JP2003123798A

JP2003123798A - 燃料電池のシール構造

Info

Publication number: JP2003123798A
Application number: JP2001313976A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Kajio; 克宏梶尾; Takeshi Takahashi; 剛高橋; Toshiyuki Suzuki; 稔幸鈴木; Itsushin So; 一新曽; Yasuyuki Asai; 康之浅井; Koetsu Hibino; 光悦日比野; Toshiyuki Inagaki; 敏幸稲垣; Tsutomu Ochi; 勉越智; Mikio Wada; 三喜男和田; Yuichi Yatsugami; 裕一八神
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-25
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: JP3636126B2

Abstract

(57)【要約】【課題】たとえシールラインに切れ等の局部的不具合
が生じても、異種流体の混合を防止することができる燃
料電池のシール構造の提供。【解決手段】（１）モジュール間のガスケットシール
ライン５１とセパレータ間のシールライン５２の少なく
とも一方のシールラインを、異種流体流路間部位で、二
重化した燃料電池のシール構造。（２）二重化により各
種流体流路毎に独立させたシールラインを、各々が接触
する流体に対して耐食性をもつ材料から構成した。
（３）マニホールドと反応面内とを連通するガス連通部
５３にセル積層方向に対応する部位に、モジュール間に
セパレータを押さえるバックアップ構造５４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池（たとえ
ば、固体高分子電解質型燃料電池、ただし、固体高分子
電解質型燃料電池に限るものではない）のシール構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電
極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembl
y ）とセパレータとからなるセルを１層以上重ねてモジ
ュールとし、モジュールを積層して構成される。ＭＥＡ
は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一
面に配置された触媒層からなる電極（アノード）および
電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソ
ード）とからなる。ＭＥＡとセパレータとの間には、通
常、拡散層が設けられる。この拡散層は、触媒層への反
応ガスの拡散をよくするためのものであり、触媒層と協
働して電極を構成するので電極の一部と考えてもよい。
セパレータは、アノードに燃料ガス（水素）を供給する
燃料ガス流路およびカソードに酸化ガス（酸素、通常は
空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されるとと
もに、隣接するセル間の電子の通路を構成している。セ
ル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極
板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル
積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側で
セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンション
プレート）とボルトにて固定して、スタックが形成され
る。固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側で
は、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素
イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側
では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノ
ードで生成した電子がセパレータを通してくる、また
は、セル積層体の一端のセルのアノードで生成した電子
が外部回路を通してセル積層体の他端のセルのカソード
にくる）から水を生成する反応が行われる。アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ上記反応を行うために、スタックには燃料ガス、酸化ガ
スが供給・排出される。また、セパレータでのジュール
熱とカソードでの水生成反応で熱が出るので、セパレー
タ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒
（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、そこ
に冷媒が循環され、燃料電池を冷却している。スタック
内における燃料ガス、酸化ガス、冷媒のスタックのそれ
ぞれの流路からの洩れと混合を防止するために、燃料電
池の構成要素（セパレータ、電解質膜など）間にはシー
ル材が設けられて構成要素間をシールしている。このシ
ール材のシールラインには、モジュール間ガスケットシ
ールラインと、ＭＥＡを挟んだセパレータ間シールライ
ンとがある。セパレータ間シールラインは、ガスケット
または接着剤シール材からなるシールラインである。特
開２００１−１０２０７２は、これらのシールラインを
開示しており、そこでは、異種流体流路間を一重のガス
ケットまたは接着剤シールでシールしている。図７、図
８は従来シールラインを示している。図７は、従来のモ
ジュール間ガスケットシールライン１を示しており、そ
こでは、ガスマニホールド回りのシールライン１ａと、
反応面内の冷却水流路回りのシールライン１ｂとが、異
種流路間部位で共有されて、一重シールライン１ｃを構
成している。図８は、従来のＭＥＡを挟んだセパレータ
間接着剤シールライン２を示しており、そこでは、燃料
ガスマニホールド回りの接着剤シールライン２ａと、酸
化ガスマニホールド回りの接着剤シールライン２ｂと
が、異種流路間部位で共有されて、一重シールライン２
ｃを構成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の燃料電
池のシール構造では、異種流体流路間を一重のシール材
でシールしていたため、シールラインが切れた場合、隣
接する異種流体流路の異種流体が混合することになり、
水素と空気が混合した場合は、燃料電池の性能不良、発
火が懸念され、ガスと冷却水が混合した場合は、ガスの
水路への流れ込みによる冷却不良およびポンプへのガス
かみこみ等が懸念される。本発明の目的は、たとえシー
ルラインに切れ等の局部的不具合が生じても、異種流体
の混合を防止することができる燃料電池のシール構造を
提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。（１）モジュール間のガスケットシールラインとセパ
レータ間のシールラインの少なくとも一方のシールライ
ンを、異種流体流路間部位で、二重化した燃料電池のシ
ール構造。（２）前記二重化により各種流体流路毎に独立させた
シールラインを、各々が接触する流体に対して耐食性を
もつ材料から構成した（１）記載の燃料電池のシール構
造。（３）マニホールドと反応面内とを連通するガス連通
部にセル積層方向に対応する部位に、モジュール間にセ
パレータを押さえるバックアップ構造を設けた（１）ま
たは（２）記載の燃料電池のシール構造。

