JP6170868B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる樹脂枠付きMEAと、前記樹脂枠付きMEAの両側に積層される第1のセパレータ及び第2のセパレータとを備える燃料電池に関する。 The present invention includes an MEA with a resin frame in which a resin frame member is provided around the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure, and a first separator and a second separator laminated on both sides of the MEA with a resin frame. The present invention relates to a fuel cell provided.
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。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方側にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ設けられた電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、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. The fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is provided on the other side of the solid polymer electrolyte membrane. The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to constitute a fuel cell. This fuel cell is mounted on a fuel cell electric vehicle as a vehicle fuel cell stack, for example, by stacking a predetermined number.
電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と同一の平面寸法に設定される、所謂、段差MEAを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、種々の提案がなされている。 In the electrolyte membrane / electrode structure, one gas diffusion layer is set to a plane size smaller than that of the solid polymer electrolyte membrane, and the other gas diffusion layer is set to the same plane size as the solid polymer electrolyte membrane. In other words, a so-called step MEA may be formed. At that time, various proposals have been made to reduce the amount of the relatively expensive solid polymer electrolyte membrane used and to protect the solid polymer electrolyte membrane having a thin film shape and low strength.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池セルは、図6に示すように、膜・電極構造体1と、前記膜・電極構造体1を挟持する第1セパレータ2a及び第2セパレータ2bとを備え、これらが複数積層されている。第1セパレータ2aには、燃料ガス流路溝3aが形成される一方、第2セパレータ2bには、酸化剤ガス流路溝3bが形成されている。
For example, as shown in FIG. 6, the fuel cell disclosed in Patent Document 1 includes a membrane / electrode structure 1, and a
膜・電極構造体1は、固体高分子電解質膜4と、前記固体高分子電解質膜4を挟んで配設されるアノード電極5a及びカソード電極5bとを有している。固体高分子電解質膜4の外周部分は、アノード電極5a及びカソード電極5bから若干はみ出している。このはみ出した部分の外周側には、固体高分子電解質膜4より平面寸法の大きい額状の第1シール部材6が一体的に設けられている。
The membrane / electrode structure 1 includes a solid
第1シール部材6の表面と、第2シール部材7とが密着されることにより、膜・電極構造体1を外部に対してシールしている。第1シール部材6及び第2シール部材7の外側であって、第1セパレータ2a及び第2セパレータ2b間に第3シール部材8が設けられ、燃料電池セルを形成している。
When the surface of the
ところで、上記の燃料電池セルでは、膜・電極構造体1の外周を周回して第3シール部材8が設けられるとともに、前記第3シール部材8は、断面円形状を有している。このため、第3シール部材8では、第1セパレータ2a及び第2セパレータ2bに接触するシール幅が狭小になり易い。従って、第3シール部材8と第1セパレータ2a及び第2セパレータ2bとの間から、反応ガス、特に燃料ガスが外部に透過するおそれがある。
By the way, in the fuel cell described above, the
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、反応ガスが外部に透過すること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 an object thereof is to provide a fuel cell capable of suppressing the permeation of a reaction gas to the outside as much as possible with a simple configuration.
本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体の外周を周回して樹脂枠部材が設けられる樹脂枠付きMEAを備えている。樹脂枠付きMEAの両側には、前記樹脂枠付きMEAの外形寸法よりも大きな外形寸法を有する第1のセパレータ及び第2のセパレータが積層されている。第1のセパレータ及び第2のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成されている。 A fuel cell according to the present invention has an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and has a resin frame around which an outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure is provided. MEA is provided. A first separator and a second separator having outer dimensions larger than the outer dimensions of the MEA with resin frame are stacked on both sides of the MEA with resin frame. The first separator and the second separator are formed with a plurality of fluid communication holes penetrating in the stacking direction and allowing the fuel gas, the oxidant gas, or the cooling medium to flow therethrough.
第1のセパレータには、積層方向に沿って樹脂枠部材の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材が配置されている。第2のセパレータには、樹脂枠部材の外方に且つ積層方向に沿って第1のセパレータに重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材が配置されている。 In the first separator, an inner seal member having a rectangular cross section is disposed at a position overlapping the outer peripheral edge of the resin frame member along the stacking direction. In the second separator, an outer seal member having a rectangular cross section is disposed outside the resin frame member and at a position overlapping the first separator along the stacking direction.
