JP4013940B2 - Fuel cell seal structure - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池、ただし、固体高分子電解質型燃料電池に限るものではない）のシール構造に関する。   The present invention relates to a seal structure for a fuel cell (for example, a solid polymer electrolyte fuel cell, but not limited to a solid polymer electrolyte fuel cell).

固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるセルを１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層して構成される。
ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード）とからなる。ＭＥＡとセパレータとの間には、通常、拡散層が設けられる。この拡散層は、触媒層への反応ガスの拡散をよくするためのものであり、触媒層と協働して電極を構成するので電極の一部と考えてもよい。セパレータは、アノードに燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路およびカソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されるとともに、隣接するセル間の電子の通路を構成している。
セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）とボルトにて固定して、スタックが形成される。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、または、セル積層体の一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通してセル積層体の他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
上記反応を行うために、スタックには燃料ガス、酸化ガスが供給・排出される。また、セパレータでのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、そこに冷媒が循環され、燃料電池を冷却している。スタック内における燃料ガス、酸化ガス、冷媒のスタックのそれぞれの流路からの洩れと混合を防止するために、燃料電池の構成要素（セパレータ、電解質膜など）間にはシール材が設けられて構成要素間をシールしている。このシール材のシールラインには、モジュール間ガスケットシールラインと、ＭＥＡを挟んだセパレータ間シールラインとがある。セパレータ間シールラインは、ガスケットまたは接着剤シール材からなるシールラインである。
特開２００１−１０２０７２は、これらのシールラインを開示しており、そこでは、異種流体流路間を一重のガスケットまたは接着剤シールでシールしている。
図７、図８は従来シールラインを示している。図７は、従来のモジュール間ガスケットシールライン１を示しており、そこでは、ガスマニホールド回りのシールライン１ａと、反応面内の冷却水流路回りのシールライン１ｂとが、異種流路間部位で共有されて、一重シールライン１ｃを構成している。図８は、従来のＭＥＡを挟んだセパレータ間接着剤シールライン２を示しており、そこでは、燃料ガスマニホールド回りの接着剤シールライン２ａと、酸化ガスマニホールド回りの接着剤シールライン２ｂとが、異種流路間部位で共有されて、一重シールライン２ｃを構成している。
特開２００１−１０２０７２号公報 A solid polymer electrolyte fuel cell is configured by stacking one or more cells each including a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator to form a module, and stacking the modules.
The MEA includes an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an electrode (anode) made of a catalyst layer arranged on one surface of the electrolyte membrane, and an electrode (cathode) made of a catalyst layer arranged on the other surface of the electrolyte membrane. A diffusion layer is usually provided between the MEA and the separator. This diffusion layer is for improving the diffusion of the reaction gas to the catalyst layer, and constitutes the electrode in cooperation with the catalyst layer, so it may be considered as a part of the electrode. The separator is formed with a fuel gas channel for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode and an oxidizing gas channel for supplying oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode, and electrons between adjacent cells. This constitutes the passage.
A terminal (electrode plate), an insulator, and an end plate are arranged at both ends of the cell stack in the cell stacking direction, the cell stack is clamped in the cell stacking direction, and a fastening member extending in the cell stacking direction outside the cell stack (for example, A stack is formed by fixing with tension plates) and bolts.
In a solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions and electrons is performed on the anode side, the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen, hydrogen ions and electrons (adjacent to the cathode side). Generated from the anode of the MEA through the separator, or the electron generated at the anode of the cell at one end of the cell stack comes to the cathode of the cell at the other end of the cell stack through an external circuit). Reaction takes place.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
In order to perform the above reaction, fuel gas and oxidizing gas are supplied to and discharged from the stack. In addition, since heat is generated by the Joule heat at the separator and the water generation reaction at the cathode, a flow path through which the refrigerant (usually cooling water) flows is formed between the separators for each cell or for each of a plurality of cells. The refrigerant is circulated there to cool the fuel cell. In order to prevent leakage and mixing of the fuel gas, oxidant gas, and refrigerant in the stack from the respective flow paths, a seal material is provided between the fuel cell components (separator, electrolyte membrane, etc.). The elements are sealed. The seal line of this seal material includes an inter-module gasket seal line and an inter-separator seal line sandwiching the MEA. The inter-separator seal line is a seal line made of a gasket or an adhesive seal material.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-102072 discloses these seal lines, in which different fluid flow paths are sealed with a single gasket or adhesive seal.
7 and 8 show a conventional seal line. FIG. 7 shows a conventional gasket seal line 1 between modules, in which a seal line 1a around the gas manifold and a seal line 1b around the cooling water flow path in the reaction surface are located at different flow path sites. The single seal line 1c is shared. FIG. 8 shows an inter-separator adhesive seal line 2 sandwiching a conventional MEA, in which an adhesive seal line 2a around the fuel gas manifold and an adhesive seal line 2b around the oxidizing gas manifold are: The single seal line 2c is configured by being shared by the parts between the different types of flow paths.
JP 2001-102072 A

