JP2011048970A - Fuel cell - Google Patents
Fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011048970A JP2011048970A JP2009195193A JP2009195193A JP2011048970A JP 2011048970 A JP2011048970 A JP 2011048970A JP 2009195193 A JP2009195193 A JP 2009195193A JP 2009195193 A JP2009195193 A JP 2009195193A JP 2011048970 A JP2011048970 A JP 2011048970A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrolyte membrane
- gas
- seal portion
- winding
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池においては、電解質膜の両面に設けられた各電極上に形成される燃料ガスの流路や酸化ガスの流路におけるシール性を、充分に確保する必要がある。また、電解質膜が配置される領域よりも外側の領域において燃料電池内を貫通して設けられ、上記燃料ガスの流路や酸化ガスの流路に対してガスを給排するガスマニホールドにおいても、充分なガスシール性を確保する必要がある。そのため、一般に燃料電池においては、電極上のガス流路やガスマニホールドにおけるガスシール性を確保するために、電解質膜の外周部においてシール部が配置される。 In the fuel cell, it is necessary to sufficiently ensure the sealing performance in the flow path of the fuel gas and the flow path of the oxidizing gas formed on each electrode provided on both surfaces of the electrolyte membrane. Further, in a gas manifold that is provided through the inside of the fuel cell in a region outside the region where the electrolyte membrane is disposed, and supplies and discharges gas to and from the fuel gas channel and the oxidizing gas channel, It is necessary to ensure sufficient gas sealing performance. Therefore, in general, in a fuel cell, a seal portion is disposed on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane in order to ensure gas sealing performance in a gas flow path on an electrode and a gas manifold.
ここで、セパレータのように、剛性の高い部材同士を積層する場合には、積層する剛性の高い部材間に、ガスケットなどの弾性を有するシール部を配置することによって、シール性を容易に確保することができる。その際に、例えば、剛性部材の表面に、上記ガスケットなどのシール部の配置箇所を定める凹凸である係合部を精度良く形成することによって、剛性部材とシール部とを交互に積層する際に、各々のシール部によってガスシールが行なわれる位置を、積層方向に精度良く合わせることが可能になる。 Here, when laminating members having high rigidity such as separators, sealing performance is easily ensured by disposing an elastic seal portion such as a gasket between the members having high rigidity. be able to. At that time, for example, when the rigid member and the seal portion are alternately laminated by accurately forming an engagement portion that is an unevenness that determines the location of the seal portion such as the gasket on the surface of the rigid member. The position where the gas seal is performed by each seal portion can be accurately adjusted in the stacking direction.
これに対して、剛性の高い部材であるセパレータと電解質膜とを積層する場合には、電解質膜の剛性が極めて低いために、電解質膜の表面にシール部の配置箇所を定めるための係合部を形成することによってシール部の位置決めを行なうことが困難となる。そのため、セパレータと電解質膜とを積層する燃料電池の製造方法としては、例えば、シール部を形成した電解質膜の外周部とセパレータ表面の所定の位置とを接着剤により接着した構造を積層単位として作製し、セパレータ同士を位置合わせしつつ、上記積層単位を積層する方法が提案されていた(例えば、特許文献1参照)。このような構成とすることにより、各々のシール部によってガスシールが行なわれる位置を積層方向に精度良く合わせ、電極上に形成されるガス流路やガスマニホールドにおけるガスシール性を確保することが可能になる。 On the other hand, when laminating a separator, which is a highly rigid member, and the electrolyte membrane, since the stiffness of the electrolyte membrane is extremely low, the engaging portion for determining the location of the seal portion on the surface of the electrolyte membrane As a result, it becomes difficult to position the seal portion. Therefore, as a method of manufacturing a fuel cell in which a separator and an electrolyte membrane are laminated, for example, a structure in which an outer peripheral portion of an electrolyte membrane on which a seal portion is formed and a predetermined position on a separator surface are bonded with an adhesive is manufactured as a lamination unit. And the method of laminating | stacking the said lamination | stacking unit has been proposed, aligning separators (for example, refer patent document 1). By adopting such a configuration, the position where gas sealing is performed by each sealing portion can be accurately aligned in the stacking direction, and gas sealing performance in the gas flow path and gas manifold formed on the electrode can be ensured. become.
しかしながら、上記のように接着剤を用いてガスシールを行なう場合には、接着剤の劣化に起因する剥離によってガスシール性が低下する場合がある。また、接着剤として例えば熱硬化性樹脂を用いる場合には、接着剤が熱硬化する際に収縮(寸法変化)するため、硬化後の接着剤の寸法がばらついて、積層時の面圧がばらついてしまう場合がある。また、接着剤を用いてガスシール性を確保する場合には、使用済みの燃料電池をリサイクルしようとする際に、積層された各部材の分解が困難化するという問題がある。 However, when performing gas sealing using an adhesive as described above, gas sealing performance may be reduced due to peeling due to deterioration of the adhesive. In addition, when a thermosetting resin is used as the adhesive, for example, the adhesive shrinks (changes in dimensions) when it is thermally cured, so that the dimensions of the adhesive after curing vary and the surface pressure during lamination varies. May end up. Further, when gas sealing properties are secured using an adhesive, there is a problem that it becomes difficult to disassemble the stacked members when trying to recycle used fuel cells.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ガスシール性を確保するために接着剤を用いることに起因する問題を抑制しつつ、電解質膜上に形成されるガス流路において充分なガスシール性を実現することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and gas formed on an electrolyte membrane while suppressing problems caused by using an adhesive to ensure gas sealability. It aims at realizing sufficient gas sealing performance in a flow path.
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なされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料電池であって、
電解質膜と、
該電解質膜上に形成された一対の電極と、
各々の前記電極上に配置されて該電極との間にガス流路を形成する一対のガスセパレータと、
前記電解質膜の外周部に設けられ、少なくとも一部が前記電解質膜を巻回することによって構成された巻回シール部と、
を備え、
前記巻回シール部は、前記ガスセパレータと直接あるいは他の部材を間に介して接し、前記電解質膜および前記ガスセパレータの積層方向に平行な締結圧が加えられたときに、前記巻回シール部が直接接する隣接部材である前記ガスセパレータあるいは前記他の部材との間で反力を生じることにより、前記隣接部材との接触部においてガスシール性を実現する
燃料電池。
[Application Example 1]
A fuel cell,
An electrolyte membrane;
A pair of electrodes formed on the electrolyte membrane;
A pair of gas separators disposed on each of the electrodes to form a gas flow path between the electrodes;
A wound seal portion provided on an outer peripheral portion of the electrolyte membrane, at least a part of which is configured by winding the electrolyte membrane;
With
The winding seal portion is in contact with the gas separator directly or via another member, and when a fastening pressure parallel to the stacking direction of the electrolyte membrane and the gas separator is applied, the winding seal portion A fuel cell that realizes a gas sealing property at a contact portion with the adjacent member by generating a reaction force between the gas separator or the other member which is an adjacent member in direct contact with the fuel cell.
適用例1に記載の燃料電池によれば、上記積層方向に平行な締結圧が加えられたときに、巻回シール部が隣接部材との間で反力を生じることによりガスシール性を実現するため、ガスシールを実現するために接着剤を用いることに起因する問題を抑制することができる。 According to the fuel cell described in Application Example 1, when the fastening pressure parallel to the stacking direction is applied, the wound seal portion generates a reaction force with the adjacent member, thereby realizing gas sealing performance. Therefore, problems caused by using an adhesive to achieve gas sealing can be suppressed.
[適用例2]
適用例1記載の燃料電池であって、前記巻回シール部は、全体として弾性を備えると共に、前記ガスセパレータと直接接し、前記ガスセパレータに対して反力を生じることにより、前記ガスセパレータとの接触部においてガスシール性を実現する燃料電池。適用例2に記載の燃料電池によれば、電解質膜の両面上に形成されたガス流路間のガスシールと、電解質膜上に形成されたガス流路とガス流路外部との間のガスシールとを、接着剤を用いることなく巻回シール部において生じる反力を利用したシールによって実現することができる。また、電解質膜を巻回することによって形成した巻回シール部によってガスシールを行なうため、ガスシールのための部材を別体で用意する必要が無く、組み立て時のハンドリング性が向上する。
[Application Example 2]
The fuel cell according to Application Example 1, wherein the wound seal portion has elasticity as a whole, and is in direct contact with the gas separator to generate a reaction force with respect to the gas separator. A fuel cell that achieves gas sealing at the contact portion. According to the fuel cell described in the application example 2, the gas seal between the gas passages formed on both surfaces of the electrolyte membrane, and the gas between the gas passage formed on the electrolyte membrane and the outside of the gas passage. The seal can be realized by a seal using a reaction force generated in the wound seal portion without using an adhesive. In addition, since gas sealing is performed by the wound seal portion formed by winding the electrolyte membrane, it is not necessary to prepare a separate member for gas sealing, and handling at the time of assembly is improved.
