JP2007242511A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池のセルピッチを増大させることなく、圧縮シールの高さをできるだけ大きくしてシール寿命を改善する。
【解決手段】セパレータ10のガス用マニフォールド孔11aのシール領域27と、膜電極結合体30のガス用マニフォールド孔31aとの間に、セル内ガス流路14に連通する間隙部28を形成する。この間隙部は、ガス用マニフォールド孔の内径部31iが、シール領域外径部27pよりも外側に位置するように形成し、前記内径部と外径部とのあいだの径方向の隙間として形成する。
【選択図】図5
An object of the present invention is to improve the seal life by increasing the height of a compression seal as much as possible without increasing the cell pitch of a fuel cell.
A gap portion is formed between a seal region of a gas manifold hole of a separator and a gas manifold hole of a membrane electrode assembly and communicates with an in-cell gas flow path. The gap portion is formed so that the inner diameter portion 31i of the gas manifold hole is positioned outside the seal region outer diameter portion 27p, and is formed as a radial gap between the inner diameter portion and the outer diameter portion. .
[Selection] Figure 5

Description

本発明は燃料電池に関し、特にそのセル内のシール構造の改良に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to improvement of a seal structure in the cell.

燃料電池の流体には、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の3流体が流れるものが一般的である。これら全てのシールを行ったうえで発電運転を行うが、各流体のシール方法は様々である。例えば、セル内反応領域での冷却水を圧縮シールにより、同じく燃料ガス、酸化ガスを接着シールによりシールしたセル構造が特許文献1に開示されている。   The fuel cell fluid is generally one in which three fluids of fuel gas, oxidizing gas, and cooling water flow. The power generation operation is performed after all these seals are performed, but there are various methods for sealing each fluid. For example, Patent Document 1 discloses a cell structure in which cooling water in a reaction region in a cell is sealed with a compression seal, and fuel gas and oxidizing gas are sealed with an adhesive seal.

この種の燃料電池では、メンテナンス性を考慮し、単セルを構成する部品レベルもしくは単セルや数セルレベルでの取り外しができるように、取り外せるユニット毎に圧縮シールを使用しており、この圧縮シールのへたり量がシール寿命を決めている。すなわちシール寿命はシール高さを確保して圧縮代を大きくとるほど長くすることができる。
特開2003−77499号公報
In this type of fuel cell, in consideration of maintainability, a compression seal is used for each removable unit so that it can be removed at the component level constituting a single cell or at a single cell or several cell level. The amount of sag determines the seal life. That is, the seal life can be increased as the seal height is secured and the compression allowance is increased.
JP 2003-77499 A

しかしながら、特許文献1のものでは、マニフォールドからのガスを、樹脂フレームに形成した流路を通してセル内の反応領域に導入する構造となっているので、ガス導入部分の流路高さを大きくするためには厚手の樹脂フレームとする必要がある。このような構成では、結果として圧縮シールの高さが少なくなり、長寿命化という観点からは必ずしも十分なものではない。   However, in Patent Document 1, the gas from the manifold is introduced into the reaction region in the cell through the flow path formed in the resin frame, so that the flow path height of the gas introduction portion is increased. It is necessary to use a thick resin frame. In such a configuration, as a result, the height of the compression seal is reduced, which is not necessarily sufficient from the viewpoint of extending the life.

一方、シール高さを大きくとろうとしても寸法上の制約により限度が生じる。特に、車両等の移動体用の燃料電池では、定置用の燃料電池とは異なり、車両への積載、ユーティリティスペースの確保等のために空間上の制約が大きく、また出力密度をできるだけ高くするという要求もあることから、セル構成部品の小型化は重要な課題となる。燃料電池スタックは、必要出力に応じて数十セルから数百セルといった多数のユニットを積層して構成されるので、個々のセルの厚さはできるだけ小さくする必要があり、この結果として圧縮シールの寿命が制約されることになる。   On the other hand, there is a limit due to dimensional restrictions even if the seal height is increased. In particular, in a fuel cell for a moving body such as a vehicle, unlike a stationary fuel cell, there are large space restrictions for loading on a vehicle, securing utility space, etc., and increasing the output density as much as possible. Since there is a demand, downsizing of cell components is an important issue. Since the fuel cell stack is configured by stacking a large number of units such as tens to hundreds of cells depending on the required output, the thickness of each cell needs to be as small as possible. The lifetime will be limited.

