JPH02126562A - 燃料電池のガスシール構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、リブ付電極方式の燃料電池、ことに各単位
セル側縁部のガスシール構造に関する。

〔従来の技術〕

多数の単位セルをその積層面にガス不通過性のセパレー
ト板を介在させて積層した積層電池に、ユ その礒いに平行な側面に気密に取付けられた二対のマニ
ホールドの６対から燃料ガスおよび酸化剤ガスを互いに
直交する方向に供給して直接発電を行う燃料電池におい
ては、各単位セル側縁のガスシール部から反応ガスが互
いに対向するガス系側に漏れた場合には、ガス分圧低下
により発電電力が低下するばかりか、燃料ガスと酸化剤
ガスとが混合して爆鳴気を生ずる危険性があるために、
いかに反応ガスの電極外漏出の少ないガスシール構造を
得るかが重要な課題になっている。

第１０図は従来のガスシール構造を示す単位セルの一部
破砕断面を含む斜視図である０図において、■はリブ付
電極方弐の単位セルであり、電解質を保持したマトリッ
クス２の両側を酸化剤電極３および燃料電極７で挟んだ
積層構造からなり、酸化剤電極３は酸化剤ガス１０８の
流路となる溝４Ａを有するガス透過性のリブ付電極基材
４の反溝側に電極触媒層５が担持され、また燃料電極７
は燃料ガスｌ０ＡＯ流路となる４４８八を有するガス透
過性のリブ付電極基材８の反溝側に電極触媒Ｎ９が担持
され、電極触媒層５および９がマトリックス２に密着し
、かつ酸化剤ガスＩＯＢおよび燃料ガスＩＯＡが電極基
材４および８をそれぞれ透過して電極触媒層５および９
に供給されることにより直接発電が行われる。

また、１１はガスシール部であり、酸化剤電極３および
燃料電極７の側縁部を溝４八および８Ａそれぞれの両端
面部分を残して被覆するふっ素樹脂熱融着層　（以下融
着シール層と呼ぶ）１２Ｂ、１２Ａと、マド’Ｊ　ノク
ス２および電極触媒層５．９の側縁部を包囲する枠状に
形成されたふっ素樹脂フィルムからなるシール材１３と
で構成される。このようにガスシール部１１を有する単
位セル１は積層面に図示しないガス不透過性のセパレー
ト板を介在させて複数層積層され、積層面に所定の締付
荷重が加えられることにより積層電池が形成される。

このようにして形成された従来の積層電池においては、
ガス透過性を有する一対の電極３および７の溝４Ａ、お
よび８Ａに平行な側縁部３Ａおよび７＾のガス漏れが、
側縁郡全体に熱融着された融着シール層１２＾、１２Ｂ
により遮断されるとともに、セパレート板とのガスシー
ルもこの側縁部分で融着シール層によって行われる。ま
た一対の電極３および７相互の積層面におけるガス漏れ
は、融着シール層１２と枠状シール材１３とが気密なシ
ール面を形成することにより遮断される。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のソール構造における反応ガスの！権外漏出経路は
、ガス透過性の電極基材の溝に平行な側縁部からこれに
熱融着された融着シール７１１２をその厚み方向に透過
して対向ガスのマニホールドに至る経路と、融着シール
層１２とセパレート板とのシール面（接触界面）、また
はシール材１３との間のシール面をシール面に沿って漏
れる経路とに大別することができる。前者の場合、ふっ
素樹脂にはその分子鎖間を水素分子が拡散透過する性質
があることが知られており、を極それぞれが互いに平行
な両側の側縁にこのような電極外漏出経路を有するので
、多数の単位セルが積層された積層電池においては融着
シール層を透過する漏出経路の聡面禎が大きくなり、こ
の面積に比例して電極外漏出水素ガス量が多くなり、燃
料ガスＩＯＡ中の水素分圧が低下する。

また、後者に対しては、電極３および７にふっ素樹脂フ
ィルムを熱融着加工する際、ふっ素樹脂フィルムの位置
ずれや電極基材との融着むら等に基づいて融着シール層
１２にしわが生しやすく、このしわに沿ってシール面に
電極外漏出経路が形成されるという問題がある。

