JP2004186134A - 燃料電池セットのガスチャネルシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池セットの双極板と近隣膜電極アセンブリ間に良好な気密効果及び十分な耐気圧強度のシール効果を具備させること。
【解決手段】 燃料電池セットの双極板のガス輸送溝と双極板の溝間の連通溝上面に硬質ガスケット位置決めエリアを形成して、耐圧ガスケットを結合し、並びに該双極板と近隣膜電極アセンブリ間の気密パッドを組み合わせて気密効果及び十分な耐気圧強度を具えたシール構造を形成する。該耐圧ガスケットを硬質ガスケット位置決めエリア中に載置させる時、その上面が硬質ガスケット位置決めエリア以外の各区画リッジ部の上面と等平面を形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は一種の燃料電池セットの構造設計に係り、特に、燃料電池セットのガスチャネルシール構造に係り、燃料電池セットの双極板と近隣膜電極アセンブリ間に良好な気密効果と十分な耐気圧強度のシール効果を具備させるシール構造に関する。

燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は電気化学反応により、水素含有燃料と空気を利用して電力を発生する装置である。燃料電池セットに電気化学反応を発生させるために必要な水素ガスと空気はそれぞれ適当な水素ガスチャネルと空気チャネルより該燃料電池中に通入される。該チャネル構造の設計中、水素ガスと空気それぞれ、及び相互の間で漏れが発生しないようにして、該燃料電池セットの操作効率への影響を防止して操作の安全性を確保する必要がある。

典型的な燃料電池セットは、複数の燃料電池単体を具え、各燃料電池単体構造は、膜電極アセンブリを具え、それはプロトン交換膜、アノード触媒層、カソード触媒層で構成されている。該膜電極アセンブリのアノード側にはアノードガス拡散板、アノード集電板、及びアノード双極板が結合され、該膜電極アセンブリのカソード側には、カソードガス拡散板、カソード双極板、カソード集電板、カソード端板が結合されている。

水素ガスと空気を燃料電池中に送って燃料電池に電気化学反応を行なわせるため、該燃料電池内部には適当なガスチャネルが開設される。例えば水素ガスの供給においては、水素ガス供給装置（例えば水素ガスボンベ）により供給する水素ガスが水素ガス入口より燃料電池中に送られた後、各関係部品間に設けられた貫通ガスチャネルを通り双極板の水素ガス送入溝に送られ、さらに連通溝より該双極板表面の溝に送られ、これにより水素ガスが水素ガス拡散板と膜電極アセンブリにより反応を発生する。

伝統的な燃料電池ガスチャネル構造中にあって、気密効果を達成してガス漏れを形成しないようにするため、通常は、二つの隣り合う部品の間にガスケットを配置し、輸送する気体が該双極板のガス輸送溝と連通溝を通過する時に、該ガスケットにより気体の外漏れを防止したり、二種類のガスが相互に漏れるのを防止する目的を達成している。

燃料電池セットに供給されるガスは相当な気体圧力を有しているため、ガスが双極板の連通溝を通過する時、ガスケットが相当な気体圧力を受けることになる。このためガスケットの局部受圧面に凹みが発生し、長期に使用した後に、ガス漏洩が発生する恐れがあり、更には隣り合う高価な膜電極アセンブリを破壊しうる。このような問題を克服するため、他の形式のガスチャネル構造（例えば貫通孔を開設）する業者もあるが、このような構造設計は製品の製作、加工上の困難度を増し、全体の製造コストを増す。

このため前述の問題の克服と実際の要求への対応のため、良好な気密効果を具備し、また、十分な耐気圧強度を具えたシール構造が必要とされている。

本発明の主要な目的は、一種の燃料電池セットのガスチャネルシール構造を提供することにあり、それは、燃料電池セットが電気化学反応を行なうのに必要なガスがガスチャネルを通過する時に漏洩を発生させない構造とする。

本発明のもう一つの目的は、一種の燃料電池セットのガスチャネルシール構造を提供することにあり、それは、燃料電池双極板の反応ガスチャネル中にダブルガスケットの構造が設計されて、双極板のガスチャネルに良好な気密効果と十分な耐気圧強度を具備させられる構造とする。

本発明の別の目的は、構造が簡単な燃料電池セットのガスチャネルシール構造を提供することにあり、それは、燃料電池のアノード双極板とカソード双極板を製造する時、一般のチャネル構造を組み合わせるだけで良好な気密効果と十分な耐気圧強度を具備させる効果を達成し、製品製作、加工方面のいずれも極めて簡易である構造とする。

