JP2006185613A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質として固体高分子電解質膜を用い、その電解質膜を狭持する電極の外周に沿って反応ガスの漏洩を防止するためのガスケットを備えた単位セルを有する燃料電池スタックにおいて、ガスケットのシール性を向上するための構成に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack having a unit cell that includes a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte and includes a gasket for preventing leakage of a reaction gas along the outer periphery of an electrode sandwiching the electrolyte membrane. The present invention relates to a configuration for improving the sealing performance.
燃料電池として、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）を一対の電極で狭持し、さらにその外側からセパレータで狭持したものが知られている。アノード側電極には水素を含有する燃料ガスが、カソード側電極には酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、電気化学反応を生じることにより起電力を発生する。このとき、アノード側電極に供給された燃料ガスと、カソード側電極に供給された酸化剤ガスと、が漏洩・混合するのを避けるために、各電極の外周に沿ってガスケットが設けられている。 2. Description of the Related Art A fuel cell is known in which a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as an electrolyte membrane) is sandwiched by a pair of electrodes and further sandwiched by a separator from the outside. A fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode side electrode, and an oxidant gas containing oxygen is supplied to the cathode side electrode to generate an electromotive force by causing an electrochemical reaction. At this time, in order to avoid leakage and mixing of the fuel gas supplied to the anode side electrode and the oxidant gas supplied to the cathode side electrode, a gasket is provided along the outer periphery of each electrode. .
ガスケットとしては、比較的柔らかい発泡性のゴムにより層状に形成された第一部分と、それより弾性率の高い第二部分とを備えたものが提案されている。セパレータに対峙する面を第一部分で構成し、その反対側の電解質膜を狭持する面を第二部分で構成している。これにより、セパレータ表面粗さを吸収するとともに、ガスケット全体の弾性変形を小さくして、燃料電池スタックの積層方向における高い安定性を確保している（例えば、特許文献１、参照。）。 As a gasket, a gasket having a first portion formed in a layer shape with relatively soft foamable rubber and a second portion having a higher elastic modulus has been proposed. The surface facing the separator is configured by the first portion, and the surface sandwiching the electrolyte membrane on the opposite side is configured by the second portion. Thus, the separator surface roughness is absorbed, and the elastic deformation of the entire gasket is reduced to ensure high stability in the stacking direction of the fuel cell stack (see, for example, Patent Document 1).
また、電解質膜の面積が電極より大きく形成され、電解質膜とセパレータとの間に介装されて、電極を隙間を保持して額縁状に包囲するガスケットを有する燃料電池において、電解質膜の周縁部分に、一部が電極に重なる額縁状の保護膜を配置したものが提案されている。これにより、電解質膜の、電極とガスケットとの間にできる隙間に面する部分が補強され、安全運転性を向上している。このとき、ガスケットは直接電解質膜には接触せずに、保護膜を介して接触している（例えば、特許文献２、参照。）。
特開２０００−１８２６３９号公報に記載の燃料電池においては、ガスケットが電解質膜に対峙する構成となっており、特許第３３６８９０７号公報に記載の燃料電池においても、ガスケットは電解質膜の両面にもうけた保護膜に対峙する構成となっている。ガスケットと対峙する電解質膜または電解質膜と保護膜からなる層の剛性は小さく、ガスケットによって発生する反力によって、ガスケットに対峙する面が変形し、シール性が低下してしまうといった問題があった。 In the fuel cell described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-182039, the gasket is configured to face the electrolyte membrane. In the fuel cell described in Japanese Patent No. 3368907, the gasket is provided on both surfaces of the electrolyte membrane. It is the structure which opposes a protective film. The rigidity of the electrolyte membrane facing the gasket or the layer made of the electrolyte membrane and the protective film is small, and the reaction force generated by the gasket deforms the surface facing the gasket, resulting in a problem that the sealing performance is lowered.
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、シール性を向上させた燃料電池を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell with improved sealing performance.
