JP2014107244A - Fuel battery and fuel battery stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack.
反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)を利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。燃料電池は、一般に、膜電極接合体(以下「MEA(Membrane Electrode Assembly)」とも呼ぶ)と、MEAを挟むように積層された一対の拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体(以下、「MEGA(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)」とも呼ぶ)と、MEGAを挟むように積層された一対のセパレータと、を備える。MEAは、電解質膜の一方の表面にアノードが形成され、他方の表面にカソードが形成された構成を有している。MEGAの外周部には、燃料電池の内部から外部への反応ガスの漏洩やアノード側とカソード側との間での反応ガスの混合(「クロスリーク」と呼ばれる)を防止するために、シール部材が配置される。 2. Description of the Related Art There are known fuel cells that directly convert chemical energy of a substance into electrical energy by causing an electrochemical reaction using a reaction gas (fuel gas and oxidant gas). A fuel cell generally includes a membrane electrode gas diffusion layer assembly (hereinafter referred to as “MEA (Membrane Electrode Assembly)”) and a pair of diffusion layers laminated so as to sandwich the MEA. "MEGA (Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)") and a pair of separators stacked so as to sandwich the MEGA. The MEA has a configuration in which an anode is formed on one surface of an electrolyte membrane and a cathode is formed on the other surface. A seal member is provided on the outer periphery of the MEGA to prevent leakage of reaction gas from the inside of the fuel cell to the outside and mixing of reaction gas between the anode side and the cathode side (referred to as “cross leak”). Is placed.
従来の燃料電池では、例えば、特許文献1に記載されているように、MEAの外周にシール部材を一体成形して、シール部材の両面とセパレータとの間および隣接するセパレータ間に接着材層を形成することで、MEGAにおける積層方向のばらつきが抑制されている。また、特許文献2には、セパレータとシール部材とが対向する部分の一部が接着されないことにより、複数の燃料電池の単位セルを積層して締結した場合に生じる変形への追従性が高められた燃料電池が開示されている。また、特許文献3には、常温では固体である未架橋のソリッドゴムを加熱することによって架橋させ、シール部材としての外側分割体と内側分割体とを一体化することで製造時のシール部材のずれを抑制する技術が開示されている。 In a conventional fuel cell, for example, as described in Patent Document 1, a seal member is integrally formed on the outer periphery of the MEA, and an adhesive layer is formed between both surfaces of the seal member and the separator and between adjacent separators. By forming, variation in the stacking direction in MEGA is suppressed. Further, in Patent Document 2, since a part of a portion where the separator and the seal member face each other is not bonded, followability to deformation that occurs when unit cells of a plurality of fuel cells are stacked and fastened is improved. A fuel cell is disclosed. In Patent Document 3, uncrosslinked solid rubber that is solid at room temperature is crosslinked by heating, and the outer divided body and the inner divided body as a sealing member are integrated to produce a seal member at the time of manufacture. A technique for suppressing the shift is disclosed.
しかし、特許文献1に開示された燃料電池では、外周に配置されたシール部材と内周に配置されたMEGAとでは積層方向に圧縮された場合の寸法変化量が異なるため、燃料電池が圧縮されて締結された後に締結および圧縮が解除されると、シール部材に歪応力が生じてシール性能が低下する場合があった。また、特許文献2に開示された技術では、単位セルを締結した場合における変形への追従性は高まるが、シール部材とセパレータとの接着面の面積が減少しているため、全面を接着している場合と比較してシール性能が低下してしまうという課題があった。また、特許文献3に開示された技術では、複数の分割体によってシール部材が構成されており、シール部材のコストが高くなり、また、燃料電池の製造が複雑になってしまうという課題があった。また、簡便な構造によって燃料電池の圧縮時と非圧縮時とにおけるシール部材に発生する歪応力を抑制してシール性能を向上させたいという課題があった。 However, in the fuel cell disclosed in Patent Document 1, the amount of dimensional change when compressed in the stacking direction is different between the sealing member disposed on the outer periphery and the MEGA disposed on the inner periphery, so that the fuel cell is compressed. When the fastening and the compression are released after being fastened, there is a case where the sealing member is subjected to strain stress and the sealing performance is deteriorated. Moreover, in the technique disclosed in Patent Document 2, the followability to deformation increases when the unit cell is fastened. However, since the area of the bonding surface between the seal member and the separator is reduced, the entire surface is bonded. There is a problem that the sealing performance is deteriorated as compared with the case where it is present. Further, the technique disclosed in Patent Document 3 has a problem that the sealing member is configured by a plurality of divided bodies, which increases the cost of the sealing member and complicates the manufacture of the fuel cell. . Further, there has been a problem that a simple structure is desired to improve the sealing performance by suppressing the strain stress generated in the sealing member when the fuel cell is compressed and when it is not compressed.
