JP2020149804A

JP2020149804A - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP2020149804A
Application number: JP2019044239A
Authority: JP
Inventors: 和則柴田; Kazunori Shibata; 隆梶原; Takashi Kajiwara; 祥夫岡田; Yoshio Okada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-09-17

Abstract

To provide a fuel cell stack capable of preventing hydrogen from mixing into cooling water.SOLUTION: In a fuel cell stack 1, multiple reaction gas manifolds, cooling water inlet manifolds and cooling water outlet manifolds, penetrating a support frame 18 and separators 20, 40 are formed. The separator has first bead seal parts 242, 442 projecting to the support frame side and not surrounding the multiple reaction gas manifolds but surrounding any one of the cooling water inlet manifolds or the cooling water outlet manifolds, and second bead seal parts 252, 452 projecting to the support frame side and not surrounding the multiple reaction gas manifolds but surrounding the first bead seal part, and an open hole 182 is provided in at least one of the support frame and the separator, between the first and second seal parts.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.

燃料電池スタックでは、一対のセパレータには外周ビードシール部が設けられている。外周ビードシール部は、冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドは包囲せずに、複数の反応ガスマニホールドを包囲し、一対のセパレータの外周縁に沿うように延びている。このため、一対のセパレータの間に形成された、冷却水入口マニホールドから冷却水出口マニホールドにまで冷却水を案内する流路溝は、外周ビードシール部の内部と連通する。このため冷却水の一部は、外周ビードシール部内を流れる。ここで、外周ビードシール部は、上述したように一対のセパレータの外周縁に沿って延びているため、膜電極接合体から離れた位置にある。従って、外周ビードシール部内を流れる冷却水は、膜電極接合体の冷却には寄与せず、冷却効率が低下する可能性がある。このような冷却効率の低下を抑制するために、外周ビードシール部内に予め充填物を充填しておき、外周ビードシール部内に冷却水が流れることを防止する技術がある（例えば特許文献１参照）。 In the fuel cell stack, the pair of separators are provided with an outer bead seal portion. The outer peripheral bead seal portion surrounds a plurality of reaction gas manifolds without surrounding the cooling water inlet manifold and the cooling water outlet manifold, and extends along the outer peripheral edge of the pair of separators. Therefore, the flow path groove formed between the pair of separators for guiding the cooling water from the cooling water inlet manifold to the cooling water outlet manifold communicates with the inside of the outer peripheral bead seal portion. Therefore, a part of the cooling water flows in the outer bead seal portion. Here, since the outer peripheral bead seal portion extends along the outer peripheral edge of the pair of separators as described above, it is located at a position away from the membrane electrode assembly. Therefore, the cooling water flowing in the outer peripheral bead seal portion does not contribute to the cooling of the membrane electrode assembly, and the cooling efficiency may decrease. In order to suppress such a decrease in cooling efficiency, there is a technique in which the outer peripheral bead seal portion is filled with a filler in advance to prevent the cooling water from flowing into the outer peripheral bead seal portion (see, for example, Patent Document 1). ..

特表２０１７−５３５９１５号公報Special Table 2017-535915

特許文献１のように充填物を用いずに冷却効率を確保するためには、外周ビードシール部を、冷却水マニホールドを含めて包囲するように設けることが考えられる。これにより、冷却水を案内する流路溝は、外周ビードシール部内と連通しないため、外周ビードシール部内には冷却水が混入しない。しかしながらこのような構成においては、冷却水入口マニホールド内の冷却水と反応ガスとは、冷却水入口マニホールドのみを包囲する単一のビードシール部を介してシールされる。同様に、冷却水出口マニホールド内の冷却水と反応ガスとは、冷却水出口マニホールドのみを包囲する単一のビードシール部を介してシールされる。このため、このような単一のビードシール部を介して、例えば燃料ガス中の水素が冷却水中に混入する可能性がある。 In order to secure the cooling efficiency without using a filler as in Patent Document 1, it is conceivable to provide the outer peripheral bead seal portion so as to surround it including the cooling water manifold. As a result, the flow path groove for guiding the cooling water does not communicate with the inside of the outer bead seal portion, so that the cooling water does not mix in the outer bead seal portion. However, in such a configuration, the cooling water and the reaction gas in the cooling water inlet manifold are sealed via a single bead seal portion that surrounds only the cooling water inlet manifold. Similarly, the cooling water and the reaction gas in the cooling water outlet manifold are sealed via a single bead seal that surrounds only the cooling water outlet manifold. Therefore, for example, hydrogen in the fuel gas may be mixed into the cooling water through such a single bead seal portion.

