JP5675478B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットを備え、複数の前記燃料電池ユニットが積層される燃料電池に関する。 The present invention provides a fuel cell unit in which a rectangular electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane and a frame-shaped resin frame is provided on an outer peripheral portion, and a rectangular separator are laminated. And a fuel cell in which a plurality of the fuel cell units are stacked.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、通常、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池として使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. ing. This fuel cell is usually used as an in-vehicle fuel cell, for example, by being laminated in a predetermined number.
燃料電池では、通常、数十〜数百の燃料電池ユニットを積層して燃料電池を構成している。その際、燃料電池ユニット自体及び前記燃料電池ユニット同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子電解質膜型燃料電池が知られている。 In a fuel cell, normally, several tens to several hundreds of fuel cell units are stacked to constitute a fuel cell. At that time, it is necessary to accurately position the fuel cell unit itself and the fuel cell units. For example, a solid polymer electrolyte membrane fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known.
この燃料電池は、図14に示すように、電解質層1Aの両面に、燃料電極1Bと酸化剤電極1Cが配設される燃料電池セル1を、セパレータ2A、2Bにより挟持して構成される単電池3を備えている。セパレータ2A及び2Bには、保持ピン挿入側保持孔4a及び止め輪挿入側保持孔4bが形成されるとともに、電解質層1Aには、これらに同軸的に孔部5が形成されている。
As shown in FIG. 14, this fuel cell is configured by simply sandwiching a fuel cell 1 in which a
保持ピン6は、保持ピン挿入側保持孔4a、孔部5及び止め輪挿入側保持孔4bに向かって挿入されるとともに、先端部には、止め輪7が装着されることにより、単電池3が一体的に保持されている。保持ピン6の後端部には、複数の単電池3を積層する際に、隣り合う保持ピン6の先端部を挿入するためのピン先端挿入穴8が形成されている。
The
ところで、上記の単電池3では、セパレータ2A及び2Bに、それぞれ段付き形状の保持ピン挿入側保持孔4a及び止め輪挿入側保持孔4bが形成されるため、孔加工作業が相当に煩雑なものとなる。
By the way, in the
しかも、複数の単電池3を積層してスタック化する際、各保持ピン6の先端部を積層方向に隣接する他の保持ピン6のピン先端挿入穴8に挿入しなければならない。このため、積層方向に保持ピン6同士が干渉し合い、前記積層方向の寸法を短尺化させることができないという問題がある。
Moreover, when stacking a plurality of
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニットを確実に位置決め保持するとともに、燃料電池全体の積層方向の小型化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and with a simple and economical configuration, the fuel cell unit can be reliably positioned and held and the fuel cell can be reduced in size in the stacking direction. An object is to provide a battery.
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとを有し、第1の前記電解質膜・電極構造体、第1の前記セパレータ、第2の前記電解質膜・電極構造体、第2の前記セパレータ及び第3の前記セパレータの順に積層される燃料電池ユニットを備え、複数の前記燃料電池ユニットが積層される燃料電池に関するものである。 The present invention is provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte membrane has a rectangular membrane electrode assembly of frame-shaped resin frame is provided on the outer periphery, and a rectangular separator, first the An electrolyte membrane / electrode structure; a first separator; a second electrolyte membrane / electrode structure; a second separator; and a third separator. The present invention relates to a fuel cell in which battery units are stacked.
