JP6803996B2 - 燃料電池のシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のシール構造に関する。

燃料電池の従来構造として、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）を備え、その厚み方向両側に一対の金属セパレータを積層して発電セルとし、この発電セルを複数個積層したスタック構造をなすものがある。この種の燃料電池は、膜電極接合体のカソード側に酸化ガス（空気）を供給し、アノード側に燃料ガス（水素）を供給することで、水の電気分解の逆反応である電気化学反応によって電力を発生する。

積層された発電セル内には、酸化ガス（空気）や燃料ガス（水素）、冷却水などの媒体のための流路が設けられている。個々の流路は、例えば金属セパレータによって形成されている。金属セパレータは、鉄やアルミニウムなどの金属材料からなる一対の板状の部材を接合させたもので、これらの一対の部材の間や別の部材との間に、媒体のための流路を形成する。個々の発電セルは、積層されて両端を一対のエンドプレートに挟み込まれ、燃料電池スタックとなる。

この種の燃料電池は、例えば特許文献１に記載されている。

図８に示すように、燃料電池スタック１１は、膜電極接合体１２を一対の金属セパレータ１３で挟んで作成した発電セル１４を複数個積層し、一対のエンドプレート１５で挟み込んでいる。両端部に位置する発電セル１４はエンドセル１４ａとされ、エンドセル１４ａは、絶縁板１６を介してエンドプレート１５に挟み込まれている。

図８は、膜電極接合体１２の一部をなす樹脂フィルム１７を一対の金属セパレータ１３に挟み込んでいる状態を示している。膜電極接合体１２の詳細は省略して示しているが、一対の金属セパレータ１３は、樹脂フィルム１７の両面に設けられた図示しない電極層も挟み込んでいる。ただし金属セパレータ１３は、樹脂フィルム１７や電極層などの膜電極接合体１２それ自体には直接接触せず、シールビード１８に膜状に設けた弾性部材１９を介して接合している。

弾性部材１９は、例えばゴム状弾性材料によってシールビード１８上に成形された膜状のものである。特許文献１は、樹脂材（５６ａ）として弾性部材１９を紹介している（文献１の段落［００３５］参照）。このような弾性部材１９は、例えば接着成分を含有するゴム材を用意し、これをシールビード１８に印刷することによって成形されている。

図８に示すように、シールビード１８は、弾性部材１９を介して膜電極接合体１２を挟み込んでいる。これに対してエンドセル１４ａの両端部分では、図８及び図９に示すように、エンドプレート１５に設けられた絶縁板１６に接触している。絶縁板１６は一般的に樹脂製であり、金属セパレータ１３とは熱膨張率が異なる。このため図１０に示すように、温度環境の変化によって金属セパレータ１３と絶縁板１６との間に相対変位による位置ずれが生じ、これによって弾性部材１９には剪断力が作用して、シールビード１８から剥離してしまうことがある。

図１１に例示するように、特許文献１には、絶縁板１６に溝２０を設け、この溝２０に遊びをもってシール部材２１を収納するようにした発明が記載されている（文献１の段落［００４８］〜［００６２］参照）。シール部材２１は、弾性を有する高分子材料、例えばシリコンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴムなどのゴム状弾性部材であり、溝２０に嵌合するのではなく、隙間Ｇによる遊びをもって収納され、溝２０の底面に接着又は融着されている（文献１の段落［００４９］参照）。このようなシール構造は、前述したシールビード１８から弾性部材１９が剥離するという問題に対して、解決策を与えるはずである。図１０に示すように、金属セパレータ１３と絶縁板１６との間に位置ずれが生じたとき、シール部材２１は隙間Ｇの範囲で自由に撓み、金属セパレータ１３と絶縁板１６との間の位置ずれを吸収するからである。

特開２０１８−０２２５９５号公報

特許文献１に記載されているシール部材、例えば図１２に示すようなシール部材２１は、金属セパレータ１３と絶縁板１６との間に相対変位が発生したとき、大きく撓むことが求められる（図１３、文献１の図８参照）。このためシール部材を用いたシール構造は、温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれを吸収することができる一方で、金属セパレータと絶縁板との間の面圧の低下を生じさせる。このとき両者間をシールするのに十分な面圧が発生すればよいのだが、シール部材は大きく自由に撓むため、必要な面圧を得られにくい。

