JP2008300138A - Structure and method for sealing gas - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas-seal structure capable of further improving the performance of a fuel battery. <P>SOLUTION: The fuel battery has cells with MEAs 16 sandwiched by a pair of metallic separators 14. A seal member is provided along the periphery of the separator 14 to prevent outflow of gas supplied to the MEA 16. The seal member has hollow elastic bodies 28, 30 for preventing the outflow of the gas supplied to the MEA 16 by adhering to the separator 14. A liquid supplying apparatus 36 makes the thickness of the elastic bodies 28, 30 variable based on an instruction from a control part 38 so as to set a gas-seal pressure as a predetermined reference seal pressure, by varying a liquid volume to be supplied inside the elastic bodies 28, 30. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜を一対の電極部材で挟持したMEAを、さらに、一対の金属製セパレータで挟持した燃料電池において、前記MEAに供給されるガスのセパレータ外部への流出を防止するガスシール構造およびガスシール方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which an MEA having an electrolyte membrane sandwiched between a pair of electrode members is further sandwiched between a pair of metal separators, and a gas seal structure that prevents the gas supplied to the MEA from flowing out of the separator. And a gas sealing method.

車両等に搭載される燃料電池は、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極アセンブリ(MEA)を、さらに、一対のセパレータで挟持してセルを構成し、さらに、このセルを複数積層して形成される。セパレータには、燃料ガス(水素ガス)や酸化ガスをMEAに供給するためのガス流路が形成されている。また、このMEAに供給されたガスのセル外部への流出を防止するために、セパレータの周縁には通常、シール部材が配されている。   A fuel cell mounted on a vehicle or the like comprises a membrane / electrode assembly (MEA) in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, and is further sandwiched between a pair of separators to form a cell. Formed. The separator is formed with a gas flow path for supplying fuel gas (hydrogen gas) or oxidizing gas to the MEA. In order to prevent the gas supplied to the MEA from flowing out of the cell, a seal member is usually disposed on the periphery of the separator.

特開2006−172960号公報JP 2006-172960 A

ここで、MEAに供給されたガスの外部漏洩を確実に防止するためには、このシール部材のシール圧、換言すれば、シール部材とセパレータとの密着圧力を高くすることが望ましい。しかし、シール圧を高くした場合、電極−集電体間の接触抵抗が大きくなるという問題があった。すなわち、電極−集電体間の接触抵抗を小さくするためには、セルに多大な荷重(締結荷重)を付加して、セパレータとMEAとを密着させることが必要となる。しかし、シール圧が高くなると、セパレータはMEAから離間する方向の力を受けることになる。この場合、電極−集電体間の接触抵抗が大きくなり、結果として電池性能が低下することになる。逆に、セパレータとMEAとが密着するようにシール部材のシール圧を低下させると、接触抵抗は向上するものの、ガスシール性が低下し、やはり、電池性能の悪影響を与えることになる。つまり、従来のガスシール技術では、ガスシール性能の維持および電極−集電体間の接触抵抗の低減という二つの問題は、相反する問題となり、両者を同時に解決することは困難であった。   Here, in order to reliably prevent external leakage of the gas supplied to the MEA, it is desirable to increase the seal pressure of the seal member, in other words, the contact pressure between the seal member and the separator. However, when the sealing pressure is increased, there is a problem that the contact resistance between the electrode and the current collector increases. That is, in order to reduce the contact resistance between the electrode and the current collector, it is necessary to apply a large load (fastening load) to the cell so that the separator and the MEA are brought into close contact with each other. However, when the sealing pressure increases, the separator receives a force in a direction away from the MEA. In this case, the contact resistance between the electrode and the current collector increases, and as a result, the battery performance decreases. Conversely, when the seal pressure of the seal member is lowered so that the separator and the MEA are in close contact with each other, the contact resistance is improved, but the gas sealability is lowered, and the battery performance is adversely affected. In other words, in the conventional gas seal technology, the two problems of maintaining the gas seal performance and reducing the contact resistance between the electrode and the current collector are contradictory problems, and it has been difficult to solve them at the same time.

さらに、この問題を複雑にする要因としてセル内部の環境、すなわち、温度や湿度、圧力などの変化が挙げられる。周知の通り、燃料電池の駆動に伴い、セル内部の温度や湿度、圧力は、大きく変化する。このセル内部の環境変化により、MEAやシール部材等の膨縮、ひいては、これらを挟持する一対のセパレータ間距離の変化が生じる。そして、その結果、シール部材厚みに比してセパレータ間距離が大きくなってガスシール性が低下したり、逆に、MEAの厚みに比してセパレータ間距離が大きくなって電極−集電体間の接触抵抗が大きくなったりする場合があった。つまり、従来技術では、接触抵抗を低減しつつ、適度なガスシール性を維持することは困難であった。なお、特許文献1には、セル内部の水分を吸収することによって体積が増加する吸水性樹脂をシール部材として用いる技術が開示されている。しかし、この技術は、セルの排水性を所望の状態に保つことを目的とするもので、上述したシール性能維持と接触抵抗低減の両方を達成するものではない。つまり、従来、シール性能を維持しつつ、接触抵抗を低減して、燃料電池の電池性能を効果的に向上させる技術はなかった。   Further, factors that complicate this problem include changes in the environment inside the cell, that is, changes in temperature, humidity, pressure, and the like. As is well known, as the fuel cell is driven, the temperature, humidity, and pressure inside the cell change greatly. Due to the environmental change inside the cell, the expansion and contraction of the MEA, the seal member, and the like, and consequently the change in the distance between the pair of separators that sandwich them. As a result, the separator-to-separator distance increases relative to the seal member thickness and gas sealing performance decreases, and conversely, the separator-to-separator distance increases relative to the thickness of the MEA. In some cases, the contact resistance increases. That is, in the prior art, it has been difficult to maintain an appropriate gas sealing property while reducing the contact resistance. Patent Document 1 discloses a technique in which a water-absorbent resin whose volume increases by absorbing moisture inside the cell is used as a seal member. However, this technique aims to maintain the drainage performance of the cell in a desired state, and does not achieve both the above-described sealing performance maintenance and contact resistance reduction. That is, conventionally, there has been no technology for effectively improving the cell performance of the fuel cell by reducing the contact resistance while maintaining the sealing performance.

