WO2018020686A1 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
WO2018020686A1
WO2018020686A1 PCT/JP2016/072443 JP2016072443W WO2018020686A1 WO 2018020686 A1 WO2018020686 A1 WO 2018020686A1 JP 2016072443 W JP2016072443 W JP 2016072443W WO 2018020686 A1 WO2018020686 A1 WO 2018020686A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
seal
fuel cell
seal portion
gas
anode
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/072443
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
敬士 市原
隆夫 和泉
桂太 入月
Original Assignee
日産自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日産自動車株式会社 filed Critical 日産自動車株式会社
Priority to EP16910589.7A priority Critical patent/EP3493306B1/en
Priority to JP2018529341A priority patent/JP6848971B2/ja
Priority to BR112019001756-9A priority patent/BR112019001756B1/pt
Priority to CN201680088076.1A priority patent/CN109565060B/zh
Priority to US16/321,394 priority patent/US11223053B2/en
Priority to CA3032341A priority patent/CA3032341C/en
Priority to PCT/JP2016/072443 priority patent/WO2018020686A1/ja
Publication of WO2018020686A1 publication Critical patent/WO2018020686A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an improvement in a fuel cell having a structure in which a cell structure is sandwiched between a pair of separators.
  • Patent Document 1 As a conventional fuel cell, there is one described in Patent Document 1, for example.
  • the fuel cell described in Patent Document 1 includes a membrane electrode assembly including electrode layers on both surfaces of an electrolyte layer, and a pair of separators facing each other with the membrane electrode assembly interposed therebetween.
  • a reaction gas supply manifold and a discharge manifold are formed in the membrane electrode assembly and the separator, respectively.
  • annular seal member is disposed between the peripheral edge of the membrane electrode assembly and the separator so as to surround the electrode layer in order to prevent leakage of the reaction gas. Further, in the membrane electrode assembly, a seal member is disposed around the manifold for the cathode gas on the anode side, and a seal member is disposed around the manifold for the anode gas on the cathode side. Each circulation space of the cathode gas is hermetically separated.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and can suppress leakage of the anode gas to the outside. Even if the seal portion of the anode gas deteriorates, It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can be rendered harmless before the anode gas that has passed through is discharged to the outside.
  • a fuel cell according to the present invention includes a cell structure having a structure in which an electrolyte is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and a pair of separators that respectively form anode gas and cathode gas flow regions between the cell structure and the cell structure. It has.
  • the fuel cell includes, on the anode electrode side of the cell structure, a first seal portion that surrounds a circulation region of the anode gas, and a second seal portion that surrounds an outer peripheral side of the first seal portion, An oxygen-containing gas flow passage is formed between the first seal portion and the second seal portion.
  • the first seal portion and the second seal portion form a double seal structure between the anode electrode side of the cell structure and the separator facing the anode electrode, and the anode gas Prevent leakage to the outside.
  • the fuel cell forms a flow path for the oxygen-containing gas between the first seal part and the second seal part on the outer peripheral side thereof. Therefore, the anode gas that has passed through the first seal portion is mixed and burned with the oxygen-containing gas or diluted with the oxygen-containing gas.
  • the fuel cell according to the present invention can suppress the leakage of the anode gas, and even if the first seal portion deteriorates, the anode gas that has passed through the first seal portion is discharged to the outside. Can be detoxified before doing. Thereby, the fuel cell can improve safety.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell illustrating a first embodiment of the present invention. It is sectional drawing of the long side part of a fuel cell. It is a top view explaining the cathode electrode side and anode electrode side of a cell structure. It is sectional drawing of the long side part of the fuel cell which shows 2nd Embodiment of this invention. It is sectional drawing of the long side part of the state fuel cell which shows 3rd Embodiment of this invention. It is a top view by the side of the anode electrode which shows 4th Embodiment of this invention. It is a top view by the side of the anode electrode which shows 5th Embodiment of this invention. It is sectional drawing of the principal part of the fuel cell stack which shows 6th Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a fuel cell stack FS including a fuel cell FC according to the present invention.
  • the illustrated fuel cell stack FS has a structure in which cell structures 3 having frames 2 around a power generation region 1 and separators 4 are alternately stacked. Although two cell structures 3 are shown in FIG. 1, a large number of cell structures 3 are actually stacked. Further, in the fuel cell stack FS, the number of separators 4 is one more than the number of cell structures 3 for the purpose of forming gas flow regions on both surfaces of each cell structure 3.
  • the cell structure 3 includes a frame 2 that holds the periphery thereof, and includes the cell structure 3 and a pair of separators 4 and 4. That is, in the fuel cell stack FS shown in FIG. 1, adjacent fuel cells FC share the separator 4 between them to form the respective fuel cells FC.
  • the cell structure 3 is a plate-like multi-layer structure having a planar rectangle. As shown in FIG. 3, a part of the cell structure 3 is an upper cathode electrode (air electrode) 6 in FIG.
  • the anode 5 (fuel electrode) 7 sandwiches the electrolyte 5.
  • the cell structure 3 has a support plate 8 made of a porous material such as foam metal on the anode electrode 7 side. This cell structure 3 has a mechanical strength increased by the support plate 8 while maintaining gas permeability to the anode electrode 7, and may be referred to as a metal support cell, for example.
  • the frame 2 is a part of the cell structure 3, and the material thereof is not particularly limited, but resin or metal can be used.
  • the frame 2 may be integrally formed with the power generation region 1 including the electrolyte 5, the cathode electrode 6, and the anode electrode 7. Further, the frame 2 uses a porous support plate 8 having a size capable of disposing the power generation region 1 in the center, and the periphery of the support plate 8 is compressed and densified. Part).
  • the cell structure 3 of this embodiment includes a reinforcing plate 9 made of a material having gas permeability such as expanded metal or metal mesh on the cathode electrode 6 side, and maintains gas permeability to the cathode electrode 6. However, the mechanical strength is further increased.
  • the separator 4 is made of a metal material such as stainless steel and is a planar rectangular member corresponding to the cell structure 3 and is formed into an inverted shape having irregularities by pressing.
  • one separator 4 of the pair of separators 4 and 4 forms a cathode gas (oxygen-containing gas / air) circulation region G2 between the cell structure 3 and the cathode electrode 6 side.
  • the other separator 4 forms an anode gas (hydrogen-containing gas / hydrogen gas) flow region G1 between the cell structure 3 and the anode electrode 7 side.
  • each shared separator 4 forms a cathode gas flow region G2 on one side which is the upper side in FIG. 3, and forms an anode gas flow region G1 on the other side which is the lower side in FIG.
  • both distribution regions G1 and G2 are separated.
  • region G1, G2 is the whole region which only each gas can distribute
  • an anode gas supply manifold hole H1 and a cathode gas discharge manifold hole H2 are formed in one short side portion of the frame 2 of the cell structure 3 and the separator 4, respectively.
