JP2018156788A

JP2018156788A - Fuel cell stack

Info

Publication number: JP2018156788A
Application number: JP2017051813A
Authority: JP
Inventors: 和則柴田; Kazunori Shibata; 隆梶原; Takashi Kajiwara; 公聖吉田; Masatoshi Yoshida; 敦巳井田; Atsumi Ida; 城司冨安; Joji Tomiyasu; 孝二福永; Koji Fukunaga; 尚弘星川; Hisahiro Hoshikawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2018-10-04

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent plastic deformation of a metal seal part.SOLUTION: A fuel cell stack comprises: a plurality of laminated unit cells; and a manifold which is provided to penetrate the plurality of unit cells, and through which a fluid circulates. Each of the plurality of unit cells has: a first separator having a metal seal part, formed by a first hollow projection, which is arranged around the manifold so as to seal it from the fluid; and an elastic member which is one of the constituents of a pair of separators having the first separator as the other constituent, and which is arranged on the opposite side to the first separator, across a second separator arranged on the side opposite to a side from which the metal seal part projects. Among the plurality of unit cells, the metal seal part of a first unit cell comes into contact with and is deformed by the elastic member of a second unit cell adjacent to the first unit cell. Inside a hollow portion of the metal seal part, each of the plurality of unit cells has a second projection which limits the deformation of the metal seal part.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.

積層された複数の単セルと、複数の単セルを貫通して設けられ、流体が流通するマニホールドと、を備える燃料電池スタックが知られている。マニホールドを流れる流体が単セル間で外部に漏れることを抑制するため、マニホールドの周りにシール部を設けて流体を封止することが行われている。例えば、セパレータにマニホールドの周りに位置する中空状の突出部からなる金属シール部を設け、この金属シール部が隣接する単セルに当接することで流体を封止することが知られている（例えば、特許文献１）。 2. Description of the Related Art A fuel cell stack including a plurality of stacked single cells and a manifold that passes through the plurality of single cells and through which a fluid flows is known. In order to prevent the fluid flowing through the manifold from leaking outside between the single cells, a seal portion is provided around the manifold to seal the fluid. For example, it is known that a separator is provided with a metal seal portion formed of a hollow projecting portion positioned around a manifold, and the metal seal portion is in contact with an adjacent single cell to seal a fluid (for example, Patent Document 1).

米国特許第８３７１５８７号公報U.S. Pat. No. 8,371,587

金属シール部が隣接する単セルに当接することで流体を封止する場合、金属シール部が大きく変形して塑性変形となることがある。金属シール部が塑性変形すると、金属シール部からの反力が弱くなってシール面圧が低下することや、金属シール部が元の形状に戻らないために再度の組み付けが難しくなることなどが生じる。 When the fluid is sealed by contacting the adjacent single cell with the metal seal portion, the metal seal portion may be greatly deformed to be plastically deformed. When the metal seal part is plastically deformed, the reaction force from the metal seal part is weakened and the seal surface pressure is lowered, or the metal seal part does not return to the original shape, so that it is difficult to reassemble. .

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、金属シール部の塑性変形を抑制することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and aims at suppressing the plastic deformation of a metal seal part.

本発明は、積層された複数の単セルと、前記複数の単セルを貫通して設けられ、流体が流通するマニホールドと、を備え、前記複数の単セルは、前記マニホールドの周りに配置されて前記流体を封止する中空状の第１突出部からなる金属シール部を有する第１セパレータと、前記第１セパレータが一方を構成する１対のセパレータの他方を構成し且つ前記金属シール部が突出する側とは反対側に配置された第２セパレータに対して前記第１セパレータとは反対側に設けられた弾性部材と、を備え、前記複数の単セルのうちの第１単セルの前記金属シール部は前記第１単セルに隣接する第２単セルの前記弾性部材に当接して変形していて、前記複数の単セルは、前記金属シール部の中空内に前記金属シール部の変形量を制限する第２突出部を備える、燃料電池スタックである。 The present invention includes a plurality of stacked unit cells and a manifold that passes through the plurality of unit cells and allows fluid to flow therethrough, and the plurality of unit cells are arranged around the manifold. A first separator having a metal seal portion formed of a hollow first protrusion that seals the fluid, and the first separator constitutes the other of a pair of separators, and the metal seal portion protrudes An elastic member provided on the side opposite to the first separator with respect to the second separator disposed on the side opposite to the side to be operated, and the metal of the first single cell among the plurality of single cells The seal portion is deformed by contacting the elastic member of the second single cell adjacent to the first single cell, and the plurality of single cells are deformed in the hollow space of the metal seal portion. Equipped with a second protrusion to limit That is a fuel cell stack.

