JP5467803B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、シール部材が設けられる燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack in which an electrolyte / electrode structure having electrodes disposed on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and a seal member is provided on the separator.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. The unit cell is sandwiched. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of unit cells.
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。 In the above fuel cell, a fuel gas flow channel for flowing fuel gas is provided in the plane of one separator so as to face the anode side electrode, and the cathode side electrode is opposed in the plane of the other separator. An oxidant gas flow path for flowing an oxidant gas is provided. Further, between the separators, a coolant flow path for allowing a coolant to flow as needed is provided along the surface direction of the separator.
この種のセパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をシールするために、シール部材を一体又は別体に設けている。そして、セパレータ及び電解質膜・電極構造体が積層される際には、各シール部材は、直接又は電解質膜を介装して互いに積層方向に圧接されている。 This type of separator is provided with a seal member integrally or separately for sealing the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling medium. When the separator and the electrolyte membrane / electrode structure are laminated, the seal members are pressed against each other in the lamination direction directly or via an electrolyte membrane.
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図１６に示すように、電解質膜１ａ、アノード極反応面１ｂ及びカソード極反応面１ｃを有するＭＥＡ１が設けられている。ＭＥＡ１には、保持プレート１ｄ、１ｅが電解質膜１ａの両面に配設されている。アノード極反応面１ｂとカソード極反応面１ｃとは、積層方向の厚さが異なるとともに、保持プレート１ｄ、１ｅは、前記積層方向の厚さが異なっている。
For example, in the fuel cell disclosed in
ＭＥＡ１は、アノード側セパレータ２とカソード側セパレータ３とに挟持されるとともに、前記アノード側セパレータ２及び前記カソード側セパレータ３と前記ＭＥＡ１との間には、シール４ａ、４ｂが介装されている。
The MEA 1 is sandwiched between the
そして、アノード側セパレータ２及びカソード側セパレータ３が、保持プレート１ｄ、１ｅに接するまで積層方向の荷重を付与すると、アノード極反応面１ｂ及びカソード極反応面１ｃの変形量が異なるため、アノード側の反力とカソード側の反力とが相違し、積層方向の変形量が大きいアノード側の反力が大きくなる、としている。
When the load in the stacking direction is applied until the
ところで、上記の燃料電池では、アノード側セパレータ２及びカソード側セパレータ３と保持プレート１ｄ、１ｅとの間で、積層方向距離Ｓ１、Ｓ２が異なると、シール４ａ、４ｂのシール高さが互いに相違する。その際、シール４ａ、４ｂの断面形状は、同一に設定されるとともに、シール線圧は、圧縮率で管理されており、前記シール４ａ、４ｂの初期高さ（荷重付与前の高さ）が予め設定されている。
By the way, in the fuel cell, when the stacking direction distances S1 and S2 are different between the
しかしながら、特にシール高さの高いシールでは、圧縮率が相当に高くなるため、シール根元部位でシール割れが惹起するおそれがあるとともに、圧縮による永久歪みも大きくなるという問題がある。しかも、セパレータにも変形が発生し易いという問題がある。 However, in particular, a seal with a high seal height has a problem that the compression ratio is considerably high, which may cause seal cracks at the seal root portion and also increases permanent distortion due to compression. Moreover, there is a problem that the separator is also likely to be deformed.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、シール部材の割れや変形を可及的に阻止することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell stack capable of preventing cracking and deformation of a seal member as much as possible with a simple configuration.
本発明は、電解質の両側に電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、シール部材が設けられる燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack in which an electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of an electrolyte and a separator are stacked, and the separator is provided with a seal member.
