JP2005183221A - Fuel cell sealing structure and sealing method - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃料電池のシール性能を向上させる。
【解決手段】 固体高分子電解質膜1を一対の電極3,5で挟持した膜電極接合体のさらに外側を、一対のセパレータ7,9で挟持して燃料電池を構成する。固体高分子電解質膜1に、電極3,5の外周縁部3a,5aからはみ出すはみ出し部1aを設け、はみ出し部1aとセパレータ7,9との間にセパレータ支持部11を設ける。セパレータ支持部11のセパレータ7に対向する面には、凸部13を、電極3,5の外周縁部3a,5aに沿って全周にわたり互いに並列となるよう3列設ける。凸部13は、基端部から先端部に向かうほど細くなる断面三角形状を呈し、凸部13に対応する形状を有して凸部13とで嵌め合い構造となる凹部15を、各セパレータ7,9にそれぞれ設ける。
【選択図】 図1To improve the sealing performance of a fuel cell.
SOLUTION: A fuel cell is configured by sandwiching the outer side of a membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched between a pair of electrodes 3 and 5 between a pair of separators 7 and 9. The solid polymer electrolyte membrane 1 is provided with a protruding portion 1 a that protrudes from the outer peripheral edge portions 3 a and 5 a of the electrodes 3 and 5, and a separator support portion 11 is provided between the protruding portion 1 a and the separators 7 and 9. Three rows of convex portions 13 are provided on the surface of the separator support portion 11 facing the separator 7 so as to be parallel to each other along the outer peripheral edge portions 3a and 5a of the electrodes 3 and 5. The convex portion 13 has a triangular cross-sectional shape that becomes narrower from the base end portion toward the distal end portion. The concave portion 15 that has a shape corresponding to the convex portion 13 and fits with the convex portion 13 is formed in each separator 7. , 9 respectively.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、固体電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体のさらに外側を、一対のセパレータで挟持して構成した燃料電池のシール構造およびシール方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell sealing structure and a sealing method in which a further outer side of a membrane electrode assembly in which a solid electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes is sandwiched between a pair of separators.
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。 A fuel cell is a device that converts the chemical energy of fuel directly into electrical energy by electrochemically reacting a fuel gas such as a hydrogen-containing gas that is a reactive gas with an oxidant gas such as air. It has excellent characteristics such as high energy efficiency compared to other energy engines and no generation of exhaust gas because there is no need to use fossil fuels that have a problem of resource depletion.
このような燃料電池として、例えば固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を一対の電極で挟み込み、この電極に接触して電極からの集電に用いるとともに、電極側にガス供給用のガス流路を、電極と反対側に冷却水流路をそれぞれ有するセパレータを備えている。 As such a fuel cell, for example, in a polymer electrolyte fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, used to collect electricity from the electrodes in contact with the electrodes, and for supplying gas to the electrode side. A separator having a gas flow path and a cooling water flow path on the opposite side of the electrode is provided.
このような固体高分子型燃料電池におけるシール構造としては、例えば下記特許文献1に記載されたものがある。この公報記載のものは、電極からはみ出した固体高分子電解質膜のはみ出し部に対応するセパレータの溝部に液状シールを塗布した後、これを一対のセパレータで挟持して仮組立を行い、そのままの状態で液状シールを固化させて単位燃料電池を得る。
ところが、上記した従来の燃料電池のシール構造では、塗布する液状シールの量によってシール圧が変化してしまう。例えば、液状シール量が少なすぎると、シール圧が不足して充分なシールができず、また液状シール量が多すぎると、セパレータと電極との間の面圧が不足して電気抵抗が増大し、電池性能の低下を引き起こす。このため、従来のシール構造では、シール性能が不充分なものとなっている。 However, in the above-described conventional fuel cell seal structure, the seal pressure varies depending on the amount of liquid seal applied. For example, if the amount of liquid seal is too small, the sealing pressure is insufficient and sufficient sealing cannot be performed, and if the amount of liquid seal is too large, the surface pressure between the separator and the electrode is insufficient and the electrical resistance increases. , Causing a decrease in battery performance. For this reason, the conventional sealing structure has insufficient sealing performance.
そこで、本発明は、燃料電池のシール性能を向上させることを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the sealing performance of a fuel cell.
本発明は、固体電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体のさらに外側を、一対のセパレータで挟持して燃料電池を構成し、前記固体電解質膜に、前記電極の外周縁部からはみ出すはみ出し部を設け、このはみ出し部と前記セパレータとの間にセパレータ支持部を設け、このセパレータ支持部の前記セパレータに対向する面に凸部を設け、この凸部と嵌め合い構造となる凹部を前記セパレータに設けたことを最も主要な特徴とする。 In the present invention, a fuel cell is configured by sandwiching a further outer side of a membrane electrode assembly in which a solid electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes with a pair of separators, and the solid electrolyte membrane protrudes from an outer peripheral edge portion of the electrodes. A protruding portion is provided, a separator support portion is provided between the protruding portion and the separator, a convex portion is provided on a surface of the separator supporting portion facing the separator, and a concave portion that fits with the convex portion is formed in the concave portion. The main feature is that the separator is provided.
