JP2006179238A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図ることができる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】 単位セル２の積層体と、前記積層体を挟持する一対のエンドプレート１６と、集電板１４と、前記積層体、エンドプレートおよび集電板を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷媒を流通させる流路を備えた燃料電池スタックにおいて、前記積層体と集電板との間、および前記エンドプレートと集電板との間に前記流路を流通するガスおよび冷媒の漏洩を防止するガスケットを設け、このガスケットは、弾性部材と磁石とから構成され、前記ガスケットが設置される前記積層体と集電板の一方、または前記エンドプレートと集電板の一方には、前記ガスケットと接する磁性材を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタック、特に燃料電池スタックに使用するガスケットに関するものである。

通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる。

陽極反応： Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
陰極反応： ２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）
前記固体高分子型燃料電池の１組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、積層体を構成している。

この積層体の両端には、各単位セルにより発電された電力を集電するための集電板と、前記積層体および前記集電板を積層方向に押圧保持するための絶縁性を保持するエンドプレートが配設され、燃料電池スタックが構成されている。

所定のスペースに出来得る限り多数の単位セルを積層し、出力電圧を向上させるため、燃料電池スタックでは、例えば、単位セルを所定数積層した積層体の両端に配設する、集電板及びエンドプレートの薄肉化が要求される。

また、前記積層体、前記集電板及び、前記エンドプレートには、積層方向に貫通して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を単位セルに供給するための連通孔がそれぞれ設けられている。

前記集電板と前記エンドプレートとの間隙から貫通孔を流通するガス等が外部へ漏洩することを防止するため、前記集電板と前記エンドプレートを連通する貫通孔を取り囲むガスケット材を設けている。

しかしながら前述した通り、集電板及びエンドプレートは薄肉化が望まれており、ガスケットを搭載するためのシール溝も非常に浅く設計される。このシール溝が浅く設計されることにより、ガスケット搭載時にガスケット材が相手面と接触することで容易に位置ずれを起こし、シール性能が不足するという問題や、組み付ける過程でガスケットが脱落し易く作業性が悪いといった問題がある。

そこで、ガスケット組み付け時の作業性を向上させるために、配管同士の継ぎ目に磁性を有するメタルガスケットを用い、前記メタルガスケットを設置する面に磁石を組み込み、発生する磁力によりメタルガスケットの脱落防止を図るという技術の適用が考えられる（特許文献１参照）。
特開平５−７９５８４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のメタルガスケットでは、シール性を発揮するために必要な面圧が、一般的に使用されるゴム系ガスケットに比べ非常に高く、集電板及びエンドプレートを、強度の向上のために厚肉化しなければならないという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ガスケットの作業性を向上するとともに、ガスケット取り付け部の小型化を達成する燃料電池を提供することを目的としている。

本発明は、単位セルの積層体、エンドプレートおよび集電板を積層方向に貫通するとともに、セパレータの燃料ガス流路に流通させる燃料ガス、セパレータの酸化剤ガス流路に流通させる酸化剤ガス、および積層体を冷却するための冷媒を流通させる流路を備えた燃料電池スタックにおいて、積層体と集電板との間、およびエンドプレートと集電板との間に流路を流通する燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷媒の漏洩を防止するガスケットを設け、このガスケットは、弾性部材と磁石とから構成され、ガスケットが設置される積層体と集電板の一方、またはエンドプレートと集電板の一方には、ガスケットと接する磁性材を設置した。

本発明では、磁石と弾性体からなるガスケットを、積層体、集電板またはエンドプレートに備えたので、磁石の剛性によりガスケットの位置ずれが防止され、また磁石と磁性体とが吸着し、ガスケットの脱落が防止できる。このため、シール性を向上できるとともに、何度でもガスケットの組み付けのし直しができ、作業性を向上することができる。さらには、弾性部材を用いてシール性を確保するため、集電板やエンドプレートの肉厚が増大することも抑制することができる。

本発明を適用する燃料電池スタックの構成を、図１〜３に示す。

本発明の燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、本発明の燃料電池は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。

図１は、燃料電池スタック１の構造を示す斜視図である。図３は、燃料電池スタック構造を示す側面図である。スタック１は、起電力を生じる単位セル２を所定数だけ積層した積層電池の形態で形成される。後述するが、積層された単位セルは、スタック内部を貫通するタイロッド３により積層方向に所定の面圧で締結されている。単位セル２は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、各セルが１Ｖ程度の起電圧を生じる。

