JP5011724B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
この発明は、セパレータ、および、少なくとも電解質層および触媒電極から成る膜電極接合体を積層させて構成する燃料電池において、セパレータの外周部の構造に関する。 The present invention relates to a separator and a structure of an outer peripheral portion of a separator in a fuel cell configured by laminating a membrane electrode assembly including at least an electrolyte layer and a catalyst electrode.
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。このような燃料電池としては、セパレータ、および、膜電極接合体(以下では、MEAと呼ぶ。MEA:Membrane Electrode Assembly)を積層させて締結する、いわゆるスタック構造が知られている(下記特許文献1参照)。MEAは、電解質層と、電解質層を間に挟んでその表面に形成された触媒電極(酸素極および水素極。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下では、アノードと呼ぶ。)等を備えている。このような燃料電池は、例えば、MEA(または電解質層)の外周部にシール部材を配設し、それを、セパレータの積層方向における締結力で、セパレータに挟持させることで、反応ガス等の漏れを防止するようにしている。このシール部材としては、例えば、ガスケットなどが考えられる。 In recent years, fuel cells that generate electricity by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen have attracted attention as energy sources. As such a fuel cell, a so-called stack structure in which a separator and a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA: MEA: Membrane Electrode Assembly) are stacked and fastened is known (Patent Document 1 below). reference). MEA has an electrolyte layer and a catalyst electrode formed on the surface of the electrolyte layer (an oxygen electrode and a hydrogen electrode. The oxygen electrode is hereinafter referred to as a cathode, and the hydrogen electrode is hereinafter referred to as an anode). Etc. In such a fuel cell, for example, a seal member is disposed on the outer peripheral portion of the MEA (or electrolyte layer), and is sandwiched between the separators by a fastening force in the stacking direction of the separator, thereby leaking a reaction gas or the like. Try to prevent. As this sealing member, a gasket etc. can be considered, for example.
しかしながら、上述の燃料電池が、例えば、振動や衝撃などの所定の外力を受けた場合などに、セパレータとシール部材との間に剪断応力が生じ、セパレータとシール部材との間がずれ、シール部材が燃料電池外部に飛び出したりする場合があった。このように、セパレータとシール部材との間がずれると、反応ガス等が漏れる場合があり、その結果、燃料電池の性能が低下するという問題があった。 However, when the above-described fuel cell receives a predetermined external force such as vibration or impact, for example, a shearing stress is generated between the separator and the seal member, and the separator and the seal member are displaced from each other. Sometimes jumped out of the fuel cell. As described above, when the separator and the seal member are displaced from each other, the reaction gas or the like may leak, resulting in a problem that the performance of the fuel cell is deteriorated.
なお、上述の燃料電池において、セパレータとシール部材との間にずれが生じる要因には、燃料電池が振動や衝撃などの所定の外力を受けた場合の他、反応ガスの圧力が所定値より高くなった場合など、種々の原因が考えられる。また、シール部材は、反応ガスだけでなく、燃料電池を冷却するための冷却媒体や、カソードで生成される生成水などの漏れも防止する。 In the fuel cell described above, the cause of the deviation between the separator and the seal member is that the pressure of the reaction gas is higher than a predetermined value in addition to the case where the fuel cell receives a predetermined external force such as vibration or impact. Various causes can be considered, for example. Further, the seal member prevents leakage of not only the reaction gas but also a cooling medium for cooling the fuel cell and generated water generated at the cathode.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、セパレータとシール部材との間がずれて、シール部材が燃料電池外部に飛び出すことを抑制する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and provides a technique for suppressing the seal member from jumping out of the fuel cell due to a gap between the separator and the seal member in the fuel cell. The purpose is to do.
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
セパレータ、および、少なくとも電解質層および触媒電極から成る膜電極接合体を積層させてスタックを構成する燃料電池であって、
前記膜電極接合体の外周部に配され、さらに、隣接するセパレータに挟持されるシール部を備え、
前記シール部を挟持する各セパレータが、前記シール部の外周部において、所定の絶縁物を介して互いに接続することを要旨とする。
In order to achieve at least a part of the above object, the fuel cell of the present invention comprises:
A fuel cell in which a stack is formed by laminating a separator and a membrane electrode assembly including at least an electrolyte layer and a catalyst electrode,
It is arranged on the outer peripheral part of the membrane electrode assembly, and further comprises a seal part sandwiched between adjacent separators,
The gist is that the separators sandwiching the seal portion are connected to each other via a predetermined insulator in the outer peripheral portion of the seal portion.