そこで、本発明では、電池性能をより向上でき得るガスシール構造、および、ガスシール方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas seal structure and a gas seal method that can further improve battery performance.

本発明のガスシール構造は、電解質膜を一対の電極部材で挟持したMEAを、さらに、一対の金属製セパレータで挟持した燃料電池において、前記MEAに供給されるガスのセパレータ外部への流出を防止するガスシール構造であって、前記セパレータの周縁に配される中空構造の弾性部材であって、セパレータに密着することでMEAに供給されるガスの外部流出を防止する弾性部材と、前記弾性部材の内部に流体を供給する流体供給手段であって、前記弾性部材の中空内部に供給する流体量を可変することで、少なくともガスシール圧が所定の基準シール圧となるべく、当該弾性部材の厚みを変化させる流体供給手段と、を備えることを特徴とする。   The gas seal structure of the present invention prevents a gas supplied to the MEA from flowing out of the separator in a fuel cell in which an MEA sandwiched between a pair of electrode members is further sandwiched between a pair of metal separators. An elastic member having a hollow structure disposed on the periphery of the separator, wherein the elastic member prevents the gas supplied to the MEA from flowing out to the outside by being in close contact with the separator, and the elastic member A fluid supply means for supplying fluid to the inside of the elastic member, and by varying the amount of fluid supplied to the hollow interior of the elastic member, the thickness of the elastic member is set so that at least the gas seal pressure becomes a predetermined reference seal pressure. And a fluid supply means for changing.

好適な態様では、前記流体供給手段は、ガスシール圧が所定の基準シール圧、かつ、電極−集電体間接触抵抗が所定の基準抵抗値になるべく、弾性部材の厚みを変化させる。   In a preferred aspect, the fluid supply means changes the thickness of the elastic member so that the gas seal pressure is a predetermined reference seal pressure and the electrode-current collector contact resistance is a predetermined reference resistance value.

他の好適な態様では、前記弾性部材は、一対のセパレータ間に配される内側弾性部材と、セパレータを挟んで当該内側弾性部材の反対側に配される外側弾性部材と、を備える。この場合、前記流体供給手段は、前記内側弾性部材に供給する流体量と、前記外側弾性部材に供給する流体量と、を互いに独立して調整することが望ましい。   In another preferred aspect, the elastic member includes an inner elastic member disposed between the pair of separators, and an outer elastic member disposed on the opposite side of the inner elastic member with the separator interposed therebetween. In this case, it is desirable that the fluid supply means adjusts the amount of fluid supplied to the inner elastic member and the amount of fluid supplied to the outer elastic member independently of each other.

他の好適な態様では、前記流体供給手段は、セパレータの周縁に形成され、前記弾性体に連通されたマニホールドと、セル外部に設けられ、前記マニホールドに連通されたポンプと、を備える。   In another preferred aspect, the fluid supply means includes a manifold formed on a peripheral edge of the separator and communicated with the elastic body, and a pump provided outside the cell and communicated with the manifold.

他の本発明であるガスシール方法は、電解質膜を一対の電極部材で挟持したMEAを、さらに、一対の金属製セパレータで挟持して構成される燃料電池のガスシール方法であって、前記セパレータの周縁に配される中空構造の弾性部材の内部に供給する流体量を変化させて、少なくともガスシール圧が所定の基準シール圧となるべく当該弾性部材の厚みを変化させることを特徴とする。   Another gas sealing method according to the present invention is a gas sealing method for a fuel cell, in which an MEA in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode members is further sandwiched between a pair of metal separators. The thickness of the elastic member is changed as much as possible so that at least the gas seal pressure becomes a predetermined reference seal pressure by changing the amount of fluid supplied to the inside of the elastic member having a hollow structure disposed on the periphery of the elastic member.

本発明によれば、弾性体に供給される流体量を変化させることで、弾性体の厚みを、少なくともガスシール圧が所定の基準シール圧となるべく、変化させることができる。そのため、セル内部環境の変化に関わらず、適度なガスシールを維持できる。また、ガスシール圧が過大となることも防止されるため、接触抵抗の増加も防止できる。そして、その結果、電池性能をより向上できる。   According to the present invention, by changing the amount of fluid supplied to the elastic body, the thickness of the elastic body can be changed so that at least the gas seal pressure becomes the predetermined reference seal pressure. Therefore, an appropriate gas seal can be maintained regardless of changes in the cell internal environment. In addition, since the gas seal pressure is prevented from becoming excessive, an increase in contact resistance can also be prevented. As a result, the battery performance can be further improved.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態である燃料電池10を構成するセル12の概略構成図である。燃料電池10は、図1に図示するようなセル12を1以上積層することで構成される。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a cell 12 constituting a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell 10 is configured by stacking one or more cells 12 as shown in FIG.

各セル12は、電解質膜18を一対の電極20で挟持した膜・電極アセンブリ16(以下「MEA16」という)を、さらに、一対のセパレータ14で挟持して構成される。MEA16を構成する電解質膜18は、イオン伝導性を備えた高分子材料からなる膜体で、イオン交換膜として機能する。電解質膜18の両側には一対の電極20、すなわち、燃料極(アノード側電極20a)と酸素極(カソード側電極20b)とが設けられている。各電極20は、セパレータ14を介して供給されるガスを拡散する拡散層と、触媒材料を備えた触媒層と、から構成される。拡散層は、カーボンクロスやカーボンペーパなどの亜炭素系材料からなる。また、触媒層は、電解質膜18の両面、または、拡散層の片面に、触媒貴金属(例えば、Ptなど)を担持したカーボン粉末(電極触媒材料)を塗布することで形成される。   Each cell 12 includes a membrane / electrode assembly 16 (hereinafter referred to as “MEA 16”) in which an electrolyte membrane 18 is sandwiched between a pair of electrodes 20 and is further sandwiched between a pair of separators 14. The electrolyte membrane 18 constituting the MEA 16 is a membrane body made of a polymer material having ion conductivity and functions as an ion exchange membrane. A pair of electrodes 20, that is, a fuel electrode (anode side electrode 20 a) and an oxygen electrode (cathode side electrode 20 b) are provided on both sides of the electrolyte membrane 18. Each electrode 20 includes a diffusion layer that diffuses a gas supplied via the separator 14 and a catalyst layer that includes a catalyst material. The diffusion layer is made of a sub-carbon material such as carbon cloth or carbon paper. The catalyst layer is formed by applying carbon powder (electrode catalyst material) carrying a catalyst noble metal (for example, Pt or the like) to both surfaces of the electrolyte membrane 18 or one surface of the diffusion layer.

