JP5739215B2 - Fuel cell unit - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットに関する。 The present invention relates to a fuel cell unit in which a rectangular electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane and a frame-shaped resin frame is provided on an outer peripheral portion, and a rectangular separator are laminated. .
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、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、通常、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用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 sandwiched by separators. ing. This fuel cell is usually used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by being stacked in a predetermined number.
燃料電池では、通常、数十〜数百の燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成している。その際、燃料電池自体及び前記燃料電池同士を正確に位置決めする必要があり、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子電解質膜型燃料電池が知られている。 In a fuel cell, normally, several tens to several hundreds of fuel cells are stacked to constitute a fuel cell stack. At that time, it is necessary to accurately position the fuel cell itself and the fuel cells. For example, a solid polymer electrolyte membrane fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known.
この燃料電池は、図10に示すように、電解質層1Aの両面に、燃料電極1Bと酸化剤電極1Cが配設される燃料電池セル1を、セパレータ2A、2Bにより挟持して構成される単電池3を備えている。セパレータ2A及び2Bには、保持ピン挿入側保持孔4a及び止め輪挿入側保持孔4bが形成されるとともに、電解質層1Aには、これらに同軸的に孔部5が形成されている。
As shown in FIG. 10, this fuel cell has a structure in which a fuel cell 1 in which a
保持ピン6は、保持ピン挿入側保持孔4a、孔部5及び止め輪挿入側保持孔4bに向かって挿入されるとともに、先端部には、止め輪7が装着されることにより、単電池3が一体的に保持されている。
The
ところで、上記の単電池3では、セパレータ2A及び2Bに、それぞれ段付き形状の保持ピン挿入側保持孔4a及び止め輪挿入側保持孔4bが形成されている。従って、孔加工作業が相当に煩雑なものとなるとともに、部品点数が増大して製造コストが高騰するという問題がある。
Incidentally, in the
しかも、締結部材として、保持ピン6及び止め輪7が使用されているが、外部から衝撃荷重が付与された際、この衝撃荷重を確実に受け止めることができないおそれがある。このため、単電池3にせん断方向の荷重が付与されると、燃料電池セル1とセパレータ2A及び2Bとにせん断方向のずれが惹起し、シール性が低下するという問題がある。
Moreover, although the
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池ユニットを容易に位置決めして組み立て作業性を向上させるとともに、衝撃荷重を確実に保持することができ、シール性及び発電性を良好に確保することが可能な燃料電池ユニットを提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and with a simple and economical configuration, the fuel cell unit can be easily positioned to improve the assembly workability, and the impact load can be reliably held. An object of the present invention is to provide a fuel cell unit capable of ensuring good sealing performance and power generation performance.
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設け、外周部に額縁状樹脂枠が設けられた長方形状の電解質膜・電極構造体と、長方形状のセパレータとが積層される燃料電池ユニットに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell unit in which a rectangular electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane and a frame-shaped resin frame is provided on an outer peripheral portion, and a rectangular separator are laminated. Is.
この燃料電池ユニットでは、額縁状樹脂枠には、該額縁状樹脂枠とは別の部材であるシール部材が一体で設けられ、少なくとも1つの電解質膜・電極構造体は、前記額縁状樹脂枠の互いに対向する2つの長辺に、それぞれ複数の樹脂製凸状部が前記シール部材とは異なる材料で設けられる一方、セパレータを含む他の構成部材には、前記樹脂製凸状部が挿入される孔部が形成されている。 In this fuel cell unit, the frame-shaped resin frame is integrally provided with a seal member which is a member different from the frame-shaped resin frame, and at least one electrolyte membrane / electrode structure is formed of the frame-shaped resin frame. A plurality of resin convex portions are provided on two long sides facing each other with a material different from that of the seal member, while the resin convex portions are inserted into other constituent members including a separator. A hole is formed.
