JP2005183220A - 燃料電池のシール構造およびシール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 締め代を一定として組立作業を容易としつつ、シール性を充分確保する。
【解決手段】 固体高分子電解質膜１を一対の電極３，５で挟持した膜電極接合体のさらに外側を、一対のセパレータ７，９で挟持して燃料電池を構成する。固体高分子電解質膜１に、電極３，５の外周縁部からはみ出すはみ出し部１ａを設け、はみ出し部１ａとセパレータ７，９との間にシール材１１を設ける。シール材１１は、一対のセパレータ７，９相互の間隔を保持するための鉄芯１３を有し、鉄芯１３の外側に、熱硬化性樹脂からなる表皮部１５をコーティング処理する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体のさらに外側を、一対のセパレータで挟持して構成した燃料電池のシール構造およびシール方法に関する。

燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。

このような燃料電池として、例えば固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を一対の電極で挟み込み、この電極に接触して電極からの集電に用いるとともに、電極側にガス供給用のガス流路を、電極と反対側に冷却水流路をそれぞれ有するセパレータを備えている。

このような固体高分子型燃料電池におけるシール構造としては、例えば下記特許文献に記載されたものがある。これは、電極からはみ出した固体高分子電解質膜のはみ出し部に対応するセパレータの溝部に液状シールを塗布した後、これを一対のセパレータで挟持して仮組立を行い、そのままの状態で液状シールを固化させて単位燃料電池を得る。
特開２００２−２４６０４４号公報

しかしながら、上記した従来の燃料電池のシール構造にあっては、塗布する液状シール自体の寸法ばらつきが発生しやすく、このためシール性が損なわれるという不具合があり、これを避けるためには液状シールのばらつきに対応して締め代を変化させる必要があり、組立作業が煩雑なものとなる。

そこで、本発明は、締め代を一定として組立作業を容易としつつ、シール性を充分確保することを目的としている。

本発明は、固体電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体のさらに外側を、一対のセパレータで挟持して燃料電池を構成し、前記固体電解質膜に、前記電極の外周縁部からはみ出すはみ出し部を設け、このはみ出し部と前記セパレータとの間にシール材を設けた燃料電池のシール構造において、前記シール材を、前記一対のセパレータ相互の間隔を保持するための芯部と、芯部の外側を覆うとともに芯部より硬度の低い表皮部とで構成したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、シール材として表皮部の内側に、表皮部より硬度が高くかつ、一対のセパレータ相互の間隔を保持する芯部を備えているので、このシール材を固体電解質膜のはみ出し部とセパレータとの間に介在させて締め付けたときに、芯部によって締め代のばらつきを抑えることができ、また外側の表皮部によってシール機能を発揮することから、締め代を一定として組立作業を容易としつつ、シール性を充分確保することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す燃料電池の断面図である。この燃料電池は固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜１を両側から一対の電極３，５で挟持して膜電極接合体を構成し、さらに膜電極接合体の外側を一対のセパレータ７，９で挟持する構造としている。

通常燃料電池は、所定の電力を得るために、上記した膜電極接合体と一対のセパレータ７，９とで構成した一組の単位燃料電池を多数積層して燃料電池スタックとして使用する。

セパレータ７，９は、電極３，５側にガス供給用のガス流路７ａ，９ａをそれぞれ備えるとともに、一方のセパレータ９の電極５と反対側に冷却水流路９ｂを備えている。一方のセパレータ９のガス流路９ａには燃料となる水素を供給し、他方のセパレータ７のガス流路７ａには酸化剤となる空気を供給する。

固体高分子電解質膜１は、電極３，５の外周縁部からはみ出すはみ出し部１ａを備え、このはみ出し部１ａに対向するセパレータ７，９の内面には、凹部７ｂ，９ｃをそれぞれ形成する。この各凹部７ｂ，９ｃは、セパレータ７，９の全周にわたり環状に設ける。

そして、このセパレータ７，９の凹部７ｂ，９ｃと、固体高分子電解質膜１のはみ出し部１ａとの間に、シール材１１を介装する。シール材１１は、内側に位置する円柱形状の芯部１３と、芯部１３の外側を覆う円筒形状の表皮部１５とで構成している。

芯部１３は、鉄芯であり、一対のセパレータ７，９相互の間隔を保持するスペーサの機能を果たす。一方、表皮部１５は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を鉄芯の周囲にコーティング処理している。

このようなシール材１１を用いて上記した単位燃料電池もしくは燃料電池スタックを組み立て、表皮部１５を加熱することで、表皮部１５を構成する熱硬化性樹脂が溶融後硬化し、図２に示すような状態となる。加熱方法としては、高周波加熱、炉内での加熱、ホットプレスなどを採用できる。

