JP5364278B2 - 燃料電池のシール構造 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の供給する反応ガスが外部に漏洩することを防止する燃料電池のシール構造に関する。

燃料電池の発電セル内部を流れる反応ガスの外部への漏洩を防止することが重要であり、種々のシール構造が提案されている。ところで燃料電池スタック積層時にシールが位置ズレをおこして部品間に噛み込まれてしまうと厚さ誤差が発生してしまう。燃料電池スタックは、多数の発電セルを積層するので、発電セル単品でのわずかな厚さ誤差があっても、積層されると大きな積層ズレとなってしまう。そこでこのような積層ズレを防止するためのシール形状が提案されている(たとえば特許文献１)。
特開２００７−１８９５７号公報

ところで本件発明者らは、燃料電池の発電効率の向上について鋭意研究に励んでいるが、シールが配置されるシール溝に反応ガスが逃げてしまうことによって発電効率が低下していることが知見された。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、発電効率の低下を防止可能な燃料電池のシール構造を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、膜電極接合体(１１)へ反応ガスを供給する反応流路領域(１２２)の外側に形成され、シール溝底部(１２３ａ−１)及びシール溝傾斜壁部(１２３ａ−２)を含むシール溝(１２３ａ)を有するセパレータ(１２)と、前記膜電極接合体の反応エリア外に形成されたシールキャリアに配置され、シールキャリア側からセパレータ側に向けて個別に凸状に形成される、前記シール溝底部(１２３ａ−１)に当接し反応ガスが外部へ漏洩することを防止するメインシール部(１４１)と、前記シール溝傾斜壁部(１２３ａ−２)に当接しそのシール溝傾斜壁部(１２３ａ−２)によってメインシール側に寄せられるサブシール部(１４２)と、を含むシール(１４)と、を有し、前記シール溝傾斜壁部に当接していない状態での前記サブシール部の外側面の傾斜角は、前記シール溝傾斜壁部の傾斜角以上であることを特徴とする。

本発明によれば、シール溝傾斜壁部に当接したサブシール部が、そのシール溝傾斜壁部によってメインシール側に寄せられることで、シール溝の空間部分(空洞部分)が少なくなる。このような構成であるので、反応ガスがシール溝の空間部分(空洞部分)を流れることを防止でき、また流れたとしても少流量である。そのため発電効率が低下しないのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明による燃料電池の外観を示す図であり、図１(Ａ)は斜視図、図１(Ｂ)は側面図である。

燃料電池スタック１は、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。

発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述する。

集電プレート２０は、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、上辺の一部に出力端子２１を備える。燃料電池スタック１は、出力端子２１によって、各発電セル１０で生じた電子ｅ^-を取り出して出力する。

絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。

エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。

一方のエンドプレート４０(図１(Ａ)では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード排出口４１ｂ、冷却水排出口４３ｂ及びカソード供給口４２ａは図中右側に設けられている。またカソード排出口４２ｂ、冷却水供給口４３ａ及びアノード供給口４１ａは図中左側に設けられている。

テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット５１が螺合する(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５０とナット５１とが燃料電池スタック１を積層方向に締め付ける。

アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。

燃料電池スタック１は、図１(Ｂ)に示すように、積層された複数の発電セル１０の両側に、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、が配置される。

また燃料電池スタックの片側の絶縁プレート３０の外側には、サブエンドプレート４１が配置され、さらにそのサブエンドプレート４１の外側にたとえば皿ばねなどからなる変動吸収部材４２が配置され、その外側にエンドプレート４０が設けられる。このような積層構造の燃料電池スタックを４本のテンションロッド５０で積層方向に締め付ける。このように変動吸収部材４２が設けられているので、燃料電池スタックに作用する面圧の変動を吸収可能である。

図２は、本発明による発電セルの第１実施形態の構造を示す分解図である。

発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂが配置される構造である。

ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。

電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。

ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。

アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口４１ｂから排出される。

カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口４２ｂから排出される。

アノードセパレータ１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図２では裏面)に重ねられる。カソードセパレータ１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図２では表面)に重ねられる。アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂは、たとえばステンレスなどの金属材料を基材とする導電体で形成される。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(ethylene propylene diene monomer；ＥＰＤＭ)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。

ＭＥＡ１１、アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂには、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(アノード供給マニホールド)４１ａ、アノード排出口(アノード排出マニホールド)４１ｂ、カソード供給口(カソード供給マニホールド)４２ａ、カソード排出口(カソード排出マニホールド)４２ｂ、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)４３ａ及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)４３ｂが形成される。

図３は、従来技術の問題点について説明する図である。図３(Ａ)はセパレータをガス流路側から見た図、図３(Ｂ)はガス流路の一部分の断面図、図３(Ａ)の矢印Ｂ方向から見た拡大図、図３(Ｃ)はシール幅Ｗ１とシール溝開口幅Ｗとの関係を説明する図、図３(Ｄ)は問題点を説明する図である。