その結果シール性能が低下するため、改善が求められる。

本発明の課題は、温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれを吸収しながら、両者間の面圧を高め得るようにすることである。

本発明の燃料電池のシール構造は、発電セルを複数個積層した燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルに含まれる金属セパレータのシールビードに膜状に設けられた弾性部材と、前記両端に位置するエンドセルを挟み込むエンドプレートに設けられた絶縁板中、前記シールビードに対面する位置に沿って設けられた溝と、前記溝にこの溝の長手方向と直交する方向に遊びをもって収納され、前記シールビードに設けられた弾性部材に密接するシール部材と、前記シール部材の底面中央部からこのシール部材の長手方向に沿って突出する底面突条と、前記シール部材の両端面からこのシール部材の長手方向に沿い、前記エンドセルと前記絶縁板との間を通る媒体の流れの上流側よりも下流側の肉厚を厚くして突出し、前記溝の長手方向の両側壁にそれぞれ対面する側面突部と、を備えることによって上記課題を解決する。

本発明によれば、温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれをシール部材によって吸収しながら、底面突条によって溝とシール部材と間の面圧を高め、シール効果を向上させることができる。

燃料電池スタックの概略構造を示す模式図。 燃料電池のシール構造の第１の実施の形態を示す垂直断面図。 流路を通る媒体から加圧力を受けたシール部材が変位した状態を例示する垂直断面図。 燃料電池のシール構造の第２の実施の形態を示す垂直断面図。 燃料電池のシール構造の第３の実施の形態を示す垂直断面。 燃料電池のシール構造の第４の実施の形態を示す垂直断面。 従来の燃料電池スタックの概略構造を示す模式図。 エンドセルの金属セパレータと絶縁板との接触状態を示す垂直断面図。 図１１に示す金属セパレータと絶縁体との間に、熱膨張率の違いを原因とする相対変位による位置ずれが生じている状態を例示する垂直断面図。 エンドセルの金属セパレータと絶縁板との間にシール部材を介在させた構成例を示す垂直断面図。 図１３に示す金属セパレータと絶縁体との間に、熱膨張率の違いを原因とする相対変位による位置ずれが生じている状態を例示する垂直断面図。

実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、固体高分子形燃料電池に用いられるシール技術に係り、特に燃料電池スタック１０１のエンドセル１１１ａをシールするシール構造１０２に関する（図１参照）。

本実施の形態では、図１に示す一対のエンドセル１１１ａのうち、下方に位置するエンドセル１１１ａのシール構造１０２について説明している。説明の便宜上、上下左右と方向を特定しているが、この特定は図１に示す状態を基準としている。したがって上方に位置するエンドセル１１１ａの場合、本実施の形態とは上下左右が反転する。また図１に示す方向とは異なる向きに燃料電池スタック１０１を配置した場合、本実施の形態中で特定している上下左右の方向性は、全く異なるものとなる。もっともいかなる方向に燃料電池スタック１０１を位置づけたとしても、本実施の形態で特定する上下左右の方向を参酌すれば、各部の方向性を容易に理解することが可能である。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１０１は、発電セル１１１を複数個積層し、その両端を一対のエンドプレート１３１によって挟み込み、締着した構造を有している。

発電セル１１１は、水素と酸素とから電気エネルギーを取り出す構造物である。ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる膜電極接合体１１２を備え、その厚み方向両側に一対の金属セパレータ１１３を備えている。

膜電極接合体１１２は、固体高分子から構成された例えば樹脂フィルム１１４からなる電解質膜の両面に、カソード側及びアノード側となる一対の電極層（図示せず）を設けている。金属セパレータ１１３は、鉄やアルミニウムなどの金属材料からなるプレートであり、複数個のシールビード１１５を規則的に配列している。一つの発電セル１１１に対して、金属セパレータ１１３は一対用意されている。一対の金属セパレータ１１３は膜電極接合体１１２を挟み込み、膜電極接合体１１２の両側に複数個の流路１１６を形成する。流路１１６は、シールビード１１５によって形成される。

