JP6624362B2

JP6624362B2 - 燃料電池スタックのシール構造

Info

Publication number: JP6624362B2
Application number: JP2015072251A
Authority: JP
Inventors: 福田　大輔; 大輔福田; 友二北村
Original assignee: Nippon Gasket Co Ltd
Current assignee: Nippon Gasket Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016192340A

Description

本発明は燃料電池スタックのシール構造に関し、より詳しくは、隣り合うセルの間のシールを維持するシール構造に関する。

従来、複数のセルを積層して構成された燃料電池スタックは公知である（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
図３〜図４に示すように、従来の一般的な燃料電池スタック１は、アノード側ターミナル電極２及びカソード側ターミナル電極３と、それらの間に積層状態で設けられる多数のセル４とを備えている。各セル４は、金属板からなる一対のセパレータ５Ａ、５Ｂと、それらの間に挟持される図示しない電解質膜、空気極及び燃料極を備えている。また、各セル４のセパレータ５Ａ、５Ｂの間には、所要箇所に絶縁用ゴム６が設けられている。そして、隣り合うセル４、４における隣り合うセパレータ５Ａと５Ｂとの間には、それらの輪郭に沿って無端状をしたゴムのシール材７が設けられている。
そして、図示しない複数の締結ボルトとそれらに螺合されるナットとにより両ターミナル電極２、３と全てのセル４が締結されると、ゴムからなる各シール部材７の弾性によって隣り合うセル４、４の隣り合うセパレータ５Ａ、５Ｂ間のシールが維持されるようになっている（図４参照）。このように、従来の燃料電池スタック１においては、隣り合うセル４、４の隣り合うセパレータ５Ａ、５Ｂの間にゴムのシール部材７が配置されることにより、各セル４の内方側で流通する流体（水素、空気及び水）がセル４の外部へ漏れないようになっている。

特開２００８−２１０７０７号公報特開２００９−１４０７５５号公報

ところで、図４に示した従来のシール構造においては次のような問題があった。すなわち、前述したように、燃料電池スタック１は多数のセル４を積層して構成されているので、全体としては数百枚のセパレータ５Ａ、５Ｂを複数の締結ボルトとナットで締結する必要がある。そのため、従来では、締結ボルトの軸力が弱くなるために、上記シール部材７として十分な厚さと比較的高い寸法精度が要求されるという問題があった。一例として従来品のシール部材７は、厚さｔが１００μm±１０μmのものが用いられている。
しかも、従来では、ゴムを所定厚さでインジェクション成形することでシール部材７を製造すると同時に該シール部材７をセパレータ５Ａ又は５Ｂの一面に貼り付けていたものである。因みに、従来では、上記ゴムのインジェクション成形・貼り付け作業に約３０分を要していた。そのため、従来の燃料電池スタック１のシール構造は、生産性が悪いという問題があった。

上述した事情に鑑み、本発明は、一対のアノード側ターミナル電極及びカソード側ターミナル電極と、それらの間に積層状態で設けられる複数のセルと、隣り合うセルの間のシールを維持するシール部材とを備え、上記セルは、板状をした一対のセパレータと、それらの間に挟持される電解質膜、空気極及び燃料極とを備え、
上記両ターミナル電極及び複数のセルが締結ボルトによって締結された際に、上記シール部材によって隣り合うセルの間のシールを維持するようにした燃料電池スタックにおいて、
セルにおける一方のセパレータに該セパレータの輪郭に沿って無端状のシール部材を設けるとともに、セルにおける他方のセパレータに、隣接するセルのシール部材に向けて膨出するフルビードを形成し、
さらに、上記シール部材が設けられた一方のセパレータの裏面と他方のセパレータのフルビードの内面との間に絶縁用ゴムが設けられており、
締結ボルトにより両ターミナル電極と複数のセルが締結された際に、隣り合う一方のセルにおけるセパレータのフルビードが、隣り合う他方のセルのセパレータのシール部材に密着するようになっており、
上記フルビードは断面が半円形となっており、該フルビードに隣接する両側にフルビードと同じ方向に膨出する一対のストッパが形成されていることを特徴とするものである。

