JP2009181713A - Polymer electrolyte fuel cell and power generation system loading the same - Google Patents

Polymer electrolyte fuel cell and power generation system loading the same Download PDF

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勝憲 西村
Masashi Yamaga
賢史 山賀
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel cell with a seal structure so made to secure enough gas tightness while preventing entry of impurities from cooling water into electrodes and an electrolyte film. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte fuel cell, provided with cells structured to pinch a solid polymer electrolyte film and electrodes between a pair of separators having a cooling water manifold circulating cooling water and a gas manifold circulating gas, further includes a gas seal going around a gas flow channel face and a cooling water seal going around a periphery of the cooling water manifold. Moreover, the cooling water seal is fitted further outside than an outer edge of the solid polymer electrolyte film, so that the electrolyte film is not to be in direct contact with the cooling water. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は固体高分子形燃料電池及びそれを搭載した発電システムに関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a power generation system equipped with the same.

固体高分子形燃料電池は、出力密度が高い、発電効率が高い、運転温度が70℃〜80℃程度と低いので起動時間が短いなどの特長を有する。そのため、電気自動車用電源、業務用の分散電源及び家庭用の分散電源等、幅広い用途が期待されている。   The polymer electrolyte fuel cell has features such as high output density, high power generation efficiency, and low start-up time because the operation temperature is as low as about 70 ° C to 80 ° C. Therefore, a wide range of applications such as electric vehicle power supplies, commercial distributed power supplies, and home distributed power supplies are expected.

これらの用途の中で、固体高分子形燃料電池を搭載した分散電源、例えばコジェネレーション発電システムは、固体高分子形燃料電池より電気を取り出すと同時に、発電時に電池から発生する熱を温水として回収することにより、エネルギーを有効に活用しようとするシステムである。   Among these applications, a distributed power supply equipped with a polymer electrolyte fuel cell, such as a cogeneration power generation system, takes out electricity from the polymer electrolyte fuel cell and at the same time collects heat generated from the cell as hot water during power generation. By doing so, it is a system that tries to use energy effectively.

固体高分子形燃料電池を搭載した分散電源では、使用期間として50,000〜100,000時間の長寿命が要求される。このために膜−電極接合体(以下、MEAと略記する。)、セル構成、発電条件等の改良が進められている。このように寿命を重視した発電システムにおいては、電池出力の低下をもたらす要因を排除する技術が必要になる。   A distributed power source equipped with a polymer electrolyte fuel cell is required to have a long life of 50,000 to 100,000 hours. For this reason, improvements are being made to membrane-electrode assemblies (hereinafter abbreviated as MEA), cell configuration, power generation conditions, and the like. In such a power generation system with an emphasis on life, a technique for eliminating factors that cause a decrease in battery output is required.

電池出力が低下する要因の一つとして、ガスあるいは冷却水に含まれる不純物や大気汚染物質による電極の触媒不活性化、電解質膜の抵抗増加が考えられる。   As one of the factors that decrease the battery output, it is conceivable that the catalyst is deactivated due to impurities contained in the gas or cooling water or air pollutants and the resistance of the electrolyte membrane is increased.

燃料ガスに含まれる一酸化炭素あるいは改質ガスの窒素酸化物などが電池に取り込まれると、電極の触媒不活性化や電解質膜の抵抗増加が生じ、これが原因となって次第に電池の出力が低下する。燃料電池の設置環境によっては、大気中の窒素酸化物、硫黄酸化物等の微量の大気汚染物質や、塵のようなものが比較的多く含まれる場合があり、これによっても特に酸化剤側の触媒活性が低下する。   When carbon monoxide contained in the fuel gas or nitrogen oxide of the reformed gas is taken into the battery, the catalyst inactivation of the electrode and the resistance of the electrolyte membrane increase, which causes the battery output to gradually decrease. To do. Depending on the installation environment of the fuel cell, it may contain a relatively small amount of air pollutants such as nitrogen oxides and sulfur oxides in the atmosphere, and dust. The catalytic activity is reduced.

また、冷却水からも微量の不純物が電池内部に取り込まれ、この不純物が電解質膜に浸透あるいは触媒層に付着して、電解質膜の抵抗が増加し、触媒活性が低下する場合もある。特に、長期保管時に水質が低下した場合、あるいは寒冷地において不凍液を冷却水として用いた場合に問題となる。後者の場合は、不凍液中の添加剤が汚染原因物質となる。   In addition, a small amount of impurities are taken into the battery from the cooling water, and the impurities may permeate the electrolyte membrane or adhere to the catalyst layer, thereby increasing the resistance of the electrolyte membrane and reducing the catalytic activity. In particular, it becomes a problem when the water quality deteriorates during long-term storage or when antifreeze is used as cooling water in a cold region. In the latter case, the additive in the antifreeze becomes a pollutant.

なお、冷却水には水だけでなく、有機物質例えばエチレングリコール等の低凝固点の溶媒あるいは、これらの水溶液を含む冷媒なども使用されることがあり、本発明では、これらを使用する場合を含めて冷却水と称する。多くの場合は水が冷媒として固体高分子形燃料電池に多用されているので、以下では水を用いた場合を例にとって説明していく。   In addition, not only water but also a low freezing point solvent such as ethylene glycol or a refrigerant containing an aqueous solution thereof may be used for the cooling water. In the present invention, the case where these are used is included. This is called cooling water. In many cases, water is often used as a refrigerant in the polymer electrolyte fuel cell, so the following description will be made taking an example of using water.

本発明では、冷却水中の不純物あるいは凍結防止のために添加した物質による電池出力低下の防止を企図している。それは、以下のような理由による。   In the present invention, it is intended to prevent a decrease in battery output due to impurities in cooling water or substances added to prevent freezing. The reason is as follows.

ガス中の不純物は改質反応の精密制御、フィルターの使用等によって、その量を少なくすることが容易であり、また、停止期間中のように発電しないときにガスは供給されないので、実質的にガスからの汚染は回避できる。   It is easy to reduce the amount of impurities in the gas by precise control of the reforming reaction, the use of a filter, etc., and since the gas is not supplied when power is not generated as in the shutdown period, Contamination from gas can be avoided.

しかし、冷却水の場合は、発電停止時でも電池内部の残留水によって汚染が生じやすく、また、不凍液を用いたときの添加剤によって電解質膜が汚染されることもある。発電停止時に、電池から冷媒を排出する機構を設けることも考えられるが、システムが複雑になる上に、電池の中から完全に冷媒を除去することは容易ではない。このように電池内部に残留した冷却水に含まれる不純物は、発電停止の繰り返しによって、電解質膜や触媒の性能に徐々に影響を与えてしまう。そのため、冷却水に由来する汚染防止は、ガスからの汚染防止よりも技術的に難しい。   However, in the case of cooling water, contamination is likely to occur due to residual water inside the battery even when power generation is stopped, and the electrolyte membrane may be contaminated by additives when using antifreeze. Although it is conceivable to provide a mechanism for discharging the refrigerant from the battery when power generation is stopped, the system becomes complicated and it is not easy to completely remove the refrigerant from the battery. As described above, the impurities contained in the cooling water remaining inside the battery gradually affect the performance of the electrolyte membrane and the catalyst by repeatedly stopping the power generation. Therefore, the prevention of contamination derived from cooling water is technically more difficult than the prevention of contamination from gas.

汚染防止に関連する従来技術として、シールの信頼性を高める方法(特許文献1)、システム内に水質を維持する機構を設ける方法(特許文献2)などが開示されている。   As a conventional technique related to contamination prevention, a method for enhancing the reliability of a seal (Patent Document 1), a method for providing a mechanism for maintaining water quality in the system (Patent Document 2), and the like are disclosed.

特許3292670号公報Japanese Patent No. 3292670 特開2005−183109号公報JP-A-2005-183109

ゴムなどの弾性体を用いるシール方法により不純物の浸入を防止する場合には、ある程度の高い圧力をシールに加えないと不純物の浸入を防止できない。これは、ゴム等の弾性体には永久ひずみによる変形を生じる特質があり、変形によってシールの圧力が低下してしまうためである。永久ひずみ分を上回る圧縮量が得られるようにシールに圧力を加えて、冷却水とガスの通路に同じ構成のシールを設ければ、初期的にはシール性能を確保することができる。   In the case of preventing the entry of impurities by a sealing method using an elastic body such as rubber, the entry of impurities cannot be prevented unless a high pressure is applied to the seal. This is because an elastic body such as rubber has a characteristic of causing deformation due to permanent strain, and the pressure of the seal is reduced by the deformation. If pressure is applied to the seal so that a compression amount exceeding the permanent strain is obtained and a seal having the same configuration is provided in the passage of cooling water and gas, the sealing performance can be secured initially.

ところが、このようなシール方法は、長期的には次のような新たな課題を生む。すなわち、シールに与える圧力を大きくすれば、電解質膜への局所的な圧力が発生し、電解質膜の損傷等の新たな問題が生じる。特にガスの気密性を確保するのに必要な圧力を大きく超えた圧力を電解質膜の一部に加えると、当該圧力を加えた部分で電解質膜が損傷し、その損傷部から電池外部へのガスのリーク(外部リーク)、あるいは、電解質膜を介した燃料と酸化剤の間のガス交換(内部リーク)が起こる。   However, such a sealing method creates the following new problems in the long term. That is, if the pressure applied to the seal is increased, a local pressure is generated on the electrolyte membrane, which causes new problems such as damage to the electrolyte membrane. In particular, if a pressure that greatly exceeds the pressure required to ensure gas tightness is applied to a part of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is damaged at the portion where the pressure is applied, and the gas from the damaged portion to the outside of the battery Leak (external leak) or gas exchange (internal leak) between the fuel and the oxidant through the electrolyte membrane occurs.

