JPH0215574A

JPH0215574A - 燃料電池集積体ヘマニフォルドを封着するための組立体

Info

Publication number: JPH0215574A
Application number: JP1067406A
Authority: JP
Inventors: Phillip F Schmitten; フィリップ・フレデリック・シュミッテン; Maynard K Wright; メイナード・ケント・ライト
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1988-03-17
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1990-01-19
Also published as: IT1228186B; SE8803992L; GB2215905A; SE8803992D0; GB2215905B; CA1308164C; GB8825879D0; SE470033B; IT8919300A0; US4849308A

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】（産業上の利用性！？）本発明は、一般的には、燃料の潜在化学エネルギーを電
気に変換することが出来る燃料電池の集積体に関し、よ
り詳細には乾燥状態で集積出来る燃料電池に関する。

（従来の技術）燃料の潜在化学エネルギーを直接電気に変換するために
使用する燃料電池は当該技術分野でよく知られている０
例えば、米国特許第４．４８３．０ｆ１８号の明細書に
記載されている。この種の燃料電池は、種々の電気化学
反応に基すいている０周知の反応の１つは、燃料として
水素を使用し、水素と酸素の反応により電気を発生する
。

水素−酸素電池を構成する一般的な構造の１つは積層構
造であり、７ノード電極とカソード電極とが多孔質物質
によって離間されており、多孔買物質が濃燐酸のような
電解質を保持している。

水素は７ノードの活性領域の背後の通路を通って導かれ
、酸素はカソードの活性領域の背後の通路を通って導か
れる。アノード及びカソードの表面には白金のような触
媒が付着している。

触媒の存在下において水素ガスは７ノードで解離して、
水素イオンと電子になる。水素イオンはイオン電流とし
て電解質を通ってカソードに移動し、電子は外部回路を
通ってカン、−ドに達するカソードにおいて、水素イオ
ンと、電子と、酸素分子とが結合して水を生成する。

７ノード及びカソードの背後に酸化剤及び燃料の流路を
形成し、それらの流入及び流出の方向を全てコントロー
ルするための複数の燃料電池に対し共通のマニアオルト
を使用する技術が知られている。

この場合、燃料電池集積体へこの種のマニアオルトを封
着するにつき種々の問題が生じる。先ず第一に、燃料電
池の各部材の製造上及び集積にあたっての許容誤差のた
めに燃料電池集積体の密封面が不規則な段状面となるこ
とがある。不規則な積重なり面への対応に加えて、シー
ルは約０．３５ｋｇ／Ｃｍ’　（５ｐｓｉ）に及ぶ圧力
に耐えるものでなければならない、燃料電池の使用寿命
が少なくなるにつれて、燃料電池集積体は収縮し変形す
る。３２キロワツトで１５２個の電池を集積した設計の
場合、その変形は約１１．４３　（４インチ半）にもな
る、マニアオルトのシールは、燃料電池集積体が使用寿
命中に変形しても機能を果たすものでなければならない
。

マニアオルト及びシールは約１９１　”０（３７５Ｆ　
）の温度で作動可能なものでなければならない、燃料電
池で使用する電解質が燐酸である場合には、シールは燐
酸及び水蒸気に対して耐性を持つものでなければならな
い、シールの洩れは、約０．０３５ｋｇ／ｃ　ｍ’　（
１／２ｐｓｉ）の差圧で流れの０．２ｚ未満でなければ
ならない、マニアオルトとシールとの組立体は、電池集
積体の湾曲に適応出来るものでなければならず、はぼ、
均一なシール負荷を保持しなければならない。

従来技術にも、上述の諸問題の解決を試みたものがある
。米国特許第４，２１２．３２９号には燃料電池のマニ
アオルト密封システムが開示されているこの封着システ
ムは、マニアオルトと集積体との間に堅固にクランプ止
めされた高分子シールΦフレームを有し、シール・フレ
ームは集積体とともに動く、従って、集積体が変形する
と、シール−フレームもそれとともに変形する。従って
、でこぼこの集積体とシール・フレームとの界面では滑
りはない、滑りは全部が、シールｅフレームとマニアオ
ルトの間の滑らかな個所で起こる。しかしながら、この
従来技術の封着システムでは２つの領域を密封しなけれ
ばならない、第一の領域は固定された剛性接続個所であ
るシール・フレームと集積体との間の領域、第二の領域
は、滑り型のｍ　続ｍ　所であるシール・フレームとマ
ニアオルトとの間の領域である。

