JP3866246B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜の両側に第1電極と該第1電極よりも大きな表面積を有する第2電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第1及び第2金属セパレータ間に配設する発電セルが複数積層される燃料電池に関する。 The present invention includes an electrolyte membrane / electrode structure in which a first electrode and a second electrode having a larger surface area than the first electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane / electrode structure is a first electrode. and the power generation cell disposed between the second metal separator about the fuel cells to be stacked.

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側に、アノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane). A power generation cell sandwiched between separators is provided. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.

この発電セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。   In this power generation cell, the fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on the electrode catalyst, and the cathode passes through the electrolyte membrane. Move to the side electrode side. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen reacts to produce water.

上記の発電セルでは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を気密及び液密に保持するために、種々のシール構造が採用されている。例えば、特許文献1に開示された燃料電池は、図4に示すように、電解質膜・電極接合体1が第1及び第2セパレータ2、3により挟持された発電セル4を備え、この発電セル4が複数積層されることによって燃料電池スタックが構成されている。   In the power generation cell described above, various seal structures are employed in order to keep the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium airtight and liquid tight. For example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 includes a power generation cell 4 in which an electrolyte membrane / electrode assembly 1 is sandwiched between first and second separators 2 and 3 as shown in FIG. A fuel cell stack is configured by stacking a plurality of 4.

第1セパレータ2の外周部分の表裏を覆って第1シール部材5が設けられるとともに、第2セパレータ3の外周部分の表裏を覆って第2シール部材6が設けられている。   A first seal member 5 is provided to cover the front and back of the outer peripheral portion of the first separator 2, and a second seal member 6 is provided to cover the front and back of the outer peripheral portion of the second separator 3.

第1シール部材5は、第1セパレータ2の一方の面に設けられる平面シール5aと、前記第1セパレータ2の他方の面に設けられる平面シール5bと、前記平面シール5bに連続する肉厚シール5cとを有している。第2シール部材6は、第2セパレータ3の一方の面に設けられる外側凸状シール6a及び肉厚シール6bと、前記第2セパレータ3の他方の面に設けられる外側凸状シール6c及び内側凸状シール6dとを有している。   The first seal member 5 includes a flat seal 5a provided on one surface of the first separator 2, a flat seal 5b provided on the other surface of the first separator 2, and a thick seal continuous with the flat seal 5b. 5c. The second seal member 6 includes an outer convex seal 6a and a thick seal 6b provided on one surface of the second separator 3, and an outer convex seal 6c and an inner convex provided on the other surface of the second separator 3. 6d.

発電セル4内では、第1シール部材5の平面シール5b及び肉厚シール5cが、第2シール部材6の外側凸状シール6c及び内側凸状シール6dと密着している。さらに、各発電セル4間では、第2シール部材6の外側凸状シール6a及び肉厚シール6bが、第1シール部材5の平面シール5aと密着している。   In the power generation cell 4, the planar seal 5 b and the thick seal 5 c of the first seal member 5 are in close contact with the outer convex seal 6 c and the inner convex seal 6 d of the second seal member 6. Further, between the power generation cells 4, the outer convex seal 6 a and the thick seal 6 b of the second seal member 6 are in close contact with the flat seal 5 a of the first seal member 5.

特開2002−305006号公報(段落[0110]〜[0111]、図19)JP 2002-305006 A (paragraphs [0110] to [0111], FIG. 19)

ところで、上記の第1シール部材5は、平面シール5a、5b及び肉厚シール5cを設けるとともに、第2シール部材6は、外側凸状シール6a、6c、肉厚シール6b及び内側凸状シール6dを設けている。このため、第1及び第2シール部材5、6の構成が相当に複雑化し、前記第1及び第2シール部材5、6の製造コストが高騰するおそれがある。   Meanwhile, the first seal member 5 is provided with the planar seals 5a and 5b and the thick seal 5c, and the second seal member 6 is provided with the outer convex seals 6a and 6c, the thick seal 6b and the inner convex seal 6d. Is provided. For this reason, the configuration of the first and second seal members 5 and 6 is considerably complicated, and the manufacturing cost of the first and second seal members 5 and 6 may increase.

しかも、第1及び第2シール部材5、6は、表裏のシール構造が異なっている。従って、例えば、金属製の第1及び第2セパレータ2、3に第1及び第2シール部材5、6を一体成形する際に、成形用射出圧力の偏り等によって前記第1及び第2セパレータ2、3が変形する場合がある。   Moreover, the first and second seal members 5 and 6 have different front and back seal structures. Therefore, for example, when the first and second seal members 5 and 6 are integrally formed with the first and second separators 2 and 3 made of metal, the first and second separators 2 are caused by uneven injection pressure for molding. 3 may be deformed.