この燃料電池では、燃料電池ユニットは、第1の電解質膜・電極構造体に設けられた額縁状樹脂枠の互いに対向する2つの長辺に、それぞれ複数の締結部材が設けられ、前記締結部材により前記燃料電池ユニットが一体に保持されるとともに、前記締結部材は、前記額縁状樹脂枠と一体成形される樹脂製凸状部であり、前記樹脂製凸状部は、第1のセパレータの第1孔部、第2の電解質膜・電極構造体の前記額縁状樹脂枠の第2孔部、第2のセパレータの第3孔部及び第3のセパレータの第4孔部の順に一体に挿入されてかしめ処理され、互いに隣接する前記燃料電池ユニットは、一方の前記燃料電池ユニットに設けられる前記第1〜第4孔部と、他方の前記燃料電池ユニットに設けられる前記第1〜第4孔部とが、該燃料電池ユニットの積層方向に対して互いに重なり合わない位置にのみ形成されることにより、それぞれの前記締結部材が該燃料電池ユニットの積層方向に対して互いに重なり合わない位置に配置されている。 In this fuel cell, the fuel cell unit is provided with a plurality of fastening members on two long sides facing each other of the frame-shaped resin frame provided in the first electrolyte membrane / electrode structure, The fuel cell unit is integrally held, and the fastening member is a resin convex portion integrally formed with the frame-shaped resin frame, and the resin convex portion is the first separator of the first separator . The hole, the second hole of the frame-shaped resin frame of the second electrolyte membrane / electrode structure, the third hole of the second separator, and the fourth hole of the third separator are integrally inserted in this order. The fuel cell units that are caulked and adjacent to each other include the first to fourth holes provided in one of the fuel cell units, and the first to fourth holes provided in the other fuel cell unit. Is the product of the fuel cell unit The Rukoto formed only at a position not overlapping with each other with respect to the direction, each of the fastening member is disposed at a position not overlapping with each other in the stacking direction of the fuel cell unit.
本発明では、燃料電池ユニットが締結部材により一体に保持されるとともに、互いに隣接する前記燃料電池ユニットは、それぞれの前記締結部材が積層方向に互いに重なり合わない位置に配置されている。このため、締結部材は、積層方向に互いに干渉することがなく、燃料電池ユニット同士を積層させることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニットを確実に位置決め保持するとともに、燃料電池全体の積層方向の小型化を図ることが可能になる。 In the present invention, the fuel cell units are integrally held by the fastening members, and the fuel cell units adjacent to each other are arranged at positions where the respective fastening members do not overlap each other in the stacking direction. For this reason, the fastening members do not interfere with each other in the stacking direction, and the fuel cell units can be stacked. Accordingly, the fuel cell unit can be reliably positioned and held with a simple and economical configuration, and the entire fuel cell can be reduced in the stacking direction.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池10は、交互に積層される燃料電池ユニット12A、12Bを備えるとともに、前記燃料電池ユニット12A、12Bは、水平方向(矢印A方向)又は重力方向(矢印C方向)に積層されてスタック化される。
As shown in FIG. 1, the
図2に示すように、燃料電池ユニット12Aは、第1電解質膜・電極構造体(MEA)14a、第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体(MEA)14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20の順に積層される。第1電解質膜・電極構造体14a、第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、それぞれ長方形状を有しており、例えば、横長形状に配設される。
As shown in FIG. 2, the
