JP2023135769A - fuel cell stack - Google Patents

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JP2023135769A
JP2023135769A JP2022041030A JP2022041030A JP2023135769A JP 2023135769 A JP2023135769 A JP 2023135769A JP 2022041030 A JP2022041030 A JP 2022041030A JP 2022041030 A JP2022041030 A JP 2022041030A JP 2023135769 A JP2023135769 A JP 2023135769A
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和則 柴田
Kazunori Shibata
仁 濱田
Hitoshi Hamada
耕太郎 池田
Kotaro Ikeda
隆 梶原
Takashi Kajiwara
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Toyota Motor Corp
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Abstract

To provide a fuel cell stack capable of suppressing mixing of a fuel gas into a coolant passage.SOLUTION: Provided is a fuel cell stack that has a cell laminate configured by laminating a plurality of single cells each comprising a cathode separator and an anode separator, using a seal sheet for a seal between adjacent single cells. The fuel cell stack has a fuel gas manifold. The seal sheet has a double-seal structure of a first seal line that surrounds and seals the fuel gas manifold in a plan view and a second seal line that surrounds the first seal line. A rib of the cathode separator in contact with the second seal line is provided with a penetration hole that allows an oxidant gas to be supplied from an oxidant gas passage of the cathode separator to a double-seal interspace part between the first seal line and the second seal line and that penetrates through the rib in a plane direction. The double-seal interspace part has a structure that can be filled with the oxidant gas by means of the penetration hole.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、燃料電池スタックに関する。 The present disclosure relates to fuel cell stacks.

燃料電池については、様々な研究がなされている。
例えば特許文献1では、メタルばねシール外周シール部に詰め物を入れることで、外周部を介した脇流れを減らす、なくすことができる技術が開示されている。
特許文献2では、燃料ガス連通孔を流れている燃料ガスが、冷却媒体流路に進入することを確実に阻止することを可能にする燃料電池が開示されている。
特許文献3では、第1及び第2ビードシール部の間で、支持フレーム及び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、燃料電池スタックが開示されている。
Various studies have been conducted regarding fuel cells.
For example, Patent Document 1 discloses a technique that can reduce or eliminate side flow through the outer circumferential portion of a metal spring seal by inserting a filler into the outer circumferential seal portion.
Patent Document 2 discloses a fuel cell that makes it possible to reliably prevent fuel gas flowing through a fuel gas communication hole from entering a coolant flow path.
Patent Document 3 discloses a fuel cell stack in which at least one of the support frame and the separator is provided with a through hole between the first and second bead seal parts.

特表2017-535915号公報Special table 2017-535915 publication 特開2008-277184号公報JP2008-277184A 特開2020-149804号公報Japanese Patent Application Publication No. 2020-149804

燃料電池スタックは、従来技術では、シート状シール材(シールシート)を用いて外周部での低コストの、セルシール構造を実現させるために、燃料ガスマニホールドシール部が外周シールの内側に入る構造となる。その際に、燃料ガスが燃料ガスマニホールドシールラインを挟んで冷媒流路と接した構造となり、燃料ガスが冷媒流路に混入してしまうという問題がある。 Conventional fuel cell stacks have a structure in which the fuel gas manifold seal part goes inside the outer seal in order to realize a low-cost cell seal structure at the outer circumference using a sheet-shaped sealing material (seal sheet). Become. At that time, there is a problem in that the fuel gas is in contact with the refrigerant flow path across the fuel gas manifold seal line, and the fuel gas mixes into the refrigerant flow path.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの冷媒流路への混入を抑制することができる燃料電池スタックを提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and its main purpose is to provide a fuel cell stack that can suppress the mixing of fuel gas into a refrigerant flow path.

