JP6132819B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備える2重シール構造の燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell having a double seal structure including an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane, and a pair of separators that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure.

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層(電極触媒層)とガス拡散層(多孔質カーボン)とからなるアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、一対のセパレータ(バイポーラ板)間に挟持されることにより、燃料電池を構成している。この燃料電池は、所定の数だけ積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。   In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell has an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each comprising a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively. (MEA). The electrolyte membrane / electrode structure constitutes a fuel cell by being sandwiched between a pair of separators (bipolar plates). A predetermined number of the fuel cells are stacked and mounted on a fuel cell electric vehicle as an in-vehicle fuel cell stack, for example.

燃料電池では、ガス漏れ等を防止するために、燃料ガス及び酸化剤ガスを気密に保持するとともに、冷却機能を維持するために、冷却媒体を液密に保持する必要がある。このため、種々のシール部材が採用されている。その際、セパレータとして、例えば、薄板状の金属セパレータが使用される場合がある。従って、金属セパレータに締め付け荷重が付与されると、シール荷重によって前記金属セパレータが変形し易くなるという問題がある。   In the fuel cell, in order to prevent gas leakage and the like, it is necessary to keep the fuel gas and the oxidant gas hermetically, and to keep the cooling medium liquid-tight in order to maintain the cooling function. For this reason, various seal members are employed. At that time, for example, a thin metal separator may be used as the separator. Therefore, when a tightening load is applied to the metal separator, there is a problem that the metal separator is easily deformed by a seal load.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池では、積層体は、反応ガスの漏洩を防止するためのシール部材を一体的に備えるとともに、前記シール部材は、対向するセパレータにそれぞれ当接する第1のシール部及び第2のシール部を備えている。そして、第1のシール部及び第2のシール部は、積層方向から見て、所定の距離だけ離れた位置に形成されている。   Thus, for example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this fuel cell, the laminated body is integrally provided with a seal member for preventing leakage of the reaction gas, and the seal member is in contact with the opposing separator, respectively, and the first seal portion and the second seal portion. It has. The first seal portion and the second seal portion are formed at positions separated by a predetermined distance when viewed from the stacking direction.

このため、燃料電池スタックの積層方向に締結荷重が付与された際、第1のシール部に加わる締結荷重が第2のシール部に、第2のシール部に加わる締結荷重が第1のシール部に、直接的に加わらないようにすることができる。従って、燃料電池スタックの積層方向に締結荷重が加えられたとき、第1のシール部及び第2のシール部が、荷重方向に対して斜めに変形してしまうことを抑制することができる、としている。   For this reason, when a fastening load is applied in the stacking direction of the fuel cell stack, the fastening load applied to the first seal portion is applied to the second seal portion, and the fastening load applied to the second seal portion is applied to the first seal portion. In addition, it is possible not to participate directly. Therefore, when a fastening load is applied in the stacking direction of the fuel cell stack, it is possible to suppress the first seal portion and the second seal portion from being obliquely deformed with respect to the load direction. Yes.

特開2007−207707号公報JP 2007-207707 A

ところで、セパレータでは、一方の面側に設けられる反応ガス流路に供給される反応ガスの供給圧と、他方の面側に設けられる冷却媒体流路(又は他の反応ガス流路)に供給される冷却媒体(又は他の反応ガス)の供給圧とが異なる場合がある。このため、上記の特許文献1では、第1のシール部と第2のシール部とが、積層方向から見て比較的大きく離れた位置に形成されていると、セパレータ両面の供給圧の差圧によりセパレータが変形するという問題がある。   By the way, in the separator, the supply pressure of the reaction gas supplied to the reaction gas flow path provided on one surface side and the cooling medium flow path (or other reaction gas flow path) provided on the other surface side are supplied. The supply pressure of the cooling medium (or other reaction gas) may be different. For this reason, in Patent Document 1 described above, if the first seal portion and the second seal portion are formed at positions relatively far apart when viewed from the stacking direction, the pressure difference between the supply pressures on both sides of the separator This causes a problem that the separator is deformed.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、内側シール部材と外側シール部材とが設けられた2重シール構造のセパレータの変形を可及的に抑制す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 configuration, it is possible to suppress as much as possible the deformation of the separator having a double seal structure in which the inner seal member and the outer seal member are provided. An object of the present invention is to provide a simple fuel cell.

