JP2006221957A

JP2006221957A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2006221957A
Application number: JP2005034118A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Sasaoka; 友陽笹岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP4770191B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain the height of a gas passage communicating part for communicating a manifold part and a gas passage part without increasing the number of components in a fuel cell. <P>SOLUTION: The gas passage communicating part 50 is formed between a separator 10 of a cell and a separator 20 adjoining the cell. By this gas passage communicating part 50, a manifold part 80 for distributing a reaction gas for every cell and gas passage parts 52, 54 formed in the cells are communicated. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、膜電極接合体をその両側からセパレータで挟んで構成された燃料電池に関し、詳しくは、反応ガスをセル毎に分配するためのマニホールド部とセル内に形成されたガス流路部とを連通するガス流路連通部の構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which a membrane electrode assembly is sandwiched between separators from both sides, and more specifically, a manifold part for distributing reaction gas to each cell, and a gas flow path part formed in the cell. It relates to the structure of the gas flow passage communicating portion that communicates.

一般に、燃料電池は、複数枚の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックとして使用される。各セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側を金属やカーボン等で形成されたセパレータで挟んで構成されている。各セルにおいて、セパレータと膜電極接合体との間には、反応ガス（水素、空気等）が流れるガス流路部が形成されている。また、セパレータの端部には、反応ガスをセル毎に分配するためのマニホールド部が形成されている。 In general, a fuel cell is used as a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. Each cell is configured by sandwiching both sides of a membrane electrode assembly (MEA) with a separator made of metal, carbon, or the like. In each cell, a gas flow path portion through which a reaction gas (hydrogen, air, etc.) flows is formed between the separator and the membrane electrode assembly. Further, a manifold portion for distributing the reaction gas for each cell is formed at the end of the separator.

マニホールド部からガス流路部に反応ガスを供給するためには、マニホールド部とガス流路部とを連通させるガス流路連通部が必要となる。特許文献１に記載された燃料電池では、セルと膜電極接合体との間にシール部材を挟み、このシール部材にガス流路連通部を形成している。また、特許文献２に記載された燃料電池では、セルを構成する二枚のセパレータの内側に樹脂フレームを挟み、この樹脂フレームにガス流路連通部を形成している。
特開平１０−５５８１３号公報特開２００３−７７４９９号公報 In order to supply the reaction gas from the manifold section to the gas flow path section, a gas flow path communication section that connects the manifold section and the gas flow path section is required. In the fuel cell described in Patent Document 1, a seal member is sandwiched between the cell and the membrane electrode assembly, and a gas flow path communicating portion is formed in the seal member. Further, in the fuel cell described in Patent Document 2, a resin frame is sandwiched between two separators constituting a cell, and a gas flow passage communicating portion is formed in the resin frame.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-55813 JP 2003-77499 A

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術のようにシール部材にガス流路連通部を形成する場合、シール部材の変形によってガス流路連通部が閉塞されてしまう可能性がある。特許文献２に記載の従来技術のようにセパレータの内側に樹脂フレームを設ける場合には、ガス流路連通部を一定高さに保つことができるものの、部品点数が増える分、組み付けの作業時間がかかり、また、組付け誤差が生じる可能性がある。 However, when the gas flow path communicating portion is formed in the seal member as in the prior art described in Patent Document 1, there is a possibility that the gas flow path communicating portion is blocked by deformation of the seal member. When the resin frame is provided on the inner side of the separator as in the prior art described in Patent Document 2, the gas flow passage communicating portion can be maintained at a constant height, but the assembly work time is increased as the number of parts increases. And assembly errors may occur.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、部品点数の増大を招くことなく、マニホールド部とガス流路部とを連通するガス流路連通部の高さを一定に維持できるようにした燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the height of the gas flow path communication portion that connects the manifold portion and the gas flow path portion is made constant without causing an increase in the number of parts. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be maintained.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、膜電極接合体を一対のセパレータにより挟んでなるセルが複数枚積層されることによって構成される燃料電池において、
反応ガスをセル毎に分配するためのマニホールド部とセル内に形成されたガス流路部とを連通するガス流路連通部が、当該セルのセパレータと当該セルに隣接するセパレータとの間に形成されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell configured by laminating a plurality of cells each including a membrane electrode assembly sandwiched between a pair of separators.
A gas flow passage communicating portion that connects the manifold portion for distributing the reaction gas to each cell and the gas flow passage portion formed in the cell is formed between the separator of the cell and the separator adjacent to the cell. It is characterized by being.

また、第２の発明は、前記の第１の発明において、前記セパレータは片面の凹部に対応した反対面が凸部となる表裏一体構造であり、当該セパレータの前記膜電極接合体に接する側とは反対側の面に形成された凸部が隣接するセパレータに接触することによって、当該隣り合う二枚のセパレータ間に前記ガス流路連通部が形成されていることを特徴としている。 Further, the second invention is the above-mentioned first invention, wherein the separator has a front-back integrated structure in which the opposite surface corresponding to the concave portion on one side is a convex portion, and the side of the separator in contact with the membrane electrode assembly; Is characterized in that the gas flow passage communicating portion is formed between the two adjacent separators when the convex portions formed on the opposite surface come into contact with the adjacent separators.

