JP2008204819A - 燃料電池のシール構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の環境条件下において優れたシール性能を長期にわたり発揮する。
【解決手段】反応ガスマニホールド１５４の外周部分に内側シール部材１６８ａと外側シール部材１６８ｂを並設した。反応ガスマニホールド１５４の最近傍に配設された内側シール部材１６８ａは耐酸性を有し、外側シール部材１６８ｂは低温での性能低下が小さい材料でそれぞれ構成されることが好適である。内側シール部材１６８ａとしてはエチレンプロピレンゴムまたはフッ素ゴムを、外側シール部材１６８ｂとしてはシリコーンゴムを用いることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、流体を流通させるマニホールドの外周部分に配設され、マニホールドを流通する流体の外部漏出および／または異種流体を含む異物のマニホールド内への混入を防止するシール構造体に関する。

従来の燃料電池の構成の概略について説明する。図７に例示したように、電解質膜１２の一方の面にカソード層１４（カソード極または酸化剤極ともいう）と、もう一方の面にアノード層１６（アノード極または燃料極ともいう）とを電解質膜１２を挟んで対向するように設け、いわゆる膜電極接合体（ＭＥＡ）１８が構成されている。カソード層１４は、内側すなわち電解質膜１２側の図示しないカソード触媒層と、その外側の図示しないカソード拡散層から構成されている。一方、アノード層１６は、内側すなわち電解質膜１２側の図示しないアノード触媒層と、その外側の図示しないアノード拡散層とをそれぞれ含み、構成されている。

また、カソード層１４の外側には、酸化ガス流路２６およびセル冷媒流路３０が形成されたカソード側セパレータ２２が、アノード層１６の外側には、燃料ガス流路２８およびセル冷媒流路３０が形成されたアノード側セパレータ２４が、それぞれ接着剤３２により一体化されて、単位セル１０が形成される。なお、図７では、さらに樹脂フレーム３４，３６を適用した構成について示している。樹脂フレーム３４，３６は一般に、ステンレス鋼などの金属材料を使用したいわゆるメタルセパレータをカソード側セパレータ２２、アノード側セパレータ２４として用いた場合に好適に使用されるものであるが、例えば炭素材料を適用したいわゆるカーボンセパレータなどの場合には省略してよい。

図８は、図７に示したカソード側セパレータ２２について、特にセル冷媒流路３０の形成された一方面側の形状を例示する概略図である。図８において、カソード側セパレータ２２は、中央部分に位置するセル冷媒流路３０の外周部分に、セパレータの面方向、すなわち単位セル１０の積層方向に貫通する複数の流体ガスマニホールド（酸化ガス供給マニホールド５０、酸化ガス排出マニホールド５２、燃料ガス供給マニホールド５４、燃料ガス排出マニホールド５６、冷媒供給マニホールド５８および冷媒排出マニホールド６０）を有する。

図８において、酸素や空気などのカソード用原料が酸化ガス供給マニホールド５０を経由してカソード層１４（図７）に、また、水素ガスや改質ガスなどのアノード用原料が燃料ガス供給マニホールド５４を経由してアノード層１６（図７）に、それぞれ供給されることにより、発電する。カソード用原料やアノード用原料が、特に気体の場合には、これらを反応ガスまたは原料ガスと称する場合もある。

含有する酸素の少なくとも一部がカソード層１４（図７）内で消費された、カソード用原料または酸化ガスは、電池反応により生成した生成水などとともに酸化ガス排出マニホールド５２（図８）を経由して外部に排出される。一方、含有する水素の少なくとも一部がアノード層１６（図７）内で消費された、アノード用原料または燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド５６（図８）を経由して外部に排出される。