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、以下の形態として実現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.
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、電解質膜と前記電解質膜の両側の表面上に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように積層された第1および第2の拡散層と、を有する発電モジュールと;前記発電モジュールを挟むように積層された第1および第2のセパレータと;前記表面に平行な方向である面方向に沿った前記発電モジュールの外周部に配置され、前記第1および第2のセパレータに対向する外周面における第1の部分において前記第1のセパレータに接着されると共に前記外周面における第2の部分において前記第2のセパレータに接着され、前記電解質膜に接着されるシール部と、を備え;前記シール部は、前記膜電極接合体と前記第1および第2の拡散層とが積層される積層方向に平行で前記発電モジュールを含む断面の少なくとも1つにおける前記第1の部分と前記第2の部分とのうち前記面方向に沿って最も内側の部分から最も外側の部分までの範囲において、前記外周面を除き前記積層方向に平行でない内部表面を有する。この形態の燃料電池によれば、燃料電池が圧縮された後に圧縮が解除された場合に、燃料電池が積層方向に沿って膨張する。この場合に、シール部の外周面を除いた部分に形成された内部表面によって、シール部の内部に生じる歪応力は、内部表面付近が変形することで抑制される。よって、燃料電池の圧縮が解除された場合に、発電モジュールとシール部とにおける積層方向に沿った寸法変化量が異なってシール部に歪応力が生じても、接着された第1の部分と第2の部分とがはがれないので、燃料電池のシール性能が低下することを抑制することができる。 (1) According to one aspect of the present invention, a fuel cell is provided. The fuel cell includes a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and electrode layers disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and first and second diffusion layers stacked so as to sandwich the membrane electrode assembly. A power generation module having a layer; first and second separators stacked so as to sandwich the power generation module; and disposed on an outer peripheral portion of the power generation module along a plane direction that is parallel to the surface A first portion of the outer peripheral surface facing the first and second separators is bonded to the first separator and a second portion of the outer peripheral surface is bonded to the second separator; A seal portion bonded to the membrane; and the seal portion includes the power generation module parallel to a stacking direction in which the membrane electrode assembly and the first and second diffusion layers are stacked. Parallel to the stacking direction except for the outer peripheral surface in a range from the innermost portion to the outermost portion along the surface direction among the first portion and the second portion in at least one of the cross sections. Not having an internal surface. According to the fuel cell of this aspect, when the compression is released after the fuel cell is compressed, the fuel cell expands along the stacking direction. In this case, the strain stress generated inside the seal portion due to the internal surface formed on the portion excluding the outer peripheral surface of the seal portion is suppressed by deformation of the vicinity of the internal surface. Therefore, when the compression of the fuel cell is released, even if the amount of dimensional change along the stacking direction in the power generation module and the seal portion is different and a strain stress is generated in the seal portion, the bonded first portion and the first portion Since the portion 2 cannot be peeled off, it is possible to suppress a decrease in the sealing performance of the fuel cell.
(2)上記形態の燃料電池において、前記シール部は、前記第1の部分を含む第1のシール部材と、前記第2の部分を含む第2のシール部材と、から構成され;前記内部表面は、前記第1のシール部材と前記第2のシール部材とが互いに対向する面であってもよい。この形態の燃料電池によれば、シール部を分割することで、簡便に内部表面を形成することができる。 (2) In the fuel cell of the above aspect, the seal portion includes a first seal member including the first portion and a second seal member including the second portion; the internal surface May be surfaces on which the first seal member and the second seal member face each other. According to the fuel cell of this embodiment, the inner surface can be easily formed by dividing the seal portion.