この燃料電池スタックは、第１のセパレータと、第１の前記セパレータの一方の面側に配置される第２のセパレータとの間に設けられる第１のシール部材の積層方向のシール高さは、第１の前記セパレータと、第１の前記セパレータの他方の面側に配置される第３のセパレータとの間に設けられる第２のシール部材の前記積層方向のシール高さよりも低く設定されるとともに、前記第１のシール部材の重心点からセパレータ面方向に且つシール幅方向に沿って設けられた仮想線と前記第１のシール部材の両側表面との交点を繋ぐ幅寸法は、前記第２のシール部材の重心点からセパレータ面方向に且つシール幅方向に沿って設けられた仮想線と前記第２のシール部材の両側表面との交点を繋ぐ幅寸法よりも小さく設定されることにより、前記第１のシール部材のシール線圧と、前記第２のシール部材のシール線圧とは、同一に設定されている。 In the fuel cell stack, the seal height in the stacking direction of the first seal member provided between the first separator and the second separator disposed on one surface side of the first separator is: While being set lower than the seal height in the stacking direction of the second seal member provided between the first separator and the third separator disposed on the other surface side of the first separator. The width dimension connecting the imaginary line provided in the separator surface direction and along the seal width direction from the center of gravity of the first seal member and the both side surfaces of the first seal member is the second dimension. By setting it smaller than the width dimension connecting the intersection between the imaginary line provided in the separator surface direction and along the seal width direction from the center of gravity of the seal member and the both side surfaces of the second seal member, the first A sealing line pressure of the seal member, the seal line pressure of the second sealing member is set to be the same.
本発明によれば、積層方向の同一断面では、互いに隣接する各シール部材の弾性率が同一に設定されている。このため、各シール部材は、シール高さが互いに異なっても、簡単な構成で、シール割れやシール変形を可及的に阻止することが可能になる。 According to the present invention, in the same cross section in the stacking direction, the elastic moduli of the adjacent seal members are set to be the same. For this reason, even if the seal heights are different from each other, each seal member can prevent seal cracking and seal deformation as much as possible with a simple configuration.
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２を水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層して構成される。発電ユニット１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４を第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８で挟持する。
As shown in FIG. 1, the
第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した横長形状の金属板により構成される。第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ１６及び第２金属セパレータ１８は、カーボンセパレータで構成してもよい。
The
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（電解質）２０と、前記固体高分子電解質膜２０を挟持するカソード側電極２２及びアノード側電極２４とを備える。カソード側電極２２及びアノード側電極２４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成された電極触媒層（図示せず）とを有する。アノード側電極２４は、カソード側電極２２及び固体高分子電解質膜２０よりも小さな表面積を有する。
The electrolyte membrane /
発電ユニット１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
An oxidant gas
発電ユニット１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
図２に示すように、第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路３２が形成される。酸化剤ガス流路３２は、面１６ａ側に突出して矢印Ｂ方向に延在する凸部３２ａと、凹部３２ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設けることにより、矢印Ｂ方向に直線状に形成されるとともに、前記酸化剤ガス流路３２の両側には、入口バッファ部（エンボス部）３２ｃ及び出口バッファ部（エンボス部）３２ｄが形成される。
As shown in FIG. 2, an oxidant
