JP2009211977A - Fuel cell and cell unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池、および、電池ユニットに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a battery unit.
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する2つの電極(燃料極と酸素極)にそれぞれ反応ガス(水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス)を供給して電気化学反応を行うことにより、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の膜電極接合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly )を含む積層体とセパレータとを交互に積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが知られている。 In a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, a reactive gas (a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen) is respectively applied to two electrodes (a fuel electrode and an oxygen electrode) facing each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying and performing an electrochemical reaction, the chemical energy of the substance is directly converted into electrical energy. The main structure of such a fuel cell is a so-called stack structure in which a laminate including a substantially flat membrane electrode assembly (MEA) and a separator are alternately laminated and fastened in the lamination direction. It has been known.
ところで、上記スタック構造の燃料電池として、膜電極接合体の端部にシール部材を接合する技術が知られている(例えば、特許文献1)。また、セパレータとガス拡散層とシール部材とを一体成形する技術が知られている(例えば、特許文献2)。これらの技術では、このシール部材により、燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体の混合や、外部への漏洩を抑制している。 By the way, as a fuel cell having the above-described stack structure, a technique for joining a seal member to an end portion of a membrane electrode assembly is known (for example, Patent Document 1). Further, a technique for integrally forming a separator, a gas diffusion layer, and a seal member is known (for example, Patent Document 2). In these technologies, mixing of fuel gas, oxidizing gas, and cooling medium and leakage to the outside are suppressed by this seal member.
しかしながら、上記従来技術では、燃料電池スタックの組み付け性や分解性が十分に容易であるとは言えなかった。例えば、組み付けの際には、膜電極接合体の端部にシール部材を一体成形する技術では、セパレータと、膜電極接合体を交互に積層する必要があった。 However, in the above prior art, it cannot be said that assembly and disassembly of the fuel cell stack are sufficiently easy. For example, when assembling, in the technique of integrally forming the seal member at the end of the membrane electrode assembly, it is necessary to alternately stack separators and membrane electrode assemblies.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、スタック構造の燃料電池の組み付け性および/または分解性を向上することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the assembling property and / or the decomposing property of a fuel cell having a stack structure.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。 The present invention can be realized as the following forms or application examples in order to solve at least a part of the above-described problems.
[適用例1]積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池であって、
前記電池ユニットは、
セパレータと、
前記セパレータ上の第1の領域に配置され、電解質膜と2つの電極層を含む積層構造と、
シール部材と、
を備え、
前記シール部材は、
前記セパレータにおける前記第1の領域を囲む第2の領域に接着していると共に前記積層構造の端部と一体とされた端部シール部と、
前記端部シール部の上面に形成されたシール用リブと、
前記端部シール部の上面に形成され、前記シール用リブの外側と内側の少なくとも一方に配置された凸状部と、
を有する、燃料電池。
こうすれば、セパレータとシール部材と積層構造とが一体となった電池ユニットを積層することにより燃料電池を構成できるので、燃料電池の組み付け性を向上することができる。また、凸状部を配置することにより、電池ユニット間の短絡を抑制することができる。
Application Example 1 A fuel cell including a plurality of stacked battery units,
The battery unit is
A separator;
A laminated structure disposed in a first region on the separator and including an electrolyte membrane and two electrode layers;
A sealing member;
With
The sealing member is
An end seal portion bonded to a second region surrounding the first region of the separator and integrated with an end portion of the laminated structure;
A sealing rib formed on the upper surface of the end seal portion;
A convex portion formed on the upper surface of the end seal portion and disposed on at least one of the outer side and the inner side of the sealing rib;
A fuel cell.
By so doing, the fuel cell can be configured by stacking the battery unit in which the separator, the seal member, and the stacked structure are integrated, so that the assembly of the fuel cell can be improved. Moreover, the short circuit between battery units can be suppressed by arrange | positioning a convex-shaped part.
[適用例2]請求項1に記載の燃料電池において、
前記シール用リブは、前記積層構造を囲むように配置され、
前記凸状部は、前記シール用リブの外側に配置されている、燃料電池。
Application Example 2 In the fuel cell according to claim 1,
The sealing rib is disposed so as to surround the laminated structure,
The said convex-shaped part is a fuel cell arrange | positioned on the outer side of the said rib for sealing.
[適用例3]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池において、
前記凸状部の積層方向の高さは、前記シール用リブの積層方向の高さより低い、燃料電池。
こうすれば、凸状部がシール用リブのシール性を妨げることを抑制できる。
[Application Example 3]
In the fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2,
The height of the convex part in the stacking direction is a fuel cell lower than the height of the sealing rib in the stacking direction.
If it carries out like this, it can suppress that a convex-shaped part disturbs the sealing performance of the rib for sealing.
