JP2011023161A - Sealing structure of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池において、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体などを各々独立した流路で流通させるための密封構造に関するものである。 The present invention relates to a sealing structure for allowing a fuel gas, an oxidant gas, a cooling medium and the like to flow through independent flow paths in a fuel cell.
燃料電池は、燃料ガスや酸化剤ガス、冷却媒体などを各々独立した流路で流通させるための密封構造を備える。図10は、従来技術による燃料電池の密封構造を未積層状態で示す部分断面図、図11は、同じく積層状態で示す部分断面図である。 The fuel cell includes a sealing structure for allowing fuel gas, oxidant gas, cooling medium, and the like to flow through independent flow paths. FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell sealing structure according to the prior art in an unstacked state, and FIG.
これら図10及び図11において、参照符号110は、電解質膜及びその両面に設けた触媒電極層(アノード及びカソード)からなる膜−電極複合体111の厚さ方向両側に多孔質体からなるガス拡散層112,113を積層一体化した発電体である。そしてこの発電体110の厚さ方向両側にカーボンあるいは導電性金属からなるセパレータ120,130が積層されることによって、燃料電池セル100が構成される。
10 and 11,
各燃料電池セル100において、発電体110における膜−電極複合体111の外周部は、一方のセパレータ120にゴム状弾性材料(ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料)で一体成形したシール突条(以下、便宜上アノード用シール突条とする)121と、他方のセパレータ130にゴム状弾性材料で一体成形したシール突条(以下、便宜上カソード用シール突条とする)131との間に挟持される。
In each
そして、膜−電極複合体111におけるアノードとこれに対向した一方のセパレータ120との間には、アノード用シール突条121によって燃料ガス流路100aが画成され、膜−電極複合体111におけるカソードとこれに対向した他方のセパレータ130との間には、カソード用シール突条131によって酸化剤ガス流路100bが画成される。また、一方のセパレータ120におけるシール突条121と反対側の面には冷媒用シール突条122がゴム状弾性材料で一体成形されており、隣接する燃料電池セル100,100のセパレータ120,130の間には、この冷媒用シール突条122によって冷媒流路100cが画成される。
A fuel
すなわちこの種の燃料電池は、各燃料電池セル100において、燃料ガス流路100aを流通する燃料ガスが、ガス拡散層112を介して膜−電極複合体111のアノード側に供給され、酸化剤ガス流路100bを流通する酸化剤ガス又は燃料ガスが、ガス拡散層113を介して膜−電極複合体111のカソード側に供給され、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するものである。そして各燃料電池セル100による起電力は低いものであるが、多数の燃料電池セル100を積層して電気的に直列に接続することにより、必要な起電力が得られるようになっている(例えば特許文献1参照)。
That is, in this type of fuel cell, in each
しかしながら、従来の燃料電池の密封構造によれば、一方のセパレータ120にアノード用シール突条121と冷媒用シール突条122を一体成形するほか、他方のセパレータ130にもカソード用シール突条131を一体成形する必要があり、部品数が多かった。そして積層部品が多いと、それだけスタック組立の際の組立工数が多くなるばかりでなく、各部品間の僅かな位置ずれの累積により積層誤差が大きくなりやすいといった問題があった。
However, according to the conventional fuel cell sealing structure, the
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、燃料電池の密封構造において、ガスケットとアノード側のセパレータ及びカソード側のセパレータを一体化することによって、積層部品の減少及び積層工程の減少を図ることにある。 The present invention has been made in view of the above points, and its technical problem is to integrate a gasket, an anode-side separator, and a cathode-side separator in a fuel cell sealing structure. The purpose is to reduce the number of laminated parts and the number of lamination processes.
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項1の発明に係る燃料電池の密封構造は、電解質膜の両面にアノード及びカソードを設けた膜−電極複合体を有する発電体と、ガスケットを一体に設けたセパレータが、その厚さ方向に交互に積層され、前記セパレータは、その厚さ方向一側に配置された発電体のアノード側との間に反応ガス流路を形成するアノード側プレートと、他側に配置された発電体のカソード側との間に反応ガス流路を形成すると共に前記アノード側プレートとの間に冷媒流路を形成するカソード側プレートが、前記ガスケットの一部を介して互いに一体的に連結されたものである。 As a means for effectively solving the above technical problem, a fuel cell sealing structure according to the invention of claim 1 includes a power generator having a membrane-electrode composite provided with an anode and a cathode on both sides of an electrolyte membrane, and The separators integrally provided with gaskets are alternately stacked in the thickness direction, and the separator forms a reaction gas flow path between the separator and the anode side of the power generator disposed on one side in the thickness direction. A cathode side plate that forms a reaction gas flow path between the anode side plate and the cathode side of the power generator disposed on the other side and forms a refrigerant flow path between the anode side plate and the gasket side of the gasket. They are integrally connected to each other through a part.