冷却水からの不純物の浸入を抑制するにはシールに加える圧力を高めなければならないが、一方で電解質膜の損傷が起こりやすくなる。逆に、電解質膜への損傷を回避するように圧力を下げると、冷却水からの不純物汚染が起こりやすくなる。このように冷却水からの不純物浸入防止と電解質膜の損傷防止は、圧力に関してトレード・オフの関係にある。   In order to suppress the intrusion of impurities from the cooling water, the pressure applied to the seal must be increased. On the other hand, the electrolyte membrane is easily damaged. Conversely, if the pressure is lowered so as to avoid damage to the electrolyte membrane, impurity contamination from the cooling water tends to occur. Thus, the prevention of impurity intrusion from cooling water and the prevention of damage to the electrolyte membrane are in a trade-off relationship with respect to pressure.

本発明の目的は、冷却水から電極や電解質膜への不純物の浸入を防止しつつ、十分なガス気密性が確保できるようにしたシール構造を有する固体高分子形燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell having a seal structure capable of ensuring sufficient gas tightness while preventing intrusion of impurities from cooling water into an electrode or an electrolyte membrane. .

本発明は、冷却水等の冷媒を通す冷却マニホールドとガスを通すガスマニホールドとを有する一対のセパレータの間に、固体高分子電解質膜と電極を挟持した構成のセルを具備する固体高分子形燃料電池において、前記セパレータのガス流路面を周回するガスシールと前記冷却マニホールドの周囲を周回する冷媒シールとを備え、前記冷媒シールが前記固体高分子電解質膜の外縁より外に設けられ、電解質膜が冷却水に直接触れない構造になっていることを特徴とする固体高分子形燃料電池にある。なお、冷却水は水以外の冷媒(エチレングリコールなどの低融点液体およびこれらの溶液または水溶液)に置き換え可能とする。   The present invention relates to a solid polymer fuel comprising a cell having a structure in which a solid polymer electrolyte membrane and an electrode are sandwiched between a pair of separators each having a cooling manifold for passing a coolant such as cooling water and a gas manifold for passing a gas. The battery includes a gas seal that circulates around the gas flow path surface of the separator and a refrigerant seal that circulates around the cooling manifold, the refrigerant seal is provided outside the outer edge of the solid polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane The polymer electrolyte fuel cell has a structure that does not come into direct contact with cooling water. The cooling water can be replaced with a refrigerant other than water (low melting point liquid such as ethylene glycol and a solution or an aqueous solution thereof).

本発明において、ガスシールは固体高分子電解質膜の面内に設けることが好ましく、またガスシールと冷媒シールとを非接触にすることが好ましい。ガスシールは、前記電解質膜に、液状ガスケットを塗布、乾燥することによって一体的に形成することができる。液状ガスケットの素材としては、シリコンゴム、エチレン・プロピレンゴムなどを選択することができる。   In the present invention, the gas seal is preferably provided in the plane of the solid polymer electrolyte membrane, and the gas seal and the refrigerant seal are preferably not in contact with each other. The gas seal can be integrally formed by applying and drying a liquid gasket on the electrolyte membrane. Silicon rubber, ethylene / propylene rubber, or the like can be selected as the material for the liquid gasket.

ガスシールは電解質膜上に形成するが、セパレータに接する部分を半円状あるいは凸状(リップ状、ビード状とも呼ばれる)にすると、低い締め付け圧力でガスシールを圧縮することができるので、十分な気密性を得やすくなり好ましい。特に電解質膜は数十μmの薄さであり、シールの圧力による破損が生じる場合があるので、上述の形状を有するガスシールを用いることが好ましい。セパレータに接するガスシール先端部分をわずかに平坦にすれば、先端部分が電解質膜に加える圧力が均一になるので、電解質膜の破断を防止する上でさらに好ましい。ガスシールの幅をできるだけ小さくしつつ、電解質膜への圧力の均一化を図るために、平坦部の幅としては0.5mmから10mm、特に1mmから1.5mmの範囲が適している。   The gas seal is formed on the electrolyte membrane. However, if the part in contact with the separator is semicircular or convex (also called lip or bead), the gas seal can be compressed with a low clamping pressure. Airtightness is easily obtained, which is preferable. In particular, the electrolyte membrane has a thickness of several tens of μm and may be damaged due to the pressure of the seal. Therefore, it is preferable to use a gas seal having the above-described shape. If the gas seal front end portion in contact with the separator is made slightly flat, the pressure applied to the electrolyte membrane by the front end portion becomes uniform, which is more preferable in preventing breakage of the electrolyte membrane. In order to make the pressure on the electrolyte membrane uniform while making the width of the gas seal as small as possible, the width of the flat portion is suitably in the range of 0.5 mm to 10 mm, particularly 1 mm to 1.5 mm.

別の形態として、ガスシールを角型断面形状の樹脂製フレームとし、当該フレームをセパレータ面に接着しても良い。接着材としてはエポキシ樹脂等の接着剤を用いる。このような樹脂系ガスケットを用いると、電解質膜に圧着される前記フレームの平坦部の面積を広くしやすくなり、電解質膜へ過大な圧力を加えずに済む。これは、後述のように、冷媒シールにゴム系ガスケットを用いた場合に有効である。なお、前記樹脂系ガスケットは、金型成形法によってセパレータ上に形成しても良い。   As another form, the gas seal may be a resin frame having a square cross-sectional shape, and the frame may be bonded to the separator surface. An adhesive such as an epoxy resin is used as the adhesive. When such a resin gasket is used, the area of the flat portion of the frame to be pressure-bonded to the electrolyte membrane can be easily increased, and it is not necessary to apply excessive pressure to the electrolyte membrane. As will be described later, this is effective when a rubber gasket is used for the refrigerant seal. The resin-based gasket may be formed on the separator by a mold forming method.

ガスシールは、上述のいずれの場合も絶縁性であることが望ましい。良導電性であると、電解質膜が破断したときに、ガスシール同士、あるいはガスシールとセパレータ間が短絡されてしまうからである。このような性質を有するガスシールを電解質膜に一体的に形成すると、部品位置ずれによる、セル電圧のばらつきを低減することができる。   The gas seal is desirably insulative in any of the above cases. This is because when the electrolyte membrane is broken, the gas seals or the gas seals and the separators are short-circuited if they have good conductivity. If the gas seal having such properties is formed integrally with the electrolyte membrane, it is possible to reduce variations in cell voltage due to component misalignment.

冷媒シールについては、セパレータ面内に当該シールを形成することによって、高精度な電池の組立を可能にし、セル間の電圧ばらつきを低減することができる。例えば、上述の液状ガスケットをディスペンサーなどの機械塗布によりシール部を形成後、溶媒を乾燥することによって、セパレータ面内に冷媒シールを接着させることができる。また、熱可塑性のガスケット材料を金型成形法によりセパレータ面上に形成して冷媒シールを構成しても良い。このようなゴム系ガスケットの他に、エポキシ樹脂などの熱硬化性接着剤を用い、セパレータ面上にディスペンサーにより塗布し、シール部を形成して、樹脂系ガスケットを作製することも可能である。MEAを介して2枚のセパレータを積層させ、熱硬化処理や紫外線等の光学的硬化処理によって、単セルを製作することができる。   As for the refrigerant seal, by forming the seal in the separator surface, it is possible to assemble the battery with high accuracy and reduce the voltage variation between the cells. For example, after forming the seal portion by applying the above-described liquid gasket by mechanical application such as a dispenser, the solvent seal is dried to adhere the refrigerant seal in the separator surface. Further, a refrigerant seal may be formed by forming a thermoplastic gasket material on the separator surface by a mold forming method. In addition to such a rubber-based gasket, it is also possible to produce a resin-based gasket by using a thermosetting adhesive such as an epoxy resin and applying it on a separator surface with a dispenser to form a seal portion. A single cell can be manufactured by laminating two separators via the MEA and performing an optical curing process such as a thermosetting process or an ultraviolet ray.

更に、ガスシールと冷媒シールとは、一方が弾性体で構成される場合には他方が非弾性体で構成される、例えば一方がゴムで構成される場合には他方が樹脂で構成されるというように、弾性(圧力に対する圧縮率)の異なる材料で構成することが可能である。   Further, when one of the gas seal and the refrigerant seal is made of an elastic body, the other is made of an inelastic body. For example, when one is made of rubber, the other is made of resin. In this way, it is possible to configure with materials having different elasticity (compressibility against pressure).

冷媒シールに熱硬化性樹脂シールを用いる場合には、2枚のセパレータの間にMEAを挟持した状態で接合すると、セパレータ間隔はほぼ固定となる。このような場合には、樹脂系ガスケットをガスシールに用いても良い。セパレータ間隔が一定なので、樹脂系ガスケットやセパレータの寸法精度を十分に確保できるのであれば、電解質膜に過大な圧力を加えることがない。   When a thermosetting resin seal is used as the refrigerant seal, when the MEA is sandwiched between two separators, the separator interval is substantially fixed. In such a case, a resin-based gasket may be used for the gas seal. Since the distance between the separators is constant, excessive pressure is not applied to the electrolyte membrane as long as the dimensional accuracy of the resin-based gasket or separator can be sufficiently secured.

さらに望ましい形態として、ガスシールに圧縮率の大きなゴム系ガスケットを用いる。この場合は、ガスシールの寸法精度の許容範囲が緩和されるので、セパレータの平面度、平行度などの寸法精度が若干低くても、ガスシールが可能となる。この構成によると、低締め付け荷重でありながら、ゴム系ガスケットにて大きな圧縮量を確保でき、ガス気密性を確保できる。過大な圧力が電解質膜に加わることも回避しやすいので、電解質膜の破損防止に有利となる。   As a more desirable form, a rubber-based gasket having a high compressibility is used for the gas seal. In this case, since the allowable range of the dimensional accuracy of the gas seal is relaxed, the gas seal can be performed even if the dimensional accuracy such as the flatness and the parallelism of the separator is slightly low. According to this configuration, although the tightening load is low, a large compression amount can be secured by the rubber gasket, and gas tightness can be secured. Since it is easy to avoid application of excessive pressure to the electrolyte membrane, it is advantageous for preventing damage to the electrolyte membrane.