入口バッファ部３２ｃと酸化剤ガス入口連通孔２６ａとは、入口流路３３ａを介して連通するとともに、出口バッファ部３２ｄと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとは、出口流路３３ｂを介して連通する。
The
図１に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４は、面１８ａ側に突出して矢印Ｂ方向に延在する凸部３４ａと、凹部３４ｂとを、矢印Ｃ方向に交互に設けることにより、矢印Ｂ方向に直線状に形成されるとともに、前記燃料ガス流路３４の両側には、入口バッファ部（エンボス部）３４ｃ及び出口バッファ部（エンボス部）３４ｄが形成される。
As shown in FIG. 1, a fuel
入口バッファ部３４ｃと燃料ガス入口連通孔３０ａとは、入口流路３５ａを介して連通するとともに、出口バッファ部３４ｄと燃料ガス出口連通孔３０ｂとは、出口流路３５ｂを介して連通する。
The
第１金属セパレータ１６の面１６ｂと第２金属セパレータ１８の面１８ｂとには、それぞれ酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４を構成する凹凸形状部が反転することによって、冷却媒体流路３６が一体に形成される。
On the
図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して第１シール部材３８が一体成形される。第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材４０が一体成形される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
第１シール部材３８及び第２シール部材４０は、例えば、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレンゴム）、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材が用いられる。
The
第１シール部材３８は、図１に示すように、面１６ｂ側に、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂを囲繞するとともに、冷却媒体入口連通孔２８ａ及び冷却媒体出口連通孔２８ｂを冷却媒体流路３６に連通させる凸状シール部４２、４２ａを有する。
As shown in FIG. 1, the
第２シール部材４０は、燃料ガス流路３４を囲繞して設けられるとともに、前記燃料ガス流路３４と燃料ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂとを連通する凸状シール部４４、４４ａを有する。
The
図３に示すように、第１金属セパレータ（第１の金属セパレータ）１６と、前記第１金属セパレータ１６の一方の面１６ｂに隣接する第２金属セパレータ（第２の金属セパレータ）１８との積層方向のシール高さＨ１は、前記第１金属セパレータ１６と、該第１金属セパレータ１６の他方の面１６ａに隣接する前記第２金属セパレータ（第３の金属セパレータ）１８との前記積層方向のシール高さＨ２と異なる高さに設定される。具体的には、シール高さＨ１は、シール高さＨ２よりも低く設定される（Ｈ１＜Ｈ２）。
As shown in FIG. 3, a first metal separator (first metal separator) 16 and a second metal separator (second metal separator) 18 adjacent to one
なお、シール高さＨ１は、第１金属セパレータ１６を構成する金属プレートと第２金属セパレータ１８を構成する金属プレートとの間の距離、すなわち、各金属プレート間に配設されているシール材の厚さ方向の寸法をいう。また、シール高さＨ２以降も同様である。
The seal height H1 is the distance between the metal plate constituting the
積層方向の同一断面では、互いに隣接する第１シール部材３８と第２シール部材４０とが同一の弾性率に設定される。具体的には、図４に示すように、第１シール部材３８の最外周の凸状シール部４２ａの高さＨ１ａ（ベース部分３８ａからの突出高さ）は、第２シール部材４０の最外周の凸状シール部４４ａの高さＨ２ａ（ベース部分４０ａからの突出高さ）よりも低く設定されるとともに（Ｈ１ａ＜Ｈ２ａ）、前記凸状シール部４２ａのシール幅Ｗａは、前記凸状シール部４４ａのシール幅Ｗｂよりも小さく設定される（Ｗａ＜Ｗｂ）。
In the same cross section in the stacking direction, the
すなわち、互いに異なる高さＨ１ａ、Ｈ２ａに設定される凸状シール部４２ａ、４４ａは、圧縮率（ε）を同一にして各シール幅Ｗａ、Ｗｂを変更することにより、シール線圧（σ）を同一に設定している（図５参照）。ここで、シール線圧とは、シールの単位長さ当たりの圧縮荷重をいう。
In other words, the
シール幅Ｗａとは、図４に示すように、第１シール部材３８のシール断面において、ベース部分（平坦部分）３８ａから突出する凸状シール部（シール部位）４２ａの重心点Ｇａからセパレータ面方向（矢印Ｂ方向及び／又は矢印Ｃ方向）に沿って設けられた仮想線と前記凸状シール部４２ａの表面との交点を繋ぐ幅寸法をいう。また、シール幅Ｗａとは、第１シール部材３８のシール断面において、ベース部分３８ａから突出する凸状シール部４２ａの表面形状の曲率の変化点を繋ぐ幅寸法をもいう。
As shown in FIG. 4, the seal width Wa refers to the separator surface direction from the center of gravity Ga of the convex seal portion (seal portion) 42 a protruding from the base portion (flat portion) 38 a in the seal cross section of the
シール幅Ｗｂとは、図４に示すように、第２シール部材４０のシール断面において、ベース部分（平坦部分）４０ａから突出する凸状シール部（シール部位）４４ａの重心点Ｇｂからセパレータ面方向（矢印Ｂ方向及び／又は矢印Ｃ方向）に沿って設けられた仮想線と前記凸状シール部４４ａの表面との交点を繋ぐ幅寸法をいう。また、シール幅Ｗｂとは、第２シール部材４０のシール断面において、ベース部分４０ａから突出する凸状シール部４４ａの表面形状の曲率の変化点を繋ぐ幅寸法をもいう。
As shown in FIG. 4, the seal width Wb refers to the separator surface direction from the center of gravity Gb of the convex seal part (seal part) 44 a protruding from the base part (flat part) 40 a in the seal cross section of the