上記構成の燃料電池によれば、シール部が燃料電池の外部に飛び出すのを抑制することができる。また、この場合、シール部を挟持する各セパレータは、絶縁物を介して互いに接続するので、各セパレータ間で短絡が起きるのを防止することができる。 According to the fuel cell having the above configuration, it is possible to suppress the seal portion from jumping out of the fuel cell. Further, in this case, the separators that sandwich the seal portion are connected to each other via an insulator, so that a short circuit can be prevented from occurring between the separators.
上記燃料電池において、
前記シール部を挟持する各セパレータのうち、少なくとも一方のセパレータは、該セパレータの外周部における先端部分が積層方向に曲折して成る曲折部を備え、
前記シール部の外周面が、前記曲折部と当接するようにしてもよい。
In the fuel cell,
Among the separators sandwiching the seal portion, at least one separator includes a bent portion formed by bending the tip portion of the outer peripheral portion of the separator in the stacking direction,
You may make it the outer peripheral surface of the said seal part contact | abut with the said bending part.
このようにすれば、所定の要因により、シール部とセパレータとがずれるのを抑制することができる。その結果、反応ガス等が漏れるのを抑制することができ、燃料電池の電池性能の低下を抑制することができる。 If it does in this way, it can control that a seal part and a separator shift by a predetermined factor. As a result, it is possible to suppress leakage of the reaction gas and the like, and it is possible to suppress a decrease in battery performance of the fuel cell.
上記燃料電池において、
前記シール部を挟持する各セパレータが、前記シール部の外周部において、所定の絶縁物を介して互いに接続する接続部分は、かしめ構造としてもよい。
In the fuel cell,
A connecting portion where each separator sandwiching the seal portion is connected to each other via a predetermined insulator in the outer peripheral portion of the seal portion may have a caulking structure.
このようにすれば、上記接続部分において、各セパレータをしっかりと連結することが可能である。 If it does in this way, it is possible to connect each separator firmly in the said connection part.
上記燃料電池において、
前記絶縁物は、弾性体としてもよい。
In the fuel cell,
The insulator may be an elastic body.
このようにすれば、所定の要因により、上記接続部分において各セパレータに対して、積層方向に所定の力が加わる場合があっても、その力を絶縁物で吸収することができる。従って、シール部とセパレータとの接触圧の急激な変動を抑制することができる。その結果、シール部の耐久性の低下を抑制することができる。 In this case, even if a predetermined force is applied in the stacking direction to each separator in the connection portion due to a predetermined factor, the force can be absorbed by the insulator. Therefore, rapid fluctuations in the contact pressure between the seal portion and the separator can be suppressed. As a result, a decrease in durability of the seal portion can be suppressed.
上記燃料電池において、
前記スタックの積層方向の長さは、定寸としてもよい。
In the fuel cell,
The length of the stack in the stacking direction may be a fixed dimension.
このように、スタックの積層方向の長さを定寸としても、上記接続部分における絶縁物が弾性体であるので、その部分で、膜電極接合体やセパレータに対して、積層方向の力が掛かるのを抑制することができる。 As described above, even if the length of the stack in the stacking direction is fixed, the insulator in the connecting portion is an elastic body. Therefore, a force in the stacking direction is applied to the membrane electrode assembly and the separator at that portion. Can be suppressed.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a fuel cell system including the fuel cell of the present invention.
以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
A.実施例:
A1.燃料電池100の構成:
A2.セパレータ30の詳細:
B.変形例:
Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described based on the following procedure.