セパレータ14は、導電性を備えた金属材料からなる板材で、セル間を仕切る仕切り部材として機能する。また、このセパレータ14の表面には、多数の凹凸が形成されており、この凹凸がMEA16に供給されるガスの流路22としても機能するようになっている。さらに、セパレータ14は、隣接するセル12のセパレータ14と接触することで、各セル12間を電気的に接続する機能も果たす。   The separator 14 is a plate material made of a metal material having conductivity, and functions as a partition member that partitions cells. In addition, a large number of irregularities are formed on the surface of the separator 14, and these irregularities function as a gas flow path 22 supplied to the MEA 16. Furthermore, the separator 14 also functions to electrically connect each cell 12 by contacting the separator 14 of the adjacent cell 12.

この燃料電池10での発電の仕組みは次の通りである。セパレータ14に形成された流路22を通じて燃料極20aに燃料ガス(例えば水素含有ガス)が、空気極20bに酸化剤ガス(例えば空気)がそれぞれ供給される。燃料ガスは、電極20aの触媒の作用により電子と水素イオン(H+)に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極20aから空気極20bに移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン(H+)は電解質膜18を通過して空気極20bに達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水(H2O)になる。水素(H2)と酸素(O2)および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極20bのあるカソード側に生成した水(以下「反応水」という)は、カソード側から排出される。なお、生成された電気は、集電体として機能するセパレータ14等を通じて、隣接する他のセル12に伝達される。換言すれば、複数のセル12は、セパレータ14等の集電体を通じて、直列に接続されることになる。この直列接続により、燃料電池10全体としては、大容量の電流を生成することができる。 The power generation mechanism in the fuel cell 10 is as follows. Fuel gas (for example, hydrogen-containing gas) is supplied to the fuel electrode 20a through the flow path 22 formed in the separator 14, and oxidant gas (for example, air) is supplied to the air electrode 20b. The fuel gas is decomposed into electrons and hydrogen ions (H +) by the action of the catalyst of the electrode 20a. The electrons pass through the external circuit and move from the fuel electrode 20a to the air electrode 20b to generate an electric current. On the other hand, hydrogen ions (H +) pass through the electrolyte membrane 18 and reach the air electrode 20b, combine with oxygen and electrons that have passed through the external circuit, and become reaction water (H 2 O). Heat generated simultaneously with the bonding reaction of hydrogen (H 2 ), oxygen (O 2 ), and electrons is recovered by cooling water. Further, water generated on the cathode side having the air electrode 20b (hereinafter referred to as “reaction water”) is discharged from the cathode side. The generated electricity is transmitted to another adjacent cell 12 through the separator 14 or the like that functions as a current collector. In other words, the plurality of cells 12 are connected in series through a current collector such as the separator 14. With this series connection, the fuel cell 10 as a whole can generate a large amount of current.

ここで、燃料電池10での発電を効率よく適切に行うためには、電極−集電体間の接触抵抗の低減が必要となる。電極と集電体の接触面積が小さく、接触抵抗が大きくなった場合には、発電効率の低下を招く。そのため、従来から、セパレータ14でのMEA挟持力が大きくなるべく、大きな力でセル12を締結している。   Here, in order to efficiently and appropriately generate power in the fuel cell 10, it is necessary to reduce the contact resistance between the electrode and the current collector. When the contact area between the electrode and the current collector is small and the contact resistance is large, the power generation efficiency is reduced. Therefore, conventionally, the cells 12 are fastened with a large force so as to increase the MEA clamping force of the separator 14.

また、適切に発電を行うためには、ガスシール性を確実に確保する必要がある。すなわち、MEA16に供給されたガスがセル外部に漏洩したり、酸化ガスと水素ガスが混和したりすると、適切な発電を行うことができない。そこで、従来から、セパレータ14の周縁に、シール部材を設け、ガスシール性の確保を図っていた。ただし、従来のシール部材の構成は、ガスシール性しか考慮しておらず、電極−集電体間の接触抵抗についての考慮が乏しかった。また、セル内部の環境(温度・湿度など)変化に対する考慮が乏しく、適切なガスシール性が得られない場合もあった。   Moreover, in order to generate electric power appropriately, it is necessary to ensure gas sealing performance reliably. That is, if the gas supplied to the MEA 16 leaks to the outside of the cell or the oxidizing gas and the hydrogen gas are mixed, appropriate power generation cannot be performed. Therefore, conventionally, a sealing member has been provided on the periphery of the separator 14 to ensure gas sealing performance. However, the configuration of the conventional seal member only considers the gas sealing property, and the consideration about the contact resistance between the electrode and the current collector is poor. In addition, due to poor consideration of changes in the environment (temperature, humidity, etc.) inside the cell, there are cases where appropriate gas sealing properties cannot be obtained.

そこで、本実施形態では、シール部材を特殊な構成とすることで、セル内部の環境変化に関わらず常に適切なガスシール性を確保するとともに、電極−集電体間の接触抵抗の増加を防止している。以下、このシール部材について詳説する。   Therefore, in this embodiment, the sealing member has a special configuration, so that an appropriate gas sealing property is always ensured regardless of the environmental change inside the cell, and an increase in contact resistance between the electrode and the current collector is prevented. is doing. Hereinafter, this seal member will be described in detail.