[適用例3]
適用例2記載の燃料電池であって、少なくとも一方の前記セパレータは、前記巻回シール部と接する面において、前記巻回シール部と係合することによって前記セパレータ上における前記巻回シール部の位置を規定する位置決め係合部を有する燃料電池。適用例3に記載の燃料電池によれば、燃料電池の組み立て時において、ガスシールのための構造を、電解質膜に対して別途位置あわせする必要が無く、電解質膜と一体化した構造全体としてセパレータに対して位置合わせするだけで良く、組み立ての動作を容易化することができる。
[Application Example 3]
The fuel cell according to Application Example 2, wherein at least one of the separators is engaged with the winding seal portion on a surface in contact with the winding seal portion, thereby positioning the winding seal portion on the separator. A fuel cell having a positioning engagement portion that defines According to the fuel cell described in Application Example 3, when the fuel cell is assembled, it is not necessary to separately align the structure for the gas seal with respect to the electrolyte membrane, and the separator as a whole structure integrated with the electrolyte membrane is used. It is only necessary to align the positions of the two and the assembly operation can be facilitated.
[適用例4]
適用例1記載の燃料電池であって、さらに、前記一対のガスセパレータ間において、前記電解質膜の外周よりも前記セパレータの外周寄りに配置される弾性体であって、前記一対のガスセパレータと接することにより、前記ガスセパレータとの接触部においてガスシール性を実現する嵌め込みシール部を備え、前記嵌め込みシール部は、前記ガスセパレータ間に配置されたときに前記電解質膜と対向する位置に、前記巻回シール部が嵌り込む凹部である嵌め込み凹部が形成されており、前記巻回シール部は、前記嵌め込み凹部内に嵌り込んで、前記外部シール部との間で反力を生じることにより、前記外部シール部との接触部においてガスシール性を実現する燃料電池。適用例4記載の燃料電池によれば、電解質膜の両面上に形成されたガス流路間のガスシールを、巻回シール部と嵌め込みシール部との間で生じる反力によって実現することができる。また、電解質膜上に形成されたガス流路とガス流路外部との間のガスシールを、嵌め込みシール部とガスセパレータとの間に生じる反力によって実現することができる。したがって、接着剤を用いることなく、電解質膜上のガス流路におけるガスシール性を確保することができる。
[Application Example 4]
The fuel cell according to Application Example 1, further, an elastic body disposed between the pair of gas separators closer to the outer periphery of the separator than the outer periphery of the electrolyte membrane, and is in contact with the pair of gas separators Accordingly, a fitting seal portion that realizes gas sealing performance at a contact portion with the gas separator is provided, and the fitting seal portion is disposed at a position facing the electrolyte membrane when disposed between the gas separators. A fitting recess, which is a recess into which the turn seal portion is fitted, is formed, and the wound seal portion is fitted into the fitting recess and generates a reaction force with the external seal portion, thereby A fuel cell that realizes gas sealing performance at a contact portion with a seal portion. According to the fuel cell described in the application example 4, the gas seal between the gas flow paths formed on both surfaces of the electrolyte membrane can be realized by a reaction force generated between the wound seal portion and the fitting seal portion. . Moreover, the gas seal between the gas flow path formed on the electrolyte membrane and the outside of the gas flow path can be realized by a reaction force generated between the fitting seal portion and the gas separator. Therefore, it is possible to ensure gas sealing performance in the gas flow path on the electrolyte membrane without using an adhesive.
[適用例5]
適用例4記載の燃料電池であって、少なくとも一方の前記セパレータは、前記嵌め込みシール部と接する面において、前記嵌め込みシール部と係合することによって前記セパレータ上における前記嵌め込みシール部の位置を規定する位置決め係合部を有する燃料電池。適用例5に記載の燃料電池によれば、燃料電池の組み立て時において、ガスシールのための構造を、電解質膜に対して別途位置あわせする必要が無く、電解質膜と一体化した構造全体としてセパレータに対して位置合わせするだけで良く、組み立ての動作を容易化することができる。
[Application Example 5]
The fuel cell according to Application Example 4, wherein at least one of the separators defines a position of the fitting seal portion on the separator by engaging with the fitting seal portion on a surface in contact with the fitting seal portion. A fuel cell having a positioning engagement portion. According to the fuel cell described in the application example 5, when the fuel cell is assembled, it is not necessary to separately align the structure for the gas seal with respect to the electrolyte membrane, and the separator as a whole structure integrated with the electrolyte membrane is used. It is only necessary to align the positions of the two and the assembly operation can be facilitated.
[適用例6]
適用例1ないし5いずれか記載の燃料電池であって、さらに、前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置された多孔質体であって、内部に設けられた細孔が形成する空間によって前記ガス流路を形成する流路形成多孔質体を備え、前記ガスセパレータは、前記流路形成多孔質体と接する表面において、前記ガス流路に対してガスを給排する開口部が形成されており、前記巻回シール部は、前記流路形成多孔質体の外周全体を囲んで配置されている燃料電池。適用例6に記載の燃料電池によれば、巻回シール部は、流路形成多孔質体全体を囲んで配置されるため、巻回シール部の構成を簡素化することができる。
[Application Example 6]
The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 5, further comprising a porous body disposed between the electrode and the gas separator, wherein the pore is formed by a space formed therein. A flow path forming porous body that forms a gas flow path, and the gas separator has an opening for supplying and discharging gas to and from the gas flow path on a surface in contact with the flow path forming porous body. And the wound seal portion is disposed so as to surround the entire outer periphery of the flow path forming porous body. According to the fuel cell described in Application Example 6, since the winding seal portion is disposed so as to surround the entire flow path forming porous body, the configuration of the winding seal portion can be simplified.
[適用例7]
適用例1ないし6いずれか記載の燃料電池であって、前記巻回シール部は、芯材の外周に、前記電解質膜の膜端部を1回以上巻回して成る燃料電池。適用例7に記載の燃料電池によれば、芯材を用いることにより、巻回シール部の強度を高め、燃料電池の耐久性を向上させることが可能になる。また、巻回シール部全体を弾性体として構成する場合には、弾性を有する芯材を用いることによって、電解質膜を巻回する回数を抑えることができる。
[Application Example 7]
7. The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 6, wherein the winding seal portion is formed by winding the membrane end portion of the electrolyte membrane one or more times around an outer periphery of a core material. According to the fuel cell described in Application Example 7, by using the core material, it is possible to increase the strength of the wound seal portion and improve the durability of the fuel cell. Moreover, when the whole winding seal part is configured as an elastic body, the number of times the electrolyte membrane is wound can be suppressed by using an elastic core material.
[適用例8]
適用例1ないし6いずれか記載の燃料電池であって、前記巻回シール部は、前記電解質膜のみを巻回して成る燃料電池。適用例8に記載の燃料電池によれば、特別な部材を用意することなく、電解質膜を巻回するという簡素な構成により、接着剤を用いることのないガスシールを実現することができる。
[Application Example 8]
7. The fuel cell according to any one of application examples 1 to 6, wherein the wound seal portion is formed by winding only the electrolyte membrane. According to the fuel cell described in Application Example 8, a gas seal without using an adhesive can be realized with a simple configuration in which the electrolyte membrane is wound without preparing a special member.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の製造方法などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a method for manufacturing a fuel cell.