  • an anode gas discharge manifold hole H3 and a cathode gas supply manifold hole H4 are formed in the other short side portion, respectively.
  • These manifold holes H1 to H4 form manifolds that communicate with each other and allow fuel gas and air to flow in a state where the cell structure 3 and the separator 4 are stacked.
  • end plates E1 and E2 are arranged above and below the stack of fuel cells FC via current collecting plates C1 and C2.
  • the fuel cell stack FS restrains the stack by connecting the end plates E1 and E2 on both sides with bolts and nuts.
  • a spring for applying a stacking load is disposed as necessary.
  • the current collector plates C1 and C2 and one end plate E2 are also formed with individual manifold holes H1 to H4.
  • the main seal members S include those arranged between the peripheral portions of the cell structure 3 and the separator 4, and those arranged around the manifold holes H1 to H4. Details are described below.
  • the fuel cell FC constituting the fuel cell stack FS includes, on the anode electrode 7 side of the cell structure 3, a first seal portion S1 that surrounds the anode gas flow region G1, A second seal portion S2 that surrounds the outer peripheral side of the first seal portion S1 is provided.
  • the first and second seal portions S1 and S2 are arranged at a constant interval, and an oxygen-containing gas flow passage F is formed between the first and second seal portions S1 and S2.
  • the fuel cell FC includes anode gas manifold holes H1 and H3 in the anode gas flow region G1 on the anode electrode 7 side of the cell structure 3, and between the first seal portion and the second seal portion. Are provided with cathode gas manifold holes H2 and H4.
  • the fuel cell FC has a third seal part surrounding the anode gas manifold holes H1 and H3 and a fourth seal part surrounding the cathode gas flow region G2 on the cathode electrode 6 side of the cell structure 3.
  • the fuel cell FC surrounds the anode gas flow region G1, that is, the flow region G1 including the anode electrode 7 and the manifold holes H1 and H3, on the anode electrode 7 side of the cell structure 3 shown on the right side in FIG.
  • the endless first seal portion S1 is arranged.
  • the manifold holes H2 and H4 for the cathode gas are outside the first seal portion S1.
  • an endless second seal portion S2 is provided at the peripheral edge of the frame 2 so that the anode gas flow region G1 and the cathode gas manifold holes H2 and H4 are included on the anode electrode 7 side of the cell structure 3. It is arranged.
  • an endless third seal portion S3 is arranged around the manifold holes H1 and H3 for the anode gas.
  • an endless fourth seal portion is formed on the peripheral edge of the frame 2 so as to surround the cathode gas flow region G2, that is, the flow region G2 including the cathode electrode 6 and the manifold holes H2 and H4. S4 is arranged.
  • the fuel cell FC having the above-described configuration supplies the cathode gas to the cathode electrode 6 of the cell structure 3 and also supplies the anode gas to the anode electrode 7, whereby the electrochemical reaction in each of the electrodes 6, 7 and the electrolyte 5. To generate electrical energy.
  • the anode gas flows from the supply manifold hole H1 through the anode electrode 7 to the discharge manifold hole H3.
  • the cathode gas flows from the supply manifold H4 through the cathode electrode 6 to the discharge manifold hole H2, and the anode gas (AG). The flow is reversed.
  • the flow path F for the oxygen-containing gas is formed between the first seal portion S1 and the second seal portion S2 on the anode electrode 7 side of the cell structure 3, and this flow Since the cathode gas manifold holes H2 and H4 are arranged in the path F, the cathode gas, which is an oxygen-containing gas, continuously flows through the flow path F as indicated by a short arrow in FIG. Since the cathode gas supplied to the flow path F is a part of the cathode gas before being supplied to the power generation region 1, it contains a sufficient amount of oxygen.
  • the fuel cell FC having the above configuration has a double seal between the anode electrode 7 side of the cell structure 3 and the separator 4 facing the cell structure 3 by the first seal portion S1 and the second seal portion S2.
  • a structure is formed to prevent leakage of anode gas to the outside.
  • the fuel cell FC has a relationship between the first seal portion S1 and the second seal portion S2 even if the anode gas leaks outside the first seal portion S1. Since there is a flow passage F for the oxygen-containing gas, the anode gas and the cathode gas (oxygen-containing gas) are mixed and burned in the flow passage F, or the anode gas is diluted with the cathode gas.
  • the fuel cell FC can prevent the anode gas from leaking to the outside due to the double seal structure, and even if the first seal portion S1 deteriorates, in the flow path F, The anode gas that has passed through the first seal portion S1 can be rendered harmless before being discharged to the outside. As a result, it is possible to prevent a situation in which high-concentration anode gas is discharged to the outside and improve safety.
  • the manifold holes H2 and H4 for the cathode gas are arranged between the first and second seal portions S1 and S2, and the cathode gas as the oxygen-containing gas is circulated through the flow path F. Therefore, it is not necessary to use an independent oxygen-containing gas supply system for the flow path F, and the apparatus structure and the entire system can be simplified and reduced in cost.
  • FIG. 5 to FIG. 9 are views showing second to sixth embodiments of the fuel cell and the fuel cell stack according to the present invention.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the seal strength of the first and second seal portions S1, S2 and the seal strength of the third and fourth seal portions S3, S4 are different from each other. Can do.
  • the seal strength of the first and second seal portions S1, S2 can be greater than the seal strength of the third and fourth seal portions S3, S4.
  • the first and second seal portions S1 and S2 are formed by welding, and the fourth seal portion S4 is formed by a glass material such as low crystallized glass.
  • the seal structure of the fuel cell FC has different seal strengths on the anode side and the cathode side, and the seal strength on the anode side employing welding is relatively large. Since FIG. 5 is a cross section of the long side portion of the fuel cell FC, the third seal portion (S3) does not appear in the drawing.
  • the first and third seal portions S1 and S3 are in contact with both the anode gas and the cathode gas.
  • the second and fourth seal portions S2, S4 are mainly in contact with the cathode gas. Therefore, the fuel cell FC appropriately selects the sealing method of each of the seal portions S1 to S4, the material of the seal member, the seal structure, and the like according to the type of gas that comes into contact, and varies the seal strength.
  • the fuel cell FC prevents leakage of the anode gas to the outside by the double seal structure including the first and second seal portions S1 and S2, as in the previous embodiment. Further, as shown by a dotted arrow in the drawing, the fuel cell FC burns or dilutes the anode gas that has passed through the first seal portion S1 in the flow path F even if the first seal portion S1 deteriorates. And detoxify before discharging to the outside.
  • the fuel cell FC includes the first and second seal portions S1 and S2 and the third and fourth seal portions S3 and S4 having different seal strengths.
  • the robustness of the seal portions S1 to S4 can be improved against corrosion, oxidation, and reduction, and the reliability and safety can be further improved.
  • the fuel cell FC makes the seal strength of the first and second seal portions S1, S2 larger than the seal strength of the third and fourth seal portions S3, S4, thereby preventing corrosion, oxidation, and reduction. Further improvement of the robustness of the seal portions S1 to S4 is realized.