そして、樹脂製凸状部は、孔部の内周面に隙間なく嵌合し且つ溶着処理により該樹脂製凸状部の先端が該孔部の外方で径方向外方に膨出して該孔部よりも大径に形成されることにより、少なくとも1つの電解質膜・電極構造体及び他の構成部材を一体に結合している。 Then, the resin convex portion is fitted to the inner peripheral surface of the hole portion without a gap, and the tip of the resin convex portion bulges outward in the radial direction outside the hole portion by the welding process. By forming a larger diameter than the hole, at least one electrolyte membrane / electrode structure and other constituent members are integrally coupled.
本発明に係る燃料電池ユニットでは、少なくとも1つの電解質膜・電極構造体の互いに対向する2つの長辺に、それぞれ複数の樹脂製凸状部が設けられている。各樹脂製凸状部は、他の構成部材に形成された各孔部の内周面に隙間なく一体に嵌合している。このため、長辺側から衝撃荷重が付与された際、電解質膜・電極構造体及びセパレータより前記衝撃荷重を確実に受けることができる。従って、各構成部材は、互いにせん断方向にずれることがなく、所望のシール性及び発電性を確保することが可能になる。 In the fuel cell unit according to the present invention, a plurality of resin convex portions are respectively provided on two long sides of the at least one electrolyte membrane / electrode structure facing each other. Each resin convex portion is integrally fitted to the inner peripheral surface of each hole formed in another constituent member without a gap. For this reason, when an impact load is applied from the long side, the impact load can be reliably received from the electrolyte membrane / electrode structure and the separator. Therefore, the respective constituent members do not shift in the shearing direction from each other, and it is possible to ensure desired sealing performance and power generation performance.
しかも、専用の締結部材を個別に構成する必要がなく、部品点数が有効に削減されるとともに、設備費を削減することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、電解質膜・電極構造体及びセパレータを有する燃料電池ユニットを、確実に位置決め保持するとともに、組み立て作業性を有効に向上させることが可能になる。 In addition, it is not necessary to individually configure a dedicated fastening member, the number of parts can be effectively reduced, and the equipment cost can be reduced. This makes it possible to reliably position and hold the fuel cell unit having the electrolyte membrane / electrode structure and the separator with a simple and economical configuration, and to effectively improve the assembly workability.
図1に示すように、燃料電池10は、本発明の実施形態に係る燃料電池ユニット12を備えるとともに、複数の前記燃料電池ユニット12が水平方向(矢印A方向)又は重力方向(矢印C方向)に積層されてスタックが構成される。
As shown in FIG. 1, a
燃料電池ユニット12は、第1電解質膜・電極構造体(MEA)14a、第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体(MEA)14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20の順に積層される。第1電解質膜・電極構造体14a、第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、それぞれ長方形状を有しており、例えば、横長形状に配置される。
The
第1セパレータ16、第2セパレータ18及び第3セパレータ20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金属板により構成される。第1セパレータ16、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。
The
第2セパレータ18の外周部と第3セパレータ20の外周部とは、溶接、接着、ロウ付け又はかしめ等の接合手段により接合され、内部である冷却媒体流路52(後述する)が気密に密閉される。なお、第1セパレータ16、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、金属セパレータに換えて、カーボンセパレータ等を使用してもよい。