図２は、単位セル２の構造を示す斜視図である。単位セル２は、イオン交換膜からなる電解質膜４と、この電解質膜４の一面に配置されたガス拡散層、撥水層および触媒層からなるアノード５、および電解質膜４の対面に配置されたガス拡散層、撥水層および触媒層からなるカソード６とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）７を備え、さらにＭＥＡのアノード５に燃料ガス（例えば水素）を供給するための燃料ガス流路８を形成したアノード側セパレータ９と、カソード６に酸化ガス（例えば酸素や空気）を供給するための酸化剤ガス流路１０を形成したカソード側セパレータ１１と、ＭＥＡ７と各セパレータ間、積層した状態での単位セル間および単位セルと後述する集電板１４との間のシール性を確保するためのガスケット１２と備えている。

電解質膜４は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、所定の湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード５およびカソード６は、ガス拡散電極である。ガス拡散電極は、ガス拡散層、撥水層、触媒層から成り、ガス拡散層は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。撥水層は例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラックから成る。なお、触媒層は前述のようにガス拡散層に担持され電極を形成するとは限らず、電解質膜４の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている場合がある。その場合には、アノード５およびカソード６は、ガス拡散層の表面に撥水層が積層されたガス拡散層接合体で形成される。

アノード側セパレータ９およびカソード側セパレータ１１は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。例えば、カーボン材料をプレス成形することや、また、充分な耐食性を実現可能であれば、金属など他の材料によって形成することとしてもよい。アノード側セパレータ９にはアノード５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路８が、カソード側セパレータ１１にはカソード６に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路１０が形成される。さらにアノード側セパレータ９およびカソード側セパレータ１１の内、少なくとも片方に単位セル２を冷却するための冷媒が流通する冷媒流路１３が形成されている。

単位セル２には、積層方向に貫通し、燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路１０、冷媒流路１３にそれぞれ連通する連通孔８ａ、１０ａ、１３ａが形成され、単位セル２を積層することで各単位セル２に形成された連通孔８ａ、１０ａ、１３ａが接続して、各ガス等が流通する連通流路を形成する。

ガスケット１２は、シリコンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴム等のゴム状弾性材料によって形成されている。ガスケット１２は、単品部品として説明したが、アノード側セパレータ９、カソード側セパレータ１１あるいは弾性係数の大きい薄板材料等に一体的に構成されてもよい。弾性係数の大きい薄板材料は例えば、ポリカーボネ-ト、ポリエチレンテレフタレートのような材料で形成されており、電解質膜４に、例えば熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンのような液状シールによって接着される。

スタック１は、前述の単位セル２を所定数積層し、積層した単位セル２の積層方向（燃料電池積層方向）両端に、集電板１４、エンドプレート１６を配置して構成される。一対のエンドプレート１６間に渡って長ネジ状のタイロッド３が設けられ、タイロッド３は、セル積層体の角部を貫通して設けられる。タイロッド３の一端には雄ネジが形成され、この雄ネジにナットを螺合することによりエンドプレート１６間に設置されたセル積層体に圧縮荷重を負荷し、セル積層体を所定面圧で積層方向に締め付ける。ここで、タイロッド３は剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、セル２同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁の処理をした構造を有している。

なお、締結方法はタイロッド３がスタック１内部を貫通する構成とする必要はなく、積層体を挟んだ一対のエンドプレート１６をテンションロッドで両側から抑えて、このテンションロッドをタイロッド３で締め付ける機構であっても良い。

集電板１４は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。エンドプレート１６は、剛性を備え且つ絶縁性に優れた材料、例えば樹脂材料によって形成されている。また、２枚の集電板１４にはそれぞれ出力端子１５が設けられており、スタック１で生じた起電力を出力可能となっている。

エンドプレート１６および集電板１４には、前述の単位セル２の連通孔８ａ、１０ａ、１３ａに接続する連通孔２３が形成されており、外部の図示しない供給源から燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒が供給される。

次に本発明の発明のガスケット１９およびガスケット１９を用いた集電板１４とエンドプレート１６間のシール構造について説明する。ここでいうガスケット１９は、集電板１４とエンドプレート１６とを連通して形成される、単位セル２に燃料ガス等を供給するための連通孔２３からのガス等の漏洩を防止するためのガスケットである。なお、本発明のガスケット１９は、本部位にのみ適用されるものでないことはいうまでもなく、作業性の向上と省スペース化が要求される部位に広く適用可能である。

本発明のガスケット１９の詳細を図４に示す。ガスケット１９は、磁石部２０とゴム部２１によりＯリング状に形成される。環状の磁石部２０は、ゴム部２１の内部に設置され、その一部が外部に露出する。露出部２０ａは、ガスケット１９が設置されるシール溝２４の底面２４ｃに面するように形成される。磁石部２０に使用する磁石は、プラスチック磁石やゴム磁石、フェライト磁石や金属磁石等のゴム材より十分剛性の高い磁石が使用される。したがって、ガスケット１９は、剛性を有する磁石部２０を備えたため、ゴム部２１に荷重が負荷して、変形してもガスケット１９は位置ずれを生じることがない。また、ゴム部２１は、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム、あるいは磁性ゴム等によって形成される。したがってゴム部２１は、前述のタイロッド３による締結により変形し、当部位のシール性を確保することができる。

