JP4134731B2

JP4134731B2 - Fuel cell seal structure

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Publication number: JP4134731B2
Application number: JP2003006911A
Authority: JP
Inventors: 忠博市岡; 三喜男和田; 敏幸稲垣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: JP2004165125A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の、とくに固体高分子電解質型燃料電池の、シール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池の単セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータの積層体から構成される。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、燃料極）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、空気極）とからなる。ＭＥＡとセパレータ間には、拡散層が設けられる。セパレータには、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路、または冷却媒体を流すための流路が形成される。少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層したセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、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）にて締め付け、固定したものから燃料電池スタックを構成する。
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）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→Ｈ₂Ｏ
燃料電池ではジュール熱が生じるとともにカソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータには、各セル毎にあるいは複数個（たとえば、２個）のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
特開２０００−１８２６３９号公報は、燃料電池のシール構造を開示している。そこでは、冷媒面に冷媒シール用ガスケットが配され、ガス面にはガスシール用ガスケットが配されている。従来の燃料電池では、通常、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分に、電解質膜、触媒層および拡散層、接着剤層などの部材が配されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１８２６３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池では、ガスケットシールラインのセル積層方向領域に、電解質膜、触媒層および拡散層、接着剤層など、スタック締結荷重がかかった時にクリープを起こしやすい部材が配されているので、燃料電池使用中にそれらの材料がクリープし、ガスケットが初期のシール性を維持することが困難になることがある。
また、セル積層後一定荷重を加えるとガスケットから荷重がかかる部位でセパレータが変形しリークが発生するおそれがある。
本発明の目的は、ガスケットが初期のシール性を維持できる燃料電池のシール構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、ガスケット当たり部のセパレータの変形を防ぎ、リークを防止できる燃料電池のシール構造を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）ＭＥＡを中抜きの樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄを介して一対のメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂで挟んで構成したセル１０を複数積層して構成され、セル１０間には隣り合うメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂ間にガスケットからなるシール部４３を有し、セル１０内には樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄとメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂまたは樹脂フレーム１８Ｄ、１８Ｃとの間に設けた接着剤層からなるシール部３８を有し、前記ガスケットからなるシール部４３はセルの発電部と冷却水マニホルド３２のまわり、燃料ガスマニホルド３３のまわり、空気マニホルド３４のまわりに設けられ、前記接着剤層からなるシール部３８はセルの発電部と燃料ガスマニホルド３３または空気マニホルド３４のまわり、冷却水マニホルド３２のまわりに設けられて冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４を互いからシールし、ガスケットからなるシール部４３は凸部４３ａを有し該凸部４３ａはシールラインを構成する固体高分子電解質型燃料電池のシール構造において、
セルのうち前記ガスケットからなるシール部４３の凸部４３ａの背面の燃料電池構成部分をメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｄ、１８Ｃのみから構成することにより定寸構造とし、ガスケットからなるシール部４３の凸部４３ａによって構成されるシールラインをシール部３８を構成する接着剤層の塗布領域よりもセル積層方向視で外側に配置することにより、ガスケットからなるシール部４３の凸部４３ａと接着剤層からなるシール部３８を、ガスケットからなるシール部４３と接着剤層からなるシール部３８とのセル積層方向視での交差部を除き、セル積層方向に互いに重なり合わないように配した燃料電池のシール構造。
（２）ガスケットからなるシール部４３はガスシール４３Ｂと冷媒シール４３Ａを含む（１）記載の燃料電池のシール構造。
（３）冷媒シール４３Ａはガスシール４３Ｂよりマニホールド３３、３４から離れている（２）記載の燃料電池のシール構造。
【０００６】
上記（１）〜（３）の燃料電池のシール構造では、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸構造（スタック締結荷重をかけた時にクリープを起こさないかまたは起こしにくい構造）としたので、ガスケットシールの面圧が減少しないかまたはしにくく、安定したシールが得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図１３を参照して、説明する。
ただし、図６、図７は本発明の実施例１を示し、図８、図９は、それぞれ、図６、図７の改良前の構造を示す。
また、図１０、図１１は参考例を示し、図１２、図１３は、それぞれ、図１０、図１１の改良前の構造を示す。
図１〜図５は本発明の実施例１と参考例に適用可能である。
【０００８】
まず、本発明の実施例１と参考例に共通する、または類似する部分を説明する。
本発明の燃料電池のシール構造が適用される燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２、図３に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とを重ねたものからなる。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１４（アノード、燃料極）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１７（カソード、空気極）とからなる。電極１４とセパレータ１８との間には拡散層１３が設けられ、電極１７とセパレータ１８との間には拡散層１６が設けられる。セパレータ１８には、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス通路２７、２８および燃料電池冷却用の冷媒（通常、冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路ともいう）２６が形成される。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。セルを１層以上重ねてモジュール１９を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール１９を積層してモジュール群とする。セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル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、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００９】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、電解質からなる。拡散層１３、１６はカーボン（Ｃ）からなる。
セパレータ１８は、第１の部材１８Ａ、１８Ｂと、燃料電池発電部対応部２９（燃料電池の発電部に対応する部分）に中抜き穴をもつフレーム状の第２の部材１８Ｃ、１８Ｄとに、分割形成されている。
第１の部材１８Ａ、第２の部材１８Ｃは、ＭＥＡの燃料極側に配置されている部材であり、第１の部材１８Ａは燃料ガスと冷却水とを区画している。第１の部材１８Ｂ、第２の部材１８Ｄは、ＭＥＡの空気極側に配置されている部材であり、第１の部材１８Ｂは、酸化ガスと冷却水とを区画している。
第１の部材１８Ａ、１８Ｂは金属製で、以下、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂともいう。第２の部材１８Ｃ、１８Ｄは（非導電性）樹脂製で、以下、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄともいう。
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、不透過性で、金属からなり、たとえば金属板（たとえば、ステンレス板）に導電性金属をメッキ（たとえば、ニッケルメッキ）したものからなる。
【００１０】
図３に示すように、ＭＥＡはセパレータ１８で挟まれる。セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配置して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。
燃料電池発電部対応部２９は、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されており、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分は、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。
【００１１】
