JP2007220340A - Sealing structure of fuel battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a cross-section area of a gas flow channel caused by deformation of a flat plate covering a membrane electrode assembly due to reaction force of a sealing material. <P>SOLUTION: In the sealing structure of a fuel battery cell constituted by arranging a flat-plate elastic member (6) at either side of a non-reacting part of the membrane electrode assembly (14) and pinching it with a separator from either side, the separator is provided with a gas flow channel for circulating reaction gas, and a sealing material preventing leak of the reaction gas, and the elastic member (6) is provided with convex parts (11, 12) protruded toward a sealing material side at a position where a gas flow channel of one separator is opposed to the sealing material of the other separator. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池のシール構造に関するものである。   The present invention relates to a seal structure for a fuel cell.

膜電極接合体(以下「MEA」という)をアノードセパレータとカソードセパレータとによって挟持して構成される燃料電池セルにおいて、セパレータに貫設される反応ガスのマニホールドや反応ガスの漏出を防止するシール材が設けられるMEAの外周部付近を平板で覆う構造が特許文献1に記載されている。
特開2000−164227公報
In a fuel cell configured by sandwiching a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) between an anode separator and a cathode separator, a reaction gas manifold penetrating the separator and a sealing material for preventing leakage of the reaction gas Patent Document 1 describes a structure in which the vicinity of the outer peripheral portion of an MEA provided with a flat plate is covered with a flat plate.
JP 2000-164227 A

上記従来の技術では、セパレータに設けられるガス流路の出入口であるマニホールド近傍であって、MEAを覆う平板を挟んで一方がガス流路と対向し、他方がシール材と接触する部分において、セパレータ同士を締め付けるとシール材の反力によって平板がガス流路を塞ぐように変形する。これにより、ガス流路の流路断面積が小さくなって流通するガス流量が減少する。   In the above conventional technique, in the vicinity of the manifold that is the inlet / outlet of the gas flow path provided in the separator, with one plate facing the gas flow path and the other contacting the sealing material across the flat plate covering the MEA, When they are tightened together, the flat plate is deformed so as to block the gas flow path by the reaction force of the sealing material. As a result, the cross-sectional area of the gas flow path is reduced, and the flow rate of the flowing gas is reduced.

本発明は、シール材の反力によってMEAを覆う平板が変形することによるガス流路の流路断面積の減少を防止することを目的とする。   An object of this invention is to prevent the reduction | decrease of the flow-path cross-sectional area of a gas flow path by the flat plate which covers MEA by the reaction force of a sealing material deform | transforming.

本発明の燃料電池のシール構造は、膜電極接合体のうち非反応部分の両側に平板状の弾性部材を配置して両側からセパレータによって挟持することで構成される燃料電池セルのシール構造において、セパレータには、反応ガスを流通するガス流路と、反応ガスの漏出を防止するシール材とが設けられ、弾性部材は、一方のセパレータのガス流路と他方のセパレータのシール材とが対向する位置において、シール材側へ向かって凸形状である凸部を有する。   The fuel cell seal structure of the present invention is a fuel cell seal structure in which a flat elastic member is disposed on both sides of a non-reactive portion of a membrane electrode assembly and sandwiched by separators from both sides. The separator is provided with a gas flow path for flowing the reaction gas and a sealing material for preventing leakage of the reaction gas, and the elastic member is such that the gas flow path of one separator faces the sealing material of the other separator. In a position, it has the convex part which is convex shape toward the sealing material side.

本発明によれば、膜電極接合体、弾性部材及びセパレータを積層したときに弾性部材がシール材の反力によってガス流路側へ変形してもガス流路を塞ぐことがないので流路断面積が低下してガス流量が低下することを防止できる。   According to the present invention, when the membrane electrode assembly, the elastic member, and the separator are stacked, even if the elastic member is deformed to the gas flow channel side by the reaction force of the sealing material, the gas flow channel is not blocked. It is possible to prevent the gas flow rate from being reduced due to the decrease.