発電セル１１１は、膜電極接合体１１２のカソード側に酸化ガス（空気）を供給し、アノード側に燃料ガス（水素）を供給することで、水の電気分解の逆反応である電気化学反応によって電力を発生する。このとき流路１１６は、酸化ガス（空気）及び燃料ガス（水素）のみならず、冷却水を流通させる流路としても用いられる。

燃料電池スタック１０１において、両端に位置する発電セル１１１はエンドセル１１１ａと呼ばれる。エンドセル１１１ａはエンドプレート１３１に対面している。ただしエンドセル１１１ａとエンドプレート１３１とは直接対面しているわけではなく、両者間には絶縁板１３２が介在している。絶縁板１３２は樹脂などの絶縁材料、例えばポリカーボネートやフェノール樹脂などによって形成されている。

前述したように、金属セパレータ１１３は複数個のシールビード１１５を規則的に配列している。積層された複数個の発電セル１１１の両側に配置した一対のエンドプレート１３１を締着したとき、シールビード１１５は弾性変形し、挟み込んでいる膜電極接合体１１２との間のシールを実現する。

シールビード１１５は、他の部材との間の密接面に位置させて、弾性部材１１７を接着固定している。弾性部材１１７は、例えば接着成分を含有するゴム材を用意し、これをシールビード１１５に印刷することによって成形されている。したがってシールビード１１５は、膜電極接合体１１２に直接接触するのではなく、弾性部材１１７を介して膜電極接合体１１２に接触している。

もっとも弾性部材１１７を介して膜電極接合体１１２に接触するのは、エンドセル１１１ａの両端部分以外の領域に設けられたシールビード１１５である。エンドセル１１１ａの両端部分のシールビード１１５は、エンドプレート１３１に設けられた絶縁板１３２に対面し、膜電極接合体１１２には対面しない。

エンドセル１１１ａの両端部分のシールビード１１５と絶縁板１３２との間には、シール部材１５１が介在している。シール部材１５１は、断面矩形形状のゴム状弾性部材である。絶縁板１３２には、シールビード１１５に対面する位置に沿って溝１３３が設けられている。シール部材１５１はこの溝１３３に収納され、シールビード１１５に密接する。このときシール部材１５１が密接するのは、シールビード１１５に設けられた弾性部材１１７である。

図２に示すように、溝１３３はシール部材１５１よりも幅が広くなっており、溝１３３とシール部材１５１との間には隙間Ｇが発生している。燃料電池スタック１０１の組立に際しては、シール部材１５１の両側に同じ幅で隙間Ｇが発生するように、各部が組み付けられる。したがってシール部材１５１は、溝１３３の長手方向（図２中の奥行き方向）と直交する方向に隙間Ｇによる遊びをもって溝１３３に収納されている。

シール部材１５１は、その底面に底面突条１５２を一体に成形している。底面突条１５２は、シール部材１５１の底面中央部に位置づけられ、シール部材１５１の長手方向（図２中の奥行き方向）に沿って延びている。

このような構成において、エンドセル１１１ａの両端部分に位置する金属セパレータ１１３と絶縁板１３２との間は、撓んだシールビード１１５の弾性復元力によってシールされる。このときシールビード１１５は、弾性部材１１７とシール部材１５１とを介して絶縁板１３２の溝１３３の底面に密接する。

金属製の金属セパレータ１１３と樹脂製の絶縁板１３２とでは熱膨張率が異なるため、温度環境の変化に伴い、両者の間には相対変位による位置ずれが発生する（図８参照）。金属セパレータ１１３と絶縁板１３２との間に位置ずれが発生したとき、シール部材１５１は隙間Ｇの範囲内で自由に撓み、その位置ずれを吸収する。これによって弾性部材１１７には剪断力が作用せず、シールビード１１５からの弾性部材１１７の剥離を防止することができる。