図３〜図７に示すように、メタルセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部２９のＭＥＡ側の面には燃料ガス流路２７が形成されたガス流路部が形成されており、ＭＥＡ側と反対側の面には冷却水流路２６が形成されている。
同様に、メタルセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部２９のＭＥＡ側の面には酸化ガス流路２８が形成されたガス流路部が形成されており、ＭＥＡ側と反対側の面には冷却水流路２６が形成されている。
燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、ＭＥＡを挟んで互いに対応している。
メタルセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷却水流路２６と、隣のセルのメタルセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷却水流路２６とは、セル積層方向に隔てられることなく、連通している。
【００１２】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのガス流路部では、図４（図４はメタルセパレータ１８Ａを示すがメタルセパレータ１８Ｂもメタルセパレータ１８Ａに準じる）に示すように、ガス流路を燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する一対の対向部３０、３１間方向に折り返し屈曲させることにより、流路が長くなるようにしてあり、これによって、ＭＥＡに同じ量の反応ガスを供給する場合のガス流速が増し、燃料電池出力が上がるとともに、生成水がガス流路２７、２８に溜まりにくくしてある。
燃料ガス流路２７は、複数個、並列に形成されており、酸化ガス流路２８も、複数個、並列に形成されている。
セパレータ１８の裏面に形成される冷却水流路２６は、一対の対向部３０、３１にわたって直線状に延び、Ｕターン部をもたない。
【００１３】
また、図３〜図５に示すように、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと燃料ガス出口２７ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃと酸化ガス出口２８ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。
また、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃとは、セパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。
【００１４】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０、３１には、マニホルド部が形成されている。マニホルド部には、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４が形成されている。
燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷却水マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、入り側の空気マニホルド３４ａが設けられ、他方３１には、出側の冷却水マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、出側の空気マニホルド３４ｂが設けられる。
燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４は、ガス流路２７、２８が位置するガス流路部に対して、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に中心位置からオフセットしている。すなわち、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４の中心位置は、ガス流路部の対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向の中心位置に対して、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向にずれている。
【００１５】
図３、図５（図５は樹脂マニホルド１８Ｄの場合を示すが、樹脂マニホルド１８Ｃの場合も樹脂マニホルド１８Ｄに準じる）に示すように、樹脂マニホルド１８Ｃ、１８Ｄには、マニホルド部とガス流路部とを連通するガス流路連通部３７が形成されている。ガス流路連通部３７には、ガスの流れの方向をいったん対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に向けるとともに、ガス流路部との間のガスの流入・流出を対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化させるガス整流部３５、３６が形成されている。ガス整流部３５が入り側のガスマニホルドから流入するガスをガス流路部の全幅に均一に拡げてガス流路部へ流出させ、ガス流路部３６がガス流路部から流入するガスをガスマニホルド長に縮小してガスマニホルドへ流出させる。
各ガス整流部３５、３６は同じまたは類似の構造を有する。各ガス整流部３５、３６は、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に延びる１つ以上（図示例では２つ）の突条を該突条の長手方向（対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向）に等間隔に分断して形成された多数の突起からなる。ガスがガス整流部３５、３６を通る時に、ガス流れがいったん突条の長手方向に向けられ、多数の突起間の等間隔の多数の隙間からガス流路部に流入、流出することにより、ガス流路部との間のガスの流入・流出が対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化される。
【００１６】
樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂ側に突出する、ガス流路高さ確保のための、突起４０が形成されている。突起４０はガス整流部とマニホルド部との間に一列に多数並べて形成されている。
突起４０は、セルが積層されてセル積層方向に締め付けられた時、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂが樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄに寄るのを防止して、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄ間のガス流路の高さを正規の高さに維持する。
【００１７】
樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０、３１に設けられたガス流路連通部３７に、流路抵抗部４１、４２が形成されている。
流路抵抗部４１、４２を形成すると、ガス流路連通部３７と燃料電池発電部対応部２９のガス流路部との間のガスの出入り口の圧力差が少なくなり、ガスのガス流路部への分配がより均一になる。
【００１８】
図４、図６、図７に示すように、セル間は、隣り合うメタルセパレータ間にガスケットからなるシール部４３を配して、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４を、互いからシールする。シール部４３は、ゴムシールからなり、そのシールラインを図４に２点鎖線で示してある。ガスケットの断面形状は凸部４３ａを有するほぼＴ字状であり、その場合は、上記シールラインは凸部４３ａの部分である。ガスケットはＯリングであってもよい。
【００１９】
図５、図６、図７に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、セル積層方向に、隣り合う部材（メタルセパレータまたは樹脂フレーム）との間をシールして、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４を、互いからシールするために、接着剤が塗布された接着剤シール部３８（図５で斜線を施した部分）が形成されている。
図６、図７に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、シール部３８を形成するための接着剤を塗布する部分と塗布しない部分との境界に、シール用接着剤のはみ出しを防止する堰３９（接着剤塗布部を非塗布部より低くした段差部）が形成されており、該堰３９は接着剤の非塗布部への垂れ込み、はみ出しを防止している。
【００２０】
図６、図７に示すように、ガスケットからなるシール部４３（ガスケットの断面形状が凸部４３ａを有する場合は、シール部４３の凸部４３ａ）のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分は定寸構造とされている。
すなわち、複数部材を積層してなる燃料電池の複数部材間をシールするシール材４３を備えた燃料電池のシール構造において、該シール構造は、そのシール材４３が複数部材の積層後に形成するシールラインに沿って、シール材４３が設けられる部材のシール材背面に定寸構造を有する。
ここで、定寸構造とは、スタック２３に締結荷重をかけた時に、クリープを起こさないかまたはクリープを起こしにくい構造で、一定の寸法を維持することが可能な構造をいう。
セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは、クリープを起こさないかまたはクリープを起こしにくい部材であり、その部材のみからなる構造は定寸構造である。しかし、電解質膜１１、触媒層１２、１５、拡散層１３、１６、および接着剤シール部３８はスタック２３に締結荷重をかけた時にクリープを起こすので、定寸構造を構成しない。
【００２１】
ガスケットからなるシール部４３はガスシール４３Ｂと冷媒シール４３Ａを含む。ガスシール４３Ｂはガスマニホルド３３、３４およびガス流路２７、２８をまわりから囲んでシールし、冷媒シール４３Ａは冷媒マニホルド３２および冷媒流路２６をまわりから囲んでシールする。ガスシール４３Ｂと冷媒シール４３Ａには、同じ断面形状を持つゴムガスケットが用いられている。
【００２２】
冷媒シール４３Ａはガスシール４３Ｂよりセル積層方向視で外側（マニホルド３２、３３、３４より離れている側）にある。この構造によって、たとえ、冷媒シール４３Ａに水洩れが生じても、水がガス流路に侵入することがなく、水のガス流路への侵入によるフラッディングや発電不全が起こることはない。また、冷媒シール４３Ａがガスシール４３Ｂよりセル積層方向視で外側にあるため、たとえば洩れが発生しても、ガスより先に冷媒が洩れるため、その段階で洩れが検出され対策がとられるため、安全である。
【００２３】
つぎに、本発明の実施例１と、参考例の各々に特有な部分を説明する。
本発明の実施例１の燃料電池のシール構造を説明する。本発明による改良前は、図８（図６の構造の改良前を示す）、図９（図７の構造の改良前を示す）に示すように、ガスケットからなるシール部４３のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分には、接着剤シール部３８や電解質膜１１などがある構造であった。そのため、スタック締結荷重がかかって接着剤シール部３８や電解質膜１１などがクリープを起こすと、ガスケットからなるシール部４３のシール面圧が減少し、ガス洩れや水洩れを起こすおそれがあった。
