JP2008034156A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池スタックにおいて、シールガスケット一体型MEAの電解質膜とシール部材の剥離を防止する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】シールガスケット一体型MEA45Aは、接合部材458を備える。複数個の接合部材458Aは、それぞれ円柱状を成し、MEA部451の周縁部に均等な間隔で配列されている。また、接合部材458Aは、MEA部451を貫通している。そして、シールガスケット450は、MEA部451の周縁部と、その周縁部に配設された複数の接合部材458Aとを覆うような状態で、MEA部451の外周に一体的に形成されている。
【選択図】図3
An object of the present invention is to provide a technique for preventing separation of an electrolyte membrane of a seal gasket-integrated MEA and a seal member in a fuel cell stack.
A seal gasket-integrated MEA 45A includes a joining member 458. The plurality of joining members 458 </ b> A each have a cylindrical shape, and are arranged at equal intervals on the peripheral edge of the MEA portion 451. Further, the joining member 458A penetrates the MEA portion 451. And the seal gasket 450 is integrally formed in the outer periphery of the MEA part 451 in the state which covers the peripheral part of the MEA part 451, and the some joining member 458A arrange | positioned at the peripheral part.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に、高分子電解質膜の両面に触媒電極が形成されたMEA(Membrance Electrode Assembly:膜電極接合体)とシール部材とを一体的に形成し、セパレータを介在させて積層したスタック構造を有する燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and in particular, a MEA (membrane electrode assembly) in which catalyst electrodes are formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane and a seal member are integrally formed, and a separator is formed. The present invention relates to a fuel cell having a stack structure in which they are stacked.
従来の高分子電解質膜型燃料電池において、高分子電解質膜の両面に触媒電極が形成されたMEA方式が採用されている。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス流路をそれぞれ各面に設けたセパレータと、MEAとを交互に積層した積層構造を有する燃料電池がある。
このような燃料電池において、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を防止するために、MEAとシール部材とを一体的に形成する技術が提案されている(例えば、特許文献1。)
A conventional polymer electrolyte membrane fuel cell employs an MEA system in which catalyst electrodes are formed on both sides of a polymer electrolyte membrane. There is a fuel cell having a laminated structure in which separators provided with gas flow paths for fuel gas and oxidant gas are provided on each surface and MEAs are alternately laminated.
In such a fuel cell, in order to prevent leakage of fuel gas and oxidant gas, a technique for integrally forming an MEA and a seal member has been proposed (for example, Patent Document 1).
燃料電池の運転時、水素極で水素ガスが水素イオン(H+)と電子(e−)に分かれ、水素イオンが高分子電解質膜内を水素極側から酸素極側へ移動する。ここで、水素イオンが高分子電解質膜内を移動するためには、水が必要である。そのため、高分子電解質膜が十分な水素イオンの導電性を確保するために、高分子電解質膜は、膜中に十分な量の水分が含有されるように管理されている。従って、燃料電池の運転時は、高分子電解質膜は、十分な水分を含有している。しかしながら、燃料電池の停止時にまで、高分子電解質膜が多量の水分を含有していると、例えば、低温始動する際に、電解質膜が凍結することにより燃料電池が運転できない場合がある。そのため、燃料電池の停止時には、電解質膜をパージすることにより乾燥させている。このように、燃料電池の運転および停止に伴い、高分子電解質膜の湿潤状態が変化するため、高分子電解質膜は収縮する。
また、燃料電池の運転時には、燃料電池の自己発熱により高分子電解質膜の温度が燃料電池の停止時に比べて上昇する。このように、燃料電池の運転および停止に伴う高分子電解質膜の温度変化によってもまた、高分子電解質膜は収縮する。
During operation of the fuel cell, hydrogen gas is divided into hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) at the hydrogen electrode, and the hydrogen ions move from the hydrogen electrode side to the oxygen electrode side in the polymer electrolyte membrane. Here, water is necessary for hydrogen ions to move within the polymer electrolyte membrane. Therefore, in order for the polymer electrolyte membrane to ensure sufficient hydrogen ion conductivity, the polymer electrolyte membrane is managed so that a sufficient amount of moisture is contained in the membrane. Therefore, when the fuel cell is in operation, the polymer electrolyte membrane contains sufficient moisture. However, if the polymer electrolyte membrane contains a large amount of moisture until the fuel cell is stopped, for example, when starting at a low temperature, the electrolyte membrane may freeze and the fuel cell may not be operated. Therefore, when the fuel cell is stopped, the electrolyte membrane is purged and dried. Thus, the polymer electrolyte membrane contracts because the wet state of the polymer electrolyte membrane changes with the operation and stop of the fuel cell.
Further, during operation of the fuel cell, the temperature of the polymer electrolyte membrane rises as compared with when the fuel cell is stopped due to self-heating of the fuel cell. Thus, the polymer electrolyte membrane contracts also due to the temperature change of the polymer electrolyte membrane accompanying the operation and stop of the fuel cell.
一方、シール部材は、主にゴム等の弾性を有する材料を用いて形成されるが、形成時の成型温度と常温との差によって収縮する。また、ゴム等は硬化過程において、高分子鎖間の化学結合形成(架橋)によって架橋構造が形成されるが、その架橋反応によってもシール部材は収縮する。 On the other hand, the seal member is mainly formed using an elastic material such as rubber, but contracts due to the difference between the molding temperature at the time of formation and the normal temperature. Further, rubber or the like forms a cross-linked structure by chemical bond formation (cross-linking) between polymer chains in the curing process, but the seal member contracts also by the cross-linking reaction.
このように、高分子電解質膜とシール部材は、共に収縮し得る。ここで、電解質膜の収縮率は、シール部材の収縮率より大きいため、MEAとシール部材を一体的に形成した場合であっても、シール部材と高分子電解質膜の密着部位が剥がれることがある。そうすると、燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークする恐れがある。
燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークすると、燃料ガスとして使用される水素が触媒で反応せず、直接酸素と反応してしまうため、水素の電気化学反応効率が悪くなり、発電効率が悪くなるという問題があった。
Thus, both the polymer electrolyte membrane and the seal member can contract. Here, since the shrinkage rate of the electrolyte membrane is larger than the shrinkage rate of the seal member, even if the MEA and the seal member are integrally formed, the adhesion portion between the seal member and the polymer electrolyte membrane may be peeled off. . As a result, the fuel gas and the oxidant gas may cross leak.
When fuel gas and oxidant gas cross-leak, hydrogen used as fuel gas does not react with the catalyst, but reacts directly with oxygen, resulting in poor electrochemical reaction efficiency of hydrogen and poor power generation efficiency. There was a problem.
従って、本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、電解質膜とシール部材の剥離を防止する技術を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art and to provide a technique for preventing peeling of the electrolyte membrane and the seal member.
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の燃料電池は、少なくとも高分子電解質膜および該高分子電解質膜の両面に形成された電極を有するMEA(Membrance Electrode Assembly)を、セパレータを介在させて複数積層したスタック構造を有する燃料電池であって、少なくとも前記高分子電解質膜の周縁部の少なくとも一部を貫通する複数の電解質膜貫通部を有する接合部材と、少なくとも前記接合部材の一部と、前記高分子電解質膜の前記周縁部とを覆うように、前記MEAと一体的に形成されるシール部材とを備えることを要旨とする。 In order to solve at least a part of the above-described problems, a fuel cell according to the present invention includes a membrane electrolyte assembly (MEA) having at least a polymer electrolyte membrane and electrodes formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, and a separator. A fuel cell having a stack structure in which a plurality of layers are interposed and a joining member having a plurality of electrolyte membrane penetrating portions penetrating at least a part of a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, and at least one of the joining members And a sealing member formed integrally with the MEA so as to cover the portion and the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane.