さらに、しわなどの欠陥の少ない融着ソール層を形成す
るた、めの技術的困難性が伴うために融着シール層の形
成作業に長時間を要するとともに、電橋製造作業と融着
シール層の形成作業が直列作業となり、これが燃料電池
の製造期間および製作コストに多大な影響を及ぼすとい
う欠点がある。

この発明の目的は、単位電池とそのガスシール部とを分
離することにより、融着シール層を用いることなくシー
ル性能の優れたシール構造を経済的にも有利に得ること
にある。

（！ｉｌｌを解決するための手段〕 上記課題を解決するために、この発明によれば、電解質
を保持したマトリックスを挟んでリブ付電極基材に触媒
を担持させた燃料電極および酸化剤電極を配した単位セ
ルがガス不透過性のセパレート板を介して複数層積層さ
れたものにおいて、所定の幅を有する口字状に形成され
その内周部分が前記マトリックスと電極間に挟持された
枠状ふっ素樹脂シートと、前記単位セルの周側面との間
に微小な間隙を保持して前記枠状ふっ素樹脂シートをそ
の両面から挟むパッキングシートと、前記枠状ふっ素樹
脂シートとパッキングシートとの層状体をその両側から
挟むガス不透過板からなり前記リブ付置ｐｆＡ基材のリ
ブに対応する部分に反応ガスの流通溝を有するシール板
とからなるガスシール部を単位セルごとに備え、ガスシ
ール部を含む単位セルがセパレート板を介して複数層積
層されてなるものとするか、または電解質を保持したマ
トリックスを挟んでリブ付電極基材に触媒を担持させた
燃料電極および酸化剤電極を配した単位セルがガス不透
過性のセパレート板を介して複数Ｎ積層されたものにお
いて、前記セパレート板は単位セルの外側に額縁状の延
長部分を持ち、前記リブ付電極基材はそのリブ方向にの
み延長部分を持ち、所定の幅を有する口字状に形成され
その内周部分が前記マトリックスと電極間に挟持された
枠状ふっ素樹脂シートの外周部分が、前記リブ付電極基
材の延長部分と前記セパレート板の延長部分との間に気
密に介装された枠状のパッキングシートによりリブ付電
極基材の延長部分に気密に押圧挟持されてなるガスシー
ル部を備えるものとする。

〔作用〕

上記手段において、所定の幅の口字状に形成された枠状
ふっ素樹脂シートの内周部を単位セルのマトリックスと
電極との間に挟持させるとともに、単位セルの周側面と
の間に微小な間隙を保持して枠状ふっ素樹脂シートの両
面を挟むパッキングシートおよびガス不透過性のシール
板との層状体でガスシール部を構成するとともに、ガス
シール部を含む単位セル表面全体を覆う大きさのセパレ
ート板を介在させて積層電池を形成するよう構成したこ
とにより、単位セルの周側面を包囲する間隙は枠状ふっ
素樹脂シートによって燃料電極側と酸化剤電極側とに画
成され、かつ間隙の外側はバフキングシートおよびシー
ル板の積層体からなるシール部により包囲された酸化剤
電極側ガス空間および燃料ガス側ガス空間が形成される
０両ガス空間それぞれへの反応ガスの供給はシール板リ
ブ付電極基板の溝に対応して形成された流通溝を介して
行われる。したがって、ガスシール部は枠状ふっ素樹脂
シートのみが単位セルに気密に結合するのみで他の主体
部分は単位セルから分離した構造となり、シール面にし
わなどの欠陥を生じやすい融着シール署が排除されると
ともに、間隙の幅を両者が接触しない程度に小さくでき
るので、ふっ素樹脂シートを水素ガスが透過する面積が
大幅に縮小されることにより、高度のガスシール性能が
得られる。また、単位セルおよびガスシール部を別体で
製作することが可能となり、かつガスシール部の加工も
熱融着加工等高度の技術を必要としないので燃料電池の
製造を省時間化１省力化できる。

