JP2010080222A

JP2010080222A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2010080222A
Application number: JP2008246387A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sato; 研二佐藤; Daiyu Yoshikawa; 大雄吉川; Akito Kawakado; 明人川角
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: JP5181969B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell excelling in efficiency in such maintenance as to extract and replace a fuel cell lowered in performance out of a fuel cell stack while effectively preventing dissimilar materials from sticking to an electrolyte membrane in each fuel cell forming the fuel cell stack. <P>SOLUTION: The fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly 1; anode side and cathode side porous bodies 6, 5 forming gas passages for holding the membrane electrode assembly; and a separator 7 on either the anode side or the cathode side. A plurality of such fuel cells 10 are laminated, and gaskets 8 are integrally formed at the peripheral edges of the laminated membrane electrode assemblies 1 and porous bodies 5, 6 to form one module 100 comprising a plurality of fuel cells 10. A plurality of modules 100 are laminated to form the fuel cell stack. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の燃料電池セルにガスケットが一体成形されて一つのモジュールを成し、このモジュールが複数積層されて燃料電池スタックを形成している燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell in which a gasket is integrally formed with a plurality of fuel cells to form one module, and a plurality of the modules are stacked to form a fuel cell stack.

固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための多孔体からなるガス流路層とセパレータが膜電極接合体の両側に配されて構成されている。なお、膜電極接合体と多孔体の間に、ガス拡散層（ＧＤＬ：ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ）が介在するセル形態もある。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。 A fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA) formed from an ion-permeable electrolyte membrane and an anode-side and cathode-side catalyst layer sandwiching the electrolyte membrane. In addition, a gas flow path layer made of a porous body for providing fuel gas or oxidant gas and collecting electricity generated by an electrochemical reaction and a separator are arranged on both sides of the membrane electrode assembly. There is also a cell configuration in which a gas diffusion layer (GDL: Gas Diffusion Layer) is interposed between the membrane electrode assembly and the porous body. An actual fuel cell stack is formed by stacking and stacking a number of fuel cell cells according to required power.

上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが膜電極接合体および多孔体の周縁に形成されている。従来の燃料電池においては、ガスケットは燃料電池セルごとに形成されており、膜電極接合体および多孔体の周縁にガスケットを有した燃料電池セルを所定の基数だけ積層した後にスタッキングがおこなわれている。このガスケット成形は一般に射出成形にておこなわれており、より具体的には、成形型のキャビティ内にアノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータを収容し、次いでガス流路となるアノード側もしくはカソード側の一方の多孔体を収容し、次いで膜電極接合体（ＭＥＡ）もしくはガス拡散層を有する場合は電極体（ＭＥＧＡ）を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の多孔体を収容した姿勢で、膜電極接合体および多孔体の周縁のガスケット形成用キャビティに樹脂を注入してガスケット成形がおこなわれている。 In the fuel cell having the above structure, a gasket for sealing a fluid such as a fuel gas and an oxidant gas supplied to the membrane electrode assembly and a coolant such as cooling water for suppressing the temperature rise of the cell is attached to the membrane electrode assembly. Formed on the periphery of the body and the porous body. In conventional fuel cells, a gasket is formed for each fuel cell, and stacking is performed after stacking a predetermined number of fuel cells each having a gasket on the periphery of the membrane electrode assembly and the porous body. . This gasket molding is generally performed by injection molding. More specifically, either the anode side or the cathode side separator is accommodated in the cavity of the molding die, and then the anode side or cathode serving as a gas flow path. One of the porous bodies on the side, and then the membrane electrode assembly (MEA) or the electrode body (MEGA) if it has a gas diffusion layer, and then the other porous body on the anode side or cathode side Thus, gasket molding is performed by injecting resin into the gasket forming cavity at the periphery of the membrane electrode assembly and the porous body.

このセパレータの形態には、ガス流路溝や冷却水流路溝がセパレータの両側に形成されたもののほかに、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレートの間に流路が形成されたプレートが介層された３層構造のセパレータが存在する。この３層構造のセパレータに関して言えば、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成する形態も存在する。この３層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。なお、この３層構造のセパレータを適用する場合には、エキスパンドメタルや発泡焼結体などの多孔体からなるガス流路層が、該セパレータとガス拡散層の間に配されることになる。 In this separator, in addition to the gas channel grooves and cooling water channel grooves formed on both sides of the separator, a plate in which a channel is formed between two plates made of titanium or stainless steel, for example, is interposed. There are layered three-layer separators. With regard to this three-layer separator, there is also a mode in which the cooling medium flow path is formed by projecting ribs that define a large number of dimples and flow paths from one of the two plates, using an intermediate layer as a resin frame material. Exists. The separator having the three-layer structure is either the anode side or the cathode side separator of the cell itself, and at the same time, is the other separator on the anode side or the cathode side of the adjacent cell in the stacked posture. When this three-layer structure separator is applied, a gas flow path layer made of a porous body such as expanded metal or foamed sintered body is disposed between the separator and the gas diffusion layer.

従来の燃料電池スタックは、上記のごとく、ガスケットが成形された燃料電池セルを積層してスタッキングされるものである。たとえば２００〜４００基程度の燃料電池セルが積層されて燃料電池スタックが形成されるものにおいて、各燃料電池セルには固有の電圧センサが設けてあり、セル電圧が所定値以下に落ち込んだ燃料電池セルが特定されると、その燃料電池セルがスタック内から抜き取られて別途の燃料電池セルと交換されるようになっている。 As described above, the conventional fuel cell stack is stacked by stacking fuel cells in which gaskets are formed. For example, in the case where a fuel cell stack is formed by stacking about 200 to 400 fuel cells, each fuel cell is provided with a unique voltage sensor, and the cell voltage drops below a predetermined value. When the cell is specified, the fuel cell is extracted from the stack and replaced with another fuel cell.

しかし、多数の燃料電池セルがスタッキングされてなる燃料電池スタックからそのスタッキングを解除し、要交換の燃料電池セルのみを抜き取って別途のセルと交換する作業が極めて煩雑であることは理解に易く、当該分野ではその改善が叫ばれている。 However, it is easy to understand that the task of releasing stacking from a fuel cell stack in which a large number of fuel cells are stacked, extracting only the fuel cells that need replacement and replacing them with separate cells is extremely complicated, Improvements are screamed in the field.