  • the weld is made of metal and deteriorates when placed in a high-temperature oxidizing environment (generates an oxide layer and weakens), so it is desirable to provide it in a reducing atmosphere. From such a viewpoint, in the above embodiment, the robustness is improved by adopting welding for the first and second seal portions S1 and S2 on the anode gas side.
  • the first and second seal portions S1 and S2 are formed by welding, and the third and fourth seal portions S3 and S4 are formed of a glass material, so that the seal strengths are different from each other.
  • the seal strength can be set, for example, by increasing / decreasing the welding range or changing the composition of the glass material. Accordingly, for example, the anode side first seal portion S1 and the cathode side third seal portion S3 are formed by welding, and the anode side second seal portion S2 and the cathode side fourth seal portion S4 are formed by a glass material.
  • the seal strengths of the seal portions S1 to S4 can be made different from each other.
  • the seal strength of the first seal portion S1 and the seal strength of the second seal portion S2 are different from each other.
  • the seal strength of the first seal portion S1 can be greater than the seal strength of the second seal portion S2.
  • the first seal portion S1 is formed by welding, and the second seal portion S2 is formed by a glass material.
  • the fuel cell FC having the above-described configuration has different rupture modes (inputs effective for rupture) of the first seal portion S1 and the second seal portion S2.
  • the fuel cell FC can obtain the same effects as those of the previous embodiment, and both the first and second seal portions S1 and S2 are broken simultaneously with respect to a certain input. Stop things before they happen.
  • the anode gas sealing function by the first seal portion S1 is improved.
  • the fuel cell FC burns or dilutes the anode gas that has passed through the first seal portion S1 in the flow passage F in which the oxygen-containing gas flows, Can be detoxified before being discharged.
  • the fuel cell FC is formed by welding the first seal portion S1 and the second seal portion S2 by a glass material, so that the anode gas sealing function is improved, and at high temperatures, The two-seal part S2 is softened and the fragility is lowered, which can contribute to the improvement of the robustness of the sealing function.
  • ⁇ Fourth embodiment> In the fuel cell FC shown in FIG. 7, on the anode electrode 7 side of the cell structure 3, the first and second seal portions S1 and S2 exclude the cathode gas manifold holes H2 and H4, The distribution area G1 is surrounded.
  • the fuel cell FC forms an oxygen-containing gas flow passage F between the first and second seal portions S1 and S2, and continuously supplies the oxygen-containing gas from the supply source 10 to the flow passage F.
  • seal members S, S surrounding the cathode gas manifold holes H2, H4 are provided on the anode electrode 7 side of the illustrated fuel cell FC.
  • the fuel cell FC forms an oxygen-containing gas inlet 11A in the flow passage F.
  • the supply source 10 may be included in, for example, a cathode gas supply system, or may independently supply an oxygen-containing gas. Moreover, if oxygen gas is used as the oxygen-containing gas, the mixed combustion with the anode gas leaked into the flow path F is further promoted, which can contribute to further detoxification of the anode gas.
  • an outlet 11B of the flow passage F may be provided to improve the flowability of the oxygen-containing gas in the flow passage F.
  • the seal members S and S surrounding the manifold holes H2 and H4 of the cathode gas are illustrated. However, the second seal portion passes through the inside and outside of the manifold holes H2 and H4. S2 may be branched.
  • the fuel cell FC shown in FIG. 8 has an oxygen-containing gas flow passage F formed between the first and second seal portions S1 and S2 on the anode electrode 7 side of the cell structure 3, and the cathode gas
  • One of the manifold holes H2 and H4 is arranged.
  • a manifold hole H4 for supplying cathode gas is disposed in the flow path F, and a seal member S is provided to surround the manifold hole H2 for discharge.
  • an oxygen-containing gas outlet 11B is provided in the vicinity of the cathode gas discharge side manifold hole H2 or a passage extending from the outlet 11B to the discharge manifold hole H2 is provided. You may do it.
  • the double seal structure including the first and second seal portions S1 and S2 prevents the anode gas from leaking to the outside. 1. Even if the first seal portion S1 is deteriorated, the anode gas that has passed through the first seal portion S1 can be burned or diluted in the flow path F and rendered harmless before being discharged to the outside.
  • the fuel cell stack FS shown in FIG. 9 has a structure in which the fuel cells FC (see FIG. 2) described in the previous embodiment are stacked. At this time, the adjacent fuel cells FC have the separator 4 between them. Each fuel cell is configured in common.
  • the fuel cell stack FS includes a frame 2 in which a cell structure 3 constituting the fuel cell FC holds its periphery.
  • the frame 2 of each cell structure 3 has an extending portion 2 ⁇ / b> A extending on the outer periphery side of the peripheral portion of the separator 4 on the outer periphery thereof.
  • the second seal portion S2 is disposed between the extending portions 2A and 2A.
  • the second seal portion S2 surrounds the outer peripheral side of the first seal portion S1 that surrounds the circulation region G1 of the anode gas.
  • the second seal portion S2 of this embodiment is disposed between the extending portions 2A and 2A of the frame 2, that is, in a portion where the separator 4 does not exist.
  • sticker part S2 integrates the 4th seal
  • the anode gas is sealed by the first seal portion S1 and the cathode gas is sealed by the second seal portion S2, even if the second seal portion S2 is integrated with the fourth seal portion S4. Is sealed.
  • the fuel cell stack FS forms an oxygen-containing gas flow path F between the first seal portion S1 and the second seal portion S2. Therefore, it is more preferable to use a cathode gas as the oxygen-containing gas to be circulated through the flow passage F because of its structure.
  • the fuel cell stack FS has a double seal structure including the first and second seal portions S1 and S2 to prevent the anode gas from leaking to the outside. To prevent. Further, even if the first seal portion S1 deteriorates, the fuel cell stack FS can be made harmless before the anode gas is burned or diluted in the flow passage F and discharged to the outside.
  • the second seal portion S2 is integrated with the fourth seal portion S4, the number of parts and man-hours can be reduced correspondingly, and the production efficiency can be reduced. Improvement and cost reduction can be realized.
  • the configuration of the fuel cell and the fuel cell stack according to the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the details of the configurations may be changed as appropriate without departing from the gist of the present invention. These configurations can be appropriately combined.
  • the cell structure 3 includes the first seal portion S1 and the second seal portion S2 on the anode electrode 7 side, and the cathode gas manifold holes H2 are provided outside the first seal portion S1.
  • a configuration in which H4 is arranged is illustrated.
  • the cathode gas manifold hole H2 is formed inside the first seal portion S1. H4 may be disposed, and another seal portion (the seal member S in FIGS. 7 and 8) may be disposed around the manifold holes H2 and H4.
  • an independent supply source 10 as shown in FIG. 7 or a cathode gas (oxygen-containing gas) from the manifold holes H2 and H4 to the flow passage F is communicated. A path can be used, and thereby the same effect as that of each embodiment can be obtained.
  • Fuel cell FS Fuel cell stack G1 Anode gas flow region G2 Cathode gas flow region H1, H3 Anode gas manifold hole H2, H4 Cathode gas manifold hole S1 First seal part S2 Second seal part S3 First 3 seal part S4 4th seal part 2 frame 2A extension part 3 cell structure 4 separator 5 electrolyte 6 cathode electrode 7 anode electrode