本開示においては、カソードセパレータ及びアノードセパレータを備えた単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールにシールシートを用いた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは、燃料ガスマニホールドを有し、
前記シールシートは、平面視において前記燃料ガスマニホールドを囲いシールする第1シールラインと、当該第1シールラインを囲う第2シールラインの2重シール構造を有し、
前記第2シールラインと接する前記カソードセパレータのリブには、当該カソードセパレータの酸化剤ガス流路から前記第1シールラインと前記第2シールラインとの間の2重シール間空間部に酸化剤ガスを供給することが可能な、当該リブを平面方向に貫通する貫通口が設けられ、
前記2重シール間空間部は、前記貫通口により前記酸化剤ガスで満たすことが可能な構造を有する燃料電池スタックを提供する。
In the present disclosure, a fuel cell stack has a cell stack in which a plurality of unit cells each having a cathode separator and an anode separator are stacked, and a seal sheet is used for sealing between adjacent unit cells,
The fuel cell stack has a fuel gas manifold,
The seal sheet has a double seal structure including a first seal line that surrounds and seals the fuel gas manifold in a plan view, and a second seal line that surrounds the first seal line,
The rib of the cathode separator in contact with the second seal line is provided with an oxidant gas from the oxidant gas flow path of the cathode separator to the space between the double seals between the first seal line and the second seal line. A through hole is provided that penetrates the rib in a planar direction, and is capable of supplying
The space between the double seals provides a fuel cell stack having a structure that can be filled with the oxidizing gas through the through hole.

本開示の燃料電池スタックは、燃料ガスの冷媒流路への混入を抑制することができる。 The fuel cell stack of the present disclosure can suppress mixing of fuel gas into the refrigerant flow path.

図1は、上図が、本開示の燃料電池スタックの燃料ガスマニホールド付近を平面視したときの一例を示す平面模式図であり、下図がA-A断面模式図である。In FIG. 1, the upper figure is a schematic plan view showing an example of the vicinity of the fuel gas manifold of the fuel cell stack of the present disclosure when viewed from above, and the lower figure is a schematic cross-sectional view taken along line AA.

以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄(例えば、本開示を特徴付けない燃料電池スタックの一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「~」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
Embodiments according to the present disclosure will be described below. Note that matters other than those specifically mentioned in this specification that are necessary for implementing the present disclosure (for example, the general configuration and manufacturing process of a fuel cell stack that do not characterize the present disclosure) are It can be understood as a matter of design by a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present disclosure can be implemented based on the content disclosed in this specification and the common general knowledge in the field.
Furthermore, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in the figures do not reflect the actual dimensional relationships.
In this specification, "~" indicating a numerical range is used to include the numerical values written before and after it as the lower limit and upper limit.
Furthermore, any combination of upper and lower limits in the numerical range can be adopted.

本開示においては、カソードセパレータ及びアノードセパレータを備えた単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールにシールシートを用いた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは、燃料ガスマニホールドを有し、
前記シールシートは、平面視において前記燃料ガスマニホールドを囲いシールする第1シールラインと、当該第1シールラインを囲う第2シールラインの2重シール構造を有し、
前記第2シールラインと接する前記カソードセパレータのリブには、当該カソードセパレータの酸化剤ガス流路から前記第1シールラインと前記第2シールラインとの間の2重シール間空間部に酸化剤ガスを供給することが可能な、当該リブを平面方向に貫通する貫通口が設けられ、
前記2重シール間空間部は、前記貫通口により前記酸化剤ガスで満たすことが可能な構造を有する燃料電池スタックを提供する。
In the present disclosure, a fuel cell stack has a cell stack in which a plurality of unit cells each having a cathode separator and an anode separator are stacked, and a seal sheet is used for sealing between adjacent unit cells,
The fuel cell stack has a fuel gas manifold,
The seal sheet has a double seal structure including a first seal line that surrounds and seals the fuel gas manifold in a plan view, and a second seal line that surrounds the first seal line,
The rib of the cathode separator in contact with the second seal line is provided with an oxidant gas from the oxidant gas flow path of the cathode separator to the space between the double seals between the first seal line and the second seal line. A through hole is provided that penetrates the rib in a planar direction, and is capable of supplying
The space between the double seals provides a fuel cell stack having a structure that can be filled with the oxidizing gas through the through hole.

