JP2009043492A - Fuel cell - Google Patents

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Teruyuki Otani
輝幸 大谷
Ken Takahashi
謙 高橋
Shigetoshi Sugita
成利 杉田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to alleviate a load difference between a power-generating part and a sealing part of the metal separator, prevent cracks of a metal plate as much as possible, and maintain a good sealing property. <P>SOLUTION: An oxidant gas flow channel 30 as a power generating part opposed to a cathode side electrode 26 and a flow channel sealing part 36a surrounding the oxidant gas flow channel 30 are provided on a face 14a of a first metal separator 14 constituting the fuel cell 10. A deforming part 40 more easily deformable than other parts when an outside load is imparted is provided between the oxidant gas flow channel 30 and the flow channel sealing part 36a, and at the same time, the deforming part 40 is provided with a bead-shaped part 42 extended along a length direction of the flow channel sealing part 36a. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、シール部材が一体に設けられる金属セパレータとが積層される燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator provided integrally with a seal member are laminated.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜(MEA)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)を、セパレータによって挟持して構成されている。この種の燃料電池では、車載用として使用する際に、通常、数十〜数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。   For example, a polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (MEA) made of a polymer ion exchange membrane. The electrode structure is sandwiched between separators. In this type of fuel cell, when used for in-vehicle use, a fuel cell stack is usually formed by stacking several tens to several hundreds of fuel cells.

この場合、セパレータとしては、カーボンセパレータの他、薄板状の金属プレートにシール部材を一体成形した金属セパレータが使用されている。この種の金属セパレータは、例えば、特許文献1に開示されているシリコーン樹脂−金属複合体の製造方法により製造されている。   In this case, as the separator, in addition to the carbon separator, a metal separator in which a sealing member is integrally formed on a thin metal plate is used. This type of metal separator is manufactured, for example, by a method for manufacturing a silicone resin-metal composite disclosed in Patent Document 1.

具体的には、図6に示すように、金属薄板1の端部が金型を構成する固定側型板2aと、可動側型板2bとの合わせ面に形成された金型キャビティ内に配置されている。金属薄板1の周縁部には、この金属薄板1の断面部3を介して樹脂流路4が形成されており、固定側型板2aのゲート5から液状シリコーン樹脂が射出されている。この液状シリコーン樹脂は、表面のシリコーン樹脂層6aから金属薄板1の断面部3の樹脂流路4を通って裏面のシリコーン樹脂層6bへ金型キャビティ内に充填されることにより、成形されている。   Specifically, as shown in FIG. 6, the end of the thin metal plate 1 is placed in a mold cavity formed on the mating surface of the fixed side mold plate 2a and the movable side mold plate 2b constituting the mold. Has been. A resin flow path 4 is formed at the peripheral edge portion of the thin metal plate 1 via the cross-sectional portion 3 of the thin metal plate 1, and a liquid silicone resin is injected from the gate 5 of the fixed-side mold plate 2 a. This liquid silicone resin is molded by filling the mold cavity from the silicone resin layer 6a on the front surface to the silicone resin layer 6b on the back surface through the resin flow path 4 in the cross section 3 of the metal thin plate 1. .

特開平11−309746号公報JP 11-309746 A

ところで、金属セパレータでは、小型軽量化を図るために、金属プレートの厚さを減少させて薄肉化を図っている。このため、例えば、燃料電池の積層時に、シール部材、金属プレート又はMEAの製造誤差等によって、金属セパレータの中央領域の発電部と前記発電部の周囲に設けられているシール部とに発生する荷重の差が大きくなる場合がある。これにより、金属プレートの塑性変形による割れや短絡、又はシール不良によるガス漏れ等が惹起するという問題がある。   By the way, in the metal separator, in order to reduce the size and weight, the thickness of the metal plate is reduced to reduce the thickness. For this reason, for example, when a fuel cell is stacked, a load generated in the power generation unit in the central region of the metal separator and the seal unit provided around the power generation unit due to a manufacturing error of the seal member, the metal plate, or the MEA The difference may be large. As a result, there is a problem that a crack or a short circuit due to plastic deformation of the metal plate or a gas leak due to a seal failure is caused.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、金属セパレータの発電部とシール部との荷重差を緩和させることができ、金属プレートの割れ等を可及的に阻止し、しかも良好なシール性を保持することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, can reduce the load difference between the power generation part and the seal part of the metal separator, prevents cracks and the like of the metal plate as much as possible, and provides a good seal. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of maintaining the properties.