ところで、膜電極接合体を構成する電解質膜は、気孔を有するガス拡散層および多孔体を介して外部に流体連通した状態となっている。この電解質膜は、異種材料のコンタミネーションによってその特性を大きく劣化させるものである。したがって、すべての燃料電池セルがそれぞれ単独で射出成形され、次いでそれらが組み付けられている現状においては、すべての燃料電池セルが、射出成形の際（たとえば揮発ガスによるコンタミネート）、もしくは組み付けの際にその電解質膜が異種材料によってコンタミネートされる危険性を有している。このような観点からも、燃料電池セルごとに射出成形等にてガスケットを形成し、これを積層させて燃料電池スタックを形成するという製造方法の見直しや改善、この製造方法によってできる燃料電池スタックの構造の改良は必至であり、そのための開発が急務の課題である。特に、家屋等の定置型として、あるいはハイブリッド車や電気自動車等の移動型として、燃料電池の普及が拡大の一途を辿っている昨今、その性能向上と生産性向上の双方を満足させる必要があることに鑑みれば、上記する急務の課題を効果的に解決できる燃料電池の開発は極めて重要である。 By the way, the electrolyte membrane constituting the membrane electrode assembly is in a state of fluid communication with the outside through the gas diffusion layer having pores and the porous body. This electrolyte membrane greatly deteriorates its characteristics due to contamination of different materials. Therefore, in the present situation where all the fuel cells are individually injection molded and then assembled, all the fuel cells are subjected to injection molding (for example, contamination by volatile gas) or assembled. In addition, there is a risk that the electrolyte membrane is contaminated by different materials. From this point of view as well, review and improvement of the manufacturing method of forming a fuel cell stack by forming a gasket by injection molding or the like for each fuel cell, and a fuel cell stack made by this manufacturing method Improvement of the structure is inevitable, and development for that is an urgent issue. In particular, as the stationary type of houses, etc., or the mobile type of hybrid vehicles, electric vehicles, etc., the spread of fuel cells has been steadily expanding, and it is necessary to satisfy both performance improvement and productivity improvement. In view of this, it is extremely important to develop a fuel cell that can effectively solve the aforementioned urgent problems.

なお、従来の公開技術に目を転じれば、燃料電池の組み付け性や分解性を向上させることを目的とした燃料電池の製造方法に関する技術が特許文献１に開示されている。しかし、この技術も、ガスケットを燃料電池セルごとに形成してセルを積層し、スタッキングするものであることから、上記する課題を効果的に解消するまでには至らない。 Turning to the conventional published technique, Patent Document 1 discloses a technique relating to a method of manufacturing a fuel cell for the purpose of improving the assemblability and decomposability of the fuel cell. However, this technique also forms a gasket for each fuel cell, stacks the cells, and stacks them, so that the above-described problems cannot be effectively solved.

特開２００８−１２３８８３号公報JP 2008-123883 A

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックを形成するそれぞれの燃料電池セル内の電解質膜に異種材料がコンタミネート（付着等）することを効果的に防止でき、燃料電池スタックの中から性能が低下した燃料電池セルを抜き出して交換するといったメンテナンスに際してその効率性に優れた燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and can effectively prevent foreign materials from being contaminated (attached, etc.) to the electrolyte membrane in each fuel cell forming the fuel cell stack. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that is excellent in efficiency during maintenance such as extracting and replacing a fuel cell having degraded performance from the fuel cell stack.

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、膜電極接合体と、これを挟持するガス流路となるアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側およびカソード側のうちのいずれか一方のセパレータと、からなる燃料電池セルが複数積層され、積層されたそれぞれの膜電極接合体および多孔体の周縁に一体成形されたガスケットが形成されて複数の燃料電池セルからなる一つのモジュールが形成され、複数の前記モジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されているものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly, an anode-side and cathode-side porous body that serves as a gas flow path for sandwiching the membrane-electrode assembly, and one of the anode-side and cathode-side. A plurality of fuel cells comprising a plurality of fuel cells are laminated, and a gasket formed integrally with the periphery of each laminated membrane electrode assembly and porous body is formed to form a single module comprising a plurality of fuel cells. A plurality of the modules are stacked to form a fuel cell stack.

本発明の燃料電池は、複数の燃料電池セルを一つのモジュールとして形成し、このモジュールを複数積層して燃料電池スタックとしたものであり、一つのモジュールにおいては、たとえば成形型内に複数の燃料電池セル（の構成部材）を収容し、射出成形することにより、各セルのガスケットが一度に形成され、一体成形された該ガスケットにて複数のセルが繋がれたモジュールを成すものである。 The fuel cell of the present invention is formed by forming a plurality of fuel cells as one module and stacking a plurality of the modules to form a fuel cell stack. In one module, for example, a plurality of fuels are formed in a mold. A battery cell (constituent member) is accommodated and injection molded to form a gasket in which each cell is formed at once, and a plurality of cells are connected by the integrally molded gasket.

したがって、たとえば一つのモジュールが３０基の燃料電池セルから構成される場合においては、射出成形に際して、その両端以外の内部の２８基の燃料電池セルの膜電極接合体は外部から完全に遮断されることとなり、異種材料が膜電極接合体を構成する電解質膜にコンタミネートすることを抑止できる。 Therefore, for example, when one module is composed of 30 fuel cells, the membrane electrode assembly of the 28 fuel cells inside other than both ends is completely cut off from the outside during injection molding. In other words, it is possible to prevent the foreign material from being contaminated with the electrolyte membrane constituting the membrane electrode assembly.

また、燃料電池の供用後のメンテナンスに際しては、セル単位ではなく、モジュール単位でその交換をおこなうことができる。すなわち、一つのモジュールは一体成形されたガスケットにてセル分離できない姿勢となっており、隣接するモジュール同士は分離自在に接触しているだけであるから（接触部でシール構造を形成している）、性能低下したセルを有するモジュールの抜き取りも容易となり、燃料電池スタックの再生も容易となる。 Further, in maintenance after the fuel cell is put into service, the replacement can be performed not in units of cells but in units of modules. That is, one module has a posture in which cells cannot be separated by an integrally formed gasket, and adjacent modules are only in contact with each other so as to be separable (a seal structure is formed at the contact portion). Further, it becomes easy to remove a module having a cell having a degraded performance, and it is easy to regenerate the fuel cell stack.