本開示においては、燃料ガスマニホールドを2重シール構造とし、2重シール間空間部は酸化剤ガス(空気)で満たされている構造とする。2重シール構造の外側のシール部下のセパレータのリブには、2重シール間空間部を酸化剤ガスで満たすために、カソードセパレータの酸化剤ガス流路から2重シール間空間部に酸化剤ガスを供給することが可能な、貫通口を設けることを特徴とする。
本開示によれば、2重シール構造とし、燃料ガスが透過するシールシートに接する2重シール間空間部は酸化剤ガスで満たすことで、直接、冷媒側に燃料ガスが透過しない構造とすることができる。また、カソードセパレータのシールライン下リブには、カソードセパレータの酸化剤ガス流路から2重シール間空間部に酸化剤ガスを供給することが可能な、貫通口を設けることにより常に2重シール間空間部の燃料ガス濃度が上がらない状態とすることができる。
In the present disclosure, the fuel gas manifold has a double seal structure, and the space between the double seals is filled with oxidizing gas (air). In order to fill the space between the double seals with oxidizing gas, the ribs of the separator under the outer seal of the double seal structure are provided with oxidizing gas from the oxidizing gas flow path of the cathode separator to the space between the double seals. It is characterized by having a through hole through which it is possible to supply.
According to the present disclosure, the structure has a double seal structure, and the space between the double seals in contact with the seal sheet through which fuel gas permeates is filled with oxidizing gas, so that fuel gas does not directly permeate to the refrigerant side. I can do it. In addition, by providing a through hole in the rib below the seal line of the cathode separator, which allows oxidizing gas to be supplied from the oxidizing gas flow path of the cathode separator to the space between the double seals, the gap between the double seals is always maintained. It is possible to maintain a state in which the fuel gas concentration in the space does not increase.

本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであり、酸素、空気、及び、乾燥空気等であってもよい。 In this disclosure, the fuel gas and the oxidant gas are collectively referred to as a reaction gas. The reactive gas supplied to the anode is a fuel gas, and the reactive gas supplied to the cathode is an oxidant gas. The fuel gas is a gas mainly containing hydrogen, and may be hydrogen. The oxidant gas is a gas containing oxygen, and may be oxygen, air, dry air, or the like.

本開示の燃料電池スタックは、カソードセパレータ及びアノードセパレータを備えた単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールにシールシートを用いる。 The fuel cell stack of the present disclosure has a cell stack in which a plurality of unit cells each having a cathode separator and an anode separator are stacked, and a seal sheet is used for sealing between adjacent unit cells.

セル積層体は、単セルを複数個積層した積層体である。
セル積層体における単セルの積層数は特に限定されず、2~数百個であってもよい。
The cell laminate is a laminate in which a plurality of single cells are stacked.
The number of stacked single cells in the cell stack is not particularly limited, and may be from 2 to several hundreds.

燃料電池の単セルは、通常、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
A single fuel cell cell typically comprises a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA).
The membrane electrode gas diffusion layer assembly includes an anode gas diffusion layer, an anode catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and a cathode gas diffusion layer in this order.

カソード(酸化剤極)は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード(燃料極)は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金(Pt)、及び、Ptと他の金属とから成る合金(例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したPt合金)等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体(触媒担持担体)と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
The cathode (oxidant electrode) includes a cathode catalyst layer and a cathode side gas diffusion layer.
The anode (fuel electrode) includes an anode catalyst layer and an anode side gas diffusion layer.
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are collectively referred to as a catalyst layer.
The catalyst layer may include, for example, a catalyst metal that promotes an electrochemical reaction, an electrolyte that has proton conductivity, a carrier that has electron conductivity, and the like.
As the catalyst metal, for example, platinum (Pt) and an alloy of Pt and another metal (for example, a Pt alloy mixed with cobalt, nickel, etc.) can be used.
The electrolyte may be a fluororesin or the like. As the fluororesin, for example, Nafion solution or the like may be used.
The catalyst metal is supported on a carrier, and in each catalyst layer, the carrier supporting the catalyst metal (catalyst-supporting carrier) and the electrolyte may coexist.
Examples of the carrier for supporting the catalytic metal include carbon materials such as carbon that are generally commercially available.

カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
The cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer are collectively referred to as a gas diffusion layer.
The gas diffusion layer may be a conductive member or the like having gas permeability.
Examples of the conductive member include carbon porous bodies such as carbon cloth and carbon paper, and metal porous bodies such as metal mesh and foamed metal.

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜(デュポン社製)等であってもよい。 The electrolyte membrane may be a solid polymer electrolyte membrane. Examples of solid polymer electrolyte membranes include fluorine-based electrolyte membranes such as perfluorosulfonic acid thin films containing water, hydrocarbon-based electrolyte membranes, and the like. The electrolyte membrane may be, for example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont).