また、第３の発明は、前記の第２の発明において、前記凸部の背面にある凹部であって密閉性が要求される部位には、シール材が埋め込まれていることを特徴としている。 In addition, a third invention is characterized in that, in the second invention, a sealing material is embedded in a concave portion on the back surface of the convex portion and requiring sealing.

また、第４の発明は、前記の第２又は第３の発明において、前記セパレータは、当該セパレータの前記膜電極接合体に接する側の面に形成された凸部によって前記膜電極接合体を支持するように構成され、前記凸部の背面にある凹部であって密閉性が要求される部位には、シール材が埋め込まれていることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect of the invention, the separator supports the membrane electrode assembly by a convex portion formed on a surface of the separator that is in contact with the membrane electrode assembly. The sealing material is embedded in the part which is the recessed part in the back surface of the said convex part, and the sealing | tightness is requested | required.

また、第５の発明は、前記の第３又は第４の発明において、前記シール材は樹脂であることを特徴としている。 The fifth invention is characterized in that, in the third or fourth invention, the sealing material is a resin.

また、第６の発明は、前記の第３乃至第５の何れか１つの発明において、前記シール材の少なくとも一部はガスケット兼用であることを特徴としている。 According to a sixth invention, in any one of the third to fifth inventions, at least a part of the sealing material is also used as a gasket.

また、第７の発明は、前記の第３乃至第６の何れか１つの発明において、前記シール材内に当該シール材よりも剛性の高い物質が埋設されていることを特徴としている。 A seventh invention is characterized in that, in any one of the third to sixth inventions, a substance having rigidity higher than that of the sealing material is embedded in the sealing material.

また、第８の発明は、前記の第３乃至第７の何れか１つの発明において、前記膜電極接合体と前記膜電極接合体の外周に設けられるガスケットとは一体構造であり、前記のガスケットが一体化された膜電極接合体を前記一対のセパレータによって直接挟むことによって前記セルが構成されていることを特徴としている。 According to an eighth invention, in any one of the third to seventh inventions, the membrane electrode assembly and a gasket provided on an outer periphery of the membrane electrode assembly are an integral structure, and the gasket The cell is configured by directly sandwiching a membrane electrode assembly in which the electrode is integrated between the pair of separators.

また、第９の発明は、前記の第２乃至第８の何れか１つの発明において、前記セパレータはプレス成形により形成されていることを特徴としている。 The ninth invention is characterized in that, in any one of the second to eighth inventions, the separator is formed by press molding.

第１の発明によれば、剛性の高いセパレータ間にガス流路連通部が形成されるので、ガス流路連通部に変形が生じることはなく、一定の流路高さを確保することができる。また、本発明によれば、既存の部品であるセパレータ間にガス流路連通部を形成することから、樹脂フレーム等の別部品を必要としない。 According to the first invention, since the gas flow channel communication portion is formed between the high-stiffness separators, the gas flow channel communication portion is not deformed, and a constant flow channel height can be ensured. . In addition, according to the present invention, since the gas flow path communicating portion is formed between the existing separators, a separate part such as a resin frame is not required.

特に、第２の発明によれば、膜電極接合体に接する側とは反対側の面に形成された凸部によってガス流路連通部を簡単に形成することができる。しかも、セパレータは片面の凹部に対応した反対面が凸部となる表裏一体構造であるので、高い剛性を確保することができる。 In particular, according to the second invention, the gas flow passage communicating portion can be easily formed by the convex portion formed on the surface opposite to the side in contact with the membrane electrode assembly. Moreover, since the separator has a front-back integrated structure in which the opposite surfaces corresponding to the concave portions on one side are convex portions, high rigidity can be ensured.

また、第３乃至第６の発明によれば、凸部と表裏一体に形成される凹部にシール材が埋め込まれるので、接着剤を要することなくシール材を配置することができる。 According to the third to sixth inventions, since the sealing material is embedded in the concave portion formed integrally with the convex portion and the front and back, the sealing material can be disposed without requiring an adhesive.

また、第７の発明によれば、シール材内にシール材よりも剛性の高い物質が埋設されることにより、シール材の反力を高めてシール性を向上させることができる。 Further, according to the seventh aspect, since a substance having higher rigidity than the sealing material is embedded in the sealing material, the reaction force of the sealing material can be increased and the sealing performance can be improved.

また、第８の発明によれば、膜電極接合体にガスケットが一体化されているので、接着剤を要することなく膜電極接合体をセパレータに組み付けることができ、組み付けの作業時間を短縮することができる。 According to the eighth invention, since the gasket is integrated with the membrane electrode assembly, the membrane electrode assembly can be assembled to the separator without requiring an adhesive, and the assembly work time can be shortened. Can do.

また、第９の発明によれば、表裏一体の凸部及び凹部をプレス成形によって簡単に形成することができる。 Further, according to the ninth aspect, the front and back integral convex portions and concave portions can be easily formed by press molding.