【００２４】
これに対し、本発明による改良後は、図６、図７に示すように、ガスケットからなるシール部４３のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分は、セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄのみから構成されている。そして、セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの内樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄは、ガスケットからなるシール部４３の外側で段階状に厚くなっていて（厚肉部４４）、厚肉部４４でセパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは直接接触しているため、ガスケットシール部４３のゴム自体が変形しても、セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの直接接触部およびセパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄのゴムシールの背面部は、セル積層方向に寸法変化せず、定寸構造となっている。したがって、スタック締結荷重がかかっても、ガスケットシール部４３のシール面圧が従来のように減少することはなく、ガス洩れや水洩れを起こすおそれがなくなる。
【００２５】
本発明の実施例１のシール構造では、ガスケットからなるシール部４３の凸部４３ａ（シールライン）と接着剤層３８がセル積層方向に互いに重なり合わないように配置してある（シール部４３の凸部４３ａ以外の部分とは重なってもよい）。すなわち、ガスケットシール部４３のシールライン（図４の２点鎖線）が接着剤層３８の塗布領域（図５のハッチを施した部分）よりも、セル積層方向視で、外側（マニホルド３２、３３、３４より離れている側）にある。ただし、ガスケットシール部４３のシールラインはセル面内において、屈曲しているので、接着剤層３８とセル積層方向視で一部交差する部位が生じるが、その部位は重なり合いは許容するものとする。
この重なり合いを抑制した構造によって、ガスケットシール部４３のシール面圧が従来のように接着剤のクリープによって減少することはなく、ガス洩れや水洩れを防止できる。
【００２６】
参考例の燃料電池のシール構造を説明する。改良前は、図１２（図１０の構造の改良前を示す）、図１３（図１１の構造の改良前を示す）に示すように、ガスケットからなるシール部４３のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分には、接着剤シール部３８が存在する構造であった。そのため、スタック締結荷重がかかってガスケットからなるシール部４３の当たり部にセル積層方向に対応する部分にある接着剤シール部３８がクリープや厚さ方向の変形を起こすと、その部位のメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂも変形し、ガスケットからなるシール部４３のシール面圧が減少し、ガス洩れや水洩れを起こすおそれがあった。
【００２７】
これに対し、参考例による改良後は、図１０、図１１に示す構造をとる。すなわち、ガスケット４３（ガスケットからなるシール部）と接着剤層３８（接着剤シール部）とがセル積層方向に重なり合っている。ここで、図１０は、単セルの状態を、図１１はセル積層状態で締結荷重がかかった状態を示す。
そして、定寸構造が、（イ）ガスケット４３とセル積層方向に重なり合う部位において樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄにメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂに向かって凸状に形成されたバックアップ部４５と、（ロ）バックアップ部４５（定寸構造部）に塗布され、接着剤厚さを規制する部材（たとえば、ビーズ４６）が混入された接着剤層３８（接着剤シール部）と、を有している。
【００２８】
通常、接着剤層３８は、図１２、図１３において、内部シール性確保のため１００μｍ程度の厚さが必要であるが、参考例では、図１０、図１１に示すように、たとえば、バックアップ部４５の高さを５０μｍ程度とし、接着剤層３８のうちバックアップ部４５頂面に塗布される部分の厚さを５０μｍ程度とする。そして、粒子をほぼ球状としたビーズ４６の粒子径を接着剤層３８のうちバックアップ部４５頂面に塗布される部分の厚さとほぼ同じ、したがって約５０μｍにしておく。
【００２９】
シール構造はつぎのようにして形成される。
１．接着剤３８にビーズ４６（粒子径が、たとえば約５０μｍ）を混入する。
２．樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄにバックアップ部４５を形成する。
３．メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂにガスケット４３を接着する。
４．ＭＥＡと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄを接着する。
５．ＭＥＡと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄを接着したものに、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂをビーズ４６入り接着剤３８で接着する。この状態が図１０である。
６．セルを積層し、一定荷重をかける。この状態が図１１である。
【００３０】
参考例の作用については、図１１に示すように、セル積層時の荷重をバックアップ部４５とビーズ４６が支える。バックアップ部４５頂面の接着剤層中では接着剤層が押圧荷重を受けた時にビーズ４６は自動的に１層となり、バックアップ部４５頂面の接着剤層の厚さは定寸となる。バックアップ部４５も定寸を維持する。したがって、バックアップ部４５とバックアップ部４５頂面の接着剤層との合計厚みは変化せず定寸を維持し、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのガスケット４３対応部分は屈曲変形を生じない。その代わりに、ガスケット４３は変形する。メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのガスケット４３対応部分が屈曲変形を生じないことによって、ガスケット４３でのセルのシール性が確保され、リークが阻止される。
【００３１】
また、バックアップ部４５頂面の接着剤層の厚さが定寸となるため、他の部位での接着剤層３８の厚さにかかわらず、安定した厚さの燃料電池セルとそれを積層したスタック２３の生産が可能となる。
セル厚さが安定すると、積層した時の荷重の、ＭＥＡ部とガスケット部の比率が各セルで一定となるため、燃料電池の発電領域におけるセパレータの拡散層を押す荷重もほぼ一定になり、積層セルの各々で発電性能もほぼ一定になり、バラツキが少なくなり、電池性能が安定する。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１〜３の燃料電池のシール構造によれば、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸部材（スタック締結荷重をかけた時にクリープを起こさないかまたは起こしにくい部材）から構成したので、または定寸構造としたので、ガスケットシールの面圧が減少しないかまたはしにくく、安定したシールが得られる。
請求項１の燃料電池のシール構造によれば、ガスケットシール部と接着剤層がセル積層方向視で重なり合わないようにした（ただし、一部交差は許容するものとする）ので、ガスケットシール部４３のシール面圧が従来のように接着剤のクリープによって減少することはなく、ガス洩れや水洩れを防止できる。
請求項３の燃料電池のシール構造によれば、冷媒シールがガスシールよりセル積層方向視で外側にあるので、たとえ、冷媒シールに水洩れが生じても、水がガス流路に侵入することがなく、燃料電池の信頼性が向上する。また、冷媒シールがガスシールよりセル積層方向視で外側にあるので、たとえ洩れが生じても、ガスより先に冷媒が洩れるため、冷媒洩れの段階で対策をとることができ、安全である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、全体概略図である。
【図２】図１の燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリの一部拡大断面図である。
【図３】図１の燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、単セルの分解斜視図である。
【図４】図１の燃料電池の単セルの平面図である。
【図５】図１の燃料電池のセパレータの樹脂フレームの平面図である。
【図６】本発明の実施例１の燃料電池のシール構造の断面図であり、図４のＤ−Ｄ断面図である。
【図７】本発明の実施例１の燃料電池のシール構造の断面図であり、図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】改良前の図４のＤ−Ｄ断面図である。
【図９】改良前の図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】参考例の燃料電池のシール構造の単セルの断面図である。
【図１１】参考例の燃料電池のシール構造のセル積層時で荷重をかけた時の断面図である。
【図１２】図１０に示す部分の、改良前の断面図である。
【図１３】図１１に示す部分の、改良前の断面図である。
【符号の説明】
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、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１８Ａ第１の部材（燃料ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ）
１８Ｂ第１の部材（酸化ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ）
１８Ｃ第２の部材（樹脂フレーム）
１８Ｄ第２の部材（樹脂フレーム）
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締結部材（テンションプレート）
２５ボルトまたはナット
２６冷媒流路（冷却水流路）
２７燃料ガス流路
２７ａ燃料ガス流路の平行直線部
２７ｂ燃料ガス流路のＵターン部
２７ｃ燃料ガス入口
２７ｄ燃料ガス出口
２８酸化ガス流路
２８ａ酸化ガス流路の平行直線部
２８ｂ酸化ガス流路のＵターン部
２８ｃ酸化ガス入口
２８ｄ酸化ガス出口
２９燃料電池発電部対応部
３０、３１対向部
３２冷却水マニホルド
３２ａ入り側の冷却水マニホルド
３２ｂ出側の冷却水マニホルド
３３燃料ガスマニホルド
３３ａ入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ出側の燃料ガスマニホルド
３４空気マニホルド
３４ａ入り側の空気マニホルド
３４ｂ出側の空気マニホルド
３５ガス整流部
３６ガス整流部
３７ガス流路連通部
３８接着剤からなるシール部
３９堰
４０突起
４１、４２流路抵抗部
４３ゴムガスケットからなるシール部
４３ａシール部の凸部
４４樹脂フレームの厚肉部
４５バックアップ部