本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を狭持する一対の電極層と、さらに、前記電極層を狭持するセパレータと、を備えた単位セルを複数積層して構成した燃料電池スタックにおいて、前記電極層の外周を囲むように配置されたガスケットと、前記セパレータに、前記ガスケットの少なくとも一部を介して狭持され、かつ、積層面方向について前記固体高分子電解質膜に連続して構成され、かつ、前記固体高分子電解質膜よりも高い剛性を有する第一部材を備える。 The present invention comprises a plurality of unit cells each including a solid polymer electrolyte membrane, a pair of electrode layers that sandwich the solid polymer electrolyte membrane, and a separator that sandwiches the electrode layer. In the above fuel cell stack, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the gasket disposed so as to surround the outer periphery of the electrode layer, the separator through at least a part of the gasket, and the stacking surface direction. And a first member having a rigidity higher than that of the solid polymer electrolyte membrane.
このように、セパレータにガスケットの少なくとも一部を介して狭持され、かつ、積層面方向について固体高分子電解質膜に連続して構成され、固体高分子電解質膜よりも高い剛性を有する第一部材を備えることで、ガスケットの対峙面の変形を防ぐことができる。その結果、ガスケット部分のシール性を向上することができる。 Thus, the first member that is sandwiched between at least a part of the gasket and is formed continuously with the solid polymer electrolyte membrane in the laminated surface direction and has higher rigidity than the solid polymer electrolyte membrane. By providing, it is possible to prevent deformation of the facing surface of the gasket. As a result, the sealing performance of the gasket portion can be improved.
図１を用いて第１の実施形態について説明する。図１（ａ）には燃料電池スタック１の斜視図を、図１（ｂ）には断面図を示す。ここでは、燃料電池スタック１を、自動車等の移動体搭載用のスタックとする。但し、自動車以外に用いることもできる。 The first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a perspective view of the fuel cell stack 1, and FIG. Here, the fuel cell stack 1 is a stack for mounting a moving body such as an automobile. However, it can also be used for other than automobiles.
燃料電池スタック１は、所定数の単位セル２を積層した積層電池の形態で構成され、積層方向両端には集電板３、エンドプレート４とを備える。単位セル２は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、１Ｖ程度の起電力を生じる。集電板３は、緻密カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材により構成される。エンドプレート４には、アノードガス、カソードガス、冷却水それぞれの供給部５〜７と排出部８〜１０を備え、各供給部５〜７、排出部８〜１０は燃料電池スタック１内部の単位セル２に設けた各流路（１５ａ、１５ｃ、１６）に接続する。 The fuel cell stack 1 is configured in the form of a stacked battery in which a predetermined number of unit cells 2 are stacked, and includes a current collector plate 3 and an end plate 4 at both ends in the stacking direction. Each unit cell 2 is formed as a polymer electrolyte fuel cell and generates an electromotive force of about 1V. The current collector plate 3 is composed of a gas impermeable conductive member such as dense carbon or a copper plate. The end plate 4 includes supply portions 5 to 7 and discharge portions 8 to 10 for anode gas, cathode gas, and cooling water, and the supply portions 5 to 7 and discharge portions 8 to 10 are units inside the fuel cell stack 1. It connects with each flow path (15a, 15c, 16) provided in the cell 2.
また、燃料電池スタック１の構成部材の面圧を維持するために、燃料電池スタック１を積層方向に貫通するテンションロッド１８と、燃料電池スタック１の端部に設けられた変動吸収部材１１を備える。変動吸収部材１１は、皿バネ等の弾性体より構成され、燃料電池スタック１の面圧の変動を吸収する。但し、面圧を維持するための構成はこの限りではなく、燃料電池スタック１の外部にテンションロッド１８を設けるなど、様々な構成をとることができる。 Further, in order to maintain the surface pressure of the constituent members of the fuel cell stack 1, a tension rod 18 that penetrates the fuel cell stack 1 in the stacking direction and a fluctuation absorbing member 11 provided at the end of the fuel cell stack 1 are provided. . The fluctuation absorbing member 11 is composed of an elastic body such as a disc spring and absorbs fluctuations in the surface pressure of the fuel cell stack 1. However, the configuration for maintaining the surface pressure is not limited to this, and various configurations such as providing the tension rod 18 outside the fuel cell stack 1 can be adopted.
次に、図２を参照して、燃料電池スタック１を構成する単位セル２の構成を説明する。 Next, with reference to FIG. 2, the structure of the unit cell 2 which comprises the fuel cell stack 1 is demonstrated.