The outer peripheral portion of the
第1電解質膜・電極構造体14a及び第2電解質膜・電極構造体14b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22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するアノード側電極24及びカソード側電極26とを備える(図2参照)。
The first electrolyte membrane /
アノード側電極24及びカソード側電極26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が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。
The
固体高分子電解質膜22は、アノード側電極24及びカソード側電極26よりも大きな表面積に設定される。この固体高分子電解質膜22の外周端縁部には、樹脂製の額縁部(額縁状樹脂枠)28が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
The solid
図1に示すように、額縁部28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30a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔34b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32bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas inlet communication hole for supplying an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas, communicates with each other in the arrow A direction at one end edge of the
額縁部28の矢印B方向の他端縁部には、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32a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔34a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30bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
第1セパレータ16、第2セパレータ18及び第3セパレータ20の外周部は、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔34a、燃料ガス出口連通孔32b、燃料ガス入口連通孔32a、冷却媒体出口連通孔34b及び酸化剤ガス出口連通孔30bの内側に配置される。
The outer peripheries of the
図1及び図3に示すように、第3セパレータ20の第1電解質膜・電極構造体14aに対向する面20aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第1酸化剤ガス流路36が形成される。第1酸化剤ガス流路36は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第1酸化剤ガス流路36の入口及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部38及び出口バッファ部40が設けられる。
As shown in FIGS. 1 and 3, an oxidant gas
第3セパレータ20の矢印B方向両端には、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bに対応して突出する突起部42a、42bが設けられる。突起部42aには、酸化剤ガス入口連通孔30aを第1酸化剤ガス流路36に連通する入口流路44aが波状に形成される一方、突起部42bには、酸化剤ガス出口連通孔30bを前記第1酸化剤ガス流路36に連通する出口流路44bが波状に形成される。
At both ends of the
第3セパレータ20の矢印C方向両端部には、矢印B方向に長尺形状を有して外方(矢印C方向)に突出する突出部46a、46bが形成される。突出部46aには、矢印B方向に沿って複数の孔部48aと複数のリビルトピン挿入用孔部50aとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
At both ends of the
なお、2つの孔部48aと1つのリビルトピン挿入用孔部50aとを交互に配列してもよい。以下に説明する各孔部も、同様である。突出部46bには、同様に、矢印B方向に沿って複数の孔部48bと複数のリビルトピン挿入用孔部50bとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
Two
第3セパレータ20の面20bには、冷却媒体入口連通孔34aと冷却媒体出口連通孔34bとを連通する冷却媒体流路52が形成される。この冷却媒体流路52は、第1酸化剤ガス流路36の裏面形状である。
A cooling
図4に示すように、第1セパレータ16の第1電解質膜・電極構造体14aに対向する面16aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第1燃料ガス流路54が形成される。第1燃料ガス流路54は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第1燃料ガス流路54の入口及び出口近傍には、入口バッファ部56及び出口バッファ部58が設けられる。
As shown in FIG. 4, the first fuel gas that communicates the fuel gas