本明細書中において、MEA(Membrance Electrode Assembly)とは、少なくとも高分子電解質膜(以下、単に「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面に形成された電極とを有する膜電極接合体をいう。さらに、ガス拡散性または集電性を確保するために、電極上に多孔質な導電性部材からなる拡散層を有するものであってもよい。 In this specification, MEA (Membrance Electrode Assembly) is a membrane electrode assembly having at least a polymer electrolyte membrane (hereinafter simply referred to as “electrolyte membrane”) and electrodes formed on both surfaces of the electrolyte membrane. Say. Furthermore, in order to ensure gas diffusibility or current collecting property, a diffusion layer made of a porous conductive member may be provided on the electrode.
また、高分子電解質膜の周縁部とは、縁だけでなく、縁を含む幅をもった範囲をいう。すなわち、接合部材を高分子電解質膜の周縁に沿って電解質膜の端に配置してもよい。また、例えば、高分子電解質膜の周縁部に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔を備える場合に、それら貫通孔が高分子電解質膜の周縁に沿って端に配置され、さらに、その内側に接合部材を配置するようにしてもよい。 Moreover, the peripheral part of a polymer electrolyte membrane means the range with the width | variety containing not only an edge but an edge. That is, the joining member may be disposed at the end of the electrolyte membrane along the periphery of the polymer electrolyte membrane. Further, for example, in the case where a plurality of through holes forming a manifold through which a fuel gas, an oxidant gas, or a cooling medium can flow are provided in the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, the through holes are provided in the polymer electrolyte. You may make it arrange | position at an edge along the periphery of a film | membrane, and also arrange | position a joining member inside it.
また、接合部材の電解質膜貫通部は、電解質膜のみを貫通するものであってもよいし、電解質膜および電極を貫通するものであってもよい。例えば、MEAにおいて電極を電解質膜より小さく形成し、電解質膜の周縁部が電極から突出するように電極を配置し、露出した電解質膜の周縁部を電解質膜貫通部が貫通するようにしてもよい。この場合に、シール部材が接合部材と電解質膜のみを覆うように、MEAと一体的に形成されると、シール部材を形成する際の温度変化等により、電極が変形したり破損したりするのを防止することができ、好適である。 Moreover, the electrolyte membrane penetration part of a joining member may penetrate only an electrolyte membrane, and may penetrate an electrolyte membrane and an electrode. For example, in the MEA, the electrode may be formed smaller than the electrolyte membrane, the electrode may be disposed so that the peripheral edge of the electrolyte membrane protrudes from the electrode, and the electrolyte membrane penetrating portion may penetrate the exposed peripheral edge portion of the electrolyte membrane. . In this case, if the seal member is formed integrally with the MEA so as to cover only the joining member and the electrolyte membrane, the electrode may be deformed or damaged due to a temperature change at the time of forming the seal member. Can be prevented, which is preferable.
また、シール部材は、少なくとも接合部材の一部を覆うように形成されるため、接合部材は、全体がシール部材に内包されてもよいし、例えば、電解質膜貫通部がシール部材をも貫通するように形成されてもよい。 Moreover, since the sealing member is formed so as to cover at least a part of the joining member, the whole joining member may be included in the sealing member, for example, the electrolyte membrane penetrating portion also penetrates the sealing member. It may be formed as follows.
上記したように、本発明の燃料電池によれば、接合部材が電解質膜を貫通した状態で、シール部材が、電解質膜と一体的に形成されている。そのため、シール部材と電解質膜とは接着され、さらに、シール部材と電解質膜とは接合部材によって接合される。従って、シール部材と電解質膜とがそれぞれ収縮しようとしても、シール部材と電解質膜とは接合部材によって接合されているため、シール部材および電解質膜の収縮は制限され、接着されたシール部材と電解質膜との剥離を防止することができる。よって、燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークするのを防止することができるため、燃料ガスと酸化剤ガスが直接反応することによって異常燃焼を生じるのを防止することができる。また、燃料ガスと酸化剤ガスが直接反応することによって、燃料ガスの触媒における反応効率が低下し、発電効率が低下するのを防止することができる。 As described above, according to the fuel cell of the present invention, the sealing member is integrally formed with the electrolyte membrane in a state where the joining member penetrates the electrolyte membrane. Therefore, the sealing member and the electrolyte membrane are bonded, and further, the sealing member and the electrolyte membrane are bonded by the bonding member. Therefore, even if the seal member and the electrolyte membrane are each contracted, since the seal member and the electrolyte membrane are joined by the joining member, the shrinkage of the seal member and the electrolyte membrane is limited, and the bonded seal member and the electrolyte membrane are bonded. And peeling can be prevented. Therefore, since it is possible to prevent the fuel gas and the oxidant gas from cross leaking, it is possible to prevent the abnormal combustion from being caused by the direct reaction between the fuel gas and the oxidant gas. Further, the direct reaction between the fuel gas and the oxidant gas can reduce the reaction efficiency of the fuel gas in the catalyst and prevent the power generation efficiency from decreasing.
また、本発明の燃料電池において、前記接合部材は、枠状に一周するように形成されたフレーム部をさらに備え、前記電解質膜貫通部は、前記フレーム部から突設されているものとしてもよい。 In the fuel cell of the present invention, the joining member may further include a frame portion formed so as to go around in a frame shape, and the electrolyte membrane penetration portion may protrude from the frame portion. .
上記したように、本発明の燃料電池によれば、電解質膜の周縁部を枠状に一周するように形成されたフレーム部と、フレーム部から突設された電解質膜貫通部を有する接合部材によって、電解質膜とシール部材とが接合されている。そのため、電解質膜の全周にわたり、電解質膜とシール部材との剥離を防止することができる。 As described above, according to the fuel cell of the present invention, by the joining member having the frame portion formed so as to go around the periphery of the electrolyte membrane in a frame shape and the electrolyte membrane penetrating portion protruding from the frame portion. The electrolyte membrane and the sealing member are joined. Therefore, peeling of the electrolyte membrane and the seal member can be prevented over the entire circumference of the electrolyte membrane.
また、本発明の燃料電池において、前記接合部材は、少なくとも前記フレーム部が、前記シール部材より剛性が高い高剛性材料より成るものとしてもよい。 In the fuel cell of the present invention, at least the frame portion of the joining member may be made of a highly rigid material having higher rigidity than the seal member.
シール部材は、シール性能を得るために、ゴム等のヤング率の低い(すなわち、剛性が低く、柔らかい)材料を用いることが多い。そして、シール部材を形成する際に、例えば、射出成型によると、成型の際の温度変化や架橋反応により、シール部材が波打つように変形することがある。このような場合に、本発明の燃料電池によれば、シール部材は、接合部材を覆うように形成され、接合部材のフレーム部はシール部材より剛性が高いため、シール部材の収縮が制限され、上述のようなシール部材の変形を抑制することができる。 In order to obtain sealing performance, the sealing member often uses a material having a low Young's modulus (that is, low rigidity and softness) such as rubber. When forming the seal member, for example, according to injection molding, the seal member may be deformed so as to wave due to a temperature change or a crosslinking reaction during molding. In such a case, according to the fuel cell of the present invention, the sealing member is formed so as to cover the joining member, and the frame portion of the joining member has higher rigidity than the sealing member, so that the shrinkage of the sealing member is limited, The deformation of the sealing member as described above can be suppressed.