請求項2の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項1に記載された構成において、ガスケットが、発電体の外周部に密接されることにより前記発電体の一側の反応ガス流路を画成する第一のシール突条と、前記発電体の縁部よりも外側で隣接するガスケット又はセパレータと密接されることによって前記発電体の他側の反応ガス流路を画成する第二のシール突条と、アノード側プレートとカソード側プレートの外周部間に介在することによってその内周側の冷媒流路を画成する冷媒シール部を有するものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell sealing structure according to the first aspect, wherein a gasket is brought into close contact with an outer peripheral portion of the power generator to thereby provide a reaction gas flow path on one side of the power generator. A first seal protrusion that defines a second gas flow path on the other side of the power generator by being in close contact with an adjacent gasket or separator outside the edge of the power generator. It has a refrigerant | coolant seal | sticker part which defines the refrigerant | coolant flow path of the inner peripheral side by interposing between a seal protrusion and the outer peripheral part of an anode side plate and a cathode side plate.
請求項3の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項1に記載された構成において、ガスケットの一部がアノード側プレート又はカソード側プレートに開設した連通孔を通じてこのアノード側プレートとカソード側プレートの間に接着されたものである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the fuel cell sealing structure according to the first aspect, wherein the anode side plate and the cathode side plate are connected to each other through a communication hole in which a part of the gasket is opened in the anode side plate or the cathode side plate. It is glued between the two.
請求項4の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項1に記載された構成において、ガスケットに、適当な圧縮状態で発電体に密接されると共にこの発電体を隣接するガスケット又はセパレータに押し付ける第一のシール突条と、前記隣接するガスケット又はセパレータに適当な圧縮状態で密接される第二のシール突条が形成されたものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell sealing structure according to the first aspect, wherein the gasket is brought into close contact with the power generator in an appropriate compression state and is pressed against the adjacent gasket or separator. A first seal protrusion and a second seal protrusion that is in close contact with the adjacent gasket or separator in an appropriate compression state are formed.
請求項1の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、アノード側プレートとカソード側プレートが、ガスケットを一体に有する単一のセパレータとなるので、スタック組立時の積層部品数及び積層工数を大幅に削減することができると共に、積層の精度を向上することができる。 According to the fuel cell sealing structure of the first aspect of the present invention, since the anode side plate and the cathode side plate become a single separator integrally having a gasket, the number of laminated parts and the number of laminating steps at the time of stack assembly are greatly increased. And the accuracy of stacking can be improved.
請求項2の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、請求項1による効果に加え、発電体の一側の反応ガス流路(例えば燃料ガス流路)を画成する第一のシール突条と、前記発電体の他側の反応ガス流路(例えば酸化剤ガス流路)を画成する第二のシール突条と、冷媒流路を画成する冷媒シール部が、アノード側プレートとカソード側プレートからなる単一のセパレータに集約して設けられるので、シール対象の異なるガスケットを複数の積層部品に成形する必要がなく、成形工数を減少することができる。 According to the fuel cell sealing structure of the second aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, the first seal protrusion defining the reaction gas flow path (for example, the fuel gas flow path) on one side of the power generator. A second seal protrusion that defines a reaction gas flow path (for example, an oxidant gas flow path) on the other side of the power generator, a refrigerant seal portion that defines a refrigerant flow path, and an anode side plate Since they are provided in a single separator made of a cathode side plate, it is not necessary to form gaskets with different sealing targets into a plurality of laminated parts, and the number of molding steps can be reduced.
請求項3の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、請求項1による効果に加え、ガスケットの成形に際して成形材料の一部が連通孔を通じてこのアノード側プレートとカソード側プレートの間に直ちに充填されるので、成形を容易に行うことができる。 According to the fuel cell sealing structure of the third aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect, a part of the molding material is immediately filled between the anode side plate and the cathode side plate through the communication hole when the gasket is formed. Therefore, molding can be performed easily.
請求項4の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、請求項1による効果に加え、ガスケットのうち第一のシール突条及び第二のシール突条によって、発電体の両側の反応ガス流路を画成すると共に、ガスケットのうちアノード側プレートとカソード側プレートとの間に介在する部分によって冷媒流路を画成するため、単一のガスケットによって、互いに独立した反応ガス流路(燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路)及び冷媒流路を画成することができる。 According to the fuel cell sealing structure of the invention of claim 4, in addition to the effect of claim 1, the reaction gas flow on both sides of the power generator is caused by the first seal protrusion and the second seal protrusion of the gasket. In addition to defining a passage and defining a refrigerant flow path by a portion of the gasket interposed between the anode side plate and the cathode side plate, a single gasket provides a reaction gas flow path (fuel gas) independent of each other. Flow paths and oxidant gas flow paths) and refrigerant flow paths can be defined.