そこで本発明は、冷却水中に水素が混入することを抑制する燃料電池スタックを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack that suppresses hydrogen from being mixed in the cooling water.

上記目的は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電する複数の単セルが積層された燃料電池スタックであって、前記複数の単セルの少なくとも一つは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を支持する支持フレームと、アノードセパレータ及びカソードセパレータを含み、前記膜電極接合体及び支持フレームに対向した一対のセパレータと、を備え、前記支持フレーム及び一対のセパレータには、当該支持フレーム及び一対のセパレータを貫通した複数の反応ガスマニホールドと冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとが形成され、前記一対のセパレータは、前記支持フレーム側に突出すると共に前記複数の反応ガスマニホールドを包囲せずに前記冷却水入口マニホールド及び冷却水出口マニホールドの一方を包囲する第１ビードシール部と、前記支持フレーム側に突出すると共に前記複数の反応ガスマニホールドを包囲せずに前記第１ビードシール部を包囲する第２ビードシール部と、前記第１及び第２ビードシール部及び前記複数の反応ガスマニホールドを包囲する外周ビードシール部と、を有し、前記第１及び第２ビードシール部の間で、前記支持フレーム及び一対のセパレータの少なくとも一方に貫通孔が設けられている、燃料電池スタックによって達成できる。 The above object is a fuel cell stack in which a plurality of single cells for generating power by using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen are laminated, and at least one of the plurality of single cells is a membrane. A support frame for supporting the membrane electrode assembly, a support frame including the anode separator and a cathode separator, and a pair of separators facing the membrane electrode assembly and the support frame are provided, and the support frame and a pair. The separator is formed with a plurality of reaction gas manifolds, a cooling water inlet manifold, and a cooling water outlet manifold that penetrate the support frame and the pair of separators, and the pair of separators project toward the support frame and the plurality of separators. The first bead seal portion that surrounds one of the cooling water inlet manifold and the cooling water outlet manifold without surrounding the reaction gas manifold, and the reaction gas manifold that protrudes toward the support frame and does not surround the plurality of reaction gas manifolds. It has a second bead seal portion that surrounds the first bead seal portion, and an outer peripheral bead seal portion that surrounds the first and second bead seal portions and the plurality of reaction gas manifolds, and has the first and first bead seal portions. This can be achieved by a fuel cell stack in which through holes are provided in at least one of the support frame and the pair of separators between the two bead seals.

冷却水中に水素が混入することを抑制する燃料電池スタックを提供できる。 It is possible to provide a fuel cell stack that suppresses hydrogen from being mixed in the cooling water.

図１は、燃料電池スタックの単セルの分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view of a single cell of a fuel cell stack. 図２は、上方側から見た場合でのセパレータの概略図である。FIG. 2 is a schematic view of the separator when viewed from above. 図３は、図２のＡ−Ａ線に対応した燃料電池スタックの部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack corresponding to the line AA of FIG. 図４は、図２のＢ−Ｂ線に対応した燃料電池スタックの部分断面図である。FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack corresponding to the line BB of FIG. 図５は、第１変形例の燃料電池スタックの部分断面図である。FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack of the first modification. 図６は、第２変形例の燃料電池スタックの部分断面図である。FIG. 6 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack of the second modification. 図７は、第３変形例の燃料電池スタックの部分断面図である。FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack of the third modification.

［燃料電池スタックの概略構成］
図１は、燃料電池スタック１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池スタック１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。尚、図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。Ｚ方向は、複数の単セル２が積層される方向に相当する。またＸ方向及びＹ方向は、略矩形状に形成された単セル２の短手方向及び長手方向に相当する。＋Ｚ方向は、鉛直上方向に相当するが、これに限定されない。 [Outline configuration of fuel cell stack]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a single cell 2 of the fuel cell stack 1. The fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of single cells 2. In FIG. 1, only one single cell 2 is shown, and the other single cells are omitted. Note that FIG. 1 shows the X direction, the Y direction, and the Z direction that are orthogonal to each other. The Z direction corresponds to the direction in which a plurality of single cells 2 are laminated. Further, the X direction and the Y direction correspond to the lateral direction and the longitudinal direction of the single cell 2 formed in a substantially rectangular shape. The + Z direction corresponds to the vertically upward direction, but is not limited to this.