ここで本発明の理解を容易にするために、従来技術の問題点について説明する。

シール１４は、セパレータ１２の上に図３(Ａ)に一点鎖線で示すように配置される。

図３(Ｂ)に示すように、ＭＥＡ１１の反応エリアにガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３(１１３ａ，１１３ｂ)が形成される。そしてＭＥＡ１１の反応エリア外にはシールキャリア１１４(１１４ａ，１１４ｂ)が形成される。そしてシールキャリア１１４に配置されたシール１４(１４ａ，１４ｂ)を介してセパレータ１２がＭＥＡ１１に重ねられる。セパレータ１２には、ＭＥＡ１１の反応エリアに対向する反応流路領域１２２と、反応流路領域１２２の外側のシールエリアに対向しシール１４に当接するシール溝領域１２３と、が形成される。セパレータ１２としてはいわゆるストレート流路のタイプを例示する。

シール１４が位置ズレをおこしてセパレータ１２とシールキャリア１１４との間に入り込んでしまうと厚さ誤差が発生してしまう。燃料電池スタックは、上述のように多数の発電セル１０を積層するので、発電セル単品でのわずかな厚さ誤差があっても、積層されると大きな積層ズレとなってしまう。そこでこのような積層ズレを防止するために、シール１４の位置ズレ誤差を吸収できるように、シール溝領域１２３のシール溝１２３ａは、シール１４に対して幅広である。具体的には図３(Ｃ)に示すように、シール１４の幅Ｗ１に対して、部品公差Ｗ２と積層公差Ｗ３とセパレータの抜き勾配部分(シール溝傾斜壁部分)長Ｗ４(片側ではＷ４／２)とを見越して、シール溝１２３ａの開口幅Ｗを設定する。

しかしながら、このようにシール溝１２３ａの開口幅Ｗを設定すると、空間部分(空洞部分)が大きくなってしまう。

図３(Ａ)に示すように、アノード供給口(アノード供給マニホールド)４１ａから供給されるアノードガスは、アノードセパレータ１２ａに形成されたガス分散流路１２１で分散／分配されて、反応流路領域１２２を流れる。このとき上述のように空間部分(空洞部分)が大きいと、ガス分散流路１２１で分散されたアノードガスが、図３(Ｄ)の矢印で示すようにセパレータのシール溝領域のシール当接部分よりも内側の空間に流れ込んでしまう。そして図３(Ａ)の白抜矢印のように流れてしまう、という問題が本件発明者らによって知見された。セパレータのシール溝領域は、シール１４からの押圧力を受け止めるように、ＭＥＡ１１の上にシールキャリア１１４が形成されており、反応ガスが流れても電力を発生しない。したがって、このような構成であっては、反応ガスの供給量に対して得られる電力が低くなってしまい、発電効率が悪いのである。

図４は、本発明によるセパレータ及びシールの一実施形態を示す図であり、図４(Ａ)はシール幅Ｗ１とシール溝開口幅Ｗとの関係を説明する図、図４(Ｂ)は積層状態でのセパレータ及びシールの様子を示す図である。

そこで本実施形態では、図４(Ａ)に示すように、シール１４の幅Ｗ１に対して、部品公差Ｗ２を見越して、シール溝１２３ａの開口幅Ｗを設定するようにしたのである。すなわちシール１４の幅Ｗ１には積層公差Ｗ３やセパレータの抜き勾配部分長Ｗ４(片側ではＷ４／２)を含むようにしたのである。さらにシール１４には、積層状態においてシール溝底部１２３ａ−１に当接し反応ガスが外部へ漏洩することを防止するメインシール部１４１とその両側のサブシール部１４２とを設けるようにしたのである。そしてサブシール部１４２の外側面の傾斜角θ1を、セパレータ１２のシール溝１２３ａのシール溝傾斜壁部１２３ａ−２の傾斜角θ2以上にしたのである。

このようにすることで、図４(Ｂ)に示すように積層状態では、シールのサブシール部１４２は、セパレータ１２のシール溝傾斜壁部１２３ａ−２に当接して内側に寄せられ、シール溝１２３ａの空間部分(空洞部分)を少なくする。ゆえに反応ガスが、シール溝１２３ａの空間部分(空洞部分)を流れることを防止でき、また流れたとしても少流量である。そのため発電効率が低下しない。

また部品公差Ｗ２は確保してあるので、シール１４をセパレータ１２とシールキャリア１１４とで噛み込んでしまうことはなく、厚さ誤差を生じない。

図５は、本発明による燃料電池用セパレータの効果を説明する図である。

図３に示したようなシール(比較例)を使用する場合は、分散流路１２１で分散された反応ガスのうち、シール溝領域のシール溝１２３ａに流れ込んでしまう反応ガスが多かった。このため、反応流路領域１２２を流れる反応ガスの流量が減少してしまっていた。このように反応流路領域１２２を流れる反応ガスの流量が減少すれば、発電性能が低下する。また反応ガスの流量が減少すれば、発電時に生成された水の排出性能も落ちてしまい、流路内に水が詰まってしまい発電できなくなってしまういわゆるフラッディングが発生する可能性もある。