シール部材１５１は、シールビード１１５に押圧されて絶縁板１３２の溝１３３の底面に密接する。このときシールビード１１５による押圧力が相対的に強ければ、底面突条１５２は潰れてシール部材１５１の底面全面が溝１３３の底面に密接する。これに対してシールビード１１５による押圧力が相対的に弱ければ、底面突条１５２は大きく潰れず、シール部材１５１の底面は、全面的には溝１３３の底面に密接しない。

いずれの場合であっても、溝１３３の底面に対する底面突条１５２の接触面積は、シール部材１５１の底面の面積に対してはるかに小さい。このため底面突条１５２が設けられていない構成例（例えば図９、図１０参照）と比べると、シールビード１１５からの押圧力が同一である場合の面圧が格段に高まり、密接力が向上する。とりわけシールビード１１５による押圧力が相対的に弱く、底面突条１５２が完全に潰れ切らないような場合、底面突条１５２が設けられていない構成例と比較して、溝１３３の底面に対する面圧が著しく高まり、シール性が向上する。

底面突条１５２は、シールビード１１５からの押圧力を最も強く受けるシール部材１５１の底面中央部に配置されている。このため溝１３３の底面に対するシール部材１５１の面圧を効率よく上昇させることができる。

もっとも実施に際しては、底面突条１５２は必ずしもシール部材１５１の底面中央部に位置づけられていなければならないわけではなく、中央部からオフセットした位置に配置されていてもよい。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態を図３及び図４に基づいて説明する。第１の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

図３に示すように、燃料電池スタック１０１は、エンドセル１１１ａの両端部分に位置する金属セパレータ１１３とエンドプレート１３１に設けられた絶縁板１３２との間にも、流路１１６を形成する。このためシール部材１５１は、流路１１６を通る媒体の流れによって加圧力を受ける。例えば流路１１６を通る媒体が図３中の白抜き矢印で示す方向に流れるとすると、図中、シール部材１５１は右側からの加圧力を受ける。

このときシール部材１５１は、例えば特許文献１に記載されているような構造とは異なり、溝１３３の底面にシール部材１５１を固定していない。底面突条１５２を設けているために、接着によるか溶着によるかを問わず、溝１３３の底面にシール部材１５１を固定することができないからである。このため流路１１６を通る媒体の流れによる加圧力を受けたシール部材１５１は、流れの下流側方向に向けて位置ずれを生ずることがある。

シール部材１５１に位置ずれが生ずると、シール部材１５１が自由に撓むことができなくなり、弾性部材１１７に剪断力を作用させないというシール部材１５１の機能が損なわれてしまう。例えば図３に示す一例では、溝１３３内の側壁のうち左側に位置する側壁に寄った位置にシール部材１５１は偏移しているので、左側への自由な撓みが規制されてしまう。

そこで本実施の形態では、シール部材１５１に側面突部１５３を一体に成形している。側面突部１５３は、シール部材１５１の両端面から長手方向に沿って連続的に突出する構造体で、シール部材１５１と一体に成形されている。

一対の側面突部１５３の配置位置は、シール部材１５１の下端両端面である。

一対の側面突部１５３の形状は、断面湾曲形状であり、下面側隅部の方が上面側隅部よりも大きな曲率半径を持つように形成されている。

このような配置位置及び形状を与えられたシール部材１５１は、鍔が水平方向に延びるハットのような断面形状を有している。

左右一対の側面突部１５３の端部１５３ａ同士を結んだ距離は、例えば溝１３３の両側壁間の離隔距離とほぼ同じか、あるいは僅かに短い長さを有している。

このような構成において、側面突部１５３はその端部１５３ａを溝１３３の側壁に突き当てるので、流路１１６を通る媒体の流れによる加圧力を受けたとしても、これに応じてシール部材１５１が溝１３３内を移動してしまうことがない。これにより溝１３３内でのシール部材１５１の偏在を防止することができる。