さらに、最近、電解質膜の両側に第1電極と該第1電極よりも大きな表面積を有する第2電極とを配設した電解質膜・電極構造体(以下、単に段差MEAともいう)が使用されているが、上記の特許文献1では、この種の段差MEAに、直接、適用することができない。   Furthermore, recently, an electrolyte membrane / electrode structure (hereinafter also simply referred to as a step MEA) in which a first electrode and a second electrode having a larger surface area than the first electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane has been used. However, in the above-mentioned Patent Document 1, it cannot be applied directly to this type of step MEA.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータの変形等を確実に阻止するとともに、段差MEAの所望のシール機能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and is a fuel cell capable of reliably preventing deformation of a metal separator and ensuring a desired sealing function of a step MEA with a simple and economical configuration. The purpose is to provide.

本発明は、電解質膜の両側に第1電極と該第1電極よりも大きな表面積を有する第2電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第1及び第2金属セパレータ間に配設する発電セルが複数積層される燃料電池である。第1金属セパレータの外周を覆って該第1金属セパレータの両面に第1シール部材が一体的に設けられるとともに、第2金属セパレータの外周を覆って該第2金属セパレータの両面に第2シール部材が一体的に設けられている。   The present invention includes an electrolyte membrane / electrode structure in which a first electrode and a second electrode having a larger surface area than the first electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane / electrode structure is a first electrode. And a plurality of power generation cells disposed between the second metal separators. A first seal member is integrally provided on both surfaces of the first metal separator so as to cover the outer periphery of the first metal separator, and a second seal member is provided on both surfaces of the second metal separator so as to cover the outer periphery of the second metal separator. Are provided integrally.

第1シール部材は、第1電極に対向する第1金属セパレータの一方の面に設けられ、該第1電極の外周から外方に突出する電解質膜・電極構造体の外周縁部に接触して周回する第1内側凸状シールと、前記一方の面に設けられ、前記電解質膜・電極構造体の外周外方を周回する第1外側凸状シールと、前記一方の面とは反対の他方の面に設けられ、前記第1内側凸状シールと略同一位置に配置される第2内側凸状シールと、前記他方の面に設けられ、前記第1外側凸状シールと略同一位置に配置される第2外側凸状シールとを備えている。   The first seal member is provided on one surface of the first metal separator facing the first electrode, and contacts the outer peripheral edge of the electrolyte membrane / electrode structure protruding outward from the outer periphery of the first electrode. A first inner convex seal that circulates, a first outer convex seal that is provided on the one surface and circulates around the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure, and the other opposite to the one surface A second inner convex seal provided on a surface and disposed at substantially the same position as the first inner convex seal, and provided on the other surface and disposed at substantially the same position as the first outer convex seal. And a second outer convex seal.

第2シール部材は、第2電極に対向する第2金属セパレータの一方の面に設けられ、第1シール部材の第1外側凸状シールに接触する第1平面シールと、前記一方の面とは反対の他方の面に設けられ、別の発電セルを構成する第1シール部材の第2内側凸状シール及び第2外側凸状シールに接触する第2平面シールとを備えている。   The second seal member is provided on one surface of the second metal separator facing the second electrode, the first flat seal contacting the first outer convex seal of the first seal member, and the one surface A second planar seal that contacts the second inner convex seal and the second outer convex seal of the first seal member that is provided on the other opposite surface and constitutes another power generation cell.

また、第1金属セパレータの両面には、外周を覆って第1シール部材が額縁状に一体成形されるとともに、第2金属セパレータの両面には、外周を覆って第2シール部材が額縁状に一体成形されることが好ましい。   In addition, a first seal member is integrally formed in a frame shape on both surfaces of the first metal separator so as to cover the outer periphery, and a second seal member is formed in a frame shape so as to cover the outer periphery on both surfaces of the second metal separator. It is preferable to be integrally formed.

さらに、電解質膜・電極構造体と第1及び第2金属セパレータとの積層方向に貫通して燃料ガス供給連通孔、酸化剤ガス供給連通孔、冷却媒体供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス排出連通孔及び冷却媒体排出連通孔の6つの連通孔が設けられるとともに、前記第1及び第2金属セパレータの両側には、額縁状シール部材が設けられた部位に6つの前記連通孔がそれぞれ3つずつ分配して形成されることが好ましい。すなわち、連通孔の内側をシール部材で覆うことにより、第1及び第2金属セパレータの絶縁性を確保することができる。   Furthermore, the fuel gas supply communication hole, the oxidant gas supply communication hole, the cooling medium supply communication hole, the fuel gas discharge communication hole, the oxidation gas and the electrode structure and the first and second metal separators are penetrated in the stacking direction. Six communication holes, a reagent gas discharge communication hole and a cooling medium discharge communication hole, are provided, and on the both sides of the first and second metal separators, the six communication holes are provided at portions where frame-shaped seal members are provided. It is preferable that three of them are distributed and formed. That is, the insulation of the first and second metal separators can be ensured by covering the inside of the communication hole with the seal member.