そして、外側シール部材は、内側シール部材の外周及び流体連通孔を囲繞するとともに、前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されている。 The outer seal member surrounds the outer periphery of the inner seal member and the fluid communication hole, and the seal width of the outer seal member is set to be larger than the seal width of the inner seal member.
また、第1のセパレータの外周には、外側シール部材の外方に位置して第1外周シールが設けられるとともに、第2のセパレータの外周には、前記外側シール部材の外方に位置して第2外周シールが設けられることが好ましい。その際、第1外周シールと第2外周シールとは、互いに積層方向に沿って重なり合うことが好ましい。 In addition, a first outer peripheral seal is provided on the outer periphery of the first separator so as to be located outside the outer seal member, and an outer periphery of the second separator is positioned on the outer side of the outer seal member. A second outer peripheral seal is preferably provided. In that case, it is preferable that a 1st outer periphery seal | sticker and a 2nd outer periphery seal | sticker mutually overlap along a lamination direction.
さらに、本発明では、第1のセパレータ及び第2のセパレータのいずれか一方には、積層方向に沿って樹脂枠部材の外周縁部に重なり合う位置に配置される断面矩形状の内側シール部材が設けられている。他方には、流体連通孔を囲繞して配置される断面矩形状の外側シール部材が設けられている。そして、外側シール部材のシール幅は、内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されている。 Furthermore, in the present invention, either one of the first separator and the second separator is provided with an inner seal member having a rectangular cross section disposed at a position overlapping the outer peripheral edge of the resin frame member along the stacking direction. It has been. On the other side , an outer seal member having a rectangular cross section is provided so as to surround the fluid communication hole. The seal width of the outer seal member is set to be larger than the seal width of the inner seal member.
さらにまた、本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に電極を配設した電解質膜・電極構造体を備えている。電解質膜・電極構造体の両側には、前記電解質膜・電極構造体の外形寸法よりも大きな外形寸法を有し、該電解質膜・電極構造体の両側に積層される第1のセパレータ及び第2のセパレータが積層されている。第1のセパレータ及び第2のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成されている。 Furthermore, the fuel cell according to the present invention includes an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte membrane. A first separator and a second separator that have outer dimensions larger than the outer dimensions of the electrolyte membrane / electrode structure on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure, and are stacked on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. The separators are stacked. The first separator and the second separator are formed with a plurality of fluid communication holes penetrating in the stacking direction and allowing the fuel gas, the oxidant gas, or the cooling medium to flow therethrough.
第1のセパレータには、積層方向に沿って電解質膜・電極構造体の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材が配置されている。第2のセパレータには、電解質膜・電極構造体の外方に且つ積層方向に沿って第1のセパレータに重なり合う位置であって電解質膜・電極構造体に重なり合わない位置に、断面矩形状の外側シール部材が配置されている。 In the first separator, an inner seal member having a rectangular cross section is disposed at a position overlapping the outer peripheral edge of the electrolyte membrane / electrode structure along the stacking direction. The second separator has a rectangular cross-section at a position that overlaps the first separator along the stacking direction outside the electrolyte membrane / electrode structure and does not overlap the electrolyte membrane / electrode structure . An outer seal member is disposed.
そして、外側シール部材は、内側シール部材の外周及び流体連通孔を囲繞するとともに、前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されている。 The outer seal member surrounds the outer periphery of the inner seal member and the fluid communication hole, and the seal width of the outer seal member is set to be larger than the seal width of the inner seal member.
本発明によれば、外側シール部材は、内側シール部材の外周及び流体連通孔を囲繞するとともに、前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されている。このため、簡単な構成で、反応ガスが外部に透過することを可及的に抑制することが可能になる。 According to the present invention, the outer seal member surrounds the outer periphery of the inner seal member and the fluid communication hole, and the seal width of the outer seal member is set to be larger than the seal width of the inner seal member. . For this reason, it becomes possible to suppress as much as possible that the reaction gas permeates to the outside with a simple configuration.