以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池を構成するセパレータ１０の平面図である。図２及び図３は、本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面に相当する断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図、図４は図１のＣ−Ｃ断面に相当する断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
FIG. 1 is a plan view of a separator 10 constituting a fuel cell as an embodiment of the present invention. 2 and 3 are views showing the structure of a fuel cell as an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view corresponding to the AA cross section of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to the cross section CC of FIG. 1.

図２及び図３に示すように、燃料電池は、電解質膜２をアノード電極４とカソード電極６とにより挟んで構成された膜電極接合体８を備えている。膜電極接合体８の外周部には、膜電極接合体８を囲むようにガスケット４０が一体的に取り付けられている。燃料電池は、膜電極接合体８とガスケット４０の一体品をその両面から一対のセパレータ１０，２０で挟んだものを一つのセルとし、このセルが複数枚一方向に積層された燃料電池スタックとして使用される。なお、燃料電池スタックの端部に位置する端セルの外側には、端末プレート３０が積層されている。 As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell includes a membrane electrode assembly 8 configured by sandwiching the electrolyte membrane 2 between an anode electrode 4 and a cathode electrode 6. A gasket 40 is integrally attached to the outer periphery of the membrane electrode assembly 8 so as to surround the membrane electrode assembly 8. A fuel cell is a fuel cell stack in which an integral product of a membrane electrode assembly 8 and a gasket 40 is sandwiched between a pair of separators 10 and 20 from both sides, and a plurality of cells are stacked in one direction. used. In addition, the terminal plate 30 is laminated | stacked on the outer side of the end cell located in the edge part of a fuel cell stack.

セパレータ１０，２０には、膜電極接合体８のアノード電極４側に接する第１セパレータ１０と、カソード電極６側に接する第２セパレータ２０の２種類が用意されている。本実施形態では、セパレータ１０，２０として金属プレートをプレス成形したメタルセパレータが用いられている。セパレータ１０，２０の成形に使用する金属プレートとしては、板厚が０．０５〜０．３ｍｍ（好ましくは０．１ｍｍ以下）でヤング率が７×１０¹⁰Ｐａ以上のものが用いられている。金属プレートに使用可能な金属種類としては、アルミニウム、鉄、チタン、ステンレス等が挙げられる。 Two types of separators 10 and 20 are prepared: a first separator 10 in contact with the anode electrode 4 side of the membrane electrode assembly 8 and a second separator 20 in contact with the cathode electrode 6 side. In the present embodiment, metal separators obtained by press-molding metal plates are used as the separators 10 and 20. As the metal plate used for forming the separators 10 and 20, a metal plate having a plate thickness of 0.05 to 0.3 mm (preferably 0.1 mm or less) and a Young's modulus of 7 × 10 ¹⁰ Pa or more is used. Examples of metal types that can be used for the metal plate include aluminum, iron, titanium, and stainless steel.

図１の平面図は第１セパレータ１０の平面形状を示している。この図に示すように、第１セパレータ１０の左右の端部には、それぞれ３つのマニホールドが並んで形成されている。図中、第１セパレータ１０の左側の端部に形成されたマニホールドは、上から水素入口マニホールド８０，空気出口マニホールド８２，冷却水入口マニホールド８４である。図１中、第１セパレータ１０の右の端部に形成されたマニホールドは、上から冷却水出口マニホールド８１，空気入口マニホールド８３，水素出口マニホールド８５である。 The plan view of FIG. 1 shows the planar shape of the first separator 10. As shown in this figure, three manifolds are formed side by side at the left and right ends of the first separator 10. In the figure, the manifold formed at the left end of the first separator 10 is a hydrogen inlet manifold 80, an air outlet manifold 82, and a cooling water inlet manifold 84 from the top. In FIG. 1, the manifolds formed at the right end of the first separator 10 are a cooling water outlet manifold 81, an air inlet manifold 83, and a hydrogen outlet manifold 85 from the top.

第１セパレータ１０の左右のマニホールド列の間には、第１セパレータ１０の内側（膜電極接合体８に接する側）に窪んでいる谷部１５と第１セパレータ１０の外側（膜電極接合体８の反対の側）に盛り上っている山部１７が交互に形成されている。谷部１５は、セパレータ１０，２０により膜電極接合体８を挟む際、図２に示すようにアノード電極４に接触して膜電極接合体８を支持する支持面となる。一方、山部１７と膜電極接合体８との間には、図３に示すように通路５４が形成される。この通路５４はアノード電極４に水素を供給するためのガス流路（水素流路）となっている。 Between the left and right manifold rows of the first separator 10, a valley 15 that is recessed inside the first separator 10 (side contacting the membrane electrode assembly 8) and the outside of the first separator 10 (membrane electrode assembly 8). The ridges 17 that are raised on the opposite side) are alternately formed. When the membrane electrode assembly 8 is sandwiched between the separators 10 and 20, the trough portion 15 is in contact with the anode electrode 4 and serves as a support surface that supports the membrane electrode assembly 8 as shown in FIG. 2. On the other hand, a passage 54 is formed between the peak portion 17 and the membrane electrode assembly 8 as shown in FIG. This passage 54 is a gas flow path (hydrogen flow path) for supplying hydrogen to the anode electrode 4.