第1セパレータ16の矢印B方向両端には、燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔32bに対応して突出する突起部58a、58bと、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bに対応して突出する突起部60a、60bとが設けられる。面16aにおいて、突起部58aには、燃料ガス入口連通孔32aを第1燃料ガス流路54に連通する入口流路62aが波状に形成される一方、突起部58bには、燃料ガス出口連通孔32bを前記第1燃料ガス流路54に連通する出口流路62bが波状に形成される。
At both ends of the
図1に示すように、第1セパレータ16の第1電解質膜・電極構造体14bに対向する面16bには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとを連通する第2酸化剤ガス流路64が形成される。第2酸化剤ガス流路64は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記第2酸化剤ガス流路64の入口及び出口近傍には、入口バッファ部66及び出口バッファ部68が設けられる。
As shown in FIG. 1, the
面16bにおいて、突起部60aには、酸化剤ガス入口連通孔30aを第2酸化剤ガス流路64に連通する入口流路70aに波状に形成される一方、突起部60bには、酸化剤ガス出口連通孔30bを前記第2酸化剤ガス流路64に連通する出口流路70bが波状に形成される。
On the
第1セパレータ16の矢印C方向両端部には、矢印B方向に長尺形状を有して外方(矢印C方向)に突出する外方に突出する突出部72a、72bが形成される。図4に示すように、突出部72aには、矢印B方向に沿って複数の孔部74aと複数のリビルトピン挿入用孔部76aとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。突出部72bには、同様に、矢印B方向に沿って複数の孔部74bと複数のリビルトピン挿入用孔部76bとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
At both ends in the arrow C direction of the
図5に示すように、第2セパレータ18の第2電解質膜・電極構造体14bに対向する面18aには、燃料ガス入口連通孔32aと燃料ガス出口連通孔32bとを連通する第2燃料ガス流路78が形成される。第2燃料ガス流路78は、矢印B方向に延在する複数の波状流路溝を有する。第2燃料ガス流路78の入口及び出口近傍には、入口バッファ部80及び出口バッファ部82が設けられる。
As shown in FIG. 5, the second fuel gas that connects the fuel gas
第2セパレータ18の矢印B方向両端には、燃料ガス入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔32bに対応して突出する突起部84a、84bと、冷却媒体入口連通孔34a及び冷却媒体出口連通孔34bに対応して突出する突起部86a、86bとが設けられる。
At both ends of the
面18aにおいて、突起部84aには、燃料ガス入口連通孔32aを第2燃料ガス流路78に連通する入口流路88aが波状に形成される一方、突起部84bには、燃料ガス出口連通孔32bを前記第2燃料ガス流路78に連通する出口流路88bが波状に形成される。
On the
図1に示すように、面18bにおいて、突起部86aには、冷却媒体入口連通孔34aを冷却媒体流路52に連通する入口流路90aが波状に形成される一方、突起部86bには、冷却媒体出口連通孔34bを前記冷却媒体流路52に連通する出口流路90bが波状に形成される。
As shown in FIG. 1, on the
面18bは、面18a側の第2燃料ガス流路78の裏面形状である。この面18bと第3セパレータ20の面20bとが重なり合うことにより、冷却媒体流路52が形成される。冷却媒体流路52の入口及び出口近傍には、入口バッファ部92及び出口バッファ部94が設けられる。
The
図1及び図5に示すように、第2セパレータ18の矢印C方向両端には、矢印B方向に長尺形状を有して外方(矢印C方向)に突出する突出部96a、96bが形成される。突出部96aには、矢印B方向に沿って複数の孔部98aと複数のリビルトピン挿入用孔部100aとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。突出部96bには、同様に、矢印B方向に沿って複数の孔部98bと複数のリビルトピン挿入用孔部100bとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
As shown in FIGS. 1 and 5,
図1に示すように、第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28には、第1シール部材102が一体成形される。第1シール部材102としては、例えば、EPDM、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、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。なお、以下に説明する第2シール部材114は、同様の材料が使用される。
As shown in FIG. 1, a
この第1シール部材102は、図2に示すように、第3セパレータ20側の面に、前記第3セパレータ20の外周縁部を周回して摺接する第1シール部102aを有する。
As shown in FIG. 2, the
図2及び図6に示すように、第1シール部材102の第1セパレータ16側の面には、前記第1セパレータ16の外周部縁部を周回して摺接する第2シール部102bと、前記第1セパレータ16の外周部外方に位置し、隣接する第2電解質膜・電極構造体14bの額縁部28に摺接する第3シール部102cとが設けられる。
As shown in FIGS. 2 and 6, the surface of the