この燃料電池（燃料電池スタック）を構成するモジュールの規模は多様に存在し、たとえば３００基の燃料電池セルが積層されて一つの燃料電池が構成されるものにおいて、２基〜５０基程度の範囲のセル基数で一つのモジュールを構成することができる。なお、複数の燃料電池セルで一つのモジュールを形成し、このモジュールを複数積層して一つの燃料電池スタックが形成されるものにおいて、このモジュールを多セル１モジュールの燃料電池などと称することもできる。 There are various scales of modules constituting the fuel cell (fuel cell stack). For example, in the case where 300 fuel cells are stacked to constitute one fuel cell, the range is about 2 to 50 units. One module can be configured with the cell radix. In the case where a single module is formed by a plurality of fuel cells and a plurality of the modules are stacked to form a single fuel cell stack, this module can also be referred to as a multi-cell 1-module fuel cell or the like. .

このモジュールを構成する燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ガス流路層を形成するアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側もしくはカソード側いずれか一方のセパレータと、から構成されている。なお、膜電極接合体と多孔体の間に、集電層（ＭＰＬ）と拡散層基材、もしくは集電層のみからなるガス拡散層が介在する形態であってもよい。 The fuel cell constituting this module is composed of a membrane electrode assembly (MEA), a porous body on the anode side and cathode side forming a gas flow path layer, and a separator on either the anode side or the cathode side. Has been. In addition, the form which the gas diffusion layer which consists only of a current collection layer (MPL) and a diffusion layer base material, or a current collection layer may interpose between a membrane electrode assembly and a porous body may be sufficient.

ここで、多孔体は、エキスパンドメタルや金属発砲焼結体からなり、この発砲焼結体においては、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材が使用されるのがよい。なお、たとえばステンレス中にクロム炭化物や鉄−クロム炭化物などを分散した発泡体であってもよい。 Here, the porous body is made of an expanded metal or a metal fired sintered body, and in this fired sintered body, a metal material having excellent corrosion resistance such as titanium, stainless steel, copper, nickel or the like is preferably used. For example, it may be a foam in which chromium carbide or iron-chromium carbide is dispersed in stainless steel.

また、セパレータは、既述するようにたとえば３層構造のセパレータであり、導電性金属（ステンレスやチタンなど）からなる２枚の金属プレートと、その間に、金属素材で冷却水流路が形成された中間層が介層された形態や、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態などを挙げることができる。なお、多数のディンプルを中間層に有する形態では、冷却水がこのディンプルにて乱流を形成しながら供給マニホールドから排水マニホールドまで流れて膜電極接合体をクーリングする。 Further, as described above, the separator is, for example, a separator having a three-layer structure, and two metal plates made of a conductive metal (stainless steel, titanium, etc.) and a cooling water flow path formed of a metal material therebetween. Examples include a configuration in which an intermediate layer is interposed, or a configuration in which a frame material made of a resin material is used as an intermediate layer, and a large number of dimples or flow path defining ribs protrude from one plate of two metal plates. be able to. In the form having a large number of dimples in the intermediate layer, the cooling water flows from the supply manifold to the drainage manifold while forming a turbulent flow in the dimples, thereby cooling the membrane electrode assembly.

ここで、膜電極接合体および多孔体の周縁に射出成形等にて形成されるガスケットの素材としては、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などを挙げることができる。 Here, as the material of the gasket formed on the periphery of the membrane electrode assembly and the porous body by injection molding or the like, butyl rubber, urethane rubber, silicone RTV rubber, methanol-resistant epoxy resin, epoxy modified A silicone resin, a silicone resin, a fluororesin, a hydrocarbon resin, etc. can be mentioned.

上記する本発明の燃料電池によれば、いわゆる多セル１モジュールを積層して燃料電池スタックが形成されることにより、燃料電池スタックを構成するほとんどの燃料電池セルの電解質膜が、製造過程において異種材料とコンタミネートされることを効果的に抑止できる。さらには、性能不良となった燃料電池セルを、該セルを含むモジュール単位で抜き取ることにより、メンテナンス効率が格段に向上するものである。なお、本発明者等の経験則によれば、燃料電池セルの性能低下は、一つのセルのみが性能低下するよりも、近傍のセルを含めて複数のセルが性能低下すること、さらには、セル中の性能低下部位は各セルでほぼ同様の傾向となること、などの事実が特定されており、このことからしても、モジュール単位で抜き取ることで、より一層効率的なメンテナンスを実現することができる。 According to the fuel cell of the present invention described above, so-called multi-cell 1 modules are stacked to form a fuel cell stack, so that the electrolyte membranes of most fuel cells constituting the fuel cell stack are different in the manufacturing process. It is possible to effectively prevent contamination with the material. Furthermore, the maintenance efficiency is remarkably improved by extracting the fuel cell having a poor performance in units of modules including the cell. In addition, according to the rule of thumb of the present inventors, the performance degradation of the fuel cell is that the performance degradation of a plurality of cells including neighboring cells is lower than the performance degradation of only one cell, The fact that performance degradation sites in the cells tend to be almost the same in each cell has been specified, and even from this fact, even more efficient maintenance can be realized by extracting modules. be able to.

また、本発明による燃料電池の他の実施の形態において、前記燃料電池セルには、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水のうちの少なくともいずれか一種が流通するための複数のマニホールドが形成されており、前記モジュールの両端部にはセパレータが配されており、隣接するモジュールのそれぞれのセパレータ間には、前記マニホールドを囲繞する無端状の第１のシール材が介層されているものである。 In another embodiment of the fuel cell according to the present invention, the fuel cell includes a plurality of manifolds through which at least one of fuel gas, oxidant gas, and cooling water flows. In addition, separators are disposed at both ends of the module, and an endless first sealing material surrounding the manifold is interposed between the separators of adjacent modules.

本実施の形態は、モジュールの両端（両側）にたとえば３層構造のセパレータが配されたものであり、隣接するモジュール間であって、双方に形成された流体流通用のマニホールドの周囲に無端状のシール材（第１のシール材）が配されたものである。 In this embodiment, a separator having a three-layer structure, for example, is disposed on both ends (both sides) of a module, and the endless shape is formed between adjacent modules and around a fluid circulation manifold formed on both sides. The sealing material (first sealing material) is arranged.