図1〜図3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、矢印A方向(例えば、水平方向)に複数の発電ユニット12が積層されることにより、スタックを構成する。このスタックは、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(図示せず)に搭載される。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
発電ユニット12は、第1金属セパレータ14、第1樹脂枠付きMEA16a、第2金属セパレータ18、第2樹脂枠付きMEA16b及び第3金属セパレータ20を積層する。
The
第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成される。第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20に代えて、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。
The
図1に示すように、発電ユニット12の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、矢印A方向(積層方向)に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔22a及び燃料ガス出口連通孔24bが設けられる。具体的には、酸化剤ガス入口連通孔22a及び燃料ガス出口連通孔24bは、第1金属セパレータ14、第2金属セパレータ18及び第3金属セパレータ20の長辺方向の一端縁部に設けられる。酸化剤ガス入口連通孔22aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔24bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
As shown in FIG. 1, the oxidant gas
発電ユニット12の長辺方向(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24a、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22bが設けられる。
The other end edge of the
発電ユニット12の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔22a側に、矢印A方向に互いに連通して冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔25aが設けられる。発電ユニット12の短辺方向の両端縁部には、燃料ガス入口連通孔24a側に、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔25bが設けられる。
A pair of cooling medium inlets for communicating with each other in the direction of arrow A and supplying the cooling medium to the oxidant gas
図4に示すように、第1金属セパレータ14の第1樹脂枠付きMEA16aに向かう面14aには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとに連通する第1酸化剤ガス流路26が形成される。第1酸化剤ガス流路26は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(直線状流路溝部でもよい)26aを有する。
As shown in FIG. 4, the first oxidant gas communicating with the oxidant gas
第1酸化剤ガス流路26の入口側と酸化剤ガス入口連通孔22aとの間には、複数本の入口連結溝30aが形成される。第1酸化剤ガス流路26の出口側と酸化剤ガス出口連通孔22bとの間には、複数本の出口連結溝30bが形成される。
A plurality of
図1に示すように、第1金属セパレータ14の面14bには、一対の冷却媒体入口連通孔25aと一対の冷却媒体出口連通孔25bとに連通する冷却媒体流路32の一部が形成される。
As shown in FIG. 1, a part of the cooling
第2金属セパレータ18の第1樹脂枠付きMEA16aに向かう面18aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bとに連通する第1燃料ガス流路34が形成される。第1燃料ガス流路34は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(直線状流路溝部でもよい)34aを有する。
A first
燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔24aと第1燃料ガス流路34とを連通する複数の供給流路溝部36aが形成される。複数の供給流路溝部36aは、蓋体37aにより覆われる。燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔24bと第1燃料ガス流路34とを連通する複数の排出流路溝部36bが形成される。複数の排出流路溝部36bは、蓋体37bにより覆われる。
In the vicinity of the fuel gas
図5に示すように、第2金属セパレータ18の第2樹脂枠付きMEA16bに向かう面18bには、酸化剤ガス入口連通孔22aと酸化剤ガス出口連通孔22bとに連通する第2酸化剤ガス流路38が形成される。第2酸化剤ガス流路38は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(直線状流路溝部でもよい)38aを有する。
As shown in FIG. 5, the second oxidant gas communicating with the oxidant gas
第2酸化剤ガス流路38の入口側と酸化剤ガス入口連通孔22aとの間には、複数本の入口連結溝40aが形成される。第2酸化剤ガス流路38の出口側と酸化剤ガス出口連通孔22bとの間には、複数本の出口連結溝40bが形成される。
A plurality of