A.第1実施例の燃料電池の全体構成:
図1は、第1実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。また、本実施例の燃料電池は、電気化学反応が進行する基本構造であるセルアセンブリ10を複数備えると共に、各々のセルアセンブリ10間にセパレータ30を介在させつつセルアセンブリ10を積層させたスタック構造を有している。
A. Overall configuration of the fuel cell of the first embodiment:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the fuel cell of the first embodiment. The fuel cell of this example is a polymer electrolyte fuel cell. In addition, the fuel cell according to this embodiment includes a plurality of
セルアセンブリ10は、表面に一対の電極12および一対のガス拡散層13を設けた電解質膜11と、ガス流路形成部14,15と、を備えている。なお、図1では、電極12およびガス拡散層13については、記載を省略している。
The
電解質膜11は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。電極12(カソードおよびアノード)は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。カソードおよびアノードを形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜上に塗布すればよい。ガス拡散層13は、カーボン製の多孔質部材であり、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。電解質膜11は、両面上に電極12が形成された後に、ガス拡散層13によって挟持されて、プレス接合することにより全体が一体化される。電解質膜11は、さらに、その外周に、巻回シール部60を備えている。この巻回シール部60は、隣り合うセパレータ30と接して、電極12上に形成されるガス流路におけるガスシール性を実現するための構造である。巻回シール部60の構成は、本願の要部の少なくとも一部に関わるものであり、後に詳しく説明する。
The
ガス流路形成部14,15は、エキスパンドメタルや発泡金属などの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体によって形成される導電性の薄板状部材であり、本実施例では、チタン製のエキスパンドメタルを用いている。ガス流路形成部14,15は、ガス拡散層13およびセパレータ30と接触するように配置されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過するセル内ガス流路として機能する。すなわち、カソードとセパレータ30との間に配置されるガス流路形成部14の細孔が形成する空間は、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路として機能する。また、アノードとセパレータ30との間に配置されるガス流路形成部15の細孔が形成する空間は、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路として機能する。
The gas flow
セパレータ30は、図1に示すように、ガス流路形成部14と接するカソード対向プレート31と、ガス流路形成部15と接するアノード対向プレート32と、カソード対向プレート31およびアノード対向プレート32に挟持される中間プレート33と、を備えている。これら3枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード対向プレート31、中間プレート33、アノード対向プレート32の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら3種のプレートは、各々、所定の位置に所定形状の孔部を有している。図2は、カソード対向プレート31の形状を示す平面図であり、図3は、中間プレート33の形状を示す平面図であり、図4は、アノード対向プレート32の形状を示す平面図である。これら図2〜図4では、電極12およびガス拡散層13と重なる領域(以下、発電領域DAと呼ぶ)を、一点鎖線で囲んで示している。
As shown in FIG. 1, the
カソード対向プレート31、アノード対向プレート32は、いずれも、その外周部において、8つの孔部を備えている。具体的には、上記各プレートでは、略四角形状である外周の一辺に沿って、2つの孔部40が形成されている。また、近傍に孔部40が形成された辺と対向する辺に沿って、2つの孔部41が形成されている。さらに、他の2辺のうちの一方の辺の近傍には、孔部42,43が形成されており、他方の辺の近傍には、孔部44,45が形成されている。これらの8つの孔部は、スタック構造を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。なお、中間プレート33は、上記8つの孔部のうち、孔部42,45は有していないが、後述する複数の冷媒孔59が、孔部42,45に対応する位置に重なるように設けられている。
Each of the
上記各プレートが備える孔部41は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各セル内酸化ガス流路に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し(図中、O2 inと表わす)、孔部40は、各セル内酸化ガス流路から排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する(図中、O2 outと表わす)。また、孔部44は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各セル内燃料ガス流路に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し(図中、H2 inと表わす)、孔部43は、各セル内燃料ガス流路から排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する(図中、H2 outと表わす)。さらに、孔部42は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各セパレータ30内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し(図中、CLT inと表わす)、孔部45は、各セパレータ30から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する(図中、CLT outと表わす)。
The
また、カソード対向プレート31は、発電領域DA内において、2つの孔部40の近傍の辺(図2における上端側の辺)に沿って設けられ、カソード対向プレート31を貫通して形成された酸化ガス排出スリット50を備えている。また、同様に、発電領域DA内において、2つの孔部41の近傍の辺(図2における下端側の辺)に沿って設けられた酸化ガス供給スリット51を備えている(図2参照)。
Further, the
アノード対向プレート32は、カソード対向プレート31と同様に、発電領域DA内において、2つの孔部40の近傍の辺(図4における上端側の辺)に沿って設けられ、アノード対向プレート32を貫通して形成された燃料ガス供給スリット54を備えている。また、同様に、発電領域DA内において、2つの孔部41の近傍の辺(図4における下端側の辺)に沿って設けられた燃料ガス排出スリット53を備えている(図4参照)。これらの燃料ガス供給スリット54および燃料ガス排出スリット53は、それぞれ、酸化ガス排出スリット50および酸化ガス供給スリット51と重ならないように、プレートのさらに中央部寄りに配置されている。
Similar to the
中間プレート33においては、孔部40の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート33の孔部40は、この孔部40のプレート中央部側の辺が、プレート中央部方向へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。孔部40が有する上記複数の突出部を、連通部55と呼ぶ。この連通部55は、中間プレート33とカソード対向プレート31とが積層されたときに酸化ガス排出スリット50と重なり合うように形成されており、酸化ガス排出マニホールドと酸化ガス排出スリット50とを連通させる。また、孔部41においても同様に、酸化ガス供給スリット51に対応して、複数の連通部56が設けられている(図3参照)。さらに、中間プレート33には、孔部44および孔部43の各々に連通して、アノード対向プレート32の燃料ガス供給スリット54あるいは燃料ガス排出スリット53と重なる形状の、連通部58および連通部57が設けられている。
In the
燃料電池の内部において、孔部41が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート33の連通部56が形成する空間と、カソード対向プレート31の酸化ガス供給スリット51とを介して、ガス流路形成部14内に形成されるセル内酸化ガス流路へと流入する。流入した酸化ガスは、電気化学反応に供されつつ、セル内酸化ガス流路を通過し、ガス流路形成部14から、カソード対向プレート31の酸化ガス排出スリット50および中間プレート33の連通部55が形成する空間を介して、孔部40が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、孔部44が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート33の連通部58が形成する空間と、アノード対向プレート32の燃料ガス供給スリット54とを介して、ガス流路形成部15内に形成されるセル内燃料ガス流路へと流入する。流入した燃料ガスは、電気化学反応に供されつつ、セル内燃料ガス流路を通過し、ガス流路形成部15から、アノード対向プレート32の燃料ガス排出スリット53および中間プレート33の連通部57が形成する空間を介して、孔部43が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
Inside the fuel cell, the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply manifold formed by the
なお、中間プレート33は、さらに、発電領域DAを含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔59を備えている。これらの冷媒孔59の端部は、中間プレート33を他のプレートと重ね合わせたときに、孔部42,45と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ30内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、孔部42が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔59によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、孔部45が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
The
ここで、図3では、図1に示した断面図に相当する位置を、1−1断面として示している。図1では、ガス流路形成部14に対して酸化ガスが給排される様子、および、ガス流路形成部15に対して燃料ガスが給排される様子が、矢印によって表わされている。
Here, in FIG. 3, the position corresponding to the cross-sectional view shown in FIG. In FIG. 1, the state in which the oxidizing gas is supplied to and discharged from the gas flow
また、図2では記載を省略しているが、カソード対向プレート31は、図1に示すように、ガス流路形成部14と接する側の面に凸となる所定形状の凹凸を有している。具体的には、巻回シール部60を位置決めして配置するための第1位置決め凸部20と、第2位置決め凸部22と、角部シール凸部24と、が形成されている。図5は、カソード対向プレート31の表面の様子について、図2で領域Xと示した部分を拡大して示す説明図である。
