JP2018120684A - Separator member for fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却面同士の間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を構成する燃料電池用セパレータ部材の汎用性を向上させる。【解決手段】当接する冷却面同士の間に冷却媒体流路を構成する一対のセパレータの一方のカソードセパレータ部材2は、冷却面5に、冷却媒体流路6と、冷却媒体流路6の外周側で接着剤を充填可能に形成された溝状の接着剤用凹部9と、接着剤用凹部9の外周側に隣接してガスケットを収容可能に形成された溝状の冷却媒体ガスケット用凹部10とを有し、接着剤用凹部9は、冷却媒体ガスケット用凹部10よりも浅く冷却媒体を接着によりシールするための接着剤に適した深さを有しており、冷却媒体ガスケット用凹部10はガスケットの収容に適した深さを有している。【選択図】図3An object of the present invention is to improve the versatility of a separator member for a fuel cell that constitutes a cooling medium flow path for circulating a cooling medium between cooling surfaces. One cathode separator member of a pair of separators constituting a cooling medium flow path between cooling surfaces in contact with each other includes a cooling medium flow path, a cooling medium flow path, and an outer periphery of the cooling medium flow path. Groove-shaped adhesive recess 9 formed so as to be filled with adhesive on the side, and groove-shaped cooling medium gasket recess 10 formed adjacent to the outer peripheral side of adhesive recess 9 so as to be able to accommodate a gasket. The concave portion for adhesive 9 is shallower than the concave portion for cooling medium gasket 10 and has a depth suitable for an adhesive for sealing the cooling medium by adhesion. The depth is suitable for accommodating the gasket. [Selection] Figure 3
Description
本発明は、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、その冷却面同士の間に冷却媒体が通流する冷却媒体流路を構成する燃料電池用セパレータ部材に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell separator member that constitutes a cooling medium flow path in which cooling surfaces of a pair of separators are brought into contact with each other and a cooling medium flows between the cooling surfaces.
高分子電解質型燃料電池(以下、PEFCと称す)は、電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を配置し、さらにその外側にガス通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層を配置してアノードおよびカソードを構成した電解質膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を有する。電解質膜−電極接合体の外周部に絶縁性の枠を設けたものを電極−膜−枠接合体と呼ぶ。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) has a catalytic reaction layer mainly composed of a carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst on both sides of an electrolyte membrane, and further gas permeability on the outside thereof. And a pair of gas diffusion layers having both conductivity and an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) comprising an anode and a cathode. A structure in which an insulating frame is provided on the outer periphery of the electrolyte membrane-electrode assembly is referred to as an electrode-membrane-frame assembly.
上記構成を有する燃料電池のアノードに水素を含む燃料ガスを供給し、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、電気エネルギーを継続的に取り出すことができる。 By supplying a fuel gas containing hydrogen to the anode of the fuel cell having the above structure and supplying an oxidant gas containing oxygen to the cathode, electric energy can be continuously taken out.
また、燃料ガスと酸化剤ガスとが混ざらないようにするため、セパレータが各電極−膜−枠接合体の間に配置される。電極−膜−枠接合体を一対のセパレータで挟持したものをセルと呼ぶ。 In addition, a separator is disposed between each electrode-membrane-frame assembly so that the fuel gas and the oxidant gas are not mixed. A structure in which an electrode-membrane-frame assembly is sandwiched between a pair of separators is called a cell.
セパレータには、電極−膜−枠接合体に燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体などの流体を供給するための流路溝と、流体を供給または排出するためのマニホールドとが、形成される。 In the separator, a channel groove for supplying a fluid such as a fuel gas, an oxidant gas or a cooling medium to the electrode-membrane-frame assembly and a manifold for supplying or discharging the fluid are formed.
セルを複数積層して燃料電池スタックとすることで、必要な電力を確保することが可能となる。 By stacking a plurality of cells to form a fuel cell stack, it is possible to secure necessary power.
燃料電池スタックは、運転時に燃料ガスと酸化剤ガス、冷却媒体を供給し排出するが、供給した燃料ガスや酸化剤ガス、冷却媒体が外部に漏れたり、互いに混ざったりしないように組み立て時に確認を行う。 The fuel cell stack supplies and discharges fuel gas, oxidant gas, and cooling medium during operation, but checks are performed during assembly so that the supplied fuel gas, oxidant gas, and cooling medium do not leak to the outside or mix with each other. Do.
通常、燃料電池スタックでは、発電性能や耐久性の低下が問題とならないように、セルごとにガスの漏れ量、冷却媒体の漏れ量の閾値を設けて検査している。 Normally, fuel cell stacks are inspected by providing threshold values for the amount of gas leakage and the amount of cooling medium leakage for each cell so that degradation in power generation performance and durability is not a problem.
また、燃料電池スタックは、高効率化、高出力化にあたり、セルの積層数を多くするのが一般的であり、このためセルを構成する部品点数も増大する。 Further, in order to increase the efficiency and output of the fuel cell stack, it is common to increase the number of stacked cells, and thus the number of parts constituting the cell also increases.
セルを全て積層した後、スタックの漏れ量を検査すると、その閾値は、セルごとの閾値を積層数だけ積算した値をみていることとなり、閾値を越えているセルがあるのかないのかの判別ができない。セルごとに検査すると確実だが時間が掛かるため、通常、漏れ量が判別可能な積層単位で検査し組み立てを行う。このセルの漏れ量が判別可能な積層単位をセル積層体と呼ぶ。 After stacking all the cells, when checking the leakage amount of the stack, the threshold value is obtained by accumulating the threshold value for each cell by the number of stacks, and it is determined whether there is a cell exceeding the threshold value. Can not. Inspecting each cell is reliable but takes time, so inspection and assembly are usually performed in a stack unit in which the amount of leakage can be determined. A stack unit in which the leakage amount of the cell can be identified is called a cell stack.
セル積層体について、漏れ量検査済みのセル積層体と次のセル積層体の間が、電極−膜−枠接合体となる場合、すなわち、セル積層体の両端面が電極−膜−枠接合体と当接する面の場合、漏れ量検査済みのセル積層体の上に電極−膜−枠接合体を置いてから次の漏れ量検査済みのセル積層体を載せることになるため、置かれた電極−膜−枠接合体と両検査済みのセル積層体の端面のセパレータとの間の漏れ検査ができていないまま燃料電池スタ
ックに組み立てられてしまうので、通常は漏れ量検査済みのセル積層体とセル積層体の間は冷却媒体を流す流路が形成される冷却面としている。
When the cell stack is an electrode-membrane-frame assembly between the cell stack having undergone leakage inspection and the next cell stack, that is, both end surfaces of the cell stack are electrode-membrane-frame assemblies. In the case of the surface that comes into contact with the electrode, the electrode-membrane-frame assembly is placed on the cell stack that has been inspected for leakage, and then the next cell stack that has been inspected for leak is placed. -Since it will be assembled into a fuel cell stack without leakage inspection between the membrane-frame assembly and the separators on the end faces of both inspected cell stacks, Between the cell stacks, a cooling surface in which a flow path for flowing a cooling medium is formed.
従来のセパレータの構成として、セパレータのガス流路面をシールする外周部にある第1シール部材の位置は、その裏側の冷却面同士を合わせることで構成する冷却面において冷却媒体が流れる冷却媒体流路溝に位置合わせされており、その外側にオフセットして冷却媒体をシールする為の第2シール部材として接着剤を接着剤用の凹部に塗布し、冷却面同士を接着しセパレータを一体化して部品点数を削減することや、第2シール部材として弾性シール部材を弾性シール部材用の凹部に接着することで、2枚のセパレータを冷却面で分離可能な構造となり、セル積層体の両端のセパレータとして使用することができる(例えば、特許文献1参照)。 As a configuration of the conventional separator, the position of the first seal member in the outer peripheral portion that seals the gas flow path surface of the separator is the cooling medium flow path in which the cooling medium flows on the cooling surface configured by matching the cooling surfaces on the back side. As a second seal member that is aligned with the groove and offset to the outside to seal the cooling medium, an adhesive is applied to the concave portion for the adhesive, and the cooling surfaces are bonded together to integrate the separator. By reducing the number of points and by adhering an elastic seal member as a second seal member to the recess for the elastic seal member, a structure in which two separators can be separated on the cooling surface is obtained, and as separators at both ends of the cell stack. It can be used (for example, refer patent document 1).
図20は、従来のアノードセパレータ部材の構造を示す断面図である。図21は、従来の接着用カソードセパレータ部材の構造を示す断面図である。図22は、従来の冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材の構造を示す断面図である。図23は、従来のガスケット付きアノードセパレータの構造を示す断面図である。図24は、従来のガスケット付き冷却面接着セパレータの構造を示す断面図である。図25は、従来のガスケット付きカソードセパレータの構造を示す断面図である。図26は、従来のセル積層体の構造を示す断面図である。 FIG. 20 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional anode separator member. FIG. 21 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional bonding cathode separator member. FIG. 22 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional cathode separator member for a cooling medium gasket. FIG. 23 is a sectional view showing the structure of a conventional anode separator with a gasket. FIG. 24 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional gasket-attached cooling surface adhesive separator. FIG. 25 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional cathode separator with a gasket. FIG. 26 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional cell stack.
図20に示すように、従来のアノードセパレータ部材100は、一方の主面に、燃料ガス流路103、燃料ガス流路103の外側に燃料ガスをシールする燃料ガスガスケット用凹部107が形成され、他方の主面(燃料ガス流路103の裏面)が冷却面105となっている。 As shown in FIG. 20, the conventional anode separator member 100 has a fuel gas passage 103 formed on one main surface, and a fuel gas gasket recess 107 for sealing the fuel gas outside the fuel gas passage 103, The other main surface (the back surface of the fuel gas passage 103) is a cooling surface 105.
図21に示すように、従来の接着用カソードセパレータ部材101は、酸化剤ガス流路104の裏面が冷却面105になり、冷却面105に冷却媒体流路106が形成され、酸化剤ガス流路104が形成される面において、酸化剤ガス流路104の外側に、酸化剤ガスをシールする酸化剤ガスガスケット用凹部108が形成される。酸化剤ガスガスケット用凹部108は、冷却媒体流路106と位置合わせされている。 As shown in FIG. 21, in the conventional cathode separator member 101 for bonding, the back surface of the oxidant gas flow path 104 becomes the cooling surface 105, the cooling medium flow path 106 is formed on the cooling surface 105, and the oxidant gas flow path is formed. On the surface where 104 is formed, an oxidant gas gasket recess 108 for sealing the oxidant gas is formed outside the oxidant gas flow path 104. The recess 108 for the oxidant gas gasket is aligned with the cooling medium flow path 106.
接着剤用凹部109は、アノードセパレータ部材100と接着用カソードセパレータ部材101とを接着剤を用いて接着して冷却媒体をシールするため、冷却媒体流路106の外側にオフセットして配置されている。接着剤用凹部109の深さD1は、ボイドの発生等の不良発生を考慮して設定されている。 The adhesive recess 109 is disposed offset to the outside of the cooling medium flow path 106 in order to seal the cooling medium by bonding the anode separator member 100 and the bonding cathode separator member 101 with an adhesive. . The depth D1 of the adhesive recess 109 is set in consideration of the occurrence of defects such as voids.
図22に示すように、従来の冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材102は、接着用カソードセパレータ部材101と同様に、酸化剤ガス流路104の裏面が冷却面105になり、冷却面105に冷却媒体流路106が形成され、酸化剤ガス流路104が形成される面において、酸化剤ガス流路104の外側に、酸化剤ガスをシールする酸化剤ガスガスケット用凹部108が形成される。酸化剤ガスガスケット用凹部108は、冷却媒体流路106と位置合わせされている。 As shown in FIG. 22, in the conventional cathode separator member 102 for a cooling medium gasket, the back surface of the oxidant gas flow path 104 serves as a cooling surface 105, and the cooling medium 105 includes a cooling medium as in the case of the bonding cathode separator member 101. On the surface where the channel 106 is formed and the oxidant gas channel 104 is formed, an oxidant gas gasket recess 108 for sealing the oxidant gas is formed outside the oxidant gas channel 104. The recess 108 for the oxidant gas gasket is aligned with the cooling medium flow path 106.
冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材102は、アノードセパレータ部材100と接着されず、冷却媒体流路106を流れる冷却媒体を冷却媒体ガスケットを用いてシールするため、冷却媒体ガスケット用凹部110は、冷却媒体流路106の外側にオフセットして配置されている。冷却媒体ガスケット用凹部110の深さD2は、適切な圧縮率を確保することを考慮して設定されている点で、接着用カソードセパレータ部材101と異なる。 The cooling medium gasket cathode separator member 102 is not bonded to the anode separator member 100 and seals the cooling medium flowing through the cooling medium flow path 106 using the cooling medium gasket. It is arranged offset to the outside of the path 106. The depth D2 of the cooling medium gasket recess 110 is set in consideration of ensuring an appropriate compression rate, and is different from the bonding cathode separator member 101.
図23に示すように、従来のガスケット付きアノードセパレータ116は、アノードセパレータ部材100の燃料ガス流路103の外側に形成された燃料ガスガスケット用凹部107の底面に、燃料ガスガスケット112を設置(接着)したものである。 As shown in FIG. 23, in the conventional anode separator 116 with a gasket, a fuel gas gasket 112 is installed (adhered) on the bottom surface of the recess 107 for the fuel gas gasket formed outside the fuel gas flow path 103 of the anode separator member 100. ).
図24に示すように、従来のガスケット付き冷却面接着セパレータ111は、アノードセパレータ部材100の冷却面105と、接着用カソードセパレータ部材101の冷却面105とを当接させて、接着剤用凹部109に塗布した接着剤115にて冷却面105同士を接着して、冷却面105同士の間に冷却媒体流路106を形成している。 As shown in FIG. 24, the conventional cooling surface adhesive separator 111 with a gasket is configured such that the cooling surface 105 of the anode separator member 100 and the cooling surface 105 of the bonding cathode separator member 101 are brought into contact with each other, thereby causing a concave portion 109 for adhesive. The cooling surfaces 105 are adhered to each other with the adhesive 115 applied to the surface, and the cooling medium flow path 106 is formed between the cooling surfaces 105.
