JP2010153299A - 外部マニホールド式燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】マニホールドの撓みや積層体側面の凹凸などの寸法変化を吸収でき、かつ耐久性に優れたシール材を有する外部マニホールド式燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池の積層体３と、その周囲に配置された外部マニホールド１と、マニホールド１と積層体３との接合部または外部マニホールド同士の接合部を密封するシール材２を備える。シール材２は、マニホールド１に加わる荷重によって変形する紐状の弾性材料である。シール材２は、横幅寸法がマニホールド１の肉厚内に収まる幅寸法であり、マニホールド１の荷重方向の寸法（高さ寸法）が、シール材２の幅寸法よりも大きな寸法を有し、全体で縦長の断面形状である。シール材２の荷重方向の縮み代が、積層体３にマニホールド１を固定した際における積層体３とマニホールド１の間に生じる隙間誤差を吸収するに足る大きさとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の単位電池を積層した積層体の外側にマニホールドを配置した外部マニホールド方式の燃料電池に関する。

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池の積層体は、電解質膜を燃料極と酸化剤極で狭持した膜電極複合体（ＭＥＡ）の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置して単セル電池を構成し、単セル電池を複数積層した積層体の両端をエンドプレートで保持し、両エンドプレートを貫通した孔に複数のスタッドを通し、スプリングを介して積層体を締め付けている。

このような燃料電池の積層体に対して、外部マニホールド方式では、セパレータに設けたガス流通路をセパレータ端部まで延長して積層体側面に開口させ、別体の外部マニホールドを側面に設けてガスを流通させている。この外部マニホールド方式ではセパレータにマニホールドを含まないため、膜電極複合体の有効面積と同等の大きさとなり、セパレータをコンパクトにでき、コストダウンに有利である。また、外部マニホールドには絶縁性で安価なプラスチックを用いることが可能で、コストアップは最小限に抑えられる。マニホールドの容積もセパレータの大きさの制約を受けずに設定可能であり、積層体を構成する各単セル電池のガス・冷却水流通路により均一にガスや冷却水を分配することが可能である。

外部マニホールド方式では、マニホールドと積層体側面の間の液体（冷却水）およびガス（燃料ガス、酸化剤ガス）のシールが必要となる。シールとしては低粘度の接着剤を塗布してシールする方法（例えば、特許文献１を参照）、ゴムスポンジを狭持してシールする方法、Ｏ−リングを挿入してシールする方法などが知られている。

特開２００８−２１８０８７

しかしながら、接着剤によりシールする方法およびゴムスポンジによりシールする方法では接着力の経年劣化およびスポンジの気泡抜けによるへたりなどがあり、耐久性が低いという問題点があった。また、Ｏ−リングを挿入してシールする方法では、使用するＯ−リングの潰し代が小さく、マニホールドの撓みや積層体側面の凹凸を吸収できず、シール性が低い課題があった。

すなわち、マニホールドは、積層体に対して、数カ所で締め付け固定されている。一方、マニホールドは樹脂で成形されており、樹脂の肉厚は、その強度や安全性を配慮しているものの比較的薄いものである。そのため、マニホールドの内圧の影響や締め付け圧力の差に起因して、樹脂製のマニホールドが多少とも変形し、固定部分に近い場所と離れた場所とでは、マニホールドの縁と積層体側面との隙間に寸法差が生じることは避けられない。

従来技術では、マニホールドの縁と積層体側面との隙間を密封する接着剤やＯ−リングの弾性変形力により、隙間の寸法差を埋めるようにしていた。しかし、接着剤の場合には前記のような経年劣化の問題があり、好ましい手段ではなかった。一方、Ｏ−リングの場合は、マニホールドの肉厚が小さいことから、マニホールドの縁と燃料電池側面とを密封するために使用できる径が小さなものに限られる。このような小径のＯ−リングは、その潰し代（変形可能寸法）が小さく、マニホールドの縁と積層体側面との隙間の寸法差を吸収することができなかった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、縮み代が長く、マニホールドの撓みや積層体側面の凹凸などの寸法変化を吸収でき、かつ耐久性に優れたシール構造を有する外部マニホールド式燃料電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の外部マニホールド式燃料電池は、燃料電池積層体と、その周囲に配置された外部マニホールドと、前記積層体と外部マニホールドとの接合部または前記外部マニホールド同士の接合部を密封するシール材とを備え、前記シール材は、マニホールドに加わる荷重によって変形する紐状の弾性材料によって構成され、このシール材が、マニホールドの肉厚内に収まる幅寸法と、この幅よりも大きな前記荷重方向の寸法を有する縦長の断面形状を有し、このシール材の荷重方向の縮み代が、前記燃料電池積層体に外部マニホールドを固定した際における積層体と外部マニホールド間に生じる隙間誤差を吸収するに足る大きさであることを特徴とする。