はじめに、従来のシール部材について簡単に説明する。図5は、従来のセル40に設けられていたシール部材42の概略構成を示す図である。従来のシール部材42は、MEA16の端部を挟持する一対の樹脂プレート32を接着剤34で接着することで構成される。各シール部材42は、MEA16の厚みに対応した厚みとなっており、セパレータ14に密着することでガスシール性を確保する。このとき、シール部材42とセパレータ14の密着度が高い、換言すれば、ガスシール圧が高いほど、高いガスシール性が得られる。しかし、ガスシール圧が過度に高いと、セパレータ14にはMEA16から離間する方向の力がかかることになり、集電体であるセパレータ14等と電極20とが離間し、接触抵抗が増加する。したがって、シール部材42は、最低限必要となるガスシール圧が得られる程度の厚みとするのが望ましい。   First, a conventional seal member will be briefly described. FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the seal member 42 provided in the conventional cell 40. The conventional seal member 42 is configured by adhering a pair of resin plates 32 that sandwich the end of the MEA 16 with an adhesive 34. Each sealing member 42 has a thickness corresponding to the thickness of the MEA 16, and ensures gas sealing performance by being in close contact with the separator 14. At this time, the degree of adhesion between the seal member 42 and the separator 14 is high. In other words, the higher the gas seal pressure, the higher the gas seal performance. However, when the gas seal pressure is excessively high, a force in a direction away from the MEA 16 is applied to the separator 14, and the separator 14 and the like, which are current collectors, are separated from the electrode 20 and the contact resistance is increased. Therefore, it is desirable that the seal member 42 has a thickness that can provide a minimum required gas seal pressure.

しかしながら、ガスシール性の確保と、接触抵抗の低減と、を両立するためのシール部材42の厚みは、燃料電池10の駆動に伴い変化するため、従来のシール部材42では、この二つの特性を常時、両立することは困難であった。すなわち、各セル40は、発電の過程で、その内部環境(温度や湿度、内圧など)が大きく変化し、この内部環境の変化に伴いMEA16やシール部材42の膨縮が生じていた。このとき、異なる材質からなり、厚みも異なるシール部材42の膨縮量を、MEA16の膨縮量に追従させることは極めて困難であり、ガスシール性の低減や、接触抵抗の増加を招いていた。   However, since the thickness of the seal member 42 for achieving both gas sealing performance and reduction in contact resistance changes as the fuel cell 10 is driven, the conventional seal member 42 has these two characteristics. It has always been difficult to achieve both. That is, the internal environment (temperature, humidity, internal pressure, etc.) of each cell 40 greatly changes during the power generation process, and the MEA 16 and the seal member 42 are expanded and contracted with the change of the internal environment. At this time, it is extremely difficult to cause the expansion / contraction amount of the seal member 42 made of different materials and having different thicknesses to follow the expansion / contraction amount of the MEA 16, resulting in a decrease in gas sealability and an increase in contact resistance. .

例えば、シール部材42の膨張量に比して、MEA16の膨張量が大きい場合には、図5(b)に図示するように、膨張したMEA16により押圧されて、セパレータ14がシール部材42から離間する。そして、その結果、シール部材42とセパレータ14との間に間隙が生じてしまい、ガスシール性を担保できない場合があった。また、逆に、MEA16の膨張量に比して、シール部材42の膨張量が大きい場合には、図5(c)に図示するように、膨張したシール部材42により、セパレータ14がMEA16から離間する方向に押圧されることになる。その結果、集電体として機能するセパレータ14が、電極20から離間することになり、電極−集電体間の接触抵抗が増加する。   For example, when the expansion amount of the MEA 16 is larger than the expansion amount of the seal member 42, the separator 14 is separated from the seal member 42 by being pressed by the expanded MEA 16 as illustrated in FIG. To do. As a result, a gap is generated between the sealing member 42 and the separator 14, and gas sealing performance may not be ensured. Conversely, when the expansion amount of the seal member 42 is larger than the expansion amount of the MEA 16, as shown in FIG. 5C, the separator 14 is separated from the MEA 16 by the expanded seal member 42. It will be pushed in the direction to do. As a result, the separator 14 functioning as a current collector is separated from the electrode 20 and the contact resistance between the electrode and the current collector is increased.

こうした問題を解決するために、膨縮性材料、具体的には、カーボンからなるセパレータを用いることも考えられる。カーボンセパレータの場合は、樹脂フレームを備えたシール部材を設ける代わりに、当該カーボンセパレータの周縁部分を肉厚に形成し、この肉厚部分をシール部材として用いる。すなわち、互いに対向するカーボンセパレータの周縁(肉厚部分)を接着剤で接着することでガスシールを図る。この場合、樹脂フレームのようなセパレータと別体の部材がないため、セル周縁(ガスシール部)における厚み変動が少なくなり、上述の問題はある程度改善できる。しかしながら、カーボンセパレータは、金属セパレータに比して、コストが高くなりがちであり、また、加工が困難という問題もある。さらに、カーボンは金属に比して剛性が乏しいため、肉厚になりがちであり、セルの薄型化が困難という問題もある。   In order to solve such a problem, it is also conceivable to use an expandable material, specifically, a separator made of carbon. In the case of a carbon separator, instead of providing a seal member provided with a resin frame, the peripheral portion of the carbon separator is formed thick, and this thick portion is used as a seal member. That is, gas sealing is achieved by bonding the peripheral edges (thick portions) of the carbon separators facing each other with an adhesive. In this case, since there is no separate member such as a resin frame, the thickness fluctuation at the cell periphery (gas seal portion) is reduced, and the above-mentioned problem can be improved to some extent. However, carbon separators tend to be expensive as compared to metal separators, and there is a problem that processing is difficult. Furthermore, since carbon has a lower rigidity than metal, it tends to be thick, and there is a problem that it is difficult to reduce the thickness of the cell.