第２セパレータ２０の平面形状についての図示は省略するが、第２セパレータ２０も第１セパレータ１０と同様の平面形状を有しており、左右の端部にはそれぞれ３つのマニホールドが並んで形成されている。第２セパレータ２０に形成された各マニホールドの位置は、第１セパレータ１０に形成された各マニホールドの位置にそれぞれ一致している。 Although the illustration of the planar shape of the second separator 20 is omitted, the second separator 20 also has the same planar shape as the first separator 10, and three manifolds are formed side by side at the left and right ends. ing. The positions of the manifolds formed on the second separator 20 coincide with the positions of the manifolds formed on the first separator 10.

第２セパレータ２０の左右のマニホールド列の間には、図２或いは図３に示すように、第２セパレータ２０の内側に窪んでいる谷部２５と第２セパレータ２０の外側に盛り上っている山部２７が交互に形成されている。谷部２５は、セパレータ１０，２０により膜電極接合体８を挟む際、カソード電極６に接触して膜電極接合体８を支持する支持面となる。一方、山部２７と膜電極接合体８との間には通路６４が形成される。この通路６４はカソード電極６に空気を供給するためのガス流路（空気流路）となっている。 Between the left and right manifold rows of the second separator 20, as shown in FIG. 2 or FIG. 3, the valleys 25 are recessed inside the second separator 20 and are raised outside the second separator 20. Mountain portions 27 are alternately formed. When the membrane electrode assembly 8 is sandwiched between the separators 10 and 20, the trough portion 25 is in contact with the cathode electrode 6 and serves as a support surface that supports the membrane electrode assembly 8. On the other hand, a passage 64 is formed between the peak portion 27 and the membrane electrode assembly 8. The passage 64 is a gas flow path (air flow path) for supplying air to the cathode electrode 6.

また、第２セパレータ２０に形成される谷部２５と山部２７の位置は、第１セパレータ１０に形成される谷部１５と山部１７の位置にそれぞれ一致している。その結果、第１セパレータ１０の山部１７と隣接セルの第２セパレータ２０の山部２７とは接触し、お互いのセルを支持する支持面となる。一方、第１セパレータ１０の谷部１５と隣接セルの第２セパレータ２０の谷部２５との間には通路７４が形成される。この通路７４は冷却水が流れる冷却水流路となっている。 Further, the positions of the troughs 25 and the crests 27 formed in the second separator 20 coincide with the positions of the troughs 15 and the crests 17 formed in the first separator 10, respectively. As a result, the peak portion 17 of the first separator 10 and the peak portion 27 of the second separator 20 of the adjacent cell come into contact with each other and become a support surface that supports each other cell. On the other hand, a passage 74 is formed between the valley 15 of the first separator 10 and the valley 25 of the second separator 20 of the adjacent cell. This passage 74 is a cooling water flow path through which cooling water flows.

上記の水素流路５４、空気流路６４及び冷却水流路７４は、各セパレータ１０，２０の谷部１５，２５と山部１７，２７に対応してそれぞれ複数本形成されている。各流路は、それぞれ対応する各マニホールドに接続されている。図２及び図３の断面図では、水素流路５４を水素入口マニホールド８０に接続する接続部の構成が示されている。図３に示すように、水素入口マニホールド８０から供給される水素は、当該セルのセパレータ１０と隣接セルのセパレータ２０との間に形成される水素流路連通部５０を通り、さらにセパレータ１０と膜電極接合体８との間に形成される水素分配部５２を通って各水素流路５４に供給されるようになっている。詳細な説明は省略するが、空気流路６４を空気入口マニホールド８３に接続する接続部の構成もこれと同様の構成になっている。 A plurality of the hydrogen flow paths 54, the air flow paths 64, and the cooling water flow paths 74 are formed corresponding to the valley portions 15 and 25 and the peak portions 17 and 27 of the separators 10 and 20, respectively. Each flow path is connected to a corresponding manifold. 2 and 3, the configuration of the connection portion that connects the hydrogen flow path 54 to the hydrogen inlet manifold 80 is shown. As shown in FIG. 3, the hydrogen supplied from the hydrogen inlet manifold 80 passes through the hydrogen flow passage communicating portion 50 formed between the separator 10 of the cell and the separator 20 of the adjacent cell, and further, the separator 10 and the membrane. It is supplied to each hydrogen flow path 54 through the hydrogen distribution part 52 formed between the electrode assemblies 8. Although a detailed description is omitted, the configuration of the connecting portion that connects the air flow path 64 to the air inlet manifold 83 is the same as this configuration.