(3)上記形態の燃料電池において、前記シール部における前記内部表面が位置する部分の前記積層方向に沿った厚さは、前記シール部における前記積層方向に沿った最大の厚さであってもよい。この形態の燃料電池によれば、燃料電池が積層方向に沿って圧縮されると、シール部において、内部表面が位置する部分の近くが他の部分よりも先に変形する。シール部が変形した後、シール部内における対向する内部表面が接触する場合に、面方向に沿って内部表面を有する部分が最も積層方向に沿って厚さが厚くなるため、他の部分が過剰に圧縮されることを抑制できる。よって、シール部内における歪応力の発生を抑制することができ、シール部の耐久性を向上させることができる。 (3) In the fuel cell of the above aspect, the thickness along the stacking direction of the portion of the seal portion where the inner surface is located may be the maximum thickness along the stacking direction of the seal portion. Good. According to the fuel cell of this aspect, when the fuel cell is compressed along the stacking direction, the vicinity of the portion where the inner surface is located in the seal portion is deformed before the other portion. After the seal part is deformed, when opposing internal surfaces in the seal part come into contact with each other, the part having the internal surface along the surface direction is thickest along the laminating direction. It can suppress being compressed. Therefore, generation | occurrence | production of the distortion stress in a seal part can be suppressed, and durability of a seal part can be improved.
(4)上記形態の燃料電池において、前記シール部における前記第1の部分と前記第2の部分とのうち少なくとも一方は、前記面方向に沿って全面で前記第1または第2のセパレータに接着されていてもよい。この形態の燃料電池によれば、シール部に内部表面を形成しつつ、第1の部分と第2の部分との少なくとも一方の面積が大きいため、シール性能が低下することをより抑制することができる。 (4) In the fuel cell of the above aspect, at least one of the first portion and the second portion in the seal portion is bonded to the first or second separator over the entire surface along the surface direction. May be. According to the fuel cell of this aspect, since the area of at least one of the first portion and the second portion is large while forming the inner surface in the seal portion, it is possible to further suppress the deterioration of the seal performance. it can.
本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池に用いるシール部材、燃料電池用発電モジュール、燃料電池システム、燃料電池システムを備える移動体、これらの装置またはシステムの製造方法、等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various modes. For example, it is realized in the form of a fuel cell, a fuel cell stack, a seal member used for the fuel cell, a fuel cell power generation module, a fuel cell system, a mobile body including the fuel cell system, a manufacturing method of these devices or systems, Can do.
次に、本発明における実施形態を以下の順序で説明する。
A.実施形態:
A−1.燃料電池スタックの構成:
A−2.燃料電池スタックの製造工程:
B.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order.
A. Embodiment:
A-1. Fuel cell stack configuration:
A-2. Manufacturing process of fuel cell stack:
B. Variations:
A.実施形態:
A−1.燃料電池スタックの構成:
図1は、本発明の実施形態としての燃料電池スタック100の概略構成を示す説明図である。本実施形態の燃料電池スタック100は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。図1に示すように、燃料電池スタック100は、エンドプレート210と、セルスタック201と、エンドプレート211とがこの順に積層されて形成されている。燃料電池スタック100は、エンドプレート210とエンドプレート211との4隅を締結具215によって締結されている。セルスタック201は、複数のセルモジュール202が積層されて形成されている。また、セルモジュール202は、複数の単位セル200が積層されて形成されている。
A. Embodiment:
A-1. Fuel cell stack configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック100には、単位セル200に燃料ガスである水素ガス、酸化剤ガスである圧縮された空気(以下、合わせて「反応ガス」とも呼ぶ)および冷却水を供給するために、単位セル200が積層される積層方向に沿ってセルスタック201を貫通するようなマニホールド孔221,223,225が形成されている。また、マニホールド孔221,223,225のそれぞれから供給された反応ガスのうち未反応のガスと単位セル200内を循環した後の冷却水とは、セルスタック201を貫通するように形成されたマニホールド孔222,224,226のそれぞれを通って燃料電池スタック100の外へと排出される。燃料電池スタック100における単位セル200のそれぞれには、マニホールド孔221,223,225から供給された反応ガスと冷却水とを積層方向に垂直な面方向に沿って拡散させるために、マニホールド孔221,223,225とマニホールド孔222,224,226と接続された流路が形成されている。
In order to supply the
図2は、セルモジュール202の詳細構成を示す説明図である。図2には、図1に示すA1断面におけるセルモジュール202の一部のうち、MEGA311の面方向に沿った端部が積層方向に圧縮されて締結されることでシール部材330によってシールされている部分が示されている。図2に示すように、セルモジュール202は、複数の同一の単位セル200が積層され、接着層340によって互いに接着されて形成されている。図2には、3個の単位セル200が積層された状態が示されている。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
単位セル200は、アノード側セパレータ326と、膜電極ガス拡散層接合体(以下、「MEGA(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)」とも呼ぶ)311と、カソード側セパレータ324とが積層されて形成されている。また、単位セル200では、アノード側セパレータ326とカソード側セパレータ324との間にシール部材330が配置されている。シール部材330は、面方向に沿って、MEGA311よりも外周側に配置されている。なお、MEGA311は、本発明の発電モジュールに相当する。
The
MEGA311は、アノード側ガス拡散層316と、膜電極接合体(以下「MEA(Membrane Electrode Assembly)」とも呼ぶ)311と、カソード側ガス拡散層314とが積層されて形成されている。MEA310では、電解質膜の両面に触媒層が塗布されて、アノード側ガス拡散層316と対向する側にアノードが形成され、カソード側ガス拡散層314と対向する側にカソードが形成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。触媒層は、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、触媒金属担持担体と電解質としてのアイオノマーとを含む材料により形成されている。
The
アノード側ガス拡散層316は、面方向に沿ってアノード側セパレータ326に一部で接着されている。アノード側ガス拡散層316は、MEA310およびカソード側ガス拡散層314と比較して、面方向に沿って面積が小さくなるように形成されている。アノード側セパレータ326とカソード側セパレータ324とは、積層方向に沿った凹凸が形成された平板形状である。アノード側ガス拡散層316とアノード側セパレータ326との間には、マニホールド孔221とマニホールド孔222とに接続された複数の水素ガス流路fp1の空間が形成されている。なお、複数の水素ガス流路fp1と後述する複数の酸化剤ガス流路fp2とは、単位セル200内において面方向に沿って形成されている。水素ガス流路fp1は、マニホールド孔221を介して供給された水素ガスを面方向に沿って拡散し、マニホールド孔222を介して未反応の水素ガスを排出する。
The anode side
カソード側ガス拡散層314は、面方向に沿ってカソード側セパレータ324に一部で接着されている。カソード側ガス拡散層314とカソード側セパレータ324との間には、マニホールド孔223とマニホールド孔224と接続された複数の酸化剤ガス流路fp2が形成されている。酸化剤ガス流路fp2は、マニホールド孔223を介して供給されえた酸化剤ガスを面方向に沿って拡散し、マニホールド孔224を介して未反応の酸化剤ガスを排出する。アノード側ガス拡散層316とカソード側ガス拡散層314とは、カーボンクロスやカーボンペーパーのような複数の炭素繊維を樹脂で固めた拡散層基材により形成されている。また、アノード側セパレータ326とカソード側セパレータ324とは、ガスを透過しない緻密質であると共に導電性を有する材料、例えば圧縮成型された緻密質カーボン、金属、導電性樹脂により形成されている。
The cathode side
MEGA311の面方向に沿った外周部は、シール部材330によって反応ガスが単位セル200の外部へと漏れないように封止されている。シール部材330は、第1のシール部336と第2のシール部334とに分割されて構成されている。第1のシール部336と第2のシール部334とは、積層方向に沿って互いに対向する面の一部である接着面331において接着されている。第1のシール部336は、第2のシール部334と比較して、面方向に沿って単位セル200の内周部に突き出るように形成されている。第1のシール部336は、積層方向に沿ってMEA310と対向する面332でMEA310に接着されている。第1のシール部336とMEA310とが接着されることで、単位セル200において水素ガスと酸化剤ガスとの混合(「クロスリーク」と呼ばれる)が防止される。また、第1のシール部336は、接着面337において、アノード側セパレータ326に接着されている。第1のシール部336とアノード側セパレータ326とは、接着面337において、面方向に沿って最も内側である内周面L1まで接着されている。また、図示を省略したが、接着面337は、面方向に沿って第1のシール部336とアノード側セパレータ326との外周の端部まで及んでいる。締結されている状態での第1のシール部336の積層方向に沿った厚さは、厚さT1であり、面方向に沿って同一の厚さである。
The outer peripheral portion along the surface direction of the
第2のシール部334は、MEGA311に接触しないと共に、接着面335において、カソード側セパレータ324に接着されている。接着面337と接着面335とは、積層方向に沿って互いに第1のシール部336と第2のシール部334とを介して対向する位置に形成されている。また、第2のシール部334とカソード側セパレータ324とは、接着面335において、接着面337と同様に、面方向に沿って最も内側である内周面L1まで接着されている。また、接着面335は、面方向に沿って第2のシール部334とカソード側セパレータ324との端部まで及んでいる。第2のシール部334の積層方向に沿った厚さは、厚さT2であり、面方向に沿って同一の厚さである。なお、接着面337と接着面335とのそれぞれは、本発明における第1の部分と第2の部分とに相当する。接着面331、接着面337および接着面335は、図2において、太線で強調して表示されているが、後述する図4以下では、省略して強調した表示が省略される。