そこで、本実施形態では、ガスシール圧を一定に保つべく厚み変化するシール部材を用いることで、金属セパレータ14を用いた場合であっても、ガスシール性の確保と接触抵抗の低減の両立を可能としている。以下、本実施形態のシール部材の構成について詳説する。   Therefore, in this embodiment, by using a seal member whose thickness changes so as to keep the gas seal pressure constant, even when the metal separator 14 is used, it is possible to achieve both ensuring of gas seal properties and reduction of contact resistance. It is possible. Hereinafter, the configuration of the seal member of the present embodiment will be described in detail.

図1に図示するように、本実施形態のシール部材は、仕切材26、内側弾性体28、外側弾性体30を備える。仕切材26は、セパレータ14の周縁に形成される間隙部分を、アノード側およびカソード側に仕切る部材で、MEA16の端部を挟持する一対の樹脂プレート32を接着剤34で接着することで構成される。ただし、この仕切材26は、従来のシール部材42(図5参照)とは異なり、その厚みは、間隙部分の高さより十分に小さくなっている。   As shown in FIG. 1, the seal member of this embodiment includes a partition member 26, an inner elastic body 28, and an outer elastic body 30. The partition member 26 is a member that partitions a gap formed at the periphery of the separator 14 into an anode side and a cathode side, and is configured by adhering a pair of resin plates 32 that sandwich the end of the MEA 16 with an adhesive 34. The However, unlike the conventional seal member 42 (see FIG. 5), the partition member 26 has a thickness sufficiently smaller than the height of the gap portion.

内側弾性体28は、ゴム等の弾性材料からなり、仕切材26とセパレータ14の間に配される部材で、いわゆるOリングである。本実施形態では、この内側弾性体28をセパレータ14および仕切材26に密着させることで、ガスシール性を確保している。ただし、この内側弾性体28は、通常のOリングと異なり、この内側弾性体28は、内部が中空となっている。言い換えれば、内側弾性体28は、セパレータ14の周縁に配される略管体ともいえる。この略管体である内側弾性体28の内部には、後述する流体供給装置36により流体(例えば水など)が供給される。そして、この供給される流体量を可変することで、内側弾性体28の厚み(高さ)が変更される。すなわち、内側弾性体28の内部が流体で充填されている場合には、当該内側弾性体28は、流体から受ける圧力により、潰れることなく、初期、すなわち、外力が一切付加されていない状態での厚み(高さ)を維持する。一方、内側弾性体28の内部の流体が吸引された場合には、当該内側弾性体28の内部に負圧が作用することになる。そして、この負圧の作用により、内側弾性体28は潰れ(閉塞し)、その厚み(高さ)が小さくなる。なお、図1に図示するように、本実施形態では、この内側弾性体28を、カソード側およびカソード側にそれぞれ二つずつ、計四つ配しているが、当然ながら、この数は適宜、変更可能である。   The inner elastic body 28 is made of an elastic material such as rubber and is a member disposed between the partition member 26 and the separator 14 and is a so-called O-ring. In the present embodiment, this inner elastic body 28 is brought into close contact with the separator 14 and the partition material 26 to ensure gas sealing performance. However, the inner elastic body 28 is different from a normal O-ring, and the inner elastic body 28 is hollow inside. In other words, the inner elastic body 28 can also be said to be a substantially tubular body disposed on the periphery of the separator 14. A fluid (for example, water) is supplied into the inside elastic body 28 which is a substantially tubular body by a fluid supply device 36 which will be described later. And the thickness (height) of the inner side elastic body 28 is changed by changing this fluid quantity supplied. That is, when the inside of the inner elastic body 28 is filled with a fluid, the inner elastic body 28 is not crushed by the pressure received from the fluid and is initially, that is, in a state where no external force is applied. Maintain thickness (height). On the other hand, when the fluid inside the inner elastic body 28 is sucked, a negative pressure acts on the inner elastic body 28. And, by the action of this negative pressure, the inner elastic body 28 is crushed (closed) and its thickness (height) is reduced. As shown in FIG. 1, in the present embodiment, two inner elastic bodies 28 are provided on the cathode side and the cathode side, respectively, a total of four. It can be changed.

外側弾性体30も、内側弾性体28と同様に、弾性材料からなるOリングであり、その内部が中空となった略管体である。この外側弾性体30の内部にも、流体供給装置36により流体が供給される。そして、この内部に供給される流体量に応じて、外側弾性体30の厚みが変化するようになっている。ここで、外側弾性体30は、セパレータ14の外表面、換言すれば、セル12の外側に配置される。このセル12の外側に配置された外側弾性体30を収容する空間を形成するために、セパレータ14には、外側弾性体30の高さに対応した段差が設けられている。   Similarly to the inner elastic body 28, the outer elastic body 30 is an O-ring made of an elastic material, and is a substantially tubular body having a hollow inside. The fluid is also supplied into the outer elastic body 30 by the fluid supply device 36. The thickness of the outer elastic body 30 is changed according to the amount of fluid supplied to the inside. Here, the outer elastic body 30 is disposed on the outer surface of the separator 14, in other words, on the outer side of the cell 12. In order to form a space for accommodating the outer elastic body 30 disposed outside the cell 12, the separator 14 is provided with a step corresponding to the height of the outer elastic body 30.

セル12の外部には、流体供給装置36、および、制御部38が設けられている。また、各セル12にはセル内部の環境(温度、湿度、内圧等)を検知する環境センサ39が設けられており、この環境センサ39の検出知は制御部38に入力されるようになっている。   A fluid supply device 36 and a control unit 38 are provided outside the cell 12. Each cell 12 is provided with an environmental sensor 39 for detecting the environment (temperature, humidity, internal pressure, etc.) inside the cell, and the detection knowledge of the environmental sensor 39 is input to the control unit 38. Yes.