単位セル２は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２と、電解質膜１２を狭持するアノード電極層１３ａとカソード電極層１３ｃと、からなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１９を備える。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素系樹脂により構成する。電極層１３を、触媒層、撥水層、ガス拡散層から構成する。触媒層を、白金または白金と他の金属との合金が担持されたカーボンブラックより構成し、撥水層をポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層より構成する。また、ガス拡散層を、カーボンクロス、カーボンペーパ、カーボンフェルト等、十分なガス拡散性および導電性を有する部材により構成する。 The unit cell 2 includes an electrolyte membrane 12 having proton conductivity, and a membrane electrode assembly (MEA) 19 including an anode electrode layer 13a and a cathode electrode layer 13c sandwiching the electrolyte membrane 12. The electrolyte membrane 12 is made of a fluorine-based resin that exhibits good proton conductivity in a wet state. The electrode layer 13 is composed of a catalyst layer, a water repellent layer, and a gas diffusion layer. The catalyst layer is composed of carbon black on which platinum or an alloy of platinum and another metal is supported, and the water repellent layer is composed of a layer containing polyethylene fluoroethylene and a carbon material. The gas diffusion layer is made of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, such as carbon cloth, carbon paper, carbon felt or the like.
また、電極層１３に隣接する面にガスケット１７を備えたセパレータ１４を備える。セパレータ１４としては、ガス不透過性のカーボン、または、カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧縮成形したものを用いる。なお、セパレータ１４は、十分な導電性と強度と耐食性を有する材料により構成されていれば良く、例えば金属等により構成しても良い。 Further, a separator 14 having a gasket 17 is provided on a surface adjacent to the electrode layer 13. As the separator 14, a gas impermeable carbon or a mixture obtained by compression molding a mixture of carbon and a thermosetting resin is used. In addition, the separator 14 should just be comprised with the material which has sufficient electroconductivity, intensity | strength, and corrosion resistance, for example, may be comprised with a metal etc.
単位セル２のアノード側に配置されたセパレータ１４ａには、アノード電極層１３ａに対峙する面にアノードガス流路１５ａを備え、カソード側に配置されたセパレータ１４ｃには、カソード電極層１３ｃに対峙する面にカソードガス流路１５ｃを備える。また、セパレータ１４ａ、１４ｃの各流路１５ａ、１５ｃを設けた面の裏面には、冷却水を流通する冷却水流路１６を備える。但し、冷却水流路１６は、アノードセパレータ１４ａ、カソードセパレータ１４ｃの一方に設けても良いし、積層された単位セル２のうち複数毎の単位セル２のみに設けても良い。 The separator 14a disposed on the anode side of the unit cell 2 includes an anode gas flow path 15a on the surface facing the anode electrode layer 13a, and the separator 14c disposed on the cathode side faces the cathode electrode layer 13c. A cathode gas flow path 15c is provided on the surface. In addition, a cooling water channel 16 for circulating cooling water is provided on the back surface of the surface of the separators 14a and 14c where the channels 15a and 15c are provided. However, the cooling water flow path 16 may be provided in one of the anode separator 14a and the cathode separator 14c, or may be provided only in a plurality of unit cells 2 among the stacked unit cells 2.
電解質膜１２、セパレータ１４には、反応領域である電極層１３に重なる領域の外側に、各流路１５ａ、１５ｃ、１６の端部にそれぞれ連通する供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１、排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２を備える。単位セル２の積層時には、各単位セル２の供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１、排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２は重なり合い、燃料電池スタック１を積層方向に貫通する孔が形成される。さらにその孔は、エンドプレート４に設けた、アノードガス、カソードガス、冷却水の供給部５〜７、排出部８〜１０に連続する。 The electrolyte membrane 12 and the separator 14 are provided with supply holes 151a, 151c, 161, discharge holes 152a, which communicate with the ends of the flow paths 15a, 15c, 16 outside the region overlapping the electrode layer 13 as a reaction region, respectively. 152c and 162 are provided. When the unit cells 2 are stacked, the supply holes 151 a, 151 c, 161 and the discharge holes 152 a, 152 c, 162 of each unit cell 2 overlap to form a hole penetrating the fuel cell stack 1 in the stacking direction. Further, the holes are continuous with the anode gas, cathode gas, and cooling water supply units 5 to 7 and the discharge units 8 to 10 provided in the end plate 4.