本発明によれば、金属シール部の塑性変形を抑制することができる。 According to the present invention, plastic deformation of the metal seal portion can be suppressed.

図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack according to the first embodiment. 図２（ａ）は、実施例１における単セルの分解平面図、図２（ｂ）は、膜電極ガス拡散層接合体の断面図である。2A is an exploded plan view of a single cell in Example 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a membrane electrode gas diffusion layer assembly. 図３（ａ）は、積層前の単セルの金属シール部での断面図、図３（ｂ）は、積層後の単セルの金属シール部での断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view of the single cell before the lamination at the metal seal portion, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the single cell after the lamination at the metal seal portion. 図４（ａ）は、比較例における単セルの積層前の断面図、図４（ｂ）は、積層後の断面図である。FIG. 4A is a cross-sectional view before stacking single cells in the comparative example, and FIG. 4B is a cross-sectional view after stacking. 図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１の変形例１から変形例３における単セルの積層前の断面図、図５（ｄ）は、実施例１の変形例３における単セルの積層後の断面図である。FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views before stacking the single cells in the first to third modifications of the first embodiment, and FIG. 5D is a single view in the third modification of the first embodiment. It is sectional drawing after lamination | stacking of a cell. 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例１の変形例４及び変形例５における単セルの積層前の断面図、図６（ｃ）は、実施例１の変形例５における単セルの積層後の断面図である。6A and 6B are cross-sectional views before stacking of the single cells in Modification 4 and Modification 5 of Example 1, and FIG. 6C is a single view in Modification 5 of Example 1. FIG. It is sectional drawing after lamination | stacking of a cell.

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの斜視図である。図１のように、燃料電池スタック１００は、単セル１０が複数積層されたセル積層体１２と、セル積層体１２の積層方向両端を挟持する１対のエンドプレート１４と、を備える。単セル１０は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。 FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 100 includes a cell stack 12 in which a plurality of single cells 10 are stacked, and a pair of end plates 14 that sandwich both ends of the cell stack 12 in the stacking direction. The single cell 10 is a solid polymer fuel cell that generates power by receiving supply of a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) as reaction gases.

１対のエンドプレート１４のうちの一方のエンドプレート１４からセル積層体１２を貫通するマニホールドが設けられている。マニホールドは、燃料ガス用の燃料ガス供給マニホールド１６及び燃料ガス排出マニホールド１８と、酸化剤ガス用の酸化剤ガス供給マニホールド２０及び酸化剤ガス排出マニホールド２２と、冷媒用の冷媒供給マニホールド２４及び冷媒排出マニホールド２６と、を含む。 A manifold penetrating the cell stack 12 from one end plate 14 of the pair of end plates 14 is provided. The manifold includes a fuel gas supply manifold 16 and a fuel gas discharge manifold 18 for fuel gas, an oxidant gas supply manifold 20 and an oxidant gas discharge manifold 22 for oxidant gas, a refrigerant supply manifold 24 for refrigerant and a refrigerant discharge. And manifold 26.

図２（ａ）は、実施例１における単セルの分解平面図、図２（ｂ）は、膜電極ガス拡散層接合体の断面図である。図２（ａ）のように、単セル１０は、アノード側セパレータ３８ａと、カソード側セパレータ３８ｃと、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）４０と、ＭＥＧＡ４０を囲む絶縁フレーム４６と、を備える。アノード側セパレータ３８ａ、カソード側セパレータ３８ｃ、絶縁フレーム４６の順に配置されている。アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。絶縁フレーム４６は、ゴム又はエラストマー樹脂（例えば熱可塑性エラストマー樹脂）などの弾性部材によって形成されている。 2A is an exploded plan view of a single cell in Example 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a membrane electrode gas diffusion layer assembly. As shown in FIG. 2A, the single cell 10 includes an anode side separator 38 a, a cathode side separator 38 c, a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA) 40, and an insulation surrounding the MEGA 40. And a frame 46. The anode side separator 38a, the cathode side separator 38c, and the insulating frame 46 are arranged in this order. The anode side separator 38a and the cathode side separator 38c are formed of a member having gas barrier properties and electronic conductivity, and are formed of a metal member such as press-molded stainless steel, for example. The insulating frame 46 is formed of an elastic member such as rubber or elastomer resin (for example, thermoplastic elastomer resin).