流体供給装置36は、周知のポンプなどからなり、制御部38からの指示に応じて、弾性体28,30の内部に流体を供給する。この流体供給装置36は、内側弾性体28への供給流体量と、外側弾性体30への供給流体量と、を互いに独立して制御できるようになっている。換言すれば、内側弾性体28に供給する流体量と、外側弾性体30に供給する流体量を異ならせることができる。したがって、例えば、内側弾性体28に多量の流体を供給するとともに、外側弾性体30に供給する流体量を少なくすることもできる。   The fluid supply device 36 includes a known pump or the like, and supplies fluid into the elastic bodies 28 and 30 in response to an instruction from the control unit 38. The fluid supply device 36 can control the amount of fluid supplied to the inner elastic body 28 and the amount of fluid supplied to the outer elastic body 30 independently of each other. In other words, the amount of fluid supplied to the inner elastic body 28 and the amount of fluid supplied to the outer elastic body 30 can be made different. Therefore, for example, a large amount of fluid can be supplied to the inner elastic body 28 and the amount of fluid supplied to the outer elastic body 30 can be reduced.

環境センサ39は、各セル12の内部環境、具体的には、温度や、湿度の他、必要に応じて、内圧などを検知するセンサである。この環境センサ39で検知された検出値は、制御部38に出力され、燃料電池10の各種駆動制御に利用される。   The environmental sensor 39 is a sensor that detects the internal environment of each cell 12, specifically, the temperature and humidity, as well as the internal pressure as necessary. The detection value detected by the environmental sensor 39 is output to the control unit 38 and used for various drive controls of the fuel cell 10.

制御部38は、燃料電池10の駆動を制御するもので、上位制御部からの指令に応じて燃料ガスや酸化ガスの供給動作を制御する他、流体供給装置36の駆動制御も行う。この流体供給装置36の駆動制御は、ガスシール圧が予め規定された基準シール圧となるべく行われる。すなわち、セル内部環境の変化に伴いMEA16の厚み等が変化すれば、基準シール圧を維持するために必要な弾性体28,30の厚み、ひいては、弾性体28,30に供給する流体量も変化する。制御部38は、環境センサ39からの出力値に基づき、基準シール圧維持のために必要な流体量を算出し、流体供給装置36に指示する。   The control unit 38 controls the drive of the fuel cell 10 and controls the supply operation of the fuel gas and the oxidizing gas in accordance with a command from the host control unit, and also controls the drive of the fluid supply device 36. The drive control of the fluid supply device 36 is performed so that the gas seal pressure becomes a predetermined reference seal pressure. That is, if the thickness of the MEA 16 changes with changes in the internal environment of the cell, the thickness of the elastic bodies 28 and 30 required to maintain the reference seal pressure, and hence the amount of fluid supplied to the elastic bodies 28 and 30 also changes. To do. Based on the output value from the environment sensor 39, the control unit 38 calculates the amount of fluid necessary for maintaining the reference seal pressure, and instructs the fluid supply device 36.

ここで、基準シール圧は、予め任意に設定される値であるが、ガス漏洩を確実に防止するために最低限必要な値であることが望ましい。基準シール圧が過度に大きい場合には、電極−集電体間の接触抵抗の増加を招くためである。   Here, the reference seal pressure is a value that is arbitrarily set in advance, but is desirably a minimum value necessary for reliably preventing gas leakage. This is because when the reference seal pressure is excessively large, the contact resistance between the electrode and the current collector is increased.

また、基準シール圧維持のために必要な流体量の算出方法としては、種々の方法を採用できる。例えば、実験により予め測定された、基準シール圧維持のために必要な弾性体の厚みと内部環境との関係に基づき、流体量を算出してもよい。すなわち、実験結果に基づき、図2に図示するような最適流体量と内部環境との関係を示すマトリクスを、予め、制御部38に記憶しておき、このマトリクスと、環境センサ39での検知結果とを比較参照して供給流体量を算出してもよい。また、マトリクスではなく、温度や湿度を変数とする数式で供給流体量を記憶してもよい。さらに、直接、ガスシール圧を測定可能なセンサを設け、当該センサでの検知結果に基づいて、流体量を算出してもよい。   Various methods can be employed as a method for calculating the amount of fluid required for maintaining the reference seal pressure. For example, the amount of fluid may be calculated based on the relationship between the thickness of the elastic body necessary for maintaining the reference seal pressure and the internal environment, which is measured in advance by experiments. That is, based on the experimental results, a matrix indicating the relationship between the optimum fluid amount and the internal environment as shown in FIG. 2 is stored in the control unit 38 in advance, and this matrix and the detection result by the environmental sensor 39 The fluid supply amount may be calculated with reference to the above. Further, the supply fluid amount may be stored not by a matrix but by a mathematical expression having temperature and humidity as variables. Furthermore, a sensor capable of directly measuring the gas seal pressure may be provided, and the fluid amount may be calculated based on the detection result of the sensor.

図3は、本実施形態におけるガスシールの様子を示す図である。図3(a)は、セル内部の温度や湿度の上昇に伴いMEA16が膨張した場合の様子を示す。また、図3(b)は、セル内部の温度や湿度の低下に伴いMEA16が縮小した場合の様子を示す。   FIG. 3 is a diagram showing a state of gas sealing in the present embodiment. FIG. 3A shows a state where the MEA 16 expands as the temperature and humidity inside the cell increase. FIG. 3B shows a state where the MEA 16 is reduced as the temperature and humidity inside the cell are reduced.

図3(a)に図示するように、温度や湿度が上昇し、MEA16が膨張した場合には、当該MEA16を挟持する一対のセパレータ14の間隔も広がる。この場合、制御部38は、環境センサ39の検出値に基づき、弾性体28,30に供給する流体量の変更を流体供給装置36に指示する。具体的には、この場合、制御部38は、内側弾性体28に供給する流体量の増加を指示するとともに、当該内側弾性体28の反対側に配された外側弾性体30に供給する流体量の低減を指示する。その結果、セパレータ14の間隔が広がっても、内側弾性体28とセパレータ14の密着性が維持され、適切なガスシール圧が得られる。   As illustrated in FIG. 3A, when the temperature and humidity rise and the MEA 16 expands, the distance between the pair of separators 14 that sandwich the MEA 16 also increases. In this case, the control unit 38 instructs the fluid supply device 36 to change the amount of fluid supplied to the elastic bodies 28 and 30 based on the detection value of the environment sensor 39. Specifically, in this case, the control unit 38 instructs to increase the amount of fluid supplied to the inner elastic body 28 and supplies the fluid amount to the outer elastic body 30 disposed on the opposite side of the inner elastic body 28. Instruct to reduce As a result, even when the interval between the separators 14 is widened, the adhesion between the inner elastic body 28 and the separator 14 is maintained, and an appropriate gas seal pressure is obtained.