上記燃料電池において、前記シール部材は、前記MEAが前記セパレータを介して複数積層された場合に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔を備え、前記フレーム部は、前記貫通孔が、前記フレーム部の外周に位置するように、形成されるものとしてもよい。 In the fuel cell, the seal member has a plurality of through holes that form a manifold through which a fuel gas, an oxidant gas, or a cooling medium can circulate when a plurality of the MEAs are stacked via the separator. The frame portion may be formed such that the through hole is located on an outer periphery of the frame portion.
上記したように、本発明の燃料電池によれば、シール部材に設けられた、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔は、フレーム部の外周に位置する。フレーム部を、MEAの周縁部のうち、端に配設すると、MEAの外周にシール部材を形成することができるようになり、MEAの外形をシール部材より小さく形成することができる。従って、高価なMEAを小さくすることができるようになり、燃料電池のコストを低減することができる。 As described above, according to the fuel cell of the present invention, the plurality of through holes formed in the seal member and forming the manifold through which the fuel gas, the oxidant gas, or the cooling medium can flow are formed in the frame portion. It is located on the outer periphery. When the frame portion is disposed at the end of the peripheral edge of the MEA, a seal member can be formed on the outer periphery of the MEA, and the outer shape of the MEA can be formed smaller than the seal member. Therefore, the expensive MEA can be reduced, and the cost of the fuel cell can be reduced.
また、本発明の燃料電池において、少なくとも前記フレーム部は、前記シール部材に内包されているものとしてもよい。 In the fuel cell of the present invention, at least the frame part may be included in the seal member.
上記したように、本発明の燃料電池によれば、少なくともフレーム部がシール部材に内包されている。そして、シール部材が、接合部材の配設されたMEAと一体的に形成される際に、接合部材のフレーム部は、シール部材と接着される。そのため、フレーム部がシール部材に内包されず、シール部材から突出した状態に接合部材が設けられた場合と比較すると、例えば、フレーム部が、シール部材と接着されていないことにより、接合部材がシール部材および電解質膜から抜け落ちたりすることが防止され、電解質膜とシール部材の接合を、さらに強固にすることができる。 As described above, according to the fuel cell of the present invention, at least the frame portion is included in the seal member. When the seal member is formed integrally with the MEA in which the joining member is disposed, the frame portion of the joining member is bonded to the seal member. Therefore, compared with the case where the frame part is not included in the seal member and the bonding member is provided in a state of protruding from the seal member, for example, the frame part is not bonded to the seal member, so that the bonding member is sealed. It is prevented from falling off from the member and the electrolyte membrane, and the joining between the electrolyte membrane and the seal member can be further strengthened.
また、本発明の燃料電池によれば、前記電解質膜貫通部は、少なくとも前記高分子電解質膜および前記電極を貫通し、かつ、絶縁性を有する材料から成るものとしてもよい。 According to the fuel cell of the present invention, the electrolyte membrane penetrating portion may be made of an insulating material that penetrates at least the polymer electrolyte membrane and the electrode.
上記したように、本発明の燃料電池によれば、接合部材の電解質膜貫通部は、少なくとも電解質膜および電極を貫通し、さらに、拡散層をも貫通してもよい。MEAにおいて、電解質膜、電極および拡散層を同じ大きさに形成して積層する場合に好適である。この場合、電極および拡散層は、導電性部材であるため、接合部材の電解質膜貫通部を絶縁性にすることにより、電極で発生した電気の短絡を防止することができる。 As described above, according to the fuel cell of the present invention, the electrolyte membrane penetration part of the joining member may penetrate at least the electrolyte membrane and the electrode, and may also penetrate the diffusion layer. In MEA, it is suitable when the electrolyte membrane, the electrode, and the diffusion layer are formed in the same size and stacked. In this case, since the electrode and the diffusion layer are conductive members, it is possible to prevent a short circuit of electricity generated at the electrodes by making the electrolyte membrane penetrating portion of the joining member insulative.
また、本発明の燃料電池によれば、前記接合部材は、前記MEAを、前記セパレータを介在させて積層する際に、前記セパレータの周縁部の少なくとも一部に嵌合する嵌合部をさらに備え、前記電解質膜貫通部および前記嵌合部の間が絶縁されているものとしてもよい。 According to the fuel cell of the present invention, the joining member further includes a fitting portion that fits at least a part of a peripheral edge of the separator when the MEA is stacked with the separator interposed therebetween. The electrolyte membrane penetration part and the fitting part may be insulated.
上記したように本発明の燃料電池によれば、MEAを、セパレータを介在させて積層する際に、接合部材の嵌合部をセパレータの周縁部の一部に嵌合させることができる。接合部材の嵌合部を、セパレータの周縁部の一部に嵌合させることにより、MEAとセパレータの面方向の位置は固定されるため、簡単に精度良く、MEAおよびセパレータを積層することができ、容易にスタック構造の燃料電池を作ることができる。すなわち、接合部材は、上述したように、シール部材と電解質膜の剥離を防止すると共に、MEAとセパレータの面方向の位置決めを容易にする効果を奏する。
また、セパレータは、導電性の材料を用いるため、接合部材の嵌合部がセパレータの周縁部と嵌合する場合に、電解質膜貫通部と嵌合部との間が絶縁されていないと、発生した電気が短絡することがある。このような場合に、接合部材の電解質膜貫通部と嵌合部との間が絶縁されていることにより、発生した電気が短絡するのを防止することができる。
As described above, according to the fuel cell of the present invention, when the MEA is stacked with the separator interposed, the fitting portion of the joining member can be fitted to a part of the peripheral edge of the separator. By fitting the fitting part of the joining member to a part of the peripheral part of the separator, the position in the surface direction of the MEA and the separator is fixed, so that the MEA and the separator can be easily and accurately stacked. A fuel cell having a stack structure can be easily produced. That is, as described above, the joining member has an effect of preventing the sealing member and the electrolyte membrane from being peeled and facilitating the positioning of the MEA and the separator in the surface direction.
In addition, since the separator uses a conductive material, when the fitting part of the joining member is fitted with the peripheral part of the separator, it is generated if the electrolyte membrane penetration part and the fitting part are not insulated. May cause a short circuit. In such a case, the generated electricity can be prevented from being short-circuited by the insulation between the electrolyte membrane penetrating portion and the fitting portion of the joining member.