なお、供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１と排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２と、電極層１３に重なる領域に設けられた各流路１５ａ、１５ｃ、１６との間は、セパレータ１４に設けた溝により接続される。本実施形態では、この溝を、ガス流路１５ａ、１５ｃ、１６の一部として記載する。 The supply holes 151a, 151c, 161, the discharge holes 152a, 152c, 162, and the flow paths 15a, 15c, 16 provided in the region overlapping the electrode layer 13 are connected by grooves provided in the separator 14. Is done. In the present embodiment, this groove is described as a part of the gas flow paths 15a, 15c, and 16.
また、ガスケット１７を、セパレータ１４の主面の電極層１３の外縁に沿って設ける。ガスケット１７を、シリコンゴム、ＥＰＤＭ（ethylene‐propylene terpolymer）、またはフッ素ゴム等のゴム状弾性材料によって構成する。ここでは、ガスケット１７は、電極層１３の外周を囲むとともに、その一部により、供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１、排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２の周囲を囲むように構成する。燃料電池スタック１の組み立て時には、ガスケット１７は、セパレータ１４ａ、１４ｃ間で弾性変形して各電極層１３ａ、１３ｃを密閉し、反応ガスの漏洩を防止する。なお、各流路１５ａ、１５ｃ、１６と連結し、アノードガス、カソードガス、冷却水が導入、または排出される箇所にはガスケット１７を設けない。 A gasket 17 is provided along the outer edge of the electrode layer 13 on the main surface of the separator 14. The gasket 17 is made of a rubber-like elastic material such as silicon rubber, EPDM (ethylene-propylene terpolymer), or fluorine rubber. Here, the gasket 17 is configured to surround the outer periphery of the electrode layer 13 and to surround the periphery of the supply holes 151a, 151c, 161 and the discharge holes 152a, 152c, 162 by a part thereof. When the fuel cell stack 1 is assembled, the gasket 17 is elastically deformed between the separators 14a and 14c to seal the electrode layers 13a and 13c and prevent leakage of the reaction gas. In addition, it connects with each flow path 15a, 15c, 16, and the gasket 17 is not provided in the location where anode gas, cathode gas, and cooling water are introduce | transduced or discharged | emitted.
ここで、従来の単位セル１０２に設けたガスケット１１７の設置部の断面を図３に示す。 Here, FIG. 3 shows a cross section of an installation portion of the gasket 117 provided in the conventional unit cell 102.
ガスケット１１７は、保護膜１２０を介して電解質膜１１２を狭持する。保護膜１２０としては、例えばＰＥＴといったような樹脂フィルムを用いる。このような構成とした場合、ガスケット１１７で狭持される部分は、電解質膜１１２と保護膜１２０といった薄い材料を複数積層した構造となり、剛性が低くなる。その結果、組み立て時に積層方向に圧力が加えられてガスケット１１７が圧縮されることにより反力が生じ、ガスケット１１７に対峙する面、ここでは、電解質膜１１２や保護膜１２０が変形してガスシール性が低下してしまう。 The gasket 117 holds the electrolyte membrane 112 through the protective membrane 120. As the protective film 120, for example, a resin film such as PET is used. In such a configuration, the portion sandwiched by the gasket 117 has a structure in which a plurality of thin materials such as the electrolyte membrane 112 and the protective film 120 are stacked, and the rigidity is low. As a result, a pressure is applied in the laminating direction at the time of assembly and the gasket 117 is compressed to generate a reaction force, and the surface facing the gasket 117, here, the electrolyte membrane 112 and the protective membrane 120 is deformed to provide gas sealing properties. Will fall.
そこで、本実施形態では、ガスケット１７を以下のように構成する。 Therefore, in the present embodiment, the gasket 17 is configured as follows.
図４に、電極層１３、電解質膜１２を重ねた状態を示す。図４では、従来の電解質膜１１２に比較して、本実施形態の電解質膜１２で切除される部分を斜線で示す。 FIG. 4 shows a state in which the electrode layer 13 and the electrolyte membrane 12 are stacked. In FIG. 4, compared with the conventional electrolyte membrane 112, a portion that is cut away by the electrolyte membrane 12 of the present embodiment is indicated by hatching.