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、燃料電池の寸法を増大させることなく、圧縮シールの高さを可能な限り大きくとることを目的としている。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and aims to make the height of the compression seal as large as possible without increasing the size of the fuel cell.

本発明は、膜電極結合体と、その両面に接合し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するセル内ガス流路を膜電極結合体との間に形成する第1セパレータおよび第2セパレータを備えた単位セルを多数積層してスタックを構成する燃料電池である。   The present invention includes a membrane electrode assembly, and a first separator and a second separator that are joined to both surfaces of the membrane electrode assembly to form a gas flow path in a cell through which fuel gas or oxidant gas flows. This is a fuel cell in which a large number of unit cells are stacked to form a stack.

この燃料電池は、積層状態にて互いに隣接する単位セルの第1のセパレータと第2のセパレータとの間に冷却水が流通するセル内冷却水流路を備えると共に、膜電極結合体と各セパレータとを積層方向に貫通して前記ガス流路に連通するガス用マニフォールド孔と、前記セル内冷却水流路に連通する冷却水用マニフォールド孔とを有し、第1セパレータと第2セパレータとのあいだに冷却水流路の外周部とガス用マニフォールド孔の周囲とを封止する圧縮シールを介装してある。   The fuel cell includes an in-cell cooling water passage through which cooling water flows between a first separator and a second separator of unit cells adjacent to each other in a stacked state, and a membrane electrode assembly and each separator. Between the first separator and the second separator, the manifold hole for gas communicating with the gas flow path through the stacking direction and the manifold hole for cooling water communicating with the cooling water flow path in the cell. A compression seal that seals the outer periphery of the cooling water flow path and the periphery of the manifold hole for gas is interposed.

本発明では、前記セパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域と、膜電極結合体のガス用マニフォールド孔との間に、セル内ガス流路に連通する間隙部を形成し、この間隙部を、膜電極結合体のガス用マニフォールド孔の内径部が、セパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域外径部よりも外側に位置するように形成し、前記内径部と外径部とのあいだの径方向の隙間として形成し、または、前記間隙部を、膜電極結合体の一部を、セパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域に対向する部分について薄肉に形成し、この薄肉部とシール領域とのあいだの積層方向の隙間として形成する。   In the present invention, a gap communicating with the gas flow path in the cell is formed between the seal region of the gas manifold hole of the separator and the gas manifold hole of the membrane electrode assembly, and this gap is formed in the membrane. An inner diameter portion of the gas manifold hole of the electrode assembly is formed so as to be positioned outside an outer diameter portion of the seal region of the gas manifold hole of the separator, and a radial direction between the inner diameter portion and the outer diameter portion is formed. The gap is formed as a gap, or the gap is formed so that a part of the membrane electrode assembly is thin with respect to the seal region of the gas manifold hole of the separator, and the gap between the thin portion and the seal region is formed. It is formed as a gap in the stacking direction.

本発明によれば、セパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域と膜電極結合体のガス用マニフォールド孔との間に設けた間隙部を介して、ガス用マニフォールド孔に流入したガスをセル内のガス流路に供給し、あるいはセル内ガス流路からのガスをガス用マニフォールドへと排出することができる。このような構成においては、前記ガス用マニフォールド孔のシール領域がガス流通の障害にならないので、当該シール領域の高さすなわち圧縮シールの高さを、冷却水流路の外周部を封止する圧縮シールと同等以上とすることができ、したがってセルピッチを増大させることなくシール寿命の改善を実現することができる。   According to the present invention, the gas flowing into the gas manifold hole is passed through the gap provided between the seal region of the gas manifold hole of the separator and the gas manifold hole of the membrane electrode assembly. The gas can be supplied to the flow path, or the gas from the in-cell gas flow path can be discharged to the gas manifold. In such a configuration, since the seal region of the gas manifold hole does not become an obstacle to gas flow, the height of the seal region, that is, the height of the compression seal is set to the compression seal that seals the outer peripheral portion of the cooling water flow path. Therefore, an improvement in the seal life can be realized without increasing the cell pitch.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1〜図5は本発明の第1の実施形態を示している。図において、10と20は金属製のセパレータ、30は膜電極結合体(以下「MEA」という。)を示しており、燃料電池の単位セルはMEA30の両面に前記第1のセパレータ10と第2のセパレータ20とを接合して構成されている。この単位セルを、必要電力が得られるように多数積層することで燃料電池スタックが構成される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 5 show a first embodiment of the present invention. In the figure, 10 and 20 are metal separators, 30 is a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”), and the unit cell of the fuel cell has the first separator 10 and the second separator on both sides of the MEA 30. These separators 20 are joined together. A fuel cell stack is configured by stacking a large number of these unit cells so that the required power can be obtained.