燃料電池スタック１は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を支持する支持フレーム１８と、カソードセパレータ２０及びアノードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０よりも＋Ｚ方向側に配置されてＭＥＧＡ１０に対向している。セパレータ４０は、ＭＥＧＡ１０及び支持フレーム１８とは反対側でカソードセパレータ２０に対向している。ＭＥＧＡ１０は、カソードガス拡散層１６ｃ及びアノードガス拡散層１６ａ（以下、拡散層と称する）を有している。 The fuel cell stack 1 is a solid polymer fuel cell that generates electricity by receiving a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, oxygen) as reaction gases. The single cell 2 includes a membrane electrode gas diffusion layer assembly 10 (hereinafter referred to as MEGA (Membrane Electrode Gas diffusion layer assembly)), a support frame 18 supporting MEGA 10, a cathode separator 20 and an anode separator 40 (hereinafter referred to as a separator). ) And. The separator 20 is arranged on the + Z direction side of the MEGA 10 and faces the MEGA 10. The separator 40 faces the cathode separator 20 on the opposite side of the MEGA 10 and the support frame 18. MEGA10 has a cathode gas diffusion layer 16c and an anode gas diffusion layer 16a (hereinafter, referred to as a diffusion layer).

セパレータ２０及び４０、及び支持フレーム１８には、孔ａ１〜ａ６が貫通するように形成されている。セパレータ２０及び４０、及び支持フレーム１８の２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。孔ａ１は、カソード入口マニホールドを画定する。孔ａ２は、冷却水入口マニホールドを画定する。孔ａ３は、アノード出口マニホールドを画定する。孔ａ４は、アノード入口マニホールドを画定する。孔ａ５は、冷却水出口マニホールドを画定する。孔ａ６は、カソード出口マニホールドを画定する。 Holes a1 to a6 are formed so as to penetrate through the separators 20 and 40 and the support frame 18. Holes a1 to a3 are formed on one side of the two short sides of the separators 20 and 40 and the support frame 18, and holes a4 to a6 are formed on the other side. The hole a1 defines the cathode inlet manifold. The hole a2 defines the cooling water inlet manifold. Hole a3 defines the anode outlet manifold. Hole a4 defines the anode inlet manifold. The hole a5 defines the cooling water outlet manifold. Hole a6 defines the cathode outlet manifold.

ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路部２１ｂ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面とは反対側の面には、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部２１ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。また、流路部２１ａと対向するセパレータ４０にも、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通して冷却水が流れる冷却水流路部４１ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。セパレータ４０の流路部４１ａとは反対側の面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通し燃料ガスが流れるアノード流路部４１ｂが形成されている。流路部２１ａ及び２１ｂは、セパレータ２０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。流路部４１ａ及び４１ｂも同様に、セパレータ４０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。 On the surface of the separator 20 facing the MEGA 10, a cathode flow path portion 21b (hereinafter, referred to as a flow path portion) is formed in which an oxidant gas flows through the cathode inlet manifold and the cathode outlet manifold. On the surface opposite to the surface of the separator 20 facing the MEGA 10, a cooling water flow path portion 21a (hereinafter referred to as a flow path portion) through which the cooling water inlet manifold and the cooling water outlet manifold communicate with each other and the cooling water flows flows. It is formed. Further, the separator 40 facing the flow path portion 21a is also formed with a cooling water flow path portion 41a (hereinafter referred to as a flow path portion) through which the cooling water inlet manifold and the cooling water outlet manifold are communicated with each other and the cooling water flows. There is. On the surface of the separator 40 opposite to the flow path portion 41a, an anode flow path portion 41b through which the anode inlet manifold and the anode outlet manifold communicate with each other and through which fuel gas flows is formed. The flow path portions 21a and 21b extend in the longitudinal direction (Y direction) of the separator 20. Similarly, the flow path portions 41a and 41b extend in the longitudinal direction (Y direction) of the separator 40.

流路部２１ａは、セパレータ４０から退避するように凹んだ複数の溝から構成される。流路部４１ａは、セパレータ２０から退避するように凹んだ複数の溝から構成される。流路部２１ｂは、ＭＥＧＡ１０から退避するように凹んだ複数の溝から構成される。流路部４１ｂは、図示はしていないが、セパレータ２０とは反対側でセパレータ４０に隣接するＭＥＧＡから退避するように凹んだ複数の溝から構成される。セパレータ２０及び４０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、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る。 The flow path portion 21a is composed of a plurality of grooves recessed so as to retract from the separator 40. The flow path portion 41a is composed of a plurality of grooves recessed so as to retract from the separator 20. The flow path portion 21b is composed of a plurality of grooves recessed so as to retract from the MEGA 10. Although not shown, the flow path portion 41b is composed of a plurality of grooves recessed so as to retract from MEGA adjacent to the separator 40 on the side opposite to the separator 20. The separators 20 and 40 are thin plate-like members formed of a material having gas-blocking property and conductivity, and formed of press-formed stainless steel or a metal such as titanium or a titanium alloy.