A. Example:
A1. Configuration of the fuel cell 100:
A2. Details of the separator 30:
B. Variations:
A.実施例:
A1.燃料電池100の構成:
図1は、実施例に係る燃料電池100の外観構成を示す説明図である。燃料電池100は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池100は、スタック110と、エンドプレート300と、テンションプレート310と、インシュレータ330と、ターミナル340とを備えている。スタック110は、モジュール200が、複数個積層されて構成される。また、スタック110は、インシュレータ330およびターミナル340を挟んで、2枚のエンドプレート300によって挟持される。そして、燃料電池100は、テンションプレート310がボルト320によって各エンドプレート300に結合されることによって、スタック110(各モジュール200)を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。この時、スタック110(各モジュール200)を締結し、エンドプレート300間に掛かる力を以下では、締結力Ftとも呼ぶ。また、このように、スタック110を挟んだターミナル340間の距離が定寸であるような構造を、以下では、定寸締結構造と呼ぶ。
A. Example:
A1. Configuration of the fuel cell 100:
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an external configuration of a
燃料電池100のカソード(図1には示さず)には、酸化ガス(カソードガス)が供給され、電気化学反応後、酸化排ガスとして燃料電池100外に排出される。燃料電池100のアノード(図1には示さず)には、燃料ガス(アノードガス)が供給され、電気化学反応後、燃料排ガスとして燃料電池100外に排出される。また、燃料電池100には、燃料電池100を冷却するための冷却媒体(水、エチレングリコール等の不凍水、空気等)が供給される。
An oxidizing gas (cathode gas) is supplied to the cathode (not shown in FIG. 1) of the
図2は、燃料電池100を構成するモジュール200の概略構成を示す説明図である。モジュール200は、図2に示すように、本発明の特徴部分であるセパレータ30と単セル10とを交互に積層して構成される。セパレータ30の詳細は、後述する。本実施例の燃料電池100に用いられるセパレータ30は、3枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the
単セル10は、MEAと、MEAの外側に配設された第2ガス拡散層14,15と、シール部16とを備える。ここで、MEAは、電解質膜20と、電解質膜20を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード22およびアノード24と、上記触媒電極のさらに外側に配設された第1ガス拡散層26,28とを備えている。
The
電解質膜20は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード22およびアノード24は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。第1ガス拡散層26,28は、例えばカーボン製の多孔質部材である。
The
第2ガス拡散層14,15は、例えば、チタン(Ti)などから成る発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成される。第2ガス拡散層14,15は、MEAとセパレータ30との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガス(反応ガス、すなわち、燃料ガスまたは酸化ガス)が通過する単セル内ガス流路として機能する。
The second gas diffusion layers 14 and 15 are formed of a metal porous body such as a foam metal made of titanium (Ti) or the like, or a metal mesh, for example. The second gas diffusion layers 14 and 15 are disposed so as to occupy the entire space formed between the MEA and the
シール部16は、隣り合うセパレータ30間であって、MEAの外周部に設けられている。このシール部16は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性ゴム材料によって形成されると共に、MEAと一体で形成されている。
The
図3は、MEAと一体形成されたシール部16の概略構成を表わす平面図である。図3に示すように、シール部16は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた6つの穴部と、中央部に設けられてMEAが組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図3の平面図には表わしていないが、シール部16は実際には図2に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池内では、上記6つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ30と接触する。シール部16とセパレータ30との接触位置(図2において一点鎖線で示す)を、図3の平面図においてシールラインSLとして示している。シール部16は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池100内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シールラインSLから流体(反応ガスや生成水等)が漏れるのを防止している。