本発明では、第1シール部材の両面において、第1内側凸状シールと第2内側凸状シールとが略同一位置に配置されるとともに、第1外側凸状シールと第2外側凸状シールとが略同一位置に配置されている。従って、第1金属セパレータに第1シール部材を一体成形する際に、成形用射出圧力の偏り等が回避され、前記第1金属セパレータの変形を有効に低減することができる。   In the present invention, on both surfaces of the first seal member, the first inner convex seal and the second inner convex seal are disposed at substantially the same position, and the first outer convex seal and the second outer convex seal are Are arranged at substantially the same position. Therefore, when the first seal member is integrally formed with the first metal separator, deviation of the injection pressure for molding, etc. can be avoided, and deformation of the first metal separator can be effectively reduced.

さらに、第2シール部材の両面には、第1及び第2平面シールが設けられるだけであり、この第2シール部材が経済的且つ簡単に成形される。しかも、第2金属セパレータに第2シール部材を成形する際に、この第2金属セパレータが変形することを良好に阻止することが可能になる。   Furthermore, only the first and second flat seals are provided on both surfaces of the second seal member, and the second seal member is formed economically and easily. In addition, when the second seal member is formed on the second metal separator, it is possible to satisfactorily prevent the second metal separator from being deformed.

さらにまた、第1シール部材には、第1及び第2内側凸状シールと第1及び第2外側凸状シールとが設けられる一方、第2シール部材には、凸状シールが設けられていない。これにより、第1金属セパレータと第2金属セパレータとを容易且つ確実に識別することができ、部品管理や燃料電池の組立作業が一挙に簡素化し、作業性の向上が図られる。   Furthermore, the first seal member is provided with the first and second inner convex seals and the first and second outer convex seals, whereas the second seal member is not provided with the convex seal. . As a result, the first metal separator and the second metal separator can be easily and reliably identified, and parts management and fuel cell assembly work can be simplified at once, and workability can be improved.

しかも、第1シール部材の凸状シールが第2シール部材の平面シールに接触するため、前記凸状シールを正確に位置決めする必要がなく、燃料電池の組み付け作業が容易になる。   In addition, since the convex seal of the first seal member contacts the flat seal of the second seal member, it is not necessary to accurately position the convex seal, and the assembly operation of the fuel cell is facilitated.

また、本発明では、第1金属セパレータの両面に且つ略同一位置に第1及び第2凸状シールが設けられており、この第1及び第2凸状シールが補強用リブとして機能する。このため、第1金属セパレータを薄肉化する際に、前記第1金属セパレータに変形が発生することがなく、面圧分布の均一性による発電性能の安定性、シール性及び絶縁性を良好に確保することが可能になる。   In the present invention, the first and second convex seals are provided on both surfaces of the first metal separator at substantially the same position, and the first and second convex seals function as reinforcing ribs. For this reason, when the thickness of the first metal separator is reduced, the first metal separator is not deformed, and the power generation performance stability, sealing performance, and insulation properties are ensured by uniformity of the surface pressure distribution. It becomes possible to do.

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池10を構成する発電セル12の要部分解斜視説明図であり、図2は、複数の発電セル12を矢印A方向に積層してスタック化された燃料電池10の、図1中、II−II線断面説明図である。   FIG. 1 is an exploded perspective view of a main part of a power generation cell 12 constituting a fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell 10 taken along the line II-II in FIG.

燃料電池10は、複数の発電セル12を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート14a、14bが配置される(図2参照)。エンドプレート14a、14bは、図示しないタイロッドを介して固定されることにより、積層されている発電セル12には、矢印A方向に所定の締め付け荷重が付与される。   In the fuel cell 10, a plurality of power generation cells 12 are stacked in the direction of arrow A, and end plates 14a and 14b are disposed at both ends in the stacking direction (see FIG. 2). The end plates 14a and 14b are fixed via tie rods (not shown), whereby a predetermined tightening load is applied to the stacked power generation cells 12 in the arrow A direction.

図1に示すように、発電セル12は、電解質膜・電極構造体16が、第1及び第2金属セパレータ18、20に挟持されて構成される。第1及び第2金属セパレータ18、20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成されている。第1及び第2金属セパレータ18、20の厚さは、例えば、0.05mm〜1.0mmの範囲内に設定されている。   As shown in FIG. 1, the power generation cell 12 includes an electrolyte membrane / electrode structure 16 sandwiched between first and second metal separators 18 and 20. The first and second metal separators 18 and 20 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or a metal plate whose surface is subjected to anticorrosion treatment. The thickness of the 1st and 2nd metal separators 18 and 20 is set in the range of 0.05 mm-1.0 mm, for example.

電解質膜・電極構造体16は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード側電極(第1電極)24及びカソード側電極(第2電極)26とを備える。アノード側電極24は、カソード側電極26よりも小さな表面積を有している。   The electrolyte membrane / electrode structure 16 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode side electrode (first electrode) 24 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 22. And a cathode side electrode (second electrode) 26. The anode side electrode 24 has a smaller surface area than the cathode side electrode 26.