通常、電解質膜１２は、セパレータ１４と略同じ面積を有するように構成するが、本実施形態では、電極層１３より一回り大きい程度に構成する。言い換えれば、ガスケット１７により囲まれる領域より面積が小さくなるように、電解質膜１２を構成する。 Normally, the electrolyte membrane 12 is configured to have substantially the same area as the separator 14, but in this embodiment, the electrolyte membrane 12 is configured to be slightly larger than the electrode layer 13. In other words, the electrolyte membrane 12 is configured so that the area is smaller than the area surrounded by the gasket 17.
このようなセパレータ１４、電極層１３、電解質膜１２を図５に示すように組み立て、電極層１３の外周に沿ってガスケット１７を備える。 Such a separator 14, electrode layer 13, and electrolyte membrane 12 are assembled as shown in FIG. 5, and a gasket 17 is provided along the outer periphery of the electrode layer 13.
このとき、ガスケット１７の対峙領域となる電解質膜１２の外縁にそって、補強部材２１を備える。ここでは、補強部材２１を、図４の斜線で示した領域全体に構成する。 At this time, the reinforcing member 21 is provided along the outer edge of the electrolyte membrane 12 which becomes an opposing region of the gasket 17. Here, the reinforcing member 21 is configured in the entire region indicated by the oblique lines in FIG.
補強部材２１を、二つの部材２１ａ、２１ｂから構成し、一部が電解質膜１２を狭持・接続するように構成する。なお、補強部材２１は必ずしも電解質膜１２を狭持している必要はなく、電解質膜１２に連続して構成されればよい。また、補強部材２１を、電解質膜１２より積層方向の厚さが大きく、十分な剛性を示すように構成する。また、補強部材２１の厚さは均一となるように構成する。なお、補強部材２１を構成する材料としては、形成された際に、十分な剛性を示し、絶縁性を有すればよい。ここでは例えば、電解質膜１２より厚い樹脂フィルムにより構成する。 The reinforcing member 21 is composed of two members 21a and 21b, and a part thereof is configured to sandwich and connect the electrolyte membrane 12. The reinforcing member 21 does not necessarily need to sandwich the electrolyte membrane 12 and may be configured to be continuous with the electrolyte membrane 12. Further, the reinforcing member 21 is configured to have a thickness in the stacking direction larger than that of the electrolyte membrane 12 and to exhibit sufficient rigidity. Further, the reinforcing member 21 is configured to have a uniform thickness. In addition, as a material which comprises the reinforcement member 21, when formed, it should show sufficient rigidity and should have insulation. Here, for example, a resin film thicker than the electrolyte membrane 12 is used.
補強部材２１とセパレータ１４の間にガスケット１７を設けることで、反応ガスの漏洩を防止する。補強部材２１のガスケット１７が対峙する面は、十分な剛性を示すことができるので、積層方向に圧力をかけることにより生じるガスケット１７の反力で、ガスケット１７との対峙面の変形が生じるのを避けることができる。 By providing the gasket 17 between the reinforcing member 21 and the separator 14, leakage of the reaction gas is prevented. Since the surface of the reinforcing member 21 facing the gasket 17 can exhibit sufficient rigidity, the reaction force of the gasket 17 generated by applying pressure in the stacking direction causes deformation of the facing surface with the gasket 17. Can be avoided.
