JP6150040B2 - Fuel cell and fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池及び燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack.
従来、燃料電池スタックを構成した際の各セルの性能の適正化と、フレームと膜電極構造体との接合部の耐久性の向上を両立させることができる燃料電池セルが提案されている(特許文献1参照。)。 Conventionally, there has been proposed a fuel cell that can achieve both optimization of the performance of each cell when a fuel cell stack is configured and improvement in durability of the joint between the frame and the membrane electrode structure (patent) Reference 1).
この燃料電池セルは、周囲にフレームを有する膜電極構造体と、フレーム及び膜電極構造体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームと各セパレータの縁部同士の間にガスシールを設け、フレームと各セパレータとの間に反応用ガスを流通させる夫々のディフューザ部を有する燃料電池セルである。そして、燃料電池セルは、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、相手側と突部の先端とを接着し、他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータとを離間して配置している。また、他の燃料電池セルは、カソード側及びアノード側のいずれか一方側のディフューザ部において、フレーム及びセパレータの相対向面の少なくとも一方の面に、相手側に接する突部を設けると共に、他方側のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装している。また、更に他の燃料電池セルは、カソード側及びアノード側の両方のディフューザ部において、フレームとセパレータの間に、双方に接する弾性体を介装している。 This fuel cell includes a membrane electrode structure having a frame around it, and two separators sandwiching the frame and the membrane electrode structure, and a gas seal is provided between the frame and the edges of each separator, It is a fuel battery cell which has each diffuser part which distribute | circulates the gas for reaction between a flame | frame and each separator. In the fuel cell, in the diffuser portion on either the cathode side or the anode side, at least one of the opposing surfaces of the frame and the separator is provided with a protrusion that contacts the counterpart side, The frame is separated from the separator in the diffuser portion on the other side. In addition, in the other fuel cell, in the diffuser portion on either the cathode side or the anode side, a protrusion that contacts the mating side is provided on at least one of the opposing surfaces of the frame and the separator, and the other side In the diffuser portion, an elastic body in contact with both is interposed between the frame and the separator. In still another fuel cell, an elastic body that is in contact with both of the diffuser portions on the cathode side and the anode side is interposed between the frame and the separator.
しかしながら、特許文献1に記載の燃料電池セルにあっては、フレームやセパレータに所定サイズの凸部を設けることやフレームとセパレータとの間に所定サイズの複数の弾性体を介装させることが難しく、精度バラツキが生じていたため、膜電極接合体とセパレータとの電気的接触抵抗の低減と、ガス分配部及びガス回収部におけるフレーム破損の抑制の両立が十分ではなく、改善の余地があった。
However, in the fuel cell described in
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、膜電極接合体とセパレータとの電気的接触抵抗の低減と、ガス分配部及びガス回収部におけるフレーム破損の抑制を両立し得る燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art. An object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell stack that can achieve both a reduction in electrical contact resistance between a membrane electrode assembly and a separator, and suppression of frame breakage in a gas distribution part and a gas recovery part. And
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、下記(1)及び(2)のいずれかの構成とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have made extensive studies in order to achieve the above object. As a result, the inventors have found that the above object can be achieved by adopting any one of the following configurations (1) and ( 2 ), and have completed the present invention.
(1)所定の燃料電池において、厚み方向におけるアノード側及びカソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、フレームと各セパレータの一方とに接し、かつ基部に形成され、ばね機能部を構成する複数の凸部を有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。 (1) In a predetermined fuel cell, the gas distribution part and the gas recovery part on both the anode side and the cathode side in the thickness direction are in contact with one of the frame and each separator and formed at the base part to constitute a spring function part And a displacement absorbing member for absorbing displacement in the thickness direction.
(2)所定の燃料電池において、厚み方向におけるアノード側及びカソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、フレームと各セパレータの一方とに接すると共に、基部と、該基部に形成された複数のばね機能部を有する厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えており、更に、厚み方向における少なくとも2枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくともガス分配部に対応する範囲及びガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。 ( 2 ) In a predetermined fuel cell, the gas distribution part and the gas recovery part on both the anode side and the cathode side in the thickness direction are in contact with one of the frame and each separator, and a base part and a plurality of parts formed on the base part A displacement absorbing member for absorbing a displacement in the thickness direction having a spring function portion, and further between at least two film members in the thickness direction and corresponding to at least the gas distribution portion. A displacement absorbing member for absorbing displacement in the thickness direction is provided in a range corresponding to the range and the gas recovery unit.