アノード側電極24及びカソード側電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に接合されている。   The anode side electrode 24 and the cathode side electrode 26 include a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and an electrode catalyst layer in which porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And have. The electrode catalyst layer is bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22.

発電セル12の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   One end edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow B (the horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and oxidant for supplying an oxidant gas, eg, an oxygen-containing gas An agent gas inlet communication hole 30a, a cooling medium outlet communication hole 32b for discharging a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 34b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are provided in the direction of arrow C (vertical direction). Are provided in an array.

発電セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the power generation cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 34a for supplying fuel gas, and a cooling medium inlet communication hole for supplying a cooling medium. 32a and oxidant gas outlet communication holes 30b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

図3に示すように、第1金属セパレータ18の電解質膜・電極構造体16に向かう面18aには、後述するように、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通し、例えば、矢印B方向に蛇行しながら鉛直下方向に延在する燃料ガス流路36が設けられる。   As shown in FIG. 3, the surface 18a of the first metal separator 18 facing the electrolyte membrane / electrode structure 16 communicates with a fuel gas inlet communication hole 34a and a fuel gas outlet communication hole 34b, as will be described later. For example, a fuel gas flow path 36 that extends vertically downward while meandering in the direction of arrow B is provided.

図1に示すように、第2金属セパレータ20の電解質膜・電極構造体16に向かう面20aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通し、矢印B方向に蛇行しながら鉛直上方向(矢印C方向)に延在する酸化剤ガス流路38が形成される。図1及び図2に示すように、第1金属セパレータ18の面18bと第2金属セパレータ20の面20bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路40が形成される。この冷却媒体流路40は、矢印B方向に直線状に延在する。   As shown in FIG. 1, the surface 20a of the second metal separator 20 facing the electrolyte membrane / electrode structure 16 communicates with an oxidant gas inlet communication hole 30a and an oxidant gas outlet communication hole 30b, and is in the direction of arrow B. The oxidant gas flow path 38 extending in the vertical upward direction (arrow C direction) while meandering is formed. As shown in FIGS. 1 and 2, the surface 18b of the first metal separator 18 and the surface 20b of the second metal separator 20 communicate with the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b. A cooling medium flow path 40 is formed. The cooling medium flow path 40 extends linearly in the direction of arrow B.

第1金属セパレータ18の面18a、18bには、この第1金属セパレータ18の外周端部を周回して、第1シール部材42が射出成形等により額縁状に一体化される。第1シール部材42は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。第1シール部材42の厚さは、例えば、0.05mm〜2mmの範囲内に設定される。   The first seal member 42 is integrated with the surfaces 18a and 18b of the first metal separator 18 in a frame shape around the outer peripheral end of the first metal separator 18 by injection molding or the like. The first seal member 42 uses, for example, a seal material such as EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroplane, or acrylic rubber, a cushion material, or a packing material. To do. The thickness of the first seal member 42 is set within a range of 0.05 mm to 2 mm, for example.

図2に示すように、第1シール部材42は、第1金属セパレータ18の外周端部に近接して面18aに設けられる第1外側凸状シール44aを備え、この第1外側凸状シール44aから内方に所定の距離だけ離間して第1内側凸状シール46aが設けられる。第1外側凸状シール44aは、電解質膜・電極構造体16の外周外方を周回するとともに、第1内側凸状シール46aは、アノード側電極24の外周外方を周回する。   As shown in FIG. 2, the first seal member 42 includes a first outer convex seal 44a provided on the surface 18a adjacent to the outer peripheral end of the first metal separator 18, and the first outer convex seal 44a. A first inner convex seal 46a is provided at a predetermined distance from the inside. The first outer convex seal 44 a goes around the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure 16, and the first inner convex seal 46 a goes around the outer periphery of the anode side electrode 24.

図3に示すように、第1外側凸状シール44aは、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔32b、燃料ガス出口連通孔34b、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔30bを囲繞する。第1内側凸状シール46aは、燃料ガス流路36を囲繞するとともに、前記第1内側凸状シール46aと第1外側凸状シール44aとの間には、電解質膜・電極構造体16の外周端部が配置される(図2参照)。   As shown in FIG. 3, the first outer convex seal 44a includes the oxidant gas inlet communication hole 30a, the cooling medium outlet communication hole 32b, the fuel gas outlet communication hole 34b, the fuel gas inlet communication hole 34a, and the cooling medium inlet communication hole. 32a and the oxidizing gas outlet communication hole 30b are surrounded. The first inner convex seal 46a surrounds the fuel gas flow path 36, and the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure 16 is interposed between the first inner convex seal 46a and the first outer convex seal 44a. Ends are arranged (see FIG. 2).