請求項１の発明は、燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、該燃料電池セットが双極板を具え、該双極板の少なくとも一つの表面の中央区域に相互に平行な溝が設けられ、且つ各溝の端部が連通溝でガス輸送溝に連通している上記燃料電池セットのガスチャネルシール構造において、
該双極板のガス輸送溝と双極板の溝間の連通溝の上面に少なくとも一つの硬質パッド材位置決めエリアが形成され、該硬質パッド材位置決めエリアの連通溝に垂直な延伸方向の幅が全ての連通溝の幅を総合したものより大きく、且つ該硬質パッド材位置決めエリア内の全ての連通溝の間の区画リッジ部に凹部セクションが形成されて、耐圧ガスケットが該硬質パッド材位置決めエリア中に位置決めされたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットが硬質パッド材位置決めエリアに載置される時、その上面が硬質パッド材位置決めエリア以外の各区画リッジ部の上面と等平面を形成したことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。
請求項３の発明は、燃料電池セットのガスチャネルシール構造において、少なくとも一つの燃料電池単体を具え、該燃料電池単体が、
プロトン交換膜、アノード触媒層、カソード触媒層、及びカソードガス拡散板を具えた膜電極アセンブリと、
該膜電極アセンブリのアノード側に結合されて膜電極アセンブリとの間にガスケットを挟持したアノード双極板と、
該膜電極アセンブリのカソード側に結合されて膜電極アセンブリとの間にガスケットを挟持したカソード双極板と、
該燃料電池セット中に形成されてそれぞれ連通溝により水素ガスと空気を該アノード双極板及びカソード双極板に輸送する少なくとも一つのガスチャネルと、
該ガスチャネルの連通溝に設置されて隣り合うガスケットとダブルガスケット構造を形成する少なくとも一つの耐圧ガスケットと、
を具えたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。
請求項４の発明は、請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造において、ガスチャネルの連通溝表面に少なくとも一つの硬質パッド材位置決めエリアが形成されて耐圧ガスケットを載置することを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。
請求項５の発明は、請求項４記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造において、硬質パッド材位置決めエリアの連通溝に垂直な延伸方向の幅が全ての連通溝の総合の幅よりも大きく、且つ該硬質パッド材位置決めエリア内の全ての連通溝の間の区画リッジ部が凹部セクションを形成して耐圧ガスケットを該硬質パッド材位置決めエリア中に結合させることを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。
請求項６の発明は、請求項４記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットが硬質パッド材位置決めエリアに載置される時、その上面が硬質パッド材位置決めエリア以外の各区画リッジ部の上面と等平面を形成したことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。
請求項７の発明は、請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットがカソード双極板の空気送入溝とカソード双極板の中央区域の溝間の連通溝上に配置されたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。
請求項８の発明は、請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットがカソード双極板の空気送出溝とカソード双極板の中央区域の溝間の連通溝上に配置されたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。
請求項９の発明は、請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットがアノード双極板の水素ガス送入溝とアノード双極板の中央区域の溝間の連通溝上に配置されたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。
請求項１０の発明は、請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットがアノード双極板の水素ガス送出溝とアノード双極板の中央区域の溝間の連通溝上に配置されたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造としている。

本発明の採用する技術手段により、燃料電池セットが電気化学反応を行なう時に必要なガスがガスチャネルを通過する時の良好な気密効果と、十分な耐気圧強度を確保でき、ガスを漏洩させない。さらに、本発明の提供するダブルガスケットのシール構造は、燃料電池のアノード双極板とカソード双極板を製作する時、ただ一般の溝構造を組み合わせれば、良好な気密効果と十分な耐気圧強度を達成でき、製品製作、加工方面のいずれも極めて簡単である。本発明は伝統的な単純なガスケットでガスシールを行なう技術に較べ、効果上、明らかに改善されている。

本発明によると、燃料電池セットの双極板のガス輸送溝と双極板の溝間の連通溝上面に硬質ガスケット位置決めエリアを形成して、耐圧ガスケットを結合し、並びに該双極板と近隣膜電極アセンブリ間の気密パッドを組み合わせて気密効果及び十分な耐気圧強度を具えたシール構造を形成する。該耐圧ガスケットを硬質ガスケット位置決めエリア中に載置させる時、その上面が硬質ガスケット位置決めエリア以外の各区画リッジ部の上面と等平面を形成する。