Abstract

電解質５をアノード電極７及びカソード電極６で挟んだ構造を有するセル構造体３と、セル構造体３との間にアノードガス及びカソードガスの流通領域Ｇ１，Ｇ２を夫々形成する一対のセパレータ４とを備え、セル構造体３のアノード電極７側に、アノードガスの流通領域Ｇ１を囲繞する第１シール部Ｓ１と、第１シール部Ｓ１の外周側を囲繞する第２シール部Ｓ２とを備え、第１シール部Ｓ１と第２シール部Ｓ２との間に、酸素含有ガスの流通路Ｆを形成した燃料電池ＦＣとし、二重のシール構造でアノードガスの漏出を抑制し、万一、第１シール部Ｓ１が劣化したとしても、第１シール部を通過したアノードガスを外部に排出する前に無害化する。

Description

燃料電池
　本発明は、セル構造体を一対のセパレータで挟持した構造を有する燃料電池の改良に関するものである。
　従来の燃料電池としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の燃料電池は、電解質層の両面に電極層を備えた膜電極接合体と、膜電極接合体を挟んで対向する一対のセパレータとを備えている。膜電極接合体及びセパレータには、反応ガスの供給用マニホールド及び排出用マニホールドが夫々形成してある。
　そして、燃料電池は、膜電極接合体の周縁部とセパレータとの間に、反応ガスの漏洩を防止するために、環状のシール部材が電極層の周囲を囲むように配置してある。また、膜電極接合体は、アノード側において、カソードガス用のマニホールドの周囲にシール部材を配置すると共に、カソード側において、アノードガスのマニホールドの周囲にシール部材を配置し、これにより、アノードガス及びカソードガスの夫々の流通空間を気密的に分離している。
日本国特開２０１１－２２８１８７号公報
　ところで、上記したような燃料電池は、アノードガスに可燃性ガス（水素）が含まれているので、ガス漏れ対策を講じておく必要があり、安全性の向上を図るうえでさらなる改良を施すことが非常に重要である。
　本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、アノードガスの外部への漏出を抑制することができ、万一、アノードガスのシール部が劣化したとしても、シール部を通過したアノードガスを外部に排出する前に無害化することができる燃料電池を提供することを目的としている。
　本発明に係わる燃料電池は、電解質をアノード電極及びカソード電極で挟んだ構造を有するセル構造体と、前記セル構造体との間にアノードガス及びカソードガスの流通領域を夫々形成する一対のセパレータとを備えている。そして、燃料電池は、前記セル構造体のアノード電極側に、アノードガスの流通領域を囲繞する第１シール部と、前記第１シール部の外周側を囲繞する第２シール部とを備え、前記第１シール部と第２シール部との間に、酸素含有ガスの流通路を形成したことを特徴としている。
　本発明に係わる燃料電池では、セル構造体のアノード電極側と、これに対向するセパレータとの間において、第１シール部と第２シール部とで二重のシール構造を形成して、アノードガスの外部への漏出を防止する。また、燃料電池は、万一、第１シール部の外側にアノードガスが漏出しても、第１シール部とその外周側の第２シール部との間に、酸素含有ガスの流通路を形成しているので、第１シール部を通過したアノードガスは、酸素含有ガスと混合燃焼し、若しくは酸素含有ガスにより希釈される。
　このようにして、本発明に係わる燃料電池は、アノードガスの漏出を抑制することができ、万一、第１シール部が劣化したとしても、第１シール部を通過したアノードガスを外部に排出する前に無害化することができる。これにより、燃料電池は、安全性を高めることができる。
本発明の燃料電池を含む燃料電池スタックを示す分解斜視図である。 本発明の第１実施形態を説明する燃料電池の斜視図である。 燃料電池の長辺部分の断面図である。 セル構造体のカソード電極側及びアノード電極側を説明する平面図である。 本発明の第２実施形態を示す燃料電池の長辺部分の断面図である。 本発明の第３実施形を示す態燃料電池の長辺部分の断面図である。 本発明の第４実施形態を示すアノード電極側の平面図である。 本発明の第５実施形態を示すアノード電極側の平面図である。 本発明の第６実施形態を示す燃料電池スタックの要部の断面図である。
〈第１実施形態〉
　図１は、本発明に係わる燃料電池ＦＣを含む燃料電池スタックＦＳを概略的に示す図である。図示の燃料電池スタックＦＳは、発電領域１の周囲にフレーム２を備えたセル構造体３と、セパレータ４とを交互に積層した構造を有している。なお、図１には２枚のセル構造体３を示したが、実際には多数のセル構造体３を積層する。また、燃料電池スタックＦＳは、個々のセル構造体３の両面にガスの流通領域を形成する都合上、セパレータ４の数はセル構造体３の数よりも１枚多くなる。
　燃料電池ＦＣは、図２に示すように、セル構造体３が、その周囲を保持するフレーム２を含み、このセル構造体３と、一対のセパレータ４，４とを備えている。すなわち、燃料電池ＦＣは、図１に示す燃料電池スタックＦＳにおいては、隣接するもの同士が、相互間のセパレータ４を共用して夫々の燃料電池ＦＣを形成している。
　セル構造体３は、平面矩形を成すプレート状の多層構造体であり、図３に一部を示すように、図３中で上側のカソード電極（空気極）６と、図３中で下側のアノード電極（燃料極）７とで電解質５を挟んだ構造を有している。また、セル構造体３は、アノード電極７側に、発泡金属等の多孔質材から成る支持プレート８を有している。このセル構造体３は、支持プレート８により、アノード電極７へのガス透過性を維持しつつ機械的強度を高めたものであり、例えば、メタルサポートセルと称されることがある。
　上記フレーム２は、セル構造体３の一部であり、その材料がとくに限定されるものではないが、樹脂や金属を用いることができる。このフレーム２は、電解質５、カソード電極６及びアノード電極７から成る発電領域１と一体成形しても良い。また、フレーム２は、中央に発電領域１を配置し得る大きさの多孔質材製の支持プレート８を使用し、この支持プレート８の周囲を圧縮して緻密化し、緻密化部分をフレーム（フレーム部）とすることもできる。
　この実施形態のセル構造体３は、カソード電極６側に、エキスパンドメタルや金属メッシュ等のガス透過性を有する材料から成る補強プレート９を備えており、カソード電極６へのガス透過性を維持しつつ機械的強度をより一層高めている。
　セパレータ４は、ステンレス等の金属材料から成ると共に、セル構造体３に対応した平面矩形の部材であり、プレス加工により凹凸を有する表裏反転形状に成形してある。燃料電池ＦＣにおいて、一対のセパレータ４，４のうちの一方のセパレータ４は、セル構造体３のカソード電極６側との間で、カソードガス（酸素含有ガス・空気）の流通領域Ｇ２を形成する。また、他方のセパレータ４は、セル構造体３のアノード電極７側との間で、アノードガス（水素含有ガス・水素ガス）の流通領域Ｇ１を形成する。
　なお、燃料電池ＦＣは、先述したように、燃料電池スタックＦＳにおいては相互間のセパレータ４を共用している。このため、共用の各セパレータ４は、図３中の上側である一方側でカソードガスの流通領域Ｇ２を形成し、図３中の下側である他方側でアノードガスの流通領域Ｇ１を形成して、双方の流通領域Ｇ１，Ｇ２を分離している。各流通領域Ｇ１，Ｇ２は、夫々のガスのみが流通し得る全域である。
　ここで、セル構造体３のフレーム２、及びセパレータ４の一方の短辺部分には、アノードガスの供給用マニホールド穴Ｈ１、及びカソードガス排出用マニホールド穴Ｈ２が夫々形成してある。また、他方の短辺部分には、アノードガスの排出用マニホールド穴Ｈ３、及びカソードガスの供給用マニホールド穴Ｈ４が夫々形成してある。これらのマニホールド穴Ｈ１～Ｈ４は、セル構造体３及びセパレータ４を積層した状態で、互いに連通して燃料ガスや空気を流通させるマニホールドを夫々形成する。
　燃料電池スタックＦＳは、図１に示すように、燃料電池ＦＣの積層体の上下に、集電板Ｃ１，Ｃ２を介してエンドプレートＥ１，Ｅ２を配置する。そして、燃料電池スタックＦＳは、両側のエンドプレートＥ１，Ｅ２をボルト・ナット類で連結して積層体を拘束する。エンドプレートＥ１，Ｅ２の連結には、必要に応じて、積層荷重を付与するためのスプリングを配置する。なお、集電板Ｃ１，Ｃ２及び一方のエンドプレートＥ２にも個々のマニホールド穴Ｈ１～Ｈ４が形成してある。
　また、燃料電池スタックＦＳにおいて、各部材間には、図１中で点線で示すシール部材Ｓが配置してある。主なシール部材Ｓとしては、セル構造体３とセパレータ４との周縁部同士の間に配置したものと、マニホールド穴Ｈ１～Ｈ４の周囲に配置したものがある。その詳細は以下に述べる。
　上記の燃料電池スタックＦＳを構成する燃料電池ＦＣは、図２～４に示すように、セル構造体３のアノード電極７側に、アノードガスの流通領域Ｇ１を囲繞する第１シール部Ｓ１と、第１シール部Ｓ１の外周側を囲繞する第２シール部Ｓ２を備えている。第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２は、一定の間隔をおいて配置してあり、双方の間に、酸素含有ガスの流通路Ｆを形成している。
