seal that ensures sealing performance between the electrolyte membrane and the electrode structure;
The seal adheres the electrolyte membrane / electrode structure and the separator, and the rigidity in the stacking direction of the seal is larger than the rigidity in the stacking direction of the reaction part of the separator,
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the seal portion is disposed within a height range of the corrugated shape of the reaction portion in a stacking direction.
前記シール部は、積層方向において前記電解質膜・電極構造体より所定距離Lだけ離れて設置されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。   2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the seal portion is installed at a predetermined distance L from the electrolyte membrane / electrode structure in the stacking direction. 前記所定距離Lは、下式により算出されることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池スタック。
ここで、H1:前記各セパレータの積層方向の高さ、
H2:電解質膜・電極構造体から遠い側のセパレータ端部からシール部までの
積層方向での距離(H1>H2)、
t2:前記燃料電池スタック状態での前記アノードまたは前記カソードの厚さ
とする。
The fuel cell stack according to claim 2, wherein the predetermined distance L is calculated by the following equation.
Here, H1: height of each separator in the stacking direction,
H2: From the end of the separator far from the electrolyte membrane / electrode structure to the seal
Distance in the stacking direction (H1> H2),
t2: The thickness of the anode or the cathode in the fuel cell stack state.
前記一対のセパレータ間に前記燃料電池スタックの温度を制御するための冷媒を流通する冷媒流路を形成し、この冷媒流路の外縁に沿って前記冷媒が外部に漏洩しないようにゴム材からなるゴムシールを配置し、
前記シールの積層方向の剛性は、前記ゴムシールの積層方向の剛性より大きいことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。
A refrigerant flow path for flowing a refrigerant for controlling the temperature of the fuel cell stack is formed between the pair of separators, and is made of a rubber material so that the refrigerant does not leak outside along the outer edge of the refrigerant flow path. Place the rubber seal,
2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the rigidity of the seal in the stacking direction is greater than the rigidity of the rubber seal in the stacking direction.
前記シールと前記ゴムシールの配置は、積層方向から見て略一致するように配置することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。   2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the seal and the rubber seal are arranged so as to substantially coincide with each other when viewed from the stacking direction. 前記シール部の表面粗さは、前記反応部の表面粗さより粗いことを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。   6. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a surface roughness of the seal portion is rougher than a surface roughness of the reaction portion.
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