すなわち、本発明の燃料電池は、電解質膜をアノードとカソードとで挟持する構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、膜電極接合体を支持するフレームと、フレーム及びアノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、フレーム及びカソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備えたものである。また、この燃料電池は、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードガス供給部とアノードとの間及びカソードガス供給部とカソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードとアノードガス排出部との間及びカソードとカソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有する。更に、この燃料電池は、厚み方向におけるアノード側及びカソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、フレームと各セパレータの一方とに接し、かつ、基部と、基部に形成され、ばね機能部を構成する複数の凸部とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。 That is, the fuel cell of the present invention includes a membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, and a frame disposed around the membrane electrode assembly and supporting the membrane electrode assembly. The anode side separator in the thickness direction that forms a gas flow path from the anode gas supply unit to the anode gas discharge unit between the frame and the anode, and the cathode gas supply unit from the cathode gas supply unit between the frame and the cathode And a separator on the cathode side in the thickness direction forming the gas flow path up to. In addition, the fuel cell has a gas flow along the gas flow direction between the frame and each separator, and between the anode gas supply unit and the anode and between the cathode gas supply unit and the cathode. A gas distribution section having an increased path width, in the gas flow direction between the frame and each separator, and between the anode and the anode gas discharge section and between the cathode and the cathode gas discharge section; A gas recovery section with a narrow gas flow path width is provided. Further, this fuel cell is formed in the base and the base at the gas distribution part and the gas recovery part on both the anode side and the cathode side in the thickness direction, and is in contact with one of the separators and the spring function part. A displacement absorbing member for absorbing a displacement in the thickness direction.
また、本発明の他の燃料電池は、電解質膜をアノードとカソードとで挟持する構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、少なくとも2枚のフィルム部材が積層された構造を有し、かつ、膜電極接合体を支持するフレームと、フレーム及びアノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、フレーム及びカソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備えたものである。また、この燃料電池は、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードガス供給部とアノードとの間及びカソードガス供給部とカソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、フレームと各セパレータとの間であって、かつ、アノードとアノードガス排出部との間及びカソードとカソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有する。更に、この燃料電池は、厚み方向におけるアノード側及びカソード側の双方のガス分配部及びガス回収部に、フレームと各セパレータの一方とに接すると共に、基部と、基部に形成された複数のばね機能部を有する厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えており、厚み方向における少なくとも2枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくともガス分配部に対応する範囲及びガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。 In another fuel cell of the present invention , a membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, a membrane electrode assembly, and at least two film members are provided. The anode side in the thickness direction has a laminated structure and forms a gas flow path from the anode gas supply part to the anode gas discharge part between the frame supporting the membrane electrode assembly and the frame and the anode. The separator includes a separator on the cathode side in the thickness direction that forms a gas flow path from the cathode gas supply unit to the cathode gas discharge unit between the frame and the cathode. In addition, the fuel cell has a gas flow along the gas flow direction between the frame and each separator, and between the anode gas supply unit and the anode and between the cathode gas supply unit and the cathode. A gas distribution section having an increased path width, in the gas flow direction between the frame and each separator, and between the anode and the anode gas discharge section and between the cathode and the cathode gas discharge section; A gas recovery section with a narrow gas flow path width is provided. In addition, the fuel cell is in contact with the frame and one of the separators on the gas distribution part and the gas recovery part on both the anode side and the cathode side in the thickness direction, and has a base part and a plurality of spring functions formed on the base part. A displacement absorbing member for absorbing a displacement in the thickness direction having a portion, a range between at least two film members in the thickness direction and corresponding to at least a gas distribution portion, and a gas recovery portion A displacement absorbing member for absorbing displacement in the thickness direction is provided in a range corresponding to.
更に、本発明の燃料電池スタックは、複数の燃料電池が積層された構造を有し、燃料電池の少なくとも1つが上記本発明の燃料電池である積層体と、積層体を挟持する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを締結する一対の締結部材と、を具備したものである。 Further, the fuel cell stack of the present invention has a plurality of fuel cells are stacked, the stacked body at least one fuel cell is a fuel cell of the present invention, a pair of end for holding the laminate It comprises a plate and a pair of fastening members that fasten the pair of end plates.
本発明によれば、上記(1)及び(2)のいずれかの構成としたため、精度バラツキの原因となっていた所定サイズの凸部を設けたフレームやセパレータを用いる必要がなく、フレームとセパレータとの間に所定サイズの複数の弾性体を介装させる必要もない。そのため、膜電極接合体とセパレータとの電気的接触抵抗の低減と、ガス分配部及びガス回収部におけるフレーム破損の抑制を両立し得る燃料電池及び燃料電池スタックを提供することができる。 According to the present invention, since any one of the above (1) and ( 2 ) is adopted, it is not necessary to use a frame or a separator provided with a convex portion of a predetermined size, which has caused a variation in accuracy. It is not necessary to interpose a plurality of elastic bodies of a predetermined size between the two. Therefore, it is possible to provide a fuel cell and a fuel cell stack that can achieve both reduction in electrical contact resistance between the membrane electrode assembly and the separator and suppression of frame breakage in the gas distribution unit and the gas recovery unit.
以下、本発明の一形態に係る燃料電池及び燃料電池スタックについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, a fuel cell and a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the dimension ratio of drawing quoted with the following forms is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio.