セパレータ２０及び４０には、それぞれ、外周縁に沿って延びた外周ビードシール２２及び４２が形成されている。セパレータ２０の孔ａ１〜ａ６周りにはそれぞれ、ビードシール２４１〜２４６が形成されている。セパレータ４０の孔ａ１〜ａ６周りにもそれぞれ、ビードシール４４１〜４４６が形成されている。ビードシール２４１〜２４６は、それぞれビードシール４４１〜４４６にＺ方向で重なる位置に設けられている。これらのビードシールは、孔ａ１〜ａ６からの反応ガスや冷却水の漏れを防止する。ビードシール２４１〜２４６及び４４１〜４４６は、Ｚ方向で支持フレーム１８に重なる位置にあるがＭＥＧＡ１０には重ならない位置に設けられている。また、セパレータ２０には、ビードシール２４２及び２４５をそれぞれ包囲するビードシール２５２及び２５５が形成されている。同様に、セパレータ４０には、ビードシール４４２及び４４５をそれぞれ包囲するビードシール４５２及び４５５が形成されている。ビードシール２４２、２５２、２４５、及び２５５は、それぞれビードシール４４２、４５２、４４５、及び４５５にＺ方向で重なる位置に設けられている。ビードシール２４２及び４５２は、第１ビードシール部の一例であり、ビードシール２５２及び４５２は、第２ビードシール部の一例である。ビードシール２４５及び４４５は、第１ビードシール部の一例であり、ビードシール２５５及び４５５は、第２ビードシール部の一例である。 The separators 20 and 40 are formed with outer peripheral bead seals 22 and 42 extending along the outer peripheral edge, respectively. Bead seals 241 to 246 are formed around the holes a1 to a6 of the separator 20, respectively. Bead seals 441 to 446 are also formed around the holes a1 to a6 of the separator 40, respectively. The bead seals 241 to 246 are provided at positions where they overlap the bead seals 441 to 446 in the Z direction, respectively. These bead seals prevent leakage of reaction gas and cooling water from holes a1 to a6. The bead seals 241 to 246 and 441 to 446 are provided at positions that overlap the support frame 18 in the Z direction but do not overlap the MEGA 10. Further, the separator 20 is formed with bead seals 252 and 255 that surround the bead seals 242 and 245, respectively. Similarly, the separator 40 is formed with bead seals 452 and 455 that surround the bead seals 442 and 445, respectively. The bead seals 242, 252, 245, and 255 are provided at positions where they overlap the bead seals 442, 452, 445, and 455 in the Z direction, respectively. The bead seals 242 and 452 are examples of the first bead seal portion, and the bead seals 252 and 452 are examples of the second bead seal portion. The bead seals 245 and 445 are examples of the first bead seal portion, and the bead seals 255 and 455 are examples of the second bead seal portion.

外周ビードシール２２は、セパレータ２０の孔ａ１〜ａ６、ビードシール２４１〜２４６やビードシール２５２及び２５５を包囲している。外周ビードシール４２は、セパレータ４０の孔ａ１〜ａ６、ビードシール４４１〜４４６やビードシール４５２及び４５５を包囲している。外周ビードシール２２及び４２は、冷却水や燃料ガス、酸化剤ガスが外部に漏れることを防止する機能を有している。 The outer peripheral bead seal 22 surrounds the holes a1 to a6 of the separator 20, the bead seals 241 to 246, and the bead seals 252 and 255. The outer peripheral bead seal 42 surrounds the holes a1 to a6 of the separator 40, the bead seals 441 to 446, and the bead seals 452 and 455. The outer peripheral bead seals 22 and 42 have a function of preventing the cooling water, the fuel gas, and the oxidant gas from leaking to the outside.

流路部２１ａのうちの幾つかの溝は、孔ａ２からビードシール２５２に連通して延びている。同様に、流路部２１ａのうちの幾つかの溝は、ビードシール２４５に連通して孔ａ５に延びている。流路部４１ａについても同様である。 Some grooves in the flow path portion 21a extend from the hole a2 in communication with the bead seal 252. Similarly, some grooves in the flow path portion 21a communicate with the bead seal 245 and extend into the hole a5. The same applies to the flow path portion 41a.

支持フレーム１８の孔ａ２の近傍には、３つの貫通孔１８２が設けられている。同様に支持フレーム１８の孔ａ５の近傍には、３つの貫通孔１８５が設けられている。詳しくは後述する。 Three through holes 182 are provided in the vicinity of the holes a2 of the support frame 18. Similarly, three through holes 185 are provided in the vicinity of the holes a5 of the support frame 18. Details will be described later.