【０００５】上記（１）の燃料電池のシール構造では、
シールラインを異種流体流路間で二重化したので、１つ
のシールラインに透過または切れによる洩れが生じて
も、洩れた流体はシールライン間を通ってスタック外部
に排出されるだけで、異種流体が混合することはない。
スタック外部に排出された流体は、外部の管理された処
理システムにより安全に処理される。上記（２）の燃料
電池のシール構造では、各シールラインのシール材をそ
のシールラインが接する流体に対し耐食性をもつ材料か
ら構成したので、異種流体に対する耐食性を向上でき
る。従来は１つのシールラインのシール材に２種の流体
が接するので、２種の流体に対する耐食性をもつ材料を
選定することが困難であったが、本発明では、シール材
が１種の流体にしか接しないので、耐食性のある材料の
選定は容易である。上記（３）の燃料電池のシール構造
では、バックアップ構造を設けたので、マニホールドと
反応面内とを連通するガス連通部のセパレータにガス連
通部からガス圧がかかった時に、ガス圧荷重をバックア
ップ構造で受けることができ、セパレータに変形や割
れ、亀裂が生じることを防止できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池のシー
ル構造を図１〜図６を参照して説明する。本発明の燃料
電池のシール構造は、たとえば固体高分子電解質型燃料
電池１０に適用される。ただし、それ以外のタイプの燃
料電池であってもよい。燃料電池１０は、燃料電池自動
車に搭載される。ただし、自動車以外に搭載、配置され
てもよい。

【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）とセパレータ１８とからなるセルを１層以上重ね
てモジュール１９とし、モジュール１９を積層したセル
積層体から構成される。

【０００８】図１、図２に示すように、ＭＥＡは、イオ
ン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一
面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード）１
４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５か
らなる電極（カソード）１７とからなる。ＭＥＡとセパ
レータ１８との間には、通常、拡散層１３、１６（アノ
ード側拡散層１３、カソード側拡散層１６）が設けられ
る。この拡散層１３、１６は、触媒層１２、１５への反
応ガスの拡散をよくするためのもので、触媒層と協働し
て電極１４、１７を構成すると考えてもよい。

【０００９】セパレータ１８は、アノード１４に燃料ガ
ス（水素）を供給する燃料ガス流路２７およびカソード
１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための
酸化ガス流路２８が形成されるとともに、隣接するセル
間の電子の通路を構成している。燃料ガス流路２７は燃
料ガスマニホールド３０に連通し、酸化ガス流路２８は
酸化ガスマニホールド３１に連通する。また、セパレー
タでのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出る
ので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個の
セル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる流路２６が形
成されており、そこに冷媒が循環され、燃料電池を冷却
している。冷媒流路２６は冷媒マニホールド２９に連通
する。セパレータ１８の材料は、カーボン、導電性樹
脂、メタルの何れであってもよい。

