JP5194392B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、電解質膜の損傷を低減することが可能な、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell stack capable of reducing damage to an electrolyte membrane.
燃料電池は、電解質層(以下、「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極(アノード及びカソード)とを備える膜電極接合体(以下、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」と記述することがある。)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの両側にそれぞれ配設される集電体(例えば、セパレータ)を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下において、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記述することがある。)は、低温領域での運転が可能である。また、PEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。 A fuel cell has a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA (Membrane Electrode)” including an electrolyte layer (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”) and electrodes (anode and cathode) respectively disposed on both sides of the electrolyte membrane. The electrical energy generated by the electrochemical reaction in “) is taken out to the outside through current collectors (for example, separators) respectively disposed on both sides of the MEA. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) used in household cogeneration systems and automobiles are low temperature regions. Is possible. In addition, PEFC has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles and portable power sources because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and compact and lightweight system.
PEFCの単セルは、含水状態に保たれてプロトン伝導性能を発現する電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードと、を具備し、その理論起電力は1.23Vである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態の燃料電池が使用される。そして、接触抵抗を低減する等の観点から、スタック形態の燃料電池の両端側からは、締結圧力(以下、「圧縮圧力」ということがある。)が加えられる。 A single cell of PEFC includes an electrolyte membrane that is maintained in a water-containing state and exhibits proton conduction performance, and a cathode and an anode that include at least a catalyst layer, and has a theoretical electromotive force of 1.23V. However, since such low electromotive force is insufficient as a power source for electric vehicles and the like, usually, a single cell is laminated in series to form a laminated body, and end plates or the like are formed at both ends of the laminated body in the lamination direction. A fuel cell in the form of a stack formed by arranging is used. From the viewpoint of reducing the contact resistance, a fastening pressure (hereinafter sometimes referred to as “compression pressure”) is applied from both ends of the stack type fuel cell.
PEFCの運転時には、アノードに水素含有ガスが、カソードに酸素含有ガスが、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層(以下、「アノード触媒層」ということがある。)に含まれる触媒上でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層(以下、「カソード触媒層」ということがある。)へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される酸素とが反応することにより、水が生成される。 During PEFC operation, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas is supplied to the cathode. The hydrogen supplied to the anode is separated into protons and electrons on the catalyst contained in the catalyst layer of the anode (hereinafter also referred to as “anode catalyst layer”), and the protons generated from the hydrogen are separated from the anode catalyst layer. And reaches the cathode catalyst layer (hereinafter also referred to as “cathode catalyst layer”) through the electrolyte membrane. On the other hand, electrons reach the cathode catalyst layer through an external circuit, and protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen supplied to the cathode catalyst layer to generate water. .
このように、PEFCの単セルには、水素含有ガス、酸素含有ガス、及び、水等、様々な物質が存在し得る。ここで、アノード触媒層及びカソード触媒層に備えられる触媒へ多くの水素及び酸素を供給して、PEFCの発電性能を向上させる等の理由から、単セルは気密性を高くする必要がある。そのため、PEFCの単セルには、例えば、電解質膜の外縁部(電解質膜の中央部に形成される触媒層の周囲の少なくとも一部)に、ガスシール機能等を備えるシール部材が配設され、上記締結圧力が加えられる一対のシール部材を介して電解質膜が狭持されることにより、上記様々な物質の単セル外への漏洩が防止されている。 Thus, various substances such as hydrogen-containing gas, oxygen-containing gas, and water can exist in a single cell of PEFC. Here, the single cell needs to have high airtightness for the purpose of improving the power generation performance of the PEFC by supplying a large amount of hydrogen and oxygen to the catalyst provided in the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. Therefore, in a single cell of PEFC, for example, a sealing member having a gas sealing function or the like is disposed on the outer edge portion of the electrolyte membrane (at least a part of the periphery of the catalyst layer formed in the central portion of the electrolyte membrane), The electrolyte membrane is held through a pair of sealing members to which the fastening pressure is applied, thereby preventing leakage of the various substances to the outside of the single cell.