ここで、第１のシール材は、たとえば金属素材のＯリング（その線形は円形、矩形、正方形などがある）や定型の樹脂素材のリングなどからなり、複数のモジュールが積層され、スタッキングされた際に該シール材が適度に潰されてマニホールド周囲に流体シール構造を形成できるものである。 Here, the first sealing material is made of, for example, an O-ring made of a metal material (the shape of which is circular, rectangular, square, etc.) or a ring made of a standard resin material, and a plurality of modules are stacked and stacked. At this time, the sealing material is appropriately crushed so that a fluid seal structure can be formed around the manifold.

各モジュールがその両端にセパレータを備えた構造を呈し、隣接するセパレータ間にシール材が介層された構造を呈していることにより、メンテナンスの際には、スタッキングを解除して抜き取られるべきモジュール周囲のシール材と該モジュールを取り出し、新たなモジュールおよびシール材を組み込んでスタッキングすることにより、メンテナンス効率を一層高めることができる。しかも、メンテナンスに際してモジュール間に新規なシール材にて新規なシール構造を形成できるため、メンテナンスによる燃料電池のシール性の低下が招来されることはない。 Each module has a structure with separators at both ends, and a structure in which a sealing material is interposed between adjacent separators, so that the surroundings of the module to be removed by removing stacking during maintenance The maintenance efficiency can be further improved by taking out the sealing material and the module and stacking them by incorporating a new module and the sealing material. In addition, since a new sealing structure can be formed between the modules with a new sealing material during maintenance, the sealing performance of the fuel cell due to maintenance is not reduced.

また、この燃料電池の実施の形態において、隣接するモジュールのそれぞれのセパレータの対向面であってマニホールドの周囲には、対応する位置に無端状の凹溝が形成されており、隣接するモジュール同士が積層された姿勢において、双方の凹溝にて画成された無端状の空間において、前記第１のシール材の一部もしくは全部が収容されているものであってもよい。 Further, in this embodiment of the fuel cell, endless concave grooves are formed at corresponding positions on the opposing surfaces of the separators of the adjacent modules and around the manifold, and the adjacent modules are connected to each other. In the stacked posture, a part or all of the first sealing material may be accommodated in an endless space defined by both concave grooves.

本実施の形態は、隣接するモジュールそれぞれのセパレータの対向面のマニホールド周囲において、かつそれぞれの対応する位置に無端状の凹溝を形成しておき、モジュール同士が積層された姿勢において双方の凹溝にて無端状の空間を形成し、この空間に上記するシール材を収容することにより、シール材の位置決めが容易となり、スタッキング時にその位置ずれを防止することができる。 In the present embodiment, endless grooves are formed around the manifolds on the opposing surfaces of the separators of the adjacent modules and corresponding positions, and both grooves are stacked in a posture in which the modules are stacked. By forming an endless space at and containing the sealing material described above in this space, the positioning of the sealing material is facilitated, and displacement of the sealing material can be prevented during stacking.

さらには、収容されたシール材がスタッキング時の圧縮力にて完全に潰され、隣接するセパレータ同士が面接触する場合には、各モジュールの積層方向に発電された電流の直列流れ（集電時の流れ）を形成することができる。 Furthermore, when the contained sealing material is completely crushed by the compressive force during stacking and adjacent separators are in surface contact with each other, a series flow of current generated in the stacking direction of each module (during current collection) Flow).

また、本発明による燃料電池の好ましい実施の形態は、セパレータの周縁も前記ガスケットの内部に埋設されており、一つのモジュールにおいてガスケットが連続しているものである。 In a preferred embodiment of the fuel cell according to the present invention, the periphery of the separator is also embedded in the gasket, and the gasket is continuous in one module.

本実施の形態は、従来は外部に露出していたセパレータの周縁もガスケットにて完全に包囲したものであり、セパレータと外部との間で電気絶縁性を確保できるようにしたものである。なお、従来構造の燃料電池では、そのスタックが樹脂等の絶縁素材のケース内に収容されていることでセパレータと外部との絶縁性が担保されている。 In this embodiment, the peripheral edge of the separator that has been exposed to the outside is completely surrounded by the gasket so that electrical insulation can be ensured between the separator and the outside. In the fuel cell having the conventional structure, the stack is accommodated in a case made of an insulating material such as resin, so that the insulation between the separator and the outside is secured.

本実施の形態によれば、モジュールを構成する各燃料電池セルのセパレータがガスケット内に完全に埋設されていることにより、燃料電池スタックを構成するすべてのセパレータはガスケットにて外部から完全に絶縁された構造を形成できる。そのため、従来の絶縁素材のケースを不要とでき、燃料電池スタックの一層の小型化、軽量化に寄与できるものである。 According to the present embodiment, the separator of each fuel cell constituting the module is completely embedded in the gasket, so that all the separators constituting the fuel cell stack are completely insulated from the outside by the gasket. Can be formed. Therefore, the case of the conventional insulating material can be dispensed with, and the fuel cell stack can be further reduced in size and weight.

さらに、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、隣接する前記モジュールのそれぞれの対向する端面の間で、かつ該端面の周縁に、弾性を有する無端状の第２のシール材が介層されているものである。 Furthermore, in another embodiment of the fuel cell according to the present invention, an endless second sealing material having elasticity is interposed between the opposing end surfaces of the adjacent modules and on the periphery of the end surfaces. It is what has been.

燃料電池セルを構成するガス拡散層（ＧＤＬ）は弾性を有し、スタッキング前の状態においてセル積層方向に若干厚めに形成されており、スタッキングされた際にこのガス拡散層が弾性変形して圧縮されることにより、スタッキング時の圧縮力を膜電極接合体に作用させるような設計が施されている。 The gas diffusion layer (GDL) constituting the fuel cell has elasticity, and is formed slightly thick in the cell stacking direction before stacking. When the stack is stacked, the gas diffusion layer is elastically deformed and compressed. As a result, a design is made such that the compressive force during stacking is applied to the membrane electrode assembly.

ところで、複数の燃料電池セルをガスケットにて一体に繋いで一つのモジュールを形成した際には、スタッキング前の状態において、厚めに設計されたガス拡散層がモジュールを構成するセル数だけ積層され、その一方でモジュールの端部はガスケットで固定されていることから、モジュールの中央領域が外側に膨らんだ、いわゆる太鼓状を呈してしまう。 By the way, when a plurality of fuel cells are integrally connected with a gasket to form one module, a thicker gas diffusion layer is stacked in the number of cells constituting the module before stacking. On the other hand, since the end portion of the module is fixed with a gasket, the central region of the module bulges outward, so-called a drum shape.