図6に示すように、第3シール部102cは、第1電解質膜・電極構造体14aの矢印C方向両端側で、矢印B方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第3シール部102cの迂回部と第2シール部102bとの間には、複数の樹脂ピン部(樹脂製凸状部)104aと複数のリビルトピン挿入用孔部106aとが、例えば、1つずつ交互に設けられる。下方の第3シール部102cの迂回部と第2シール部102bとの間には、複数の樹脂ピン部(樹脂製凸状部)104bと複数のリビルトピン挿入用孔部106bとが、例えば、1つずつ交互に設けられる。
As shown in FIG. 6, the
第1電解質膜・電極構造体14aの長辺側にのみ樹脂ピン部104a、104bを設けることにより、前記樹脂ピン部104a、104bの数を多く設定することができるとともに、短辺側に酸化剤ガス入口連通孔30a、酸化剤ガス出口連通孔30b、燃料ガス入口連通孔32a、燃料ガス出口連通孔32b、冷却媒体入口連通孔34a及び冷却媒体出口連通孔34bを配置するためのスペースを確保することが可能になる。
By providing the
樹脂ピン部104a、104bは、第3シール部102cの迂回部と第2シール部102bとの間に位置して、すなわち、二重シール(リビルトピン挿入用孔部106a、106bの周囲をシールすることができるシール)の間に位置して設けられる。樹脂ピン部104a、104bは、額縁部28と一体成形されるとともに、第2電解質膜・電極構造体14b側に突出する(図1参照)。
The
第1電解膜・電極構造体14aの各長辺の両側には、樹脂製ガイド部材108aが額縁部28と一体成形される。なお、樹脂製ガイド部材108aは、額縁部28と別体に構成することもできる。樹脂製ガイド部材108aの外周端部110aには、前記外周端部110aから内方に離間する凹状の逃げ部112が形成される。
図2及び図7に示すように、第2電解質膜・電極構造体14bの額縁部28には、第2シール部材114が一体成形される。この第2シール部材114は、第2セパレータ18側の面に、前記第2セパレータ18の外周縁部を周回して周接する第1シール部114aと、前記第2セパレータ18の外周部外方に位置し、隣接する第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28に周接する第2シール部114bとを有する。
As shown in FIGS. 2 and 7, a
図7に示すように、第2シール部114bは、第2電解質膜・電極構造体14bの矢印C方向両端側で、矢印B方向に比較的広範囲にわたって、それぞれ外方に迂回するように形成される。上方の第2シール部114bの迂回部と第1シール部114aとの間には、複数の孔部116aと複数のリビルトピン挿入用孔部118aとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。下方の第2シール部114bの迂回部と第1シール部114aとの間には、複数の孔部116bと複数のリビルトピン挿入用孔部118bとが、例えば、1つずつ交互に貫通形成される。
As shown in FIG. 7, the
第1セパレータ16の孔部74a、第2電解質膜・電極構造体14bの孔部116a、第2セパレータ18の孔部98a及び第3セパレータ20の孔部48aは、同一直径で且つ同一個数に設定される。第1セパレータ16の孔部74b、第2電解質膜・電極構造体14bの孔部116b、第2セパレータ18の孔部98b及び第3セパレータ20の孔部48bは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
The
第1電解質膜・電極構造体14aのリビルトピン挿入用孔部106a、第1セパレータ16のリビルトピン挿入用孔部76a、第2電解質膜・電極構造体14bのリビルトピン挿入用孔部118a、第2セパレータ18のリビルトピン挿入用孔部100a及び第3セパレータ20のリビルトピン挿入用孔部50aは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
Rebuild
第1電解質膜・電極構造体14aのリビルトピン挿入用孔部106b、第1セパレータ16のリビルトピン挿入用孔部76b、第2電解質膜・電極構造体14bのリビルトピン挿入用孔部118b、第2セパレータ18のリビルトピン挿入用孔部100b及び第3セパレータ20のリビルトピン挿入用孔部50bは、同一直径で且つ同一個数に設定される。
Rebuild
図7に示すように、第2電解質膜・電極構造体14bの額縁部28には、樹脂製ガイド部材108bが一体成形される。樹脂製ガイド部材108bは、外周端部110bを設けるとともに、この外周端部110bは、第1電解質膜・電極構造体14aの樹脂製ガイド部材108aに設けられた逃げ部112から外方に露呈している(図6参照)。
As shown in FIG. 7, a
図8に示すように、第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28に設けられている複数の樹脂ピン部104aは、第1セパレータ16の孔部74a、第2電解質膜・電極構造体14bの孔部116a、第2セパレータ18の孔部98a及び第3セパレータ20の孔部48aに一体に挿入される。
As shown in FIG. 8, the plurality of
樹脂ピン部104aの先端は、溶着ダイを構成する溶着チップ120により成形される。この溶着チップ120は、所定温度に加熱される成形面120aを有するとともに、前記成形面120aには、略円錐状に突出するかしめ機能部122が形成される。
The tip of the
溶着チップ120は、所定温度に加熱された状態で、樹脂ピン部104aの先端に押圧される。このため、溶着チップ120の成形面120aを介して所定の形状、例えば、大径な頭部124が形成されるとともに、かしめ機能部122を介してかしめ凹部126が形成される。
The
従って、樹脂ピン部104aは、軸方向に押し潰されるように変形し、すなわち、径方向外方に膨出し、各孔部74a、116a、98a及び48aの内周面に隙間なく一体に嵌合している。なお、樹脂ピン部104bは、上記の樹脂ピン部104aと同様である。
Accordingly, the
第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20は、第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28と樹脂ピン部104a、104bの頭部124との間で、保持されている。
