JP2015225840A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮荷重に対して所望のシール特性を確保するとともに、シール部材の薄肉化を図り、積層方向の寸法を可及的に短尺化させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６との間に電解質膜・電極構造体１２を挟持する。アノード側セパレータ１４には、第１シール部材３６が一体成形される。第１シール部材３６は、ベースシール部３６ａと、前記ベースシール部３６ａから膨出成形される外側凸状シール部３６ｂ２とを有する。外側凸状シール部３６ｂ２の両側には、ベースシール部３６ａよりも積層方向の高さが小さな外側凹部３６ｃ２が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、シール部材が設けられる燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方側にアノード電極が、前記電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータにより挟持されて発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気車両に搭載されている。

燃料電池では、ガス漏れ等を防止するために、燃料ガス及び酸化剤ガスを気密に保持するとともに、冷却機能を維持するために、冷却媒体を液密に保持する必要がある。このため、種々のシール構造が採用されている。

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、平板部と、前記平板部から立ち上がるとともに、該平板部より幅狭な凸部とを有している。そして、ガスケットは、湾曲部や分岐部において、凸部の外周側部と内周側部との構成を互いに異ならせている。

このため、内周側部を外周側部よりも少ない応力集中で変形できる構成とすることにより、締め付け荷重等が付与された際に、湾曲部や分岐部の応力集中を緩和することができる、としている。

特開２００７−４２５１０号公報

ところで、上記のガスケットは、例えば、図５に示すように、平板部１ａと、前記平板部１ａから立ち上がるとともに、該平板部１ａより幅狭な凸部１ｂとを有している。凸部１ｂは、湾曲部や分岐部以外の部分では、ガスケットの幅方向中心線２に対して左右対称に構成される一方、前記湾曲部や前記分岐部の部分では、左右非対称に構成されている。

この種のガスケットでは、燃料電池全体の小型化を図るため、凸部１ｂの高さｈを短尺に設定することが望まれている。しかしながら、高さｈが低くなる程、圧縮率に対するシール線圧の変動が大きくなり、また元の高さに対する成形の公差の割合が増加することで、シール性の低下やガスケットの損傷等が惹起されるおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、圧縮荷重に対して所望のシール特性を確保するとともに、シール部材の薄肉化を図り、積層方向の寸法を可及的に短尺化させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、シール部材が設けられる燃料電池に関するものである。シール部材は、セパレータ面に沿って平面状に延在するベースシール部を有している。ベースシール部からは、セパレータの積層方向に高さを大きくして凸状シール部が膨出形成されるとともに、前記凸状シール部は、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかをシールしている。そして、シール部材は、凸状シール部の両側に設けられ、ベースシール部よりも積層方向の高さが小さな凹部を有している。

凸状シール部先端が当接するベースシール部は隣接するベースシール部より低く形成されている。

本発明によれば、ベースシール部には、凸状シール部が膨出形成されるとともに、前記凸状シール部の両側には、前記ベースシール部よりも積層方向の高さが小さな凹部が設けられている。このため、凸状シール部の全体の高さは、ベースシール部から前記凸状シール部の先端までの高さに、前記ベースシール部から凹部の底面までの深さを加算した寸法に増大している。

従って、シール部材全体の高さ寸法を高くする必要がなく、実質的に凸状シール部の高さを大きく設定することができる。これにより、シール部材は、圧縮荷重に対して所望のシール特性を確保するとともに、前記シール部材の薄肉化を図り、燃料電池全体の積層方向の寸法を可及的に短尺化させることが可能になる。

本発明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アノード側セパレータの正面説明図である。 比較例及び本実施形態において、圧縮率とシール線圧との関係説明図である。 特許文献１に開示されたガスケットの説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持するアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６とを備える。アノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等の金属セパレータで構成されるが、カーボンセパレータにより構成してもよい。

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１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２とを備える。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

アノード電極２０は、カソード電極２２及び固体高分子電解質膜１８よりも小さな平面寸法を有する。なお、カソード電極２２は、アノード電極２０よりも小さな平面寸法を有していてもよく、また、前記カソード電極２２と前記アノード電極２０とは、同一の平面寸法を有してもよい。