中央が外側に膨らんでその周縁が落ち込んだ太鼓状のモジュール同士を積層した際に、中央側で双方のモジュールが当接し、それらの周縁のマニホールドが形成された領域において隙間が形成され、該マニホールド周囲の流体シール性が担保し得なくなることは理解に易い。 When stacking drum-shaped modules whose center bulges outward and whose peripheral edge falls, both modules abut on the central side, and a gap is formed in the area where the peripheral manifold is formed. It is easy to understand that the surrounding fluid sealability cannot be secured.

そこで、本実施の形態では、モジュール間のマニホールド周囲に弾性を有するシール材（第２のシール材）を設けることにより、多セル１モジュールの場合に生じ得る上記シール性の低下を効果的に抑止するものである。なお、この第２のシール材は、第１のシール材と併用することで燃料電池スタックのモジュール接続部におけるシール性を一層高めることができる。 Therefore, in the present embodiment, by providing an elastic sealing material (second sealing material) around the manifold between the modules, the above-described deterioration in sealing performance that may occur in the case of a multi-cell 1 module is effectively suppressed. To do. In addition, this 2nd sealing material can further improve the sealing performance in the module connection part of a fuel cell stack by using together with a 1st sealing material.

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、複数の燃料電池セルを一体成形されたガスケットにて一体のモジュールとし、複数のモジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されていることにより、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの電解質膜のほとんどを、燃料電池の製造過程で異種材料とコンタミネートされることから効果的に防護することができる。さらには、性能不良となった燃料電池セルを単独で取り除くのではなく、スタッキングを解除した後に、単数のもしくは複数の性能不良な燃料電池セルを包含するモジュール単位で取り除き、新規なモジュールと交換することにより、メンテナンス効率性を格段に向上させることができる。また、モジュール間のマニホールド周囲のシール性にも優れており、セパレータがガスケットに埋設された形態においては、さらに外部との電気絶縁性にも優れた燃料電池となる。 As can be understood from the above description, according to the fuel cell of the present invention, a plurality of fuel cells are formed as an integrated module by an integrally molded gasket, and a plurality of modules are stacked to form a fuel cell stack. Thus, most of the electrolyte membranes of the fuel cells constituting the fuel cell stack can be effectively protected from being contaminated with different materials during the manufacturing process of the fuel cells. Furthermore, instead of removing a fuel cell that has deteriorated in performance alone, after removing stacking, it is removed in units of modules including one or more defective fuel cells and replaced with a new module. As a result, maintenance efficiency can be significantly improved. In addition, the seal around the manifold between the modules is excellent, and in the case where the separator is embedded in the gasket, the fuel cell is further excellent in electrical insulation from the outside.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、複数の燃料電池セルが一体成形されたガスケットにて一体とされたモジュールの一実施の形態を示した縦断面図である。このモジュール１００は、たとえば１０〜５０基の燃料電池セル１０，…が積層され、ガスケット８が一体に成形されてなるものである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of a module in which a plurality of fuel cells are integrated with a gasket formed integrally. In this module 100, for example, 10 to 50 fuel cells 10,... Are stacked and the gasket 8 is integrally formed.

各燃料電池セル１０は、３層構造を呈する１つのセパレータ７（図ではアノード側のセパレータとする）と、アノード側の多孔体６、膜電極接合体１とカソード側およびアノード側のガス拡散層２，３とからなる電極体４、カソード側の多孔体５と、から構成されている。なお、図示例以外にも、ガス拡散層２，３を具備しない燃料電池セルであってもよい。 Each fuel cell 10 includes one separator 7 having a three-layer structure (in the figure, an anode-side separator), an anode-side porous body 6, a membrane electrode assembly 1, and cathode-side and anode-side gas diffusion layers. 2 and 3, and a cathode-side porous body 5. In addition to the illustrated example, a fuel cell that does not include the gas diffusion layers 2 and 3 may be used.

ここで、膜電極接合体１を構成する電解質膜は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。 Here, the electrolyte membrane constituting the membrane electrode assembly 1 is, for example, a fluorine ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a carbonyl group, a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, a sulfone. It is formed from a non-fluorine polymer such as fluorinated phenylene sulfide.

また、触媒層は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜やガス拡散層等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。 The catalyst layer is a mixture of a conductive carrier (particulate carbon carrier, etc.) on which a catalyst is supported, an electrolyte, and a dispersion solvent (organic solvent) to produce a catalyst solution (catalyst ink). A catalyst layer is formed by stretching a film on a substrate such as an electrolyte membrane or a gas diffusion layer in a layer shape with a coating blade to form a coating film, and drying in a hot air drying furnace or the like. Here, the electrolyte forming the catalyst solution is a proton conductive polymer, an ion exchange resin having a skeleton of an organic fluorine-containing polymer, such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether. Sulfonated plastic electrolytes such as sulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene, sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone And sulfoalkylated plastic electrolytes such as sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. Examples of commercially available materials include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Examples of the dispersion solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, ethylene glycol, and diethylene glycol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, dimethylimidazolidinone, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone. , Propylene carbonate, esters such as ethyl acetate and butyl acetate, and various aromatic or halogen solvents, and these can be used alone or as a mixed solution. Furthermore, regarding a conductive carrier carrying a catalyst, examples of the conductive carrier include carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers, and carbon compounds typified by silicon carbide. As this catalyst (metal catalyst), for example, any one of platinum, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium, etc. can be used, preferably platinum or platinum alloy is used. It is good to do. Furthermore, as this platinum alloy, for example, platinum, aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, tungsten, rhenium, osmium, iridium, titanium and lead An alloy with at least one of them can be mentioned.

また、ガス拡散層２，３は、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ）からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ニードルパンチ法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。 The gas diffusion layers 2 and 3 are each composed of a diffusion layer base material and a current collecting layer (MPL). The diffusion layer base material is not particularly limited as long as it has a low electrical resistance and can collect current. For example, those mainly composed of conductive inorganic substances can be mentioned. Examples of the conductive inorganic substances include calcined bodies from polyacrylonitrile, calcined bodies from pitch, graphite and expanded graphite. Examples thereof include carbon materials, nanocarbon materials thereof, stainless steel, molybdenum, and titanium. Further, the form of the conductive inorganic substance of the diffusion layer base material is not particularly limited. For example, the conductive inorganic substance is used in the form of fibers or particles, but is an inorganic conductive fiber from the viewpoint of gas permeability, and particularly carbon fiber. Is preferred. As the diffusion layer substrate using inorganic conductive fibers, a woven fabric or non-woven fabric structure can be used, and examples thereof include carbon paper and carbon cloth. The woven fabric is not particularly limited, such as plain weaving, crest weaving, and binding weaving, and examples of the nonwoven fabric include those made by a papermaking method, a needle punching method, and a water jet punching method. Further, examples of the carbon fiber include phenol-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, and rayon-based carbon fiber. Furthermore, the current collecting layer serves as an electrode for collecting electrons from the catalyst layer on the anode side and the cathode side. Platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, gold, silver, copper, and these are conductive materials. Or a conductive carbon material.