（発明が解決しようとする問題点）従って、本発明の目的は、燃料電池集積体によってもた
らされる過酷な環境中で燃料電池集積体の寿命が続く限
り作動可能な、１１Ｍ単でしかも信頼性の高いマニアオ
ルト及びシールを提供することである。

（問題点を解決するための手段）本発明は、マニアオルトを燃料電池集合体に封着するた
めの組立体に関する０組立体は、マニアオルトと集積体
の間の第一密封バリヤーとなる第−弾性部材を有する。

第二弾性部材がマニフォルドと集積体との間の第二密封
へリヤーとなる。

第−及び第二弾性部材は、それらの間にシール組成物を
保持するように保持されている０組立体は更に、マニア
すルドを集積体に物理的に押圧するに必要な力を与える
複数の保持バー、タイ・ロッド、圧縮ばね等を有する。

ひとつの実施例においては、第−及び第二弾性部材はそ
れぞれ、第一テフロン舎コード及び第二テフロン◆コー
ドから成り、シール組成物は弗素化グリースから成る。

シール組立体を圧縮すると、グリースがテフロン・コー
ドと不規則な集積体面との間の小さな間隙に押し込まれ
て、適応性のある複数のコードとグリースとの組合せに
よりシールが形成される。グリースの圧縮によって生じ
る液圧によりテフロン・コードが外向きに移動しないよ
う保持するため、マニフォルドに形成したみぞにコード
を保持すればよい。

テフロン・コードは、使用寿命中に燃料電池集積体が変
形するにつれて、圧縮可能である。テフロン・コードは
引っ張り強度が高く化学的に不活性である。弗素化グリ
ースは、マニフォルドの滑らかな表面と、燃料電池集積
体の不規則な表面との間で良好なシールとなる。弗素化
グリースは、使用寿命中に燃料電池集積体が変形しても
、容易に密封状態を保持する。弗素化グリースは、集積
体の作動温度及び作動圧力並びに高温の燐酸及び水蒸気
に対する耐性を満足するものとして選択された。従って
、本発明のマニフォルド及びシールは、容易に製造出来
、燃料電池集積体の作動全期間を通じて作動信頼性が高
く、燃料電池集積体によって与えられる過酷な作動条件
に耐えることが出来る。

以　　下　　余　　白（実施例）特許請求の範囲に特定した本発明は、以下の好ましい実
施例に関する説明から明らかになるものと考える。

第１図に、本発明の教示に従って構成したマニフォルド
およびマニフォルド拳シールを有する燃料電池集積体１
０を示す、燃料電池集積体ｌＯは、複数の独立した燃料
電池１２から成る６個々の燃料電池は、従来技術により
構成された一対のグラファイト板から成り、その間に一
対の電極（図示せず）と、電解質を含有する母材（図示
せず）とが挟持されている。グラファイト板は酸化剤及
び燃料を運ぶダクト即ち通路（図示せず）を内蔵する、
各電池については、ダクトへの流入部及びダクトからの
流出部が同一位置になるように、グラファイト板を構成
することが知られている。従って、複数の電池を積み重
ねた場合には、燃料ダクトの流入部、燃料ダクトの流出
部、酸化剤ダクトの流入部及び酸化剤ダクトの流出部の
全てが円柱状に配向されることになる。この点に関して
、グラファイト板の構造の詳細は、米国特許環４，５７
２，８７８号明細書を参照されたい、ダクトの流入部及
び流出部を円柱状に配向させることにより、各燃料電池
１２に共通のマニフォルドを介して燃料及び酸化剤の供
給Φ流出を行なわせることが出来る。

（実施例）特許請求の範囲に特定した本発明は、以下の好ましい実
施例に関する説明から明らかになるものと考える。

第１図に、本発明の教示に従って構成したマニフォルド
及びマニフォルド・シールを有スる燃料電池集積体１０
を示す、燃料電池集積体１０は、複数の独立した燃料電
池１２から成る０個々の燃料電池は、従来技術により構
成された一対のグラファイト板から成り、その中間部分
に一対の電極（図示せず）と、電解質を含有する母材（
図示せず）とが挟持されている。グラファイト板は酸化
剤及び燃料を運ぶダクト即ち通路（図示せず）を内蔵す
る。各電池については、ダクトへの流入部及びダクトか
らの流出部が同一位置になるように、グラファイト板を
構成することが知られている。従って、複数の電池を積
み重ねた場合には、燃料ダクトの流入部、燃料ダクトの
流出部、酸化剤ダクトの流入部及び酸化剤ダクトの流出
部の全てが円柱状に配向されることになる。この点に関
して。