次に、圧縮率の大きなゴム系ガスケットを冷媒シールに用いる場合には、十分な圧縮量を得るために、締め付け荷重を高くする。この場合には、電解質膜に接するガスシールに過大な圧力が加わらないようにするために、角型断面を有する樹脂製フレームをガスシールに用いる。これによって、電解質膜に圧着される前記フレームの平坦部の面積を広くしやすくなり、電解質膜へ過大な圧力を加えずに済む。   Next, when a rubber-based gasket having a large compression rate is used for the refrigerant seal, the tightening load is increased in order to obtain a sufficient compression amount. In this case, a resin frame having a square cross section is used for the gas seal so that an excessive pressure is not applied to the gas seal in contact with the electrolyte membrane. As a result, the area of the flat portion of the frame to be pressure-bonded to the electrolyte membrane can be easily increased, and an excessive pressure is not applied to the electrolyte membrane.

燃料電池を搭載する製品の耐用年数に応じて、上述のような組合せを選択することができる。基本的考え方として、冷媒シールを先に選定し、それに適合するようにガスシールを決定する。   A combination as described above can be selected according to the service life of the product on which the fuel cell is mounted. As a basic idea, the refrigerant seal is selected first, and the gas seal is determined so as to match it.

すなわち、高荷重締め付けを行って冷媒シールからの不純物漏洩を防止する場合には、ゴム系ガスケットを冷媒シールに用いる。この場合はセパレータ間隔が変化しうるので、電解質膜に均等な圧力を加える必要がある。よって、ガスシールには樹脂系ガスケットを選択することになる。   That is, when high load tightening is performed to prevent impurity leakage from the refrigerant seal, a rubber gasket is used for the refrigerant seal. In this case, since the separator interval can change, it is necessary to apply a uniform pressure to the electrolyte membrane. Therefore, a resin gasket is selected for the gas seal.

逆に、低荷重締め付けを行って冷媒シールからの不純物漏洩を防止する場合には、樹脂系ガスケットを冷媒シールに用いる。この場合は締め付け圧力が小さいので、ガスシールの選択の範囲が広がる。すなわち、ゴム系でも樹脂系のいずれのガスケットを用いても良い。   On the other hand, a resin gasket is used for the refrigerant seal when low load tightening is performed to prevent leakage of impurities from the refrigerant seal. In this case, since the tightening pressure is small, the range of selection of the gas seal is expanded. That is, either rubber or resin gaskets may be used.

中でも、冷媒シールに熱硬化性樹脂シール、ガスシールにゴム系ガスケットまたは樹脂系ガスケットを用いた組合せが、長期耐久性を必要とする燃料電池に有利である。低荷重の締め付けにより気密性を十分に確保できるので、ガスケットの変形による気密不良、ひいては不純物漏洩を回避することができるからである。   Among these, a combination using a thermosetting resin seal as a refrigerant seal and a rubber gasket or a resin gasket as a gas seal is advantageous for a fuel cell that requires long-term durability. This is because airtightness can be sufficiently secured by tightening with a low load, so that airtight failure due to deformation of the gasket, and hence impurity leakage can be avoided.

本発明の固体高分子形燃料電池は、冷媒シールとガスシールとを個別に有し、電解質膜の外縁が冷媒と直接接触しない構造になっているので、冷媒からの不純物が電極や電解質膜へ浸入するのを防止できる。また、冷媒シールとガスシールとを個別に設けたことで機能の異なるシールを組み合わせることが可能となり、十分なガス気密性を確保できる。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a refrigerant seal and a gas seal separately, and has a structure in which the outer edge of the electrolyte membrane does not come into direct contact with the refrigerant, so that impurities from the refrigerant are transferred to the electrodes and the electrolyte membrane. Intrusion can be prevented. Further, by providing the refrigerant seal and the gas seal separately, it becomes possible to combine seals having different functions, and sufficient gas tightness can be secured.

本発明者らは、検討の結果、冷媒中の不純物から電解質膜や電極を保護するためには、冷却水が流通するマニホールドのシールを電解質膜の外縁より外に設け、電解質膜が冷媒に直接触れない構造にすることが有効であるとの考えに至った。本発明は、この考えに基づくものであり、換言すると、冷媒シールとガスシールを機能上、分離させた新たなシール構造を有する燃料電池を提供しようとするものである。   As a result of studies, the present inventors have provided a manifold seal through which cooling water flows outside the outer edge of the electrolyte membrane in order to protect the electrolyte membrane and electrodes from impurities in the refrigerant, and the electrolyte membrane is directly on the refrigerant. It came to the idea that it would be effective to make the structure untouchable. The present invention is based on this idea. In other words, the present invention intends to provide a fuel cell having a new seal structure in which a refrigerant seal and a gas seal are functionally separated.

以下では、冷媒に純水を用いたときの典型的な実施例に基づいて本発明の内容を説明する。   Below, the content of this invention is demonstrated based on the typical Example when pure water is used for a refrigerant | coolant.

冷却水は、冷却マニホールドを通過し、冷却水が流れる流路を有するセパレータに供給され、セパレータ面内より発電時に発生した熱を奪った後、別のマニホールドから電池の外に排出される。   The cooling water passes through the cooling manifold and is supplied to the separator having a flow path through which the cooling water flows. After the heat generated during power generation is taken from the separator surface, the cooling water is discharged out of the battery from another manifold.

発電セル(単セルとも呼ばれる)は、燃料ガスのマニホールドとその流路を有するセパレータと、酸化剤ガスのマニホールドとその流路を有するセパレータ及びMEAを有し、MEAが一対のセパレータの間に挟持された構成を有する。この発電セルにて通常、0.5〜0.8Vの電圧が発生する。   A power generation cell (also referred to as a single cell) has a fuel gas manifold and a separator having a flow path thereof, an oxidant gas manifold, a separator having the flow path and an MEA, and the MEA is sandwiched between a pair of separators. It has the structure made. A voltage of 0.5 to 0.8 V is usually generated in this power generation cell.

また、発電セルの燃料ガス流路面あるいは酸化剤ガス流路面の反対側の面すなわち裏面には一般に冷却セルが設けられ、発電セルの熱が除去される。   Further, a cooling cell is generally provided on the surface opposite to the fuel gas channel surface or the oxidant gas channel surface of the power generation cell, that is, the back surface, and heat of the power generation cell is removed.

本発明では、冷却水中の不純物による電解質膜の汚染を回避するために、冷却マニホールドまで電解質膜の外縁を延長させないようにし、電解質膜が冷却水シールと直接的に接触しない構造とした。このように電解質膜を短縮した形状にして、冷媒シール上に電解質膜が存在しないようにした。電解質膜上に冷媒シールを設けると、シールのクリープ(永久ひずみ)により、徐々に冷却水がシールを浸し、ついには触媒層に到達することがあるからである。   In the present invention, in order to avoid contamination of the electrolyte membrane due to impurities in the cooling water, the outer edge of the electrolyte membrane is not extended to the cooling manifold, and the electrolyte membrane is not in direct contact with the cooling water seal. In this way, the electrolyte membrane is shortened so that the electrolyte membrane does not exist on the refrigerant seal. This is because if a refrigerant seal is provided on the electrolyte membrane, the coolant gradually immerses the seal due to creep (permanent strain) of the seal and eventually reaches the catalyst layer.

また、冷却マニホールドの周囲を周回する冷媒シールを設けて、冷却水がMEA側に流れ込まないようにした。冷却水シールは、冷却水中の不純物をMEA側に透過させない一種の遮蔽壁の役割を担う。これにより、冷却水中の不純物による電解質膜、電極の汚染を防止することができる。   In addition, a coolant seal that circulates around the cooling manifold is provided so that cooling water does not flow into the MEA side. The cooling water seal plays a role of a kind of shielding wall that does not allow impurities in the cooling water to permeate to the MEA side. Thereby, contamination of the electrolyte membrane and the electrode due to impurities in the cooling water can be prevented.

本発明の固体高分子形燃料電池は、電解質膜が冷媒シールから冷却マニホールド側にはみ出ていないので、冷媒シールによって電解質膜が損傷を受けることもない。したがって、冷媒シールの材料の選択幅および締め付け圧力の範囲も広がる。   In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, since the electrolyte membrane does not protrude from the refrigerant seal to the cooling manifold side, the electrolyte membrane is not damaged by the refrigerant seal. Therefore, the selection range of the material for the refrigerant seal and the range of the clamping pressure are also expanded.

冷媒シールの材料は、耐水性であることが必要である。また、冷却水が純水以外のものである場合、例えばエチレングリコールなどの有機系液体である場合には、それらの液体に接触した際に膨潤等の変化をしない材料が望ましい。このような要件を満足するシール材料としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂などに代表される熱硬化性樹脂、あるいはセパレータに対して接着性のあるゴム材料がある。好適なゴム材料としては、例えばフッ素ゴム、エチレン・プロピレンゴム、シリコンゴムなどを主剤とする液状ガスケットがある。ただし、冷媒(水や有機物質)と冷媒中の不純物に対して劣化しない材料であれば、これらの材料に限定されない。   The material of the refrigerant seal needs to be water resistant. In addition, when the cooling water is other than pure water, for example, when it is an organic liquid such as ethylene glycol, a material that does not change such as swelling when contacting the liquid is desirable. As a sealing material that satisfies such requirements, for example, there are thermosetting resins typified by epoxy resins and phenol resins, or rubber materials that are adhesive to separators. Suitable rubber materials include, for example, liquid gaskets mainly composed of fluorine rubber, ethylene / propylene rubber, silicon rubber and the like. However, the material is not limited to these materials as long as the material does not deteriorate with respect to the refrigerant (water or organic substance) and impurities in the refrigerant.

冷却水シールの材料として、接着性のある熱硬化性樹脂を用い、これによりセパレータ間を接合することにより、外部からの衝撃、振動があっても、セパレータ同士が剥離しにくいので、冷却水の漏洩防止に極めて有効となる。   Adhesive thermosetting resin is used as a material for the cooling water seal, and by joining the separators, the separators are difficult to peel off even if there is an external impact or vibration. This is extremely effective in preventing leakage.