　また、燃料電池ＦＣは、セル構造体３のアノード電極７側において、アノードガスの流通領域Ｇ１内にアノードガスのマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３を含むと共に、第１シール部と第２シール部との間にカソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４が配置してある。
　さらに、燃料電池ＦＣは、セル構造体３のカソード電極６側に、アノードガスのマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３を囲繞する第３シール部と、カソードガスの流通領域Ｇ２を囲繞する第４シール部とを備えている
　つまり、燃料電池ＦＣは、図３中で右側に示すセル構造体３のアノード電極７側に、アノードガスの流通領域Ｇ１、すなわちアノード電極７及びマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３を含む流通領域Ｇ１を囲繞するように、無端状の第１シール部Ｓ１が配置してある。この際、カソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４は、第１シール部Ｓ１の外側となる。そして、セル構造体３のアノード電極７側には、アノードガスの流通領域Ｇ１及びカソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４が含まれるように、フレーム２の周縁部に無端状の第２シール部Ｓ２が配置してある。
　他方、セル構造体３のカソード電極６側では、図３中で左側に示すように、アノードガスのマニホールド穴Ｈ１，Ｈ３の周囲に無端状の第３シール部Ｓ３が配置してある。また、同じくカソード電極６側では、カソードガスの流通領域Ｇ２、すなわちカソード電極６及びマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４を含む流通領域Ｇ２を囲繞するように、フレーム２の周縁部に無端状の第４シール部Ｓ４が配置してある。
　上記構成を備えた燃料電池ＦＣは、セル構造体３のカソード電極６にカソードガスを供給すると共に、アノード電極７にアノードガスを供給することで、各電極６，７及び電解質５における電気化学反応により電気エネルギを発生する。
　この際、燃料電池ＦＣは、図３中の右側に示すアノード電極７側では、アノードガス（矢印ＡＧ）が、供給用のマニホールド穴Ｈ１からアノード電極７を経て排出用のマニホールド穴Ｈ３に流れる。また、図３中の左側に示すカソード電極６側では、カソードガス（矢印ＣＧ）が、供給用のマニホールドＨ４からカソード電極６を経て排出用のマニホールド穴Ｈ２に流れ、アノードガス（ＡＧ）とは逆向きの流れになる。
　また、この実施形態の燃料電池ＦＣでは、セル構造体３のアノード電極７側において、第１シール部Ｓ１と第２シール部Ｓ２との間に酸素含有ガスの流通路Ｆを形成し、この流通路Ｆにカソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４を配置しているので、図３中に短い矢印で示すように、流通路Ｆに酸素含有ガスであるカソードガスが継続的に流通する。この流通路Ｆに供給されるカソードガスは、発電領域１に供給する前のカソードガスの一部であるから、充分な酸素量を含有している。
　上記構成を備えた燃料電池ＦＣは、セル構造体３のアノード電極７側と、これに対向するセパレータ４との間において、第１シール部Ｓ１と第２シール部Ｓ２とにより、二重のシール構造を形成して、アノードガスの外部への漏出を防止する。
　また、燃料電池ＦＣは、図３中に点線矢印で示すように、万一、第１シール部Ｓ１の外側にアノードガスが漏出しても、第１シール部Ｓ１と第２シール部Ｓ２との間に、酸素含有ガスの流通路Ｆがあるので、この流通路Ｆにおいて、アノードガスとカソードガス（酸素含有ガス）とが混合燃焼し、若しくはアノードガスがカソードガスにより希釈される。
　このようにして、燃料電池ＦＣは、二重のシール構造により、アノードガスの外部への漏出を防止することができ、万一、第１シール部Ｓ１が劣化したとしても、流通路Ｆにおいて、第１シール部Ｓ１を通過したアノードガスを外部に排出する前に無害化することができる。これにより、高濃度のアノードガスが外部に排出されるような事態を未然に阻止することができ、安全性を高めることができる。
　また、上記の燃料電池ＦＣは、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２の間にカソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４を配置し、流通路Ｆに酸素含有ガスとしてのカソードガスを流通させるようにしているので、流通路Ｆに対して、独立した酸素含有ガスの供給系を用いる必要がなく、装置構造並びにシステム全体の簡略化や低コスト化を実現することができる。
　図５～図９は、本発明に係わる燃料電池及び燃料電池スタックの第２～第６の実施形態を示す図である。以下の各実施形態において、第１実施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。
〈第２実施形態〉
　燃料電池ＦＣは、より好ましい実施形態として、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２のシール強度と、第３及び第４のシール部Ｓ３，Ｓ４のシール強度とが、互いに異なるものにすることができる。この場合、さらに好ましい実施形態として、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２のシール強度が、第３及び第４シール部Ｓ３，Ｓ４のシール強度よりも大きいものとすることができる。
　図５に示す燃料電池ＦＣは、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２が、溶接で形成してあり、第４のシール部Ｓ４が、低結晶化ガラス等のガラス材により形成されている。これにより、燃料電池ＦＣのシール構造は、アノード側及びカソード側でシール強度が互いに異なり、溶接を採用したアノード側のシール強度が相対的に大きいものとなる。なお、図５は、燃料電池ＦＣの長辺部分の断面であるから、第３シール部（Ｓ３）は図中に表れない。
　第１及び第３のシール部Ｓ１，Ｓ３は、アノードガス及びカソードガスの両方に接触する。また、第２及び第４のシール部Ｓ２，Ｓ４は、主にカソードガスに接触する。そこで、燃料電池ＦＣは、接触するガスの種類等に応じて、各シール部Ｓ１～Ｓ４のシール方法やシール部材の材料及びシール構造などを適宜選択して夫々のシール強度を異ならせる。
　これにより、燃料電池ＦＣは、先の実施形態と同様に、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２から成る二重のシール構造により、アノードガスの外部への漏出を防止する。また、燃料電池ＦＣは、図中に点線矢印で示すように、万一、第１シール部Ｓ１が劣化したとしても、流通路Ｆにおいて、第１シール部Ｓ１を通過したアノードガスを燃焼若しくは希釈させ、外部に排出する前に無害化する。
　そして、燃料電池ＦＣは、上記の作用効果に加えて、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２と、第３及び第４のシール部Ｓ３，Ｓ４とが、互いに異なるシール強度を有するので、腐食、酸化及び還元に対して、シール部Ｓ１～Ｓ４のロバスト性の向上を実現することができ、信頼性並びに安全性のさらなる向上を図ることができる。
　さらに、燃料電池ＦＣは、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２のシール強度を、第３及び第４のシール部Ｓ３，Ｓ４のシール強度よりも大きくすることで、腐食、酸化及び還元に対するシール部Ｓ１～Ｓ４のロバスト性のさらなる向上を実現する。ここで、溶接部は、金属であり、高温の酸化環境に置かれると劣化する（酸化物層を生成して脆弱化する）ため、還元雰囲気に設けることが望ましい。このような観点から、上記実施形態では、アノードガス側である第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２に溶接を採用することで、上記ロバスト性の向上を実現している。
　なお、上記実施形態では、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２を溶接で形成し、第３及び第４のシール部Ｓ３，Ｓ４をガラス材で形成することで、互いのシール強度を異ならせたものとした。ただし、シール強度は、例えば、溶接範囲を増減したり、ガラス材の組成を変えたりすることによっても設定し得る。したがって、例えば、アノード側の第１シール部Ｓ１及びカソード側の第３シール部Ｓ３を溶接で形成し、アノード側の第２シール部Ｓ２及びカソード側の第４シール部Ｓ４をガラス材で形成して、各シール部Ｓ１～Ｓ４シール強度を互いに異ならせることも可能である。