図1に示すように、第3金属セパレータ20の第2樹脂枠付きMEA16bに向かう面20aには、燃料ガス入口連通孔24aと燃料ガス出口連通孔24bとに連通する第2燃料ガス流路42が形成される。第2燃料ガス流路42は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝部(直線状流路溝部でもよい)42aを有する。
As shown in FIG. 1, a second fuel
燃料ガス入口連通孔24aの近傍には、前記燃料ガス入口連通孔24aと第2燃料ガス流路42とを連通する複数の供給流路溝部44aが形成される。複数の供給流路溝部44aは、蓋体45aにより覆われる。燃料ガス出口連通孔24bの近傍には、前記燃料ガス出口連通孔24bと第2燃料ガス流路42とを連通する複数の排出流路溝部44bが形成される。複数の排出流路溝部44bは、蓋体45bにより覆われる。
In the vicinity of the fuel gas
第3金属セパレータ20の面20bには、第2燃料ガス流路42の裏面形状である冷却媒体流路32の一部が形成される。第3金属セパレータ20の面20bには、前記第3金属セパレータ20に隣接する第1金属セパレータ14の面14bが積層されることにより、冷却媒体流路32が一体に設けられる。
A part of the
第1金属セパレータ14の面14a、14bには、この第1金属セパレータ14の外周端縁部を周回して第1シール部材46が一体成形される。第2金属セパレータ18の面18a、18bには、この第2金属セパレータ18の外周端縁部を周回して第2シール部材48が一体成形される。第3金属セパレータ20の面20a、20bには、この第3金属セパレータ20の外周端縁部を周回して第3シール部材50が一体成形される。
A
第1シール部材46、第2シール部材48及び第3シール部材50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等の弾性を有するシール材が用いられる。
Examples of the
図1〜図3に示すように、第1シール部材46は、均一の厚さを有して第1金属セパレータ14の面14a、14bの面方向に沿って延在する平面シール部46aを有する。第1金属セパレータ14の面14aにおいて、平面シール部46aからは、外側シール部材(凸状シール部材)46bが厚さ方向に一体に膨出形成される。外側シール部材46bは、第1樹脂枠付きMEA16aの外方に且つ積層方向に沿って第2金属セパレータ18に重なり合う位置に設けられるとともに、積層した後に略断面矩形状を有する。外側シール部材46bは、積層前に先端に大きなRがあってもよく、また、シール成形時の小さな抜き勾配を有する場合がある。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
平面シール部46aと外側シール部材46bとの境界部位には、成形時の抜き勾配であるR形状部が設けられる。なお、以下に説明する平面シール部とシール部材(凸状シール部材)との各境界部位には、同様にR形状部が設けられる(図3参照)。
An R-shaped portion that is a draft at the time of molding is provided at a boundary portion between the
第1金属セパレータ14の面14bにおいて、平面シール部46aからは、積層方向に沿って後述する第1樹脂枠部材58及び第2樹脂枠部材60の外周縁部に重なり合う位置に、内側シール部材46cが厚さ方向に一体に膨出形成される。
On the
図1に示すように、内側シール部材46cは、積層した後に略断面矩形状を有し、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25bと冷却媒体流路32とを周回する。内側シール部材46cは、積層前に先端に大きなRがあってもよく、また、シール成形時の小さな抜き勾配を有する場合がある。面14bには、酸化剤ガス入口連通孔22a、酸化剤ガス出口連通孔22b、燃料ガス入口連通孔24a及び燃料ガス出口連通孔24bを囲繞する外側シール部材46dが設けられる。
As shown in FIG. 1, the
図4に示すように、外側シール部材46bは、燃料ガス入口連通孔24a、燃料ガス出口連通孔24b、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25b(以下、流体連通孔ともいう)を囲繞する。外側シール部材46bは、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22b(以下、流体連通孔ともいう)と第1酸化剤ガス流路26とを周回し、これらを互いに連通させる。
As shown in FIG. 4, the
図1に示すように、外側シール部材46dは、冷却面において、平面シール部46aから厚さ方向に一体に膨出形成され、流体連通孔、特に燃料ガス入口連通孔24a及び燃料ガス出口連通孔24bを囲繞する。外側シール部材46dのシール幅h1は、内側シール部材46cのシール幅h2よりも大きな寸法に設定される(h1>h2)。なお、シール幅とは、平面部から立ち上がるR形状部を除いた位置で、両辺が互いに平行に延在する部分の幅寸法をいう。
As shown in FIG. 1, the
図2及び図3に示すように、第1金属セパレータ14の面14a側において、第1シール部材46には、外側シール部材46bの外方に位置して外周シール46eが厚さ方向に一体成形される。
As shown in FIGS. 2 and 3, on the
図1〜図3に示すように、第2シール部材48は、均一の厚さを有して第2金属セパレータ18の面18a、18bの面方向に沿って延在する平面シール部48aを有する。第2金属セパレータ18の面18aにおいて、平面シール部48aからは、積層方向に沿って第1樹脂枠部材58の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状を有する内側シール部材48bが厚さ方向に一体に膨出形成される。図3に示すように、内側シール部材48bのシール幅h3は、第1金属セパレータ14の外周に設けられた外側シール部材46bのシール幅h4よりも小さな寸法に設定される(h3<h4)。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
