JP2004207042A - 燃料電池用プレートのシール構造 - Google Patents

燃料電池用プレートのシール構造 Download PDF

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Abstract

【課題】電池スタックに組み込まれるプレートの変形を防止することでシール性能を向上させた燃料電池用プレートのシール構造を提供する。
【解決手段】第1電池プレート1は、膜電極接合体2のアノード電極2aに対向する面側に燃料ガスを流通するガス流路1aが設けられ、その反対側の面に冷却水を流通する水流路1bが設けられると共に、外周部に凸条シール部14が設けられ、且つ要部にリブ11、12と小突起13が設けられる。第2電池プレート3は、膜電極接合体2のカソード電極2bに対向する面側に酸化剤ガスを流通するガス流路3aが設けられ、外周部には前記凸条シール部14とほぼ同形状パターンの凸条シール部17が設けられる。更に、絶縁板5は、第2電池プレート3の平坦面3bに対向する面側に前記凸条シール部17と同形状パターンの凸条シール部18が設けられる。締付板6は、絶縁板5の平坦面5aに対向する面側に凸条シール部17と同形状の凸条シール部19が設けられる。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用プレートのシール構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合して膜電極接合体(MEA)を構成し、この膜電極接合体の両側から反応ガスの流路を設けた電池プレートで挟持してセル(単位セルユニット)を構成し、このセルを複数積層し、両端部に絶縁板及び締付板を当てがってロッド等により締め付け一体化することにより電池スタックを構成する。そして、アノード側に対向する電池プレートの流路に燃料ガスを流通させると共に、カソード側に対向する電池プレートの流路に酸化剤ガスを流通させ、前記固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることで直流電力を発電する。
【0003】
前記電池プレートには、外周部に供給孔及び排出孔が設けられており、これら供給孔及び排出孔は電池スタックの積層方向に連通している。電池スタックに供給される反応ガスは、供給孔を通って各電池プレートに分配され、分配された反応ガスは各電池プレートにおいて供給孔から流路に流れ込み、流路を流通した後に余剰の反応ガスは排出孔に排出され、この排出孔を通って電池スタック外部に排出される。
【0004】
このようにして、電池プレートの流路に反応ガスを流通させて反応させるが、その際反応ガスがリークしないように電池プレートの外周部に例えば加硫ゴムのパッキンを接着してシールしている。このパッキンは通常電池プレートの外周部の内縁に形成された外枠部と、供給孔、排出孔及び流路の存在する発電部(前記電極面が流路面に対向)を囲む内枠部と、各電池プレートの役割以外の供給孔及び排出孔の周囲を囲む仕切部とから構成され、これらはいずれも凸条にパターン形成されている(特許文献1)。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−294254号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
電池スタックに組み込まれる電池プレートのうち、例えば片面に反応ガス流路が設けられ、他面に冷却水流路が設けられたものがある。このような電池プレートが組み込まれている電池スタックにおいては、反応ガスの供給孔及び排出孔の他に冷却水を供給するための供給孔及び排出孔が設けられて電池スタックの積層方向に連通するように構成される。冷却水を供給するのは電池スタックでの発電反応(電気化学反応)が発熱反応であるためであり、冷却水を流通させて冷却することにより電池スタックを適正な運転温度に保持する必要がある。
【0007】
冷却水流路が設けられた電池プレートにあっては、冷却水流路の設けられた面側にも、外周部にパッキンを接着してシールし冷却水の漏れ防止を図っているが、冷却水の供給孔及び排出孔の位置は反応ガスの供給孔及び排出孔の位置とは異なるため、電池プレートの表裏面でパッキンのシール用凸条の位置が互いにずれてしまう。
【0008】
このような電池プレートを含む電池スタックを前記ロッド等で締め付け一体化すると、電池プレートの表裏面で位置ずれが生じているシール用凸条によって締付圧力に差異が生じ、凸条に対向している部分が押されて変形することがある。加硫ゴムによるパッキンの凸条はある程度の弾性を有するため押し潰されて締付圧力を吸収するが、特に薄い電池プレートを使用した場合には変形の影響を受け易く、シールが破壊されることがある。
【0009】
本発明は、このような従来技術における問題を解消するためになされ、薄い電池プレートであってもパッキンのシール用凸条によって変形が生じないようにした燃料電池用プレートのシール構造を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項1は、2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置していることを特徴とする。
【0011】
又、本発明の請求項2は、2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられていることを特徴とする。
【0012】
更に、本発明の請求項3は、2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び/又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び/又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置していることを特徴とする。