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1の実施例:
A1.燃料電池スタックの構成:
A2.燃料電池モジュール:
A2.1.セパレータ:
A2.2.シールガスケット一体型MEA:
B.第2の実施例:
C.第3の実施例:
D.第4の実施例:
E.変形例:
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
A1. Fuel cell stack configuration:
A2. Fuel cell module:
A2.1. Separator:
A2.2. Seal gasket integrated MEA:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Fourth embodiment:
E. Variation:
A.第1の実施例:
A1.燃料電池スタックの構成:
図1は、本発明の第1の実施例としての燃料電池スタック100の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック100は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを、セパレータを介在させて、複数積層したスタック構造を有している。各セルは、後述するように、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、セルの積層数は、燃料電池スタック100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
A. First embodiment:
A1. Fuel cell stack configuration:
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック100は、一端から、エンドプレート10、絶縁板20、集電板30、複数の燃料電池モジュール40、集電板50、絶縁板60、エンドプレート70の順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック100内に、燃料ガスとしての水素や、酸化剤ガスとしての空気や、冷却水を流すための図示しない供給口や、排出口や、流路が設けられている。水素は、図示しない水素タンクから供給される。また、空気や、冷却水は、図示しないポンプによって加圧されて供給される。燃料電池モジュール40は、後述する膜電極接合体(以下、「MEA」という。)およびシールガスケットを一体的に備えるシールガスケット一体型MEA45Aと、セパレータ41と、によって構成されている。この燃料電池モジュール40、および、シールガスケット一体型MEA45Aについては、後述する。
The
燃料電池スタック100には、また、図示するように、テンションプレート80が備えられている。燃料電池スタック100には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制し、また、シールガスケット一体型MEA45Aのシール性能を十分に得るために、スタック構造の積層方向に押圧力が加えられ、テンションプレート80をボルト82によって燃料電池スタック100の両端のエンドプレート10,70に固定することによって、各燃料電池モジュール40は、積層方向に所定の締結力で締結されている。
The
なお、エンドプレート10、70、および、テンションプレート80は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板20、60は、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板30、50は、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板30、50には、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック100で発電した電力を出力可能となっている。
Note that the
A2.燃料電池モジュール:
先に説明したように、燃料電池モジュール40は、セパレータ41と、シールガスケット一体型MEA45Aとによって構成されている。以下、セパレータ41、および、シールガスケット一体型MEA45Aについて説明する。
A2. Fuel cell module:
As described above, the
A2.1.セパレータ:
図2は、セパレータ41の構成部品、および、セパレータ41の平面図である。本実施例におけるセパレータ41は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた3枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート42と、中間プレート43と、アノード対向プレート44とから構成されている。そして、セパレータ41は、カソード対向プレート42と、中間プレート43と、アノード対向プレート44とを、この順に重ね合わせ、ホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート42と、中間プレート43と、アノード対向プレート44とは、同一の四角形の形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート42と、中間プレート43と、アノード対向プレート44として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。また、中間プレート43として、樹脂製のプレートを用いるものとしてもよい。
A2.1. Separator:
FIG. 2 is a plan view of the component parts of the
図2(a)は、シールガスケット一体型MEA45Aのカソード側の面と当接するカソード対向プレート42の平面図である。図示するように、カソード対向プレート42は、空気供給用貫通孔422aと、複数の空気供給口422iと、複数の空気排出口422oと、空気排出用貫通孔422bと、水素供給用貫通孔424aと、水素排出用貫通孔424bと、冷却水供給用貫通孔426aと、冷却水排出用貫通孔426bとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔422aと、空気排出用貫通孔422bと、水素供給用貫通孔424aと、水素排出用貫通孔424bと、冷却水供給用貫通孔426aと、冷却水排出用貫通孔426bとは、ほぼ矩形であり、複数の空気供給口422iと、複数の空気排出口422oとは、直径が同一の円形であるものとした。
FIG. 2A is a plan view of the
図2(b)は、シールガスケット一体型MEA45Aのアノード側の面と当接するアノード対向プレート44の平面図である。図示するように、アノード対向プレート44は、空気供給用貫通孔442aと、空気排出用貫通孔442bと、水素供給用貫通孔444aと、複数の水素供給口444iと、複数の水素排出口444oと、水素排出用貫通孔444bと、冷却水供給用貫通孔446aと、冷却水排出用貫通孔446bとを備えている。本実施例では、空気供給用貫通孔442aと、空気排出用貫通孔442bと、水素供給用貫通孔444aと、水素排出用貫通孔444bと、冷却水供給用貫通孔446aと、冷却水排出用貫通孔446bとは、ほぼ矩形であり、複数の水素供給口444iと、複数の水素排出口444oとは、直径が同一の円形であるものとした。
FIG. 2B is a plan view of the
図2(c)は、中間プレート43の平面図である。図示するように、中間プレート43は、空気供給用貫通孔432aと、空気排出用貫通孔432bと、水素供給用貫通孔434aと、水素排出用貫通孔434bと、複数の冷却水流路形成用貫通孔436とを備えている。そして、空気供給用貫通孔432aには、空気供給用貫通孔432aからカソード対向プレート42の複数の空気供給口422iに、それぞれ空気を流すための複数の空気供給用流路形成部432cが設けられている。また、空気排出用貫通孔432bには、カソード対向プレート42の複数の空気排出口422oから空気排出用貫通孔432bに空気を流すための複数の空気排出用流路形成部432dが設けられている。また、水素供給用貫通孔434aには、水素供給用貫通孔434aからアノード対向プレート44の複数の水素供給口444iに、それぞれ水素を流すための複数の水素供給用流路形成部432eが設けられている。また、水素排出用貫通孔434bには、アノード対向プレート44の複数の水素排出口444oから水素排出用貫通孔434bに水素を流すための複数の水素排出用流路形成部432fが設けられている。
FIG. 2C is a plan view of the
図2(d)は、セパレータ41の平面図である。ここでは、アノード対向プレート44側から見た平面図を示した。
FIG. 2D is a plan view of the
図から分かるように、アノード対向プレート44と、中間プレート43と、カソード対向プレート42において、空気供給用貫通孔442aと、空気供給用貫通孔432aと、空気供給用貫通孔422aとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、空気排出用貫通孔442bと、空気排出用貫通孔432bと、空気排出用貫通孔422bも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素供給用貫通孔444aと、水素供給用貫通孔434aと、水素供給用貫通孔424aも、それぞれ同じ位置に形成されている。また、水素排出用貫通孔444bと、水素排出用貫通孔434bと、水素排出用貫通孔424bも、それぞれ同じ位置に形成されている。
As can be seen from the figure, in the
また、アノード対向プレート44と、カソード対向プレート42において、冷却水供給用貫通孔446aと、冷却水供給用貫通孔426aとは、それぞれ同じ位置に形成されている。また、冷却水排出用貫通孔446bと、冷却水排出用貫通孔426bも、それぞれ同じ位置に形成されている。
Further, in the
また、中間プレート43において、複数の冷却水流路形成用貫通孔436は、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート44の冷却水供給用貫通孔446a、および、カソード対向プレート42の冷却水供給用貫通孔426aと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート44の冷却水排出用貫通孔446b、および、カソード対向プレート42の冷却水排出用貫通孔426bと重なるように形成されている。
