JP2006156216A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックにおいて、セルに薄肉状セパレータを適用した場合の剛性低下に起因するシール不良を解決する。
【解決手段】セパレータ２ａ、２ｂおよび電解質膜３の相互間にシール部材１を挟んで積層した燃料電池において、前記セパレータまたは電解質膜のシール部材との接触部の間隔ｇを均等に設定する。これによりシール部材として反力特性の等しいものを積層方向に重ねて適用することができると共に、シール部材の圧縮変形部分の変形代も等しくすることができることから、積層方向のシール反力の偏りを回避して、良好なシール性を確保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関し、特にそのセルないしスタックのシール性向上を目的とした構造的改良に関する。

燃料電池の出力密度向上を目的として、セル間に介在させるセパレータを金属材により薄肉状に形成したものが知られている。たとえば特許文献１には、金属製のセパレータをガスケットを介して積層した構造のものが、特許文献２には流体通路をリブ状に形成したコルゲート構造の金属セパレータを積層した構造のものが、それぞれ提案されている。
特開2001-332275号公報 特開平11-354142号公報

しかしながら、セパレータや電解質膜など燃料電池を構成するプレート状部材を薄肉化すると、セルの剛性が低下するので、これらプレート状部材をシール部材を介して積層したときに、積層部位毎にシール部材の圧縮量ないしはシール反力にばらつきが生じてシール性が低下する。

本発明は、プレート状部材の積層部位毎にシール性能のばらつきを生じない燃料電池の構造を提供することを目的としている。

本発明では、セパレータおよび電解質膜を含む複数のプレート状部材を相互間にシール部材を挟んで積層した燃料電池において、前記複数のプレート状部材相互間の、シール部材との接触部の間隔を均等に設定する。

本発明によれば、プレート状部材のシール部材との接触部の相互間隔を均等にしたことから、シール部材として反力特性の等しいものを積層方向に重ねて適用することができる。また、シール部材のリップ部つまり圧縮変形部分の変形量も等しくすることができる。これにより、積層方向のシール反力の偏りを防ぐことができるので、プレートのたわみが抑えられると共に良好なシール性を確保することができる。

以下、本発明のいくつかの実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態において共通する部材には同一の符号を付して示すこととする。

図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面を示している。図中の１はゴムまたは樹脂等の弾性材からなるシール部材、２ａ，２ｂは金属板等の薄肉材料からなるセパレータ、３は電解質膜（またはそのシールキャリア）を示している。本発明との関係では前記セパレータ２ａ，２ｂと電解質膜３がプレート状部材に相当する。なお電解質膜２上の電極は図示省略してある。

この実施形態では、一対のセパレータ２ａと２ｂが断面上対称形状に形成してあり、それぞれに形成した多数のリブ部２１と隣接するプレート状部材との間に流体通路を形成する、いわゆるコルゲート型のセパレータ構造としてある。より詳細には、各セパレータ２ａ，２ｂのそれぞれのリブ部２１はその対向端面２２同士が直接に接合する一方、反対面側に突出したリブ端面２３は電解質膜３に当接するように形成してある。

リブ部２１と電解質膜３との間には、それぞれが向かい合う電極面の極性に応じてアノードガス流路３１またはカソードガス流路３２を画成し、隣接する一対のセパレータ２ａと２ｂのそれぞれのリブ部２２の裏面側同士が相互に向かい合う空間部を冷却水流路３３としてある。

一方、各セパレータ２ａ，２ｂまたは電解質膜３の周縁部はそれぞれシール部材１が積層方向に弾接する平滑なシール部材接触部２５となっており、それぞれの接触部２５の積層方向の間隔（以下「プレート間隔」という）ｇは、セパレータ２ａ，２ｂおよび電解質膜３を積層した状態で均等となるようにしてある。

この実施形態では、前記シール間隔ｇを均等にするために、図２−１に示したように、前記接合状態での一対のセパレータ２ａ，２ｂのそれぞれのシール部材接触部２５の相互間隔ｇ１と、その裏面側のシール部材接触部２５から計ったリブ部２１の高さｇ２とが等しくなるように形成してある。セパレータ２ａまたは２ｂのみに着目すると、図２−２に示したように、シール部材接触部２５から計ったリブ部２１の高さｇ３は、その裏面側のシール部材接触部２５から計ったリブ部２１の高さｇ２の二分の一である。