アノードセパレータ部材100の燃料ガスガスケット用凹部107の底面には燃料ガスガスケット112が接着され、接着用カソードセパレータ部材101の酸化剤ガスガスケット用凹部108の底面に酸化剤ガスガスケット113が接着されている。 A fuel gas gasket 112 is bonded to the bottom surface of the fuel gas gasket recess 107 of the anode separator member 100, and an oxidant gas gasket 113 is bonded to the bottom surface of the oxidant gas gasket recess 108 of the bonding cathode separator member 101. .
このように構成することで、ガスケット付き冷却面接着セパレータ111の冷却媒体の漏れについては、組み立て前に確認ができており、セパレータを一体化することで積層時の部品点数を削減している。 With this configuration, the leakage of the cooling medium of the gasket-attached cooling surface adhesive separator 111 can be confirmed before assembly, and the number of components at the time of stacking is reduced by integrating the separator.
図25に示すように、従来のガスケット付きカソードセパレータ117は、冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材102の酸化剤ガス流路104の外側に形成された酸化剤ガスガスケット用凹部108の底面に、酸化剤ガスガスケット113を設置(接着)し、冷却媒体ガスケット用カソードセパレータ部材102の冷却面105の冷却媒体流路106の外側に形成された冷却媒体ガスケット用凹部110に、冷却媒体ガスケット114を設置(接着)している。 As shown in FIG. 25, a conventional cathode separator 117 with a gasket is provided with an oxidant on the bottom surface of the oxidant gas gasket recess 108 formed outside the oxidant gas flow path 104 of the cathode separator member 102 for the cooling medium gasket. The gas gasket 113 is installed (adhered), and the cooling medium gasket 114 is installed (adhered) in the cooling medium gasket recess 110 formed outside the cooling medium flow path 106 of the cooling surface 105 of the cathode separator member 102 for cooling medium gasket. )doing.
図26に示すように、従来のセル積層体220は、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の漏れ量が閾値内であるか判定可能なセルを積層したものである。ここでは5セル積層している。セル積層体220は、下方からガスケット付きアノードセパレータ116、電極−膜−枠接合体118、ガスケット付き冷却面接着セパレータ111、電極−膜−枠接合体118、ガスケット付き冷却面接着セパレータ111、電極−膜−枠接合体118、ガスケット付き冷却面接着セパレータ111、電極−膜−枠接合体118、ガスケット付き冷却面接着セパレータ111、電極−膜−枠接合体118、ガスケット付きカソードセパレータ117の順で積層されている。 As shown in FIG. 26, the conventional cell stack 220 is formed by stacking cells in which it is possible to determine whether the leakage amount of fuel gas, oxidant gas, and cooling medium is within a threshold value. Here, five cells are stacked. The cell laminate 220 includes an anode separator 116 with a gasket, an electrode-membrane-frame assembly 118, a cooling surface adhesive separator 111 with a gasket, an electrode-membrane-frame assembly 118, a cooling surface adhesive separator 111 with a gasket, and an electrode- The membrane-frame assembly 118, the gasketed cooling surface adhesive separator 111, the electrode-membrane-frame assembly 118, the gasketed cooling surface adhesive separator 111, the electrode-membrane-frame assembly 118, and the gasketed cathode separator 117 are stacked in this order. Has been.
この構成により、セル積層体220の下面は、ガスケット付きアノードセパレータ116の冷却面105、セル積層体220の上面は、ガスケット付きカソードセパレータ117の冷却面105となっている。 With this configuration, the lower surface of the cell laminate 220 serves as the cooling surface 105 of the anode separator 116 with gasket, and the upper surface of the cell laminate 220 serves as the cooling surface 105 of the cathode separator 117 with gasket.
そして、セル積層体220のガスケット付きカソードセパレータ117の冷却面105の上に、他のセル積層体220のガスケット付きアノードセパレータ116の冷却面105が当接し、冷却媒体ガスケット114により重ねたセル積層体220間の冷却媒体はシールされる。 Then, the cooling surface 105 of the anode separator 116 with gasket of the other cell stack 220 is in contact with the cooling surface 105 of the cathode separator 117 with gasket of the cell stack 220, and the cell stack overlapped by the cooling medium gasket 114. The cooling medium between 220 is sealed.
しかしながら、前記従来の構成では、図26のように、セル積層体220の上下端面を冷却面105とするには、ガスケット付きアノードセパレータ116、電極−膜−枠接合
体118、ガスケット付き冷却面接着セパレータ111、ガスケット付きカソードセパレータ117の部品が必要となる。
However, in the conventional configuration, as shown in FIG. 26, in order to use the upper and lower end surfaces of the cell laminate 220 as the cooling surface 105, the anode separator with gasket 116, the electrode-membrane-frame assembly 118, and the cooling surface adhesion with gasket are used. Parts of the separator 111 and the cathode separator 117 with gasket are required.
これらの中でガスケット付きセパレータの元になるセパレータ部材に関して、ガスケット付きアノードセパレータ116は、アノードセパレータ部材100、ガスケット付き冷却面接着セパレータ111は、アノードセパレータ部材100と接着用カソードセパレータ部材101、ガスケット付きカソードセパレータ117は、弾性シール部材用カソードセパレータ部材102から製作されている。 Among these, regarding the separator member that is the basis of the separator with gasket, the anode separator with gasket 116 is the anode separator member 100, the cooling surface adhesive separator 111 with gasket is the anode separator member 100, the cathode separator member 101 for bonding, and with the gasket. The cathode separator 117 is manufactured from the cathode separator member 102 for an elastic seal member.
ここで、ガスケット付き冷却面接着セパレータ111の接着用カソードセパレータ部材101の代わりに弾性シール部材用カソードセパレータ部材102を用いようとすると、接着剤の厚みが厚くなり、ボイドが発生しやすいという問題が生じる。 Here, if the cathode separator member 102 for elastic seal member is used instead of the cathode separator member 101 for bonding of the cooling surface adhesive separator 111 with gasket, there is a problem that the thickness of the adhesive is increased and voids are easily generated. Arise.
また、ガスケット付きカソードセパレータ117の弾性シール部材用カソードセパレータ部材102の代わりに接着用カソードセパレータ部材101を用いようとすると、弾性シール部材に必要な圧縮率を確保できないという問題があり、セル積層体の部品点数は少ないが、3種類の燃料電池用セパレータ部材が必要になるという課題があった。 In addition, if the cathode separator member 101 for adhesion is used instead of the cathode separator member 102 for the elastic seal member of the cathode separator 117 with gasket, there is a problem in that the compression ratio necessary for the elastic seal member cannot be secured, However, there is a problem that three types of fuel cell separator members are required.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じで、元になる一対のセパレータ部材において、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路を、一対のセパレータの冷却面同士を冷却媒体流路の外周側で接着する接着剤でシールするか、それとも、一対のセパレータの冷却面同士を接着せずに分離可能にして、冷却媒体流路の外周側に収容されるガスケットでシールするかを、選択可能な汎用性に優れた燃料電池用セパレータ部材を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and the number of parts constituting the cell stack is the same as the conventional one, and is configured between the cooling surfaces of the pair of separators in the original pair of separator members. The cooling medium flow path is sealed with an adhesive that bonds the cooling surfaces of the pair of separators on the outer peripheral side of the cooling medium flow path, or the cooling surfaces of the pair of separators can be separated without bonding, An object of the present invention is to provide a fuel cell separator member having excellent versatility that can be selected as to whether or not to seal with a gasket accommodated on the outer peripheral side of a cooling medium flow path.
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用セパレータ部材は、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて冷却面同士の間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を構成する燃料電池用セパレータ部材であって、冷却媒体流路の外周側で接着剤を充填可能に形成された溝状の第1凹部と、冷却媒体流路の外周側でガスケットを収容可能に形成された溝状の第2凹部とを有し、第1凹部が第2凹部よりも浅いものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the fuel cell separator member of the present invention configures a cooling medium flow path that causes the cooling surfaces of a pair of separators to contact each other and allows the cooling medium to flow between the cooling surfaces. A separator member for a fuel cell, which is formed so as to be able to accommodate a gasket on the outer peripheral side of the cooling medium flow path, and a groove-shaped first recess formed so as to be filled with an adhesive on the outer peripheral side of the cooling medium flow path. A groove-shaped second recess, and the first recess is shallower than the second recess.
これにより、第1凹部に接着剤を充填した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第1凹部に充填した接着剤によって、一対のセパレータの冷却面同士を冷却媒体流路の外周側で接着させて、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、第2凹部にはガスケットを収容する必要はない。 Thus, after the first recess is filled with the adhesive, the cooling surfaces of the pair of separators are brought into contact with each other, and the cooling surfaces of the pair of separators are separated from each other by the adhesive filled in the first recess. The cooling medium flow path formed between the cooling surfaces of the pair of separators can be sealed by bonding on the outer peripheral side. In this case, it is not necessary to accommodate the gasket in the second recess.
また、高さ寸法が第2凹部の深さよりも高いガスケットを第2凹部に収容した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第2凹部の深さと同じ高さに圧縮されたガスケットによって、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、一対のセパレータの冷却面同士を接着剤で接着しないことにより、一対のセパレータを分離可能である。 Moreover, after the gasket whose height dimension is higher than the depth of the second recess is accommodated in the second recess, the cooling surfaces of the pair of separators are brought into contact with each other and compressed to the same height as the depth of the second recess. With the gasket, the cooling medium flow path configured between the cooling surfaces of the pair of separators can be sealed. In this case, the pair of separators can be separated by not bonding the cooling surfaces of the pair of separators with an adhesive.
また、第1凹部が第2凹部よりも浅いので、第1凹部を接着剤の充填(接着剤による一対のセパレータの冷却面同士の冷却媒体流路の外周側での接着)に適した深さにでき、第2凹部をガスケットの収容とシール時のガスケットの圧縮率に適した深さにでき、第1凹部と第2凹部とに明確な深さの差がある場合には、第1凹部にガスケットを収容してしまう間違いや、第2凹部に接着剤を充填してしまう間違いが発生しにくい。 Further, since the first recess is shallower than the second recess, the first recess has a depth suitable for filling with adhesive (adhesion between the cooling surfaces of the pair of separators on the outer peripheral side of the cooling medium flow path by the adhesive). The second recess can be made to have a depth suitable for the accommodation of the gasket and the compression ratio of the gasket at the time of sealing, and if there is a clear difference in depth between the first recess and the second recess, the first recess It is difficult to make mistakes in which the gasket is accommodated and the second recess is filled with the adhesive.
これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行い易く、接着剤用の第1凹部とガスケット用の第2凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。 As a result, the number of parts that make up the cell stack is the same as in the past, but since the types of separator members can be reduced, the capital investment for manufacturing the separator members can be reduced, and the separator members can be easily managed. The risk of defects due to misuse of similar separator members that differ only in the depth of the first recess and the second recess for the gasket is also reduced.
本発明の燃料電池用セパレータ部材は、第1凹部に接着剤を充填した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第1凹部に充填した接着剤によって、一対のセパレータの冷却面同士を冷却媒体流路の外周側で接着させて、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、第2凹部にはガスケットを収容する必要はない。 In the separator member for a fuel cell according to the present invention, after the first recess is filled with the adhesive, the cooling surfaces of the pair of separators are brought into contact with each other, and the cooling surface of the pair of separators is filled with the adhesive filled in the first recess. They can be bonded to each other on the outer peripheral side of the cooling medium flow path to seal the cooling medium flow path formed between the cooling surfaces of the pair of separators. In this case, it is not necessary to accommodate the gasket in the second recess.
また、高さ寸法が第2凹部の深さよりも高いガスケットを第2凹部に収容した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第2凹部の深さと同じ高さに圧縮されたガスケットによって、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、一対のセパレータの冷却面同士を接着剤で接着しないことにより、一対のセパレータを分離可能である。 Moreover, after the gasket whose height dimension is higher than the depth of the second recess is accommodated in the second recess, the cooling surfaces of the pair of separators are brought into contact with each other and compressed to the same height as the depth of the second recess. With the gasket, the cooling medium flow path configured between the cooling surfaces of the pair of separators can be sealed. In this case, the pair of separators can be separated by not bonding the cooling surfaces of the pair of separators with an adhesive.
また、第1凹部が第2凹部よりも浅いので、第1凹部を接着剤の充填(接着剤による一対のセパレータの冷却面同士の冷却媒体流路の外周側での接着)に適した深さにでき、第2凹部をガスケットの収容とシール時のガスケットの圧縮率に適した深さにでき、第1凹部と第2凹部とに明確な深さの差がある場合には、第1凹部にガスケットを収容してしまう間違いや、第2凹部に接着剤を充填してしまう間違いが発生しにくい。 Further, since the first recess is shallower than the second recess, the first recess has a depth suitable for filling with adhesive (adhesion between the cooling surfaces of the pair of separators on the outer peripheral side of the cooling medium flow path by the adhesive). The second recess can be made to have a depth suitable for the accommodation of the gasket and the compression ratio of the gasket at the time of sealing, and if there is a clear difference in depth between the first recess and the second recess, the first recess It is difficult to make mistakes in which the gasket is accommodated and the second recess is filled with the adhesive.
これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行い易く、接着剤用の第1凹部とガスケット用の第2凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。 As a result, the number of parts that make up the cell stack is the same as in the past, but since the types of separator members can be reduced, the capital investment for manufacturing the separator members can be reduced, and the separator members can be easily managed. The risk of defects due to misuse of similar separator members that differ only in the depth of the first recess and the second recess for the gasket is also reduced.
第1の発明は、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて冷却面同士の間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を構成する燃料電池用セパレータ部材であって、冷却媒体流路の外周側で接着剤を充填可能に形成された溝状の第1凹部と、冷却媒体流路の外周側でガスケットを収容可能に形成された溝状の第2凹部とを有し、第1凹部が第2凹部よりも浅いことを特徴とする。 1st invention is a separator member for fuel cells which constitutes a cooling medium channel which makes cooling surfaces of a pair of separators contact, and distributes a cooling medium between cooling surfaces, A groove-shaped first recess formed on the outer peripheral side so as to be able to be filled with an adhesive; and a groove-shaped second recess formed on the outer peripheral side of the cooling medium flow path so as to be able to accommodate a gasket. Is shallower than the second recess.