図１は本発明のガスチャネルシール構造を結合した燃料電池の各組成部品の分解時の斜視図である。該燃料電池セット１は膜電極アセンブリ１０を具え、該膜電極アセンブリ１０は、プロトン交換膜、アノード触媒層、カソード触媒層で構成されている。該膜電極アセンブリ１０のアノード側には順にアノードガス拡散板２１、ガスケット２２、アノード双極板２３、アノード集電板２４、ガスケット２５、アノード端板２６が形成されている。該膜電極アセンブリ１０のカソード側には順に、カソードガス拡散板３１、ガスケット３２、カソード双極板３３、カソード集電板３４、ガスケット３５、被覆板３６、カソード端板３７が形成されている。前述の各組成部品の間は周知のねじ部品（図示せず）及びねじ孔で結合されて基本的な燃料電池構造が形成されている。

該アノード端板２６の外側面に水素ガス入口４１ａと水素ガス出口４１ｂが形成されて、水素ガス供給装置（例えば水素ガスボンベ）の供給する水素ガスが該水素ガス入口４１ａより燃料電池セット１内部に形成された水素ガスチャネルを通過し、該燃料電池セット１の反応に必要な水素ガスを供給し、更に該水素ガス出口４１ｂより送出される。

該アノード端板２６の外側面にはまた空気入口４２ａと空気出口４２ｂが形成され、空気供給装置（例えば送風機）の供給する空気が該空気入口４２ａより燃料電池セット１内部に形成された空気チャネルを通過し、該燃料電池セット１の反応に必要な空気を供給し、更に該空気出口４２ｂより送出される。

このほか、アノード端板２６の外側面に別に冷却剤入口４３ａと冷却剤出口４３ｂが形成され、冷却剤（例えば冷却空気或いは冷却液）が該冷却剤入口４３ａより燃料電池セット１内部に形成された冷却剤チャネルを通過し、更に該冷却剤出口４３ｂより送出され、これにより燃料電池セット１が適当に冷却される。

燃料電池セット１内部に形成された水素ガスチャネル、空気チャネル、冷却剤チャネルは、関係部品の間に挟まれたガスケット２２、ガスケット２５、ガスケット３２、ガスケット３５により漏れ止めの目的を達成する。

例えば空気チャネルに関しては、空気がアノード端板２６の空気入口４２ａより送り込まれた後、順番にガスケット２５の空気送入溝２５１、アノード集電板２４の空気送入溝２４１、アノード双極板２３の空気送入溝２３１、ガスケット２２の空気送入溝２２１、膜電極アセンブリ１０の空気送入溝１０１、ガスケット３２の空気送入溝３２１を通過し、最後にカソード双極板３３の空気送入溝３３１に送られる。空気はカソード双極板３３の空気送入溝３３１に送られた後、カソード双極板３３の一側面の溝３３０を通り該カソード双極板３３の空気送出溝３３２に至る。

該カソード双極板３３の空気送出溝３３２の送り出した空気は順番にガスケット３２の空気送出溝３２２、膜電極アセンブリ１０の空気送出溝１０２、ガスケット２２の空気送出溝２２２、アノード双極板２３の空気送出溝２３２、アノード集電板２４の空気送出溝２４２、ガスケット２５の空気送出溝２５２を通過し、最後にアノード端板２６の空気出口４２ｂより送出される。

電池セットは単電池で組成されるほか、複数の電池で組成されうる。複数の電池で組成される時は、上述の構造が重複される。このほか、冷却板を加えて冷却剤の通路を形成して冷却の効果を達成することもできる。

図２は図１の燃料電池セット１のカソード双極板３３の立体図であり、図３は図２中のＡ部分の局部拡大図であり、図４はカソード双極板３３の正面図である。図示されるように、カソード双極板３３の中央区域には複数の相互に平行な溝３３０が形成され、それは波状或いは凹溝状の構造とされて、空気送入溝３３１より送り込まれた空気を導入し、さらに空気送出溝３３２より送出するのに供される。空気が該カソード双極板３３の溝３３０に導入され通過する時、カソードガス拡散板３１により膜電極アセンブリ１０のカソード触媒層に到達し、該膜電極アセンブリ１０が反応を行なうのに必要な空気が供給される。