４６接着剤厚さを規制する部材（たとえば、ビーズ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a seal structure of a fuel cell, particularly a solid polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell is composed of a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator. The MEA includes an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) made of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an electrode made of a catalyst layer placed on the other surface of the electrolyte membrane (cathode, Air electrode). A diffusion layer is provided between the MEA and the separator. The separator is formed with a fluid passage for supplying fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the anode and the cathode, or a passage for flowing a cooling medium. A module comprising at least one cell, a terminal, an insulator, and an end plate are arranged at both ends in the cell stacking direction of the cell stack in which the modules are stacked, and a fastening member extending in the cell stacking direction outside the cell stack (for example, The fuel cell stack is composed of the one that is tightened and fixed by the tension plate.
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). The electrons produced at the anode of the MEA come through the separator) to produce water.
Anode side: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
Cathode side: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
In the fuel cell, Joule heat is generated and heat is generated in the water generation reaction at the cathode. Therefore, the separator has a cooling medium (usually cooling water) for each cell or a plurality (for example, two) of cells. Is formed to cool the fuel cell.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-182639 discloses a fuel cell seal structure. There, a refrigerant seal gasket is arranged on the refrigerant surface, and a gas seal gasket is arranged on the gas surface. In a conventional fuel cell, members such as an electrolyte membrane, a catalyst layer, a diffusion layer, and an adhesive layer are usually arranged in a portion of the cell in the cell stacking direction region of the gasket.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-182039
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fuel cell, members that are prone to creep when a stack fastening load is applied, such as an electrolyte membrane, a catalyst layer, a diffusion layer, and an adhesive layer, are arranged in the cell stacking direction region of the gasket seal line. These materials may creep during use of the fuel cell, making it difficult for the gasket to maintain its initial sealing properties.
In addition, when a constant load is applied after cell stacking, the separator may be deformed at a portion where a load is applied from the gasket, and a leak may occur.
An object of the present invention is to provide a fuel cell sealing structure in which a gasket can maintain an initial sealing property.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell seal structure that can prevent deformation of the separator at the gasket contact portion and prevent leakage.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A plurality of cells 10 each composed of a MEA sandwiched between a pair of metal separators 18A and 18B via hollow resin frames 18C and 18D are stacked, and adjacent metal separators 18A and 18B are interposed between the cells 10. have a seal portion 43 made of a gasket in between the cell 10 Yes resin frame 18C, 18D and the metal separators 18A, 18B or resin frame 18D, the sealing portion 38 consisting of an adhesive layer provided between the 18C The seal portion 43 made of the gasket is provided around the power generation portion of the cell and the cooling water manifold 32, around the fuel gas manifold 33, and around the air manifold 34, and the seal portion 38 made of the adhesive layer is provided around the cell. Around the power generation section and the fuel gas manifold 33 or the air manifold 34, the cooling water manifold 32 Instead, the cooling water manifold 32, the fuel gas manifold 33, and the air manifold 34 are sealed from each other, and the seal portion 43 made of a gasket has a convex portion 43a, and the convex portion 43a constitutes a seal line. Type fuel cell seal structure,
The fuel cell constituent part on the back side of the convex part 43a of the seal part 43 made of the gasket in the cell is made up of only metal separators 18A, 18B and resin frames 18D, 18C, thereby providing a fixed-size structure, and the seal part 43 made of gasket. By arranging the seal line constituted by the convex portions 43a outside the application layer of the adhesive layer constituting the seal portion 38 in the cell stacking direction, the convex portions 43a of the seal portion 43 made of gasket and the adhesive A fuel cell in which a sealing portion 38 made of a layer is arranged so as not to overlap each other in the cell stacking direction except for an intersection portion of the sealing portion 43 made of a gasket and a sealing portion 38 made of an adhesive layer as viewed in the cell stacking direction. Seal structure.