以下、本発明に係る燃料電池の密封構造の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of a fuel cell sealing structure according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず図1は本発明に係る燃料電池の密封構造の第一の形態を未積層状態で示し、同じく図2は積層状態で示すもので、図の参照符号10は、電解質膜及びその両面に設けた不図示の触媒電極層(アノード及びカソード)からなる膜−電極複合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)11の厚さ方向両側に、多孔質体からなるガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)12,13を積層一体化した発電体、参照符号20はセパレータ、参照符号30は、このセパレータ20に一体に設けられたガスケットである。
First, FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell sealing structure according to the present invention in a non-laminated state, and FIG. 2 shows a laminated state.
発電体10における膜−電極複合体11は、その両側にあるガス拡散層12,13よりも厚さ方向の投影面積が大きく、ガス拡散層12,13の外周縁部は、膜−電極複合体11の外周縁部より内周側へ後退している。したがって、発電体10の外周部は段差状をなしていて、膜−電極複合体11の外周部は、ガス拡散層12,13の縁部から張り出している。
The membrane-
また、ガス拡散層12,13の縁部から張り出した膜−電極複合体11の外周部は、図3又は図4に示されるように、少なくとも片面に合成樹脂からなる補強フィルム14が熱圧着されており、この補強フィルム14の内周縁は、ガス拡散層12(及び13)の縁部と膜−電極複合体11の間に挟み込まれている。なお、図4のように補強フィルム14を片面にのみ設ける場合は、後述する第一のシール突条31によるシール面となる側に設けることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 3 or FIG. 4, the outer peripheral portion of the membrane-
セパレータ20は、薄肉のステンレス鋼板など導電性を有する金属からなる二枚のプレート21,22を積層したものであって、その厚さ方向の投影面積は、発電体10(膜−電極複合体11)の厚さ方向の投影面積より大きいものとなっている。なお、以下の説明では便宜上、プレート21をアノード側、プレート22をカソード側として説明するが、逆にプレート21をカソード側、プレート22をアノード側としても良い。
The
セパレータ20を構成するプレート21,22のうち、このセパレータ20の厚さ方向一側に積層される発電体10のガス拡散層12と対向するアノード側プレート21は、このガス拡散層12を厚さ方向へ投影した領域に、前記ガス拡散層12との対向方向と反対側へ屈曲した溝部21aと、前記ガス拡散層12との対向方向へ屈曲した溝部21bが交互に形成されており、その外周側の、ガスケット30が一体に設けられた領域に、このガスケット30の幅方向両端近傍に位置して、前記溝部21bと同方向へ屈曲した一対の屈曲部21c,21dが形成されている。
Of the
また、セパレータ20を構成するプレート21,22のうち、このセパレータ20の厚さ方向他側に積層される発電体10のガス拡散層13と対向するカソード側プレート22は、アノード側プレート21と厚さ方向対称に屈曲した溝部22a,22b及び屈曲部22c,22dが形成されている。
In addition, among the
ガスケット30は、例えば燃料電池の使用環境下に耐え得るシリコーンゴム、フッ素ゴム、EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)、ブチルゴムなどから選択される、電気絶縁性のゴム状弾性材料(ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料)でセパレータ20に一体に加硫成形されたものであって、アノード側プレート21におけるカソード側プレート22と反対側へ突出した第一のシール突条31、第二のシール突条32及びその幅方向両側の第一の短絡防止リブ33、第二の短絡防止リブ34と、カソード側プレート22におけるアノード側プレート21と反対側に形成されたフラットシール部35と、アノード側プレート21の屈曲部21c,21dとこれに対向するカソード側プレート22の屈曲部22c,22dの間に充填形成された中間ゴム充填部36,37とを有する。
The
詳しくは、図1に示される未積層状態ではガスケット30における第一のシール突条31は山形の突出形状をなし、図2に示される積層状態では発電体10のガス拡散層12,13の縁部から張り出した膜−電極複合体11の外周部(又は図3,図4に示される補強フィルム14)に適当なつぶし代で密接されるものである。
Specifically, in the non-laminated state shown in FIG. 1, the
ガスケット30における第二のシール突条32は、第一のシール突条31の外周側にあって、図1に示される未積層状態では山形の突出形状をなし、図2に示される積層状態では発電体10(膜−電極複合体11)の縁部よりも外側で隣接するガスケット30のフラットシール部35に適当なつぶし代で密接されるもので、好ましくは、膜−電極複合体11の厚さに相当する分だけ第一のシール突条31よりも突出高さが高く形成されている。
