JP2009176621A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層された構成部品間を二重シールした燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell in which laminated components are double-sealed.
従来、固体高分子型の燃料電池として、例えば特許文献1に記載のものが知られている。この燃料電池の単セルは、電解質膜及びこれを挟持する一対の電極からなる膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、MEAを挟持する一対のセパレータと、で構成されている。また、別の単セルとして、セパレータが樹脂フレームを介してMEAを挟持するものも知られている。さらに、一般には、単セルを複数積層し、その積層方向に所定の圧縮荷重を付与して、燃料電池スタックを構成している。
Conventionally, as a polymer electrolyte fuel cell, for example, one described in
燃料電池の構成部品間は、酸化ガス、燃料ガス及び冷却水が混合しないように、気密にシールする必要がある。特許文献1のシール構造は、電解質膜とセパレータとの間を二つのシール部材によりシールするものである。このシール部材間の空間は水蒸気の流路として構成されており、それにより電解質膜の加湿量を制御できるようにしている。ただし、特許文献1には、シール部材の種類について何ら開示されていない。
The fuel cell components must be hermetically sealed so that the oxidizing gas, the fuel gas, and the cooling water are not mixed. The seal structure of
シール部材としては、一般に、予め固形のガスケットのほか、液状の接着剤を固化させたものが知られている。例えば、樹脂フレームがない単セルでは、一対のセパレータ間に接着剤を充填して、これらの間を接着することでシールしている。この場合、接着剤は、シールの目的以外にスペーサとしての役割も担うことになる。
ところが、特許文献1のような二重シール構造において、シール部材として接着剤を用いる場合、接着剤寸法は成り行きで決まるので、シール部材間にエアをかむ可能性がある。この状態で接着剤の硬化のために熱をかけると、エアの熱膨張によって接着剤の塗布が切れ、シール性が低下するおそれがある。
However, in the double seal structure as in
そこで、本発明は、二重シール間の空間にエアが溜まるのを抑制できる燃料電池を提供することをその目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing air from accumulating in a space between double seals.
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池は、複数の構成部品を積層してなり、その複数の構成部品のうち少なくとも一部の構成部品間をシール構造で二重シールしたものにおいて、シール構造は、第1のシール部と、第1のシール部よりも内側にある第2のシール部とを有し、第1のシール部と第2のシール部との間には仕切りがあり、仕切りは第1のシール部と第2のシール部との間の空間内のエアを空間外に逃がすように構成されているものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention comprises a plurality of components laminated, and at least some of the components are double sealed with a seal structure. The structure has a first seal part and a second seal part inside the first seal part, and there is a partition between the first seal part and the second seal part, A partition is comprised so that the air in the space between the 1st seal part and the 2nd seal part may escape outside the space.
この構成によれば、第1及び第2のシール部によって二重シールされた空間内のエアが、仕切りによって空間外に抜けるようになる。これにより、この空間にエアが溜まるのを抑制でき、空間内のエアの膨張に起因したシール部の損傷を抑制できる。 According to this configuration, the air in the space that is double-sealed by the first and second seal portions can escape from the space by the partition. Thereby, it is possible to suppress the accumulation of air in the space, and it is possible to suppress damage to the seal portion due to the expansion of the air in the space.
ここで、第1のシール部及び第2のシール部は、接着剤が硬化したものであることが好ましく、特に本発明は、接着剤を硬化のために熱をかける場合に好適である。本発明によれば、上記のとおり、仕切りがあるので、接着剤を所定の位置に正確に塗布し易い上、塗布後に接着剤の二重シール間にエアを溜めずに済む。 Here, the first seal portion and the second seal portion are preferably those obtained by curing the adhesive, and the present invention is particularly suitable when heat is applied to cure the adhesive. According to the present invention, since there is a partition as described above, it is easy to accurately apply the adhesive to a predetermined position, and it is not necessary to collect air between the double seals of the adhesive after application.
より好ましくは、仕切りは、二つの仕切り部位を有し、空間内のエアが二つの仕切り部位の間を流れて空間外に逃げるようにしたものであるとよい。こうすることで、簡易な構造で、空間内のエアを外部に逃がすことができる。 More preferably, the partition may have two partition portions so that air in the space flows between the two partition portions and escapes out of the space. By doing so, the air in the space can be released to the outside with a simple structure.
より好ましくは、二つの仕切り部位は、断面が略三角形であるとよい。こうすることで、二つの仕切り部位の間の距離をできるだけ短くすることができ、相対的に接着剤のためのスペースを広くとることができる。 More preferably, the two partition parts have a substantially triangular cross section. By doing so, the distance between the two partition portions can be shortened as much as possible, and a relatively large space for the adhesive can be taken.
