JP5688682B2 - Fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、例えば固体高分子型の燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell stack, for example.

この種の燃料電池スタックとして特許文献1に開示されたものがある。
特許文献1に開示されている燃料電池スタックは、膜電極接合体を有する単セル(セルユニット)を複数積層したものであり、その膜電極接合体の外周に沿って形成され、電気絶縁性を有する絶縁部材と、隣接する単セルにおいて前記絶縁部材同士を接合する接着部材とを備えている。
上記膜電極接合体は、白金等の合金からなる電極触媒層と、フッ素樹脂等からなる撥水層と、カーボンクロス等からなるガス拡散層とを積層した構成になっている。
One such fuel cell stack is disclosed in Patent Document 1.
The fuel cell stack disclosed in Patent Document 1 is formed by laminating a plurality of single cells (cell units) having a membrane electrode assembly, formed along the outer periphery of the membrane electrode assembly, and having an electrical insulation property. And an adhesive member that joins the insulating members to each other in adjacent single cells.
The membrane electrode assembly has a structure in which an electrode catalyst layer made of an alloy such as platinum, a water repellent layer made of fluororesin, and the like, and a gas diffusion layer made of carbon cloth or the like are laminated.

特開2010−123377号公報JP 2010-123377 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の燃料電池スタックは、膜電極接合体のガス拡散層をなす基材の反力や接着剤の硬化、従ってまた、それらの線膨張係数差に起因する残留応力によって、積層方向での膨張変形が接着部材に生ずる応力を高めてしまう結果、その接着部材が破損してシール性が損なわれる虞があるという課題が未解決のままである。   However, the fuel cell stack described in Patent Document 1 is caused by the reaction force of the base material that forms the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly, the curing of the adhesive, and the residual stress resulting from the difference in the linear expansion coefficient thereof. As a result of the expansion deformation in the stacking direction increasing the stress generated in the adhesive member, the problem that the adhesive member may be damaged and the sealing performance may be impaired remains unsolved.

そこで本発明は、燃料電池スタックをなすセルユニット(単セル)が積層方向において膨張変形したときにも、シール性を損なうことがない燃料電池スタックの提供を目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack that does not impair the sealing performance even when a cell unit (single cell) constituting the fuel cell stack expands and deforms in the stacking direction.

上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池スタックは、一対のセパレータ間に、二種類の発電用ガスを流接させることにより発電する膜電極接合体を配設したセルフレームを介設したセルユニットを積層したものであり、そのセルユニットの積層方向における膨張に伴って弾性変形する接着剤によるシール層を、各セルユニットのセルフレームと両セパレータ間に、膜電極接合体から離隔させて形成している。
この構成によれば、燃料電池スタックをなすセルユニット(単セル)が積層方向において膨張変形したときにも、その変形に従ってシール層が弾性変形し、シール性を損なうことがない。
In order to solve the above problems, a fuel cell stack according to the present invention includes a cell frame in which a membrane electrode assembly that generates power by flowing two types of power generation gas in flow contact is interposed between a pair of separators. Cell unit is laminated, and a seal layer made of an adhesive that elastically deforms as the cell unit expands in the stacking direction is separated from the membrane electrode assembly between the cell frame and both separators of each cell unit. Forming.
According to this configuration, even when the cell unit (single cell) constituting the fuel cell stack is expanded and deformed in the stacking direction, the seal layer is elastically deformed according to the deformation, and the sealing performance is not impaired.

本発明によれば、燃料電池スタックをなすセルユニット(単セル)が積層方向において膨張変形したときにも、シール性を損なうことを防止できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even when the cell unit (single cell) which comprises a fuel cell stack expands and deforms in the lamination direction, it can prevent impairing sealing performance.

