JP5234257B2

JP5234257B2 - 燃料電池用シール構造

Info

Publication number: JP5234257B2
Application number: JP2008127847A
Authority: JP
Inventors: 孝治佐座; 慶宏蔵野
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-05-15
Also published as: JP2009277511A

Description

本発明は、燃料電池に係り、更に詳しくは、燃料電池スタックにおけるシール構造に関するものである。

燃料電池スタックには発電効率の向上が求められている。これには、発電に必要とされる燃料ガスや酸化ガスが１００％発電に用いられることが理想とされるが、実際には様々な原因により発電ロスが生じている。

発電ロスが生じる原因の一つとして、発電を行なうＧＤＬやＭＥＡが配置された発電エリアをガスが通過せず、非発電エリアであるシール溝へガスが流入することが挙げられる。これにより、ガスはその一部が発電に用いられないままセル内部を通過するため、この分の発電ロスが生じている。これは、セパレータやシール部品の寸法公差や組付公差を考慮する必要があるため、シール溝にシール部品を組み込んだ状態で溝内に隙間が生じる設計となっているためである。

特開２００３−５６７０４号公報

本発明は以上の点に鑑みて、ガスが非発電エリアであるシール溝内を溝長手方向に沿って流れるのを抑制し、もって発電ロスを低減させることが可能な燃料電池用シール構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１によるシール構造は、互いに重ねられる一対の燃料電池用構成部品と、一方の燃料電池用構成部品と対向するように他方の燃料電池用構成部品に設けられたシール溝と、前記シール溝に挿入され、燃料ガスまたは酸化ガスが漏洩しないように両燃料電池用構成部品間をシールするシール部品とを有し、前記シール溝の内面とシール部品との間に溝幅方向の隙間が形成される燃料電池用シール構造において、前記隙間を狭めることにより燃料ガスまたは酸化ガスが前記シール溝内を溝長手方向に沿って流れるのを抑制する堰状溝部を有し、前記堰状溝部は、前記シール溝の内面に突設された他方の燃料電池用構成部品と一体の突起よりなり、前記突起は溝長手方向の一部に設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２によるシール構造は、上記した請求項１記載の燃料電池用シール構造において、隙間はシール部品の溝幅方向両側に形成され、突起も溝幅方向両側に設けられていることを特徴とするものである。

上記構成を有する本発明のシール構造においては、シール溝の内面に突起よりなる堰状溝部が設けられているため、シール溝内へ流入したガスは堰状溝部によって堰き止められ、セル内部の発電エリアへ戻され、発電に用いられることになる。その結果、発電ロスの原因の一つとなっていた発電しないままセル内部を通過するガスが減少するため、この分発電ロスを低減させることが可能となる。

また、シール溝内の隙間がシール部品の溝幅方向両側に形成されるのに伴って突起もこれを溝幅方向両側に設けることによって、シール溝および突起を設けた他方の燃料電池用構成部品とシール部品との組付時の位置合わせの機能を併せ持たせることが可能となる。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明においては上記したように、シール溝の内面に突起よりなる堰状溝部が設けられているために、シール溝内へ流入したガスが堰状溝部によって堰き止められ、セル内部の発電エリアへ戻され、発電に用いられることになる。その結果、発電ロスの原因の一つであった発電しないままセル内部を通過するガスが減少するため、この分、発電ロスを減少させ、発電効率を向上させることができる。

また、隙間がシール部品の溝幅方向両側に形成されるのに伴って突起を溝幅方向両側に設ける場合には、他方の燃料電池用構成部品とシール部品との組付時の位置合わせの機能を併せ持たせることが可能となり、これにより部品組付精度を向上させることができる。

つぎに本発明の実施例を説明するが、説明の便宜上、先ず比較例を説明する。

比較例・・・
図３は、比較例に係る燃料電池スタックの組付前の要部断面を示しており、図４は同じく組付後の状態を示している。

両図において、符号１は、互いに非接着で重ねられる一対の燃料電池用構成部品の一方の部品であるＭＥＡ（膜電極複合体）を示し、符号２は同じく他方の部品であるセパレータを示している。セパレータ２には、セル内部Ａの発電エリアの回りを囲むようにして、紙面直交方向に沿って長く延びるシール溝（ガスケット溝）３が設けられ、ＭＥＡ１には、組付後シール溝３に挿入され、シール溝３の底面３ａに密接することにより、燃料ガスまたは酸化ガスが図上左方のセル内部Ａから図上右方のセル外部Ｂへ漏洩しないようにＭＥＡ１およびセパレータ２間をシールするシール部品であるゴム状弾性体製のガスケット４が被着されている。シール溝３は断面矩形状（四角形状）に形成され、ガスケット４は断面矩形状の基部４ａの上に断面三角形状のリップ部４ｂを一体成形した形状とされている。上記燃料電池用構成部品の種類としてはＭＥＡ１およびセパレータ２に限られず、他の構成部品（例えばＧＤＬ（ガス拡散層）、ＭＥＡの周縁部に重合される樹脂製保形フィルム等）であっても良い。セパレータ２としてはカーボン系、金属系など、その材質は特に限定されない。

図示するように、シール溝３の溝幅ｗ_１はガスケット４の幅ｗ_２よりも大きく設定されている。これはセパレータ２やガスケット４の寸法公差や組付公差を考慮してのことであるが、このためスタックを組み立ててシール溝３内にガスケット４を挿入すると図４に細斜線で示すように、シール溝３の内面とガスケット４との間に溝幅方向の隙間５が形成される。したがって当該比較例によると、以下の不都合がある。