しかし、従来の燃料電池のシール構造では、異種流体流路間を一重のシール材でシールしていたため、シールラインが切れた場合、隣接する異種流体流路の異種流体が混合することになり、水素と空気が混合した場合は、燃料電池の性能不良、発火が懸念され、ガスと冷却水が混合した場合は、ガスの水路への流れ込みによる冷却不良およびポンプへのガスかみこみ等が懸念される。
本発明の目的は、たとえシールラインに切れ等の局部的不具合が生じても、異種流体の混合を防止することができる燃料電池のシール構造を提供することにある。 However, in the conventional fuel cell seal structure, the different fluid flow paths are sealed with a single sealing material, so when the seal line is cut, the different fluids in the adjacent different fluid flow paths are mixed, When hydrogen and air are mixed, there is a concern about poor performance and ignition of the fuel cell, and when gas and cooling water are mixed, there is a concern about poor cooling due to gas flowing into the water channel and trapping of gas into the pump. The
An object of the present invention is to provide a fuel cell seal structure that can prevent mixing of different fluids even if a local malfunction such as a cut occurs in the seal line.

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） ＭＥＡを２つのセパレータで挟んでモジュールとし、モジュールを積層してスタックとした燃料電池のシール構造であって、
前記シール構造が、モジュール間に設けたガスケットシール材からなるシールラインを有しており、
前記モジュール間のガスケットシール材からなるガスケットシールラインが、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷媒、酸化ガスと冷媒の、異種流体流路間に２本のガスケットシールラインが存在するように、異種流体流路間部位で、二重化されており、前記異種流体流路間部位の前記２本のガスケットシールラインは、互いに離れており、かつ、各種流体流路毎に独立しており、
前記異種流体流路間部位の２本のガスケットシールラインの間の部位がスタック外に連通されており、
前記異種流体流路間部位の二重化された前記ガスケットシールラインは、燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと、酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材からなるガスケットシールライン（５１ｂ）と、反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインと、を有し、
燃料ガスと冷媒の異種流体流路間には燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがあり、
酸化ガスと冷媒の異種流体流路間には酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ｂ）からなるガスケットシールラインと反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがあり、
燃料ガスと酸化ガスの異種流体流路間には燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ｂ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがある、
燃料電池のシール構造。
（２） 前記２本のシールラインがそれぞれ接触する流体に対して耐食性を有する（１）記載の燃料電池のシール構造。 The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A fuel cell seal structure in which an MEA is sandwiched between two separators to form a module, and the modules are stacked to form a stack.
Wherein the seal structure has a Shirurai emissions consisting gasket seal material provided between the modules,
The gasket seal line made of gasket seal material between the modules is different so that there are two gasket seal lines between different fluid flow paths of fuel gas and oxidizing gas, fuel gas and refrigerant, and oxidizing gas and refrigerant. The fluid gasket is doubled at the site between the fluid channels, and the two gasket seal lines at the sites between the different fluid channels are separated from each other and independent for each fluid channel,
The part between the two gasket seal lines in the part between the different fluid flow paths communicates with the outside of the stack,
The double gasket seal line between the different fluid flow paths includes a gasket seal line made of a gasket seal material (51a) around a fuel gas manifold and a gasket seal line (51b) made of a gasket seal material around an oxidizing gas manifold. And a gasket seal line made of a gasket seal material (51c) around the refrigerant flow path of the reaction site,
Between the different fluid flow paths of the fuel gas and the refrigerant, there are two gasket seal lines made of a gasket seal material (51a) around the fuel gas manifold and a gasket seal line made up of a gasket seal material (51c) around the refrigerant flow path at the reaction site. There are two gasket seal lines,
Between the different fluid flow paths of the oxidizing gas and the refrigerant, there are two gasket sealing lines consisting of a gasket sealing material (51b) around the oxidizing gas manifold and a gasket sealing line consisting of a gasket sealing material (51c) around the refrigerant flow path at the reaction site. There are two gasket seal lines,
Between the different fluid flow paths of the fuel gas and the oxidizing gas, there are two gasket seal lines consisting of a gasket sealing material (51a) around the fuel gas manifold and a gasket sealing line consisting of a gasket sealing material (51b) around the oxidizing gas manifold. There is a gasket seal line,
Fuel cell seal structure.
(2) The fuel cell seal structure according to (1), wherein the two seal lines have corrosion resistance against fluids that contact each other.