第1シール部材42は、第1金属セパレータ18の外周端部に近接して面18bに設けられる第2外側凸状シール44bを備え、この第2外側凸状シール44bから内方に所定の距離だけ離間して第2内側凸状シール46bが設けられる(図2参照)。第2外側凸状シール44bは、図3に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔32b、燃料ガス出口連通孔34b、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔30bを囲繞する。第2内側凸状シール46bは、冷却媒体流路40を囲繞するとともに、前記冷却媒体入口連通孔32a及び前記冷却媒体出口連通孔32bを前記冷却媒体流路40に連通する。   The first seal member 42 includes a second outer convex seal 44b provided on the surface 18b close to the outer peripheral end of the first metal separator 18, and a predetermined distance inward from the second outer convex seal 44b. A second inner convex seal 46b is provided at a distance (see FIG. 2). As shown in FIG. 3, the second outer convex seal 44b includes an oxidant gas inlet communication hole 30a, a cooling medium outlet communication hole 32b, a fuel gas outlet communication hole 34b, a fuel gas inlet communication hole 34a, and a cooling medium inlet communication hole. 32a and the oxidizing gas outlet communication hole 30b are surrounded. The second inner convex seal 46 b surrounds the cooling medium flow path 40 and communicates the cooling medium inlet communication hole 32 a and the cooling medium outlet communication hole 32 b with the cooling medium flow path 40.

図2に示すように、第1及び第2外側凸状シール44a、44bは、第1金属セパレータ18を挟んで略同一位置に設定されるとともに、第1及び第2内側凸状シール46a、46bは、前記第1金属セパレータ18を挟んで略同一位置に設定される。   As shown in FIG. 2, the first and second outer convex seals 44a and 44b are set at substantially the same position across the first metal separator 18, and the first and second inner convex seals 46a and 46b. Are set at substantially the same position across the first metal separator 18.

第2金属セパレータ20の面20a、20bには、この第2金属セパレータ20の外周端部を周回して、第2シール部材50が射出成形等により額縁状に一体化される。第2シール部材50は、第1シール部材42と同一の材料で構成してもよく、また、異なる材料で構成してもよい。第2シール部材50の厚さは、例えば、0.05mm〜2mmの範囲内に設定される。   On the surfaces 20a and 20b of the second metal separator 20, the second seal member 50 is integrated in a frame shape by injection molding or the like around the outer peripheral end of the second metal separator 20. The second seal member 50 may be made of the same material as the first seal member 42 or may be made of a different material. The thickness of the second seal member 50 is set within a range of 0.05 mm to 2 mm, for example.

第2シール部材50は、第2金属セパレータ20の面20aに一体化される第1平面シール52と、前記第2金属セパレータ20の面20bに一体化される第2平面シール54とを備える。図1に示すように、第1平面シール52は、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bが酸化剤ガス流路38に連通するようにこれらの周囲を囲繞して形成される。第2平面シール54は、冷却媒体入口連通孔32a及び冷却媒体出口連通孔32bを冷却媒体流路40に連通して形成される。   The second seal member 50 includes a first flat seal 52 that is integrated with the surface 20 a of the second metal separator 20, and a second flat seal 54 that is integrated with the surface 20 b of the second metal separator 20. As shown in FIG. 1, the first flat seal 52 is formed so as to surround the oxidant gas inlet communication hole 30 a and the oxidant gas outlet communication hole 30 b so as to communicate with the oxidant gas flow path 38. The The second flat seal 54 is formed by communicating the cooling medium inlet communication hole 32 a and the cooling medium outlet communication hole 32 b with the cooling medium flow path 40.

図2に示すように、第1平面シール52は、第2平面シール54よりも短尺に構成される。第1シール部材42の第1外側凸状シール44aが第2シール部材50の第1平面シール52に接触するとともに、第1内側凸状シール46aが電解質膜・電極構造体16の固体高分子電解質膜22の外周縁部に直接接触する。なお、固体高分子電解質膜22をアノード側電極24と同一の寸法に構成する際には、カソード側電極26の外周縁部にシール材を含浸させて、この外周縁部に第1内側凸状シール46aを直接接触させてもよい。   As shown in FIG. 2, the first flat seal 52 is configured to be shorter than the second flat seal 54. The first outer convex seal 44 a of the first seal member 42 contacts the first flat seal 52 of the second seal member 50, and the first inner convex seal 46 a is the solid polymer electrolyte of the electrolyte membrane / electrode structure 16. It directly contacts the outer peripheral edge of the membrane 22. When the solid polymer electrolyte membrane 22 is configured to have the same dimensions as the anode-side electrode 24, the outer peripheral edge portion of the cathode-side electrode 26 is impregnated with a sealing material, and the first inner convex shape is formed on the outer peripheral edge portion. The seal 46a may be brought into direct contact.

第1シール部材42の第2外側凸状シール44b及び第2内側凸状シール46bは、別の発電セル12を構成する第2金属セパレータ20に一体化された第2シール部材50の第2平面シール54に接触する。   The second outer convex seal 44b and the second inner convex seal 46b of the first seal member 42 are the second plane of the second seal member 50 integrated with the second metal separator 20 constituting another power generation cell 12. Contact seal 54.