[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれかに記載の燃料電池において、
前記端部シール部と前記第2の領域とが、燃料電池の運転中に想定される流体の圧力によるずれが生じない結合力で接着されている、燃料電池。
こうすれば、シール性の確保のために必要な燃料電池を積層方向に締結する締結力を低減することができる。
[Application Example 4] In the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 3,
The fuel cell, wherein the end seal portion and the second region are bonded with a bonding force that does not cause a displacement due to a fluid pressure assumed during operation of the fuel cell.
If it carries out like this, the fastening force which fastens a fuel cell required for ensuring sealing performance in a lamination direction can be reduced.
[適用例5]適用例1ないし適用例4のいずれかに記載の燃料電池において、
前記積層構造は、さらに、前記電解質膜の両面に前記電極層を挟んで配置されるガス拡散層を含む、燃料電池。
こうすれば、ガス拡散層を電池ユニットに一体化できるので、より組み付け性が向上する。
[Application Example 5] In the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 4,
The laminated structure further includes a gas diffusion layer disposed on both surfaces of the electrolyte membrane with the electrode layer interposed therebetween.
In this way, the gas diffusion layer can be integrated with the battery unit, so that the assemblability is further improved.
[適用例6]
適用例5に記載の燃料電池において、
前記積層構造は、さらに、前記電解質膜の両面に前記電極層と前記拡散層とを挟んで配置される多孔体を含む、燃料電池。
こうすれば、多孔体を電池ユニットに一体化できるので、より組み付け性が向上する。
[Application Example 6]
In the fuel cell according to Application Example 5,
The laminated structure further includes a porous body disposed on both surfaces of the electrolyte membrane with the electrode layer and the diffusion layer interposed therebetween.
In this way, the porous body can be integrated with the battery unit, so that the assemblability is further improved.
さらに、本発明は、様々な他の態様で実現することができる。例えば、本発明は、上記燃料電池を搭載した車両、上記燃料電池を動力源として移動する移動体などの装置発明、電池ユニットの製造方法、積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池の製造方法などの方法発明として実現することができる。 Furthermore, the present invention can be implemented in various other ways. For example, the present invention relates to a vehicle equipped with the fuel cell, a device invention such as a moving body that moves using the fuel cell as a power source, a method for manufacturing a battery unit, and a method for manufacturing a fuel cell including a plurality of stacked cell units. It can be realized as a method invention.
A.第1実施例:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す説明図である。燃料電池100は、電池ユニット200が複数個積層された構造を有している。燃料電池100は、電池ユニット200を所定枚数積層し、積層された電池ユニット200を積層方向に所定の締結力を負荷するように締結することにより、製造される。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell as one embodiment of the present invention. The
燃料電池100には、酸化ガスが供給される酸化ガス供給マニホールド110と、酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド120と、燃料ガスが供給される燃料ガス供給マニホールド130と、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド140と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールド150と、冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド160と、が設けられている。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。
The
図2は、電池ユニット200の正面図である。図3は、図2におけるA−A断面を示す図である。電池ユニット200は、セパレータ600と、積層構造800と、シール部材700を含む。
FIG. 2 is a front view of the
積層構造800は、MEA(Membrane Electrode Assembly)810と、MEA810のアノード側の面に接して配置されたアノード側拡散層820と、MEA810のカソード側の面に接して配置されたカソード側拡散層830と、アノード側多孔体840と、カソード側多孔体850と、から構成されている。アノード側多孔体840は、MEA810のアノード側にアノード側拡散層820を挟んで配置され、カソード側多孔体850は、MEA810のカソード側にカソード側拡散層830を挟んで配置されている。カソード側多孔体850は、セパレータ600に接触している。アノード側多孔体840は、複数の電池ユニット200を積層して燃料電池100を構成した際に、他の電池ユニット200のセパレータ600のアノードプレート300側の面に接触する。
The laminated
MEA810は、例えばフッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有する電解質膜と、その両側の表面に塗布された電極層(アノードおよびカソード)とから構成されている。電極層は、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を含む触媒層である。 The MEA 810 is composed of, for example, an electrolyte membrane made of a fluorine-based resin material or a hydrocarbon-based resin material and having good ionic conductivity in a wet state, and electrode layers (anode and cathode) applied to both surfaces thereof. ing. The electrode layer is, for example, a catalyst layer containing platinum or an alloy made of platinum and another metal.