第2金属セパレータ18の面18bには、第2樹脂枠部材60の外方に且つ積層方向に沿って第3金属セパレータ20に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材48cが配置される。図5に示すように、外側シール部材48cは、燃料ガス入口連通孔24a、燃料ガス出口連通孔24b、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25bを囲繞する。外側シール部材48cは、酸化剤ガス入口連通孔22a及び酸化剤ガス出口連通孔22bと第2酸化剤ガス流路38とを周回し、これらを互いに連通させる。
An
図2及び図3に示すように、第2金属セパレータ18の面18a側において、第2シール部材48には、外側シール部材48cの外方に位置して外周シール48dが厚さ方向に一体成形される。第2金属セパレータ18の面18b側において、第2シール部材48には、外側シール部材48cの外方に位置して外周シール48eが厚さ方向に一体成形される。
As shown in FIGS. 2 and 3, on the
図1〜図3に示すように、第3シール部材50は、均一の厚さを有して第3金属セパレータ20の面20a、20bの面方向に沿って延在する平面シール部50aを有する。第3金属セパレータ20の面20aにおいて、平面シール部50aからは、積層方向に沿って第2樹脂枠部材60の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状を有する内側シール部材50bが厚さ方向に一体に膨出形成される。図3に示すように、内側シール部材50bのシール幅h5は、第2金属セパレータ18の外周に設けられた外側シール部材48cのシール幅h6よりも小さな寸法に設定される(h5<h6)。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
第3金属セパレータ20の面20bには、第1樹脂枠部材58及び第2樹脂枠部材60の外方に且つ積層方向に沿って第1金属セパレータ14に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材50cが配置される。外側シール部材50cは、酸化剤ガス入口連通孔22a、酸化剤ガス出口連通孔22b、燃料ガス入口連通孔24a及び燃料ガス出口連通孔24bを囲繞する。外側シール部材50cは、冷却媒体入口連通孔25a及び冷却媒体出口連通孔25bと冷却媒体流路32とを周回し、これらを互いに連通させる。
An outer seal having a rectangular cross section is provided on the
図2及び図3に示すように、第3金属セパレータ20の面20a側において、第3シール部材50には、外側シール部材50cの外方に位置して外周シール50dが厚さ方向に一体成形される。第3金属セパレータ20の面20b側において、第3シール部材50には、外側シール部材50cの外方に位置して外周シール50eが厚さ方向に一体成形される。
As shown in FIGS. 2 and 3, on the
第3シール部材50の外周シール50eは、隣接する第1金属セパレータ14の第1シール部材46に当接(密着)している。第1シール部材46の外周シール(第2外周シール)46eは、第2シール部材48の外周シール(第1外周シール)48dに当接(密着)している。第2シール部材48の外周シール(第2外周シール)48eは、第3シール部材50の外周シール(第1外周シール)50dに当接(密着)している。
The outer
図1及び図2に示すように、第1樹脂枠付きMEA16a及び第2樹脂枠付きMEA16bは、それぞれ電解質膜・電極構造体51を備える。電解質膜・電極構造体51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(陽イオン交換膜)52と、前記固体高分子電解質膜52を挟持するアノード電極54及びカソード電極56とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
固体高分子電解質膜52は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。カソード電極56は、固体高分子電解質膜52及びアノード電極54よりも小さな平面寸法を有する段差MEAを構成する。
The solid
なお、アノード電極54、カソード電極56及び固体高分子電解質膜52は、同一の平面寸法に設定してもよい。また、アノード電極54は、カソード電極56及び固体高分子電解質膜52の平面寸法よりも小さな平面寸法を有していてもよい。
The
アノード電極54及びカソード電極56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、例えば、固体高分子電解質膜52の両面に形成される。
The
第1樹脂枠付きMEA16aは、固体高分子電解質膜52の外周を周回するとともに、アノード電極54及びカソード電極56に接合される第1樹脂枠部材58を備える。第1樹脂枠部材58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。
The
第2樹脂枠付きMEA16bは、固体高分子電解質膜52の外周を周回するとともに、アノード電極54及びカソード電極56に接合される第2樹脂枠部材60を備える。第2樹脂枠部材60は、第1樹脂枠部材58と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
The
図1に示すように、第1樹脂枠部材58のカソード電極56側の面には、酸化剤ガス入口連通孔22aと第1酸化剤ガス流路26の入口側との間に位置して入口バッファ部62aが設けられる。第1樹脂枠部材58のカソード電極56側の面には、酸化剤ガス出口連通孔22bと第1酸化剤ガス流路26の出口側との間に位置して、出口バッファ部62bが設けられる。入口バッファ部62a及び出口バッファ部62bは、複数本のライン状凸部及びエンボス部を有するが、前記エンボス部のみを有してもよい。以下に説明するバッファ部は、同様に構成される。
As shown in FIG. 1, the inlet of the first
第1樹脂枠部材58のアノード電極54側の面には、燃料ガス入口連通孔24aと第1燃料ガス流路34との間に位置して入口バッファ部64aが設けられる。第1樹脂枠部材58のアノード電極54側の面には、燃料ガス出口連通孔24bと第1燃料ガス流路34との間に位置して、出口バッファ部64bが設けられる。
On the surface of the first