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの概略外観斜視図である。1 is a schematic external perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 同上の燃料電池スタックの一部をなすセルフレームの平面図である。It is a top view of the cell frame which makes a part of fuel cell stack same as the above. 図2に示すII‐II線に沿う部分拡大断面図である。FIG. 3 is a partial enlarged cross-sectional view taken along line II-II shown in FIG. 2. 図2に示すI‐I線に沿う部分拡大断面図である。FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view taken along line II shown in FIG. 2. 図2に示す包囲線III‐IIIで示す部分の拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of a portion indicated by a surrounding line III-III shown in FIG. 2. 同上の燃料電池スタック燃料電池スタックをなすモジュールの部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the module which makes a fuel cell stack fuel cell stack same as the above. 隣り合うセルユニット間に形成したシール層の変形例を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a modification of a seal layer formed between adjacent cell units.

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池スタックの概略外観斜視図、図2は、その燃料電池スタックの一部をなすセルフレームの平面図、図3は、図2に示すII‐II線に沿う部分拡大断面図、図4は、図2に示すI‐I線に沿う部分拡大断面図、図5は、図2に示す包囲線III‐IIIで示す部分の拡大図である。   EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated with reference to drawings. 1 is a schematic external perspective view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of a cell frame forming a part of the fuel cell stack, and FIG. 3 is shown in FIG. FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view taken along line II-II, FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view taken along line II shown in FIG. 2, and FIG. 5 is an enlarged view of the part indicated by encircled line III-III shown in FIG. is there.

燃料電池スタックA1は、図1に示すように、複数のセルユニット(単セル)Uを一対のエンドプレート10,11間に積層させ、かつ、それらのエンドプレート10,11により、それらセルユニットUどうしを挟圧した構成のものである。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack A <b> 1 includes a plurality of cell units (single cells) U stacked between a pair of end plates 10, 11, and the cell units U by the end plates 10, 11. It is the thing of the structure which pinched mutually.

セルユニットUは、一対のセパレータ15,15間に、それぞれ発電用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成するようにしてセルフレーム20を介設したものである。
「発電用ガス」は、水素含有ガスと酸素含有ガスである。
The cell unit U has a cell frame 20 interposed between the pair of separators 15 and 15 so as to partition and form a gas flow passage for flowing power generation gas.
“Power generation gas” is a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas.

セルフレーム20は樹脂製のものであり、本実施形態においては、セルユニットUの積層方向αから見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚にして形成された基板21の全周囲にわたり鍔部22を形成したものである。
鍔部22は、所要の幅と高さにした断面縦長方形のものである。
基板21の中央部分には、膜電極接合体30が配置されている。
The cell frame 20 is made of resin. In the present embodiment, the entire substrate 21 formed in a lateral rectangle and a substantially constant plate thickness in a front view as viewed from the stacking direction α of the cell units U is used. A flange 22 is formed around the periphery.
The eaves portion 22 has a vertical rectangular cross section with a required width and height.
A membrane electrode assembly 30 is disposed in the central portion of the substrate 21.

膜電極接合体30は、MEA(Membrane Electrode Assembly)とも呼称されるものであり、例えば固体高分子から成る電解質膜31を、一対の電極32,33により挟持した構造を有している。
電極32,33は、電解質膜31側から、白金等の合金からなる電極触媒層と、フッ素樹脂等からなる撥水層と、カーボンクロス等からなるガス拡散層とを積層したものである。
The membrane electrode assembly 30 is also referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly), and has a structure in which an electrolyte membrane 31 made of, for example, a solid polymer is sandwiched between a pair of electrodes 32 and 33.
The electrodes 32 and 33 are formed by laminating an electrode catalyst layer made of an alloy such as platinum, a water repellent layer made of fluorine resin, and a gas diffusion layer made of carbon cloth or the like from the electrolyte membrane 31 side.