The
ガスケット30における第一のシール突条31の内周側に形成された第一の短絡防止リブ33は、図2に示される積層状態において発電体10のガス拡散層12,13の縁部から張り出した膜−電極複合体11の外周部(又は図3,図4に示される補強フィルム14)に、平坦な面をもって密接されるものであって、セパレータ20におけるアノード側プレート21の屈曲部21cを覆うように形成され、第一のシール突条31よりもそのつぶし代にほぼ相当する分だけ突出高さが低いものとなっている。
The first short-
ガスケット30における第二のシール突条32の外周側に形成された第二の短絡防止リブ34は、図2に示される積層状態において発電体10(膜−電極複合体11)の縁部よりも外側で隣接するガスケット30のフラットシール部35に平坦な面をもって密接されるものであって、セパレータ20におけるアノード側プレート21の屈曲部21dを覆うように形成され、その突出高さは、図1に示されるように第二のシール突条32よりもそのつぶし代にほぼ相当する分だけ低く、かつ第一の短絡防止リブ33よりも膜−電極複合体11の厚さに相当する分だけ高く形成されている。
The second short-
ガスケット30におけるフラットシール部35は、セパレータ20におけるカソード側プレート22の屈曲部22cから屈曲部22dにかけて、アノード側プレート21と反対側の面を覆うように、平坦な面をなして形成されている。
The
また、セパレータ20におけるアノード側プレート21の屈曲部21c,21dにはそれぞれ連通孔21e,21fが開設されており、カソード側プレート22の屈曲部22c,22dにも同様に、それぞれ連通孔22e,22fが開設されている。そして、ガスケット30における内周側の中間ゴム充填部36は、アノード側プレート21の屈曲部21cとカソード側プレート22の屈曲部22cの間を埋めるように形成されてその内面に加硫接着されると共に、連通孔21e,22eを介して第一の短絡防止リブ33及びフラットシール部35と連続しており、外周側の中間ゴム充填部37は、アノード側プレート21の屈曲部21dとカソード側プレート22の屈曲部22dの間を埋めるように形成されてその内面に加硫接着されると共に、連通孔21f,22fを介して第二の短絡防止リブ34及びフラットシール部35と連続している。
In addition,
したがってガスケット30は、セパレータ20の一側に形成された第一のシール突条31、第二のシール突条32、第一の短絡防止リブ33及び第二の短絡防止リブ34と、セパレータ20の他側に形成されたフラットシール部35が、中間ゴム充填部36,37を介して連続していると共に、セパレータ20におけるアノード側プレート21とカソード側プレート22を互いに一体的に連結している。
Therefore, the
図2に示される積層状態では、発電体10における膜−電極複合体11の外周部が、セパレータ20に一体に設けられたガスケット30の第一のシール突条31及び第一の短絡防止リブ33と、前記セパレータ20と厚さ方向に隣接する他のセパレータ20に一体に設けられたガスケット30のフラットシール部35との間に挟持されると共に、発電体10におけるガス拡散層12,13が、セパレータ20のアノード側プレート21における溝21a,21bが形成された領域と、このセパレータ20と厚さ方向に隣接する他のセパレータ20のカソード側プレート22における溝22a,22bが形成された領域との間に適宜圧縮された状態で挟持される。
In the stacked state shown in FIG. 2, the outer peripheral portion of the membrane-
そして、発電体10における一方のガス拡散層12とこれに当接したセパレータ20のアノード側プレート21の溝21aとの間には、水素含有の燃料ガスを流通させる燃料ガス流路F1が形成され、この燃料ガス流路F1が形成された領域は、発電体10における膜−電極複合体11の外周部(又は図3,図4に示される補強フィルム14)に適当なつぶし代をもって密接された第一のシール突条31によって、他の領域から独立して区画される。すなわち膜−電極複合体11におけるガス拡散層12側の触媒電極層であるアノードに、燃料ガス流路F1及びガス拡散層12を介して燃料ガスが供給されるようになっている。なお、燃料ガス流路F1は、請求項2に記載された発電体の一側の反応ガス流路に相当するものである。
Between the
また、発電体10における他方のガス拡散層13とこれに当接したセパレータ20のカソード側プレート22の溝22aとの間には、酸素を含む酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路F2が形成され、この酸化剤ガス流路F2が形成された領域は、発電体10(膜−電極複合体11)の縁部よりも外側でフラットシール部35に適当なつぶし代をもって密接された第二のシール突条32によって、他の領域から独立して区画される。すなわち膜−電極複合体11におけるガス拡散層13側の触媒電極層であるカソードに、酸化剤ガス流路F2及びガス拡散層13を介して酸化剤ガスが供給されるようになっている。なお、酸化剤ガス流路F2は、請求項2に記載された発電体の他側の反応ガス流路に相当するものである。
Further, an oxidant gas flow path F2 for flowing an oxidant gas containing oxygen is provided between the other
また、セパレータ20におけるアノード側プレート21の溝21bと、このアノード側プレート21に当接されたカソード側プレート22の溝22bの間には、冷媒(冷却水)を流通させる冷媒流路F3が形成され、この冷媒流路F3が形成された領域は、アノード側プレート21の屈曲部21cとカソード側プレート22の屈曲部22cの間を埋めるように形成されたガスケット30の中間ゴム充填部36によって、他の領域から独立して区画される。そしてこの冷媒流路F3には、冷却水などの冷媒が流通されるようになっている。