図1及び図3に示すように、第1金属セパレータ18は、冷却媒体流路40が設けられた面18bに、それぞれ燃料ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔34bに連通する複数の通路56a、56bが形成される。各通路56a、56bは、複数の孔部58a、58bに連通するとともに、前記孔部58a、58bは、面18aに設けられた燃料ガス流路36に連通する。   As shown in FIGS. 1 and 3, the first metal separator 18 has a plurality of passages communicating with the surface 18b provided with the cooling medium flow path 40, respectively, with the fuel gas inlet communication hole 34a and the fuel gas outlet communication hole 34b. 56a and 56b are formed. The passages 56a and 56b communicate with a plurality of holes 58a and 58b, and the holes 58a and 58b communicate with a fuel gas flow path 36 provided on the surface 18a.

酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体出口連通孔32b、燃料ガス出口連通孔34b、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体入口連通孔32a及び酸化剤ガス出口連通孔30bは、第1及び第2シール部材42、50の額縁状シールを設けた部位に形成されており、それぞれの内側がシールで覆われており、第1及び第2金属セパレータ18、20の絶縁性を確保している。   The oxidant gas inlet communication hole 30a, the cooling medium outlet communication hole 32b, the fuel gas outlet communication hole 34b, the fuel gas inlet communication hole 34a, the cooling medium inlet communication hole 32a, and the oxidant gas outlet communication hole 30b are first and second. It is formed in the site | part which provided the frame-shaped seal | sticker of the sealing members 42 and 50, each inner side is covered with the seal | sticker, and the insulation of the 1st and 2nd metal separators 18 and 20 is ensured.

このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described below.

まず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2金属セパレータ20の酸化剤ガス流路38に導入され、矢印B方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動する。このため、酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体16を構成するカソード側電極26に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから通路56a及び孔部58aを通って第1金属セパレータ18の燃料ガス流路36に導入される(図3参照)。この燃料ガスは、矢印B方向に蛇行しながら鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体16を構成するアノード側電極24に供給される。   For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 38 of the second metal separator 20 from the oxidant gas inlet communication hole 30a and moves vertically downward while meandering in the arrow B direction. Therefore, the oxidant gas is supplied to the cathode-side electrode 26 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 16. On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 36 of the first metal separator 18 from the fuel gas inlet communication hole 34a through the passage 56a and the hole 58a (see FIG. 3). This fuel gas moves vertically downward while meandering in the direction of arrow B, and is supplied to the anode side electrode 24 constituting the electrolyte membrane / electrode structure 16.

従って、各電解質膜・電極構造体16では、カソード側電極26に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極24に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 16, the oxidant gas supplied to the cathode side electrode 26 and the fuel gas supplied to the anode side electrode 24 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layer. Power generation is performed.

次いで、カソード側電極26に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される(図1参照)。アノード側電極24に供給されて消費された燃料ガスは、孔部58b及び通路56bを通り燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode side electrode 26 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b (see FIG. 1). The fuel gas consumed by being supplied to the anode side electrode 24 passes through the hole 58b and the passage 56b and is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b.

また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1及び第2金属セパレータ18、20間の冷却媒体流路40に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体16を冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 40 between the first and second metal separators 18 and 20, and then flows in the arrow B direction. The cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b after the electrolyte membrane / electrode structure 16 is cooled.

この場合、本実施形態では、図2に示すように、第1金属セパレータ18の外周端部を周回して第1シール部材42が一体化されている。この第1シール部材42は、一方の面に第1内側凸状シール46a及び第1外側凸状シール44aを有するとともに、他方の面に第2内側凸状シール46b及び第2外側凸状シール44bを有している。   In this case, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the first seal member 42 is integrated around the outer peripheral end portion of the first metal separator 18. The first seal member 42 has a first inner convex seal 46a and a first outer convex seal 44a on one surface, and a second inner convex seal 46b and a second outer convex seal 44b on the other surface. have.

そして、第1金属セパレータ18の両面において、第1内側凸状シール46aと第2内側凸状シール46bとが略同一位置に配置されるとともに、第1外側凸状シール44aと第2外側凸状シール44bとが略同一位置に配置されている。従って、第1金属セパレータ18に第1シール部材42を一体成形する際に、成形用射出圧力の偏り等が回避され、前記第1金属セパレータ18の変形を有効に低減することができるという効果が得られる。   The first inner convex seal 46a and the second inner convex seal 46b are disposed at substantially the same position on both surfaces of the first metal separator 18, and the first outer convex seal 44a and the second outer convex seal are disposed. The seal 44b is disposed at substantially the same position. Therefore, when the first seal member 42 is integrally formed with the first metal separator 18, an uneven injection pressure for molding is avoided, and the deformation of the first metal separator 18 can be effectively reduced. can get.