本発明に係る燃料電池では、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体が一対のセパレータ間に挟持されている。燃料電池は、挟持方向(積層方向)から見て、発電領域を周回して設けられる内側シール部材と、前記内側シール部材の外方を周回して設けられる外側シール部材とを有する2重シール構造を採用している。   The fuel cell according to the present invention has an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are provided on both sides of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between a pair of separators. The fuel cell has a double seal structure having an inner seal member that is provided around the power generation region and an outer seal member that is provided around the outside of the inner seal member when viewed from the clamping direction (stacking direction). Is adopted.

そして、内側シール部材と外側シール部材との間には、少なくとも前記内側シール部材又は前記外側シール部材の一方に一体成形され、且つ、前記一方よりも高さ寸法が低い中間支持部材が設けられている。前記セパレータの前記中間支持部材が設けられた側とは反対側の面において、前記中間支持部材に対応する位置には、弾性凸状部が存在しない。前記中間支持部材は、前記内側シール部材と前記外側シール部材との間の中央部に設けられるとともに、弾性変形することなく前記セパレータに当接する。 An intermediate support member that is integrally formed with at least one of the inner seal member or the outer seal member and that is lower in height than the one is provided between the inner seal member and the outer seal member. Yes. On the surface of the separator opposite to the side on which the intermediate support member is provided, there is no elastic convex portion at a position corresponding to the intermediate support member. The intermediate support member is provided at a central portion between the inner seal member and the outer seal member, and abuts on the separator without elastic deformation.

また、この燃料電池では、互いに隣接するセパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されることが好ましい。その際、中間支持部材は、冷却媒体流路側に設けられる内側シール部材と外側シール部材との間に形成されることが好ましい。   Moreover, in this fuel cell, it is preferable that a cooling medium flow path for allowing the cooling medium to flow along the separator surface is formed between adjacent separators. At this time, the intermediate support member is preferably formed between an inner seal member and an outer seal member provided on the cooling medium flow path side.

さらに、この燃料電池では、セパレータ間の電解質膜・電極構造体に対向する面には、セパレータ面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成されることが好ましい。その際、中間支持部材は、反応ガス流路側に設けられる内側シール部材と外側シール部材との間に形成されることが好ましい。   Furthermore, in this fuel cell, it is preferable that a reaction gas flow path for allowing a reaction gas to flow along the separator surface is formed on the surface facing the electrolyte membrane / electrode structure between the separators. At this time, the intermediate support member is preferably formed between an inner seal member and an outer seal member provided on the reaction gas flow path side.

本発明によれば、2重シール構造のセパレータにおいて、内側シール部材と外側シール部材との間に、中間支持部材が設けられている。このため、内側シール部材と外側シール部材との間隔が、比較的大きく設定される部位に対応し、すなわち、セパレータ両面の差圧によりセパレータが変形し易い部位に対応し、中間支持部材を設けることができる。   According to the present invention, in the separator having the double seal structure, the intermediate support member is provided between the inner seal member and the outer seal member. For this reason, an intermediate support member is provided corresponding to a portion where the distance between the inner seal member and the outer seal member is set to be relatively large, that is, a portion where the separator is likely to be deformed due to the differential pressure on both sides of the separator. Can do.

これにより、簡単な構成で、内側シール部材と外側シール部材とが設けられた2重シール構造のセパレータの変形を可及的に抑制することが可能になる。   Thereby, it becomes possible to suppress as much as possible the deformation of the separator having the double seal structure in which the inner seal member and the outer seal member are provided with a simple configuration.

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory view of the fuel cell concerning the embodiment of the present invention. 前記燃料電池の、図1中、II−II線断面説明図である。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell taken along line II-II in FIG. 1. 前記燃料電池を構成する第2セパレータの一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the 2nd separator which comprises the said fuel cell. 前記燃料電池を構成する第1セパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the 1st separator which comprises the said fuel cell. 前記第2セパレータの他方の面の説明図である。It is explanatory drawing of the other surface of the said 2nd separator. 前記第1セパレータの、図1中、VI−VI線断面図である。It is the VI-VI sectional view taken on the line of the said 1st separator in FIG. 前記第2セパレータの、図1中、VII−VII線断面図である。It is the VII-VII sectional view taken on the line of the said 2nd separator in FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池10は、立位姿勢で、矢印A方向(例えば、水平方向)に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the fuel cell 10 according to the embodiment of the present invention is stacked in a standing position and in the direction of arrow A (for example, the horizontal direction), for example, a fuel cell for vehicle Used as a stack.

