JP6229339B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型燃料電池の単セルを発電要素とし、この単セルを複数枚積層した構造を有する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 stack having a structure in which a single cell of a polymer electrolyte fuel cell is used as a power generation element and a plurality of single cells are stacked.
この種の燃料電池スタックとしては、特許文献1に記載されているものがある。特許文献1に記載の燃料電池スタックは、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して燃料電池セル(単セル)を構成し、この燃料電池セルを複数枚積層したものである。燃料電池セルを構成するセパレータは、その両面側に反応用ガス及び冷却用流体の流路を形成するために、主面部分が断面波形状に形成してある。
As this type of fuel cell stack, there is one described in
そして、燃料電池スタックは、積層方向の端部に配置する集電板とこれに隣接する燃料電池セルのセパレータとを接合する接合部を有し、集電板とセパレータとの間において電流密度が相対的に高い部位に接合部を多く分布させた構成にしている。これにより、燃料電池スタックは、集電板とセパレータとの間の貫通電気抵抗が低減されて発電性能が高められることとなる。 The fuel cell stack has a joining portion that joins the current collector plate disposed at the end in the stacking direction and the separator of the fuel cell adjacent to the current collector plate, and the current density is between the current collector plate and the separator. The structure is such that many joints are distributed in relatively high portions. Thereby, in the fuel cell stack, the through electric resistance between the current collector plate and the separator is reduced, and the power generation performance is improved.
ところが、上記したような燃料電池スタックでは、セパレータの断面の波形状と膜電極接合体の膨潤を起因とする問題点については考慮されていなかった。 However, in the fuel cell stack as described above, the problems caused by the corrugated shape of the cross section of the separator and the swelling of the membrane electrode assembly have not been considered.
つまり、この種の燃料電池スタックでは、膜電極接合体におけるガスの拡散性や、膜電極接合体とセパレータとの間の電気抵抗ロスを考慮すると、セパレータの波形ピッチが小さくて凹凸の数が多い方が好ましい。しかしながら、波形ピッチが小さい場合、膜電極接合体の膨潤により、隣接する二枚の単セルにおいてセパレータ同士の間に面内方向の極僅かなずれが生じただけでも、互いの波形が食い込むようにセパレータが変形してしまう可能性があるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。 In other words, in this type of fuel cell stack, considering the gas diffusibility in the membrane electrode assembly and the electrical resistance loss between the membrane electrode assembly and the separator, the waveform pitch of the separator is small and the number of irregularities is large. Is preferred. However, when the waveform pitch is small, even if a slight shift in the in-plane direction occurs between the separators in two adjacent single cells due to the swelling of the membrane electrode assembly, the waveforms of each other will bite. There is a problem that the separator may be deformed, and it has been a problem to solve such a problem.
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、セパレータの波形ピッチを小さくした場合でも、膜電極接合体の膨潤を起因とするセパレータ同士の面内方向のずれを防止し、このずれによるセパレータの変形を防ぐことができる燃料電池スタックを提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above conventional problems, and prevents the separators from being displaced in the in-plane direction due to swelling of the membrane electrode assembly even when the corrugated pitch of the separator is reduced. And it aims at providing the fuel cell stack which can prevent the deformation | transformation of the separator by this shift | offset | difference.
本発明に係わる燃料電池スタックは、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して成る矩形状の単セルを発電要素とし、前記単セルを複数枚積層した構造を有している。この燃料電池スタックは、セパレータが、単セルの内側に反応用ガスの流路を形成し且つ単セルの外側に冷却用流体の流路を形成するための断面波形状の流路形成部を有すると共に、両端部に反応用ガスのマニホールド穴を夫々有し、前記流路形成部により形成した各前記流路が、一端側のマニホールド穴から他端側のマニホールド穴に向けて直線状を成している。
The fuel cell stack according to the present invention has a structure in which a rectangular unit cell formed by sandwiching a membrane electrode assembly between a pair of separators is used as a power generation element, and a plurality of the unit cells are stacked. In this fuel cell stack, the separator has a flow path forming portion having a corrugated cross section for forming a flow path for the reaction gas inside the single cell and forming a flow path for the cooling fluid outside the single cell. together, the manifold holes of the reactant gas has respectively at both ends, the flow path forming portion each said flow path formed by the, forms a linear shape toward the manifold holes at one end to the manifold holes in the other end ing.