アノード側セパレータ３８ａのカソード側セパレータ３８ｃと反対側の面には、燃料ガス供給マニホールド１６と燃料ガス排出マニホールド１８とを連通し、燃料ガスが流れるアノードガス流路４２ａが形成されている。カソード側セパレータ３８ｃのアノード側セパレータ３８ａとは反対側の面には、酸化剤ガス供給マニホールド２０と酸化剤ガス排出マニホールド２２とを連通し、酸化剤ガスが流れるカソードガス流路４２ｃが形成されている。アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃそれぞれの対向する側の面には、冷媒供給マニホールド２４と冷媒排出マニホールド２６とを連通し、冷媒が流れる冷媒流路４４が形成されている。 An anode gas flow path 42a through which the fuel gas flows is formed through the fuel gas supply manifold 16 and the fuel gas discharge manifold 18 on the surface of the anode side separator 38a opposite to the cathode side separator 38c. A cathode gas flow path 42c through which the oxidant gas supply manifold 20 and the oxidant gas discharge manifold 22 are communicated and the oxidant gas flows is formed on the surface of the cathode side separator 38c opposite to the anode side separator 38a. Yes. A refrigerant flow path 44 through which the refrigerant flows is formed so as to communicate with the refrigerant supply manifold 24 and the refrigerant discharge manifold 26 on the opposing surfaces of the anode side separator 38a and the cathode side separator 38c.

アノード側セパレータ３８ａには、燃料ガス供給マニホールド１６及び燃料ガス排出マニホールド１８を流れる燃料ガスが外部に漏れることを抑制するための金属シール部５０が設けられている。金属シール部５０は、燃料ガス供給マニホールド１６、燃料ガス排出マニホールド１８、及びアノードガス流路４２ａの周りを囲んで設けられている。 The anode separator 38a is provided with a metal seal portion 50 for suppressing fuel gas flowing through the fuel gas supply manifold 16 and the fuel gas discharge manifold 18 from leaking to the outside. The metal seal portion 50 is provided so as to surround the fuel gas supply manifold 16, the fuel gas discharge manifold 18, and the anode gas flow path 42a.

図２（ｂ）のように、ＭＥＧＡ４０は、電解質膜３２と、電解質膜３２の一方の面に設けられたアノード触媒層３４ａと、他方の面に設けられたカソード触媒層３４ｃと、を備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３０を含む。電解質膜３２は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層３４ａ及びカソード触媒層３４ｃは、電気化学反応を進行させる触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。 As shown in FIG. 2B, the MEGA 40 includes a membrane including an electrolyte membrane 32, an anode catalyst layer 34a provided on one surface of the electrolyte membrane 32, and a cathode catalyst layer 34c provided on the other surface. An electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) 30 is included. The electrolyte membrane 32 is a solid polymer membrane formed of a fluorine-based resin material or a carbon-based resin material having a sulfonic acid group, and has good proton conductivity in a wet state. The anode catalyst layer 34a and the cathode catalyst layer 34c are solid polymers having carbon particles (for example, carbon black) supporting a catalyst (for example, platinum or platinum-cobalt alloy) that promotes an electrochemical reaction, and a sulfonic acid group. And ionomers having good proton conductivity in the wet state.

ＭＥＡ３０の両側に１対のガス拡散層（アノードガス拡散層３６ａとカソードガス拡散層３６ｃ）が配置されている。ＭＥＡ３０と１対のガス拡散層とによってＭＥＧＡ４０が形成される。アノードガス拡散層３６ａ及びカソードガス拡散層３６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。 A pair of gas diffusion layers (anode gas diffusion layer 36a and cathode gas diffusion layer 36c) are arranged on both sides of the MEA 30. The MEGA 40 is formed by the MEA 30 and the pair of gas diffusion layers. The anode gas diffusion layer 36a and the cathode gas diffusion layer 36c are formed of members having gas permeability and electron conductivity, and are formed of a porous carbon member such as carbon cloth or carbon paper.

図３（ａ）は、積層前の単セルの金属シール部での断面図、図３（ｂ）は、積層後の単セルの金属シール部での断面図である。なお、以下の構造は、燃料ガス供給マニホールド１６、燃料ガス排出マニホールド１８、酸化剤ガス供給マニホールド２０、酸化剤ガス排出マニホールド２２、冷媒供給マニホールド２４、及び冷媒排出マニホールド２６の周りに配置される金属シール部のいずれにも適用することができる。 FIG. 3A is a cross-sectional view of the single cell before the lamination at the metal seal portion, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the single cell after the lamination at the metal seal portion. In the following structure, the metal disposed around the fuel gas supply manifold 16, the fuel gas discharge manifold 18, the oxidant gas supply manifold 20, the oxidant gas discharge manifold 22, the refrigerant supply manifold 24, and the refrigerant discharge manifold 26. It can be applied to any of the seal portions.