(2) The fuel cell seal structure according to (1), wherein the seal portion 43 made of a gasket includes a gas seal 43B and a refrigerant seal 43A .
(3) The fuel cell seal structure according to (2), wherein the refrigerant seal 43A is further away from the manifolds 33 and 34 than the gas seal 43B .
[0006]
In the fuel cell seal structure according to the above (1) to ( 3 ), the portion of the cell in the cell stacking direction region of the gasket is a fixed size structure (a structure in which creep does not occur or hardly occurs when a stack fastening load is applied). Therefore, the surface pressure of the gasket seal does not decrease or is difficult to achieve, and a stable seal can be obtained.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Below, the fuel cell of this invention is demonstrated with reference to FIGS.
However, FIGS. 6 and 7 show Embodiment 1 of the present invention, and FIGS. 8 and 9 show structures before improvement of FIGS. 6 and 7, respectively.
10 and 11 show a reference example , and FIGS. 12 and 13 show structures before improvement of FIGS. 10 and 11, respectively.
1 to 5 are applicable to the first embodiment and the reference example of the present invention.
[0008]
First, parts common to or similar to the first embodiment and the reference example of the present invention will be described.
The fuel cell to which the fuel cell seal structure of the present invention is applied is a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
The solid polymer electrolyte fuel cell 10 is formed by stacking a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18 as shown in FIGS. 1, 2, and 3. The MEA includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode 14 (anode, fuel electrode) made of a catalyst layer 12 arranged on one surface of the electrolyte membrane 11, and a catalyst layer 15 arranged on the other surface of the electrolyte membrane 11. Electrode 17 (cathode, air electrode). A diffusion layer 13 is provided between the electrode 14 and the separator 18, and a diffusion layer 16 is provided between the electrode 17 and the separator 18. The separator 18 has reaction gas passages 27 and 28 for supplying a fuel gas (hydrogen) and an oxidizing gas (oxygen, usually air) to the electrodes 14 and 17 and a refrigerant (usually cooling water) for cooling the fuel cell. A flowing refrigerant channel (also referred to as a cooling water channel) 26 is formed. The refrigerant flow path 26 is provided for each cell or for each of a plurality of cells. A module 19 is formed by stacking one or more layers of cells (in the example shown, one module is formed by one cell), and the modules 19 are stacked to form a module group. Terminals 20, insulators 21, and end plates 22 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 24 (for example, extending in the cell stacking direction outside the cell stack) The fuel cell stack 23 is configured by fixing with tension plates, through bolts, etc.) and bolts 25 or nuts.
[0009]
The catalyst layers 12 and 15 are made of platinum (Pt), carbon (C), and an electrolyte. The diffusion layers 13 and 16 are made of carbon (C).
The separator 18 includes a first member 18A, 18B, and a frame-shaped second member 18C, 18D having a hollow hole in the fuel cell power generation unit corresponding part 29 (a part corresponding to the power generation unit of the fuel cell), It is divided and formed.
The first member 18A and the second member 18C are members disposed on the fuel electrode side of the MEA, and the first member 18A partitions fuel gas and cooling water. The first member 18B and the second member 18D are members disposed on the air electrode side of the MEA, and the first member 18B partitions the oxidizing gas and the cooling water.
The first members 18A and 18B are made of metal, and are hereinafter also referred to as metal separators 18A and 18B. The second members 18C and 18D are made of (non-conductive) resin, and are hereinafter also referred to as resin frames 18C and 18D.
The metal separators 18A and 18B are impermeable and made of metal, for example, a metal plate (for example, stainless steel plate) plated with a conductive metal (for example, nickel plating).
[0010]
As shown in FIG. 3, the MEA is sandwiched between separators 18. When sandwiching the MEA with the separator 18, the resin frames 18C and 18D are arranged on the MEA side of the metal separators 18A and 18B, respectively, and the metal separator 18A, the resin frame 18C, the MEA, the resin frame 18D, and the metal separator 18B are stacked in this order.
Since the resin frame 18C, 18D is hollowed out in the fuel cell power generation unit corresponding part 29, the metal separator 18A, MEA, and metal separator 18B are laminated in this order, and the resin frame 18C, 18D part is the metal separator. 18A, resin frame 18C, resin frame 18D, and metal separator 18B are laminated in this order.
[0011]
As shown in FIG. 3 to FIG. 7, a gas flow path portion in which a fuel gas flow path 27 is formed is formed on the MEA side surface of the fuel cell power generation section corresponding portion 29 of the metal separator 18 A. A cooling water channel 26 is formed on the opposite surface.
Similarly, a gas flow channel portion in which an oxidizing gas flow channel 28 is formed is formed on the MEA side surface of the fuel cell power generation unit corresponding portion 29 of the metal separator 18B, and a cooling surface is formed on the surface opposite to the MEA side. A water channel 26 is formed.
The fuel gas channel 27 and the oxidizing gas channel 28 correspond to each other with the MEA interposed therebetween.
The coolant flow path 26 on the surface opposite to the MEA side of the fuel cell power generation unit corresponding part of the metal separator 18A, and the cooling water flow on the surface opposite to the MEA side of the fuel cell power generation unit corresponding part of the metal separator 18B of the adjacent cell The path 26 communicates without being separated in the cell stacking direction.
[0012]
As shown in FIG. 4 (FIG. 4 shows the metal separator 18A, but the metal separator 18B also conforms to the metal separator 18A), the gas flow path of the metal separators 18A and 18B is connected to the fuel cell power generation unit corresponding part 29. The flow path is lengthened by folding it back in the direction between the pair of facing portions 30 and 31 facing each other, thereby increasing the gas flow rate when supplying the same amount of reaction gas to the MEA. As the fuel cell output increases, the generated water is less likely to accumulate in the gas flow paths 27 and 28.
A plurality of fuel gas flow paths 27 are formed in parallel, and a plurality of oxidizing gas flow paths 28 are also formed in parallel.
The cooling water flow path 26 formed on the back surface of the separator 18 extends linearly across the pair of facing portions 30 and 31 and does not have a U-turn portion.
[0013]
As shown in FIGS. 3 to 5, the fuel gas inlet 27 c and the fuel gas outlet 27 d to the fuel gas flow path 27 of the fuel cell power generation section corresponding portion 29 of the separator 18 are the fuel cell power generation section corresponding portion 29 of the separator. They are located on opposite sides of each other. Similarly, the oxidant gas inlet 28c and the oxidant gas outlet 28d into the oxidant gas flow path 28 of the fuel cell power generation unit corresponding part 29 of the separator 18 are located on the opposite sides with the fuel cell power generation unit corresponding part 29 of the separator interposed therebetween. ing.
