JP2011134559A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、シール部材の横ずれを可及的に阻止することができ、所望のシール性能を確実に維持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池を構成する第１セパレータ１４には、第１シール部材４２が一体成形される。第１シール部材４２には、互いに対称な断面形状を有する第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃが隣接して設けられるとともに、前記第１及び第２凸部は、接触対象面４６に接触する各角部４８ａ、４８ｂから互いに隣接する方向に傾斜する内側接触角度α１゜と、前記角部４８ａ、４８ｂから互いに離間する方向に傾斜する外側接触角度α２゜とが、角度α１゜＜角度α２゜に設定される。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される一方、前記セパレータには、シール部材が配設される固体高分子型燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用として使用されている。

燃料電池では、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を、それぞれ専用の流路に沿って気密（液密）に流す必要がある。このため、電解質膜・電極構造体とセパレータとの間には、種々のシール部材（ガスケット）が介装されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用ガスケットは、図１０に示すように、環状の内周面つば部１と、環状の外周面つば部２と、これらに連結された環状のシール部３とより構成されている。シール部３は、両方向に突出する断面略三角形状の内側リップ４、４と、両方向に突出する断面略三角形状の外側リップ５、５とより構成されている。

これにより、シール性能が良好で、反力を低く抑えることができるとともに、ガスケットが倒れるという問題を解決した燃料電池用ガスケットを提供する、としている。

特開２００７−３３５０９３号公報

上記の燃料電池では、ガスケットとシール対象物（ＭＥＡやセパレータ）とが積層された状態で、積層方向に締め付け荷重が付与されている。その際、シール部３には、内側リップ４及び外側リップ５に対し左右にずれた方向に荷重が付与される場合がある。

このため、内側リップ４及び外側リップ５は、個別に位置ずれを惹起し易くなる。これにより、内側リップ４及び外側リップ５が横ずれしてしまい、シール性能が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、シール部材の横ずれを可及的に阻止することができ、所望のシール性能を確実に維持することが可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される一方、前記セパレータには、シール部材が配設される固体高分子型燃料電池に関するものである。

この固体高分子型燃料電池は、シール部材には、互いに対称な断面形状を有する第１及び第２凸部が隣接して設けられるとともに、前記第１及び第２凸部は、接触対象面に接触する各凸部接触部位から互いに隣接する方向に傾斜する内側接触角度α１゜と、前記凸部接触部位から互いに離間する方向に傾斜する外側接触角度α２゜とが、角度α１゜＜角度α２゜に設定されている。

また、第１及び第２凸部は、断面略台形状を有するとともに、互いに離間する側の各角部が、凸部接触部位であることが好ましい。

さらに、第１及び第２凸部は、積層方向に固体高分子電解質膜を挟んで平坦状シール部と重なり合うことが好ましい。

さらにまた、第１及び第２凸部は、連結部を介して一体化されるとともに、セパレータに一体成形されることが好ましい。

本発明によれば、シール部材に積層方向の荷重が付与されると、互いに対称な断面形状を有する第１及び第２凸部では、接触対象面との接触角度が小さい方向、すなわち、前記第１及び第２凸部の互いに隣接する方向に荷重を発生させることができる。

その際、第１及び第２凸部は、互いに隣接して設けられており、前記第１及び第２凸部に位置ずれが惹起することを抑制することが可能になる。これにより、簡単な構成で、シール部材の横ずれを可及的に阻止することができ、所望のシール性能を確実に維持することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１シール部材の断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１シール部材の断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１シール部材の断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１シール部材の断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１シール部材の断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する第１シール部材の断面説明図である。 特許文献１に開示された燃料電池用ガスケットの説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、この電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１及び第２セパレータ１４、１６とを備える。燃料電池１０は、所定数だけ矢印Ａ方向に積層されて、例えば、車載用燃料電池スタック１７を構成する。

第１及び第２セパレータ１４、１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。

図１に示すように、燃料電池１０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔１８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２０ａとが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂとが設けられる。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するカソード側電極２６及びアノード側電極２８とを備える。

カソード側電極２６及びアノード側電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通する酸化剤ガス流路３０が形成される。酸化剤ガス流路３０は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部を有するとともに、前記酸化剤ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂが設けられる。

図３に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部を有するとともに、前記燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。

第２セパレータ１６の面１６ｂと第１セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される（図１参照）。この冷却媒体流路３８は、電解質膜・電極構造体１２の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