しかしながら、本実施形態では、上述のように構成することで、積層状態でシールのサブシール部１４２がセパレータ１２のシール溝傾斜壁部１２３ａ−２に当接して内側に寄せられるようにした。したがってシール溝１２３ａの空間部分(空洞部分)が少なくなる。するとシール溝１２３ａの空間部分(空洞部分)の通気抵抗が、反応流路領域１２２の通気抵抗よりも大きくなる。このようにすることで、分散流路１２１で分散された反応ガスが、シール溝領域のシール溝１２３ａに流れ込まなくなった。このためほぼすべての反応ガスが反応領域流路１２２を流れるようになり、効率よく発電できたのである。図５に示すように本実施形態では、比較例に対して７０％程度の反応ガスを供給することで、比較例と同等の電力を得ることができたのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、上記実施形態においてはメインシール部１４１を１つにしたが、図６(Ａ)に示すようにメインシール部１４１を２つ又やそれ以上設けてもよい。このようにすれば反応ガスの外部への漏洩を一層強固に防止できる。

また上記実施形態においてはサブシール部１４２をメインシール部１４１の両側に設けたが、図６(Ｂ)に示すようにサブシール部１４２を片側(反応流路領域側)だけに設けてもよい。このようにすれば使用する材料量を低減できる。

さらに上記実施形態においてはサブシール部１４２をメインシール部１４１に連設していたが、図６(Ｃ)に示すようにサブシール部１４２をメインシール部１４１から分離してもよい。このようにしても使用する材料量を低減できる。

さらにまた図６(Ｄ)に示すように、ＭＥＡ１１の表裏両面にシール１４−１，１４−２を配置するときに、それぞれのシール１４−１，１４−２の大きさを適宜変更するとよい。ＭＥＡ１１の片面にはアノードガスが流れ、反対面にはカソードガスが流れる。それぞれのガス供給圧は異なるので、供給圧に応じてサブシール部１４２の大きさを変えることで形状の最適化を図ることができる。また大きい方のシール１４−１のシール幅内裏面に小さい方のシール１４−２を容易に配置できる。

またシールを型成形するときの材料注入部分をサブシール部とすれば、注入口に必要な平坦部分を確保しやすい。またガス抜き部としても用いることができる。

本発明による燃料電池の外観を示す図である。 本発明による発電セルの第１実施形態の構造を示す分解図である。 従来技術の問題点について説明する図である。 本発明によるセパレータ及びシールの一実施形態を示す図である。 本発明による燃料電池用セパレータの効果を説明する図である。 シールの他の実施形態の形状を示す図である。

符号の説明

１１ 膜電極接合体
１２ セパレータ
１２２ 反応流路領域
１２３ シール溝領域
１２３ａ シール溝
１２３ａ−１ シール溝底部
１２３ａ−２ シール溝傾斜壁部
１４ シール
１４１ メインシール部
１４２ サブシール部

Claims (6)

1. 膜電極接合体へ反応ガスを供給する反応流路領域の外側に形成され、シール溝底部及びシール溝傾斜壁部を含むシール溝を有するセパレータと、
   前記膜電極接合体の反応エリア外に形成されたシールキャリアに配置され、シールキャリア側からセパレータ側に向けて個別に凸状に形成される、前記シール溝底部に当接し反応ガスが外部へ漏洩することを防止するメインシール部と、前記シール溝傾斜壁部に当接しそのシール溝傾斜壁部によってメインシール側に寄せられるサブシール部と、を含むシールと、
   を有し、
   前記シール溝傾斜壁部に当接していない状態での前記サブシール部の外側面の傾斜角は、前記シール溝傾斜壁部の傾斜角以上である、
   ことを特徴とする燃料電池のシール構造。
2. 請求項１に記載の燃料電池のシール構造において、
   前記サブシール部は、前記メインシール部の両側にそれぞれ形成されている、
   ことを特徴とする燃料電池のシール構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池のシール構造において、
   前記シールの幅は、前記シール溝の開口幅よりも小さい、
   ことを特徴とする燃料電池のシール構造。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造において、
   前記シールが複数あって、膜電極接合体の表裏両面にそれぞれ配置されるときに、それぞれのシールの大きさが異なる、
   ことを特徴とする燃料電池のシール構造。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造において、
   前記サブシール部は、型成形時の材料注入部分である、
   ことを特徴とする燃料電池のシール構造。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造を有する、
   ことを特徴とする燃料電池。

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