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。初めに図1〜図6を用いて従来の燃料電池のシール構造について説明する。図1は、従来の燃料電池におけるアノードセパレータを示す平面図である。図2は、従来の燃料電池におけるカソードセパレータを示す平面透視図である。図3aは、従来の燃料電池におけるMEA、シールキャリア及びガス拡散層を示す平面図である。図3bは、図3aのA−A断面図である。図4aは、アノードセパレータ、MEA及びカソードセパレータを重ねた状態を示す平面図である。図4bは、図4aのB−B断面図である。図5は図4bの領域Cを拡大して示す分解図である。図6は図4bの領域Cの拡大図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, a conventional fuel cell seal structure will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view showing an anode separator in a conventional fuel cell. FIG. 2 is a perspective plan view showing a cathode separator in a conventional fuel cell. FIG. 3a is a plan view showing an MEA, a seal carrier, and a gas diffusion layer in a conventional fuel cell. FIG. 3b is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3a. FIG. 4a is a plan view showing a state in which the anode separator, the MEA, and the cathode separator are stacked. 4b is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 4a. FIG. 5 is an exploded view showing a region C of FIG. 4B in an enlarged manner. FIG. 6 is an enlarged view of region C in FIG. 4b.

図1に示すようにアノードセパレータ8には、アノードガス、冷却水又はカソードガスを流通させるための孔1、2、3がそれぞれ両端部付近に点対称となるように設けられる。アノードガス流路4は、アノードガスを流通させる孔1のうち一方から他方へとアノードガスをアノードセパレータ8の面に沿って流通させるようにアノードセパレータ8に設けられる。さらに、孔1とアノードガス流路4とを連通させ、アノードガスが孔2、3及びアノードセパレータ8の外部へ漏出するのを防止するためのシールラバー5が設けられる。   As shown in FIG. 1, the anode separator 8 is provided with holes 1, 2, and 3 for allowing anode gas, cooling water, or cathode gas to circulate in the vicinity of both end portions. The anode gas flow path 4 is provided in the anode separator 8 so that the anode gas flows along the surface of the anode separator 8 from one to the other of the holes 1 through which the anode gas flows. Further, a seal rubber 5 is provided for communicating the hole 1 with the anode gas flow path 4 and preventing the anode gas from leaking out of the holes 2 and 3 and the anode separator 8.

図2に示すようにカソードセパレータ9は、アノードセパレータ8と同様に構成され、両端部に配置される3つずつの孔1、2、3、カソードガス流路16及びシールラバー13とを有し、アノードセパレータ8とカソードセパレータ9とが点対称となるように構成される。   As shown in FIG. 2, the cathode separator 9 is configured in the same manner as the anode separator 8, and includes three holes 1, 2, and 3, a cathode gas flow path 16, and a seal rubber 13 disposed at both ends. The anode separator 8 and the cathode separator 9 are configured to be point symmetric.

MEA14は電解質膜の両側に電極を接合して構成され、MEA14は図3aに示すようにさらに両側からガス拡散層7及びシールキャリア6によって狭持される。シールキャリア6(弾性部材)は、アノードセパレータ8及びカソードセパレータ9のそれぞれのシールラバー5、13(シール材)が接触してシール性を発揮できるように設けられる平板状の弾性部材であり、両セパレータ8、9のシールラバー5、13と対向するように主に非反応部分である外周部近傍に設けられる。ガス拡散層7は、シールキャリア6が配される外周部以外の部分に設けられる。   The MEA 14 is configured by joining electrodes on both sides of the electrolyte membrane, and the MEA 14 is further sandwiched by the gas diffusion layer 7 and the seal carrier 6 from both sides as shown in FIG. The seal carrier 6 (elastic member) is a flat plate-like elastic member provided so that the seal rubbers 5 and 13 (sealing material) of the anode separator 8 and the cathode separator 9 can be brought into contact with each other to exhibit sealing performance. It is mainly provided in the vicinity of the outer peripheral portion which is a non-reactive portion so as to face the seal rubbers 5 and 13 of the separators 8 and 9. The gas diffusion layer 7 is provided in a portion other than the outer peripheral portion where the seal carrier 6 is disposed.

よって図3aのA−A断面は、図3bに示すようにMEA14をシールキャリア6によって挟持する部分とガス拡散層7によって挟持する部分とに分けられる。   3A is divided into a portion where the MEA 14 is sandwiched by the seal carrier 6 and a portion where the MEA 14 is sandwiched by the gas diffusion layer 7, as shown in FIG. 3b.

図4aに示すようにアノードセパレータ8、MEA14及びカソードセパレータ9を重ね合わせてセル17を構成する。ここで、セル17は図4aの紙面上、下からアノードセパレータ8、MEA14及びカソードセパレータ9となるように重ね合わせているので、セル17のB−B断面は図4bに示すようになる。   As shown in FIG. 4a, the anode separator 8, the MEA 14, and the cathode separator 9 are overlapped to constitute a cell 17. Here, since the cells 17 are overlapped so as to be the anode separator 8, the MEA 14, and the cathode separator 9 from the bottom on the paper surface of FIG. 4a, the BB cross section of the cell 17 is as shown in FIG. 4b.