第1セパレータ16、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第1セパレータ16、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。
The
第2セパレータ18の外周部と第3セパレータ20の外周部とは、溶接、接着、ロウ付け又はかしめ等の接合手段により接合され、内部である冷却媒体流路52(後述する)が気密に密閉される。なお、第1セパレータ16、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、金属セパレータに換えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。
The outer peripheral portion of the
第1電解質膜・電極構造体14a及び第2電解質膜・電極構造体14bは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード側電極24及びカソード側電極26とを備える(図3参照)。
The first electrolyte membrane /
アノード側電極24及びカソード側電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。
The
固体高分子電解質膜22は、アノード側電極24及びカソード側電極26よりも大きな表面積に設定される。この固体高分子電解質膜22の外周端縁部には、樹脂製の額縁部(額縁状樹脂枠)28が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
The solid
図2に示すように、額縁部28の矢印B方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34b及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔32bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 2, an oxidant gas inlet communication hole for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge of the
額縁部28の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔32a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34a及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
第1セパレータ16、第2セパレータ18及び第3セパレータ20の外周部は、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔34a、燃料ガス出口連通孔32b、燃料ガス入口連通孔32a、冷却媒体出口連通孔34b及び酸化剤ガス出口連通孔30bの内側に配置される。
The outer peripheries of the
図2及び図4に示すように、第3セパレータ20の第1電解質膜・電極構造体14aに対向する面20aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第1酸化剤ガス流路36が形成される。第1酸化剤ガス流路36は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第1酸化剤ガス流路36の入口及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部38及び出口バッファ部40が設けられる。
As shown in FIGS. 2 and 4, an oxidant gas
第3セパレータ20の矢印B方向両端には、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bに対応して突出する突起部42a、42bが設けられる。突起部42aには、酸化剤ガス入口連通孔30aを第1酸化剤ガス流路36に連通する入口流路44aが波状に形成される一方、突起部42bには、酸化剤ガス出口連通孔30bを前記第1酸化剤ガス流路36に連通する出口流路44bが波状に形成される。
At both ends of the
第3セパレータ20の矢印C方向両端部には、矢印B方向に長尺形状を有して外方(矢印C方向)に突出する突出部46a、46bが形成される。突出部46aには、矢印B方向に沿って複数の孔部48aと複数のリビルトピン挿入用孔部50aとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
At both ends of the
なお、2つの孔部48aと1つのリビルトピン挿入用孔部50aとを交互に配列してもよい。以下に説明する各孔部も、同様である。突出部46bには、同様に、矢印B方向に沿って複数の孔部48bと複数のリビルトピン挿入用孔部50bとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
Two
第3セパレータ20の面20bには、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路52が形成される。この冷却媒体流路52は、第1酸化剤ガス流路36の裏面形状である。
A cooling
図5に示すように、第1セパレータ16の第1電解質膜・電極構造体14aに対向する面16aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第1燃料ガス流路54が形成される。第1燃料ガス流路54は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第1燃料ガス流路54の入口及び出口近傍には、入口バッファ部56及び出口バッファ部58が設けられる。
As shown in FIG. 5, the first fuel gas that communicates the fuel gas
第1セパレータ16の矢印B方向両端には、燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔32bに対応して突出する突起部58a、58bと、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bに対応して突出する突起部60a、60bとが設けられる。面16aにおいて、突起部58aには、燃料ガス入口連通孔32aを第1燃料ガス流路54に連通する入口流路62aが波状に形成される一方、突起部58bには、燃料ガス出口連通孔32bを前記第1燃料ガス流路54に連通する出口流路62bが波状に形成される。