カソード双極板３３の溝３３０と空気送入溝３３１の間は複数の連通溝３３３及び一つの共通溝３３４で連通している。溝３３０の別の一端と空気送出溝３３２の間は複数の連通溝３３５及び一つの共通溝３３６で連通している。

本発明の該連通溝３３３の中間区域には硬質ガスケット位置決めエリア５が形成され（図５の断面図も共に参照されたい）、この硬質ガスケット位置決めエリア５は連通溝３３３に垂直な延伸方向の幅が連通溝３３３の総合の幅より大きい。該硬質ガスケット位置決めエリア５内の全ての連通溝３３３の間の区画リッジ部３３７もまた凹部セクションを形成する。該硬質ガスケット位置決めエリア５中に耐圧ガスケット６が収容され、該耐圧ガスケット６の材料は硬質高分子基材、例えばポリテトラフルオロエチレンとされる。

耐圧ガスケット６が該硬質ガスケット位置決めエリア５中に結合される時（図６の断面図も共に参照されたい）、それは硬質ガスケット位置決めエリア５内の連通溝３３３上面を被覆し、その上面が硬質ガスケット位置決めエリア５以外の各区画リッジ部３３７と等平面を形成する。ゆえにガスケット３２、膜電極アセンブリ１０、ガスケット２２、アノード双極板２３及びその他の関係部品が順番に該カソード双極板３３に結合される時、該耐圧ガスケット６とガスケット３２の両者がダブルガスケットの構造を形成し、これによりカソード双極板と膜電極アセンブリの間に良好な気密効果と十分なシール効果を具備させる。

以上は燃料電池セットのカソード双極板のガスシール構造を実施例として説明したものであるが、当然本発明は全てのガス輸送溝のシール構造、例えば空気輸送溝、冷却剤輸送溝等に中に応用可能である。

例えば、図７に示されるのは図１中のアノード双極板２３の背面図であり、図８は図７中の８−８断面図である。図示されるように、該カソード双極板３３の中央区域には複数の相互に平行な溝２３０が設けられて、水素ガス送入溝２３３より送られた水素ガスを水素ガス送出溝２３４より送出するのに供される。水素ガスが該アノード双極板２３の溝２３０に導入され通過する時、アノードガス拡散板２１により、膜電極アセンブリ１０のアノード触媒層に到達し、該膜電極アセンブリ１０が反応を行なうのに必要な水素ガスを供給する。

アノード双極板２３の溝２３０と水素ガス送入溝２３３の間は複数の連通溝２３５及び一つの共通溝２３６で連通している。溝２３０の別の一端と水素ガス送出溝２３４の間は複数の連通溝２３７と一つの共通溝２３８で連通している。

同様に、本発明は連通溝２３５と２３７の中間区域に硬質ガスケット位置決めエリア５１が形成され（図８、９参照）、その構造は前述のカソード双極板３３の硬質ガスケット位置決めエリア５と同じであり、いずれも耐圧ガスケット６を収容し、隣り合うガスケットとダブルガスケットの構造を形成し、これによりカソード双極板と膜電極アセンブリ間に良好な気密効果と十分な耐気圧強度のシール効果を具備させる。

さらに、図示される燃料電池セット中、燃料電池単体が実施例として説明されているが、実際の応用時には、該燃料電池セット中に複数の燃料電池単体が含まれて燃料電池セットを構成しうる。本発明の構造はこの複数の燃料電池単体を具えた燃料電池セット構造中に適用されうる。上述の実施例の説明から分かるように、本発明は確実にガス輸送チャネルの良好な気密効果と十分な耐気圧強度を達成させることができ、ゆえに本発明は確実に産業上の利用価値を有している。