燃料電池10は、電解質膜・電極構造体12と、前記電解質膜・電極構造体12を挟持する第1セパレータ14及び第2セパレータ16とを備える。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等で構成されるが、カーボン部材等により構成してもよい。   The fuel cell 10 includes an electrolyte membrane / electrode structure 12, and a first separator 14 and a second separator 16 that sandwich the electrolyte membrane / electrode structure 12. The first separator 14 and the second separator 16 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or the like, but may be made of a carbon member or the like.

図2に示すように、電解質膜・電極構造体12は、MEA構成部12aを備える。MEA構成部12a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18と、前記固体高分子電解質膜18を挟持するカソード電極20及びアノード電極22とを備える。固体高分子電解質膜18は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質が使用される。   As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane / electrode structure 12 includes an MEA component 12a. The MEA component 12 a includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 18 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and a cathode electrode 20 and an anode electrode 22 that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 18. The solid polymer electrolyte membrane 18 uses an HC (hydrocarbon) electrolyte in addition to a fluorine electrolyte.

アノード電極22は、カソード電極20よりも小さな平面寸法を有する。なお、カソード電極20は、アノード電極22よりも小さな平面寸法を有していてもよく、また、前記カソード電極20と前記アノード電極22とは、同一の平面寸法を有してもよい。   The anode electrode 22 has a smaller planar dimension than the cathode electrode 20. The cathode electrode 20 may have a smaller planar dimension than the anode electrode 22, and the cathode electrode 20 and the anode electrode 22 may have the same planar dimension.

カソード電極20は、固体高分子電解質膜18の一方の面18aに配置される第1電極触媒層20aと、前記第1電極触媒層20aに積層される第1ガス拡散層20bとを設ける。第1電極触媒層20aの平面寸法と第1ガス拡散層20bの平面寸法とは、同一の寸法を有する。なお、第1電極触媒層20aは、第1ガス拡散層20bよりも小さな平面寸法であってもよい。   The cathode electrode 20 includes a first electrode catalyst layer 20a disposed on one surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18, and a first gas diffusion layer 20b stacked on the first electrode catalyst layer 20a. The planar dimension of the first electrode catalyst layer 20a and the planar dimension of the first gas diffusion layer 20b have the same dimension. The first electrode catalyst layer 20a may have a smaller planar dimension than the first gas diffusion layer 20b.

アノード電極22は、固体高分子電解質膜18の面18bに接合され、且つ前記固体高分子電解質膜18の外周縁部18beを額縁状に露呈させる第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bとを有する。第2電極触媒層22aと第2ガス拡散層22bとは、同一の平面寸法に設定される。なお、第2電極触媒層22aは、第2ガス拡散層22bよりも小さな平面寸法でもよく、又は、大きな平面寸法でもよい。   The anode electrode 22 is bonded to the surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18, and the second electrode catalyst layer 22a and the second gas diffusion layer 22b that expose the outer peripheral edge portion 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 in a frame shape. And have. The second electrode catalyst layer 22a and the second gas diffusion layer 22b are set to have the same planar dimensions. The second electrode catalyst layer 22a may have a smaller planar size than the second gas diffusion layer 22b or a larger planar size.

第1電極触媒層20aは、第2電極触媒層22aよりも大きな平面寸法を有しているが、前記第1電極触媒層20aと前記第2電極触媒層22aとは、同一の平面寸法に設定されてもよい。なお、第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aは、複数の層から構成してもよい。   The first electrode catalyst layer 20a has a larger planar dimension than the second electrode catalyst layer 22a, but the first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a are set to the same planar dimension. May be. The first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a may be composed of a plurality of layers.

第1ガス拡散層20bの平面寸法は、第2ガス拡散層22bの平面寸法よりも大きく設定されるとともに、前記第1ガス拡散層20bは、固体高分子電解質膜18の面18a全体を覆う。   The plane dimension of the first gas diffusion layer 20b is set larger than the plane dimension of the second gas diffusion layer 22b, and the first gas diffusion layer 20b covers the entire surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18.

