JP2004213930A

JP2004213930A - 燃料電池のシール構造

Info

Publication number: JP2004213930A
Application number: JP2002379383A
Authority: JP
Inventors: Keigo Ikezoe; 圭吾池添
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】燃料電池からのガス漏れを防止する。
【解決手段】固体高分子電解質膜と、電極と、ガス拡散層とからなる複合体２と、この複合体を挟持し、ガス透過性のセパレータ１ａ、１ｂを備えた燃料電池において、前記セパレータの端部全周を覆うシール材３を設け、前記セパレータ１ａ、１ｂは、前記複合体に面する側の面１ｄとその面に背反する面１ｅの端部にそれぞれ凹部５を形成し、前記シール材３は、前記セパレータの各凹部にそれぞれ嵌る凸部４を備えることを特徴とする燃料電池のシール構造。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のシール構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに効率よく変換する装置として注目されている。この装置は、固体高分子電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち、陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
陽極反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
陰極反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ（２）
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
このような燃料電池において、燃料ガスまたは酸化剤ガスのセパレータとしてポーラスタイプのセパレータを用いる場合がある。それは、電解質膜の加湿に必要な水をポーラス内部に含むことができ、また、電池反応による生成水をその内部に吸収し、ガス下流側でのフラッディングを防止することができるという利点があるからである。
【０００５】
しかしながら、燃料電池のセパレータとしてポーラス材を使用すると、少なくともポーラス内部に水が存在していない時には、ガスを封止する能力がなく、特にセパレータのエッジ部からガスが透過してしまうという不具合が生じる。
【０００６】
このポーラスセパレータのエッジ部からのガスリークを防止する従来例としては、シール材をポーラス内部に含浸させる方法（例えば、特許文献１参照。）やエッジ全体をゴム材料などで袋状に覆ってしまう方法などがある。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許５,２６４,２９９公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載されるシール材をポーラス内部に含浸させる方法では、ポーラス体内部のすべての細孔に均一にシール材を含浸させることが難しく、高いガス供給圧力で運転する場合には十分なガス封止能力が得られないという問題点があった。
【０００９】
また、エッジ部全体をシール材で袋状に覆ってしまう方法では、高圧時でのシール材の外側への剥離を防止するためには面方向に十分な幅を持たせ、面方向に相手側のセル等で強く押さえつけ保持する必要がある。しかしながら、燃料電池の出力密度を向上させるためにはセパレータの電極に面する面、つまりアクティブエリアをできるだけ広く設けることが望まれており、シールによって覆われる部分を出来るだけ小さくする必要がある。ところが、面方向のシール幅を小さくすると、ガス圧力によりエッジシール部が剥離しやすくなり信頼性に劣る。
【００１０】
したがって、本発明は、燃料電池の発電性能を制限することなく、燃料電池のガスシール性を向上することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガス透過性のセパレータを備えた燃料電池において、セパレータは固体高分子電解質膜、電極等からなる複合体に面する側の面とその面に背反する面の端部に凹部を形成し、セパレータの端部を覆うシール材は、セパレータの凹部に嵌る凸部を備える
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池への供給ガスの供給圧が高い場合でも、シール材がセパレータから剥離するのを防止でき、端部からガスが漏れることがない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のシール構造を適用する燃料電池の単セルの構成を模式的に示す断面図である。
【００１４】
燃料電池は、図１に示すガス透過性の材料（例えば、多孔質材）で形成されたアノード側セパレータ１ａと同じくガス透過性材料で形成されたカソード側セパレータ１ｂと、電解質膜と各電極とガス拡散層からなる複合体２で構成される単セルをスタック状に構成したものである。各セパレータのエッジ部１ｃを覆うように、このエッジ部１ｃからのセパレータ１ａ、１ｂに供給されたガスの漏洩を防止するためのシール材３が設置される。
【００１５】
図２は、シール材３の拡大図であり、シール材３はセパレータ１ａ、１ｂのエッジ部１ｃを覆うようにコの字形状を有しており、セパレータ１ａ、１ｂの複合体２に面する側の面１ｄと面１ｄに背反する面１ｅとを覆う爪部３ａ、３ｂに、セパレータの面１ｄ、１ｅ側に突出する凸部４を形成する。
【００１６】
一方、セパレータ１ａ、１ｂの面１ｄ、１ｅには前記凸部４に対応する凹部５が形成され、凸部４と凹部５が嵌り合う。
【００１７】
このような構成により、本発明では、燃料電池への供給ガスの供給圧が高い場合でも、シール材３がセパレータ１ａ、１ｂから剥離するのを防止し、エッジ部１ｃからガスが漏れることがない。また、シール材３の凸部４、セパレータ１ａ、１ｂの凹部５をそれそれできるだけエッジ部１ｃの端部に近く形成することにより、電極に面するセパレータのアクティブエリアを広く確保することでき、燃料電池の発電性能を向上することができる。
【００１８】
なお、図３、図４に示すようにセパレータ１ａ、１ｂの凹部５は、エッジ部全周を結ぶ溝状に形成し、この溝に嵌るようにシール材３の凸部４を形成する。または図５、図６に示すように、エッジ部１ｃの所定位置に深孔６を形成し、この深孔６に嵌るようにシール材３の凸部４を形成するようにしてもよい。このような構成とすることで、シール材が剥離し難くなり、シール性を確実にすることができるとともに製造性を向上することができる。
【００１９】
図７と図８は、燃料電池の組立状態を示すものであり、エッジ部１ｃからのみならず複合体２に面するセパレータ面１ｅからのガスの漏洩を防止する構成を説明するものである。即ち、図８に示すようにセパレータ１ｂは、その上下に複合体２とガス遮断材７を設置し、それぞれにシール部３の爪部３ａ、３ｂに設けた凸部８が接触してガスの漏洩を防止する構成である。ここで、ガス遮断材７は、各セル間を区画するために燃料電池スタックを構成する上で通常用いられる部材である。
【００２０】
このような構成により、シール材３をセパレータのエッジ部に設けることで、エッジ部からのガスの漏洩だけでなく、ガス遮断材７側のセパレータ面１ｅからのガスの漏洩を防止できる。したがって、セパレータ面方向のガスの漏洩を防止するための部品を改めて設ける必要がなく、部品点数を削減でき、また組立工数も削減でき、燃料電池のコストが低減する。また組立部品点数を低減できることから、組み立て時の位置決め不具合によるガス漏れを予防し、信頼性が向上する。
【００２１】
図９は、本発明のシール材３の製造方法の概略を示す図である。上型９と下型１０の間にセパレータ１ａ、１ｂが設置される。このときセパレータは既にシール材３の凸部４が嵌る凹部５が形成されている。この状態からポート１１からシール材３の原料が流し込まれ、シール材３がセパレータ１ａ、１ｂと一体的に形成される。
【００２２】
図１０と図１１は、第２の実施形態を示すもので、シール材３の凸部４を形成する爪部１２の外面１２ａをセパレータ１ａ、１ｂの外面と略同一面とした構成である。この構成により、シール材３の設置によるセルの積層方向の厚みの増加を無くすことができ、燃料電池の小型化、あるいは出力の向上を図ることができる。
【００２３】
図１２は、セパレータ１ａ、１ｂ内にガスを供給するマニフォールド部１３ａ、１３ｂのシール材形状を説明する図である。マニフォールド部においてもエッジ部１ｃと同様のシール材構成にてガスの漏洩を防止することができる。
【００２４】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池単セルの構成図である。
【図２】単セル端部の拡大図である。
【図３】セパレータの凹部形状を説明する図である。
【図４】図３の断面Ａ−Ａを示す断面図である。
【図５】セパレータの他の凹部形状を示す図である。
【図６】図５の断面Ｂ−Ｂを示す断面図である。
【図７】燃料電池単セルの他の構成図である。
【図８】単セル端部の拡大図である。
【図９】シール材の製造方法を説明する図である。
【図１０】燃料電池単セルの他の構成図である。
【図１１】単セル端部の拡大図である。
【図１２】セパレータのマニフォールド部のシール構造を説明する図である。
【符号の説明】
１燃料電池
１ａアノード側セパレータ
１ｂカソード側セパレータ
１ｃセパレータ端部
１ｄ面
１ｅ面
２複合体
３シール材
３ａ爪部
３ｂ爪部
４凸部
５凹部
６深孔
７ガス遮断材

