JP7344802B2 - 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。

特許文献１には、複数枚の燃料電池セルが積層された燃料電池のシール構造が開示されている。特許文献１に記載の燃料電池セルは、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体を挟む一対の金属セパレータと、を備えている。一対の金属セパレータは、それぞれビードシール部を備えており、各ビードシール部が対向するように配置されることで燃料ガス、酸化剤ガス等の反応ガスをシールするシール領域が形成されている。

特開２０１７－１３９２１８号公報

ビードシール部を備えた金属セパレータで電解質膜又はフィルムを挟持して燃料電池セルを構成する場合、ビードシール部のビード反力によってシール性が確保される。そのため、ビード反力を発生させるための燃料電池セルのクリアランスが重要となる。しかし、燃料電池セルを数百枚積層させる燃料電池のシール構造においては、各燃料電池セルのクリアランスを一定に保つことが困難となる。

図７は、特許文献１に係る燃料電池のシール構造４への圧力付与時におけるビードシール部２３の変形量を説明する断面図である。金属セパレータ２１は、プレート部２２と、ビードシール部２３と、弾性体２４とを備えている。金属セパレータ２１同士が近接する方向に圧力（荷重）が作用すると、金属セパレータ２１のビードシール部２３が撓みながら変形する。このとき、それぞれの金属セパレータ２１に付与される圧力は一定にならないため、ビードシール部２３の変形量が不均一になるとともに、各燃料電池セル４０のクリアランスも不均一になる。

図７では、ビードシール部２３の変形の大きさを示す電解質膜（又はフィルム）３０,３０間の距離Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５は、いずれも異なっている。荷重を受けた際のビードシール部２３の変形量の差が大きくなり、各燃料電池セル４０のクリアランスが不均一になると安定した反力を確保できなくなるという課題がある。

本発明はかかる課題を解決するために発明されたものであり、シール性能を高めることができる燃料電池のシール構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、隣り合う金属セパレータで電解質膜又はフィルムを挟持して形成された燃料電池セルを複数枚積層して形成された燃料電池のシール構造であって、前記金属セパレータは、プレート部と、前記プレート部の表面側に突出して形成されたビードシール部と、前記ビードシール部の先端の表面に設けられた弾性体と、前記プレート部の表面に前記弾性体から離れて設けられたストッパーと、を有し、隣り合う前記金属セパレータは、各前記弾性体同士が対向するように配置されており、前記電解質膜又はフィルムは、積層方向に隣り合う前記弾性体同士で挟持されるとともに、積層方向に隣り合う前記ストッパー同士で挟持されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、隣り合う弾性体によって電解質膜又はフィルムが挟持されることで、シール領域が形成される。また、積層方向に隣り合うストッパーで荷重を受けることができるため、各ビードシール部の変形量の差を小さくでき、燃料電池セルのクリアランスのばらつきを抑制できる。これにより、各燃料電池セルで安定した反力を確保できるため、シール性能を高めることができる。

本発明の燃料電池のシール構造によれば、シール性能を高めることができる。

実施例１に係る燃料電池のシール構造の要部断面図である。 実施例１に係る金属セパレータの上面図である。 金属セパレータの要部断面図である。 接合セパレータの要部断面図である。 実施例１に係る燃料電池のシール構造への圧力付与時におけるビードシール部の変形量を説明する断面図である。 実施例２に係る金属セパレータの上面図である。 特許文献１に係る燃料電池のシール構造への圧力付与時におけるビードシール部の変形量を説明する断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。ただし、本発明は以下の内容及び図示の内容になんら限定されず、本発明の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形して実施できる。本発明は、異なる実施形態同士を組み合わせて実施できる。以下の記載において、異なる実施形態において同じ部材については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。また、同じ機能のものについては同じ名称を使用し、重複する説明は省略する。以下に示す断面図において、図示の簡略化のために、繰り返す部材の符号の一部の図示を省略する。また、以下の説明における「表面」とは「裏面」の反対側の面という意味である。

図１に示すように、実施形態に係る燃料電池のシール構造１は、燃料電池セル１０を前後方向に複数枚積層させてスタック構造としたものである。燃料電池セル１０は、隣り合う金属セパレータ２１，２１で電解質膜又はフィルム（以下、「電解質膜３０」ともいう）を挟持して形成されている。