第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bは、カーボンペーパ等からなる。第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bの表面に一様に塗布されて形成される。   The first gas diffusion layer 20b and the second gas diffusion layer 22b are made of carbon paper or the like. In the first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a, porous carbon particles having a platinum alloy supported thereon are uniformly applied to the surfaces of the first gas diffusion layer 20b and the second gas diffusion layer 22b. Formed.

図1及び図2に示すように、電解質膜・電極構造体12は、固体高分子電解質膜18の外周を周回し、アノード電極22及びカソード電極20に接合されて前記固体高分子電解質膜18を保護する樹脂製枠部材24を備える。樹脂製枠部材24は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はEPDM(エチレンプロピレンゴム)等で構成される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane / electrode structure 12 circulates around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane 18 and is joined to the anode electrode 22 and the cathode electrode 20 to connect the solid polymer electrolyte membrane 18. A resin frame member 24 to be protected is provided. The resin frame member 24 is, for example, PPS (polyphenylene sulfide), PPA (polyphthalamide), PEN (polyethylene naphthalate), PES (polyethersulfone), LCP (liquid crystal polymer), PVDF (polyvinylidene fluoride). , Silicone rubber, fluorine rubber or EPDM (ethylene propylene rubber).

樹脂製枠部材24は、枠形状を有しており、段部を介し最外周よりも薄肉状に形成されてアノード電極22の外周側に突出し、固体高分子電解質膜18の外周縁部18beに当接する内周突部24tを有する。固体高分子電解質膜18の外周縁部18beは、アノード電極22を構成する第2ガス拡散層22bの外周端から外方に延在する。   The resin frame member 24 has a frame shape, is formed thinner than the outermost periphery through the stepped portion, protrudes to the outer peripheral side of the anode electrode 22, and is formed on the outer peripheral edge portion 18 be of the solid polymer electrolyte membrane 18. It has an inner peripheral protrusion 24t that abuts. The outer peripheral edge portion 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 extends outward from the outer peripheral end of the second gas diffusion layer 22b constituting the anode electrode 22.

図1に示すように、樹脂製枠部材24の一方の対角位置には、後述する酸化剤ガス入口連通孔30aに向かって突出する膨出部24aと、後述する酸化剤ガス出口連通孔30bに向かって突出する膨出部24bとが設けられる。なお、電解質膜・電極構造体12は、樹脂製枠部材24を用いない構成であってもよい。   As shown in FIG. 1, at one diagonal position of the resin frame member 24, there are a bulging portion 24a protruding toward an oxidant gas inlet communication hole 30a described later, and an oxidant gas outlet communication hole 30b described later. And a bulging portion 24b protruding toward the surface. The electrolyte membrane / electrode structure 12 may be configured not to use the resin frame member 24.

燃料電池10の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔30aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔32aは、冷却媒体を供給するとともに、燃料ガス出口連通孔34bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bは、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   One end edge of the fuel cell 10 in the arrow B direction (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, and the oxidant gas inlet communication hole 30a, the cooling medium inlet communication hole 32a, and A fuel gas outlet communication hole 34b is provided. The oxidant gas inlet communication hole 30a supplies an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas. The cooling medium inlet communication hole 32a supplies a cooling medium, and the fuel gas outlet communication hole 34b discharges a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas. The oxidant gas inlet communication hole 30a, the cooling medium inlet communication hole 32a, and the fuel gas outlet communication hole 34b are arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

燃料電池10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、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔30bが設けられる。燃料ガス入口連通孔34aは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔32bは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔30bは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔30bは、矢印C方向に配列して設けられる。   A fuel gas inlet communication hole 34a, a cooling medium outlet communication hole 32b, and an oxidant gas outlet communication hole 30b are provided at the other edge of the fuel cell 10 in the arrow B direction so as to communicate with each other in the arrow A direction. The fuel gas inlet communication hole 34a supplies fuel gas, the cooling medium outlet communication hole 32b discharges the cooling medium, and the oxidant gas outlet communication hole 30b discharges the oxidant gas. The fuel gas inlet communication hole 34a, the cooling medium outlet communication hole 32b, and the oxidant gas outlet communication hole 30b are arranged in the direction of arrow C.