(第1の形態)
図1は、本発明の第1の形態に係る燃料電池スタックを説明する分解状態の斜視図である。また、図2は、本発明の第1の形態に係る燃料電池スタックを説明する組立て後を示す斜視図である。更に、図3は、図1に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池を説明する分解状態の平面図である。また、図4は、図3に示す燃料電池を構成するセパレータを説明する分解状態の平面図である。更に、図5は、図1に示す燃料電池スタックを構成する燃料電池を説明する組立て後を示す平面図である。更にまた、図6(a)は、図5中のA−A線に沿った燃料電池の要部を示す断面図、図6(b)は、図5中のA−A線に沿った燃料電池の要部を示す模式的な断面図である。
(First form)
FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing the assembled fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. Further, FIG. 3 is an exploded plan view for explaining the fuel cell constituting the fuel cell stack shown in FIG. FIG. 4 is a plan view of a disassembled state for explaining the separator constituting the fuel cell shown in FIG. Further, FIG. 5 is a plan view showing the assembled fuel cell that constitutes the fuel cell stack shown in FIG. 6A is a cross-sectional view showing the main part of the fuel cell along the line AA in FIG. 5, and FIG. 6B is a fuel along the line AA in FIG. It is typical sectional drawing which shows the principal part of a battery.
図1に示すように、第1の形態に係る燃料電池スタック1は、矩形板状を成す燃料電池10が積層された構造を有する積層体50に対し、積層方向の一端部(図1中で右側端部)に、集電プレート51A及びスペーサ52を介してエンドプレート53Aが設けてあると共に、他端部に、集電プレート51Bを介してエンドプレート53Bが設けてある。また、燃料電池スタック1は、積層体50に対し、燃料電池10の長辺側となる両面(図1中で上下面)に、締結部材の一例である締結板54A,54Bが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板55A,55Bが設けてある。
As shown in FIG. 1, the
そして、燃料電池スタック1は、各締結板54A,54B及び補強板55A,55BをボルトBにより両エンドプレート53A,53Bに連結する。このようにして、燃料電池スタック1は、図2に示すようなケース一体型構造となり、積層体50をその積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池10に所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
The
また、燃料電池10は、燃料電池スタック1において単セルとも呼ばれるもので、図1、図3〜図6に示すように、膜電極接合体11と、アノードガスやカソードガス、冷却流体の供給部S1〜S3や排出部D1〜D3を有し、かつ、膜電極接合体11の周囲に配設されて膜電極接合体11を支持するフレーム12と、アノードガスやカソードガス、冷却流体の供給部S1〜S3や排出部D1〜D3を有し、かつ、膜電極接合体11及びフレーム12を挟持する一対のセパレータ13,13を備えている。なお、各供給部S1〜S3及び各排出部D1〜D3は、厚み方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、図示しないが、供給部と排出部は、一部又は全部が逆の位置関係でも良い。
The
更に、膜電極接合体11は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、固体高分子からなる電解質膜11aをアノード11bとカソード11cとで挟持した構造を有している(図6参照。)。この膜電極接合体11は、アノード11bにアノードガス(水素含有ガス)が供給されると共に、カソード11cにカソードガス(酸素含有ガス・空気)が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、膜電極接合体11としては、アノード11bとカソード11cの表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層11d及び11eを備えたものも含まれる。
Furthermore, the
また、フレーム12は、例えば射出成形や、PENフレームなどの他のフィルムとの熱圧着や接着剤による接着により膜電極接合体11と一体化してあり、この形態では、フィルム部材12aと膜電極接合体の電解質膜11aとが積層され、膜電極接合体11を中央にして長方形状を成している(図3参照。)。更に、フレーム12は、両端部に、各々三個ずつの供給部S1〜S3及び排出部D1〜D3が配列してあり、アノードガス供給部S1又はカソードガス供給部S3から膜電極接合体11のアノード11b又はカソード11cに至る領域がガス分配部Dとなり、膜電極接合体11のアノード11b又はカソード11cからアノードガス排出部D3又はカソードガス排出部D1に至る領域がガス回収部Cとなる。このフレーム12及び両セパレータ13,13は、いずれもほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状である。
The
更に、各セパレータ13は、表裏反転形状を有する金属製の板部材13aであって、例えばステンレス製であり、プレス加工や凸形状13bを利用した他の金属製の板部材13cの穴13fと嵌め合わせによって適宜形状に成形し得る。図示例のセパレータ13は、少なくとも膜電極接合体11に対応する中央部分が断面凹凸形状に形成してある。このセパレータ13は、リブ(断面凹凸形状)13dを長辺方向に連続的に有しており、膜電極接合体11との間に、波形の凹部によりアノードガス及びカソードガスのガス流路を形成する。
Furthermore, each
また、各セパレータ13は、ガス分配部D及びガス回収部Cに、矩形状の複数の凸部13eが縦横に配列された他の板部材13cが配設されている。これらの凸部13eは、膜電極接合体11の経時変化などによって燃料電池10に厚さ方向の変位が生じた際に、フレーム12に接触して反応用ガスの流通空間を維持するものである。
Each
なお、図示しないが、燃料電池では、カソード側及びアノード側のセパレータの凹凸が半ピッチずれている構成でも、凹凸が一致している構造でも良い。 Although not shown, the fuel cell may have a structure in which the unevenness of the separator on the cathode side and the anode side is shifted by a half pitch or a structure in which the unevenness is matched.