PEFCに備えられるシール部材に関する技術として、特許文献1には、二面から面圧を受けて少なくとも二つの空間における流体の漏洩を防止するシール部材であって、該シール部材の他の部位と弾性率が異なる面方向の層状の部位が形成されてなるシール部材が開示されている。さらに、特許文献1には、当該シール部材を備える燃料電池に関する技術も開示されている。そして、かかる技術によれば、弾性率が異なる面方向の層状の部位を形成することにより、面圧を作用する一方または双方の面の熱などによる寸法変化に追従することができ、高い界面のシール性と、面圧方向すなわち積層方向の定形性が確保されることにより、燃料電池の性能と信頼性を向上させることができる、としている。
上述のように、PEFCの運転時に水が生成されるため、電解質膜は膨張し得る。これに対し、PEFCの停止時には、水素含有ガス及び酸素含有ガスが供給されず、水が生成されない。それゆえ、PEFCの停止時には電解質膜が乾燥して収縮し得る。したがって、PEFCの運転/停止が繰り返されると、電解質膜の膨張/収縮が繰り返され得る。一方で、上述のように、PEFCの単セルの気密性は、一対のシール部材を介して電解質膜が狭持されることによって保たれる。ここで、膨張/収縮が繰り返される電解質膜の外縁部は、一対のシール部材を介して締結圧力が加えられているため、電解質膜が膨張/収縮を繰り返すと、電解質膜の外縁部に応力が集中し、電解質膜が損傷しやすいという問題がある。 As described above, since water is generated during operation of the PEFC, the electrolyte membrane can expand. On the other hand, when the PEFC is stopped, the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas are not supplied and water is not generated. Therefore, when the PEFC is stopped, the electrolyte membrane can be dried and shrink. Therefore, when the operation / stop of the PEFC is repeated, the expansion / contraction of the electrolyte membrane can be repeated. On the other hand, as described above, the airtightness of the single cell of PEFC is maintained by sandwiching the electrolyte membrane via a pair of seal members. Here, since the fastening pressure is applied to the outer edge portion of the electrolyte membrane where the expansion / contraction is repeated via a pair of seal members, when the electrolyte membrane repeatedly expands / contracts, stress is applied to the outer edge portion of the electrolyte membrane. There is a problem that the electrolyte membrane tends to be damaged due to concentration.
特許文献1に開示されているシール部材には、弾性率が異なる面方向の層状の部位が形成されている。そのため、締結圧力が加えられている環境下においても、当該層状の部位が弾性体として機能し得る状態が確保されていれば、電解質膜の寸法変化に追従することができ、電解質膜の損傷を抑制することが可能になると考えられる。ところが、スタック形態で使用されるPEFCの締結圧力は、例えば、1MPa程度等の圧力であるため、特許文献1に開示されている形態のシール部材を適用しても、電解質膜の外縁部への応力集中を緩和することは困難であり、電解質膜の損傷を抑制し難いという問題があった。 The sealing member disclosed in Patent Document 1 is formed with layered portions in the surface direction having different elastic moduli. Therefore, even in an environment where fastening pressure is applied, if the state where the layered portion can function as an elastic body is secured, it is possible to follow the dimensional change of the electrolyte membrane, and damage the electrolyte membrane. It will be possible to suppress it. However, since the fastening pressure of the PEFC used in the stack form is a pressure of about 1 MPa, for example, even if the seal member of the form disclosed in Patent Document 1 is applied, it is applied to the outer edge of the electrolyte membrane. It is difficult to alleviate stress concentration, and there is a problem that it is difficult to suppress damage to the electrolyte membrane.
そこで本発明は、電解質膜の損傷を低減することが可能な、燃料電池スタックを提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of reducing damage to the electrolyte membrane.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の本発明は、電解質膜、該電解質膜の一方の表面中央部に備えられる第1触媒層及び電解質膜の他方の表面中央部に備えられる第2触媒層、並びに、電解質膜の一方の側の外縁部に配設される第1定形部材及び電解質膜の他方の側の外縁部に配設される第2定形部材、を有する構造体と、該構造体の一方の側に積層される第1セパレータ及び構造体の他方の側に積層される第2セパレータと、を有する積層体を具備し、第1定形部材と電解質膜との間、及び、第2定形部材と電解質膜との間に、弾性部材が備えられ、弾性部材を充填する空間を確保する空間確保部が、第1定形部材、第2定形部材、及び/又は、第1定形部材と第2定形部材との間、に備えられており、積層体の積層方向を法線方向とする面と平行な方向における、電解質膜の外縁部と空間確保部との間隔が5mm以上20mm以下であり、乾燥している時の電解質膜の膜厚をTとするとき、空間確保部の前記積層方向の長さが2.5T以上200T以下であることを特徴とする、燃料電池スタックである。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention described in claim 1 includes an electrolyte membrane, a first catalyst layer provided at the center of one surface of the electrolyte membrane, a second catalyst layer provided at the center of the other surface of the electrolyte membrane, and an electrolyte membrane. A structure having a first shaped member disposed on an outer edge portion on one side of the liquid crystal and a second shaped member disposed on an outer edge portion on the other side of the electrolyte membrane, and on one side of the structure body A laminated body having a first separator and a second separator laminated on the other side of the structure, and between the first shaped member and the electrolyte membrane, and between the second shaped member and the electrolyte membrane. between, provided with a resilient member, the space securing unit to secure a space filled with the elastic member, first shaped member, a second shaped member, and / or, a first shaped member and the second shaped member In a direction parallel to the plane whose normal direction is the stacking direction of the stacked body. That state, and are spaced 5mm or 20mm or less between the outer and the space reserved portion of the electrolyte membrane, when the thickness of the electrolyte membrane when dried is T, the length in the stacking direction of the space securing unit There characterized der Rukoto than 200T less 2.5T, a fuel cell stack.