In addition, in the
なお、中間プレート43における空気供給用流路形成部432c、空気排出用流路形成部432d、水素供給用流路形成部432e、水素排出用流路形成部432fの幅は、それぞれ、カソード対向プレート42の空気供給口422i、空気排出口422o、アノード対向プレート44の水素供給口444i、水素排出口444oの直径よりも大きく設定されている。こうすることによって、カソード対向プレート42と、中間プレート43と、アノード対向プレート44とを重ね合わせて接合したときに、これらがわずかにずれても、所望の経路で空気や水素を流すことができる。
The widths of the air supply flow
このセパレータ41において、水素と、空気と、冷却水の流れは、以下の通りである。すなわち、カソード対向プレート42の水素供給用貫通孔424a、中間プレート43の水素供給用貫通孔434a、アノード対向プレート44の水素供給用貫通孔444aを流れる水素は、中間プレート43の水素供給用貫通孔434aから分岐して、複数の水素供給用流路形成部432eを通り、アノード対向プレート44の複数の水素供給口444iから、後述するシールガスケット一体型MEA45AのMEA部451のアノードに対して垂直な方向に供給される。そして、アノードから排出されるアノードオフガスは、アノード対向プレート44の複数の444o、および、中間プレート43の水素排出用流路形成部432fを通って、排出される。
In this
また、アノード対向プレート44の空気供給用貫通孔442a、中間プレート43の空気供給用貫通孔432a、カソード対向プレート42の空気供給用貫通孔422aを流れる空気は、中間プレート43の空気供給用貫通孔432aから分岐して、空気供給用流路形成部432cを通り、カソード対向プレート42の複数の空気供給口422iから、後述するシールガスケット一体型MEA45AのMEA部451のカソードに対して垂直な方向に供給される。そして、カソードから排出されるカソードオフガスは、カソード対向プレート42の複数の空気排出口422o、および、中間プレート43の432dを通って、排出される。
The air flowing through the air supply through-
また、アノード対向プレート44の冷却水供給用貫通孔446a、中間プレート43の複数の冷却水流路形成用貫通孔436の一端、カソード対向プレート42の冷却水供給用貫通孔426aを流れる冷却水は、中間プレート43の冷却水流路形成用貫通孔436から分岐して、中間プレート43内を通り、冷却水流路形成用貫通孔436の他端から排出される。
Further, the cooling water flowing through the cooling water supply through
A2.2.シールガスケット一体型MEA:
図3は、シールガスケット一体型MEA45Aを示す説明図である。図3(a)に、シールガスケット一体型MEA45Aのカソード側から見た平面図を示した。また、図3(b)に、図3(a)におけるA−A断面図を示した。そして、図3(c)に図3(b)におけるB−B断面図を示した。シールガスケット一体型MEA45Aの外形は、セパレータ41の外形の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を成している。
A2.2. Seal gasket integrated MEA:
FIG. 3 is an explanatory view showing a seal gasket-integrated
MEA部451は、図3(c)に示したように、平面略正方形状を成し、図3(b)に示したように、電解質膜46の一方の面に、カソード側触媒電極47cと、カソード用拡散層48cとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード側触媒電極47aと、アノード用拡散層48aとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体(MEA)である。本実施例では、アノード用拡散層48a、および、カソード用拡散層48cとして、カーボン多孔体を用いるものとした。
The
シールガスケット450には、図3(a)に示したように、セパレータ41と同様に、空気供給用貫通孔452aと、水素供給用貫通孔454aと、空気排出用貫通孔452bと、水素排出用貫通孔454bと、冷却水供給用貫通孔456aと、冷却水排出用貫通孔456bとが形成されている。そして、図3(b)に示すように、これら各貫通孔、および、MEA部451の周囲には、それぞれ凸状のシール部459が一体的に設けられており、図3(a)中に細線で示したシールラインSLが形成されている。本実施例では、シールガスケット450として、シリコーンゴムを用いるものとした。
As shown in FIG. 3A, the
接合部材458Aは、図3(b)および(c)に示すように、円柱状を成す。そして、図3(c)に示すように、複数個の接合部材458Aは、MEA部451の周縁部に均等な間隔で配列されている。また、図3(b)に示すように、接合部材458Aは、MEA部451を貫通している。そして、シールガスケット450は、MEA部451の周縁部と、その周縁部に配設された複数の接合部材458Aとを覆うような状態で、MEA部451の外周に一体的に形成されている。ここで、図3(b)に示すように、接合部材458Aは、シールガスケット450のシール部459の形成するシールラインSLに相当する位置に配設されている。なお、本実施例において、接合部材458Aは、シールガスケット450のヤング率より高いヤング率を有する高剛性材料であって、絶縁性を有する材料を用いるものとする。例えば、エポキシ樹脂、フェノール、ポリスチレン、尿素樹脂等の熱硬化性樹脂、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PES(ポリエーテルスルホン)等の熱可塑性樹脂を用いることができる。このような絶縁性の材料を用いることにより、接合部材458aが触媒電極47a、47c、および拡散層48a、48cを貫通しても、それらの間で電気的に短絡が生じるのを防止することができる。
As shown in FIGS. 3B and 3C, the joining
本実施例では、シリコーンゴムを用い、射出成型によりシールガスケット450をMEA部451および接合部材458Aと一体的に形成している。具体的には、複数の接合部材458Aを貫通させたMEA部451を、金型にセットし、型締めする。続いて、金型のキャビティーにシリコーンゴムを注入する。ここで、キャビティーは、シリコーンゴムを注入すると、シリコーンゴムがMEA部451の周縁部を覆うような形状に形成されている。そして、シリコーンゴムを硬化させた後、型開きすることにより、図3(a)に示すシールガスケット一体型MEA45Aを得る。シールガスケット450が、このような工程によってMEA部451および接合部材458Aと一体的に形成されると、シリコーンゴムが硬化する際の加硫(架橋)反応により、接合部材458Aと、MEA部451は、それぞれシールガスケット450と接着される。
In this embodiment, silicone rubber is used, and the
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタック100によれば、接合部材458AがMEA部451を貫通し、接合部材458AのMEA部451から突出した部分がシールガスケット450に刺さった状態で接着されている。すなわち、MEA部451とシールガスケット450とをピンで固定したような状態になっている。
そのため、シールガスケット450とMEA部451の電解質膜46とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット450とMEA部451とは接合部材458Aによって接合されているため、シールガスケット450と電解質膜46の収縮は制限される。従って、一体的に形成されることにより接着されたシールガスケット450と電解質膜46との剥離を防止することができる。
従来は、シールガスケット一体型MEAにおいて、シールガスケットと電解質膜との接着部位が剥離すると、水素と空気がクロスリークして、水素と空気中の酸素が直接化学反応を起こすことにより、水素の触媒電極における反応効率が悪くなり、発電効率が低下することがあった。しかしながら、本実施例の燃料電池スタック100によれば、シールガスケット450と電解質膜46との剥離を防止することができるため、そのような発電効率の低下を防止することができる。また、水素と空気がクロスリークすることにより、異常燃焼が生じるのを防止することもできる。
As described above, according to the
Therefore, even if the
Conventionally, in a seal gasket-integrated MEA, when the adhesion portion between the seal gasket and the electrolyte membrane is peeled off, hydrogen and air cross-leak, and hydrogen and oxygen in the air directly cause a chemical reaction. In some cases, the reaction efficiency at the electrode deteriorates and the power generation efficiency decreases. However, according to the
また、接合部材458Aは、シールガスケット450に突設されたシール部459によって形成されるシールラインSLに沿うように、シール部459の内部に配置されている。ここで、接合部材458Aは、シールガスケット450より剛性の高い高剛性材料を用いて形成されているため、シール部459がセパレータ41を押圧する押圧力が大きくなり、シールガスケット450のシール性を向上することができる。
Further, the joining
なお、本実施例において、接合部材458Aは、シールラインSLに対応する位置に配置されているが、この位置に限定されるものではなく、MEA部451とシールガスケット450とが重なる部位であればよい。また、接合部材458Aの個数および形状は、本実施例に限定されない。
また、本実施例では、シールガスケット450として、シリコーンゴムを用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、弾力性、耐熱性を有する他の部材を用いるものとしてもよい。