その際、第1金属セパレータ18を型(図示せず)により矯正した状態で、第1シール部材42が射出成形されることにより、前記第1金属セパレータ18のうねりや反りを良好に矯正することが可能になる。   At this time, the first metal separator 18 is injection-molded in a state where the first metal separator 18 is corrected by a mold (not shown), so that the undulation and warpage of the first metal separator 18 can be corrected well. Is possible.

しかも、第1シール部材42は、第1及び第2内側凸状シール46a、46bと第1及び第2外側凸状シール44a、44bとを有しており、これらが補強用リブとして機能する。このため、第1金属セパレータ18を薄肉化しても、該第1金属セパレータ18に変形が発生することがなく、面圧分布の均一化による発電性能の安定性、シール性及び絶縁性を確保することができる。なお、第2金属セパレータ20及び第2シール部材50においても、上記と同様の効果が得られる。   Moreover, the first seal member 42 has first and second inner convex seals 46a and 46b and first and second outer convex seals 44a and 44b, which function as reinforcing ribs. For this reason, even if the first metal separator 18 is thinned, the first metal separator 18 is not deformed, and the stability of the power generation performance, the sealing performance, and the insulation are ensured by the uniform surface pressure distribution. be able to. Note that the second metal separator 20 and the second seal member 50 also have the same effect as described above.

一方、第2シール部材50は、第1シール部材42の第1外側凸状シール44aに接触する第1平面シール52と、別の発電セル12を構成する第1シール部材42の第2内側凸状シール46b及び第2外側凸状シール44bに接触する第2平面シール54とを備えている。   On the other hand, the second seal member 50 includes a first flat seal 52 that contacts the first outer convex seal 44 a of the first seal member 42 and a second inner convex of the first seal member 42 that constitutes another power generation cell 12. And a second flat seal 54 in contact with the second seal 46b and the second outer convex seal 44b.

このため、第2シール部材50の両面には、第1及び第2平面シール52、54が設けられるだけであり、この第2シール部材50が経済的且つ簡単に成形される。しかも、第2金属セパレータ20に第2シール部材50を成形する際に、この第2金属セパレータ20が変形することを良好に阻止することが可能になるという利点がある。   For this reason, only the first and second flat seals 52 and 54 are provided on both surfaces of the second seal member 50, and the second seal member 50 is formed economically and easily. In addition, when the second seal member 50 is formed on the second metal separator 20, there is an advantage that it is possible to satisfactorily prevent the second metal separator 20 from being deformed.

また、第1及び第2シール部材42、50の厚さは、例えば、0.05mm〜2mmの範囲内に設定されている。従って、第1及び第2金属セパレータ18、20に反りやうねりが発生していても、前記第1及び第2金属セパレータ18、20の外周端部が第1及び第2シール部材42、50から外部に露呈することがなく、所望の絶縁性を確保するとともに、面圧分布が不均一になることを回避することができる。   Moreover, the thickness of the 1st and 2nd sealing members 42 and 50 is set in the range of 0.05 mm-2 mm, for example. Therefore, even if the first and second metal separators 18 and 20 are warped or undulated, the outer peripheral ends of the first and second metal separators 18 and 20 are separated from the first and second seal members 42 and 50. It is possible to prevent the surface pressure distribution from becoming nonuniform while ensuring desired insulation without being exposed to the outside.

さらに、第1シール部材42には、第1及び第2内側凸状シール46a、46bと第1及び第2外側凸状シール44a、44bとが設けられる一方、第2シール部材50には、凸状シールが設けられていない。これにより、第1金属セパレータ18と第2金属セパレータ20とを容易且つ確実に識別することができ、部品管理や燃料電池の組立作業が一挙に簡素化し、作業性の向上が図られる。   Further, the first seal member 42 is provided with first and second inner convex seals 46a, 46b and first and second outer convex seals 44a, 44b, while the second seal member 50 is provided with a convex. No seal is provided. Thereby, the 1st metal separator 18 and the 2nd metal separator 20 can be identified easily and reliably, parts management and the assembly operation of a fuel cell are simplified at once, and workability | operativity is achieved.

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory view of the power generation cell which constitutes the fuel cell concerning the embodiment of the present invention. 前記燃料電池の、図1中、II−II線断面説明図である。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell taken along line II-II in FIG. 1. 前記発電セルを構成する第1金属セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st metal separator which comprises the said electric power generation cell. 特許文献1に開示された燃料電池の説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池 12…発電セル
16…電解質膜・電極構造体 18、20…金属セパレータ
22…固体高分子電解質膜 24…アノード側電極
26…カソード側電極 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…冷却媒体入口連通孔
32b…冷却媒体出口連通孔 34a…燃料ガス入口連通孔
34b…燃料ガス出口連通孔 36…燃料ガス流路
38…酸化剤ガス流路 40…冷却媒体流路
42、50…シール部材 44a、44b…外側凸状シール
46a、46b…内側凸状シール 52、54…平面シール
56a、56b…通路 58a、58b…孔部