図1は、第1のセパレータの燃料ガスが導入される側の面を、図2は冷却水が導入される側の面を、それぞれ示している。図示したように外形は略矩形状であり、その長手方向の一端部にそれぞれ燃料ガス、冷却水、酸化剤ガスが流通するガス用マニフォールド孔11a、冷却水用マニフォールド孔12a、ガス用マニフォールド孔13aが開口しており、他端部にも燃料ガス用のマニフォールド孔11b、冷却水用のマニフォールド孔12b、酸化剤ガス用のマニフォールド孔13bが開口している。前記マニフォールド孔の組合せのうち、同一の流体が流れるものは何れか一方が入口、他方が出口となる。   FIG. 1 shows the surface of the first separator on the side where the fuel gas is introduced, and FIG. 2 shows the surface on the side where the cooling water is introduced. As shown in the drawing, the outer shape is substantially rectangular, and a gas manifold hole 11a, a cooling water manifold hole 12a, and a gas manifold hole 13a through which fuel gas, cooling water, and oxidant gas circulate are arranged at one end in the longitudinal direction. The manifold hole 11b for fuel gas, the manifold hole 12b for cooling water, and the manifold hole 13b for oxidant gas are also opened at the other end. Of the combinations of manifold holes, one through which the same fluid flows is the inlet and the other is the outlet.

図1においては、マニフォールド孔11aは燃料ガスの入口、マニフォールド孔11bは出口であり、これらの間の領域はMEA30の燃料極側の反応領域36(図3参照)に対向する部分であり、燃料ガスをこの反応領域に均等に配分するための多数の通路部からなる内部ガス流路14が形成されている。ただしガス流路14の詳細な構成は図面記載を省略してある。   In FIG. 1, the manifold hole 11a is an inlet for fuel gas, and the manifold hole 11b is an outlet, and the region between them is a portion facing the reaction region 36 (see FIG. 3) on the fuel electrode side of the MEA 30. An internal gas flow path 14 composed of a large number of passage portions for distributing gas evenly to the reaction region is formed. However, the detailed configuration of the gas flow path 14 is omitted from the drawings.

図1に符号15にて示した太線部分はMEA30との接合シール部を示しており、図示したようにマニフォールド孔11a〜13a、11b〜13bおよび内部ガス流路14の全体を包囲するとともに、燃料ガス用以外のマニフォールド孔12a、12b、13a、13bを個々に包囲するように設けられている。この接合シール部15に沿って、例えば接着によりMEA30の基材である樹脂フィルム部分にセパレータ10を接合することで、セパレータ10とMEA30との接合面間に燃料ガス用のガス流路が画成されると共に、セパレータ外部への燃料ガスのリーク、または冷却水や酸化剤ガスとのあいだの相互のリークが封止される。   A thick line portion denoted by reference numeral 15 in FIG. 1 indicates a joint seal portion with the MEA 30 and surrounds the manifold holes 11a to 13a, 11b to 13b and the entire internal gas flow path 14 as shown in the figure, and fuel. The manifold holes 12a, 12b, 13a, 13b other than those for gas are provided so as to individually surround them. A gas flow path for fuel gas is defined between the joining surfaces of the separator 10 and the MEA 30 by joining the separator 10 to the resin film portion that is the base material of the MEA 30 along the joining seal portion 15, for example. In addition, the leakage of the fuel gas to the outside of the separator or the mutual leakage between the cooling water and the oxidant gas is sealed.

MEA30の反対側の面つまり酸素極側の面に接合される第2のセパレータ20も、その接合シール部の構成が、酸化剤ガス用の出入口のマニフォールド孔(13a、13b)を酸化剤ガス用の内部ガス流路を介して相互に連通するように形成されている点を除いて、第1のセパレータ10と同様に形成されている。また、MEA30には、セパレータ10または20の各マニフォールド孔11a〜13a、11b〜13bと対応する位置にマニフォールド孔31a〜33a、31b〜33bが開口している。   The second separator 20 bonded to the opposite surface of the MEA 30, that is, the surface on the oxygen electrode side, also has a structure of the bonded seal portion, and the manifold holes (13 a, 13 b) for the oxidant gas are used for the oxidant gas. The first separator 10 is formed except that it is formed so as to communicate with each other through the internal gas flow path. The MEA 30 has manifold holes 31a to 33a and 31b to 33b at positions corresponding to the manifold holes 11a to 13a and 11b to 13b of the separator 10 or 20.