そして、燃料電池スタックは、積層方向に隣接する二枚の単セル間においてセパレータの波形凸部同士を接合する接合部を有し、前記反応用ガスであるカソードガスの流れ方向において、入口側から出口側に向けて単位面積あたりの接合部の面積を漸次減少させた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。なお、単位面積あたりの接合部の面積を大きくするには、接合部自体の面積を大きくしたり、一定の大きさを有する接合部の数を多くしたりすることができる。 The fuel cell stack has a joining portion for joining the corrugated convex portions of the separator between two single cells adjacent in the stacking direction, and from the inlet side in the flow direction of the cathode gas that is the reaction gas. The area of the joint portion per unit area is gradually reduced toward the outlet side, and the above structure is a means for solving the conventional problems. In addition, in order to enlarge the area of the junction part per unit area, the area of the junction part itself can be increased, or the number of junction parts having a certain size can be increased.
本発明に係わる燃料電池スタックは、上記構成を採用したことにより、膜電極接合体における膨潤量の大きさに応じて接合部が配置されるので、セパレータの波形ピッチを小さくした場合でも、膜電極接合体の膨潤を起因とするセパレータ同士の面内方向のずれを防止し、このずれによるセパレータの変形を防ぐことができる。 Since the fuel cell stack according to the present invention employs the above-described configuration, the joining portion is arranged according to the amount of swelling in the membrane electrode assembly, so that the membrane electrode can be used even when the waveform pitch of the separator is reduced. It is possible to prevent in-plane displacement between the separators due to swelling of the joined body, and to prevent deformation of the separator due to this displacement.
〈第1実施形態〉
図1に示す燃料電池スタックFSは、とくに図1(B)に示すように、単セルCを複数枚積層して一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュールMと、セルモジュールM同士の間に介装するシールプレートPとを備えている。図示例の単セルC及びシールプレートPは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状を成している。なお、図1(B)には、2つのセルモジュールMと、1つのシールプレートPを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールM及びシールプレートPを積層する。
<First Embodiment>
The fuel cell stack FS shown in FIG. 1 includes at least two or more cell modules M in which a plurality of single cells C are stacked and integrated as shown in FIG. And a seal plate P to be interposed. The unit cell C and the seal plate P in the illustrated example each have a rectangular plate shape having substantially the same vertical and horizontal dimensions. In FIG. 1B, two cell modules M and one seal plate P are shown, but in reality, a larger number of cell modules M and seal plates P are stacked.
また、燃料電池スタックFSは、セルモジュールMの積層方向の両端部に、エンドプレート56A,56Bを夫々配置し、単セルCの長辺側の積層端面(図1中で上下面)に、締結板57A,57Bが設けてあると共に、短辺側の積層端面に、補強板58A,58Bが設けてある。各締結板57A,57B及び補強板58A,58Bは、セルモジュールM及びシールプレートPから成る積層体Aの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより両エンドプレート56A,56Bに連結する。
The fuel cell stack FS has
このようにして、燃料電池スタックFSは、図1(A)に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールM及びシールプレートPを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルC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。 In this way, the fuel cell stack FS has a case-integrated structure as shown in FIG. 1A. Each cell module M and the seal plate P are constrained and pressurized in the stacking direction, and each unit cell C is predetermined. In order to maintain good gas sealing performance and electrical conductivity.