更に、燃料電池10は、図3〜図5に示すように、フレーム12と各セパレータ13の縁部同士の間や、供給部S1〜S3や排出部D1〜D3の周囲に、シールSが設けてある。また、燃料電池10を複数枚積層した状態では、燃料電池10同士すなわち隣接するセパレータ13同士の間にもシールSを設ける。
Further, as shown in FIGS. 3 to 5, the
また、シールSは、個々の層間において、カソードガス、アノードガス及び冷却液の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体だけが流れるように、供給部S1〜S3及び排出部D1〜D3の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。 In addition, the seal S hermetically separates the flow areas of the cathode gas, the anode gas, and the cooling liquid between the individual layers, and supplies only the predetermined fluid between the supply parts S1 to S3 and Openings are provided at appropriate locations on the peripheral edge of the discharge portions D1 to D3.
そして、上記構成を備えた燃料電池10は、先述したように、複数枚積層して燃料電池スタック1を構成する。この燃料電池スタック1は、図6に示すように、隣接する燃料電池10同士の間に、冷却液の流通空間Fを形成する。
The
更に、燃料電池スタック1は、ガス分配部D及びガス回収部Cに、フレーム12とセパレータ13の一方とに接し、かつ、詳しくは後述する基部に形成され、ばね機能部を構成する複数の凸部とを有する厚さ方向の変位を吸収する変位吸収部材14を備えている。
Further, the
このような構成とすることによって、積層時に変位吸収部材が押しつぶされる構造となっている。つまり、積層後にフレームのガス分配部及びガス回収部は変位吸収部材を介して両側のセパレータから保持され、更に変位吸収部材が撓むことにより確実に膜電極接合体のアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ(凹凸構造)高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。 With such a configuration, the displacement absorbing member is crushed during lamination. In other words, after stacking, the gas distribution part and the gas recovery part of the frame are held from the separators on both sides via the displacement absorbing member, and the displacement absorbing member is further bent to reliably push the separator against the anode and cathode of the membrane electrode assembly. You can guess. Therefore, even if there is a variation in accuracy in the height of the ribs (concave / convex structure) of the separator facing the anode and cathode of the gas distribution part and gas recovery part of the frame and the membrane electrode assembly, the membrane electrode is joined with an appropriate surface pressure. Since the rib can be brought into contact with the anode or the cathode of the body, it is possible to prevent or suppress performance degradation due to an increase in electrical contact resistance and to support the frame in the gas distribution part and the gas recovery part. Therefore, even if a gas differential pressure occurs between the anode side and the cathode side, damage due to flapping of the frame can be prevented.
一方、図7は、従来の形態に係る燃料電池の図5中のA−A線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部を示す断面図(a)及び(b)である。なお、先の形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。 On the other hand, FIG. 7 is a cross-sectional view (a) and (b) showing the main part of the fuel cell along the line at the same position as the AA line in FIG. 5 of the conventional fuel cell. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
従来の形態に係る燃料電池スタック1は、ガス分配部D(及び図示しないガス回収部)に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えた構成となっていない。このような構成であるため、膜電極接合体のアノード又はカソードに対向するセパレータのリブ(凹凸構造)高さに精度ばらつきが生じた場合であって、リブ高さが低い場合には、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができないので、電気的な接触抵抗の増加によって性能低下が生じてしまうことがある(図7(a)参照。)。一方、このような構成であるため、膜電極接合体のアノード又はカソードに対向するセパレータのリブ(凹凸構造)高さに精度ばらつきが生じた場合であって、リブ高さが高い場合には、ガス分配部及びガス回収部でフレームを支持することができないので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じたときに、下向き矢印及び破線で示すようにフレームがばたつくことによって破損してしまうことがある(図7(b)参照。)。
The
図8は、本発明の第1の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池におけるアノード又はカソード長さ(W)/ガス分配部長さ(L)とチャネル間分配ばらつきとの関係を示すグラフである。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between anode / cathode length (W) / gas distribution section length (L) and inter-channel distribution variation in the fuel cell constituting the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention. is there.