Further, the fuel gas inlet 27c to the fuel gas channel 27 and the oxidizing gas inlet 28c to the oxidizing gas channel 28 of the fuel cell generator corresponding part 29 of the separator 18 sandwich the fuel cell generator corresponding part 29 of the separator. Are located on opposite sides of each other.
[0014]
Manifold portions are formed in facing portions 30 and 31 of the metal separators 18A and 18B and the resin frames 18C and 18D that face each other with the fuel cell power generation portion corresponding portion 29 interposed therebetween. A cooling water manifold 32, a fuel gas manifold 33, and an air manifold 34 are formed in the manifold portion.
One of the facing portions 30, 31 facing each other across the fuel cell power generation unit corresponding portion 29 is provided with an inlet side cooling water manifold 32a, an outlet side fuel gas manifold 33b, and an inlet side air manifold 34a. The other 31 is provided with an outlet side cooling water manifold 32b, an inlet side fuel gas manifold 33a, and an outlet side air manifold 34b.
The fuel gas manifold 33 and the air manifold 34 are offset from the center position in the direction orthogonal to the direction connecting the facing portions 30 and 31 with respect to the gas flow channel portion where the gas flow channels 27 and 28 are located. That is, the center positions of the fuel gas manifold 33 and the air manifold 34 are orthogonal to the direction connecting the facing portions 30 and 31 with respect to the center position in the direction orthogonal to the direction connecting the facing portions 30 and 31 of the gas flow path portion. It is displaced in the direction.
[0015]
As shown in FIGS. 3 and 5 (FIG. 5 shows the case of the resin manifold 18D, but the resin manifold 18C also conforms to the resin manifold 18D), the resin manifolds 18C and 18D include a manifold section and a gas flow path section. Is formed. The gas flow path communication portion 37 once directs the direction of gas flow in a direction perpendicular to the direction connecting the facing portions 30 and 31, and the inflow and outflow of gas to and from the gas flow path portion. Gas rectifiers 35 and 36 are formed to be uniform in a direction orthogonal to the direction connecting the 31. The gas flowing in from the gas manifold on the inlet side of the gas rectifier 35 is uniformly spread over the entire width of the gas flow path and flows out to the gas flow path, and the gas flow path 36 gas flows into the gas flow path from the gas flow path. Reduce to manifold length and let flow to gas manifold.
Each gas rectifier 35, 36 has the same or similar structure. Each gas rectifier 35, 36 has one or more (two in the illustrated example) ridges extending in a direction perpendicular to the direction connecting the opposed portions 30, 31, and the longitudinal direction of the ridges (the opposed portions 30, 31 are arranged). It consists of a large number of protrusions formed at equal intervals in a direction perpendicular to the connecting direction. When the gas passes through the gas rectifying sections 35 and 36, the gas flow is once directed in the longitudinal direction of the protrusion, and flows into and out of the gas flow path section from a large number of gaps at equal intervals between the plurality of protrusions. The inflow / outflow of the gas between the flow path portions is made uniform in the direction orthogonal to the direction connecting the facing portions 30 and 31.
[0016]
The resin frames 18C and 18D are formed with protrusions 40 that protrude toward the metal separators 18A and 18B to secure the height of the gas flow path. A large number of protrusions 40 are arranged in a line between the gas rectifying unit and the manifold unit.
The protrusion 40 prevents the metal separators 18A and 18B from approaching the resin frames 18C and 18D when the cells are stacked and tightened in the cell stacking direction, so that the metal separators 18A and 18B and the resin frames 18C and 18D Maintain the normal height of the gas flow path.
[0017]
In the resin frames 18C and 18D, flow path resistance portions 41 and 42 are formed in gas flow path communication portions 37 provided in facing portions 30 and 31 facing each other with the fuel cell power generation portion corresponding portion 29 interposed therebetween.
When the flow path resistance parts 41 and 42 are formed, the pressure difference at the gas inlet / outlet between the gas flow path communication part 37 and the gas flow path part of the fuel cell power generation part corresponding part 29 is reduced. The distribution to becomes more uniform.
[0018]
As shown in FIGS. 4, 6, and 7, between the cells, a seal portion 43 made of a gasket is arranged between adjacent metal separators, and the cooling water manifold 32, the fuel gas manifold 33, and the air manifold 34 are mutually connected. Seal from. The seal portion 43 is made of a rubber seal, and the seal line is indicated by a two-dot chain line in FIG. The cross-sectional shape of the gasket is substantially T-shaped with the convex portion 43a, and in this case, the seal line is a portion of the convex portion 43a. The gasket may be an O-ring.
[0019]
As shown in FIGS. 5, 6, and 7, the resin frames 18 C and 18 D are sealed between adjacent members (metal separators or resin frames) in the cell stacking direction, and the cooling water manifold 32, fuel In order to seal the gas manifold 33 and the air manifold 34 from each other, an adhesive seal portion 38 (a hatched portion in FIG. 5) to which an adhesive is applied is formed.
As shown in FIGS. 6 and 7, the resin frames 18 C and 18 D prevent the sealing adhesive from sticking out at the boundary between the portion where the adhesive for forming the seal portion 38 is applied and the portion where the adhesive is not applied. A weir 39 (a stepped portion where the adhesive application portion is lower than the non-application portion) is formed, and the weir 39 prevents the adhesive from sagging into the non-application portion and protruding.
[0020]
As shown in FIG. 6 and FIG. 7, the fuel cell components in the cell stacking direction region of the seal part 43 made of a gasket (or the convex part 43 a of the seal part 43 when the gasket has a convex part 43 a) It has a fixed size structure.
That is, in a fuel cell seal structure including a seal member 43 that seals between a plurality of members of a fuel cell formed by laminating a plurality of members, the seal structure includes a seal line formed after the seal members 43 are laminated. A fixed-size structure is provided on the back surface of the sealing material of the member provided with the sealing material 43.
Here, the fixed-size structure refers to a structure that does not cause creep or hardly causes creep when a fastening load is applied to the stack 23 and can maintain a constant size.
Separator 18A, 18B, 18C, 18D is a member which does not raise | generate creep, or hardly raise | generates creep, and the structure which consists only of the member is a fixed size structure. However, the electrolyte membrane 11, the catalyst layers 12 and 15, the diffusion layers 13 and 16, and the adhesive seal portion 38 cause creep when a fastening load is applied to the stack 23, and thus do not constitute a fixed-size structure.