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、シール部材が一体に設けられる金属セパレータとが、積層される燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of an electrolyte and a metal separator provided integrally with a seal member are laminated.

金属セパレータは、電極に対向する発電部と、シール部材により構成され、前記発電部を囲繞するシール部と、前記発電部と前記シール部との間に設けられ、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部とを備えている。   The metal separator is composed of a power generation portion facing the electrode and a seal member, and is provided between the power generation portion and the seal portion, and when an external load is applied. And a deformable portion that can be deformed more easily than other portions.

また、発電部は、反応ガスを電極に沿って流すための反応ガス流路を形成する凹凸形状部を有するとともに、変形部は、前記反応ガス流路側に突出するビード形状部を有することが好ましい。   The power generation unit preferably has a concavo-convex shape portion that forms a reaction gas flow path for flowing the reaction gas along the electrode, and the deformation portion has a bead shape portion that protrudes toward the reaction gas flow channel side. .

さらに、変形部は、他の部位に比べて薄肉形状を有することが好ましい。   Furthermore, it is preferable that a deformation | transformation part has a thin wall shape compared with another site | part.

本発明によれば、例えば、シール部材、金属プレート又はMEAの製造誤差等により、金属セパレータの中央領域の発電部と前記発電部の周囲のシール部とに発生する荷重の差が大きくなっても、変形部が変形することによってこの荷重の差を吸収(緩和)することができる。従って、金属プレートの割れや短絡等を可及的に阻止するとともに、良好なシール性を保持することが可能になる。   According to the present invention, for example, even if a difference in load generated between the power generation unit in the central region of the metal separator and the seal unit around the power generation unit is increased due to a manufacturing error of the seal member, the metal plate, or the MEA. The difference in load can be absorbed (relieved) by the deformation of the deforming portion. Therefore, it is possible to prevent the metal plate from being cracked or short-circuited as much as possible and to maintain a good sealing property.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10の要部分解概略斜視図であり、図2は、前記燃料電池10が積層された燃料電池スタック11の、図1中、II−II線断面図である。   FIG. 1 is an exploded schematic perspective view of a main part of a fuel cell 10 according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell stack 11 in which the fuel cells 10 are stacked. FIG.

燃料電池10は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持する第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16とを備える。第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。   The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure 12, and a first metal separator 14 and a second metal separator 16 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 12. The first metal separator 14 and the second metal separator 16 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal plate whose surface has been subjected to anticorrosion treatment.

図1に示すように、第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向(矢印C方向)に向かい且つ短辺が水平方向(矢印B方向)に向かうように構成される。なお、長辺が水平方向に向かい且つ短辺が重力方向に向かうように構成してもよい。   As shown in FIG. 1, the first metal separator 14 and the second metal separator 16 have a vertically long shape, the long side faces in the direction of gravity (arrow C direction), and the short side in the horizontal direction (arrow B direction). Configured to head. In addition, you may comprise so that a long side may go to a horizontal direction and a short side may go to a gravitational direction.

燃料電池10の長辺方向の上端両角部近傍には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔18aと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔20aとが設けられる。   Near the upper corners of the long side direction of the fuel cell 10, they communicate with each other in the direction of arrow A, and an oxidant gas supply communication hole 18a for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, a fuel gas, For example, a fuel gas supply communication hole 20a for supplying a hydrogen-containing gas is provided.

燃料電池10の長辺方向の下端両角部近傍には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔20bと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔18bとが設けられる。   In the vicinity of the lower corners of the long side direction of the fuel cell 10, the fuel gas discharge communication hole 20 b for discharging the fuel gas and the oxidant gas for discharging the oxidant gas are communicated with each other in the direction of arrow A. A discharge communication hole 18b is provided.

燃料電池10の短辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための上下2つ(又は、1つあるいは3つ以上)の冷却媒体供給連通孔22aが設けられるとともに、前記燃料電池10の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための上下2つ(又は、1つあるいは3つ以上)の冷却媒体排出連通孔22bが設けられる。   Two upper and lower (or one or more) coolings for supplying a cooling medium communicate with each other in the arrow A direction at one end edge of the fuel cell 10 in the short side direction (arrow B direction). A medium supply communication hole 22a is provided, and two upper and lower (or one or three or more) cooling media for discharging the cooling medium are provided at the other end edge in the short side direction of the fuel cell 10. A discharge communication hole 22b is provided.