図1及び図3に示すように、第2セパレータ16の電解質膜・電極構造体12に向かう面16a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とに連通する複数本の酸化剤ガス流路36が設けられる。酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス流路36とは、複数本の入口連結路37aを介して連通する。酸化剤ガス出口連通孔30bと酸化剤ガス流路36とは、複数本の出口連結路37bを介して連通する。   As shown in FIGS. 1 and 3, the surface 16a of the second separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12 has a plurality of holes communicating with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b. The oxidant gas flow path 36 is provided. The oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas flow path 36 communicate with each other via a plurality of inlet connection paths 37a. The oxidant gas outlet communication hole 30b and the oxidant gas flow path 36 communicate with each other via a plurality of outlet connection paths 37b.

図4に示すように、第1セパレータ14の電解質膜・電極構造体12に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通する複数本の燃料ガス流路38が形成される。第1セパレータ14には、燃料ガス入口連通孔34aを燃料ガス流路38に連通する複数個の供給孔部39aと、前記燃料ガス流路38を燃料ガス出口連通孔34bに連通する複数個の排出孔部39bとが形成される。   As shown in FIG. 4, on the surface 14a of the first separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 12, a plurality of fuel gas flow paths communicating with the fuel gas inlet communication hole 34a and the fuel gas outlet communication hole 34b are provided. 38 is formed. The first separator 14 includes a plurality of supply holes 39a that communicate the fuel gas inlet communication hole 34a with the fuel gas flow path 38, and a plurality of fuel gas flow paths 38 that communicate with the fuel gas outlet communication hole 34b. A discharge hole 39b is formed.

図1及び図5に示すように、第1セパレータ14の面14bと第2セパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路40が形成される。   As shown in FIGS. 1 and 5, a cooling medium that communicates with the cooling medium inlet communication hole 32 a and the cooling medium outlet communication hole 32 b between the surface 14 b of the first separator 14 and the surface 16 b of the second separator 16. A flow path 40 is formed.

図1及び図2に示すように、第1セパレータ14の両面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端部を周回して、第1シール部材42が一体化される。第2セパレータ16の面16a、16bには、この第2セパレータ16の外周端部を周回して、第2シール部材44が一体化される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first seal member 42 is integrated with both surfaces 14 a and 14 b of the first separator 14 around the outer peripheral end portion of the first separator 14. The second seal member 44 is integrated with the surfaces 16 a and 16 b of the second separator 16 around the outer peripheral end portion of the second separator 16.

第1シール部材42及び第2シール部材44には、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。   For the first seal member 42 and the second seal member 44, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber or the like, cushion material Alternatively, an elastic seal member such as a packing material is used.

図2及び図6に示すように、第1シール部材42は、第1セパレータ14の面14a、14bに一体化されるとともに、セパレータ面に沿って均一な厚さを有する平面シール(ベースシール)42aを有する。第1シール部材42は、面14aに一体化され、電解質膜・電極構造体12の樹脂製枠部材24に当接する第1内側シール部材42bを有する。第1内側シール部材42bは、積層方向から見て、発電領域内を周回して配置される。   As shown in FIGS. 2 and 6, the first seal member 42 is integrated with the surfaces 14a and 14b of the first separator 14, and has a flat seal (base seal) having a uniform thickness along the separator surface. 42a. The first seal member 42 includes a first inner seal member 42 b that is integrated with the surface 14 a and abuts against the resin frame member 24 of the electrolyte membrane / electrode structure 12. The first inner sealing member 42b is arranged around the power generation region as viewed from the stacking direction.

図1及び図2に示すように、第1シール部材42は、第1セパレータ14の面14bに一体化される第2内側シール部材42c及び外側シール部材42d、すなわち、2重シール構造を有する。供給孔部39a及び排出孔部39bの近傍には、それぞれ第2内側シール部材42cと外側シール部材42dとの中間に位置して、島状に中間支持部材42eが第1シール部材42に一体成形される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first seal member 42 has a second inner seal member 42c and an outer seal member 42d integrated with the surface 14b of the first separator 14, that is, a double seal structure. In the vicinity of the supply hole portion 39a and the discharge hole portion 39b, the intermediate support member 42e is integrally formed with the first seal member 42 in the shape of an island, located in the middle of the second inner seal member 42c and the outer seal member 42d. Is done.