[0021]
The seal portion 43 made of a gasket includes a gas seal 43B and a refrigerant seal 43A. The gas seal 43B surrounds and seals the gas manifolds 33 and 34 and the gas flow paths 27 and 28, and the refrigerant seal 43A surrounds and seals the refrigerant manifold 32 and the refrigerant flow path 26. Rubber gaskets having the same cross-sectional shape are used for the gas seal 43B and the refrigerant seal 43A.
[0022]
The refrigerant seal 43A is on the outer side (the side farther from the manifolds 32, 33, 34) than the gas seal 43B as viewed in the cell stacking direction. With this structure, even if water leakage occurs in the refrigerant seal 43A, water does not enter the gas flow path, and flooding or power generation failure due to water entering the gas flow path does not occur. In addition, since the refrigerant seal 43A is outside the gas seal 43B as viewed in the cell stacking direction, for example, even if leakage occurs, the refrigerant leaks before the gas, so leakage is detected at that stage and countermeasures are taken. It is safe.
[0023]
Next, the first embodiment of the present invention and parts unique to each of the reference examples will be described.
The seal structure of the fuel cell of Example 1 of the present invention will be described. Before the improvement according to the present invention, as shown in FIG. 8 (showing before the structure of FIG. 6 is improved) and FIG. 9 (showing before the structure of FIG. 7 is improved), the cell stacking direction region of the seal portion 43 made of a gasket is shown. In the fuel cell component, the adhesive seal portion 38 and the electrolyte membrane 11 are provided. Therefore, when the stack fastening load is applied and the adhesive seal portion 38, the electrolyte membrane 11 and the like are creeped, the seal surface pressure of the seal portion 43 made of the gasket is reduced, and there is a possibility of causing gas leakage or water leakage.
[0024]
On the other hand, after the improvement according to the present invention, as shown in FIGS. 6 and 7, the fuel cell components in the cell stacking direction region of the seal portion 43 made of the gasket are only from the separators 18A, 18B, 18C, 18D. It is configured. The inner resin frames 18C, 18D of the separators 18A, 18B, 18C, 18D are thickened stepwise on the outside of the seal part 43 made of a gasket (thick part 44), and the separator 18A, Since 18B, 18C, and 18D are in direct contact with each other, even if the rubber itself of the gasket seal portion 43 is deformed, the direct contact portions of the separators 18A, 18B, 18C, and 18D and the rubber seals of the separators 18A, 18B, 18C, and 18D The back surface portion has a fixed size structure without dimensional change in the cell stacking direction. Therefore, even if a stack fastening load is applied, the seal surface pressure of the gasket seal portion 43 does not decrease as in the conventional case, and there is no possibility of causing gas leakage or water leakage.
[0025]
In the seal structure according to the first embodiment of the present invention, the convex portion 43a (seal line) of the seal portion 43 made of a gasket and the adhesive layer 38 are arranged so as not to overlap each other in the cell stacking direction (of the seal portion 43). It may overlap with parts other than the convex part 43a). That is, the seal line (two-dot chain line in FIG. 4) of the gasket seal portion 43 is outside (manifolds 32, 33) in the cell stacking direction as compared with the application region of the adhesive layer 38 (the hatched portion in FIG. 5). , 34). However, since the seal line of the gasket seal portion 43 is bent in the cell plane, a portion that partially intersects the adhesive layer 38 in the cell stacking direction is generated, but the portion is allowed to overlap. .
With this structure in which the overlap is suppressed, the sealing surface pressure of the gasket seal portion 43 is not reduced by the creep of the adhesive as in the conventional case, and gas leakage and water leakage can be prevented.
[0026]
A fuel cell seal structure of a reference example will be described . Improvements before, FIG. 12 (showing a prior improvement of the structure of FIG. 10), as shown in FIG. 13 (showing a prior improvement of the structure of FIG. 11), in the cell stacking direction region of the seal portion 43 made of a gasket The fuel cell component has a structure in which an adhesive seal portion 38 is present. Therefore, if the adhesive seal portion 38 in the portion corresponding to the cell stacking direction is subjected to creep or deformation in the thickness direction at the contact portion of the seal portion 43 made of gasket due to the stack fastening load, the metal separator 18A at that portion 18B is also deformed, and the seal surface pressure of the seal portion 43 made of the gasket is reduced, which may cause gas leakage and water leakage.
[0027]
On the other hand, after the improvement by the reference example , the structure shown in FIGS. That is, the gasket 43 (the seal portion made of the gasket) and the adhesive layer 38 (the adhesive seal portion) overlap in the cell stacking direction. Here, FIG. 10 shows a state of a single cell, and FIG. 11 shows a state where a fastening load is applied in a cell lamination state.
The fixed-size structure includes (a) a backup portion 45 formed in a convex shape toward the metal separators 18A and 18B on the resin frames 18C and 18D at a portion overlapping the gasket 43 in the cell stacking direction, and (b) a backup portion. And an adhesive layer 38 (adhesive seal portion) mixed with a member (for example, a bead 46) that regulates the adhesive thickness.
[0028]
Normally, the adhesive layer 38 is required to have a thickness of about 100 μm in FIG. 12 and FIG. 13 to ensure the internal sealability. In the reference example , as shown in FIG. 10 and FIG. The height of 45 is about 50 μm, and the thickness of the portion of the adhesive layer 38 applied to the top surface of the backup portion 45 is about 50 μm. Then, the particle diameter of the beads 46 having substantially spherical particles is set to be approximately the same as the thickness of the portion of the adhesive layer 38 to be applied to the top surface of the backup portion 45, and thus about 50 μm.
[0029]
The seal structure is formed as follows.
1. Beads 46 (particle diameter is about 50 μm, for example) are mixed in the adhesive 38.
2. A backup portion 45 is formed on the resin frames 18C and 18D.
3. A gasket 43 is bonded to the metal separators 18A and 18B.
4). The MEA and the resin frames 18C and 18D are bonded.
5. Metal separators 18A and 18B are bonded to each of the MEA and resin frames 18C and 18D bonded with an adhesive 38 containing beads 46. This state is shown in FIG.
6). Stack cells and apply a constant load. This state is shown in FIG.
[0030]
As for the operation of the reference example , as shown in FIG. 11, the backup unit 45 and the beads 46 support the load when the cells are stacked. In the adhesive layer on the top surface of the backup unit 45, when the adhesive layer receives a pressing load, the bead 46 automatically becomes one layer, and the thickness of the adhesive layer on the top surface of the backup unit 45 becomes a fixed size. The backup unit 45 also maintains a fixed size. Therefore, the total thickness of the backup portion 45 and the adhesive layer on the top surface of the backup portion 45 does not change and maintains a constant dimension, and the portions corresponding to the gasket 43 of the metal separators 18A and 18B do not bend and deform. Instead, the gasket 43 is deformed. Since the portions corresponding to the gasket 43 of the metal separators 18A and 18B are not bent and deformed, the sealing property of the cell at the gasket 43 is ensured and leakage is prevented.