図３（ａ）のように、アノード側セパレータ３８ａには、マニホールドを流れる流体が燃料電池スタック１００の外部に漏れないように封止する金属シール部５０が形成されている。金属シール部５０は、メタルバネとしての機能が発揮されるように中空状の突出部で形成され、内側に中空５２を有する。金属シール部５０の突出した側を頂部４９とし、反対側を底部５１とする。金属シール部５０は、例えばアノード側セパレータ３８ａに対してプレス加工を行うことで形成される。 As shown in FIG. 3A, the anode separator 38 a is formed with a metal seal portion 50 that seals the fluid flowing through the manifold so as not to leak out of the fuel cell stack 100. The metal seal portion 50 is formed of a hollow protruding portion so as to function as a metal spring, and has a hollow 52 inside. The protruding side of the metal seal part 50 is a top part 49 and the opposite side is a bottom part 51. The metal seal portion 50 is formed by, for example, pressing the anode side separator 38a.

カソード側セパレータ３８ｃは、金属シール部５０が突出する側とは反対側に配置されている。カソード側セパレータ３８ｃは、金属シール部５０に対向する部分が金属シール部５０の中空５２側に折れ曲がっていて、金属シール部５０の中空５２内に金属シール部５０の底部５１側から突出した突出部５４を形成している。つまり、突出部５４は、金属シール部５０の中空５２内に金属シール部５０と同じ方向から突出して設けられている。単セルが積層される前においては、突出部５４の頂部５３及び側部５５は金属シール部５０に接してなく、その間に空隙６０を有する。突出部５４は、例えば金属シール部５０の延在方向に沿って延在し、金属シール部５０と同様の形状となってマニホールドの周りに設けられている。なお、突出部５４は、所々で途切れていて、複数に分離されていてもよい。突出部５４は、例えばカソード側セパレータ３８ｃに対してプレス加工を行うことで形成される。 The cathode separator 38c is arranged on the side opposite to the side from which the metal seal portion 50 protrudes. The cathode-side separator 38 c is bent at the hollow 52 side of the metal seal portion 50 at a portion facing the metal seal portion 50, and protrudes from the bottom 51 side of the metal seal portion 50 into the hollow 52 of the metal seal portion 50. 54 is formed. That is, the protruding portion 54 is provided in the hollow 52 of the metal seal portion 50 so as to protrude from the same direction as the metal seal portion 50. Before the single cells are stacked, the top portion 53 and the side portion 55 of the protrusion 54 are not in contact with the metal seal portion 50 and have a gap 60 therebetween. The protruding portion 54 extends, for example, along the extending direction of the metal seal portion 50, has a shape similar to that of the metal seal portion 50, and is provided around the manifold. In addition, the protrusion part 54 may be interrupted in some places and may be isolate | separated into plurality. The protruding portion 54 is formed by, for example, pressing the cathode side separator 38c.

絶縁フレーム４６は、カソード側セパレータ３８ｃとは反対側の面のうちのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０の直上に位置する部分に突起５６を有する。突起５６は、金属シール部５０の延在方向に沿って延在し、金属シール部５０と同様の形状となってマニホールドの周りに設けられている。 The insulating frame 46 has a protrusion 56 on a portion of the surface opposite to the cathode side separator 38c that is located immediately above the metal seal portion 50 provided on the anode side separator 38a. The protrusion 56 extends along the extending direction of the metal seal portion 50, has the same shape as the metal seal portion 50, and is provided around the manifold.

カソード側セパレータ３８ｃによって形成された突出部５４と絶縁フレーム４６との間に充填物５８が埋め込まれている。充填物５８は、例えば絶縁フレーム４６とは異なる絶縁材料又はカソード側セパレータ３８ｃとは異なる金属材料からなる。 A filler 58 is embedded between the protrusion 54 formed by the cathode side separator 38 c and the insulating frame 46. The filler 58 is made of, for example, an insulating material different from the insulating frame 46 or a metal material different from the cathode side separator 38c.

図３（ｂ）のように、セル積層体１２のうちの第１単セル１０ａのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０は、第１単セル１０ａに隣接する第２単セル１０ｂの絶縁フレーム４６に設けられた突起５６に当接して変形している。これにより、マニホールドを流れる流体は封止されている。金属シール部５０は、例えば突出部５４の頂部５３に当接しているが、頂部５３に当接せずにその間に空隙が形成されている場合でもよい。 As shown in FIG. 3B, the metal seal portion 50 provided on the anode-side separator 38a of the first single cell 10a in the cell stack 12 is formed on the second single cell 10b adjacent to the first single cell 10a. It is deformed in contact with the protrusion 56 provided on the insulating frame 46. Thereby, the fluid flowing through the manifold is sealed. For example, the metal seal portion 50 is in contact with the top portion 53 of the protruding portion 54, but the metal seal portion 50 may not be in contact with the top portion 53 and a gap may be formed therebetween.