電解質膜・電極構造体12は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜24と、前記固体高分子電解質膜24を挟持するカソード側電極26及びアノード側電極28とを備える。   The electrolyte membrane / electrode structure 12 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 24 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode side electrode 26 and an anode side electrode 28 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 24. With.

カソード側電極26及びアノード側電極28は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜24の両面に形成される。   The cathode side electrode 26 and the anode side electrode 28 are uniformly coated on the surface of the gas diffusion layer with a gas diffusion layer (not shown) made of carbon paper or the like, and porous carbon particles carrying a platinum alloy on the surface. An electrode catalyst layer (not shown). The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 24.

図1及び図3に示すように、第1金属セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、酸化剤ガス供給連通孔18aと酸化剤ガス排出連通孔18bとを連通する酸化剤ガス流路(反応ガス流路)30が形成される。酸化剤ガス流路30は、矢印C方向に延在する複数本の波状流路溝(凹凸形状部)30aを有するとともに、前記波状流路溝30aは、第1金属セパレータ14を構成する金属プレートを凹凸状に成形することにより設けられる。   As shown in FIGS. 1 and 3, the surface 14a of the first metal separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12 is oxidized through an oxidant gas supply communication hole 18a and an oxidant gas discharge communication hole 18b. An agent gas flow path (reaction gas flow path) 30 is formed. The oxidant gas flow channel 30 has a plurality of wavy flow channel grooves (uneven portions) 30 a extending in the direction of arrow C, and the wavy flow channel groove 30 a is a metal plate that forms the first metal separator 14. It is provided by forming the in a concavo-convex shape.

図4に示すように、第2金属セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16aには、燃料ガス供給連通孔20aと燃料ガス排出連通孔20bとを連通する燃料ガス流路(反応ガス流路)32が形成される。燃料ガス流路32は、矢印C方向に延在する複数本の波状流路溝(凹凸形状部)32aを有するとともに、前記波状流路溝32aは、第2金属セパレータ16を構成する金属プレートを凹凸状に成形することにより設けられる。   As shown in FIG. 4, a fuel gas flow path (reaction) that connects the fuel gas supply communication hole 20 a and the fuel gas discharge communication hole 20 b to the surface 16 a of the second metal separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12. Gas channel) 32 is formed. The fuel gas flow channel 32 has a plurality of wavy flow channel grooves (uneven portions) 32 a extending in the direction of arrow C, and the wavy flow channel groove 32 a is a metal plate that constitutes the second metal separator 16. It is provided by forming in an uneven shape.

第2金属セパレータ16の面16bと、第1金属セパレータ14の面14bとの間には、冷却媒体供給連通孔22a、22aと冷却媒体排出連通孔22b、22bとに連通する冷却媒体流路34が形成される(図1参照)。この冷却媒体流路34は、酸化剤ガス流路30の波状流路溝30aと燃料ガス流路32の波状流路溝32aとを重ね合わせることにより、矢印B方向に延在して形成される。   Between the surface 16b of the second metal separator 16 and the surface 14b of the first metal separator 14, a cooling medium flow path 34 communicating with the cooling medium supply communication holes 22a and 22a and the cooling medium discharge communication holes 22b and 22b. Is formed (see FIG. 1). The cooling medium flow path 34 is formed to extend in the direction of arrow B by overlapping the wavy flow path groove 30 a of the oxidant gas flow path 30 and the wavy flow path groove 32 a of the fuel gas flow path 32. .

第1金属セパレータ14の面14a、14bには、この第1金属セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材36が一体成形される。第2金属セパレータ16の面16a、16bには、この第2金属セパレータ16の外周端縁部を周回して第2シール部材38が一体成形される。第1及び第2シール部材36、38としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。   A first seal member 36 is integrally formed on the surfaces 14 a and 14 b of the first metal separator 14 around the outer peripheral edge of the first metal separator 14. A second seal member 38 is integrally formed on the surfaces 16 a and 16 b of the second metal separator 16 around the outer peripheral edge of the second metal separator 16. As the first and second sealing members 36 and 38, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber or the like, cushion material, Alternatively, a packing material is used.