アノード側拡散層820およびカソード側拡散層830は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。
The anode
アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850は、上述したアノード側拡散層820およびカソード側拡散層830より空孔率が高く、内部におけるガスの流動抵抗がアノード側拡散層820およびカソード側拡散層830より低いものが用いられ、後述するように反応ガスが流動するための流路として機能する。
The anode side
セパレータ600は、アノードプレート300と、カソードプレート400と、中間プレート500から構成されている。
The
図4は、カソードプレート400の形状を示す図である。カソードプレート400の中央部に破線で示す領域DAは、電池ユニット200において、上述した積層構造800が配置される領域(以下、発電領域DAという。)である。カソードプレート400上において、発電領域DAの全周を囲む領域RAは、シール部材700が接着される領域(以下、シール領域RAという。)である。図4において、シール領域RAは、ハッチングで示されている。
FIG. 4 is a diagram showing the shape of the
カソードプレート400は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート400は、6個のマニホールド形成部422〜432と、酸化ガス供給スリット440と、酸化ガス排出スリット444と、を備えている。マニホールド形成部422〜432は、燃料電池100を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、発電領域DAの外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット440は、発電領域DAの端部(図4における上端部)に配置されている。酸化ガス排出スリット444は、発電領域DAの端部(図4における下端部)に、並んで配置されている。
The
図5は、アノードプレート300の形状を示す図である。図4と同様に、図5において、アノードプレート300の中央部には、電池ユニット200において、上述した積層構造800が配置される発電領域DAが図示されている。アノードプレート300は、カソードプレート400同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。アノードプレート300は、カソードプレート400同様、6個のマニホールド形成部322〜332と、燃料ガス供給スリット350と、燃料ガス排出スリット354と、を備えている。マニホールド形成部322〜332は、燃料電池100を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート400と同様に、発電領域DAの外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット350は、発電領域DAの端部(図5における下端部)に、セパレータ600を構成した際にカソードプレート400における上述した酸化ガス排出スリット444と重ならないように配置されている。燃料ガス排出スリット354は、発電領域DAの端部(図5における上端部)に、セパレータ600を構成した際にカソードプレート400における上述した酸化ガス供給スリット440と重ならないように配置されている。
FIG. 5 is a diagram showing the shape of the
図6は、中間プレート500の形状を示す図である。中間プレート500は、上述の各プレート300、400同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。中間プレート500は、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス(酸化ガスまたは燃料ガス)を供給/排出のための4つのマニホールド形成部522〜528と、供給流路形成部542、546および排出流路形成部544、548を備えている。中間プレート500は、さらに、複数の冷却媒体流路形成部550を備えている。マニホールド形成部522〜528は、燃料電池100を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート400、アノードプレート300と同様に、発電領域DAの外側にそれぞれ設けられている。
FIG. 6 is a diagram illustrating the shape of the
各冷却媒体流路形成部550は、発電領域DAを図6における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、発電領域DAの外側に至っている。冷却媒体流路形成部550は、図6における上下方向に、所定間隔をあけて並設されている。
Each cooling medium flow
反応ガスの供給流路形成部542、546と排出流路形成部544、548は、それぞれ対応するマニホールド形成部522〜528と一端が連通している。これらの流路形成部542〜548の他端は、3つのプレートを接合した際に、それぞれ対応するガス供給/排出スリット350、354、440、444と連通する。
Reactive gas supply flow
図7は、セパレータ600の正面図である。セパレータ600は、上述したアノードプレート300およびカソードプレート400を、中間プレート500を挟持するように中間プレート500の両側にそれぞれ接合し、中間プレート500における冷却媒体供給マニホールド150および冷却媒体排出マニホールド160に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。3枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。この結果、図7においてハッチングで示す貫通部である6つのマニホールド110〜160と、酸化ガス供給流路650と、酸化ガス排出流路660と、燃料ガス供給流路630と、燃料ガス排出流路640と、冷却媒体流路670とを備えたセパレータ600が作製される。
FIG. 7 is a front view of the
図2および図3に示すように、上述したセパレータ600のカソードプレート400側の面におけるシール領域RAにシール部材700が配置されている。シール部材700は、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーなどの弾性材料により形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。
As shown in FIGS. 2 and 3, a