また、図示を省略しているが、触媒層の周縁であって電解質膜が該触媒層と密着していない露出領域には、ガス拡散層から突出する毛羽が電解質膜に突き刺さるのを防止し、さらには、射出成形されるガスケットに対して電解質膜を補強する効果を奏する保護ポリマーフィルムが接着されている。この保護ポリマーフィルムは、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどから形成されるものである。 Although not shown, in the exposed area where the electrolyte membrane is not in close contact with the catalyst layer at the periphery of the catalyst layer, fuzz protruding from the gas diffusion layer is prevented from sticking into the electrolyte membrane, Furthermore, the protective polymer film which has the effect which reinforces an electrolyte membrane with respect to the gasket by which injection molding is carried out is adhere | attached. This protective polymer film is made of polytetrafluoroethylene, PVDF (polyvinyl difluoride), polyethylene, polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate, polyphenylene ether (PPE), polypropylene, polyester, polyamide, copolyamide, polyamide elastomer, polyimide, It is formed from polyurethane, polyurethane elastomer, silicone, silicon rubber, silicon-based elastomer or the like.

また、多孔体５，６は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からなる多孔体がガス流路層を形成するものである。 The porous bodies 5 and 6 can be formed from expanded metal or a metal foam sintered body. For example, a porous body made of a metal material foam sintered body excellent in corrosion resistance such as titanium, stainless steel, copper, nickel, etc. is a gas. A flow path layer is formed.

図示するモジュール１００は、たとえば不図示の成形型内に構成基数分の燃料電池セル１０，…を収容し、その姿勢でキャビティ内に樹脂を注入してガスケット８を形成し、該ガスケット８にてモジュール１００を一体に形成するものである。 In the illustrated module 100, for example, fuel cells 10,... Corresponding to the number of constituent bases are accommodated in a mold (not shown), and a resin 8 is injected into the cavity in that posture to form a gasket 8. The module 100 is formed integrally.

このガスケット８は、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などの樹脂素材にて成形される。 The gasket 8 is formed of a resin material such as butyl rubber, urethane rubber, silicone RTV rubber, methanol-resistant epoxy resin, epoxy-modified silicone resin, silicone resin, fluorine resin, or hydrocarbon resin.

なお、図示例では、ガスケット８の上端にマニホールドＭを囲繞するシール用の無端リブ８ａが設けてあり、モジュール１００を積層させ、スタッキングした際に該リブ８ａが潰されてシール構造を形成できるようになっている。 In the illustrated example, an endless rib 8a for sealing that surrounds the manifold M is provided at the upper end of the gasket 8, and when the modules 100 are stacked and stacked, the rib 8a can be crushed to form a sealing structure. It has become.

また、図１は、たとえば燃料ガスの供給マニホールドＭ、および排気マニホールドＭを通る断面で切断したものであり、モジュール１００を構成する各燃料電池セル１０，…が積層姿勢において、その積層方向に流体連通したマニホールドＭを形成している。図１では、マニホールドＭから供給された燃料ガスが３層構造のセパレータ７中のガス流路７ａを介してアノード側の多孔体６に提供される構造を示している。したがって、別の断面においては、カソード側の多孔体５に酸化剤ガスを提供するためのマニホールドが形成されている。 FIG. 1 is a cross section taken through a fuel gas supply manifold M and an exhaust manifold M, for example, and each fuel cell 10 constituting the module 100 is fluid in the stacking direction in a stacking posture. A communicating manifold M is formed. FIG. 1 shows a structure in which the fuel gas supplied from the manifold M is provided to the anode-side porous body 6 via the gas flow path 7a in the separator 7 having a three-layer structure. Therefore, in another cross section, a manifold for providing the oxidizing gas to the porous body 5 on the cathode side is formed.

３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなる金属プレート７１，７２と、その間に、金属素材で冷却水流路が形成された中間層７３が介層されたものである。なお、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態であってもよい。 The separator 7 having a three-layer structure is formed by interposing an intermediate layer 73 in which a cooling water passage is formed of a metal material between metal plates 71 and 72 made of stainless steel or titanium. It is also possible to adopt a form in which a frame material made of a resin material is used as an intermediate layer, and a large number of dimples or ribs for channel definition protrude from one of the two metal plates.

たとえば、図１で示すモジュール１００が２０基の燃料電池セル１０，…から構成されている場合であって、燃料電池スタックを３００基の燃料電池セル１０，…から構成させようとする場合には、図示するモジュール１００を１５基積層し、スタッキングすることによって燃料電池スタックが形成される。 For example, when the module 100 shown in FIG. 1 is composed of 20 fuel cells 10,... And the fuel cell stack is composed of 300 fuel cells 10,. A fuel cell stack is formed by stacking 15 illustrated modules 100 and stacking them.

図からも明らかなように、たとえば射出成形に際し、モジュール１００を構成する燃料電池セル１０，…の電解質膜のほとんどは、複数のセルが積層していることで外部の異種材料と接触できないようになっており、したがって、特に射出成形の際に揮発ガスなどがコンタミネートすること、さらには、セル同士を積層する工程の際に浮遊する異種材料等がコンタミネートすることを防止できる。 As is apparent from the figure, for example, in injection molding, most of the electrolyte membranes of the fuel cells 10,... Constituting the module 100 are made in contact with an external dissimilar material because a plurality of cells are laminated. Therefore, it is possible to prevent volatile gases and the like from being contaminated particularly during injection molding, and further prevent contamination of foreign materials and the like floating during the process of stacking cells.

図２は、図１の変形例であり、そのガスケット８Ａが３層構造のセパレータ７を完全に埋設した構造を呈したモジュール２００である。 FIG. 2 is a modification of FIG. 1 and shows a module 200 in which the gasket 8A has a structure in which a separator 7 having a three-layer structure is completely embedded.