第１シール部材４２は、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂにわたって一体成形される平面部４２ａを有するとともに、前記面１４ａ側には、互いに対称な断面形状を有する第１凸部４２ｂ及び第２凸部４２ｃが隣接して設けられる。

第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃは、燃料ガス供給連通孔２０ａ、燃料ガス排出連通孔２０ｂ、冷却媒体供給連通孔２２ａ及び冷却媒体排出連通孔２２ｂを周回してシールするとともに、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを酸化剤ガス流路３０に連通して周回する（図１参照）。

図４に示すように、第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃは、断面略台形状を有するとともに、連結部４２ｄを介して一体化され、第１セパレータ１４に一体成形される。第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃの互いに離間する側の各角部４８ａ、４８ｂは、接触対象面４６（固体高分子電解質膜２４）に接触する凸部接触部位である。なお、図２に示すように、第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃは、シール間に固体高分子電解質膜が介在する。酸化剤ガス流路３０の反応面に用いられているが、シール間に前記固体高分子電解質膜２４が介在しない冷媒面にも利用できる。

第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃは、接触対象面４６に接触する各角部４８ａ、４８ｂから互いに隣接する方向に傾斜する内側接触角度α１°と、前記角部４８ａ、４８ｂから互いに離間する方向に傾斜する外側接触角度α２°とが、角度α１°＜角度α２°に設定される。

図２に示すように、第２シール部材４４は、第２セパレータ１６の両面１６ａ、１６ｂに一体成形される平面部４４ａを有するとともに、前記面１６ａ側には、固体高分子電解質膜２４側に突出する平坦状シール部４４ｂが設けられる。平坦状シール部４４ｂは、積層方向に固体高分子電解質膜２４を挟んで、第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃと重なり合う。

第２セパレータ１６の面１６ｂ側には、互いに対称な断面形状を有する第１凸部４４ｃ及び第２凸部４４ｄが隣接して設けられる。第１及び第２凸部４４ｃ、４４ｄは、断面略台形状を有するとともに、連結部４４ｅを介して一体化され、第２セパレータ１６に一体成形される。第１及び第２凸部４４ｃ、４４ｄは、荷重を受けて変形することにより、先端部が平坦（フラット）になる。第１及び第２凸部４４ｃ、４４ｄの互いに離間する側の各角部５０ａ、５０ｂは、接触対象面５２（第１シール部材４２の平坦部）に接触する。第１及び第２凸部４４ｃ、４４ｄは、上記第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃと同様に構成され、その詳細な説明は省略する。

第１及び第２凸部４４ｃ、４４ｄは、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ、燃料ガス供給連通孔２０ａ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂを周回してシールするとともに、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとを、冷却媒体流路３８に連通して周回する。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２０ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路３４に供給される。燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス流路３４に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に供給される（図１及び図２参照）。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、図１に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６間の冷却媒体流路３８に導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（水平方向）に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、第１シール部材４２は、互いに対称な断面形状（断面略台形状）を有する第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃを、互いに隣接して設けるとともに、前記第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃは、接触対象面４６に接触する各角部４８ａ、４８ｂから互いに隣接する方向に傾斜する内側接触角度α１°と、前記角部４８ａ、４８ｂから互いに離間する方向に傾斜する外側接触角度α２°とが、角度α１°＞角度α２°に設定されている。

従って、図２に示すように、燃料電池１０が所定の数だけ積層されて矢印Ａ方向に締め付け荷重が付与される際、第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃには、互いに隣接する方向に荷重を発生させることができる。その際、第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃは、互いに隣接して設けられており、前記第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃに位置ずれが惹起することを抑制することが可能になる。

これにより、簡単な構成で、第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃの横ずれを可及的に阻止することができ、所望のシール性能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。

一方、第２シール部材４４は、上記の第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃと同様に第１及び第２凸部４４ｃ、４４ｄを備えている。従って、第２シール部材４４は、上記の第１シール部材４２と同様の効果が得られる。

しかも、第１シール部材４２の第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃは、積層方向に固体高分子電解質膜２４を挟んで、第２シール部材４４の平坦状シール部４４ｂと重なり合っている。このため、薄膜で比較的軟質な固体高分子電解質膜２４を、第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃと平坦状シール部４４ｂとにより、強固且つ確実に挟持することができるという利点がある。