水素流路連通部５０は、前述のように第１セパレータ１０の外側に形成されている。図２に示すように、第１セパレータ１０の水素流路連通部５０にあたる部位には、第１セパレータ１０の外側に突き出ているバックアップ部（外側バックアップ部）１１が形成されている。また。隣接セルの第２セパレータ２０の水素流路連通部５０にあたる部位にも、第２セパレータ２０の外側に突き出ているバックアップ部（外側バックアップ部）２１が形成されている。これら外側バックアップ部１１，２１が互いに接触することで、隣り合うセパレータ１０，２０の間に空間ができ、この空間が水素流路連通部５０となっている。水素流路連通部５０と第１セパレータ１０の内側とは、第１セパレータ１０に形成された開口部１６を介して連通している。なお、当該セルが端セルの場合には、水素流路連通部５０は、第１セパレータ１０とその外側に配置される端末プレート３０との間に形成される。図２及び図３に示すように、端末プレート３０は第２セパレータ２０の形状に略等しい形状を有している。 The hydrogen flow passage communicating portion 50 is formed outside the first separator 10 as described above. As shown in FIG. 2, a backup portion (outer backup portion) 11 protruding outside the first separator 10 is formed at a portion corresponding to the hydrogen flow passage communicating portion 50 of the first separator 10. Also. A backup portion (outer backup portion) 21 protruding outside the second separator 20 is also formed at a portion corresponding to the hydrogen flow path communication portion 50 of the second separator 20 of the adjacent cell. These outer backup parts 11 and 21 come into contact with each other, so that a space is formed between the adjacent separators 10 and 20, and this space serves as the hydrogen flow path communication part 50. The hydrogen flow passage communicating portion 50 and the inside of the first separator 10 communicate with each other through an opening 16 formed in the first separator 10. In addition, when the said cell is an end cell, the hydrogen flow path communication part 50 is formed between the 1st separator 10 and the terminal plate 30 arrange | positioned on the outer side. As shown in FIGS. 2 and 3, the terminal plate 30 has a shape substantially equal to the shape of the second separator 20.

水素分配部５２は、水素流路５４に直交する方向に延びており、各水素流路５４の上流端が接続されている。本実施形態では、これら水素分配部５２と水素流路５４とを合わせた流路全体が、第１の発明の「ガス流路部」に相当している。図２に示すように、水素流路連通部５０と水素分配部５２との境界部には、第１セパレータ１０の内側に突き出してバックアップ部（内側バックアップ部）１２が形成されている。内側バックアップ部１２は、図１に示すように第１セパレータ１０の縦方向に等間隔で形成されている。内側バックアップ部１２はアノード電極４に接触し、第２セパレータ２０側の内側バックアップ部２２とともに膜電極接合体８を支持している。 The hydrogen distributor 52 extends in a direction orthogonal to the hydrogen flow channel 54, and the upstream end of each hydrogen flow channel 54 is connected. In the present embodiment, the entire flow path including the hydrogen distribution part 52 and the hydrogen flow path 54 corresponds to the “gas flow path part” of the first invention. As shown in FIG. 2, a backup portion (inner backup portion) 12 is formed at the boundary between the hydrogen flow passage communication portion 50 and the hydrogen distribution portion 52 so as to protrude to the inside of the first separator 10. As shown in FIG. 1, the inner backup portion 12 is formed at equal intervals in the longitudinal direction of the first separator 10. The inner backup part 12 is in contact with the anode electrode 4 and supports the membrane electrode assembly 8 together with the inner backup part 22 on the second separator 20 side.

第１セパレータ１０の水素分配部５２内にあたる部位には、第１セパレータ１０の内側に突き出ている凸部（内側凸部）１４と外側に突き出ている凸部（外側凸部）１３が形成されている。内側凸部１４及び外側凸部１３は、図１に示すように第１セパレータ１０の縦方向に等間隔で形成されている。内側凸部１４はアノード電極４に接触して膜電極接合体８を支持するとともに、水素分配部５２内の水素の流れを整流している。これら内側凸部１４の作用によって、水素流路連通部５０から水素分配部５２に供給された水素は、水素分配部５２内で整流されて各水素流路５４へ均等に分配される。一方、第１セパレータ１０の外側凸部１３は、隣接セルの第２セパレータ２０に形成された外側凸部２３に接触してお互いのセルを支持している。 A convex portion (inner convex portion) 14 that protrudes inside the first separator 10 and a convex portion (outer convex portion) 13 that protrudes outward are formed at a portion corresponding to the hydrogen distribution portion 52 of the first separator 10. ing. As shown in FIG. 1, the inner convex portion 14 and the outer convex portion 13 are formed at equal intervals in the longitudinal direction of the first separator 10. The inner convex portion 14 is in contact with the anode electrode 4 to support the membrane electrode assembly 8 and rectifies the flow of hydrogen in the hydrogen distribution portion 52. By the action of these inner convex portions 14, the hydrogen supplied from the hydrogen flow passage communicating portion 50 to the hydrogen distribution portion 52 is rectified in the hydrogen distribution portion 52 and is equally distributed to the hydrogen flow passages 54. On the other hand, the outer convex portion 13 of the first separator 10 is in contact with the outer convex portion 23 formed on the second separator 20 of the adjacent cell and supports each other cell.