冷却水シールにゴム材料を用いる場合には、永久ひずみによるゴムの変形量以上の圧縮量が得られるような高い圧力を、シールに加えることが望ましい。また、ゴム材料の弾性を利用してシールをする場合は、ゴムとセパレータが接触する面積を可能な限り小さくし、シールされる部分の圧力を高めることが望ましい。例えば、凸状(リップ状、ビード状とも称される。)にすれば、シールの頂点部分(圧縮されてシール機能を発現する部分)にて圧力を高めることが可能となる。ここで、冷媒シールの頂点部は、セパレータに圧着された際に、0.1〜1mmの小さい線幅になるように形成することが、シール・スペースの低減とシール全体への荷重低減に有効である。   When a rubber material is used for the cooling water seal, it is desirable to apply a high pressure to the seal so as to obtain a compression amount equal to or greater than the deformation amount of the rubber due to permanent strain. Further, when sealing is performed using the elasticity of the rubber material, it is desirable to reduce the area where the rubber contacts the separator as much as possible and increase the pressure of the sealed portion. For example, if it is convex (also referred to as a lip shape or a bead shape), the pressure can be increased at the apex portion of the seal (the portion that is compressed to exhibit the sealing function). Here, it is effective to reduce the seal space and reduce the load on the entire seal by forming the apex of the refrigerant seal so as to have a small line width of 0.1 to 1 mm when it is crimped to the separator. It is.

以上の構成を備えた耐水性の冷媒シールを用いることにより、冷却水に含まれる不純物による電解質膜等の汚染を防止し、電池出力の低下を回避することが可能となる。   By using the water-resistant refrigerant seal having the above configuration, it is possible to prevent the electrolyte membrane and the like from being contaminated by impurities contained in the cooling water, and to avoid a decrease in battery output.

次に、ガスシールについて説明する。   Next, the gas seal will be described.

ガスシールは、セパレータ面内で冷却水シールと干渉しない位置に設けて、機能上、分離した構成にする。そして、ガスシールは電解質膜に密着させる。電解質膜の一方の面に燃料を供給し、他方の面に酸化剤を供給するので、電解質膜上でガスのシールが必須になるからである。このとき、燃料マニホールドの周り、あるいは酸化剤マニホールドの周りであって、電解質膜へシールを圧着させて気密性を得るか、電解質膜上にシールを接着してセパレータ面に圧着させて気密性を得る。   The gas seal is provided at a position where it does not interfere with the cooling water seal within the separator surface, and has a functionally separated structure. The gas seal is brought into close contact with the electrolyte membrane. This is because the fuel is supplied to one surface of the electrolyte membrane and the oxidant is supplied to the other surface, so that a gas seal is essential on the electrolyte membrane. At this time, around the fuel manifold or the oxidant manifold, the seal is pressure-bonded to the electrolyte membrane to obtain airtightness, or the seal is bonded on the electrolyte membrane and pressure-bonded to the separator surface for airtightness. obtain.

ガスシールについては、冷却水シールの材料に応じて、以下の2つの構成を採ることが望ましい。   About a gas seal, it is desirable to take the following two structures according to the material of a cooling water seal.

冷却水シールに熱硬化性樹脂を用いた場合には、セパレータ間隔を一定に保つことができるので、ガスシールにより電解質膜へ加える圧力を調整することが可能となる。その結果、電解質膜の破損を回避することができる。この場合は、ガスシール材料の圧縮量を規定できるので、ゴム材料を用いても良い。   When a thermosetting resin is used for the cooling water seal, the separator interval can be kept constant, so that the pressure applied to the electrolyte membrane by the gas seal can be adjusted. As a result, damage to the electrolyte membrane can be avoided. In this case, since the compression amount of the gas seal material can be defined, a rubber material may be used.

これに対して、冷却水シールにゴム材料等の弾性材料を用いた場合には、セパレータの間隔を一定値に固定できないこと、および冷却水からの不純物漏洩を防止するために高い圧力で電池を締め付けることから、ガスシールには別の方法を採る必要がある。すなわち、冷却水シールと同じように弾性材料(例えばゴムシール)をガスシールに用いると、2枚のセパレータに加える荷重を増加させたとき、冷却水シールが圧縮されると、同時にガスシールの圧縮量も増加する。この圧縮量が電解質膜の機械的強度の限界値を超えると、電解質膜が損傷する恐れがある。そこで、冷却水シールに弾性材料を用いるときには、ガスシールに弾性を有しない材料、例えば熱硬化性樹脂等の樹脂材料を用い、電解質膜の膨潤作用を利用した新たなガスシール方法を適用して、電解質膜の損傷を回避する。   On the other hand, when an elastic material such as a rubber material is used for the cooling water seal, the separator cannot be fixed at a constant value, and the battery should be operated at a high pressure to prevent leakage of impurities from the cooling water. Because of the tightening, it is necessary to adopt another method for the gas seal. That is, when an elastic material (for example, rubber seal) is used for the gas seal in the same manner as the cooling water seal, when the load applied to the two separators is increased and the cooling water seal is compressed, the compression amount of the gas seal is simultaneously increased. Will also increase. If the amount of compression exceeds the limit value of the mechanical strength of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane may be damaged. Therefore, when an elastic material is used for the cooling water seal, a new gas sealing method using a swelling property of the electrolyte membrane is applied by using a material having no elasticity for the gas seal, for example, a resin material such as a thermosetting resin. , Avoid damaging the electrolyte membrane.

電解質膜は発電時にある程度の水を含有し、一旦、発電を行ったときには電解質膜中に水を長期にわたって保持する性質がある。水を含んだ電解質膜はわずかに膨張し、ガスの漏れを止めたい部分、例えばセパレータの流路の外周部に挿入、密着されることによって、ガスシール性を発現する。この電解質膜の膨潤作用を利用して、ガスの気密性を高める。   The electrolyte membrane contains a certain amount of water during power generation, and has the property of retaining water in the electrolyte membrane for a long time once power generation is performed. The electrolyte membrane containing water expands slightly and is inserted into and closely adhered to a portion where gas leakage is to be stopped, for example, the outer peripheral portion of the flow path of the separator, thereby exhibiting gas sealing properties. Utilizing the swelling action of the electrolyte membrane, gas tightness is enhanced.

電解質膜の膨潤作用を利用してガスシールを行う場合には、ガスシールに突起部を形成して電解質膜と密着させることが好ましい。突起部の先端は、電解質膜に接するので、可能な限り平坦であることが望ましい。平坦度としては±20μm以内であることが望ましい。これより大きくなると、電解質膜の膨潤による厚さ寸法の増加分を超えてしまうので、密着される部分にて隙間が生じ、ガスのリークが起こりやすくなる。   When gas sealing is performed by utilizing the swelling action of the electrolyte membrane, it is preferable to form a protrusion on the gas seal so as to be in close contact with the electrolyte membrane. Since the tip of the protrusion is in contact with the electrolyte membrane, it is desirable that the protrusion be as flat as possible. The flatness is preferably within ± 20 μm. If it is larger than this, the amount of increase in the thickness due to the swelling of the electrolyte membrane is exceeded, so that a gap is formed in the closely contacted portion, and gas leakage tends to occur.

上述の突起部は、電解質膜の中央部に形成した電極を周回するように形成するのが良い。突起部の材質としては、電池を運転する温度範囲にて化学的、物理的に安定であれば、任意の材料を用いることができる。たとえば、ポリエチレンテレフタレート、4フッ化エチレン、ポリイミド、ポリエーテルエテールケトン、ポリフェニレンサルファイドなどを適用できる。   The above-mentioned protrusion is preferably formed so as to go around the electrode formed at the center of the electrolyte membrane. As the material of the protrusion, any material can be used as long as it is chemically and physically stable in the temperature range where the battery is operated. For example, polyethylene terephthalate, tetrafluoroethylene, polyimide, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide and the like can be applied.

以上のような構成のガスシールを用いると、発電時に電解質膜が生成水を含有した際に、電解質膜が膨張し、ガス気密性を確保することができる。生成水による電解質膜の膨潤により、電解質膜がクッションの作用を示し、セパレータと電解質膜の間からガスが漏洩するのを防止することができる。この方法では、セパレータ間隔を一定に保つことが可能となるので、電解質膜への圧力を緩和し、電解質膜の破断を防止することができる。   When the gas seal having the above configuration is used, when the electrolyte membrane contains generated water during power generation, the electrolyte membrane expands and gas tightness can be secured. Due to the swelling of the electrolyte membrane by the generated water, the electrolyte membrane can act as a cushion, and gas can be prevented from leaking between the separator and the electrolyte membrane. In this method, it is possible to keep the separator interval constant, so that the pressure on the electrolyte membrane can be relaxed and breakage of the electrolyte membrane can be prevented.

上述の構成に加えて、以下の方法を採用すると、さらにガスシール性を高めることができる。   In addition to the above-described configuration, the gas sealing performance can be further improved by employing the following method.

1つの方法は、ガスシールの平坦な頂点部分の幅を1mm以上とし、冷却水ゴムシールの頂点部の幅(加圧時に0.1〜1mm)よりも大きくする。ガスシールの幅の上限値は、セパレータ面内に余分なシール領域を設けないために、10mm以内が適している。   In one method, the width of the flat apex portion of the gas seal is set to 1 mm or more, and is larger than the width of the apex portion of the cooling water rubber seal (0.1 to 1 mm when pressurized). The upper limit of the width of the gas seal is suitably within 10 mm so as not to provide an extra seal area in the separator surface.

1つの方法は、MEAを2枚のセパレータの間に組み込む前に、予めセパレータ面内にガスシールを接着しておく。   In one method, a gas seal is bonded in advance in the separator surface before the MEA is assembled between two separators.