ここで、実施例１の効果を説明するにあたり、比較例の燃料電池スタックについて説明する。図４（ａ）は、比較例における単セルの積層前の断面図、図４（ｂ）は、積層後の断面図である。図４（ａ）のように、比較例においては、カソード側セパレータ３８ｃによる突出部５４は形成されてなく、アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃの両方に中空状の突出部からなる金属シール部５０が設けられている。アノード側セパレータ３８ａの金属シール部５０とカソード側セパレータ３８ｃの金属シール部５０とは互いに反対方向に突出している。絶縁フレーム４６には両面に突起５６が設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。 Here, in describing the effect of the first embodiment, a fuel cell stack of a comparative example will be described. FIG. 4A is a cross-sectional view before stacking single cells in the comparative example, and FIG. 4B is a cross-sectional view after stacking. As shown in FIG. 4A, in the comparative example, the protruding portion 54 by the cathode separator 38c is not formed, and both the anode side separator 38a and the cathode side separator 38c are metal seal portions formed of hollow protruding portions. 50 is provided. The metal seal portion 50 of the anode side separator 38a and the metal seal portion 50 of the cathode side separator 38c protrude in opposite directions. The insulating frame 46 is provided with protrusions 56 on both sides. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.

図４（ｂ）のように、第１単セル１０ａの絶縁フレーム４６に設けられた突起５６は、第１単セル１０ａのカソード側セパレータ３８ｃに設けられた金属シール部５０と第１単セル１０ａに隣接する第２単セル１０ｂのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０とに当接している。これにより、アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃそれぞれの金属シール部５０が変形してマニホールドを流れる流体は封止される。 As shown in FIG. 4B, the protrusions 56 provided on the insulating frame 46 of the first single cell 10a are connected to the metal seal portion 50 provided on the cathode-side separator 38c of the first single cell 10a and the first single cell 10a. Is in contact with the metal seal 50 provided in the anode separator 38a of the second single cell 10b adjacent to the second single cell 10b. Accordingly, the metal seal portions 50 of the anode side separator 38a and the cathode side separator 38c are deformed, and the fluid flowing through the manifold is sealed.

しかしながら、比較例では、アノード側セパレータ３８ａ及びカソード側セパレータ３８ｃそれぞれの金属シール部５０は、圧縮量によっては塑性変形となるまで大きく凹む場合がある。金属シール部５０が塑性変形すると、金属シール部５０からの反力が弱くなってシール面圧が低下することや、金属シール部５０が元の形状に復元しなくなるために再度の組み付けができないことが生じる。 However, in the comparative example, the metal seal portions 50 of the anode side separator 38a and the cathode side separator 38c may be greatly recessed until plastic deformation occurs depending on the amount of compression. When the metal seal part 50 is plastically deformed, the reaction force from the metal seal part 50 is weakened, the seal surface pressure is reduced, and the metal seal part 50 cannot be restored to its original shape and cannot be reassembled. Occurs.

これに対し、実施例１では、図３（ｂ）のように、金属シール部５０の中空５２内に設けられた突出部５４によって金属シール部５０の変形が制限されている。つまり、突出部５４は金属シール部５０の変形を制限する役割を担う。これにより、突出部５４の高さを金属シール部５０の変形が弾性変形に留まる高さに設定することで、金属シール部５０が塑性変形となることを抑制できる。金属シール部５０が弾性変形している場合は、金属シール部５０の反力が大きいため、マニホールドを流れる流体を十分に封止することができる。 On the other hand, in the first embodiment, as shown in FIG. 3B, the deformation of the metal seal portion 50 is limited by the protruding portion 54 provided in the hollow 52 of the metal seal portion 50. That is, the protruding portion 54 plays a role of restricting deformation of the metal seal portion 50. Thereby, it can suppress that the metal seal part 50 becomes plastic deformation by setting the height of the protrusion part 54 to the height from which the deformation | transformation of the metal seal part 50 remains elastic deformation. When the metal seal part 50 is elastically deformed, the reaction force of the metal seal part 50 is large, so that the fluid flowing through the manifold can be sufficiently sealed.

また、実施例１によれば、絶縁フレーム４６に突起５６が設けられ、金属シール部５０と絶縁フレーム４６とは突起５６で当接している。これにより、金属シール部５０と絶縁フレーム４６との接触面圧を高めることができ、流体の封止をより確実に行うことができる。なお、絶縁フレーム４６に突起５６が設けられていない場合でもよい。 According to the first embodiment, the protrusion 56 is provided on the insulating frame 46, and the metal seal portion 50 and the insulating frame 46 are in contact with the protrusion 56. Thereby, the contact surface pressure between the metal seal portion 50 and the insulating frame 46 can be increased, and the fluid can be more reliably sealed. Note that the insulating frame 46 may not be provided with the protrusion 56.