図6に示すように、中間支持部材42eは、第2内側シール部材42c及び外側シール部材42dよりも高さt1だけ低く設定される。高さt1は、燃料電池10が組み立てられて締め付け荷重が付与された状態で、中間支持部材42eが弾性変形することなく第2セパレータ16に略当接するように設定される。第1シール部材42は、面14bにおいて、冷却媒体入口連通孔32a及び冷却媒体出口連通孔32bに近接する位置に、冷却媒体流路40から前記冷却媒体入口連通孔32a及び前記冷却媒体出口連通孔32bに向かって伸びるそれぞれ複数個の突起部(ゴムブリッジ部)42fを一体に設ける。   As shown in FIG. 6, the intermediate support member 42e is set to be lower than the second inner seal member 42c and the outer seal member 42d by a height t1. The height t1 is set so that the intermediate support member 42e substantially contacts the second separator 16 without elastic deformation in a state where the fuel cell 10 is assembled and a tightening load is applied. The first seal member 42 is located on the surface 14b close to the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b from the cooling medium flow path 40 to the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole. A plurality of projecting portions (rubber bridge portions) 42f extending toward 32b are integrally provided.

図1〜図3に示すように、第2シール部材44は、第2セパレータ16の両面16a、16bに一体化されるとともに、セパレータ面に沿って均一な厚さを有する平面シール(ベースシール)44aを有する。第2シール部材44は、面16aに一体化され、電解質膜・電極構造体12の外周端部から外方に位置して第1セパレータ14に当接する第1外側シール部材44bを有する。   As shown in FIGS. 1 to 3, the second seal member 44 is integrated with both surfaces 16 a and 16 b of the second separator 16 and has a flat seal (base seal) having a uniform thickness along the separator surface. 44a. The second seal member 44 includes a first outer seal member 44 b that is integrated with the surface 16 a and is located outward from the outer peripheral end of the electrolyte membrane / electrode structure 12 and contacts the first separator 14.

図2及び図5に示すように、第2シール部材44は、第2セパレータ16の面16bに一体化される第2外側シール部材44cを有する。面16bには、図5に示すように、冷却媒体入口連通孔32a及び冷却媒体出口連通孔32bに近接する位置に、冷却媒体流路40から前記冷却媒体入口連通孔32a及び前記冷却媒体出口連通孔32bに向かって伸びるそれぞれ複数個の突起部(ゴムブリッジ部)44dが一体に設けられる。突起部42fと突起部44dとは、互いに当接する。   As shown in FIGS. 2 and 5, the second seal member 44 has a second outer seal member 44 c that is integrated with the surface 16 b of the second separator 16. As shown in FIG. 5, the cooling medium inlet communication hole 32 a and the cooling medium outlet communication are provided on the surface 16 b from the cooling medium flow path 40 at a position close to the cooling medium inlet communication hole 32 a and the cooling medium outlet communication hole 32 b. A plurality of protrusions (rubber bridge portions) 44d extending toward the holes 32b are integrally provided. The protrusion 42f and the protrusion 44d are in contact with each other.

図3に示すように、第2シール部材44は、冷却媒体入口連通孔32a及び冷却媒体出口連通孔32bに近接する位置に、それぞれ突起部44dの伸びる方向に交差して前記突起部44dの裏面側を保持するための受け部44eを直線状に一体に設ける。各受け部44eの内側には、すなわち、第1外側シール部材44bと第1シール部材42の第1内側シール部材42bとの間に位置して、それぞれ島状に中間支持部材44fが第2シール部材44に一体成形される。   As shown in FIG. 3, the second seal member 44 intersects the extending direction of the protruding portion 44d at a position close to the cooling medium inlet communication hole 32a and the cooling medium outlet communication hole 32b, and the back surface of the protruding portion 44d. A receiving portion 44e for holding the side is provided integrally in a straight line. The intermediate support member 44f is secondly sealed in an island shape inside each receiving portion 44e, that is, between the first outer seal member 44b and the first inner seal member 42b of the first seal member 42. The member 44 is integrally formed.

中間支持部材44fは、第1外側シール部材44bよりも高さ寸法が低く設定される。中間支持部材44fは、受け部44eよりも高さt2だけ低く設定される。高さt2は、燃料電池10が組み立てられて締め付け荷重が付与された状態で、中間支持部材44fが弾性変形することなく第1セパレータ14に略当接するように設定される。   The intermediate support member 44f is set to be lower in height than the first outer seal member 44b. The intermediate support member 44f is set lower than the receiving portion 44e by a height t2. The height t2 is set so that the intermediate support member 44f substantially contacts the first separator 14 without being elastically deformed in a state where the fuel cell 10 is assembled and a tightening load is applied.