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Power generation cell 16 ... Electrolyte membrane and electrode structure 18, 20 ... Metal separator 22 ... Solid polymer electrolyte membrane 24 ... Anode side electrode 26 ... Cathode side electrode 30a ... Oxidant gas inlet communication hole 30b ... Oxidation Agent gas outlet communication hole 32a ... Cooling medium inlet communication hole 32b ... Cooling medium outlet communication hole 34a ... Fuel gas inlet communication hole 34b ... Fuel gas outlet communication hole 36 ... Fuel gas flow path 38 ... Oxidant gas flow path 40 ... Cooling medium Flow path 42, 50 ... Seal member 44a, 44b ... Outer convex seal 46a, 46b ... Inner convex seal 52, 54 ... Flat seal 56a, 56b ... Passage 58a, 58b ... Hole

Claims (3)

電解質膜の両側に第1電極と該第1電極よりも大きな表面積を有する第2電極とを配設した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を第1及び第2金属セパレータ間に配設する発電セルが複数積層される燃料電池であって、
前記第1金属セパレータの外周を覆って該第1金属セパレータの両面に一体的に設けられる第1シール部材と、
前記第2金属セパレータの外周を覆って該第2金属セパレータの両面に一体的に設けられる第2シール部材と、
を備えるとともに、
前記第1シール部材は、前記第1電極に対向する前記第1金属セパレータの一方の面に設けられ、該第1電極の外周から外方に突出する前記電解質膜・電極構造体の外周縁部に接触して周回する第1内側凸状シールと、
前記一方の面に設けられ、前記電解質膜・電極構造体の外周外方を周回する第1外側凸状シールと、
前記一方の面とは反対の他方の面に設けられ、前記第1内側凸状シールと略同一位置に配置される第2内側凸状シールと、
前記他方の面に設けられ、前記第1外側凸状シールと略同一位置に配置される第2外側凸状シールと、
を有し、
前記第2シール部材は、前記第2電極に対向する前記第2金属セパレータの一方の面に設けられ、前記第1外側凸状シールに接触する第1平面シールと、
前記一方の面とは反対の他方の面に設けられ、別の発電セルを構成する前記第1シール部材の前記第2内側凸状シール及び前記第2外側凸状シールに接触する第2平面シールと、
を有することを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane / electrode structure having a first electrode and a second electrode having a larger surface area than the first electrode on both sides of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane / electrode structure being a first and a second metal A fuel cell in which a plurality of power generation cells disposed between separators are stacked,
A first seal member that covers the outer periphery of the first metal separator and is integrally provided on both surfaces of the first metal separator;
A second seal member that covers the outer periphery of the second metal separator and is integrally provided on both surfaces of the second metal separator;
With
The first seal member is provided on one surface of the first metal separator facing the first electrode, and protrudes outward from the outer periphery of the first electrode. The outer peripheral edge of the electrolyte membrane / electrode structure A first inner convex seal that circulates in contact with
A first outer convex seal provided on the one surface and orbiting the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure;
A second inner convex seal provided on the other surface opposite to the one surface and disposed substantially at the same position as the first inner convex seal;
A second outer convex seal provided on the other surface and disposed at substantially the same position as the first outer convex seal;
Have
The second seal member is provided on one surface of the second metal separator facing the second electrode, and a first flat seal that contacts the first outer convex seal;
A second flat seal provided on the other surface opposite to the one surface and contacting the second inner convex seal and the second outer convex seal of the first seal member constituting another power generation cell. When,
A fuel cell comprising:
請求項1記載の燃料電池において、前記第1金属セパレータの両面には、外周を覆って前記第1シール部材が額縁状に一体成形されるとともに、
前記第2金属セパレータの両面には、外周を覆って前記第2シール部材が額縁状に一体成形されることを特徴とする燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the first seal member is integrally formed in a frame shape on both sides of the first metal separator so as to cover an outer periphery,
The fuel cell, wherein the second seal member is integrally formed in a frame shape on both surfaces of the second metal separator so as to cover an outer periphery.
請求項1又は2記載の燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体と前記第1及び第2金属セパレータとの積層方向に貫通して燃料ガス供給連通孔、酸化剤ガス供給連通孔、冷却媒体供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス排出連通孔及び冷却媒体排出連通孔の6つの連通孔が設けられるとともに、
前記第1及び第2金属セパレータの両側には、額縁状シール部材が設けられた部位に6つの前記連通孔がそれぞれ3つずつ分配して形成されることを特徴とする燃料電池。
3. The fuel cell according to claim 1, wherein a fuel gas supply communication hole, an oxidant gas supply communication hole, and a cooling medium penetrate through the electrolyte membrane / electrode structure and the first and second metal separators in the stacking direction. There are provided six communication holes including a supply communication hole, a fuel gas discharge communication hole, an oxidant gas discharge communication hole, and a cooling medium discharge communication hole,
6. The fuel cell according to claim 6, wherein six communication holes are distributed and formed on both sides of the first and second metal separators at portions where frame-shaped seal members are provided.
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