In addition, a refrigerant flow path F3 through which refrigerant (cooling water) flows is formed between the
したがって中間ゴム充填部36は、アノード側プレート21とカソード側プレート22を互いに一体的に連結する手段と、請求項2に記載された冷媒シール部としての手段を兼ねるものである。
Therefore, the intermediate
上述のように構成された第一の形態によれば、図2に示される積層状態において、発電体10における膜−電極複合体11の一方の触媒電極層である不図示のアノードに燃料ガス流路F1及びガス拡散層12を介して水素含有の燃料ガスが供給され、膜−電極複合体11の他方の触媒電極層である不図示のカソードに酸化剤ガス流路F2及びガス拡散層13を介して酸素含有の酸化剤ガス(空気)が供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するようになっている。そして、発電体10とガスケット30つきセパレータ20で構成される各発電ユニットにおける起電力は低いものであるが、これら発電体10とガスケット30つきセパレータ20を交互に多数積層して各発電ユニットを電気的に直列に接続することにより、必要な起電力が得られるようになっている。またこのときに発生する反応熱は、冷媒流路F3を流通する冷媒により除去される。
According to the first embodiment configured as described above, in the stacked state shown in FIG. 2, the fuel gas flow to the anode (not shown) that is one catalyst electrode layer of the membrane-
そしてガスケット30つきセパレータ20は、発電体10における膜−電極複合体11の外周部に適当なつぶし代で密接される第一のシール突条31と、前記膜−電極複合体11の縁部よりも外側で隣接するガスケット30のフラットシール部35に適当なつぶし代で密接される第二のシール突条32と、アノード側プレート21とカソード側プレート22の間に介在する中間ゴム充填部36,37を有するものであるため、言い換えれば、互いに独立した燃料ガス流路F1、酸化剤ガス流路F2及び冷媒流路F3を画成する手段が集約してセパレータ20に設けられている。このため、従来のように複数の積層部品にガスケットを一体成形する必要がなく、成形工数を減少することができる。
The
また、このガスケット30は、セパレータ20の片側に成形された第一のシール突条31、第二のシール突条32、第一の短絡防止リブ33及び第二の短絡防止リブ34と、その反対側に成形されたフラットシール部35が、アノード側プレート21の屈曲部21c,21dとこれに対向するカソード側プレート22の屈曲部22c,22dに開設された連通孔21e,22e及び21f,22fを介して形成された中間ゴム充填部36,37によって互いに連続しているので、これらガスケット30の成形をセパレータ20の両側から行う必要はなく、セパレータ20の片側から同時に成形することができる。
The
しかもこのガスケット30によって、アノード側プレート21とカソード側プレート22がセパレータ20として一体化されているため、燃料電池の各発電ユニットが、図1に示されるように、膜−電極複合体11及びガス拡散層12,13を貼り合わせた発電体10と、ガスケット30つきセパレータ20の2部品のみとなる。したがって積層部品が減少すると共に、スタック組立の際の組立工数を減少させることができ、しかもその結果、各部品間の僅かな位置ずれの累積による積層誤差も小さくすることができる。
Moreover, since the
また、互いに厚さ方向に隣接するガスケット30,30,・・・は、図2に示される積層状態において、第一の短絡防止リブ33とフラットシール部35の間に、発電体10における膜−電極複合体11の外周部を挟み込むことによってその変形を抑制することができ、互いに厚さ方向に隣接するセパレータ20,20,・・・の間に、平坦面で圧接した第二の短絡防止リブ34とフラットシール部35が介在することによって、発電体10の両側にあるアノード側プレート21とカソード側プレート22の端部同士が接触することによる電気的な短絡を有効に防止することができる。
Further, the
なお、上述した第一の形態では、ガスケット30における第一及び第二のシール突条31,32、第一及び第二の短絡防止リブ33,34と、その反対側のフラットシール部35と、その間の中間ゴム充填部36,37が、連通孔21e,22e及び21f,22fを介して互いに連続しているが、ガスケット30の一部を、セパレータ20の縁を回り込ませることによって、第一及び第二のシール突条31,32、第一及び第二の短絡防止リブ33,34とフラットシール部35を互いに連続させた形状とすることもできる。
In the first embodiment described above, the first and
次に、図5は本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態を未積層状態で示し、同じく図6は積層状態で示すものである。 Next, FIG. 5 shows a second form of the fuel cell sealing structure according to the present invention in an unstacked state, and FIG. 6 shows the same in a stacked state.