これにより、第1凹部に接着剤を充填した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第1凹部に充填した接着剤によって、一対のセパレータの冷却面同士を冷却媒体流路の外周側で接着させて、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、第2凹部にはガスケットを収容する必要はない。 Thus, after the first recess is filled with the adhesive, the cooling surfaces of the pair of separators are brought into contact with each other, and the cooling surfaces of the pair of separators are separated from each other by the adhesive filled in the first recess. The cooling medium flow path formed between the cooling surfaces of the pair of separators can be sealed by bonding on the outer peripheral side. In this case, it is not necessary to accommodate the gasket in the second recess.
また、高さ寸法が第2凹部の深さよりも高いガスケットを第2凹部に収容した後に、一対のセパレータの冷却面同士を当接させて、第2凹部の深さと同じ高さに圧縮されたガスケットによって、一対のセパレータの冷却面同士の間に構成される冷却媒体流路をシールすることができる。この場合は、一対のセパレータの冷却面同士を接着剤で接着しないことにより、一対のセパレータを分離可能である。 Moreover, after the gasket whose height dimension is higher than the depth of the second recess is accommodated in the second recess, the cooling surfaces of the pair of separators are brought into contact with each other and compressed to the same height as the depth of the second recess. With the gasket, the cooling medium flow path configured between the cooling surfaces of the pair of separators can be sealed. In this case, the pair of separators can be separated by not bonding the cooling surfaces of the pair of separators with an adhesive.
また、第1凹部が第2凹部よりも浅いので、第1凹部を接着剤の充填(接着剤による一対のセパレータの冷却面同士の冷却媒体流路の外周側での接着)に適した深さにでき、第2凹部をガスケットの収容とシール時のガスケットの圧縮率に適した深さにでき、第1凹部と第2凹部とに明確な深さの差がある場合には、第1凹部にガスケットを収容してしまう間違いや、第2凹部に接着剤を充填してしまう間違いが発生しにくい。 Further, since the first recess is shallower than the second recess, the first recess has a depth suitable for filling with adhesive (adhesion between the cooling surfaces of the pair of separators on the outer peripheral side of the cooling medium flow path by the adhesive). The second recess can be made to have a depth suitable for the accommodation of the gasket and the compression ratio of the gasket at the time of sealing, and if there is a clear difference in depth between the first recess and the second recess, the first recess It is difficult to make mistakes in which the gasket is accommodated and the second recess is filled with the adhesive.
これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行い易く、接着剤用の第1凹部とガスケット用の第2凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。 As a result, the number of parts that make up the cell stack is the same as in the past, but since the types of separator members can be reduced, the capital investment for manufacturing the separator members can be reduced, and the separator members can be easily managed. The risk of defects due to misuse of similar separator members that differ only in the depth of the first recess and the second recess for the gasket is also reduced.
また、一対のセパレータで、冷却媒体をシールする接着剤が、ボイドが発生しにくい適切な深さで、接着性を考慮した適切な幅の第1凹部に塗布して接着できるようになり、シール性に優れたガスケット付き冷却面接着セパレータを製作することができ、また、同じ一対のセパレータで、冷却媒体をシールするガスケットが、ガスケットの高さ寸法と圧縮率を考慮した適切な深さで、ガスケットの収容を考慮した適切な幅の第2凹部に収納することができるようになり、ガスケット付きアノードセパレータとガスケット付きカソードセパレータを分割して使用することができる。 In addition, the adhesive that seals the cooling medium with a pair of separators can be applied and bonded to the first recess having an appropriate width in consideration of adhesiveness at an appropriate depth at which voids are unlikely to occur. Cooling surface adhesive separator with gasket excellent in performance can be manufactured, and the gasket that seals the cooling medium with the same pair of separators is at an appropriate depth considering the height dimension and compressibility of the gasket, It becomes possible to accommodate the second recess having an appropriate width in consideration of the accommodation of the gasket, and the anode separator with gasket and the cathode separator with gasket can be used separately.
第2の発明は、特に、第1の発明の第1凹部が、第2凹部よりも冷却媒体流路に近い位置に配置されていることを特徴とするものである。 The second invention is particularly characterized in that the first recess of the first invention is arranged at a position closer to the cooling medium flow path than the second recess.
これにより、一対のセパレータを接着して冷却面接着セパレータとして使用する場合、接着面の面積が小さくなり接着剤の量を削減することができる。また、接着面と冷却媒体流路の間に空間がないため冷却媒体が空間をショートカットすることがなくなり、冷却媒体流路に冷却媒体を安定して流すことができる。 Thereby, when bonding a pair of separator and using as a cooling surface adhesive separator, the area of an adhesive surface becomes small and the quantity of an adhesive agent can be reduced. Further, since there is no space between the adhesive surface and the cooling medium flow path, the cooling medium does not short-cut the space, and the cooling medium can flow stably through the cooling medium flow path.
第3の発明は、特に、第1または第2の発明の一対のセパレータのうちの一方のセパレータの冷却面に、第1凹部と第2凹部とを有し、第1凹部と第2凹部とが隣接していることを特徴とするものである。 In particular, the third invention has a first recess and a second recess on the cooling surface of one of the pair of separators of the first or second invention, and the first recess and the second recess. Are adjacent to each other.
これにより、第1凹部と第2凹部の間に他方のセパレータとの当接面がなく、第1凹部に塗布する接着剤の量にバラツキが生じ、多過ぎた場合においても隣接する第2凹部に接着剤が溢れるため、冷却媒体流路側に接着剤が溢れてセパレータ同士の接触抵抗増加による性能低下を防止することができる。また、溢れた接着剤により冷却水流路が閉塞することもないため、冷却媒体流路内に冷却媒体を安定して流すことができる。 As a result, there is no contact surface with the other separator between the first recess and the second recess, the amount of adhesive applied to the first recess varies, and the adjacent second recess even when there is too much Since the adhesive overflows, the adhesive overflows on the cooling medium flow path side, so that it is possible to prevent performance degradation due to an increase in contact resistance between the separators. Further, since the cooling water channel is not blocked by the overflowing adhesive, the cooling medium can be stably flowed into the cooling medium channel.
第4の発明は、特に、第1または第2の発明の一対のセパレータのうちの一方のセパレータの冷却面に第1凹部を有し、一対のセパレータのうちの他方のセパレータの冷却面に第2凹部を有することを特徴とするものである。 In particular, the fourth invention has a first recess in the cooling surface of one separator of the pair of separators of the first or second invention, and the first cooling surface of the other separator of the pair of separators. It has two concave portions.
これにより、接着剤の塗布を冷却面に冷却媒体流路や第2凹部がない状態でできるため接着剤による汚染を低減できる。また、第1凹部と第2凹部と組み合わせて間に当接部をなくして1つの空間にすることもできるので、第1凹部に塗布する接着剤の量にバラツキが生じ、多過ぎた場合においても繋がっている第2凹部に接着剤が溢れるため、冷却媒体流路側に接着剤が溢れてセパレータ部材同士の接触が妨げられることによる接触抵抗の増加を防止することができる。また、溢れた接着剤により冷却媒体流路が閉塞することもないため、冷却媒体流路に冷却媒体を安定して流すことができる。 Thereby, since application | coating of an adhesive agent can be performed in a state without a cooling-medium flow path and a 2nd recessed part in a cooling surface, the contamination by an adhesive agent can be reduced. In addition, since the first concave portion and the second concave portion can be combined to eliminate the abutting portion to form a single space, the amount of adhesive applied to the first concave portion varies and the amount is too large. Further, since the adhesive overflows in the connected second recesses, it is possible to prevent an increase in contact resistance due to the overflow of the adhesive on the cooling medium flow path side and hindering contact between the separator members. Further, since the cooling medium flow path is not blocked by the overflowing adhesive, the cooling medium can be stably flowed into the cooling medium flow path.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池スタックの構成を示す外観斜視図である。図2は、本発明の実施の形態1における燃料電池スタックを図1のA−A線で切断し
た断面図である。図3は、本発明の実施の形態1におけるカソードセパレータ部材を図1のA−A線で切断した断面図である。図4は、本発明の実施の形態1におけるアノードセパレータ部材を図1のA−A線で切断した断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an external perspective view showing the configuration of the fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention, taken along line AA in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the cathode separator member according to Embodiment 1 of the present invention, taken along line AA in FIG. 4 is a cross-sectional view of the anode separator member according to Embodiment 1 of the present invention, taken along line AA in FIG.
図5は、本発明の実施の形態1におけるガスケット付きカソードセパレータを図1のA−A線で切断した断面図である。図6は、本発明の実施の形態1におけるガスケット付き冷却面接着セパレータを図1のA−A線で切断した断面図である。図7は、本発明の実施の形態1におけるガスケット付きアノードセパレータを図1のA−A線で切断した断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the gasket-equipped cathode separator according to Embodiment 1 of the present invention, taken along line AA in FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the gasket-attached cooling surface adhesive separator according to Embodiment 1 of the present invention, taken along line AA in FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of the gasketed anode separator according to Embodiment 1 of the present invention, cut along line AA in FIG.
図8は、本発明の実施の形態1における電極−膜−枠接合体を図1のA−A線で切断した断面図である。図9は、本発明の実施の形態1におけるセル積層体を図1のA−A線で切断した断面図である。 8 is a cross-sectional view of the electrode-membrane-frame assembly according to Embodiment 1 of the present invention, taken along line AA in FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of the cell stack according to Embodiment 1 of the present invention, taken along line AA in FIG.
図1に示すように、本実施の形態の燃料電池スタック90は、セルを積層したスタック部91を集電板40,41で挟み、さらに、その外側にエンドプレート70,77を配置し、ボルト80でエンドプレート間を締結し圧力を加えている。 As shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 90 of the present embodiment, a stack portion 91 in which cells are stacked is sandwiched between current collector plates 40 and 41, and end plates 70 and 77 are arranged on the outside thereof, and bolts At 80, the end plates are fastened and pressure is applied.
エンドプレート70の上面からは、燃料ガスとして水素を導入および排出するための、燃料ガス導入口71、燃料ガス排出口72、酸化剤ガスとして空気を導入および排出するための、酸化剤ガス導入口73、酸化剤ガス排出口74、冷却媒体としてイオン交換水を導入および排出する為の冷却媒体導入口75、冷却媒体排出口76を備えている。 From the upper surface of the end plate 70, a fuel gas inlet 71, a fuel gas outlet 72 for introducing and discharging hydrogen as a fuel gas, and an oxidant gas inlet for introducing and discharging air as an oxidant gas. 73, an oxidant gas outlet 74, a cooling medium inlet 75 for introducing and discharging ion-exchanged water as a cooling medium, and a cooling medium outlet 76.
図2に示すように、本実施の形態のスタック部91は、複数のセル積層体20を積み重ねて形成され、その両端に集電板40,41、その外側に絶縁板42,43、さらに、その外側にエンドプレート70,77が配置されている。 As shown in FIG. 2, the stack portion 91 of the present embodiment is formed by stacking a plurality of cell stacks 20, current collector plates 40, 41 at both ends, insulating plates 42, 43 at the outside, End plates 70 and 77 are arranged on the outside thereof.
図3に示すように、本実施の形態のカソードセパレータ部材2は、電極−膜−枠接合体のカソード側のガス拡散層と対向する一方の主面に、酸化剤ガスとしての空気が流れる酸化剤ガス流路4と、酸化剤ガス流路4の外周部に酸化剤ガスガスケット用凹部8とが形成され、他方の主面(冷却面5)に、冷却媒体としてのイオン交換水が流れる冷却媒体流路6と、冷却媒体流路6の外周部に第1凹部となる接着剤用凹部9と、接着剤用凹部9の外側に隣接して第2凹部となる冷却媒体ガスケット用凹部10が形成されている。 As shown in FIG. 3, the cathode separator member 2 according to the present embodiment has an oxidation in which air as an oxidant gas flows on one main surface facing the gas diffusion layer on the cathode side of the electrode-membrane-frame assembly. Cooling in which the oxidant gas channel 4 and the oxidant gas gasket recess 8 are formed in the outer periphery of the oxidant gas channel 4 and ion exchange water as a cooling medium flows on the other main surface (cooling surface 5). There are a medium flow path 6, an adhesive recess 9 serving as a first recess on the outer periphery of the cooling medium flow path 6, and a cooling medium gasket recess 10 serving as a second recess adjacent to the outside of the adhesive recess 9. Is formed.
酸化剤ガスガスケット用凹部8には、酸化剤ガス流路4の空気をシールする酸化剤ガスガスケットが収容され、接着剤用凹部9には、アノードセパレータ部材とカソードセパレータ部材2とを接着する接着剤が充填され、冷却媒体ガスケット用凹部10には、冷却媒体流路6のイオン交換水をシールする冷却媒体ガスケットが収容される。 The oxidant gas gasket recess 8 houses an oxidant gas gasket that seals the air in the oxidant gas flow path 4, and the adhesive recess 9 bonds the anode separator member and the cathode separator member 2. The cooling medium gasket for sealing the ion exchange water in the cooling medium flow path 6 is accommodated in the cooling medium gasket recess 10.
冷却媒体ガスケット用凹部10は、冷却媒体ガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定され、接着剤用凹部9は接着剤による接着とイオン交換水のシールに適した深さと幅に設定され、酸化剤ガスガスケット用凹部8は、酸化剤ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。 The recess 10 for the cooling medium gasket is set to a depth and width suitable for accommodating and arranging the cooling medium gasket, and the recess 9 for the adhesive is set to a depth and width suitable for adhesion by an adhesive and sealing of ion exchange water. The recess 8 for the oxidant gas gasket is set to a depth and width suitable for accommodating and arranging the oxidant gas gasket.
接着剤用凹部9は冷却媒体ガスケット用凹部10よりも浅く、接着剤用凹部9は冷却媒体ガスケット用凹部10の間は、他方のセパレータの冷却面とは当接しない。 The adhesive recess 9 is shallower than the cooling medium gasket recess 10, and the adhesive recess 9 does not contact the cooling surface of the other separator between the cooling medium gasket recesses 10.