Although not shown in FIG. 2, the
第2位置決め凸部22は、発電領域DAよりもセパレータ30の外周寄りの位置において、発電領域DAの4辺の各々に沿って、各辺とほぼ同じ長さに形成されている。第1位置決め凸部20は、第2位置決め凸部22よりもセパレータ30の外周寄りの位置において、第2位置決め凸部22の各辺に沿って、各第2位置決め凸部22とほぼ同じ長さに形成されている。第1位置決め凸部22と第2位置決め凸部22との間に形成される凹部には、後述するように、電解質膜11の外周に形成された巻回シール部60が嵌め込まれる。角部シール凸部24は、発電領域DAの四隅の近傍において、第1位置決め凸部20と第2位置決め凸部22との間に形成される凹部の端部を塞ぐ位置に設けられている。これらの各凸部は、例えば、カソード対向プレート31となる平板に対するプレス成形によって形成することができる。なお、これらの各凸部の高さは、セルアセンブリ10の厚み、すなわち、燃料電池内において隣り合うセパレータ間の距離よりも低く形成されている。特に、第2位置決め凸部22は、ガス流路形成部14の厚みよりも低く形成されている(図1参照)。
The second positioning
また、隣接するセパレータ30間には、さらに、マニホールドシール部16が配置されている(図1参照)。図6は、マニホールドシール部16の形状を表わす平面図である。マニホールドシール部16は、セパレータ30の外周と丁度重なる矩形の枠状の形状を有しており、セパレータ30と外周同士が重なるように、セパレータ30上に配置される。マニホールドシール部16には、セパレータ30と同様の位置に、セパレータ30と同様の孔部40〜45が形成されると共に、各孔部40〜45の周囲を囲むように、両面に突出するリップ17が形成されている。マニホールドシール部16は、絶縁性の弾性体、例えば、ゴムや熱可塑性エラストマーから成る部材であり、リップ17において隣り合うセパレータ30の双方と接触して、セパレータ30の積層方向に平行な締結圧が加えられるときにセパレータ30に対して反力を生じることによって、孔部40〜45が形成する各マニホールドにおけるシール性を実現している。マニホールドシール部16を構成する材料としては、具体的には、例えば、シリコン、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、ポリイソブチレン(PIB)、ニトリルブタジエンゴム(NBR)、フッ素ゴム、ウレタンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン(CSM)、塩素化ポリエチレン(CPE)、アクリルゴム、多硫化ゴム、エピクロロヒドリンゴム(CO・CEO)等を挙げることができる。
A
B.巻回シール部60を備える燃料電池の製造方法:
図7は、巻回シール部60を備える本実施例の燃料電池の製造方法を表わす工程図である。本実施例の燃料電池を製造する際には、まず、両面の所定の位置に電極12およびガス拡散層13を設けた電解質膜11と、ガス流路形成部14,15と、セパレータ30と、を用意する(ステップS100)。そして、用意した電解質膜11の外周に4本の巻き芯61を配置して、巻き芯61に沿って電解質膜11の外周部を巻き付け、巻回シール部60を形成する(ステップS110)。ステップS110において、電解質膜11の外周に4本の巻き芯61を配置して、電解質膜の巻き付けを行なう様子を、図8に示す。また、電解質膜11の外周部を巻き芯61に巻き付けて、巻回シール部60を形成した様子を、図9に示す。図9に示すように、電解質膜11の全体形状は、巻回シール部60が形成されたときには、4辺の各々に巻回シール部60が形成された矩形形状となる。このような巻回シール部60を形成するために、ステップS100で用意される電解質膜11は、図8に示すように、上記4辺の各々に対して巻回の方向に平行に延出した巻き付け部62を有する形状となっている。上記巻き芯61は、燃料電池の内部環境下で充分に安定な弾性体によって構成されており、絶縁性材料によって構成することが望ましい。具体的には、例えば、既述したマニホールドシール部16の構成材料と同様のゴムや熱可塑性エラストマーから成る部材とすることができる。巻回シール部60は、既述したように、隣り合う2枚のセパレータ30と接して、電極12上に形成されるセル内ガス流路におけるガスシール性を実現するための構造である。そのため、巻回シール部60を形成する際には、その直径が、燃料電池内における隣り合う2枚のセパレータ30間の距離(セルアセンブリ10の厚み)よりも若干大きくなるように、電解質膜11の巻き付けが行なわれる。
B. Manufacturing method of fuel cell provided with winding seal part 60:
FIG. 7 is a process diagram showing a method for manufacturing a fuel cell of the present embodiment provided with a winding
電解質膜11の巻き付けにより巻回シール部60を形成すると、接着剤を用いて、電解質膜11を巻き付けた状態を固定する(ステップS120)。接着剤としては、例えば、エポキシ系接着剤を用いることができる。なお、このステップS120における接着は、仮止めを目的としており、このように仮止めすることにより、電解質膜を巻き付けて巻回シール部60を形成した状態で、電解質膜11を取り扱って、燃料電池を組み立てることが可能になる。図10は、仮止めの様子を表わす断面模式図であり、電解質膜11における巻回シール部60近傍の様子を表わしている。なお、図10では、電解質膜11上に設けられた電極12およびガス拡散層13については、記載を省略している。
When the winding
また、これとは別に、ステップS100で用意したセパレータ30に形成された第1位置決め凸部20および角部シール凸部24の頭頂部(図5の平面図において、第1位置決め凸部20および角部シール凸部24としてハッチを付して表わした部分)に、絶縁部21を設ける(ステップS130)。絶縁部21を構成する材料は、充分な絶縁性を有すると共に、燃料電池の内部環境において充分に安定な材料であれば良く、例えば、マニホールドシール部16と同様の材料であるゴムや熱可塑性エラストマーによって形成することができる。絶縁部21を形成するには、例えば、上記した材料を、第1位置決め凸部20および角部シール凸部24の頭頂部に塗布することによって形成すれば良い。あるいは、第1位置決め凸部20および角部シール凸部24の頭頂部の形状に対応する形状を有する部材を予め作製しておき、作製した部材を第1位置決め凸部20および角部シール凸部24の頭頂部に、接着剤により貼り付けることとしても良い。
Separately from this, the
次に、巻回シール部60を形成した電解質膜11を、ガス流路形成部14,15と共に、セパレータ30上、具体的には、セパレータ30のカソード対向プレート31上に配置する(ステップS140)。カソード対向プレート31には、既述したように、第1位置決め凸部20と、第2位置決め凸部22と、角部シール凸部24と、が形成されており、ステップS140では、第1位置決め凸部20と第2位置決め凸部22と角部シール凸部24との間の凹部内に、巻回シール部60が嵌め込まれる。図11は、絶縁部21を設けた第1位置決め凸部20と第2位置決め凸部22との間に、巻回シール部60を嵌め込む様子を表わす断面模式図である。なお、図11では、セパレータ30としては、カソード対向プレート31のみを表わしている。ガス流路形成部14,15と共に電解質膜11をセパレータ30上に配置し、第1位置決め凸部20と第2位置決め凸部22との間に巻回シール部60を嵌め込むことにより、電解質膜11を、セパレータ30の表面に対して略平行な状態で保持することができる。なお、電解質膜11の4辺を成す各巻回シール部60の両端部は、角部シール凸部24および隣り合う巻回シール部60の端部に押しつけられた状態になる。
Next, the
また、セパレータ30上に、さらにマニホールドシール部16を配置する(ステップS150)。ここで、セパレータ30のカソード対向プレート31には、マニホールドシール部16を位置決めするための図示しない位置決め係合部が設けられている。そのため、マニホールドシール部16の所定の箇所を上記位置決め係合部に係合させることにより、マニホールドシール部16を、セパレータ30に対して相対的に位置決めしつつセパレータ30上に配置することが可能になる。
Further, the
次に、電解質膜11とガス流路形成部14,15とマニホールドシール部16とを表面上に配置したセパレータ30上に、さらに他のセパレータ30を積層する(ステップS160)。図12は、ステップS160においてさらに他のセパレータ30を積層した様子を、図11と同様に表わす断面模式図である。なお、図12では、積層した他のセパレータ30としては、アノード対向プレート32のみを表わしている。既述したように、巻回シール部60の直径は、燃料電池内で締結された状態における隣り合う2枚のセパレータ30間の距離よりも若干大きく形成されており、巻回シール部60は全体として弾性体である。そのため、上記した他のセパレータ30をさらに積層して、最終的に積層方向に平行な所定の締結圧を加えることにより、巻回シール部60は、セパレータ30との接触部、および、角部シール凸部24との接触部において反力を生じ、充分なガスシール性を実現することができる。
Next, another
なお、本実施例では、第1位置決め凸部20および角部シール凸部24の頭頂部に絶縁部21を設けているため、隣り合うセパレータ30間の短絡を抑制することができる。具体的には、例えば、燃料電池の内部における締結圧が面内で不均一となる等の原因により、隣り合うセパレータ30間の距離が局所的に縮まる場合があっても、第1位置決め凸部20および角部シール凸部24の頭頂部を介したセパレータ30間の短絡を抑制することができる。ここで、本実施例では、通常は隣接するセパレータ30に絶縁部21が接しないように、第1位置決め凸部20および角部シール凸部24の高さを設定しているが、隣接するセパレータ30に絶縁部21が常に接触するように、上記凸部の高さを設定しても良い。この場合には、絶縁部21を弾性体によって形成するならば、隣接するセパレータ30と上記凸部との距離のばらつきを、絶縁部21によって吸収して、面内でセパレータ30間の距離を均一化することができる。
In this embodiment, since the insulating
ステップS160において他のセパレータ30を積層した後は、ステップS140〜ステップS160の動作を所定回数繰り返し、セパレータ30とセルアセンブリ10とが交互に積層された積層体を作製する(ステップS170)。なお、ステップS160において他のセパレータ30内を積層する際には、既に積層したセパレータ30内に対して、新たに積層するセパレータ30の位置を合わせつつ積層を行なう。このような位置決めは、例えば、各セパレータ30の外周の少なくとも2辺を合わせることにより行なうことができる。充分な精度で各セパレータ30を作製し、セパレータ30同士の位置を積層方向に合わせつつ積層を行なうことにより、各セパレータ30上に位置決めしつつ配置された巻回シール部60によるシール位置を、燃料電池全体で積層方向に揃えることができる。巻回シール部60によるシール位置が積層方向に重なって形成されるシールラインSLを、図1において2点鎖線で示す。このように積層方向にシール位置が重なることにより、各巻回シール部60において、締結圧に応じた所望の反力が発生し、充分なシール性を実現することができる。
After the
その後、得られた積層体に加えて、集電板(ターミナル)や絶縁板(インシュレータ)、あるいはエンドプレート等の必要な部材をさらに配置して、積層体全体に対して所定の押圧力を加えつつ全体を締結することにより、燃料電池を完成する(ステップS180)。 Then, in addition to the obtained laminate, necessary members such as current collectors (terminals), insulating plates (insulators), or end plates are further arranged, and a predetermined pressing force is applied to the entire laminate. However, the fuel cell is completed by fastening the whole (step S180).