すなわち、発電のためセル内部Ａに供給される燃料ガスや酸化ガスは本来、マニホールド入口から発電エリアを経由して発電しつつマニホールド出口へと流れるべきところ、一部のガスが発電エリアを経由せずにマニホールド入口からシール溝３を経由してマニホールド出口へと短絡して流れることがあり、このようなことがあるとシール溝３は非発電エリアであることから、シール溝３を流れるガスは発電作用にまったく寄与しないことになる。寸法精度または組付精度の都合によってシール溝３のセル内部Ａ側におけるＭＥＡ１とセパレータ２との接触部６には厚み方向の隙間（図示せず）が形成されることから、ガスがこの厚み方向の隙間へ浸入し、ここからシール溝３へ流入する。

実施例・・・
そこで、本発明実施例に係るシール構造では、上記ガスの短絡の流れを抑制すべく図１および図２に示すように、ガスがシール溝３内を溝長手方向に沿って流れるのを抑制するための堰状溝部（堰部または堰状シール部とも称する）７がシール溝３内に設けられており、この堰状溝部７は、シール溝３の内面に突設されたセパレータ２と一体の突起（リブ）８よりなり、突起８は溝長手方向の全周ではなく一部に限定して設けられている。したがってこのようにシール溝３内に突起８が設けられると、この突起８が設けられた部位において、図２および図４の比較から判るように溝幅方向の隙間５の大きさ（開口面積）が削減されるために、ガスがシール溝３内を流れにくくなり、図２に矢印Ｃで示すように一部のガスが上記厚み方向の隙間を介してセル内部Ａの発電エリアへ戻される。したがってこの分、発電ロスを低減させることができ、発電効率を向上させることができる。

突起８の形状としては、突起８の高さ寸法はシール溝３の深さ寸法と同等に設定され、突起８の下面８ａは平面状に成形されてセパレータ２の下面２ａと面一状に成形されている。突起８の溝幅方向の寸法はシール溝３の側面３ｂとガスケット４との間隔と同等かこれよりも少々小さく設定され、突起８の側面８ｂは平面状に成形されてシール溝３の側面３ｂと平行に成形されている。尚、これにより溝長手方向から見た突起８の形状は矩形状とされているが、組み合わされるガスケット４の仕様（断面形状）が一定で変更のない場合には、溝幅方向の隙間５を可及的に小さくすべく、突起８の形状をガスケット４の形状に合わせて設定することが考えられる。上記したようにセパレータ２としてはカーボン系、金属系など特に制約がないので、切削加工、成形加工、プレス加工、エッチング処理等で製作する際に、シール溝３内に突起８を設けることになる。

また、上記溝幅方向の隙間５は、ガスケット４の溝幅方向両側にそれぞれ形成されるので、突起８も溝幅方向両側にそれぞれ形成され、更に溝長手方向における位置を合わせて形成される。突起８間の間隔ｗ_３はガスケット４の幅ｗ_２と同等かこれよりも少々大きく設定される。これにより、シール溝３および突起８を設けたセパレータ２とガスケット４延いてはこれを被着したＭＥＡ１との組付時の平面上位置合わせが可能とされることから、部品の組付精度を向上させることができる。

尚、上記実施例に係るシール構造における堰状溝部７以外の構成は、上記比較例と同じである。したがって同一の符号を付してその説明を省略することにする。

また、突起８は、シール溝３の内面でなくガスケット４の側面に一体成形することが考えられるが、この場合には、材質上の都合から突起８を溝長手方向に長く設定しなければならない不都合がある。突起８をシール溝３の内面に一体成形すれば、ガスケット４の仕様が変更されてもガスケット幅が同等である限り、突起８を堰として使い続けることができる。

本発明の実施例に係るシール構造を有する燃料電池スタックの組付前の状態を示す要部断面図同スタックの組付後の状態を示す要部断面図および説明図比較例に係るシール構造を有する燃料電池スタックの組付前の状態を示す要部断面図同スタックの組付後の状態を示す要部断面図および説明図

符号の説明

１ＭＥＡ（一方の燃料電池用構成部品）
２セパレータ（他方の燃料電池用構成部品）
２ａセパレータ下面
３シール溝
３ａシール溝底面
３ｂシール溝側面
４ガスケット（シール部品）
４ａ基部
４ｂリップ部
５溝幅方向の隙間
６接触部
７堰状溝部
８突起
８ａ突起下面
８ｂ突起側面
Ａセル内側
Ｂセル外側

Claims

互いに重ねられる一対の燃料電池用構成部品と、一方の燃料電池用構成部品と対向するように他方の燃料電池用構成部品に設けられたシール溝と、前記シール溝に挿入され、燃料ガスまたは酸化ガスが漏洩しないように両燃料電池用構成部品間をシールするシール部品とを有し、前記シール溝の内面とシール部品との間に溝幅方向の隙間が形成される燃料電池用シール構造において、
前記隙間を狭めることにより燃料ガスまたは酸化ガスが前記シール溝内を溝長手方向に沿って流れるのを抑制する堰状溝部を有し、
前記堰状溝部は、前記シール溝の内面に突設された他方の燃料電池用構成部品と一体の突起よりなり、前記突起は溝長手方向の一部に設けられていることを特徴とする燃料電池用シール構造。
請求項１記載の燃料電池用シール構造において、
隙間はシール部品の溝幅方向両側に形成され、突起も溝幅方向両側に設けられていることを特徴とする燃料電池用シール構造。