一方、図3(b)に図示するように、温度や湿度が低下し、MEA16が縮小した場合には、当該MEA16を挟持する一対のセパレータ14の間隔も狭まる。このとき、内側弾性体28の厚みを不変とすると、ガスシール性は担保できるが、電極−集電体間の接触抵抗は増加する。そこで、この場合、制御部38は、内側弾性体28に供給する流体量の低減を指示するとともに、当該内側弾性体28の反対側に配された外側弾性体30に供給する流体量の増加を指示する。その結果、ガスシール圧が過大となることが防止され、ひいては、電極−集電体間の接触抵抗の増加が防止される。   On the other hand, as illustrated in FIG. 3B, when the temperature and humidity are reduced and the MEA 16 is reduced, the interval between the pair of separators 14 that sandwich the MEA 16 is also reduced. At this time, if the thickness of the inner elastic body 28 is unchanged, the gas sealing property can be ensured, but the contact resistance between the electrode and the current collector increases. Therefore, in this case, the control unit 38 instructs to reduce the amount of fluid supplied to the inner elastic body 28 and increases the amount of fluid supplied to the outer elastic body 30 disposed on the opposite side of the inner elastic body 28. Instruct. As a result, it is possible to prevent the gas seal pressure from becoming excessive, and consequently to prevent an increase in contact resistance between the electrode and the current collector.

つまり、本実施形態によれば、セル内部の環境変化に応じて、シール部材の厚みが変化するため、常に、一定のガスシール性を維持しつつ、電極−集電体間の接触抵抗の増加を防止できる。その結果、より効率的な発電が可能となる。   That is, according to this embodiment, since the thickness of the sealing member changes according to the environmental change inside the cell, the contact resistance between the electrode and the current collector is always increased while maintaining a certain gas sealing property. Can be prevented. As a result, more efficient power generation becomes possible.

なお、上記実施形態では、ガスシール圧を基準として、弾性体28,30に供給する流体量を制御していたが、電極−集電体間の接触抵抗も考慮して流体量を制御してもよい。すなわち、電極−集電体間の接触抵抗は、ガスシール圧が一定であっても、セル内部への燃料ガスや酸化ガスの供給に伴い変化することが知られている。これは、セル内部に生じるガス圧(内圧)が、MEA16と集電体(セパレータ14等)とを引き剥がす力として作用するためと考えられる。こうしたガス圧作用に伴う電極−集電体間の接触抵抗の増加を防止するために、電極−集電体間の接触抵抗を所定の基準抵抗値とするべく、弾性体28,30に供給する流体量を制御してもよい。例えば、ガス圧(セル12内圧)の増加に伴い、電極−集電体間の接触抵抗が増加した場合には、外側弾性体30に供給する流体量を大幅に増加させ、外側弾性体30でセパレータ14を押圧するようにし、接触抵抗の低減を図ってもよい。なお、この場合、電極−集電体間の接触抵抗は、環境センサ39での検出値、すなわち、温度や湿度、内圧などから算出するようにしてもよいし、接触抵抗検出用のセンサを専用に設けてもよい。また、接触抵抗値と弾性体28,30に供給する流体量との関係は、図2に図示するようなマトリクスや、あるいは、接触抵抗値を変数とする数式として予め制御部に記憶しておいてもよい。   In the above embodiment, the amount of fluid supplied to the elastic bodies 28 and 30 is controlled based on the gas seal pressure. However, the amount of fluid is controlled in consideration of the contact resistance between the electrode and the current collector. Also good. That is, it is known that the contact resistance between the electrode and the current collector varies with the supply of fuel gas or oxidizing gas into the cell even when the gas seal pressure is constant. This is presumably because the gas pressure (internal pressure) generated inside the cell acts as a force for peeling off the MEA 16 and the current collector (separator 14 or the like). In order to prevent an increase in the contact resistance between the electrode and the current collector due to such gas pressure action, the contact resistance between the electrode and the current collector is supplied to the elastic bodies 28 and 30 so as to have a predetermined reference resistance value. The amount of fluid may be controlled. For example, when the contact resistance between the electrode and the current collector increases as the gas pressure (cell 12 internal pressure) increases, the amount of fluid supplied to the outer elastic body 30 is greatly increased. The contact resistance may be reduced by pressing the separator 14. In this case, the contact resistance between the electrode and the current collector may be calculated from the value detected by the environmental sensor 39, that is, temperature, humidity, internal pressure, etc., or a sensor for detecting contact resistance is dedicated. May be provided. The relationship between the contact resistance value and the amount of fluid supplied to the elastic bodies 28 and 30 is stored in advance in the control unit as a matrix as shown in FIG. May be.

また、通常、セパレータ14には、酸化ガスや燃料ガスが流れる貫通孔がマニホールドとして形成されているが、さらに、弾性体調整用マニホールドを形成してもよい。すなわち、図4に図示するように、セパレータ14に、酸化ガスや燃料ガス用のマニホールド50の他に、セパレータ14の周縁に配された弾性体28,30に連通される弾性体調整用マニホールド52を形成してもよい。この弾性体調整用マニホールド52に、弾性体28,30に供給するための流体(例えば、空気など)を流すとともに、当該弾性体調整用マニホールド52と弾性体28,30とを連通する。これにより、各弾性体28,30ごとに、流体供給装置36と接続するための管体を設ける必要がなく、ガスシール構造を簡易化できる。   Normally, the separator 14 is formed with a through-hole through which an oxidizing gas or a fuel gas flows as a manifold. However, an elastic body adjusting manifold may be further formed. That is, as shown in FIG. 4, in addition to the oxidant gas and fuel gas manifold 50, the separator 14 has an elastic body adjusting manifold 52 communicated with elastic bodies 28 and 30 disposed on the periphery of the separator 14. May be formed. A fluid (for example, air) supplied to the elastic bodies 28 and 30 is allowed to flow through the elastic body adjusting manifold 52, and the elastic body adjusting manifold 52 and the elastic bodies 28 and 30 are communicated with each other. Thereby, it is not necessary to provide a tube for connecting to the fluid supply device 36 for each of the elastic bodies 28 and 30, and the gas seal structure can be simplified.