シール部材700は、支持部710と、シール用リブ720と、短絡抑制リブ730を備えている。シール用リブ720および短絡抑制リブ730は、支持部710の上部に形成されている。
The
シール部材700の支持部710は、上述したシール領域RAの全体に接触している。支持部710とカソードプレート400の面との接触面SU(図2:太線)は、所定の結合力で接着されている。
The
ここで所定の結合力は、電池ユニット200が積層方向に締結されていない状態、すなわち、積層方向の負荷がかけられていない状態における結合力である。所定の結合力は、図2において矢印で示すように燃料電池の運転中に想定される流体の圧力がシール部材700に負荷された場合に、シール部材700がカソードプレート400の面に対して、接触面SUに沿った方向にずれない結合力である。燃料電池の運転中に想定される流体の圧力としては、マニホールド110〜160内における燃料ガス圧、酸化ガス圧、冷却媒体の圧力、および、カソード側拡散層830およびカソード側多孔体850に供給された酸化ガスの圧力、アノード側拡散層820およびアノード側多孔体840に供給された燃料ガスの圧力がある。
Here, the predetermined bonding force is a bonding force in a state where the
所定の結合力は、想定される最大の流体の圧力を基準に決定されることが好ましい。例えば、燃料電池が高負荷で運転されているときほど、酸化ガス、燃料ガス、冷却媒体ともに圧力が大きくなる。また、流体が流動すると、圧力損失が発生するので、流動経路の上流側(入口側)のほうが、下流側(出口側)より圧力が高い。また、酸化ガスに空気を使用する場合は、電気化学反応に用いられる酸素は空気内に約20%しか含まれていないことから、十分な酸素をカソードに供給するために酸化ガスを高圧で供給する場合が多い。さらに、酸化ガスの流れを利用して生成水を外部に排出しようとする場合にも、効率良く生成水を排出するために酸化ガスを高圧で供給する場合が多い。したがって、かかる場合には、高負荷運転時における酸化ガスの流動経路の上流側(酸化ガス供給マニホールド110近傍)の圧力を基準として、かかる圧力に対してずれが生じないように接触面SUの結合力が決定される。 The predetermined binding force is preferably determined based on the maximum fluid pressure assumed. For example, the pressure of the oxidizing gas, the fuel gas, and the cooling medium increases as the fuel cell is operated at a higher load. Further, when the fluid flows, pressure loss occurs, so that the pressure on the upstream side (inlet side) of the flow path is higher than that on the downstream side (outlet side). When air is used as the oxidizing gas, only about 20% of the oxygen used in the electrochemical reaction is contained in the air, so the oxidizing gas is supplied at a high pressure to supply sufficient oxygen to the cathode. There are many cases to do. Further, when the generated water is to be discharged outside using the flow of the oxidizing gas, the oxidizing gas is often supplied at a high pressure in order to efficiently discharge the generated water. Therefore, in such a case, the contact surface SU is coupled so that there is no deviation with respect to the pressure on the upstream side (near the oxidizing gas supply manifold 110) of the oxidizing gas flow path during high load operation. The power is determined.
具体的には、接触面SUの結合力は、シールラインの単位長さあたり0.01N/mm(ニュートン毎ミリメートル)以上であることが好ましく、0.6N/mm以上であることがさらに好ましい。 Specifically, the bonding force of the contact surface SU is preferably 0.01 N / mm (Newtons per millimeter) or more, more preferably 0.6 N / mm or more per unit length of the seal line.
支持部710は、符号BBで示すように、積層構造800の端部に含浸して一体化されている。これにより、積層構造800の端部において、MEA810のカソード側からアノード側への、あるいは、アノード側からカソード側への反応ガスの漏洩が抑制される。
The
シール用リブ720は、図2に示すように、積層構造800、各マニホールド110〜160を、それぞれ囲むように形成されている。シール用リブ720は、電池ユニット200が積層され燃料電池100を構成する際に、積層方向の締結力により、他の電池ユニット200のセパレータ600のアノードプレート300と気密に接触する。
As shown in FIG. 2, the sealing
以上の説明から解るように、シール部材700は、電池ユニット200が積層され燃料電池100を構成する際、その電池ユニット200のセパレータ600との間を支持部710の接触面SUによってシールすると共に、隣接する電池ユニット200のセパレータ600との間をシール用リブ720によってシールする。これにより、燃料ガス、酸化ガス、冷却媒体の混合や外部への漏洩を抑制している。
As understood from the above description, the