図７に例示するように単位セル１０を複数枚積層させることにより、所望の発電性能を有する燃料電池が形成される。このような燃料電池は通常、発電時には例えば６０℃から１００℃程度の所定の温度範囲となるように制御されているが、発電時には化学反応に伴う熱を発生するため、冷媒供給マニホールド５８（図８）を経由してセル冷媒流路３０に流通させた冷媒と温度上昇した単位セル１０との間で熱交換を行ない、燃料電池の過熱を防止している。セル冷媒流路３０を流通した後の冷媒は、冷媒排出マニホールド６０（図８）を経由して燃料電池外部に排出されるが、例えば車両などの移動体に搭載された燃料電池システムにおいては、排出された冷媒を再び冷媒供給マニホールド５８（図８）に供給し、循環して利用される場合もある。

図８において、各マニホールド内を流通する反応ガスや冷媒などの、特にセパレータ面での漏出や混入を防止するために、各マニホールドの外周部分には、シール部材（またはガスケット）６２〜７２がそれぞれ設けられている。例えば、図８に示されたＡ−Ａ’部分の断面拡大図に相当する、図７を参照すると、燃料ガス排出マニホールド５６の外周部分に形成されたシール溝７４内に、シール部材６８が設けられている。シール部材６８は、隣り合う単位セル１０間の、セル積層方向への面圧により押圧挟持されることにより、燃料ガス排出マニホールド５６内部を流通する燃料ガスの、他のマニホールドや外部への漏出や、燃料ガス排出マニホールド５６内への酸化ガスや冷媒などの混入を防止している。

ところで、図８に示す各流体マニホールド５０〜６０の外周部分には、それぞれ、シール部材６２〜７２が形成されているが、これらのシール部材６２〜７２に要求される性能は、そのマニホールドを流通する流体の種類によって異なる。例えば、酸化ガス供給マニホールド５０、酸化ガス排出マニホールド５２、燃料ガス供給マニホールド５４および燃料ガス排出マニホールド５６（これらをまとめて反応ガスマニホールドと称する場合もある）の外周部分に設けられるシール部材６２〜６８には、所定の弾性を有し、少なくともガスバリア性、耐水および／または耐スチーム性を有することが要求され、さらに図７の電解質膜１２に由来する耐酸性（耐硫酸性および／または耐フッ化水素酸性）もまた要求される。一方、冷媒供給マニホールド５８および冷媒排出マニホールド６０（これらをまとめて冷媒マニホールドと称する場合もある）については、内部を流通する冷媒に対する耐性があり、セパレータ間やシール部材内を冷媒が浸透しない構成とすれば十分であり、例えば水を冷媒として使用した場合においては通常、耐水性を有していれば良い。

特許文献１には、それぞれの流体の流通する部位ごとにシール部材を設けた燃料電池のシール構造について開示されている。このシール部材は、異種流体が隣り合う部分においてはどちらの流体に対しても耐食性を有するよう二重化されており、仮に二重化されたシール部材のうちどちらか一方が局部的に切れてしまっても、他方のシール部材により、流体の混合を回避することが可能となる。

特開２００４−３１１２５４号公報

前述のように、燃料電池は通常、運転時には所定の温度で維持されているが、停止時には周囲環境に応じた温度となっており、シール部材はさらに、それらの環境条件に対する順応性や耐久性なども要求される。しかしながら、流体に対する耐食性と環境条件に対して要求される特性とを同時に満たすようなシール部材材料の選択は非常に困難であり、このことは特許文献１に記載の技術を適用した場合についても同様であった。このため、予めシール部材の幅を広くしたり、厚みを厚くしたり、などといった対応をする場合もあったが、体格が大きくなるばかりでなく、条件によってはなお流体のシール性が不十分な場合もある。さらに、特殊なシール部材を製造し、使用すれば、さまざまな条件に対して要求される特性を兼ね備えることが可能な場合もあったが、かかるシール部材は一般に高価であり、製造コストの増大に繋がる可能性が大きかった。

本発明は、環境条件の変化に対しても、容易にかつ優れたシール性能を有する燃料電池のシール構造体を提供する。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）開口する流体マニホールドの外周部分に２種以上のシール部材を並設した、燃料電池のシール構造体。