図２に示すように、アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに配置されるとともに、カソード電極２２は、前記固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに配置される。

アノード電極２０及びカソード電極２２は、電極触媒層とガス拡散層とが積層されて構成される。電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を備える。ガス拡散層は、カーボンペーパ等からなる。電極触媒層は、ガス拡散層の表面に一様に塗布され、又は固体高分子電解質膜１８の表面に一様に塗布される。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔２６ａは、冷却媒体を供給するとともに、燃料ガス出口連通孔２８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２８ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔２６ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

カソード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとに連通する酸化剤ガス流路３０が設けられる。

図３に示すように、アノード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３２が金属セパレータの断面を凹凸に成形することにより形成される。燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス流路３２とは、複数本の入口連結路３３ａを介して連通する。燃料ガス出口連通孔２８ｂと燃料ガス流路３２とは、複数本の出口連結路３３ｂを介して連通する。入口連結路３３ａと出口連結路３３ｂとは、蓋体３５ａと蓋体３５ｂとにより覆われている。

図１に示すように、互いに隣接するアノード側セパレータ１４の面１４ｂとカソード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２６ａと冷却媒体出口連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路３４が形成される。

図１及び図２に示すように、アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このアノード側セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材３６が一体化（又は個別に構成）される。カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材３８が一体化（又は個別に構成）される。

第１シール部材３６及び第２シール部材３８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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図２及び図３に示すように、第１シール部材３６は、アノード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂの外周に沿って平面状に延在するとともに、前記面１４ａ、１４ｂに一体化されるベースシール部３６ａを有する。面１４ａにおいて、ベースシール部３６ａからは、アノード側セパレータ１４の積層方向に高さを大きくして内側凸状シール部３６ｂ１及び外側凸状シール部３６ｂ２が膨出形成される。内側凸状シール部３６ｂ１及び外側凸状シール部３６ｂ２は、略長方形状又は略正方形状の断面形状を有する。なお、図２から容易に諒解される通り、内側凸状シール部３６ｂ１及び外側凸状シール部３６ｂ２の立ち上り部とベースシール部３６ａとの間には湾曲したＲ形状部が形成されている。

図３に示すように、内側凸状シール部３６ｂ１は、燃料ガス流路３２を周回して燃料ガスを気密にシールする。外側凸状シール部３６ｂ２は、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂ、冷却媒体入口連通孔２６ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂを囲繞する。

内側凸状シール部３６ｂ１は、図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２を構成する固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ａｅに、直接、接触する。外周端部１８ａｅは、固体高分子電解質膜１８の外周縁部を含み、アノード電極２０の外周から外方に延在して外部に露呈する部位である。外側凸状シール部３６ｂ２は、固体高分子電解質膜１８の外周端部１８ａｅから外方に位置して、第２シール部材３８に、直接、接触する。外側凸状シール部３６ｂ２が第２シール部材３８に接触する部位は前記第２シール部材３８の隣接するベースシール部３８ａ、３８ａ（後述する）よりも一段低く設定された平面である。

第１シール部材３６は、内側凸状シール部３６ｂ１の両側（幅方向両端側）にベースシール部３６ａよりも積層方向の高さが小さな内側凹部３６ｃ１を設ける。前記内側凸状シール部３６ｂ１の両側の前記内側凹部３６ｃ１の高さは同一である。ベースシール部３６ａの高さＳ１に対して、内側凹部３６ｃ１の高さＳ２が小さな寸法に設定され（Ｓ１＞Ｓ２）、内側凸状シール部３６ｂ１の全体の高さＳ３が設定される。

第１シール部材３６は、外側凸状シール部３６ｂ２の両側（幅方向両端側）にベースシール部３６ａよりも積層方向の高さが小さな外側凹部３６ｃ２を設ける。前記外側凸状シール部３６ｂ２の両側の前記外側凹部３６ｃ２の高さは同一である。ベースシール部３６ａの高さＳ１に対して、外側凹部３６ｃ２の高さＳ４が小さな寸法に設定され（Ｓ１＞Ｓ４）、外側凸状シール部３６ｂ２の全体の高さＳ５が設定される。なお、高さＳ２と高さＳ４とは、同一の寸法に設定されてもよい。