In the present embodiment, the joining
In this embodiment, silicone rubber is used as the
B.第2の実施例:
第2の実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型MEA45B以外の構成は、第1の実施例の燃料電池スタック100の構成と同じである。また、本実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Bは、接合部材以外の部分は、第1の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Aと同じである。以下、本実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Bの構成について説明する。
B. Second embodiment:
The configuration of the fuel cell stack of the second embodiment is the same as that of the
図4は、第2の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Bを示す説明図である。図4(a)に、シールガスケット一体型MEA45Bの平面図を示した。また、図4(b)に、図4(a)におけるA−A断面図を示した。また、図4(c)には、接合部材458Bの平面図を示した。
FIG. 4 is an explanatory view showing a seal gasket-integrated
図4(a)に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Bのシールガスケット450は、第1の実施例のシールガスケット一体型MEA45Aと同様に、外形はセパレータ41の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型MEA45BにおけるMEA部451と、空気供給用貫通孔452aと、空気排出用貫通孔452bと、水素供給用貫通孔454aと、水素排出用貫通孔454bと、冷却水供給用貫通孔456aと、冷却水排出用貫通孔456bとは、第1の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Aと同じである。
As shown in FIG. 4A, the
図4(b)および(c)に示すように、接合部材458Bは、MEA部451とほぼ同寸法の略正方形の枠状を成すフレーム部458B1と、フレーム部458B1からそれぞれ突設された円柱状を成す複数の電解質膜貫通部458B2と、によって構成されている。そして、接合部材458Bの各電解質膜貫通部458B2は、第1の実施例と同様に、それぞれMEA部451を貫通している。そして、シールガスケット450は、MEA部451の周縁部と、その周縁部に配設された接合部材458Bとを覆うような状態で、MEA部451の外周に一体的に形成されている。また、接合部材458Bは、シールガスケット450のシール部459によって形成されるシールラインSLに相当する位置に配置されている。
As shown in FIGS. 4B and 4C, the joining
なお、本実施例のシールガスケット一体型MEA45Bは、第1の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Aと同一の材料を用いて、同一の工程で形成されている。
Note that the seal gasket-integrated
以上説明したように、本実施例の燃料電池スタックによれば、接合部材458Bの電解質膜貫通部458B2がMEA部451を貫通している。そして、第1の実施例と同様に、接合部材458Bを配設したMEA部451と一体的にシールガスケット450を形成することにより、接合部材458Bの電解質膜貫通部458B2の電解質膜46から突出した部分と、フレーム部458B1は、それぞれシールガスケット450と接着している。これにより、シールガスケット450とMEA部451とは接合部材458Bによって接合されている。
従って、シールガスケット450とMEA部451の電解質膜46とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット450とMEA部451とは接合部材458Aによって接合されているため、第1の実施例と同様にシールガスケット450および電解質膜46の収縮は制限される。そして、一体的に形成されることにより接着されたシールガスケット450と電解質膜46との剥離を防止することができる。よって、第1の実施例と同様に、発電効率の低下を防止することができる。
また、第1の実施例と同様に、接合部材458Bは、シールガスケット450に突設されたシール部459によって形成されるシールラインSLに相当する位置に配置されている。そのため、第1の実施例と同様に、シールガスケット450のシール性を向上することができる。
As described above, according to the fuel cell stack of this example, the electrolyte membrane penetration part 458B2 of the joining
Therefore, even if the
Similarly to the first embodiment, the joining member 458 </ b> B is disposed at a position corresponding to the seal line SL formed by the
また、本実施例のシールガスケット一体型MEA45Bにおいて、シールガスケット450は、射出成型によってMEA部451と一体的に形成される。このようにシールガスケットがMEA部と一体的に形成される場合、シールガスケットとMEA部とは、収縮率が異なり、また、シールガスケットはヤング率の小さい柔らかいシリコーンゴムから成るため、成型時の成型収縮により、シールガスケットが波打つように変形することがある。しかしながら、本実施例のシールガスケット一体型MEA45Bでは、シールガスケット450より曲げ弾性率(ヤング率)の大きい高剛性材料からなる接合部材458Bが、枠状を成すフレーム部458B1を有するため、製造時のシールガスケット450の変形を抑制することができる。
In the seal gasket-integrated
C.第3の実施例:
第3の実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型MEA以外の部分は、第1の実施例の燃料電池スタック100の構成と同じである。以下、本実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Cについて説明する。
C. Third embodiment:
The configuration of the fuel cell stack of the third embodiment is the same as that of the
図5は、第3の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Cを示す説明図である。図5(a)に、シールガスケット一体型MEA45Cの平面図を示した。また、図5(b)に、図5(a)におけるA−A断面図を示した。また、図5(c)には、セパレータ41と、シールガスケット一体型MEA45Cとを交互に積層させたときの、図5(a)におけるB−B断面図を示した。
FIG. 5 is an explanatory view showing a seal gasket-integrated
図5(a)に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Cのシールガスケット450は、第1の実施例および第2の実施例のシールガスケット一体型MEAと同様に、外形はセパレータ41の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型MEA45Cにおける空気供給用貫通孔452aと、空気排出用貫通孔452bと、水素供給用貫通孔454aと、水素排出用貫通孔454bと、冷却水供給用貫通孔456aと、冷却水排出用貫通孔456bとは、第1の実施例の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Aと同じである。
As shown in FIG. 5 (a), the
一方、図5(b)に示すように、MEA部451Cは、第1の実施例および第2の実施例と同様に、電解質膜46の一方の面に、カソード側触媒電極47cと、カソード用拡散層48cとをこの順に積層させ、他方の面に、アノード側触媒電極47aと、アノード用拡散層48aとを、この順にそれぞれ積層させた膜電極接合体である。但し、第1の実施例および第2の実施例と異なり、MEA部451Cは、シールガスケット450の端部にまで及んでいる。そして、MEA部451Cの外形は、シールガスケット450と同様に、セパレータ41の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を成す。また、MEA部451Cの周縁部には、シールガスケット450における空気供給用貫通孔452aと、空気排出用貫通孔452bと、水素供給用貫通孔454aと、水素排出用貫通孔454bと、冷却水供給用貫通孔456aと、冷却水排出用貫通孔456bとに相当する貫通孔が形成されている。
On the other hand, as shown in FIG. 5 (b), the
そして、図5(a)に示すように、シールガスケット一体型MEA45Cにおいて、シールガスケット450の周縁部にあたる4辺に、接合部材458Cがそれぞれ配設されている。そして、図5(b)および(c)に示すように、接合部材458Cは、複数の電解質膜貫通部458C2と、セパレータ41の外周部と嵌合可能に形成された凹部458C5を有する嵌合部458C3と、電解質膜貫通部458C2と嵌合部458C3とを連結する連結部458C4とによって構成されている。ここで、各電解質膜貫通部458C2は、それぞれ円柱状を成し、第2の実施例と同様にMEA部451Cを貫通している。また、嵌合部458C3は、シールガスケット450の端面に接するように配置されている。そして、図5(a)に示すように、シールガスケット450は、MEA部451Cに形成された貫通孔の周囲を囲むようにMEA部451Cと一体的に形成されている。すなわち、接合部材458Cにおいて、複数の電解質膜貫通部458C2および連結部458C4は、シールガスケット450に内包されており、嵌合部458C3は、シールガスケット450の外側に配置されている。
