JP2022079927A - Fuel battery stack - Google Patents
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Abstract
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.
燃料電池は、一般に、一対のセパレータと、当該一対のセパレータの間に配置された膜電極接合体と、を備える単セルを積層することにより形成される。このような燃料電池では、膜電極接合体と一対のセパレータとの間に形成される流路のうちの一方の流路に燃料ガスの供給を受け、他方の流路に酸化ガスの供給を受けて発電する。そのため、膜電極接合体と一対のセパレータとの間に形成される流路の各々において、十分なシール性を確保する必要がある。 燃料電池内の上記流路のシール性を確保するための構造として、従来、一対のセパレータ間において、発電体となる膜電極接合体を囲むように枠体状の樹脂シートを配置する構成が提案されている。 A fuel cell is generally formed by stacking a single cell comprising a pair of separators and a membrane electrode assembly disposed between the pair of separators. In such a fuel cell, fuel gas is supplied to one of the flow paths formed between the membrane electrode assembly and the pair of separators, and oxidation gas is supplied to the other flow path. To generate electricity. Therefore, it is necessary to ensure sufficient sealing performance in each of the flow paths formed between the membrane electrode assembly and the pair of separators. As a structure for ensuring the sealing property of the flow path in the fuel cell, a configuration in which a frame-shaped resin sheet is conventionally arranged between a pair of separators so as to surround a membrane electrode assembly to be a power generator has been proposed. Has been done.
特許文献1には、樹脂シートを用いる燃料電池において、導電性異物の侵入等に起因する短絡を抑制するために、セパレータ間の樹脂シートを膜電極ガス拡散層接合体端部からマニホールド近傍に延出することが開示されている。
また、特許文献2には、燃料電池スタックにおいてセパレータ積層方向の伸縮吸収等を可能にするために、マニホールド近傍でセパレータの端部に絶縁性部材を設けることが開示されている。
In Patent Document 1, in a fuel cell using a resin sheet, a resin sheet between separators is extended from the end of the membrane electrode gas diffusion layer junction to the vicinity of the manifold in order to suppress a short circuit caused by the intrusion of conductive foreign matter. It is disclosed that it will be issued.
Further, Patent Document 2 discloses that an insulating member is provided at the end of the separator in the vicinity of the manifold in order to enable expansion / contraction absorption in the separator stacking direction in the fuel cell stack.
特許文献1のように、燃料電池内の酸化ガス、燃料ガス、(以下、酸化ガス、燃料ガスを反応ガスともいう。)および、冷媒の流路のシール性を確保するための構造として、一対のセパレータ間において、発電体を囲むように樹脂等で形成される絶縁シートが配置された燃料電池スタックでは、燃料電池セル内の絶縁シートをマニホールド内周側に延出することで、燃料電池セル間の短絡を防止している。 As in Patent Document 1, a pair of structures for ensuring the sealing property of the oxide gas, the fuel gas, (hereinafter, the oxide gas and the fuel gas are also referred to as reaction gas) in the fuel cell and the flow path of the refrigerant. In a fuel cell stack in which an insulating sheet formed of a resin or the like is arranged between the separators of the fuel cell, the insulating sheet in the fuel cell is extended to the inner peripheral side of the manifold. It prevents a short circuit between them.
しかしながら、図7に示した比較例のように、燃料電池セル間の短絡防止のため、絶縁シート22をマニホールド内周側に延出した場合には、破線矢印Gに示すように反応ガスが導入されると、ガス導出入部50における絶縁シート22のはみ出し量が大きいため、ガスの流速等で絶縁シート22に撓みやめくれが起こり、延出した絶縁シート22によってガス導出入部を閉塞させてしまう虞がある。なお、燃料電池セル間には、粘着シート62が配置されている。
However, as in the comparative example shown in FIG. 7, when the
そこで、本願の目的は、上記実情を鑑み、ガス導出入部の閉塞を抑えつつ、燃料電池セル間の短絡を防止する、燃料電池スタックを提供することである。 Therefore, in view of the above circumstances, an object of the present application is to provide a fuel cell stack that prevents a short circuit between fuel cell cells while suppressing blockage of a gas lead-in / inlet portion.