このような構成によれば、フルビードがシール部材に密着することで、隣り合うセルの間のシールを確実に維持することができる。また、従来品と比較してシール部材の厚さを薄くすることが可能となり、それにより製造時におけるシール部材の厚さの管理が容易となる。したがって、生産性とシール性が良好な燃料電池スタックのシール構造を提供することができる。

本発明の一実施例を示す斜視図。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部の断面図であり、図２（ａ）は締結ボルトによりセルが締結される前の状態を示し、図２（ｂ）は締結ボルトによりセルが締結された後の状態を示している。従来技術を示す斜視図。図３のＩＶ―ＩＶ線に沿う要部の断面図。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１ないし図２において、燃料電池スタック１は図３に示した従来技術と同様の基本構成を備えている。すなわち、本実施例の燃料電池スタック１は、一対のアノード側ターミナル電極２及びカソード側ターミナル電極３と、それらの間に積層状態で設けられる多数のセル４、４とを備えている。各セル４は、長方形をしたチタンの薄板からなる一対のセパレータ５Ａ、５Ｂと、それらの間の内方側に挟持される図示しない電解質膜、空気極及び燃料極を備えている。また、一対のセパレータ５Ａ、５Ｂの間の所要箇所に絶縁用ゴム６が設けられている。そして、上記両ターミナル電極２，３及び多数のセル４は、図示しない４本の締結ボルトとそれらの先端に螺合されるナットによって一体に締結されるようになっている。

しかして、本実施例は、図２（ａ）、（ｂ）に示したシール構造により、隣り合うセル４、４の間のシールを維持するようになっている。より詳細には、セル４のセパレータ５Ａにおける外面５Ａａ（図２における下方側の表面）の平坦部に、セパレータ５Ａの輪郭に沿って無端状のシール部材７が設けられている。本実施例においては、スクリーン印刷によってゴム塗料を外面５Ａａに塗布することにより外面５Ａａにシール部材７を貼り付けている。ゴムからなるシール部材７の厚さｔは５０μｍ±８μｍとなっており、前述した従来のシール部材７の約半分の厚さとなっている。また、シール部材７の幅ｗは約１００μｍとなっている。ゴム塗料をセパレータ５Ａの外面５Ａａにスクリーン印刷で塗布する際の所要時間は８秒程度である。このように、本実施例のシール部材７はスクリーン印刷によって短時間で設けられている。
また、セル４における他方のセパレータ５Ｂには、上記シール部材７の位置に対応させて、かつ、隣のセル４のシール部材７に向けて膨出するフルビード５Ｂａが形成されている。このフルビード５Ｂａはセパレータ５Ｂの輪郭に沿って無端状に形成されており、フルビード５Ｂａの断面は半円形となっている。フルビード５Ｂａの最大膨出量ｈは約５０μｍに設定されており、フルビード５Ｂａの基部の幅は、上記シール部材７の幅ｗの半分以下の寸法となっている。フルビード５Ｂａは、シール部材７に対して、その幅方向の中央に配置されている。
さらに、セパレータ５Ｂには、上記フルビード５Ｂａを挟んで一対のストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃが膨出させて形成されている。両ストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃは、フルビード５Ｂａに沿って無端状に形成されている。また、ストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃの断面形状は半円形となっており、それらの最大膨出量はフルビード５Ｂａと同等〜約半分となっている。ストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃの幅は、フルビード５Ｂａと同じ幅に設定されており、これらのストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃは、フルビード５Ｂａの幅と同じ距離だけフルビード５Ｂａから離隔させて設けられている。つまり、セパレータ５Ｂａには、隣接位置となるセル４のシール部材７に向けて膨出するフルビード５Ｂａが形成されるとともに、このフルビード５Ｂａの両隣の近接位置にストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃが形成されている。このように、フルビード５Ｂａの両側に一対のストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃが形成されているので、フルビード５Ｂａ押圧された際のへたりを効果的に抑制できるようになっている。
さらに、セル４におけるセパレータ５Ｂのフルビード５Ｂａ、ストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃとそれらに対向するセパレータ５Ａとの間にも絶縁用ゴム６が設けられている。つまり、フルビード５Ｂａ、ストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃの内面には絶縁用ゴムが充填されている。
以上の構成により、各セル４の内方側に配置された図示しない電解質膜、空気極及び燃料極は、無端状のシール部材７とフルビード５Ｂａによって囲繞されるようになっている。