第1の形態に係る燃料電池スタックにおいては、図3に示すように、燃料電池におけるガス分配部の長さ(L)に対するアノード又はカソードの長さ(W)(アノード又はカソードの長さ(W)/ガス分配部長さ(L))が5以下であることが好ましい。ガス分配部におけるチャネル間分配ばらつき性能は、アノード又はカソードの長さ(W)/ガス分配部長さ(L)に左右され、この値が小さいほどガス流路におけるガス分配ばらつきが小さくなり、性能が向上する。 In the fuel cell stack according to the first embodiment, as shown in FIG. 3, the length (W) of the anode or cathode with respect to the length (L) of the gas distribution section in the fuel cell (the length of anode or cathode (W ) / Gas distribution part length (L)) is preferably 5 or less. The distribution distribution performance between channels in the gas distribution section depends on the length of the anode or cathode (W) / the length of the gas distribution section (L). The smaller this value, the smaller the distribution distribution of gas in the gas flow path, and the performance improves.
(第1及び第2の形態)
図9(a)及び(b)は、本発明の第1及び第2の形態に係る燃料電池スタックを説明する組み立て後を示す模式的な断面図である。なお、先の形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
(First and second forms)
FIGS. 9A and 9B are schematic cross-sectional views showing the assembled fuel cell stack according to the first and second embodiments of the present invention. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図9(a)に示すように、本発明の第1の形態に係る燃料電池スタック1は、エンドプレート53A,53Bと締結部材の一例である締結板54A,54Bとが直接締結されている。これは、本発明の第1の形態に係る燃料電池スタック1は、積層体50内に変位吸収部材14を有するためである(図6参照。)。つまり、本発明の第1の形態に係る燃料電池スタック1は、図9(b)に示すような本発明の第2の形態に係る燃料電池スタック1における積層体50外にばね61とばね支持プレート62からなる外部ばね機構60を有する必要がないという利点がある。
As shown in FIG. 9A, in the
(第3の形態)
図10(a)は、本発明の第3の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図5中のA−A線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部を示す分解状態の断面図、図10(b)は、本発明の第3の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図5中のA−A線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図である。なお、先の形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
(Third form)
FIG. 10 (a) is an exploded view showing the main part of the fuel cell along the line AA in FIG. 5 of the fuel cell constituting the fuel cell stack according to the third embodiment of the present invention. FIG. 10B is a sectional view of the state of the fuel cell along the line AA in FIG. 5 of the fuel cell constituting the fuel cell stack according to the third embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the assembly of the principal part. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図10に示すように、第3の形態に係る燃料電池スタックは、変位吸収部材14として、フレーム12とセパレータ13に接し、かつ、基部14aとしての金属基板と、基部14aに形成され、ばね機能部14bを構成する複数の凸部としての片持ち式の金属ばね片とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。このような変位吸収部材は、金属部材を塑性加工することによってばね弾性を有するようにして形成することができる。
As shown in FIG. 10, the fuel cell stack according to the third embodiment has a spring function as a
このような構成とすることによって、積層時に変位吸収部材におけるばね機能部が押しつぶされる構造となっている。つまり、積層後にフレームのガス分配部及びガス回収部は変位吸収部材を介して両側のセパレータから保持され、更に変位吸収部材のばね機能部が撓むことにより確実に膜電極接合体のアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ(凹凸構造)高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。 With such a configuration, the spring function portion of the displacement absorbing member is crushed during lamination. That is, after stacking, the gas distribution part and the gas recovery part of the frame are held from the separators on both sides via the displacement absorbing member, and the spring function part of the displacement absorbing member is further bent to ensure the anode and cathode of the membrane electrode assembly. Can be pressed against the separator. Therefore, even if there is a variation in accuracy in the height of the ribs (concave / convex structure) of the separator facing the anode and cathode of the gas distribution part and gas recovery part of the frame and the membrane electrode assembly, the membrane electrode is joined with an appropriate surface pressure. Since the rib can be brought into contact with the anode or the cathode of the body, it is possible to prevent or suppress performance degradation due to an increase in electrical contact resistance and to support the frame in the gas distribution part and the gas recovery part. Therefore, even if a gas differential pressure occurs between the anode side and the cathode side, damage due to flapping of the frame can be prevented.