【0013】
本発明の請求項4は、2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び/又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び/又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられていることを特徴とする。
【0014】
本発明の請求項5は、請求項1乃至請求項4いずれか1項記載の燃料電池用プレートのシール構造において、前記凸条シール部は、その凸条が形成されるシート状材料のほぼ中央に位置して設けられていることを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池用プレートのシール構造の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図1は、電池スタックの構成部材を分解して示す斜視図である。この場合、例として2セル構造のものを示しており、右上の列は左下列プレートのそれぞれ裏面側を表示(分かりやすくするために透視して実線で表示)してある。
【0016】
図1において、1は片面に燃料ガスを流通するためのガス流路1aが直線状に並設され、他面に冷却水を流通させるための水流路1bが直線状に並設された第1電池プレートであり、四隅部には燃料ガスの供給孔G1と排出孔G2及び冷却水の供給孔W1と排出孔W2がそれぞれ設けられている。この第1電池プレート1は、ガス流路1a面が膜電極接合体2のアノード電極2a側に対向するように配置される。1′は片面に燃料ガスを流通するためのガス流路1aが直線状に並設され、他面は流路が設けられていない平坦面1cに形成された第3電池プレートであり、四隅部には燃料ガスの供給孔G1と排出孔G2及び冷却水の供給孔W1と排出孔W2がそれぞれ設けられている。この第3電池プレート1′は、ガス流路1a面が膜電極接合体2のアノード電極2a側に対向するように配置される。
【0017】
3は片面に酸化剤ガスを流通するためのガス流路3aが直線状に並設され、他面は流路が設けられていない平坦面3bに形成された第2電池プレートであり、四隅部には上記第1電池プレート1、第3電池プレート1′に対応させて燃料ガスの供給孔G1と排出孔G2及び冷却水の供給孔W1と排出孔W2がそれぞれ設けられている。この第2電池プレート3は、ガス流路3a面が膜電極接合体2のカソード電極2b側に対向するように配置される。
【0018】
上記第1電池プレート1と第2電池プレート3とで膜電極接合体2を挟持することで単セル4が構成され、第3電池プレート1′と第2電池プレート3とで膜電極接合体2を挟持することで他の単セル4′が構成される。図1の場合は2セル構成であるから単セル4、4′が2つ隣接して配置される。電池スタックは、通常2セル以上積層されるのが一般的である。
【0019】
5、5′は単セル4、4′の端部に配置される絶縁板であり、四隅部に上記第2電池プレート3、第3電池プレート1′に対応させて燃料ガスの供給孔G1と排出孔G2及び冷却水の供給孔W1と排出孔W2がそれぞれ設けられている。
【0020】
6、6′は絶縁板5、5′の外側に配置される締付板であり、四隅部に上記絶縁板5、5′に対応させて燃料ガスの供給孔G1と排出孔G2及び冷却水の供給孔W1と排出孔W2がそれぞれ設けられている。
【0021】
これらの構成部材を図1に示すような配置状態で積層し、図示を省略したロッド等で締付一体化することにより2セルの電池スタックを構成することができる。
【0022】
本実施形態においては、前記第1電池プレート1は図2(a)のようにガス流路1a側の面に前記燃料ガスの供給孔G1に連結する凹部状の供給用マニホールド1cが設けられてガス流路1aの入口に連通しており、又前記燃料ガスの排出孔G2に連結する凹部状の排出用マニホールド1dが設けられてガス流路1aの出口に連通している。更に、ガス流路1aの入口にはノズル部材7、出口には薄い金属板8がそれぞれ第1電池プレート1面と同一面となるように取り付けられ、供給孔G1及び排出孔G2の近傍に薄い金属板9、10がそれぞれ第1電池プレート1面と同一面となるように取り付けられている。
【0023】
又、図2(b)のように第1電池プレート1の水流路1b側の面は、前記冷却水の供給孔W1に連結する凹部状の供給用マニホールド1eが設けられて水流路1bの入口に連通しており、又前記水の排出孔W2に連結する凹部状の排出用マニホールド1fが設けられて水流路1bの出口に連通している。更に、供給孔W1及び排出孔W2の近傍に複数のリブ11、12がそれぞれ設けられ、且つ排出用マニホールド1fには水流路1bの仕切り凸部に対応させて円形の小突起13をそれぞれ設けてある。
【0024】
図2(b)において、14は第1電池プレート1の水流路1b面側の外周部に設けられた凸条シール部(太線で示す)であり、前記水の供給孔W1→供給用マニホールド1e→水流路1b→排出用マニホールド1f→水の排出孔W2に至る冷却水の流通範囲を囲むと共に、この流通範囲とは無関係の前記燃料ガスの供給孔G1及び排出孔G2を囲むようにして設けられている。
【0025】
前記第2電池プレート3は、図3(a)のように上部に凹部状の供給用マニホールド3cが設けられて前記各ガス流路3aの入口に連通しており、下部には排出用流路3dが設けられて各ガス流路3aの出口に連通し、ガス流路3aの入口にはノズル部材15、出口には薄い金属板16がそれぞれ第2電池プレート3面と同一面となるように取り付けられている。
【0026】
17は第2電池プレート3のガス流路3a面側の外周部に設けられた凸条シール部であり、外部から供給される酸化剤ガス(この場合は空気)が流入する供給用マニホールド3c→ガス流路3a→排出用流路3dに至る酸化剤ガスの流通範囲を囲むと共に、この流通範囲とは無関係の前記燃料ガスの供給孔G1と排出孔G2、及び水の供給孔W1と排出孔W2をそれぞれ囲むようにして設けられている。この凸条シール部17の上縁部は複数の切り込み17aを設けて外部から供給用マニホールド3c内に酸化剤ガスが流入できるようにしてあり、凸条シール部17の下縁部は排出用流路3dから外部に酸化剤ガスが排出できるようにしてある。