At both ends of the
図2に示すように、第1セパレータ16の第1電解質膜・電極構造体14bに対向する面16bには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第2酸化剤ガス流路64が形成される。第2酸化剤ガス流路64は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第2酸化剤ガス流路64の入口及び出口近傍には、入口バッファ部66及び出口バッファ部68が設けられる。
As shown in FIG. 2, the
面16bにおいて、突起部60aには、酸化剤ガス入口連通孔30aを第2酸化剤ガス流路64に連通する入口流路70aに波状に形成される一方、突起部60bには、酸化剤ガス出口連通孔30bを前記第2酸化剤ガス流路64に連通する出口流路70bが波状に形成される。
On the
第1セパレータ16の矢印C方向両端部には、矢印B方向に長尺形状を有して外方(矢印C方向)に突出する外方に突出する突出部72a、72bが形成される。図5に示すように、突出部72aには、矢印B方向に沿って複数の孔部74aと複数のリビルトピン挿入用孔部76aとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。突出部72bには、同様に、矢印B方向に沿って複数の孔部74bと複数のリビルトピン挿入用孔部76bとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
At both ends in the arrow C direction of the
図6に示すように、第2セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体14bに対向する面18aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第2燃料ガス流路78が形成される。第2燃料ガス流路78は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第2燃料ガス流路78の入口及び出口近傍には、入口バッファ部80及び出口バッファ部82が設けられる。
As shown in FIG. 6, the second fuel gas that communicates the fuel gas
第2セパレータ18の矢印B方向両端には、燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔32bに対応して突出する突起部84a、84bと、冷却媒体入口連通孔34a及び冷却媒体出口連通孔34bに対応して突出する突起部86a、86bとが設けられる。
At both ends of the
面18aにおいて、突起部84aには、燃料ガス入口連通孔32aを第2燃料ガス流路78に連通する入口流路88aが波状に形成される一方、突起部84bには、燃料ガス出口連通孔32bを前記第2燃料ガス流路78に連通する出口流路88bが波状に形成される。
On the
図2に示すように、面18bにおいて、突起部86aには、冷却媒体入口連通孔34aを冷却媒体流路52に連通する入口流路90aが波状に形成される一方、突起部86bには、冷却媒体出口連通孔34bを前記冷却媒体流路52に連通する出口流路90bが波状に形成される。
As shown in FIG. 2, on the
面18bは、面18a側の第2燃料ガス流路78の裏面形状である。この面18bと第3セパレータ20の面20bとが重なり合うことにより、冷却媒体流路52が形成される。冷却媒体流路52の入口及び出口近傍には、入口バッファ部92及び出口バッファ部94が設けられる。
The
図2及び図6に示すように、第2セパレータ18の矢印C方向両端には、矢印B方向に長尺形状を有して外方(矢印C方向)に突出する突出部96a、96bが形成される。突出部96aには、矢印B方向に沿って複数の孔部98aと複数のリビルトピン挿入用孔部100aとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。突出部96bには、同様に、矢印B方向に沿って複数の孔部98bと複数のリビルトピン挿入用孔部100bとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
As shown in FIGS. 2 and 6,
第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28には、第1シール部材102が一体成形される。第1シール部材102としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。なお、以下に説明する第2シール部材114は、同様の材料が使用される。
A
この第1シール部材102は、図3に示すように、第3セパレータ20側の面に、前記第3セパレータ20の外周縁部を周回して摺接する第1シール部102aを有する。
As shown in FIG. 3, the
図3及び図7に示すように、第1シール部材102の第1セパレータ16側の面には、前記第1セパレータ16の外周部縁部を周回して摺接する第2シール部102bと、前記第1セパレータ16の外周部外方に位置し、隣接する第2電解質膜・電極構造体14bの額縁部28に摺接する第3シール部102cとが設けられる。
As shown in FIGS. 3 and 7, the surface of the
図7に示すように、第3シール部102cは、第1電解質膜・電極構造体14aの矢印C方向両端側で、矢印B方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第3シール部102cの迂回部と第2シール部102bとの間には、締結部材である複数の樹脂ピン部(樹脂製凸状部)104aと複数のリビルトピン挿入用孔部106aとが、例えば、1つずつ交互に設けられる。下方の第3シール部102cの迂回部と第2シール部102bとの間には、締結部材である複数の樹脂ピン部(樹脂製凸状部)104bと複数のリビルトピン挿入用孔部106bとが、例えば、1つずつ交互に設けられる。