また、ガスシール部を枠状のふっ素樹脂シートと、その
外周部をリブ付電極基材の延長部分に押圧挟持するよう
電極基材およびセパレート板それぞれの延長部分に介装
されたパッキングシートとで構成した場合には、リブ付
電極基材のリブ方向への延長部分がガスシール部の一部
を兼ねることによってガスシール部の構成が簡素化され
るとともに、ガスシール部と単位セルとの間の隙間がい
ずれか一方の電極基材のリブ（反応ガス通路）に平行な
側面部分に限定され、したがってガス空間を画成する枠
状のふっ素樹脂シートを透過する水素ガス量を低減でき
る。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例ガスシール構造を示す単位セ
ルの一部破砕斜視断面図、第２図は実施例ガスシールｔ
ｌＩａを示す要部の平面図、第３図は第２図におけるＡ
−Ａ方向の断面図、第４図は第２図におけるＢ−Ｂ方向
の断面図であり、従来装置と同じ構成部分には同一参照
符号を用いることにより詳細な説明を省略する。図にお
いて、２１はガスシール部であり、従来のガスシール部
を持たない単位セル１のマトリックス２の周縁部に重な
りを有する幅Ｗなる口字状に形成された枠状のふっ素樹
脂シート２２を挟んでその両側に配されたパッキングシ
ート２３Ａおよび２３Ｂ、さらにその両側に配されたガ
ス不透過性のシールＦｉ２４および溝付きのシール板２
５の積層体として構成される。

実施例の場合、ガスシール部２１は燃料ガスＩＯＡの通
路側ガスシール部２１Ａと、酸化剤ガスＩＯＢの通路側
ガス通路部２１Ｂとで構成され、ふっ素樹脂シート２２
が枠状に裁断された１枚のシートで形成される以外は、
パッキングシート２３Ａ、　２３Ｂ、シール板２４　、
２５はいずれも長方形に裁断され、相互の突き合わせ面
２８が反応ガスのｉ！！ｉ！方向に平行になるよう組合
わされる。また溝付きのシール板２５には、リブ付電極
基材の溝４Ａおよび８Ａの延長線上に反応ガスの流通／
１Ｉ２５Ａが形成される。

また、単位セル１の周側面とガスシール部２１のパッキ
ングシートおよびシール板の内側面との間には第２図に
示すようにその組立時に相互に接触しない程度の微小な
間隙２６が保持され、この間隙２６は第３図および第４
図に示すように枠状ふっ素樹脂シート２２によって燃料
電極７側の間隙２６Ａと酸化剤電掻３側の間隙２６Ｂと
に画成される。したがって、ガスソール部側のｆＬｉＩ
溝２５Ａと電極基材側の１４Ａまたは８Ａとは、二つに
画成された間隙２６Ａ２６Ｂのいずれかを介して連通ず
る。

このように構成されたガスシール部２１を有する単位セ
ル１は、ガスシール部２１を含む単位セルの表面全体を
覆うガス不透過性のセパレート板１６を各積層面に介在
させて複数層積層され、積層面に所定の締付荷重が加え
られることにより積層電池が形成され、積層電池の四つ
の側面それぞれに、第２図に簡単化して示すマニホール
ド３１がバッキング３２を介して気密に取付けられる。

なお、枠状ふっ素樹脂シート２２としては、単位セルに
挟持したとき締付荷重分布に大きな影響を及ぼさない厚
み数１０μｍのフィルム材が用いられる。また、パッキ
ングシート２３およびシール板２４としては、燃料電池
の作動温度に耐える耐熱性および耐りん酸性を有するガ
ス不透過材としてふっ素樹脂系のゴムバッキング材が好
適である。また溝付シール板２５とガス不透過性のシー
ル板２４との突き合わせ面２日をマニホールド３１の内
側に位置させることにより、溝付きシール板２５にはと
くにガスシール性能が要求されないので、リブ付電極基
材を所定寸法に裁断して用いることができる。ただし、
ガス不透過性のシール板２４にリブ付電極基材と同質の
多孔質板をふっ素樹脂で目止めしたガス不透過性板を用
いてもよい。