〈第３実施形態〉
　この実施形態の燃料電池ＦＣは、第１シール部Ｓ１のシール強度と、第２シール部Ｓ２のシール強度とが、互いに異なるものである。また、燃料電池ＦＣは、より好ましい実施形態として、第１シール部Ｓ１のシール強度が、第２シール部Ｓ２のシール強度よりも大きいものとすることができる。その具体例として、図６に示す燃料電池ＦＣは、第１シール部Ｓ１が、溶接により形成してあると共に、第２シール部Ｓ２が、ガラス材により形成してある。
　上記構成を備えた燃料電池ＦＣは、第１シール部Ｓ１及び第２シール部Ｓ２の夫々の破断モード（破断に効く入力）が異なるものとなる。これにより、燃料電池ＦＣは、先の実施形態と同様の作用効果を得ることができるうえに、ある入力に対して、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２の両方が同時に破断するような事態を未然に阻止する。
　また、燃料電池ＦＣは、第１シール部Ｓ１のシール強度が、第２シール部Ｓ２のシール強度よりも大きいので、第１シール部Ｓ１によるアノードガスの封止機能が向上する。しかも、燃料電池ＦＣは、仮に、第１シール部Ｓ１が劣化したとしても、酸素含有ガスが流通している流通路Ｆにおいて、第１シール部Ｓ１を通過したアノードガスを燃焼若しくは希釈させ、外部に排出する前に無害化することができる。
　さらに、燃料電池ＦＣは、第１シール部Ｓ１を溶接により形成し、第２シール部Ｓ２をガラス材により形成することで、アノードガスの封止機能が向上するうえに、高温時においては、第２シール部Ｓ２が軟化して脆弱さが下がり、シール機能のロバスト性の向上に貢献することができる。
〈第４実施形態〉　
　図７に示す燃料電池ＦＣは、セル構造体３のアノード電極７側において、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２が、カソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４を除くようにして、アノードガスの流通領域Ｇ１を囲繞している。そして、燃料電池ＦＣは、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２の間に酸素含有ガスの流通路Ｆを形成し、供給源１０から流通路Ｆに酸素含有ガスを継続的に供給する。また、図示の燃料電池ＦＣのアノード電極７側には、カソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４を囲繞するシール部材Ｓ，Ｓが設けてある。
　この場合、燃料電池ＦＣは、流通路Ｆに、酸素含有ガスの入口１１Ａを形成する。供給源１０は、例えば、カソードガスの供給系に含まれるものでも良いし、独立して酸素含有ガスを供給するものでも良い。また、酸素含有ガスとして酸素ガスを用いれば、流通路Ｆに漏出したアノードガスとの混合燃焼がより促進され、アノードガスのさらなる無害化に貢献し得る。
　なお、この実施形態の場合、図中に点線矢印で示すように、流通路Ｆの出口１１Ｂを設け、流通路Ｆにおける酸素含有ガスの流通性を高めるようにしても良い。また、この実施形態では、カソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４を囲繞するシール部材Ｓ，Ｓを例示したが、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ４の部分において、それらの内側及び外側を通るように第２シール部Ｓ２を分岐させても良い。
〈第５実施形態〉　
　図８に示す燃料電池ＦＣは、セル構造体３のアノード電極７側において、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２の間に、酸素含有ガスの流通路Ｆを形成すると共に、カソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４の片方が配置してある。図示例では、カソードガスの供給用のマニホールド穴Ｈ４を流通路Ｆ内に配置し、排出用のマニホールド穴Ｈ２を囲繞するシール部材Ｓを設けている。この場合、図中の点線矢印で示すように、カソードガスの排出側のマニホールド穴Ｈ２の近傍に、酸素含有ガスの出口１１Ｂを設けたり、その出口１１Ｂから排出用マニホールド穴Ｈ２に至る通路を設けたりしても良い。
　上記の燃料電池ＦＣにあっても、先の実施形態と同様に、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２から成る二重のシール構造により、外部へのアノードガスの漏出を防止し、万一、第１シール部Ｓ１が劣化しても、流通路Ｆにおいて、第１シール部Ｓ１を通過したアノードガスを燃焼若しくは希釈させ、外部に排出する前に無害化することができる。
〈第６実施形態〉
　図９に示す燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態で説明した燃料電池ＦＣ（図２参照）を積層した構造を有し、その際、隣接する燃料電池ＦＣ同士が、相互間のセパレータ４を共用して夫々の燃料電池を構成している。また、燃料電池スタックＦＳは、燃料電池ＦＣを構成するセル構造体３が、その周囲を保持するフレーム２を含むものである。
　上記の燃料電池スタックＦＳは、各セル構造体３のフレーム２が、その外周に、セパレータ４の周縁部よりも外周側に延出する延出部２Ａを有している。そして、燃料電池スタックＦＳは、隣接するセル構造体３，３のフレーム２，２において、延出部２Ａ，２Ａ同士の間に、第２シール部Ｓ２を配置している。
　第２シール部Ｓ２は、先の実施形態で説明したように、アノードガスの流通領域Ｇ１を囲繞する第１シール部Ｓ１に対して、その外周側を囲繞している。ただし、この実施形態の第２シール部Ｓ２は、フレーム２の延出部２Ａ，２Ａ同士の間、すなわちセパレータ４が存在しない部分に配置してある。これにより、第２シール部Ｓ２は、セル構造体３のカソード電極６側に配置する第４シール部（Ｓ４）を一体化している。
　上記の燃料電池スタックＦＳは、第２シール部Ｓ２が、第４シール部Ｓ４を一体化したものとしても、第１シール部Ｓ１でアノードガスを封止すると共に、第２シール部Ｓ２でカソードガスを封止する。そのうえで、燃料電池スタックＦＳは、第１シール部Ｓ１と第２シール部Ｓ２との間に、酸素含有ガスの流通路Ｆを形成する。したがって、流通路Ｆに流通させる酸素含有ガスは、構造上、カソードガスを用いるのがより好ましい。
　上記の燃料電池スタックＦＳは、先の実施形態で説明した燃料電池ＦＣと同様に、第１及び第２のシール部Ｓ１，Ｓ２から成る二重のシール構造により、外部へのアノードガスの漏出を防止する。また、燃料電池スタックＦＳは、万一、第１シール部Ｓ１が劣化したとしても、流通路Ｆにおいてアノードガスを燃焼若しくは希釈させ、外部に排出す前に無害化することができる。
　さらに、上記の燃料電池スタックＦＳは、第２シール部Ｓ２が、第４シール部Ｓ４を一体化したものになっているので、その分、部品点数や工数を削減することができ、製造効率の向上や低コスト化を実現することができる。
　本発明に係わる燃料電池及び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構成の細部を適宜変更したり、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせたりすることが可能である。
　また、上記の各実施形態では、セル構造体３のアノード電極７側に、第１シール部Ｓ１と第２シール部Ｓ２とを備え、第１シール部Ｓ１の外側にカソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４を配置した構成を例示した。
　本発明の燃料電池ＦＣは、夫々のガスの流通領域Ｇ１，Ｇ２が気密的に分離されていれば良いので、アノード電極７側において、第１シール部Ｓ１の内側にカソードガスのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４を配置し、そのマニホールド穴Ｈ２，Ｈ４の周囲に別のシール部（図７，８のシール部材Ｓ）を配置しても構わない。この場合、流通路Ｆに酸素含有ガスを供給する構成としては、図７に示すような独立した供給源１０や、マニホールド穴Ｈ２，Ｈ４から流通路Ｆに至るカソードガス（酸素含有ガス）の連絡路を用いることができ、これにより、各実施形態と同様の作用効果が得られる。
　Ｆ　流通路
　ＦＣ　燃料電池
　ＦＳ　燃料電池スタック
　Ｇ１　アノードガスの流通領域
　Ｇ２　カソードガスの流通領域
　Ｈ１，Ｈ３　アノードガスのマニホールド穴
　Ｈ２，Ｈ４　カソードガスのマニホールド穴
　Ｓ１　第１シール部
　Ｓ２　第２シール部
　Ｓ３　第３シール部
　Ｓ４　第４シール部
　２　フレーム
　２Ａ　延出部
　３　セル構造体
　４　セパレータ
　５　電解質
　６　カソード電極
　７　アノード電極