なお、実施例１では、突出部５４と絶縁フレーム４６との間に充填物５８が埋め込まれている場合を例に示したが、カソード側セパレータ３８ｃによって形成される突出部５４が十分に大きな剛性を有し、金属シール部５０の変形を制限することが可能であれば、充填物５８は設けられていなくてもよい。 In the first embodiment, the case where the filler 58 is embedded between the protruding portion 54 and the insulating frame 46 is described as an example. However, the protruding portion 54 formed by the cathode-side separator 38c has a sufficiently large rigidity. The filler 58 may not be provided if it is possible to limit the deformation of the metal seal portion 50.

図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施例１の変形例１から変形例３における単セルの積層前の断面図、図５（ｄ）は、実施例１の変形例３における単セルの積層後の断面図である。図５（ａ）のように、実施例１の変形例１では、絶縁フレーム４６がカソード側セパレータ３８ｃによって形成された突出部５４の内側に埋め込まれている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。図５（ｂ）のように、実施例１の変形例２では、突出部５４の内側にもカソード側セパレータ３８ｃが設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。 FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views before stacking the single cells in the first to third modifications of the first embodiment, and FIG. 5D is a single view in the third modification of the first embodiment. It is sectional drawing after lamination | stacking of a cell. As shown in FIG. 5A, in the first modification of the first embodiment, the insulating frame 46 is embedded inside the protrusion 54 formed by the cathode-side separator 38c. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted. As illustrated in FIG. 5B, in the second modification of the first embodiment, the cathode-side separator 38 c is also provided inside the protruding portion 54. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.

実施例１では、突出部５４と絶縁フレーム４６との間に絶縁フレーム４６及びカソード側セパレータ３８ｃとは異なる材料からなる充填物５８が埋め込まれている場合を例に示したが、実施例１の変形例１及び変形例２のように、充填物は絶縁フレーム４６又はカソード側セパレータ３８ｃと同じ材料であってもよい。これにより、突出部５４の剛性を大きくする構成を容易に得ることができる。なお、実施例１の変形例１及び変形例２における単セルの積層後の断面図は実施例１と同様であるため図示を省略する。 In the first embodiment, the case where the filler 58 made of a material different from that of the insulating frame 46 and the cathode-side separator 38c is embedded between the protruding portion 54 and the insulating frame 46 is described as an example. As in Modification 1 and Modification 2, the filler may be the same material as the insulating frame 46 or the cathode-side separator 38c. Thereby, the structure which enlarges the rigidity of the protrusion part 54 can be obtained easily. In addition, since the cross-sectional view after stacking the single cells in Modification 1 and Modification 2 of Embodiment 1 is the same as that in Embodiment 1, illustration is omitted.

図５（ｃ）のように、実施例１の変形例３では、絶縁フレーム４６に突起５６が設けられてなく、アノード側セパレータ３８ａの金属シール部５０に突起５６ａが設けられている。図５（ｄ）のように、第１単セル１０ａのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０の突起５６ａが第１単セル１０ａに隣接する第２単セル１０ｂの絶縁フレーム４６に当接することで、金属シール部５０が弾性変形してマニホールドを流れる流体が封止されている。このように、金属シール部５０に突起５６ａが設けられ、金属シール部５０と絶縁フレーム４６とが突起５６ａで当接していてもよい。この場合でも、金属シール部５０と絶縁フレーム４６との接触面圧を高めることができる。 As shown in FIG. 5C, in the third modification of the first embodiment, the insulating frame 46 is not provided with the protrusion 56, and the metal seal portion 50 of the anode side separator 38a is provided with the protrusion 56a. As shown in FIG. 5D, the protrusion 56a of the metal seal portion 50 provided on the anode-side separator 38a of the first unit cell 10a contacts the insulating frame 46 of the second unit cell 10b adjacent to the first unit cell 10a. By contact, the metal seal 50 is elastically deformed and the fluid flowing through the manifold is sealed. In this manner, the metal seal portion 50 may be provided with the protrusion 56a, and the metal seal portion 50 and the insulating frame 46 may be in contact with the protrusion 56a. Even in this case, the contact surface pressure between the metal seal portion 50 and the insulating frame 46 can be increased.

なお、流体の封止性能を考慮すると、実施例１から実施例１の変形例２のように、絶縁フレーム４６に突起５６が設けられている場合が好ましい。また、製造の容易性や製造コストなどを考慮すると、実施例１の変形例１のように、絶縁フレーム４６が突出部５４の内側に埋め込まれている場合が好ましい。 In consideration of the sealing performance of the fluid, it is preferable that the protrusion 56 is provided on the insulating frame 46 as in the first modification to the second modification of the first embodiment. In view of ease of manufacturing, manufacturing cost, and the like, it is preferable that the insulating frame 46 is embedded inside the protruding portion 54 as in the first modification of the first embodiment.