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２８ａには、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
酸化剤ガス入口連通孔２６ａに供給された酸化剤ガスは、図３に示すように、第１金属セパレータ１６に設けられている入口流路３３ａを通って酸化剤ガス流路３２に供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動した後、出口流路３３ｂから酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに排出される（図２参照）。
The oxidant gas supplied to the oxidant gas
燃料ガス入口連通孔３０ａに供給された燃料ガスは、図１に示すように、第２金属セパレータ１８に設けられている入口流路３５ａを通って燃料ガス流路３４に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動した後、出口流路３５ｂから燃料ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
As shown in FIG. 1, the fuel gas supplied to the fuel gas
これにより、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
Thereby, in the electrolyte membrane /
また、冷却媒体入口連通孔２８ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１６と第２金属セパレータ１８との間に形成される冷却媒体流路３６に導入される。このため、冷却媒体は、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８ｂに排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、シール高さＨ１は、シール高さＨ２よりも低く設定されるとともに、積層方向の同一断面では、第１シール部材３８の凸状シール部４２ａと第２シール部材４０の凸状シール部４４ａとが、同一の弾性率に設定されている。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the seal height H1 is set lower than the seal height H2, and the convex shape of the
従って、互いに異なる高さＨ１ａ、Ｈ２ａに設定される凸状シール部４２ａ、４４ａは、圧縮率を同一にして各シール幅Ｗａ、Ｗｂを変更することにより、シール線圧を同一に設定している（図４及び図５参照）。このため、第１シール部材３８及び第２シール部材４０は、シール高さＨ１、Ｈ２が互いに異なっても、簡単な構成で、特に高さの高い凸状シール部４４ａにシール割れやシール変形等が惹起することを、可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。
Accordingly, the
なお、凸状シール部４２ａ、４４ａは、種々の形状に設定可能である。例えば、図６に示すように、断面略蒲鉾形状の凸状シール部５０や、図７に示すように、断面略三角形状の凸状シール部５２や、図８に示すように、断面略円形状の凸状シール部５４や、図９に示すように、断面略長方形状の凸状シール部５６や、図１０に示すように、断面略台形状の凸状シール部５８等が採用可能である。
The
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０を構成する発電ユニット６２の要部分解斜視説明図である。
FIG. 11 is an exploded perspective view of a main part of the
なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
The same components as those of the
発電ユニット６２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）６４を第１金属セパレータ６６及び第２金属セパレータ６８で挟持する。電解質膜・電極構造体６４は、第１金属セパレータ６６及び第２金属セパレータ６８と略同一寸法に設定された固体高分子電解質膜２０ａの両面に、それぞれ略同一寸法のカソード側電極２２ａ及びアノード側電極２４ａが設けられる。
The
第１金属セパレータ６６に設けられる酸化剤ガス流路３２は、第２金属セパレータ６８に設けられる燃料ガス流路３４よりも開口断面積が大きく設定される。具体的には、図１２に示すように、酸化剤ガス流路３２の流路深さＤ１は、燃料ガス流路３４の流路深さＤ２よりも深く設定される（Ｄ１＞Ｄ２）。
The oxidant
第１金属セパレータ６６の面６６ａ、６６ｂには、この第１金属セパレータ６６の外周端縁部を周回して第１シール部材７０が一体成形される。第２金属セパレータ６８の面６８ａ、６８ｂには、この第２金属セパレータ６８の外周端縁部を周回して第２シール部材７２が一体成形される。
A
図１２に示すように、第１シール部材７０は、固体高分子電解質膜２０ａ側に突出する凸状シール部７４、７４ａを有する一方、第２シール部材７２は、前記固体高分子電解質膜２０ａ側に突出する凸状シール部７６、７６ａを有する。
As shown in FIG. 12, the
第１金属セパレータ６６（第１の金属セパレータ）と、前記第１金属セパレータ６６の一方の面６６ａに隣接する第２金属セパレータ（第２の金属セパレータ）６８との積層方向のシール高さＨ３は、前記第１金属セパレータ６６と、該第１金属セパレータ６６の他方の面６６ｂに隣接する前記第２金属セパレータ（第３の金属セパレータ）６８との前記積層方向のシール高さＨ４よりも高く設定される（Ｈ３＞Ｈ４）。
The seal height H3 in the stacking direction between the first metal separator 66 (first metal separator) and the second metal separator (second metal separator) 68 adjacent to one
積層方向の同一断面では、第１シール部材７０と第２シール部材７２とが同一の弾性率に設定される。具体的には、第１シール部材７０の最外周の凸状シール部７４ａのシール幅Ｗｃは、第２シール部材７２の最外周の凸状シール部７６ａのシール幅Ｗｄよりも大きく設定される（Ｗｄ＜Ｗｃ）。
In the same cross section in the stacking direction, the