【００１０】セル積層体のセル積層方向両端に、ターミ
ナル（電極板）２０、インシュレータ２１、エンドプレ
ート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付
け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材
２４（たとえば、テンションプレート）と２５ボルトに
て固定して、スタック２３が形成される。スタック２３
の一端側には、エンドプレート２２とインシュレータ２
１との間にプレッシャプレート３２が設けられ、プレッ
シャプレート３２とエンドプレート２２との間にばね機
構３３が設けられてセルにかかる荷重の変動を抑制して
いる。

【００１１】図３〜図６に示すように、スタック内にお
ける燃料ガス、酸化ガス、冷媒のスタックのそれぞれの
流路２６、２７、２８からの洩れを防止するために、燃
料電池の構成要素間にはシール材５０が設けられ、構成
要素間をシールしている。各シール材５０は幅をもって
流路（マニホールドを含む）まわりに連続して配され、
シールラインを構成している。

【００１２】シール材５０は、モジュール１９間に設け
られたガスケットシール材５１と、ＭＥＡの両側に配さ
れた、モジュールを構成する２以上のセパレータ１８間
のシール材５２と、からなる。ガスケットシール材５１
が配されている面とシール材５２が配されている面と
は、セル積層方向に位置が異なっており、別面である。
モジュール間ガスケットシール材５１はゴムシール材
で、通常、セパレータ面に焼付られており、接着剤では
ないため、モジュール間で分離可能である。モジュール
を構成するセパレータ間のシール材５２は、接着剤また
はガスケットからなるシール材である。シール材５２が
接着剤シール材からなる場合は、シール材５２はモジュ
ール１９を構成するセパレータ１８同士の接着剤ともな
る。図示例では１モジュールに複数のセパレータがある
場合を示しており、１モジュールを構成する複数のセパ
レータ同士はシール材５２によって互いに接着されてい
てもよい。

【００１３】モジュール間のガスケットシール材５１の
シールラインとセパレータ間のシール材５２からなるシ
ールラインの少なくとも一方のシールラインは、異種流
体流路間部位で、二重化されている。二重化されたシー
ルラインの間の部位はスタック外部に通じている。異種
流体流路（マニホールドを含む）間部位以外では、シー
ルラインは１本であってよい。

【００１４】図３〜図５に示すように、モジュール間の
ガスケットシールライン（ガスケットシール材５１のシ
ールライン）は、燃料ガスマニホールド３０まわりのガ
スケットシール材５１ａからなるラインと、酸化ガスマ
ニホールド３１まわりのガスケットシール材５１ｂから
なるラインと、反応部位の冷媒流路２６まわりのガスケ
ットシール材５１ｃからなるラインと、からなり、異種
流体流路（マニホールドを含む）間部位では、二重化さ
れていてシールラインが２本ある。すなわち、燃料ガス
流路と冷媒流路間ではガスケットシール材５１ａからな
るラインとガスケットシール材５１ｃからなるラインと
の２本のシールラインがあり、酸化ガス流路と冷媒流路
間ではガスケットシール材５１ｂからなるラインとガス
ケットシール材５１ｃからなるラインとの２本のシール
ラインがあり、燃料ガス流路と酸化ガス流路間ではガス
ケットシール材５１ａからなるラインとガスケットシー
ル材５１ｂからなるラインとの２本のシールラインがあ
る。２本のシールライン間部位（５１ａ、５１ｂ、５１
ｃの何れか２本の間）はスタック外に通じている。

【００１５】同様に、図６に示すように、各モジュール
のＭＥＡを挟んだ２つのセパレータ間のシールライン
（シール材５２のシールライン）は、燃料ガスマニホー
ルド３０および燃料ガス流路２７まわりの接着剤シール
材５２ａからなるラインと、酸化ガスマニホールド３１
および酸化ガス流路２８まわりの接着剤シール材５２ｂ
からなるラインと、からなり（冷媒流路まわりのシール
材５２はない）、異種流体流路（マニホールドを含む）
間部位では、二重化されていてシールラインが２本あ
る。すなわち、燃料ガス流路と酸化ガス流路間ではシー
ル材５２ａからなるラインとシール材５２ｂからなるラ
インとの２本のシールラインがある。２本のシールライ
ン５２ａ、５２ｂ間部位はスタック外に通じている。