第1シール部材36は、図3に示すように、面14a側に酸化剤ガス流路30と酸化剤ガス供給連通孔18a及び酸化剤ガス排出連通孔18bとを連通し、且つ発電部である前記酸化剤ガス流路30を囲繞して設けられる流路シール部36aと、燃料ガス供給連通孔20a、燃料ガス排出連通孔20b、冷却媒体供給連通孔22a及び冷却媒体排出連通孔22bをそれぞれ周回する周回シール部36bとを有する。   As shown in FIG. 3, the first seal member 36 communicates the oxidant gas flow path 30 with the oxidant gas supply communication hole 18 a and the oxidant gas discharge communication hole 18 b on the surface 14 a side, and is a power generation unit. Circulating the flow path seal 36a provided surrounding the oxidant gas flow path 30, the fuel gas supply communication hole 20a, the fuel gas discharge communication hole 20b, the cooling medium supply communication hole 22a, and the cooling medium discharge communication hole 22b. And a circumferential seal portion 36b.

第1金属セパレータ14は、酸化剤ガス流路30と流路シール部36aとの間に、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部40を設ける。変形部40は、図2に示すように、酸化剤ガス流路30側に突出するビード形状部42を有するとともに、このビード形状部42は、金属プレートにビード加工を施すことにより形成される。ビード形状部42は、実質的に流路シール部36aの長手方向に沿って延在しており、酸化剤ガス供給連通孔18a及び酸化剤ガス排出連通孔18bと酸化剤ガス流路30との各連通部位において、断続的に構成することが好ましい。なお、ビード形状部42は、第1シール部材36に被覆されていてもよい。   The first metal separator 14 is provided with a deformable portion 40 that can be more easily deformed than other portions when an external load is applied between the oxidant gas flow channel 30 and the flow path seal portion 36a. As shown in FIG. 2, the deformable portion 40 has a bead-shaped portion 42 that protrudes toward the oxidant gas flow path 30, and the bead-shaped portion 42 is formed by performing bead processing on a metal plate. The bead shape portion 42 extends substantially along the longitudinal direction of the flow path seal portion 36 a, and the oxidant gas supply communication hole 18 a, the oxidant gas discharge communication hole 18 b, and the oxidant gas flow path 30. It is preferable to configure intermittently in each communication part. The bead shape portion 42 may be covered with the first seal member 36.

図4に示すように、第2シール部材38は、面16a側に燃料ガス流路32と燃料ガス供給連通孔20a及び燃料ガス排出連通孔20bとを囲繞して設けられる流路シール部38aと、酸化剤ガス供給連通孔18a、酸化剤ガス排出連通孔18b、冷却媒体供給連通孔22a及び冷却媒体排出連通孔22bをそれぞれ周回する周回シール部38bとを有する。   As shown in FIG. 4, the second seal member 38 has a flow path seal portion 38a provided on the surface 16a side so as to surround the fuel gas flow path 32, the fuel gas supply communication hole 20a, and the fuel gas discharge communication hole 20b. And an oxidant gas supply communication hole 18a, an oxidant gas discharge communication hole 18b, a cooling medium supply communication hole 22a, and a circulating seal portion 38b that circulates the cooling medium discharge communication hole 22b.

図1に示すように、第2シール部材38は、面16b側に冷却媒体流路34と冷却媒体供給連通孔22a及び冷却媒体排出連通孔22bとを囲繞して設けられる流路シール部38cと、酸化剤ガス供給連通孔18a、酸化剤ガス排出連通孔18b、燃料ガス供給連通孔20a及び燃料ガス排出連通孔20bをそれぞれ周回する周回シール部38dとを有する。   As shown in FIG. 1, the second seal member 38 includes a flow path seal portion 38c provided on the surface 16b side so as to surround the cooling medium flow path 34, the cooling medium supply communication hole 22a, and the cooling medium discharge communication hole 22b. And an oxidant gas supply communication hole 18a, an oxidant gas discharge communication hole 18b, a fuel gas supply communication hole 20a, and a circumferential seal portion 38d that circulates the fuel gas discharge communication hole 20b.