図３はプレート間隔と圧縮シール反力との関連性を示す一般的な特性を表している。プレート間隔はシール反力に大きく影響し、図示したようにプレート間隔の僅かなばらつきｇｆでもシール反力には大きな変動ｋｆが生じて、プレート状部材のたわみおよびシール不良につながる。これに対して、前記実施形態の構成によれば、各プレート間隔ｇを均等にしてあるので、各シール部分に同一断面形状ないしは同一仕様のシール部材１を適用することができ、当然にシール部材１の圧縮量も等しくなるので、シール反力のばらつきやプレートのたわみ、およびこれに起因するシール性の低下を回避することができる。

図４以下に、前記プレート間隔を均等にするための他の実施形態を示す。図４は本発明の第２の実施形態であり、シール部材１に隣接してセパレータ２または電解質膜３のプレート間隔を規制するスペーサ５を介装したものである。このように別部材からなるスペーサ５を適用することで、プレート間隔とシール部材１の圧縮量をより容易にかつ正確に管理することが可能である。

なお、前記スペーサ５は、セパレータ２に接するシール部材１に対して少なくともその内側に設けるだけでもよい。特に、コルゲート型のセパレータを適用した場合には、その流体流路への流れを案内するガイド状の流路をセパレータ上に形成することが難しい場合があるが、前記構成によればシール内側に設けたスペーサ５を流れのガイドとして機能させることが可能となる。たとえば当該流体流路に冷却水を通した場合に、前記ガイド部による整流機能に基づき圧損を減少させられると共に流れの分配性を向上させることができ、この結果としてセル面内温度分布が均一になり性能劣化に対するロバスト性が高くなるという効果が期待できる。

図５−１と図５−１に本発明の第３の実施形態を示す。これは、シール部材１に、図５−１に示したように、積層方向に圧縮変形するシールリップ部１ａと、該シールリップ部１ａに隣接してプレート状部材の間隔を規制する肩部１ｂとを設けたものである。シールリップ部１ａと肩部１ｂのそれぞれの底部は共通の平面からなっており、上面の形状としては、シールリップ部１ａは矩形断面形状からなる肩部１ｂに対して、プレート状部材積層時の圧縮代分だけ高い台形断面形状に形成してあり、その基部には圧縮変形を許容するための凹部１ｃが形成してある。このシール部材１は、積層状態では、図５−２に示したように、シールリップ部１ａのみが圧縮変形し、所要の圧縮量まで変形した状態で肩部１ｂによりプレート間隔が一定量に規制される。この場合も、肩部１ｂはシールリップ部１ａに対して内側にのみ設けるようにしてもよく、またその肩部１ｂには前記した流れのガイドとしての機能を持たせることが可能である。

この実施形態によれば、シール部材１そのものにプレート間隔規制のための機能を持たせたことから、新たな部品を増やすことなしにプレート間隔の管理を容易に行うことができるうえ、コスト低減および組立工程の簡略化を図ることができる。

図６は本発明の第４の実施形態である。これは各プレート状部材（２，３）間の複数の間隙にセル外周側から嵌合する複数の互いに均等な厚さを有するスペーサ部６ａを備えた断面櫛状の間隔保持部材６を設けることによりプレート間隔を均等にしたものである。この場合、前記間隔保持部材６の全体または少なくともその表面を電気絶縁体で形成する。

この実施形態によれば、プレート状部材間に挿入されたスペーサ部６ａによりプレート間隔が均等に管理される。また、間隔保持部材６がセルの外周を覆うので、周囲との電気的絶縁を図ることができる。複数のスペーサ部６ａを一体化した間隔保持部材６の構成により、この実施形態においても、コスト低減および組立行程の簡略化が図れる。

なお、複数個のセルをサブスタックとして積層し、該サブスタックを複数個積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池において、前記間隔保持部材６を前記サブスタック単位で設けた構成とすることにより、リーク試験をサブスタック単位で行えば済むので、全スタックでリーク試験を行う場合に比較して試験装置を小型化できると共に、セル交換が容易になるという利点が生じる。

図７は本発明の第５の実施形態である。これは、セパレータ２の外周端部を、シール部材接触部２５の側に折り返した形状の折り返し部２４を設け、この折り返し部２４により積層方向に隣接する他のプレート状部材との間隔を均等に管理するようにしたものである。前記折り返し部２４の、隣接する他のプレート状部材と接する端面に切削または研削等の機械加工を施すことにより、より高い精度を確保することができる。