なお、前記シール材を、略Ｔ字形やダンベル形断面としたり、燃料電池積層体や外部マニホールドに設けた溝内に収納すること、燃料電池積層体と外部マニホールドのシール構造に加え、外部マニホールド同士を同様な構成のシール材によって密封することも、本発明の一態様である。

以上のような構成を有する本発明によれば、縮み代が長くマニホールドの撓みや積層体側面の凹凸などの寸法変化を吸収でき、かつ耐久性に優れたシール材の構造を備え、組立て性に優れた高信頼性の外部マニホールド式燃料電池を提供することができる。

以下、本発明に係る外部マニホールド式燃料電池の実施形態を図面を参照して説明する。ここで、各実施形態で、同一または類似の構成部分には共通の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１を用いて第１の実施形態の構成を説明する。図１は、本発明による第１の実施形態の燃料電池を示す断面図である。図２は、そのシール材部分を拡大した断面図である。

図１において、符号１は、本発明の燃料電池を構成する外部マニホールドである。このマニホールド１は、酸化剤ガスの出入口１ａ、燃料ガスの出入口１ｂ、冷却水の出入口１ｃを備えていて、反応に必要な燃料・酸化剤ガスを積層体３に供給・排出したり、所定の流量の冷却水を供給し、反応に伴う発熱の冷却を行う。

符号２は、マニホールド１の開口部と積層体３との接合部に配置されるシール材である。シール材２は、マニホールド１に加わる荷重によって変形する紐状の部材であり、マニホールド１に加わる荷重により圧縮変形して、マニホールド１と積層体３とを密封する。このシール材２は、シリコン、フッ素、ＥＰＤＭなどのゴム材料を、金型により圧縮成形あるいはインジェクション成形して製造される。

本実施形態において、シール材２は、マニホールド１と接着剤により固定されている平板状のベースに断面が矩形の突起が設けられた略Ｔ字形断面をしている。すなわち、ベースの幅寸法はマニホールド１の肉厚以下の寸法とし、マニホールド１からの荷重方向の寸法はベースの幅寸法よりも大きくし、シール材２全体では縦長の略Ｔ字形断面形状とする。シール材２の荷重方向の縮み代が、積層体３とマニホールド１を接合した際に、積層体３とマニホールド１間に生じる隙間誤差を吸収する大きさである。すなわち、シール材２の縮み代は、突起の横幅と高さの比で決定されるので、荷重方向の縮み代を確保するために、ベースの幅寸法と矩形の突起の部分の荷重方向の寸法（高さ寸法）に、所定の寸法差を設定する。

上記の構成を有する第１の実施形態における作用について説明する。図２（Ａ）は、マニホールド１に荷重をかける前の状態を示している図である。この状態では、シール材２には荷重がかかってないので、シール材２の突起の部分は矩形のままである。図２（Ｂ）は、マニホールド１に荷重をかけた状態を示している図である。この状態では、シール材２に荷重がかかり突起は荷重により縮み、マニホールド１及び積層体３とシール材２との接触面にシール圧が加わり、マニホールド１及び積層体３とシール材２の接触面が密着する。

以上のような第１の実施形態では、マニホールド１及び積層体３とシール材２の接触面が密着することにより、マニホールド１と積層体３を密閉することができる。シール材２の形状を平板状のベースに断面形状が矩形の突起とすることで、平板状のベースのみの形状よりも縮み代の点で有利であり、１ｍｍ以上の縮み代を確保することができる。これにより、積層体３側面の平面度及びマニホールド１による荷重による歪みにより、マニホールド１と積層体３の隙間に寸法差があった場合にも、それを確実に吸収することができる。