金属セパレータ２１は、プレート部２２と、プレート部２２の表面側に突出して形成されたビードシール部２３と、ビードシール部２３の先端の表面に設けられた弾性体２４と、プレート部２２の表面に弾性体２４から離れて設けられたストッパー２５と、を有する。隣り合う金属セパレータ２１，２１は、弾性体２４同士が対向するように配置されている。電解質膜３０は、積層方向に隣り合う弾性体２４，２４同士で挟持されるとともに、積層方向に隣り合うストッパー２５，２５同士で挟持されている。

このような燃料電池のシール構造１によれば、積層方向に隣り合うストッパー２５，２５で荷重を受けることができるため、各ビードシール部２３の変形量の差を小さくでき、ひいては燃料電池セル１０のクリアランスのばらつきを抑制できる。これにより、各燃料電池セル１０で安定した反力を確保できるため、シール性能を高めることができる。以下、実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
（構造）
図１は、実施例１に係る燃料電池のシール構造の要部断面図である。図１に示すように、燃料電池セル１０は、一対の金属セパレータ２１，２１で電解質膜３０を挟持して形成されている。燃料電池セル１０は、アノード側より供給される水素（燃料ガス）と、カソード側より供給される酸素（酸化剤ガス）との化学反応により発電する部材である。

図１及び図２に示すように、金属セパレータ２１は、プレート部２２と、ビードシール部２３と、弾性体２４と、ストッパー２５とを有する。金属セパレータ２１の形状は特に制限されないが、本実施例では矩形を呈する。

図２に示すように、プレート部２２は、金属セパレータ２１の平坦な部位であって、両端部に貫通孔１１，１２が形成されている。貫通孔１１のうち貫通孔１１ａ，１１ａは、積層方向に燃料ガスが流通する孔である。貫通孔１１のうち貫通孔１１ｂ，１１ｂは、積層方向に酸化剤ガスが流通する孔である。

貫通孔１２は、積層方向に冷媒が通る孔である。本実施例では、貫通孔１１は４つ、貫通孔１２は２つ形成されているが個数、形状、位置等を限定するものではない。

図１に示すように、ビードシール部２３は、プレート部２２の表面に突出して形成されている。プレート部２２及びビードシール部２３は、例えば、金属平板をプレス成形して形成することができる。図２に示すように、ビードシール部２３は、外縁部２３ａと、囲い部２３ｂとで構成されている。外縁部２３ａは、プレート部２２の外縁の周方向全体に亘って形成されている。囲い部２３ｂは、外縁部２３ａに連続し、各貫通孔１１ａ，１１ｂの二辺に沿って周方向を囲うように形成されている。

図１に示すように、ビードシール部２３の先端の表面には、その延長方向に沿って弾性体２４が配置されている。弾性体２４は、断続的に設けてもよいが、本実施例ではビードシール部２３の延長方向全体に連続的に設けている。弾性体２４は、弾性を有する材料で形成すればよく、例えば、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、樹脂等を用いることができる。

図１に示すように、ストッパー２５は、プレート部２２の表面に設けられている。ストッパー２５は、本実施例では、プレート部２２の表面において、ビードシール部２３の両側又は片側に設けられている。また、ストッパー２５は、弾性体２４とは別部材であり、弾性体２４とは離間して配置されている。図２に示すように、ストッパー２５は、ビードシール部２３の延長方向に沿って、ビードシール部２３と概ね平行となるように配置されている。また、ストッパー２５は、貫通孔１１ａ，１１ｂの周囲に周方向全体に亘って配置されている。

ストッパー２５は、例えばゴム又は樹脂により構成される。ゴムは、例えばシリコンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ブチルゴム等である。樹脂は、例えば熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エンジニアリングプラスチック等である。

図１に示すように、ストッパー２５の厚みは、スタックした状態において、プレート部２２と電解質膜３０との間の距離に等しくなっている。また、ビードシール部２３を挟んで隣り合うストッパー２５，２５、及び、電解質膜３０を挟んで隣り合うストッパー２５，２５同士で厚みが等しく又は略等しくなっている。

図１に示すように、電解質膜３０は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を構成するものであって、例えば、固体電解質を膜又はフィルム状にして形成されている。電解質膜・電極構造体は、電解質膜３０の両側に一対の触媒層及び一対のガス拡散層（いずれも図示省略）を備えている。