また、第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃの内側接触角度α１°は、好ましくは、２°〜１５°の範囲内に設定される。これにより、第１及び第２凸部４２ｂ、４２ｃの位置ずれを確実に阻止するとともに、ガス拡散層の破損も回避されるという効果がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ６０の要部拡大断面図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１セパレータ１４と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、第２の実施形態では、第２セパレータについての詳細な説明は省略するが、第１セパレータ６０と同様に構成されるものである。

第１セパレータ６０は、金属板（例えば、ＳＵＳ板）６２の外周端面を周回して一体成形される第１シール部材６４を備える。このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１シール部材７０の断面説明図である。第１シール部材７０は、第１の実施形態の第１シール部材４２又は第２の実施形態の第１シール部材６４と同様に構成することができる。また、以下に説明する第４の実施形態以降においても、同様である。

第１シール部材７０は、平坦部７０ａを有し、この平坦部７０ａの一方の側面には、第１凸部７０ｂと第２凸部７０ｃとが膨出形成される。第１及び第２凸部７０ｂ、７０ｃは、互いに隣接する方向に向かって平坦部７０ａ側に傾斜する傾斜面７２ａ、７２ｂが連結されることにより、連続して一体成形される。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１シール部材８０の断面説明図である。

第１シール部材８０は、平坦部８０ａを有し、前記平坦部８０ａの一方の側面に、第１凸部８０ｂ及び第２凸部８０ｃが形成される。第１及び第２凸部８０ｂ、８０ｃは、接触対象面４６に接触する球面状角部８２ａ、８２ｂを有する。

図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１シール部材９０の断面説明図である。

第１シール部材９０は、平坦部９０ａを有し、前記平坦部９０ａの一方の側面に、第１凸部９０ｂ及び第２凸部９０ｃが形成される。第１凸部９０ｂの傾斜面９２ａと第２凸部９０ｃの傾斜面９２ｂとは、互いに隣接する方向に向かって平坦部９０ａ側に傾斜し、Ｖ字状に一体に連結される。

図９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成する第１シール部材１００の断面説明図である。

第１シール部材１００は、平坦部１００ａを有し、前記平坦部１００ａの一方の側面には、第１凸部１００ｂ及び第２凸部１００ｃが突出形成される。第１及び第２凸部１００ｂ、１００ｃには、それぞれ複数の溝部１０２ａ、１０２ｂが形成される。

このように構成される第３〜第６の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６０…セパレータ １８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２０ａ…燃料ガス供給連通孔
２０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ２２ａ…冷却媒体供給連通孔
２２ｂ…冷却媒体排出連通孔 ２４…固体高分子電解質膜
２６…カソード側電極 ２８…アノード側電極
３０…酸化剤ガス流路 ３４…燃料ガス流路
３８…冷却媒体流路
４２、４４、６４、７０、８０、９０、１００…シール部材
４２ａ、４４ａ…平面部
４２ｂ、４２ｃ、４４ｃ、４４ｄ、７０ｂ、７０ｃ、８０ｂ、８０ｃ、９０ｂ、９０ｃ、１００ｂ、１００ｃ…凸部
４２ｄ、４４ｅ…連結部 ４６、５２…接触対象面
４８ａ、４８ｂ、５０ａ、５０ｂ…角部
７０ａ、８０ａ、９０ａ、１００ａ…平坦部
７２ａ、７２ｂ、９２ａ、９２ｂ…傾斜面
１０２ａ、１０２ｂ…溝部

Claims (4)

1. 固体高分子電解質膜の両面に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される一方、前記セパレータには、シール部材が配設される固体高分子型燃料電池であって、
   前記シール部材には、互いに対称な断面形状を有する第１及び第２凸部が隣接して設けられるとともに、
   前記第１及び第２凸部は、接触対象面に接触する各凸部接触部位から互いに隣接する方向に傾斜する内側接触角度α１゜と、前記凸部接触部位から互いに離間する方向に傾斜する外側接触角度α２゜とが、角度α１゜＜角度α２゜に設定されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 請求項１記載の固体高分子型燃料電池において、前記第１及び第２凸部は、断面略台形状を有するとともに、
   互いに離間する側の各角部が、前記凸部接触部位であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池において、前記第１及び第２凸部は、積層方向に前記固体高分子電解質膜を挟んで平坦状シール部と重なり合うことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記第１及び第２凸部は、連結部を介して一体化されるとともに、
   前記セパレータに一体成形されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。

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