As shown in FIG. 7, the
第1電解質膜・電極構造体14aの長辺側にのみ樹脂ピン部104a、104bを設けることにより、前記樹脂ピン部104a、104bの数を多く設定することができるとともに、短辺側に酸化剤ガス入口連通孔30a、酸化剤ガス出口連通孔30b、燃料ガス入口連通孔32a、燃料ガス出口連通孔32b、冷却媒体入口連通孔34a及び冷却媒体出口連通孔34bを配置するためのスペースを確保することが可能になる。
By providing the
樹脂ピン部104a、104bは、第3シール部102cの迂回部と第2シール部102bとの間に位置して、すなわち、二重シール(リビルトピン挿入用孔部106a、106bの周囲をシールすることができるシール)の間に位置して設けられる。樹脂ピン部104a、104bは、額縁部28と一体成形されるとともに、第2電解質膜・電極構造体14b側に突出する(図2参照)。
The
第1電解膜・電極構造体14aの各長辺の両側には、樹脂製ガイド部材108aが額縁部28と一体成形される。なお、樹脂製ガイド部材108aは、額縁部28と別体に成形した後、一体に接合してもよい。樹脂製ガイド部材108aの外周端部110aには、前記外周端部110aから内方に離間する凹状の逃げ部112が形成される。
図3及び図8に示すように、第2電解質膜・電極構造体14bの額縁部28には、第2シール部材114が一体成形される。この第2シール部材114は、第2セパレータ18側の面に、前記第2セパレータ18の外周縁部を周回して周接する第1シール部114aと、前記第2セパレータ18の外周部外方に位置し、隣接する第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28に周接する第2シール部114bとを有する。
As shown in FIGS. 3 and 8, the
図8に示すように、第2シール部114bは、第2電解質膜・電極構造体14bの矢印C方向両端側で、矢印B方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第2シール部114bの迂回部と第1シール部114aとの間には、複数の孔部116aと複数のリビルトピン挿入用孔部118aとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。下方の第2シール部114bの迂回部と第1シール部114aとの間には、複数の孔部116bと複数のリビルトピン挿入用孔部118bとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
As shown in FIG. 8, the
第1セパレータ16の孔部74a、第2電解質膜・電極構造体14bの孔部116a、第2セパレータ18の孔部98a及び第3セパレータ20の孔部48aは、同一直径で且つ同一個数に設定される。第1セパレータ16の孔部74b、第2電解質膜・電極構造体14bの孔部116b、第2セパレータ18の孔部98b及び第3セパレータ20の孔部48bは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
The
第1電解質膜・電極構造体14aのリビルトピン挿入用孔部106a、第1セパレータ16のリビルトピン挿入用孔部76a、第2電解質膜・電極構造体14bのリビルトピン挿入用孔部118a、第2セパレータ18のリビルトピン挿入用孔部100a及び第3セパレータ20のリビルトピン挿入用孔部50aは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
Rebuild
第1電解質膜・電極構造体14aのリビルトピン挿入用孔部106b、第1セパレータ16のリビルトピン挿入用孔部76b、第2電解質膜・電極構造体14bのリビルトピン挿入用孔部118b、第2セパレータ18のリビルトピン挿入用孔部100b及び第3セパレータ20のリビルトピン挿入用孔部50bは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
Rebuild
図8に示すように、第2電解質膜・電極構造体14bの額縁部28には、樹脂製ガイド部材108bが一体成形される。樹脂製ガイド部材108bは、外周端部110bを設けるとともに、この外周端部110bは、第1電解質膜・電極構造体14aの樹脂製ガイド部材108aに設けられた逃げ部112から外方に露呈している。
As shown in FIG. 8, a
図9に示すように、第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28に設けられている複数の樹脂ピン部104aは、第1セパレータ16の孔部74a、第2電解質膜・電極構造体14bの孔部116a、第2セパレータ18の孔部98a及び第3セパレータ20の孔部48aに一体に挿入される。
As shown in FIG. 9, the plurality of
樹脂ピン部104aの先端は、溶着ダイを構成する溶着チップ120により成形される。この溶着チップ120は、所定温度に加熱される成形面120aを有するとともに、前記成形面120aには、略円錐状に突出するかしめ機能部122が形成される。
The tip of the
溶着チップ120は、所定温度に加熱された状態で、樹脂ピン部104aの先端に押圧される。このため、溶着チップ120の成形面120aを介して所定の形状、例えば、大径な頭部124が形成されるとともに、かしめ機能部122を介してかしめ凹部126が形成される。
The
従って、樹脂ピン部104aは、軸方向に押し潰されるように変形し、すなわち、径方向外方に膨出し、各孔部74a、116a、98a及び48aの内周面に隙間なく一体に嵌合している。なお、樹脂ピン部104bは、上記の樹脂ピン部104aと同様である。
Accordingly, the
第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28と樹脂ピン部104a、104bの頭部124との間で、保持されている。
The
燃料電池ユニット12Bは、上記の燃料電池ユニット12Aと略同一に構成されるとともに、図10に示すように、締結部材である樹脂ピン部104aの位置が異なっている。その際、積層方向一方の樹脂ピン部104aの底部125と、積層方向他方の樹脂ピン部104aの頭部124とは、互いに重なり合うため、千鳥状に配置される。
The