Claims

固体高分子電解質膜と、電極と、ガス拡散層とからなる複合体と、
この複合体を挟持し、ガス透過性のセパレータを備えた燃料電池において、
前記セパレータの端部全周を覆うシール材を設け、
前記セパレータは、前記複合体に面する側の面とその面に背反する面の端部にそれぞれ凹部を形成し、
前記シール材は、前記セパレータの各凹部にそれぞれ嵌る凸部を備えることを特徴とする燃料電池のシール構造。
前記シール材の形状は、コの字断面を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシール構造。
前記シール材は、前記複合体または隣接するセルのセパレータのうち少なくとも１つに対向する表面に、前記複合体または隣接するセルのセパレータと接触する凸部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池のシール構造。
前記複合体を挟持したセパレータを挟み込むガス遮断材を設け、
前記シール材は、前記複合体またはガス遮断材のうち少なくとも１つに対向する表面に、前記複合体またはガス遮断材と接触する凸部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池のシール構造。
前記シール材のコの字断面の高さは、前記セパレータの高さと略同一であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池のシール構造。
前記セパレータは、表面をシール材に覆われる部分において、前記シール材の肉厚分だけ高さが低くなっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池のシール構造。
前記セパレータのマニフォールド部の端部を覆うシール材を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池のシール構造。
前記セパレータの凹部は、セパレータの端部全周に渡り形成され、
前記シール材の凸部は、この全周に渡り形成された凹部に嵌るように形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシール構造。
前記セパレータの凹部は、セパレータの端部に所定間隔で形成され、
前記シール材の凸部は、この所定位置に形成された凹部に嵌るように形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシール構造。