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例１の変形例４及び変形例５における単セルの積層前の断面図、図６（ｃ）は、実施例１の変形例５における単セルの積層後の断面図である。図６（ａ）のように、実施例１の変形例４では、カソード側セパレータ３８ｃは、アノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０に対向する部分が折れ曲がってなく平坦面となっている。カソード側セパレータ３８ｃの金属シール部５０に対向する部分の平坦面上に、金属シール部５０の中空５２内に突出した突出部５４が設けられている。突出部５４は、カソード側セパレータ３８ｃと異なる金属材料又は絶縁材料で形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。 6A and 6B are cross-sectional views before stacking of the single cells in Modification 4 and Modification 5 of Example 1, and FIG. 6C is a single view in Modification 5 of Example 1. FIG. It is sectional drawing after lamination | stacking of a cell. As shown in FIG. 6A, in Modification 4 of Example 1, the cathode-side separator 38c has a flat surface that is not bent at a portion facing the metal seal portion 50 provided in the anode-side separator 38a. . A protruding portion 54 that protrudes into the hollow 52 of the metal seal portion 50 is provided on the flat surface of the portion facing the metal seal portion 50 of the cathode side separator 38c. The protrusion 54 is formed of a metal material or an insulating material different from that of the cathode-side separator 38c. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.

実施例１から実施例１の変形例３では、カソード側セパレータ３８ｃが金属シール部５０の中空５２内に折れ曲がることで突出部５４が形成される場合を例に示したが、実施例１の変形例４のように、カソード側セパレータ３８ｃの平坦面上にカソード側セパレータ３８ｃとは異なる材料からなる突出部５４が設けられていてもよい。なお、実施例１の変形例４における単セルの積層後の断面図は実施例１と同様であるため図示を省略する。 In the modified example 3 of the first embodiment to the first embodiment, the case where the protruding portion 54 is formed by bending the cathode-side separator 38c into the hollow 52 of the metal seal portion 50 is shown as an example. As in Example 4, a protrusion 54 made of a material different from that of the cathode side separator 38c may be provided on the flat surface of the cathode side separator 38c. In addition, since the cross-sectional view after stacking the single cells in the fourth modification of the first embodiment is similar to that of the first embodiment, the illustration is omitted.

図６（ｂ）のように、実施例１の変形例５では、アノード側セパレータ３８ａとカソード側セパレータ３８ｃとで絶縁フレーム４６を挟持した構造をしている。絶縁フレーム４６は、アノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０の中空５２内に突出していて突出部５４を形成している。なお、絶縁フレーム４６のアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０に対向する部分が平坦面となっていて、この平坦面上に設けられた絶縁フレーム４６とは異なる材料からなる部材によって突出部５４が形成されていてもよい。カソード側セパレータ３８ｃのアノード側セパレータ３８ａ及び絶縁フレーム４６とは反対側の面に弾性部材６２が設けられている。弾性部材６２は、例えばゴム又はエラストマー樹脂で形成されていて、塗工又はシート貼り付けによって形成される。金属シール部５０に突起５６ａが設けられている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。 As shown in FIG. 6B, in the fifth modification of the first embodiment, the insulating frame 46 is sandwiched between the anode side separator 38a and the cathode side separator 38c. The insulating frame 46 protrudes into the hollow 52 of the metal seal portion 50 provided on the anode side separator 38 a to form a protruding portion 54. A portion of the insulating frame 46 facing the metal seal portion 50 provided on the anode-side separator 38a is a flat surface, and is projected by a member made of a material different from that of the insulating frame 46 provided on the flat surface. The part 54 may be formed. An elastic member 62 is provided on the surface of the cathode side separator 38 c opposite to the anode side separator 38 a and the insulating frame 46. The elastic member 62 is made of, for example, rubber or elastomer resin, and is formed by coating or sheet pasting. The metal seal portion 50 is provided with a protrusion 56a. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.

図６（ｃ）のように、第１単セル１０ａのアノード側セパレータ３８ａに設けられた金属シール部５０の突起５６ａが第１単セル１０ａに隣接する第２単セル１０ｂの弾性部材６２に当接することで、金属シール部５０が弾性変形してマニホールドを流れる流体が封止されている。 As shown in FIG. 6C, the protrusion 56a of the metal seal portion 50 provided on the anode side separator 38a of the first single cell 10a contacts the elastic member 62 of the second single cell 10b adjacent to the first single cell 10a. By contact, the metal seal 50 is elastically deformed and the fluid flowing through the manifold is sealed.