図4に示すように、本実施の形態のアノードセパレータ部材1は、電極−膜−枠接合体のアノード側のガス拡散層と対向する一方の主面に、燃料ガスとしての水素が流れる燃料ガス流路3と、燃料ガス流路3の外周部に燃料ガスガスケット用凹部7とが形成され、他
方の平坦な主面(冷却面5)が、カソードセパレータ部材2の冷却面5と当接する。燃料ガスガスケット用凹部7は、水素をシールする燃料ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。
As shown in FIG. 4, the anode separator member 1 of the present embodiment is a fuel gas in which hydrogen as a fuel gas flows on one main surface facing the gas diffusion layer on the anode side of the electrode-membrane-frame assembly. A flow path 3 and a fuel gas gasket recess 7 are formed on the outer periphery of the fuel gas flow path 3, and the other flat main surface (cooling surface 5) is in contact with the cooling surface 5 of the cathode separator member 2. The recess 7 for the fuel gas gasket is set to a depth and width suitable for accommodating and arranging the fuel gas gasket for sealing hydrogen.
図5に示すように、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ17は、カソードセパレータ部材2の酸化剤ガス流路4が形成された面における酸化剤ガス流路4の外周側に形成された酸化剤ガスガスケット用凹部8に、酸化剤ガスガスケット13を設置し、その裏面の冷却面5の冷却媒体流路6の外周側に形成された冷却媒体ガスケット用凹部10に冷却媒体ガスケット14を設置したものである。 As shown in FIG. 5, the cathode separator 17 with a gasket according to the present embodiment has an oxidation formed on the outer peripheral side of the oxidant gas channel 4 on the surface of the cathode separator member 2 where the oxidant gas channel 4 is formed. An oxidant gas gasket 13 is installed in the concave part 8 for the agent gas gasket, and a cooling medium gasket 14 is installed in the concave part 10 for the cooling medium gasket formed on the outer peripheral side of the cooling medium flow path 6 of the cooling surface 5 on the back surface thereof. Is.
なお、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ17には、接着剤は使用しないため、接着剤用凹部9には、何も設置されていない。 In addition, since no adhesive is used for the cathode separator 17 with gasket of the present embodiment, nothing is installed in the concave portion 9 for adhesive.
図6に示すように、本実施の形態のガスケット付き冷却面接着セパレータ11は、アノードセパレータ部材1の冷却面5とカソードセパレータ部材2の冷却面5を当接させて、接着剤用凹部9に塗布した接着剤15にて冷却面5同士を接着している、アノードセパレータ部材1の冷却面5とカソードセパレータ部材2の冷却面5との間に構成される冷却媒体流路6は、接着剤15によってシールされている。 As shown in FIG. 6, the cooling surface adhesive separator 11 with a gasket according to the present embodiment is brought into contact with the cooling surface 5 of the anode separator member 1 and the cooling surface 5 of the cathode separator member 2, thereby forming the adhesive recess 9. The cooling medium flow path 6 formed between the cooling surface 5 of the anode separator member 1 and the cooling surface 5 of the cathode separator member 2, in which the cooling surfaces 5 are bonded together by the applied adhesive 15, is an adhesive. 15 is sealed.
冷却媒体ガスケット用凹部10は、冷却媒体ガスケットを使用しないため空間となっている。アノードセパレータ部材1の、水素をシールする燃料ガスガスケット用凹部7には燃料ガスガスケット12が設置され、カソードセパレータ部材2の空気をシールする酸化剤ガスガスケット用凹部8には酸化剤ガスガスケット13が設置されている。 The recess 10 for the cooling medium gasket is a space because no cooling medium gasket is used. A fuel gas gasket 12 is installed in the recess 7 for the fuel gas gasket that seals hydrogen of the anode separator member 1, and an oxidant gas gasket 13 is installed in the recess 8 for the oxidant gas gasket that seals air of the cathode separator member 2. is set up.
これにより、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11の冷却媒体の漏れについては、組み立て前に確認ができ、セパレータを一体化することで部品点数の削減が可能である。 Thereby, the leakage of the cooling medium of the gasket-attached cooling surface adhesive separator 11 can be confirmed before assembly, and the number of parts can be reduced by integrating the separator.
図7に示すように、本実施の形態のガスケット付きアノードセパレータ16は、アノードセパレータ部材1の燃料ガス流路3の外周側に形成された燃料ガスガスケット用凹部7に燃料ガスガスケット12を設置したものである。 As shown in FIG. 7, in the anode separator 16 with gasket of the present embodiment, the fuel gas gasket 12 is installed in the recess 7 for the fuel gas gasket formed on the outer peripheral side of the fuel gas flow path 3 of the anode separator member 1. Is.
図8に示すように、本実施の形態の電極−膜−枠接合体18は、電解質膜31と、電解質膜31の一方の主面に配置されたアノード32と、電解質膜31の他方の主面に配置されたカソード33と、を有する電解質膜−電極接合体35と、電解質膜−電極接合体35のアノード32とカソード33とに積層配置されるガス拡散層34と、電解質膜−電極接合体35の外周部分で露出する電解質膜31を覆うように電解質膜−電極接合体35を支持する枠体30とで、構成される。 As shown in FIG. 8, the electrode-membrane-frame assembly 18 of the present exemplary embodiment includes an electrolyte membrane 31, an anode 32 disposed on one main surface of the electrolyte membrane 31, and the other main portion of the electrolyte membrane 31. An electrolyte membrane-electrode assembly 35 having a cathode 33 disposed on the surface; a gas diffusion layer 34 disposed on the anode 32 and the cathode 33 of the electrolyte membrane-electrode assembly 35; and an electrolyte membrane-electrode junction The frame body 30 is configured to support the electrolyte membrane-electrode assembly 35 so as to cover the electrolyte membrane 31 exposed at the outer peripheral portion of the body 35.
図9に示すように、本実施の形態のセル積層体20は、水素、空気、イオン交換水の漏れ量が閾値内であるか判定可能なセルを積層したものである。ここでは5セル積層している。 As shown in FIG. 9, the cell stack 20 of the present embodiment is a stack of cells that can determine whether the amount of leakage of hydrogen, air, and ion exchange water is within a threshold. Here, five cells are stacked.
セル積層体20は、下方から、ガスケット付きアノードセパレータ16、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付きカソードセパレータ17の順で積層されている。 The cell laminate 20 includes, from below, an anode separator 16 with a gasket, an electrode-membrane-frame assembly 18, a cooling surface adhesive separator 11 with a gasket, an electrode-membrane-frame assembly 18, a cooling surface adhesive separator 11 with a gasket, and an electrode. -Membrane-frame assembly 18, gasketed cooling surface adhesive separator 11, electrode-membrane-frame assembly 18, gasketed cooling surface adhesive separator 11, electrode-membrane-frame assembly 18, gasketed cathode separator 17 in this order. Are stacked.
電極−膜−枠接合体18と燃料ガス流路3の間を流れる水素は、燃料ガスガスケット1
2によりシールされる。また、電極−膜−枠接合体18と酸化剤ガス流路4の間を流れる空気は、酸化剤ガスガスケット13によりシールされる。
Hydrogen flowing between the electrode-membrane-frame assembly 18 and the fuel gas flow path 3 is removed from the fuel gas gasket 1.
2 to seal. Air flowing between the electrode-membrane-frame assembly 18 and the oxidant gas flow path 4 is sealed by the oxidant gas gasket 13.
この構成により、セル積層体20の下面は、ガスケット付きアノードセパレータ16の冷却面5、セル積層体20の上面は、ガスケット付きカソードセパレータ17の冷却面5となっている。セル積層体20のガスケット付きカソードセパレータ17の冷却面5の上に、他のセル積層体20のガスケット付きアノードセパレータ16の冷却面5が当接し、冷却媒体ガスケット14により重ねたセル積層体20間の冷却媒体流路6を流れるイオン交換水はシールされる。 With this configuration, the lower surface of the cell laminate 20 is the cooling surface 5 of the anode separator 16 with gasket, and the upper surface of the cell laminate 20 is the cooling surface 5 of the cathode separator 17 with gasket. The cooling surface 5 of the anode separator 16 with gaskets of the other cell stacks 20 abuts on the cooling surface 5 of the cathode separator 17 with gaskets of the cell stack 20, and the cell stacks 20 overlapped by the cooling medium gasket 14. The ion exchange water flowing through the cooling medium flow path 6 is sealed.
アノードセパレータ部材1、カソードセパレータ部材2は、適度な機械的強度と導電性を有する。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。 The anode separator member 1 and the cathode separator member 2 have appropriate mechanical strength and conductivity. In this embodiment, a member formed by heat molding a kneaded product of graphite powder and a thermosetting resin is used.
燃料ガスガスケット12、酸化剤ガスガスケット13、冷却媒体ガスケット14は、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂である。本実施の形態では、フッ素ゴムを用いる。 The fuel gas gasket 12, the oxidant gas gasket 13, and the cooling medium gasket 14 are synthetic resins having appropriate mechanical strength and flexibility. In this embodiment, fluororubber is used.
接着剤15は、所定の高温耐久性と耐水性を有する。本実施の形態では、熱硬化性のエポキシ樹脂系接着剤を用いる。 The adhesive 15 has predetermined high temperature durability and water resistance. In this embodiment, a thermosetting epoxy resin adhesive is used.
枠体30は、適度な機械的強度と耐熱性、優れた耐薬品性を有する樹脂部材である。本実施の形態では、変性ポリフェニレンエーテルで形成された部材を用いる。 The frame 30 is a resin member having appropriate mechanical strength, heat resistance, and excellent chemical resistance. In the present embodiment, a member made of modified polyphenylene ether is used.
電解質膜31は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜であって、本実施の形態では、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜(米国DuPont社製のNafion(登録商標))を用いる。 The electrolyte membrane 31 is a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity, and in this embodiment, a fluorine-based polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA) is used. Use.
また、アノード32は、水素の酸化反応に対する触媒を含む層である。また、カソード33は、酸素の還元反応に対する触媒を含む層である。本実施の形態では、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いる。 The anode 32 is a layer containing a catalyst for the oxidation reaction of hydrogen. The cathode 33 is a layer containing a catalyst for oxygen reduction reaction. In the present embodiment, a porous member mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst and a polymer material having proton conductivity is used.
ガス拡散層34は、導電性と撥水性を有する多孔質の部材である。本実施の形態では、カーボンペーパーを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材に、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子樹脂である、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を分散させて構成された部材を用いる。 The gas diffusion layer 34 is a porous member having conductivity and water repellency. In the present embodiment, PTFE (polytetrafluoroethylene), which is a water-repellent polymer resin typified by a fluororesin, is dispersed in a conductive substrate having a porous structure manufactured using carbon paper. Use constructed members.
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池用セパレータ部材について、以下その動作、作用を説明する。 The operation and action of the fuel cell separator member of the present embodiment configured as described above will be described below.
まず、セル積層体20を構成する部品は、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、ガスケット付きアノードセパレータ16、ガスケット付きカソードセパレータ17、電極−膜−枠接合体18の4種類である。 First, there are four types of components that constitute the cell stack 20, that is, a cooling surface adhesive separator 11 with a gasket, an anode separator 16 with a gasket, a cathode separator 17 with a gasket, and an electrode-membrane-frame assembly 18.
ガスケット付き冷却面接着セパレータ11は、アノードセパレータ部材1の燃料ガスガスケット用凹部7に燃料ガスガスケット12を設置したものと、カソードセパレータ部材2の酸化剤ガスガスケット用凹部8に酸化剤ガスガスケット13を設置したものを、カソードセパレータ部材2の冷却面5にある接着剤用凹部9に接着剤15を塗布して、接着したものである。 The gasket-attached cooling surface adhesive separator 11 includes a fuel gas gasket 12 in the fuel gas gasket recess 7 of the anode separator member 1 and an oxidant gas gasket 13 in the oxidant gas gasket recess 8 of the cathode separator member 2. The installed one is obtained by applying an adhesive 15 to the adhesive recess 9 on the cooling surface 5 of the cathode separator member 2 and bonding it.
接着剤15を塗布するにあたり、接着剤用凹部9に隣接する冷却媒体ガスケット用凹部10があるが、接着剤用凹部9と冷却媒体ガスケット用凹部10の間にアノードセパレータ部材1との当接面がないので、接着剤用凹部9に塗布する接着剤15の量にバラツキが生じ、多過ぎた場合においても隣接する冷却媒体ガスケット用凹部10に接着剤15が溢れるため、冷却媒体流路6側に接着剤15が溢れてセパレータ部材同士の接触が妨げられることによる接触抵抗の増加を防止することができる。また、溢れた接着剤15により冷却媒体流路6が閉塞することもない。 In applying the adhesive 15, there is a cooling medium gasket recess 10 adjacent to the adhesive recess 9, but the contact surface of the anode separator member 1 between the adhesive recess 9 and the cooling medium gasket recess 10. Therefore, the amount of the adhesive 15 applied to the adhesive recess 9 varies, and the adhesive 15 overflows into the adjacent cooling medium gasket recess 10 even when the amount is too large. The increase in contact resistance due to the overflow of the adhesive 15 and hindering contact between the separator members can be prevented. Further, the cooling medium flow path 6 is not blocked by the overflowing adhesive 15.
また、浅い接着剤用凹部9が冷却媒体ガスケット用凹部10よりも冷却媒体流路6側にあることで、接着面の面積が小さくなり接着剤の量を削減することができる。また、接着面と冷却媒体流路の間に空間がないためイオン交換水が空間をショートカットすることがなくなり、冷却媒体流路6にイオン交換水を安定して流すことができる。 In addition, since the shallow adhesive concave portion 9 is closer to the cooling medium flow path 6 than the cooling medium gasket concave portion 10, the area of the adhesive surface is reduced, and the amount of adhesive can be reduced. In addition, since there is no space between the bonding surface and the cooling medium flow path, the ion exchange water does not shortcut the space, and the ion exchange water can flow stably through the cooling medium flow path 6.
ガスケット付きアノードセパレータ16は、アノードセパレータ部材1の燃料ガスガスケット用凹部7に燃料ガスガスケット12を設置することで、できる。 The anode separator 16 with a gasket can be formed by installing the fuel gas gasket 12 in the fuel gas gasket recess 7 of the anode separator member 1.