単セルは、膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する2枚のセパレータを備える。2枚のセパレータは、一方がアノードセパレータであり、もう一方がカソードセパレータである。本開示では、アノードセパレータとカソードセパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒等の流体を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等の孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス流路、冷媒流路等の流路を構成するリブを有していてもよい。
セパレータは、少なくとも冷媒流路側の面に供給孔及び排出孔等の孔を囲いシールシートのシールラインと位置合わせされたシールラインリブを有していてもよい。
アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス流路を有していてもよい。また、アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス流路を有していてもよい。また、カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等)板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長6角形、横長8角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
The single cell includes two separators that sandwich both sides of the membrane electrode gas diffusion layer assembly. One of the two separators is an anode separator and the other is a cathode separator. In this disclosure, an anode separator and a cathode separator are collectively referred to as separators.
The separator may have holes such as supply holes and discharge holes for allowing fluids such as reaction gas and refrigerant to flow in the stacking direction of the unit cells. As the refrigerant, for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used to prevent freezing at low temperatures.
Examples of the supply hole include a fuel gas supply hole, an oxidant gas supply hole, a refrigerant supply hole, and the like.
Examples of the exhaust hole include a fuel gas exhaust hole, an oxidant gas exhaust hole, and a refrigerant exhaust hole.
The separator may have a reactive gas flow path on the surface in contact with the gas diffusion layer. Further, the separator may have a coolant flow path for keeping the temperature of the fuel cell constant on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer.
The separator may have ribs forming channels such as a reaction gas channel and a coolant channel.
The separator may have seal line ribs that surround holes such as the supply hole and the discharge hole and are aligned with the seal line of the seal sheet on at least the surface on the refrigerant flow path side.
The anode separator may have a fuel gas flow path on the surface in contact with the anode side gas diffusion layer. Further, the anode separator may have a coolant flow path for keeping the temperature of the fuel cell constant on the surface opposite to the surface in contact with the anode side gas diffusion layer.
The cathode separator may have an oxidant gas flow path on the surface that contacts the cathode side gas diffusion layer. Further, the cathode separator may have a coolant flow path for keeping the temperature of the fuel cell constant on the surface opposite to the surface in contact with the cathode side gas diffusion layer.
The separator may be a gas-impermeable conductive member or the like. Examples of the conductive member include thermosetting resins, thermoplastic resins, resin materials such as resin fibers, carbon powder, and dense carbon made gas impermeable by compressing carbon materials such as carbon fibers. , a press-formed metal (for example, iron, aluminum, stainless steel, etc.) plate, etc. may be used. Further, the separator may have a current collecting function.
The shape of the separator may be a rectangle, a horizontally long hexagon, a horizontally long octagon, a circle, an oblong shape, or the like.

セパレータの反応ガス流路は、反応ガスマニホールドに隣接して配置され反応ガスマニホールドと連通する反応ガス導出入部を有していてもよい。反応ガス導出入部は、反応ガス流路が酸化剤ガス流路の場合は、酸化剤ガスマニホールドと連通する酸化剤ガス導出入部であり、反応ガス流路が燃料ガス流路の場合は、燃料ガスマニホールドと連通する燃料ガス導出入部である。反応ガス導出入部は、反応ガスマニホールドが反応ガス入口マニホールドの場合は、反応ガス導入部であり、反応ガスマニホールドが反応ガス出口マニホールドの場合は、反応ガス導出部である。
反応ガス流路は、ガス分配部を有していてもよい。ガス分配部は、平面方向において、反応ガス導出入部の反応ガスマニホールドとは反対側の領域に隣接して配置され、反応ガスマニホールドから発電領域へガス流れを広げるか又は発電領域から反応ガスマニホールドへガス流れを収束させる部分である。ガス分配部は、反応ガスの入り口側ではガス流れを広げる構造を有する。ガス分配部は、反応ガスの出口側では、ガス流れを収束させる構造を有する。発電領域は、膜電極ガス拡散層接合体が配置されている領域であってもよい。
The reaction gas flow path of the separator may have a reaction gas inlet/outlet that is disposed adjacent to the reaction gas manifold and communicates with the reaction gas manifold. When the reaction gas flow path is an oxidant gas flow path, the reaction gas lead-in/out portion is an oxidant gas lead-in/out portion that communicates with the oxidant gas manifold, and when the reaction gas flow path is a fuel gas flow path, it is an oxidant gas lead-in/out portion that communicates with the oxidant gas manifold. This is a fuel gas inlet/outlet communicating with the manifold. The reactive gas lead-in/out part is a reactive gas introduction part when the reactive gas manifold is a reactive gas inlet manifold, and is a reactive gas outlet part when the reactive gas manifold is a reactive gas outlet manifold.
The reaction gas flow path may include a gas distribution section. The gas distribution section is disposed adjacent to the region of the reaction gas inlet/output section on the opposite side of the reaction gas manifold in the planar direction, and extends the gas flow from the reaction gas manifold to the power generation region or from the power generation region to the reaction gas manifold. This is the part that converges the gas flow. The gas distribution section has a structure that widens the gas flow on the inlet side of the reaction gas. The gas distribution section has a structure that converges the gas flow on the exit side of the reaction gas. The power generation region may be a region in which a membrane electrode gas diffusion layer assembly is arranged.