The
第1のシール部336は、第2のシール部334に対向する内部表面338を有している。また、同様に、第2のシール部334は、第1のシール部336の内部表面338に対向する内部表面333を有している。図2に示すように、単位セル200が積層方向に沿って圧縮されて締結された状態では、内部表面338と内部表面333とは、密着している。内部表面338と内部表面333とは、アノード側セパレータ326またはカソード側セパレータ324に対向するシール部材330の外周部を除いた部分に積層方向とは平行ではない表面である。また、内部表面338と内部表面333とは、単位セル200において積層方向と平行な内周面L1よりも面方向に沿った外周側に形成されている。
The
A−2.燃料電池スタックの製造工程:
図3は、燃料電池スタック100の製造工程の流れを示す説明図である。図3に示すように、燃料電池スタック100の製造では、初めに、単位セル200が作製される(ステップS410)。単位セル200は、MEA310にアノード側ガス拡散層316とカソード側ガス拡散層314とが積層されて接着されることでMEGA311が作製される。単位セル200は、MEGA311とシール部材330とを挟むようにアノード側セパレータ326とカソード側セパレータ324とが積層されて形成される。次に、作製された複数の単位セル200が積層される(ステップS420)。各単位セル200は、接着層340によって積層方向に接着されて積層される。
A-2. Manufacturing process of fuel cell stack:
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the flow of the manufacturing process of the
図4は、作製された単位セル200の詳細構成を示す説明図である。図4には、接着層340によって積層方向に接着されて積層された複数の単位セル200のうち、3個の単位セル200が示されている。図4では、積層された単位セル200は、積層方向に圧縮されていない。図4に示すように、第1のシール部336における積層方向に沿った厚さは、厚さT1’あり、面方向に沿って同一の厚さである。また、第2のシール部334における積層方向に沿った厚さは、厚さT2’であり、面方向に沿って同一の厚さである。シール部材330において内部表面338と内部表面333とが位置する部分の積層方向に沿った厚さ(T1’+T2’)は、シール部材330における積層方向に沿った最大の厚さである。第1のシール部336と第2のシール部334とは、積層方向に沿って段差が設けられた形状である。それにより、内部表面338と内部表面333との間には、空間SPが形成されている。接着面337と接着面335とが位置する部分における空間SPの積層方向に沿った厚さは、厚さTsp’である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the manufactured
複数の単位セル200が積層された後、エンドプレート210,211に挟まれて積層方向に圧縮されて締結されると、セルスタック201が作製される(図3のステップS430)。単位セル200が積層方向に圧縮されると、図2に示すように、シール部材330とMEGA311とにおける積層方向に沿った厚さが小さくなる。また、シール部材330は、空間SPの積層方向に沿った厚さTspが小さくなるように弾性変形し、内部表面338と内部表面333とが密着する。その後、さらに単位セル200が積層方向に圧縮されて、第1のシール部336と第2のシール部334との面方向に沿った厚さのそれぞれは、厚さT1’および厚さT2’から厚さT1と厚さT2まで小さくなる。
After the plurality of
以上説明したように、本実施形態における単位セル200では、単位セル200がアノード側セパレータ326と、MEGA311と、カソード側セパレータ324とが積層されて形成されている。MEGA311は、アノード側ガス拡散層316と、MEA310と、カソード側ガス拡散層314とが積層されて形成されている。MEA310は、電解質膜の両面に触媒層が塗布されて形成されている。また、シール部材330は、接着面337においてアノード側セパレータ326と接着され、接着面335においてカソード側セパレータ324と接着されている。シール部材330には、接着面337と接着面335とのうち面方向に沿って最も内側である内周面L1までの範囲に、積層方向に平行でない内部表面338と内部表面333とが形成されている。そのため、本実施形態の単位セル200では、燃料電池スタック100を圧縮して締結した後に圧縮および締結を解除した場合にMEGA311の圧縮状態が解除されて、単位セル200が積層方向に沿って膨張する。この場合に、シール部材330の内部に内部表面338と内部表面333とが形成されることで、シール部材330の内部に生じる歪応力は、内部表面338と内部表面333との付近の部分が弾性変形することで抑制される。よって、MEGA311の圧縮状態が解除された場合に、MEGA311とシール部材330とにおける積層方向に沿った寸法変化量が異なってシール部材330に歪応力が生じても、接着面337と接着面335とがはがれないので、単位セル200のシール性能が低下することを抑制することができる。
As described above, in the
本実施形態における単位セル200では、シール部材330は、第1のシール部336と第2のシール部334とから構成される。第1のシール部336と第2のシール部334とが互いに対向する面に、内部表面338と内部表面333とが形成されている。そのため、単位セル200では、シール部材330を分割することで、簡便に内部表面338と内部表面333とを形成することができる。
In the
本実施形態における単位セル200では、シール部材330において内部表面338と第1のシール部336とが位置する部分の積層方向に沿った厚さ(T1’+T2’)は、シール部材330における積層方向に沿った最大の厚さである。そのため、単位セル200が積層方向に沿って圧縮されると、シール部材330において、内部表面338と内部表面333とが位置する部分の近くが他の部分よりも先に弾性変形する。シール部材330が弾性変形した後、内部表面338と内部表面333とが接触する場合に、面方向に沿って内部表面338と内部表面333とを有する部分が最も積層方向に沿って厚さが厚くなるため、他の部分が過剰に圧縮されることを抑制できる。よって、シール部材330内における歪応力の発生を抑制することができ、シール部材330の耐久性を向上させることができる。
In the
B.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。
B. Variations:
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.