本発明によれば、電極の外周縁部からはみ出す固体電解質膜のはみ出し部とセパレータとの間にセパレータ支持部を設け、このセパレータ支持部に設けた凸部と、セパレータに設けた凹部とで嵌め合い構造となるようにしたため、シール圧の変化を防止してシール性能を向上させることができる。 According to the present invention, the separator support portion is provided between the protruding portion of the solid electrolyte membrane that protrudes from the outer peripheral edge portion of the electrode and the separator, and the convex portion provided in the separator support portion and the concave portion provided in the separator are fitted. Since the mating structure is adopted, the sealing performance can be improved by preventing a change in the sealing pressure.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態を示す燃料電池の一部を省略した断面図である。この燃料電池は固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜1を両側から一対の電極3,5で挟持して膜電極接合体を構成し、さらに膜電極接合体の外側を一対のセパレータ7,9で挟持する構造としている。
FIG. 1 is a cross-sectional view in which a part of a fuel cell showing the first embodiment of the present invention is omitted. This fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell, and a membrane electrode assembly is constituted by sandwiching a
通常燃料電池は、所定の電力を得るために、上記した膜電極接合体と一対のセパレータ7,9とで構成した一組の単位燃料電池を多数積層して燃料電池スタックとして使用する。
Usually, in order to obtain a predetermined power, a fuel cell is used as a fuel cell stack by laminating a set of unit fuel cells composed of the above-described membrane electrode assembly and a pair of
セパレータ7,9は、電極3,5側にガス供給用のガス流路7a,9aをそれぞれ備えるとともに、一方のセパレータ9の電極5と反対側に冷却水流路9bを備えている。この一方のセパレータ9のガス流路9aには燃料となる水素を供給し、他方のセパレータ7のガス流路7aには酸化剤となる空気を供給する。
The
固体高分子電解質膜1は、電極3,5の外周縁部3a,5aからはみ出すはみ出し部1aを、電極3,5の全周にわたり設けてあり、このはみ出し部1aとセパレータ7,9との間に、セパレータ支持部11を設けている。すなわち、このセパレータ支持部11も、電極3,5の外周縁部3a,5aに沿ってその全周にわたり設けてある。
The solid
セパレータ支持部11のセパレータ7に対向する面には、凸部13を、電極3,5の外周縁部3a,5aに沿って互いに並行して3列設けてある。この凸部13は、基端部から先端部に向かうほど細くなる断面三角形状を呈し、この凸部13に対応する形状を有して凸部13とで嵌め合い構造となる凹部15を、各セパレータ7,9にそれぞれ設けている。
On the surface of the
また、電極3,5の外周縁部3a,5a近傍のセパレータ7,9には、先端が平面の突き当て部17を設け、この突き当て部17をセパレータ支持部11に当接させている。
Also, the
上記したシール構造では、セパレータ支持部11の凸部13がセパレータ7,9の凹部15に嵌め合うことでシールを行う。このとき、凸部の傾斜面13aと凹部15の傾斜面15aとが互いに密着してシール合わせ面となるので、シール合わせ面の面積がスペース効率よく広くすることができる。さらに凸部13および凹部15の組み合わせを複数設けることで、さらにシール合わせ面の面積を増大することができ、効率よくシール性を確保することができる。
In the sealing structure described above, sealing is performed by fitting the
また、セパレータ7,9の突き当て部17がセパレータ支持部11に当接することで、シール面の隙間管理が行え、シール性能向上に寄与することができる。
Further, since the abutting
したがって、上記したシール構造によれば、従来のような液状シールを塗布する必要がないので、シール圧の変化を防止した上で、シール性能を向上することができる。また、凸部13と凹部15との嵌め合い構造であることから、相互間の位置決めが行え、組立作業性が向上する。
Therefore, according to the above-described seal structure, it is not necessary to apply a liquid seal as in the prior art, so that the seal performance can be improved while preventing a change in the seal pressure. Moreover, since it is the fitting structure of the
なお、上記シール構造において、セパレータ支持部11の凸部17に対向するセパレータ7,9の表面を、凹部15を設けずに平面とし、組み立て時に、この平面に凸部13を食い込ませるようにして、凹部を形成するようにしてもよい。この場合、セパレータ7,9がアルミニウム合金などの金属の場合であれば、食い込ませても割れが発生しないので有効である。
In the above sealing structure, the surfaces of the
図2は、本発明の第2の実施形態に係わる燃料電池の組み立て前の一部を示す断面図である。この実施形態は、セパレータ支持部11に、先端がR形状の凸部19を設け、これに対応してセパレータ7,9には底部がR形状の凹部21を設けている。そして、組立時にセパレータ支持部11上に液状のシール剤23を塗布することで、セパレータ支持部11とセパレータ7,9との間にシール材を設けることになる。液状のシール剤としては、エポキシ系あるいはオレフィン系の樹脂を使用する。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention before assembly. In this embodiment, the
ここで、凸部19先端のR部19aは、凹部21のR部21aより曲率半径を大きくし、組立時での状態を示す図3のように、凸部19のR部19aと凹部21のR部21aとの間に空間を形成し、この空間に前記した液状のシール剤23が入り込むことになる。また、このとき凸部19の傾斜面19bと凹部21の傾斜面21bとは互いに密着した状態となる。
Here, the
上記した第2の実施形態によれば、凸部19と凹部21との間に液状のシール剤23を設けているので、シール性能がより一層向上する。
According to the second embodiment described above, since the