本願は上記課題を解決するための一つの手段として、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックであって、燃料電池セルはマニホールド近傍において、ガス導入部および/またはガス導出部が形成された第一のセパレータ、絶縁シート、第二のセパレータをこの順で有し、燃料電池セル間は絶縁性を有する粘着シートで接着されており、マニホールドにおける各部材の前記燃料電池セル外部方向への長さは、以下の順であることを特徴とする燃料電池スタックを開示する。
粘着シート>第一のセパレータ>絶縁シート>第二のセパレータ
The present application is a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells are stacked as one means for solving the above problems, and the fuel cell has a gas introduction portion and / or a gas lead-out portion formed in the vicinity of the manifold. The first separator, the insulating sheet, and the second separator are provided in this order, and the fuel cell cells are bonded to each other by an insulating adhesive sheet, and each member of the manifold is directed toward the outside of the fuel cell. The length discloses a fuel cell stack characterized in the following order:
Adhesive sheet> First separator> Insulation sheet> Second separator
本開示の燃料電池スタックによれば、絶縁シートがセパレータのガス流路を塞いでしまうほどマニホールド内周部に延出させる必要がないため、ガス導出入部の閉塞を抑えつつ、さらに、燃料電池セル間をセパレータよりも延出した絶縁性を有する粘着シートで接着するため、燃料電池セル間の短絡を防ぎ、電気的絶縁を保つことができる。 According to the fuel cell stack of the present disclosure, it is not necessary to extend the insulating sheet to the inner peripheral portion of the manifold so as to block the gas flow path of the separator. Since the space is bonded with an adhesive sheet having an insulating property extending from the separator, short-circuiting between fuel cell cells can be prevented and electrical insulation can be maintained.
[燃料電池スタック]
以下、図面を参照して、本発明の実施形態にかかる燃料電池スタック1000について説明する。ただし、本発明の範囲は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。図1は、燃料電池スタック1000の外観斜視図である。図2は、積層する燃料電池セル100および粘着シート60の概略図であり、図2(a)は、分解した外観斜視図、図2(b)は、積層した平面図である。図1および図2に示すように、燃料電池スタック1000は、一般的な燃料電池スタックであり、燃料電池セル100を複数積層してスタック構造を形成している。スタック構造の形成にあたり、燃料電池セル100間には粘着シート60が配置されている。
[Fuel cell stack]
Hereinafter, the fuel cell stack 1000 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. FIG. 1 is an external perspective view of the
<燃料電池セル>
図3は、本発明の実施形態における燃料電池セル100を積層方向に分解した平面図である。図3に示すように、燃料電池セル100は、一対のセパレータ70、80と、一対のセパレータ70、80の間に、膜電極接合体を含む発電体10と、発電体10の外周に接して配置された絶縁シート20と、を備えている。
<Fuel cell>
FIG. 3 is a plan view of the
(発電体)
発電体10は、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層と、ガス拡散層と、を備える。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。この電解質膜、触媒層を合わせて、膜電極接合体(MEA(Membrane Electrode Assembly))という。
(Generator)
The
ガス拡散層は、それぞれ触媒層側の面に隣接して設けられている、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材、黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。この電解質膜、触媒層、ガス拡散層を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA(Membrane Electrode Gass-diffusion-layer Assembly))ともいう。 The gas diffusion layer is a layer provided adjacent to the surface on the catalyst layer side to diffuse the reaction gas used for the electrode reaction along the surface direction of the electrolyte membrane, and is a porous base material for the diffusion layer. It is composed of. As the base material for the diffusion layer, a porous base material having conductivity and gas diffusivity such as a carbon fiber base material, a graphite fiber base material, and a foamed metal is used. The electrolyte membrane, catalyst layer, and gas diffusion layer are collectively referred to as a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA (Membrane Electrode Gass-diffusion-layer Assembly)).