As shown in FIG. 5A, in the seal gasket-integrated
なお、本実施例のシールガスケット一体型MEA45Cは、第1の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Aと同一の材料を用いて、同一の工程で形成されている。
The seal gasket-integrated
以上説明したように、第3の実施例の燃料電池スタックによれば、接合部材458Cの電解質膜貫通部458C2がMEA部451Cを貫通している。そして、第1の実施例と同様に、接合部材458Cを配設したMEA部451Cと一体的にシールガスケット450を形成することにより、接合部材458Cの電解質膜貫通部458C2の電解質膜46から突出した部分と、連結部458C4は、それぞれシールガスケット450と接着している。これにより、シールガスケット450とMEA部451Cとは接合部材458Cによって接合されている。
そのため、第1の実施例および第2の実施例と同様に、シールガスケット450とMEA部451Cの電解質膜46とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット450とMEA部451Cとは接合部材458Cによって接合されているため、シールガスケット450と電解質膜46の収縮は制限され、シールガスケット450と電解質膜46との剥離を防止することができる。よって、第1の実施例および第2の実施例と同様に、発電効率の低下を防止することができる。
As described above, according to the fuel cell stack of the third embodiment, the electrolyte membrane penetration part 458C2 of the joining
Therefore, as in the first and second embodiments, even when the
さらに、本実施例の接合部材458Cは、セパレータ41と嵌合可能に凹部458C5が形成された嵌合部458C3を有している。そして、嵌合部458C3は、シールガスケット450の端面に接するように、シールガスケット450の外側に配置されている。従って、図5(c)に示すように、セパレータ41と、シールガスケット一体型MEA45Cとを交互に積層するときに、セパレータ41の4つの辺に、接合部材458Cの凹部458C5をそれぞれ嵌合させれば、セパレータ41の面方向の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。
Furthermore, the joining
また、従来のスタック構造を有する燃料電池は、シールガスケット一体型MEAとセパレータを交互に積層した場合に、シールガスケットのシール部が、セパレータの両面からセパレータを押圧している。ここで、例えば、燃料電池スタックの運転時に反応ガス圧により、セパレータ41と、シールガスケット一体型MEAと間に横ズレが生じると、1枚のセパレータを両面から押圧するシール部のシールラインがずれてしまう。これにより、セパレータが傾いたり、セパレータに割れや変形が生じることがあった。しかしながら、本実施例の燃料電池スタックによれば、図5(c)に示すように、シールガスケット一体型MEA45Cとセパレータ41を交互に積層する際に、接合部材458Cの凹部458C5をセパレータ41の4つの辺にそれぞれ嵌合させることにより、セパレータ41とシールガスケット一体型MEA45Cの面方向の位置が固定され、横ズレが生じるのを抑制することができる。従って、1枚のセパレータ41を両面から押圧するシール部459のシールラインSLのずれが抑制され、セパレータ41が傾いたり、セパレータ41に割れや変形が生じたりするのを防止することができる。
Further, in the fuel cell having the conventional stack structure, when the seal gasket integrated MEA and the separator are alternately laminated, the seal portion of the seal gasket presses the separator from both sides of the separator. Here, for example, when a lateral shift occurs between the
D.第4の実施例:
第4の実施例の燃料電池スタックの構成は、シールガスケット一体型MEA45D以外の部分は、第1の実施例の燃料電池スタックと同じである。以下、本実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Dの構成について説明する。
D. Fourth embodiment:
The configuration of the fuel cell stack of the fourth embodiment is the same as that of the fuel cell stack of the first embodiment except for the seal gasket-integrated
図6は、第4の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Dを示す説明図である。図6(a)に、シールガスケット一体型MEA45Dの平面図を示した。また、図6(b)に、図6(a)におけるA−A断面図を示した。また、図6(c)には、接合部材458Dの平面図を示した。
FIG. 6 is an explanatory view showing a seal gasket-integrated
図6(a)に示したように、本実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Dのシールガスケット450は、第1の実施例のシールガスケット一体型MEA45Aと同様に、外形はセパレータ41の四隅をそれぞれ切り欠いた形状を有している。また、シールガスケット一体型MEA45DにおけるMEA部451と、空気供給用貫通孔452aと、空気排出用貫通孔452bと、水素供給用貫通孔454aと、水素排出用貫通孔454bと、冷却水供給用貫通孔456aと、冷却水排出用貫通孔456bとは、第1の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Aと同じである。
As shown in FIG. 6A, the
図6(b)および(c)に示すように、接合部材458Dは、MEA部451とほぼ同寸法の略正方形の枠状を成すフレーム部458D1と、フレーム部458D1からそれぞれ突設された円柱状を成す複数の電解質膜貫通部458D2と、セパレータ41に嵌合可能に形成された凹部458D5を有する嵌合部458D3と、フレーム部458D1と嵌合部458D3とを連結する連結部458D4とによって構成されている。そして、各電解質膜貫通部458D2は、第3の実施例と同様にそれぞれMEA部451を貫通している。そして、シールガスケット450は、MEA部451の周縁部と、その周縁部に配設された接合部材458Dの一部を覆うような状態で、MEA部451の外周に一体的に形成されている。また、嵌合部458D3は、シールガスケット450の端面に接するように配置されている。
As shown in FIGS. 6B and 6C, the joining
なお、本実施例のシールガスケット一体型MEA45Dは、第1の実施例におけるシールガスケット一体型MEA45Aと同一の材料を用いて、同一の工程で形成されている。
Note that the seal gasket-integrated
以上説明したように、第4の実施例の燃料電池スタックによれば、接合部材458Dの電解質膜貫通部458D2がMEA部451を貫通している。そして、第1の実施例と同様に、接合部材458Dを配設したMEA部451と一体的にシールガスケット450を形成することにより、接合部材458Dの電解質膜貫通部458D2の電解質膜46から突出した部分と、フレーム部458D1と、連結部458D4は、それぞれシールガスケット450に接着されている。これにより、シールガスケット450とMEA部451とは接合部材458Dによって接合されている。
そのため、シールガスケット450とMEA部451の電解質膜46とがそれぞれ収縮しようとしても、シールガスケット450とMEA部451とは接合部材458Dによって接合されているため、第1の実施例ないし第3の実施例と同様に、シールガスケット450と、電解質膜46の収縮は制限され、シールガスケット450と電解質膜46との剥離を防止することができる。
As described above, according to the fuel cell stack of the fourth embodiment, the electrolyte membrane penetration part 458D2 of the joining
Therefore, even if the
また、本実施例の接合部材458Dは、セパレータ41と嵌合可能に凹部458D5が形成されている。従って、第3の実施例と同様に、セパレータ41と、シールガスケット一体型MEA45Aとを積層させるときに、セパレータ41の面方向の位置決めを容易に、かつ、精度良く行うことができる。また、第3の実施例と同様に、燃料電池スタックの運転時に、セパレータ41と、シールガスケット一体型MEA45Dと間に横ズレが生じるのを抑制することができ、セパレータ41が傾いたり、セパレータ41に割れや変形が生じるのを防ぐことができる。
Further, the
また、接合部材458Dを用いると、シールガスケット一体型MEAにおいて、MEAがシールガスケットの端部にまで及んでいない形状(本実施例と同様の形状)であっても、第3の実施例と同様に、シールガスケット450と電解質膜46との剥離を防止すると共に、セパレータ41の割れや変形を防止することができる。従って、高価な電解質膜を小さく形成することができるため、コストを低減することができる。
Further, when the joining
E.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。
E. Variation:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in various aspects is possible within the range which does not deviate from the summary. It is.