図２は、上方側から見た場合でのセパレータ２０の概略図である。図２では、セパレータ２０に重なるＭＥＧＡ１０の外形を点線で示している。また、図２には、支持フレーム１８の貫通孔１８２及び１８５を点線で示している。 FIG. 2 is a schematic view of the separator 20 when viewed from above. In FIG. 2, the outer shape of the MEGA 10 overlapping the separator 20 is shown by a dotted line. Further, in FIG. 2, through holes 182 and 185 of the support frame 18 are shown by dotted lines.

図３は、図２のＡ−Ａ線に対応した燃料電池スタック１の部分断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ線に対応した燃料電池スタック１の部分断面図である。図３及び図４では、単セル２と、単セル２よりも−Ｚ方向側に配置された単セル２ａと、単セル２よりも＋Ｚ方向側に配置された単セルの支持フレーム１８とを図示し、その他の単セルについては省略してある。尚、単セル２と単セル２ａとは、便宜上異なる符号を付しているにすぎず、同一の構造を有している。単セル２ａは、単セル２よりも−Ｚ方向側に配置されている。 FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack 1 corresponding to the line AA of FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack 1 corresponding to the line BB of FIG. In FIGS. 3 and 4, the single cell 2, the single cell 2a arranged on the −Z direction side of the single cell 2, and the support frame 18 of the single cell arranged on the + Z direction side of the single cell 2 are provided. It is shown in the figure, and other single cells are omitted. It should be noted that the single cell 2 and the single cell 2a are only given different reference numerals for convenience, and have the same structure. The single cell 2a is arranged on the −Z direction side with respect to the single cell 2.

ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１とを有している。ＭＥＡ１１は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。 The MEGA 10 has diffusion layers 16a and 16c and a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly)) 11. The MEA 11 includes an electrolyte membrane 12 and an anode catalyst layer 14a and a cathode catalyst layer 14c (hereinafter, referred to as a catalyst layer) formed on one surface and the other surface of the electrolyte membrane 12, respectively. The electrolyte membrane 12 is a solid polymer thin film that exhibits good proton conductivity in a wet state, and is, for example, a fluorine-based ion exchange membrane. The catalyst layers 14a and 14c are formed by applying a catalyst ink containing, for example, a carbon carrier carrying platinum (Pt) or the like and ionomer having proton conductivity to the electrolyte membrane 12. The diffusion layers 16a and 16c are formed of a material having gas permeability and conductivity, for example, a porous fiber base material such as carbon fiber or graphite fiber. The diffusion layers 16a and 16c are bonded to the catalyst layers 14a and 14c, respectively.

触媒層１４ａは、電解質膜１２の一方の面の略全面にわたって形成されている。触媒層１４ｃは、電解質膜１２の他方の面の中央部に形成され、電解質膜１２の周縁領域には形成されていない。拡散層１６ａは、その端部が、触媒層１４ａの端部に略揃う位置に設けられる。拡散層１６ｃは、その端部が触媒層１４ｃの端部よりもやや内側に位置するか又は略揃う位置に設けられており、これにより、電解質膜１２の周縁領域が露出するように設けられている。電解質膜１２の周縁領域に、支持フレーム１８の内周部が接合されている。 The catalyst layer 14a is formed over substantially the entire surface of one surface of the electrolyte membrane 12. The catalyst layer 14c is formed in the central portion of the other surface of the electrolyte membrane 12, and is not formed in the peripheral region of the electrolyte membrane 12. The diffusion layer 16a is provided at a position where its end is substantially aligned with the end of the catalyst layer 14a. The diffusion layer 16c is provided so that its end portion is located slightly inside or substantially aligned with the end portion of the catalyst layer 14c so that the peripheral region of the electrolyte membrane 12 is exposed. There is. The inner peripheral portion of the support frame 18 is joined to the peripheral region of the electrolyte membrane 12.

図３に示すように、単セル２の流路部２１ａを構成する溝は、孔ａ２からビードシール２４２及び２５２に連通してＭＥＧＡ１０側に延びている。同様に単セル２の流路部４１ａを構成する溝は、孔ａ２からビードシール４４２及び４５２に連通してＭＥＧＡ１０側に延びている。 As shown in FIG. 3, the groove forming the flow path portion 21a of the single cell 2 communicates with the bead seals 242 and 252 from the hole a2 and extends toward the MEGA10 side. Similarly, the groove forming the flow path portion 41a of the single cell 2 communicates with the bead seals 442 and 452 from the hole a2 and extends toward the MEGA10 side.