The
このように構成される燃料電池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30aに供給された酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、第3セパレータ20の突起部42aに形成されている入口流路44aを介して第1酸化剤ガス流路36に供給される。同様に、酸化剤ガスは、第1セパレータ16の突起部60aに形成されている入口流路70aを介して第2酸化剤ガス流路64に供給される。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas supplied to the oxidant gas
第1酸化剤ガス流路36を流通した酸化剤ガスは、第3セパレータ20の突起部42bに形成されている出口流路44bから酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。同様に、第2酸化剤ガス流路64を流通した酸化剤ガスは、第1セパレータ16の突起部60bに形成されている出口流路70bから酸化剤ガス出口連通孔30bに排出される。
The oxidant gas that has flowed through the first oxidant
一方、燃料ガス入口連通孔32aに供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、第1セパレータ16の突起部58aに形成されている入口流路62aから第1燃料ガス流路54に供給される。同様に、燃料ガスは、第2セパレータ18の突起部84aに形成されている入口流路88aから第2燃料ガス流路78に供給される。
On the other hand, the fuel gas such as the hydrogen-containing gas supplied to the fuel gas
第1燃料ガス流路54を流通した燃料ガスは、第1セパレータ16の突起部58bに形成されている出口流路62bから燃料ガス出口連通孔32bに排出される。同様に、第2燃料ガス流路78を流通した燃料ガスは、第2セパレータ18の突起部84bに形成されている出口流路88bから燃料ガス出口連通孔32bに排出される。
The fuel gas flowing through the first
また、冷却媒体入口連通孔34aに供給された純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、第2セパレータ18の突起部86aに形成されている入口流路90aから冷却媒体流路52に供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路52を流通した後、突起部86bに形成されている出口流路90bから冷却媒体出口連通孔34bに排出される。
In addition, the cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil supplied to the cooling medium
この場合、本実施形態では、第1電解質膜・電極構造体14aの額縁部28には、矢印B方向に配列して複数の樹脂ピン部104a、104bが一体成形されている。各樹脂ピン部104a、104bは、他の構成部材である第1セパレータ16の孔部74a、74b、第2電解質膜・電極構造体14bの孔部116a、116b、第2セパレータ18の孔部98a、98b及び第3セパレータ20の孔部48a、48bにそれぞれ一体的に挿入された後、溶着処理により大径な頭部124及びかしめ凹部126が形成されている。
In this case, in the present embodiment, a plurality of
従って、各樹脂ピン部104a、104bは、他の構成部材に形成された各孔部74a、74b、116a、116b、98a、98b及び48a、48bの各内周面に隙間なく一体に嵌合している。このため、燃料電池ユニット12は、長辺側から衝撃荷重が付与された際、前記衝撃荷重を確実に受けることができる。
Accordingly, the
これにより、燃料電池ユニット12の構成部材(第1電解質膜・電極構造体14a、第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20)同士がせん断方向にずれることがなく、所望のシール性及び発電性を確保することが可能になるという効果が得られる。
Thereby, the constituent members of the fuel cell unit 12 (the first electrolyte membrane /
しかも、専用の締結部材を個別に構成する必要がなく、部品点数が有効に削減されるとともに、設備費を削減することができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、第1電解質膜・電極構造体14a、第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20を有する燃料電池ユニット12を、確実に位置決め保持することが可能になり、組み立て作業性を有効に向上させることができる。
In addition, it is not necessary to individually configure a dedicated fastening member, the number of parts can be effectively reduced, and the equipment cost can be reduced. Accordingly, the
このため、複数の燃料電池ユニット12が積層される燃料電池10(燃料電池スタック)の製造工程の簡素化を図るとともに、前記燃料電池ユニット12及び前記燃料電池10の組み立て作業性が良好に向上するという効果が得られる。
Therefore, the manufacturing process of the fuel cell 10 (fuel cell stack) in which the plurality of
