JP4453387B2 - Fuel cell separator - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セル用セパレータ、特に燃料電池セル用セパレータのシール構造に関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell, and more particularly to a seal structure for a separator for a fuel cell.
燃料電池セル用セパレータは平板状で、一面に燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路が形成され、他面に冷却水流路が形成される。さらにこれら流体の流路を取り囲むようにシール溝が形成され、シール溝にシールが形成されることで流体が外部に漏洩しないようにシール性が確保されている。 The fuel cell separator is flat and has a flow path for fuel gas or oxidant gas formed on one surface and a cooling water flow path formed on the other surface. Further, a seal groove is formed so as to surround these fluid flow paths, and a seal is secured in the seal groove so that the fluid does not leak to the outside.
従来、燃料電池セル用セパレータのシール構造として、膜・電極接合体を挟み込むセパレータを積層し、前述の流路を互いに連通するように貫通孔(空間部)を設け、この貫通孔にゴム等よりなる成形材を注入成形することによってシールを一体成形する技術がある(特許文献1参照)。
しかしながら、従来技術では、貫通孔がシール溝の中央に位置するため、貫通孔を有さない他の領域のシールと貫通孔を有する領域のシールの変形率(圧縮率)が異なり、貫通孔を有する領域のシールからセパレータに供給される流体が漏洩するという問題があった。 However, in the prior art, since the through hole is located at the center of the seal groove, the seal deformation rate (compression ratio) of the seal in the other region having no through hole and the seal in the region having the through hole is different. There has been a problem that the fluid supplied to the separator leaks from the seal in the area that it has.
また、膜・電極接合体を挟み込むセパレータ間のシールを同時成形した場合には、合わせ面の隙間によりヒケ等の変形が生じやすく、この変形により供給される流体が漏洩する恐れがある。 Further, when the seal between the separators sandwiching the membrane / electrode assembly is simultaneously formed, deformation such as sink marks is likely to occur due to the gap between the mating surfaces, and the fluid supplied by this deformation may leak.
そこで、本発明は、シール性を向上した燃料電池セル用セパレータを提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the separator for fuel cells which improved the sealing performance.
本発明は、燃料電池セルにおいて、アノード側セパレータとカソード側セパレータの一面に、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路をそれぞれ取り囲むように電極側シール溝を備えるとともに、前記セパレータの冷媒流路を設けた背面に、冷媒流路を取り囲むようにセパレータ側シール溝を備え、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータの前記背面を相対して積層した状態で、前記電極側シール溝間を前記セパレータ側シール溝を通じて連通する貫通孔を設け、前記電極側シール溝と前記セパレータ側シール溝と前記貫通孔に弾性材を注入してシール部材を形成し、前記貫通孔は、前記膜・電極接合体に接触する前記シール部材のリップ部の中心に対して前記シール溝の幅方向にオフセットして形成される。 According to the present invention, in the fuel cell, on one surface of the anode side separator and the cathode side separator, an electrode side seal groove is provided so as to surround each of the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path, and the refrigerant flow path of the separator is provided. A separator-side seal groove is provided on the provided back surface so as to surround the refrigerant flow path, and the separator-side seal groove is provided between the electrode-side seal grooves in a state where the anode-side separator and the cathode-side separator are stacked oppositely. A through hole communicating with the seal groove is provided, and an elastic material is injected into the electrode side seal groove, the separator side seal groove, and the through hole to form a seal member, and the through hole is formed in the membrane-electrode assembly. The seal member is formed so as to be offset in the width direction of the seal groove with respect to the center of the lip portion of the seal member.
本発明においては、アノード側セパレータとカソード側セパレータのシール溝を貫通する貫通孔を形成し、このシール溝と貫通孔に弾性材を注入してシール部材を一体的に形成したため、各セパレータを一体的に固定できるとともに、シール部材のリップ部の中心と貫通孔の中心とをシール溝の幅方向でオフセットしたので、シール部材の変形率のバラツキを抑制し、シール性を向上することができる。 In the present invention, a through-hole penetrating the seal groove of the anode-side separator and the cathode-side separator is formed, and an elastic material is injected into the seal groove and the through-hole so that the seal member is integrally formed. Since the center of the lip portion of the seal member and the center of the through hole are offset in the width direction of the seal groove, variations in the deformation rate of the seal member can be suppressed and the sealing performance can be improved.