また、シール材２のベース部分は、マニホールド１と接着剤により固定されているので、シール材２にマニホールド１の荷重方向以外から荷重が加わった場合に、シール材２が横方向にずれる事を防止することができる。なお、接着剤を用いずにマニホールド１からの荷重によるマニホールド１及び積層体３とシール材２との摩擦を利用して、シール材２が横方向にずれることを防止することも可能である。さらに、このシール材２は、金型で作製することが可能であるため、後加工が不要であり大量且つ安価に製造することができる。

［第２の実施形態］
図３を用いて第２の実施形態の構成を説明する。図３は、本発明による第２の実施形態を示すシール材部分を拡大した断面図である。第２の実施形態は、第１の実施形態のシール材２の形状を変えたものである。

本実施形態において、シール材２は、上下の平板状のベースに挟まれた中央部分に断面が矩形の凹み部分を設けた略ダンベル状とする。すなわち、上下のベースの幅寸方はマニホールド１の肉厚以下の寸法とし、マニホールド１からの荷重方向の寸法（高さ寸法）はベースの幅寸法よりも大きくし、シール材２全体では縦長の略ダンベル断面形状とする。この荷重方向の寸法は、シール材２の荷重方向の縮み代が、積層体３とマニホールド１を接合した際に、積層体３とマニホールド１間に生じる隙間誤差を吸収する大きさである。なお、マニホールド１または積層体３のうち少なくとも一方と上下に接着剤により固定されている。

上記の構成を有する第１の実施形態における作用について説明する。図３（Ａ）は、マニホールド１に荷重をかける前の状態を示している図である。この状態では、シール材２には荷重がかかってないので、シール材２の突起の部分は矩形のままである。図３（Ｂ）は、マニホールド１に荷重をかけた状態を示している図である。この状態では、シール材２に荷重がかかり中央の凹み部分は荷重により縮み、マニホールド１及び積層体３とシール材２との接触面にシール圧が加わり、マニホールド１及び積層体３とシール材２の接触面が密着する。

以上のような第２の実施形態の効果としては、前記第１の実施形態の効果に加えて、シール材２の形状を略ダンベル状の形状とすることで、マニホールド１及び積層体３とシール材２との接触面積を広く取ることができる。よって、シール材２にマニホールド１の荷重方向以外（例えば横方向）から荷重が加わった場合に、シール材２がずれ難くなる。

［第３の実施形態］
図４を用いて第３の実施形態の構成を説明する。図４は、本発明による第３の実施形態を示すシール材部分を拡大した断面図である。第３の実施形態は、積層体３との接合部分にシール材２を挿入するための溝４を設けたものである。この溝４は、マニホールド１の積層体３との接触面に対して垂直な溝であり、マニホールド１の積層体３との接合部分の全周に亘り設けられている。

シール材２の形状は、平板状のベースに断面が矩形の突起が設けられた略Ｔ字形断面である。Ｔ字形のベースの幅寸法は、溝４の横幅と同じ寸法とし、矩形の突起の幅寸法は、溝４の幅より小さくなっている。また、シール材２の荷重方向の寸法（高さ寸法）は、ベースの高さと矩形部分の高さを合わせた寸法が溝４の深さより大きい寸法とする。すなわち、シール材２を溝４に配置した場合に、シール材２の矩形部分の一部が溝４から突出する。この突出部分が積層体３とマニホールド１を接合した際に圧縮され、積層体３とマニホールド１間に生じる隙間誤差を吸収する大きさとする。また、マニホールド１と積層体３を接触の妨げとならないため、突出部分の大きさは、シール材２の荷重方向の縮み代以内に設定する。

上記の構成を有する第３の実施形態における作用について説明する。図４（Ａ）は、マニホールド１に荷重をかける前の状態を示している図である。シール材２には荷重がかかってないので、シール材２の突起の部分は矩形のままであり、マニホールド１と積層体３も接触していない。この状態からマニホールド１に荷重をかけると、シール材２に荷重がかかり突起は荷重により縮み、マニホールド１及び積層体３とシール材２との接触面にシール圧が加わり、マニホールド１及び積層体３とシール材２の接触面が密着する。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の状態からさらにマニホールド１に荷重をかけた状態を示した図である。この状態では、シール材２がマニホールド１からの荷重により、溝４の深さとシール材２の高さの差の分縮み、マニホールド１と積層体３が接触する。この場合、マニホールド１と積層体３が接触している部分の場所以外に両者の隙間がある場合には、その部分でのシール材２の圧縮度は少なくなるが、シール材２での縮み代が隙間誤差を吸収する寸法となっているので、その隙間もシール材２で密封されている。