ここで、「電解質膜の外縁部」とは、構造体の第1触媒層側及び第2触媒層側に拡散層が備えられない場合には、電解質膜の全表面(X)から、電解質膜と第1触媒層との接触面(Y1)及び電解質膜と第2触媒層との接触面(Y2)を除いた部分(X−Y1−Y2)を意味する。また、構造体の第1触媒層側及び/又は第2触媒層側に、第1拡散層及び/又は第2拡散層が備えられる場合には、上記外縁部(X−Y1−Y2)から、さらに、電解質膜と第1拡散層との接触面(Z1)及び/又は電解質膜と第2拡散層との接触面(Z2)を除いた部分(第1拡散層が備えられる場合;X−Y1−Y2−Z1、第2拡散層が備えられる場合;X−Y1−Y2−Z2、第1拡散層及び第2拡散層が備えられる場合;X−Y1−Y2−Z1−Z2)が電解質膜の外縁部に相当する。加えて、「第1定形部材と電解質膜との間、及び、第2定形部材と電解質膜との間に、弾性部材が備えられ」とは、電解質膜の上記外縁部に備えられる第1定形部材及び第2定形部材と電解質膜の外縁部表面との間に、弾性部材が備えられることを意味する。すなわち、本発明において、弾性部材は、電解質膜の外縁部にのみ備えられる。さらに、「積層体の積層方向」とは、上記構造体と第1セパレータ及び第2セパレータとが積層される方向を意味する。さらにまた、「空間確保部が、第1定形部材、第2定形部材、及び/又は、第1定形部材と第2定形部材との間、に備えられている」とは、「第1定形部材にのみ備えられる形態」、「第2定形部材にのみ備えられる形態」、「第1定形部材及び第2定形部材にのみ備えられる形態」、「第1定形部材と第2定形部材との間にのみ備えられる形態」、「第1定形部材に加え、第1定形部材と第2定形部材との間に備えられる形態」、「第2定形部材に加え、第1定形部材と第2定形部材との間に備えられる形態」、又は「第1定形部材及び第2定形部材に加え、第1定形部材と第2定形部材との間に備えられる形態」のいずれかの形態で、空間確保部が備えられていることを意味する。 Here, the “outer edge portion of the electrolyte membrane” refers to the electrolyte membrane from the entire surface (X) of the electrolyte membrane when the diffusion layer is not provided on the first catalyst layer side and the second catalyst layer side of the structure. And the contact surface (Y1) between the first catalyst layer and the contact surface (Y2) between the electrolyte membrane and the second catalyst layer (X-Y1-Y2). In addition, when the first diffusion layer and / or the second diffusion layer is provided on the first catalyst layer side and / or the second catalyst layer side of the structure, from the outer edge portion (XY1-Y2), Furthermore, the contact surface (Z1) between the electrolyte membrane and the first diffusion layer and / or the portion excluding the contact surface (Z2) between the electrolyte membrane and the second diffusion layer (when the first diffusion layer is provided; XY1) -Y2-Z1, when the second diffusion layer is provided; XY1-Y2-Z2, when the first diffusion layer and the second diffusion layer are provided; XY1-Y2-Z1-Z2) is the electrolyte membrane Corresponds to the outer edge. In addition, “an elastic member is provided between the first shaped member and the electrolyte membrane and between the second shaped member and the electrolyte membrane” means that the first fixed shape provided at the outer edge of the electrolyte membrane. It means that an elastic member is provided between the member and the second shaped member and the outer edge surface of the electrolyte membrane. That is, in the present invention, the elastic member is provided only at the outer edge portion of the electrolyte membrane. Furthermore, the “stacking direction of the stacked body” means a direction in which the structure, the first separator, and the second separator are stacked. Furthermore, “the space securing portion is provided in the first shaped member, the second shaped member, and / or between the first shaped member and the second shaped member” means “the first shaped member. "Form provided only in the second shaped member", "form provided only in the second shaped member", "form provided only in the first shaped member and the second shaped member", "between the first shaped member and the second shaped member "Forms provided only between", "Forms provided between the first shaped member and the second shaped member in addition to the first shaped member", "In addition to the second shaped member, the first shaped member and the second shaped member The space securing portion is in a form provided between the first shaped member and the second shaped member in addition to the first shaped member and the second shaped member. It means that it is provided.
請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、弾性部材が、フッ素ゴム、又は、シリコーンゴムにより構成されることを特徴とする。 The present invention of claim 2 is the fuel cell stack according to claim 1, the elastic member, fluorine rubber, or, characterized in that it is constituted by a silicone rubber.
ここに、弾性部材を構成し得るフッ素ゴムとしては、フッ化ビニリデン系ゴム(FKM)、テトラフルオロエチレン−プロピレン系ゴム(FEPM)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロビニルエーテル系ゴム(FFKM)等を例示することができる。また、弾性部材を構成し得るシリコーンゴムとしては、ビニルメチルシリコーンゴム(VMQ)、フッ素化シリコーンゴム(FVMQ)等を例示することができる。 Examples of the fluororubber that can constitute the elastic member include vinylidene fluoride rubber (FKM), tetrafluoroethylene-propylene rubber (FEPM), tetrafluoroethylene-perfluorovinyl ether rubber (FFKM), and the like. be able to. Examples of the silicone rubber that can constitute the elastic member include vinyl methyl silicone rubber (VMQ) and fluorinated silicone rubber (FVMQ).