Claims (10)

  1. 　電解質をアノード電極及びカソード電極で挟んだ構造を有するセル構造体と、前記セル構造体との間にアノードガス及びカソードガスの流通領域を夫々形成する一対のセパレータとを備え、
    　前記セル構造体のアノード電極側に、アノードガスの流通領域を囲繞する第１シール部と、第１シール部の外周側を囲繞する第２シール部とを備え、
    　前記第１シール部と第２シール部との間に、酸素含有ガスの流通路を形成したことを特徴とする燃料電池。
  2. 　前記セル構造体及びセパレータが、アノードガス及びカソードガスを流通させるための夫々のマニホールド穴を備えており、
    　前記セル構造体のアノード電極側において、アノードガスの流通領域内にアノードガスのマニホールド穴を含むと共に、前記第１シール部と第２シール部との間にカソードガスのマニホールド穴が配置してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 　前記セル構造体のカソード電極側に、アノードガスのマニホールド穴を囲繞する第３シール部と、カソードガスの流通領域を囲繞する第４シール部とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
  4. 　前記第１及び第２のシール部と、前記第３及び第４のシール部とは、互いにシール強度が異なるものであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
  5. 　前記第１及び第２のシール部のシール強度が、前記第３及び第４シール部のシール強度よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
  6. 　前記第１シール部と第２シール部とは、互いにシール強度が異なるものであることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池。
  7. 　前記第１シール部のシール強度が、前記第２シール部のシール強度よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
  8. 　前記第１シール部が、溶接により形成され、前記第２シール部が、ガラス材により形成されたものであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
  9. 　請求項１に記載の燃料電池を積層した構造を有し、
    　隣接する燃料電池同士が、相互間のセパレータを共用して夫々の燃料電池を構成していることを特徴とする燃料電池スタック。
  10. 　前記セル構造体が、その周囲を保持するフレームを含み、
    　前記フレームが、その外周に、前記セパレータの周縁部よりも外周側に延出する延出部を有し、
    　隣接するセル構造体のフレームにおける前記延出部同士の間に、前記第２シール部を配置したことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池スタック。
PCT/JP2016/072443 2016-07-29 2016-07-29 燃料電池 WO2018020686A1 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16910589.7A EP3493306B1 (en) 2016-07-29 2016-07-29 Fuel cell
JP2018529341A JP6848971B2 (ja) 2016-07-29 2016-07-29 燃料電池
BR112019001756-9A BR112019001756B1 (pt) 2016-07-29 2016-07-29 Célula de combustível e pilha de células combustível
CN201680088076.1A CN109565060B (zh) 2016-07-29 2016-07-29 燃料电池
US16/321,394 US11223053B2 (en) 2016-07-29 2016-07-29 Fuel cell
CA3032341A CA3032341C (en) 2016-07-29 2016-07-29 Fuel cell with separators
PCT/JP2016/072443 WO2018020686A1 (ja) 2016-07-29 2016-07-29 燃料電池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2016/072443 WO2018020686A1 (ja) 2016-07-29 2016-07-29 燃料電池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018020686A1 true WO2018020686A1 (ja) 2018-02-01