図３及び図４に示すように、単セル２のビードシール２４２及び２５２は、弾性部材であるゴム５を介して単セル２の支持フレーム１８に当接している。単セル２のビードシール４４２及び４５２は、同様にゴム５を介して単セル２の＋Ｚ方向側に配置された他の単セルの支持フレーム１８に当接している。 As shown in FIGS. 3 and 4, the bead seals 242 and 252 of the single cell 2 are in contact with the support frame 18 of the single cell 2 via the rubber 5 which is an elastic member. The bead seals 442 and 452 of the single cell 2 are also in contact with the support frame 18 of the other single cell arranged on the + Z direction side of the single cell 2 via the rubber 5.

図４に示すように、単セル２のビードシール２５２の外側であって支持フレーム１８との間には酸化剤ガスが充満している。同様に、単セル２ａのビードシール４５２の外側であって単セル２の支持フレーム１８との間には燃料ガスが充満している。例えば、ビードシール２５２と支持フレーム１８との間のシール性が低下した場合、ビードシール２５２の外側から、ビードシール２５２及び２４２の間であって支持フレーム１８に包囲された空間Ｓ２内に酸化剤ガスが漏れた場合であっても、ビードシール２４２により、孔ａ２側に酸化剤ガスが漏れることが防止される。同様に、ビードシール４５２の外側から、ビードシール４５２及び４４２の間であって支持フレーム１８に包囲された空間Ｓ４内に燃料ガスが漏れた場合であっても、ビードシール４４２により、孔ａ２側に燃料ガスが漏れることが防止される。このように、孔ａ２周りにビードシールが２重に設けられているため、反応ガスが冷却水中に漏れることが防止されている。 As shown in FIG. 4, the outside of the bead seal 252 of the single cell 2 and the support frame 18 is filled with an oxidant gas. Similarly, the outside of the bead seal 452 of the single cell 2a and the support frame 18 of the single cell 2 are filled with fuel gas. For example, when the sealing property between the bead seal 252 and the support frame 18 is deteriorated, the oxidizing agent is formed from the outside of the bead seal 252 into the space S2 between the bead seals 252 and 242 and surrounded by the support frame 18. Even if the gas leaks, the bead seal 242 prevents the oxidant gas from leaking to the hole a2 side. Similarly, even if fuel gas leaks from the outside of the bead seal 452 into the space S4 between the bead seals 452 and 442 and surrounded by the support frame 18, the bead seal 442 causes the hole a2 side. Fuel gas leakage is prevented. As described above, since the bead seals are provided twice around the hole a2, the reaction gas is prevented from leaking into the cooling water.

更に、単セル２のビードシール２５２及び２４２と支持フレーム１８とにより包囲される空間Ｓ２と、単セル２ａのビードシール４５２及び４４２と単セル２の支持フレーム１８とにより包囲される空間Ｓ４とは、単セル２の支持フレーム１８に形成された貫通孔１８２により連通している。このため連通した空間Ｓ２及びＳ４内では、酸化剤ガスと燃料ガスとが混入している。即ち、空間Ｓ２及びＳ４内では、燃料ガスは酸化剤ガスにより希釈化され、空間Ｓ２及びＳ４内での水素分圧は、ビードシール４５２の外側での水素分圧よりも低下している。このため、仮に空間Ｓ２及びＳ４内のガスが孔ａ２側に漏れたとしても、冷却水中に混入される水素は少なくて済む。このように、冷却水中に水素が混入することが抑制されている。 Further, the space S2 surrounded by the bead seals 252 and 242 of the single cell 2 and the support frame 18, and the space S4 surrounded by the bead seals 452 and 442 of the single cell 2a and the support frame 18 of the single cell 2 , It communicates with the through hole 182 formed in the support frame 18 of the single cell 2. Therefore, the oxidant gas and the fuel gas are mixed in the communicating spaces S2 and S4. That is, in the spaces S2 and S4, the fuel gas is diluted with the oxidant gas, and the hydrogen partial pressure in the spaces S2 and S4 is lower than the hydrogen partial pressure outside the bead seal 452. Therefore, even if the gas in the spaces S2 and S4 leaks to the hole a2 side, the amount of hydrogen mixed in the cooling water can be small. In this way, the mixing of hydrogen into the cooling water is suppressed.