第２セパレータ２０側の内側バックアップ部２２は、第２セパレータ２０の縦方向に延びている。この内側バックアップ部２２と各空気流路６４の下流端との間に形成される空間が空気集合部６２になっている。各空気流路６４を通った空気は空気集合部６２に集められ、空気集合部６２から空気出口マニホールド８２（図１参照）へ排出される。第２セパレータ２０の空気集合部６２にあたる部位には、第２セパレータ２０の内側に突き出ている凸部（内側凸部）２４と、外側に突き出ている凸部（外側凸部）２３とが形成されている。これら内側凸部２４及び外側凸部２３は、第１セパレータ１０の内側凸部１４及び外側凸部１３の位置に合わせて、第２セパレータ２０の縦方向に等間隔で形成されている。内側凸部２４はカソード電極６に接触して膜電極接合体８を支持しており、外側凸部２３は前述のように隣接セルの第１セパレータ１０に形成された外側凸部１３に接触してお互いのセルを支持している。これら外側凸部１３，２３が互いに接触することで、隣り合うセパレータ１０，２０の間に空間ができ、この空間は冷却水分配部７２となっている。冷却水分配部７２は、冷却水流路７４に直交する方向に延びており、各冷却水流路７４の上流端が接続されている。 The inner backup portion 22 on the second separator 20 side extends in the longitudinal direction of the second separator 20. A space formed between the inner backup portion 22 and the downstream end of each air flow path 64 is an air collecting portion 62. The air passing through each air flow path 64 is collected in the air collecting portion 62 and discharged from the air collecting portion 62 to the air outlet manifold 82 (see FIG. 1). A convex portion (inner convex portion) 24 protruding inside the second separator 20 and a convex portion (outer convex portion) 23 protruding outward are formed at a portion corresponding to the air collecting portion 62 of the second separator 20. Has been. The inner convex portion 24 and the outer convex portion 23 are formed at equal intervals in the vertical direction of the second separator 20 in accordance with the positions of the inner convex portion 14 and the outer convex portion 13 of the first separator 10. The inner convex portion 24 is in contact with the cathode electrode 6 to support the membrane electrode assembly 8, and the outer convex portion 23 is in contact with the outer convex portion 13 formed in the first separator 10 of the adjacent cell as described above. And support each other's cells. These outer convex portions 13 and 23 come into contact with each other, so that a space is formed between the adjacent separators 10 and 20, and this space is a cooling water distribution portion 72. The cooling water distributor 72 extends in a direction orthogonal to the cooling water flow path 74, and an upstream end of each cooling water flow path 74 is connected.

第１セパレータ１０の水素分配部５２にあたる部位の外側には、ガスケット４３が配置されている。図４は、燃料電池をガスケット４３の長手方向に沿って切断した断面図である。図２及び図４に示すように、ガスケット４３の一部は、第１セパレータ１０に形成された内側バックアップ部１２の裏側（凹部）に埋設されている。第２セパレータ２０に形成された内側バックアップ部２２の裏側には、ガスケット４３に対向するようにゴム４４が埋設されている。ガスケット４３の先端がゴム４４に押し当てられることで、隣接する水素流路連通部５０と冷却水分配部７２との間が確実にシールされるようになっている。 A gasket 43 is disposed outside the portion corresponding to the hydrogen distributor 52 of the first separator 10. FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell cut along the longitudinal direction of the gasket 43. As shown in FIGS. 2 and 4, a part of the gasket 43 is embedded in the back side (concave portion) of the inner backup portion 12 formed in the first separator 10. A rubber 44 is embedded on the back side of the inner backup portion 22 formed in the second separator 20 so as to face the gasket 43. The front end of the gasket 43 is pressed against the rubber 44 so that the space between the adjacent hydrogen flow path communication portion 50 and the cooling water distribution portion 72 is surely sealed.

また、水素流路連通部５０を構成する各外側バックアップ部１１，２１の裏側（凹部）にもゴム４１，４５が埋設されている。ゴム４１，４５が埋設されることで、セパレータ１０，２０のガスケット４０が接触する接触面はフラットになり、ガスケット４０によるシール性が保たれている。なお、これらゴム製部材４０，４１，４３，４４，４５の材料には、シリコーン系ゴム、フッ素系ゴム、ＥＰＤＭ等であって、使用環境（温度範囲が−３０〜１２０℃であって、且つｐＨ２程度の酸性雰囲気）に耐えられるものが用いられている。 Further, rubbers 41 and 45 are also embedded in the back side (recessed portion) of each outer backup portion 11 and 21 constituting the hydrogen flow passage communicating portion 50. Since the rubbers 41 and 45 are embedded, the contact surfaces with which the gaskets 40 of the separators 10 and 20 come into contact are flat, and the sealing performance by the gaskets 40 is maintained. These rubber members 40, 41, 43, 44, 45 are made of silicone rubber, fluorine rubber, EPDM, etc., and used environment (temperature range is −30 to 120 ° C., and Those that can withstand an acidic atmosphere of about pH 2 are used.