単位セルは、前述したようにMEA30の両面に2つのセパレータ10、20を接合してなり、これらを多数積層することでスタックを構成する。スタックを構成した状態で、各単位セルのマニフォールド孔は積層方向に一連の内部マニフォールドを形成し、燃料ガスや冷却水等の流体を各単位セルに均等に分配する機能を発揮する。   As described above, the unit cell is formed by joining the two separators 10 and 20 on both sides of the MEA 30 and stacking a large number of these to form a stack. In the state in which the stack is configured, the manifold holes of each unit cell form a series of internal manifolds in the stacking direction, and exhibit a function of evenly distributing fluid such as fuel gas and cooling water to each unit cell.

次に、冷却水用のセル内流路の構成とそのシール構造につき、図2または図5を参照しながら説明する。冷却水用の流路は、前記のように単位セルを積層したときに、第1のセパレータ10と、隣接する他の単位セルの第2のセパレータ20とのあいだに画成される。すなわち、図1に示したセパレータ10の背面側に位置する他の単位セルの第2のセパレータ20との間に冷却水用の流路が画成されることになる。   Next, the configuration of the in-cell flow path for cooling water and its seal structure will be described with reference to FIG. 2 or FIG. When the unit cells are stacked as described above, the cooling water flow path is defined between the first separator 10 and the second separator 20 of another adjacent unit cell. That is, a flow path for cooling water is defined between the second separator 20 of another unit cell located on the back side of the separator 10 shown in FIG.

このためにセパレータ10の裏面側は、図2に示したように冷却水用のマニフォールド12aと12bとが中間のセル内冷却水流路24を介して接続するように形成されている。なお、セル内冷却水流路24の詳細な構成は図面記載を省略してある。   For this purpose, the back surface side of the separator 10 is formed so that the manifolds 12a and 12b for cooling water are connected via an intermediate in-cell cooling water flow path 24 as shown in FIG. The detailed configuration of the in-cell cooling water flow path 24 is not shown in the drawings.

図2において、破線で示したのは隣接する他のセパレータ(この場合、第2のセパレータ)との間のシール部を示しており、図示したように各マニフォールド孔とセル内流路の全体を包囲する第1のシール部25と、燃料ガス用または酸化剤ガス用のマニフォールド孔11a、11b、13a、13bの周囲のみを包囲する第2のシール部26とからなっている。前記シール部25、26は、冷却水用マニフォールド孔12a、12bの周囲およびセル内冷却水流路24の部分に比較してMEA20側に突出するように形成されている(図5参照)。前記の突出高さは後述する圧縮シールの圧縮状態での高さの略二分の一である。以下、前記ガス用マニフォールド孔周囲のシール部26における突出部分をシール領域27と呼ぶことにする。   In FIG. 2, a broken line indicates a seal portion between other adjacent separators (in this case, the second separator). As shown in the drawing, each manifold hole and the entire in-cell flow path are shown. The first seal portion 25 that surrounds and the second seal portion 26 that surrounds only the periphery of the manifold holes 11a, 11b, 13a, and 13b for fuel gas or oxidant gas. The seal portions 25 and 26 are formed so as to protrude toward the MEA 20 as compared with the periphery of the cooling water manifold holes 12a and 12b and the portion of the in-cell cooling water flow path 24 (see FIG. 5). The protrusion height is approximately one half of the height of the compression seal described later in the compressed state. Hereinafter, a protruding portion of the seal portion 26 around the gas manifold hole is referred to as a seal region 27.

図5は、単位セルの第1のセパレータ10と、隣接する他の単位セルの第2のセパレータ20との間に合成ゴム等の高弾性材料からなる圧縮シール42および43を介装して積層した状態を示している。圧縮シール42は、冷却水流路部分全体を包囲する前記第1のシール部25に、圧縮シール43はガス用マニフォールド孔を包囲する前記第2のシール部26に、それぞれ適合する寸法形状を有するように加工された環状のシール材である。これら圧縮シール42と43は、例えば第2のセパレータのシール部(25、26)に沿って、射出成形または加硫接着により設けられている。   FIG. 5 is a diagram illustrating a structure in which compression seals 42 and 43 made of a highly elastic material such as synthetic rubber are interposed between the first separator 10 of the unit cell and the second separator 20 of another adjacent unit cell. Shows the state. The compression seal 42 has a size that fits the first seal portion 25 that surrounds the entire cooling water flow path portion, and the compression seal 43 has a size that fits the second seal portion 26 that surrounds the manifold hole for gas. An annular sealing material processed into These compression seals 42 and 43 are provided by, for example, injection molding or vulcanization bonding along the seal portions (25, 26) of the second separator.