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 fuel cell 10 configured as described above will be described below.

先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ16の酸化剤ガス流路36に導入され、矢印B方向に移動してMEA構成部12aのカソード電極20に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから供給孔部39aを通って第1セパレータ14の燃料ガス流路38に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路38に沿って矢印B方向に移動し、MEA構成部12aのアノード電極22に供給される。   Therefore, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 36 of the second separator 16 from the oxidant gas inlet communication hole 30a, moves in the direction of arrow B, and is supplied to the cathode electrode 20 of the MEA component 12a. . On the other hand, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path 38 of the first separator 14 from the fuel gas inlet communication hole 34a through the supply hole 39a. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the fuel gas flow path 38 and is supplied to the anode electrode 22 of the MEA component 12a.

従って、各MEA構成部12aでは、カソード電極20に供給される酸化剤ガスと、アノード電極22に供給される燃料ガスとが、第1電極触媒層20a内及び第2電極触媒層22a内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。   Accordingly, in each MEA component 12a, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 20 and the fuel gas supplied to the anode electrode 22 are electrically supplied in the first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a. It is consumed by chemical reaction to generate electricity.

次いで、カソード電極20に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極22に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部39bから燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 20 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 22 is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b from the discharge hole portion 39b.

また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ14と第2セパレータ16との間の冷却媒体流路40に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、MEA構成部12aを冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 40 between the first separator 14 and the second separator 16, and then flows in the direction of arrow B. This cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b after cooling the MEA component 12a.

この場合、本実施形態では、図1及び図6に示すように、第2内側シール部材42cと外側シール部材42dとの中間に位置して、中間支持部材42eが第1シール部材42に一体成形されている。このため、第2内側シール部材42cと外側シール部材42dとの間隔が、比較的大きく設定される部位に対応し、すなわち、セパレータ両面の差圧により第1セパレータ14が変形し易い部位に対応し、中間支持部材42eを設けることができる。   In this case, in this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 6, the intermediate support member 42 e is integrally formed with the first seal member 42 so as to be positioned between the second inner seal member 42 c and the outer seal member 42 d. Has been. For this reason, the distance between the second inner seal member 42c and the outer seal member 42d corresponds to a part where the distance is set relatively large, that is, a part where the first separator 14 is likely to be deformed due to the differential pressure across the separator. An intermediate support member 42e can be provided.

さらに、中間支持部材42eは、第2内側シール部材42c及び外側シール部材42dよりも高さt1だけ低く設定されている。従って、中間支持部材42eは、燃料電池10に作用する締め付け荷重を受けることがなく、所望のシール荷重を確保することが可能になる。   Further, the intermediate support member 42e is set lower than the second inner seal member 42c and the outer seal member 42d by a height t1. Accordingly, the intermediate support member 42e does not receive a tightening load acting on the fuel cell 10, and can secure a desired seal load.

これにより、簡単な構成で、第2内側シール部材42cと外側シール部材42dとが設けられた2重シール構造の第1セパレータ14の変形を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。   Accordingly, it is possible to suppress the deformation of the first separator 14 having the double seal structure in which the second inner seal member 42c and the outer seal member 42d are provided with a simple configuration as much as possible. can get.

一方、第2セパレータ16には、図1及び図3に示すように、第1外側シール部材44bと第1シール部材42の第1内側シール部材42bとの間に位置して、それぞれ中間支持部材44fが第2シール部材44に一体成形されている。このため、簡単な構成で、第2セパレータ16の変形を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。   On the other hand, as shown in FIGS. 1 and 3, the second separator 16 is positioned between the first outer seal member 44 b and the first inner seal member 42 b of the first seal member 42, and is respectively an intermediate support member. 44 f is integrally formed with the second seal member 44. For this reason, the effect that it becomes possible to suppress a deformation | transformation of the 2nd separator 16 as much as possible with a simple structure is acquired.

さらに、中間支持部材44fは、第1外側シール部材44bよりも高さ寸法が低く設定されるとともに、受け部44eよりも高さt2だけ低く設定されている。従って、中間支持部材44fは、燃料電池10に作用する締め付け荷重を受けることがなく、所望のシール荷重を確保することが可能になる。   Further, the intermediate support member 44f is set to have a height dimension lower than that of the first outer seal member 44b and lower than the receiving portion 44e by the height t2. Therefore, the intermediate support member 44f does not receive a tightening load acting on the fuel cell 10, and can secure a desired seal load.