より好ましくは、仕切りは、シール構造によってシールされる二つの構成部品の少なくとも一方と同一材料で形成されるとよい。 More preferably, the partition may be formed of the same material as at least one of the two components sealed by the seal structure.
好ましくは、複数の構成部品には、膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータとが含まれ、シール構造は、膜−電極接合体とセパレータとの間又は一対のセパレータ間を二重シールするとよい。 Preferably, the plurality of components include a membrane-electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane-electrode assembly, and the seal structure is between the membrane-electrode assembly and the separator or a pair of separators. A double seal between the separators is recommended.
好ましくは、燃料電池は、膜−電極接合体と膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータとを含む単セルを複数積層してなり、シール構造は、隣接する一方の単セルのセパレータと他方の単セルのセパレータとの間を二重シールするとよい。 Preferably, the fuel cell is formed by laminating a plurality of single cells each including a membrane-electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane-electrode assembly, and the sealing structure includes the separator of one adjacent single cell and the other. It is good to double seal between the single cell separator.
本発明の燃料電池によれば、二重シール間の空間にエアが溜まるのを抑制でき、シール性を確保することができる。 According to the fuel cell of the present invention, it is possible to suppress the accumulation of air in the space between the double seals and to ensure the sealing performance.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について説明する。ここでは、車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。この種の燃料電池は、車両に好適であるが、これに限らず、例えば船舶、飛行機及びロボットといった自走式の移動体に搭載することもできるし、定置型の電源としても用いることが可能である。 Hereinafter, a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Here, a solid polymer fuel cell suitable for a vehicle will be described as an example. This type of fuel cell is suitable for a vehicle, but is not limited thereto, and can be mounted on a self-propelled moving body such as a ship, an airplane, and a robot, or can be used as a stationary power source. It is.
図1及び図2に示すように、スタック構造の燃料電池1は、基本単位である単セル2を複数積層してなるセル積層体3を有し、セル積層体3は、積層方向に所定の圧縮荷重を付与される。セル積層体3の両端に位置する単セル2の外側には、それぞれ順次、集電板5a、5b、絶縁板6a、6b及びエンドプレート7a、7bが配置される。テンションプレート8、8がエンドプレート7a、7b間に架け渡され、これらにボルト9で固定され、セル積層体3等の積層状態が拘束される。また、エンドプレート7bと絶縁板6bとの間には、複数の弾性体12を一対のプレート11、11で保持する弾性モジュール10が設けられ、調整ネジ13によってセル積層体3への圧縮荷重を調整できるようになっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート7aの供給口15a,16a及び17aに接続した供給管18からセル積層体3内のマニホールド20aに供給される。その後、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、セル積層方向に延在するマニホールド20aを流れると共に単セル2の平面方向にも流れる。最終的に、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、セル積層体3内のマニホールド20bから、エンドプレート7の排出口15b,16b及び17bに接続した排出管19へと流れ、燃料電池1外に排出される。
The fuel gas, the oxidizing gas, and the refrigerant are supplied to the
なお、供給管18、排出管19及びマニホールド20a,20bは、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の各流体に対応して設けられているが、図2では同一符号を付して説明を省略している。また、燃料ガスとは水素を含む水素ガスであり、酸化ガスとは酸素や空気を代表とする酸化剤を含有するガスである。燃料ガス及び酸化ガスは、反応ガスと総称されることがある。冷媒は、例えば冷却水である。
The
図3に示すように、単セル2は、MEA20(膜―電極アッセンブリ)及び一対のセパレータ22A,22Bを備える。
As shown in FIG. 3, the