1つの方法は、電解質膜を介して対向する2枚のセパレータに、ガスシールの平坦部の幅が異なる二種類のシールを用いる。このようにすると、2枚のセパレータの微小な位置ずれがあっても、2つのガスシールが電解質膜を介して密着するようになる。   One method uses two types of seals having different flat widths of gas seals for two separators facing each other through an electrolyte membrane. In this way, even if there is a slight misalignment between the two separators, the two gas seals come into close contact via the electrolyte membrane.

1つの方法は、ガスシールの平坦部に薄い弾性体(シリコンゴムやエチレン・プロピレンゴム等のゴムや液状ガスケット)を形成する。このようにすれば、セパレータの厚さむらがあり、セパレータ間隔にばらつきが生じても、当該弾性体の圧縮により、ガスの漏洩を防止することができる。このような目的で、弾性体は、リップ状あるいはビード状にして、ガスシールの平坦部に設ける。リップやビード部分の圧縮量は、セパレータの厚さばらつき(通常は±20〜±50μm)の範囲、あるいはそれ以上に設定すると良い。   One method forms a thin elastic body (rubber such as silicon rubber or ethylene / propylene rubber or a liquid gasket) on the flat portion of the gas seal. In this way, even if there is uneven thickness of the separator, and the separator spacing varies, gas leakage can be prevented by compression of the elastic body. For this purpose, the elastic body is provided in the flat part of the gas seal in the form of a lip or bead. The compression amount of the lip or bead portion is preferably set within the range of the thickness variation of the separator (usually ± 20 to ± 50 μm) or more.

第一の実施の形態として、図1(a)に燃料ガス流路面を有するセパレータ107とその上に形成されたガスシール103及び冷媒シール106を示した。また、図1(b)に酸化剤ガス流路面を有するセパレータ107とその上に形成されたガスシール103を示した。図1(a)(b)では、典型的な例として、単一プレートにて一方の面に燃料ガス流路面104、裏面に酸化剤ガス流路面109を形成したバイポーラー型セパレータを示している。このようなセパレータを2個準備し、燃料ガス流路面と酸化剤ガス流路面の間に膜−電極接合体(MEA)を挟持させると、図4に示すように発電セルが構成される。なお、燃料ガス流路面を設けたセパレータと酸化剤ガス流路面を設けたセパレータを別個に用意しても良い。   As a first embodiment, FIG. 1A shows a separator 107 having a fuel gas flow path surface, and a gas seal 103 and a refrigerant seal 106 formed thereon. FIG. 1B shows a separator 107 having an oxidant gas flow path surface and a gas seal 103 formed thereon. 1A and 1B, as a typical example, a bipolar separator in which a fuel gas flow path surface 104 is formed on one surface and an oxidant gas flow path surface 109 is formed on the back surface of a single plate is shown. . When two such separators are prepared and a membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between the fuel gas channel surface and the oxidant gas channel surface, a power generation cell is configured as shown in FIG. A separator provided with a fuel gas channel surface and a separator provided with an oxidant gas channel surface may be prepared separately.

セパレータ107にそれぞれ2つ設けられた燃料ガスマニホールド101のうち、いずれか一方は発電前の燃料ガスをセル内に導入するための供給用マニホールドであり、他方はセル内で水素が消費された後の排ガスを排出するための排出用マニホールドである。供給側マニホールドと排出側マニホールドは、電池の設計条件によって決定される。本実施例では、図1(a)を基準に説明すると、燃料は燃料ガス流路面104の右上方の燃料ガスマニホールド101から供給され、左下方の燃料ガスマニホールド101から排出されるようにした。図1(b)の酸化剤ガス流路面109を有するセパレータ107に設けられた燃料ガスマニホールド101は、単に燃料ガスを通過させるために用いられる。   One of the two fuel gas manifolds 101 provided in each separator 107 is a supply manifold for introducing fuel gas before power generation into the cell, and the other is after hydrogen is consumed in the cell. This is a discharge manifold for discharging the exhaust gas. The supply side manifold and the discharge side manifold are determined by the design conditions of the battery. In this embodiment, referring to FIG. 1A, fuel is supplied from the fuel gas manifold 101 on the upper right side of the fuel gas flow path surface 104 and discharged from the fuel gas manifold 101 on the lower left side. The fuel gas manifold 101 provided in the separator 107 having the oxidant gas flow path surface 109 in FIG. 1B is used only for passing the fuel gas.

また、酸化剤は図1(b)に示すセパレータ107の酸化剤ガス流路面109の左下方に位置する酸化剤ガスマニホールド102から供給され、右上方の酸化剤ガスマニホールド102から排出されるようにした。燃料ガス流路面104を有するセパレータ107に設けられている酸化剤ガスマニホールド102は、単に酸化剤ガスを通過させるために用いられる。   Further, the oxidant is supplied from the oxidant gas manifold 102 located at the lower left of the oxidant gas flow path surface 109 of the separator 107 shown in FIG. 1B, and is discharged from the oxidant gas manifold 102 at the upper right. did. The oxidant gas manifold 102 provided in the separator 107 having the fuel gas flow path surface 104 is used only for passing the oxidant gas.

ガスシール103は燃料ガス流路面104、酸化剤ガス流路面109の両方に形成されている。ここでは、冷媒シール106にフッ素ゴムまたはシリコンゴムの液状ガスケットを用いる実施例を示すため、ガスシール103は平面状、フレーム構造とした。また、ガスシール103の中央に開口窓を設け、この開口窓の下に燃料ガス流路面を有するセパレータ107では燃料ガス流路面104が露出し、酸化剤ガス流路面を有するセパレータ107では酸化剤ガス流路面109が露出するようにした。ガスシール103の開口窓からMEAの電極層が、ガス流路と密着し、燃料ガス流路面104では下記の式1に示す水素の酸化反応が起こり、酸化剤ガス流路面109では式2に示す酸素の還元反応が起こる。   The gas seal 103 is formed on both the fuel gas channel surface 104 and the oxidant gas channel surface 109. Here, in order to show an embodiment in which a liquid gasket made of fluorine rubber or silicon rubber is used as the refrigerant seal 106, the gas seal 103 has a planar shape and a frame structure. Further, an opening window is provided in the center of the gas seal 103, and the fuel gas flow path surface 104 is exposed in the separator 107 having the fuel gas flow path surface under the opening window, and the oxidant gas in the separator 107 having the oxidant gas flow path surface. The flow path surface 109 was exposed. The electrode layer of the MEA is in close contact with the gas flow path from the opening window of the gas seal 103, the hydrogen oxidation reaction shown in the following formula 1 occurs on the fuel gas flow path surface 104, and the oxidant gas flow path surface 109 shows the formula 2 Oxygen reduction occurs.

⇒ 2H …式1
2H + 1/2 O + 2e ⇒ HO …式2
ガスシール103の一例として、ポリエチレンテレフタレート(PET)のシートを用いた。PETシート(厚さ0.2mm、公差±0.01mm)を、図1(a)(b)に示したガスシール103の形状に切り出し、それをセパレータ107に接着させた。接着剤には、フッ素ゴム系シール剤を用いた。接着剤をセパレータ面に極薄状に塗布した上に、PETシートよりなるガスシール103を押し付けて接着させた。接着後に全体の寸法を計測し、接着前のセパレータ厚さとPET厚さを差し引くことで、接着剤層の平均厚さを求めた。その厚さは0.05mm(測定誤差±0.01mm)であった。
H 2 ⇒ 2H + ... Formula 1
2H + +1/2 O 2 + 2e ⇒ H 2 O Formula 2
As an example of the gas seal 103, a polyethylene terephthalate (PET) sheet was used. A PET sheet (thickness 0.2 mm, tolerance ± 0.01 mm) was cut into the shape of the gas seal 103 shown in FIGS. 1A and 1B and adhered to the separator 107. A fluororubber sealant was used as the adhesive. An adhesive was applied to the separator surface in an extremely thin shape, and a gas seal 103 made of a PET sheet was pressed and adhered. The overall dimensions were measured after bonding, and the average thickness of the adhesive layer was determined by subtracting the thickness of the separator before bonding and the thickness of PET. The thickness was 0.05 mm (measurement error ± 0.01 mm).

厚さ精度が高く、燃料電池の動作温度にて熱変形を生じない材料であれば、PET以外の材料であっても用いることができる。例えば、ポリパラフェニレンサルファイド(PPS)も使用可能である。PPSのガラス転移温度はPETのガラス転移温度よりも高く、燃料電池の作動温度(70〜80℃)より数十℃も高い。そのため、PETよりも熱変形に強いので、さらに望ましい。ガラス転移温度が燃料電池の作動温度よりも高ければ、PET以外の高分子樹脂材料を選択することができる。   Any material other than PET can be used as long as the material has high thickness accuracy and does not cause thermal deformation at the operating temperature of the fuel cell. For example, polyparaphenylene sulfide (PPS) can also be used. The glass transition temperature of PPS is higher than the glass transition temperature of PET, and is several tens of degrees higher than the operating temperature (70 to 80 ° C.) of the fuel cell. Therefore, it is more desirable because it is more resistant to thermal deformation than PET. If the glass transition temperature is higher than the operating temperature of the fuel cell, a polymer resin material other than PET can be selected.

冷却マニホールド105は、セパレータ107の平面に垂直の方向に冷却水を通過させるように形成される。セパレータ107にそれぞれ2つ形成された冷却マニホールド105のうち、いずれか一方は低温水を通過させるための供給用マニホールドであり、他方は発電セルから熱を奪った後の高温水を通過させるための排出用マニホールドである。冷却水は冷媒シール106によって電解質膜側への漏洩が抑えられている。なお、電解質膜の外縁は冷媒シール106より内側のところにあり、冷媒シール106から冷却マニホールド105側に延びていない。   The cooling manifold 105 is formed to allow cooling water to pass in a direction perpendicular to the plane of the separator 107. One of the two cooling manifolds 105 formed on the separator 107 is a supply manifold for passing low-temperature water, and the other is for passing high-temperature water after removing heat from the power generation cell. This is a discharge manifold. Leakage of the cooling water to the electrolyte membrane side is suppressed by the refrigerant seal 106. The outer edge of the electrolyte membrane is inside the refrigerant seal 106 and does not extend from the refrigerant seal 106 to the cooling manifold 105 side.