図4は、本発明の第3の実施形態に係わる燃料電池の組み立て前の一部を示す断面図である。この実施形態は、前記図1に示した第1の実施形態におけるものと同形状の凸部13および凹部15を、セパレータ支持部11およびセパレータ7(9)にそれぞれ設け、この凸部13および凹部15を覆うように、セパレータ支持部11とセパレータ7(9)との間に、シート状のシール材25を設ける。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a part of the fuel cell according to the third embodiment before assembly. In this embodiment, convex
図4のようにシート状のシール材25をセパレータ支持部11上に載せた状態で、組み立てると、図5にその要部を示すように、凸部13および凹部15を含むセパレータ支持部11とセパレータ7(9)との間にシール材25が挟まれた状態となってシール機能を発揮する。
When assembled in a state where the sheet-
この第3実施形態においても、第2の実施形態と同様に、凸部13と凹部15との間にシール材25を設けているので、シール性能がより一層向上する。また、この例では、シール材25として、シリコン系の樹脂を用いることで、凸部13と凹部15との間に追従性よく入り込み、組み立て作業が容易となる。
Also in the third embodiment, since the sealing
本発明によれば、セパレータ支持部の凸部は、基端部から先端部に向かうほど細くなる断面三角形状を呈し、凹部は凸部の形状に対応しているので、スペース効率よくシール合わせ面の面積を増大することができるとともに、組み立て作業が容易にでき、位置決め精度も向上する。 According to the present invention, the convex portion of the separator support portion has a triangular cross-sectional shape that becomes thinner from the base end portion toward the distal end portion, and the concave portion corresponds to the shape of the convex portion. Can be increased, the assembly work can be facilitated, and the positioning accuracy is improved.
セパレータの凹部は、セパレータ支持部の凸部をセパレータの平面となっている表面に食い込ませることによって形成するようにしたので、セパレータにあらかじめ凹部を設ける必要がなく、またこの場合、セパレータが金属の場合に、食い込ませても割れが発生しないので有効である。 Since the concave portion of the separator is formed by causing the convex portion of the separator support portion to bite into the flat surface of the separator, there is no need to provide the concave portion in the separator in advance, and in this case, the separator is made of metal. In some cases, cracking is effective because no cracks occur.
また、前記凸部と凹部との間にシール材を設けたので、シール性能がより一層向上する。 Moreover, since the sealing material is provided between the convex portion and the concave portion, the sealing performance is further improved.
前記凸部の先端をR形状とし、これに対応して前記凹部の底部をR形状とし、この凸部と凹部との間に液状のシール剤を設けたので、シール性能がより一層向上する。 Since the tip of the convex portion has an R shape and the bottom of the concave portion has an R shape corresponding thereto, and a liquid sealant is provided between the convex portion and the concave portion, the sealing performance is further improved.
前記凸部および凹部を覆うように、セパレータ支持部とセパレータとの間に、シート状のシール材を設けたので、シール性能がより一層向上する。 Since a sheet-like sealing material is provided between the separator support part and the separator so as to cover the convex part and the concave part, the sealing performance is further improved.
前記凸部および凹部の組合せを、電極の外周縁部が位置する内周側と外周側との間に複数設けたので、スペース効率よくシール合わせ面の面積を増大することができ、シール性能をさらに向上させることができる。 Since a plurality of combinations of the convex portion and the concave portion are provided between the inner peripheral side and the outer peripheral side where the outer peripheral edge portion of the electrode is located, the area of the seal mating surface can be increased efficiently and the sealing performance can be increased. Further improvement can be achieved.
セパレータに、セパレータ支持部の凸部より内周側部分に当接する突き当て部を設けたので、突き当て部がセパレータ支持部に当接することで、シール面の隙間管理が行え、シール性能向上に寄与することができる。 The separator is provided with an abutting part that abuts against the inner peripheral part of the separator support part, so that the abutment part abuts on the separator support part, so that the clearance of the seal surface can be managed and the sealing performance is improved. Can contribute.
1 固体高分子電解質膜(固体電解質膜,膜電極接合体)
1a はみ出し部
3,5 電極(膜電極接合体)
3a,5a 電極の外周縁部
7,9 セパレータ
11 セパレータ支持部
13,19 凸部
15,21 凹部
17 突き当て部
23 液状のシール剤
25 シート状のシール材
1 Solid polymer electrolyte membrane (solid electrolyte membrane, membrane electrode assembly)
3a, 5a Electrode outer
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