図１及び図２に示すように、面１４ｂにおいて、ベースシール部３６ａからは、アノード側セパレータ１４の積層方向に高さを大きくして内側凸状シール部３６ｄ１及び外側凸状シール部３６ｄ２が膨出形成される。内側凸状シール部３６ｄ１及び外側凸状シール部３６ｄ２は、略長方形状又は略正方形状の断面形状を有する。この場合、外側凸状シール部３６ｂ２と外側凸状シール部３６ｄ２及び内側凸状シール部３６ｂ１と内側凸状シール部３６ｄ１はアノード側セパレータ１４を挟んで同じ位置（図２において同じ高さ位置）にある。なお、図２から容易に諒解される通り、内側凸状シール部３６ｄ１及び外側凸状シール部３６ｄ２の立ち上り部とベースシール部３６ａとの間には湾曲したＲ形状部が形成される。

図１に示すように、内側凸状シール部３６ｄ１は、冷却媒体流路３４と冷却媒体入口連通孔２６ａ及び冷却媒体出口連通孔２６ｂとを周回して冷却媒体を液密にシールする。外側凸状シール部３６ｄ２は、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂ、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂを囲繞する。

内側凸状シール部３６ｄ１及び外側凸状シール部３６ｄ２は、隣接するカソード側セパレータ１６の第２シール部材３８に直接接触し、冷却媒体流路３４を形成する。この場合、前記外側凸状シール部３６ｄ２及び内側凸状シール部３６ｄ１は、後述するように、第２シール部材３８に膨出形成されたベースシール部３９ａと３９ｂとの間及びベースシール部３９ｂと３９ｃとの間の一段低い当接面に当接する。

図２に示すように、第１シール部材３６は、内側凸状シール部３６ｄ１の両側（幅方向両端側）にベースシール部３６ａよりも積層方向の高さが小さな内側凹部３６ｅ１を設ける。前記内側凸状シール部３６ｄ１の両側の前記内側凹部３６ｅ１の高さは同一である。ベースシール部３６ａの高さＳ６（Ｓ１と同一でもよい）に対して、内側凹部３６ｅ１の高さＳ７が小さな寸法に設定され（Ｓ６＞Ｓ７）、内側凸状シール部３６ｄ１の全体の高さＳ８が設定される。

第１シール部材３６は、外側凸状シール部３６ｄ２の両側（幅方向両端側）にベースシール部３６ａよりも積層方向の高さが小さな外側凹部３６ｅ２を設ける。前記外側凸状シール部３６ｄ２の両側の前記外側凹部３６ｅ２の高さは同一である。ベースシール部３６ａの高さＳ６に対して、外側凹部３６ｅ２の高さＳ９が小さな寸法に設定され（Ｓ６＞Ｓ９）、外側凸状シール部３６ｄ２の全体の高さＳ１０が設定される。なお、高さＳ７と高さＳ９とは、同一の寸法に設定されてもよい。

第２シール部材３８は、カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂの外周に沿って平面状に延在するとともに、前記面１６ａ、１６ｂに一体化されるベースシール部３８ａ、３９ａ〜３９ｃを構成する。すなわち、第２シール部材３８は第１シール部材３６の外側凸状シール部３６ｂ２の両側にベースシール部３８ａ、３８ａを有するとともに面１６ｂに沿って所定高さで膨出するベースシール部３９ａ、３９ｂ及び３９ｃを有する。ベースシール部３９ａと３９ｂの間及びベースシール部３９ｂと３９ｃの間の平面は当接面として機能する。

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、酸化剤ガス入口連通孔２４ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２６ａに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、酸化剤ガス入口連通孔２４ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路３０に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２２に供給される（図１参照）。

一方、燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔２８ａからアノード側セパレータ１４の入口連結路３３ａを通って燃料ガス流路３２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２０に供給される（図１参照）。