このように構成される第２の実施形態では、シール高さＨ４は、シール高さＨ３よりも低く設定されるとともに、シール幅Ｗｄは、シール幅Ｗｃよりも小さく設定されている。このため、積層方向の同一断面では、第１シール部材７０の凸状シール部７４ａと第２シール部材７２の凸状シール部７６ａとが、同一の弾性率に設定されている。従って、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
In the second embodiment configured as described above, the seal height H4 is set lower than the seal height H3, and the seal width Wd is set smaller than the seal width Wc. Therefore, in the same cross section in the stacking direction, the
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック８０を構成する発電ユニット８２の要部分解斜視説明図である。
FIG. 13 is an exploded perspective view of the main part of the
発電ユニット８２は、図１３及び図１４に示すように、第１金属セパレータ８４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）８６ａ、第２金属セパレータ８８、第２電解質膜・電極構造体８６ｂ及び第３金属セパレータ９０を設ける。
As shown in FIGS. 13 and 14, the
図１３に示すように、発電ユニット８２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａが設けられる。
As shown in FIG. 13, the upper end edge (in the direction of arrow C) in the long side direction of the
発電ユニット８２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが設けられる。
In order to discharge the oxidant gas, the fuel gas
発電ユニット８２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔２８ａが設けられるとともに、前記発電ユニット８２の短辺方向の両端縁部下方には前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔２８ｂが設けられる。
A pair of cooling medium
第１金属セパレータ８４の第１電解質膜・電極構造体８６ａに向かう面８４ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。第１金属セパレータ８４の面８４ｂには、冷却媒体入口連通孔２８ａと冷却媒体出口連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路３６の一部が形成される。
A fuel
第２金属セパレータ８８の第１電解質膜・電極構造体８６ａに向かう面８８ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとを連通する酸化剤ガス流路３２が形成される。第２金属セパレータ８８の第２電解質膜・電極構造体８６ｂに向かう面８８ｂには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。
An oxidant
第３金属セパレータ９０の第２電解質膜・電極構造体８６ｂに向かう面９０ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとを連通する酸化剤ガス流路３２が形成される。第３金属セパレータ９０の面９０ｂには、冷却媒体流路３６の一部が形成される。
An oxidant
図１３及び図１４に示すように、第１金属セパレータ８４の面８４ａ、８４ｂには、この第１金属セパレータ８４の外周端縁部を周回して第１シール部材９２が一体成形される。第２金属セパレータ８８の面８８ａ、８８ｂには、この第２金属セパレータ８８の外周端縁部を周回して第２シール部材９４が一体成形されるとともに、第３金属セパレータ９０の面９０ａ、９０ｂには、この第３金属セパレータ９０の外周端縁部を周回して第３シール部材９６が一体成形される。
As shown in FIGS. 13 and 14, the
第１金属セパレータ８４は、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス流路３４とを連通する複数の外側供給孔部９８ａ及び内側供給孔部９８ｂと、燃料ガス出口連通孔３０ｂと前記燃料ガス流路３４とを連通する複数の外側排出孔部１００ａ及び内側排出孔部１００ｂとを有する。
The
第２金属セパレータ８８は、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス流路３４とを連通する複数の供給孔部１０２と、燃料ガス出口連通孔３０ｂと前記燃料ガス流路３４とを連通する複数の排出孔部１０４とを有する。
The
発電ユニット８２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット８２を構成する第１金属セパレータ８４と、他方の発電ユニット８２を構成する第３金属セパレータ９０との間には、冷却媒体流路３６が形成される。
When the
図１４及び図１５に示すように、第１シール部材９２は、面８４ｂ側に突出する凸状シール部１０６を有し、第２シール部材９４は、面８８ａ側に突出する凸状シール部１０８を有し、第３シール部材９６は、面９０ａ側に突出する凸状シール部１１０を有する。
As shown in FIGS. 14 and 15, the
第１金属セパレータ（第１の金属セパレータ）８４と、前記第１金属セパレータ８４の一方の面８４ｂに隣接する第３金属セパレータ（第２の金属セパレータ）９０との積層方向のシール高さＨ５は、前記第１金属セパレータ８４と、該第１金属セパレータ８４の他方の面８４ａに隣接する第２金属セパレータ（第３の金属セパレータ）８８との前記積層方向のシール高さＨ６と異なる高さに設定される。具体的には、シール高さＨ５は、シール高さＨ６よりも低く設定される（Ｈ５＜Ｈ６）。
The seal height H5 in the stacking direction between the first metal separator (first metal separator) 84 and the third metal separator (second metal separator) 90 adjacent to one
シール高さＨ６は、第２金属セパレータ８８と、前記第２金属セパレータ８８の他方の面８８ｂに隣接する第３金属セパレータ９０との積層方向のシール高さＨ７と異なる高さに設定される。具体的には、シール高さＨ６は、シール高さＨ７よりも低く設定される（Ｈ５＜Ｈ６＜Ｈ７）。