エンドプレート１６に形成されたガスケット１９を組み付けるシール溝２４の構成を図５に示す。シール溝２４は、ガスケット１９を設置するため、連通孔２３を取り囲むように環状に形成される。シール溝２４の底部２４ｃには、リング状の磁性部材２２が固定される。磁性部材２２の材料は、ニッケル、鋼、フェライト等の強磁性を持つ磁性材料を使用する。本実施形態においては、エンドプレート１６に磁性部材２２を組み込んでいるが、磁性部材２２を磁石で構成し、ガスケット１９の磁石部２０を磁性材料で形成するようにしてもよい。

図６は、ガスケット１９によるエンドプレート１６と集電板１４との間のシール構成、およびエンドプレート１６と連通孔２３に燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒を流通するための配管１８との間のシール構成を示す。なお、セル２と集電板１４との間のシール性確保のために本発明のガスケット１９を用いてもよい。

前述のようにエンドプレート１６に形成されたシール溝２４には、磁性部材２２が固定され、さらにガスケット１９が、シール溝２４に設置される。ガスケット１９をシール溝２４に組み付けた状態で、前述のタイロッド３により締め付けられて、ガスケット１９が変形し、シール性が確保される。

ここで、ガスケット１９の磁石部２０は、ゴム部２１の芯となっており、ガスケット１９にタイロッド３により荷重を加え、荷重によりゴム部２１が変形しても、前述のように変形が磁石部２０により規制され、位置ずれの発生を防止できる。この位置ずれ防止作用により、ガスケット組み付け時の作業性を向上することができる。また、ガスケット１９の露出部２０ａを磁性部材２２に面して設置することにより、ガスケット１９は磁石部２０と磁性部材２２との間に発生する磁力によりシール溝２４から抜け落ちることがない。さらに、例えば誤った取り付け方法をしてしまった際においても、ガスケット１９は磁力により吸着されている為、容易に取り付けのし直しが可能であり、作業性の向上が図られる。また、ガスケット１９は、ゴム部２１を一般的なゴム材で構成されているため、シール性確保に必要な面圧が従来のメタルガスケットのように高くなることがなく、集電板１４やエンドプレート１６の肉厚を増加させる必要がない。

ガスケット１９が設置される磁性部材２２の他の構成を図７に示す。

この実施形態の磁性部材２２は、底部２２ｃから積層方向に延出する鍔部２２ａ、２２ｂを有しており、この鍔部２２ａ、２２ｂは、シール溝２４の内周面に接して固定される。このように、磁性部材２２がシール溝２４に固定されることで、シール溝２４とエンドプレート外縁との間のシール溝縁部２５が補強されることになる。この補強により、シール溝縁部２５を薄肉化してもシール溝２４の縁部２５は所定の強度を確保でき、連通孔２３の位置を端部側に追いやることで、燃料ガス等の流路を広く形成することができ、言い換えると発電スペース（図中Ｘで示す）を広くすることが出来る。

図８に示すガスケット１９Ａは、磁石部２０Ａとゴム部２１Ａとからなり、燃料ガスが流通する貫通孔と、酸化剤ガスが流通する貫通孔と、冷媒が流通する貫通孔とのそれぞれ設けていたガスケットを一体化させた構成である。ガスケットを３箇所に別々に設置させる工程を一回の工程に減少させ、作業性を向上させることが可能となる。

図９は、ガスケット１９Ｂに用いられる磁石部２０Ｂの配置の一例を示す図である。図４では、環状の磁石部２０を説明したが、これに限らず、例えば、図に示すように部分的に磁石部２０Ｂを配置するようにしてもよい。図９では、磁石部２０Ｂをゴム部２１Ｂの中に等間隔に４箇所に配置した例を示す。この配置は、磁石部２０Ｂが生じる磁力と作業性とを考慮して設定する。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。例えば、エンドプレートの絶縁性が確保されていない場合には、エンドプレートと集電板の間に絶縁板を設け、この絶縁板に磁性部材２２を取り付ける等の工夫により、本発明が適用できる。

燃料電池スタックの斜視図である。 単位セルの斜視図である。 燃料電池スタックの側面図である。 磁石を内蔵したガスケットの構造を示す図である。 シール溝の構成を示す図である。 連通孔のシール構造を示す図である。 シール溝の補強構造の一例を示す図である。 磁石を内蔵したガスケット１９の一体化構造である。 ガスケットの磁石部の配置の一例を示す図である。