なお、上記の構成に代えて、図11に示すように、第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28に、樹脂ピン部104aの頭部124を収容するための凹部127を形成してもよい。
Instead of the above configuration, as shown in FIG. 11, a
図4に示すように、燃料電池ユニット12Bを構成する第3セパレータ20では、孔部48aとリビルトピン挿入用孔部50aとは、燃料電池ユニット12Aを構成する第3セパレータ20の前記孔部48aと前記リビルトピン挿入用孔部50aの間に配置される。すなわち、積層方向に対して互いに重なり合わない位置に配置される。燃料電池ユニット12Bの孔部48bとリビルトピン挿入用孔部50bは、同様に、燃料電池ユニット12Aの前記孔部48bと前記リビルトピン挿入用孔部50bの間に配置される。
As shown in FIG. 4, in the
図5に示すように、燃料電池ユニット12Bを構成する第1セパレータ16では、孔部74aとリビルトピン挿入用孔部76aとは、燃料電池ユニット12Aを構成する第1セパレータ16の前記孔部74aと前記リビルトピン挿入用孔部76aの間に配置される。燃料電池ユニット12Bの孔部74bとリビルトピン挿入用孔部76bは、同様に、燃料電池ユニット12Aの前記孔部74bと前記リビルトピン挿入用孔部76bの間に配置される。
As shown in FIG. 5, in the
図6に示すように、燃料電池ユニット12Bを構成する第2セパレータ18では、孔部98aとリビルトピン挿入用孔部100aとは、燃料電池ユニット12Aを構成する第2セパレータ18の前記孔部98aと前記リビルトピン挿入用孔部100aの間に配置される。燃料電池ユニット12Bの孔部98bとリビルトピン挿入用孔部100bは、同様に、燃料電池ユニット12Aの前記孔部98bと前記リビルトピン挿入用孔部100bの間に配置される。
As shown in FIG. 6, in the
図7に示すように、燃料電池ユニット12Bを構成する第1電解質膜・電極構造体14aでは、樹脂ピン部104aとリビルトピン挿入用孔部106aとは、燃料電池ユニット12Aを構成する第1電解質膜・電極構造体14aの前記樹脂ピン部104aと前記リビルトピン挿入用孔部106aの間に配置される。燃料電池ユニット12Bの樹脂ピン部104bとリビルトピン挿入用孔部106bは、同様に、燃料電池ユニット12Aの前記樹脂ピン部104aと前記リビルトピン挿入用孔部106bの間に配置される。
As shown in FIG. 7, in the first electrolyte membrane /
図8に示すように、燃料電池ユニット12Bを構成する第2電解質膜・電極構造体14bでは、孔部116aとリビルトピン挿入用孔部118aとは、燃料電池ユニット12Aを構成する第2電解質膜・電極構造体14bの前記孔部116aと前記リビルトピン挿入用孔部118aの間に配置される。燃料電池ユニット12Bの孔部116bとリビルトピン挿入用孔部118bは、同様に、燃料電池ユニット12Aの前記孔部116bと前記リビルトピン挿入用孔部118bの間に配置される。
As shown in FIG. 8, in the second electrolyte membrane /
このように構成される燃料電池10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1及び図2に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aに供給された酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、第3セパレータ20の突起部42aに形成されている入口流路44aを介して第1酸化剤ガス流路36に供給される。同様に、酸化剤ガスは、第1セパレータ16の突起部60aに形成されている入口流路70aを介して第2酸化剤ガス流路64に供給される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the oxidant gas such as the oxygen-containing gas supplied to the oxidant gas
第1酸化剤ガス流路36を流通した酸化剤ガスは、第3セパレータ20の突起部42bに形成されている出口流路44bから酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。同様に、第2酸化剤ガス流路64を流通した酸化剤ガスは、第1セパレータ16の突起部60bに形成されている出口流路70bから酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
The oxidant gas that has flowed through the first oxidant
一方、燃料ガス入口連通孔32aに供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、第1セパレータ16の突起部58aに形成されている入口流路62aから第1燃料ガス流路54に供給される。同様に、燃料ガスは、第2セパレータ18の突起部84aに形成されている入口流路88aから第2燃料ガス流路78に供給される。
On the other hand, the fuel gas such as the hydrogen-containing gas supplied to the fuel gas
第1燃料ガス流路54を流通した燃料ガスは、第1セパレータ16の突起部58bに形成されている出口流路62bから燃料ガス出口連通孔32bに排出される。同様に、第2燃料ガス流路78を流通した燃料ガスは、第2セパレータ18の突起部84bに形成されている出口流路88bから燃料ガス出口連通孔32bに排出される。
The fuel gas flowing through the first
また、冷却媒体入口連通孔34aに供給された純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、第2セパレータ18の突起部86aに形成されている入口流路90aから冷却媒体流路52に供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路52を流通した後、突起部86bに形成されている出口流路90bから冷却媒体出口連通孔34bに排出される。