実施例１から実施例１の変形例４では、単セル１０はアノード側セパレータ３８ａ、カソード側セパレータ３８ｃ、絶縁フレーム４６の順に配置されていたが、実施例１の変形例５のように、アノード側セパレータ３８ａとカソード側セパレータ３８ｃとで絶縁フレーム４６を挟んだ構造であってもよい。この場合、カソード側セパレータ３８ｃのアノード側セパレータ３８ａ及び絶縁フレーム４６とは反対側の面に弾性部材６２を設ければよい。 In the modification 4 of the first embodiment to the first embodiment, the single cell 10 is arranged in the order of the anode side separator 38a, the cathode side separator 38c, and the insulating frame 46. However, as in the fifth modification of the first embodiment, The insulating frame 46 may be sandwiched between the side separator 38a and the cathode side separator 38c. In this case, the elastic member 62 may be provided on the surface of the cathode side separator 38c opposite to the anode side separator 38a and the insulating frame 46.

実施例１から実施例１の変形例５において、アノード側セパレータ３８ａに金属シール部５０が設けられている場合を例に示したが、カソード側セパレータ３８ｃに金属シール部５０が設けられていてもよい。 In the first to fifth modifications of the first embodiment, the case where the metal seal portion 50 is provided on the anode side separator 38a has been described as an example, but the metal seal portion 50 may be provided on the cathode side separator 38c. Good.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

１０〜１０ｂ単セル
１２セル積層体
１４エンドプレート
１６燃料ガス供給マニホールド
１８燃料ガス排出マニホールド
２０酸化剤ガス供給マニホールド
２２酸化剤ガス排出マニホールド
２４冷媒供給マニホールド
２６冷媒排出マニホールド
３０膜電極接合体
３２電解質膜
３４ａアノード触媒層
３４ｃカソード触媒層
３６ａアノードガス拡散層
３６ｃカソードガス拡散層
３８ａアノード側セパレータ
３８ｃカソード側セパレータ
４０膜電極ガス拡散層接合体
４２ａアノードガス流路
４２ｃカソードガス流路
４４冷媒流路
４６絶縁フレーム
４９頂部
５０金属シール部
５１底部
５２中空
５３頂部
５４突出部
５５側部
５６、５６ａ突起
５８充填物
６０空隙
６２弾性部材
１００燃料電池スタック 10-10b Single cell 12 Cell stack 14 End plate 16 Fuel gas supply manifold 18 Fuel gas discharge manifold 20 Oxidant gas supply manifold 22 Oxidant gas discharge manifold 24 Refrigerant supply manifold 26 Refrigerant discharge manifold 30 Membrane electrode assembly 32 Electrolyte membrane 34a Anode catalyst layer 34c Cathode catalyst layer 36a Anode gas diffusion layer 36c Cathode gas diffusion layer 38a Anode side separator 38c Cathode side separator 40 Membrane electrode gas diffusion layer assembly 42a Anode gas channel 42c Cathode gas channel 44 Refrigerant channel 46 Insulation Frame 49 Top part 50 Metal seal part 51 Bottom part 52 Hollow 53 Top part 54 Protrusion part 55 Side part 56, 56a Projection 58 Filling 60 Cavity 62 Elastic member 100 Fuel cell stack

Claims

積層された複数の単セルと、
前記複数の単セルを貫通して設けられ、流体が流通するマニホールドと、を備え、
前記複数の単セルは、前記マニホールドの周りに配置されて前記流体を封止する中空状の第１突出部からなる金属シール部を有する第１セパレータと、前記第１セパレータが一方を構成する１対のセパレータの他方を構成し且つ前記金属シール部が突出する側とは反対側に配置された第２セパレータに対して前記第１セパレータとは反対側に設けられた弾性部材と、を備え、
前記複数の単セルのうちの第１単セルの前記金属シール部は前記第１単セルに隣接する第２単セルの前記弾性部材に当接して変形していて、
前記複数の単セルは、前記金属シール部の中空内に前記金属シール部の変形量を制限する第２突出部を備える、燃料電池スタック。
A plurality of stacked single cells;
A manifold that is provided through the plurality of single cells and through which a fluid flows, and
The plurality of single cells includes a first separator having a metal seal portion formed of a hollow first protrusion that is arranged around the manifold and seals the fluid, and the first separator constitutes one of the first separators. An elastic member provided on the side opposite to the first separator with respect to the second separator that constitutes the other of the pair of separators and that is disposed on the side opposite to the side from which the metal seal portion protrudes,
The metal seal portion of the first single cell among the plurality of single cells is deformed in contact with the elastic member of the second single cell adjacent to the first single cell,
The plurality of single cells includes a second projecting portion that limits a deformation amount of the metal seal portion in a hollow of the metal seal portion.