このモジュール２００によれば、セパレータ７の端部を外部から完全に絶縁することができ、たとえば従来の燃料電池スタックを収容する絶縁樹脂製のケース等がなくても、燃料電池スタックの電気絶縁性を担保することが可能となる。 According to this module 200, the end of the separator 7 can be completely insulated from the outside. For example, even if there is no case made of an insulating resin for housing a conventional fuel cell stack, the electric insulation of the fuel cell stack Can be secured.

図３は、モジュールのさらに他の実施の形態を示したものである。
このモジュール３００は、図示のごとく２つの燃料電池セル２０，２０がガスケット８にて一体とされ、さらに３層構造のセパレータ７Ａを具備しない他方側に別途のセパレータ７Ａが配されたものである（モジュール３００の両端部にセパレータ７Ａ，７Ａが配されている）。そして、セパレータ７ＡのマニホールドＭの周囲には無端状の第１のシール材９（Ｏリング）の一部が収容される無端状の凹溝７Ａａが形成されており、モジュール３００，３００が積層した姿勢において、双方の凹溝７Ａａ，７Ａａがシール材９の一部を収容する空間を形成でき、その空間にシール材９が位置決め固定されるものである。 FIG. 3 shows still another embodiment of the module.
In this module 300, as shown in the figure, two fuel cells 20 and 20 are integrated with a gasket 8, and a separate separator 7A is arranged on the other side not including the separator 7A having a three-layer structure ( Separators 7A and 7A are disposed at both ends of the module 300). An endless concave groove 7Aa in which a part of the endless first sealing material 9 (O-ring) is accommodated is formed around the manifold M of the separator 7A, and the modules 300 and 300 are stacked. In the posture, both concave grooves 7Aa and 7Aa can form a space for accommodating a part of the seal material 9, and the seal material 9 is positioned and fixed in the space.

なお、図示例では、積層するモジュール３００，３００間に隙間が形成されているが、スタッキングされた際にこのシール材９が潰され、モジュール３００，３００のそれぞれのセパレータ７Ａ，７Ａが面接触できるようになっている。 In the illustrated example, a gap is formed between the stacked modules 300 and 300. However, when the stacking is performed, the sealing material 9 is crushed so that the separators 7A and 7A of the modules 300 and 300 can come into surface contact. It is like that.

所望基数のモジュール３００，…が積層され、スタッキングされることにより、燃料電池スタック１０００が形成される。 A desired number of modules 300,... Are stacked and stacked to form a fuel cell stack 1000.

図示する燃料電池スタック１０００によれば、発電不良となった燃料電池セルを具備するモジュール３００を取り除くに際し、スタッキングを解除し、その後にシール材９および当該モジュール３００を容易に取り除くことができ、新規なモジュール３００の両端に新規なシール材９を配した後に再度スタッキングすることにより、極めて簡易にメンテナンスを実行することができる。しかも、メンテナンス後においても交換箇所のモジュールにおけるシール性能を低下させることなく、新たな燃料電池スタック１０００を再生することができる。 According to the illustrated fuel cell stack 1000, when removing the module 300 including the fuel cell in which power generation has failed, the stacking can be released, and then the sealing material 9 and the module 300 can be easily removed. By placing the new sealant 9 on both ends of the module 300 and then stacking it again, maintenance can be performed very easily. Moreover, the new fuel cell stack 1000 can be regenerated without degrading the sealing performance of the replacement module even after maintenance.

図４は、第１のシール材９のさらに外周に、マニホールドＭを囲繞する弾性素材の第２のシール材９Ａが配された燃料電池スタックの一部を示したものである。 FIG. 4 shows a part of the fuel cell stack in which the second sealing material 9A made of an elastic material surrounding the manifold M is arranged on the outer periphery of the first sealing material 9.

燃料電池セルを構成するガス拡散層（ＧＤＬ）は弾性を有し、スタッキング前の状態においてセル積層方向に若干厚めに形成されており、スタッキングされた際にこのガス拡散層が弾性変形して圧縮されることにより、スタッキング時の圧縮力を膜電極接合体に作用させるような設計が施されている。したがって、図５で示すように、複数の燃料電池セルをガスケットにて一体に繋いで一つのモジュール３００を形成した際には、スタッキング前の状態において、厚めに設計されたガス拡散層がモジュールを構成するセル数だけ積層され、その一方でモジュールの端部はガスケットで固定されていることから、モジュール３００の中央領域が外側に膨らんだ（Ｘ方向）、いわゆる太鼓状を呈してしまう。中央が外側に膨らんでその周縁が落ち込んだ太鼓状のモジュール３００，３００同士を積層した際に、中央側で双方のモジュール３００，３００が当接し、それらの周縁のマニホールドＭ，Ｍが形成された領域において隙間が形成され、該マニホールドＭ周囲の流体シール性が担保できなくなる。 The gas diffusion layer (GDL) constituting the fuel cell has elasticity, and is formed slightly thick in the cell stacking direction before stacking. When the stack is stacked, the gas diffusion layer is elastically deformed and compressed. As a result, a design is made such that the compressive force during stacking is applied to the membrane electrode assembly. Therefore, as shown in FIG. 5, when a single module 300 is formed by integrally connecting a plurality of fuel cells with gaskets, a thicker gas diffusion layer is added to the module before stacking. Since the number of cells to be configured is stacked, while the end of the module is fixed with a gasket, the central region of the module 300 swells outward (X direction), and exhibits a so-called drum shape. When the drum-shaped modules 300 and 300 whose center bulges outward and the periphery of the drum-shaped modules 300 and 300 are stacked, both modules 300 and 300 come into contact with each other on the center side, and manifolds M and M of the periphery are formed. A gap is formed in the region, and the fluid sealability around the manifold M cannot be secured.

そこで、図５に二点鎖線で示すごとく、マニホールドＭの周囲にたとえばゴム製で比較的厚みのある無端状の第２のシール材９Ａを配し、スタッキングすることにより、図４で示すように、シール材９Ａがモジュール３００，３００間を完全に閉塞してマニホールドＭ周囲のシール性を確保することができる。 Therefore, as shown by a two-dot chain line in FIG. 5, an endless second sealing material 9A made of, for example, rubber and having a relatively large thickness is arranged around the manifold M and stacked, as shown in FIG. The sealing material 9A can completely close the space between the modules 300 and 300 to ensure the sealing performance around the manifold M.