実施例ガスシール部の組立ては、枠状ふっ素樹脂シート
２２を単位セルｌの組立時にマトリックスと電極との間
にあらかじめ挟持させ、積層電池組立時に単位セルおよ
びガスシール部の各部材をセパレート板１６上に組合わ
せて載置し、この作業を繰返し行った後積層体に締付荷
重を加えることにより、ガスシール部と単位セルの相対
位置はセパレート仮によって固定され、弾性を有するバ
ッキング材の積層体からなるガスシール部の各部材の積
層界面には気密なシール面が形成される。例えば、第３
図の左側面に気密に結合された図示しないマニホールド
から燃料ガスＩＯＡが供給されたと仮定すると、ガスシ
ール部２１Ａによって酸化剤電極３側へのガスの侵入は
阻止され、溝付シール板２５に開口した流通溝２５Ａを
介して燃料１掻７側の溝８Ａに燃料ガスＩＯＡが供給さ
れる。この時、微小な間隙２６Ａと酸化剤電極側の間隙
２６Ｂとの間は枠状ふっ素樹脂シート２２によってシー
ルされ、かつ間隙の幅が小さいので、反応ガスが接触す
るふっ素樹脂シートの面積を従来のシール構造に６ける
それに比べて大幅に小さくできるので、ふっ素樹脂シー
トの分子鎖間を拡散して間隙２６Ｂ側に透過する水素ガ
ス量を大幅に低減することができる。

また、間隙２６Ａの外側へのガス漏れはバッキング材の
積層体からなるシール部２１Ｂによりほぼ完全に遮断さ
れる。

また、実施例ガスシール構造は、第３図および第４図に
示すように、枠状ふっ素樹脂シート２２の内周側の一部
が単位セルｌに挟持されている以外はその主要部分が単
位セル１と分離されているので、単位セルとガスシール
部の製造作業を並列作業とすることが可能となり、かつ
単位セル１およびガスシール部２１はいずれもふっ素樹
脂フィルムの熱融着作業など高度の技術を要する省時間
化が因難な作業を含まない。したがって実施例ガスシー
ル構造によれば、燃料電池の製作時間および工数を大幅
に低減することができる。なお、この実施例ではガスシ
ール部２１を２１Ａ、２１［１に分割製作して徂あわせ
るよう構成したが、パッキングシート２３、シール板２
４．２５をそれぞれ枠状にして一体化することも可能で
ある。

第５図はこの発明の異なる実施例を示す要部の断面図で
あり、枠状ふっ素樹脂シート２２をマトリ７・クス２を
その両側から挟む二枚のシート２２Ａ、２２Ｂで構成す
るとともに、これに対応してパッキングシート２３を２
３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ３枚のシートに分割して配置した
点が前述の実施例と異なる点で、このように構成するこ
とによって燃料ガス側の間隙２６Ａと酸化剤側の間隙２
６Ｂとの間のガスシールをより水素ガスリークが少なく
、信転性の高いものとすることができる。

なお、両実・施例ともにガスシール部２１は、従来のガ
スシール部１１として単位セル１の側縁部に使用されて
いた発電に寄与しないスペースを分離して構成しうるち
のであり、この分単位セルの面積が縮小されるものの、
発電電力に及ぼす影響はほとんどなく、かつ燃料電池を
大型化する必要もほとんどない。