（２）開口する流体マニホールドの外周部分に２種類のシール部材を並設し、２重シールラインを形成した、燃料電池のシール構造体。

（３）上記（１）または（２）に記載のシール構造体において、前記流体マニホールドを流通する流体は、反応ガスであり、並設されたシール部材は、前記流体マニホールドの最近傍に配設され、耐酸性を有する内側シール部材を含む、燃料電池のシール構造体。

（４）上記（３）に記載のシール構造体において、前記シール部材は、低温での性能低下が小さい外側シール部材をさらに含む、燃料電池のシール構造体。

（５）上記（４）に記載のシール構造体において、前記外側シール部材の少なくとも一部は、冷媒マニホールドの流通領域の外周部分に配設される冷媒シール部材と一体である、燃料電池のシール構造体。

（６）上記（３）から（５）のいずれか１つに記載のシール構造体において、前記内側シール部材は、エチレンプロピレンゴムまたはフッ素ゴムである、燃料電池のシール構造体。

（７）上記（４）から（６）のいずれか１つに記載のシール構造体において、前記外側シール部材は、シリコーンゴムである、燃料電池のシール構造体。

（８）上記（１）から（７）のいずれか１つに記載の燃料電池のシール構造体を備える、燃料電池用セパレータ。

（９）上記（１）から（７）のいずれか１つに記載の燃料電池のシール構造体を備える、燃料電池。

本発明によれば、種々の環境条件下において優れたシール性能を長期にわたり発揮することが可能となる。

以下、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に示す本発明の実施の形態において、図７，図８に示した従来の燃料電池と同様の構成については同一の符号を付し、その説明については省略するか、または簡単な説明にとどめる。また、図面中の各部材の寸法については必ずしも実際の部材寸法に一致していない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池のシール構造体の概略について説明する図である。なお、図１に示したシール構造体は、図８に示すＡ−Ａ’断面において、特に燃料ガス排出マニホールド５６周辺のカソード側セパレータ２２およびカソード側セパレータ２２に接触し対面するアノード側セパレータ２４に相当する部分についてのみを示し、他の構成については簡単のために省略した。

図１において、カソード側セパレータ２２を面方向に貫通する燃料ガス排出マニホールド５６の外周部分に形成されたシール溝１７４上に、シール部材１６８ａ，１６８ｂが並設され、燃料ガス排出マニホールド５６部分における一連のシール構造体が形成されている。燃料ガス排出マニホールド５６側に配設された内側シール部材１６８ａは、耐酸性を有する弾性材料で構成される。これにより、内側シール部材１６８ａは、燃料ガス排出マニホールド５６を流通する酸に起因する不具合を生じないため、カソード側セパレータ２２とアノード側セパレータ２４との間からの燃料ガスの漏出を長期にわたり防止または抑制することが可能となる。

本実施の形態において、内側シール部材１６８ａとして好適に用い得る弾性材料の例としては、エチレンプロピレンゴムまたはフッ素ゴムを挙げることが可能であるが、少なくとも耐酸性を有する弾性材料であれば良く、これらに限定されない。エチレンプロピレンゴムは、エチレンとプロピレンを含む重合体であり、ＪＩＳ Ｋ６３９７に記載された略号に基づいて例示すると、ＥＰＭ（エチレンプロピレン重合体系）およびＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエン３重合体系）などが挙げられる。フッ素ゴムは、ＪＩＳ Ｋ６３９７に記載された略号に基づいて例示すると、ＦＫＭ，ＦＥＰＭ，ＦＦＫＭなどが挙げられるが、汎用性の観点から、一般にＦＫＭ（フッ化ビニリデン系）の材料が好適に用いられる。

上述のように、内側シール部材１６８ａとして好適に用いられるフッ素ゴムやエチレンプロピレンゴムは、燃料電池の運転により燃料ガス排出マニホールド５６内に混入する可能性のある硫酸やフッ化水素酸等の酸雰囲気においても、優れた流体シール性を発揮する反面、低温環境下では流体シール性が低下する場合がある。例えばマイナス３０℃程度までの環境条件を想定した場合には、シール部材としてのフッ素ゴムやエチレンプロピレンゴムの適用は一般に不向きである。