なお、図示例では、Ｏリングからなる第１のシール材９とその外周にゴム製の第２のシール材９Ａが配された構造を示しているが、第１のシール材９がゴム製のシール材の場合には、この第１のシール材９のみであってもよい。 In the illustrated example, a structure is shown in which a first sealing material 9 made of an O-ring and a second sealing material 9A made of rubber are arranged on the outer periphery thereof, but the first sealing material 9 is made of rubber. In the case of a sealing material, only the first sealing material 9 may be used.

図６は、図３の変形例であり、そのガスケット８Ｂが３層構造のセパレータ７，７Ａを完全に埋設した構造を呈したモジュール４００である。所望基数のモジュール４００，…が積層され、スタッキングされることにより、燃料電池スタック２０００が形成される。 FIG. 6 is a modified example of FIG. 3 and shows a module 400 in which the gasket 8B has a structure in which separators 7 and 7A having a three-layer structure are completely embedded. A desired number of modules 400,... Are stacked and stacked to form a fuel cell stack 2000.

上記する燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。 The fuel cell stack described above includes an end plate, a tension plate, and the like on the outermost side, and a compressive force is applied between the tension plates at both ends to form a fuel cell. A fuel cell system mounted on an electric vehicle or the like includes this fuel cell, various tanks for storing hydrogen gas and air, a blower for supplying these gases to the fuel cell, a radiator for cooling the fuel cell, a fuel The battery is generally composed of a battery that stores electric power generated by the battery, a drive motor that is driven by the electric power, and the like.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.

複数の燃料電池セルが一体成形されたガスケットにて一体とされたモジュールの一実施の形態を示した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed one Embodiment of the module integrated with the gasket by which the some fuel cell was integrally molded. モジュールの他の実施の形態を示した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed other embodiment of the module. モジュールのさらに他の実施の形態を示すとともに、このモジュールが積層されてできる燃料電池スタックを示した縦断面図である。FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing still another embodiment of the module and a fuel cell stack formed by stacking the modules. モジュールのさらに他の実施の形態を示した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed other embodiment of the module. モジュール同士を積層した際の課題を説明した図である。It is a figure explaining the subject at the time of laminating | stacking modules. モジュールのさらに他の実施の形態を示すとともに、このモジュールが積層されてできる燃料電池スタックを示した縦断面図である。FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing still another embodiment of the module and a fuel cell stack formed by stacking the modules.

符号の説明Explanation of symbols

１…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２…（カソード側）ガス拡散層、３…（アノード側）ガス拡散層、４…電極体（ＭＥＧＡ）、５…（カソード側）多孔体、６…（アノード側）多孔体、７…セパレータ、７１，７２…金属プレート、７３…流路形成用中間層、７ａ…ガス流路、８，８Ａ，８Ｂ…ガスケット、８ａ…シール用の無端リブ、９…第１のシール材（Ｏリング）、９Ａ…第２のシール材、１０，２０…燃料電池セル、１００，２００，３００，４００…モジュール、１０００，２０００…燃料電池スタック、Ｍ…マニホールド DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Membrane electrode assembly (MEA), 2 ... (cathode side) gas diffusion layer, 3 ... (anode side) gas diffusion layer, 4 ... Electrode body (MEGA), 5 ... (cathode side) porous body, 6 ... ( Anode side) porous body, 7 ... separator, 71, 72 ... metal plate, 73 ... intermediate layer for flow path formation, 7a ... gas flow path, 8, 8A, 8B ... gasket, 8a ... endless rib for sealing, 9 ... 1st sealing material (O-ring), 9A ... 2nd sealing material, 10, 20 ... Fuel cell, 100, 200, 300, 400 ... Module, 1000, 2000 ... Fuel cell stack, M ... Manifold

Claims

膜電極接合体と、これを挟持するガス流路となるアノード側およびカソード側の多孔体と、アノード側およびカソード側のうちのいずれか一方のセパレータと、からなる燃料電池セルが複数積層され、積層されたそれぞれの膜電極接合体および多孔体の周縁に一体成形されたガスケットが形成されて複数の燃料電池セルからなる一つのモジュールが形成され、
複数の前記モジュールが積層されて燃料電池スタックが形成されている、燃料電池。 A plurality of fuel cells comprising a membrane electrode assembly, an anode-side and cathode-side porous body serving as a gas flow path sandwiching the membrane-electrode assembly, and a separator on either the anode-side or the cathode-side are laminated, A gasket formed integrally with the periphery of each laminated membrane electrode assembly and porous body is formed to form one module composed of a plurality of fuel cells,
A fuel cell in which a plurality of the modules are stacked to form a fuel cell stack.

前記燃料電池セルには、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水のうちの少なくともいずれか一種が流通するための複数のマニホールドが形成されており、
前記モジュールの両端部にはセパレータが配されており、
隣接するモジュールのそれぞれのセパレータ間には、前記マニホールドを囲繞する無端状の第１のシール材が介層されている、請求項１に記載の燃料電池。 In the fuel cell, a plurality of manifolds for flowing at least one of fuel gas, oxidant gas, and cooling water are formed,
Separators are arranged at both ends of the module,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein an endless first sealing material surrounding the manifold is interposed between the separators of adjacent modules.

隣接するモジュールのそれぞれのセパレータの対向面であって、それらのマニホールドの周囲には、対応する位置に無端状の凹溝が形成されており、隣接するモジュール同士が積層された姿勢において、双方の凹溝にて画成された無端状の空間に、前記第１のシール材の一部もしくは全部が収容されている、請求項２に記載の燃料電池。 Endless concave grooves are formed at the corresponding positions on the opposing surfaces of the separators of adjacent modules and around the manifolds. 3. The fuel cell according to claim 2, wherein part or all of the first sealing material is accommodated in an endless space defined by a concave groove.

セパレータの周縁も前記ガスケットの内部に埋設されており、一つのモジュールにおいてガスケットが連続している、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein a peripheral edge of the separator is also embedded in the gasket, and the gasket is continuous in one module.

隣接する前記モジュールのそれぞれの対向する端面の間で、かつ該端面の周縁に、弾性を有する無端状の第２のシール材が介層されている、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。 5. The endless second sealing material having elasticity is interposed between the opposing end faces of the adjacent modules and on the periphery of the end faces. Fuel cell.