以上説明した燃料電池の構成によれば、水素入口マニホールド８０と水素流路５４とを接続する水素流路連通部５０をセル間に形成することにより、従来のようにセルの内側に形成する場合に比較して、水素流路連通部５０の流路高さや流路面積を大きくとることができる。また、水素流路連通部５０を設けるために樹脂フレーム等の別部品を必要としないという利点もある。また、水素流路連通部５０の高さは、セパレータ１０，２０にプレス成形する凸部（外側バックアップ部）１１，２１の高さによって任意に設定することができる。なお、空気流路連通部の詳細な構成は省略したが、空気流路連通部についても水素流路連通部５０と同様に構成することで、以上列挙したような顕著な効果を同様に得ることができる。 According to the configuration of the fuel cell described above, when the hydrogen flow passage communicating portion 50 that connects the hydrogen inlet manifold 80 and the hydrogen flow passage 54 is formed between the cells, it is formed inside the cell as in the conventional case. Compared to the above, the channel height and channel area of the hydrogen channel communication part 50 can be increased. In addition, there is an advantage that a separate part such as a resin frame is not required to provide the hydrogen flow path communication part 50. In addition, the height of the hydrogen flow path communication portion 50 can be arbitrarily set depending on the height of the convex portions (outer backup portions) 11 and 21 that are press-formed on the separators 10 and 20. Although the detailed configuration of the air flow channel communication portion is omitted, the air flow channel communication portion is configured similarly to the hydrogen flow channel communication portion 50, so that the remarkable effects as listed above can be obtained similarly. Can do.

さらに、上記の構成によれば、ガスケット４０は膜電極接合体８に最初から一体化されており、他のゴム製部材４１，４３，４４，４５はセパレータ１０，２０に形成された凹部内に埋め込まれている。したがって、セル化の際には、膜電極接合体８をセパレータ１０，２０で挟むだけでよく、接着剤を用いた接着工程を必要としない。一般に接着剤は熱硬化型であるため接着剤が固まるまでに時間を要するが、上記の構成によれば、接着工程を必要としない分、燃料電池の製造工程における工程時間を短縮することができる。 Furthermore, according to the above configuration, the gasket 40 is integrated with the membrane electrode assembly 8 from the beginning, and the other rubber members 41, 43, 44, 45 are placed in the recesses formed in the separators 10, 20. Embedded. Therefore, when the cells are formed, it is only necessary to sandwich the membrane electrode assembly 8 between the separators 10 and 20, and an adhesion step using an adhesive is not required. Generally, since the adhesive is a thermosetting type, it takes time until the adhesive hardens. However, according to the above configuration, the process time in the manufacturing process of the fuel cell can be shortened because the adhesive process is not required. .

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。 While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications may be made.

図５の断面図は、第１セパレータ１０の内側バックアップ部１２の裏側（凹部）に埋設されるガスケット４３の変形例（第１変形例）を示している。この第１変形例では、ガスケット４３の基部に別部材４７を埋め込んでいる。この別部材４７はガスケット４３の本体よりも剛性の高い物質でできた部材であり、ステンレス等の金属材やフェノール樹脂等の樹脂材を用いることができる。別部材４７の形状に限定はなく、小さいビーズ状でもよく、薄い平板状でもよく、或いは針状でもよい。このように本体よりも高剛性の別部材４７を入れることで、ガスケット４３の反力を高めてシール性を向上させることができる。 5 shows a modified example (first modified example) of the gasket 43 embedded in the back side (recessed portion) of the inner backup portion 12 of the first separator 10. In this first modification, another member 47 is embedded in the base of the gasket 43. The separate member 47 is a member made of a material having higher rigidity than the main body of the gasket 43, and a metal material such as stainless steel or a resin material such as phenol resin can be used. The shape of the separate member 47 is not limited, and may be a small bead shape, a thin flat plate shape, or a needle shape. Thus, by inserting the separate member 47 having higher rigidity than the main body, the reaction force of the gasket 43 can be increased and the sealing performance can be improved.

また、図６Ａ，図６Ｂ及び図６Ｃの断面図も、ガスケット４３の変形例（第２変形例）を示している。図６Ａは図１のＡ−Ａ断面に相当し、図６Ｂは図１のＢ−Ｂ断面に相当し、図６Ｃは図１のＣ−Ｃ断面に相当している。この第２変形例では、ガスケット４３の基部４３ａの厚みに応じてガスケット部４３ｂの高さを異ならせるようにしている。具体的には、図６Ａ及び図６Ｃに示すように、基部４３ａの厚い部分は、ガスケット部４３ｂの高さを高くし、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、基部４３ａの薄い部分は、ガスケット部４３ｂの高さを低くしている。このような構成によれば、基部４３ａの厚さによらず面内の圧縮率を略一定にすることができ、ガスケット４３の反力が場所によってばらつくのを防止することができる。 6A, 6B, and 6C also show a modification (second modification) of the gasket 43. 6A corresponds to the AA cross section of FIG. 1, FIG. 6B corresponds to the BB cross section of FIG. 1, and FIG. 6C corresponds to the CC cross section of FIG. In the second modification, the height of the gasket portion 43b is made different depending on the thickness of the base portion 43a of the gasket 43. Specifically, as shown in FIGS. 6A and 6C, the thick portion of the base portion 43a increases the height of the gasket portion 43b, and as shown in FIGS. 6B and 6C, the thin portion of the base portion 43a The height of the part 43b is made low. According to such a configuration, the in-plane compression rate can be made substantially constant regardless of the thickness of the base portion 43a, and the reaction force of the gasket 43 can be prevented from varying depending on the location.