単セルは樹脂フレームを備えていてもよい。
樹脂フレームは、膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置され、且つ、カソードセパレータとアノードセパレータとの間に配置されてもよい。
樹脂フレームは、骨格部と、開口部と、孔を有していてもよい。
骨格部は、膜電極ガス拡散層接合体と接続する樹脂フレームの主要部分である。
開口部は、膜電極ガス拡散層接合体の保持領域であり、膜電極ガス拡散層接合体を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、樹脂フレームにおいて、膜電極ガス拡散層接合体の周囲(外周部)に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、樹脂フレームの中央に有していてもよい。
樹脂フレームの孔は、反応ガス、及び、冷媒等の流体を単セルの積層方向に流通させる。樹脂フレームの孔は、セパレータの孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
樹脂フレームは、枠状のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つのシェル層、即ち、第1シェル層と第2シェル層とを含んでいてもよい。
第1シェル層及び第2シェル層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられていてもよい。
The single cell may include a resin frame.
The resin frame may be arranged around the outer periphery of the membrane electrode gas diffusion layer assembly, and may also be arranged between the cathode separator and the anode separator.
The resin frame may have a skeleton, an opening, and a hole.
The skeleton part is the main part of the resin frame connected to the membrane electrode gas diffusion layer assembly.
The opening is a holding area for the membrane electrode gas diffusion layer assembly, and is an area that penetrates a part of the skeleton to accommodate the membrane electrode gas diffusion layer assembly. The opening may be located in the resin frame at a position where the skeleton is located around the membrane electrode gas diffusion layer assembly (outer periphery), or may be located in the center of the resin frame.
The holes in the resin frame allow a fluid such as a reaction gas and a refrigerant to flow in the stacking direction of the unit cells. The holes in the resin frame may be aligned and arranged so as to communicate with the holes in the separator.
The resin frame may include a frame-shaped core layer and two frame-shaped shell layers provided on both sides of the core layer, that is, a first shell layer and a second shell layer.
The first shell layer and the second shell layer may be provided in a frame shape on both sides of the core layer, similarly to the core layer.