本発明によれば、空間確保部が備えられるので、電解質膜の外縁部に配設される弾性部材が、弾性体として機能し得る形態で備えられる。そのため、電解質膜の寸法が変化しても、弾性部材の形状が、当該寸法変化に追従して変化することができ、電解質膜の外縁部に集中し得る応力が低減される結果、電解質膜の損傷を低減できる。したがって、本発明によれば、電解質膜の損傷を低減することが可能な、燃料電池スタックを提供できる。 According to the present invention, since the space securing portion is provided, the elastic member disposed on the outer edge portion of the electrolyte membrane is provided in a form that can function as an elastic body. Therefore, even if the dimensions of the electrolyte membrane change, the shape of the elastic member can change following the dimensional change, and the stress that can be concentrated on the outer edge of the electrolyte membrane is reduced. Damage can be reduced. Therefore, according to the present invention, a fuel cell stack capable of reducing damage to the electrolyte membrane can be provided.
PEFCの運転/停止が繰り返されることにより膨潤/収縮し得る電解質膜は、その外縁部が、シール機能等を有する定形部材を介して狭持されている。PEFCでは、通常、接触抵抗を低減すること等を目的として、スタックの両端側から締結圧力が加えられているため、電解質膜の膨潤/収縮が繰り返されると、定形部材を介して狭持された外縁部に応力が集中し、損傷しやすい。かかる損傷を抑制するには、電解質膜の外縁部へと加えられる応力を低減することが有効であり、これを実現するための手段として、上記外縁部と接触する部材の少なくとも一部を弾性材料で構成することが考えられる。ところが、スタック形態のPEFCでは、その両端側から、1MPaもの締結圧力が加えられるため、単に、定形部材の一部を弾性材料で構成しても、当該弾性材料に求められる弾性体としての機能が発揮され難い。定形部材に要求されるシール機能を確保しつつ、電解質膜の損傷を抑制するためには、弾性材料が弾性体として機能し得る構成とすることが重要になる。 The electrolyte membrane that can swell / shrink due to repeated operation / stop of PEFC is sandwiched at its outer edge via a shaped member having a sealing function or the like. In PEFC, since the fastening pressure is usually applied from both ends of the stack for the purpose of reducing contact resistance, etc., when the swelling / shrinkage of the electrolyte membrane is repeated, it is sandwiched through the shaped member. Stress concentrates on the outer edge and is easily damaged. In order to suppress such damage, it is effective to reduce the stress applied to the outer edge portion of the electrolyte membrane. As a means for realizing this, at least a part of the member in contact with the outer edge portion is made of an elastic material. It can be considered that However, in a stack-type PEFC, a fastening pressure of 1 MPa is applied from both ends, so even if a part of the shaped member is simply made of an elastic material, it functions as an elastic body required for the elastic material. It is hard to be demonstrated. In order to suppress damage to the electrolyte membrane while ensuring the sealing function required for the shaped member, it is important to adopt a configuration in which the elastic material can function as an elastic body.
本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、定形部材と電解質膜との間に弾性部材を配置するとともに、締結圧力が加えられた環境であっても当該弾性部材が弾性体として機能することを可能にする空間確保部が、一対の定形部材のいずれか若しくは双方、又はこれらの間に備えられる形態とすることにより、電解質膜の損傷を低減し得る燃料電池スタックを提供することにある。 The present invention has been made from such a viewpoint, and the gist thereof is that an elastic member is disposed between the shaped member and the electrolyte membrane, and the elastic member is used as an elastic body even in an environment in which a fastening pressure is applied. Providing a fuel cell stack capable of reducing damage to an electrolyte membrane by providing a space securing portion that enables functioning to be provided in either or both of a pair of shaped members, or between them. It is in.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
1.第1実施形態
図1は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックの一部を概略的に示す断面図であり、本発明の燃料電池スタックに備えられる積層体(以下、「単セル」ということがある。)の一部のみを拡大して示している。図2は、図1に示す形態の単セルを備える本発明の燃料電池スタックの形態例を示す概略図である。以下、図1及び図2を参照しつつ、本発明の燃料電池スタックについて説明する。