図１に示すように、燃料電池セル１０は、隣り合う金属セパレータ２１，２１が、弾性体２４同士が対向するように配置されている。これにより、弾性体２４，２４を介してビードシール部２３，２３で電解質膜３０が挟持され、反応ガスの遺漏を防ぐシール領域Ｍが形成される。また、積層方向に隣り合うストッパー２５，２５は、電解質膜３０を挟持するとともに、燃料電池セル１０に作用する荷重を支持している。

（製造方法）
次に、燃料電池のシール構造（燃料電池スタック）の製造方法について説明する。当該製造方法では、金属セパレータ形成工程と、接合セパレータ形成工程と、積層工程とを行う。

図３に示すように、金属セパレータ形成工程では、例えば、矩形の金属平板に貫通孔１１ａ，１１ｂ，１２（図２参照）をそれぞれ形成する。また、当該金属平板にプレス成形を行って、プレート部２２及びビードシール部２３を成形する。

次に、金属セパレータ形成工程では、ビードシール部２３の先端の表面に、延在方向に沿って弾性体２４を配置する。弾性体２４は、例えば、弾性体２４を成形した後、当該弾性体２４をビードシール部２３に貼り付けて形成することができる。なお、弾性体２４は、プレート部２２及びビードシール部２３を成形する際に一体成形してもよい。

また、金属セパレータ形成工程では、ビードシール部２３の横の両側又は片側に、ビードシール部２３に沿ってストッパー２５を配置する。ストッパー２５は、例えば、射出成形、スクリーン印刷、ディスペンサ、インクジェット等の手法によって形成することができる。ストッパー２５の厚みが不足する場合には、適宜重ね塗りを行うことができる。

図４に示すように、接合セパレータ形成工程では、ビードシール部２３，２３同士の位置を合わせつつ、金属セパレータ２１，２１の裏面同士を重ね合わせて両者を接合する。これにより、接合セパレータ２６が形成される。接合作業は、例えば、ロウ付け、かしめ、溶接等によって行うことができる。ビードシール部２３，２３が互いに反対方向に突出することで、中空部Ｎが形成される。

図５に示すように、積層工程では、複数の接合セパレータ２６の間に電解質膜３０をそれぞれ挟んで積層体を形成する。最後に、当該積層体を構成する各接合セパレータ２６が近接する方向に荷重を付与して一体化する。これにより、燃料電池のシール構造１（燃料電池スタック）が完成する。

（作用効果）
図５に示すように、燃料電池のシール構造１に圧力（荷重）が付与されると、各ビードシール部２３が撓みながら変形する。燃料電池のシール構造１では、ストッパー２５がビードシール部２３の横にビードシール部２３に沿って配置されている。これにより、積層方向に作用する荷重をストッパー２５で支持することができるため、ビードシール部２３の変形がストッパー２５によって制限される。この結果、ビードシール部２３の変形のばらつきを小さくでき、各燃料電池セル１０のクリアランスが均一又は略均一になる。図示の例では、ビードシール部２３の変形の大きさを示す電解質膜３０，３０間の距離Ｗ１はいずれも一定になっている。

換言すると、本実施例によれば、各ビードシール部２３の変形量の差を小さくできるため、ビードシール部２３に作用するビード反力のばらつきを小さくできる。これにより、燃料電池のシール構造１に設けられた各ビードシール部２３及び弾性体２４で安定した反力を確保できるため、シール性能をそれぞれ同程度にでき、シール性能を向上させることができる。

また、金属セパレータ２１の外縁側は大きな荷重が作用しやすくなっている。しかし、本実施例によれば、ビードシール部２３（外縁部２３ａ）及び弾性体２４が、金属セパレータ２１の外縁に沿って全周に亘って配置されるとともに、ストッパー２５がビードシール部２３（外縁部２３ａ）に沿って配置されている。これにより、燃料電池セル１０の外部から反応ガスが遺漏するのを防ぐことができるとともに、各ビードシール部２３及び弾性体２４でシール性をより安定させることができる。

また、貫通孔１１は反応ガスが流通するとともに、孔が空いているため荷重が集中しやすくなっている。しかし、本実施例では、ビードシール部２３（囲い部２３ｂ）及び弾性体２４は、貫通孔１１を囲うように配置されるとともに、ストッパー２５が当該ビードシール部２３（囲い部２３ｂ）に沿って配置されている。これにより、貫通孔１１から外部に反応ガスが遺漏するのを防ぐことができるとともに、各ビードシール部２３及び弾性体２４でシール性をより安定させることができる。