次に、組み立て後の燃料電池10が、故障等による部品交換や解析等のために分解される際には、先ず、各樹脂ピン部104a、104bが破断されて各燃料電池ユニット12が互いに分離される。一方、個別に構成されているリビルトピン130a、130bが用意される。
Next, when the assembled
そして、図9に示すように、リビルトピン130a、130bは、第1電解質膜・電極構造体14a、第1セパレータ16、第2電解質膜・電極構造体14b、第2セパレータ18及び第3セパレータ20の各リビルトピン挿入用孔部106a、106b、76a、76b、118a、118b、100a、100b及び50a、50bに一体に挿入されて溶着処理される。これにより、燃料電池ユニット12が再度組み立てられる。
As shown in FIG. 9, the rebuilt pins 130 a and 130 b include the first electrolyte membrane /
なお、本実施形態では、燃料電池ユニット12は、2枚のMEAと3枚のセパレータとにより構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、1枚のMEAと2枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニットや、3枚のMEAと4枚のセパレータとにより構成される燃料電池ユニット等を使用してもよい。
In the present embodiment, the
10…燃料電池 12…燃料電池ユニット
14a、14b…電解質膜・電極構造体 16、18、20…セパレータ
22…固体高分子電解質膜 24…アノード側電極
26…カソード側電極 28…額縁部
30a…酸化剤ガス入口連通孔 30b…酸化剤ガス出口連通孔
32a…燃料ガス入口連通孔 32b…燃料ガス出口連通孔
34a…冷却媒体入口連通孔 34b…冷却媒体出口連通孔
36、64…酸化剤ガス流路
46a、46b、72a、72b、96a、96b…突出部
48a、48b、50a、50b、74a、74b、76a、76b、98a、98b、100a、100b、106a、106b、116a、116b、118a、118b…孔部
52…冷却媒体流路 54、78…燃料ガス流路
102、114…シール部材 104a、104b…樹脂ピン部
130a、130b…リビルトピン
DESCRIPTION OF
48a, 48b, 50a, 50b, 74a, 74b, 76a, 76b, 98a, 98b, 100a, 100b, 106a, 106b, 116a, 116b, 118a, 118b ... hole 52 ... cooling
Claims (1)
前記額縁状樹脂枠には、該額縁状樹脂枠とは別の部材であるシール部材が一体で設けられ、
少なくとも1つの前記電解質膜・電極構造体は、前記額縁状樹脂枠の互いに対向する2つの長辺に、それぞれ複数の樹脂製凸状部が前記シール部材とは異なる材料で設けられる一方、
前記セパレータを含む他の構成部材には、前記樹脂製凸状部が挿入される孔部が形成され、
前記樹脂製凸状部は、前記孔部の内周面に隙間なく嵌合し且つ溶着処理により該樹脂製凸状部の先端が該孔部の外方で径方向外方に膨出して該孔部よりも大径に形成されることにより、少なくとも1つの前記電解質膜・電極構造体及び前記他の構成部材を一体に結合することを特徴とする燃料電池ユニット。 A fuel cell unit in which a rectangular electrolyte membrane / electrode structure in which a pair of electrodes are provided on both sides of an electrolyte membrane and a frame-shaped resin frame is provided on the outer periphery, and a rectangular separator are laminated,
The frame-shaped resin frame is integrally provided with a seal member that is a member different from the frame-shaped resin frame ,
In the at least one electrolyte membrane / electrode structure, a plurality of resin convex portions are respectively provided on the two long sides facing each other of the frame-shaped resin frame with a material different from that of the seal member,
The other component including the separator is formed with a hole into which the resin convex portion is inserted,
The resin convex portion is fitted to the inner peripheral surface of the hole portion without a gap, and the tip of the resin convex portion bulges outward in the radial direction outside the hole portion by the welding process. A fuel cell unit characterized in that at least one of the electrolyte membrane / electrode structure and the other constituent members are integrally coupled by being formed to have a larger diameter than the hole.
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