以上のような、第３の実施形態の効果としては、前記各実施形態の効果に加えて、マニホールド１にかかる荷重を均一に分散することができる点がある。すなわち、シール材２の溝４から突出する部分の寸法をシール材２の荷重方向の縮み代以内に設定することで、マニホールド１が積層体３に接触する。これにより、マニホールド１に大きな荷重（締付力）をかけたとしても、それ以上シール材２に加わることがない。よって、シール材２の変形量を考慮して、マニホールド１への荷重を一定に保つ必要が無くなり、荷重を一定に保つスプリングや皿バネを削除でき、締付部分をシンプルで安価な構造にできる。また、マニホールド１に溝４を設けることにより、マニホールド１の設計を変更するだけで既存の積層体３とも組み合わせることが可能である。

さらに、シール材２のベース部分とマニホールド１を接着剤で固定しない場合でも、シール材２が溝４により固定されているため、シール材２が横方向にずれる事を防止することができる。さらに、シール材２を溝４に配置することにより、シール材２の大部分が露出しなくなるために、シール材２の劣化や破損を防止することができる。

［第４の実施形態］
図５を用いて第４の実施形態の構成を説明する。図５は、本発明による第４の実施形態を示すシール材部分を拡大した断面図である。第４の実施形態は、第３の実施形態の溝４を積層体３に設けたものである。この溝４は、積層体３のマニホールド１との接触面に対して垂直な溝であり、積層体３のマニホールド１との接合部分の全周に亘り設けられている。

この溝４に断面がＴ字形のシール材２を配置することにより、シール材２に荷重方向以外から荷重が加わった場合に、シール材２が横方向にずれる事を防止することができる。また、シール材２の露出する部分を、少なくすることができるため、シール材２の破損や劣化を防止することができる。

第４の実施形態においては、図５（Ａ）（Ｂ）に示すとおり、シール材２によってマニホールド１と積層体３との接合面が密封される。特に、前記各実施形態の効果に加えて、溝４を積層体３部分に設けたことで、溝４を設けた部分の耐久性を高めることができるようになる。すなわち、溝４を肉厚の小さなプラスチック製のマニホールド１に設けるよりも、溝の両側に十分なスペースを確保できる積層体３に設けることにより、マニホールド１と積層体３の接合部分の耐久性が高くなる。

また、本実施形態で使用するマニホールド１は、第３の実施形態と同様に溝４を設けることもできる。積層体３とマニホールド１のそれぞれに溝４を設けることで、組み立て時にシール材２がずれることがなくなるので、シール材２をマニホールド１と積層体３の間に配置することが容易になる。

［第５の実施形態］
図６を用いて第５の実施形態の構成を説明する。図６は、本発明による第５の実施形態を示すシール材部分を拡大した断面図である。第５の実施形態は、第３実施形態のシール材２の形状を変更したものである。

本実施形態において、シール材２の形状は、平板状のベースの上下に断面が矩形の突起が設けられた略十字形断面とする。略十字形のシール材２におけるベースの幅寸方は溝４の横幅と同じ寸法とし、上下の矩形の突起の幅の寸法は溝４よりも小さくなっている。また、このシール材２の荷重方向の寸法は、前記第３の実施形態と同様とする。

上記の構成を有する第５の実施形態において、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、マニホールド１に荷重をかけマニホールド１と積層体３が接触した状態では、マニホールド１からの荷重によりシール材２が圧縮されその上下の突起部分は横に広がった状態でマニホールド１と積層体３とを密封する。

以上のような、第５の実施形態の効果としては、前記各実施形態の効果に加えて、シール材２の形状を、略十字形断面形状とすることで各突起の横幅に対する高さの比率を低くすることができる。すなわち、ベースの高さに対して突起部分の高さを一定に取る時、突起の部分が１箇所の場合に比べて２箇所の場合の方が突起の高さを１／２にすることができる。これにより、マニホールド１からの荷重により矩形部分が折れ曲がることを防止することができる。また、溝４の幅寸法とシール材２の平板状のベース部分の幅寸法を等しくすることで、シール材２の固定も確実に行うことが可能になる。