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、電解質膜11の外周部を巻回して成る巻回シール部60を設けているため、弾性体を介在させて圧力を加えるという物理的なシールのみによって、電解質膜11の各面上に形成されるセル内ガス流路におけるガスシール性を確保することができる。具体的には、セル内ガス流路とセル内ガス流路外部との間のガスシール(外部シール)、および、電解質膜を介したセル内ガス流路間のガスシール(内部シール)を、物理的なシールのみによって行なうことができる。そのため、ガスシールのために接着剤を用いることに起因する問題、例えば、接着剤の劣化に起因する剥離によるガスシール性の低下を抑えることができる。あるいは、接着剤として熱硬化性樹脂を用いる場合には、硬化後の接着剤の寸法のばらつきに起因して面圧がばらつくことにより、ガスシール性が低下するという問題が生じ得るが、接着剤を用いないことでこのような問題を抑え、均一な面圧を確保することにより電池性能を向上させることができる。
According to the fuel cell of the present embodiment configured as described above, since the
また、本実施例では、各セパレータに設けた孔部によって形成されるマニホールドのシールを、セパレータ間に配置するマニホールドシール部16を用いた物理的なシールによって行なっているため、燃料電池全体を、物理的なシールのみによってガスシールすることができる。このように、燃料電池全体で、接着剤等を用いることなく物理的なシールのみによってガスシールを行なうことにより、使用済みの燃料電池をリサイクルしようとする際に、積層された各部材の分解を容易化することができる、という効果を奏することができる。
Further, in this embodiment, the manifold formed by the holes provided in each separator is sealed by physical sealing using the
また、本実施例では、電解質膜11を介したセル内ガス流路間のガスシールのための構造を、電解質膜11の端部を巻回することによって電解質膜11と一体で形成した巻回シール部60によって構成しているため、上記ガスシールのための構造を電解質膜11と別体で用意する必要がない。そのため、電解質膜およびガスシールに係る部材のハンドリング性が向上する。また、燃料電池の組み立て時において、ガスシールのための構造を、電解質膜に対して別途位置あわせする必要が無く、電解質膜と一体化した構造全体としてセパレータに対して位置合わせするだけで良く、組み立ての動作を容易化することができる。特に本実施例では、巻回シール部60を接着剤によって仮止めしているため、組み立て時の取り扱いを、さらに容易にすることができる。なお、接着剤を用いた仮止めは、組み立て時の便のために行なうものであり、組み立てた後に、例えば燃料電池による発電を開始した後に、接着剤の劣化等によって接着剤の接着性が損なわれても差し支えない。
In the present embodiment, the structure for gas sealing between the gas flow paths in the cell via the
さらに、本実施例の燃料電池では、セパレータとして、ガスマニホールドとセル内ガス流路とを連通させる連通流路をセパレータ内部に形成すると共に、このような連通流路が、セパレータ表面におけるガス流路形成部14,15と重なる領域で開口するセパレータ30を用いている。そのため、ガスマニホールドとセル内ガス流路とを連通させるために、セパレータ表面に連通流路を形成する必要が無く、発電領域DA全体を囲むように、4辺の各々に対応して巻回シール部60を設ければ良い。したがって、発電領域DAの4辺に対応して電解質膜の巻き付けを行なえばよく、巻回シール部60の構成を簡素化することができる。
Furthermore, in the fuel cell of the present embodiment, as the separator, a communication flow path that connects the gas manifold and the gas flow path in the cell is formed inside the separator, and such a communication flow path is a gas flow path on the separator surface. A
なお、本実施例では、巻回シール部60を形成するために巻き芯61を用いているが、異なる構成としても良く、巻回シール部60全体として、ガスシール性を実現するために必要な弾性を有していればよい。例えば、巻き芯61を用いることなく、電解質膜11の外周部を巻回することのみによって、巻回シール部60を形成しても良い。ただし、本実施例のように、電解質膜を巻き付けた構造よりも強度の高い部材である巻き芯61を用いる場合には、巻回シール部60の強度を高め、燃料電池の耐久性を高める効果が得られる。また、巻回シール部60において、電解質膜の巻き付け数を充分に多くして、電解質膜部分において充分な弾性を確保できる場合には、巻き芯61は、ガスシールに寄与し得る充分な弾性を有しない剛体により形成しても良い。あるいは、ガスシール性を実現するための充分な弾性を有する巻き芯61を用いる場合には、巻回シール部60において、巻き芯61に電解質膜を巻き付ける回数を削減することができ、例えば、巻き芯61の外周に電解質膜を1周だけ巻き付けることとしても良い。
In this embodiment, the winding
C.第2実施例:
図13は、第2実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例では、第1実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。本実施例の燃料電池は、セルアセンブリ10に代えてセルアセンブリ110を備えると共に、セパレータ30に代えてセパレータ130を備えており、第1実施例の燃料電池と同様に、セルアセンブリ110とセパレータ130とを交互に積層することによって構成されている。セルアセンブリ110は、セル内ガス流路のシールのために電解質膜111の外周部に設けられた構造が、セルアセンブリ10とは異なっており、巻回シール部60に代えて、巻回シール部160および嵌め込みシール部164を備えている。セパレータ130は、セパレータ30と同様に、3枚のプレートを重ね合わせることによって形成されているが、カソード対向プレート31に代えて、カソード対向プレート31とは異なった形状の位置合わせに係る凹凸が設けられたカソード対向プレート131を備えている。なお、図13においては、セルアセンブリ110に隣接するセパレータ130としては、カソード対向プレート131とアノード対向プレート32のみを表わしている。
C. Second embodiment:
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the fuel cell of the second embodiment. In the present embodiment, the same reference numerals are assigned to portions common to the first embodiment, and detailed description thereof is omitted. The fuel cell according to this embodiment includes a
図13は、図12と同様に、セルアセンブリ110における電解質膜111の端部近傍の様子を拡大して表わしている。本実施例の燃料電池において、ガスシールのために電解質膜111の外周部に設けられた巻回シール部160は、電解質膜111の外周部を、巻き芯161に、1度だけ巻き付けることによって構成されている。このような巻回シール部160は、嵌め込みシール部164に設けられた後述する嵌め込み溝165内に嵌め込まれている。巻回シール部160が嵌め込まれた嵌め込みシール部164は、隣り合う2枚のセパレータ130の各々と接する部位においてリップ166を有しており、このリップ166において、隣り合う双方のセパレータ130との間でガスシール性を実現している。
FIG. 13 is an enlarged view of the vicinity of the end portion of the
図14は、巻回シール部160に係る各部を表わす平面図である。図14(A)は、電極12およびガス拡散層13を両面に形成した電解質膜111を表わし、図14(B)は、巻き芯161を表わし、図14(C)は、嵌め込みシール部164を表わす。これらの図14(A)〜(C)に表わす平面図は、図13において矢印Yで表わした向きに対応する向きから各部を見た様子を表わす。図14(B)に示すように、巻き芯161は、発電領域DAよりも一回り大きく形成された矩形の枠体状に形成されている。巻き芯161は、燃料電池の内部環境下において充分に安定であれば良く、ステンレス鋼やチタン等、導電性を有する金属材料や、導電性を有しない樹脂材料等、種々の材料によって構成することができる。また、図14(C)に示すように、嵌め込みシール部164も、発電領域DAよりも一回り大きく形成された矩形の枠体状に形成されている。この嵌め込みシール部164には、発電領域DAに対向する側において、発電領域DAを囲むように全体が繋がって形成された溝状の凹部である嵌め込み溝165が設けられており、嵌め込みシール部164は、図14に示した平面における幅が、巻き芯161よりも太く形成されている。そして、嵌め込みシール部164に設けられた嵌め込み溝165は、巻き芯161が丁度嵌り込む大きさに形成されている。(図13参照)。また、嵌め込みシール部164には、既述したリップ166が形成されているが、このリップ166は、セパレータと接する両面の各々において、全体が繋がった矩形の線状凸部として形成されている。嵌め込みシール部164は、燃料電池の内部環境下において充分に安定な絶縁性の弾性体、例えば、マニホールドシール部16の構成材料と同様のゴムや熱可塑性エラストマーから成る部材によって構成することができる。嵌め込み溝165やリップ166などの凹凸を有する嵌め込みシール部164は、例えば、上記材料を用いて、射出成形によって形成すればよい。
FIG. 14 is a plan view showing each part related to the winding