【0027】
第2電池プレート3の他面側は図3(b)に示すように平坦面3bに形成されている。又、前記膜電極接合体2は図3(a)に示すようにガス流路3a面に密着して配置され、その外周部は上記凸条シール部17によりシールされている。
【0028】
前記単セル4においては、膜電極接合体2を挟んで第1電池プレート1と第2電池プレート3とが接合されているが、第1電池プレート1の凸条シール部14と第2電池プレート3の凸条シール部17とは殆ど同じ形状のパターンが採用されている。従って、凸条シール部14と凸条シール部17とは電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置することとなる。これにより、第1電池プレート1と第2電池プレート3とが強い締め付け力で接合されても、プレートに変形が生じることはない。前記単セル4′においては、膜電極接合体2を挟んで第3電池プレート1′と第2電池プレート3とが接合されているが、第3電池プレート1′の平坦面1c側には第2電池プレート3の凸条シール部17と同一形状パターンの凸条シール部14′が設けられている。従って、凸条シール部14′と凸条シール部17とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置することとなる。これにより、第3電池プレート1′と第2電池プレート3とが強い締め付け力で接合されても、プレートに変形が生じることはない。
【0029】
又、第1電池プレート1の凸条シール部14と第2電池プレート3の凸条シール部17とで形状パターンが一部異なる箇所には、凸部即ち前記第1電池プレート1の水流路1b面側に設けられたリブ11、12及び小突起13(図2(b)参照)が存在しているので、この第1電池プレート1のリブ11、12及び小突起13に対応する第2電池プレート3の凸条シール部分によって第1電池プレート1のガス流路1a面側が強く押されても、その裏面側の水流路1b面に変形が生じることはない。
【0030】
一方、電池スタックの両端部に位置する第2電池プレート3と絶縁板5及び/又は締付板6の間、第3電池プレート1′と絶縁板5′及び/又は締付板6′の間のシール構造においても上記と同様の構成が採用されている。
【0031】
図4は、前記絶縁板5の片面を示しており、その外周部に前記第2電池プレート3と同一形状パターンの凸条シール部18が設けられている。この絶縁板5の四隅部に設けられた前記燃料ガスの供給孔G1と排出孔G2及び冷却水の供給孔W1と排出孔W2が凸条シール部18により囲まれている。絶縁板5の他面側は図1に示すように平坦面5aとなっている。尚、絶縁板5の片面には集電板20が取り付けられ、外部端子接続用のタブ20aが側方に突出している。絶縁板5′も絶縁板5と同様の構成であるが、集電板は平坦面5a側に取り付けられている(図1)。
【0032】
図5は、前記締付板6の片面を示しており、その外周部に上記絶縁板5と同一形状パターンの凸条シール部19が設けられている。この締付板6の四隅部に設けられた前記燃料ガスの供給孔G1と排出孔G2及び冷却水の供給孔W1と排出孔W2が凸条シール部19により囲まれている。この締付板6の他面側は図1に示すように平坦面6aとなっている。
【0033】
電池スタック内においては、図1のように前記第2電池プレート3の平坦面3bに、絶縁板5の凸条シール部18が設けられている側の面を対向させて配置し、且つ絶縁板5の平坦面5aに、締付板6の凸条シール部19が設けられている側の面を対向させて配置して締め付けにより接合される。もう一方の絶縁板5′は第3電池プレート1′の凸条シール部14′が設けられている面に平坦面5a側を対向させて配置し、もう一方の締付板6′は絶縁板5′の凸条シール部18が設けられている面に平坦面6a側を対向させて配置する。尚、この締付板6′は両面とも平坦面に形成されている。
【0034】
この場合、絶縁板5の凸条シール部18及び締付板6の凸条シール部19と第2電池プレート3の凸条シール部17とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置するので、絶縁板5及び締付板6と第2電池プレート3とが強い締め付け力で接合されても、各凸条シール部により平坦面側が押されても絶縁板5及び締付板6と第2電池プレート3にいずれも変形が生じることはない。絶縁板5′の凸条シール部18と第3電池プレート1′の凸条シール部14′とに関しても同様のことが言える。これらの凸条シール部において、電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所が生じるパターンを採用した場合には、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部を設けることで対処することができる。
【0035】
前記第1電池プレート1の凸条シール部14、第2電池プレート3の凸条シール部17、第3電池プレート1′の凸条シール部14′、絶縁板5、5′の凸条シール部18及び締付板6の凸条シール部19は、いずれも加硫ゴム等からなるシート状材料に一体に設けてこれをプレートに接着することによりそれぞれ構成することができる。又、各凸条シール部は、図6のようにその凸条が形成されるシート状材料のほぼ中央に位置して設けられていると、変形偏り防止の上で好ましい。
【0036】
このようにして構成された電池スタックは、一方の締付板例えば締付板6の供給孔G1から燃料ガスを供給して第1電池プレート1及び第3電池プレート1′のガス流路1aに分配して流通させ、外部から取り込んだ酸化剤ガス(空気)を第2電池プレート3のガス流路3aにそれぞれ流通させることでその間に挟まれている膜電極接合体2の高分子電解質膜を介して単セル4、4′にて直流電力を発電することができる。又、一方の締付板例えば締付板6の供給孔W1から冷却水を供給して第1電池プレート1の水流路1bに流通させることにより単セル4、4′の発電部を冷却することができる。