上記（１）〜（２）の燃料電池のシール構造では、シールラインを異種流体流路間で二重化したので、１つのシールラインに透過または切れによる洩れが生じても、洩れた流体はシールライン間を通ってスタック外部に排出されるだけで、異種流体が混合することはない。スタック外部に排出された流体は、外部の管理された処理システムにより安全に処理される。
上記（２）の燃料電池のシール構造では、各シールラインのシール材をそのシールラインが接する流体に対し耐食性をもつ材料から構成したので、異種流体に対する耐食性を向上できる。従来は１つのシールラインのシール材に２種の流体が接するので、２種の流体に対する耐食性をもつ材料を選定することが困難であったが、本発明では、シール材が１種の流体にしか接しないので、耐食性のある材料の選定は容易である。 In the fuel cell seal structure according to the above (1) to ( 2 ), since the seal line is doubled between different fluid flow paths, even if leakage occurs due to permeation or breakage in one seal line, the leaked fluid remains in the seal line. It is only discharged to the outside of the stack through the gap, and the different fluids are not mixed. The fluid discharged outside the stack is safely processed by an external managed processing system.
In the fuel cell seal structure of (2) above, the seal material of each seal line is made of a material having corrosion resistance to the fluid in contact with the seal line, so that the corrosion resistance to different fluids can be improved. Conventionally, since two types of fluid are in contact with the seal material of one seal line, it has been difficult to select a material having corrosion resistance to the two types of fluid. However, in the present invention, the seal material is used as one type of fluid. However, it is easy to select a material having corrosion resistance.

以下に、本発明の燃料電池のシール構造を図１〜図６を参照して説明する。
本発明の燃料電池のシール構造は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０に適用される。ただし、それ以外のタイプの燃料電池であってもよい。燃料電池１０は、燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に搭載、配置されてもよい。 The fuel cell seal structure of the present invention will be described below with reference to FIGS.
The fuel cell seal structure of the present invention is applied to, for example, the solid polymer electrolyte fuel cell 10. However, other types of fuel cells may be used. The fuel cell 10 is mounted on a fuel cell vehicle. However, it may be mounted and arranged other than the automobile.

固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とからなるセルを１層以上重ねてモジュール１９とし、モジュール１９を積層したセル積層体から構成される。   The solid polymer electrolyte fuel cell 10 is composed of a cell stack in which one or more layers of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18 are stacked to form a module 19, and the module 19 is stacked. The

図１、図２に示すように、ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード）１７とからなる。ＭＥＡとセパレータ１８との間には、通常、拡散層１３、１６（アノード側拡散層１３、カソード側拡散層１６）が設けられる。この拡散層１３、１６は、触媒層１２、１５への反応ガスの拡散をよくするためのもので、触媒層と協働して電極１４、１７を構成すると考えてもよい。   As shown in FIGS. 1 and 2, the MEA has an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane and an electrode (anode) 14 made up of a catalyst layer 12 disposed on one surface of the electrolyte membrane 11 and the other surface of the electrolyte membrane 11. It comprises an electrode (cathode) 17 comprising a catalyst layer 15 arranged. Usually, diffusion layers 13 and 16 (anode side diffusion layer 13 and cathode side diffusion layer 16) are provided between the MEA and the separator 18. The diffusion layers 13 and 16 are for improving the diffusion of the reaction gas into the catalyst layers 12 and 15, and may be considered to constitute the electrodes 14 and 17 in cooperation with the catalyst layer.

セパレータ１８は、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路２７およびカソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されるとともに、隣接するセル間の電子の通路を構成している。燃料ガス流路２７は燃料ガスマニホールド３０に連通し、酸化ガス流路２８は酸化ガスマニホールド３１に連通する。また、セパレータでのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる流路２６が形成されており、そこに冷媒が循環され、燃料電池を冷却している。冷媒流路２６は冷媒マニホールド２９に連通する。セパレータ１８の材料は、カーボン、導電性樹脂、メタルの何れであってもよい。   The separator 18 is provided with a fuel gas flow path 27 for supplying a fuel gas (hydrogen) to the anode 14 and an oxidation gas flow path 28 for supplying an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode 17, and adjacent to the separator 18. This constitutes an electron path between cells. The fuel gas channel 27 communicates with the fuel gas manifold 30, and the oxidizing gas channel 28 communicates with the oxidizing gas manifold 31. Further, since heat is generated by Joule heat at the separator and water generation reaction at the cathode, a flow path 26 through which a refrigerant (usually cooling water) flows is provided between the separators for each cell or for each of a plurality of cells. The refrigerant is circulated therethrough to cool the fuel cell. The refrigerant flow path 26 communicates with the refrigerant manifold 29. The material of the separator 18 may be any of carbon, conductive resin, and metal.

セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）と２５ボルトにて固定して、スタック２３が形成される。
スタック２３の一端側には、エンドプレート２２とインシュレータ２１との間にプレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート３２とエンドプレート２２との間にばね機構３３が設けられてセルにかかる荷重の変動を抑制している。 Fastening members that dispose terminals (electrode plates) 20, insulators 21, and end plates 22 at both ends of the cell stack in the cell stack direction, fasten the cell stack in the cell stack direction, and extend in the cell stack direction outside the cell stack. The stack 23 is formed by fixing with 24 (for example, a tension plate) and 25 bolts.
On one end side of the stack 23, a pressure plate 32 is provided between the end plate 22 and the insulator 21, and a spring mechanism 33 is provided between the pressure plate 32 and the end plate 22, so that fluctuations in the load applied to the cells can be reduced. Suppressed.

図３〜図６に示すように、スタック内における燃料ガス、酸化ガス、冷媒のスタックのそれぞれの流路２６、２７、２８からの洩れを防止するために、燃料電池の構成要素間にはシール材５０が設けられ、構成要素間をシールしている。各シール材５０は幅をもって流路（マニホールドを含む）まわりに連続して配され、シールラインを構成している。   As shown in FIGS. 3 to 6, in order to prevent leakage from the respective flow paths 26, 27, and 28 of the stack of fuel gas, oxidizing gas, and refrigerant in the stack, a seal is provided between the components of the fuel cell. A material 50 is provided to seal between the components. Each sealing member 50 is continuously arranged around the flow path (including the manifold) with a width to form a sealing line.

シール材５０は、モジュール１９間に設けられたガスケットシール材５１と、ＭＥＡの両側に配された、モジュールを構成する２以上のセパレータ１８間のシール材５２と、からなる。ガスケットシール材５１が配されている面とシール材５２が配されている面とは、セル積層方向に位置が異なっており、別面である。
モジュール間ガスケットシール材５１はゴムシール材で、通常、セパレータ面に焼付られており、接着剤ではないため、モジュール間で分離可能である。モジュールを構成するセパレータ間のシール材５２は、接着剤またはガスケットからなるシール材である。シール材５２が接着剤シール材からなる場合は、シール材５２はモジュール１９を構成するセパレータ１８同士の接着剤ともなる。図示例では１モジュールに複数のセパレータがある場合を示しており、１モジュールを構成する複数のセパレータ同士はシール材５２によって互いに接着されていてもよい。 The sealing material 50 includes a gasket sealing material 51 provided between the modules 19 and a sealing material 52 disposed between both sides of the MEA and between the two or more separators 18 constituting the module. The surface on which the gasket sealing material 51 is disposed and the surface on which the sealing material 52 is disposed are different in position in the cell stacking direction.
The inter-module gasket seal material 51 is a rubber seal material, and is usually baked on the separator surface and is not an adhesive, so that it can be separated between modules. The sealing material 52 between the separators constituting the module is a sealing material made of an adhesive or a gasket. When the sealing material 52 is made of an adhesive sealing material, the sealing material 52 is also an adhesive between the separators 18 constituting the module 19. In the illustrated example, one module has a plurality of separators, and a plurality of separators constituting one module may be bonded to each other by a sealing material 52.

モジュール間のガスケットシール材５１のシールラインとセパレータ間のシール材５２からなるシールラインの少なくとも一方のシールラインは、異種流体流路間部位で、二重化されている。二重化されたシールラインの間の部位はスタック外部に通じている。
異種流体流路（マニホールドを含む）間部位以外では、シールラインは１本であってよい。 At least one of the seal lines including the seal line of the gasket seal material 51 between the modules and the seal material 52 between the separators is doubled at a site between different fluid flow paths. The part between the doubled seal lines leads to the outside of the stack.
The number of seal lines may be one except for the portion between different fluid flow paths (including manifolds).