[0031]
In addition, since the thickness of the adhesive layer on the top surface of the backup portion 45 is fixed, the fuel cell having a stable thickness and the laminated layer are stacked regardless of the thickness of the adhesive layer 38 in other parts. The stack 23 can be produced.
When the cell thickness is stable, the ratio of the MEA part and gasket part of the load when stacking is constant in each cell, so the load pushing the diffusion layer of the separator in the power generation region of the fuel cell is also almost constant, and stacking The power generation performance of each cell is almost constant, variation is reduced, and battery performance is stabilized.
[0032]
【The invention's effect】
According to the fuel cell seal structure of claims 1 to 3 , a portion of the cell in the cell stacking direction region of the gasket is determined from a sizing member (a member that does not cause or hardly causes creep when a stack fastening load is applied). Since it is configured or has a fixed size structure, the surface pressure of the gasket seal does not decrease or is difficult to achieve, and a stable seal can be obtained.
According to the fuel cell seal structure of claim 1 , the gasket seal portion and the adhesive layer are not overlapped in the cell stacking direction (however, a partial crossing is allowed). The seal surface pressure of 43 is not reduced by the creep of the adhesive as in the prior art, and gas leakage and water leakage can be prevented.
According to the fuel cell seal structure of claim 3 , since the refrigerant seal is located outside the gas seal in the cell stacking direction, even if water leaks in the refrigerant seal, water enters the gas flow path. This improves the reliability of the fuel cell. In addition, since the refrigerant seal is located outside the gas seal as viewed in the cell stacking direction, even if leakage occurs, the refrigerant leaks before the gas, so that measures can be taken at the stage of refrigerant leakage, which is safe .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic view of a fuel cell to which the present invention is applied in a posture in which a cell stacking direction is a vertical direction.
2 is a partially enlarged cross-sectional view of the electrolyte membrane-electrode assembly of the fuel cell of FIG. 1. FIG.
3 is an exploded perspective view of a single cell in a posture in which the cell stacking direction is the vertical direction of the fuel cell of FIG. 1. FIG.
4 is a plan view of a single cell of the fuel cell of FIG. 1. FIG.
5 is a plan view of a resin frame of the separator of the fuel cell in FIG. 1. FIG.
6 is a cross-sectional view of the fuel cell seal structure according to the first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG.
7 is a cross-sectional view of the fuel cell seal structure according to the first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
8 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. 4 before improvement.
9 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4 before improvement.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a unit cell of a fuel cell seal structure of a reference example .
FIG. 11 is a cross-sectional view of a fuel cell seal structure of a reference example when a load is applied during cell lamination.
FIG. 12 is a cross-sectional view of the portion shown in FIG. 10 before improvement.
13 is a cross-sectional view of the portion shown in FIG. 11 before improvement.
[Explanation of symbols]
10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membrane 12 catalyst layer 13 diffusion layer 14 electrode (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Separator 18A 1st member (metal separator which divides fuel gas and cooling water)
18B 1st member (metal separator which divides oxidizing gas and cooling water)
18C Second member (resin frame)
18D Second member (resin frame)
19 Module 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Bolt or nut 26 Refrigerant flow path (cooling water flow path)
27 Fuel gas flow path 27a Parallel straight part 27b of fuel gas flow path U-turn part 27c of fuel gas flow path Fuel gas inlet 27d Fuel gas outlet 28 Oxidation gas flow path 28a Parallel straight line part 28b of oxidation gas flow path Oxidation gas flow path U-turn part 28c Oxidizing gas inlet 28d Oxidizing gas outlet 29 Fuel cell power generation part corresponding part 30, 31 Opposing part 32 Cooling water manifold 32a Entering cooling water manifold 32b Exiting cooling water manifold 33 Fuel gas manifold 33a Entering side Fuel gas manifold 33b Outlet fuel gas manifold 34 Air manifold 34a Incoming air manifold 34b Outlet air manifold 35 Gas rectifying part 36 Gas rectifying part 37 Gas flow path communicating part 38 Seal part 39 made of adhesive 39 Weir 40 Projection 41, 42 Flow path resistance portion 43 Seal portion 43a made of rubber gasket Member for regulating the thick portion 45 backup unit 46 adhesive thickness of the convex portion 44 resin frame Le portion (e.g., beads)

Claims

A plurality of cells 10 each composed of a pair of metal separators 18A and 18B sandwiched between resin frames 18C and 18D with hollow resin frames 18C and 18D are stacked, and a gasket is interposed between adjacent metal separators 18A and 18B. have a seal portion 43 made of, for cell 10 has a resin frame 18C, 18D and the metal separators 18A, 18B or resin frame 18D, the sealing portion 38 consisting of an adhesive layer provided between the 18C, the A seal portion 43 made of a gasket is provided around the power generation portion of the cell and the cooling water manifold 32, around the fuel gas manifold 33, and around the air manifold 34. The seal portion 38 made of the adhesive layer is connected to the power generation portion of the cell. Around the fuel gas manifold 33 or air manifold 34 and around the cooling water manifold 32 Vignetting in the coolant manifold 32, a fuel gas manifold 33, and seals the air manifold 34 from each other, the solid polymer electrolyte sealing portion 43 consisting of the gasket is convex portion 43a has a convex portion 43a is constituting the seal line In the fuel cell seal structure,
The fuel cell constituent part on the back side of the convex part 43a of the seal part 43 made of the gasket in the cell is made up of only metal separators 18A, 18B and resin frames 18D, 18C, thereby providing a fixed-size structure, and the seal part 43 made of gasket. By arranging the seal line constituted by the convex portions 43a outside the application layer of the adhesive layer constituting the seal portion 38 in the cell stacking direction, the convex portions 43a of the seal portion 43 made of gasket and the adhesive A fuel cell in which a sealing portion 38 made of a layer is arranged so as not to overlap each other in the cell stacking direction except for an intersection portion of the sealing portion 43 made of a gasket and a sealing portion 38 made of an adhesive layer as viewed in the cell stacking direction. Seal structure.

Seal structure of a fuel cell according to claim 1, wherein the sealing portion 43 made of gasket comprises a gas seal 43B and the coolant seal 43A.

The fuel cell seal structure according to claim 2, wherein the refrigerant seal ( 43A) is further away from the manifolds (33, 34) than the gas seal ( 43B ).