上記膜電極接合体30の両側部には、図2に示すように、水素含有ガス又は酸素含有ガスの排出を行うためのマニホールド部M,Mと、各マニホールド部Mから膜電極接合体30に至る水素含有ガス又は酸素含有ガスの流通領域であるディフューザ部D,Dとが形成されている。   As shown in FIG. 2, manifold parts M and M for discharging a hydrogen-containing gas or an oxygen-containing gas are provided on both sides of the membrane electrode assembly 30, and from each manifold part M to the membrane electrode assembly 30. Diffuser portions D and D, which are the flow regions of the hydrogen-containing gas or oxygen-containing gas, are formed.

一側部のマニホールド部Mはマニホールド孔H1〜H3からなる。
それらマニホールド孔H1〜H3は、酸素含有ガス供給用(H1)、冷却流体供給用(H2)及び水素含有ガス供給用(H3)のものであり、積層方向αにそれぞれの流路をなしている。
The manifold portion M on one side includes manifold holes H1 to H3.
These manifold holes H1 to H3 are for oxygen-containing gas supply (H1), cooling fluid supply (H2), and hydrogen-containing gas supply (H3), and form respective flow paths in the stacking direction α. .

他方のマニホールド部Mはマニホールド孔H4〜H6からなる。
各マニホールド孔H4〜H6は、水素含有ガス排出用(H4)、冷却流体排出用(H5)及び酸素含有ガス排出用(H6)のものであり、積層方向αにそれぞれの流路をなしている。なお、供給用と排出用は一部又は全部が逆の位置関係でもよい。
The other manifold part M consists of manifold holes H4 to H6.
The manifold holes H4 to H6 are for hydrogen-containing gas discharge (H4), cooling fluid discharge (H5), and oxygen-containing gas discharge (H6), and form respective flow paths in the stacking direction α. . The supply and discharge may be partially or entirely in a reverse positional relationship.

ディフューザ部Dは、セルフレーム20とセパレータ15,15との各間、すなわち、セルフレーム20の両面側にそれぞれ形成されており、互いに同形同大の円錐台形にした突起9が所要の間隔にしてそれぞれ複数配設されている。   The diffuser portion D is formed between each of the cell frame 20 and the separators 15 and 15, that is, on both sides of the cell frame 20. A plurality of each is arranged.

セパレータ15,15は、それぞれステンレス等の金属板をプレス成形したものであり、上記セルフレーム20の鍔部22の内側領域に配設できる大きさの横長方形にして形成されている。
このセパレータ15は、上記した膜電極接合体30に対向する中央部分が、長手方向に連続した凹凸部16,17が形成されているとともに、両端部に、セルフレーム20の各マニホールド孔H1〜H6と同形同大のマニホールド孔((図示しない))が互いに対向して形成されている。
また、上記セパレータ15の両側部(長辺縁部)には、凸部17をセルフレーム20の基板21に当接したときに、その当接面21a,21bとの間に所要の間隔t1が形成されるように一定の幅にした接着用片18,18(一方は図示していない)が両端部間にわたり曲成されている。
Each of the separators 15 and 15 is formed by press-molding a metal plate such as stainless steel, and is formed in a horizontal rectangle having a size that can be disposed in the inner region of the flange portion 22 of the cell frame 20.
As for this separator 15, the uneven | corrugated | grooved parts 16 and 17 which the center part facing the above-mentioned membrane electrode assembly 30 continued in the longitudinal direction are formed, and each manifold hole H1-H6 of the cell frame 20 is formed in both ends. And manifold holes (not shown) of the same shape and size are formed to face each other.
Further, on both side portions (long side edge portions) of the separator 15, when the convex portion 17 is brought into contact with the substrate 21 of the cell frame 20, a required interval t <b> 1 is formed between the contact surfaces 21 a and 21 b. Adhesive strips 18 and 18 (one not shown) having a constant width so as to be formed are bent between both ends.