図３〜図５に示すように、モジュール間のガスケットシールライン（ガスケットシール材５１のシールライン）は、燃料ガスマニホールド３０まわりのガスケットシール材５１ａからなるラインと、酸化ガスマニホールド３１まわりのガスケットシール材５１ｂからなるラインと、反応部位の冷媒流路２６まわりのガスケットシール材５１ｃからなるラインと、からなり、異種流体流路（マニホールドを含む）間部位では、二重化されていてシールラインが２本ある。
すなわち、燃料ガス流路と冷媒流路間ではガスケットシール材５１ａからなるラインとガスケットシール材５１ｃからなるラインとの２本のシールラインがあり、酸化ガス流路と冷媒流路間ではガスケットシール材５１ｂからなるラインとガスケットシール材５１ｃからなるラインとの２本のシールラインがあり、燃料ガス流路と酸化ガス流路間ではガスケットシール材５１ａからなるラインとガスケットシール材５１ｂからなるラインとの２本のシールラインがある。２本のシールライン間部位（５１ａ、５１ｂ、５１ｃの何れか２本の間）はスタック外に通じている。 As shown in FIGS. 3 to 5, the gasket seal line between the modules (the seal line of the gasket seal material 51) is composed of a gasket seal material 51 a around the fuel gas manifold 30 and a gasket seal around the oxidizing gas manifold 31. A line made of the material 51b and a line made of the gasket seal material 51c around the refrigerant flow path 26 at the reaction site, and at the site between the different fluid flow paths (including the manifold), there are two seal lines. is there.
That is, there are two seal lines, a line made of the gasket seal material 51a and a line made of the gasket seal material 51c, between the fuel gas flow path and the refrigerant flow path, and a gasket seal material between the oxidation gas flow path and the refrigerant flow path. There are two seal lines, a line made of 51b and a line made of gasket seal material 51c, and a line made of gasket seal material 51a and a line made of gasket seal material 51b between the fuel gas flow path and the oxidation gas flow path. There are two seal lines. The portion between the two seal lines (between any two of 51a, 51b, 51c) communicates with the outside of the stack.

同様に、図６に示すように、各モジュールのＭＥＡを挟んだ２つのセパレータ間のシールライン（シール材５２のシールライン）は、燃料ガスマニホールド３０および燃料ガス流路２７まわりの接着剤シール材５２ａからなるラインと、酸化ガスマニホールド３１および酸化ガス流路２８まわりの接着剤シール材５２ｂからなるラインと、からなり（冷媒流路まわりのシール材５２はない）、異種流体流路（マニホールドを含む）間部位では、二重化されていてシールラインが２本ある。
すなわち、燃料ガス流路と酸化ガス流路間ではシール材５２ａからなるラインとシール材５２ｂからなるラインとの２本のシールラインがある。２本のシールライン５２ａ、５２ｂ間部位はスタック外に通じている。 Similarly, as shown in FIG. 6, the seal line between the two separators sandwiching the MEA of each module (the seal line of the seal material 52) is an adhesive seal material around the fuel gas manifold 30 and the fuel gas flow path 27. 52a and a line made of an adhesive seal material 52b around the oxidant gas manifold 31 and the oxidant gas flow path 28 (there is no sealant 52 around the refrigerant flow path). In the middle part), there are two seal lines that are doubled.
That is, between the fuel gas channel and the oxidizing gas channel, there are two seal lines, a line made of the sealing material 52a and a line made of the sealing material 52b. A portion between the two seal lines 52a and 52b communicates with the outside of the stack.

二重化により各種流体流路毎に独立させたガスケットシールライン５１は、各々が接触する流体に対して耐食性をもつ材料から構成されている。同様に、二重化により各種流体流路毎に独立させたシールライン５２は、各々が接触する流体に対して耐食性をもつ材料から構成されている。たとえば、酸化ガス流路に接触するシール材５１ｂ、５２ｂは、燃料電池運転停止時に流路に残った反応生成水が酸性を帯びている場合があるので、耐酸性の材料を使用することが望ましい。また、冷媒流路に接触するシール材５１ｃは、冷媒にＬＬＣが用いられる場合、ＬＬＣに対して耐食性をもつ材料であることが望ましい。
従来の、異種流体流路間が一重シールの場合には、それが接する２つの流体に対する耐食性が異なる場合、それを同時に満足することは困難であるが、本発明では、二重シールで各シール材が１種の流体にしか接しないので、接する流体に対する耐食性を満足させることは容易である。 The gasket seal line 51, which is made independent for each fluid flow path by duplication, is made of a material having corrosion resistance to the fluid with which it contacts. Similarly, the seal line 52 made independent for each fluid flow path by duplication is made of a material having corrosion resistance to the fluid with which it contacts. For example, it is desirable to use an acid-resistant material for the sealing materials 51b and 52b that are in contact with the oxidizing gas flow path because the reaction product water remaining in the flow path when the fuel cell operation is stopped may be acidic. . In addition, the sealing material 51c that contacts the refrigerant flow path is desirably a material having corrosion resistance to LLC when LLC is used as the refrigerant.
In the case of a conventional single seal between different fluid flow paths, if the corrosion resistance to two fluids in contact with each other is different, it is difficult to satisfy them simultaneously. Since the material contacts only one type of fluid, it is easy to satisfy the corrosion resistance against the fluid in contact.