グラファイト板の構造の詳細については、米国特許環４
，５７２．８７１１１号明細書を参照されたい、ダクト
の流入部及び流出部を円柱状に配向させることにより、
各燃料電池１２の夫々に共通マニフォルドを介して供給
・流出を行なわせることが出来る。

第１図に示す第一マニフォルド１４は、個々の燃料電池
１２に酸素または空気のような酸化剤を供給するために
使用される０個々の燃料電池１２によって消費されなか
った酸素を集めるために、燃料電池集積体１０の反対側
にも同様のマニフォルド（図示せず）が配置されている
。

燃料流出マニフォルドとして働く第二マニフォルド１６
を第１図に示す、このマニフォルド１６は個々の燃料電
池１２によって消費されなかった燃料を集めるマニフォ
ルドである０個々の燃料電池１２に燃料を供給する目的
で、同様のマニフォルド（図示せず）が燃料電池集積体
１０の反対側に配置されている。マニフォルド１４及び
１８は、電気絶縁及び腐食に対する保護のために弗素樹
脂を被覆したアルミニウム等の金属から成るものにする
ことが出来る。マニフォルド構造のために、ポリフェニ
レン・サルファイドのような耐熱性構造プラスチックを
用いることも出来る０例えばライドン（Ｒｙｔｏｎ）の
商品名で知られている市販の材料からプラスチック製ヤ
ニフォルトを作ることが出来る。

複数の保持組立体１８により、マニフォルドを燃料電池
集積体に物理的に押圧する。保持組立体１８の１つを詳
細に第２図に図示しである。

第２図に示すように、保持組立体１８は、燃料電池集積
体ｌＯの一方ノ側部に位置する第一マニフォルド保持バ
ー２０と、燃料電池集積体１０の反対の側部に位りする
第二マニフォルド保持バー２２とを有する。第一マニフ
ォルド保持バー２０及び第二マニフォルド保持バー２２
は、第一タイ・ロッド２４及び第二タイ寺ロッド２８に
より、一体に保持されている。保持組立体１８は、第２
図に示すように、タイ−ロッド２４及び２Ｂのねじつき
端部に締めつけられた複数のナツトによって一体に保持
されている、第一マニフォルド保持バーとナツト２８と
の中間に一対のマニフォルド圧縮ばね２９がタイ−ロッ
ド２４及び２Ｂの各々に対して１つずつ設けられている
第一マニフォルド保持バー２０及び第二マニフォルド保
持バー２２は、夫々、第一保持バー・パッド３０及び第
二保持バー・バー２ド３２を担持しているこれらのバー
会パッドによりマニフォルド圧縮ばね２９によって与え
られた力がマニフォルドの中央に印加され、ばね負荷を
４つのシールｌ集積体区域に均等に分割する。ナツト２
８を締めつけることにより、保持組立体１８はマニフォ
ルドを燃料電池集積体ｌＯに対して適切な向きに保持す
ることが出来る。マニフォルド圧縮ばね２９は、絶えず
物理的な押圧を継続してマニフォルドを燃料電池集積体
１０へ持続的に密封する。

マニフォルド１４は第３図に示すような断面領域を有し
、このためマニフォルド１４は、マニフォルド圧縮ばね
２９が加えられる負荷により、湾曲した集積体ｌＯに従
って湾曲または屈曲することが出来る。上述したように
、マニフォルドは、保持集合体１８、特に保持バー・パ
ッド３ｏ及び３２によって中央部に負荷が印加されてい
る。この中央部の負荷は、シールで均等に分割されて、
集積体の熱膨張または変形時にほぼ均一な負荷状態を保
持する、全てのマニフォルドの構造は同様の構成である
から、ここではマニフォルド１４についてのみ説明する
。

ｗＩＪ３図には、シール支持具３４も図示しであるが、
その詳細を第４図及び第５図に示す０例えば第４．図に
最もわかり易く示すｌｌ１ｖｌｌ！テフロン番コード３
６のような一対の低密度弾性部材により、集積体１０の
不規則な面に対して順応性のある密封状態が得られる。