1. First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a part of a fuel cell stack of the present invention according to a first embodiment, and is a laminate (hereinafter referred to as “single cell” provided in the fuel cell stack of the present invention. ")") Only a part of it is shown enlarged. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the form of a fuel cell stack according to the present invention including the single cell of the form shown in FIG. Hereinafter, the fuel cell stack of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図1に示すように、第1実施形態にかかる単セル20は、電解質膜1と、該電解質膜1の一方の表面中央部に備えられる第1触媒層2a及び他方の中央部に備えられる第2触媒層3aと、電解質膜1の上記一方の側に備えられる第1拡散層2b及び上記他方の側に備えられる第2拡散層3bと、を有し、電解質膜1の外縁部は上記一方の側に配設される枠型形状の第1定形部材10及び上記他方の側に配設される枠型形状の第2定形部材11を介して狭持され、第1定形部材10及び第2定形部材11と電解質膜1との間に、弾性部材9が備えられている。単セル20のアノード2は、第1触媒層(以下、「アノード触媒層」という。)2a及び第1拡散層(以下、「アノード拡散層」という。)2bを備え、カソード3は、第2触媒層(以下、「カソード触媒層」という。)3a及び第2拡散層(以下、「カソード拡散層」という。)3bを備え、MEA4は、電解質膜1と、アノード触媒層2a及びカソード触媒層3aとを備えている。単セル20に備えられる構造体16は、MEA4と、アノード拡散層2b及びカソード拡散層3bと、弾性部材9と、第1定形部材10及び第2定形部材11と、を備え、該構造体16の上記一方の側に第1セパレータ5が、上記他方の側に第2セパレータ6が、それぞれ積層されている。第1セパレータ5には第1反応ガス流路7、7、…が、第2セパレータ6には第2反応ガス流路8、8、…が、それぞれ備えられ、本発明の燃料電池スタックの作動時には、第1反応ガス流路7、7、…からアノード2へ水素が供給されるとともに、第2反応ガス流路8、8、…からカソード3へ酸素が供給される。そして、単セル20の第1定形部材10及び第2定形部材11には、それぞれ、空間確保部10x及び11xが備えられ、空間確保部10x及び11xによって、積層方向における、弾性部材9及び電解質膜1の空間が確保されている。
As shown in FIG. 1, the
ここで、第1実施形態にかかる単セル20において、電解質膜1は、炭化水素系のアイオノマーを有する固体高分子膜(例えば、セレミオン等(「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標))である。アノード触媒層2a及びカソード触媒層3aには、電気化学反応の触媒として機能する白金が備えられ、アノード拡散層2b及びカソード拡散層3bは、カーボンペーパー等により構成されている。さらに、第1定形部材10及び第2定形部材11は、例えば、ガラスエポキシ等の樹脂により構成され、弾性部材9は、フッ素ゴム等により構成されている。また、単セル20において、電解質膜1の外縁部と弾性部材9との間には、接着剤(例えば、エポキシ樹脂系接着剤等。以下において同じ。)が配設されるとともに、弾性部材9と第1定形部材10及び第2定形部材11との間にも、接着剤が配設され、積層方向に圧縮圧力が加えられることにより、単セル20の気密性が確保されている。
Here, in the
一方で、図2に示すように、第1実施形態にかかる燃料電池スタック100は、複数の単セル20、20、…と、積層された複数の単セル20、20、…の両端側に備えられる板状部材21、22と、板状部材21、22を介して単セル20、20、…の積層方向に締結圧力(圧縮圧力)を加える締結手段23と、が備えられ、単セル20、20、…、板状部材21、22、及び、締結手段23は、外枠体24に収容されている。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the
このように、燃料電池スタック100では、積層方向に圧縮圧力が加えられる。そのため、第1定形部材10及び第2定形部材11を介して狭持される電解質膜1の外縁部等に、圧縮圧力が加えられ、電解質膜1の膨潤/収縮が繰り返されると、当該外縁部に応力が集中しやすい。そこで、単セル20では、第1定形部材10に空間確保部10xが備えられるとともに、第2定形部材11に空間確保部11xが備えられる形態とし、第1定形部材10及び第2定形部材11と電解質膜1との間に弾性部材9を配設している。かかる構成とすれば、単セル20の気密性を確保しつつ、空間確保部10x及び11xによって、弾性部材9及び電解質膜1の外縁部が積層方向へ過度に圧縮されることを防止でき、燃料電池スタック100の作動時であっても、弾性部材9を弾性体として機能させることが可能になる。すなわち、第1実施形態によれば、燃料電池スタック100(単セル20)の作動時及び停止時において、弾性部材9の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜1の外縁部へと加えられる圧縮応力を低減できる。加えて、単セル20によれば、弾性部材9の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜1が膨潤/収縮することにより、弾性部材9と接着剤によって接着された電解質膜1の寸法が変化しても、弾性部材9が、電解質膜1の寸法変化に追従して変形できる。そのため、特に、乾燥等により電解質膜1が収縮しても、電解質膜1の外縁部と弾性部材9との間に形成され得る隙間を最小限に抑えることができるので、電解質膜1の外縁部への応力集中が効果的に緩和され、電解質膜1の損傷を低減することが可能になる。
Thus, in the
2.第2実施形態
図3は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックの一部を概略的に示す断面図であり、本発明の燃料電池スタックに備えられる単セルの一部のみを拡大して示している。第2実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックは、例えば、図2の単セル20、20、…を、第2実施形態にかかる単セルへ置換した形態で使用される。図3において、図1に示される部材と同様の構成を採るものには、図1にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図3を参照しつつ、本発明の燃料電池スタックについて説明する。
2. Second Embodiment FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a part of the fuel cell stack of the present invention according to the second embodiment, and only a part of a single cell provided in the fuel cell stack of the present invention is enlarged. As shown. The fuel cell stack of the present invention according to the second embodiment is used, for example, in a form in which the