これにより、セパレータ15,15は、膜電極接合体30に対向する凹凸部16,17では、各凸部17が膜電極接合体30に接触するとともに、各凹部16が水素含有ガス(酸素含有ガス)の流路を区画形成している。
また、隣接するセルユニットU,Uの対向当接する凸部17,17で囲繞形成される空間が冷却媒体(水)の流路となっている。
As a result, in the separators 15 and 15, in the concave and convex portions 16 and 17 facing the membrane electrode assembly 30, each convex portion 17 contacts the membrane electrode assembly 30, and each concave portion 16 becomes a hydrogen-containing gas (oxygen-containing gas). ) Is formed as a compartment.
In addition, a space surrounded by the convex portions 17 and 17 that abut the adjacent cell units U and U face each other serves as a flow path for the cooling medium (water).

本実施形態においては、図2に示すように、上記セパレータ15,15とセルフレーム20との間であって点線で示す輪郭線部分には、接着剤による通常のシール層S1が形成されている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, a normal seal layer S <b> 1 made of an adhesive is formed between the separators 15, 15 and the cell frame 20, and in a contour line portion indicated by a dotted line. .

また、上記セパレータ15,15の両接着用片18とセルフレーム20との間であって、一点鎖線で示す輪郭線部分には、セルユニットUの積層方向αにおける膨張変形に伴う応力を吸収する厚みにした接着剤からなる膨張用接着剤シール層S2が上記した膜電極接合体30から離隔させて形成している。膨張用接着剤シール層S2はセパレータ15の両接着用片18の端よりさらに外側にはみ出して形成されている。   Further, between the two adhesive pieces 18 of the separators 15 and 15 and the cell frame 20, a contour line portion indicated by a one-dot chain line absorbs stress accompanying expansion deformation in the stacking direction α of the cell units U. An expansion adhesive seal layer S2 made of a thick adhesive is formed separately from the membrane electrode assembly 30 described above. The expansion adhesive seal layer S2 is formed so as to protrude further outward from the ends of the two adhesive pieces 18 of the separator 15.

「一点鎖線で示す輪郭線部分」は、換言すると、膜電極接合体30の長辺に沿う長さ部分であり、図2において範囲Lで示している。
また、本実施形態において示すシール層S1は、膜電極接合体30の側縁部とディフューザ部Dの側縁部との境界において、鍔部22の内方寄りに偏移させている。
In other words, the “contour line portion indicated by a one-dot chain line” is a length portion along the long side of the membrane electrode assembly 30 and is indicated by a range L in FIG.
Further, the seal layer S1 shown in the present embodiment is shifted inward of the flange portion 22 at the boundary between the side edge portion of the membrane electrode assembly 30 and the side edge portion of the diffuser portion D.

隣接するセルユニットU,Uのセルフレーム20,20の鍔部22,22間には、これらの対向端面22a,22b間に接着剤によるシール層S3、当接するセパレータ15,15の凹部16間にシール層S4、また、対向当接する接着用片18,18間にシール層S5がそれぞれ形成されている。   Between the flanges 22 and 22 of the cell frames 20 and 20 of the adjacent cell units U and U, between the opposed end surfaces 22a and 22b, an adhesive seal layer S3, and between the recesses 16 of the separators 15 and 15 that contact each other. A seal layer S4 and a seal layer S5 are formed between the adhesive pieces 18 and 18 that are opposed to each other.

本実施形態に係る燃料電池スタックによれば、次の効果を得ることができる。
・燃料電池スタックをなすセルユニット(単セル)が積層方向において膨張変形したときにも、シール性を損なうことがない。
・一点鎖線で示す輪郭線部分のみに上記した膨張用接着剤シール層S2を形成することにより、ガス拡散層の反力による膨張をより効果的に抑制することができるとともに接着剤の使用量を減少させることができる。
・膨張用接着剤シール層S2がセパレータ15の両接着用片18の端よりさらに外側にはみ出して形成されているので、膨張用接着剤シール層S2による応力吸収効果をさらに高めることができる。
According to the fuel cell stack according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
-Even when the cell unit (single cell) forming the fuel cell stack expands and deforms in the stacking direction, the sealing performance is not impaired.
-By forming the above-mentioned expansion adhesive seal layer S2 only in the contour line portion indicated by the alternate long and short dash line, expansion due to the reaction force of the gas diffusion layer can be more effectively suppressed and the amount of adhesive used can be reduced. Can be reduced.
Since the expansion adhesive seal layer S2 is formed so as to protrude further outward than the ends of the two adhesive pieces 18 of the separator 15, the stress absorption effect by the expansion adhesive seal layer S2 can be further enhanced.