【0037】
電池スタック内に組み込まれた各プレートは、前記締付板6′を除いてそれぞれ片面側にほぼ同形又は同一のパターンで凸条シール部が設けられ、しかも一部凸条シール部に対応しない箇所にはリブや小突起等の凸部が設けられているため、強い締付力で接合されても各プレートがいずれも隣接するプレートの凸条シール部によって変形することはなく、更に反応ガス流路面、冷却水流路面及び燃料ガスの供給孔と排出孔、並びに冷却水の供給孔と排出孔が全てほぼ完全にシールされる。これにより、電池スタックの発電特性を向上させると共に、各プレートを薄く形成することが可能となるため電池スタックを小型化することができる。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項1の発明によれば、2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置しているので、締付時でのプレートの変形を防止して単セル部分のガスシールを著しく向上させることができる。
【0039】
又、本発明に係る請求項2の発明によれば、2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられているので、2つの凸条シール部の形状が多少異なっていても締付時での電池プレートの変形を防止して単セル部分のガスシールを向上させることができる。
【0040】
更に、本発明に係る請求項3の発明によれば、2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び/又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び/又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置しているので、締付時でのプレートの変形を防止して電池スタック端部のシール性能を向上させることができる。
【0041】
本発明に係る請求項4の発明によれば、2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び/又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び/又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられているので、締付時でのプレートの変形を防止して電池スタック端部のシール性能を確保することができる。
【0042】
本発明に係る請求項5の発明によれば、請求項1乃至請求項4いずれか1項の燃料電池用プレートのシール構造において、前記凸条シール部は、その凸条が形成されるシート状材料のほぼ中央に位置して設けられていることを特徴とし、これによりプレート締付時における変形偏りを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態における電池スタックの構成部材を分解して示す斜視図である。
【図2】(a)は本発明に係る第1電池プレートのガス流路面を示す側面図、(b)はその他面側を透視して示す側面図である。
【図3】(a)は本発明に係る第2電池プレートのガス流路面を示す側面図、(b)はその他面側を透視して示す側面図である。
【図4】本発明に係る絶縁板の片面を示す側面図である。
【図5】本発明に係る一方の締付板の片面を示す側面図である。
【図6】本発明に係る凸条シール部がシート状材料のほぼ中央部に設けられている状態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1…第1電池プレート
1a…ガス流路
1b…水流路
1′…第3電池プレート
2…膜電極接合体
2a…アノード電極
2b…カソード電極
3…第2電池プレート
3a…ガス流路
4、4′…単セル
5、5′…絶縁板
6、6′…締付板
11、12…リブ
13…小突起
14、14′、17、18、19…凸条シール部
20…集電板

Claims (5)

  1. 2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置していることを特徴とする燃料電池用プレートのシール構造。
  2. 2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池用プレートのシール構造。
  3. 2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び/又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び/又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置していることを特徴とする燃料電池用プレートのシール構造。
  4. 2種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び/又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び/又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池用プレートのシール構造。
  5. 前記凸条シール部は、その凸条が形成されるシート状材料のほぼ中央に位置して設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項4いずれか1項記載の燃料電池用プレートのシール構造。
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