FIG. 3 is a plan view showing a schematic configuration of the
また、図3では、シール部16と一体化されたMEAにおける外部に露出している部分を、ハッチを付して示している。以下の説明では、上記MEAにおける外部に露出している部分に対応する領域を、集電領域と呼ぶ。さらに図3では、シール部16内部に埋め込まれているMEAの外周線を、点線で示している。第2ガス拡散層14,15は、上記集電領域と略同一形状に形成されており、集電領域においてシール部16に嵌め込まれ、触媒電極および第1ガス拡散層26,28の面上に重なり接触するように配置されている。また、この場合、第2ガス拡散層14,15において、後述するように、第1ガス拡散層26,28との接触面に対する反対面は、セパレータ30と接触する。
Moreover, in FIG. 3, the part exposed to the outside in MEA integrated with the
A2.セパレータ30の詳細:
セパレータ30は、図2に示すように、第2ガス拡散層14と接するカソード側プレート31と、第2ガス拡散層15と接するアノード側プレート32と、カソード側プレート31およびアノード側プレート32に挟持される中間プレート33と、を備えている。これら3枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼(SUS)あるいはチタン(Ti)やチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、カソード側プレート31、中間プレート33、アノード側プレート32の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら3種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。
A2. Details of the separator 30:
As shown in FIG. 2, the
図4は、カソード側プレート31の形状を示す説明図である。図5は、アノード側プレート32の形状を示す説明図である。図6は、中間プレート33の形状を示す説明図である。これらの図を用いて、各プレートについて説明する。これらの図には、上記集電領域、および、上記シール部16に対応する位置が点線で示されている。
FIG. 4 is an explanatory view showing the shape of the
カソード側プレート31(図4)およびアノード側プレート32(図5)は、同様の位置に、6つの穴部を備えている。これらの6つの穴部は、スタック110を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。穴部40は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各単セル10に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し(図中、O2 inと表わす)、穴部41は、各単セル10から排出されて集合した酸化排ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する(図中、O2 outと表わす)。また、穴部42は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各単セル10に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し(図中、H2 inと表わす)、穴部43は、各単セル10から排出されて集合した燃料排ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する(図中、H2 outと表わす)。さらに、穴部44は、燃料電池100に供給された冷却媒体を各セパレータ30内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し(図中、水 inと表わす)、穴部45は、各セパレータ30から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する(図中、水 outと表わす)。なお、中間プレート33(図6)は、上記した穴部のうち、穴部40,41,42,43を備えており、また、後述する複数の冷媒孔58が、穴部44,45に対応する位置に重なるように設けられている。
The cathode side plate 31 (FIG. 4) and the anode side plate 32 (FIG. 5) are provided with six holes at the same position. These six holes overlap each other when the thin plate-like members are stacked to form the
また、カソード側プレート31は、図4に示すように、穴部40の近傍に穴部40に平行に配列する複数の穴部である連通孔50を、穴部41の近傍に穴部41に平行に配列する複数の連通孔51を、それぞれ備えている。アノード側プレート32は、図5に示すように、穴部42の近傍に、穴部42に平行に配列する複数の穴部である連通孔52を、穴部43の近傍に穴部43に平行に配列する複数の連通孔53を、それぞれ備えている。中間プレート33においては、図6に示すように、穴部40の形状が他のプレートとは異なっており、電領域側の辺が、集電領域方向へと突出する複数の突出部(以下では、連通部54と呼ぶ。)を備える形状となっている。この連通部54は、中間プレート33とカソード側プレート31とが積層されたときに連通孔50と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔50とが連通するように、各連通孔50に対応して設けられている。中間プレート33では、他の穴部41,42,43においても同様に、連通孔51,52,53に対応して、複数の連通部55,56,57がそれぞれ設けられている。
Further, as shown in FIG. 4, the