図15は、セパレータ30のカソード対向プレート131におけるガス流路形成部14と接する側の表面の様子を表わす平面図である。カソード対向プレート131は、第1実施例のカソード対向プレート31と同様に、孔部40〜45と酸化ガス供給スリット51と酸化ガス排出スリット50が形成されると共に、4つの位置決め凸部120が設けられている。4つの位置決め凸部120は、それぞれ、発電領域DAの各辺の中ほどの近傍であって、発電領域DAの外周よりもカソード対向プレート131の外周寄りの位置に設けられている。図13に示す断面に対応する位置を、図15において、13−13断面として示す。
FIG. 15 is a plan view showing the state of the surface of the
本実施例の燃料電池を製造する際には、まず、図7のステップS100と同様に、電極12およびガス拡散層13を設けた電解質膜111と、ガス流路形成部14,15と、セパレータ130と、を用意する。そして、ステップS110およびS120に代えて、巻回シール部160の形成および巻回シール部160の嵌め込みシール部164への嵌め込みの工程を行なう。
When manufacturing the fuel cell of the present embodiment, first, as in step S100 of FIG. 7, the
巻回シール部160を形成するには、まず、図14(B)に示した巻き芯161を、発電領域DAと示した領域がガス拡散層13と重なるように、図14(A)に示した電解質膜111における一方の面上に配置する。そして、電解質膜111の外周部を、巻き芯161に沿って巻き芯161に巻き付けるように折り曲げる。そして、電解質膜111を巻き付けた状態で、巻き芯161を、嵌め込みシール部164の嵌め込み溝165へと嵌め込む。電解質膜111を巻き付けた巻き芯161を嵌め込みシール部164に嵌め込む様子を、図16に模式的に表わす。なお、電解質膜111を巻き付けた巻き芯161を嵌め込みシール部164に嵌め込む際には、電解質膜111の端部を、例えば接着剤を用いて巻き芯161あるいは電解質膜111の他の部位と接着させ、電解質膜111を巻き芯161に巻き付けた状態で仮止めを行なうこととしても良い。あるいは、このような接着を行なうことなく、電解質膜111を巻き芯161に巻き付けつつ嵌め込み溝165内へと押し込んで、嵌め込みの動作を行なっても良い。また、図13には示していないが、図7のステップS130と同様に、本実施例のセパレータ130が備える位置決め凸部120の頭頂部においても、第1実施例の位置決め凸部20と同様の絶縁部を設けることとしても良い。
In order to form the winding
その後、巻回シール部160が形成されると共に嵌め込みシール部164と一体化された電解質膜111を、ガス流路形成部14,15と共に、セパレータ130のカソード対向プレート131上に配置する(ステップS140)。その際、嵌め込みシール部164の外周を成す4辺が、カソード対向プレート131に設けた4つの位置決め凸部120に当接するように配置する。そして、カソード対向プレート131上に、さらに、第1実施例と同様のマニホールドシール部16を配置し(ステップS150)、さらに他のセパレータ130を積層する(ステップS160)。その後は、ステップS140〜ステップS160の動作を所定回数繰り返すことによって、セパレータ130とセルアセンブリ110とが交互に積層された積層体を作製する(ステップS170)。そして、さらに他の部材を配置して(ステップS180)、積層体全体に対して所定の押圧力を加えつつ全体を締結することにより、燃料電池を完成する。
Thereafter, the
このように、締結力が加えられることにより、弾性体である嵌め込みシール部164がセパレータ130との間で反力を生じて、セル内ガス流路と、セル内ガス流路の外部との間のガスシール性が確保される。また、弾性体である嵌め込みシール部164が、電解質膜111を間に介して巻き芯161に押しつけられて反力を生じることにより、電解質膜111の各々の面上に形成されるセル内ガス流路間におけるガスシール性が確保される。具体的には、図13において矢印Zによって示した2カ所の接触部Zにおいて、セル内ガス流路間のガスシール性が確保される。
In this way, when the fastening force is applied, the
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、電解質膜111の外周部を巻回して成る巻回シール部160と、この巻回シール部160を嵌め込んだ嵌め込みシール部164とを設けているため、弾性体を介在させて圧力を加えるという物理的なシールのみによって、電解質膜111の各面上に形成されるセル内ガス流路におけるガスシール性を確保することができる。そのため、第1実施例と同様に、ガスシールのために接着剤を用いることに起因する問題を抑えることができる。また、マニホールドシール部16を併用することにより、第1実施例と同様に、燃料電池全体を、物理的なシールのみによってガスシールすることが可能になる。
According to the fuel cell of the present embodiment configured as described above, the winding
また、本実施例では、セル内ガス流路とセル内ガス流路外部との間のガスシール(外部シール)は、嵌め込みシール部164とセパレータ130との接触部において行ない、電解質膜を介したセル内ガス流路間のガスシール(内部シール)は、巻回シール部160と嵌め込みシール部164との間の接触部において行なっている。そのため、上記内部シールは、図13に示す2カ所の接触部Zにおいて確保することができ、電解質膜を介したセル内ガス流路間のガスシール性を向上させることができる。
In the present embodiment, the gas seal (external seal) between the in-cell gas flow path and the outside of the in-cell gas flow path is performed at the contact portion between the
また、本実施例では、上記外部シールおよび内部シールを実現するための構造を、電解質膜111と一体化させた巻回シール部160および嵌め込みシール部164によって構成しているため、上記ガスシールのための構造を電解質膜111と別体で用意する必要がない。そのため、電解質膜およびガスシールに係る部材のハンドリング性が向上する。また、燃料電池の組み立て時において、ガスシールのための構造を、電解質膜に対して別途位置合わせする必要が無く、電解質膜と一体化した構造全体としてセパレータに対して位置合わせするだけで良く、組み立ての動作を容易化することができる。
In this embodiment, the structure for realizing the outer seal and the inner seal is constituted by the
さらに、本実施例の燃料電池では、セパレータとして、第1実施例と同様に、ガスマニホールドとセル内ガス流路とを連通させる連通流路をセパレータ内部に形成すると共に、このような連通流路が、セパレータ表面におけるガス流路形成部14,15と重なる領域で開口するセパレータ30を用いている。そのため、巻回シール部160および嵌め込みシール部164を、発電領域DA全体を囲むように設ければ良く、巻回シール部160および嵌め込みシール部164の構成を簡素化することができる。
Furthermore, in the fuel cell of the present embodiment, as in the first embodiment, as the separator, a communication channel that connects the gas manifold and the in-cell gas channel is formed inside the separator, and such a communication channel is used. However, the
なお、本実施例の巻回シール部160については、種々の変形が可能である。電解質膜を介した巻き芯161と嵌め込みシール部164との間のガスシール性は、嵌め込みシール部164の有する弾性によって実現されるため、巻き芯161は、弾性を有していても有していなくても良い。また、本実施例では、巻き芯161は、断面を円形としたが、断面を多角形に形成しても良く、嵌め込み溝165内に嵌め込まれて反力を生じることにより充分なシール性が得られればよい。また、本実施例では、電解質膜111の端部を巻き芯161に1回だけ巻き付けているが、より多くの回数の巻き付けを行なって、巻回シール部160を構成しても良い。あるいは、巻き芯161を用いることなく、電解質膜の端部を巻回することにより巻回シール部を構成しても良い。
In addition, various deformation | transformation is possible about the winding seal |
また、本実施例では、電解質膜111は、図14に示すように四角形状としたが、異なる形状としても良い。例えば、図8に示した第1実施例の電解質膜11と同様に、四角形の各角部の近傍を切り欠いた形状にして、発電領域DAの各角部近傍において、巻き芯161に巻き付けられて嵌め込み溝165に嵌め込まれる電解質膜の嵩を削減しても良い。
In this embodiment, the
また、本実施例では、カソード対向プレート131に設ける位置決め凸部120として、嵌め込みシール部164の各辺に対応する4つの突起を設けることとしたが、異なる形状の位置決め凸部を設けることとしても良い。例えば、第1実施例における第1位置決め凸部20および第2位置決め凸部22と同様に、発電領域DAの外周を成す各辺に平行な2つの線状凸部を設け、これらの線状凸部間に形成される線状の凹部内に、嵌め込みシール部164を配置することとしても良い。このように、セパレータに設ける位置決めのための構造は、電解質膜と一体化したシール構造を、充分な精度でセパレータに対して位置合わせができるものであればよい。
In this embodiment, four protrusions corresponding to each side of the
D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
D1.変形例1:
第1および第2実施例では、セパレータ側に設ける位置決め構造としての位置決め凸部は、カソード対向プレート31、131に設けているが、異なる構成としても良い。例えば、アノード対向プレート32側に、実施例と同様の位置決め凸部を設けても良い。あるいは、カソード対向プレートとアノード対向プレートの双方に位置決め凸部を設けることとしても良い。
D1. Modification 1:
In the first and second embodiments, the positioning convex portion as the positioning structure provided on the separator side is provided on the
D2.変形例2:
実施例では、マニホールドにおけるシール性を確保するために、外周がセパレータと重なる矩形の枠状形状を有するマニホールドシール部16を用いているが、異なる構成としても良い。例えば、各セパレータに形成した各々のマニホールド孔毎に、個別にシール部材を用意して、各々のシール部材に対応するように、セパレータ表面において、各マニホールド孔の周囲に位置決めのための係合部を設けることとしても良い。シール部材の形状にかかわらず、マニホールドにおけるシール性を確保するために物理的なシールを行なうならば、本発明を適用することにより、燃料電池全体を物理的なシールのみによってガスシールすることが可能になる。
D2. Modification 2:
In the embodiment, in order to ensure the sealing performance in the manifold, the
D3.変形例3:
第1および第2実施例では、ガスマニホールドとセル内ガス流路とを連通させる連通流路を内部に設けたセパレータを用い、巻回シール部60,160等のシール構造を、発電領域DA全体を囲むように設けているが、異なる構成としても良い。例えば、マニホールドとセル内ガス流路とを連通させる連通流路を、セパレータ内部に代えてセパレータの表面に設ける場合であっても、本願発明を適用して、物理的なシールのみによってガスシールを行なうことが可能となる。例えば、第1実施例と同様の巻回シール部60を設ける場合には、実施例と同様に発電領域DA全体を囲む形状の巻回シール部60を形成した後に、ガス流路形成部の厚みよりも浅い溝であって、所定のガスマニホールドと、このガスマニホールドに対応する一方のセル内ガス流路とを連通させる連通流路を形成するための溝を、巻回シール部60に対する切削加工等により形成すればよい。これにより、巻回シール部60を介して、上記所定のガスマニホールドと一方のセル内ガス流路とを連通させることができると共に、上記所定のガスマニホールドと他方のセル内ガス流路との間ではガスシール性が保たれた構造を得ることができる。なお、このような場合には、セル内ガス流路は、実施例と同様に流路形成多孔質体によって形成する他、セパレータの表面に設けた凹凸形状によって形成することも可能である。
D3. Modification 3:
In the first and second embodiments, a separator having a communication channel that communicates between the gas manifold and the gas flow channel in the cell is used, and the sealing structure such as the
10,110…セルアセンブリ
11,111…電解質膜
12…電極
13…ガス拡散層
14,15…ガス流路形成部
16…マニホールドシール部
17…リップ
20…第1位置決め凸部
21…絶縁部
22…第2位置決め凸部
24…角部シール凸部
30,130…セパレータ
31,131…カソード対向プレート
32…アノード対向プレート
33…中間プレート
40〜45…孔部
50…酸化ガス排出スリット
51…酸化ガス供給スリット
53…燃料ガス排出スリット
54…燃料ガス供給スリット
55〜58…連通部
59…冷媒孔
60,160…巻回シール部
61,161…巻き芯
62…巻き付け部
120…位置決め凸部
164…嵌め込みシール部
165…嵌め込み溝
166…リップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,110 ...
Claims (10)
電解質膜と、
該電解質膜上に形成された一対の電極と、
各々の前記電極上に配置されて該電極との間にガス流路を形成する一対のガスセパレータと、
前記電解質膜の外周部に設けられ、少なくとも一部が前記電解質膜を巻回することによって構成された巻回シール部と、
を備え、
前記巻回シール部は、前記ガスセパレータと直接あるいは他の部材を間に介して接し、前記電解質膜および前記ガスセパレータの積層方向に平行な締結圧が加えられたときに、前記巻回シール部が直接接する隣接部材である前記ガスセパレータあるいは前記他の部材との間で反力を生じることにより、前記隣接部材との接触部においてガスシール性を実現する
燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte membrane;
A pair of electrodes formed on the electrolyte membrane;
A pair of gas separators disposed on each of the electrodes to form a gas flow path between the electrodes;
A wound seal portion provided on an outer peripheral portion of the electrolyte membrane, at least a part of which is configured by winding the electrolyte membrane;
With
The winding seal portion is in contact with the gas separator directly or via another member, and when a fastening pressure parallel to the stacking direction of the electrolyte membrane and the gas separator is applied, the winding seal portion A fuel cell that realizes a gas sealing property at a contact portion with the adjacent member by generating a reaction force between the gas separator or the other member which is an adjacent member in direct contact with the fuel cell.
前記巻回シール部は、全体として弾性を備えると共に、前記ガスセパレータと直接接し、前記ガスセパレータに対して反力を生じることにより、前記ガスセパレータとの接触部においてガスシール性を実現する
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The wound seal portion has elasticity as a whole, and directly contacts the gas separator and generates a reaction force against the gas separator, thereby realizing gas sealing performance at the contact portion with the gas separator. .
少なくとも一方の前記セパレータは、前記巻回シール部と接する面において、前記巻回シール部と係合することによって前記セパレータ上における前記巻回シール部の位置を規定する位置決め係合部を有する
燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
At least one of the separators has a positioning engagement portion that defines a position of the winding seal portion on the separator by engaging with the winding seal portion on a surface in contact with the winding seal portion. .
前記一対のガスセパレータ間において、前記電解質膜の外周よりも前記セパレータの外周寄りに配置される弾性体であって、前記一対のガスセパレータと接することにより、前記ガスセパレータとの接触部においてガスシール性を実現する嵌め込みシール部を備え、
前記嵌め込みシール部は、前記ガスセパレータ間に配置されたときに前記電解質膜と対向する位置に、前記巻回シール部が嵌り込む凹部である嵌め込み凹部が形成されており、
前記巻回シール部は、前記嵌め込み凹部内に嵌り込んで、前記外部シール部との間で反力を生じることにより、前記外部シール部との接触部においてガスシール性を実現する
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, further comprising:
An elastic body disposed between the pair of gas separators and closer to the outer periphery of the separator than the outer periphery of the electrolyte membrane, and is in contact with the pair of gas separators so that a gas seal is formed at a contact portion with the gas separator. It has a fitting seal part that realizes
The fitting seal portion is formed with a fitting recess that is a recess into which the wound seal portion is fitted, at a position facing the electrolyte membrane when arranged between the gas separators,
The wound seal portion is fitted into the fitting recess and generates a reaction force with the outer seal portion, thereby realizing gas sealing performance at a contact portion with the outer seal portion.