一方、低温環境下でも優れた流体シール性を有する弾性材料として、シリコーンゴムが好適に用いられる。シリコーンゴムは一般に、水や水蒸気、エチレングリコール等の物質に対しては耐食性を有しており、ガスケットやパッキンとしても汎用されている材料であるが、その反面、フッ素ゴムやエチレンプロピレンゴムと比較すると一般に耐酸性が低く、長期にわたり酸雰囲気に曝される可能性のある環境下での使用には適さない。そこで、低温での性能低下が小さいが、耐酸性のやや劣るシリコーンゴムなどの弾性材料を、内側シール部材１６８ａの、燃料ガス排出マニホールド５６に対して外側に、外側シール部材１６８ｂとして並設させて、低温領域における流体シール性の低下を防止するとともに、酸雰囲気に対する直接の露出を回避させることにより、環境条件の変化に対しても影響されず、優れたシール性能を発揮するシール構造を形成することが可能となる。なお、ここでいう「低温環境下でも優れた流体シール性を有する」とは、必ずしも絶対的な基準を指すものではない。例えば、想定し得る所定の温度（例えば、マイナス３０℃）において、所望のゴム弾性（例えば、所定温度において５０％伸張状態から解放してからの動的な特性を直接測定し、１秒以内に略１００％もとの状態に戻るものを採用）を有することにより、上記所定の低温条件下においてセパレータ−シール部材間の流体の漏出を防止し得る、と規定することも可能であるが、かかるシール性能は、希望とする燃料電池の性能に応じて適宜設定されるものである。

本実施の形態において、外側シール部材１６８ｂとして用いることの可能な弾性材料として、ＪＩＳ Ｋ６３９７に記載された略号に基づいて例示すると、ＶＭＱ（ビニルメチルシリコーンゴム），ＦＶＭＱ（フッ素化シリコーンゴム）などが挙げられる。また、場合によっては、常温にて液状またはペースト状のＰＩＢ（ポリイソブチレン）やＬＴＶ（Low Temperature Vulcanizable）を使用することも可能である。

［実施の形態２］
図２ａは、本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の概略について説明する図である。図２ａにおいて、内側シール部材１６８ａおよび外側シール部材１６８ｂが一体に成形されたことを除き、図１に示すシール構造体とほぼ同様の構成を有している。内側シール部材１６８ａおよび外側シール部材１６８ｂを例えば２色成形により一体に成形することにより、シール部材を一度に成形することが可能となる。さらに、内側シール部材１６８ａと外側シール部材１６８ｂとの間隔が不要となるため、シール溝２７４の幅を図１に示すシール溝１７４の幅よりも狭くすることも可能となる。また、図２ｂは、内側シール部材１６８ａおよび外側シール部材１６８ｂの一部が一体に成形された変形例である。本構成についても、シール溝２７４の幅を図１に示すシール溝１７４の幅よりも狭くすることも可能となり、好適である。

［実施の形態３］
図３は、本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の概略について説明する図である。内側シール部材１６８ａが、燃料ガス排出マニホールド５６を形成する、カソード側セパレータ２２のエッジ部分２３を被覆するように設けられていることを除き、図１に示すシール構造体とほぼ同様の構成を有している。エッジ部分２３が耐酸性を有する内側シール部材１６８ａにより被覆されることにより、シール性の確保のみならず、カソード側セパレータ２２およびアノード側セパレータ２４として特にメタルセパレータを使用した場合に起こり得る、エッジ部分２３の腐食をもあわせて防止することが可能となる。なお、本実施の形態においては、少なくともアノード側セパレータ２４のエッジ部分２５についても内側シール部材１６８ａと同一または他の耐酸性を有する樹脂材料１６９により被覆しておくことが好ましい。

［実施の形態４］
図４は、本発明の別の実施の形態における燃料電池のシール構造体の概略について説明する図である。外側シール部材１６８ｂをアノード側セパレータ２４に形成させたことを除き、図１に示したシール構造体とほぼ同様の構成を有している。図４に示すように、燃料ガス排出マニホールド５６の外周部分に２種以上のシール部材を並設したシール構造体を備えることにより、酸によるシール部材の劣化や環境変化によるガスシール性の低下に伴う燃料ガスの漏出を効果的に防止または抑制することが可能となる。