B1.変形例1:
図5は、第1変形例におけるセルモジュール202aの詳細構成を示す説明図である。第1変形例では、実施形態のシール部材330における第1のシール部336aが実施形態の第1のシール部336と異なり、他の構成については実施形態と同じである。図5には、単位セル200aが積層方向に圧縮されていない状態が示されている。図5に示すように、シール部材330aは、接着面337aにおいて、アノード側セパレータ326に接着されている。第1のシール部336aは、アノード側セパレータ326に対向する全面である接着面337aで接着されている。第1のシール部336aとアノード側セパレータ326とは、接着面337aにおいて、面方向に沿って最も内側である内周面L1aまで接着されている。また、第2のシール部334とカソード側セパレータ324とは、接着面335において、面方向に沿って最も内側である内周面L2aまで接着されている。なお、内周面L2aは、実施形態における内周面L1と同一の内周面である。
B1. Modification 1:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
この第1変形例における単位セル200aでは、第1のシール部336aと第2のシール部334とのうち一方の第1のシール部336aは、面方向に沿って全面である接着面337aでアノード側セパレータ326と接着されている。そのため、この単位セル200aでは、シール部材330aに内部表面338aと内部表面333とを形成しつつ、接着面337aの面積が大きいため、シール性能が低下することをより抑制することができる。
In the
B2.変形例2:
図6は、第2変形例におけるセルモジュール202bの詳細構成を示す説明図である。第2変形例では、シール部材330bが実施形態のシール部材330と異なり、他の構成については実施形態と同じである。図6に示すように、シール部材330bでは、第1のシール部336bの形状と第2のシール部334bの形状とが第1実施形態と異なる。具体的には、アノード側セパレータ326と接着されている接着面337bの位置と、カソード側セパレータ324と接着されている接着面335bの位置とが異なる。また、第1のシール部336bに形成された内部表面338bの位置と、第2のシール部334bに形成された内部表面333bの位置とが異なる。また、第1のシール部336bは、積層方向に沿った暑さが第1のシール部336bにおける位置によって異なる。
B2. Modification 2:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
第1のシール部336bとアノード側セパレータ326とは、接着面337bにおいて、面方向に沿って最も内側である内周面L1bまで接着されている。また、第2のシール部334bとカソード側セパレータ324とは、接着面335bにおいて、面方向に沿って最も内側である内周面L2bまで接着されている。内部表面338bと内部表面333bとは、面方向に沿って内周面L1bよりも外周側に形成されている。第1のシール部336bは、内部表面338bを通る積層方向に沿った厚さが最も大きく、厚さT1b’である。また、第2のシール部334bは、内部表面333bを通る積層方向に沿った厚さが最も大きく、厚さT2b’である。そのため、シール部材330bにおける積層方向に沿った厚さの最大値は、厚さ(T1b’+T2b’)であり、シール部材330bにおける内部表面338bと内部表面333bとが位置する部分の積層方向に沿った厚さである。そのため、この第2変形例における単位セル200bでは、シール部材330b内における歪応力の発生を抑制することができ、また、シール性能の低下を抑制することができる。
The
B3.変形例3:
図7は、第3変形例におけるセルモジュール202cの詳細構成を示す説明図である。第3変形例では、シール部材330cが実施形態のシール部材330と異なり、他の構成については実施形態と同じである。図5(a)には、締結される前の状態のセルモジュール202cが示され、図5(b)には、締結された後のセルモジュール202cが示されている。
B3. Modification 3:
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
図7(a)に示すように、シール部材330cは、第1実施形態とは異なり、2つのシール部に分割されずに一体で形成されている。シール部材330cには、内部に内部表面338cと内部表面333cと、内部表面338cと内部表面333cによって形成された空間SPcとが形成されている。シール部材330cは、アノード側セパレータ326に接着面337cにおいて接着されており、カソード側セパレータ324に接着面335cにおいて接着されている。接着面337cと接着面335cとは、シール部材330cを介して対向する位置に形成されている。シール部材330cは、接着面337cと接着面335cにおいて、面方向に沿って最も内側である内周面L1cまで接着されている。内部表面338cと内部表面333cとは、面方向に沿って内周面L1cよりも外周側に形成されている。
As shown in FIG. 7A, unlike the first embodiment, the
第3変形例では、シール部材330cにおける内部表面333cと内部表面333cとが位置する部分の積層方向に沿った厚さは、厚さ(T1c’+T2c’)であり、シール部材330cにおける他の部分よりも薄くなっている。そのため、図7(b)に示すように、シール部材330cが積層方向に圧縮された後の厚さ(T1c+T2c)は他の部分よりも薄く、内部表面338cと内部表面333cとは密着せずに空間SPcが空間として残ったままで燃料電池スタック100cが締結される。以上説明したように、シール部材330cにおける内部表面338cと内部表面333cとが位置する部分の積層方向に沿った厚さ(T1c’+T2c’)が最大の厚さでなく、単位セル200cが圧縮された状態で空間SPcが残っていても、シール部材330c内における歪応力の発生を抑制することができる。また、単位セル200cでは、シール部材330cが1つの部品として形成されているため、単位セル200cの製造を簡便にすることができる。