短絡抑制リブ730は、支持部710の外周縁に沿って設けられている。短絡抑制リブ730は、シール用リブ720の外側に設けられている。短絡抑制リブ730は、各マニホールド110〜160の近傍では、マニホールドを囲むシール用リブ720のうちの外周縁に沿った部分に沿って設けられている。
The short-
短絡抑制リブ730の積層方向の高さは、シール用リブ720より低くされている。これにより、設計どおりに精度良く組み付けられ、各セパレータ600が互いに平行に保たれている場合、短絡抑制リブ730は上方の電池ユニット200のアノードプレート300と接触していない。短絡抑制リブ730は、シール用リブ720とアノードプレート300との間の接触圧より低い圧力で、アノードプレート300と接触していても良い。
The height of the short-
図8は、燃料電池の酸化ガスの流れを示す説明図である。図を見やすくするため、図8においては、2つの電池ユニット200が積層された様子を図示している。図8は、図7におけるB−B断面に対応する断面を示している。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the flow of the oxidizing gas in the fuel cell. In order to make the figure easy to see, FIG. 8 illustrates a state in which two
燃料電池100は、酸化ガス供給マニホールド110に酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド130に燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池100には、発電に伴う発熱による燃料電池100の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド150に冷却媒体が供給される。
The
酸化ガス供給マニホールド110に供給された酸化ガスは、図8において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド110から酸化ガス供給流路650を通って、カソード側多孔体850に供給される。酸化ガス供給流路650は、上述した中間プレート500に形成された酸化ガスの供給流路形成部542(図6)とカソードプレート400に形成された酸化ガス供給スリット440(図4)によって形成される。カソード側多孔体850に供給された酸化ガスは、酸化ガスの流路として機能するカソード側多孔体850の内部を図2における上方から下方に流動する。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出流路660を通って、酸化ガス排出マニホールド120へ排出される。酸化ガス排出流路660は、上述した中間プレート500に形成された酸化ガスの排出流路形成部544(図6)とカソードプレート400に形成された酸化ガス排出スリット444(図4)によって形成される。カソード側多孔体850を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体850に当接しているカソード側拡散層830の全体に亘って拡散し、カソード反応(例えば、2H++2e-+(1/2)O2→H2O)に供される。
The oxidant gas supplied to the oxidant
図9は、燃料電池の燃料ガスの流れを示す説明図である。図9上段は、図7における破線C−Cに対応する断面を示し、図9下段は、図7における破線D−Dに対応する断面を示している。燃料ガス供給マニホールド130に供給された燃料ガスは、図9下段において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド130から燃料ガス供給流路630を通って、アノード側多孔体840に供給される。燃料ガス供給流路630は、上述した中間プレート500に形成された燃料ガスの供給流路形成部546(図6)とアノードプレート300に形成された燃料ガス供給スリット350(図5)によって形成される。アノード側多孔体840に供給された燃料ガスは、燃料ガスの流路として機能するアノード側多孔体840の内部を図2における下方から上方に流動する。そして、燃料ガスは、燃料ガス排出流路640を通って、燃料ガス排出マニホールド140に排出される。燃料ガス排出流路640は、上述した中間プレート500に形成された燃料ガスの排出流路形成部548(図6)とアノードプレート300に形成された燃料ガス排出スリット354(図5)によって形成される。アノード側多孔体840を流動する酸化ガスの一部は、アノード側多孔体840に当接しているアノード側拡散層820の全体に亘って拡散し、アノード反応(例えば、H2→2H++2e-)に供される。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the flow of fuel gas in the fuel cell. 9 shows a cross section corresponding to the broken line CC in FIG. 7, and the lower part of FIG. 9 shows a cross section corresponding to the broken line DD in FIG. The fuel gas supplied to the fuel
冷却媒体供給マニホールド150に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド150から冷却媒体流路670に供給される。冷却媒体流路670は、図7に示すように、上述した中間プレート500に形成された冷却媒体流路形成部550(図6)によって形成され、一端が冷却媒体供給マニホールド150に、他端が冷却媒体排出マニホールド160に連通している。冷却媒体流路670に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路670の一端から他端まで流動し、冷却媒体排出マニホールド160に排出される。
The cooling medium supplied to the cooling
・電池ユニット200の製造方法:
図10は、第1実施例における電池ユニットの製造を説明するための図である。一体化成型用の成形型は、上型910と下型920を有している。下型920には、セパレータ600を配置したときに、セパレータ600の各マニホールド110〜160に嵌り込む突状部PJが形成されている。上型910には、下型920の突状部PJの上方に成形材料の投入口SHが形成されている。
-Manufacturing method of battery unit 200:
FIG. 10 is a diagram for explaining the manufacture of the battery unit in the first embodiment. The mold for integral molding has an