第６図はこの発明の他の実施例を示す一部破砕断面図、
第７図はその要部の平面図、第８図は第７図におけるＣ
−Ｃ方向の断面図、第９図は第７図におけるＤ−Ｄ方向
の断面図である。図において、酸化剤電Ｆｉ　３の電）
基材４および燃料電極７の電極基材８はそれぞれ反応ガ
スの流通溝４＾および８Ａの方向に長さしだけ延長され
た延長部分４４および４８を持ち、セパレート板１６も
これに対応して各辺が２Ｌ分大きく形成される。ガスシ
ール部４１は、内周部分がマトリックス２と電極触媒層
５または９との間に挟持された口字状のふっ素樹脂シー
ト２２と、このふっ素樹脂シート２２の外周部分を電極
基材の延長部分４４または４８に押圧挟持するよう延長
部分４４とセパレートｖｉ、１６との間に介装された酸
化剤通路側のバッキングシー）　４３Ｂ、および延長部
分４８とセパレート板１６との間に介装された燃料ガス
通路側のパッキングシート４３Ａとで構成される。また
、パッキングシート４３Ａ、　４３Ｂのうち、図では燃
料ガス通路８Ａに直交する方向のパッキングシート４３
Ａはその長さが延長部分４４を含む酸化剤通路側の電極
基材４と等しい長さに形成され、電極基材４の酸化剤通
路と平行な側面との間に微小な間隙４８が形成される。

一方、酸化剤通路４Ａに直交する方向のパフキングシー
ト４３Ｂはその長さ方向の両端部に電極基材８の厚みに
、相応する厚みのパフキングシート４３Ａ　との重なり
部４３Ｌを持ち、電極基材８との間に燃料ガス通路８Ａ
に平行な微細な隙間４６Ｂが形成される。

この実施例構造においては、一方のセパレート吸上にま
ずマトリックス２を載置した燃料電極７とバッキングシ
ー）　４３Ａとを微小間隙４６＾を保持して並べて配置
し、つぎに枠状のふっ素樹脂シート２２を所定位置に重
ね、さらに酸化剤電極３とパフキングシート４３Ｂを微
小間隙４６Ｂを保持して並べて配置し、その上にセパレ
ート板１６を配置するという組立手順を繰返し行って単
位セル１の積層体を形成した後、積層面に所定の面圧を
加えることにより、井げた状に組み合わされたパフキン
グシート４３Ａ、４３Ｂにより外周部がガスシールされ
、枠状のふっ素樹脂シート２２によって微小間隙４６Ａ
と４６Ｂとがガスシールされたガスシール部４１が形成
される。したがって、前述の各実施例における溝付シー
ル板２５および溝なしシール板２４の機能は電極基材の
延長部分４４および４８が分担し、かつ２分割または３
分割されたパッキングシート２３Ａ、　２３Ｂ。

２３Ｃ等の機能は一体化されたパッキングシート４３Ａ
。

４３Ｂによって分担されるので、構成が大幅に簡素化さ
れたガスシール部４１が得られるとともに、微小間隙４
６Ａ、４６Ｂ延べ長さが前述の実施例のそれの半分に減
るので、ふっ素樹脂シート２２をｉ３遇する水素ガス量
を低減できる利点が得られる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、単位セルのマトリックスと電
極との間に内周側が挟持された枠状ふっ素樹脂シートと
、単位セルとの間に間隙を保持して枠状ふっ素樹脂シー
トを挟むパフキングシートおよびシール板の積層体とで
主体部分が単位セルから分離されたガスシール部を形成
し、このガスシール部を含めた単位セル表面を覆うセパ
レート板を介在させて積層電池を形成するよう構成した
。

その結果、従来問題となったふっ素樹脂の分子鎖間を透
過する水素ガス量はその透過面積が微小様な間隙部分に
限定されることによって大幅に低減され、熱融着シール
層のしわなどに起因するシール面のガス漏れはその原因
となる融着シール層そうのものが不要になるとともに弾
力性を存するパフキング材の積層体からなるガスシール
部が良好なシール面を形成することによりほとんど排除
されるので、水素ガス分圧の低下による発電電力の低下
や爆鳴気発生の危険性が大幅に低減されたガスシール構
造を有する燃料電池を提供することができる。また、ガ
スシール部は枠状ふっ素樹脂シートを除いてその主体部
分が単位セルと分離され、かつ積Ｎ電池組立時に容品に
組込みを行うことができ、かつ高度の技術を要するがゆ
えに省時間化省力化が困難なふっ素樹脂フィルムの熱融
着作業を必要としないので、ガスシール部の製作作業は
もとより、燃料電池全体の製作作業が省時間化省力化さ
れ、したがってガスシール性能の優れた燃料電池を経済
的にも有利に提供できる利点が得られる。