図2に示すように、燃料電池100(モジュール200)の内部において、各プレートの穴部40が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート33の連通部54が形成する空間と、カソード側プレート31の連通孔50とを介して、第2ガス拡散層14内に形成される単セル内ガス流路(酸化ガス流路)へと流入し、第2ガス拡散層14に平行な方向(以下では、面方向とも呼ぶ。)に流れると共に、面方向に垂直な方向(積層方向)へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、第2ガス拡散層14から第1ガス拡散層26を介してカソード22に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、第2ガス拡散層14から、カソード側プレート31の連通孔51および中間プレート33の連通部55が形成する空間を介して、穴部41が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部42が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート33の連通部56が形成する空間と、アノード側プレート32の連通孔52とを介して、第2ガス拡散層15内に形成される単セル内燃料ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、第2ガス拡散層15から第1ガス拡散層28を介してアノード24に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、第2ガス拡散層15から、アノード側プレート32の連通孔53および中間プレート33の連通部57が形成する空間を介して、穴部43が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
As shown in FIG. 2, in the fuel cell 100 (module 200), the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply manifold formed by the
また、中間プレート33は、集電領域を含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔58を備えている。これらの冷媒孔58の端部は、中間プレート33を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部44,45と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ30内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部44が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔58によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部45が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
The intermediate plate 33 includes a plurality of elongated
ところで、本実施例の燃料電池100のセパレータ30は、その外周部分に本発明の特徴部分を有している。以下に、図7を用いて、本発明の特徴部分について説明する。
By the way, the
図7は、図2のモジュール200におけるR領域を拡大した拡大図である。セパレータ30を構成するアノード側プレート32は、図7に示すように、その外周部が、積層方向(x方向)に向かって曲折して形成され、さらに、その先端部が面方向(y方向)に向けて形成される。以下では、曲折して形成される部分を曲折部とも呼び、先端部分を突起部とも呼ぶ。一方、セパレータ30を構成するカソード側プレート31は、図7に示すように、その外周部がフック状に形成される。以下では、この部分をフック部とも呼ぶ。そして、セパレータ30および単セル10を積層してモジュール200を構成する場合には、図7に示すように、カソード側プレート31のフック部の中空部分に、絶縁体でありかつ弾性体であるスペーサ400を詰めた状態で、その部分にアノード側プレート32の突起部が入り込むように構成する。この場合、カソード側プレート31とアノード側プレート32は、この状態で、積層方向の締結力Ftに基づく力(以下では、ユニット締結力とも呼ぶ。)により保持される。このように、単セル10を挟んだ各セパレータ30は、その外周部において、かしめられる。以下では、この部分をカシメ部とも呼ぶ。ここで、カシメ部を形成するカソード側プレート31およびアノード側プレート32と、それらの間に挟まれる単セル10とをカシメユニット25とも呼ぶ。また、この場合、スペーサ400は、絶縁体であるので、かしめユニットのカシメ部を構成するカソード側プレート31とアノード側プレート32とは、絶縁されている。さらに、この場合、シール部16の外周部分は、アノード側プレート32の曲折部に当接されている。
FIG. 7 is an enlarged view of an R region in the
スペーサ400は、絶縁体・弾性体であればよく、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの合成ゴム材料、および、ペット(PET)、PP、ABS、ポリエチレンPTFEなどの樹脂材料等が用いられる。
The
ところで、上述のカシメユニット25において、カシメ部では、カソード側プレート31のフック部とアノード側プレート32の突起部との間に、弾性体であるスペーサ400を挟み込んでかしめており、また、そのカシメ部は、カシメユニット25の外周部に形成される。従って、カシメユニット25におけるカソード側プレート31とアノード側プレート32の間には、所定の弾力性が生じ、カソード側プレート31とアノード側プレート32の間の幅は、各プレートにかかる力に応じて所定の幅を推移する。ここで、カソード側プレート31とアノード側プレート32との幅(プレート間幅、図7参照)が、最大になる場合の幅をプレート間最大幅と呼び、最小になる場合の幅をプレート間最小幅と呼ぶ。また、これらプレート間の弾力性を示すバネ定数をプレート間バネ定数とする。これらプレート間最大幅、プレート間最小幅、および、プレート間バネ定数は、スペーサ400のバネ定数(以下では、スペーサバネ定数と呼ぶ。)、フック部および突起部の具体的な設計、および、ユニット締結力(締結力Ft)等によって決定される。本実施例では、これらプレート間最大幅、プレート間最小幅、および、プレート間バネ定数が、以下のごとく設定されるように、スペーサバネ定数Ks、フック部および突起部の具体的な設計、および、ユニット締結力等を決定する。