次に、本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
電解質膜１２と、電解質膜１２を狭持する一対の電極層１３と、さらに、電極層１３を狭持するセパレータ１４と、を備えた単位セル２を複数積層して構成した燃料電池スタック１において、電極層１３の外周を囲むように配置されたガスケット１７を備える。また、セパレータ１４に、ガスケット１７の少なくとも一部を介して狭持され、かつ、積層面方向について電解質膜１２に連続して構成され、かつ、電解質膜１２よりも高い剛性を有する補強部材２１を備える。これにより、ガスケット１７が対峙する面の剛性を向上することができるので、ガスケット１７の反力による変形を抑えてシール性能の低下を抑制することができる。 In a fuel cell stack 1 configured by stacking a plurality of unit cells 2 each including an electrolyte membrane 12, a pair of electrode layers 13 sandwiching the electrolyte membrane 12, and a separator 14 sandwiching the electrode layer 13. The gasket 17 is provided so as to surround the outer periphery of the electrode layer 13. Further, the reinforcing member 21 sandwiched between the separators 14 via at least a part of the gasket 17 and continuous with the electrolyte membrane 12 in the laminated surface direction and having higher rigidity than the electrolyte membrane 12 is provided. Prepare. Thereby, since the rigidity of the surface which the gasket 17 opposes can be improved, the deformation | transformation by the reaction force of the gasket 17 can be suppressed, and the fall of sealing performance can be suppressed.
ここでは、補強部材２１を、電解質膜１２の外縁に沿って構成する。これにより、ガスケット１７に狭持される部分のシール性能を向上して、反応ガスの漏洩が生じるのを防ぐことができる。 Here, the reinforcing member 21 is configured along the outer edge of the electrolyte membrane 12. Thereby, the sealing performance of the part pinched by the gasket 17 can be improved, and it can prevent that the leakage of a reactive gas arises.
また、補強部材２１を、厚みが均一になるように構成する。これにより、ガスケット１７の弾性変形量を容易に制御することができ、シール性を向上することができる。また、局所的に反力が大きくなるのを防ぐことができ、燃料電池スタック１の機械的強度を大きくすることができる。 The reinforcing member 21 is configured to have a uniform thickness. Thereby, the elastic deformation amount of the gasket 17 can be easily controlled, and the sealing performance can be improved. In addition, the reaction force can be prevented from locally increasing, and the mechanical strength of the fuel cell stack 1 can be increased.
さらに、補強部材２１を、電解質膜１２より厚い樹脂フィルムにより構成する。このように、補強部材２１の厚みを大きく設定することで、高い剛性を有するように構成することができる。 Further, the reinforcing member 21 is made of a resin film thicker than the electrolyte membrane 12. Thus, it can comprise so that it may have high rigidity by setting the thickness of the reinforcement member 21 large.
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に図６、図７を用いて説明する。なお、図６では、第１の実施形態と同様に、従来の電解質膜１１２に比較して、本実施形態の電解質膜１２で切除される部分を斜線で示す。 Next, a second embodiment will be described. The following description will be made with reference to FIGS. 6 and 7 focusing on the differences from the first embodiment. In FIG. 6, as in the first embodiment, the portion cut by the electrolyte membrane 12 of the present embodiment is indicated by hatching compared to the conventional electrolyte membrane 112.
ここでは、補強部材２１を、単位セル２を構成するセパレータ１４のうち一方のセパレータ１４にガス流路１５が構成され、もう一方にはガス流路１５が構成されない領域に配置する。つまり、補強部材２１を、アノードガス流路１５ａとカソードガス流路１５ｃが重ねて形成されない領域に設ける。 Here, the reinforcing member 21 is disposed in a region where the gas flow path 15 is formed in one separator 14 of the separators 14 constituting the unit cell 2 and the gas flow path 15 is not formed in the other separator 14. That is, the reinforcing member 21 is provided in a region where the anode gas channel 15a and the cathode gas channel 15c are not formed overlapping each other.
この領域は、図６に示すように、供給孔１５１ａと電極層１３に対峙する領域とを接続する領域３１、排出孔１５２ａと電極層１３に対峙する領域とを接続する領域３２であり、これらの領域３１、３２は、アノードガス流路１５ａのみに対峙する。また、供給孔１５１ｃと電極層１３に対峙する領域とを接続する領域３３、排出孔１５２ｃと電極層１３に対峙する領域とを接続する領域３４であり、これらの領域３３、３４はカソードガス流路１５ｃのみに対峙する。 As shown in FIG. 6, this region is a region 31 that connects the supply hole 151 a and the region facing the electrode layer 13, and a region 32 that connects the discharge hole 152 a and the region facing the electrode layer 13. These regions 31 and 32 face only the anode gas flow path 15a. Further, the region 33 connects the supply hole 151c and the region facing the electrode layer 13, and the region 34 connects the discharge hole 152c and the region facing the electrode layer 13. These regions 33 and 34 are the cathode gas flow. It faces only the road 15c.