［第６の実施形態］
図７を用いて第６の実施形態の構成を説明する。図７は、本発明による第６の実施形態を示すシール材部分を拡大した断面図である。この第６の実施形態は、前記各実施形態のマニホールド１と積層体３との接合部をシール材２によって密封した燃料電池において、更にマニホールド１と第２のマニホールド６との接合部にも前記の様な第２のシール材７を付け加えたものである。

本実施形態においては、第２のマニホールド６と第２のシール材７との接触面及び第２のシール材７と第２のマニホールド６の接触面が密着させ、ガス及び冷却水を積層体３の面ではなくマニホールド１の面でシールすることができる。また、マニホールド７の縮み代量も１ｍｍ以上を確保することができるので、マニホールド１の平面度及び第２のマニホールド６による荷重による歪みを吸収することができる。このことにより、第２のマニホールド６の大きさを積層体３の大きさに合わせて設計する必要がなくなるので、第２のマニホールド６の設計をする上で自由度が高まることになる。また、積層体３が正方体でなくとも第２のマニホールド６とマニホールド１と同一の部材を使用することや、積層体３の設計変更の際に、マニホールドを新たに設計しなおす必要がなくなる利点を有する。

［他の実施形態］
以上で説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

各実施形態では、シール材２やシール材２の形状を略Ｔ字形断面形状や略十字形断面形状としたが、三角形状や半円形状でも同様の効果を有する。例えば、図８に示すような上下に長い楕円の断面形状を有するシール材でも荷重後に中央部が左右の溝側面に接してベースの平板部と同様の効果を発揮し、かつ上下の半円状部にてシールされ、同様の効果を発揮する。このような、形状のシール材２では、溝４にシール材２を配置する場合の作業が容易に行える利点がある。さらに、単純な形なので、加工が容易であるため大量且つ安価に製造することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池の断面図。 本発明の第１実施形態におけるシール部分の拡大断面図。 本発明の第２実施形態におけるシール部分の拡大断面図。 本発明の第３実施形態におけるシール部分の拡大断面図。 本発明の第４実施形態におけるシール部分の拡大断面図。 本発明の第５実施形態におけるシール部分の拡大断面図。 本発明の第６実施形態におけるシール部分の拡大断面図。 本発明の他の実施形態におけるシール部分の拡大断面図。

符号の説明

１…マニホールド
２…シール材
３…積層体
４…シール材溝
６…第２のマニホールド
７…第２のシール材

Claims (6)

1. 燃料電池積層体と、その周囲に配置された外部マニホールドと、前記積層体と外部マニホールドとの接合部または前記外部マニホールド同士の接合部を密封するシール材とを備えた外部マニホールド式燃料電池において、
   前記シール材は、マニホールドに加わる荷重によって変形する紐状の弾性材料によって構成され、
   このシール材が、マニホールドの肉厚内に収まる幅寸法と、この幅よりも大きな前記荷重方向の寸法を有する縦長の断面形状を有し、
   このシール材の荷重方向の縮み代が、前記燃料電池積層体に外部マニホールドを固定した際における積層体と外部マニホールド間に生じる隙間誤差を吸収するに足る大きさであることを特徴とする外部マニホールド式燃料電池。
2. 前記シール材は、外部マニホールドまたは積層体のいずれかの接合面と接する平板状のベースに矩形の突起を設けた略Ｔ字形断面形状であることを特徴とする請求項１に記載の外部マニホールド式燃料電池。
3. 前記シール材は、外部マニホールドと積層体との接合面が広くなったダンベル状の断面形状であることを特徴とする請求項１に記載の外部マニホールド式燃料電池。
4. 前記マニホールドは、
   その接合面に溝を設け、前記溝に前記シール材を配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の外部マニホールド式燃料電池。
5. 前記積層体は、
   その接合面に溝を設け、前記溝に前記シール材を配置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の外部マニホールド式燃料電池。
6. 前記積層体における前記マニホールドの配設位置と異なる側面に、前記マニホールドに対して直角に配置された第２のマニホールドを備え、
   この第２のマニホールドは、積層体開口部の幅が前記積層体の幅よりも広く、その開口縁が前記マニホールドの外部側面に当接するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の外部マニホールド式燃料電池。

Images