図４に示すように、ガスマニホールド（３０または３１）と反応面内（燃料電池発電部）のガス流路（２７または２８）とを連通するガス連通部５３（とくに圧力の高い、ガス導入側のガス連通部）にセル積層方向に対応する部位に、モジュール間に、セパレータ（ガス連通部５３のガス圧を受けるセパレータ部位）をガス圧がかかる側と反対側から押さえるバックアップ構造５４が設けられている。そして、このバックアップ構造５４は、モジュール間ガスケットシール５１の二重シール間部位に、すなわち、２本のシールライン間部位（５１ａと５１ｃの間、および／または、５１ｂと５１ｃの間）に、設けられている。   As shown in FIG. 4, a gas communication part 53 (particularly a high pressure gas introduction side) that connects the gas manifold (30 or 31) and the gas flow path (27 or 28) in the reaction surface (fuel cell power generation part). The back-up structure 54 that holds the separator (the separator part receiving the gas pressure of the gas communication part 53) from the opposite side to the side where the gas pressure is applied is provided between the modules at the part corresponding to the cell stacking direction. ing. And this backup structure 54 is provided in the part between double seals of the gasket seal 51 between modules, ie, in the part between two seal lines (between 51a and 51c and / or 51b and 51c). It has been.

バックアップ構造５４は、セパレータの２本のシールライン間部位に設けた凸部から構成されている。セパレータ面がシール材５１配設部位が中央の発電部位に比べてセパレータ厚さ方向に後退しているので、その後退量だけ突出する凸部を設け、隣接するモジュール側にもバックアップ構造となる凸部を設けて、凸部の先端面を当接させることにより、バックアップ構造５４が構成されている。
図５は、バックアップ構造５４を設けない場合には、ガス圧によってセパレータが２点鎖線のように変形することを示している。ただし、バックアップ構造５４を設けない図５も本発明に含まれる。 The backup structure 54 is composed of a convex portion provided at a portion between the two seal lines of the separator. Since the separator surface is disposed in the separator thickness direction at the portion where the seal material 51 is disposed in the middle of the power generation portion, a protrusion that protrudes by the amount of retraction is provided, and a protrusion that also serves as a backup structure is provided on the adjacent module side. The backup structure 54 is configured by providing a portion and bringing the tip end surface of the convex portion into contact with each other.
FIG. 5 shows that when the backup structure 54 is not provided, the separator deforms like a two-dot chain line by the gas pressure. However, FIG. 5 in which the backup structure 54 is not provided is also included in the present invention.

つぎに、本発明の燃料電池のシール構造の作用を説明する。
本発明の燃料電池のシール構造では、シールライン５１および／または５２を異種流体流路間で二重化したので、１つのシールラインに透過または切れによる洩れが生じても、洩れた流体はシールライン間部位を通ってスタック２３外部に排出されるだけで、異種流体が混合することはない。これによって、燃料ガスと酸化ガスとが混合することはなく、また、燃料ガスや酸化ガスが冷媒流路に侵入することがない。その結果、混合による燃料電池の性能低下、燃料ガスと空気との混合による火災のおそれ、ガスの冷却水への侵入による冷却不足、ポンプのガス巻き込みによるポンピング不良、等のおそれを無くすことができる。また、スタック２３外部に排出された流体は、燃料電池スタック２３が図示略のケーシング内に配置されているので、外部の管理された処理システムにより安全に処理される。 Next, the operation of the fuel cell seal structure of the present invention will be described.
In the fuel cell seal structure of the present invention, the seal lines 51 and / or 52 are duplicated between different fluid flow paths, so that even if leakage occurs due to permeation or breakage in one seal line, the leaked fluid remains between the seal lines. It is only discharged to the outside of the stack 23 through the site, and the different fluids are not mixed. As a result, the fuel gas and the oxidizing gas are not mixed, and the fuel gas and the oxidizing gas do not enter the refrigerant flow path. As a result, it is possible to eliminate the risk of fuel cell performance degradation due to mixing, the risk of fire due to mixing of fuel gas and air, insufficient cooling due to gas penetration into cooling water, pumping failure due to pump gas entrainment, etc. . The fluid discharged to the outside of the stack 23 is safely processed by an externally managed processing system because the fuel cell stack 23 is disposed in a casing (not shown).