［第１変形例］
次に、複数の変形例について説明する。複数の変形例については、上述した本実施例の構成と同一の構成については、同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図５は、第１変形例の燃料電池スタック１Ａの部分断面図である。図５は、図４に対応している。燃料電池スタック１Ａの単セル２Ａでは、セパレータ２０Ａのビードシール２５２Ａと支持フレーム１８との間にはゴム５が設けられておらず、ビードシール２５２Ａは、ビードシール２４２よりもゴム５の厚みの分だけ−Ｚ方向への突出量が大きく設定されている。このため単セル２Ａの空間Ｓ２と単セル２Ａａの空間Ｓ４内は、ビードシール２５２Ａと支持フレーム１８との間から流入した酸化剤ガスで充満している。このように空間Ｓ２及びＳ４内には酸化剤ガスが充満して酸素分圧が既に高い状態にあり、燃料ガスが空間Ｓ４内に漏れたとしても、空間Ｓ２及びＳ４内での水素分圧は低い状態となる。これにより、空間Ｓ２及びＳ４内のガスが孔ａ２側に漏れたとしても、冷却水中に混入する水素の量は抑制される。 [First modification]
Next, a plurality of modified examples will be described. With respect to the plurality of modifications, the same configurations as those of the above-described embodiment will be designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack 1A of the first modification. FIG. 5 corresponds to FIG. In the single cell 2A of the fuel cell stack 1A, the rubber 5 is not provided between the bead seal 252A of the separator 20A and the support frame 18, and the bead seal 252A is the thickness of the rubber 5 more than the bead seal 242. Only the amount of protrusion in the -Z direction is set large. Therefore, the space S2 of the single cell 2A and the space S4 of the single cell 2Aa are filled with the oxidant gas that has flowed in from between the bead seal 252A and the support frame 18. As described above, even if the spaces S2 and S4 are filled with the oxidant gas and the oxygen partial pressure is already high and the fuel gas leaks into the space S4, the hydrogen partial pressure in the spaces S2 and S4 remains. It will be in a low state. As a result, even if the gas in the spaces S2 and S4 leaks to the hole a2 side, the amount of hydrogen mixed in the cooling water is suppressed.

尚、第１変形例では、ビードシール２５２Ａと支持フレーム１８との間にはゴムは設けられていないが、例えば、部分的にビードシール２５２Ａと支持フレーム１８との間の一部分だけゴムが設けられていない領域があるように構成してもよい。 In the first modification, rubber is not provided between the bead seal 252A and the support frame 18, but for example, rubber is partially provided between the bead seal 252A and the support frame 18. It may be configured so that there is an area that does not exist.

［第２変形例］
図６は、第２変形例の燃料電池スタック１Ｂの部分断面図である。図６は、図４に対応している。燃料電池スタック１Ｂの単セル２Ｂのセパレータ２０Ｂ及び４０Ｂは、貫通した貫通孔ａ８が形成されている。貫通孔ａ８は、ビードシール２５２及び２４２の間であってビードシール４５２及び４４２の間にある。また、単セル２Ｂの支持フレーム１８Ｂには、上述した貫通孔１８２は形成されていない。このため、単セル２Ｂの空間Ｓ２及びＳ４は、貫通孔ａ８を介して連通する。このような構成によっても、空間Ｓ２及びＳ４内の水素分圧は低下する。これにより、空間Ｓ２及びＳ４内のガスが孔ａ２側に漏れたとしても、冷却水中に混入する水素の量は抑制される。尚、単セル２Ｂａについても同様である。 [Second modification]
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack 1B of the second modification. FIG. 6 corresponds to FIG. Through holes a8 are formed in the separators 20B and 40B of the single cell 2B of the fuel cell stack 1B. The through hole a8 is between the bead seals 252 and 242 and between the bead seals 452 and 442. Further, the above-mentioned through hole 182 is not formed in the support frame 18B of the single cell 2B. Therefore, the spaces S2 and S4 of the single cell 2B communicate with each other through the through hole a8. Even with such a configuration, the hydrogen partial pressure in the spaces S2 and S4 is lowered. As a result, even if the gas in the spaces S2 and S4 leaks to the hole a2 side, the amount of hydrogen mixed in the cooling water is suppressed. The same applies to the single cell 2Ba.

［第３変形例］
図７は、第３変形例の燃料電池スタック１Ｃの部分断面図である。図７は、図４に対応している。燃料電池スタック１Ｃの単セル２Ｃでは、セパレータ２０Ｂ及び４０Ｂ、及び支持フレーム１８が採用されている。単セル２Ｃａも同様である。また、これら複数の単セルの一端部に積層された集電板５０、インシュレータ６０、及びエンドプレート７０には、それぞれ互いに連通した貫通孔５２、６２、及び７２が形成されている。このため、空間Ｓ２及びＳ４内のガスは、貫通孔５２、６２、及び７２を介して燃料電池スタック１Ｃの外部へと排出される。このため、空間Ｓ２及びＳ４内のガスの水素分圧が高くなる前に外部へとガスが排出されるため、冷却水中に水素が混入することが抑制されている。 [Third variant]
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack 1C of the third modification. FIG. 7 corresponds to FIG. In the single cell 2C of the fuel cell stack 1C, the separators 20B and 40B and the support frame 18 are adopted. The same applies to the single cell 2Ca. Further, through holes 52, 62, and 72 communicating with each other are formed in the current collector plate 50, the insulator 60, and the end plate 70 laminated on one end of the plurality of single cells, respectively. Therefore, the gas in the spaces S2 and S4 is discharged to the outside of the fuel cell stack 1C through the through holes 52, 62, and 72. Therefore, since the gas is discharged to the outside before the hydrogen partial pressure of the gas in the spaces S2 and S4 becomes high, it is suppressed that hydrogen is mixed in the cooling water.