B−B断面ではカソードセパレータ側にシールラバー13が設けられており、このシールラバー13によってアノードガスがカソードガス流路16へ侵入するのを防止している。図5に示すようにシールラバー13はカソードセパレータ9の下面9aより下側へ張り出すように設けられ、アノードセパレータ8とカソードセパレータ9とを重ね合わせて押圧すると、図6に示すようにシールラバー13の反力によってMEA14及びシールキャリア6がアノードガス流路4と対向する部分においてアノードガス流路側へ変形する。この変形部10によってアノードガス流路4の断面積は減少しガス流量が低下する。   In the BB cross section, a seal rubber 13 is provided on the cathode separator side, and this seal rubber 13 prevents the anode gas from entering the cathode gas flow path 16. As shown in FIG. 5, the seal rubber 13 is provided so as to protrude downward from the lower surface 9a of the cathode separator 9, and when the anode separator 8 and the cathode separator 9 are overlapped and pressed, as shown in FIG. The reaction force 13 causes the MEA 14 and the seal carrier 6 to be deformed to the anode gas flow path side at a portion facing the anode gas flow path 4. The deformed portion 10 decreases the cross-sectional area of the anode gas flow path 4 and decreases the gas flow rate.

同様に、アノードセパレータ側にシールラバー5が設けられている箇所ではシールラバー5の反力によってMEA14及びシールキャリア6がカソードガス流路16と対向する部分においてカソードガス流路側へ変形する。   Similarly, at a portion where the seal rubber 5 is provided on the anode separator side, the MEA 14 and the seal carrier 6 are deformed to the cathode gas flow path side at a portion facing the cathode gas flow path 16 by the reaction force of the seal rubber 5.

次に図7〜図9を用いて本実施形態における燃料電池のシール構造について説明する。図7は本実施形態におけるMEA、シールキャリア及びガス拡散層を示す平面図である。図8、図9は本実施形態の場合におけるそれぞれ図5、図6に対応する図である。   Next, the seal structure of the fuel cell according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a plan view showing the MEA, the seal carrier, and the gas diffusion layer in the present embodiment. 8 and 9 are diagrams corresponding to FIGS. 5 and 6, respectively, in the case of the present embodiment.

本実施形態ではアノードセパレータ8及びカソードセパレータ9は従来と同一の構成であり、シールキャリア18の構成が異なる。本実施形態のシールキャリア18は、従来変形が生じていた図6に示す変形部10を予めシールラバー側へ変形させておく。すなわち、シールキャリア18が、アノードセパレータ8のアノードガス流路4とカソードセパレータ9のシールラバー13とによって挟まれる部分において、シールラバー側へ凸形状となる凸部11を設ける。同様に、カソードセパレータ9のカソードガス流路16とアノードセパレータ8のシールラバー5とによって挟まれる部分において、シールラバー側へ凸形状となる凸部12を設ける。   In this embodiment, the anode separator 8 and the cathode separator 9 have the same configuration as the conventional one, and the configuration of the seal carrier 18 is different. In the seal carrier 18 of the present embodiment, the deformed portion 10 shown in FIG. 6 which has been conventionally deformed is deformed in advance to the seal rubber side. That is, the convex portion 11 having a convex shape toward the seal rubber is provided at a portion where the seal carrier 18 is sandwiched between the anode gas flow path 4 of the anode separator 8 and the seal rubber 13 of the cathode separator 9. Similarly, in a portion sandwiched between the cathode gas flow path 16 of the cathode separator 9 and the seal rubber 5 of the anode separator 8, a convex portion 12 that is convex toward the seal rubber side is provided.

ここで、アノードガス流路4又はカソードガス流路16に対向する部分のシールキャリア18がアノードセパレータ8及びカソードセパレータ9から受ける力は両端固定梁への等分布荷重とみなすことができるので、凸部11、12の形状を以下の(1)式によって演算されるシールキャリア18の変形量となるように設定する。   Here, the force received from the anode separator 8 and the cathode separator 9 by the portion of the seal carrier 18 facing the anode gas flow path 4 or the cathode gas flow path 16 can be regarded as an evenly distributed load on the both ends fixed beam. The shapes of the portions 11 and 12 are set so as to be the deformation amount of the seal carrier 18 calculated by the following equation (1).