この実施形態によれば、折り返し部２４を形成するセパレータ構成部材自体の厚さによって、プレート間隔を規制するので、別部品を追加することなく、より簡易にプレート間隔を管理することができる。

図８は本発明の第６の実施形態である。これは、セパレータ２のシール部材接触部２５として、積層方向に立ち上がる起立部２６を形成し、該起立部２６の頂面２７（起立部２６の頂点から面方向外側に延設した平坦部分）を、前記起立方向に隣接して対向的に配置した他のセパレータ２の起立部頂面２７と対峙するように積層した構造としたものである。シール部材１は図示したように起立部頂面２７の背面側に介装する。この実施形態では起立部２６を図示したようにシール部材１を収装する溝状部を有するリブ状に形成してあるが、起立壁面がシール部材１の内側にのみ在るような形状としてもよい。

この実施形態による場合も、前記起立部２６がセパレータ２をコルゲート型に形成した場合に流体流路のガイドとして機能し、燃料電池の性能改善効果が得られる。

本発明の第１の実施形態の要部断面図。 前記第１の実施形態のセパレータの断面図。 前記第１の実施形態の一対のセパレータを結合した状態を示す断面図。 プレート間隔とシール反力との関係を示す特性線図。 本発明の第２の実施形態の要部断面図。 本発明の第３の実施形態の要部断面図。 前記第３の実施形態のシール部材の自由形状を示す断面図。 本発明の第４の実施形態の要部断面図。 本発明の第５の実施形態の要部断面図。 本発明の第６の実施形態の要部断面図。

符号の説明

１ シール部材
１ａ シールリップ部
１ｂ シール肩部
２、２ａ、２ｂ セパレータ
３ 電解質膜またはシールキャリア
５ スペーサ
６ 間隔保持部材
６ａ スペーサ部
２１ リブ部
２４ 折り返し部
２５ シール部材接触部
２６ 起立部
３１ アノードガス流路
３２ カソードガス流路
３３ 冷却水流路

Claims (11)

1. セパレータおよび電解質膜を含む複数のプレート状部材を相互間にシール部材を挟んで積層した燃料電池において、
   前記複数のプレート状部材相互間の、シール部材との接触部の間隔を均等にしたこと
   を特徴とする燃料電池。
2. 前記プレート状部材として、対向的に積層される一対のセパレータを有し、該セパレータは流体通路を形成するリブ部の互いの対向端面にて接合するように形成すると共に、
   前記接合状態でのセパレータの当該対向端面側のシール部材接触部の間隔と、
   セパレータ裏面側のシール部材接触部から計ったリブ部高さとを等しくした
   請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記シール部材に隣接してプレート状部材の間隔を規制するスペーサを介装することによりシール部材接触部の間隔を均等にした請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記スペーサは、セパレータに接するシール部材に対して少なくともその内側に設けてある請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記シール部材に、積層方向に圧縮変形するシールリップ部と、該シール本体部に隣接してプレート状部材の間隔を規制する肩部とを設けた請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記シール部材の肩部は、シールリップ部の少なくとも内側に設けてある請求項５に記載の燃料電池。
7. 各プレート状部材間の複数の間隙にセル外周側から嵌合する複数の互いに均等な厚さを有するスペーサ部を備えた断面櫛状の間隔保持部材を設けることによりシール部材接触部の間隔を均等にした請求項１に記載の燃料電池。
8. 複数個のセルをサブスタックとして積層し、該サブスタックを複数個積層して燃料電池スタックを構成する燃料電池において、前記間隔保持部材を前記サブスタック単位で設けた請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記セパレータの外周端部を、シール部材接触部の側に折り返した形状の折り返し部を備え、該折り返し部により積層方向に隣接する他のプレート状部材との間隔を均等にした請求項１に記載の燃料電池。
10. 前記セパレータのシール部材接触部として、積層方向に立ち上がる起立部を形成し、該起立部の頂面を、前記起立方向に隣接して対向的に配置した他のセパレータの起立部の頂面と対峙するように積層した構造を有する請求項１に記載の燃料電池。
11. 前記セパレータを、流体通路を形成する多数のリブ部を有するコルゲート型に形成し、前記起立部を積層状態で前記流体通路のガイドを形成するようにした請求項１０に記載の燃料電池。