本発明の実施形態である燃料電池に用いられるセルの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the cell used for the fuel cell which is embodiment of this invention. 制御部において記憶される環境と供給流体量の関係を示すマトリクスの一例である。It is an example of the matrix which shows the relationship between the environment memorize | stored in a control part, and the amount of supply fluids. ガスシールの様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of a gas seal. 弾性体調整用マニホールドが形成されたセパレータの概略上面図である。It is a schematic top view of the separator in which the manifold for elastic body adjustment was formed. 従来のセルの概略構造図である。It is a schematic structure figure of the conventional cell.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池、12,40 セル、14 セパレータ、16 膜・電極アセンブリ(MEA)、18 電解質膜、20 電極、22 流路、26 仕切材、28 内側弾性体、30 外側弾性体、32 樹脂プレート、34 接着剤、36 流体供給装置、38 制御部、39 環境センサ、42 シール部材、50 マニホールド、52 弾性体調整用マニホールド。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 12, 40 cells, 14 Separator, 16 Membrane electrode assembly (MEA), 18 Electrolyte membrane, 20 Electrode, 22 Flow path, 26 Partition material, 28 Inner elastic body, 30 Outer elastic body, 32 Resin plate, 34 Adhesive, 36 Fluid supply device, 38 Control unit, 39 Environmental sensor, 42 Seal member, 50 Manifold, 52 Manifold for adjusting elastic body.

Claims (6)

電解質膜を一対の電極部材で挟持したMEAを、さらに、一対の金属製セパレータで挟持した燃料電池において、前記MEAに供給されるガスのセパレータ外部への流出を防止するガスシール構造であって、
前記セパレータの周縁に配される中空構造の弾性部材であって、セパレータに密着することでMEAに供給されるガスの外部流出を防止する弾性部材と、
前記弾性部材の内部に流体を供給する流体供給手段であって、前記弾性部材の中空内部に供給する流体量を可変することで、少なくともガスシール圧が所定の基準シール圧となるべく当該弾性部材の厚みを変化させる流体供給手段と、
を備えることを特徴とするガスシール構造。
In a fuel cell in which an MEA sandwiched between a pair of electrode members is further sandwiched between a pair of metal separators, a gas seal structure that prevents the gas supplied to the MEA from flowing out of the separator,
An elastic member having a hollow structure disposed on the periphery of the separator, the elastic member preventing the outflow of gas supplied to the MEA by being in close contact with the separator;
Fluid supply means for supplying fluid to the inside of the elastic member, and by varying the amount of fluid supplied to the hollow inside of the elastic member, at least the gas seal pressure of the elastic member should be a predetermined reference seal pressure. Fluid supply means for changing the thickness;
A gas seal structure comprising:
請求項1に記載のガスシール構造であって、
前記流体供給手段は、ガスシール圧が所定の基準シール圧、かつ、電極−集電体間接触抵抗が所定の基準抵抗値になるべく、弾性部材の厚みを変化させることを特徴とするガスシール構造。
The gas seal structure according to claim 1,
The fluid supply means changes the thickness of the elastic member so that the gas seal pressure is a predetermined reference seal pressure and the electrode-current collector contact resistance is a predetermined reference resistance value. .
請求項1または2に記載のガスシール構造であって、
前記弾性部材は、一対のセパレータ間に配される内側弾性部材と、セパレータを挟んで当該内側弾性部材の反対側に配される外側弾性部材と、を備えることを特徴とするガスシール構造。
The gas seal structure according to claim 1 or 2,
The gas sealing structure, wherein the elastic member includes an inner elastic member disposed between a pair of separators, and an outer elastic member disposed on the opposite side of the inner elastic member with the separator interposed therebetween.
請求項3に記載のガスシール構造であって、
前記流体供給手段は、前記内側弾性部材に供給する流体量と、前記外側弾性部材に供給する流体量と、を互いに独立して調整することを特徴とするガスシール構造。
The gas seal structure according to claim 3,
The gas seal structure, wherein the fluid supply means adjusts the amount of fluid supplied to the inner elastic member and the amount of fluid supplied to the outer elastic member independently of each other.
請求項1から4のいずれか1項に記載のガスシール構造であって、
前記流体供給手段は、
セパレータの周縁に形成され、前記弾性体に連通されたマニホールドと、
セル外部に設けられ、前記マニホールドに連通されたポンプと、
を備えることを特徴とするガスシール構造。
The gas seal structure according to any one of claims 1 to 4,
The fluid supply means includes
A manifold formed on the periphery of the separator and communicated with the elastic body;
A pump provided outside the cell and communicated with the manifold;
A gas seal structure comprising:
電解質膜を一対の電極部材で挟持したMEAを、さらに、一対の金属製セパレータで挟持して構成される燃料電池のガスシール方法であって、
前記セパレータの周縁に配される中空構造の弾性部材の内部に供給する流体量を変化させて、少なくともガスシール圧が所定の基準シール圧となるべく当該弾性部材の厚みを変化させることを特徴とするガスシール方法。
A fuel cell gas sealing method in which an MEA having an electrolyte membrane sandwiched between a pair of electrode members is further sandwiched between a pair of metal separators,
The thickness of the elastic member is changed so that at least the gas seal pressure becomes a predetermined reference seal pressure by changing the amount of fluid supplied to the inside of the elastic member having a hollow structure disposed on the periphery of the separator. Gas sealing method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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