図3に示すように、第2実施形態にかかる単セル30は、電解質膜1と、アノード触媒層2a及びカソード触媒層3aとを備えるMEA4と、アノード拡散層2b及びカソード拡散層3bと、枠型形状の第1定形部材12及び第2定形部材13と、該第1定形部材12及び第2定形部材13と電解質膜1の外縁部との間に配設される弾性部材9と、を具備する構造体17を備えている。構造体17の一方の側には、第1セパレータ5が、他方の側には第2セパレータ6がそれぞれ積層されている。そして、電解質膜1の外縁部と弾性部材9との間、並びに、弾性部材9と第1定形部材12及び第2定形部材13との間には、接着剤が配設され、積層方向に圧縮圧力が加えられることにより、単セル30の気密性が確保されている。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、単セル30では、第1定形部材12にのみ、空間確保部12xが備えられ、第2定形部材13には空間確保部が備えられていない。かかる形態であっても、単セル30には、第1定形部材12に空間確保部12xが備えられているので、第1定形部材12及び第2定形部材13を介して圧縮圧力が加えられる環境であっても、空間確保部12xによって、弾性部材9及び電解質膜1の外縁部が過度に潰されるのを防止でき、弾性部材9を弾性体として機能させることができる。すなわち、第2実施形態であっても、単セル30の作動時及び停止時において、弾性部材9の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜1の外縁部へと加えられる圧縮圧力を低減できる。加えて、単セル30の形態であっても、弾性部材9の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜1が膨潤/収縮することにより、弾性部材9と接着剤によって接着された電解質膜1の寸法が変化しても、弾性部材9が、電解質膜1の寸法変化に追従して変形できる。そのため、例えば、電解質膜1が収縮しても、電解質膜1の外縁部と弾性部材9との間に形成され得る隙間の形成を防止すること、又は、当該隙間の大きさを最小限に抑えることができる。それゆえ、電解質膜1の外縁部への応力集中が効果的に緩和され、電解質膜1の損傷を抑制することが可能になる。したがって、単セル30が備えられる形態の燃料電池スタックであっても、電解質膜の損傷を低減することができる。
As shown in FIG. 3, in the
第2実施形態にかかる上記説明では、第1定形部材12にのみ空間確保部12xが備えられ、第2定形部材13に空間確保部が備えられない形態を例示したが、本発明はかかる形態に限定されず、第2定形部材にのみ空間確保部が備えられ、第1定形部材に空間確保部が備えられない形態とすることも可能である。
In the above description according to the second embodiment, the
3.第3実施形態
図4は、第3実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックの一部を概略的に示す断面図であり、本発明の燃料電池スタックに備えられる単セルの一部のみを拡大して示している。第3実施形態にかかる本発明の燃料電池スタックは、例えば、図2の単セル20、20、…を、第3実施形態にかかる単セルへ置換した形態で使用される。図4において、図1及び/又は図2に示される部材と同様の構成を採るものには、図1にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図4を参照しつつ、本発明の燃料電池スタックについて説明する。
3. Third Embodiment FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a part of the fuel cell stack of the present invention according to the third embodiment, and only a part of a single cell provided in the fuel cell stack of the present invention is enlarged. As shown. The fuel cell stack of the present invention according to the third embodiment is used, for example, in a form in which the
図4に示すように、第3実施形態にかかる単セル40は、電解質膜1と、アノード触媒層2a及びカソード触媒層3aとを備えるMEA4と、アノード拡散層2b及びカソード拡散層3bと、枠型形状の第1定形部材14、第2定形部材13、及び、空間確保部15と、該第1定形部材14、第2定形部材13、及び、空間確保部15と電解質膜1の外縁部との間に配設される弾性部材9と、を具備する構造体18を備えている。構造体18の一方の側には、第1セパレータ5が、他方の側には第2セパレータ6がそれぞれ積層されている。そして、電解質膜1の外縁部と弾性部材9との間、並びに、弾性部材9と第1定形部材14、第2定形部材13、及び、空間確保部15との間には、接着剤が配設され、積層方向に圧縮圧力が加えられることにより、単セル40の気密性が確保されている。
As shown in FIG. 4, the
図4に示すように、単セル40では、第1定形部材14と第2定形部材13との間に空間確保部15が備えられ、第1定形部材14及び第2定形部材13には空間確保部が備えられていない。かかる形態であっても、単セル40には、第1定形部材14と第2定形部材13との間に空間確保部15が備えられているので、第1定形部材14及び第2定形部材13を介して圧縮圧力が加えられる環境であっても、空間確保部15によって、弾性部材9及び電解質膜1の外縁部が過度に潰されるのを防止でき、弾性部材9を弾性体として機能させることができる。すなわち、第3実施形態であっても、単セル40の作動時及び停止時において、弾性部材9の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜1の外縁部へと加えられる圧縮圧力を低減できる。加えて、単セル40の形態であっても、弾性部材9の弾性体としての機能が確保されるので、電解質膜1が膨潤/収縮することにより、弾性部材9と接着剤によって接着された電解質膜1の寸法が変化しても、弾性部材9が、電解質膜1の寸法変化に追従して変形できる。そのため、例えば、電解質膜1が収縮しても、電解質膜1の外縁部と弾性部材9との間に形成され得る隙間の形成を防止すること、又は、当該隙間の大きさを最小限に抑えることができる。それゆえ、電解質膜1の外縁部への応力集中が効果的に緩和され、電解質膜1の損傷を抑制することが可能になる。したがって、単セル40が備えられる形態の燃料電池スタックであっても、電解質膜の損傷を低減することができる。
As shown in FIG. 4, in the
本発明の燃料電池スタックに備えられる空間確保部の、積層方向の長さは、弾性部材を弾性体として機能させ得る長さであれば特に限定されるものではない。ただし、乾燥している時の電解質膜の膜厚をTとするとき、膨潤時には、電解質膜の膜厚が2T程度になることがある。そのため、空間確保部の積層方向の長さ(図1に示される第1実施形態では空間確保部10x及び11xの積層方向の長さの合計、図3に示される第2実施形態では空間確保部12xの積層方向の長さ、図4に示される第3実施形態では空間確保部15の積層方向の長さ)は2.5T以上とすることが好ましい。一方で、上記積層方向の長さを長くし過ぎると、単セルの容積が増え、燃料電池スタックの発電密度が低下する虞があるため、200T以下とすることが好ましい。積層方向のより好ましい長さは、2.5T以上100T以下である。
The length of the space securing portion provided in the fuel cell stack of the present invention in the stacking direction is not particularly limited as long as the elastic member can function as an elastic body. However, when T is the thickness of the electrolyte membrane when it is dry, the thickness of the electrolyte membrane may be about 2T during swelling. Therefore, the length of the space securing portion in the stacking direction (the total length of the space securing portions 10x and 11x in the stacking direction in the first embodiment shown in FIG. 1, the space securing portion in the second embodiment shown in FIG. The length in the stacking direction of 12x, that is, the length in the stacking direction of the