符号の説明

１ スタック
２ 単位セル
３ タイロッド
４ 電解質膜
５ アノード
６ カソード
７ 膜−電極アッセンブリ
８ 燃料ガス流路
９ アノード側セパレータ
１０ 酸化剤ガス流路
１１ カソード側セパレータ
１２ ガスケット
１３ 冷媒流路
１４ 集電板
１５ 出力端子
１６ エンドプレート
１８ 配管部品
１９ ガスケット
２０ 磁石部
２１ ゴム部
２２ 磁性部材
２３ 連通孔
２４ シール溝
２５ シール溝の縁部

Claims (11)

1. 固体高分子電解質膜をアノードとカソードとにより挟持して構成される膜−電極アセンブリを、燃料ガス流路を成形したアノード側セパレータと、酸化剤ガス流路を成形したカソード側セパレータにより狭持することにより構成される単位セルを複数個積層した積層体と、
   前記積層体を積層方向に挟持する一対のエンドプレートと、
   このエンドプレートと前記積層体との間に設けられる集電板と、
   前記積層体、エンドプレートおよび集電板を積層方向に貫通するとともに、前記燃料ガス流路に流通させる燃料ガス、酸化剤ガス流路に流通させる酸化剤ガス、および前記積層体を冷却するための冷媒を流通させる流路を備えた燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体と集電板との間、および前記エンドプレートと集電板との間に前記流路を流通する前記燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒の漏洩を防止するガスケットを設け、
   このガスケットは、弾性部材と磁石とから構成され、
   前記ガスケットが設置される前記積層体と集電板の一方、または前記エンドプレートと集電板の一方には、前記ガスケットと接する磁性材を設置することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記ガスケットは、前記磁石が前記弾性部材に覆われつつ、その一部が外部に露出するように構成され、
   前記磁性材が、この露出した磁石に吸着されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記ガスケットが設けられる前記積層体、集電板またはエンドプレートには、前記ガスケットを設けるシール溝が前記流路を取り囲むように設けられ、
   前記磁性体が、前記シール溝内に固定され、
   前記磁性体と前記ガスケットの磁石とが吸着することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記ガスケットの磁石は、環状の磁石であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
5. 固体高分子電解質膜をアノードとカソードとにより挟持して構成される膜−電極アセンブリを、燃料ガス流路を成形したアノード側セパレータと、酸化剤ガス流路を成形したカソード側セパレータにより狭持することにより構成される単位セルを複数個積層した積層体と、
   前記積層体を積層方向に挟持する一対のエンドプレートと、
   このエンドプレートと前記積層体との間に設けられる集電板と、
   前記積層体、エンドプレートおよび集電板を積層方向に貫通するとともに、前記燃料ガス流路に流通させる燃料ガス、酸化剤ガス流路に流通させる酸化剤ガス、および前記積層体を冷却するための冷媒を流通させる流路を備えた燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体と集電板との間、および前記エンドプレートと集電板との間に前記流路を流通する前記燃料ガス、酸化剤ガスおよび前記冷媒の漏洩を防止するガスケットを設け、
   このガスケットは、弾性部材と磁性部材とから構成され、
   前記ガスケットが設置される前記積層体と集電板の一方、または前記エンドプレートと集電板の一方には、前記ガスケットと接する磁石を設置することを特徴とする燃料電池スタック。
6. 前記ガスケットは、前記磁性部材が前記弾性部材に覆われつつ、その一部が外部に露出するように構成され、
   前記磁石が、この露出した磁性部材を吸着することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 前記ガスケットが設けられる前記積層体、集電板またはエンドプレートには、前記ガスケットを設けるシール溝が前記流路を取り囲むように設けられ、
   前記磁石が、前記シール溝内に固定され、
   前記磁石と前記ガスケットの磁性部材とが吸着することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
8. 前記ガスケットの磁性部材は、環状の磁性部材であることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池スタック。
9. 前記ガスケットは、前記燃料ガスの流路に設けられるガスケットと、前記酸化剤ガスの流路の設けられるガスケットと、前記冷媒の流路に設けられるガスケットのうち、少なくとも２つを一体的に形成することを特徴とする請求項１または５に記載の燃料電池スタック。
10. 前記ガスケットの弾性体は、ゴム材で形成されることを特徴とする請求項１または５に記載の燃料電池スタック。
11. 前記磁石には、プラスチック磁石、ゴム磁石、フェライト磁石や金属磁石を用いることを特徴とする請求項１または５に記載の燃料電池スタック。
    
    
    

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