ここで、δはたわみ、wは単位長さ当たりの分布荷重、lは流路の幅、xは流路端部からの距離、Eは弾性係数、Iは断面2次モーメントを示す。   Here, δ is the deflection, w is the distributed load per unit length, l is the width of the flow path, x is the distance from the end of the flow path, E is the elastic modulus, and I is the secondary moment of section.

これにより図7に示すようにMEA14をカソードセパレータ9と接する側から見たとき、紙面上手前に凸形状となる凸部11と逆方向に凸形状となる凸部12とが点対称に配置されることになる。なお、凸部11、12はそれぞれ対向する流路の数だけ設けられる。このシールキャリア18によって挟持されるMEA14を用いてセル17を構成すると図4aのB−B断面は図8、9に示すように、シールキャリア18の凸部11がシールラバー13の反力によって変形するがアノードガス流路4まではみ出すことはなくアノードガス流路4の断面積は設計どおり確保されるのでガス流量が低下することを防止できる。   Thus, as shown in FIG. 7, when the MEA 14 is viewed from the side in contact with the cathode separator 9, the convex portion 11 having a convex shape in front of the paper and the convex portion 12 having a convex shape in the opposite direction are arranged symmetrically. Will be. In addition, the convex parts 11 and 12 are provided by the number of the respectively opposing flow paths. When the cell 17 is configured using the MEA 14 sandwiched by the seal carrier 18, the BB cross section of FIG. 4a is deformed by the reaction force of the seal rubber 13 as shown in FIGS. However, it does not protrude to the anode gas channel 4 and the cross-sectional area of the anode gas channel 4 is ensured as designed, so that it is possible to prevent the gas flow rate from decreasing.

同様に、アノードセパレータ側にシールラバー5が設けられている箇所では凸部12がシールラバー5の反力によって変形するがカソードガス流路16まではみ出すことはない。   Similarly, at the portion where the seal rubber 5 is provided on the anode separator side, the convex portion 12 is deformed by the reaction force of the seal rubber 5 but does not protrude to the cathode gas flow path 16.

以上のように本実施形態では、MEA14、シールキャリア18及びセパレータ8、9を積層したときにシールキャリア18がシールラバー5、13の反力によってアノードガス流路側又はカソードガス流路側へ変形してもガス流路を塞ぐことがないので流路断面積が低下してガス流量が低下することを防止できる。   As described above, in this embodiment, when the MEA 14, the seal carrier 18, and the separators 8 and 9 are stacked, the seal carrier 18 is deformed to the anode gas channel side or the cathode gas channel side by the reaction force of the seal rubbers 5 and 13. Since the gas channel is not blocked, it is possible to prevent the gas flow rate from being reduced due to a decrease in the channel cross-sectional area.

また、凸部11、12の形状を(1)式によって演算されるシールキャリア18の変形量となるように設定するので、シールラバー5、13の反力によってシールキャリア18がアノードガス流路4又はカソードガス流路16と対向する部分においてガス流路側へ変形する分だけ予め逆方向へ変形させておくことができ、アノードセパレータ8とカソードセパレータ9とを締め付けたときにガス流路4、16の断面積が減少してガス流量が低下することをさらに防止できる。   Further, since the shapes of the convex portions 11 and 12 are set so as to be the deformation amount of the seal carrier 18 calculated by the equation (1), the seal carrier 18 is caused to react with the anode gas flow path 4 by the reaction force of the seal rubbers 5 and 13. Alternatively, it can be deformed in the reverse direction in advance by the amount of deformation toward the gas flow path at the portion facing the cathode gas flow path 16, and when the anode separator 8 and the cathode separator 9 are tightened, the gas flow paths 4, 16 It is possible to further prevent the gas flow rate from decreasing due to the reduction of the cross-sectional area of the gas.

さらに、アノードセパレータ8とカソードセパレータ9とが点対称となるように、すなわちアノードガス流路4とカソードガス流路16とが点対称となるように構成されるので、シールキャリア18に設けられる凸形状の向きが異なる凸部11、12もそれぞれ点対称となり、シールキャリア18の向きを間違えてセル17を組み付けてしまうことによる不具合を防止することができる。   Further, since the anode separator 8 and the cathode separator 9 are configured to be point symmetric, that is, the anode gas channel 4 and the cathode gas channel 16 are configured to be point symmetric, a convex provided on the seal carrier 18 is provided. The convex portions 11 and 12 having different shape directions are also point-symmetric, and it is possible to prevent problems caused by attaching the cells 17 with the seal carrier 18 in the wrong direction.