従来は、異種流体流路間の一重シール部は、それが接する２つの流体の一方に対してのみ耐食性をもたすことができるが、両方の流体に対して耐食性を上げることはできなかった。しかし、本発明では、シールラインの二重化により、各シールラインのシールは１種類の流体にのみ接するようになるので、各シールラインをそのシールラインが接する流体に対し耐食性をもつ材料から構成することができるようになる。   Conventionally, a single seal portion between different fluid flow paths can have corrosion resistance only with respect to one of the two fluids with which it contacts, but it has not been possible to increase corrosion resistance with respect to both fluids. . However, in the present invention, since the seal line is made redundant, the seal of each seal line comes into contact with only one type of fluid. Therefore, each seal line is made of a material having corrosion resistance to the fluid with which the seal line is in contact. Will be able to.

図４に示すように、バックアップ構造５４を設けた場合は、ガスマニホールドと反応面内（燃料電池発電部ガス流路）とを連通するガス連通部５３のセパレータ部分にガス連通部５３からガス圧がかかった時に、そのガス圧荷重をバックアップ構造５４で受けて押さえることができ、セパレータ１８に変形や割れ、亀裂が生じることを防止できる。図５は、ガス連通部５３のセパレータ部分にガス連通部５３からガス圧がかかってセパレータが変形したところを誇張して示すが、バックアップ構造５４を設けたため、図４に示すように、セパレータの変形を押さえることができる。ただし、バックアップ構造５４が無い図５も本発明に含まれる。   As shown in FIG. 4, in the case where the backup structure 54 is provided, the gas pressure from the gas communication portion 53 to the separator portion of the gas communication portion 53 that communicates the gas manifold and the reaction surface (fuel cell power generation portion gas flow path). When this occurs, the gas pressure load can be received and suppressed by the backup structure 54, and the separator 18 can be prevented from being deformed, cracked or cracked. FIG. 5 exaggerates the deformation of the separator due to gas pressure applied from the gas communication portion 53 to the separator portion of the gas communication portion 53. However, since the backup structure 54 is provided, as shown in FIG. Deformation can be suppressed. However, FIG. 5 without the backup structure 54 is also included in the present invention.

本発明の燃料電池のシール構造が適用される燃料電池の全体概略図である。1 is an overall schematic diagram of a fuel cell to which a fuel cell seal structure of the present invention is applied. 図１の燃料電池のセパレータの平面図である。It is a top view of the separator of the fuel cell of FIG. 図１の燃料電池のモジュールの、ガスケットシール部での、一部拡大平面図である。FIG. 2 is a partially enlarged plan view of the module of the fuel cell of FIG. 1 at a gasket seal portion. 図３のＡ−Ａ線に沿う燃料電池のモジュールの、バックアップ構造有りの場合の、一部拡大断面図である。FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view of the fuel cell module along the line AA in FIG. 3 when a backup structure is provided. 燃料電池のモジュールの、バックアップ構造無しの場合の、一部拡大断面図である。It is a partially expanded sectional view of the module of a fuel cell when there is no backup structure. 図１の燃料電池の、ＭＥＡを挟むセパレータ間のシール部での、一部拡大平面図である。FIG. 2 is a partially enlarged plan view of a seal portion between separators sandwiching an MEA in the fuel cell of FIG. 1. 従来の燃料電池の、ガスケットシール部での、一部拡大平面図である（本発明の図３に対応する従来図）。FIG. 6 is a partially enlarged plan view of a conventional fuel cell at a gasket seal portion (a conventional view corresponding to FIG. 3 of the present invention). 従来の燃料電池の、ＭＥＡを挟むセパレータ間のシール部での、一部拡大平面図である（本発明の図６に対応する従来図）。FIG. 7 is a partially enlarged plan view of a conventional fuel cell at a seal portion between separators sandwiching an MEA (conventional view corresponding to FIG. 6 of the present invention).