単セルCは、図2に示すように、膜電極接合体2をアノード側及びカソード側のセパレータ3,4で挟持した構造を有している。この実施形態の膜電極接合体2は、その周囲に樹脂製のフレーム1を一体的に有している。このフレーム1及びセパレータ3,4は、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。
As shown in FIG. 2, the single cell C has a structure in which the
膜電極接合体2は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図3(A)に示すように、固体高分子から成る電解質層11を燃料極層(アノード)12と空気極層(カソード)13とで挟持した構造を有している。燃料極層11及び空気極層13は、図示を省略したが、膜電極接合体2側から、触媒層と、多孔質体から成るガス拡散層を夫々備えたものである。この膜電極接合体2は、燃料極層12にアノードガス(水素)が供給されると共に、空気極層13にカソードガス(空気)が供給されて、電気化学反応により発電をする。
The
各セパレータ3,4は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。各セパレータ3,4は、膜電極接合体2に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。なお、これらのセパレータ3,4については、後に詳しく述べる。
Each of the
膜電極接合体2のフレーム1及び各セパレータ3,4は、短辺側の両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴H1〜H3,H4〜H6を有している。図2の左側に示す各マニホールド穴H1〜H3は、カソードガス供給用(H1)、冷却用流体供給用(H2)及びアノードガス排出用(H3)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図2の右側に示す各マニホールド穴H4〜H6は、アノードガス供給用(H4)、冷却流体排出用(H5)及びカソードガス排出用(H6)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。
The
また、フレーム1及び各セパレータ3,4の周縁部や、マニホールド穴H1〜H6の周囲には、シール部材Sが連続的に配置してある。これらのシール部材Sは、接着剤としても機能するもので、フレーム1及び膜電極接合体2とセパレータ3,4とを気密的に接合する。また、マニホールド穴H1〜H6の周囲に配置したシール部材Sは、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当箇所に開口を有している。
Further, a seal member S is continuously arranged around the peripheral edge of the
上記の単セルCは、所定枚数を積層してセルモジュールMを形成する。このとき、隣接する単セルC同士の間には、冷却用流体(例えば水)の流路を形成し、隣接するセルモジュールM同士の間にも冷却用流体の流路を形成する。したがって、シールプレートPは、セルモジュールM同士の間、すなわち冷却用流体の流路内に配置されている。 The unit cell C is formed by stacking a predetermined number of cell modules M. At this time, a flow path for cooling fluid (for example, water) is formed between adjacent single cells C, and a flow path for cooling fluid is also formed between adjacent cell modules M. Therefore, the seal plate P is disposed between the cell modules M, that is, in the flow path of the cooling fluid.
シールプレートPは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した単セルCとほぼ同じ矩形板状で且つ同じ大きさに形成され、両短辺側には、単セルCと同様のマニホールド穴H1〜H6が形成されている。このシールプレートPは、マニホールド穴H1〜H6の各周囲に、図示しないシール部材を備えると共に、その周縁部分に、外周シール部材51及び内周シール部材52が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材51により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材52によりセルモジュールM間の流路を流通する冷却用流体の漏出を防止する。
The seal plate P is formed by molding a single conductive metal plate, is formed in the same rectangular plate shape and in the same size as the above-described single cell C in plan view, and on both short sides, Manifold holes H1 to H6 similar to the single cell C are formed. This seal plate P is provided with a seal member (not shown) around each of the manifold holes H1 to H6, and an outer