側面突部１５３は、シール部材１５１に連続的に成形されている。このため流路１１６を通る媒体の流れによって加圧力を受けたシール部材１５１の変形が抑制され、溝１３３からのシール部材１５１の脱落を防止することができる。

ただし側面突部１５３を設けていない第１の実施の形態の構成例と比較して、シール部材１５１の部分では撓み量が減少する。

これに対して本実施の形態の側面突部１５３は、シール部材１５１の下端両端面に配置されており、側面突部１５３よりも上方の領域が占める比率が多くなっているので、シール部材１５１自体にも撓みを生じさせることができる。シール部材１５１の撓みやすさを決定づけるのは側面突部１５３よりも上方の領域だからである。したがってある程度の撓みやすさをシール部材１５１に与えることができる。

燃料電池スタック１０１の組み立てに際しては、溝１３３に対してシール部材１５１を押し込む作業が必要になる。このとき側面突部１５３は、溝１３３の両側壁に対向する部分が断面湾曲形状に形成されているので、溝１３３にシール部材１５１を押し込む作業の作業性が良好になる。

左右一対の側面突部１５３の端部１５３ａ同士を結んだ距離は、溝１３３の両側壁間の離隔距離とほぼ同じか、あるいは僅かに短い長さを有している。このため左右一対の側面突部１５３の端部１５３ａと溝１３３の両側壁との間の摩擦抵抗によってシール部材１５１は溝１３３に保持され、溝１３３が下側になるようにエンドプレート１３１及び絶縁板１３２をひっくり返したとしても、シール部材１５１の脱落を防止することができる。このようなシール部材１５１の保持は、燃料電池スタック１０１の製造に際して、作業性を良好にする。

もっとも実施に際しては、左右一対の側面突部１５３の端部１５３ａ同士を結んだ距離は、溝１３３の両側壁間の離隔距離よりも長く設定されていてもよい。この場合には、溝１３３に対するシール部材１５１の装着作業性は一歩後退することになる反面、溝１３３に対するシール部材１５１の保持性が高まる。

また側面突部１５３は、シール部材１５１の両端面から長手方向に沿って連続的に突出する構造体である構成例を例示したが、連続的であることは必ずしも必須ではない。実施に際して側面突部１５３は、シール部材１５１の両端面から長手方向に沿って断続的に突出成形されていてもよい。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態を図５に基づいて説明する。第１及び第２の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

第２の実施の形態のシール構造１０２は、シール部材１５１に側面突部１５３を設けたことにより、流路１１６を通る媒体から加圧力を受けたシール部材１５１の変位を防止することができる。ところがシールビード１１５による加圧力が相対的に小さい場合、側面突部１５３の高さが低いこともあり、加圧力を受けたシール部材１５１の姿勢が安定せずに、金属セパレータ１１３のシールビード１１５と絶縁板１３２との間に十分なシール性を得られにくいことがある。シール部材１５１の高さが高くなるほどこのような現象は顕著になるため、改善が望まれる。

そこで図５に示すように、本実施の形態のシール構造１０２は、シール部材１５１の両端にそれぞれ設けられている左右の側面突部１５３の肉厚を、左右で異ならせるようにしている。肉厚を変える観点は、エンドセル１１１ａと絶縁板１３２との間の流路１１６を通る媒体の流れである。つまり媒体の流れの上流側に位置づけられる側面突部１５３よりも、下流側に位置づけられる側面突部１５３の方の肉厚を厚くする。

図５に示す一例では、流路１１６中、白抜き矢印で示す方向に媒体が流れる。このような流路１１６に用いられるシール構造１０２の場合、側面突部１５３の肉厚は、媒体の流れの上流側に位置する右側よりも、下流側である左側の方が厚く形成されている。

このような構成において、流路１１６を流れる媒体による加圧力を受けたシール部材１５１は、下流方向に向けて押される。このためシール部材１５１には、底面突条１５２を中心に、下流側に位置する溝１３３の側壁に向かう方向のモーメントが生ずる。このとき媒体の流れの上流側に位置する側面突部１５３に対して、下流側に位置する側面突部１５３は相対的に肉厚であるため、相対的に広い面積で溝１３３の側壁に面接触する。このためシール部材１５１は、底面突条１５２を中心に回転するモーメントを受けたとしても、側壁にその回転を阻まれ、安定した姿勢を維持する。