上記した実施例において、MEAは、外形が同一の大きさの電解質膜46、アノード側触媒電極47a、カソード側触媒電極47c、アノード用拡散層48a、およびカソード用拡散層48cを積層して構成されているが、これに限定されない。例えば、電解質膜46のみを大きく形成し、電解質膜46に対して他の膜を積層する際に、他の膜の外周より外側に、電解質膜46の周縁部が露出するように構成してもよい。この場合、シールガスケット一体型MEAは、電解質膜46の露出している周縁部のみを、シールガスケット450にて挟み込んだ状態となるように、形成することができる。このようにすると、例えば、射出成型によりシールガスケットをMEAと一体的に形成する際に、触媒電極47a,47cには、シールガスケット450を形成するためのシリコーンゴムが架からないため、成型時の熱により触媒電極47a,47cが変形したり、電極が破損したりするのを防止することができる。
In the embodiment described above, the MEA is configured by laminating the
また、上記した第1および第2の実施例において、接合部材として、絶縁性を有する材料を用いるようにしたが、以下のような構成とすることにより、導電性を有する材料を用いるようにしてもよい。すなわち、第1および第2の実施例のように、接合部材とセパレータとが接触しない(すなわち、嵌合部を有していない)構成においては、MEAとして、上述したように、電解質膜46のみを大きく形成し、他の膜の外周よりも外側に電解質膜46の周縁部が露出するようなMEAを用い、電解質膜46の周縁部のみを接合部材で貫通させるように構成する。このような構成では、接合部材とセパレータとが接触しないため、接合部材として導電性を有するの材料を用いたとしても、電解質膜46とセパレータとが電気的に短絡することがなく、また、接合部材が触媒電極47a,47cを貫通していないため、電極間で電気的に短絡することもない
In the first and second embodiments described above, an insulating material is used as the joining member. However, by using the following configuration, a conductive material is used. Also good. That is, as in the first and second embodiments, in the configuration where the joining member and the separator do not contact (that is, does not have a fitting portion), as described above, only the
また、上記した第3および第4の実施例において、接合部材として、絶縁性を有する材料を用いるようにしたが、以下のような構成としてもよい。例えば、接合部材のうち、電解質膜貫通部を絶縁性を有する材料で形成し、嵌合部、連結部、およびフレーム部等を導電性を有する材料で形成する。接合部材をこのような構成とすれば、たとえ、電解質膜貫通部が触媒電極47a,47cを貫通していても、電極間で電気的に短絡することはなく、また、セパレータから嵌合部に電流が流れたとしても、電極間で電気的に短絡することはない。
In the third and fourth embodiments described above, an insulating material is used as the joining member, but the following configuration may be used. For example, among the joining members, the electrolyte membrane penetrating portion is formed of an insulating material, and the fitting portion, the connecting portion, the frame portion, and the like are formed of a conductive material. If the joining member has such a configuration, even if the electrolyte membrane penetrating portion penetrates the
また、上記した実施例において、セパレータは、カソード対向プレートと、中間プレートと、アノード対向プレートとの3枚のプレートによって構成されているものとしたが、これに限られない。例えば、カーボン等、1つのブロック状の部材を加工して形成したセパレータを用いるものとしてもよい。 Further, in the above-described embodiment, the separator is configured by three plates of the cathode facing plate, the intermediate plate, and the anode facing plate, but is not limited thereto. For example, a separator formed by processing one block-like member such as carbon may be used.
10...エンドプレート
20...絶縁板
30...集電板
40...燃料電池モジュール
41...セパレータ
42...カソード対向プレート
43...中間プレート
44...アノード対向プレート
46...電解質膜
47a...アノード側触媒電極
47c...カソード側触媒電極
48a...アノード用拡散層
48c...カソード用拡散層
50...集電板
60...絶縁板
70...エンドプレート
80...テンションプレート
82...ボルト
100...燃料電池スタック
422a,432a,442a,452a...空気供給用貫通孔
422b,432b,442b,452b...空気排出用貫通孔
422i...空気供給口
422o...空気排出口
424a,434a,444a,454a...水素供給用貫通孔
424b,434b,444b,454b...水素排出用貫通孔
426a,446a,456a...冷却水供給用貫通孔
426b,446b,456b...冷却水排出用貫通孔
432c...空気供給用流路形成部
432d...空気排出用流路形成部
432e...水素供給用流路形成部
432f...水素排出用流路形成部
436...冷却水流路形成用貫通孔
444i...水素供給口
444o...水素排出口
45A,45B,45C,45D...シールガスケット一体型MEA
450...シールガスケット
458A,458B,458C,458D...接合部材
458B1,458D1...フレーム部
458B2,458C2,458D2...電解質膜貫通部
458C3,458D3...嵌合部
458C4,458D4...連結部
458C5,458D5...凹部
10 ...
450 ...
Claims (7)
少なくとも前記高分子電解質膜の周縁部の少なくとも一部を貫通する複数の電解質膜貫通部を有する接合部材と、
少なくとも前記接合部材の一部と、前記高分子電解質膜の前記周縁部とを覆うように、前記MEAと一体的に形成されるシール部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell having a stack structure in which at least a polymer electrolyte membrane and MEA (Membrance Electrode Assembly) having electrodes formed on both sides of the polymer electrolyte membrane are stacked with a separator interposed therebetween.
A joining member having a plurality of electrolyte membrane penetrating portions penetrating at least a part of the peripheral portion of the polymer electrolyte membrane;
A seal member formed integrally with the MEA so as to cover at least a part of the joining member and the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane;
A fuel cell comprising:
前記接合部材は、
枠状に一周するように形成されたフレーム部をさらに備え、
前記電解質膜貫通部は、
前記フレーム部から突設されていることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The joining member is
It further comprises a frame part formed so as to go around in a frame shape,
The electrolyte membrane penetration part is
A fuel cell, wherein the fuel cell protrudes from the frame portion.
前記接合部材は、
少なくとも前記フレーム部が、前記シール部材より剛性が高い高剛性材料より成ることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The joining member is
The fuel cell according to claim 1, wherein at least the frame portion is made of a highly rigid material having higher rigidity than the seal member.
前記シール部材は、
前記MEAが前記セパレータを介して複数積層された場合に、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体が流通することが可能なマニホールドを形成する複数の貫通孔を備え、
前記フレーム部は、
前記貫通孔が、前記フレーム部の外周に位置するように、形成されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 2 or claim 3, wherein
The sealing member is
A plurality of through holes forming a manifold through which fuel gas, oxidant gas, or cooling medium can circulate when a plurality of the MEAs are stacked via the separator;
The frame part is
The fuel cell, wherein the through hole is formed so as to be positioned on an outer periphery of the frame portion.
少なくとも前記フレーム部は、
前記シール部材に内包されていることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 2 to 4, wherein
At least the frame part
A fuel cell, which is enclosed in the seal member.
前記電解質膜貫通部は、
少なくとも前記高分子電解質膜および前記電極を貫通し、かつ、絶縁性を有する材料から成ることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein
The electrolyte membrane penetration part is
A fuel cell comprising at least the polymer electrolyte membrane and the electrode, and made of an insulating material.
前記接合部材は、
前記MEAを、前記セパレータを介在させて積層する際に、前記セパレータの周縁部の少なくとも一部に嵌合する嵌合部をさらに備え、
前記電解質膜貫通部および前記嵌合部の間が絶縁されていることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein
The joining member is
When the MEA is laminated with the separator interposed, the MEA further includes a fitting portion that fits at least a part of the peripheral edge of the separator,
The fuel cell, wherein the electrolyte membrane penetrating part and the fitting part are insulated.
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