10…燃料電池 12…電解質膜・電極構造体
14、16…セパレータ 18…固体高分子電解質膜
20…カソード電極 20a、22a…電極触媒層
20b、22b…ガス拡散層 22…アノード電極
24…樹脂製枠部材 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…冷却媒体入口連通孔
32b…冷却媒体出口連通孔 34a…燃料ガス入口連通孔
34b…燃料ガス出口連通孔 36…酸化剤ガス流路
38…燃料ガス流路 39a…供給孔部
39b…排出孔部 40…冷却媒体流路
42、44…シール部材 42b、42c…内側シール部材
42d、44b、44c…外側シール部材
42e、44f…中間支持部材 42f、44d…突起部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 12 ... Electrolyte membrane and electrode structure 14, 16 ... Separator 18 ... Solid polymer electrolyte membrane 20 ... Cathode electrode 20a, 22a ... Electrode catalyst layer 20b, 22b ... Gas diffusion layer 22 ... Anode electrode 24 ... Product made from resin Frame member 30a ... Oxidant gas inlet communication hole 30b ... Oxidant gas outlet communication hole 32a ... Cooling medium inlet communication hole 32b ... Cooling medium outlet communication hole 34a ... Fuel gas inlet communication hole 34b ... Fuel gas outlet communication hole 36 ... Oxidant Gas passage 38 ... Fuel gas passage 39a ... Supply hole 39b ... Discharge hole 40 ... Cooling medium passages 42, 44 ... Seal members 42b, 42c ... Inner seal members 42d, 44b, 44c ... Outer seal members 42e, 44f ... Intermediate support members 42f, 44d ... Protrusions

Claims (3)

電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体が一対のセパレータ間に挟持されるとともに、挟持方向から見て、発電領域を周回して設けられる内側シール部材と、前記内側シール部材の外方を周回して設けられる外側シール部材とを有する2重シール構造の燃料電池であって、
前記内側シール部材と前記外側シール部材との間には、少なくとも該内側シール部材又は該外側シール部材の一方に一体成形され、且つ、前記一方よりも高さ寸法が低い中間支持部材が設けられ
前記セパレータの前記中間支持部材が設けられた側とは反対側の面において、前記中間支持部材に対応する位置には、弾性凸状部が存在せず、
前記中間支持部材は、前記内側シール部材と前記外側シール部材との間の中央部に設けられるとともに、弾性変形することなく前記セパレータに当接することを特徴とする燃料電池。
It has an electrolyte membrane / electrode structure with electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between a pair of separators, and is provided around the power generation region as viewed from the clamping direction. A double-sealed fuel cell having an inner seal member and an outer seal member provided around the outer side of the inner seal member,
Between the inner seal member and the outer seal member, an intermediate support member that is integrally formed with at least one of the inner seal member or the outer seal member and that has a height dimension lower than that of the one is provided .
On the surface of the separator opposite to the side on which the intermediate support member is provided, there is no elastic convex portion at a position corresponding to the intermediate support member,
It said intermediate support member is provided in an central portion between the outer sealing member and the inner seal member, a fuel cell, wherein the contact to Rukoto the separator without elastic deformation.
請求項1記載の燃料電池において、互いに隣接する前記セパレータ間には、セパレータ面に沿って冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成されるとともに、
前記中間支持部材は、前記冷却媒体流路側に設けられる前記内側シール部材と前記外側シール部材との間に形成されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein a cooling medium flow path for flowing the cooling medium along the separator surface is formed between the separators adjacent to each other.
The fuel cell according to claim 1, wherein the intermediate support member is formed between the inner seal member and the outer seal member provided on the cooling medium flow path side.
請求項1記載の燃料電池において、前記セパレータの前記電解質膜・電極構造体に対向する面には、セパレータ面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成されるとともに、
前記中間支持部材は、前記反応ガス流路側に設けられる前記内側シール部材と前記外側シール部材との間に形成されることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein a surface of the separator facing the electrolyte membrane / electrode structure is formed with a reaction gas flow path for allowing a reaction gas to flow along the separator surface,
The fuel cell according to claim 1, wherein the intermediate support member is formed between the inner seal member and the outer seal member provided on the reaction gas flow path side.
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