【００１６】二重化により各種流体流路毎に独立させた
ガスケットシールライン５１は、各々が接触する流体に
対して耐食性をもつ材料から構成されている。同様に、
二重化により各種流体流路毎に独立させたシールライン
５２は、各々が接触する流体に対して耐食性をもつ材料
から構成されている。たとえば、酸化ガス流路に接触す
るシール材５１ｂ、５２ｂは、燃料電池運転停止時に流
路に残った反応生成水が酸性を帯びている場合があるの
で、耐酸性の材料を使用することが望ましい。また、冷
媒流路に接触するシール材５１ｃは、冷媒にＬＬＣが用
いられる場合、ＬＬＣに対して耐食性をもつ材料である
ことが望ましい。従来の、異種流体流路間が一重シール
の場合には、それが接する２つの流体に対する耐食性が
異なる場合、それを同時に満足することは困難である
が、本発明では、二重シールで各シール材が１種の流体
にしか接しないので、接する流体に対する耐食性を満足
させることは容易である。

【００１７】図４に示すように、ガスマニホールド（３
０または３１）と反応面内（燃料電池発電部）のガス流
路（２７または２８）とを連通するガス連通部５３（と
くに圧力の高い、ガス導入側のガス連通部）にセル積層
方向に対応する部位に、モジュール間に、セパレータ
（ガス連通部５３のガス圧を受けるセパレータ部位）を
ガス圧がかかる側と反対側から押さえるバックアップ構
造５４が設けられている。そして、このバックアップ構
造５４は、モジュール間ガスケットシール５１の二重シ
ール間部位に、すなわち、２本のシールライン間部位
（５１ａと５１ｃの間、および／または、５１ｂと５１
ｃの間）に、設けられている。

【００１８】バックアップ構造５４は、セパレータの２
本のシールライン間部位に設けた凸部から構成されてい
る。セパレータ面がシール材５１配設部位が中央の発電
部位に比べてセパレータ厚さ方向に後退しているので、
その後退量だけ突出する凸部を設け、隣接するモジュー
ル側にもバックアップ構造となる凸部を設けて、凸部の
先端面を当接させることにより、バックアップ構造５４
が構成されている。図５は、バックアップ構造５４を設
けない場合には、ガス圧によってセパレータが２点鎖線
のように変形することを示している。ただし、バックア
ップ構造５４を設けない図５も本発明に含まれる。

【００１９】つぎに、本発明の燃料電池のシール構造の
作用を説明する。本発明の燃料電池のシール構造では、
シールライン５１および／または５２を異種流体流路間
で二重化したので、１つのシールラインに透過または切
れによる洩れが生じても、洩れた流体はシールライン間
部位を通ってスタック２３外部に排出されるだけで、異
種流体が混合することはない。これによって、燃料ガス
と酸化ガスとが混合することはなく、また、燃料ガスや
酸化ガスが冷媒流路に侵入することがない。その結果、
混合による燃料電池の性能低下、燃料ガスと空気との混
合による火災のおそれ、ガスの冷却水への侵入による冷
却不足、ポンプのガス巻き込みによるポンピング不良、
等のおそれを無くすことができる。また、スタック２３
外部に排出された流体は、燃料電池スタック２３が図示
略のケーシング内に配置されているので、外部の管理さ
れた処理システムにより安全に処理される。

【００２０】従来は、異種流体流路間の一重シール部
は、それが接する２つの流体の一方に対してのみ耐食性
をもたすことができるが、両方の流体に対して耐食性を
上げることはできなかった。しかし、本発明では、シー
ルラインの二重化により、各シールラインのシールは１
種類の流体にのみ接するようになるので、各シールライ
ンをそのシールラインが接する流体に対し耐食性をもつ
材料から構成することができるようになる。