コア層は、ガスシール性、絶縁性を有する構造部材であればよく、燃料電池の製造工程での熱圧着時の温度条件下でも構造が変化しない材料により形成されていてもよい。具体的には、コア層の材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、PC(ポリカーボネート)、PPS(ポリフェニレンスルファイド)、PET(ポリエチレンテレフタラート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PA(ポリアミド)、PI(ポリイミド)、PS(ポリスチレン)、PPE(ポリフェニレンエーテル)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、シクロオレフィン、PES(ポリエーテルサルホン)、PPSU(ポリフェニルスルホン)、LCP(液晶ポリマー)、エポキシ樹脂等の樹脂等であってもよい。コア層の材料は、EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)、フッ素系ゴム、シリコン系ゴム等のゴム材であってもよい。
コア層の厚さは、絶縁性を担保する観点から、5μm以上であってもよく、30μm以上であってもよく、セル厚さを低減する観点から、100μm以下であってもよく、90μm以下であってもよい。
The core layer may be a structural member having gas sealing properties and insulating properties, and may be formed of a material whose structure does not change even under the temperature conditions during thermocompression bonding in the fuel cell manufacturing process. Specifically, the material of the core layer is, for example, polyethylene, polypropylene, PC (polycarbonate), PPS (polyphenylene sulfide), PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PA (polyamide), PI ( polyimide), PS (polystyrene), PPE (polyphenylene ether), PEEK (polyether ether ketone), cycloolefin, PES (polyether sulfone), PPSU (polyphenylsulfone), LCP (liquid crystal polymer), epoxy resin, etc. It may also be made of resin or the like. The material of the core layer may be a rubber material such as EPDM (ethylene propylene diene rubber), fluorine rubber, silicone rubber, or the like.
The thickness of the core layer may be 5 μm or more, 30 μm or more from the viewpoint of ensuring insulation, and may be 100 μm or less, 90 μm or less from the viewpoint of reducing the cell thickness. It may be.

第1シェル層及び第2シェル層は、コア層とアノードセパレータ及びカソードセパレータとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、コア層よりも粘度及び融点が低い性質を有していてもよい。具体的には、第1シェル層及び第2シェル層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
第1シェル層を構成する樹脂と第2シェル層を構成する樹脂とは、同種の樹脂であってもよく、異なる種類の樹脂であってもよい。コア層の両面にシェル層を設けることで、樹脂フレームと2つのセパレータとの間の加熱プレスによる接着が容易になる。
第1シェル層及び第2シェル層のそれぞれのシェル層の厚さは、接着性を担保する観点から、5μm以上であってもよく、30μm以上であってもよく、セル厚さを低減する観点から、100μm以下であってもよく、40μm以下であってもよい。
The first shell layer and the second shell layer have high adhesiveness with other substances and under the temperature conditions during thermocompression bonding, in order to bond the core layer and the anode separator and cathode separator to ensure sealing performance. It may be softened and have a lower viscosity and melting point than the core layer. Specifically, the first shell layer and the second shell layer may be made of thermoplastic resin such as polyester or modified olefin, or may be made of thermosetting resin such as modified epoxy resin.
The resin constituting the first shell layer and the resin constituting the second shell layer may be the same type of resin or may be different types of resin. Providing shell layers on both sides of the core layer facilitates adhesion between the resin frame and the two separators by hot pressing.
The thickness of each of the first shell layer and the second shell layer may be 5 μm or more from the viewpoint of ensuring adhesiveness, or may be 30 μm or more from the viewpoint of reducing the cell thickness. , it may be 100 μm or less, or it may be 40 μm or less.

樹脂フレームにおいて、第1シェル層及び第2シェル層は、それぞれアノードセパレータ及びカソードセパレータと接着する部分にのみに設けられていてもよい。コア層の一方の面に設けられた第1シェル層は、カソードセパレータと接着していてもよい。コア層の他方の面に設けられた第2シェル層は、アノードセパレータと接着していてもよい。そして、樹脂フレームは、一対のセパレータにより挟持されてもよい。 In the resin frame, the first shell layer and the second shell layer may be provided only in the portions bonded to the anode separator and the cathode separator, respectively. The first shell layer provided on one side of the core layer may be bonded to the cathode separator. The second shell layer provided on the other side of the core layer may be bonded to the anode separator. The resin frame may be sandwiched between a pair of separators.

燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等の各孔が連通したマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、燃料ガス入口マニホールド、酸化剤ガス入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、燃料ガス出口マニホールド、酸化剤ガス出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
本開示においては、燃料ガス入口マニホールド、及び、燃料ガス出口マニホールドをまとめて燃料ガスマニホールドという。
本開示においては、酸化剤ガス入口マニホールド、及び、酸化剤ガス出口マニホールドをまとめて酸化剤ガスマニホールドという。
本開示においては、冷媒入口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールドをまとめて冷媒マニホールドという。
燃料電池スタックは、少なくとも燃料ガスマニホールドを有し、通常さらに酸化剤ガスマニホールド、及び、冷媒マニホールドを有する。
The fuel cell stack may have a manifold in which each hole communicates, such as an inlet manifold with which each supply hole communicates, and an outlet manifold with which each discharge hole communicates.
Examples of the inlet manifold include a fuel gas inlet manifold, an oxidant gas inlet manifold, and a refrigerant inlet manifold.
Examples of the outlet manifold include a fuel gas outlet manifold, an oxidant gas outlet manifold, and a refrigerant outlet manifold.
In this disclosure, the fuel gas inlet manifold and the fuel gas outlet manifold are collectively referred to as the fuel gas manifold.
In the present disclosure, the oxidizing gas inlet manifold and the oxidizing gas outlet manifold are collectively referred to as the oxidizing gas manifold.
In this disclosure, a refrigerant inlet manifold and a refrigerant outlet manifold are collectively referred to as a refrigerant manifold.
A fuel cell stack has at least a fuel gas manifold, and typically further includes an oxidant gas manifold and a coolant manifold.

シールシートは、隣り合う単セル間に配置され、隣り合う単セルのシール部材として用いられる。
シールシートは、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
シールシートの形状は、枠状であってもよい。シールシートのシールラインとなる枠は、セパレータのシールラインリブと位置合わせされていてもよい。
シールシートは、平面視において前記燃料ガスマニホールドを囲いシールする第1シールラインと、当該第1シールラインを囲う第2シールラインの2重シール構造を有する。ここでいう燃料ガスマニホールドは、燃料ガス入口マニホールドであってもよく、燃料ガス出口マニホールドであってもよく、両方のマニホールドであってもよい。
2重シール構造は、第1シールラインと第2シールラインとの間に2重シール間空間部を有する。
第2シールラインと接するカソードセパレータのリブには、当該カソードセパレータの酸化剤ガス流路から第1シールラインと第2シールラインとの間の2重シール間空間部に酸化剤ガスを供給することが可能な、当該リブを平面方向に貫通する貫通口が設けられている。
2重シール間空間部は、貫通口により酸化剤ガスで満たすことが可能な構造を有する。
The seal sheet is placed between adjacent single cells and is used as a sealing member for the adjacent single cells.
The seal sheet may be made of thermoplastic resin such as polyester-based or modified olefin-based resin, or may be made of thermosetting resin such as modified epoxy resin.
The seal sheet may have a frame shape. The frame serving as the seal line of the seal sheet may be aligned with the seal line rib of the separator.
The seal sheet has a double seal structure including a first seal line that surrounds and seals the fuel gas manifold in a plan view, and a second seal line that surrounds the first seal line. The fuel gas manifold here may be a fuel gas inlet manifold, a fuel gas outlet manifold, or both manifolds.
The double seal structure has a double seal space between the first seal line and the second seal line.
Oxidizing gas is supplied to the rib of the cathode separator in contact with the second seal line from the oxidizing gas flow path of the cathode separator to the space between the double seals between the first seal line and the second seal line. A through hole is provided that penetrates the rib in the planar direction.
The space between the double seals has a structure that can be filled with oxidizing gas through the through hole.