このようなシール構造では、芯部１３がスペーサの役目を果たして一対のセパレータ７，９相互の間隔を一定に保持するので、単位燃料電池もしくは燃料電池スタックとして組み立てる際に、芯部１３が締め代のばらつきを抑えることができ、また外側の表皮部１５によってシール機能を発揮するので、締め代を一定として仮組立をすることなく組立作業を容易としつつ、シール性を充分確保することができる。

また、熱硬化性樹脂からなる表皮部１５は芯部１３の表面に設けるだけなので、加熱硬化の時間がシール材全体を樹脂部とする場合に比べて短かくなり、製造コスト低下に寄与することができる。また、芯部１３を円柱形状とすることで、その外側にコーティング処理する表皮部１５の膜厚を均一化しやすく、シール性向上に寄与することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。この実施形態は、シール材１１０の芯部１３０を角柱形状とした点が、第１の実施形態と異なり、その外側を熱硬化性樹脂からなる表皮部１５０でコーティング処理している。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

この実施形態においても、シール材１１０を用いて前記した単位燃料電池もしくは燃料電池スタックを組み立て、表皮部１５０を加熱することで、溶融後硬化し、図４に示すような状態となる。

このようなシール構造では、第１の実施形態と同様に、芯部１３０がスペーサの役目を果たして一対のセパレータ７，９相互の間隔を一定に保持するので、単位燃料電池もしくは燃料電池スタックとして組み立てる際に、芯部１３０が締め代のばらつきを抑えることができ、また外側の表皮部１５０によってシール機能を発揮するので、締め代を一定として仮組立をすることなく組立作業を容易としつつ、シール性を充分確保することができる。

また、熱硬化性樹脂からなる表皮部１５０を芯部１３０の表面に設けるだけなので、加熱硬化の時間がシール材全体を樹脂部とする場合に比べて短かくなり、製造コスト低下に寄与することができる。さらに、本実施形態では、シール材１１０を角柱形状としているので、シール材１１０のセット作業が第１の実施形態における円柱形状のシール材１１に比べて容易であり、組立作業性が向上する。

本発明によれば、シール材の芯部を鉄芯としたので、一対のセパレータ相互の間隔を所望に保持することができる。

また、前記芯部を円柱形状としたので、その外側に設ける表皮部の膜厚を均一化しやすく、シール性向上に寄与することができる。

さらに、前記芯部を角柱形状としたので、シール材のセット作業が容易となり、組立作業性が向上する。こ
前記表皮部は、熱硬化性樹脂とすることで、加熱によって硬化し、シール性を所望に確保することができる。

本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の断面図である。 第１の実施形態による表皮部の加熱硬化後の状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。 第２の実施形態による表皮部の加熱硬化後の状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 高分子固体電解質膜（固体電解質膜，膜電極接合体）
１ａ はみ出し部
３，５ 電極（膜電極接合体）
７，９ セパレータ
１１，１１０ シール材
１３，１３０ 芯部
１５，１５０ 表皮部

Claims (7)

1. 固体電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体のさらに外側を、一対のセパレータで挟持して燃料電池を構成し、前記固体電解質膜に、前記電極の外周縁部からはみ出すはみ出し部を設け、このはみ出し部と前記セパレータとの間にシール材を設けた燃料電池のシール構造において、前記シール材を、前記一対のセパレータ相互の間隔を保持するための芯部と、芯部の外側を覆うとともに芯部より硬度の低い表皮部とで構成したことを特徴とする燃料電池のシール構造。
2. 前記芯部を鉄芯としたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のシール構造。
3. 前記芯部を円柱形状としたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池のシール構造。
4. 前記芯部を角柱形状としたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池のシール構造。
5. 前記表皮部を熱硬化性樹脂で構成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の燃料電池のシール構造。
6. 固体電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体のさらに外側を、一対のセパレータで挟持して燃料電池を構成し、前記固体電解質膜に、前記電極の外周縁部からはみ出すはみ出し部を設け、このはみ出し部と前記セパレータとの間にシール材を設けてシールを行う燃料電池のシール方法において、前記シール材を、芯部と、芯部の外側を覆うとともに芯部より硬度の低い表皮部とで構成し、前記芯部により前記一対のセパレータ相互の間隔を保持するとともに、前記表皮部によりシール性を確保することを特徴とする燃料電池のシール方法。
7. 前記表皮部を、熱硬化性樹脂で構成して加熱により硬化させることを特徴とする請求項６記載の燃料電池のシール方法。

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