The seal height H6 is set to a height different from the seal height H7 in the stacking direction of the
積層方向の同一断面では、第１シール部材９２、第２シール部材９４及び第３シール部材９６が同一の弾性率に設定される。具体的には、図１５に示すように、第１シール部材９２の凸状シール部１０６の高さＨ５ａは、第２シール部材９４の凸状シール部１０８の高さＨ６ａよりも低く設定されるとともに、前記高さＨ６ａは、第３シール部材９６の凸状シール部１１０の高さＨ７ａよりも低く設定される（Ｈ５ａ＜Ｈ６ａ＜Ｈ７ａ）。
In the same cross section in the stacking direction, the
さらに、凸状シール部１０６のシール幅Ｗｅは、凸状シール部１０８のシール幅Ｗｆよりも小さく設定され、前記シール幅Ｗｆは、凸状シール部１１０のシール幅Ｗｇよりも小さく設定される（Ｗｅ＜Ｗｆ＜Ｗｇ）。
Furthermore, the seal width We of the
このように構成される燃料電池スタック８０の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図１３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第２金属セパレータ８８の酸化剤ガス流路３２及び第３金属セパレータ９０の酸化剤ガス流路３２に導入される。この酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路３２に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第１電解質膜・電極構造体８６ａ及び第２電解質膜・電極構造体８６ｂのカソード側電極２２に供給される。
First, as shown in FIG. 13, the oxidant gas is introduced into the oxidant
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａから外側供給孔部９８ａを通って第１金属セパレータ８４の面８４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部９８ｂから面８４ａ側に導入された後、燃料ガス流路３４に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体８６ａのアノード側電極２４に供給される。
On the other hand, the fuel gas moves from the fuel gas
また、燃料ガスは、供給孔部１０２を通って第２金属セパレータ８８の面８８ｂ側に移動する。このため、燃料ガスは、面８８ｂ側で燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体８６ｂのアノード側電極２４に供給される。
Further, the fuel gas moves to the
従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体８６ａ、８６ｂでは、カソード側電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
Accordingly, in the first and second electrolyte membrane /
次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体８６ａ、８６ｂの各カソード側電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the
第１電解質膜・電極構造体８６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部１００ｂを通って第１金属セパレータ８４の面８４ｂ側に導出される。面８４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部１００ａを通って、再度、面８４ａ側に移動し、燃料ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
The fuel gas supplied to and consumed by the
また、第２電解質膜・電極構造体８６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部１０４を通って面８８ａ側に移動する。この燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３０ｂに排出される。
Further, the fuel gas consumed by being supplied to the
一方、左右一対の冷却媒体入口連通孔２８ａに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット８２を構成する第１金属セパレータ８４と、他方の発電ユニット８２を構成する第３金属セパレータ９０との間に形成された冷却媒体流路３６に導入される。
On the other hand, the cooling medium supplied to the pair of left and right cooling medium inlet communication holes 28 a is between the
このため、各冷却媒体入口連通孔２８ａ、２８ａから冷却媒体流路３６に供給される冷却媒体は、矢印Ｂ方向に且つ互いに近接する方向に供給される。そして、互いに近接する冷却媒体は、冷却媒体流路３６の矢印Ｂ方向中央部側で衝突し、重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、発電ユニット８２の下部側両側部に振り分けて設けられている各冷却媒体出口連通孔２８ｂ、２８ｂに排出される。
For this reason, the cooling medium supplied from the respective cooling medium
この場合、第３の実施形態では、図１４に示すように、シール高さＨ５は、シール高さＨ６よりも低く設定されるとともに、前記シール高さＨ６は、シール高さＨ７よりも低く設定されている（Ｈ５＜Ｈ６＜Ｈ７）。 In this case, in the third embodiment, as shown in FIG. 14, the seal height H5 is set lower than the seal height H6, and the seal height H6 is set lower than the seal height H7. (H5 <H6 <H7).