ここで、上記の燃料電池スタックFSは、膜電極接合体2を一対のセパレータ2,3で挟持して成る単セルCを発電要素とし、前記単セルCを複数枚積層した構造を有しており、セパレータ3,4が、単セルCの内側に反応用ガスの流路を形成し且つ単セルCの外側に冷却用流体の流路を形成するための断面波形状の流路形成部23,24を有している。
Here, the fuel cell stack FS has a structure in which a single cell C formed by sandwiching the
各セパレータ3,4は、先述したように、膜電極接合体2に対応する中央部分に断面波形状の部分を有しており、この中央部分が流路形成部23,24である。また、この実施形態の流路形成部23,24は、図3(A)に示すように、断面が正弦波形状を成しており、図1に示す如く長辺方向に連続している。
As described above, each
より具体的には、図3(A)で上側に示すアノード側のセパレータ3は、膜電極接合体2の面(下面)において、流路形成部23の波形凸部23Aで膜電極接合体2に接触し、波形凹部23Bで膜電極接合体2との間にアノードガスの流路GAを形成している。これに対して、図3(A)で下側に示すカソード側のセパレータ4は、膜電極接合体2の面(上面)において、流路形成部24の波形凸部24Aで膜電極接合体2に接触し、波形凹部24Bで膜電極接合体2との間にカソードガスの流路GCを形成している。
More specifically, the anode-
なお、上記の波形凸部23A,24A及び波形凹部23B,24Bは、両セパレータ3,4が表裏反転形状を有するので、反対側の面において波形凹部23B,24B及び波形凸部23A,24Aになる。
The corrugated
そして、両セパレータ3,4は、積層方向に隣接する二枚の単セルC,Cにおいて、アノードセパレータ23の波形凸部23Aと、カソードセパレータ4の波形凸部24Aとを接触させて、双方の間に冷却用流体の流路Fを形成している。また、両セパレータ3,4は、流路形成部23,24の断面が正弦波形状であるため、波形凸部23A,24Aの頂部には平面が無く、膜電極接合体2や相手側のセパレータに対して概ね線接触である。
The
すなわち、この種のセパレータ(3,4)では、波形凸部(23A,24A)の頂部が平面であると、膜電極接合体(2)に接触させた際に、波形凸部(23A,24A)の平面に覆われた部分で反応用ガスの拡散性が低下する。これを解消するために、セパレータ(3,4)と膜電極接合体(2)との接触面積を小さくすると、ガス拡散性が向上する反面、接着面積の減少で電気抵抗ロスが大きくなる。 That is, in this kind of separator (3, 4), when the tops of the corrugated convex portions (23A, 24A) are flat, the corrugated convex portions (23A, 24A) are brought into contact with the membrane electrode assembly (2). The diffusivity of the reaction gas is reduced in the portion covered with the flat surface of If the contact area between the separator (3, 4) and the membrane electrode assembly (2) is reduced in order to solve this problem, the gas diffusibility is improved, but the electrical resistance loss is increased due to the reduction in the adhesion area.
そこで、上記のセパレータ3,4は、流路形成部23,24の断面を正弦波形状にすることで、波形凸部23A,24Aと膜電極接合体2との接触面積を小さくして、膜電極接合体2における良好なガス拡散性を確保する。しかも、セパレータ2,3は、流路形成部23,24の波形ピッチ(一組の凹凸の長さ)を小さくして凹凸の数を多くすることにより、各波形凸部23A,24Aと膜電極接合体2との総接触面積を大きく確保し、電気抵抗ロスを小さくする。
Therefore, the
ところが、セパレータ3,4は、上記の如く流路形成部23,24の断面を正弦波形状にして波形ピッチを小さくした場合、図3(B)に示すように、膜電極接合体の膨潤によって面内方向にずれる応力が発生すると、互いの波形が食い込むように変形する。このような変形が生じると、両セパレータ3,4間の導電性が低下し、また、両セパレータ3,4の間で形成される冷却用流体の流路Fも変形して冷却用流体の流通が困難になり、冷却効率が低下するおそれがある。
However, when the cross-sections of the flow
これに対して、上記の燃料電池スタックFSは、図3(A)及び図4に示すように、積層方向に隣接する二枚の単セルC間においてセパレータ3,4の波形凸部23A,24A同士を接合する接合部31を有している。そして、燃料電池スタックFSは、膜電極接合体2における膨潤量が相対的に大きい領域に対して、単位面積あたりの接合部31の面積を大きくした構成になっている。より望ましくは、膜電極接合体2の発電時の膨潤量が相対的に大きい領域に対して、単位面積あたりの接合部31の面積を大きくしている。