コードは化学的に不活性であることに加えて、柔軟で、
圧縮可能であり、引張り強度が高い、コード３６及び３
８は、シール支持具３４に形成されたみぞ４０の内部に
保持されている。シール支持具３４に設けたみぞ４０は
、夫々、第一テフロン・コード３８及び第二テフロン拳
コード３８を保持し、その間にはシール組成物を保持す
る区域４２が形成されている。シール支持具３４に更に
みぞ４４を設けて、シール組成物を受容する区域４２を
大きくすることも出来る。シール支持具３４のみぞ４０
及び４４の形状を第５図に示しである。

両コード３Ｂと３８の間の区域４２は、弗素化グリース
等のシール組成物を貯える貯蔵部となる。第一コード３
Ｂが第一密封バリヤーとなり、第二コード３８が第二密
封バリヤーとなる。シールが圧縮されると、弗素化グリ
ースはコード３６及び３８と集積体ｌＯの不規則な面と
の間の全ての小さな間隙に押込まれて、良好な密封状態
が得られる。みぞ４ｏはコード３Ｂ及び３８がグリース
の圧縮によって生じる液圧のために外向きに動くこがな
いようする。コード３６及び３８とシール支持具３４と
の間には、マニフォルドに対する集積体の相対連動を許
容する滑り面が形成される。

一連のグリース注入部材４Ｂ及び空気抜き部材４８が設
けられていて、集積体の保修のための運転停止時にグリ
ースの交換が出来る。グリース注入部材４６と同じ側に
示されている空気抜き金具４８はグリース交換が完了し
た状態で示しである。

グリースとしては、クライトックス（Ｋｒ２ｔｏｘ）と
いう商品名で市販されているグリースを変性したものを
使用することが出来る。市販されているタライトックス
は、油が多すぎて、この袖が接触する材料物質に吸収さ
れ、残りのクライトックスがｒ泥状に割れＪるためシー
ルが洩れてしまうれがある。これを防止するために、ク
ライトンクスを固めて１９１℃（３？５Ｆ）で６０θ時
間作動させた後においても泥状の割れや風合の変化をき
たさないように、　１０重量２のテフロン６０を添加し
た。更に、集積体ｌＯのシールとの界面に弗化物エラス
トマー被覆を施して、グリースから電池縁部への油の吸
収を少なくすることが出来る。このように被覆を施すと
、不規則な集積体面の不規則性が減じて密封度が向上す
る。

シール保持具３４は、マニフォルド１４に剛性接続され
ている。シール保持具３４は、ポリフェニレン・サルフ
ァイド等の耐熱性構造用プラスチックから形成すること
が出来る。しかしながら、マニフォルドも耐熱性プラス
チック製である場合にはシール保ｊＪｕｌｋ、省いてマ
ニフォルドに直接に複数のみぞ４０及び４４を形成して
もよい。

マニフォルド１４は、第６図に示すように、燃料電池集
積体１０の底部の底部押圧プレート５０に剛性接続され
ている。このような接続になっているから、燃料電池集
積体ｌＯとマニフォルド！４との相対移動の大部分は集
積体の上部に現われる。相対移動の大部分が集積体の上
部に現れるから、上部押圧プレート５２及びマニフォル
ド１４の上部は、集積体の収縮にかかわりなく密封状態
が保持される寸法にしである。出力ｌＯＯキロワー２ト
の集積体の場合、変形は１１．４３　ｃ層（４インチ半
）に達するという測定結果が得られた。

第５図に示すように、集積体の上部においては、シール
保持具３４は滑らかである。第９図に示すように、上部
抑圧プレート５２には、第一テフロン・コード３６及び
第二テフロン拳コード３８を保持するために必要な複数
のみぞ４０が形成されているこれらのみぞが、シール保
持具３４のみぞによってテフロン・コードが捕捉されて
いると同様に、テフロン・コードを捕捉している。テフ
ロン・コードが上部抑圧プレート５２のみぞに捕捉され
ているので、集積体１０とマニフォルド１４の間に相対
移動が生じた場合には、シール保持具３４の滑らかな部
分がコードに対して滑動する。抑圧プルート５２の水平
方向のみぞは、何れの密封バリヤーをも両断していない
。