第2樹脂枠付きMEA16bに設けられる第2樹脂枠部材60は、カソード電極56側の面に、酸化剤ガス入口連通孔22aと第2酸化剤ガス流路38との間に位置して入口バッファ部66aが設けられる。第2樹脂枠部材60のカソード電極56側の面には、酸化剤ガス出口連通孔22bと第2酸化剤ガス流路38との間に位置して、出口バッファ部66bが形成される。
The second
第2樹脂枠部材60のアノード電極54側の面には、燃料ガス入口連通孔24aと第2燃料ガス流路42との間に位置して入口バッファ部68aが設けられる。第2樹脂枠部材60のアノード電極54側の面には、燃料ガス出口連通孔24bと第2燃料ガス流路42との間に位置して、出口バッファ部68bが設けられる。
On the surface of the second
発電ユニット12同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット12を構成する第1金属セパレータ14と、他方の発電ユニット12を構成する第3金属セパレータ20との間には、冷却媒体流路32が形成される。
When the
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
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔22a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24aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔25a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
このため、酸化剤ガスは、一部が酸化剤ガス入口連通孔22aから入口バッファ部62aを通って第1金属セパレータ14の第1酸化剤ガス流路26に供給される。酸化剤ガスは、他の一部が酸化剤ガス入口連通孔22aから入口バッファ部66aを通って第2金属セパレータ18の第2酸化剤ガス流路38に導入される。
Therefore, a part of the oxidant gas is supplied from the oxidant gas
酸化剤ガスは、図1、図4及び図5に示すように、第1酸化剤ガス流路26に沿って矢印B方向(水平方向)に移動し、第1樹脂枠付きMEA16aのカソード電極56に供給される。また、酸化剤ガスは、第2酸化剤ガス流路38に沿って矢印B方向に移動し、第2樹脂枠付きMEA16bのカソード電極56に供給される。
As shown in FIGS. 1, 4 and 5, the oxidant gas moves in the direction of arrow B (horizontal direction) along the first oxidant
一方、燃料ガスは、図1に示すように、燃料ガス入口連通孔24aから供給流路溝部36a、44aに導入される。供給流路溝部36aでは、燃料ガスが、入口バッファ部64aを通って第2金属セパレータ18の第1燃料ガス流路34に供給される。供給流路溝部44aでは、燃料ガスが、入口バッファ部68aを通って第3金属セパレータ20の第2燃料ガス流路42に供給される。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the fuel gas is introduced into the supply
燃料ガスは、第1燃料ガス流路34に沿って矢印B方向に移動し、第1樹脂枠付きMEA16aのアノード電極54に供給される。また、燃料ガスは、第2燃料ガス流路42に沿って矢印B方向に移動し、第2樹脂枠付きMEA16bのアノード電極54に供給される。
The fuel gas moves in the direction of arrow B along the first fuel
従って、第1樹脂枠付きMEA16a及び第2樹脂枠付きMEA16bでは、各カソード電極56に供給される酸化剤ガスと、各アノード電極54に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Therefore, in the
次いで、第1樹脂枠付きMEA16a及び第2樹脂枠付きMEA16bの各カソード電極56に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部62b、66bを通って酸化剤ガス出口連通孔22bに排出される。第1樹脂枠付きMEA16a及び第2樹脂枠付きMEA16bのアノード電極54に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部64b、68bを通って燃料ガス出口連通孔24bに排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔25aに供給された冷却媒体は冷却媒体流路32に導入される。冷却媒体は、各冷却媒体入口連通孔25aから冷却媒体流路32に供給され、一旦矢印C方向内方に沿って流動した後、矢印B方向に移動して第1樹脂枠付きMEA16a及び第2樹脂枠付きMEA16bを冷却する。この冷却媒体は、矢印C方向外方に移動した後、一対の冷却媒体出口連通孔25bに排出される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the pair of left and right cooling medium inlet communication holes 25 a is introduced into the cooling
この場合、本実施形態では、図2及び図3に示すように、第2金属セパレータ(第1のセパレータ)18には、積層方向に沿って第1樹脂枠部材58の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材48bが配置されている。一方、第1金属セパレータ(第2のセパレータ)14には、第1樹脂枠部材58の外方に且つ積層方向に沿って第2金属セパレータ18に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材46bが配置されている。
In this case, in this embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the second metal separator (first separator) 18 overlaps the outer peripheral edge of the first