ガスケット付きカソードセパレータ17は、カソードセパレータ部材2の酸化剤ガスガスケット用凹部8に酸化剤ガスガスケット13と冷却媒体ガスケット用凹部10に冷却媒体ガスケット14を設置することで、できる。 The cathode separator 17 with a gasket can be formed by installing the oxidant gas gasket 13 in the oxidant gas gasket recess 8 of the cathode separator member 2 and the cooling medium gasket 14 in the cooling medium gasket recess 10.
このとき、ガスケット用凹部の深さは、ガスケットに応じて適切な圧縮率になるように設定されている。冷却媒体ガスケット用凹部10に隣接する接着剤用凹部9があるが、明らかにずれているため、冷却媒体ガスケット14を設置して圧縮して使用しても、漏れにつながるような懸念や耐久性への問題もない。 At this time, the depth of the recess for the gasket is set so as to have an appropriate compression rate according to the gasket. Although there is an adhesive recess 9 adjacent to the cooling medium gasket recess 10, it is clearly displaced, so there is a concern or durability that may lead to leakage even if the cooling medium gasket 14 is installed and compressed. There is no problem.
上記に示すように、使用する燃料電池用セパレータ部材は、アノードセパレータ部材1とカソードセパレータ部材2の2種類だけである。 As shown above, there are only two types of fuel cell separator members, the anode separator member 1 and the cathode separator member 2 to be used.
これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行いやすく、接着剤用の凹部とガスケット用の凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。 As a result, the number of parts that make up the cell stack is the same as in the past, but since the types of separator members can be reduced, the capital investment for manufacturing separator members can be reduced, the separator members can be easily managed, and for adhesives. The risk of defects due to misuse of similar separator members that differ only in the depth of the recesses and the recesses for the gaskets is reduced.
なお、本実施の形態では、ガスケットはオーリングのように断面が円形状で着脱可能形状であるが、円形状である必要はない。アノードセパレータ部材1、カソードセパレータ部材2、電極−膜−枠接合体18のどちらかに一体とすることもできる。また、カソードセパレータ部材2に冷却媒体流路溝を形成しているが、アノードセパレータ部材1の冷却面側に形成することもできるとともに両面に形成することもできる。 In this embodiment, the gasket has a circular cross section and can be attached and detached like an O-ring. However, the gasket need not be circular. The anode separator member 1, the cathode separator member 2, and the electrode-membrane-frame assembly 18 may be integrated. Moreover, although the cooling medium flow path groove | channel is formed in the cathode separator member 2, it can be formed in the cooling surface side of the anode separator member 1, and can also be formed in both surfaces.
また、冷却媒体流路6は、サーペンタイン形状でも、ストレート形状や渦巻き形状に形成されても良い。また、セパレータ部材には黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金属材料を使用することができる。 The cooling medium flow path 6 may be a serpentine shape, a straight shape, or a spiral shape. In addition, the separator member was a member formed by thermoforming a kneaded product of graphite powder and thermosetting resin. In addition to this, it was formed by thermoforming a kneaded product of carbon powder and thermoplastic resin. A metal material can be used by applying gold plating to the surface of the formed member or a plate made of titanium or stainless steel.
また、ガスケット材料にはフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、EPDM、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。 In addition, fluororubber is used as the gasket material, but other than these, thermoplastic elastomers such as silicone rubber, natural rubber, EPDM, butyl rubber, butyl rubber, polystyrene, polyolefin, polyester and polyamide are used. be able to.
また、接着剤15には、熱硬化性のエポキシ樹脂系接着剤を用いたが、所定の高温耐久性と耐水性を有していれば、熱可塑性でもよく、液状であっても、シート状であっても良い。 Moreover, although the thermosetting epoxy resin adhesive was used for the adhesive 15, it may be thermoplastic as long as it has a predetermined high temperature durability and water resistance, It may be.
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における燃料電池スタックの構成は実施の形態1と同じであり、実施の形態2における燃料電池スタックの構成は、図1に示すものである。
(Embodiment 2)
The configuration of the fuel cell stack in the second embodiment of the present invention is the same as that in the first embodiment, and the configuration of the fuel cell stack in the second embodiment is as shown in FIG.
本発明の実施の形態2における燃料電池スタックを図1のA−A線で切断した断面は実施の形態1と同じであり、実施の形態2における燃料電池スタックを図1のA−A線で切断した断面は、図2に示すものである。 The cross section of the fuel cell stack according to the second embodiment of the present invention taken along line AA in FIG. 1 is the same as that in the first embodiment, and the fuel cell stack according to the second embodiment is taken along line AA in FIG. The cut section is shown in FIG.
本発明の実施の形態2における電極−膜−枠接合体を図1のA−A線で切断した断面は実施の形態1と同じであり、実施の形態2における電極−膜−枠接合体を図1のA−A線で切断した断面は、図8に示すものである。 The cross section of the electrode-membrane-frame assembly in Embodiment 2 of the present invention cut along the line AA in FIG. 1 is the same as that in Embodiment 1, and the electrode-membrane-frame assembly in Embodiment 2 is the same. A cross section taken along line AA in FIG. 1 is shown in FIG.
図10は、本発明の実施の形態2におけるカソードセパレータ部材を図1のA−A線で切断した断面図である。図11は、本発明の実施の形態2におけるアノードセパレータ部材を図1のA−A線で切断した断面図である。図12は、本発明の実施の形態2におけるガスケット付きカソードセパレータを図1のA−A線で切断した断面図である。 FIG. 10 is a cross-sectional view of the cathode separator member according to Embodiment 2 of the present invention, cut along line AA in FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view of the anode separator member according to Embodiment 2 of the present invention, cut along line AA in FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view of the gasket-equipped cathode separator according to the second embodiment of the present invention, cut along line AA in FIG.
図13は、本発明の実施の形態2におけるガスケット付き冷却面接着セパレータを図1のA−A線で切断した断面図である。図14は、本発明の実施の形態2におけるガスケット付きアノードセパレータを図1のA−A線で切断した断面図である。図15は、本発明の実施の形態2におけるセル積層体を図1のA−A線で切断した断面図である。 13 is a cross-sectional view of the gasket-attached cooling surface adhesive separator according to Embodiment 2 of the present invention, taken along line AA in FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view of the gasketed anode separator according to Embodiment 2 of the present invention, cut along line AA in FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view of the cell stack according to Embodiment 2 of the present invention, cut along line AA in FIG.
図1に示すように、本実施の形態の燃料電池スタック90は、セルを積層したスタック部91を集電板40,41で挟み、さらに、その外側にエンドプレート70,77を配置し、ボルト80でエンドプレート間を締結し圧力を加えている。 As shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 90 of the present embodiment, a stack portion 91 in which cells are stacked is sandwiched between current collector plates 40 and 41, and end plates 70 and 77 are arranged on the outside thereof, and bolts At 80, the end plates are fastened and pressure is applied.
エンドプレート70の上面からは、燃料ガスとして水素を導入および排出するための、燃料ガス導入口71、燃料ガス排出口72、酸化剤ガスとして空気を導入および排出するための、酸化剤ガス導入口73、酸化剤ガス排出口74、冷却媒体としてイオン交換水を導入および排出する為の冷却媒体導入口75、冷却媒体排出口76を備えている。 From the upper surface of the end plate 70, a fuel gas inlet 71, a fuel gas outlet 72 for introducing and discharging hydrogen as a fuel gas, and an oxidant gas inlet for introducing and discharging air as an oxidant gas. 73, an oxidant gas outlet 74, a cooling medium inlet 75 for introducing and discharging ion-exchanged water as a cooling medium, and a cooling medium outlet 76.
図2に示すように、本実施の形態のスタック部91は、複数のセル積層体20を積み重ねて形成され、その両端に集電板40,41、その外側に絶縁板42,43、さらに、その外側にエンドプレート70,77が配置されている。 As shown in FIG. 2, the stack portion 91 of the present embodiment is formed by stacking a plurality of cell stacks 20, current collector plates 40, 41 at both ends, insulating plates 42, 43 at the outside, End plates 70 and 77 are arranged on the outside thereof.
図8に示すように、本実施の形態の電極−膜−枠接合体18は、電解質膜31と、電解質膜31の一方の主面に配置されたアノード32と、電解質膜31の他方の主面に配置されたカソード33と、を有する電解質膜−電極接合体35と、電解質膜−電極接合体35のアノード32とカソード33とに積層配置されるガス拡散層34と、電解質膜−電極接合体35の外周部分で露出する電解質膜31を覆うように電解質膜−電極接合体35を支持する枠体30とで、構成される。 As shown in FIG. 8, the electrode-membrane-frame assembly 18 of the present exemplary embodiment includes an electrolyte membrane 31, an anode 32 disposed on one main surface of the electrolyte membrane 31, and the other main portion of the electrolyte membrane 31. An electrolyte membrane-electrode assembly 35 having a cathode 33 disposed on the surface; a gas diffusion layer 34 disposed on the anode 32 and the cathode 33 of the electrolyte membrane-electrode assembly 35; and an electrolyte membrane-electrode junction The frame body 30 is configured to support the electrolyte membrane-electrode assembly 35 so as to cover the electrolyte membrane 31 exposed at the outer peripheral portion of the body 35.
図10に示すように、本実施の形態のカソードセパレータ部材22は、電極−膜−枠接合体18のカソード33側のガス拡散層34と対向する一方の主面に、酸化剤ガスとしての空気が流れる酸化剤ガス流路4と、酸化剤ガス流路4の外周部に酸化剤ガスガスケット用凹部8とが形成され、他方の主面(冷却面5)に、冷却媒体としてのイオン交換水が流
れる冷却媒体流路6と、冷却媒体流路6の外周部に第2凹部となる冷却媒体ガスケット用凹部10が形成されている。
As shown in FIG. 10, the cathode separator member 22 of the present embodiment has air as an oxidant gas on one main surface facing the gas diffusion layer 34 on the cathode 33 side of the electrode-membrane-frame assembly 18. The oxidant gas flow path 4 through which the oxidant gas flows and the oxidant gas gasket recess 8 are formed in the outer periphery of the oxidant gas flow path 4, and the other main surface (cooling surface 5) has ion-exchanged water as a cooling medium. The cooling medium flow path 6 through which the cooling medium flows and a cooling medium gasket recess 10 serving as a second recess are formed on the outer periphery of the cooling medium flow path 6.
酸化剤ガスガスケット用凹部8には、酸化剤ガス流路4の空気をシールする酸化剤ガスガスケットが収容され、冷却媒体ガスケット用凹部10には、冷却媒体流路6のイオン交換水をシールする冷却媒体ガスケットが収容される。 The oxidant gas gasket recess 8 houses an oxidant gas gasket that seals the air in the oxidant gas flow path 4, and the cooling medium gasket recess 10 seals the ion exchange water in the cooling medium flow path 6. A cooling medium gasket is received.
冷却媒体ガスケット用凹部10は、冷却媒体ガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定され、酸化剤ガスガスケット用凹部8は、酸化剤ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。 The cooling medium gasket recess 10 is set to a depth and width suitable for accommodating and arranging the cooling medium gasket, and the oxidant gas gasket recess 8 is suitable for accommodating and arranging the oxidant gas gasket. Is set to
また、図11に示すように、本実施の形態のアノードセパレータ部材21は、電極−膜−枠接合体18のアノード32側のガス拡散層34と対向する一方の主面に、燃料ガスとしての水素が流れる燃料ガス流路3と、燃料ガス流路3の外周部に燃料ガスガスケット用凹部7とが形成され、他方の平坦な主面(冷却面5)が、カソードセパレータ部材22の冷却面5と当接する。 Further, as shown in FIG. 11, the anode separator member 21 of the present embodiment has a fuel gas as fuel gas on one main surface facing the gas diffusion layer 34 on the anode 32 side of the electrode-membrane-frame assembly 18. A fuel gas passage 3 through which hydrogen flows and a fuel gas gasket recess 7 are formed on the outer periphery of the fuel gas passage 3, and the other flat main surface (cooling surface 5) is a cooling surface of the cathode separator member 22. 5 abuts.
アノードセパレータ部材21の冷却面5において、アノードセパレータ部材21の冷却面5をカソードセパレータ部材22の冷却面5と当接させた場合に、カソードセパレータ部材22の冷却媒体ガスケット用凹部10の内周側に隣接する箇所に、接着剤用凹部9が形成されている。 In the cooling surface 5 of the anode separator member 21, when the cooling surface 5 of the anode separator member 21 is brought into contact with the cooling surface 5 of the cathode separator member 22, the inner peripheral side of the cooling medium gasket recess 10 of the cathode separator member 22. An adhesive recess 9 is formed at a location adjacent to.
接着剤用凹部9は、アノードセパレータ部材21の冷却面5をカソードセパレータ部材22の冷却面5と当接させた場合に、冷却媒体ガスケット用凹部10よりも冷却媒体流路6側に位置するように形成されている。 When the cooling surface 5 of the anode separator member 21 is brought into contact with the cooling surface 5 of the cathode separator member 22, the adhesive recess 9 is positioned closer to the cooling medium flow path 6 than the cooling medium gasket recess 10. Is formed.
燃料ガスガスケット用凹部7は、水素をシールする燃料ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されており、接着剤用凹部9には、アノードセパレータ部材21の冷却面5とカソードセパレータ部材22の冷却面5とを接着させる接着剤15が塗布される。 The recess 7 for the fuel gas gasket is set to a depth and width suitable for accommodating and arranging the fuel gas gasket for sealing hydrogen. The recess 9 for the adhesive includes the cooling surface 5 of the anode separator member 21 and the cathode. An adhesive 15 that adheres the cooling surface 5 of the separator member 22 is applied.
接着剤用凹部9は、アノードセパレータ部材21の冷却面5とカソードセパレータ部材22の冷却面5とを接着剤15で接着させて冷却媒体流路6を流れるイオン交換水をシールするのに適した深さと幅に設定されている。 The adhesive recess 9 is suitable for sealing ion-exchanged water flowing through the cooling medium flow path 6 by bonding the cooling surface 5 of the anode separator member 21 and the cooling surface 5 of the cathode separator member 22 with an adhesive 15. Set to depth and width.