また、ストッパー２５を連続的に配置することで、燃料電池のシール構造１への圧力に伴うビードシール部２３の大きな変形をストッパー２５で抑制し易くできる。これにより、ビードシール部２３及び弾性体２４によるシール性能の安定性を向上できる。また、ストッパー２５を連続的に形成できるため、ストッパー２５を形成し易くできる。

また、ストッパー２５は、ビードシール部２３の先端にそれぞれ設けられた弾性体２４から離れて配置されている。ストッパー２５をこのように配置することで、ストッパー２５による弾性体２４への干渉を抑制できる。また、ストッパー２５は、ビードシール部２３及び弾性体２４とは別部材として構成されている。これにより、ストッパー２５を容易に配置することができ、設計の自由度を高めることができる。

なお、請求項の「ビードシール部に沿って配置」とは、ビードシール部２３の延在方向と同方向に延在することをいう。「同方向」は厳密な平行に限られず、略平行方向、当該延在方向に対して例えば５°以下の角度を有する方向等である。

また、ストッパー２５は、ビードシール部２３の横にビードシール部２３に沿って連続的に配置されている。「ビードシール部２３の横」とは、燃料電池のシール構造１に通常想定される圧力が作用したときのビードシール部２３の変形量が許容値以下となる程度にビードシール部２３に近い部分をいう。

また、ストッパー２５の配置場所は図２の場所に限定されない。ストッパー２５は、例えばビードシール部２３の形状及び配置によって適宜の場所に配置すればよい。また、ストッパー２５の厚みは、ビードシール部２３の突出高さよりも低いことが好ましいが、ストッパー２５の材質やビードシール部２３の形状によって適宜設定すればよい。また、ストッパー２５の弾性率は、ビードシール部２３の弾性率よりも大きいことが好ましいが、ストッパー２５の材質やビードシール部２３の形状によって適宜設定すればよい。

［実施例２］
図６は、実施例２に係る金属セパレータの上面図である。実施例２に係る金属セパレータ２８は、実施例１に係る金属セパレータ２１（図２参照）におけるストッパー２５に代えてストッパー２７を備えること以外は、実施例１に係る金属セパレータ２１と同じである。このため、重複する説明は省略する。

実施例２において、ストッパー２７は、ビードシール部２３の横にビードシール部２３に沿って断続的に配置されている。図示の例では、ストッパー２７はドット形状を有し、複数のドットがビードシール部２３の延在方向と同方向に配置されることで、ストッパー２７が断続的に配置される。ストッパー２７を断続的に配置することで、例えばビードシール部２３の形状に対応させてストッパー２７を配置し易くでき、ストッパー２７の配置の自由度を向上できる。

１，４ 燃料電池のシール構造
１０，４０ 燃料電池セル
１１，１１ａ，１１ｂ 貫通孔
１２ 貫通孔
２１，２８ 金属セパレータ
２２ プレート部
２３ ビードシール部
２４ 弾性体
２５，２７ ストッパー
２６ 接合セパレータ
３０ 電解質膜

Claims (4)

1. 隣り合う金属セパレータで電解質膜又はフィルムを挟持して形成された燃料電池セルを複数枚積層して形成された燃料電池のシール構造であって、
   前記金属セパレータは、
   プレート部と、前記プレート部の表面側に突出して形成されたビードシール部と、前記ビードシール部の先端の表面に設けられた弾性体と、前記プレート部の表面に前記弾性体から離れて設けられたストッパーと、を有し、
   隣り合う前記金属セパレータは、各前記弾性体同士が対向するように配置されており、
   前記電解質膜又はフィルムは、積層方向に隣り合う前記弾性体同士で挟持されるとともに、積層方向に隣り合う前記ストッパー同士で挟持されていることを特徴とする燃料電池のシール構造。
2. 前記ビードシール部及び前記弾性体は、前記金属セパレータの外縁に沿って配置されており、
   前記ストッパーは、当該ビードシール部に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシール構造。
3. 前記金属セパレータは、積層方向に燃料ガス又は酸化剤ガスが流通する貫通孔を有し、
   前記ビードシール部及び前記弾性体は、前記貫通孔を囲うように配置されており、
   前記ストッパーは、当該ビードシール部に沿って配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池のシール構造。
4. 前記ストッパーは、前記ビードシール部の横に前記ビードシール部に沿って連続的又は断続的に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池のシール構造。

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