第2金属セパレータ16は、図4に示すように、燃料ガス流路32と流路シール部38aとの間に、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部44を設ける。変形部44は、図2に示すように、燃料ガス流路32側に突出するビード形状部46を有する。ビード形状部46は、実質的に流路シール部38aの長手方向に沿って延在しており、燃料ガス供給連通孔20a及び燃料ガス排出連通孔20bと燃料ガス流路32との各連通部位において、断続的に構成することが好ましい。   As shown in FIG. 4, the second metal separator 16 is a deformable portion that can be more easily deformed than other portions when an external load is applied between the fuel gas flow channel 32 and the flow channel seal portion 38a. 44 is provided. As shown in FIG. 2, the deformable portion 44 has a bead-shaped portion 46 that protrudes toward the fuel gas flow path 32. The bead-shaped portion 46 extends substantially along the longitudinal direction of the flow path seal portion 38 a, and each communication portion of the fuel gas supply communication hole 20 a, the fuel gas discharge communication hole 20 b, and the fuel gas flow path 32. However, it is preferable to constitute intermittently.

第1金属セパレータ14及び第2金属セパレータ16により電解質膜・電極構造体12が挟持された状態では、前記第1金属セパレータ14のビード形状部42と、前記第2金属セパレータ16のビード形状部46とは、前記電解質膜・電極構造体12を構成する固体高分子電解質膜24を挟持している(図2参照)。   In a state where the electrolyte membrane / electrode structure 12 is sandwiched between the first metal separator 14 and the second metal separator 16, the bead shape portion 42 of the first metal separator 14 and the bead shape portion 46 of the second metal separator 16. And sandwich the solid polymer electrolyte membrane 24 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 12 (see FIG. 2).

このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.

先ず、燃料電池スタック11では、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。   First, in the fuel cell stack 11, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied. Further, a cooling medium such as pure water or ethylene glycol is supplied.

図1に示すように、酸化剤ガスは、各燃料電池10を構成する酸化剤ガス供給連通孔18aから第1金属セパレータ14の酸化剤ガス流路30に導入される。この酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体12のカソード側電極26に沿って鉛直下方向に移動する(図3参照)。   As shown in FIG. 1, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 30 of the first metal separator 14 from the oxidant gas supply communication hole 18 a constituting each fuel cell 10. The oxidant gas moves vertically downward along the cathode side electrode 26 of the electrolyte membrane / electrode structure 12 (see FIG. 3).

一方、燃料ガスは、図4に示すように、各燃料電池10を構成する燃料ガス供給連通孔20aから第2金属セパレータ16の燃料ガス流路32に導入される。この燃料ガスは、電解質膜・電極構造体12のアノード側電極28に沿って鉛直下方向に移動する。   On the other hand, as shown in FIG. 4, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 32 of the second metal separator 16 from the fuel gas supply communication hole 20 a constituting each fuel cell 10. The fuel gas moves vertically downward along the anode side electrode 28 of the electrolyte membrane / electrode structure 12.

上記のように、各電解質膜・電極構造体12では、カソード側電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極28に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。   As described above, in each electrolyte membrane / electrode structure 12, the oxidizing gas supplied to the cathode side electrode 26 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 28 are electrochemically reacted in the electrode catalyst layer. It is consumed and power is generated.

次いで、カソード側電極26に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔18bから排出される(図1及び図3参照)。同様に、アノード側電極28に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔20bに排出される(図4参照)。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 26 is discharged from the oxidant gas discharge communication hole 18b (see FIGS. 1 and 3). Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 28 is discharged to the fuel gas discharge communication hole 20b (see FIG. 4).

また、冷却媒体は、図2に示すように、第1及び第2金属セパレータ14、16間の冷却媒体流路34に導入される。冷却媒体は、矢印B方向(水平方向)に沿って流動し、電解質膜・電極構造体12を冷却した後、冷却媒体排出連通孔22bに排出される(図1参照)。   Further, as shown in FIG. 2, the cooling medium is introduced into the cooling medium flow path 34 between the first and second metal separators 14 and 16. The cooling medium flows along the arrow B direction (horizontal direction), cools the electrolyte membrane / electrode structure 12, and then is discharged into the cooling medium discharge communication hole 22b (see FIG. 1).