製造工程において、セパレータ600は、アノードプレート300側を下方に、カソードプレート400側を上方にして、下型920に配置される。下型920に配置されたセパレータ600上にカソード側多孔体850が配置される。カソード側多孔体850は、セパレータ600のカソードプレート400側の面における発電領域DAに配置される。
In the manufacturing process, the
配置されたカソード側多孔体850に重ねて、MEGA860、アノード側多孔体840が、順次に配置される。MEGA860は、上述したMEA810の両面にアノード側拡散層820およびカソード側拡散層830を予めホットプレスによって接着して一体化したものである。
The
こうして、セパレータ600の発電領域DAに、積層構造800が全て配置されると、所定の型圧で型締めし、射出成形が行われる。図10(b)は、下型920と上型910とが型締めされた状態が示されている。型締めされた状態において、カソードプレート400上のシール領域RAの上方には、シール部材700の形状を有する空間SPが形成される。この空間SPは、図10(b)に示すように、カソードプレート400の表面と、下型920および上型910の内壁面と、積層構造800(アノード側多孔体840とMEGA860とカソード側多孔体850)の端部とによって区画される。この空間SPにおいて射出成形が行われる。具体的には、シール部材700の成形材料としての液状ゴムが上述した投入口SHから空間SPに投入された後、加硫工程が行われる。
Thus, when all the
この射出成形において、成形材料が積層構造800の端部に含浸する(図2および図3の領域BB)ことにより、積層構造800とシール部材700が一体化するように、成形材料の投入圧力が制御される。また、成形材料にシランカップリング剤を添加することにより、シール部材700とセパレータ600の接触面SU(図3)の結合力が確保される。射出成形後、型開きして電池ユニット200が得られる。
In this injection molding, when the molding material is impregnated into the end of the laminated structure 800 (region BB in FIGS. 2 and 3), the injection pressure of the molding material is set so that the
以上説明した本実施例によれば、シール部材700とセパレータ600と積層構造800とが一体となった電池ユニット200を作製し、電池ユニット200を積層・締結することにより、燃料電池100を製造するので、燃料電池100の組み付け性が向上するとともに、製造工程の削減を図ることができる。
According to the present embodiment described above, the
さらに、本実施例では、シール部材700に短絡抑制リブ730が設けられているので、互いに隣り合う電池ユニット200の各セパレータ600が短絡することを抑制することができる。この結果、短絡による燃料電池の発電能力の低下を抑制することができる。
Furthermore, in the present embodiment, since the short-
図11は、比較例における燃料電池を示す図である。比較例の燃料電池は、シール部材700aに短絡抑制リブが無い点で、第1実施例における燃料電池と異なっている。その他の構成は、第1実施例と同一である。なお、図示の便宜上、冷却媒体排出マニホールド160内の先は省略されている。比較例おける燃料電池では、電池ユニット200aの一部が積層方向と垂直な方向(面方向)にずれた場合に、互いに隣り合う電池ユニット200の各セパレータ600の端部が短絡するおそれがある。特に、各マニホールドと外周端との間は、燃料電池スタックの小型化の観点から細いことが好ましい。しかしながら、この部分が細いと、剛性不足のため図11に示すようにセパレータ600の折れが生じやすく、その結果、セパレータ600間の短絡が生じやすい。
FIG. 11 is a diagram showing a fuel cell in a comparative example. The fuel cell according to the comparative example is different from the fuel cell according to the first embodiment in that the
図12は、第1実施例において電池ユニットのズレが発生した様子を示す図である。第1実施例における燃料電池100において、電池ユニット200の一部が面方向にずれた場合、比較例と同様にセパレータ600の折れが発生するが、一の電池ユニット200の短絡抑制リブ730に、その上に積層された他の電池ユニット200のセパレータ600が接触することにより、セパレータ600の折れ量が抑制される。この結果、上述したように、セパレータ600間の短絡が抑制される。
FIG. 12 is a diagram illustrating a state in which the battery unit is displaced in the first embodiment. In the
さらに、シール部材700は、剛性の高いセパレータ600に面接触してその形状を支持されているので、積層・締結時などにおけるシール部材700の変形が抑制され、精度の良い組み付けが実現される。
Further, since the
さらに、燃料電池100の積層方向の締結力を低減することができる。この結果、燃料電池100を積層方向に締結する締結部材の小型化、セパレータ600の薄肉化、および燃料電池100の超寿命化が実現される。すなわち、シール部材700とセパレータ600の接触面SUは、上述したように、積層方向に力を負荷されていない状態で、燃料電池の運転中に想定される流体の圧力に耐えられる結合力を有している。したがって、燃料電池100の積層方向の締結力は、シール部材700のずれの抑制を考慮することなく、リブ720とセパレータ600間におけるシール性を確保することさえ考慮して決定されれば良い。この結果、燃料電池100の積層方向の締結力を大幅に低減することができる。
Furthermore, the fastening force in the stacking direction of the
B.第2実施例:
図13は、第2実施例における燃料電池の構成を示す図である。上述した第1実施例における燃料電池のシール部材700は、発電領域DAおよび各マニホールドを囲むシール用リブ720の外側に短絡抑制リブ730を備えているが、第2実施例における燃料電池のシール部材700bは、マニホールドを囲むシール用リブ720bの内側に短絡抑制リブ730bを備えている。その他の構成は、第1実施例における燃料電池と同一である。