By the way, in the
<プレート間バネ定数について>
カソード22で生成される水により、単セル10でフラッディングが起きた場合など、各カシメユニット25の単セル10に分配される反応ガス量が異なる場合があり、それにより、所定のカシメユニット25の単セル10に供給される反応ガス圧が高くなり、その結果、そのカシメユニット25では、各プレート(カソード側プレート31とアノード側プレート32)に対して単セル10側から積層方向に押す圧力が高くなる場合がある。また、所定のカシメユニット25の単セル10において、種々の要因により温度上昇が発生し、その単セル10が高温になると、電解質膜20が膨張し、その結果、第2ガス拡散層14,15を介して、単セル10側から、カシメユニット25の各プレートを、積層方向に押す圧力が高くなる。さらには、燃料電池100(モジュール200)には、外部から所定の振動や衝撃を受ける場合があり、その場合、カシメユニット25において、単セル10側から積層方向に働く力や、逆にカシメユニット25の外側(すなわち、中間プレート33側)から積層方向に働く力が加わる場合ある。このように、カシメユニット25において、各プレートに対して、単セル10側または中間プレート33側から積層方向に所定の力が加わる場合がある。そこで、本実施例では、プレート間バネ定数は、これらの力を効率よく吸収できるように設定される。
<About spring constant between plates>
The amount of reaction gas distributed to the
<プレート間最大幅について>
上述のように、反応ガス圧が高くなったり、電解質膜20が膨張したり、また、燃料電池100外部から所定の振動・衝撃を受けることなどの要因により、所定のカシメユニット25において、各プレートを、単セル10側から積層方向に押す圧力が高くなると、単セル10のシール部16とセパレータ30(各プレート)とが接触しているシールラインSLにおいて、接触圧力が次第に弱まり、そして、セパレータ30(各プレート)を押す圧力が所定値Pmaxより高くなると、そのシールラインSLから流体(反応ガス等)が漏れてしまう。これを、以下では、面圧抜けとも呼ぶ。そこで、本実施例では、プレート間最大幅は、面圧抜けを起こさない最大の幅となるように設定される。
<Maximum width between plates>
As described above, each plate in the
<プレート間最小幅について>
カシメユニット25において、上述のように燃料電池100が所定の振動や衝撃を受けること等により、カシメユニット25の外側(すなわち、中間プレート33側)から積層方向に働く力が加わる場合ある。この場合、カシメユニット25の外側から積層方向に働く力は、第2ガス拡散層14,15を介して、MEAの発電面に伝達され、第2ガス拡散層14,15と各プレートとの間の接触圧力、または、MEAの触媒電極(カソード22またはアノード24)と第2ガス拡散層14,15との間の接触圧力が高まり、その結果、第2ガス拡散層14,15の気孔率が変化したり、MEAの触媒電極の耐久度が低下したりする場合がある。また、この場合であって、シール部16にクリープが生じている場合には、より一層、第2ガス拡散層14,15と各プレートとの間の接触圧力、または、MEAの触媒電極と第2ガス拡散層14,15との間の接触圧力が高まり、その結果、第2ガス拡散層14,15の気孔率が大きく変化したり、MEAの触媒電極の耐久度が大きく低下したりする場合がある。以上のような場合を回避するためには、カシメユニット25においてプレート間幅が一定幅より縮小するのを制限する必要がある。そこで、本実施例では、カシメユニット25において、カシメユニット25の外側から積層方向に働く力が加わった場合であっても、第2ガス拡散層14,15の気孔率が変化したり、MEAの触媒電極の耐久度が低下しないように、プレート間最小幅を設定する。
<Minimum width between plates>
In the
以上のように、本実施例の燃料電池100(モジュール200)は、単セル10の外周部において、単セル10を挟持するセパレータ30で単セル10の外周部を覆うようにカシメ部を形成している。従って、単セル10を構成するシール部16が燃料電池100の外部に飛び出すのを抑制することができる。また、この場合、カシメ部では、セパレータ30を構成する各プレート(カソード側プレート31およびアノード側プレート32)間に、絶縁体であるスペーサ400を挟んでいるので、各プレート間で短絡が起きるのを防止することができる。
As described above, in the fuel cell 100 (module 200) of the present embodiment, the caulking portion is formed on the outer peripheral portion of the
また、上記カシメ部は、アノード側プレート32と突起部がカソード側プレート31のフック部の中空部分に入り込むように、かしめられているので、カソード側プレート31とアノード側プレート32とをしっかりと連結することが可能である。
Further, the caulking portion is caulked so that the
さらに、本実施例の燃料電池100(モジュール200)は、単セル10の外周部において、単セル10を挟持するセパレータ30(カソード側プレート31およびアノード側プレート32)でカシメ部を形成する際に、単セル10のシール部16の外周部分が、アノード側プレート32の曲折部に当接されるように形成されている。このようにすれば、上述したように、燃料電池100が所定の振動や衝撃を受けても、シール部16とセパレータ30とがずれるのを抑制することができる。その結果、シールラインSLから流体(反応ガス等)が漏れるのを抑制することができ、燃料電池100の電池性能の低下を抑制することができる。