符号の説明Explanation of symbols

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード）
１８ セパレータ
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ テンションプレート
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ プレッシャプレート
３３ ばね機構
５０ シール材
５１ ガスケットシール材
５１ａ 燃料ガスマニホールド３０まわりのガスケットシール材
５１ｂ 酸化ガスマニホールド３１まわりのガスケットシール材
５１ｃ 冷媒流路２６まわりのガスケットシール材
５２ シール材
５２ａ 燃料ガスマニホールド３０および燃料ガス流路２７まわりのシール材
５２ｂ 酸化ガスマニホールド３１および酸化ガス流路２８まわりのシール材
５３ ガス連通部
５４ バックアップ構造 10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membrane 12 catalyst layer 13 diffusion layer 14 electrode (anode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode)
18 Separator 19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Tension plate 25 Bolt 26 Refrigerant flow path 27 Fuel gas flow path 28 Oxidized gas flow path 29 Refrigerant manifold 30 Fuel gas manifold 31 Oxidized gas manifold 32 Pressure plate 33 Spring mechanism 50 Seal material 51 Gasket seal material 51a Gasket seal material 51b around the fuel gas manifold 30 Gasket seal material 51c around the oxidation gas manifold 31 Gasket seal material 52 around the refrigerant flow path 26 Seal material 52a The fuel gas manifold 30 and the fuel gas flow path 27 Sealing material 52b around the sealing material 53 around the oxidizing gas manifold 31 and the oxidizing gas passage 28 Gas communication portion 54 Backup structure

Claims (2)

ＭＥＡを２つのセパレータで挟んでモジュールとし、モジュールを積層してスタックとした燃料電池のシール構造であって、
前記シール構造が、モジュール間に設けたガスケットシール材からなるシールラインを有しており、
前記モジュール間のガスケットシール材からなるガスケットシールラインが、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷媒、酸化ガスと冷媒の、異種流体流路間に２本のガスケットシールラインが存在するように、異種流体流路間部位で、二重化されており、前記異種流体流路間部位の前記２本のガスケットシールラインは、互いに離れており、かつ、各種流体流路毎に独立しており、
前記異種流体流路間部位の２本のガスケットシールラインの間の部位がスタック外に連通されており、
前記異種流体流路間部位の二重化された前記ガスケットシールラインは、燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと、酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材からなるガスケットシールライン（５１ｂ）と、反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインと、を有し、
燃料ガスと冷媒の異種流体流路間には燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがあり、
酸化ガスと冷媒の異種流体流路間には酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ｂ）からなるガスケットシールラインと反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがあり、
燃料ガスと酸化ガスの異種流体流路間には燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ｂ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがある、
燃料電池のシール構造。 A fuel cell sealing structure in which an MEA is sandwiched between two separators to form a module, and the modules are stacked to form a stack.
Wherein the seal structure has a Shirurai emissions consisting gasket seal material provided between the modules,
The gasket seal line made of gasket seal material between the modules is different so that there are two gasket seal lines between different fluid flow paths of fuel gas and oxidizing gas, fuel gas and refrigerant, and oxidizing gas and refrigerant. The fluid gasket is doubled at the site between the fluid channels, and the two gasket seal lines at the sites between the different fluid channels are separated from each other and independent for each fluid channel,
The part between the two gasket seal lines in the part between the different fluid flow paths communicates with the outside of the stack,
The double gasket seal line between the different fluid flow paths includes a gasket seal line made of a gasket seal material (51a) around a fuel gas manifold and a gasket seal line (51b) made of a gasket seal material around an oxidizing gas manifold. And a gasket seal line made of a gasket seal material (51c) around the refrigerant flow path of the reaction site,
Between the different fluid flow paths of the fuel gas and the refrigerant, there are two gasket seal lines made of a gasket seal material (51a) around the fuel gas manifold and a gasket seal line made up of a gasket seal material (51c) around the refrigerant flow path at the reaction site. There are two gasket seal lines,
Between the different fluid flow paths of the oxidizing gas and the refrigerant, there are two gasket sealing lines consisting of a gasket sealing material (51b) around the oxidizing gas manifold and a gasket sealing line consisting of a gasket sealing material (51c) around the refrigerant flow path at the reaction site. There are two gasket seal lines,
Between the different fluid flow paths of the fuel gas and the oxidizing gas, there are two gasket seal lines consisting of a gasket sealing material (51a) around the fuel gas manifold and a gasket sealing line consisting of a gasket sealing material (51b) around the oxidizing gas manifold. There is a gasket seal line,
Fuel cell seal structure. 前記２本のシールラインがそれぞれ接触する流体に対して耐食性を有する請求項１記載の燃料電池のシール構造。   2. The fuel cell seal structure according to claim 1, wherein the two seal lines have corrosion resistance against fluids in contact with each other.
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