図6は、第二の実施形態に係る燃料電池スタックをなすモジュールの部分断面図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
第二の実施形態に係る燃料電池スタックA2は、上記した複数のセルユニットUどうしを一体化してモジュール化するとともに、積層するモジュール40どうしをシール材50を介して積層させている。
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a module constituting the fuel cell stack according to the second embodiment. In addition, about the thing equivalent to what was demonstrated in embodiment mentioned above, the code | symbol same as them is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
In the fuel cell stack A2 according to the second embodiment, the plurality of cell units U are integrated to form a module, and the modules 40 to be stacked are stacked via the seal material 50.

このようにモジュール40においては、最も外側に配設したセルユニットU1,U11間に配置されている全部のセルユニットU2〜U10に上記膨張用接着剤シール層S2を形成している。
この場合、最も外側に配設したセルユニットU1,U11には、セルフレーム20とセパレータ15の凸部17との間に通常のシール層S5を形成する。
Thus, in the module 40, the expansion adhesive seal layer S2 is formed on all the cell units U2 to U10 disposed between the cell units U1 and U11 disposed on the outermost side.
In this case, a normal seal layer S5 is formed between the cell frame 20 and the convex portion 17 of the separator 15 in the cell units U1 and U11 arranged on the outermost side.

なお、図6に示すモジュール40は、十一枚のセルユニットU1〜U11からなるものを例示しているが、これに限るものではなく、モジュールをなすセルユニットUの枚数を適宜増減できることは勿論である。   Note that the module 40 shown in FIG. 6 is illustrated as having 11 cell units U1 to U11, but is not limited thereto, and of course the number of cell units U forming the module can be appropriately increased or decreased. It is.

これにより、例えばいずれかのモジュール40に含まれるセルユニットUに故障が生じたときにも、そのモジュール40だけを交換することで対処できるようになる。   Thereby, for example, even when a failure occurs in the cell unit U included in any one of the modules 40, it is possible to cope with the problem by replacing only the module 40.

上記した実施形態においては、膨張用接着剤シール層S2を所要の厚みt1とすることにより、セルユニットU(モジュール40)の膨張変形に伴って生じる応力の変動に弾性的に追従させることができる。   In the above-described embodiment, by setting the expansion adhesive seal layer S2 to the required thickness t1, it is possible to elastically follow the fluctuations in stress caused by the expansion deformation of the cell unit U (module 40). .

図7は、第三の実施形態に係る燃料電池スタックの部分断面図である。なお、本実施形態においても、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。   FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the fuel cell stack according to the third embodiment. In the present embodiment, the same components as those described in the above-described embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

第三の実施形態に係る燃料電池スタックA3は、複数のセルユニット(単セル)UAを図示しない一対のエンドプレート間に積層させ、かつ、それらのエンドプレートにより、それらセルユニットUAどうしを挟圧している点で上記した燃料電池スタックA1と同等のものである。   In the fuel cell stack A3 according to the third embodiment, a plurality of cell units (single cells) UA are stacked between a pair of end plates (not shown), and the cell units UA are clamped by the end plates. Is equivalent to the fuel cell stack A1 described above.