B. Second embodiment:
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the fuel cell in the second embodiment. The fuel
第2実施例の短絡抑制リブ730bは、第1実施例における短絡抑制リブ730と同様に、互いに隣接するセパレータ600間の短絡を抑制することができる。
The short-
C.第3実施例:
図14は、第3実施例における燃料電池の構成を示す図である。上述した第1実施例における燃料電池のシール部材700に設けられている短絡抑制リブ730に代えて、複数の短絡抑制突起730cが設けられている。短絡抑制突起730cは、積層方向から見て矩形形状を有している。短絡抑制突起730cは、シール用リブ720に沿って、等間隔で並んでいる。
C. Third embodiment:
FIG. 14 is a diagram showing the configuration of the fuel cell in the third embodiment. Instead of the short-
上述した第1実施例における燃料電池のシール部材700では、短絡抑制リブ730が支持部710の外周縁の全周に亘って設けられているが、第3実施例における燃料電池のシール部材700cでは、支持部710の外周縁のうち、内側にマニホールド110〜160が配置されている部分に、短絡抑制突起730cが設けられている。このように、短絡抑制リブは、必要に応じて、シール用リブ720の内側または外側の一部分に設けられていても良い。
In the fuel
D.変形例:
・第1変形例:
上記第3実施例における短絡抑制突起730cの積層方向から見た形状は、長方形であるが、これに変えて、円形であっても良いし、正方形であっても良いし、3角形、5角形などの他の多角形であっても良い。
D. Variations:
・ First modification:
In the third embodiment, the shape of the short-
・第2変形例:
上記実施例では、シール部材700にシランカップリング剤を添加することにより、シール部材700とセパレータ600との接触面SU(図5)の結合力を確保しているが、かかる接触面における結合力は、他の様々な手法によって確保しても良い。例えば、分子間力、共有結合、水素結合などの化学結合、機械的な結合などの物理結合を利用しても良い。より具体的には、化学結合としては、実施例におけるシランカップリング剤による他、プライマー処理、エポキシ系などの各種接着剤が用いられ得る。プライマー処理や接着剤は、成形材料に添加する他、セパレータ600側に塗布していても良い。物理結合としては、シール部材700とセパレータ600の接触面SUを密着させて真空とすることによる吸盤効果などを用いることができる。
・ Second modification:
In the above-described embodiment, the silane coupling agent is added to the
・第3変形例:
上記実施例では、セパレータ600のカソードプレート400側の面に積層構造800とシール部材700を一体化した電池ユニット200を用いているが、これに代えて、セパレータ600のアノードプレート300側の面に積層構造800とシール部材700を一体化しても良い。
・ Third modification:
In the above embodiment, the
・第4変形例:
上記実施例では、射出成形によってシール部材700を形成しているが、これに代えて、圧縮成形によってシール部材700を形成しても良い。例えば、成形型の空間SPに固形の未加硫ゴムを充填し、成形型を型締めして加熱することにより、形状を成形することと加硫を同時に行う熱加硫圧縮成形などが用いられ得る。
-Fourth modification:
In the above embodiment, the
・第5変形例:
上記各実施例では、セパレータ600は3層の金属板を積層した構成であり、その発電領域DAに対応する部分が平坦な形状であるとしているが、セパレータ600の構成は他の任意の構成、形状とすることが可能である。具体的には、発電領域DAに対応する表面に溝状の反応ガス流路が形成されたセパレータ(例えば、カーボンで作製される)を採用しても良いし、発電領域に対応する部分に反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータ(例えば、金属板をプレス成形して作製される)を採用しても良い。
-5th modification:
In each of the above embodiments, the
・第6変形例:
上記実施例では、積層構造800は、MEA810、アノード側およびカソード側拡散層820、830、アノード側およびカソード側多孔体840、850から構成されているが、例えば、反応ガス流路が形成されたセパレータや、反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータを用いる場合などには、アノード側およびカソード側多孔体840、850は無くても良い。
・その他の変形例:
上記各実施例では、積層構造800の端部は、同一の平面上に位置している、すなわち積層構造800の端面が1つの平面によって形成されているが、必ずしもそうである必要は無い。積層構造800を構成するMEA810、アノード側拡散層820、カソード側拡散層830、アノード側多孔体840、カソード側多孔体850の端面は、それぞれずれた位置にあってもよい。すなわち積層構造800の端面が複数の面によって形成されていてもよい。
-6th modification:
In the above embodiment, the
・ Other variations:
In each of the above embodiments, the end portions of the
以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。 As mentioned above, although the Example and modification of this invention were demonstrated, this invention is not limited to these Example and modification at all, and implementation in a various aspect is possible within the range which does not deviate from the summary. It is.