冷却マニホールド105に隣接する外周部に、冷媒シール106としてフッ素ゴムまたはシリコンゴムの液状ガスケットを設けた。液状ガスケットは、線幅1mm、高さ0.8mmのリップ状(半円形状)とした。液状ガスケットは室温乾燥によって硬化し、冷媒シールとして用いることができる。このように製作したセパレータをセパレータS1とする。   A liquid gasket made of fluorine rubber or silicon rubber was provided as a refrigerant seal 106 on the outer periphery adjacent to the cooling manifold 105. The liquid gasket had a lip shape (semicircular shape) with a line width of 1 mm and a height of 0.8 mm. The liquid gasket is cured by drying at room temperature and can be used as a refrigerant seal. The separator manufactured in this way is referred to as a separator S1.

ガスシール及び冷媒シールの別の実施形態を図2(a)(b)に示す。図2(a)は燃料ガス流路面104を有するセパレータ107とその上に形成されたガスシール103及び冷媒シール106を示している。図2(b)は図1(a)のセパレータの裏面であり、酸化剤ガス流路面109を有するセパレータ107を示している。   2A and 2B show another embodiment of the gas seal and the refrigerant seal. FIG. 2A shows a separator 107 having a fuel gas flow path surface 104 and a gas seal 103 and a refrigerant seal 106 formed thereon. FIG. 2B shows the separator 107 having the oxidant gas flow path surface 109 on the back surface of the separator of FIG.

本実施形態では、冷却水マニホールド105周りの冷却水シール106にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いた。冷却水シール106は、ディスペンサーを用いてエポキシ樹脂を線状に塗布し、塗布部を半硬化状態にするために予備熱処理を行った。処理温度は80〜90℃とした。   In this embodiment, a thermosetting resin such as an epoxy resin is used for the cooling water seal 106 around the cooling water manifold 105. The cooling water seal 106 was preliminarily heat-treated in order to apply the epoxy resin in a linear shape using a dispenser and to make the application part semi-cured. The treatment temperature was 80 to 90 ° C.

一方、ガスシール203は、セパレータ107の燃料ガス流路面104上に多角形の形状で形成した。ガスシール203の材料は、フッ素系またはシリコンゴムの液状ガスケットとした。このガスケットは室温乾燥によって硬化し、ガスシールとして用いることができる。冷却水シールが熱硬化性シール材料であるために、弾性を有するガスシールを用いることができる。   On the other hand, the gas seal 203 is formed in a polygonal shape on the fuel gas flow path surface 104 of the separator 107. The material of the gas seal 203 was a fluorine-based or silicon rubber liquid gasket. This gasket is cured by drying at room temperature and can be used as a gas seal. Since the cooling water seal is a thermosetting seal material, an elastic gas seal can be used.

酸化剤ガス流路面にはガスシールを設けていないが、燃料ガス流路面のシールよりも幅広のシールを設けても良い。このようにすれば、燃料ガス流路面に形成したガスシールの凸部の位置が若干ずれても、酸化剤ガス流路面のガスシール面から外れてしまうことがなくなる。以上で説明したシール構造を有するセパレータをセパレータS2とする。   Although the gas seal is not provided on the oxidant gas flow path surface, a seal wider than the seal on the fuel gas flow path surface may be provided. In this way, even if the position of the convex portion of the gas seal formed on the fuel gas flow path surface is slightly shifted, the oxidant gas flow path surface is not deviated from the gas seal surface. The separator having the seal structure described above is referred to as a separator S2.

このような二種類のセパレータS1、S2を準備した後、2枚のセパレータS1あるいは2枚のセパレータS2の間にMEAを挿入し、図4に示す構造の発電セルを組み立てた。なお、セパレータS2を用いた場合には、エポキシ樹脂の本硬化のための熱処理を行い、セパレータ同士を接合した。   After preparing these two types of separators S1 and S2, the MEA was inserted between the two separators S1 or the two separators S2, and the power generation cell having the structure shown in FIG. 4 was assembled. In addition, when separator S2 was used, the heat processing for the main hardening of an epoxy resin was performed, and separators were joined.

次に、冷却水流路を有するセパレータからなる冷却セルの構成を説明する。   Next, the structure of the cooling cell which consists of a separator which has a cooling water flow path is demonstrated.

図3(a)(b)は、冷却セルを構成するセパレータ面を示している。これらセパレータ面が対向することで冷却セルが作られる。図3(a)の冷却セルセパレータ307は冷却水流路が有しており、図3(b)は図3(a)の裏面であり、冷却水流路を有しない平坦面になっている。   FIGS. 3A and 3B show the separator surfaces constituting the cooling cell. A cooling cell is made by these separator surfaces facing each other. The cooling cell separator 307 of FIG. 3A has a cooling water flow path, and FIG. 3B is the back surface of FIG. 3A, which is a flat surface having no cooling water flow path.

冷却水は冷却セルセパレータ307にそれぞれ2つある冷却マニホールド305のいずれか一方から供給され、冷却水流路303を通過した後に他方の冷却水マニホールド305から排出される。冷却セルセパレータ307は、図1(a)に示すセパレータ107の燃料ガス流路面104の裏面あるいは図1(b)に示すセパレータ107の酸化剤ガス流路面109の裏面に形成する。   The cooling water is supplied from either one of the two cooling manifolds 305 to the cooling cell separator 307, passes through the cooling water passage 303, and is discharged from the other cooling water manifold 305. The cooling cell separator 307 is formed on the back surface of the fuel gas channel surface 104 of the separator 107 shown in FIG. 1A or on the back surface of the oxidant gas channel surface 109 of the separator 107 shown in FIG.

冷却セルと発電セルを組み合わせたコンパクトなセル構造は、以下に説明するような構造にすることが好ましい。なお、冷却セルは、以下のような2種類のセパレータを組み合わせて作ることもできる。   The compact cell structure combining the cooling cell and the power generation cell is preferably a structure as described below. The cooling cell can also be made by combining the following two types of separators.

1つは、図1(b)の酸化剤ガス流路面109の背面に図3(b)の平坦面としたセパレータを用意する。なお、これをセパレータAとする。   One is to prepare a separator having a flat surface in FIG. 3B on the back surface of the oxidant gas flow path surface 109 in FIG. This is referred to as separator A.

1つは、図1(a)の燃料ガス流路面109の背面に図3(a)の冷却水流路面を持つセパレータBを用意する。   One is to prepare a separator B having the cooling water flow path surface of FIG. 3A on the back surface of the fuel gas flow path surface 109 of FIG.

冷却セルセパレータの平坦面と冷却水流路面を対向させると、冷却セルを構成することができる。   When the flat surface of the cooling cell separator is opposed to the cooling water flow path surface, the cooling cell can be configured.

発電セルの燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流路面の裏面に冷却セルを設置することで、冷却水流路303を通過している間に隣接する発電セルの燃料ガス流路面の背面あるいは酸化剤ガス流路面の背面から余分な熱を除去することができる。   By installing the cooling cell on the back surface of the fuel gas or oxidant gas flow path of the power generation cell, the back surface of the fuel gas flow path surface of the adjacent power generation cell or the oxidant gas flow while passing through the cooling water flow path 303. Excess heat can be removed from the back of the road surface.

冷却水流路303は、セパレータ面内のリブ(凸部)304によって区切られている。このリブ(凸部)304を通して図面に垂直の方向に電気が流れ、各発電セルが同時に発電できるようにしている。   The cooling water channel 303 is delimited by ribs (convex portions) 304 in the separator surface. Electricity flows in the direction perpendicular to the drawing through the ribs (convex portions) 304 so that each power generation cell can generate power simultaneously.

冷却セルセパレータ307の冷媒シール306は、冷却水流路303の外周部全体、冷却マニホールド305を囲うように設け、冷却水が外部に漏れないようにしている。冷却セルでは、電解質膜のシール(ガスシール)を考える必要がないため、図3(a)に示したように、冷却水流路面全体を同じシールで製作することができる。すなわち、燃料および酸化剤はこの冷却セルを通過するだけなので、燃料ガスマニホールド301と酸化剤ガスマニホールド302の周囲に冷媒シールと同じ材料で、ガスシールが形成しても問題がない。   The refrigerant seal 306 of the cooling cell separator 307 is provided so as to surround the entire outer periphery of the cooling water flow path 303 and the cooling manifold 305 so that the cooling water does not leak to the outside. In the cooling cell, it is not necessary to consider a seal (gas seal) of the electrolyte membrane, and therefore, the entire cooling water flow path surface can be manufactured with the same seal as shown in FIG. That is, since the fuel and the oxidant only pass through the cooling cell, there is no problem even if a gas seal is formed around the fuel gas manifold 301 and the oxidant gas manifold 302 with the same material as the refrigerant seal.

次に発電セルの構成について、図4を用いて説明する。   Next, the configuration of the power generation cell will be described with reference to FIG.

図4は、酸化剤ガス流路面を有するセパレータ407と燃料ガス流路面を有するセパレータ401を組み合わせた発電セルの断面形状の一例である。図4において、各セパレータの背面の形状はガスの流路であっても良いし、冷却水の流路であっても良いので、背面の形状は省略した。   FIG. 4 is an example of a cross-sectional shape of a power generation cell in which a separator 407 having an oxidant gas flow path surface and a separator 401 having a fuel gas flow path surface are combined. In FIG. 4, the shape of the back surface of each separator may be a gas flow path or a cooling water flow path, and therefore the shape of the back surface is omitted.

これらのセパレータの間に、電極層とガス拡散層からなる電極403と電解質膜402を一体化したMEAが挿入されている。   An MEA in which an electrode 403 composed of an electrode layer and a gas diffusion layer and an electrolyte membrane 402 are integrated is inserted between these separators.