本実施形態において示すセルユニット(単セル)UAは、上記したセルフレーム20とは異なるセルフレーム20Aを採用している。
セルフレーム20Aは上記したものと同じく樹脂製のものであり、本実施形態においては、セルユニットUAの積層方向αから見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚にして形成されている。すなわち、上記した鍔部22を外周縁部に形成していないものである。
The cell unit (single cell) UA shown in the present embodiment employs a cell frame 20A different from the cell frame 20 described above.
The cell frame 20A is made of resin as described above. In the present embodiment, the cell frame 20A is formed in a lateral rectangle when viewed from the stacking direction α of the cell unit UA and has a substantially constant plate thickness. ing. That is, the above-described collar portion 22 is not formed on the outer peripheral edge portion.

上記した構成からなるセルフレーム20Aを用いた場合、接着用片18と膨張用接着剤シール層S2を含むようにして、セルフレーム20A,20Aの外周縁部間にシール層S7を形成する。
これにより、シール層S6がセルユニットU,U間の防水壁として機能する。
When the cell frame 20A having the above-described configuration is used, the seal layer S7 is formed between the outer peripheral edges of the cell frames 20A and 20A so as to include the bonding piece 18 and the expansion adhesive seal layer S2.
Thereby, the seal layer S6 functions as a waterproof wall between the cell units U and U.

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上記した各実施形態においては、範囲Lで示す一点鎖線で示す輪郭線部分のみに膨張用接着剤シール層を径背した例について説明したが、両輪郭線部分双方に膨張用接着剤シール層を形成してもよいことは勿論である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the following modifications can be made.
In each of the above-described embodiments, the example in which the expansion adhesive seal layer is backed only on the contour line portion indicated by the alternate long and short dash line indicated by the range L has been described, but the expansion adhesive seal layer is formed on both the contour line portions. Of course, may be formed.

以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。   As described above in detail, in any case, each configuration described in each of the above embodiments is not limited to being applied only to each of the above embodiments, but the configuration described in one embodiment is replaced by another embodiment. It can be applied mutatis mutandis or applied to it, and it can be arbitrarily combined.

15 セパレータ
30 膜電極接合体
20 セルフレーム
40 燃料電池モジュール
A1〜A3 燃料電池スタック
S2 膨張用接着剤シール層
U,UA セルユニット
α 積層方向
15 Separator 30 Membrane electrode assembly 20 Cell frame 40 Fuel cell modules A1 to A3 Fuel cell stack S2 Expansion adhesive seal layer U, UA Cell unit α Stacking direction

Claims (2)

一対のセパレータ間に、二種類の発電用ガスを流接させることにより発電する膜電極接合体を配設したセルフレームを介設したセルユニットを積層している燃料電池スタックにおいて、
上記セルユニットの積層方向における膨張に伴って弾性変形する膨張用接着剤シール層を、各セルユニットのセルフレームと両セパレータ間に、膜電極接合体から離隔させて形成しており、膜電極接合体から離間した部位におけるシール層を薄く形成していることを特徴とする燃料電池スタック。
In a fuel cell stack in which a cell unit having a cell frame provided with a membrane electrode assembly in which a membrane electrode assembly that generates power by flowing two kinds of power generation gas in flow contact is paired between a pair of separators,
An expansion adhesive seal layer that is elastically deformed with expansion in the stacking direction of the cell units is formed between the cell frame of each cell unit and both separators so as to be separated from the membrane electrode assembly. A fuel cell stack, characterized in that a seal layer at a portion spaced from the body is thinly formed .
複数のセルユニットを一体化してなる燃料電池モジュールどうしを積層しているとともに、その燃料電池モジュールの最も外側に配設したセルユニット間に配置
されている各セルユニットに上記膨張用接着剤シール層を形成している請求項1に記載の燃料電池スタック。
The fuel cell modules formed by integrating a plurality of cell units are stacked, and the expansion adhesive seal layer is formed on each cell unit disposed between the cell units disposed on the outermost side of the fuel cell module. The fuel cell stack according to claim 1, wherein
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