したがって本実施の形態のシール構造１０２によれば、金属セパレータ１１３のシールビード１１５と絶縁板１３２との間のシール性を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態を図６に基づいて説明する。第１ないし第３の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

図６に示すように、本実施の形態は第３の実施の形態と基本的に共通しており、シール部材１５１の側面突部１５３の肉厚を、流路１１６を通る媒体の流れの上流側と下流側とで異ならせている。第３の実施の形態と相違する点は、シール部材１５１の底面中、中央部の底面突条１５２の両側に位置させて二条の底面窪み１６１が設けられていることである。底面窪み１６１は、シール部材１５１の長手方向に沿い、その全長にわたり設けられた断面半円形形状の窪みである。

このような構成において、シール部材１５１の底面に設けられた二条の底面窪み１６１は、シール部材１５１に肉抜き効果をもたらし、その剛性を低下させる。これによって溝１３３の底面に対するシール部材１５１の面圧が低下し、シール部材１５１の内部に生ずる応力が低減される。

上記各実施の形態の底面突条１５２は、溝１３３の底面に対するシール部材１５１の接触状態を面接触から線接触にしている。これによってシール部材１５１と溝１３３の底面との間の面圧を高め、金属セパレータ１１３のシールビード１１５と絶縁板１３２との間のシール性を維持しているわけである。

その一方で、底面突条１５２が位置するシール部材１５１の中央部分では、内部応力が高まってシール材としての充填率が増加する。このためともすれば充填率が高まりすぎて、例えばひび割れなどの破損がシール部材１５１に発生してしまう可能性がある。

底面窪み１６１は、シール部材１５１の充填率を下げる。これによってひび割れなどの破損からシール部材１５１を保護することができる。

（変形例）
実施に際しては、各種の変形や変更が可能である。上記実施の形態は、絶縁板１３２の溝１３３及びシール部材１５１はもとよりのこと、金属セパレータ１１３やシールビード１１５などについても、形状、寸法比率、材質などの様々な要素について一つの例を挙げているにすぎない。実施に際しては、個々の要素の属性が保たれる限り、あらゆる変更や変形が可能である。

１０１ 燃料電池スタック
１０２ シール構造
１１１ 発電セル
１１１ａ エンドセル
１１２ 膜電極接合体
１１３ 金属セパレータ
１１４ 樹脂フィルム
１１５ シールビード
１１６ 流路
１１７ 弾性部材
１３１ エンドプレート
１３２ 絶縁板
１３３ 溝
１５１ シール部材
１５２ 底面突条
１５３ 側面突部
１５３ａ 端部
１６１ 底面窪み
Ｇ 隙間

Claims (4)

1. 発電セルを複数個積層した燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルに含まれる金属セパレータのシールビードに膜状に設けられた弾性部材と、
   前記両端に位置するエンドセルを挟み込むエンドプレートに設けられた絶縁板中、前記シールビードに対面する位置に沿って設けられた溝と、
   前記溝にこの溝の長手方向と直交する方向に遊びをもって収納され、前記シールビードに設けられた弾性部材に密接するシール部材と、
   前記シール部材の底面中央部からこのシール部材の長手方向に沿って突出する底面突条と、
   前記シール部材の両端面からこのシール部材の長手方向に沿い、前記エンドセルと前記絶縁板との間を通る媒体の流れの上流側よりも下流側の肉厚を厚くして突出し、前記溝の長手方向の両側壁にそれぞれ対面する側面突部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池のシール構造。
2. 前記側面突部は、前記シール部材の下端両端面から上方に向けて肉厚を有している、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 前記側面突部は、前記溝の両側壁に対向する部分に断面湾曲形状を有している、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池のシール構造。
4. 前記シール部材の底面には、このシール部材の長手方向に沿って前記底面突条の両側に底面窪みが設けられている、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の燃料電池のシール構造。

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