また、上記積層方向を法線方向とする面と平行な方向(例えば、図1〜4における左右方向。以下、「面方向」という。)における、電解質膜の外縁部と空間確保部との間隔、すなわち、当該間隔を満たす弾性部材の、面方向の厚さは、弾性部材によって電解質膜外縁部へと加えられる応力を緩和し得る厚さが確保されていれば、特に限定されない。ただし、平面方向の膜の変形を吸収するという観点から、当該厚さは5mm以上とすることが好ましく、スタックの体積をなるべく小さくするという観点から、当該厚さは20mm以下とすることが好ましい。より好ましい面方向の厚さは、5mm以上10mm以下である。 In addition, the distance between the outer edge portion of the electrolyte membrane and the space securing portion in a direction parallel to the plane having the normal direction as the stacking direction (for example, the horizontal direction in FIGS. 1 to 4, hereinafter referred to as “plane direction”). That is, the thickness in the surface direction of the elastic member satisfying the interval is not particularly limited as long as the thickness that can relieve the stress applied to the outer periphery of the electrolyte membrane by the elastic member is secured. However, from the viewpoint of absorbing the deformation of the film in the planar direction, the thickness is preferably 5 mm or more, and from the viewpoint of reducing the stack volume as much as possible, the thickness is preferably 20 mm or less. A more preferable thickness in the plane direction is 5 mm or more and 10 mm or less.
加えて、本発明の実施形態の説明では、弾性部材の材料として、フッ素ゴムを例示したが、弾性部材の材料はこれに限定されるものではなく、燃料電池スタックの作動環境において弾性体として機能し得る材料であれば、他の材料を用いることも可能である。当該他の材料としては、シリコーンゴム等を例示することができる。 In addition, in the description of the embodiment of the present invention, fluororubber is exemplified as the material of the elastic member, but the material of the elastic member is not limited to this, and functions as an elastic body in the operating environment of the fuel cell stack. Other materials can be used as long as they can be used. Examples of the other material include silicone rubber.
さらに、上記説明では、電解質膜として、炭化水素系のアイオノマーを有する固体高分子膜を例示したが、本発明の燃料電池スタックに備えられる電解質膜は、これに限定されない。電解質膜の他の具体例としては、パーフルオロスルホン酸系のアイオノマーを有する固体高分子膜(例えば、Nafion等(「Nafion」は米国デュポン社の登録商標))を挙げることができる。 Furthermore, in the above description, a solid polymer film having a hydrocarbon ionomer is exemplified as the electrolyte film, but the electrolyte film provided in the fuel cell stack of the present invention is not limited to this. Other specific examples of the electrolyte membrane include a solid polymer membrane having a perfluorosulfonic acid ionomer (for example, Nafion et al. (“Nafion” is a registered trademark of DuPont, USA)).
さらに、上記説明では、第1定形部材及び第2定形部材と弾性部材とが一体に形成されていない形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。上記第1実施形態における第1定形部材と弾性部材、若しくは、上記第1実施形態における第2定形部材と弾性部材、又は、上記第2実施形態における第1定形部材と弾性部材、若しくは、上記第2実施形態における第2定形部材と弾性部材、又は、上記第3実施形態における第1定形部材と弾性部材、上記第3実施形態における空間確保部と弾性部材、若しくは、上記第3実施形態における第2定形部材と弾性部材が、一体に形成されていてもよい。かかる形態であっても、単セルに空間確保部及び弾性部材が備えられていれば、圧縮圧力が加えられた環境であっても弾性部材を弾性体として機能させることができるので、電解質膜の損傷を低減することが可能になる。 Furthermore, in the said description, although the form in which the 1st fixed member, the 2nd fixed member, and the elastic member were not formed integrally was illustrated, this invention is not limited to the said form. The first fixed member and elastic member in the first embodiment, or the second fixed member and elastic member in the first embodiment, or the first fixed member and elastic member in the second embodiment, or the first The second fixed member and elastic member in the second embodiment, or the first fixed member and elastic member in the third embodiment, the space securing portion and the elastic member in the third embodiment, or the second fixed member and elastic member in the third embodiment. 2 The fixed member and the elastic member may be integrally formed. Even in this form, if the space securing part and the elastic member are provided in the single cell, the elastic member can function as an elastic body even in an environment where compression pressure is applied. Damage can be reduced.