作動温度における典型的な試験により、作動条件下にお
ける本発明によるシールの適切な機能を例示する。試験
は、圧力０．０３５１ｇ／ｃ　ｍ″（Ｌ／２ｐｓｉｇ）
の空気を用いて行なった。熱サイクルは、３時間かけて
６２．８℃（１４５Ｆ）から１１１１１　”０（３？５
Ｆ）にし、　１９１　”０（３７５Ｆ）で８時間保持し
、約１５時間かけて１８１”０（３７５Ｆ）から８２．
８℃（１４５Ｆ）に冷却するサイクルとした。上下の高
さ約１０．１１１１ｃｍ　（４インチ）、側部に沿った
長さ約１１２．５２ｃ■（４４，３インチ）の典型的な
シールについて試験を行なった。第一コード３６及び第
二コード３８は、夫々、直径０．８４ｃｍ（０，２５イ
ンチ）のゴルテックス（Ｇｏｒｔｅ菫）から成るコード
としその間にクライトツクスーブリースを充填したゴル
テックスのコードを鋸歯状のテフロン袈シール支持具３
４上に保持し、エポキシ接着剤でマニフォルドＨに接着
した。シールを２３８枚のグラファイト板から成る集積
体に付設した。８５回の熱サイクル処理後における、シ
ールの累植移動を測定したところ、４．５７ｃｍ（１，
８インチ）であった、全期間を通じて、シールからの漏
洩は許容限度に保たれた。

ライドン（Ｒ７ｔｏｎ）製のプラスチック・マニフォル
ドを作り、集積体に取付けて試験した。　［１５，８”
０（１５０Ｆ）から１９１℃（３７５Ｆ）も６回の熱サ
イクル処理を行なったが、試験後において検知可能な漏
洩は認められなかった。

以上の説明においては１例示実施例について記載したが
、当業者には幾多の修正及び変形は容易であることは明
らかである１本明細書の開示及び特許請求の範囲の記載
は、これらの全ての修正例及び変形例を包含するもので
ある。４．　　図面の簡単な説明第１図は、燃料電池集積体の斜視図であり、本図には２
本のマニフォルドを図示しである。

第２図は、マニフォルドの支持に用いた一対のタイ・ロ
ー２ド、２本のヤニフォルト支持バー保持バー・パッド
及びマニフォルド圧縮ばねを示す分解図である。

第３図は、集積体に付設されるマニフォルドの断面図で
ある。

第４図は、第３図の一部分の拡大図であり、シールの細
部を示す図である。

第５図は、シール担持部のみぞを示す図である。

第６図は、マニフォルドの底部を集積体に接続した状態
を示す側面図である。

第７図は、マニフォルドの最上部を集積体に接続した状
態を示す側面図である。

第９図は、頂部圧縮プレートのみぞを示す図である。

１０−−・拳・燃料電池集積体１４　、１８　・１１１１マニフオルド３８・ｓｅａ・
第一弾性シール（テフロン中コード）３８・会・・・第二弾性シール（テフロン・コード）出願人：ウエスチングノ＼ウス・エレクトリック拳コー
ポレーション代理人：加藤紘一部（ほか　１名）手続補正書（方式）％式％２、発明の名称燃料電池集積体へマニフォルドを封着するための組立イ
補正をする者事件との関係名称（７１１）４、代理人住所

Claims

【特許請求の範囲】

（１）マニフォルドを燃料電池集積体に封着するための
組立体であって、マニフォルドの周縁部に隣接して配置
されマニフォルドと集積体との間の第一密封バリヤーと
なる第一弾性シールと、第一弾性シールに隣接しかつ第
一弾性シールから離間して配置されマニフォルドと集積
体との間の第二密封バリヤーとなる第二弾性シールと、
第一弾性シールと第二弾性シールの間に配置されてマニ
フォルドと燃料電池集積体の不規則な面との間で順応性
のあるシールとなるシール組成物とから成ることを特徴
とする組立体。
（２）第一弾性シールと第二弾性シールとを離間関係に
保持する複数の等しい間隔のみぞが設けられていること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の組立体。
（３）マニフォルドを集積体の方へ押圧する保持手段を
設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
組立体。
（４）マニフォルドに固着され、内部に配設した弾性シ
ールを受容するみぞを設けたシール保持具を有すること
を特徴とする特許請求の範囲。
（５）シール組成物が、約１０重量％のテフロンを含有
するグリースから成ることを特徴とする特許請求の範囲
第１項または第９項に記載の組立体。
（６）前記の複数のみぞの間に、シール組成物の体積を
増やすためのみぞを設けたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の組立体。
（７）前記の複数のみぞの間に、シール組成物の体積を
増やすためのみぞを設けたことを特徴としる特許請求の
範囲第４項に記載の組立体。