さらに、図１５に示すように、凸状シール部１０６のシール幅Ｗｅは、凸状シール部１０８のシール幅Ｗｆよりも小さく設定され、前記シール幅Ｗｆは、凸状シール部１１０のシール幅Ｗｇよりも小さく設定されている（Ｗｅ＜Ｗｆ＜Ｗｇ）。
Further, as shown in FIG. 15, the seal width We of the
このため、積層方向の同一断面では、第１シール部材９２の凸状シール部１０６、第２シール部材９４の凸状シール部１０８及び第３シール部材９６の凸状シール部１１０は、同一の弾性率に設定されている。従って、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, in the same cross section in the stacking direction, the
１０、６０、８０…燃料電池スタック １２、６２、８２…発電ユニット
１４、６４、８６ａ、８６ｂ…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６６、６８、８４、８８、９０…金属セパレータ
２０、２０ａ…固体高分子電解質膜 ２２、２２ａ…カソード側電極
２４、２４ａ…アノード側電極 ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路 ３６…冷却媒体流路
３８、４０、７０、７２、９２、９４、９６…シール部材
４２、４２ａ、４４、４４ａ、５０、５２、５４、５６、５８、７４、７４ａ、７６、７６ａ、１０６、１０８、１１０…凸状シール部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
第１の前記セパレータと、第１の前記セパレータの一方の面側に配置される第２の前記セパレータとの間に設けられる第１のシール部材の積層方向のシール高さは、第１の前記セパレータと、第１の前記セパレータの他方の面側に配置される第３の前記セパレータとの間に設けられる第２のシール部材の前記積層方向のシール高さよりも低く設定されるとともに、
前記第１のシール部材の重心点からセパレータ面方向に且つシール幅方向に沿って設けられた仮想線と前記第１のシール部材の両側表面との交点を繋ぐ幅寸法は、前記第２のシール部材の重心点からセパレータ面方向に且つシール幅方向に沿って設けられた仮想線と前記第２のシール部材の両側表面との交点を繋ぐ幅寸法よりも小さく設定されることにより、前記第１のシール部材のシール線圧と、前記第２のシール部材のシール線圧とは、同一に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 An electrolyte / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the electrolyte and a separator are stacked, and the separator is a fuel cell stack provided with a seal member,
The seal height in the stacking direction of the first seal member provided between the first separator and the second separator disposed on one surface side of the first separator is the first The second sealing member provided between the separator and the third separator disposed on the other surface side of the first separator is set lower than the sealing height in the stacking direction;
The width dimension connecting the intersection of the imaginary line provided in the separator surface direction and along the seal width direction from the center of gravity of the first seal member and the both side surfaces of the first seal member is the second seal. By setting the first dimension smaller than the width dimension connecting the intersection between the imaginary line provided in the separator surface direction and along the seal width direction from the center of gravity of the member and the both side surfaces of the second seal member, a sealing line pressure of the sealing member, said the seal line pressure of the second seal member, the fuel cell stack, characterized in that it is set to the same.
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