第３変形例では、積層された複数の単セルの一端側に配置された集電板５０、インシュレータ６０、及びエンドプレート７０にそれぞれ形成された貫通孔５２、６２、及び７２を介してガスが外部へと排出される場合を例に示したが、複数の単セルの他端側に配置された集電板、インシュレータ、及びエンドプレートに、同様の貫通孔を設けてもよい。 In the third modification, the gas is transmitted through the through holes 52, 62, and 72 formed in the current collector plate 50, the insulator 60, and the end plate 70 arranged on one end side of the plurality of stacked single cells, respectively. Although the case where the gas is discharged to the outside is shown as an example, similar through holes may be provided in the current collector plate, the insulator, and the end plate arranged on the other end side of the plurality of single cells.

［その他］
図１及び図２に示したように支持フレーム１８の貫通孔１８２は、孔ａ２と、孔ａ２の近傍の短辺との間に位置しているが、これに限定されず、ビードシール２５２及び４５２とビードシール２４２及び４４２との間であれば、例えば孔ａ２と孔ａ１との間に設けられていてもよいし、孔ａ２と孔ａ３との間であってもよいし、孔ａ２とセパレータ２０の中央部との間であってもよい。また、貫通孔１８２の数や大きさは問わない。貫通孔１８５についても同様である。また、図６に示した貫通孔ａ８についても同様である。また、孔ａ２及びａ５側にそれぞれ貫通孔１８２及び１８５が設けられているが、これに限定されず、孔ａ２側にのみ貫通孔１８２が設けられていてもよいし、孔ａ５側にのみ貫通孔１８５が設けられていてもよい。貫通孔ａ８についても同様である。 [Other]
As shown in FIGS. 1 and 2, the through hole 182 of the support frame 18 is located between the hole a2 and the short side in the vicinity of the hole a2, but is not limited to the bead seal 252 and the bead seal 252. As long as it is between the 452 and the bead seals 242 and 442, it may be provided between the hole a2 and the hole a1, the hole a2 and the hole a3, or the hole a2. It may be between the center portion of the separator 20 and the center portion. Further, the number and size of the through holes 182 are not limited. The same applies to the through hole 185. The same applies to the through hole a8 shown in FIG. Further, through holes 182 and 185 are provided on the holes a2 and a5, respectively, but the present invention is not limited to this, and the through holes 182 may be provided only on the hole a2 side or only on the hole a5 side. Holes 185 may be provided. The same applies to the through hole a8.

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to such a specific embodiment, and various modifications and modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

１燃料電池スタック
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ単セル
１０膜電極ガス拡散層接合体
１８、１８Ｂ支持フレーム
１８２貫通孔
ａ８貫通孔
２０、４０セパレータ
２４２、４４２、２５２、４５２ビードシール
Ｓ２、Ｓ４空間 1 Fuel cell stack 2, 2A, 2B, 2C Single cell 10 Membrane electrode gas diffusion layer joint body 18, 18B Support frame 182 Through hole a8 Through hole 20, 40 Separator 242, 442, 252, 452 Bead seal S2, S4 Space

Claims

A fuel cell stack in which a plurality of single cells that generate electricity using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen are stacked.
At least one of the plurality of single cells
Membrane electrode assembly and
A support frame that supports the membrane electrode assembly and
A pair of separators including an anode separator and a cathode separator and facing the membrane electrode assembly and the support frame are provided.
A plurality of reaction gas manifolds, a cooling water inlet manifold, and a cooling water outlet manifold that penetrate the support frame and the pair of separators are formed on the support frame and the pair of separators.
The pair of separators are a first bead seal portion that projects toward the support frame side and surrounds one of the cooling water inlet manifold and the cooling water outlet manifold without surrounding the plurality of reaction gas manifolds, and the support frame. A second bead seal portion that projects to the side and surrounds the first bead seal portion without surrounding the plurality of reaction gas manifolds, and the first and second bead seal portions and the plurality of reaction gas manifolds are surrounded. It has an outer bead seal part and
A fuel cell stack in which a through hole is provided in at least one of the support frame and the pair of separators between the first and second bead seal portions.