(第4の形態)
図11は、本発明の第4の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図5中のA−A線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図である。なお、先の形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
(4th form)
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the fuel cell constituting the fuel cell stack according to the fourth embodiment of the present invention after assembling the main part of the fuel cell along the line AA in FIG. 5. FIG. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図11に示すように、第4の形態に係る燃料電池スタックは、変位吸収部材14として、フレーム12とセパレータ13に接し、かつ、基部14aと、基部14aに形成され、ばね機能部14bを構成する複数の凸部とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。この形態においては、基部14a及びばね機能部14bが樹脂材料からなる。このような変位吸収部材は、樹脂材料を射出成形することによって形成することができる。また、適当な樹脂フィルムを貼り付けることなどによって形成することができる。
As shown in FIG. 11, the fuel cell stack according to the fourth embodiment is, as the
このような構成とすることによって、積層時に変位吸収部材におけるばね機能部が押しつぶされる構造となっている。つまり、積層後にフレームのガス分配部及びガス回収部は変位吸収部材を介して両側のセパレータから保持され、更に変位吸収部材のばね機能部が撓むことにより確実に膜電極接合体のアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ(凹凸構造)高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。 With such a configuration, the spring function portion of the displacement absorbing member is crushed during lamination. That is, after stacking, the gas distribution part and the gas recovery part of the frame are held from the separators on both sides via the displacement absorbing member, and the spring function part of the displacement absorbing member is further bent to ensure the anode and cathode of the membrane electrode assembly. Can be pressed against the separator. Therefore, even if there is a variation in accuracy in the height of the ribs (concave / convex structure) of the separator facing the anode and cathode of the gas distribution part and gas recovery part of the frame and the membrane electrode assembly, the membrane electrode is joined with an appropriate surface pressure. Since the rib can be brought into contact with the anode or the cathode of the body, it is possible to prevent or suppress performance degradation due to an increase in electrical contact resistance and to support the frame in the gas distribution part and the gas recovery part. Therefore, even if a gas differential pressure occurs between the anode side and the cathode side, damage due to flapping of the frame can be prevented.
(第5の形態)
図12(a)は、本発明の第5の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図5中のA−A線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図、図12(b)及び(c)は、図12(a)中の一点鎖線で囲んだ部分の拡大図である。なお、先の形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
(5th form)
FIG. 12 (a) shows the fuel cell constituting the fuel cell stack according to the fifth embodiment of the present invention after assembling the main part of the fuel cell along the line at the same position as the line AA in FIG. FIG. 12B and FIG. 12C are enlarged views of a portion surrounded by a one-dot chain line in FIG. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図12に示すように、第5の形態に係る燃料電池スタックは、セパレータ13が、ガス分配部に対応する範囲(及び図示しないがガス回収部)に対応する範囲に、フレームに接する複数の凸部13eを有する。そして、この燃料電池スタックは、厚み方向における2枚のフィルム部材12aの間であって、かつ、ガス分配部に対応する範囲(及び図示しないガス回収部)に対応する範囲に、12bで示す厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。この変位吸収部材12bは、例えば、フィルム部材12a同士を貼り合わせる接着剤であって硬化後においてもばね弾性を有する弾性部材を適用することが好ましい。
As shown in FIG. 12, the fuel cell stack according to the fifth embodiment has a plurality of protrusions in contact with the frame in a range in which the
このような構成とすることによっても、積層時に変位吸収部材である弾性部材が押しつぶされる構造となっている。つまり、セパレータのガス分配部(又は図示しないガス回収部)の凸部が低い場合であっても、積層後にフレームのガス分配部(及び図示しないガス回収部)に対応する範囲における変位吸収部材の撓みの全部又は一部が解消されて、両側のセパレータから保持され(図12(b)参照。)、セパレータのガス分配部(又は図示しないガス回収部)の凸部が高い場合であっても、積層後にフレームのガス分配部(及び図示しないガス回収部)に対応する範囲における変位吸収部材が撓むことにより確実にアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる(図12(c)参照。)。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ(凹凸構造)高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。 Even with this configuration, the elastic member, which is a displacement absorbing member, is crushed during lamination. That is, even if the convex part of the gas distribution part (or a gas recovery part (not shown)) of the separator is low, the displacement absorbing member in the range corresponding to the gas distribution part (and the gas recovery part (not shown)) of the frame after stacking. Even if all or part of the bending is eliminated and held from the separators on both sides (see FIG. 12B), and the convex part of the gas distribution part (or a gas recovery part (not shown)) of the separator is high. After the lamination, the displacement absorbing member in a range corresponding to the gas distribution part (and a gas recovery part (not shown)) of the frame is bent, so that the separator can be surely pressed against the anode and the cathode (see FIG. 12C). ). Therefore, even if there is a variation in accuracy in the height of the ribs (concave / convex structure) of the separator facing the anode and cathode of the gas distribution part and gas recovery part of the frame and the membrane electrode assembly, the membrane electrode is joined with an appropriate surface pressure. Since the rib can be brought into contact with the anode or the cathode of the body, it is possible to prevent or suppress performance degradation due to an increase in electrical contact resistance and to support the frame in the gas distribution part and the gas recovery part. Therefore, even if a gas differential pressure occurs between the anode side and the cathode side, damage due to flapping of the frame can be prevented.