(絶縁シート)
絶縁シート20は、発電体10の周囲に接合された枠状の絶縁部材であり、絶縁性を有する公知の材料を制限なく用いることができるが、例えば、樹脂から構成される樹脂シート(樹脂フレームともいう)が挙げられる。樹脂シートを構成する材料としては、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、及びポリフェニレンエーテル(PPE)等を挙げることができる。これらの樹脂は1種であっても、複数の種類を積層して樹脂シートを形成してもよい。なお、絶縁シート20の厚さは特に限定されないが、0.05~0.30mm程度である。なお、セパレータ等と接着するために、絶縁シート20の両面は接着性の変性ポリオレフィン、或いは、熱硬化性接着剤や粘着剤等でコーティングしてもよい。絶縁シート20は、略矩形状であり、その中央域に発電体10を取り囲んで収納する開口部を備え、その外周近傍にマニホールド孔30、31が設けられている。
(Insulating sheet)
The insulating
(セパレータ)
セパレータ70、80からなる一対のセパレータで発電体10および絶縁シート20を積層方向の両側から挟持するように配置する。セパレータ70、80は、略矩形状の部材であり、その外周近傍にマニホールド孔30、31が設けられている。また、セパレータ70、80はプレス成型などによって凹凸(溝)が形成され、該凹凸により燃料電池セル100内に酸化ガス流路、燃料ガス流路、冷媒流路が形成される。セパレータ70、80の材料としては、例えばステンレス鋼、チタン、カーボンコンポジット材等が挙げられる。
本実施形態では、一対のセパレータにおいて、ガス導出入部50を備え、マニホールド孔30から概ガス導出入部50を通じて、反応ガスを導入し、発電体10に給排するセパレータ70が第一のセパレータである。また、セパレータ70に対して、発電体10を挟み、反対側に配置されているセパレータ80が第二のセパレータである。すなわち、第一のセパレータは、ガス導入部および/またはガス導出部を備えているセパレータであり、酸化ガス流路を形成するアノード側および燃料ガス流路を形成するカソード側のどちらに配置されていてもよい。
(Separator)
The
In the present embodiment, the first separator is a
<粘着シート60>
粘着シート60は、隣り合う燃料電池セル100間において、一方の燃料電池セル100の第一のセパレータ70と、他方の燃料電池セル100の第二のセパレータ80との間に設けられている。燃料電池セル100間にはセル間冷媒流路が形成されており、このセル間冷媒流路は、粘着シート60によってシール性が保たれる。
図2に示すように、粘着シート60は、略矩形状の絶縁性部材であり、その中央域および外周部のマニホールド近傍に開口部を備えている。粘着シートを構成する材料としては、絶縁性を有する公知の材料を制限なく用いることができるが、例えば、ゴム系、アクリル系、シリコン系の粘着剤等を挙げることができ、その接着面は接着性の変性ポリオレフィン、或いは、熱硬化性接着剤や粘着剤等でコーティングされていてもよい。なお、粘着シート60の厚さは特に限定されないが、0.15~0.8mm程度が挙げられる。
<
The
As shown in FIG. 2, the
<マニホールド>
図1乃至図3に示すように、粘着シート60、セパレータ70、絶縁シート20、および、セパレータ80には、各部材の外周近傍において、燃料電池セル100の積層方向の互いに重なる位置に、マニホールドを形成するためのマニホールド孔30、31を設けている。マニホールドは、粘着シート60、セパレータ70、絶縁シート20、および、セパレータ80を貫通し、反応ガス、または冷媒が流れる流路である。マニホールド孔30は、燃料電池セル100内の反応ガスの給排を行なう流路を形成する。発電体10と一対のセパレータとの間に形成される流路のうちの一方の流路に燃料ガスの供給を受け、他方の流路に酸化ガスの供給を受けて発電する。また、マニホールド孔31は、燃料電池セル100間に形成される冷媒流路との間で冷媒の給排を行なう流路を形成する。なお、図1乃至図3において、各マニホールド孔30、31を略矩形状としたが、三角形や多角形、異形形状のマニホールド孔としてもよい。
<Manifold>
As shown in FIGS. 1 to 3, the
図4は、本実施形態のガス導出入部50近傍の態様を模式的に示す、図2(b)のB-B線、より具体的には後述する図5(a)のB-B線に沿った断面図である。なお、図4では、粘着シート60および燃料電池セル100が二層積層されている。矢印Gは、マニホールドからガス導出入部50への反応ガスが導入される流れを示す。図4に示すように、マニホールド近傍において、ガス導出入部50が形成されたセパレータ70、絶縁シート20、セパレータ80はこの順で積層され、燃料電池セル100間は絶縁性を有する粘着シート60で接着されている。さらに、マニホールドにおける各部材の燃料電池セル100外部方向への長さ、すなわち、マニホールド内周側への長さは、粘着シート60>セパレータ70>絶縁シート20>セパレータ80の順となっている。各部材の長さは、上記関係が保たれていればよく、その長さは特に制限されないが、例えば、燃料電池セル間の短絡防止の観点から、粘着シート60のセパレータ70より延出した長さD1は0.5~1mm程度が挙げられる。また、ガス流路の閉塞防止の観点から、絶縁シート20はセパレータ70のガス導出入部50を塞がない長さであればよいが、例えば、セパレータ70と絶縁シート20とが接触している外部側の端から絶縁シート20が延出した長さD2は0.2~1mm程度が挙げられる。また、絶縁シート20がセパレータ80から延出した長さD3は0.2~1mm程度であってもよい。
FIG. 4 is shown on the line BB of FIG. 2B, more specifically, the line BB of FIG. It is a cross-sectional view along. In FIG. 4, the
図5(a)は、図4をCからみたガス導出入部50の外観斜視図である。図5(a)に示すように、セパレータ70に形成されたガス導出入部50は、マニホールド孔30の外周近傍から発電体10に向かって延びる細長い複数のガス給排路によって構成される。すなわち、図4の断面図の奥行き方向には、複数のガス給排路が配置されている。
FIG. 5 (a) is an external perspective view of the gas lead-in /