なお、以上の実施例は本発明の実施範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。

本発明のガスチャネルシール構造を結合した燃料電池の各組成部品の分解時の斜視図である。 図１の燃料電池セット１のカソード双極板の立体図である。 図２中のＡ部分の局部拡大図である。 図２中のカソード双極板の正面図である。 図４中の５−５断面図である。 図５中のカソード双極板上に順に耐圧ガスケット、ガスケット、膜電極アセンブリ、ガスケット、及びアノード双極板を重畳させた時の断面図である。 図１中のアノード双極板の正面図である。 図７中の８−８断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池セット
１０ 膜電極アセンブリ
１０１ 空気送入溝
１０２ 空気送出溝
２１ アノードガス拡散板
２２ ガスケット
２２１ 空気送入溝
２２２ 空気送出溝
２３ アノード双極板
２３０ 溝
２３１ 空気送入溝
２３２ 空気送出溝
２３３ 水素ガス送入溝
２３４ 水素ガス送出溝
２３５ 連通溝
２３６ 共通溝
２３７ 連通溝
２３８ 共通溝
２４ アノード集電板
２４１ 空気送入溝
２４２ 空気送出溝
２５ ガスケット
２５１ 空気送入溝
２５２ 空気送出溝
２６ アノード端板
３１ カソードガス拡散板
３２ ガスケット
３２１ 空気送入溝
３２２ 空気送出溝
３３ カソード双極板
３３０ 溝
３３１ 空気送入溝
３３２ 空気送出溝
３３３ 連通溝
３３４ 共通溝
３３５ 連通溝
３３６ 共通溝
３３７ 区画リッジ部
３４ カソード集電板
３５ ガスケット
３６ 被覆板
３７ カソード端板
４１ａ 水素ガス入口
４１ｂ 水素ガス出口
４２ａ 空気入口
４２ｂ 空気出口
４３ａ 冷却剤入口
４３ｂ 冷却剤出口
５、５１ 硬質パッド材位置決めエリア
６ 耐圧ガスケット

Claims (10)

1. 燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、該燃料電池セットが双極板を具え、該双極板の少なくとも一つの表面の中央区域に相互に平行な溝が設けられ、且つ各溝の端部が連通溝でガス輸送溝に連通している上記燃料電池セットのガスチャネルシール構造において、
   該双極板のガス輸送溝と双極板の溝間の連通溝の上面に少なくとも一つの硬質パッド材位置決めエリアが形成され、該硬質パッド材位置決めエリアの連通溝に垂直な延伸方向の幅が全ての連通溝の幅を総合したものより大きく、且つ該硬質パッド材位置決めエリア内の全ての連通溝の間の区画リッジ部に凹部セクションが形成されて、耐圧ガスケットが該硬質パッド材位置決めエリア中に位置決めされたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
2. 請求項１記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットが硬質パッド材位置決めエリアに載置される時、その上面が硬質パッド材位置決めエリア以外の各区画リッジ部の上面と等平面を形成したことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
3. 燃料電池セットのガスチャネルシール構造において、少なくとも一つの燃料電池単体を具え、該燃料電池単体が、
   プロトン交換膜、アノード触媒層、カソード触媒層、及びカソードガス拡散板を具えた膜電極アセンブリと、
   該膜電極アセンブリのアノード側に結合されて膜電極アセンブリとの間にガスケットを挟持したアノード双極板と、
   該膜電極アセンブリのカソード側に結合されて膜電極アセンブリとの間にガスケットを挟持したカソード双極板と、
   該燃料電池セット中に形成されてそれぞれ連通溝により水素ガスと空気を該アノード双極板及びカソード双極板に輸送する少なくとも一つのガスチャネルと、
   該ガスチャネルの連通溝に設置されて隣り合うガスケットとダブルガスケット構造を形成する少なくとも一つの耐圧ガスケットと、
   を具えたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
4. 請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造において、ガスチャネルの連通溝表面に少なくとも一つの硬質パッド材位置決めエリアが形成されて耐圧ガスケットを載置することを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
5. 請求項４記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造において、硬質パッド材位置決めエリアの連通溝に垂直な延伸方向の幅が全ての連通溝の総合の幅よりも大きく、且つ該硬質パッド材位置決めエリア内の全ての連通溝の間の区画リッジ部が凹部セクションを形成して耐圧ガスケットを該硬質パッド材位置決めエリア中に結合させることを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
6. 請求項４記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットが硬質パッド材位置決めエリアに載置される時、その上面が硬質パッド材位置決めエリア以外の各区画リッジ部の上面と等平面を形成したことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
7. 請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットがカソード双極板の空気送入溝とカソード双極板の中央区域の溝間の連通溝上に配置されたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
8. 請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットがカソード双極板の空気送出溝とカソード双極板の中央区域の溝間の連通溝上に配置されたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
9. 請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットがアノード双極板の水素ガス送入溝とアノード双極板の中央区域の溝間の連通溝上に配置されたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
10. 請求項３記載の燃料電池セットのガスチャネルシール構造であり、耐圧ガスケットがアノード双極板の水素ガス送出溝とアノード双極板の中央区域の溝間の連通溝上に配置されたことを特徴とする、燃料電池セットのガスチャネルシール構造。
    

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