(第6の形態)
図13(a)は、本発明の第6の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図5中のA−A線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部を示す分解状態の断面図、図13(b)は、本発明の第6の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の図5中のA−A線と同様の位置の線に沿った燃料電池の要部の組み立て後を示す断面図である。なお、先の形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
(Sixth form)
FIG. 13A is an exploded view showing the main part of the fuel cell along the line AA in FIG. 5 of the fuel cell constituting the fuel cell stack according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 13B is a cross-sectional view of the state of the fuel cell along the line AA in FIG. 5 of the fuel cell constituting the fuel cell stack according to the sixth embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the assembly of the principal part. Note that the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図13に示すように、第6の形態に係る燃料電池スタックは、変位吸収部材14として、フレーム12とセパレータ13に接し、かつ、基部14aとしての金属基板と、基部14aに形成され、ばね機能部14bを構成する複数の凸部としての片持ち式の金属ばね片とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。更に、この燃料電池スタックは、厚み方向における2枚のフィルム部材12aの間であって、かつ、ガス分配部に対応する範囲(及び図示しないガス回収部)に対応する範囲に、12bで示す厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている。
As shown in FIG. 13, the fuel cell stack according to the sixth embodiment has a spring function as a
このような構成とすることによっても、積層時に変位吸収部材におけるばね機能部が押しつぶされる構造となっている。つまり、積層後にフレームのガス分配部及びガス回収部は変位吸収部材を介して両側のセパレータから保持され、更に変位吸収部材のばね機能部や2枚のフィルム部材の間であって、かつガス分配部に対応する範囲(及び図示しないガス回収部)に対応する範囲に配設された変位吸収部材が撓むことにより確実に膜電極接合体のアノード及びカソードにセパレータを押し当てることができる。従って、フレームのガス分配部やガス回収部、更には膜電極接合体のアノードやカソードに対向するセパレータのリブ(凹凸構造)高さに精度ばらつきが生じても、適正な面圧で膜電極接合体のアノード又はカソードにリブを接触させることができるので、電気的な接触抵抗の増加による性能低下を防止ないし抑制することができ、かつ、ガス分配部及びガス回収部においてフレームを支持することができるので、アノード側とカソード側の間にガス差圧が生じても、フレームばたつきによる破損を防ぐことができる。 Even with this configuration, the spring function portion of the displacement absorbing member is crushed during lamination. That is, after stacking, the gas distribution part and the gas recovery part of the frame are held from the separators on both sides via the displacement absorbing member, and further between the spring function part of the displacement absorbing member and the two film members, and the gas distribution When the displacement absorbing member disposed in the range corresponding to the range (and the gas recovery unit not shown) is bent, the separator can be reliably pressed against the anode and cathode of the membrane electrode assembly. Therefore, even if there is a variation in accuracy in the height of the ribs (concave / convex structure) of the separator facing the anode and cathode of the gas distribution part and gas recovery part of the frame and the membrane electrode assembly, the membrane electrode is joined with an appropriate surface pressure. Since the rib can be brought into contact with the anode or the cathode of the body, it is possible to prevent or suppress performance degradation due to an increase in electrical contact resistance and to support the frame in the gas distribution part and the gas recovery part. Therefore, even if a gas differential pressure occurs between the anode side and the cathode side, damage due to flapping of the frame can be prevented.
以上、本発明を若干の形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated with some forms, this invention is not limited to these, A various deformation | transformation is possible within the range of the summary of this invention.
例えば、上述した各形態の燃料電池及び燃料電池スタックに記載した構成は、各形態毎に限定されるものではなく、例えば、各形態の構成を上述した各形態以外の組み合わせにしたり、構成の細部を変更したりすることができる。 For example, the configurations described in the fuel cells and fuel cell stacks of each embodiment described above are not limited to each embodiment, and for example, the configurations of each embodiment may be combined other than each embodiment described above, or the configuration details Can be changed.
S1 アノードガス供給部
S3 カソードガス供給部
D1 カソードガス供給部
D3 アノードガス排出部
D ガス分配部
C ガス回収部
1 燃料電池スタック
10 燃料電池
11 膜電極接合体
11a 電解質膜
11b アノード
11c カソード
11d,11e ガス拡散層
12 フレーム
12a フィルム部材
12b 変位吸収部材
13 セパレータ
13e 凸部
14 変位吸収部材
14a 基部
14b ばね機能部
50 積層体
53A,53B エンドプレート
54A,54B 締結部材
S1 Anode gas supply unit S3 Cathode gas supply unit D1 Cathode gas supply unit D3 Anode gas discharge unit D Gas distribution unit C
Claims (9)
上記膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、該膜電極接合体を支持するフレームと、
上記フレーム及び上記アノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、
上記フレーム及び上記カソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備え、
上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードガス供給部と上記アノードとの間及び上記カソードガス供給部と上記カソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、
上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードと上記アノードガス排出部との間及び上記カソードと上記カソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有し、
厚み方向における上記アノード側及び上記カソード側の双方の上記ガス分配部及び上記ガス回収部に、上記フレームと上記各セパレータの一方とに接し、かつ、基部と、該基部に形成され、ばね機能部を構成する複数の凸部とを有する、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている
ことを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode;
Disposed around the upper Kimaku electrode assembly, and a frame supporting the membrane electrode assembly,
An anode-side separator in the thickness direction that forms a gas flow path from the anode gas supply unit to the anode gas discharge unit between the frame and the anode;
A cathode-side separator in the thickness direction that forms a gas flow path from the cathode gas supply unit to the cathode gas discharge unit between the frame and the cathode,
Gas flow paths between the frame and the separators and between the anode gas supply unit and the anode and between the cathode gas supply unit and the cathode along the gas flow direction. It has a gas distribution part that expands in width,
Gas flow paths between the frame and the separators and along the gas flow direction between the anode and the anode gas discharge unit and between the cathode and the cathode gas discharge unit, respectively. It has a gas recovery section that narrows the width,
The gas distribution part and the gas recovery part on both the anode side and the cathode side in the thickness direction are in contact with one of the frame and each of the separators, and are formed on the base part and the base part. A fuel cell comprising a displacement absorbing member for absorbing a displacement in the thickness direction, having a plurality of convex portions constituting the same.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。 The base is made of a metal substrate, and the convex is made of a cantilevered metal spring piece, or the base and the convex are made of a resin material. Fuel cell.