On the other hand, as shown in FIGS. 3A and 4, the fuel cell stack FS described above has corrugated
また、上記の燃料電池スタックFSにおいて、接合部31は、溶接及び導電性接着剤の少なくとも一方により形成することができ、単位面積あたりの接合部31の面積を大きくするには、接合部31自体の面積を大きくしたり、一定の大きさを有する接合部31の数を多くしたりすることができる。なお、溶接により接合部31を形成する場合、セパレータ3,4は金属製である。
In the fuel cell stack FS, the joint 31 can be formed by at least one of welding and a conductive adhesive. To increase the area of the joint 31 per unit area, the joint 31 itself. Can be increased, or the number of
図4に示す実施形態は、カソードガス(空気)の加湿度が高い燃料電池FSに好適である。カソードガスの加湿度が高い燃料電池FSでは、図4(A)に示すように、ガス流れ方向において、膜電極接合体2の厚さ方向の膨潤量が変化し、入口側から出口側にかけて低下する。この膨潤量の変化は、積層方向における各部位の荷重変化により判断することができる。
The embodiment shown in FIG. 4 is suitable for the fuel cell FS in which the humidification of the cathode gas (air) is high. In the fuel cell FS in which the humidification of the cathode gas is high, as shown in FIG. 4A, the amount of swelling in the thickness direction of the
そこで、図4(B)(C)に示すカソード側のセパレータ4は、その下面側に配置されるアノード側のセパレータ(図示せず)との接合部31を有し、膜電極接合体における膨潤量(又は発電時の膨潤量)が相対的に大きい入口側の領域に対して、単位面積あたりの接合部31の面積を大きくすると共に、出口側に向けて単位面積あたりの接合部31の面積を漸次減少させている。
Therefore, the cathode-
図4(B)に示すセパレータ4における接合部31は、ローラ電極を用いたシーム溶接等の連続的な溶接、若しくは導電性接着剤を用いた接着によるもので、その面積(長さ)を変えている。図示のセパレータ4には、各波形凹部24Bに同数(図示例では4個)の接合部31が所定間隔で設けてあり、入口側から出口側に向けて各接合部31の面積(長さ)を次第に小さくしている。なお、波形凹部24Bは、図3(A)に示すカソードガスのガス流路GCを形成し、その裏側である波形凸部(24A)においてアノード側のセパレータに接合される。
The joint 31 in the
図4(C)に示すセパレータ4における接合部31は、スポット溶接等の局部的な溶接、若しくは導電性接着剤を用いた接着によるもので、一定の大きさを有すると共に、その間隔を変えている。図示のセパレータ4には、個々の波形凹部24Bに同数(図示例では15個)の接合部31が配列してあり、入口側から出口側に向けて各接合部31の間隔を次第に大きくしている。
The joint 31 in the
上記の燃料電池スタックFSは、セパレータ3,4が、断面波形状の流路形成部23,24を有すると共に、積層方向に隣接する二枚の単セルC間において波形凸部23A,24A同士を接合する接合部31を有している。この燃料電池スタックFSは、膜電極接合体2における膨潤量が相対的に大きい領域に対して、単位面積あたりの接合部31の面積を大きくしたことから、膜電極接合体2における膨潤量の大きさに応じて接合部31が配置されるので、セパレータ3,4の波形ピッチを小さくした場合でも、膜電極接合体2の膨潤を起因とするセパレータ3,4同士の面内方向のずれを防止し、このずれによるセパレータ3,4の変形、すなわち互いの波形が食い込むような変形を防ぐことができる。
In the fuel cell stack FS described above, the
また、燃料電池スタックFSは、セパレータ3,4の変形を防止することで、両セパレータ3,4間の導電性を確保すると共に、セパレータ3,4間に形成される冷却用流体の流路Fの変形(図3B参照)も防止して、冷却効率の低下を未然に阻止し得る。
In addition, the fuel cell stack FS prevents the
さらに、燃料電池スタックFSは、セパレータ3,4の流路形成部23,24が断面正弦波形状であるものとしたので、面内方向にずれが生じやすいセパレータ3,4、換言すれば、流路形成部23,24の波形ピッチが小さくて凹凸の数が多いセパレータ3,4、すなわち膜電極接合体2におけるガス拡散性が良好であり且つ膜電極接合体2との間の電気抵抗ロスが小さいセパレータ3,4を採用し得る。
Furthermore, since the flow