図１〜４に例示した本実施の形態において、内側シール部材１６８ａと外側シール部材１６８ｂとを含むシール構造体は、図８に示す燃料ガス排出マニホールド５６の外周部分に限らず、酸性雰囲気に曝される可能性のある酸化ガス供給マニホールド５０、酸化ガス排出マニホールド５２および燃料ガス供給マニホールド５４の各外周部分においても適用することが可能である。また、冷媒供給マニホールド５８および冷媒排出マニホールド６０の外周部分においては、前述したように耐酸性を有する内側シール部材１６８ａは不要であるが、他の実施の形態として、例えば、内側シール部材１６８ａに代えて、高温での流体シール性が特に良好な、耐スチーム性を有するシール部材を適用することにより、温度変化による各シール部材の流体シール性の変化に伴う冷媒の漏出を抑制または防止することも可能である。すなわち、流体マニホールドの外周部分に、特性の異なる２種以上のシール部材を並設することにより、シール部材に要求される特性が多岐にわたり、一種類のシール部材だけではその特性を満たすことが困難な場合や、また環境条件が大きく変化する場合であっても、複数のシール部材が相補的に作用して、流体シール性の維持に寄与することが可能となる。

図１〜４に例示した本実施の形態のシール構造体において、各シール部材の成形は、いかなる方法によるものであっても良い。例えば、予め所定の形状に成形したシール部材をカソード側セパレータ２２表面の所定の位置に接着させて良いが、接着に使用する適切な接着剤を選定する必要がある。また、流動性を有するシール部材材料をカソード側セパレータ２２表面に塗布または付着させた状態で隣り合う単位セルのアノード側セパレータ２４と接着させた後に乾燥、硬化させても良いが、数十枚から数百枚程度の単位セルを一度に積層させるのは困難であるため、コスト高に繋がる可能性がある。好適には、流動性を有するシール部材材料を、所定の位置に塗布または付着させ、乾燥、硬化させ、線状のシール部材（シールラインとも称する）を形成させた後に、圧接することにより、所望の流体シール性を確保する。

［実施の形態５］
図５は、カソード側セパレータ２２表面に形成されたシールラインの形状を例示する概略図である。図５においては、燃料ガスまたは酸化ガスの流通する反応ガス（供給または排出）マニホールド１５４の外周部分には、耐酸性を有する内側シール部材または内側シールライン１６８ａと、特に低温での性能低下が小さく、所望の流体シール性を良好に維持する外側シール部材または外側シールライン１６８ｂとが並設されており、反応ガスマニホールド１５４内外の流体シール性を確保している。一方、冷媒（供給および／または排出）マニホールド１５８および図示しない冷媒流路の形成された冷媒流路領域１３０の外周部分には、冷媒マニホールド１５８および冷媒流路領域１３０を流通する冷媒の、外部への漏出を防止し、また外部から冷媒マニホールド１５８および冷媒流路領域１３０への異物の混入を防止する、冷媒シールライン１６８ｃが配設されている。

本実施の形態において、冷媒には一般に水やエチレングリコールなどが好適に用いられる。また、冷媒マニホールド１５８および冷媒流路領域１３０には、電極内に流体が直接流通する構成とはなっていないため、反応ガスマニホールド１５４とは異なり、シール部材には耐酸性は要求されない。このため、冷媒シールライン１６８ｃとして、流通する冷媒に対するシール性が良好であり、特に低温条件下においても良好な流体シール性を保持することの可能なシリコーンゴムが好適に用いられる。

本実施の形態において、反応ガス（供給または排出）マニホールド１５４の外周部分に設けられた外側シールライン１６８ｂと、冷媒マニホールド１５８および冷媒流路領域１３０の外周部分に設けられた冷媒シールライン１６８ｃとは、互いに近接しており、また、どちらもシリコーンゴム製のシールラインが好適であることが共通している。このため、例えば図６に示すように、反応ガスマニホールド１５４の外側シールライン１６８ｂと、冷媒シールライン１６８ｃの少なくとも一部を一体として形成することにより、シール構造に必要な領域の面積を低減させることが可能となり、全体として燃料電池の体格の縮小に寄与することも可能となる。