上記各セパレータが、上記ガス分配部に対応する範囲及び上記ガス回収部に対応する範囲に、上記フレームに接する複数の凸部を有しており、
厚み方向における上記少なくとも2枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくとも上記ガス分配部に対応する範囲及び上記ガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 The frame has a structure in which at least two film members are laminated ,
Upper Symbol each separator, the range corresponding to the range and the gas recovery unit corresponding to the gas distribution portion has a plurality of convex portions in contact with said frame,
Displacement absorption for absorbing displacement in the thickness direction between the at least two film members in the thickness direction and at least in a range corresponding to the gas distribution part and a range corresponding to the gas recovery part The fuel cell according to claim 1, further comprising a member.
上記膜電極接合体の周囲に配設され、かつ、少なくとも2枚のフィルム部材が積層された構造を有し、かつ、該膜電極接合体を支持するフレームと、
上記フレーム及び上記アノードとの間にアノードガス供給部からアノードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるアノード側のセパレータと、
上記フレーム及び上記カソードとの間にカソードガス供給部からカソードガス排出部までのガス流路を形成する厚み方向におけるカソード側のセパレータと、を備え、
上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードガス供給部と上記アノードとの間及び上記カソードガス供給部と上記カソードとの間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が拡がるガス分配部を有し、
上記フレームと上記各セパレータとの間であって、かつ、上記アノードと上記アノードガス排出部との間及び上記カソードと上記カソードガス排出部との間のそれぞれにガス流れ方向に沿ってガス流路幅が狭まるガス回収部を有し、
厚み方向における上記アノード側及び上記カソード側の双方の上記ガス分配部及び上記ガス回収部に、上記フレームと上記各セパレータの一方とに接すると共に、基部と、該基部に形成された複数のばね機能部を有する厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えており、
厚み方向における上記少なくとも2枚のフィルム部材の間であって、かつ、少なくとも上記ガス分配部に対応する範囲及び上記ガス回収部に対応する範囲に、厚さ方向の変位を吸収するための変位吸収部材を備えている
ことを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode;
A frame that is disposed around the membrane electrode assembly and has a structure in which at least two film members are laminated, and a frame that supports the membrane electrode assembly;
An anode-side separator in the thickness direction that forms a gas flow path from the anode gas supply unit to the anode gas discharge unit between the frame and the anode;
A cathode-side separator in the thickness direction that forms a gas flow path from the cathode gas supply unit to the cathode gas discharge unit between the frame and the cathode,
Gas flow paths between the frame and the separators and between the anode gas supply unit and the anode and between the cathode gas supply unit and the cathode along the gas flow direction. It has a gas distribution part that expands in width,
Gas flow paths between the frame and the separators and along the gas flow direction between the anode and the anode gas discharge unit and between the cathode and the cathode gas discharge unit, respectively. It has a gas recovery section that narrows the width,
To the gas distribution portion of both the anode side and the cathode side and the gas recovery section in the thickness direction, with contact with one and the frame and the respective separators, base and a plurality of spring function formed in the base portion A displacement absorbing member for absorbing the displacement in the thickness direction having a portion,
Displacement absorption for absorbing displacement in the thickness direction between the at least two film members in the thickness direction and at least in a range corresponding to the gas distribution part and a range corresponding to the gas recovery part A fuel cell comprising a member.
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池。 The said base part consists of metal substrates, and the said spring function part consists of a cantilever-type metal spring piece, or the said base part and the said spring function part consist of resin materials, It is characterized by the above-mentioned. Fuel cell.
上記積層体を挟持する一対のエンドプレートと、
上記一対のエンドプレートを締結する一対の締結部材と、を具備した
ことを特徴とする燃料電池スタック。 A stack having a structure in which a plurality of fuel cells are stacked, and at least one of the fuel cells is the fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
A pair of end plates sandwiching the laminate,
A fuel cell stack comprising: a pair of fastening members that fasten the pair of end plates.
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