そして、燃料電池スタックFSは、上記のセパレータ3,4を採用したうえで、膜電極接合体2の膨潤を起因とするセパレータ3,4同士の面内方向のずれを防止して、セパレータ3,4の変形を未然に阻止することができる。つまり、燃料電池スタックFSは、ガス拡散性の確保、電気抵抗ロスの低減、並びにセパレータ3,4のずれ防止及び変形防止のいずれをも実現したものとなる。また、燃料電池スタックFSは、膜電極接合体2の発電時の膨潤量が相対的に大きい領域に対して、単位面積あたりの接合部31の面積を大きくすることで、接合部31の面積が一層適切なものとなり、セパレータ3,4の変形防止効果がより高められる。
The fuel cell stack FS employs the
さらに、燃料電池スタックFSは、接合部31が、溶接及び導電性接着剤の少なくとも一方により形成されているものとしたので、単セルC若しくは燃料電池スタックFSの製造過程において、接合部31を容易に形成することが可能であると共に、セパレータ3,4間の貫通電気抵抗が非常に小さいものとなり、発電性能のさらなる向上を実現することができる。
Further, since the fuel cell stack FS has the joint 31 formed by at least one of welding and a conductive adhesive, the joint 31 can be easily formed in the manufacturing process of the single cell C or the fuel cell stack FS. In addition, the through electric resistance between the
〈第2実施形態〉
図5に示す実施形態は、カソードガス(空気)の加湿度が低い燃料電池FSに好適である。カソードガスの加湿度が低い燃料電池FSでは、図5(A)に示すように、ガス流れ方向において、膜電極接合体2の厚さ方向の膨潤量が変化し、入口側から中間部にかけて上昇してピークとなり、中間部から出口側にかけて低下する。
Second Embodiment
The embodiment shown in FIG. 5 is suitable for the fuel cell FS in which the humidification of the cathode gas (air) is low. In the fuel cell FS in which the humidification of the cathode gas is low, as shown in FIG. 5 (A), the amount of swelling in the thickness direction of the
そこで、図5(B)に示すカソード側のセパレータ4は、その下面側に配置されるアノード側のセパレータ(図示せず)との接合部31に関して、膜電極接合体における膨潤量(又は発電時の膨潤量)が相対的に大きいピーク領域に対して、単位面積あたりの接合部31の面積を大きくしている。また、セパレータ4は、ピーク領域の入口側で接合部31の面積を小さくし、ピーク領域から出口側に向けて接合部31の面積を漸次減少させている。
Therefore, the cathode-
図5(B)に示すセパレータ4における接合部31は、ローラ電極を用いたシーム溶接等の連続的な溶接、若しくは導電性接着剤を用いた接着によるもので、その面積(長さ)を変えている。図示のセパレータ4では、各波形凹部24Bに同数(図示例では4個)の接合部31が所定間隔で設けてあり、ピーク領域に対応する二番目の接合部31の面積(長さ)を最大にしている。
The
上記のセパレータ4を備えた燃料電池スタックFSは、先の実施形態と同様に、セパレータ3,4の波形ピッチを小さくした場合でも、膜電極接合体2の膨潤を起因とするセパレータ3,4同士の面内方向のずれを防止し、そのずれによるセパレータ3,4の変形を防ぐことができる。
In the fuel cell stack FS provided with the
〈参考例〉
図6は、セパレータの具体例を説明する各々断面図(A)(B)である。図示のセパレータ3は、素材として厚さ0.1mmのステンレス板を用いて、プレス加工により波形凸部23A及び波形凹部23Bを形成したものである。
<Reference example>
6A and 6B are cross-sectional views (A) and (B) for explaining specific examples of the separator. In the illustrated
セパレータ3は、図6(B)に示す波形ピッチPt、すなわち隣接する波形凸部23A同士の中心線の間隔を1.4mmにすると、図中の点線円内に示すように、波形凸部23Aの頂部には平面がほとんど無い状態になる。これは、プレス加工における成形限界なども影響している。
When the
そこで、図6(A)に示すように、波形ピッチPtを1.8mm程度まで広げると波形凹部23Aの頂部(点線円で示す)に平面ができる。このような平面があれば、セパレータの波形凸部同士を接触させた場合、面内方向にずれても波形凸部が波形凹部に脱落し難いものとなる。
Therefore, as shown in FIG. 6A, when the corrugated pitch Pt is increased to about 1.8 mm, a flat surface is formed at the top of the
しかしながら、セパレータ3は、波形ピッチPtを広げた場合、波形凸部23Aと、膜電極接合体2のガス拡散層との接触面積が減少し、膜電極接合体との間の電気抵抗ロスが増加する。また、その電気抵抗ロスを防ぐために、波形ピッチPtを大きくすると、波形凸部の平面に覆われた部分でのガス拡散性が低下して濃度過電圧が増加する。
However, in the