ところで、図2に示すように、燃料電池スタック11は、複数の燃料電池10を矢印A方向に積層するとともに、所定の締め付け荷重を付与している。ここで、第1及び第2シール部材36、38の寸法誤差(製造誤差)や、第1及び第2金属セパレータ14、16の製造誤差や、電解質膜・電極構造体12の製造誤差等が惹起し易い。   By the way, as shown in FIG. 2, the fuel cell stack 11 stacks a plurality of fuel cells 10 in the direction of arrow A and applies a predetermined tightening load. Here, a dimensional error (manufacturing error) of the first and second seal members 36 and 38, a manufacturing error of the first and second metal separators 14 and 16, a manufacturing error of the electrolyte membrane / electrode structure 12, etc. are caused. Easy to do.

このため、特に、第1及び第2シール部材36、38は、圧縮率に差が生じて発生する面圧がばらついてしまう。これにより、例えば、第1金属セパレータ14では、発電部である酸化剤ガス流路30と流路シール部36aとの面圧差が、剛体である前記第1金属セパレータ14の金属プレートにせん断力として作用する。   For this reason, in particular, the first and second seal members 36 and 38 vary in surface pressure due to a difference in compression rate. Thereby, for example, in the first metal separator 14, the difference in surface pressure between the oxidant gas flow path 30 that is the power generation section and the flow path seal section 36 a is applied to the metal plate of the first metal separator 14 that is a rigid body as a shearing force. Works.

この場合、第1の実施形態では、図2及び図3に示すように、第1金属セパレータ14は、酸化剤ガス流路30と流路シール部36aとの間に、ビード形状部42を有する変形部40を設けている。これにより、第1金属セパレータ14の中央領域の酸化剤ガス流路30(発電部)と該酸化剤ガス流路30の周囲の流路シール部36aとに発生する荷重の差が大きくなっても、変形部40を構成するビード形状部42が容易に変形することによって、この荷重の差を吸収(緩和)することができる。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the first metal separator 14 has a bead-shaped portion 42 between the oxidant gas flow path 30 and the flow path seal portion 36 a. A deformation part 40 is provided. As a result, even if the difference in load generated between the oxidant gas flow path 30 (power generation part) in the central region of the first metal separator 14 and the flow path seal part 36a around the oxidant gas flow path 30 increases. The difference in load can be absorbed (relaxed) by easily deforming the bead shape portion 42 constituting the deformable portion 40.

従って、第1金属セパレータ14では、剛体である金属プレートの塑性変形による割れ等の他、短絡を可及的に阻止するとともに、酸化剤ガスの漏れを防止して良好なシール性を保持することが可能になるという効果が得られる。   Therefore, the first metal separator 14 prevents a short circuit as much as possible as well as cracking due to plastic deformation of a rigid metal plate, and also prevents leakage of oxidant gas and maintains good sealing performance. Can be obtained.

一方、第2金属セパレータ16においても同様に、図4に示すように、中央領域の発電部である燃料ガス流路32と、この燃料ガス流路32の周囲の流路シール部38aとに発生する荷重の差が大きくなっても、変形部44を構成するビード形状部46が容易に変形することによって、この荷重の差を吸収することができ、上記の第1金属セパレータ14と同様の効果が得られる。   On the other hand, in the second metal separator 16 as well, as shown in FIG. Even if the load difference to be increased becomes large, the bead-shaped portion 46 constituting the deformable portion 44 can be easily deformed to absorb this load difference, and the same effect as the first metal separator 14 described above can be obtained. Is obtained.

さらに、第1の実施形態では、変形部40、44が第1及び第2金属セパレータ14、16の面内で流路シール部36a、38aの長手方向に沿って延在するビード形状部42、46を備えている。このため、流路シール部36a、38aの長手方向に寸法誤差によるシール線圧の変化が発生しても、第1及び第2金属セパレータ14、16の面にうねりが惹起することがなく、酸化剤ガス及び燃料ガスの漏れを可及的に阻止することが可能になる。   Furthermore, in the first embodiment, the bead-shaped portion 42 in which the deformable portions 40 and 44 extend along the longitudinal direction of the flow path seal portions 36a and 38a in the planes of the first and second metal separators 14 and 16, 46 is provided. For this reason, even if a change in the seal linear pressure due to a dimensional error occurs in the longitudinal direction of the flow path seal portions 36a and 38a, no undulation is caused on the surfaces of the first and second metal separators 14 and 16, and oxidation occurs. It becomes possible to prevent the leakage of the agent gas and the fuel gas as much as possible.