セパレータ401は図1(a)に示した燃料ガス流路面104、ガスシール103及び冷却水シール106を有している。セパレータ407は、図1(b)に示すように酸化剤ガス流路面109とガスシール103を有している。燃料ガス流路面104を有するセパレータ401上の冷媒シール406は、対向するセパレータ407の冷却水マニホールド405の周囲にある平坦部に圧着または接着される。   The separator 401 has the fuel gas flow path surface 104, the gas seal 103, and the cooling water seal 106 shown in FIG. The separator 407 has an oxidant gas flow path surface 109 and a gas seal 103 as shown in FIG. The refrigerant seal 406 on the separator 401 having the fuel gas flow path surface 104 is pressure-bonded or bonded to a flat portion around the cooling water manifold 405 of the opposing separator 407.

このため、冷媒シール406の高さはガスシール403の一個分の厚さの2倍以上とし、2枚のセパレータが密着されたときに、冷却マニホールド405の周囲が冷却水シール406で囲われるようにした。このようにして、冷却水の漏洩を防止した。   Therefore, the height of the refrigerant seal 406 is at least twice the thickness of one gas seal 403 so that the cooling manifold 405 is surrounded by the cooling water seal 406 when the two separators are brought into close contact with each other. I made it. In this way, leakage of cooling water was prevented.

なお、セパレータが密着状態のときには、図4に示した冷媒シール406のように、冷媒シール406の高さがガスシール404の厚さの2倍とMEAの厚さの和になる。   When the separator is in close contact, the height of the refrigerant seal 406 is the sum of the thickness of the gas seal 404 and the thickness of the MEA, like the refrigerant seal 406 shown in FIG.

ガスシール404は電解質膜の外縁を圧着するように、セパレータ401、407の上、電極403よりも外側に設けられている。なお、電極403は、図1(a)(b)に示すガスシールの開口部に存在し、セパレータ401またはセパレータ407のガス流路面に接する形状になっている。   The gas seal 404 is provided on the separators 401 and 407 and outside the electrode 403 so as to crimp the outer edge of the electrolyte membrane. Note that the electrode 403 exists in the opening of the gas seal shown in FIGS. 1A and 1B and is in contact with the gas flow path surface of the separator 401 or the separator 407.

冷却マニホールド405は、ガスシール404および電解質膜402の端部よりも外側の位置を貫通している。冷却マニホールド405の周囲には冷媒シール406が設けられている。これによって、MEA側への漏水や不純物漏洩が抑制されている。   The cooling manifold 405 passes through positions outside the ends of the gas seal 404 and the electrolyte membrane 402. A refrigerant seal 406 is provided around the cooling manifold 405. Thereby, water leakage and impurity leakage to the MEA side are suppressed.

また、電解質膜402の外縁が冷媒シール406より内側にあるため、電解質膜が冷却水の不純物により汚染されることがなく、2枚のセパレータ401、407の間隙にしっかりと固定されているため、冷媒シール406の破損、剥離が起こりにくい。その結果、長期の発電後においてもシールからの不純物の漏洩を抑制することができる。   In addition, since the outer edge of the electrolyte membrane 402 is inside the refrigerant seal 406, the electrolyte membrane is not contaminated by impurities of the cooling water, and is firmly fixed in the gap between the two separators 401 and 407. The refrigerant seal 406 is not easily damaged or peeled off. As a result, leakage of impurities from the seal can be suppressed even after long-term power generation.

冷媒シール406は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂をセパレータ上に塗布、形成後に、熱処理を行うことで形成することができる。セパレータ材料や電解質膜の熱酸化を防止するために、セパレータ等が酸化されない温度で硬化されるシール材を選択することが望ましい。すなわち、フッ素系電解質膜が酸化されない低温帯(80〜90℃)で硬化し始めるエポキシ樹脂、液状ガスケット(溶媒にシリコンゴム等を分散させたもの)を使うことができる。また、ガス雰囲気は不活性ガス中が酸化防止に有効であるが、製造プロセスの簡略化のために、大気中でも硬化できるシール材を選ぶのが良い。これにもエポキシ樹脂が優れている。   The refrigerant seal 406 can be formed by applying a thermosetting resin such as an epoxy resin on the separator and performing a heat treatment after the formation. In order to prevent thermal oxidation of the separator material and the electrolyte membrane, it is desirable to select a sealing material that is cured at a temperature at which the separator and the like are not oxidized. That is, it is possible to use an epoxy resin that starts to cure in a low temperature zone (80 to 90 ° C.) where the fluorine-based electrolyte membrane is not oxidized, or a liquid gasket (silicon rubber or the like dispersed in a solvent). In addition, a gas atmosphere is effective in preventing oxidation in an inert gas, but in order to simplify the manufacturing process, it is preferable to select a sealing material that can be cured in the air. Epoxy resin is also excellent for this.

冷媒シールの材料は、エポキシ樹脂のように流動性のあるものを用いる場合、ディスペンサーによる塗布法やスクリーン印刷による塗布法を採用することができる。また、流動性の低いシール材の場合は、金型を用いて高圧下でシール材をセパレータ上に形成させることも可能である。   When a material having a fluidity such as an epoxy resin is used as the material for the refrigerant seal, a coating method using a dispenser or a coating method using screen printing can be employed. In the case of a sealing material with low fluidity, it is also possible to form the sealing material on the separator using a mold under high pressure.

シール材を形成後に熱処理を行って硬化させると、2枚のセパレータ401、407が接着される。なお、シール材の最終処理工程は、熱処理でなくても、シール材が硬化されるいかなる方法であっても良い。   When the heat treatment is performed after the sealing material is formed and cured, the two separators 401 and 407 are bonded. Note that the final treatment step of the sealing material may be any method in which the sealing material is cured, not heat treatment.

発電セルのみでは電圧が1V未満と低いので、これらを直列に接続したセルスタックを考え、それに適した発電セルと冷却セルの構成を説明する。   Since the voltage of the power generation cell alone is as low as less than 1 V, a configuration of the power generation cell and the cooling cell suitable for the cell stack in which these are connected in series will be described.

典型例として、以下の(1)ないし(3)に示すようなセパレータを用いれば、数種類のセパレータからセルスタックを組み立てることができる。   As a typical example, if a separator as shown in the following (1) to (3) is used, a cell stack can be assembled from several types of separators.

(1) セパレータの「表面」を図1(b)の酸化剤ガス流路面、「裏面」を図3(b)の平坦面とする。これをセパレータAとする。   (1) The “surface” of the separator is the oxidant gas flow path surface of FIG. 1B, and the “back surface” is the flat surface of FIG. This is designated as separator A.

(2) セパレータの「表面」を図3(a)の冷却水流路面、「裏面」を図1(a)の燃料ガス流路面とする。これをセパレータBとする。   (2) The “front surface” of the separator is the cooling water flow path surface of FIG. 3A, and the “back surface” is the fuel gas flow path surface of FIG. This is designated as separator B.

(3) セパレータの「表面」を図1(b)の酸化剤ガス流路面、「裏面」を図1(a)の燃料ガス流路面とする。これをセパレータCとする。   (3) The “front surface” of the separator is the oxidant gas flow path surface of FIG. 1B, and the “back surface” is the fuel gas flow path surface of FIG. This is designated as separator C.

ここで、セパレータの表面が右側になるようにセパレータ配列を表記すると、各セパレータを1つずつ用いて、A//C//Bの構成にて直列に接続された2つのセルを作ることができる。ただし、二重斜線の//はMEAが挿入されていることを示す。   Here, when the separator arrangement is described so that the surface of the separator is on the right side, two cells connected in series with the configuration of A // C // B can be made using each separator one by one. it can. However, double-slashed // indicates that the MEA is inserted.

このセパレータ配列(A//C//B)は、右側(Cの表面)にBを追加すると、図3に示す冷却セルを作ることができ、同じ配列のユニット(A//C//B)を繰り返しつなげることができる。よって、この単位ユニットを用いれば、セル数を増加させることができる。   This separator arrangement (A // C // B) can be made the cooling cell shown in FIG. 3 by adding B on the right side (surface of C). ) Can be connected repeatedly. Therefore, if this unit unit is used, the number of cells can be increased.

別の形態は、図5に示すように、本発明の発電セル(図4)と冷却セル(図3)を組み合わせたセルスタックである。   Another form is a cell stack combining the power generation cell (FIG. 4) and the cooling cell (FIG. 3) of the present invention, as shown in FIG.

本発明の発電セル501は、拡大図にて示すように電解質膜502、燃料側と酸化剤側の触媒層503、ガス拡散層506を有する。   As shown in the enlarged view, the power generation cell 501 of the present invention includes an electrolyte membrane 502, a fuel side and oxidant side catalyst layer 503, and a gas diffusion layer 506.

ガスシール550、551は電解質膜502の一部を加圧し、ガスの漏洩を防止している。冷媒シール505は、電解質膜502の外側に形成され、冷却マニホールド(図5では省略)の外周をシールしている。冷却セル508は2つの発電セル501毎に設置され、発電セル501のセパレータ504の背面から熱を除去できるように配置されている。このように複数の発電セル501、冷却セル508の積層体の外側に集電板513、514を置き、さらに絶縁板507、端板509を設置している。最後に、ボルト516、ばね517、ナット518により端板に荷重を加えて、積層体を固定している。   The gas seals 550 and 551 pressurize a part of the electrolyte membrane 502 to prevent gas leakage. The refrigerant seal 505 is formed outside the electrolyte membrane 502 and seals the outer periphery of the cooling manifold (not shown in FIG. 5). The cooling cell 508 is installed for every two power generation cells 501 and is arranged so that heat can be removed from the back surface of the separator 504 of the power generation cell 501. As described above, the current collector plates 513 and 514 are placed outside the stacked body of the plurality of power generation cells 501 and the cooling cells 508, and the insulating plates 507 and the end plates 509 are further installed. Finally, a load is applied to the end plate by bolts 516, springs 517, and nuts 518 to fix the laminate.