少なくとも一方の前記セパレータは、前記嵌め込みシール部と接する面において、前記嵌め込みシール部と係合することによって前記セパレータ上における前記嵌め込みシール部の位置を規定する位置決め係合部を有する
燃料電池。 The fuel cell according to claim 4, wherein
At least one of the separators has a positioning engagement portion that defines a position of the fitting seal portion on the separator by engaging with the fitting seal portion on a surface in contact with the fitting seal portion.
前記電極と前記ガスセパレータとの間に配置された多孔質体であって、内部に設けられた細孔が形成する空間によって前記ガス流路を形成する流路形成多孔質体を備え、
前記ガスセパレータは、前記流路形成多孔質体と接する表面において、前記ガス流路に対してガスを給排する開口部が形成されており、
前記巻回シール部は、前記流路形成多孔質体の外周全体を囲んで配置されている
燃料電池。 6. The fuel cell according to claim 1, further comprising:
A porous body disposed between the electrode and the gas separator, the flow path forming porous body forming the gas flow path by a space formed by pores provided therein;
The gas separator has an opening for supplying and discharging gas to and from the gas channel on the surface in contact with the channel-forming porous body.
The wound seal portion is disposed so as to surround the entire outer periphery of the flow path forming porous body.
前記巻回シール部は、芯材の外周に、前記電解質膜の膜端部を1回以上巻回して成る
燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The wound seal portion is formed by winding the membrane end of the electrolyte membrane one or more times around the outer periphery of a core material.
前記巻回シール部は、前記電解質膜のみを巻回して成る
燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
The wound seal portion is formed by winding only the electrolyte membrane.
一方の表面に位置決め係合部を有するガスセパレータを用意する第1の工程と、
表面に一対の電極が形成された電解質膜を用意する第2の工程と、
前記電解質膜の外周部において、少なくとも一部が前記電解質膜を巻回することによって構成され、全体として弾性体として構成される巻回シール部を形成する第3の工程と、
前記位置決め係合部に前記巻回シール部を係合させつつ、前記第1の工程で用意した前記ガスセパレータの前記一方の面上に、前記第2の工程で得た前記電解質膜を配置する第3の工程と、
前記第3の工程で前記電解質膜を配置した前記ガスセパレータの前記一方の面上に、さらに他の前記ガスセパレータを積層する第4の工程と、
前記電解質膜を間に配置して積層した前記セパレータ間に、締結圧を加える第5の工程と
を備える燃料電池の製造方法。 A fuel cell manufacturing method comprising:
A first step of preparing a gas separator having a positioning engagement portion on one surface;
A second step of preparing an electrolyte membrane having a pair of electrodes formed on the surface;
A third step in which at least a part of the outer periphery of the electrolyte membrane is formed by winding the electrolyte membrane to form a wound seal portion configured as an elastic body as a whole;
The electrolyte membrane obtained in the second step is disposed on the one surface of the gas separator prepared in the first step while the winding seal portion is engaged with the positioning engagement portion. A third step;
A fourth step of stacking another gas separator on the one surface of the gas separator on which the electrolyte membrane is disposed in the third step;
And a fifth step of applying a fastening pressure between the separators having the electrolyte membrane disposed therebetween and laminated.
一方の表面に位置決め係合部を有するガスセパレータを用意する第1の工程と、
表面に一対の電極が形成された電解質膜を用意する第2の工程と、
前記電解質膜の外周部において、少なくとも一部が前記電解質膜を巻回することによって構成された巻回シール部を形成する第3の工程と、
前記巻回シール部を嵌め込み可能な嵌め込み凹部を有すると共に、弾性部材として構成された嵌め込みシール部を用意する第4の工程と、
前記嵌め込みシール部における前記嵌め込み凹部に対して前記巻回シール部を嵌め込んで、前記電解質膜と前記嵌め込みシール部とを一体化すると共に、前記位置決め係合部に前記嵌め込みシール部を係合させつつ、前記第1の工程で用意した前記ガスセパレータの前記一方の面上に、前記嵌め込みシール部と一体化した前記電解質膜を配置する第5の工程と、
前記第5の工程で前記電解質膜を配置した前記ガスセパレータの前記一方の面上に、さらに他の前記ガスセパレータを積層する第6の工程と、
前記電解質膜を間に配置して積層した前記セパレータ間に、締結圧を加える第7の工程と
を備える燃料電池の製造方法。 A fuel cell manufacturing method comprising:
A first step of preparing a gas separator having a positioning engagement portion on one surface;
A second step of preparing an electrolyte membrane having a pair of electrodes formed on the surface;
A third step of forming a wound seal portion constituted by winding at least a part of the electrolyte membrane at the outer periphery of the electrolyte membrane;
A fourth step of preparing a fitting seal portion configured as an elastic member, with a fitting recess capable of fitting the wound seal portion;
The winding seal portion is fitted into the fitting concave portion in the fitting seal portion so that the electrolyte membrane and the fitting seal portion are integrated, and the fitting seal portion is engaged with the positioning engagement portion. While, on the one surface of the gas separator prepared in the first step, a fifth step of disposing the electrolyte membrane integrated with the fitting seal portion;
A sixth step of laminating another gas separator on the one surface of the gas separator on which the electrolyte membrane is disposed in the fifth step;
And a seventh step of applying a fastening pressure between the separators laminated with the electrolyte membrane disposed therebetween.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009195193A JP2011048970A (en) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009195193A JP2011048970A (en) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011048970A true JP2011048970A (en) | 2011-03-10 |
Family
ID=43835117
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009195193A Pending JP2011048970A (en) | 2009-08-26 | 2009-08-26 | Fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011048970A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015195153A (en) * | 2014-03-31 | 2015-11-05 | トヨタ車体株式会社 | Fuel battery |
WO2017060955A1 (en) * | 2015-10-05 | 2017-04-13 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell stack |
-
2009
- 2009-08-26 JP JP2009195193A patent/JP2011048970A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015195153A (en) * | 2014-03-31 | 2015-11-05 | トヨタ車体株式会社 | Fuel battery |
WO2017060955A1 (en) * | 2015-10-05 | 2017-04-13 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell stack |
JPWO2017060955A1 (en) * | 2015-10-05 | 2018-07-26 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell stack |
US10193179B2 (en) | 2015-10-05 | 2019-01-29 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell stack |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5683433B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP2015076286A (en) | Resin-framed electrolyte membrane and electrode structure for fuel cell | |
JP2019186165A (en) | Fuel cell separator member and fuel cell stack | |
US9196911B2 (en) | Fuel cell gas diffusion layer integrated gasket | |
JP5839122B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP2007188693A (en) | Fuel cell and manufacturing method of fuel cell | |
JP2008171613A (en) | Fuel cells | |
JP5912942B2 (en) | Electrolyte membrane / electrode structure with resin frame and fuel cell | |
US9318753B2 (en) | Fuel cell | |
JP2007053007A (en) | Fuel cell | |
JP2006040792A (en) | Separator for solid polymer fuel cell, and cell for solid polymer fuel battery using it | |
US11171341B2 (en) | Fuel cell and method of manufacturing fuel cell | |
JP6092053B2 (en) | Electrolyte membrane / electrode structure with resin frame for fuel cells | |
WO2017006403A1 (en) | Fuel cell | |
JP2015090793A (en) | Resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure for fuel batteries | |
JP2011222393A (en) | Fuel cell | |
JP2008059760A (en) | Fuel cell, and manufacturing method of fuel cell | |
JP4780940B2 (en) | Solid polymer fuel cell | |
JP2011165589A (en) | Fuel cell | |
JP2012016877A (en) | Fuel cell gasket molding die | |
JP2011048970A (en) | Fuel cell | |
JP2007250228A (en) | Fuel cell | |
JP5321291B2 (en) | Fuel cell | |
JP2008192403A (en) | Feul cell, its manufacturing method, and laminated member for fuel cell | |
US9350034B2 (en) | Fuel cell gas diffusion layer integrated gasket |