そのため、セパレータ3は、波形ピッチPtを小さくして凹凸の数を多くすることで、波形凸部が接触した部分でのガス拡散性を維持しつつ、全体的な接触面積を確保し、電気抵抗ロスの低減と濃度過電圧の低減との両立を図ることができる。本発明の燃料電池スタックは、上記のセパレータ3,4を用いたうえで、セパレータの断面の波形状と膜電極接合体の膨潤を起因とする問題点を解消している。なお、上記したセパレータ素材の厚さや波形ピッチPtの各数値は、一例であって、これに限定されるものではない。
Therefore, the
なお、本発明に係わる燃料電池スタックは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各部材の材料、形状、大きさ及び数などを変更することができる。例えば、一つのセパレータに、溶接による接合部と導電性接着剤を用いた接着による接合部の両方を設けることも可能であり、どのような接合部を設けるかは要求される性能や製造条件等に応じて適宜選択し得る。 The fuel cell stack according to the present invention is not limited to the above embodiments, and the material, shape, size, number, and the like of each member are changed without departing from the gist of the present invention. can do. For example, it is possible to provide both a joint by welding and a joint by adhesion using a conductive adhesive in one separator, and what kind of joint is provided is required performance, manufacturing conditions, etc. Depending on the case, it can be appropriately selected.
C 単セル
F 冷却用流体の流路
FS 燃料電池スタック
GA,GC ガス流路
2 膜電極接合体
3 アノード側セパレータ
4 カソード側セパレータ
23,24 流路形成部
23A,24A 波形凸部
23B,24B 波形凹部
31 接合部
C Single cell F Cooling fluid flow path FS Fuel cell stack GA, GC
Claims (3)
セパレータが、単セルの内側に反応用ガスの流路を形成し且つ単セルの外側に冷却用流体の流路を形成するための断面正弦波形状の流路形成部を有すると共に、両端部に反応用ガスのマニホールド穴を夫々有し、
前記流路形成部により形成した各前記流路が、一端側のマニホールド穴から他端側のマニホールド穴に向けて直線状を成しており、
積層方向に隣接する二枚の単セル間においてセパレータの波形凸部同士を接合する接合部を有し、
前記反応用ガスであるカソードガスの流れ方向において、入口側から出口側に向けて単位面積あたりの接合部の面積を漸次減少させたことを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell stack having a structure in which a rectangular unit cell formed by sandwiching a membrane electrode assembly between a pair of separators is used as a power generation element, and a plurality of the unit cells are stacked,
The separator has a flow path forming portion with a sinusoidal cross section for forming a flow path for the reaction gas inside the single cell and a flow path for the cooling fluid outside the single cell, and at both ends. Each has a manifold hole for reaction gas,
Each of the flow paths formed by the flow path forming portion has a linear shape from the manifold hole on one end side to the manifold hole on the other end side,
Between the two single cells adjacent to each other in the stacking direction has a joint that joins the corrugated convex portions of the separator,
A fuel cell stack, wherein the area of the junction per unit area is gradually decreased from the inlet side toward the outlet side in the flow direction of the cathode gas as the reaction gas .
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