燃料ガスと酸化剤ガスを端板上に設けた燃料ガス配管用コネクター510、酸化剤ガス配管用コネクター512から供給すると、集電板513、514を経て外部電力線519から電力を取り出すことができる。この電力は、DC−DCコンバータまたはインバータ520を介して、外部に設置した負荷521に供給される。発電後のガスは、燃料ガス配管用コネクター522、酸化剤ガス配管用コネクター523から排出される。   When the fuel gas and the oxidant gas are supplied from the fuel gas pipe connector 510 and the oxidant gas pipe connector 512 provided on the end plate, electric power can be taken out from the external power line 519 through the current collecting plates 513 and 514. This electric power is supplied to a load 521 installed outside via a DC-DC converter or an inverter 520. The gas after power generation is discharged from the connector 522 for fuel gas piping and the connector 523 for oxidant gas piping.

冷却水は端板上に設けた冷却水配管用コネクター511から供給され、冷却セルを通過した後に、冷却水配管用コネクター524から電池外に排出される。通常は、この冷却水を熱交換器にて放熱させた後に、冷却水配管用コネクター511に再供給する方法が採られ、冷却水は循環水として使われることが一般的である。   The cooling water is supplied from a cooling water pipe connector 511 provided on the end plate, and after passing through the cooling cell, is discharged from the cooling water pipe connector 524 to the outside of the battery. In general, after the cooling water is radiated by a heat exchanger, the cooling water is re-supplied to the cooling water pipe connector 511, and the cooling water is generally used as circulating water.

本発明のセルスタックの構成によると、水にエチレングリコール等の低融点物質を添加した冷却水を用いても、図1(a)に示す冷媒シール106にて低融点物質のセルへの漏洩を防止することができる。その結果、低融点物質が電極や電解質膜の劣化をもたらす不純物として働く物質であっても、電極等との接触をほぼ完全に抑制して、長期間の高出力を維持することができるようになる。   According to the configuration of the cell stack of the present invention, even if cooling water in which a low melting point material such as ethylene glycol is added to water is used, the refrigerant seal 106 shown in FIG. Can be prevented. As a result, even if the low melting point substance is a substance that acts as an impurity that causes deterioration of the electrode or the electrolyte membrane, contact with the electrode etc. can be almost completely suppressed, and high output for a long time can be maintained. Become.

なお、寒冷地向けの燃料電池には、凝固点が寒冷地温度よりも低ければ良いので、水に第二成分(エチレングリコールなどのアルコール類)を添加した液体、あるいは第二成分そのもの(無水物)を用いても良い。   For fuel cells for cold districts, the freezing point should be lower than the cold district temperature, so a liquid in which a second component (alcohol such as ethylene glycol) is added to water, or the second component itself (anhydride) May be used.

(a)はセパレータの燃料ガス流路面側とシール構造の一例を示し、(b)は酸化剤ガス流路面側とシール構造の一例を示す平面図。(A) shows an example of the fuel gas flow path surface side of the separator and a seal structure, and (b) is a plan view showing an example of the oxidant gas flow path surface side and the seal structure. (a)はセパレータの燃料ガス流路面側とシール構造の別の例を示し、(b)は酸化剤ガス流路面側とシール構造の別の例を示す平面図。(A) shows the fuel gas channel surface side of the separator and another example of the seal structure, and (b) is a plan view showing another example of the oxidant gas channel surface side and the seal structure. (a)は冷却水流路を有するセパレータを示し、(b)はその背面を示す平面図。(A) shows the separator which has a cooling water flow path, (b) is a top view which shows the back surface. 本発明の一実施例による発電セルの断面図。1 is a cross-sectional view of a power generation cell according to an embodiment of the present invention. 本発明の発電セルを複数個積層したセルスタックの概略構成図。The schematic block diagram of the cell stack which laminated | stacked several power generation cells of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101…燃料ガスマニホールド、102…酸化剤ガスマニホールド、103…ガスシール、104…燃料ガス流路面、105…冷却マニホールド、106…冷媒シール、107…セパレータ、109…酸化剤ガス流路面、203…ガスシール、301…燃料ガスマニホールド、302…酸化剤ガスマニホールド、303…冷却水流路、304…リブ(凸部)、305…冷却マニホールド、306…冷媒シール、307…冷却セルセパレータ、401…セパレータ、402…電解質膜、403…電極層とガス拡散層の積層体、404…ガスシール、405…冷却マニホールド、406…冷媒シール、407…セパレータ、501…発電セル、502…電解質膜、503…触媒層、504…セパレータ、505…冷媒シール、506…ガス拡散層、507…絶縁板、508…冷却セル、509…端板、510…燃料ガス配管用コネクター、511…冷却水配管用コネクター、512…酸化剤ガス配管用コネクター、513…集電板、514…集電板、516…ボルト、517…ばね、518…ナット、519…外部電力線、520…DC−DCコンバータまたはインバータ、521…外部に設置した負荷、522…燃料ガス配管用コネクター、523…酸化剤ガス配管用コネクター、524…冷却水配管用コネクター、550…ガスシール、551…ガスシール。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Fuel gas manifold, 102 ... Oxidant gas manifold, 103 ... Gas seal, 104 ... Fuel gas flow path surface, 105 ... Cooling manifold, 106 ... Refrigerant seal, 107 ... Separator, 109 ... Oxidant gas flow path surface, 203 ... Gas Seal: 301 ... Fuel gas manifold, 302 ... Oxidant gas manifold, 303 ... Cooling water flow path, 304 ... Rib (convex part), 305 ... Cooling manifold, 306 ... Refrigerant seal, 307 ... Cooling cell separator, 401 ... Separator, 402 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Electrolyte membrane, 403 ... Laminated body of electrode layer and gas diffusion layer, 404 ... Gas seal, 405 ... Cooling manifold, 406 ... Refrigerant seal, 407 ... Separator, 501 ... Power generation cell, 502 ... Electrolyte membrane, 503 ... Catalyst layer, 504 ... Separator, 505 ... Refrigerant seal, 506 ... Gas diffusion layer 507 ... Insulating plate, 508 ... Cooling cell, 509 ... End plate, 510 ... Connector for fuel gas piping, 511 ... Connector for cooling water piping, 512 ... Connector for oxidant gas piping, 513 ... Current collector plate, 514 ... Current collector Plate, 516 ... Bolt, 517 ... Spring, 518 ... Nut, 519 ... External power line, 520 ... DC-DC converter or inverter, 521 ... Load installed outside, 522 ... Connector for fuel gas piping, 523 ... Oxidant gas piping Connector, 524 ... Connector for cooling water piping, 550 ... Gas seal, 551 ... Gas seal.

Claims (14)

冷媒を通す冷却マニホールドとガスを通すガスマニホールドとを有する一対のセパレータの間に、固体高分子電解質膜と電極を挟持した構成のセルを具備する固体高分子形燃料電池において、前記セパレータのガス流路面を周回するガスシールと前記冷却マニホールドの周囲を周回する冷媒シールとを備え、前記冷媒シールが前記固体高分子電解質膜の外縁より外に設けられ、電解質膜が冷媒に直接触れない構造になっていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。   In a polymer electrolyte fuel cell comprising a cell having a structure in which a solid polymer electrolyte membrane and an electrode are sandwiched between a pair of separators each having a cooling manifold through which a refrigerant passes and a gas manifold through which gas passes, the gas flow of the separator A gas seal that circulates around the road surface and a refrigerant seal that circulates around the cooling manifold, wherein the refrigerant seal is provided outside the outer edge of the solid polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane does not directly contact the refrigerant. A polymer electrolyte fuel cell characterized by comprising: 前記ガスシールが前記固体高分子電解質膜の面内に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the gas seal is provided in a plane of the solid polymer electrolyte membrane. 前記ガスシールと前記冷媒シールとが非接触で設けられていることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the gas seal and the refrigerant seal are provided in a non-contact manner. 前記ガスシールが前記セパレータに接着されていることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the gas seal is bonded to the separator. 前記ガスシールに突起部を有し、この突起部が前記固体高分子電解質膜に接していることを特徴とする請求項2に記載の固体高分子形燃料電池。   3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the gas seal has a protrusion, and the protrusion is in contact with the solid polymer electrolyte membrane. 前記ガスシールの前記突起部の先端が平坦な面になっていることを特徴とする請求項5に記載の固体高分子形燃料電池。   6. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein a tip of the projection of the gas seal is a flat surface. 前記冷媒シールが弾性体よりなり、前記ガスシールが非弾性体よりなることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the refrigerant seal is made of an elastic material, and the gas seal is made of an inelastic material. 前記冷媒シールが熱硬化性材料よりなり、前記ガスシールがゴムよりなることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the refrigerant seal is made of a thermosetting material, and the gas seal is made of rubber. 前記冷媒シールが非弾性体よりなり、前記ガスシールが弾性体よりなることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the refrigerant seal is made of an inelastic material, and the gas seal is made of an elastic material. 前記冷媒シールがゴムよりなり、前記ガスシールが熱硬化性材料よりなることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the refrigerant seal is made of rubber, and the gas seal is made of a thermosetting material. 前記ガスシールが絶縁性を有するシートであり、前記固体高分子電解質膜により圧着されていることを特徴とする請求項2に記載の固体高分子形燃料電池。   3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the gas seal is a sheet having an insulating property and is pressure-bonded by the solid polymer electrolyte membrane. 前記ガスシールの前記固体高分子電解質膜により圧着される面が平滑な面になっていることを特徴とする請求項11に記載の固体高分子形燃料電池。   12. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 11, wherein a surface of the gas seal that is pressure-bonded by the solid polymer electrolyte membrane is a smooth surface. 前記冷媒シールによりセパレータ間が接合されていることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein separators are joined by the refrigerant seal. 請求項1〜13のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池を搭載した発電システム。   A power generation system on which the polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 13 is mounted.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9472824B2 (en) 2012-12-28 2016-10-18 Hyundai Motor Company Fuel cell stack
JP2019091535A (en) * 2017-11-10 2019-06-13 トヨタ自動車株式会社 Method of manufacturing fuel cell separator

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