図5は本発明の特徴的な構成を示しており、すなわちMEA30に形成したガス用マニフォールド孔31a(または31b,33a、33b。以下同様。)は、セパレータ10のそれよりも開口面積を大きく、より詳細にはその内径部31iを前記ガス用マニフォールド11a周囲のシール領域27の外径部27pよりも大となるように形成し、前記内径部31iと外径部27pとの間に径方向に間隙部28を設けている。   FIG. 5 shows the characteristic configuration of the present invention, that is, the gas manifold hole 31a (or 31b, 33a, 33b; the same applies hereinafter) formed in the MEA 30 has an opening area larger than that of the separator 10, More specifically, the inner diameter portion 31i is formed to be larger than the outer diameter portion 27p of the seal region 27 around the gas manifold 11a, and the inner diameter portion 31i is radially formed between the inner diameter portion 31i and the outer diameter portion 27p. A gap 28 is provided.

前記構成に基づく作用効果につき、図4および図5を参照して説明する。一般的に、セパレータと樹脂フィルム部分を持つMEAとを積層してセルを構成する場合、それぞれのマニフォールド孔の寸法・形状は略同一とされる。このような構成において、マニフォールド孔周囲のシール領域27の高さ、つまり圧縮シール43の高さを他の外周側の圧縮シール42と同程度に確保しようとすると、図4に示したように燃料ガス用のマニフォールド孔11aの内側域がシール領域27に接してセル内流路14との連通が遮断され、燃料ガスの供給が不能となってしまう。このため従来はシール領域27に相当する部分のシール高さを低くしてMEA30との間に流路を確保しており、この結果として該シール領域のシール高さが低くなりシール寿命が短くなってしまっていた。   The operational effects based on the above configuration will be described with reference to FIGS. Generally, when a cell is configured by laminating a separator and an MEA having a resin film portion, the dimensions and shapes of the manifold holes are substantially the same. In such a configuration, if the height of the seal region 27 around the manifold hole, that is, the height of the compression seal 43 is to be secured to the same level as the compression seal 42 on the other outer peripheral side, the fuel as shown in FIG. The inner region of the gas manifold hole 11a is in contact with the seal region 27 and the communication with the in-cell flow path 14 is cut off, so that the fuel gas cannot be supplied. For this reason, conventionally, the seal height in the portion corresponding to the seal area 27 is lowered to secure a flow path between the seal area 27 and the MEA 30. As a result, the seal height in the seal area is lowered and the seal life is shortened. It was.

これに対して本実施形態の構成によれば、図5に示したように、セパレータ10のシール領域27とMEA30のガス用マニフォールド孔31aとの間に設けた間隙部28を介して、ガス用マニフォールド孔31aに流入したガスを矢印で示したようにセル内のガス流路14に供給し、あるいはセル内ガス流路14からのガスをガス用マニフォールド(31b)へと排出することができる。このような構成においては、前記ガス用マニフォールド孔11aのシール領域27がガス流通の障害にならないので、当該シール領域の高さすなわち圧縮シール43の高さを、冷却水流路24の外周部を封止する圧縮シール42と同等以上とすることができ、したがってセルピッチを増大させることなくシール寿命を改善することができる。   On the other hand, according to the configuration of the present embodiment, as shown in FIG. 5, the gas is supplied via the gap 28 provided between the seal region 27 of the separator 10 and the gas manifold hole 31 a of the MEA 30. The gas flowing into the manifold hole 31a can be supplied to the gas flow path 14 in the cell as indicated by an arrow, or the gas from the in-cell gas flow path 14 can be discharged to the gas manifold (31b). In such a configuration, since the seal region 27 of the gas manifold hole 11a does not become an obstacle to gas flow, the height of the seal region, that is, the height of the compression seal 43 is set to the outer periphery of the cooling water channel 24. It can be equal to or better than the compression seal 42 to be stopped, and therefore the seal life can be improved without increasing the cell pitch.

次に、本発明の他の実施形態について説明する。各実施形態について図面上対応する部分には同一の符号を付して説明することとする。   Next, another embodiment of the present invention will be described. In each embodiment, parts corresponding to those in the drawings will be described with the same reference numerals.