図12に示すように、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ17は、カソードセパレータ部材22の酸化剤ガス流路4が形成された面における酸化剤ガス流路4の外周側に形成された酸化剤ガスガスケット用凹部8に、酸化剤ガスガスケット13を設置し、その裏面の冷却面5の冷却媒体流路6の外周側に形成された冷却媒体ガスケット用凹部10に冷却媒体ガスケット14を設置したものである。 As shown in FIG. 12, the cathode separator 17 with a gasket according to the present embodiment has an oxidation formed on the outer peripheral side of the oxidant gas channel 4 on the surface of the cathode separator member 22 where the oxidant gas channel 4 is formed. An oxidant gas gasket 13 is installed in the concave part 8 for the agent gas gasket, and a cooling medium gasket 14 is installed in the concave part 10 for the cooling medium gasket formed on the outer peripheral side of the cooling medium flow path 6 of the cooling surface 5 on the back surface. Is.
図13に示すように、本実施の形態のガスケット付き冷却面接着セパレータ11は、アノードセパレータ部材21の冷却面5とカソードセパレータ部材22の冷却面5を当接させて、接着剤用凹部9に塗布した接着剤15にて冷却面5同士を接着している、アノードセパレータ部材1の冷却面5とカソードセパレータ部材2の冷却面5との間に構成される冷却媒体流路6は、接着剤15によってシールされている。 As shown in FIG. 13, the gasket-attached cooling surface adhesive separator 11 of the present embodiment brings the cooling surface 5 of the anode separator member 21 and the cooling surface 5 of the cathode separator member 22 into contact with the adhesive recess 9. The cooling medium flow path 6 formed between the cooling surface 5 of the anode separator member 1 and the cooling surface 5 of the cathode separator member 2, in which the cooling surfaces 5 are bonded together by the applied adhesive 15, is an adhesive. 15 is sealed.
アノードセパレータ部材21の冷却面5とカソードセパレータ部材22の冷却面5を当接させたときに、冷却媒体ガスケット用凹部10と接着剤用凹部9は、1つの空間を構成する。 When the cooling surface 5 of the anode separator member 21 and the cooling surface 5 of the cathode separator member 22 are brought into contact with each other, the cooling medium gasket recess 10 and the adhesive recess 9 constitute one space.
冷却媒体ガスケット用凹部10は、冷却媒体ガスケットを使用しないため空間となっている。アノードセパレータ部材21の、水素をシールする燃料ガスガスケット用凹部7には燃料ガスガスケット12が設置され、カソードセパレータ部材22の空気をシールする酸化剤ガスガスケット用凹部8には酸化剤ガスガスケット13が設置されている。 The recess 10 for the cooling medium gasket is a space because no cooling medium gasket is used. A fuel gas gasket 12 is provided in the recess 7 for the fuel gas gasket that seals hydrogen of the anode separator member 21, and an oxidant gas gasket 13 is provided in the recess 8 for the oxidant gas gasket that seals air of the cathode separator member 22. is set up.
これにより、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11のイオン交換水の漏れについては、組み立て前に確認ができ、セパレータを一体化することで部品点数の削減が可能である。 Thereby, the leakage of the ion exchange water of the gasket-attached cooling surface adhesive separator 11 can be confirmed before assembly, and the number of parts can be reduced by integrating the separator.
図14に示すように、本実施の形態のガスケット付きアノードセパレータ16は、アノードセパレータ部材21の、燃料ガス流路3の外側にある水素をシールする燃料ガスガスケット用凹部に燃料ガスガスケット12が設置されている。また、その裏面の冷却面5にある接着剤用凹部9には、接着剤は使用しないため何も設置しない。 As shown in FIG. 14, the anode separator 16 with gasket of the present embodiment has the fuel gas gasket 12 installed in the recess for the fuel gas gasket that seals hydrogen outside the fuel gas flow path 3 of the anode separator member 21. Has been. In addition, no adhesive is used in the adhesive recess 9 on the cooling surface 5 on the back side, so nothing is installed.
図15に示すように、本実施の形態のセル積層体20は、水素、空気、イオン交換水の漏れ量が閾値内であるか判定可能なセルを積層したものである。ここでは5セル積層している。 As shown in FIG. 15, the cell stack 20 of the present embodiment is a stack of cells that can determine whether the leakage of hydrogen, air, or ion exchange water is within a threshold. Here, five cells are stacked.
セル積層体20は、下方から、ガスケット付きアノードセパレータ16、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付きカソードセパレータ17の順で積層されている。 The cell laminate 20 includes, from below, an anode separator 16 with a gasket, an electrode-membrane-frame assembly 18, a cooling surface adhesive separator 11 with a gasket, an electrode-membrane-frame assembly 18, a cooling surface adhesive separator 11 with a gasket, and an electrode. -Membrane-frame assembly 18, gasketed cooling surface adhesive separator 11, electrode-membrane-frame assembly 18, gasketed cooling surface adhesive separator 11, electrode-membrane-frame assembly 18, gasketed cathode separator 17 in this order. Are stacked.
電極−膜−枠接合体18と燃料ガス流路3の間を流れる水素は、燃料ガスガスケット12によりシールされる。また、電極−膜−枠接合体18と酸化剤ガス流路4の間を流れる空気は、酸化剤ガスガスケット13によりシールされる。 Hydrogen flowing between the electrode-membrane-frame assembly 18 and the fuel gas flow path 3 is sealed by the fuel gas gasket 12. Air flowing between the electrode-membrane-frame assembly 18 and the oxidant gas flow path 4 is sealed by the oxidant gas gasket 13.
この構成により、セル積層体20の下面は、ガスケット付きアノードセパレータ16の冷却面5、セル積層体20の上面は、ガスケット付きカソードセパレータ17の冷却面5となっている。 With this configuration, the lower surface of the cell laminate 20 is the cooling surface 5 of the anode separator 16 with gasket, and the upper surface of the cell laminate 20 is the cooling surface 5 of the cathode separator 17 with gasket.
セル積層体20のガスケット付きカソードセパレータ17の冷却面5の上に、他のセル積層体20のガスケット付きアノードセパレータ16の冷却面5が当接し、冷却媒体ガスケット14により重ねたセル積層体20間の冷却媒体流路6を流れるイオン交換水はシールされる。 The cooling surface 5 of the anode separator 16 with gaskets of the other cell stacks 20 abuts on the cooling surface 5 of the cathode separator 17 with gaskets of the cell stack 20, and the cell stacks 20 overlapped by the cooling medium gasket 14. The ion exchange water flowing through the cooling medium flow path 6 is sealed.
アノードセパレータ部材21、カソードセパレータ部材22は、適度な機械的強度と導電性を有する。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。 The anode separator member 21 and the cathode separator member 22 have appropriate mechanical strength and conductivity. In this embodiment, a member formed by heat molding a kneaded product of graphite powder and a thermosetting resin is used.
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池用セパレータ部材について、以下その動作、作用を説明する。 The operation and action of the fuel cell separator member of the present embodiment configured as described above will be described below.
まず、セル積層体20を構成する部品は、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、ガスケット付きアノードセパレータ16、ガスケット付きカソードセパレータ17、電極−膜−枠接合体18の4種類である。 First, there are four types of components that constitute the cell stack 20, that is, a cooling surface adhesive separator 11 with a gasket, an anode separator 16 with a gasket, a cathode separator 17 with a gasket, and an electrode-membrane-frame assembly 18.
ガスケット付き冷却面接着セパレータ11は、アノードセパレータ部材21の燃料ガスガスケット用凹部7に燃料ガスガスケット12を設置したものと、カソードセパレータ部材22の酸化剤ガスガスケット用凹部8に酸化剤ガスガスケット13を設置したものを、アノードセパレータ部材21の冷却面5にある接着剤用凹部9に接着剤15を塗布して、接着したものである。 The gasket-attached cooling surface adhesive separator 11 includes a fuel gas gasket 12 provided in the fuel gas gasket recess 7 of the anode separator member 21 and an oxidant gas gasket 13 provided in the oxidant gas gasket recess 8 of the cathode separator member 22. The installation is applied by applying an adhesive 15 to the adhesive recess 9 in the cooling surface 5 of the anode separator member 21 and bonding it.
接着剤15の塗布を冷却面5に冷却媒体流路や冷却媒体ガスケット用凹部がない状態でできるため、接着剤による汚染を低減できる。また、接着剤用凹部と冷却媒体ガスケット用凹部と組み合わせて当接部をなくして1つの空間にすることもできるので、接着剤用凹部9に塗布する接着剤15の量にバラツキが生じ、多過ぎた場合においても隣接する冷却媒体ガスケット用凹部10に接着剤15が溢れるため、冷却媒体流路6側に接着剤15が溢れてセパレータ部材同士の接触が妨げられることによる接触抵抗の増加を防止することができる。 Since the adhesive 15 can be applied without the cooling medium flow path or the cooling medium gasket recess on the cooling surface 5, contamination by the adhesive can be reduced. In addition, since the concave portion for the adhesive and the concave portion for the cooling medium gasket can be combined to eliminate the abutting portion and form a single space, the amount of the adhesive 15 applied to the concave portion for adhesive 9 varies, resulting in a large amount. Even if it passes, the adhesive 15 overflows in the adjacent recess 10 for the cooling medium gasket, so that the adhesive 15 overflows on the cooling medium flow path 6 side to prevent the contact resistance from increasing due to the contact between the separator members being prevented. can do.
また、溢れた接着剤15により冷却媒体流路6が閉塞することもない。また、浅い接着剤用凹部9が冷却媒体ガスケット用凹部10よりも冷却媒体流路6側にあることで、接着面の面積が小さくなり接着剤の量を削減することができる。また、接着面と冷却媒体流路の間に空間がないためイオン交換水が空間をショートカットすることがなくなり、冷却媒体流路6にイオン交換水を安定して流すことができる。 Further, the cooling medium flow path 6 is not blocked by the overflowing adhesive 15. In addition, since the shallow adhesive concave portion 9 is closer to the cooling medium flow path 6 than the cooling medium gasket concave portion 10, the area of the adhesive surface is reduced, and the amount of adhesive can be reduced. In addition, since there is no space between the bonding surface and the cooling medium flow path, the ion exchange water does not shortcut the space, and the ion exchange water can flow stably through the cooling medium flow path 6.
ガスケット付きアノードセパレータ16は、アノードセパレータ部材21の燃料ガスガスケット用凹部7に燃料ガスガスケット12を設置することでできる。 The anode separator 16 with a gasket can be formed by installing the fuel gas gasket 12 in the fuel gas gasket recess 7 of the anode separator member 21.
ガスケット付きカソードセパレータ17は、カソードセパレータ部材22の酸化剤ガスガスケット用凹部8に酸化剤ガスガスケット13と冷却媒体ガスケット用凹部10に冷却媒体ガスケット14を設置することでできる。 The cathode separator 17 with a gasket can be formed by installing the oxidant gas gasket 13 in the oxidant gas gasket recess 8 of the cathode separator member 22 and the cooling medium gasket 14 in the coolant medium recess 10.
このとき、ガスケット用凹部の深さは、ガスケットに応じて適切な圧縮率になるように設定されている。冷却媒体ガスケット用凹部10に隣接する接着剤用凹部9があるが、明らかにずれているため、冷却媒体ガスケット14を設置して圧縮して使用しても、漏れにつながるような懸念や耐久性への問題もない。 At this time, the depth of the recess for the gasket is set so as to have an appropriate compression rate according to the gasket. Although there is an adhesive recess 9 adjacent to the cooling medium gasket recess 10, it is clearly displaced, so there is a concern or durability that may lead to leakage even if the cooling medium gasket 14 is installed and compressed. There is no problem.
上記に示すように、使用する燃料電池用セパレータ部材は、アノードセパレータ部材21とカソードセパレータ部材22の2種類だけである。 As described above, there are only two types of fuel cell separator members, the anode separator member 21 and the cathode separator member 22.
これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行いやすく、接着剤用の凹部とガスケット用の凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。 As a result, the number of parts that make up the cell stack is the same as in the past, but since the types of separator members can be reduced, the capital investment for manufacturing separator members can be reduced, the separator members can be easily managed, and for adhesives. The risk of defects due to misuse of similar separator members that differ only in the depth of the recesses and the recesses for the gaskets is reduced.
なお、本実施の形態では、ガスケットはオーリングのように断面が円形状で着脱可能形状であるが、円形状である必要はない。アノードセパレータ部材21、カソードセパレータ部材22、電極−膜−枠接合体18のどちらかに一体とすることもできる。また、カソードセパレータ部材22に冷却媒体流路溝を形成しているが、アノードセパレータ部材21の冷却面側に形成することもできるとともに両面に形成することもできる。 In this embodiment, the gasket has a circular cross section and can be attached and detached like an O-ring. However, the gasket need not be circular. The anode separator member 21, the cathode separator member 22, and the electrode-membrane-frame assembly 18 may be integrated. Further, although the cooling medium flow channel is formed in the cathode separator member 22, it can be formed on the cooling surface side of the anode separator member 21 and can be formed on both surfaces.
また、冷却媒体流路6は、サーペンタイン形状でも、ストレート形状や渦巻き形状に形成されても良い。また、セパレータ部材には黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金
属材料を使用することができる。
The cooling medium flow path 6 may be a serpentine shape, a straight shape, or a spiral shape. In addition, the separator member was a member formed by thermoforming a kneaded product of graphite powder and thermosetting resin. In addition to this, it was formed by thermoforming a kneaded product of carbon powder and thermoplastic resin. A metal material can be used by applying gold plating to the surface of the formed member or a plate made of titanium or stainless steel.
また、ガスケット材料にはフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、EPDM、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。また、接着剤15には、熱硬化性のエポキシ樹脂系接着剤を用いたが、所定の高温耐久性と耐水性を有していれば、熱可塑性でもよく、液状であっても、シート状であっても良い。 In addition, fluororubber is used as the gasket material, but other than these, thermoplastic elastomers such as silicone rubber, natural rubber, EPDM, butyl rubber, butyl rubber, polystyrene, polyolefin, polyester and polyamide are used. be able to. Moreover, although the thermosetting epoxy resin adhesive was used for the adhesive 15, it may be thermoplastic as long as it has a predetermined high temperature durability and water resistance, It may be.