上記実施形態では、マニホールド孔30からセパレータ70のガス導出入部50を通じて発電体10に反応ガスが導入される場合について示したが、発電体10からセパレータ70のガス導出入部50を通じて反応ガスがマニホールド孔30に導出される場合も上記実施形態と同様の各部材の構成を備えることで、ガス導出入部50の閉塞を抑えつつ、燃料電池セル間の短絡を防止することができる。
In the above embodiment, the case where the reaction gas is introduced from the
図5(b)は、燃料電池セル100の外周部を模式的に示す、図2(b)におけるA-A断面図である。図5(b)に示すように、粘着シート60は、シール性、公差吸収ストロークを有することが好ましい。公差吸収ストロークとは、寸法バラツキを弾性体粘着シートで吸収することである。
FIG. 5B is a sectional view taken along the line AA in FIG. 2B, schematically showing the outer peripheral portion of the
<他の実施形態>
上記実施形態では、図4に示すように、粘着シート60を発電体10の外周近傍からマニホールド近傍までセパレータ70の外部方向に延出させ、連続的に覆うように設けたが、異なる構成としてもよい。図6は、ガス導出入部50の他の態様を示す図4と同様な断面図である。絶縁シート21の材料は、絶縁シート20と同様である。図6に示すように、絶縁シート21の長さおよび厚さ、および、粘着シート61が粘着シート60と異なる長さを備えること、を除き、上記実施形態と同じため、以下に異なる点についてのみ述べる。絶縁シート21は、燃料電池セル100の外部方向にセパレータ70よりも延出していればよく、燃料電池セル間の短絡防止の観点から、粘着シート61のセパレータ70より延出した長さは上記D1と同程度が挙げられる。また、同様に燃料電池セル間の短絡防止の観点から、発電体10側に位置する絶縁シート21の端部は、図6に示すように、絶縁シート20と平面領域が重なっていること、すなわち、絶縁シート21と絶縁シート20とのオーバーラップを示す長さD4が0以上であることが好ましく、例えば、0~0.2mm程度が挙げられる。さらに、絶縁シート21の厚さは0.02~0.3mm程度であってもよい。粘着シート61は燃料電池セル間を粘着できれば、絶縁シート21に対して断続的にセパレータ70上に配置されてもよい。
<Other embodiments>
In the above embodiment, as shown in FIG. 4, the
本開示の燃料電池スタックによれば、絶縁シートがセパレータのガス流路を塞いでしまうほどマニホールド内周部に延出させる必要がないため、ガス導出入部の閉塞を防止でき、さらに、燃料電池セル間をセパレータよりも延出した絶縁性を有する粘着シートで接着したことで、燃料電池セル間の短絡が防止され、絶縁性を保つことができる。 According to the fuel cell stack of the present disclosure, since it is not necessary to extend the insulating sheet to the inner peripheral portion of the manifold so as to block the gas flow path of the separator, it is possible to prevent the gas lead-in / inlet portion from being blocked, and further, the fuel cell. By adhering the space with an adhesive sheet having an insulating property extending beyond the separator, short-circuiting between the fuel cell cells can be prevented and the insulating property can be maintained.
以上、一実施形態である燃料電池スタック1000を用いて、本開示の燃料電池スタックについて説明したように、本開示の技術は燃料電池の分野において、重要な技術になり得る。なお、本開示の技術はいずれの燃料電池の分野においても適用可能であるが、好ましくは車載用の燃料電池である。
As described above, as described above, the fuel cell stack of the present disclosure is described using the
10 発電体
20、21 絶縁シート
30、31 マニホールド
50 ガス導出入部
70 セパレータ
80 セパレータ
60、61、62 粘着シート
100 燃料電池セル
1000 燃料電池スタック
10
Claims (1)
前記燃料電池セルはマニホールド近傍において、ガス導入部および/またはガス導出部が形成された第一のセパレータ、絶縁シート、第二のセパレータをこの順で有し、燃料電池セル間が絶縁性を有する粘着シートで接着されており、マニホールドにおける各部材の燃料電池セル外部方向への長さは、以下の順であることを特徴とする燃料電池スタック。
粘着シート>第一のセパレータ>絶縁シート>第二のセパレータ A fuel cell stack in which multiple fuel cell cells are stacked.
The fuel cell has a first separator, an insulating sheet, and a second separator in which a gas introduction portion and / or a gas lead-out portion is formed in the vicinity of the manifold, and the fuel cell cells have an insulating property. A fuel cell stack that is bonded with an adhesive sheet and has the lengths of each member of the manifold toward the outside of the fuel cell in the following order.
Adhesive sheet> First separator> Insulation sheet> Second separator
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JP2020190804A JP2022079927A (en) | 2020-11-17 | 2020-11-17 | Fuel battery stack |
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