図6は本発明の第2の実施形態である。これは、前述したようにシール領域27がMEA30のガス用マニフォールド孔31aと干渉しないことを利用して、図示したようにシール流域27の高さMEA30の厚さよりも小の範囲内でさらに高くとり(図の寸法d分)、それだけ圧縮シール43の寿命をさらに改善しうるようにしたものである。   FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. This is because the seal area 27 does not interfere with the gas manifold hole 31a of the MEA 30 as described above, and the height of the seal flow area 27 is higher than the thickness of the MEA 30 as shown in the drawing. Thus, the life of the compression seal 43 can be further improved accordingly.

図7は本発明の第3の実施形態である。これはMEA30のマニフォールド孔31aに臨むシール領域27に、MEA30の厚さと略同等の高さを有し、かつ圧縮シール43に比較して高度の高い材料からなるリブ状の支持部材29を設けたものである。シール領域27の上面が空間となっている図5のような構成においては、セパレータ10または20の剛性によっては圧縮シール43からの反力によりシール領域27が変形してシール性能が損なわれるおそれを生じる。これに対して、本実施形態によれば、前記支持部材29により隣接するセパレータ10、20間で前記シール反力が支持されるので、セパレータ10、20の変形を防止して良好なシール性能を確保することができる。   FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention. This is provided with a rib-like support member 29 having a height substantially equal to the thickness of the MEA 30 in the seal region 27 facing the manifold hole 31a of the MEA 30 and made of a material having a higher level than the compression seal 43. Is. In the configuration as shown in FIG. 5 where the upper surface of the seal region 27 is a space, the seal region 27 may be deformed by the reaction force from the compression seal 43 depending on the rigidity of the separator 10 or 20, and the seal performance may be impaired. Arise. On the other hand, according to the present embodiment, the sealing reaction force is supported between the adjacent separators 10 and 20 by the support member 29, so that the separators 10 and 20 can be prevented from being deformed and have good sealing performance. Can be secured.

図8は本発明の第4の実施形態である。これはMEA30のガス用マニフォールド孔31aを、セル内ガス流路14側の縁部のみ拡径して、流路14側にのみ間隙28を設けるようにしたものである。マニフォールド孔31aの流路14側以外の領域はガス供給の必要性がなく、このような構成によっても十分にガス流路14にガス供給を行うことが可能である。また、こうすることによりシール領域27に圧縮シール43の反力が作用したときにMEA30によって支持されない部分を限定して、前述したセパレータ10または20の変形を最小限に抑えることができる。   FIG. 8 shows a fourth embodiment of the present invention. In this case, the gas manifold hole 31a of the MEA 30 is expanded only at the edge on the gas flow path 14 side in the cell, and the gap 28 is provided only on the flow path 14 side. There is no need for gas supply in the area other than the flow path 14 side of the manifold hole 31a, and it is possible to sufficiently supply the gas flow path 14 with such a configuration. In addition, by doing this, it is possible to limit the portion that is not supported by the MEA 30 when the reaction force of the compression seal 43 acts on the seal region 27, and to minimize the deformation of the separator 10 or 20 described above.

図9は本発明の第5の実施形態である。これはセパレータ10(20)のガス用マニフォールド孔11a(21a)の開口縁部を外側に折り返した態様の折返し部44を設けたものである。前記折返し部44によりマニフォールド孔周辺のセパレータ10または20の剛性が向上するため、圧縮シール43の反力による変形を抑えて良好なシール性能を発揮させることができる。   FIG. 9 shows a fifth embodiment of the present invention. This is provided with a folded portion 44 in a form in which the opening edge portion of the gas manifold hole 11a (21a) of the separator 10 (20) is folded outward. Since the rigidity of the separator 10 or 20 around the manifold hole is improved by the folded portion 44, the deformation due to the reaction force of the compression seal 43 can be suppressed and good sealing performance can be exhibited.