なお、これまで、単セルにアノード拡散層及びカソード拡散層が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池スタックに備えられる単セルは、当該形態に限定されない。図示の形態のほか、アノード拡散層及び/又はカソード拡散層が備えられない形態とすることも可能である。アノード拡散層が備えられない場合には、アノード触媒層へ水素が供給される形態とし、カソード拡散層が備えられない場合には、カソード触媒層へ酸素が供給される形態とすればよい。また、これまで、反応ガス流路が備えられる形態の第1セパレータ及び第2セパレータ(以下、まとめて単に「セパレータ」という。)が備えられる単セルを例示したが、本発明の燃料電池スタックに備えられるセパレータは、当該形態に限定されない。第1セパレータに反応ガス流路が備えられない場合には、例えば、焼結金属等により構成されるアノード拡散層(アノード拡散層が備えられない場合はアノード触媒層)へ水素が供給される形態とし、第2セパレータに反応ガス流路が備えられない場合には、例えば、焼結金属等により構成されるカソード拡散層(カソード拡散層が備えられない場合はカソード触媒層)へ酸素が供給される形態とすればよい。 In addition, although the form by which the anode diffusion layer and the cathode diffusion layer were provided in the single cell was illustrated so far, the single cell with which the fuel cell stack of this invention is provided is not limited to the said form. In addition to the illustrated form, it is possible to adopt a form in which the anode diffusion layer and / or the cathode diffusion layer are not provided. When the anode diffusion layer is not provided, hydrogen may be supplied to the anode catalyst layer, and when the cathode diffusion layer is not provided, oxygen may be supplied to the cathode catalyst layer. Further, heretofore, a single cell provided with a first separator and a second separator (hereinafter collectively referred to simply as “separator”) in a form provided with a reaction gas flow path has been exemplified. The separator provided is not limited to this form. When the reaction gas channel is not provided in the first separator, for example, hydrogen is supplied to an anode diffusion layer composed of a sintered metal or the like (or an anode catalyst layer when no anode diffusion layer is provided). In the case where the second separator is not provided with a reaction gas flow path, for example, oxygen is supplied to a cathode diffusion layer made of sintered metal or the like (or a cathode catalyst layer if no cathode diffusion layer is provided). The form may be used.
1 電解質膜
2 アノード
2a アノード触媒層(第1触媒層)
2b アノード拡散層
3 カソード
3a カソード触媒層(第2触媒層)
3b カソード拡散層
4 MEA
5 第1セパレータ
6 第2セパレータ
7、8 反応ガス流路
9 弾性部材
10、12、14 第1定形部材
11、13 第2定形部材
10x、11x、12x、15 空間確保部
16、17、18 構造体
20、30、40 単セル(積層体)
100 燃料電池スタック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2
2b Anode diffusion layer 3
3b
DESCRIPTION OF
100 Fuel cell stack
Claims (2)
前記第1定形部材と前記電解質膜との間、及び、前記第2定形部材と前記電解質膜との間に、弾性部材が備えられ、
前記弾性部材を充填する空間を確保する空間確保部が、前記第1定形部材、前記第2定形部材、及び/又は、前記第1定形部材と前記第2定形部材との間、に備えられており、
前記積層体の積層方向を法線方向とする面と平行な方向における、前記電解質膜の外縁部と前記空間確保部との間隔が5mm以上20mm以下であり、
乾燥している時の前記電解質膜の膜厚をTとするとき、前記空間確保部の前記積層方向の長さが2.5T以上200T以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。 An electrolyte membrane, a first catalyst layer provided at the center of one surface of the electrolyte membrane, a second catalyst layer provided at the center of the other surface of the electrolyte membrane, and an outer edge portion on the one side of the electrolyte membrane And a second shaped member disposed on the outer edge of the other side of the electrolyte membrane, and a first layer laminated on the one side of the structure. A separator having a first separator and a second separator stacked on the other side of the structure,
An elastic member is provided between the first shaped member and the electrolyte membrane, and between the second shaped member and the electrolyte membrane,
A space securing portion for securing a space for filling the elastic member is provided between the first shaped member, the second shaped member, and / or between the first shaped member and the second shaped member. And
Wherein the laminating direction of the laminate in a plane direction parallel to the normal direction state, and are spaced 5mm or 20mm or less between the outer edge and the space reserved portion of the electrolyte membrane,
When the thickness of the electrolyte membrane when dry is T, the length of the stacking direction of the space securing unit is characterized in der Rukoto than 200T less 2.5T, the fuel cell stack.
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