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea.

アノードセパレータを示す平面図である。It is a top view which shows an anode separator. カソードセパレータを示す平面透視図である。It is a plane perspective view which shows a cathode separator. 従来の燃料電池におけるMEA、シールキャリア及びガス拡散層を示す平面図である。It is a top view which shows MEA, the seal carrier, and gas diffusion layer in the conventional fuel cell. 図3aのA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 3a. アノードセパレータ、MEA及びカソードセパレータを重ねた状態を示す平面図である。It is a top view which shows the state which accumulated the anode separator, MEA, and the cathode separator. 図4aのB−B断面図である。FIG. 4b is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 図4bの領域Cを拡大して示す分解図である。It is an exploded view which expands and shows the area | region C of FIG. 4b. 図4bの領域Cの拡大図である。FIG. 4b is an enlarged view of region C in FIG. 4b. 本実施形態におけるMEA、シールキャリア及びガス拡散層を示す平面図である。It is a top view which shows MEA in this embodiment, a seal carrier, and a gas diffusion layer. 本実施形態におけるシールキャリアを使用した場合の図4bの領域Cを拡大して示す分解図である。It is the exploded view which expands and shows the area | region C of FIG. 4b at the time of using the seal | sticker carrier in this embodiment. 本実施形態におけるシールキャリアを使用した場合の図4bの領域Cの拡大図である。It is the enlarged view of the area | region C of FIG. 4b at the time of using the seal | sticker carrier in this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 アノードガス用の孔
2 冷却水用の孔
3 カソードガス用の孔
4 アノードガス流路
5 シールラバー
6 シールキャリア
7 ガス拡散層
8 アノードセパレータ
9 カソードセパレータ
9a カソードセパレータの下面
10 変形部
11 凸部
12 凹部
13 シールラバー
14 MEA
15 電解質膜の両側に電極を接合したもの
16 カソードガス流路
17 セル
18 シールキャリア
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hole for anode gas 2 Hole for cooling water 3 Hole for cathode gas 4 Anode gas flow path 5 Seal rubber 6 Seal carrier 7 Gas diffusion layer 8 Anode separator 9 Cathode separator 9a Lower surface 10 of cathode separator Deformed portion 11 Convex portion 12 Concave portion 13 Seal rubber 14 MEA
15 Electrode membrane bonded to both sides 16 Cathode gas flow path 17 Cell 18 Seal carrier

Claims (3)

膜電極接合体のうち非反応部分の両側に平板状の弾性部材を配置して両側からセパレータによって挟持することで構成される燃料電池セルのシール構造において、
前記セパレータには、反応ガスを流通するガス流路と、反応ガスの漏出を防止するシール材とが設けられ、
前記弾性部材は、一方の前記セパレータの前記ガス流路と他方の前記セパレータの前記シール材とが対向する位置において、前記シール材側へ向かって凸形状である凸部を有することを特徴とする燃料電池セルのシール構造。
In the seal structure of the fuel battery cell configured by disposing a flat elastic member on both sides of the non-reactive portion of the membrane electrode assembly and sandwiching it by a separator from both sides,
The separator is provided with a gas flow path for flowing the reaction gas, and a sealing material for preventing leakage of the reaction gas,
The elastic member has a convex portion that is convex toward the sealing material side at a position where the gas flow path of one of the separators and the sealing material of the other separator face each other. Fuel cell seal structure.
前記凸部は、前記ガス流路と前記シール材とが対向する位置において、前記弾性部材が前記シール材の反力によって前記ガス流路側へ押し出される分だけ予め前記シール材側へ変形させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セルのシール構造。   The convex portion is deformed in advance to the sealing material side by the amount that the elastic member is pushed out to the gas flow channel side by the reaction force of the sealing material at a position where the gas flow channel and the sealing material face each other. The fuel cell sealing structure according to claim 1, wherein the fuel cell has a sealing structure. 一方の前記セパレータの前記ガス流路と他方の前記セパレータの前記ガス流路とは、前記セルを構成したとき点対称となるように設けられることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池セルのシール構造。   3. The fuel according to claim 1, wherein the gas flow path of one of the separators and the gas flow path of the other separator are provided so as to be point-symmetric when the cell is configured. Battery cell seal structure.
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