図10は本発明の第6の実施形態である。これは、MEA30の一部を、セパレータ10のシール領域27に対向する部分について薄肉に加工し、この薄肉部45とシール領域27とのあいだに積層方向の隙間として間隙部28を形成したものである。MEA30を構成する樹脂フィルムが多層構造である場合にはその一部の層をシール領域27に対向する部分について除去することで薄肉部45を形成するようにしてもよい。この実施形態においては、マニフォールド孔31aから内部ガス流路14への連通路が前記薄肉部45とシール領域27との間に確保される。この実施形態では、薄肉部45がシール領域27に対向しているため、シール領域27の高さつまり圧縮シールの高さ43は相応に制約を受けるので、他の実施形態に比較するとシール寿命はやや短くなるが、MEA30を構成する樹脂フィルム部分がシール領域27とこれに対向する他のセパレータとの間に介在するので、絶縁性能の点では有利である。   FIG. 10 shows a sixth embodiment of the present invention. This is because a part of the MEA 30 is processed to be thin at a portion facing the seal region 27 of the separator 10, and a gap 28 is formed as a gap in the stacking direction between the thin portion 45 and the seal region 27. is there. When the resin film constituting the MEA 30 has a multi-layer structure, the thin portion 45 may be formed by removing a part of the layer from the portion facing the seal region 27. In this embodiment, a communication path from the manifold hole 31 a to the internal gas flow path 14 is secured between the thin portion 45 and the seal region 27. In this embodiment, since the thin portion 45 is opposed to the seal region 27, the height of the seal region 27, that is, the height 43 of the compression seal is accordingly restricted, so that the seal life is shorter than that of the other embodiments. Although slightly shortened, the resin film portion constituting the MEA 30 is interposed between the seal region 27 and another separator facing the seal region 27, which is advantageous in terms of insulation performance.

本発明の第1の実施形態に係るセパレータの平面図。The top view of the separator which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 同じくセパレータの裏面図。Similarly the back view of a separator. 同じくMEA(膜電極結合体)の平面図。The top view of MEA (membrane electrode assembly) similarly. 図1のA−A線に沿った部分の参考構造例を示した要部断面図。The principal part sectional drawing which showed the reference structural example of the part along the AA of FIG. 図1のA−A線に沿った要部断面図。FIG. 2 is an essential part cross-sectional view along the line AA in FIG. 1. 本発明の第2の実施形態の図5に相当する要部断面図。The principal part sectional view equivalent to FIG. 5 of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態の図5に相当する要部断面図。The principal part sectional view equivalent to FIG. 5 of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態の図5に相当する要部断面図。The principal part sectional drawing equivalent to FIG. 5 of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態の図5に相当する要部断面図。The principal part sectional view equivalent to FIG. 5 of the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態の図5に相当する要部断面図。The principal part sectional view equivalent to FIG. 5 of the 6th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10,20 セパレータ
11a,11b,31a,31b 燃料ガス用マニフォールド孔
12a,12b,32a,32b 冷却水用マニフォールド孔
13a,13b,33a,33b 酸化剤ガス用マニフォールド孔
14 セル内ガス流路
24 セル内冷却水流路
25,26 シール部
27 シール領域
28 間隙部
29 支持部材
30 膜電極結合体(MEA)
36 反応領域
42,43 圧縮シール
44 折返し部
10, 20 Separator 11a, 11b, 31a, 31b Manifold hole for fuel gas 12a, 12b, 32a, 32b Manifold hole for cooling water 13a, 13b, 33a, 33b Manifold hole for oxidizing gas 14 In-cell gas flow path 24 In cell Cooling water flow paths 25, 26 Seal part 27 Seal area 28 Gap part 29 Support member 30 Membrane electrode assembly (MEA)
36 Reaction regions 42, 43 Compression seal 44 Folding part

Claims (6)