そして、外側シール部材46bは、内側シール部材48bの外周及び各流体連通孔を囲繞している。その際、外側シール部材46bのシール幅h4は、内側シール部材48bのシール幅h3よりも大きな寸法(h3<h4)に設定されている(図3参照)。このため、簡単な構成で、反応ガス、特に燃料ガスが外部に透過すること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。燃料ガスの透過とは、シール部材内部の透過と接触面からの透過とを含む。
The
また、第3金属セパレータ(第1のセパレータ)20には、積層方向に沿って第2樹脂枠部材60の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材50bが配置されている。一方、第2金属セパレータ(第2のセパレータ)18には、第2樹脂枠部材60の外方に且つ積層方向に沿って第3金属セパレータ20に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材48cが配置されている。
The third metal separator (first separator) 20 is provided with an
そこで、外側シール部材48cのシール幅h6は、内側シール部材50bのシール幅h5よりも大きな寸法(h5<h6)に設定されている(図3参照)。従って、簡単な構成で、反応ガス、特に燃料ガスが外部に透過すること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。
Therefore, the seal width h6 of the
さらに、本実施形態では、図1に示すように、第1金属セパレータ14の冷却面(面14b)において、内側シール部材46c、外側シール部材46dが設けられている。そして、外側シール部材46dのシール幅h1は、内側シール部材46cのシール幅h2よりも大きな寸法(h1>h2)に設定されている。これにより、簡単な構成で、反応ガス、特に燃料ガスが外部に透過すること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。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, an
なお、本実施形態では、発電ユニット12は、3枚のセパレータと2枚の樹脂枠付きMEAとを有し、各発電ユニット12間に冷却媒体流路32が形成されている(所謂、間引き冷却)。本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、2枚のセパレータ間に1枚の樹脂枠付きMEAが挟持される発電ユニット(所謂、各セル冷却)にも、適用することができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、第1樹脂枠付きMEA16a及び第2樹脂枠付きMEA16bを用いているが、これに限定されるものではない。第1樹脂枠部材58及び第2樹脂枠部材60を不要にした電解質膜・電極構造体51からなる、所謂、段差MEAを採用してもよい。
Moreover, in this embodiment, although
その際、第2金属セパレータ(第1のセパレータ)18には、積層方向に沿って段差MEAの外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材48bが配置される。一方、第1金属セパレータ(第2のセパレータ)14には、段差MEAの外方に且つ積層方向に沿って第2金属セパレータ18に重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材46bが配置される。このため、上記の本願発明と同様の効果が得られる。
At that time, in the second metal separator (first separator) 18, an
10…燃料電池 12…発電ユニット
14、18、20…金属セパレータ 16a、16b…樹脂枠付きMEA
22a…酸化剤ガス入口連通孔 22b…酸化剤ガス出口連通孔
24a…燃料ガス入口連通孔 24b…燃料ガス出口連通孔
25a…冷却媒体入口連通孔 25b…冷却媒体出口連通孔
26、38…酸化剤ガス流路 32…冷却媒体流路
34、42…燃料ガス流路 46、48、50…シール部材
46a、48a、50a…平面シール部
46b、46d、48c、50c…外側シール部材
46c、48b、50b…内側シール部材
46e、48d、48e、50d、50e…外周シール
51…電解質膜・電極構造体 52…固体高分子電解質膜
54…アノード電極 56…カソード電極
58、60…樹脂枠部材
DESCRIPTION OF
22a ... Oxidant gas
Claims (4)
前記第1のセパレータ及び前記第2のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成される燃料電池であって、
前記第1のセパレータには、積層方向に沿って前記樹脂枠部材の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材が配置され、
前記第2のセパレータには、前記樹脂枠部材の外方に且つ前記積層方向に沿って前記第1のセパレータに重なり合う位置に、断面矩形状の外側シール部材が配置され、
前記外側シール部材は、前記内側シール部材の外周及び前記流体連通孔を囲繞するとともに、
前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。 An MEA with a resin frame having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are arranged on both sides of the electrolyte membrane, a resin frame member provided around the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure, and the MEA with the resin frame A first separator and a second separator that are stacked on both sides of the MEA with a resin frame.