In the third modification, the thickness along the stacking direction of the portion where the
B4.変形例4:
上記実施形態では、アノード側ガス拡散層316は、面方向に沿ってカソード側ガス拡散層314よりも小さい面積であるガス拡散層としたが、アノード側ガス拡散層316とカソード側ガス拡散層314との大小関係はこれに限られず、種々変形可能である。例えば、カソード側ガス拡散層314が積層方向に沿ってアノード側ガス拡散層316よりも小さい面積であってもよいし、カソード側ガス拡散層314とアノード側ガス拡散層316とが同じ面積であってもよい。
B4. Modification 4:
In the above embodiment, the anode side
上記実施形態では、シール部材330とMEA310とが面332で接着される態様であるとしたが、反応ガスのクロスリークを防止するための態様はこれに限られず、種々変形可能である。例えば、積層方向に沿ってMEA310とシール部材330とが対向しておらず、アノード側ガス拡散層316またはカソード側ガス拡散層314にシール部材330を含浸させることにより、反応ガスのクロスリークを防止してもよい。また、アノード側ガス拡散層316とMEA310とを面方向に沿ってではなく、積層方向に沿ってシール部材330とMEGA311とを接着させて、反応ガスのクロスリークを防止してもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、シール部材330とアノード側ガス拡散層316およびカソード側ガス拡散層314との接着面337および接着面335がシール部材330を介して対向する位置に形成されたが、接着面337および接着面335が形成される位置はこれに限られず種々変形可能である。例えば、接着面337が面方向に沿って離れた2箇所に形成され、接着面335が面方向に沿った当該2箇所の接着面337の間に形成され、シール部材330における接着面335が位置する積層方向に沿った断面において、内部表面338と接着面335とが形成されてもよい。言い換えれば、2箇所の接着面337と接着面335とを結んだ図形は、積層方向に沿った断面において、三角形の位置関係を形成しており、当該三角形の内部に内部表面338と接着面335とが形成される。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、セルモジュール202を構成する単位セル200のそれぞれが内部表面338および内部表面333を形成する態様としたが、必ずしもセルモジュール202を構成する全ての単位セル200が内部表面338および内部表面333を有する必要はない。セルモジュール202を構成する単位セル200の種類については種々変形可能である。例えば、セルモジュール202は、内部表面338および内部表面333を有するシール部材330を備えた単位セル200と、内部表面338および内部表面333を有さないシール部材を備えた単位セル200とが交互に積層されてもよい。また、単位セル200においてMEGA311が含まれる全ての積層方向に沿った全ての断面において、内部表面338および内部表面333が形成されていなくてもよい。
In the above embodiment, each of the
上記実施形態では、シール部材330に形成される内部表面338と内部表面333とは、シール部材330を積層方向に沿って分割する表面であったが、シール部材330における積層方向に平行でない内部表面は、この態様に限られず、種々変形可能である。例えば、シール部材330に形成される内部表面は、シール部材330の内部に形成される切り込みや切り欠きであってもよい。また、内部表面の形状は、平面に限られず、円注の空間といった形状でもよい。
In the above embodiment, the
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行なうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments and the modifications corresponding to the technical features in each form described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
100…燃料電池スタック
200…単位セル
201…セルスタック
202…セルモジュール
210,211…エンドプレート
215…締結具
221,222,223,224,225,226…マニホールド孔
310…MEA
311…MEGA
314…カソード側ガス拡散層
316…アノード側ガス拡散層
324…カソード側セパレータ
326…アノード側セパレータ
330…シール部材
331…接着面
332…面
333…内部表面
334…第2のシール部
335…接着面
336…第1のシール部
337…接着面
338…内部表面
340…接着層
L1…接着面337の内周面
L2…接着面335の内周面
T1,T1’…第1のシール部336の厚さ
Tsp…空間SPの厚さ
T2,T2’…厚さ
SP…空間
fp1…水素ガス流路
fp2…酸化剤ガス流路
DESCRIPTION OF
311 ... MEGA
314... Cathode side
Claims (5)
電解質膜と前記電解質膜の両側の表面上に配置された電極層とを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように積層された第1および第2の拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールを挟むように積層された第1および第2のセパレータと、
前記表面に平行な方向である面方向に沿った前記発電モジュールの外周部に配置され、前記第1および第2のセパレータに対向する外周面における第1の部分において前記第1のセパレータに接着されると共に前記外周面における第2の部分において前記第2のセパレータに接着され、前記電解質膜に接着されるシール部と、を備え、