【００２１】図４に示すように、バックアップ構造５４
を設けた場合は、ガスマニホールドと反応面内（燃料電
池発電部ガス流路）とを連通するガス連通部５３のセパ
レータ部分にガス連通部５３からガス圧がかかった時
に、そのガス圧荷重をバックアップ構造５４で受けて押
さえることができ、セパレータ１８に変形や割れ、亀裂
が生じることを防止できる。図５は、ガス連通部５３の
セパレータ部分にガス連通部５３からガス圧がかかって
セパレータが変形したところを誇張して示すが、バック
アップ構造５４を設けたため、図４に示すように、セパ
レータの変形を押さえることができる。ただし、バック
アップ構造５４が無い図５も本発明に含まれる。

【００２２】

【発明の効果】請求項１の燃料電池のシール構造によれ
ば、シールラインを異種流体流路間で二重化したので、
１つのシールラインに透過または切れによる洩れが生じ
ても、異種流体の混合を防止することができる。請求項
２の燃料電池のシール構造によれば、各シールラインの
シール材をそのシールラインが接する流体に対し耐食性
をもつ材料から構成したので、異種流体に対する耐食性
を向上できる。請求項３の燃料電池のシール構造によれ
ば、バックアップ構造を設けたので、ガス連通部のセパ
レータにガス連通部からガス圧がかかった時に、ガス圧
荷重をバックアップ構造で受けることができ、セパレー
タに変形や割れ、亀裂が生じることを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池のシール構造が適用される燃
料電池の全体概略図である。

【図２】図１の燃料電池のセパレータの平面図である。

【図３】図１の燃料電池のモジュールの、ガスケットシ
ール部での、一部拡大平面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ線に沿う燃料電池のモジュール
の、バックアップ構造有りの場合の、一部拡大断面図で
ある。

【図５】燃料電池のモジュールの、バックアップ構造無
しの場合の、一部拡大断面図である。

【図６】図１の燃料電池の、ＭＥＡを挟むセパレータ間
のシール部での、一部拡大平面図である。

【図７】従来の燃料電池の、ガスケットシール部での、
一部拡大平面図である（本発明の図３に対応する従来
図）。

【図８】従来の燃料電池の、ＭＥＡを挟むセパレータ間
のシール部での、一部拡大平面図である（本発明の図６
に対応する従来図）。

【符号の説明】

１０（固体高分子電解質型）燃料電池１１電解質膜１２触媒層１３拡散層１４電極（アノード）１５触媒層１６拡散層１７電極（カソード）１８セパレータ１９モジュール２０ターミナル２１インシュレータ２２エンドプレート２３スタック２４テンションプレート２５ボルト２６冷媒流路２７燃料ガス流路２８酸化ガス流路２９冷媒マニホールド３０燃料ガスマニホールド３１酸化ガスマニホールド３２プレッシャプレート３３ばね機構５０シール材５１ガスケットシール材５１ａ燃料ガスマニホールド３０まわりのガスケット
シール材５１ｂ酸化ガスマニホールド３１まわりのガスケット
シール材５１ｃ冷媒流路２６まわりのガスケットシール材５２シール材５２ａ燃料ガスマニホールド３０および燃料ガス流路
２７まわりのシール材５２ｂ酸化ガスマニホールド３１および酸化ガス流路
２８まわりのシール材５３ガス連通部５４バックアップ構造

フロントページの続き (72)発明者鈴木稔幸愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者曽一新愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者浅井康之愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者日比野光悦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者稲垣敏幸愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者越智勉愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者和田三喜男愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者八神裕一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者新美治久愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モジュール間のガスケットシールライン
とセパレータ間のシールラインの少なくとも一方のシー
ルラインを、異種流体流路間部位で、二重化した燃料電
池のシール構造。
【請求項２】前記二重化により各種流体流路毎に独立
させたシールラインを、各々が接触する流体に対して耐
食性をもつ材料から構成した請求項１記載の燃料電池の
シール構造。
【請求項３】マニホールドと反応面内とを連通するガ
ス連通部にセル積層方向に対応する部位に、モジュール
間にセパレータを押さえるバックアップ構造を設けた請
求項１または請求項２記載の燃料電池のシール構造。