また、各単位セルの電極基材を反応ガス通路を延長する
方向に所定長さ延長し、この延長部とセパレート板の延
長部との間に気密に介装された枠状のパフキングシート
により、枠状のふっ素樹脂シートの外周部を電極基材の
延長部分に押圧挟持するよう構成した場合には、ガスシ
ール部の構成を前述の実施例に比べて一層簡素化できる
とともに、ふっ素樹脂シートによって画成される微小間
隙の延長が短縮され、したがってより高いガスシール性
能が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の実施例を示す要部の一
部破砕斜視断面図および平面図、第３図および第４図は
第２図におけるＡ−Ａ方向およびＢ−Ｂ方向の断面図、
第５図はこの発明の異なる実施例を示す要部の断面図、
第６図および第７図はこの発明の他の実施例を示す要部
の一部破砕斜視断面図および平面図、第８図および第９
図は第７図におけるＣ−Ｃ方向およびＤ−Ｄ方向の断面
図、第１Ｏ図は従来構造を示す斜視断面図である。 １：単位セル、２：マトリックス、３：酸化剤電極、７
：燃料電極、１１．２１．４１　：ガスシール部、１２
Ａ、１２Ｂ　　：融着シール層、１６：セパレート板、
２２；枠状ふっ素樹脂シート、２３．２３Ａ、２３８４
３Ａ４３Ｂ　　：　ハソキンクシ−ト、２４：　シール
４５　（ｌ無Ｌ）、２５：シール板（溝付き）　、２６
．２６Ａ、２６Ｂ、４６Ａ、４６Ｂ：間隙、２５Ａ：反
応ガスの流通溝、４Ａ、８Ａ：リブ併重　極　基　（オ
　の　溝 （反応ガス通路） ４日　： 電極基 材の延長部。 代Ｊｆ、人ＩＩＪ−Ｊ！１− 山 口 巌 ′ε 第２図 第３図 第４図 第５図 第８図 １１汀７５−九Ｂビ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電解質を保持したマトリックスを挟んでリブ付電極
   基材に触媒を担持させた燃料電極および酸化剤電極を配
   した単位セルがガス不透過性のセパレート板を介して複
   数層積層されたものにおいて、所定の幅を有する口字状
   に形成されその内周部分が前記マトリックスと電極間に
   挟持された枠状ふっ素樹脂シートと、前記単位セルの周
   側面との間に微小な間隙を保持して前記枠状ふっ素樹脂
   シートをその両面から挟むパッキングシートと、前記枠
   状ふっ素樹脂シートとパッキングシートとの層状体をそ
   の両側から挟むガス不透過板からなり前記リブ付電極基
   材のリブに対応する部分に反応ガスの流通溝を有するシ
   ール板とからなるガスシール部を単位セルごとに備え、
   ガスシール部を含む単位セルがセパレート板を介して複
   数層積層されてなることを特徴とする燃料電池のガスシ
   ール構造。 ２）電解質を保持したマトリックスを挟んでリブ付電極
   基材に触媒を担持させた燃料電極および酸化剤電極を配
   した単位セルがガス不透過性のセパレート板を介して複
   数層積層されたものにおいて、前記セパレート板は単位
   セルの外側に額縁状の延長部分を持ち、前記リブ付電極
   基材はそのリブ方向にのみ延長部分を持ち、所定の幅を
   有する口字状に形成されその内周部分が前記マトリック
   スと電極間に挟持された枠状ふっ素樹脂シートの外周部
   分が、前記リブ付電極基材の延長部分と前記セパレート
   板の延長部分との間に気密に介装された枠状のパッキン
   グシートによりリブ付電極基材の延長部分に気密に押圧
   挟持されてなるガスシール部を備えたことを特徴とする
   燃料電池のガスシール構造。