MEA20は、イオン交換膜からなる電解質膜30と、電解質膜30を挟んだ一対の電極32A,32Bと、で構成される。電極32A,32Bは、例えば多孔質のカーボン素材からなる拡散層に、例えば白金からなる触媒層が結着されたものである。電極32Aの拡散層は、セパレータ22Aの燃料ガス流路40に面しており、燃料ガスを通過させる機能と、触媒層及びセパレータ22Aを電気的に導通させる機能と、を有する。一方、電極32Bの拡散層は、セパレータ22Bの酸化ガス流路42に面しており、酸化ガスを通過させる機能と、触媒層及びセパレータ22Bを電気的に導通させる機能と、を有する。
The
燃料ガス流路40が電極32Aに燃料ガスを供給し、酸化ガス流路42が電極32Bに酸化ガスを供給することにより、MEA20内で電気化学反応が生じ、起電力が得られる。また、この電気化学反応により、電極32B側に水が生成されると共に発熱する。そして、冷媒流路(44A,44B)に冷媒が流れることで、単セル2の熱が低減され、燃料電池1の運転温度が所定の範囲に保たれる。なお、冷媒流路は、セパレータ22Aの裏面の冷媒流路44Aとセパレータ22Bの裏面の冷媒流路44Bとが連通することで構成される。
When the
セパレータ22A,22Bは、ガス不透過の導電性材料で構成される。導電性材料としては、カーボンや、導電性を有する硬質樹脂の他、アルミニウムやステンレス等の金属が挙げられる。本実施形態では、セパレータ22A,22Bは、カーボンからなり、平面視矩形状に形成される。セパレータ22A、22Bは、外周縁部に、単セル2の発電がされない非発電領域を有している。非発電領域には、図示省略したが、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の各入口マニホールド(マニホールド20aの一部)及び各出口マニホールド(マニホールド20bの一部)が貫通形成されている。そして、この非発電領域に、図4に示す二重シール構造50が設けられている。
The
二重シール構造50は、燃料電池1の単セル2を構成する構成部材間、例えば、MEA20とセパレータ22Aとの間、MEA20とセパレータ22Bとの間、及びセパレータ22Aとセパレータ22Bとの間の少なくとも一つに設けることができる。MEA20とセパレータ22A又はセパレータ22Bとの間に設ける場合には、電解質膜30又は電極32Aとセパレータ22Aとの間に、また、電解質膜30又は電極32Bとセパレータ22Bとの間に、二重シール構造50を設けることができる。
The
さらに、二重シール構造50は、燃料電池1を構成する構成部材間、例えば、単セル2と単セル2との間(つまり、一方の単セル2のセパレータ22Aと他方の単セル2のセパレータ22Bとの間)、いわゆるエンドセルとなる単セル2と集電板5aとの間、及び、いわゆるエンドセルとなる単セル2と集電板5bとの間の少なくとも一つに設けることができる。以下では、単セル2におけるセパレータ22Aとセパレータ22Bとの間に二重シール構造50を設けた例について説明する。
Further, the
図4(a)に示すように、二重シール構造50は、外側シール部51(第1のシール部)と内側シール部52(第2のシール部)とからなる。外側シール部51及び内側シール部52は、液状の接着剤が硬化してなるものであり、例えば断面方形に形成される。外側シール部51は、内側シール部52よりも多くの接着剤が充填されることで形成されており、燃料電池1の内部平面(セル積層方向に直交する平面)において内側シール部52よりも外側に位置している。一例を示すと、外側シール部51の外側面53は単セル2の外周側にあり、内側シール部52の内側面54はMEA20側にある。なお、外側シール部51と内側シール部52とに用いる接着剤は互いに異なっていてもよいし、同じでもよい。
As shown in FIG. 4A, the
セパレータ22Aとセパレータ22Bとは、互いに対向する面にそれぞれ塗布面61A,61Bを有している。塗布面61A,61Bは、内側よりも外側の方が塗布面61A,61B間の距離が大きくなるように、段違いに形成されている。このため、外側シール部51の接着厚さは、内側シール部52の接着厚さよりも厚い。塗布面61A,61Bの総幅W1は、例えば5mmであり、本発明は、総幅W1が5mmを越えるような広範囲な塗布範囲を有する場合に好適である。
仕切り70は、外側シール部51及び内側シール部52との間に設けられている。仕切り70は、二つの仕切り部位71,72からなり、樹脂または金属材料で形成される。仕切り70は、下地、つまりここではセパレータ22Aと同じ材料によって形成することができる。仕切り70をセパレータ22Aと別体で構成してもよいが、仕切り70をセパレータ22Aに二重シール構造50とは別の接着剤で固定することが望ましい。そのため、仕切り70をセパレータ22Aと一体に構成した方がコストを低減でき、作業性を高めることができる。
The
仕切り部位71,72は、並列して延在しており、いずれも同じ断面形状からなる。仕切り部位71,72の断面形状は、仕切り部位71,72を互いに接近させることができる形状であることが好ましく、ここでは、略三角形となっている。このため、仕切り部位71,72間には略逆三角形の隙間ができている。また、仕切り部位71,72の頂点は、セパレータ22Bの塗布面61Bに対し非接触となっている。このように、仕切り部位71,72の頂点に平坦部を設けない構造にすることで、図5に示すような頂点を平坦部とする構造に比べて、仕切り部位71,72間の距離W2をできるだけ短くできるので、塗布範囲の総幅W1において、二重シール構造50の接着剤のためのスペースを広くとることができる。なお、仕切り部位71,72の「略三角形」には、セパレータ22B側の三角形の頂点にR(円弧)をつけた三角形も含まれる。
The
仕切り70は、外側シール部51と内側シール部52との間の空間80内のエアが仕切り部位71,72間の略逆三角形の隙間を流れて、空間80外に逃がすことができるように構成されている。この一例を図4(b)に示すと、空間80内のエアは、矢印84で示すように交差部86に向かって流れ、交差部86から矢印88で示すようにMEA20側に向かって流れて、空間80外に抜かれるようになっている。なお、図4(b)に示すように、内側シール部52は二つのシール区分52a,52bからなり、仕切り70と同様の構造の仕切り90によって、交差部86からのエアがシール区分52a,52b間の空間を流れるようになっている。
The
以上説明した本実施形態の作用効果について説明する。先ず、図6及び図7を参照して、比較例に係るシール構造について説明する。 The operational effects of the present embodiment described above will be described. First, the seal structure according to the comparative example will be described with reference to FIGS.