この第二の形態において、先に説明した第一の形態と異なる点は、セパレータ20を構成する二枚のプレート23,24が、カーボンによって成形された点にあり、このプレート23,24に跨って、電気絶縁性のゴム状弾性材料(ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料)からなるガスケット40が一体に加硫成形されている。なお、以下の説明では便宜上、プレート23をアノード側、プレート24をカソード側として説明するが、逆にプレート23をカソード側、プレート24をアノード側としても良い。
The second embodiment is different from the first embodiment described above in that the two
すなわち、セパレータ20におけるアノード側プレート23はカーボン成形体からなるものであって、セパレータ20の厚さ方向一側に積層される発電体10のガス拡散層12との対向面に溝23aが形成されており、その反対側の面、すなわちカソード側プレート24との衝合面には溝23bが形成されている。また、前記溝23aの形成領域の外周側には、前記発電体10との対向方向と反対側へ適宜後退した平坦なシール保持面23cが形成されており、前記溝23bの形成領域の外周側には帯状溝23dが形成されており、そこから厚さ方向へ貫通した連通孔23eが開設されている。
That is, the
また、セパレータ20におけるカソード側プレート24もカーボン成形体からなるものであって、セパレータ20の厚さ方向他側に積層される発電体10のガス拡散層13との対向面に溝24aが形成されており、その外周側の領域には発電体10との対向方向へガス拡散層13の厚さより小さな突出量で突出した平坦なフランジ部24bが形成されている。
Further, the
ガスケット40は、例えば燃料電池の使用環境下に耐え得るシリコーンゴム、フッ素ゴム、EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)、ブチルゴムなどから選択される、電気絶縁性のゴム状弾性材料(ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料)でセパレータ20に一体に加硫成形されたものであって、アノード側プレート23におけるカソード側プレート24と反対側へ突出した第一のシール突条41及び第二のシール突条42と、その幅方向両側の第一の短絡防止リブ43及び第二の短絡防止リブ44と、前記第一のシール突条41と第二のシール突条42の間に形成された第三の短絡防止リブ45と、アノード側プレート23とカソード側プレート24の間に介在する中間ゴム充填部46とを有する。
The
詳しくは、ガスケット40における第一のシール突条41は図5に示される未積層状態では山形の突出形状をなし、図6に示される積層状態において発電体10のガス拡散層12,13の縁部から張り出した膜−電極複合体11の外周部(又は図3,図4に示される補強フィルム14)に適当なつぶし代で密接されるものである。
Specifically, the
ガスケット40における第二のシール突条42は、第一のシール突条41の外周側にあって図5に示される未積層状態では山形の突出形状をなし、図6に示される積層状態において発電体10(膜−電極複合体11)の縁部よりも外側で隣接するセパレータ20のカソード側プレート24のフランジ部24bに適当なつぶし代で密接されるもので、好ましくは、膜−電極複合体11の厚さに相当する分だけ第一のシール突条41よりも突出高さが高く形成されている。
The
ガスケット40における第一のシール突条41の内周側に形成された第一の短絡防止リブ43と、第一のシール突条41の外周側に形成された第三の短絡防止リブ45は、図6に示される積層状態において発電体10のガス拡散層12,13の縁部から張り出した膜−電極複合体11の外周部(又は図3,図4に示される補強フィルム14)に、平坦な面をもって密接されるものであって、その突出高さは、溝23aの形成面とシール保持面23cとの段差よりも高く、かつ第一のシール突条41よりもそのつぶし代にほぼ相当する分だけ突出高さが低いものとなっている。
The first short-
ガスケット40における第二のシール突条42の外周側に形成された第二の短絡防止リブ44は、図6に示される積層状態において発電体10(膜−電極複合体11)の縁部よりも外側で隣接するセパレータ20のカソード側プレート24のフランジ部24bに平坦な面をもって密接されるものであって、その突出高さは、図5に示されるように第二のシール突条42よりもそのつぶし代にほぼ相当する分だけ低く、かつ第一の短絡防止リブ43及び第三の短絡防止リブ45よりも膜−電極複合体11の厚さに相当する分だけ高く形成されている。
The second short-
ガスケット40における中間ゴム充填部46は、アノード側プレート23の帯状溝23dとこれを塞ぐようにアノード側プレート23に衝合されたカソード側プレート24との間を埋めるように形成されてその内面に加硫接着されると共に、連通孔23eを介して第二の短絡防止リブ44と連続している。
The intermediate
したがってガスケット40は、アノード側プレート23の一側に形成された第一のシール突条41、第二のシール突条42、第一の短絡防止リブ43、第二の短絡防止リブ44及び第三の短絡防止リブ45と、他側に形成された中間ゴム充填部46が互いに連続していると共に、アノード側プレート23の帯状溝23d及びカソード側プレート24に加硫接着された中間ゴム充填部46によって、アノード側プレート23とカソード側プレート24を互いに一体的に連結している。