さらにまた、図2に示すように、ビード形状部42、46は、電解質膜・電極構造体12を構成する固体高分子電解質膜24に摺接し、互いに前記固体高分子電解質膜24を挟持している。従って、酸化剤ガス流路30に供給される酸化剤ガス及び燃料ガス流路32に供給される燃料ガスは、外周部をバイパスして流れることがなく、各波状流路溝30a、32aに沿って確実に流動し、発電効率の向上が図られる。   Furthermore, as shown in FIG. 2, the bead-shaped portions 42 and 46 are in sliding contact with the solid polymer electrolyte membrane 24 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 12 and sandwich the solid polymer electrolyte membrane 24 with each other. Yes. Therefore, the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow channel 30 and the fuel gas supplied to the fuel gas flow channel 32 do not flow by bypassing the outer peripheral portion, and flow along the respective wavy flow channel grooves 30a and 32a. It will flow reliably and power generation efficiency will be improved.

なお、第1の実施形態では、各燃料電池10を構成する第1及び第2金属セパレータ14、16に変形部40、44を設けているが、燃料電池スタック11内で、1つ置き又は複数置きに積層されている前記燃料電池10を構成する第1及び第2金属セパレータ14、16のみに変形部40、44を設けてもよい。また、以下に説明する第2の実施形態においても同様である。   In the first embodiment, the deformable portions 40 and 44 are provided in the first and second metal separators 14 and 16 constituting each fuel cell 10. The deformable portions 40 and 44 may be provided only on the first and second metal separators 14 and 16 constituting the fuel cell 10 that is stacked every other place. The same applies to the second embodiment described below.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池60が積層された燃料電池スタック62の一部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 5 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack 62 in which fuel cells 60 according to the second embodiment of the present invention are stacked. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池60は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持する第1金属セパレータ64及び第2金属セパレータ66とを備える。   The fuel cell 60 includes an electrolyte membrane / electrode structure 12, and a first metal separator 64 and a second metal separator 66 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 12.

第1金属セパレータ64は、発電部である酸化剤ガス流路30と流路シール部36aとの間に、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部68を設ける。変形部68は、実質的に酸化剤ガス流路30の外周を2重に周回する2つの薄肉部70a、70bを有する。   The first metal separator 64 includes a deformable portion 68 that can be more easily deformed than other portions when an external load is applied between the oxidant gas flow path 30 and the flow path seal portion 36a, which are power generation portions. Provide. The deformation portion 68 has two thin portions 70 a and 70 b that substantially double around the outer periphery of the oxidizing gas channel 30.

第2金属セパレータ66は、発電部である燃料ガス流路32と流路シール部38aとの間に、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部72を設ける。変形部72は、実質的に燃料ガス流路32の外周を2重に周回する薄肉部74a、74bを有する。   The second metal separator 66 is provided with a deformable portion 72 that can be more easily deformed than other portions when an external load is applied between the fuel gas flow channel 32 that is a power generation unit and the flow channel seal portion 38a. . The deformation portion 72 has thin portions 74 a and 74 b that substantially double around the outer periphery of the fuel gas channel 32.

このように構成される第2の実施形態では、燃料電池スタック62に積層方向に締め付け荷重が付与される際、第1及び第2シール部材36、38の製造誤差等によって酸化剤ガス流路30と流路シール部36aとの間、及び、燃料ガス流路32と流路シール部38aとの間に荷重差が発生すると、変形部68、72は、それぞれ薄肉部70a、70b及び74a、74bにより容易に変形し、前記荷重差を緩和することができる。   In the second embodiment configured as described above, when a tightening load is applied to the fuel cell stack 62 in the stacking direction, the oxidant gas flow path 30 is caused by manufacturing errors of the first and second seal members 36 and 38. And the flow path seal portion 36a and between the fuel gas flow channel 32 and the flow path seal portion 38a, the deformed portions 68 and 72 are converted into thin portions 70a and 70b and 74a and 74b, respectively. Therefore, the load difference can be reduced.

これにより、第1及び第2金属セパレータ64、66を構成する金属プレートの塑性変形を防止するとともに、酸化剤ガス及び燃料ガスの漏れを良好に阻止することが可能になる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。   Thereby, while preventing the plastic deformation of the metal plate which comprises the 1st and 2nd metal separators 64 and 66, it becomes possible to prevent the leakage of oxidant gas and fuel gas satisfactorily. The same effect as the form can be obtained.