図1は、上図が、本開示の燃料電池スタックの燃料ガスマニホールド付近を平面視したときの一例を示す平面模式図であり、下図がA-A断面模式図である。
図1の平面模式図で示すように本開示の燃料電池スタックのシールシート24は、平面視において燃料ガスマニホールド10を囲いシールする第1シールライン11と、当該第1シールライン11を囲う第2シールライン13の2重シール構造を有する。図示しないが、冷媒マニホールド、酸化剤ガスマニホールドは、第2シールライン13の外側の領域の任意の位置に設けられていてもよい。燃料ガスマニホールド10は、燃料ガス入口マニホールドであってもよく、燃料ガス出口マニホールドであってもよい。
第1シールライン11と第2シールライン13との間には、2重シール間空間部14が形成される。
A-A断面模式図で示すように、本開示の燃料電池スタックは、燃料ガスマニホールド10付近においては、カソードセパレータ20とアノードセパレータ22と、カソードセパレータ20とアノードセパレータ22の間に配置された樹脂フレーム23とを有し、隣り合う単セルがシールシート24によりシールされている。アノードセパレータ22は燃料ガス流路25を有する。ここでいう燃料ガス流路25は、燃料ガス導出入部であってもよい。
A-A断面模式図で示すように、第2シールライン13と接するカソードセパレータ20のリブには、当該カソードセパレータ20の酸化剤ガス流路から2重シール間空間部14に酸化剤ガスを供給することが可能な、当該リブを平面方向に貫通する貫通口21が設けられている。貫通口21から2重シール間空間部14に酸化剤ガスが供給され、2重シール間空間部14は酸化剤ガスで満たされている。2重シール構造により、燃料ガスの冷媒流路への混入を抑制することができる。
In FIG. 1, the upper figure is a schematic plan view showing an example of the vicinity of the fuel gas manifold of the fuel cell stack of the present disclosure when viewed from above, and the lower figure is a schematic cross-sectional view taken along line AA.
As shown in the schematic plan view of FIG. 1, the seal sheet 24 of the fuel cell stack of the present disclosure includes a first seal line 11 that surrounds and seals the fuel gas manifold 10 in a plan view, and a second seal line 11 that surrounds the first seal line 11. It has a double seal structure with a seal line 13. Although not shown, the refrigerant manifold and the oxidizing gas manifold may be provided at any position outside the second seal line 13. The fuel gas manifold 10 may be a fuel gas inlet manifold or a fuel gas outlet manifold.
A double seal space 14 is formed between the first seal line 11 and the second seal line 13.
As shown in the AA cross-sectional schematic diagram, the fuel cell stack of the present disclosure includes a cathode separator 20 and an anode separator 22, and a resin disposed between the cathode separator 20 and the anode separator 22 in the vicinity of the fuel gas manifold 10. Adjacent single cells are sealed with a sealing sheet 24. The anode separator 22 has a fuel gas flow path 25 . The fuel gas passage 25 referred to here may be a fuel gas lead-in/out section.
As shown in the AA cross-sectional schematic diagram, oxidizing gas is supplied to the ribs of the cathode separator 20 that are in contact with the second seal line 13 from the oxidizing gas flow path of the cathode separator 20 to the space 14 between the double seals. A through hole 21 is provided that penetrates the rib in the planar direction. Oxidizing gas is supplied from the through hole 21 to the space 14 between the double seals, and the space 14 between the double seals is filled with the oxidizing gas. The double seal structure can prevent fuel gas from entering the refrigerant flow path.

10 燃料ガスマニホールド
11 第1シールライン
13 第2シールライン
14 2重シール間空間部
20 カソードセパレータ
21 貫通口
22 アノードセパレータ
23 樹脂フレーム
24 シールシート
25 燃料ガス流路
10 Fuel gas manifold 11 First seal line 13 Second seal line 14 Space between double seals 20 Cathode separator 21 Penetration 22 Anode separator 23 Resin frame 24 Seal sheet 25 Fuel gas flow path

Claims (1)

カソードセパレータ及びアノードセパレータを備えた単セルを複数積層したセル積層体を有し、隣り合う単セル間のシールにシールシートを用いた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは、燃料ガスマニホールドを有し、
前記シールシートは、平面視において前記燃料ガスマニホールドを囲いシールする第1シールラインと、当該第1シールラインを囲う第2シールラインの2重シール構造を有し、
前記第2シールラインと接する前記カソードセパレータのリブには、当該カソードセパレータの酸化剤ガス流路から前記第1シールラインと前記第2シールラインとの間の2重シール間空間部に酸化剤ガスを供給することが可能な、当該リブを平面方向に貫通する貫通口が設けられ、
前記2重シール間空間部は、前記貫通口により前記酸化剤ガスで満たすことが可能な構造を有する燃料電池スタック。
A fuel cell stack having a cell stack in which a plurality of single cells each having a cathode separator and an anode separator are stacked, and using a seal sheet to seal between adjacent single cells,
The fuel cell stack has a fuel gas manifold,
The seal sheet has a double seal structure including a first seal line that surrounds and seals the fuel gas manifold in a plan view, and a second seal line that surrounds the first seal line,
The rib of the cathode separator in contact with the second seal line is provided with an oxidant gas from the oxidant gas flow path of the cathode separator to the space between the double seals between the first seal line and the second seal line. A through hole is provided that penetrates the rib in a planar direction, and is capable of supplying
The fuel cell stack has a structure in which the space between the double seals can be filled with the oxidizing gas through the through hole.
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