Accordingly, the
図6に示される積層状態では、発電体10における膜−電極複合体11の外周部が、セパレータ20に一体に設けられたガスケット40の第一のシール突条41及び第一の短絡防止リブ43、第三の短絡防止リブ45と、前記セパレータ20と厚さ方向に隣接する他のセパレータ20におけるカソード側プレート24のフランジ部24bとの間に挟持されると共に、発電体10におけるガス拡散層12,13が、セパレータ20のアノード側プレート23における溝23aの形成領域と、厚さ方向に隣接する他のセパレータ20のカソード側プレート24における溝24aの形成領域との間に適宜圧縮された状態で挟持される。
In the laminated state shown in FIG. 6, the outer peripheral portion of the membrane-
そして、発電体10における一方のガス拡散層12とこれに当接したセパレータ20のアノード側プレート23の溝23aとの間には、水素含有の燃料ガスを流通させる燃料ガス流路F1が形成され、この燃料ガス流路F1が形成された領域は、発電体10における膜−電極複合体11の外周部(又は図3,図4に示される補強フィルム14)に適当なつぶし代をもって密接された第一のシール突条41によって、他の領域から独立して区画される。すなわち膜−電極複合体11におけるガス拡散層12側の触媒電極層であるアノードに、燃料ガス流路F1及びガス拡散層12を介して燃料ガスが供給されるようになっている。
Between the
また、発電体10における他方のガス拡散層13とこれに当接したセパレータ20のカソード側プレート24の溝24aとの間には、酸素を含む酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路F2が形成され、この酸化剤ガス流路F2が形成された領域は、発電体10(膜−電極複合体11)の縁部よりも外側で厚さ方向に隣接するカソード側プレート24のフランジ部24bに適当なつぶし代をもって密接された第二のシール突条42によって、他の領域から独立して区画される。すなわち膜−電極複合体11におけるガス拡散層13側の触媒電極層であるカソードに、酸化剤ガス流路F2及びガス拡散層13を介して酸化剤ガスが供給されるようになっている。
Further, an oxidant gas flow path F2 for flowing an oxidant gas containing oxygen is provided between the other
また、セパレータ20におけるアノード側プレート23の溝23bと、このアノード側プレート23に当接されたカソード側プレート24の間には、冷媒(冷却水)を流通させる冷媒流路F3が形成され、この冷媒流路F3が形成された領域は、アノード側プレート23の帯状溝23dとカソード側プレート24の間を埋めるように形成されたガスケット40の中間ゴム充填部46によって、他の領域から独立して区画される。そしてこの冷媒流路F3には、冷却水などの冷媒が流通されるようになっている。
Further, a refrigerant flow path F3 for circulating a refrigerant (cooling water) is formed between the
したがって中間ゴム充填部46は、アノード側プレート23とカソード側プレート24を互いに一体的に連結する手段と、請求項2に記載された冷媒シール部としての手段を兼ねるものである。
Therefore, the intermediate
上述のように構成された第二の形態によれば、図6に示される積層状態において、発電体10における膜−電極複合体11の一方の触媒電極層である不図示のアノードに燃料ガス流路F1及びガス拡散層12を介して水素含有の燃料ガスが供給され、膜−電極複合体11の他方の触媒電極層である不図示のカソードに酸化剤ガス流路F2及びガス拡散層13を介して酸素含有の酸化剤ガス(空気)が供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するようになっている。そして、発電体10とガスケット40つきセパレータ20で構成される各発電ユニットにおける起電力は低いものであるが、これら発電体10とガスケット40つきセパレータ20を交互に多数積層して各発電ユニットを電気的に直列に接続することにより、必要な起電力が得られるようになっている。またこのときに発生する反応熱は、冷媒流路F3を流通する冷媒により除去される。
According to the second embodiment configured as described above, in the stacked state shown in FIG. 6, the fuel gas flows to the anode (not shown) that is one catalyst electrode layer of the membrane-
そしてガスケット40は、発電体10における膜−電極複合体11の外周部に適当なつぶし代で密接される第一のシール突条41と、前記膜−電極複合体11の縁部よりも外側でカソード側プレート24のフランジ部24bに適当なつぶし代で密接される第二のシール突条42と、アノード側プレート23とカソード側プレート24の間に介在する中間ゴム充填部46を有するものであるため、言い換えれば、互いに独立した燃料ガス流路F1、酸化剤ガス流路F2及び冷媒流路F3を画成する手段が集約してセパレータ20に設けられている。このため、従来のように複数の積層部品にガスケットを一体成形する必要がなく、成形工数を減少することができる。