従って、各電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極２０に供給される燃料ガスと、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスとが、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、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、図３に示すように、出口連結路３３ｂから燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路３４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２６ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図２及び図３に示すように、第１シール部材３６を構成するベースシール部３６ａには、外側凸状シール部３６ｂ２が膨出形成されている。外側凸状シール部３６ｂ２の両側には、ベースシール部３６ａよりも積層方向の高さが小さな外側凹部３６ｃ２が設けられている。具体的には、図２に示すように、ベースシール部３６ａの高さＳ１に対して、外側凹部３６ｃ２の高さＳ４が小さな寸法に設定されている（Ｓ１＞Ｓ４）。

このため、外側凸状シール部３６ｂ２の全体の高さＳ５は、ベースシール部３６ａから前記外側凸状シール部３６ｂ２の先端までの高さに、前記ベースシール部３６ａから外側凹部３６ｃ２の底面までの深さ（Ｓ１−Ｓ４）を加算した寸法に増大している。

ここで、外側凹部３６ｃ２を設けない外側凸状シール部（比較例）と、前記外側凹部３６ｃ２を設けた外側凸状シール部３６ｂ２（本実施形態）とにおいて、圧縮率とシール線圧との関係を比較した。その結果が、図４に示されている。比較例では、外側凸状シール部の高さが、ベースシール部の表面から前記外側凸状シール部の先端までの寸法となっている。従って、外側凸状シール部の高さを十分に確保することができず、寸法公差等による圧縮率の変動に対し、シール線圧の変動が大きくなっている。

これに対して、本実施形態では、外側凸状シール部３６ｂ２の全体の高さＳ５は、外側凹部３６ｃ２の底面から前記外側凸状シール部３６ｂ２の先端までの寸法になっている。これにより、外側凸状シール部３６ｂ２の弾性率（ヤング率）が小さくなるため、圧縮率の変動に対し、シール線圧の変動が小さく抑制されている。

このため、本実施形態では、第１シール部材３６全体の高さ寸法を高くする必要がなく、実質的に外側凸状シール部３６ｂ２の高さを大きく設定することができる。従って、第１シール部材３６は、圧縮荷重に対して所望のシール特性を確保するとともに、前記第１シール部材３６の薄肉化を図り、燃料電池１０全体の積層方向の寸法を可及的に短尺化させることが可能になるという効果が得られる。

また、内側凸状シール部３６ｂ１、３６ｄ１及び外側凸状シール部３６ｄ２では、上記の外側凸状シール部３６ｂ２と同様の効果が得られる。

なお、本実施形態では、燃料電池１０は、単一の電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１２をアノード側セパレータ１４及びカソード側セパレータ１６で挟持して構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、２枚以上のＭＥＡと３枚以上のセパレータとを備え、前記セパレータと前記ＭＥＡとを交互に積層する燃料電池であってもよい。

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４…アノード側セパレータ １６…カソード側セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 ２０…アノード電極
２２…カソード電極 ２４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２６ａ…冷却媒体入口連通孔
２６ｂ…冷却媒体出口連通孔 ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３０…酸化剤ガス流路
３２…燃料ガス流路 ３４…冷却媒体流路
３６、３８…シール部材
３６ａ、３８ａ、３９ａ〜３９ｃ…ベースシール部
３６ｂ１、３６ｄ１…内側凸状シール部
３６ｂ２、３６ｄ２…外側凸状シール部
３６ｃ１、３６ｅ１…内側凹部 ３６ｃ２、３６ｅ２…外側凹部

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、シール部材が設けられる燃料電池であって、
   前記シール部材は、セパレータ面に沿って平面状に延在するベースシール部と、
   前記ベースシール部から前記セパレータの積層方向に高さを大きくして膨出形成され、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかをシールする凸状シール部と、
   前記凸状シール部の両側に設けられ、前記ベースシール部よりも前記積層方向の高さが小さな凹部と、
   を有すること特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記凸状シール部先端が当接するベースシール部は隣接するベースシール部より低く形成されていることを特徴とする燃料電池。

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