図1と図2は、本発明のセパレータを用いた単セルの断面を示す図である。図2は、図1のA部拡大図である。単セルは、固体高分子電解質膜100と、電解質膜100を挟持するアノード1とカソード2からなる膜・電極接合体200と、アノード1に燃料ガスを、カソード2に酸素を供給するための流路を形成したアノードセパレータ3、及びカソードセパレータ4とから構成される。単セルを積層することで燃料電池スタックが形成される。
1 and 2 are views showing a cross section of a single cell using the separator of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of part A in FIG. The single cell includes a solid
図3は、各セパレータに形成される流路の形状およびシール溝の形状を説明する図である。図1から図3に示すように、アノード1に面したアノードセパレータ3の面3bには、燃料ガスの流路5が形成され、図3のa−1に示すように燃料ガス流路5は櫛状に形成される。一方、カソード2に面したカソードセパレータ4の面4bには酸化剤、例えば酸素の流路6が形成され、図3のb−1に示すように酸素流路5は櫛状に形成される。さらに、図3のa−2、b−2に示す、アノードセパレータ3とカソードセパレータ4の他方の面3a、4aには、単セルを冷却するための冷却水流路7が櫛状に形成されている。そして、各セパレータ3、4には、前述の3つ流路5、6、7に連通し、それぞれ異なるガス等を供給あるいは排出するための出入口流路5a、6a、7aがセルの積層方向に貫通して形成される。
FIG. 3 is a diagram illustrating the shape of the flow path and the shape of the seal groove formed in each separator. As shown in FIGS. 1 to 3, a fuel
燃料ガスまたは酸素流路が形成されたアノード側の面3b、カソード側の面4bには、形成された流路5、6の外側を取り囲むようにセパレータの縁部に電極側シール溝8bが形成される。一方、アノードセパレータ3のセパレータ側の面3aには、冷却水流路7を取り囲むように縁部にセパレータ側シール溝8aが形成される。セパレータ側シール溝8aと電極側シール溝8bには、各流路を流通する流体が外部に漏洩しないように、あるいは、他の流路中に漏洩しないように後述の如く一体的なシール部材9が形成される。シール部材9は弾性材からなり、例えばゴム材や樹脂材で形成される。なお、セパレータ側シール溝8aと電極側シール溝8bとの溝中心は、同じとして実施例では説明するが、後述する貫通孔10を形成できる範囲でオフセットしても良い。
On the
次にセパレータの断面を示す図4を用いて、セパレータ3、4のシール部材9について説明する。図4において、(a)図は、シール溝部8の一般形状断面を示しており(図3のB−B断面)、金型11、12に収装された状態を示す。(b)図は、セパレータ3とセパレータ4とを一体的に固定するために積層方向に貫通した貫通孔10を横断する断面(図3のA−A断面)を示す。貫通孔10は、図3に示すようにシール溝8a、8bの長さ方向に所定間隔に形成される。
Next, the sealing
図4(b)によると、セパレータ3、4の冷却水流路7が形成された面3a、4aを対面した状態で積層し、セパレータ側シール溝8aとを電極側シール溝8bと連通する貫通孔10を形成する。前述のように貫通孔10はシール溝の長さ方向に所定間隔で形成される。そして、(a)図に示すように金型11、12内に設置された状態で、電極側シール溝8bから弾性材がセパレータ側シール溝8aと貫通孔10に注入されることにより、シール部材9が形成され、シール部材9によりセパレータ3、4は一体的に固定される。
According to FIG. 4B, the
板状の2枚のセパレータ3、4がシール部材9により一体的に固定されるため、セパレータの剛性が向上し、製造工程での取り扱いが容易となる。また、セパレータ3、4をシール部材9により一体的に形成するために、セパレータ側の面3aと面4aと接着する必要がなく、製造工程の削減し、コストを低減することができる。
Since the two plate-
(a)図に示すように、アノード側の面3bまたはカソード側の面4bの電極側シール溝8bに形成される電極側シール部材9bは、電極側シール溝8bの略中央部に位置するシール部材9bのリップ部9cが面3b、4bより電極側に突出して形成される。そしてアノード1またはカソード2に接触して図2に示すように変形してシール性を確保し、アノード1またはカソード2に供給される流体が電極1、2とセパレータ3、4との間から外部に漏洩しないようにシールする。
(A) As shown in the figure, the electrode-side seal member 9b formed in the electrode-
ここで、上記した貫通孔10は、図4(b)に示すように電極側シール部材9bのリップ部9c中心に対して電極側シール溝8bの幅方向にオフセットした位置に形成されており、貫通孔10の形成に伴う電極側シール部材9bの変形率が他のシール部材の変形率と異なることを抑制でき、電極側シール部材9bからの流体の外部への漏洩を防止できる。
Here, the above-described through-
セパレータ3の面3aには、セパレータ側シール溝8aが凹状に形成されており、一方、相対するセパレータ4の面4aにはセパレータ3のセパレータ側シール溝8a内に突出するようにリブ13が形成される。リブ13はセパレータ側シール溝8aの側壁8cの近傍に形成されている。ここで、リブ13は、セパレータ側シール溝8aの底面8dと所定間隔離れて形成されることで、リブ13と側壁8cとの間の空間にもシール部材9aを形成する弾性材が注入される。従って、セパレータ側シール溝8a内にシール部材9aを形成する弾性材が注入された後に、弾性材が収縮して、いわゆるヒケを生じてもリブ13に弾性材が固着してヒケが抑制され、ヒケに起因する流体の漏洩を防止することができる。
A separator-
図4(c)は、セパレータ側シール溝8aに注入される弾性材の逃げ溝14をセパレータ側シール溝8aに連通して形成した構成である。セパレータ3のセパレータ側シール溝8aの側壁8cに対向する位置に凹状の逃げ溝14が形成される。逃げ溝14には、シール部材9を形成する弾性材の余分な弾性材が注入される。このような逃げ溝14を設けたことにより、セパレータ3とセパレータ4との間のパーティング部に弾性材が漏れることがない。
FIG. 4C shows a configuration in which a
本発明は、燃料電池セルのシール性を向上でき、燃料電池スタックを備えた燃料電池車両に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can improve the sealing performance of fuel cells and is useful for a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell stack.
1 アノード
2 カソード
3 アノード側セパレータ
4 カソード側セパレータ
5 燃料ガス流路
6 酸素流路
7 冷却水流路
8 シール溝
8a セパレータ側シール溝
8b 電極側シール溝
8c 側壁
8d 底面
9 シール部材
9a セパレータ側シール部材
9b 電極側シール部材
9c リップ部
10 貫通孔
11、12 金型
13 リブ
14 逃げ溝
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