図6(a)に示すように、セパレータ22A,22B間を一重シールするために、塗布範囲の総幅W1の中央に接着剤100を塗布すると、図6(b)に示すように、接着剤100が塗布範囲を内側に越えてはみ出るおそれがある。また、図6(b)に示すように、接着剤100を塗布範囲に十分に充填できなかったり、塗布面61A,61Bの段違いによってエアをかみ込むおそれがあり。このように、一重シールでは、必要範囲に接着剤100を正確に塗布し難く、また、かみ込んだエアの膨張によりシール性を確保できなくなるおそれがある。特に、接着剤100によるシール構造では、接着剤100はスペーサとしての機能するため、未充填の部位が存在すると、燃料電池1のスタック締結荷重(圧縮荷重)により、セパレータ22A,22Bが変形するおそれがある。
As shown in FIG. 6A, when the adhesive 100 is applied to the center of the total width W1 of the application range in order to provide a single seal between the
図7(a)に示すように、セパレータ22A,22B間を二重シールするために、塗布範囲の総幅W1の内側と外側とにそれぞれ接着剤110,112を塗布すると、図7(b)に示すように、接着剤110,112間の空間にエアが溜まる部位が生じ得る。この状態で接着剤110,112の硬化のために熱をかけると、エアの熱膨張によって、図7(c)に示すように、接着剤110,112による塗布ラインが切れてしまうおそれがある。
As shown in FIG. 7A, in order to double-seal between the
このような比較例に対し、本実施形態によれば、仕切り70があるので、二重シール用に接着剤を所定の位置に正確に塗布し易い。また、仕切り70によって、外側シール部51と内側シール部52との間の空間80内のエアを外部に逃がすことができるので、空間80内にエアが溜まるのを抑制できる。これにより、接着剤の塗布後に硬化のために熱をかけても、外側シール部51と内側シール部52の損傷を抑制でき、シール性を確保することができる。
In contrast to such a comparative example, according to the present embodiment, since there is a
なお、本実施形態の二重シール構造50として、外側シール部51及び内側シール部52をいずれも接着剤から構成したが、一方又は両方を予め固形のガスケットで構成したものも本実施形態を適用することが可能である。
In addition, as the
1…燃料電池、2…単セル、20…MEA(膜−電極接合体)、22A…セパレータ、22B…セパレータ、50…シール構造、51…外側シール部(第1のシール部)、52…内側シール部(第2のシール部)、70…仕切り、71,72…仕切り部位、80…空間
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記シール構造は、第1のシール部と、前記第1のシール部よりも内側にある第2のシール部と、を有し、
前記第1のシール部と前記第2のシール部との間には、仕切りがあり、
前記仕切りは、前記第1のシール部と前記第2のシール部との間の空間内のエアを当該空間外に逃がすように構成されている、燃料電池。 A fuel cell in which a plurality of components are laminated, and at least some of the components are double sealed with a seal structure,
The seal structure includes a first seal portion and a second seal portion located inside the first seal portion,
There is a partition between the first seal part and the second seal part,
The partition is configured to release air in a space between the first seal portion and the second seal portion to the outside of the space.
前記シール構造は、前記膜−電極接合体と前記セパレータとの間又は前記一対のセパレータ間を二重シールする、請求項2ないし5のいずれか一項に記載の燃料電池。 The plurality of components include a membrane-electrode assembly and a pair of separators that sandwich the membrane-electrode assembly,
The fuel cell according to any one of claims 2 to 5, wherein the seal structure double seals between the membrane-electrode assembly and the separator or between the pair of separators.
前記シール構造は、隣接する一方の単セルのセパレータと他方の単セルのセパレータとの間を二重シールする、請求項2ないし5のいずれか一項に記載の燃料電池。 The fuel cell is formed by laminating a plurality of single cells including a membrane-electrode assembly and a pair of separators sandwiching the membrane-electrode assembly.
6. The fuel cell according to claim 2, wherein the seal structure double seals between a separator of one adjacent single cell and a separator of the other single cell. 7.
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