Family

ID=61016451

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/072443 WO2018020686A1 (ja) 2016-07-29 2016-07-29 燃料電池

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11223053B2 (ja)
EP (1) EP3493306B1 (ja)
JP (1) JP6848971B2 (ja)
CN (1) CN109565060B (ja)
BR (1) BR112019001756B1 (ja)
CA (1) CA3032341C (ja)
WO (1) WO2018020686A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021068596A (ja) * 2019-10-24 2021-04-30 日本碍子株式会社 燃料電池

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10790519B2 (en) * 2018-06-05 2020-09-29 Saudi Arabian Oil Company Solid oxide fuel cell stack with reduced-leakage unit cells
DE102019127969A1 (de) 2019-10-16 2021-04-22 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Brennstoffzellenmodul mit Doppeldichtung

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11204122A (ja) * 1998-01-19 1999-07-30 Toshiba Corp 固体高分子電解質型燃料電池
JP2006127947A (ja) * 2004-10-29 2006-05-18 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池のシール構造および燃料電池装置
JP2007012300A (ja) * 2005-06-28 2007-01-18 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2007207454A (ja) * 2006-01-31 2007-08-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池スタック
JP2007213965A (ja) * 2006-02-09 2007-08-23 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
JP2007311079A (ja) * 2006-05-16 2007-11-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池スタック
JP2008277184A (ja) * 2007-05-01 2008-11-13 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
JP2011508948A (ja) * 2007-12-26 2011-03-17 ユーティーシー パワー コーポレイション 燃料電池および漏れを制限するバイポーラ・プレート
JP2012230875A (ja) * 2011-04-27 2012-11-22 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
WO2015104195A1 (de) * 2014-01-09 2015-07-16 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzelleneinheit

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3571687B2 (ja) 2000-12-07 2004-09-29 本田技研工業株式会社 シール一体型セパレータの製造方法
EP1469542A1 (en) * 2003-04-09 2004-10-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell
JP5068052B2 (ja) * 2006-09-29 2012-11-07 昭和電工株式会社 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セルおよび燃料電池用セルユニット、ならびに燃料電池用セパレータおよび燃料電池用セルユニットの製造方法
MX2009008979A (es) * 2007-02-27 2009-11-11 Ceres Ip Co Ltd Cubierta de flujo de pilas de celdas de combustible.
JP5443254B2 (ja) 2010-04-22 2014-03-19 パナソニック株式会社 燃料電池
US8968956B2 (en) * 2010-09-20 2015-03-03 Nextech Materials, Ltd Fuel cell repeat unit and fuel cell stack
TWI487183B (zh) 2012-08-16 2015-06-01 Atomic Energy Council Metal-supported solid oxide fuel cell structure
DK2892098T3 (en) 2012-08-31 2019-03-11 Ngk Spark Plug Co FUEL CELL WITH SEPARATOR, METHOD OF PRODUCING SAME, AND FUEL CELL STACK
JP6115632B2 (ja) * 2013-04-22 2017-05-10 日産自動車株式会社 燃料電池スタックのセル構造
KR101620155B1 (ko) * 2014-01-22 2016-05-12 현대자동차주식회사 연료전지 셀 및 그 제조 방법

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11204122A (ja) * 1998-01-19 1999-07-30 Toshiba Corp 固体高分子電解質型燃料電池
JP2006127947A (ja) * 2004-10-29 2006-05-18 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池のシール構造および燃料電池装置
JP2007012300A (ja) * 2005-06-28 2007-01-18 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2007207454A (ja) * 2006-01-31 2007-08-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池スタック
JP2007213965A (ja) * 2006-02-09 2007-08-23 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
JP2007311079A (ja) * 2006-05-16 2007-11-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池スタック
JP2008277184A (ja) * 2007-05-01 2008-11-13 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
JP2011508948A (ja) * 2007-12-26 2011-03-17 ユーティーシー パワー コーポレイション 燃料電池および漏れを制限するバイポーラ・プレート
JP2012230875A (ja) * 2011-04-27 2012-11-22 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
WO2015104195A1 (de) * 2014-01-09 2015-07-16 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzelleneinheit

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021068596A (ja) * 2019-10-24 2021-04-30 日本碍子株式会社 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
US11223053B2 (en) 2022-01-11
CN109565060A (zh) 2019-04-02
CN109565060B (zh) 2022-03-22
BR112019001756A2 (pt) 2019-05-07
EP3493306A4 (en) 2019-07-24
JPWO2018020686A1 (ja) 2019-06-13
EP3493306B1 (en) 2020-11-18
CA3032341A1 (en) 2018-02-01
CA3032341C (en) 2021-09-07
BR112019001756B1 (pt) 2022-06-07
EP3493306A1 (en) 2019-06-05
US20190173106A1 (en) 2019-06-06
JP6848971B2 (ja) 2021-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6283233B2 (ja) 燃料電池
JP2006269208A (ja) 燃料電池及び燃料電池用セパレータ
US8168347B2 (en) SOFC assembly joint spacing
WO2018020686A1 (ja) 燃料電池
WO2015037217A1 (ja) 燃料電池および燃料電池スタック
JP2008103210A (ja) 燃料電池及び燃料電池スタック
JP5248036B2 (ja) 燃料電池
JP2005108506A (ja) 燃料電池
US6811909B2 (en) Fuel cell
KR100400434B1 (en) Polymer electrolyte-type fuel cell having reliable sealing structure
KR102144191B1 (ko) 교체가 용이한 연료전지 스택유닛 및 그 제조방법
JP2005174716A (ja) 固体電解質型燃料電池
CN109478660B (zh) 燃料电池
JP2004039385A (ja) 燃料電池
JP2008293808A (ja) セパレータおよび燃料電池
JPH01183070A (ja) 燃料電池用セパレータ
JP2010231902A (ja) 燃料電池
JP2018181405A (ja) 燃料電池発電モジュール
JP2017107664A (ja) 燃料電池
JP5017080B2 (ja) 燃料電池用の単電池
JP2009301750A (ja) 燃料電池スタック
JP2004303666A (ja) 支持膜式固体酸化物形燃料電池
JP2023023652A (ja) 固体酸化物形燃料電池、及び固体酸化物形燃料電池の製造方法
WO2012081321A1 (en) Fuel cell
JP2010251153A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16910589

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018529341

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 3032341

Country of ref document: CA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01A

Ref document number: 112019001756

Country of ref document: BR

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2016910589

Country of ref document: EP

Effective date: 20190228

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 112019001756

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20190128