Further, in the fuel cell 100 (module 200) of the present embodiment, when the caulking portion is formed by the separator 30 (
本実施例の燃料電池100(モジュール200)は、ターミナル340間が定寸である定寸締結構造であり、また、カシメユニット25において、カシメ部では、カソード側プレート31のフック部とアノード側プレート32の突起部との間に、弾性体であるスペーサ400を挟み込んでかしめており、そのカシメ部を、外周部に形成するようにしている。
The fuel cell 100 (module 200) of this embodiment has a fixed-size fastening structure in which the distance between the
このようにすれば、上述したような燃料電池100外部からの振動や衝撃等の要因により、カシメユニット25において、各プレートに対して、中間プレート33側から積層方向に所定の力が加わる場合があっても、その力をスペーサ400で吸収することができる。従って、第2ガス拡散層14,15とセパレータ30との面圧、シールラインSLにおけるシール部16とセパレータ30(カソード側プレート31およびアノード側プレート32)との接触圧の急激な変動を抑制することができる。その結果、第2ガス拡散層14,15やシール部16の耐久性の低下を抑制することができる。
In this way, due to factors such as vibration and impact from outside the
また、以上のようにすれば、上述したような反応ガス圧の上昇、または、電解質膜20の膨張等の要因により、カシメユニット25において、各プレートに対して、単セル10側から積層方向に所定の力が加わる場合があっても、その力をスペーサ400で吸収することができる。従って、単セル10(シール部16)とセパレータ30(各プレート)とが接触しているシールラインSLにおいて、その接触圧力の急激な低下を抑制することができ、その結果、面圧抜けを抑制することができる。
Further, as described above, due to factors such as the increase in the reaction gas pressure or the expansion of the
さらに、以上のようにすれば、上述したような反応ガス圧の上昇、または、電解質膜20の膨張等の要因により、或るカシメユニット25において、その内部圧力が高まった場合には、隣接するカシメユニット25のプレート間幅が縮小されることで、内部圧力が高まったカシメユニット25は、積層方向に膨張することができる。その結果、膨張したカシメユニット25において、第2ガス拡散層14,15とセパレータ30(各プレート)との間、または、シール部16とセパレータ30(各プレート)との間の急激な接触圧の上昇を防止することができる。そのため、第2ガス拡散層14,15やシール部16の耐久性の低下を抑制することができる。
Further, as described above, when the internal pressure of a
ところで、特開平2004―288618号公報には、セパレータおよび単セルが積層されたスタック構造を有する燃料電池において、一端のエンドプレートとインシュレータとの間に、複数のスプリングSが積層方向に取り付けられる技術が公開されている。このようにすることで、単セルとそれを挟持するセパレータで構成される積層ユニットにおいて、所定の要因により、ユニット締結力が、それぞれ変動しても、スプリングSがそれを吸収することができる。一方、以上のようにすれば、この従来技術のスプリングSの役割を、カシメユニット25におけるカシメ部が成すことができるので、スプリングを設けることなく、定寸締結構造のままで、ユニット締結力の変動を吸収し、各カシメユニット25におけるユニット締結力を略一定に保つことが可能である。
By the way, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-288618, in a fuel cell having a stack structure in which separators and single cells are stacked, a plurality of springs S are attached in the stacking direction between one end plate and an insulator. Is published. By doing in this way, even if the unit fastening force fluctuates by a predetermined factor in the laminated unit composed of the single cell and the separator that sandwiches it, the spring S can absorb it. On the other hand, as described above, since the caulking portion of the
本実施例の燃料電池100(モジュール200)のカシメユニット25では、上述のようにプレート間最大幅を設定するようにしているので、面圧抜けを抑制することができる。
In the
また、本実施例の燃料電池100(モジュール200)のカシメユニット25では、上述のようにプレート間最小幅を設定するようにしている。このようにすれば、シール部16にクリープが生じた場合等であっても、第2ガス拡散層14,15の気孔率が変化したり、MEAの触媒電極(カソード22またはアノード24)の耐久度が低下することを抑制することができる。
Further, in the
B.変形例:
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
B. Variations:
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.