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3における燃料電池スタックの構成は実施の形態1と同じであり、実施の形態3における燃料電池スタックの構成は、図1に示すものである。
(Embodiment 3)
The configuration of the fuel cell stack according to Embodiment 3 of the present invention is the same as that of Embodiment 1, and the configuration of the fuel cell stack according to Embodiment 3 is shown in FIG.
本発明の実施の形態3における燃料電池スタックを図1のA−A線で切断した断面は実施の形態1と同じであり、実施の形態3における燃料電池スタックを図1のA−A線で切断した断面は、図2に示すものである。 The cross section of the fuel cell stack according to the third embodiment of the present invention taken along the line AA in FIG. 1 is the same as that in the first embodiment, and the fuel cell stack in the third embodiment is taken along the line AA in FIG. The cut section is shown in FIG.
本発明の実施の形態3におけるアノードセパレータ部材を図1のA−A線で切断した断面は実施の形態1と同じであり、実施の形態3におけるアノードセパレータ部材を図1のA−A線で切断した断面は、図4に示すものである。 The cross section of the anode separator member according to the third embodiment of the present invention taken along the line AA in FIG. 1 is the same as that in the first embodiment, and the anode separator member in the third embodiment is taken along the line AA in FIG. The cut section is shown in FIG.
本発明の実施の形態3におけるガスケット付きアノードセパレータを図1のA−A線で切断した断面は実施の形態1と同じであり、実施の形態3におけるガスケット付きアノードセパレータを図1のA−A線で切断した断面は、図7に示すものである。 The cross section of the gasketed anode separator according to Embodiment 3 of the present invention taken along line AA in FIG. 1 is the same as that in Embodiment 1, and the gasketed anode separator according to Embodiment 3 is taken along line AA in FIG. A cross section taken along the line is shown in FIG.
本発明の実施の形態3における電極−膜−枠接合体を図1のA−A線で切断した断面は実施の形態1と同じであり、実施の形態3における電極−膜−枠接合体を図1のA−A線で切断した断面は、図8に示すものである。 The cross section of the electrode-membrane-frame assembly in Embodiment 3 of the present invention cut along the line AA in FIG. 1 is the same as that in Embodiment 1, and the electrode-membrane-frame assembly in Embodiment 3 is the same. A cross section taken along line AA in FIG. 1 is shown in FIG.
図16は、本発明の実施の形態3におけるカソードセパレータ部材を図1のA−A線で切断した断面図である。図17は、本発明の実施の形態3におけるガスケット付きカソードセパレータを図1のA−A線で切断した断面図である。図18は、本発明の実施の形態3におけるガスケット付き冷却面接着セパレータを図1のA−A線で切断した断面図である。図19は、本発明の実施の形態3におけるセル積層体を図1のA−A線で切断した断面図である。 FIG. 16 is a cross-sectional view of the cathode separator member according to the third embodiment of the present invention cut along line AA in FIG. 17 is a cross-sectional view of the gasket-equipped cathode separator according to Embodiment 3 of the present invention, cut along line AA in FIG. 18 is a cross-sectional view of the gasket-attached cooling surface adhesive separator according to Embodiment 3 of the present invention, taken along line AA in FIG. FIG. 19 is a cross-sectional view of the cell stack according to Embodiment 3 of the present invention, cut along line AA in FIG.
図1に示すように、本実施の形態の燃料電池スタック90は、セルを積層したスタック部91を集電板40,41で挟み、さらに、その外側にエンドプレート70,77を配置し、ボルト80でエンドプレート間を締結し圧力を加えている。 As shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 90 of the present embodiment, a stack portion 91 in which cells are stacked is sandwiched between current collector plates 40 and 41, and end plates 70 and 77 are arranged on the outside thereof, and bolts At 80, the end plates are fastened and pressure is applied.
エンドプレート70の上面からは、燃料ガスとして水素を導入および排出するための、燃料ガス導入口71、燃料ガス排出口72、酸化剤ガスとして空気を導入および排出するための、酸化剤ガス導入口73、酸化剤ガス排出口74、冷却媒体としてイオン交換水を導入および排出する為の冷却媒体導入口75、冷却媒体排出口76を備えている。 From the upper surface of the end plate 70, a fuel gas inlet 71, a fuel gas outlet 72 for introducing and discharging hydrogen as a fuel gas, and an oxidant gas inlet for introducing and discharging air as an oxidant gas. 73, an oxidant gas outlet 74, a cooling medium inlet 75 for introducing and discharging ion-exchanged water as a cooling medium, and a cooling medium outlet 76.
図2に示すように、本実施の形態のスタック部91は、複数のセル積層体20を積み重ねて形成され、その両端に集電板40,41、その外側に絶縁板42,43、さらにその外側にエンドプレート70,77が配置されている。 As shown in FIG. 2, the stack portion 91 of the present embodiment is formed by stacking a plurality of cell stacks 20, current collector plates 40, 41 at both ends, insulating plates 42, 43 at the outside, and further End plates 70 and 77 are arranged outside.
図4に示すように、本実施の形態のアノードセパレータ部材1は、電極−膜−枠接合体18のアノード32側のガス拡散層34と対向する一方の主面に、燃料ガスとしての水素
が流れる燃料ガス流路3と、燃料ガス流路3の外周部に燃料ガスガスケット用凹部7とが形成され、他方の平坦な主面(冷却面5)が、本実施の形態のカソードセパレータ部材の冷却面と当接する。燃料ガスガスケット用凹部7は、水素をシールする燃料ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。
As shown in FIG. 4, the anode separator member 1 of the present embodiment has hydrogen as a fuel gas on one main surface facing the gas diffusion layer 34 on the anode 32 side of the electrode-membrane-frame assembly 18. The flowing fuel gas channel 3 and the fuel gas gasket recess 7 are formed on the outer periphery of the fuel gas channel 3, and the other flat main surface (cooling surface 5) of the cathode separator member of the present embodiment. Contact the cooling surface. The recess 7 for the fuel gas gasket is set to a depth and width suitable for accommodating and arranging the fuel gas gasket for sealing hydrogen.
図7に示すように、本実施の形態のガスケット付きアノードセパレータ16は、アノードセパレータ部材1の燃料ガス流路3の外周側に形成された燃料ガスガスケット用凹部7に燃料ガスガスケット12を設置したものである。 As shown in FIG. 7, in the anode separator 16 with gasket of the present embodiment, the fuel gas gasket 12 is installed in the recess 7 for the fuel gas gasket formed on the outer peripheral side of the fuel gas flow path 3 of the anode separator member 1. Is.
図8に示すように、本実施の形態の電極−膜−枠接合体18は、電解質膜31と、電解質膜31の一方の主面に配置されたアノード32と、電解質膜31の他方の主面に配置されたカソード33と、を有する電解質膜−電極接合体35と、電解質膜−電極接合体35のアノード32とカソード33とに積層配置されるガス拡散層34と、電解質膜−電極接合体35の外周部分で露出する電解質膜31を覆うように電解質膜−電極接合体35を支持する枠体30とで、構成される。 As shown in FIG. 8, the electrode-membrane-frame assembly 18 of the present exemplary embodiment includes an electrolyte membrane 31, an anode 32 disposed on one main surface of the electrolyte membrane 31, and the other main portion of the electrolyte membrane 31. An electrolyte membrane-electrode assembly 35 having a cathode 33 disposed on the surface; a gas diffusion layer 34 disposed on the anode 32 and the cathode 33 of the electrolyte membrane-electrode assembly 35; and an electrolyte membrane-electrode junction The frame body 30 is configured to support the electrolyte membrane-electrode assembly 35 so as to cover the electrolyte membrane 31 exposed at the outer peripheral portion of the body 35.
図16に示すように、本実施の形態のカソードセパレータ部材23は、電極−膜−枠接合体18のカソード33側のガス拡散層と対向する一方の主面に、酸化剤ガスとしての空気が流れる酸化剤ガス流路4と、酸化剤ガス流路4の外周部に酸化剤ガスガスケット用凹部8とが形成され、他方の主面(冷却面5)に、冷却媒体としてのイオン交換水が流れる冷却媒体流路6と、冷却媒体流路6の外周部に第1凹部となる接着剤用凹部9と、接着剤用凹部9の外側に第2凹部となる冷却媒体ガスケット用凹部10が形成されている。 As shown in FIG. 16, the cathode separator member 23 of the present embodiment has air as an oxidant gas on one main surface thereof facing the gas diffusion layer on the cathode 33 side of the electrode-membrane-frame assembly 18. A flowing oxidant gas channel 4 and an oxidant gas gasket recess 8 are formed on the outer periphery of the oxidant gas channel 4, and ion exchange water as a cooling medium is formed on the other main surface (cooling surface 5). A cooling medium channel 6 that flows, an adhesive recess 9 that becomes a first recess on the outer periphery of the cooling medium channel 6, and a cooling medium gasket recess 10 that forms a second recess outside the adhesive recess 9 are formed. Has been.
酸化剤ガスガスケット用凹部8には、酸化剤ガス流路4の空気をシールする酸化剤ガスガスケットが収容され、接着剤用凹部9には、アノードセパレータ部材とカソードセパレータ部材2とを接着する接着剤が充填され、冷却媒体ガスケット用凹部10には、冷却媒体流路6のイオン交換水をシールする冷却媒体ガスケットが収容される。 The oxidant gas gasket recess 8 houses an oxidant gas gasket that seals the air in the oxidant gas flow path 4, and the adhesive recess 9 bonds the anode separator member and the cathode separator member 2. The cooling medium gasket for sealing the ion exchange water in the cooling medium flow path 6 is accommodated in the cooling medium gasket recess 10.
冷却媒体ガスケット用凹部10は、冷却媒体ガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定され、接着剤用凹部9は接着剤による接着とイオン交換水のシールに適した深さと幅に設定され、酸化剤ガスガスケット用凹部8は、酸化剤ガスガスケットを収容配置するのに適した深さと幅に設定されている。 The recess 10 for the cooling medium gasket is set to a depth and width suitable for accommodating and arranging the cooling medium gasket, and the recess 9 for the adhesive is set to a depth and width suitable for adhesion by an adhesive and sealing of ion exchange water. The recess 8 for the oxidant gas gasket is set to a depth and width suitable for accommodating and arranging the oxidant gas gasket.
接着剤用凹部9は冷却媒体ガスケット用凹部10よりも浅く、接着剤用凹部9は冷却媒体ガスケット用凹部10の間は、他方のセパレータの冷却面とは当接する。 The adhesive recess 9 is shallower than the cooling medium gasket recess 10, and the adhesive recess 9 is in contact with the cooling surface of the other separator between the cooling medium gasket recesses 10.
図17に示すように、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ17は、カソードセパレータ部材23の酸化剤ガス流路4が形成された面における酸化剤ガス流路4の外周側に形成された酸化剤ガスガスケット用凹部8に、酸化剤ガスガスケット13を設置し、その裏面の冷却面5の冷却媒体流路6の外周側に形成された冷却媒体ガスケット用凹部10に冷却媒体ガスケット14を設置したものである。 As shown in FIG. 17, the cathode separator 17 with a gasket according to the present embodiment has an oxidation formed on the outer peripheral side of the oxidant gas channel 4 on the surface of the cathode separator member 23 where the oxidant gas channel 4 is formed. An oxidant gas gasket 13 is installed in the concave part 8 for the agent gas gasket, and a cooling medium gasket 14 is installed in the concave part 10 for the cooling medium gasket formed on the outer peripheral side of the cooling medium flow path 6 of the cooling surface 5 on the back surface. Is.
なお、本実施の形態のガスケット付きカソードセパレータ17には、接着剤は使用しないため、接着剤用凹部9には、何も設置されていない。 In addition, since no adhesive is used for the cathode separator 17 with gasket of the present embodiment, nothing is installed in the concave portion 9 for adhesive.
図18に示すように、本実施の形態のガスケット付き冷却面接着セパレータ11は、アノードセパレータ部材1の冷却面5とカソードセパレータ部材23の冷却面5を当接させて、接着剤用凹部9に塗布した接着剤15にて冷却面5同士を接着している、アノードセパレータ部材1の冷却面5とカソードセパレータ部材23の冷却面5との間に構成される冷却媒体流路6は、接着剤15によってシールされている。 As shown in FIG. 18, the cooling surface adhesive separator 11 with a gasket according to the present embodiment brings the cooling surface 5 of the anode separator member 1 and the cooling surface 5 of the cathode separator member 23 into contact with each other to form the adhesive recess 9. The cooling medium flow path 6 formed between the cooling surface 5 of the anode separator member 1 and the cooling surface 5 of the cathode separator member 23, which is bonded to the cooling surfaces 5 with the applied adhesive 15, is an adhesive. 15 is sealed.
冷却媒体ガスケット用凹部10は、冷却媒体ガスケットを使用しないため空間となっている。アノードセパレータ部材1の、水素をシールする燃料ガスガスケット用凹部7には燃料ガスガスケット12が設置され、カソードセパレータ部材23の空気をシールする酸化剤ガスガスケット用凹部8には酸化剤ガスガスケット13が設置されている。 The recess 10 for the cooling medium gasket is a space because no cooling medium gasket is used. A fuel gas gasket 12 is disposed in the fuel gas gasket recess 7 for sealing hydrogen of the anode separator member 1, and an oxidant gas gasket 13 is disposed in the oxidant gas gasket recess 8 for sealing the air of the cathode separator member 23. is set up.
これにより、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11のイオン交換水の漏れについては、組み立て前に確認ができ、セパレータを一体化することで部品点数の削減が可能である。 Thereby, the leakage of the ion exchange water of the gasket-attached cooling surface adhesive separator 11 can be confirmed before assembly, and the number of parts can be reduced by integrating the separator.
図19に示すように、本実施の形態のセル積層体20は、水素、空気、イオン交換水の漏れ量が閾値内であるか判定可能なセルを積層したものである。ここでは5セル積層している。 As shown in FIG. 19, the cell stack 20 of the present embodiment is a stack of cells that can determine whether the leakage amount of hydrogen, air, or ion exchange water is within a threshold value. Here, five cells are stacked.