The
また、このガスケット40における中間ゴム充填部46が、アノード側プレート23の帯状溝23dとカソード側プレート24の双方の内面に加硫接着されることによって、アノード側プレート23とカソード側プレート24がセパレータ20として一体化されているため、燃料電池の各発電ユニットが、図5に示されるように、膜−電極複合体11及びガス拡散層12,13を貼り合わせた発電体10と、ガスケット40つきセパレータ20の2部品のみとなる。したがって積層部品が減少すると共に、スタック組立の際の組立工数を減少させることができ、しかもその結果、各部品間の僅かな位置ずれの累積による積層誤差も小さくすることができる。
Further, the intermediate
また、ガスケット40における第一の短絡防止リブ43及び第三の短絡防止リブ45は、第一のシール突条41と共に、発電体10の膜−電極複合体11の外周部をカソード側プレート24の平坦なフランジ部24bに押し付けることによってその変形を抑制することができ、互いに厚さ方向に隣接するセパレータ20,20,・・・の間に、ガスケット40における第二のシール突条42及び第二の短絡防止リブ44が介在することによって、発電体10の両側にあるアノード側プレート23とカソード側プレート24の端部同士が接触することによる電気的な短絡を有効に防止することができる。
Further, the first short-
次に、図7〜図9は、それぞれ本発明に係る燃料電池の密封構造の第二の形態における部分的な変更例を示すものである。 Next, FIG. 7 to FIG. 9 show partial modifications of the second form of the fuel cell sealing structure according to the present invention.
このうち図7は、セパレータ20のカソード側プレート24におけるアノード側プレート23との衝合面に、アノード側プレート23の帯状溝23dと対向する帯状溝24cを形成し、ガスケット40における中間ゴム充填部46が、双方の帯状溝23d,24cに跨って充填されその内面に加硫接着されたものである。その他の構成は、先に説明した図5及び図6と同様である。
7 shows that a belt-
そしてこのようにすれば、帯状溝24cの内面への中間ゴム充填部46のアンカー効果によって接着力が増大し、アノード側プレート23とカソード側プレート24との結合力を向上させることができる。
In this way, the adhesive force is increased by the anchor effect of the intermediate
また図8及び図9は、アノード側プレート23におけるカソード側プレート24との対向面に、アノード側プレート23の帯状溝23dからその外周側へ延びるエアベント溝20a及びその先端の余剰材料溜まり20bを形成したものである。このエアベント溝20a及び余剰材料溜まり20bは、カソード側プレート24におけるアノード側プレート23との対向面に形成しても良く、その他の構成は、先に説明した図5及び図6と同様である。
8 and 9, the
そしてこのようにすれば、アノード側プレート23とカソード側プレート24を積層した状態で不図示の金型へセットし、液状ゴム材料によりガスケット40を成形する際に、アノード側プレート23の連通孔23eから帯状溝23dとカソード側プレート24の間の空間へ液状ゴム材料が充填されるのに伴って、この空間の残存空気や揮発ガスがエアベント溝20aを通じて余剰材料溜まり20bへ排出され、前記空間内で合流した余剰の液状ゴム材料もこのエアベント溝20aを通じて余剰材料溜まり20bへ流れ込むことができる。このため液状ゴム材料が前記空間内に良好に賦形されて中間ゴム充填部46が成形されるので、成形不良が有効に防止される。
In this manner, when the
なお、第二の形態においては、ガスケット40における第一及び第二のシール突条41,42、第一〜第三の短絡防止リブ43〜45と、中間ゴム充填部46が、連通孔23eを介して互いに連続しているが、連通孔23eを開設せずに、ガスケット40の一部を、セパレータ20の縁を回り込ませることによって第一及び第二のシール突条41,42、第一〜第三の短絡防止リブ43〜45と、中間ゴム充填部46が互いに連続した形状とすることもできる。
In the second embodiment, the first and
10 発電体
11 膜−電極複合体
12,13 ガス拡散層
20 セパレータ
21,23 アノード側プレート
21e,21f,22e,22f,23e 連通孔
22,24 カソード側プレート
23d 帯状溝
30,40 ガスケット
31,41 第一のシール突条
32,42 第二のシール突条
33,43 第一の短絡防止リブ
34,44 第二の短絡防止リブ
35 フラットシール部
36,46 中間ゴム充填部(冷媒シール部)
37 中間ゴム充填部
45 第三の短絡防止リブ
F1 燃料ガス流路(発電体の一側の反応ガス流路)
F2 酸化剤ガス流路(発電体の他側の反応ガス流路)
F3 冷媒流路
DESCRIPTION OF
37 Intermediate
F2 Oxidant gas channel (reactive gas channel on the other side of the power generator)
F3 refrigerant flow path
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