In addition, the cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil supplied to the cooling medium
この場合、第1の実施形態では、第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28には、矢印B方向に配列して複数の樹脂ピン部104a、104bが一体成形されている。各樹脂ピン部104a、104bは、他の構成部材である第1セパレータ16の孔部74a、74b、第2電解質膜・電極構造体14bの孔部116a、116b、第2セパレータ18の孔部98a、98b及び第3セパレータ20の孔部48a、48bにそれぞれ一体的に挿入された後、溶着処理により大径な頭部124及びかしめ凹部126が形成されている。
In this case, in the first embodiment, a plurality of
従って、燃料電池ユニット12A、12Bは、それぞれ締結部材である各樹脂ピン部104a、104bと各孔部74a、74b、116a、116b、98a、98b及び48a、48bとを介して一体に保持されている。その際、互いに隣接する燃料電池ユニット12Aと燃料電池ユニット12Bとは、それぞれの樹脂ピン部104a、104bが積層方向に互いに重なり合わない位置に配置されている(図10参照)。
Accordingly, the
これにより、各樹脂ピン部104a、104bは、積層方向に互いに干渉することがなく、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニット12A、12Bを確実に位置決め保持するとともに、燃料電池10全体の積層方向の小型化を図ることが可能になるという効果が得られる。
Accordingly, the
次に、組み立て後の燃料電池10が、故障等による部品交換や解析等のために分解される際には、先ず、各樹脂ピン部104a、104bが破断されて各燃料電池ユニット12A、12Bが互いに分離される。一方、個別に構成されているリビルトピン129a、129bが用意される。
Next, when the assembled
そして、図12に示すように、リビルトピン129a、129bは、第1電解質膜・電極構造体14a、第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20の各リビルトピン挿入用孔部106a、106b、76a、76b、118a、118b、100a、100b及び50a、50bに一体に挿入されて溶着処理される。これにより、燃料電池ユニット12A、12Bが再度組み立てられる。
As shown in FIG. 12, the rebuilt pins 129 a and 129 b include the first electrolyte membrane /
その際、燃料電池ユニット12Aと燃料電池ユニット12Bとは、各各リビルトピン挿入用孔部106a、106b、76a、76b、118a、118b、100a、100b及び50a、50bが積層方向に互いに重なり合わない位置に配置されている。従って、リビルトピン同士が積層方向に互いに干渉することがなく、燃料電池10全体の積層方向の小型化を図ることが可能になる。
At that time, the
図13は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池130の要部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 13 is an explanatory cross-sectional view of a main part of a
燃料電池130は、交互に積層される燃料電池ユニット132A、132Bを備える。燃料電池ユニット132A、132Bを構成する第1電解質膜・電極構造体14aには、それぞれ第1の実施形態の樹脂ピン部104aの位置に孔部(好ましくは、段付き孔部)134が形成される。なお、図示しないが、第1の実施形態の樹脂ピン部104b側も、同様に構成される。
The
第1電解質膜・電極構造体14aの孔部134、第1セパレータ16の孔部74a、第2電解質膜・電極構造体14bの孔部116a、第2セパレータ18の孔部98a及び第3セパレータ20の孔部48aには、樹脂製クリップ136が一体に挿入される。
樹脂製クリップ136は、頭部136aに割り(スリット)138が形成される。割り138は、径方向に延在する1本のスリットの他、等角度間隔ずつ分割される複数本のスリットにより構成することができる。樹脂製クリップ136の底部136bは、第1電解質膜・電極構造体14aの孔部134に隙間Sを有して配置される。なお、樹脂製クリップ136は、割り138の用いずに、頭部を溶着してもよい。
The
その際、燃料電池ユニット132Aの樹脂製クリップ136と、燃料電池ユニット132Bの樹脂製クリップ136とは、積層方向に互いに重なり合わない位置に配置されている(図13参照)。これにより、第2の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニット132A、132Bを確実に位置決め保持するとともに、燃料電池130全体の積層方向の小型化を図ることが可能になるという効果が得られる。
At that time, the
なお、第1及び第2の実施形態では、燃料電池ユニットは、2枚のMEAと3枚のセパレータとにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、1枚のMEAと2枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニットや、3枚のMEAと4枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニット等を使用してもよい。 In the first and second embodiments, the fuel cell unit is composed of two MEAs and three separators, but is not limited to this. For example, a fuel cell unit composed of one MEA and two separators, a fuel cell unit composed of three MEAs and four separators, or the like may be used.