セル積層体20は、下方から、ガスケット付きアノードセパレータ16、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、電極−膜−枠接合体18、ガスケット付きカソードセパレータ17の順で積層されている。 The cell laminate 20 includes, from below, an anode separator 16 with a gasket, an electrode-membrane-frame assembly 18, a cooling surface adhesive separator 11 with a gasket, an electrode-membrane-frame assembly 18, a cooling surface adhesive separator 11 with a gasket, and an electrode. -Membrane-frame assembly 18, gasketed cooling surface adhesive separator 11, electrode-membrane-frame assembly 18, gasketed cooling surface adhesive separator 11, electrode-membrane-frame assembly 18, gasketed cathode separator 17 in this order. Are stacked.
電極−膜−枠接合体18と燃料ガス流路3の間を流れる水素は、燃料ガスガスケット12によりシールされる。また、電極−膜−枠接合体18と酸化剤ガス流路4の間を流れる空気は、酸化剤ガスガスケット13によりシールされる。 Hydrogen flowing between the electrode-membrane-frame assembly 18 and the fuel gas flow path 3 is sealed by the fuel gas gasket 12. Air flowing between the electrode-membrane-frame assembly 18 and the oxidant gas flow path 4 is sealed by the oxidant gas gasket 13.
この構成により、セル積層体20の下面は、ガスケット付きアノードセパレータ16の冷却面5、セル積層体20の上面は、ガスケット付きカソードセパレータ17の冷却面5となっている。 With this configuration, the lower surface of the cell laminate 20 is the cooling surface 5 of the anode separator 16 with gasket, and the upper surface of the cell laminate 20 is the cooling surface 5 of the cathode separator 17 with gasket.
セル積層体20のガスケット付きカソードセパレータ17の冷却面5の上に、他のセル積層体20のガスケット付きアノードセパレータ16の冷却面5が当接し、冷却媒体ガスケット14により重ねたセル積層体20間の冷却媒体流路6を流れるイオン交換水はシールされる。 The cooling surface 5 of the anode separator 16 with gaskets of the other cell stacks 20 abuts on the cooling surface 5 of the cathode separator 17 with gaskets of the cell stack 20, and the cell stacks 20 overlapped by the cooling medium gasket 14. The ion exchange water flowing through the cooling medium flow path 6 is sealed.
カソードセパレータ部材23は、適度な機械的強度と導電性を有する。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。 The cathode separator member 23 has appropriate mechanical strength and conductivity. In this embodiment, a member formed by heat molding a kneaded product of graphite powder and a thermosetting resin is used.
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池用セパレータ部材について、以下その動作、作用を説明する。 The operation and action of the fuel cell separator member of the present embodiment configured as described above will be described below.
まず、セル積層体20を構成する部品は、ガスケット付き冷却面接着セパレータ11、ガスケット付きアノードセパレータ16、ガスケット付きカソードセパレータ17、電極−膜−枠接合体18の4種類である。 First, there are four types of components that constitute the cell stack 20, that is, a cooling surface adhesive separator 11 with a gasket, an anode separator 16 with a gasket, a cathode separator 17 with a gasket, and an electrode-membrane-frame assembly 18.
ガスケット付き冷却面接着セパレータ11は、アノードセパレータ部材1の燃料ガスガスケット用凹部7に燃料ガスガスケット12を設置したものと、カソードセパレータ部材23の酸化剤ガスガスケット用凹部8に酸化剤ガスガスケット13を設置したものを、カソードセパレータ部材23の冷却面5にある接着剤用凹部9に接着剤15を塗布して、接着したものである。 The gasket-attached cooling surface adhesive separator 11 includes a fuel gas gasket 12 in the fuel gas gasket recess 7 of the anode separator member 1 and an oxidant gas gasket 13 in the oxidant gas gasket recess 8 of the cathode separator member 23. The installation is made by applying an adhesive 15 to the adhesive recess 9 on the cooling surface 5 of the cathode separator member 23 and bonding it.
接着剤15を塗布するにあたり、接着剤用凹部9の横には冷却媒体ガスケット用凹部10があるが、接着剤用凹部9と冷却媒体ガスケット用凹部10の間にアノードセパレータ部材1との当接面があるので、接着剤用凹部9に塗布する接着剤15が冷却媒体ガスケット用凹部10に流れ出て行かないため塗布した接着剤の高さの低い箇所がなく、アノードセパレータ部材1の冷却面5と接着剤15が確実に接触して硬化するため、漏れることがない。 In applying the adhesive 15, there is a cooling medium gasket recess 10 next to the adhesive recess 9, but the anode separator member 1 abuts between the adhesive recess 9 and the cooling medium gasket recess 10. Since there is a surface, the adhesive 15 applied to the adhesive recess 9 does not flow out to the cooling medium gasket recess 10, so there is no portion where the applied adhesive is low, and the cooling surface 5 of the anode separator member 1. And the adhesive 15 come into contact with each other and harden, so there is no leakage.
図では示していないが、接着剤塗布時のばらつきによる接着剤の溢れ対策として、接着剤用凹部9内や、アノードセパレータ部材1の冷却面5の接着剤当接部に溢れる分の凹部を設けている。または、接着剤が接着剤用凹部9から溢れないように正確に塗布する。 Although not shown in the figure, as a countermeasure against the overflow of the adhesive due to variations in adhesive application, a recess is provided in the adhesive recess 9 or the overflow of the adhesive contact portion of the cooling surface 5 of the anode separator member 1. ing. Alternatively, it is applied accurately so that the adhesive does not overflow from the concave portion 9 for adhesive.
また、浅い接着剤用凹部9が冷却媒体ガスケット用凹部10よりも冷却媒体流路6側にあることで、接着面の面積が小さくなり接着剤の量を削減することができる。また、接着面と冷却媒体流路の間に空間がないためイオン交換水が空間をショートカットすることがなくなり、冷却媒体流路6にイオン交換水を安定して流すことができる。 In addition, since the shallow adhesive concave portion 9 is closer to the cooling medium flow path 6 than the cooling medium gasket concave portion 10, the area of the adhesive surface is reduced, and the amount of adhesive can be reduced. In addition, since there is no space between the bonding surface and the cooling medium flow path, the ion exchange water does not shortcut the space, and the ion exchange water can flow stably through the cooling medium flow path 6.
ガスケット付きアノードセパレータ16は、アノードセパレータ部材1の燃料ガスガスケット用凹部7に燃料ガスガスケット12を設置することでできる。 The anode separator 16 with a gasket can be obtained by installing the fuel gas gasket 12 in the fuel gas gasket recess 7 of the anode separator member 1.
ガスケット付きカソードセパレータ17は、カソードセパレータ部材23の酸化剤ガスガスケット用凹部8に酸化剤ガスガスケット13と冷却媒体ガスケット用凹部10に冷却媒体ガスケット14を設置することでできる。 The cathode separator 17 with a gasket can be obtained by installing the oxidant gas gasket 13 in the oxidant gas gasket recess 8 of the cathode separator member 23 and the coolant coolant gasket 14 in the coolant medium recess 10.
このとき、ガスケット用凹部の深さは、ガスケットに応じて適切な圧縮率になるように設定されている。冷却媒体ガスケット用凹部10の横には接着剤用凹部9があるが、明らかにずれているため、冷却媒体ガスケット14を設置して圧縮して使用しても、漏れにつながるような懸念や耐久性への問題もない。 At this time, the depth of the recess for the gasket is set so as to have an appropriate compression rate according to the gasket. There is an adhesive recess 9 next to the cooling medium gasket recess 10, but it is clearly displaced, so there is a concern or durability that may lead to leakage even if the cooling medium gasket 14 is installed and compressed. There is no problem with sex.
上記に示すように、使用する燃料電池用セパレータ部材は、アノードセパレータ部材1とカソードセパレータ部材23の2種類だけである。 As described above, there are only two types of fuel cell separator members, the anode separator member 1 and the cathode separator member 23 used.
これにより、セル積層体を構成する部品点数は従来と同じだが、セパレータ部材の種類を少なくできるため、セパレータ部材を製作するための設備投資を少なくでき、セパレータ部材の管理も行いやすく、接着剤用の凹部とガスケット用の凹部の深さが異なるだけのよく似たセパレータ部材の誤使用による不良リスクも少なくなる。 As a result, the number of parts that make up the cell stack is the same as in the past, but since the types of separator members can be reduced, the capital investment for manufacturing separator members can be reduced, the separator members can be easily managed, and for adhesives. The risk of defects due to misuse of similar separator members that differ only in the depth of the recesses and the recesses for the gaskets is reduced.
なお、本実施の形態では、ガスケットはオーリングのように断面が円形状で着脱可能形状であるが、円形状である必要はない。アノードセパレータ部材1、カソードセパレータ部材23、電極−膜−枠接合体18のどちらかに一体とすることもできる。 In this embodiment, the gasket has a circular cross section and can be attached and detached like an O-ring. However, the gasket need not be circular. The anode separator member 1, the cathode separator member 23, and the electrode-membrane-frame assembly 18 may be integrated.
また、カソードセパレータ部材23に冷却媒体流路溝を形成しているが、アノードセパレータ部材1の冷却面側に形成することもできるとともに両面に形成することもできる。 Moreover, although the cooling medium flow path groove is formed in the cathode separator member 23, it can be formed on the cooling surface side of the anode separator member 1 and can also be formed on both surfaces.
また、冷却媒体流路6は、サーペンタイン形状でも、ストレート形状や渦巻き形状に形成されても良い。 The cooling medium flow path 6 may be a serpentine shape, a straight shape, or a spiral shape.
また、セパレータ部材には黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金属材料を使用することができる。 In addition, the separator member was a member formed by thermoforming a kneaded product of graphite powder and thermosetting resin. In addition to this, it was formed by thermoforming a kneaded product of carbon powder and thermoplastic resin. A metal material can be used by applying gold plating to the surface of the formed member or a plate made of titanium or stainless steel.
また、ガスケット材料にはフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、EPDM、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。 In addition, fluororubber is used as the gasket material, but other than these, thermoplastic elastomers such as silicone rubber, natural rubber, EPDM, butyl rubber, butyl rubber, polystyrene, polyolefin, polyester and polyamide are used. be able to.
また、接着剤15には、熱硬化性のエポキシ樹脂系接着剤を用いたが、所定の高温耐久性と耐水性を有していれば、熱可塑性でもよく、液状であっても、シート状であっても良い。 Moreover, although the thermosetting epoxy resin adhesive was used for the adhesive 15, it may be thermoplastic as long as it has a predetermined high temperature durability and water resistance, It may be.
以上のように、本発明にかかる燃料電池用セパレータ部材は、一対のセパレータから、冷却面を接着剤でシールする冷却面接着セパレータとすることで部品点数の削減と、冷却面をガスケットでシールするタイプとして使用することも可能であり、検査可能なセル積層体を少ない部品点数で構成することができる。 As described above, the separator member for a fuel cell according to the present invention uses a cooling surface adhesive separator that seals the cooling surface with an adhesive from a pair of separators, thereby reducing the number of parts and sealing the cooling surface with a gasket. It can also be used as a type, and an inspectable cell stack can be configured with a small number of parts.
また、本発明にかかる燃料電池スタックは、安定した発電性能の確保が可能であるため、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等の用途にも適用できる。 In addition, since the fuel cell stack according to the present invention can ensure stable power generation performance, the fuel cell stack can be applied to applications such as portable power sources, portable device power sources, electric vehicle power sources, and home cogeneration systems.
1,21 アノードセパレータ部材
2,22,23 カソードセパレータ部材
3 燃料ガス流路
4 酸化剤ガス流路
5 冷却面
6 冷却媒体流路
7 燃料ガスガスケット用凹部
8 酸化剤ガスガスケット用凹部
9 接着剤用凹部
10 冷却媒体ガスケット用凹部
11 ガスケット付き冷却面接着セパレータ
12 燃料ガスガスケット
13 酸化剤ガスガスケット
14 冷却媒体ガスケット
15 接着剤
16 ガスケット付きアノードセパレータ
17 ガスケット付きカソードセパレータ
18 電極−膜−枠接合体
20 セル積層体
30 枠体
31 電解質膜
32 アノード
33 カソード
34 ガス拡散層
35 電解質膜−電極接合体
40 集電板
41 集電板
42 絶縁板
43 絶縁板
70 エンドプレート
71 燃料ガス導入口
72 燃料ガス排出口
73 酸化剤ガス導入口
74 酸化剤ガス排出口
75 冷却媒体導入口
76 冷却媒体排出口
77 エンドプレート
80 ボルト
90 燃料電池スタック
91 スタック部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,21 Anode separator member 2,22,23 Cathode separator member 3 Fuel gas flow path 4 Oxidant gas flow path 5 Cooling surface 6 Cooling medium flow path 7 Recess for fuel gas gasket 8 Recess for oxidant gas gasket 9 For adhesive Concave part 10 Concave part for cooling medium gasket 11 Cooling surface adhesive separator with gasket 12 Fuel gas gasket 13 Oxidant gas gasket 14 Cooling medium gasket 15 Adhesive 16 Anode separator with gasket 17 Cathode separator with gasket 18 Electrode-membrane-frame assembly 20 cell Laminate 30 Frame 31 Electrolyte membrane 32 Anode 33 Cathode 34 Gas diffusion layer 35 Electrolyte membrane-electrode assembly 40 Current collecting plate 41 Current collecting plate 42 Insulating plate 43 Insulating plate 70 End plate 71 Fuel gas inlet 72 Fuel gas outlet 73 Oxidation Gas inlet 74 oxidizing gas discharge port 75 coolant inlet 76 coolant discharge port 77 the end plate 80 bolt 90 fuel cell stack 91 stacking unit
Claims (4)
前記冷却媒体流路の外周側で接着剤を充填可能に形成された溝状の第1凹部と、前記冷却媒体流路の外周側でガスケットを収容可能に形成された溝状の第2凹部とを有し、前記第1凹部は前記第2凹部よりも浅いことを特徴とする燃料電池用セパレータ部材。 A separator member for a fuel cell that constitutes a cooling medium flow path that causes cooling surfaces of a pair of separators to contact each other and circulates the cooling medium between the cooling surfaces.
A groove-shaped first recess formed on the outer peripheral side of the cooling medium flow path so as to be filled with an adhesive; and a groove-shaped second recess formed on the outer peripheral side of the cooling medium flow path so as to accommodate a gasket; The fuel cell separator member is characterized in that the first recess is shallower than the second recess.
Priority Applications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2017
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