The first separator and the second separator are fuel cells in which a plurality of fluid communication holes are formed to pass through the fuel gas, the oxidant gas, or the cooling medium, respectively, penetrating in the stacking direction.
In the first separator, an inner seal member having a rectangular cross section is disposed at a position overlapping the outer peripheral edge of the resin frame member along the stacking direction,
In the second separator, an outer seal member having a rectangular cross section is disposed outside the resin frame member and at a position overlapping the first separator along the stacking direction.
The outer seal member surrounds the outer periphery of the inner seal member and the fluid communication hole,
The fuel cell according to claim 1, wherein a seal width of the outer seal member is set to be larger than a seal width of the inner seal member.
前記第2のセパレータの外周には、前記外側シール部材の外方に位置して第2外周シールが設けられ、
前記第1外周シールと前記第2外周シールとは、互いに前記積層方向に沿って重なり合うことを特徴とする燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein a first outer peripheral seal is provided on an outer periphery of the first separator so as to be located outward of the outer seal member.
On the outer periphery of the second separator, a second outer peripheral seal is provided outside the outer seal member,
The fuel cell according to claim 1, wherein the first outer peripheral seal and the second outer peripheral seal overlap each other along the stacking direction.
前記第1のセパレータ及び前記第2のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成される燃料電池であって、
前記第1のセパレータ及び前記第2のセパレータのいずれか一方には、積層方向に沿って前記樹脂枠部材の外周縁部に重なり合う位置に配置される断面矩形状の内側シール部材が設けられ、
他方には、前記流体連通孔を囲繞して配置される断面矩形状の外側シール部材が設けられるとともに、
前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。 An MEA with a resin frame having an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are arranged on both sides of the electrolyte membrane, a resin frame member provided around the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure, and the MEA with the resin frame A first separator and a second separator that are stacked on both sides of the MEA with a resin frame.
The first separator and the second separator are fuel cells in which a plurality of fluid communication holes are formed to pass through the fuel gas, the oxidant gas, or the cooling medium, respectively, penetrating in the stacking direction.
Either one of the first separator and the second separator is provided with an inner seal member having a rectangular cross section disposed at a position overlapping the outer peripheral edge of the resin frame member along the stacking direction,
On the other side, an outer seal member having a rectangular cross section disposed to surround the fluid communication hole is provided,
The fuel cell according to claim 1, wherein a seal width of the outer seal member is set to be larger than a seal width of the inner seal member.
前記第1のセパレータ及び前記第2のセパレータには、積層方向に貫通してそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を流通させる複数の流体連通孔が形成される燃料電池であって、
前記第1のセパレータには、積層方向に沿って前記電解質膜・電極構造体の外周縁部に重なり合う位置に、断面矩形状の内側シール部材が配置され、
前記第2のセパレータには、前記電解質膜・電極構造体の外方に且つ前記積層方向に沿って前記第1のセパレータに重なり合う位置であって前記電解質膜・電極構造体に重なり合わない位置に、断面矩形状の外側シール部材が配置され、
前記外側シール部材は、前記内側シール部材の外周及び前記流体連通孔を囲繞するとともに、
前記外側シール部材のシール幅は、前記内側シール部材のシール幅よりも大きな寸法に設定されることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane / electrode structure having electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane, and has an outer dimension larger than the outer dimension of the electrolyte membrane / electrode structure, and is laminated on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. A first separator and a second separator,
The first separator and the second separator are fuel cells in which a plurality of fluid communication holes are formed to pass through the fuel gas, the oxidant gas, or the cooling medium, respectively, penetrating in the stacking direction.
In the first separator, an inner seal member having a rectangular cross section is disposed at a position overlapping the outer peripheral edge of the electrolyte membrane / electrode structure along the stacking direction,
The second separator is located outside the electrolyte membrane / electrode structure and at a position that overlaps the first separator along the stacking direction and does not overlap the electrolyte membrane / electrode structure. An outer seal member having a rectangular cross section is disposed,
The outer seal member surrounds the outer periphery of the inner seal member and the fluid communication hole,
The fuel cell according to claim 1, wherein a seal width of the outer seal member is set to be larger than a seal width of the inner seal member.
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