なお、第2の実施形態では、変形部68、72がそれぞれ2ヶ所の薄肉部70a、70b及び74a、74bを有しているが、これに限定されるものではない。例えば、薄肉部70a、70b間全体を薄肉部として構成したり、薄肉形状に代えて、リブ形状を採用したりすることも可能である。   In the second embodiment, the deformable portions 68 and 72 have two thin portions 70a and 70b and 74a and 74b, respectively, but the present invention is not limited to this. For example, the entire portion between the thin portions 70a and 70b can be configured as a thin portion, or a rib shape can be adopted instead of the thin shape.

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解概略斜視図である。It is a principal part disassembled schematic perspective view of the fuel cell concerning the embodiment of the present invention. 前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの、図1中、II−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of the fuel cell stack in which the said fuel cell was laminated | stacked in FIG. 前記燃料電池を構成する第1金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池を構成する第2金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 2nd metal separator which comprises the said fuel cell. 本発明の第1の実施形態に係る燃料電池が積層された燃料電池スタックの一部断面説明図である。1 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell stack in which fuel cells according to a first embodiment of the present invention are stacked. 特許文献1に開示されているシリコーン樹脂−金属複合体の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the silicone resin-metal composite body currently disclosed by patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10、60…燃料電池 11、62…燃料電池スタック
12…電解質膜・電極構造体 14、16、64、66…金属セパレータ
18a…酸化剤ガス供給連通孔 18b…酸化剤ガス排出連通孔
20a…燃料ガス供給連通孔 20b…燃料ガス排出連通孔
22a…冷却媒体供給連通孔 22b…冷却媒体排出連通孔
24…固体高分子電解質膜 26…カソード側電極
28…アノード側電極 30…酸化剤ガス流路
30a、32a…波状流路溝 32…燃料ガス流路
34…冷却媒体流路 36、38…シール部材
36a、38a、38c…流路シール部 36b、38b、38d…周回シール部
40、44、68、72…変形部 42、46…ビード形状部
70a、70b、74a、74b…薄肉部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 60 ... Fuel cell 11, 62 ... Fuel cell stack 12 ... Electrolyte membrane and electrode structure 14, 16, 64, 66 ... Metal separator 18a ... Oxidant gas supply communication hole 18b ... Oxidant gas discharge communication hole 20a ... Fuel Gas supply communication hole 20b ... Fuel gas discharge communication hole 22a ... Cooling medium supply communication hole 22b ... Cooling medium discharge communication hole 24 ... Solid polymer electrolyte membrane 26 ... Cathode side electrode 28 ... Anode side electrode 30 ... Oxidant gas flow path 30a 32a ... Wave-like channel groove 32 ... Fuel gas channel 34 ... Cooling medium channel 36, 38 ... Seal members 36a, 38a, 38c ... Channel seal part 36b, 38b, 38d ... Circumferential seal part 40, 44, 68, 72 ... Deformation part 42, 46 ... Bead-shaped part 70a, 70b, 74a, 74b ... Thin part

Claims (3)

電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と、シール部材が一体に設けられる金属セパレータとが、積層される燃料電池であって、
前記金属セパレータは、前記電極に対向する発電部と、
前記シール部材により構成され、前記発電部を囲繞するシール部と、
前記発電部と前記シール部との間に設けられ、外部荷重が付与される際に他の部位よりも容易に変形可能な変形部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell in which an electrolyte / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte and a metal separator in which a seal member is provided integrally are laminated,
The metal separator includes a power generation unit facing the electrode;
A seal part configured by the seal member and surrounding the power generation part;
A deformable portion that is provided between the power generation portion and the seal portion and can be more easily deformed than other portions when an external load is applied;
A fuel cell comprising:
請求項1記載の燃料電池において、前記発電部は、反応ガスを前記電極に沿って流すための反応ガス流路を形成する凹凸形状部を有するとともに、
前記変形部は、前記反応ガス流路側に突出するビード形状部を有することを特徴とする燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the power generation unit has a concavo-convex shape portion that forms a reaction gas flow path for flowing a reaction gas along the electrode, and
The fuel cell, wherein the deformable portion has a bead-shaped portion protruding toward the reaction gas flow path.
請求項1記載の燃料電池において、前記変形部は、他の部位に比べて薄肉形状を有することを特徴とする燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the deformable portion has a thinner shape than other portions.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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