また、上記実施の形態では、ガス流路部の流路構造としてストレート型を採用しているが、櫛型、或いはサーペンタイン型等、その流路構造には限定がない。 Moreover, in the said embodiment, although the straight type is employ | adopted as the flow path structure of a gas flow path part, there is no limitation in the flow path structure, such as a comb type or a serpentine type.

本発明の実施の形態としての燃料電池を構成するセパレータの平面図である。It is a top view of the separator which comprises the fuel cell as embodiment of this invention. 本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell as embodiment of this invention, and is sectional drawing equivalent to the AA cross section of FIG. 本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図１のＢ−Ｂ断面に相当する断面図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell as embodiment of this invention, and is sectional drawing equivalent to the BB cross section of FIG. 本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図１のＣ−Ｃ断面に相当する断面図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell as embodiment of this invention, and is sectional drawing equivalent to CC cross section of FIG. ガスケットの第１変形例の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the 1st modification of a gasket. ガスケットの第２変形例の構造を示す、図１のＡ−Ａ断面にあたる部位の断面図である。It is sectional drawing of the site | part which hits the AA cross section of FIG. 1 which shows the structure of the 2nd modification of a gasket. ガスケットの第２変形例の構造を示す、図１のＢ−Ｂ断面にあたる部位の断面図である。It is sectional drawing of the site | part which hits the BB cross section of FIG. 1 which shows the structure of the 2nd modification of a gasket. ガスケットの第２変形例の構造を示す、図１のＣ−Ｃ断面にあたる部位の断面図である。It is sectional drawing of the site | part which hits CC cross section of FIG. 1 which shows the structure of the 2nd modification of a gasket.

Explanation of symbols

２電解質膜
４アノード電極
６カソード電極
８膜電極接合体
１０第１セパレータ
２０第２セパレータ
１１，２１外側バックアップ部
１２，２２内側バックアップ部
１３，２３外側凸部
１４，２４内側凸部
１５，２５谷部
１６開口部
１７，２７山部
３０端末プレート
４０ガスケット
４１，４５ゴム
４３ガスケット
４４ゴム
５０水素流路連通部
５２水素分配部
５４水素流路
６２空気集合部
６４空気流路
７２冷却水分配部
７４冷却水流路
８０水素入口マニホールド
８１冷却水出口マニホールド
８２空気出口マニホールド
８３空気入口マニホールド
８４冷却水入口マニホールド
８５水素出口マニホールド 2 Electrolyte membrane 4 Anode electrode 6 Cathode electrode 8 Membrane electrode assembly 10 First separator 20 Second separator 11, 21 Outer backup parts 12, 22 Inner backup parts 13, 23 Outer protrusions 14, 24 Inner protrusions 15, 25 Valley Portion 16 Opening portion 17, 27 Mountain portion 30 End plate 40 Gasket 41, 45 Rubber 43 Gasket 44 Rubber 50 Hydrogen flow passage communicating portion 52 Hydrogen distribution portion 54 Hydrogen flow passage 62 Air collecting portion 64 Air flow passage 72 Cooling water distribution portion 74 Cooling water flow path 80 Hydrogen inlet manifold 81 Cooling water outlet manifold 82 Air outlet manifold 83 Air inlet manifold 84 Cooling water inlet manifold 85 Hydrogen outlet manifold

Claims

In a fuel cell configured by laminating a plurality of cells sandwiching a membrane electrode assembly between a pair of separators,
A gas flow passage communicating portion that connects the manifold portion for distributing the reaction gas to each cell and the gas flow passage portion formed in the cell is formed between the separator of the cell and the separator adjacent to the cell. A fuel cell characterized by being made.

The separator has a front-back integrated structure in which the opposite surface corresponding to the concave portion on one side is a convex portion, and the convex portion formed on the surface opposite to the side in contact with the membrane electrode assembly of the separator is adjacent to the separator. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas flow path communication portion is formed between the two adjacent separators by contact.

The fuel cell according to claim 2, wherein a sealing material is embedded in a concave portion on a back surface of the convex portion and a portion requiring sealing performance.

The separator is configured to support the membrane electrode assembly by a convex portion formed on a surface of the separator that is in contact with the membrane electrode assembly. The fuel cell according to claim 2 or 3, wherein a sealing material is embedded in a portion where the pressure is required.

The fuel cell according to claim 3 or 4, wherein the sealing material is a resin.

6. The fuel cell according to claim 3, wherein at least a part of the sealing material is also used as a gasket.

The fuel cell according to any one of claims 3 to 6, wherein a substance having higher rigidity than that of the sealing material is embedded in the sealing material.

The membrane electrode assembly and the gasket provided on the outer periphery of the membrane electrode assembly have an integral structure, and the cell is configured by directly sandwiching the membrane electrode assembly integrated with the gasket between the pair of separators. 8. The fuel cell according to claim 3, wherein the fuel cell is formed.

The fuel cell according to any one of claims 2 to 8, wherein the separator is formed by press molding.