なお、領域３１〜３２に対峙するガス流路１５は、前述した供給孔１５１、排出孔１５２と電極層１３との間を接続する、セパレータ１４に設けられた溝に相当する。 The gas flow path 15 facing the regions 31 to 32 corresponds to a groove provided in the separator 14 that connects between the supply hole 151 and the discharge hole 152 and the electrode layer 13 described above.
このような領域３１〜３４に補強部材２１を設け、図７に示すように、ガス流路１５に対峙しない側にガスケット１７を設ける。補強部材２１を設けることにより、積層方向に圧力が加えられた際にガスケット１７の反力によりガス流路１５側への変形が生じるのを防ぐことができ、シール性を向上することができる。 The reinforcing member 21 is provided in such regions 31 to 34, and the gasket 17 is provided on the side not facing the gas flow path 15 as shown in FIG. By providing the reinforcing member 21, it is possible to prevent deformation of the gasket 17 due to the reaction force of the gasket 17 when pressure is applied in the stacking direction, and to improve the sealing performance.
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
補強部材２１を、一方の面がセパレータ１４に設けたガス流路１５の溝に対峙し、もう一方の面がガスケット１７に接する領域３１〜３４に配置する。これにより、全体を電解質膜１２で構成した場合に比較して、ガスケット１７の反力によりガス流路１５側への変形が生じ易い領域３１〜３４について、その変形を低減することができる。このように、変形によるシール性の劣化が生じ易い領域３１〜３４に補強部材２１を配置することで、燃料電池スタック１全体のシール性を効率良く向上することができる。 The reinforcing member 21 is disposed in the regions 31 to 34 where one surface faces the groove of the gas flow path 15 provided in the separator 14 and the other surface is in contact with the gasket 17. Thereby, compared with the case where the whole is comprised with the electrolyte membrane 12, the deformation | transformation can be reduced about the areas 31-34 which are easy to produce the deformation | transformation to the gas flow path 15 side by the reaction force of the gasket 17. FIG. Thus, by arranging the reinforcing member 21 in the regions 31 to 34 where deterioration of the sealing performance due to deformation is likely to occur, the sealing performance of the entire fuel cell stack 1 can be improved efficiently.
次に、第３の実施形態について説明する。ガスケット１７の設置位置の断面図を図８に示す。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a third embodiment will be described. A cross-sectional view of the installation position of the gasket 17 is shown in FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the second embodiment.
一方のセパレータ１４のみにガス流路１５が形成された領域に、高剛性部材２３を備える。高剛性部材２３は、電解質膜１２と同じ厚さとする。高剛性部材２３を、例えばステンレス鋼のような、耐食性の優れた材料により構成する。 A high-rigidity member 23 is provided in a region where the gas flow path 15 is formed only in one separator 14. The highly rigid member 23 has the same thickness as the electrolyte membrane 12. The high-rigidity member 23 is made of a material having excellent corrosion resistance such as stainless steel.
また、電解質膜１２の一部と、高剛性部材２３を狭持する保護膜２０を備える。ここでは、保護膜２０で狭持することにより、電解質膜１２と高剛性部材２３を連続して構成する。さらに、ガス流路１５が形成されていないセパレータ１４と保護膜２０との間にガスケット１７を備え、反応ガスの漏洩を抑制する。 In addition, a part of the electrolyte membrane 12 and a protective film 20 that holds the high-rigidity member 23 are provided. Here, the electrolyte membrane 12 and the high-rigidity member 23 are continuously formed by being sandwiched by the protective film 20. Furthermore, a gasket 17 is provided between the separator 14 in which the gas flow path 15 is not formed and the protective film 20 to suppress leakage of the reaction gas.