100…燃料電池
110〜160…マニホールド
200…電池ユニット
300…アノードプレート
400…カソードプレート
500…中間プレート
600…セパレータ
630…燃料ガス供給流路
640…燃料ガス排出流路
650…酸化ガス供給流路
660…酸化ガス排出流路
670…冷却媒体流路
700、700b、700c…シール部材
710、710b、710c…支持部
720、710b、710c…シール用リブ
730、730b…短絡抑制リブ
730b…短絡抑制リブ
730c…短絡抑制突起
800…積層構造
810…MEA
820…アノード側拡散層
820…カソード側拡散層
830…カソード側拡散層
840…アノード側多孔体
840…カソード側多孔体
850…カソード側多孔体
910…上型
920…下型
DESCRIPTION OF
820 ... Anode
Claims (7)
前記電池ユニットは、
セパレータと、
前記セパレータ上の第1の領域に配置され、電解質膜と2つの電極層を含む積層構造と、
シール部材と、
を備え、
前記シール部材は、
前記セパレータにおける前記第1の領域を囲む第2の領域に接着していると共に前記積層構造の端部と一体とされた端部シール部と、
前記端部シール部の上面に形成されたシール用リブと、
前記端部シール部の上面に形成され、前記シール用リブの外側と内側の少なくとも一方に配置された凸状部と、
を有する、燃料電池。 A fuel cell comprising a plurality of stacked battery units,
The battery unit is
A separator;
A laminated structure disposed in a first region on the separator and including an electrolyte membrane and two electrode layers;
A sealing member;
With
The sealing member is
An end seal portion bonded to a second region surrounding the first region of the separator and integrated with an end portion of the laminated structure;
A sealing rib formed on the upper surface of the end seal portion;
A convex portion formed on the upper surface of the end seal portion and disposed on at least one of the outer side and the inner side of the sealing rib;
A fuel cell.
前記シール用リブは、前記積層構造を囲むように配置され、
前記凸状部は、前記シール用リブの外側に配置されている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The sealing rib is disposed so as to surround the laminated structure,
The said convex-shaped part is a fuel cell arrange | positioned on the outer side of the said rib for sealing.
前記凸状部の積層方向の高さは、前記シール用リブの積層方向の高さより低い、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The height of the convex part in the stacking direction is a fuel cell lower than the height of the sealing rib in the stacking direction.
前記端部シール部と前記第2の領域とが、燃料電池の運転中に想定される流体の圧力によるずれが生じない結合力で接着されている、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell, wherein the end seal portion and the second region are bonded with a bonding force that does not cause a displacement due to a fluid pressure assumed during operation of the fuel cell.
前記積層構造は、さらに、前記電解質膜の両面に前記電極層を挟んで配置されるガス拡散層を含む、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The laminated structure further includes a gas diffusion layer disposed on both surfaces of the electrolyte membrane with the electrode layer interposed therebetween.
前記積層構造は、さらに、前記電解質膜の両面に前記電極層と前記拡散層とを挟んで配置される多孔体を含む、燃料電池。 The fuel cell according to claim 5, wherein
The laminated structure further includes a porous body disposed on both surfaces of the electrolyte membrane with the electrode layer and the diffusion layer interposed therebetween.
セパレータと、
前記セパレータ上の第1の領域に配置され、電解質膜と2つの電極層を含む積層構造と、
シール部材と、
を備え、
前記シール部材は、
前記セパレータにおける前記第1の領域を囲む第2の領域に接していると共に前記積層構造の端部と一体とされた端部シール部と、
前記端部シール部の上面に形成されたシール用リブと、
前記端部シール部の上面に形成され、前記シール用リブの外側と内側の少なくとも一方に配置された凸状部と、
を有する、電池ユニット。 A battery unit that constitutes a fuel cell by being laminated,
A separator;
A laminated structure disposed in a first region on the separator and including an electrolyte membrane and two electrode layers;
A sealing member;
With
The sealing member is
An end seal portion in contact with a second region surrounding the first region of the separator and integrated with an end portion of the laminated structure;
A sealing rib formed on the upper surface of the end seal portion;
A convex portion formed on the upper surface of the end seal portion and disposed on at least one of the outer side and the inner side of the sealing rib;
A battery unit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008054547A JP2009211977A (en) | 2008-03-05 | 2008-03-05 | Fuel cell and cell unit |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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ID=41184923
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Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2009211977A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010165577A (en) * | 2009-01-16 | 2010-07-29 | Nok Corp | Seal structure of fuel battery cell |
JP2011228187A (en) * | 2010-04-22 | 2011-11-10 | Panasonic Corp | Fuel cell |
CN112531183A (en) * | 2020-12-03 | 2021-03-19 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Fuel cell membrane electrode sealing assembly, packaging process and continuous packaging equipment |
-
2008
- 2008-03-05 JP JP2008054547A patent/JP2009211977A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010165577A (en) * | 2009-01-16 | 2010-07-29 | Nok Corp | Seal structure of fuel battery cell |
JP2011228187A (en) * | 2010-04-22 | 2011-11-10 | Panasonic Corp | Fuel cell |
CN112531183A (en) * | 2020-12-03 | 2021-03-19 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Fuel cell membrane electrode sealing assembly, packaging process and continuous packaging equipment |
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