本発明の実施の形態において、内側シール部材（内側シールライン）１６８ａと、外側シール部材（外側シールライン）１６８ｂの断面形状は、同一形状である必要はなく、要求されるシール特性に応じて適宜設定することが可能である。また、図１〜６を用いて説明した本発明の実施の形態において、内側シール部材（内側シールライン）１６８ａ、外側シール部材（外側シールライン）１６８ｂを含むシール構造は特にカソード側セパレータ２２とアノード側セパレータ２４との間に形成されたものとして説明したが、流体マニホールド、特に反応ガスマニホールドの外周部分に設けられ、流体マニホールド内外のシール性を確保し得るものであればこれに限らず、いかなる部材間に形成されたものであってもよい。本発明のシール構造体は、流体マニホールドの外周部分に特性の異なる２種以上のシール部材を並設させることにより、流体マニホールドを流通する種々の流体雰囲気や、環境条件に対して要求されるシール性能を相補的に保持し、長期にわたる流体シール性の維持を可能とする。

本発明は、燃料電池のシール構造体として好適に利用することが可能である。

本発明の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成の概略について説明する図である。 本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成の概略について説明する図である。 本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成の概略について説明する図である。 本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成の概略について説明する図である。 本発明の別の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成の概略について説明する図である。 シールラインの形状を例示する概略図である。 図５に示したシールラインの形状の変形例を示す概略図である。 燃料電池の構成の概略について説明する図である。 図７に示したカソード側セパレータ２２の形状を例示する概略図である。

符号の説明

１０ 単位セル、１２ 電解質膜、１４ カソード層、１６ アノード層、１８ ＭＥＡ、２２ カソード側セパレータ、２４ アノード側セパレータ、２６ 酸化ガス流路、２８ 燃料ガス流路、３０ セル冷媒流路、３２ 接着剤、３４，３６ 樹脂フレーム、５０ 酸化ガス供給マニホールド、５２ 酸化ガス排出マニホールド、５４ 燃料ガス供給マニホールド、５６ 燃料ガス排出マニホールド、５８ 冷媒供給マニホールド、６０ 冷媒排出マニホールド、６２，６４，６６，６８，７０，７２ シール部材、７４，１７４，２７４，３７４ シール溝、１３０ 冷媒流路領域、１５４ 反応ガスマニホールド、１５８ 冷媒マニホールド、１６８ａ 内側シール部材、１６８ｂ 外側シール部材、１６８ｃ 冷媒シール部材、１６９ 樹脂材料。

Claims (9)

1. 開口する流体マニホールドの外周部分に２種以上のシール部材を並設したことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
2. 開口する流体マニホールドの外周部分に２種類のシール部材を並設し、２重シールラインを形成したことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
3. 請求項１または２に記載のシール構造体において、
   前記流体マニホールドを流通する流体は、反応ガスであり、
   並設されたシール部材は、前記流体マニホールドの最近傍に配設され、耐酸性を有する内側シール部材を含むことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
4. 請求項３に記載のシール構造体において、
   前記シール部材は、低温での性能低下が小さい外側シール部材をさらに含むことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
5. 請求項４に記載のシール構造体において、
   前記外側シール部材の少なくとも一部は、冷媒マニホールドの流通領域の外周部分に配設される冷媒シール部材と一体であることを特徴とする燃料電池のシール構造体。
6. 請求項３から５のいずれか１項に記載のシール構造体において、
   前記内側シール部材は、エチレンプロピレンゴムまたはフッ素ゴムであることを特徴とする燃料電池のシール構造体。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載のシール構造体において、
   前記外側シール部材は、シリコーンゴムであることを特徴とする燃料電池のシール構造体。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造体を備える、燃料電池用セパレータ。
9. 請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造体を備える、燃料電池。

Images