前記シール部は、前記膜電極接合体と前記第1および第2の拡散層とが積層される積層方向に平行で前記発電モジュールを含む断面の少なくとも1つにおける前記第1の部分と前記第2の部分とのうち前記面方向に沿って最も内側の部分から最も外側の部分までの範囲において、前記外周面を除き前記積層方向に平行でない内部表面を有する、燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and electrode layers disposed on both surfaces of the electrolyte membrane; and first and second diffusion layers stacked so as to sandwich the membrane electrode assembly. A power generation module;
First and second separators stacked so as to sandwich the power generation module;
It is arrange | positioned at the outer peripheral part of the said electric power generation module along the surface direction which is a direction parallel to the said surface, and is adhere | attached on the said 1st separator in the 1st part in the outer peripheral surface facing the said 1st and 2nd separator. And a seal portion bonded to the second separator at the second portion of the outer peripheral surface and bonded to the electrolyte membrane,
The seal portion includes the first portion and the second portion in at least one of cross sections including the power generation module parallel to a stacking direction in which the membrane electrode assembly and the first and second diffusion layers are stacked. And an inner surface that is not parallel to the stacking direction except for the outer peripheral surface in a range from the innermost part to the outermost part along the surface direction.
前記シール部は、前記第1の部分を含む第1のシール部材と、前記第2の部分を含む第2のシール部材と、から構成され、
前記内部表面は、前記第1のシール部材と前記第2のシール部材とが互いに対向する面である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
The seal portion includes a first seal member including the first portion, and a second seal member including the second portion,
The fuel cell, wherein the inner surface is a surface where the first seal member and the second seal member face each other.
前記シール部における前記内部表面が位置する部分の前記積層方向に沿った厚さは、前記シール部における前記積層方向に沿った最大の厚さである、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The fuel cell in which the thickness along the stacking direction of the portion of the seal portion where the inner surface is located is the maximum thickness along the stacking direction of the seal portion.
前記シール部における前記第1の部分と前記第2の部分とのうち少なくとも一方は、前記面方向に沿って全面で前記第1または第2のセパレータに接着されている、燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein
At least one of the first portion and the second portion in the seal portion is bonded to the first or second separator over the entire surface along the surface direction.
前記複数の燃料電池のそれぞれは、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載された燃料電池である、燃料電池スタック。 A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked,
Each of the plurality of fuel cells is a fuel cell stack, which is the fuel cell according to any one of claims 1 to 4.
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