10、130…燃料電池
12A、12B、132A、132B…燃料電池ユニット
14a、14b…電解質膜・電極構造体 16、18、20…セパレータ
22…固体高分子電解質膜 24…アノード側電極
26…カソード側電極 28…額縁部
30a…酸化剤ガス入口連通孔 30b…酸化剤ガス出口連通孔
32a…燃料ガス入口連通孔 32b…燃料ガス出口連通孔
34a…冷却媒体入口連通孔 34b…冷却媒体出口連通孔
36、64…酸化剤ガス流路
46a、46b、72a、72b、96a、96b…突出部
48a、48b、50a、50b、74a、74b、76a、76b、98a、98b、100a、100b、106a、106b、116a、116b、118a、118b、134…孔部
52…冷却媒体流路
54、78…燃料ガス流路 102、114…シール部材
104a、104b…樹脂ピン部 136…樹脂製クリップ
DESCRIPTION OF
54, 78 ... Fuel
Claims (1)
前記燃料電池ユニットは、第1の前記電解質膜・電極構造体に設けられた前記額縁状樹脂枠の互いに対向する2つの長辺に、それぞれ複数の締結部材が設けられ、前記締結部材により該燃料電池ユニットが一体に保持されるとともに、
前記締結部材は、前記額縁状樹脂枠と一体成形される樹脂製凸状部であり、
前記樹脂製凸状部は、第1の前記セパレータの第1孔部、第2の前記電解質膜・電極構造体の前記額縁状樹脂枠の第2孔部、第2の前記セパレータの第3孔部及び第3の前記セパレータの第4孔部の順に一体に挿入されてかしめ処理され、
互いに隣接する前記燃料電池ユニットは、一方の前記燃料電池ユニットに設けられる前記第1〜第4孔部と、他方の前記燃料電池ユニットに設けられる前記第1〜第4孔部とが、該燃料電池ユニットの積層方向に対して互いに重なり合わない位置にのみ形成されることにより、それぞれの前記締結部材が該燃料電池ユニットの積層方向に対して互いに重なり合わない位置に配置されることを特徴とする燃料電池。 A first electrolyte membrane / electrode having a rectangular electrolyte membrane / electrode structure provided with a pair of electrodes on both sides of the electrolyte membrane and having a frame-shaped resin frame on the outer periphery, and a rectangular separator A fuel cell unit that is laminated in the order of a structure, the first separator, the second electrolyte membrane / electrode structure, the second separator, and the third separator, and a plurality of the fuel cell units are laminated; A fuel cell,
In the fuel cell unit, a plurality of fastening members are provided on two opposite long sides of the frame-shaped resin frame provided in the first electrolyte membrane / electrode structure, respectively, While the battery unit is held together,
The fastening member is a resin convex portion integrally formed with the frame-shaped resin frame,
The resin convex portion includes a first hole portion of the first separator, a second hole portion of the frame-shaped resin frame of the second electrolyte membrane / electrode structure, and a third hole of the second separator . Part and the fourth hole of the third separator are sequentially inserted and caulked.
Together the fuel cell units adjacent, said first through fourth hole portion provided in one of the fuel cell unit, and the first to fourth holes provided on the other of the fuel cell unit, fuel By forming the fastening members only at positions that do not overlap each other in the stacking direction of the battery units , the respective fastening members are arranged at positions that do not overlap each other in the stacking direction of the fuel cell units. Fuel cell.
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