このように、高剛性部材２３を、一方の面にはガス流路１５が、他方の面にはガスケット１７が形成される位置に配置することで、ガスケット１７からの反力によるガス流路１５側への変形を生じることなく、適切に反応ガスのシール性を維持することができる。また、高剛性部材２３と保護膜２０により構成される、ガスケット１７に狭持される部分を、均一な厚みにすることにより、ガス拡散層１３およびガスケット１７の潰れ代を容易に均一化することが可能となる。 As described above, the high-rigidity member 23 is disposed at a position where the gas flow path 15 is formed on one surface and the gasket 17 is formed on the other surface, so that the gas flow path 15 due to the reaction force from the gasket 17 is formed. The sealing property of the reaction gas can be appropriately maintained without causing side deformation. Further, by making the portion sandwiched by the gasket 17 constituted by the high-rigidity member 23 and the protective film 20 uniform thickness, the crushing allowance of the gas diffusion layer 13 and the gasket 17 can be easily uniformized. Is possible.
なお、ここでは、第２の実施形態に用いた補強部材２１と同じ位置に高剛性部材２３を用いたが、第１の実施形態に用いた補強部材２１と同じ位置に高剛性部材２３を用いることもできる。 Here, the high-rigidity member 23 is used at the same position as the reinforcing member 21 used in the second embodiment, but the high-rigidity member 23 is used at the same position as the reinforcing member 21 used in the first embodiment. You can also.
また、保護膜２０を用いずに、高剛性部材２３に直接ガスケット１７が接触するように構成してもよい。但し、この場合にも、電解質膜１２と高剛性部材２３とが連続するように構成する必要がある。 Further, the gasket 17 may be configured to directly contact the high-rigidity member 23 without using the protective film 20. However, in this case as well, it is necessary to configure the electrolyte membrane 12 and the highly rigid member 23 to be continuous.
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態と効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the second embodiment and effects will be described below.
高剛性部材２３を、電解質膜１２と略同一の厚さで、電解質膜１２よりも高剛性の材料により構成する。これにより、ガスケット１７が対峙する面の変形を抑制し、シール性能を向上することができる。 The high-rigidity member 23 is made of a material having substantially the same thickness as that of the electrolyte membrane 12 and higher rigidity than the electrolyte membrane 12. Thereby, the deformation | transformation of the surface which the gasket 17 opposes can be suppressed, and a sealing performance can be improved.
なお、第１〜３の実施形態において、ガスケット１７を、セパレータ１４や補強部材２１、保護膜２０といった材料と一体化して構成してもよい。これにより、ガスケット１７の位置決めを簡単に行うことができる。 In the first to third embodiments, the gasket 17 may be integrated with materials such as the separator 14, the reinforcing member 21, and the protective film 20. Thereby, positioning of the gasket 17 can be performed easily.
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. Not too long.
本発明は、電解質膜を用いた単位セルを複数積層した燃料電池スタックに適用することができる。 The present invention can be applied to a fuel cell stack in which a plurality of unit cells using an electrolyte membrane are stacked.
１ 燃料電池スタック
２ 単位セル
１２ 電解質膜
１４ セパレータ
１５ ガス流路
１７ ガスケット
２１ 補強部材（第一部材）
２３ 高剛性部材（第一部材）
３１〜３４ 領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Unit cell 12 Electrolyte membrane 14 Separator 15 Gas flow path 17 Gasket 21 Reinforcing member (first member)
23 High rigidity member (first member)
31-34 area
Claims (6)
前記固体高分子電解質膜を狭持する一対の電極層と、
さらに、前記電極層を狭持するセパレータと、を備えた単位セルを複数積層して構成した燃料電池スタックにおいて、
前記電極層の外周を囲むように配置されたガスケットと、
前記セパレータに前記ガスケットの少なくとも一部を介して狭持され、かつ、積層面方向について前記固体高分子電解質膜に連続して構成され、かつ、前記固体高分子電解質膜よりも高い剛性を有する第一部材を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 A solid polymer electrolyte membrane;
A pair of electrode layers sandwiching the solid polymer electrolyte membrane;
Furthermore, in a fuel cell stack configured by laminating a plurality of unit cells provided with a separator sandwiching the electrode layer,
A gasket disposed so as to surround the outer periphery of the electrode layer;
The separator is sandwiched by at least a part of the gasket, and is configured to be continuous with the solid polymer electrolyte membrane in the stacking surface direction, and has higher rigidity than the solid polymer electrolyte membrane. A fuel cell stack comprising one member.
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2004
- 2004-12-24 JP JP2004374545A patent/JP2006185613A/en active Pending
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