膜電極結合体と、その両面に接合し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するセル内ガス流路を膜電極結合体との間に形成する第1セパレータおよび第2セパレータを備えた単位セルを多数積層してスタックを構成する燃料電池であって、
積層状態にて互いに隣接する単位セルの第1のセパレータと第2のセパレータとの間に冷却水が流通するセル内冷却水流路を設けると共に、膜電極結合体と各セパレータとを積層方向に貫通して前記ガス流路に連通するガス用マニフォールド孔と、前記セル内冷却水流路に連通する冷却水用マニフォールド孔とを設け、
第1セパレータと第2セパレータとのあいだに冷却水流路の外周部とガス用マニフォールド孔の周囲とを封止する圧縮シールを介装した燃料電池において、
前記セパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域と、膜電極結合体のガス用マニフォールド孔との間に、セル内ガス流路に連通する間隙部を形成し、
前記間隙部は、膜電極結合体のガス用マニフォールド孔の内径部が、セパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域外径部よりも外側に位置するように形成し、前記内径部と外径部とのあいだの径方向の隙間として形成したことを特徴とする燃料電池。
A unit cell including a membrane electrode assembly and a first separator and a second separator that are bonded to both surfaces of the membrane electrode assembly to form an in-cell gas flow path through which fuel gas or oxidant gas flows. A fuel cell in which a stack is formed by stacking many,
An in-cell cooling water flow path is provided between the first separator and the second separator of the unit cells adjacent to each other in the stacked state, and the membrane electrode assembly and each separator penetrate in the stacking direction. A manifold hole for gas communicating with the gas flow path and a manifold hole for cooling water communicating with the in-cell cooling water flow path,
In the fuel cell including a compression seal that seals the outer periphery of the cooling water passage and the periphery of the manifold hole for gas between the first separator and the second separator,
Between the seal region of the gas manifold hole of the separator and the gas manifold hole of the membrane electrode assembly, a gap portion communicating with the gas flow path in the cell is formed,
The gap portion is formed such that the inner diameter portion of the gas manifold hole of the membrane electrode assembly is located outside the seal region outer diameter portion of the gas manifold hole of the separator, and the inner diameter portion and the outer diameter portion A fuel cell characterized in that it is formed as a radial gap between the two.
膜電極結合体と、その両面に接合し、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するセル内ガス流路を膜電極結合体との間に形成する第1セパレータおよび第2セパレータを備えた単位セルを多数積層してスタックを構成する燃料電池であって、
積層状態にて互いに隣接する単位セルの第1のセパレータと第2のセパレータとの間に冷却水が流通するセル内冷却水路を設けると共に、膜電極結合体と各セパレータとを積層方向に貫通して前記ガス流路に連通するガス用マニフォールド孔と、前記セル内冷却水流路に連通する冷却水用マニフォールド孔とを設け、
第1セパレータと第2セパレータとのあいだに冷却水流路の外周部とガス用マニフォールド孔の周囲とを封止する圧縮シールを介装した燃料電池において、
前記セパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域と、膜電極結合体のガス用マニフォールド孔との間に、セル内ガス流路に連通する間隙部を形成し、
前記間隙部は、膜電極結合体の一部を、セパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域に対向する部分について薄肉に形成し、この薄肉部とシール領域とのあいだの積層方向の隙間として形成したことを特徴とする燃料電池。
A unit cell including a membrane electrode assembly and a first separator and a second separator that are bonded to both surfaces of the membrane electrode assembly to form an in-cell gas flow path through which fuel gas or oxidant gas flows. A fuel cell in which a stack is formed by stacking many,
An in-cell cooling water passage is provided between the first separator and the second separator of the unit cells adjacent to each other in the stacked state, and the membrane electrode assembly and each separator penetrate in the stacking direction. A gas manifold hole communicating with the gas flow path and a cooling water manifold hole communicating with the in-cell cooling water flow path,
In the fuel cell including a compression seal that seals the outer periphery of the cooling water passage and the periphery of the manifold hole for gas between the first separator and the second separator,
Between the seal region of the gas manifold hole of the separator and the gas manifold hole of the membrane electrode assembly, a gap portion communicating with the gas flow path in the cell is formed,
The gap portion is formed as a gap in the stacking direction between the thin wall portion and the seal region by forming a part of the membrane electrode assembly thinly in a portion facing the seal region of the gas manifold hole of the separator. The fuel cell characterized by the above-mentioned.
前記膜電極結合体のマニフォールド孔に臨むセパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域の高さを、膜電極結合体の厚さよりも小の範囲内で高く設定した請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the height of the seal region of the gas manifold hole of the separator facing the manifold hole of the membrane electrode assembly is set higher within a range smaller than the thickness of the membrane electrode assembly. 前記膜電極結合体のマニフォールド孔に臨むセパレータのガス用マニフォールド孔のシール領域に、膜電極結合体の厚さと略同等の高さを有し、かつ圧縮シールに比較して高度の高い材料からなる支持部材を設けた請求項1に記載の燃料電池。   The seal region of the gas manifold hole of the separator facing the manifold hole of the membrane electrode assembly has a height substantially equal to the thickness of the membrane electrode assembly, and is made of a material having a high level compared to the compression seal. The fuel cell according to claim 1, further comprising a support member. 前記間隙部は、ガス用マニフォールド孔の、セル内ガス流路側の縁部にのみ設けてある請求項1または請求項2に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the gap is provided only at an edge of the gas manifold hole on the gas flow path side in the cell. 前記セパレータのガス用マニフォールド孔は、その開口縁部を外側に折り返した態様の折返し部を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas manifold hole of the separator has a folded portion in which an opening edge portion is folded outward. 4.
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