そして、上記両ターミナル電極２、３及び全てのセル４が図示しない複数の締結ボルトとナットによって一体に締結されると、隣り合う一方のセル４のフルビード５Ｂａが、隣り合う他方のセル４のシール部材７に密着するようになっている（図２（ｂ）参照）。
ここで、フルビード５Ｂａはチタンの薄板からなり半円形に膨出しているので、それ自体で弾性を備えている。また、シール部材７はゴムからなり、それ自体が弾性を備えている。そのため、フルビード５Ｂａの頂部がシール部材７に強く密着して、その部分のシールが確実に維持されるようになっている。そして、本実施例においては、フルビード５Ｂａの両側の近接位置に一対のストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃが形成されているので、押圧された状態のフルビード５Ｂａのへたりを効果的に抑制することができる。そのため、隣り合うセル４、４の間のシールが確実に維持されるようになっており、セル４の内方側を流通する流体（水素、酸素、水）がセル４の外部に漏れるのを確実に阻止することができる。
また、本実施例においては、セパレータ５Ａに設けたシール部材７の厚さは、従来品のシール部材の厚さの半分となっている。そのため、本実施例においては、粘度の低いゴム塗料をスクリーン印刷によってセパレータ５Ａの外面５Ａａに塗布することで、そこにシール部材７を設けている。このように、本実施例によれば、従来と比較してシール部材７の厚さを薄くすることが可能となり、それにより製造時におけるシール部材７の厚さの管理が容易となる。また、スクリーン印刷によって短時間（約８秒）でシール部材７をセパレータ５Ａに設けることができる。したがって、本実施例によれば、生産性とシール性が良好な燃料電子スタック１のシール構造を提供することができる。

なお、上記実施例においては、フルビード５Ｂａ、両ストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃの断面は半円形となっているが、それらの断面は台形状であっても良い。
また、フルビード５Ｂａの両側のストッパ５Ｂｂ、５Ｂｃは、それらの両方あるいは一方を省略しても良い。

１‥燃料電池スタック２‥アノード側ターミナル電極
３‥カソード側ターミナル電極４‥セル
５Ａ‥セパレータ５Ａａ‥外面
５Ｂ‥セパレータ５Ｂａ‥フルビード
５Ｂｂ、５Ｂｃ‥ストッパ７‥シール部材

Claims

一対のアノード側ターミナル電極及びカソード側ターミナル電極と、それらの間に積層状態で設けられる複数のセルと、隣り合うセルの間のシールを維持するシール部材とを備え、上記セルは、板状をした一対のセパレータと、それらの間に挟持される電解質膜、空気極及び燃料極とを備え、
上記両ターミナル電極及び複数のセルが締結ボルトによって締結された際に、上記シール部材によって隣り合うセルの間のシールを維持するようにした燃料電池スタックにおいて、
セルにおける一方のセパレータに該セパレータの輪郭に沿って無端状のシール部材を設けるとともに、セルにおける他方のセパレータに、隣接するセルのシール部材に向けて膨出するフルビードを形成し、
さらに、上記シール部材が設けられた一方のセパレータの裏面と他方のセパレータのフルビードの内面との間に絶縁用ゴムが設けられており、
締結ボルトにより両ターミナル電極と複数のセルが締結された際に、隣り合う一方のセルにおけるセパレータのフルビードが、隣り合う他方のセルのセパレータのシール部材に密着するようになっており、
上記フルビードは断面が半円形となっており、該フルビードに隣接する両側にフルビードと同じ方向に膨出する一対のストッパが形成されていることを特徴とする燃料電池スタックのシール構造。
上記シール部材は、上記セパレータの平坦部にスクリーン印刷によって塗布されたゴムからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックのシール構造。
上記シール部材の厚さは５０μｍに設定されており、上記フルビードの膨出量は５０μｍに設定されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタックのシール構造。