B1.変形例1:
図8は、変形例1に係る燃料電池100'の外観構成を示す説明図である。本変形例1の燃料電池100'は、上記実施例の燃料電池100と類似する構成を有し、モジュール200の構成等は上記実施例の燃料電池100と同様であり、テンションプレート310とエンドプレート300との近傍のみが異なっているため、共通する部分については同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。
B1. Modification 1:
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an external configuration of a
本変形例1の燃料電池100'は、図8に示すように、一端のエンドプレート300とインシュレータ330との間に、複数のスプリング370が積層方向に取り付けられている構造となっている。
As shown in FIG. 8, the
以上のようにすれば、所定のカシメユニット25において、ユニット締結力が、変動した場合には、カシメ部で吸収すると共に、スプリング370でも吸収することができるので、効率的にユニット締結力の変動を吸収し、ユニット締結力を略一定に保つことが可能となる。
In this way, when the unit fastening force fluctuates in the
B2.変形例2:
上記実施例の燃料電池100(モジュール200)のカシメユニット25に適用したカシメ部を、例えば、MEAおよびMEAの外周部分に配されるシール部(以下では、単セルWとする。)を所定のセパレータで挟持して積層ユニットZを構成し、その積層ユニットZを積層して構成される燃料電池G(特開2004−146145号公報参照)に用いてもよい。具体的には、燃料電池Gにおいて、単セルWを挟持するセパレータの外周部に、上記実施例と同様にカシメ部を形成する。この場合、単セルWを挟持するセパレータのうち、一方が、カソード側プレート31と同様に、その外周部にフック部を形成し、他方が、アノード側プレート32と同様に、その外周部に突起部を形成する。このようにすれば、上記燃料電池Gにおいても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。
B2. Modification 2:
The caulking portion applied to the
B3.変形例3:
上記実施例の燃料電池100(モジュール200)は、カシメユニット25において、絶縁体であるスペーサ400を用いて、カソード側プレート31とアノード側プレート32との間を絶縁するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、カシメユニット25において、スペーサ400を用いず、カソード側プレート31のフック部とアノード側プレート32の突起部に、絶縁材料からなるコーティングを施し、その状態で、これらのプレートをかしめて、カソード側プレート31とアノード側プレート32との間を絶縁するようにしてもよい。このようにしても、カソード側プレート31とアノード側プレート32との間で短絡が起きるのを防止することができる。
B3. Modification 3:
In the fuel cell 100 (module 200) of the above embodiment, the
1...変形例
1...本変形例
10...単セル
14,15...第2ガス拡散層
16...シール部
20...電解質膜
22...カソード
24...アノード
25...カシメユニット
26,28...第1ガス拡散層
30...セパレータ
31...カソード側プレート
32...アノード側プレート
33...中間プレート
40〜45...穴部
50〜53...連通孔
54〜57...連通部
58...冷媒孔
100...燃料電池
110...スタック
200...モジュール
300...エンドプレート
310...テンションプレート
320...ボルト
330...インシュレータ
340...ターミナル
370...スプリング
400...スペーサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Modification 1 ... This
Claims (4)
前記膜電極接合体の外周部に配され、さらに、隣接するセパレータに挟持されるシール部を備え、
前記シール部を挟持する各セパレータが、前記シール部の外周部において、所定の絶縁物を介して互いに接続し、
前記シール部を挟持する各セパレータのうち、少なくとも一方のセパレータは、該セパレータの外周部における先端部分が積層方向に曲折して成る曲折部を備え、
前記シール部の外周面が、前記曲折部と当接することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell in which a stack is formed by laminating a separator and a membrane electrode assembly including at least an electrolyte layer and a catalyst electrode,
It is arranged on the outer peripheral part of the membrane electrode assembly, and further comprises a seal part sandwiched between adjacent separators,
Each separator sandwiching the seal portion is connected to each other via a predetermined insulator in the outer peripheral portion of the seal portion ,
Among the separators sandwiching the seal portion, at least one separator includes a bent portion formed by bending the tip portion of the outer peripheral portion of the separator in the stacking direction,
The fuel cell , wherein an outer peripheral surface of the seal portion is in contact with the bent portion .
前記シール部を挟持する各セパレータが、前記シール部の外周部において、所定の絶縁物を介して互いに接続する接続部分は、かしめ構造であることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 , wherein
The fuel cell, wherein each separator sandwiching the seal portion is connected to each other through a predetermined insulator on the outer periphery of the seal portion, and has a caulking structure.
前記絶縁物は、弾性体であることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2 ,
The fuel cell according to claim 1, wherein the insulator is an elastic body.
前記スタックの積層方向の長さは、定寸であることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 , wherein
The length of the stacking direction of the stack is a fixed size.
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