JPH0334841Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （考案の属する技術分野） この考案は単位電池を柱状に積層した燃料電
池、特に積層体の側面から燃料ガスおよび酸化ガ
スからなる反応ガスを給気、排気するマニホール
ド蓋の開口フランジ面と前記電池積層体の側面の
周縁部に施されたシール層との間のガスシール構
造に関する。

（従来技術とその問題点） 燃料電池においては電池積層体の側面に燃料ガ
スおよび酸化ガスを互いに直交する方向に給気、
排気するためマニホールドが前記側面の四方に取
付けられる。電池積層体の側面の周縁部に施され
たシール層とマニホールド蓋の開口フランジ面と
の間からの漏洩は、燃料電池の効率低下および燃
料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素との爆発的反
応を誘起するので、電池積層体のシール層とマニ
ホールド蓋の開口フランジ面との間に漏洩を防止
するシール構造が必要であり、従来このためにパ
ツキンを介装したシール構造がとられて来た。以
下従来技術について図面を用いて説明する。第１
図は燃料電池の部分断面斜視図、第２図は従来技
術によるシール構造部の部分拡大斜視図である。

第１図において、単位電池を柱状に積層した電
池積層体１の側面には、燃料ガスの給気用マニホ
ールド２と排気用マニホールド３とが電池積層体
１の対向する側面に、またこれと直角方向の側面
には酸化ガスの給気用マニホールド４と図示され
てない排気用マニホールドとが配置されている。
電池積層体１は単位電池と、これを挟持する燃料
ガスを供給する矢印Ａ，Ｂ方向に形成された溝を
もつプレートおよび酸化ガスを供給する矢印Ｃ，
Ｄ方向に形成された溝をもつプレートからなる単
位体を多数積層して構成されている。燃料ガスの
給気用マニホールド２および排気用マニホールド
３にはそれぞれ入口管２ａおよび出口管３ａが、
また酸化ガスの給気用マニホールド４には入口管
４ａが、図示されてない排気用マニホールドには
出口管が取付けられている。燃料ガスの給気用マ
ニホールド２、排気用マニホールド３および酸化
ガスの給気用マニホールド４および図示されてな
い排気用マニホールドのマニホールド蓋の開口フ
ランジ面と電池積層体１の側面の周縁部に施され
たシール層との間にはパツキンが介装されてお
り、マニホールド蓋とは図示されてない締付部材
で締付けられる。

燃料電池の運転時には燃料ガスは矢印Ａ方向よ
り入口管２ａに入り、マニホールド２より電池積
層体１を経由して、マニホールド３に集められ、
出口管３ａより矢印Ｂ方向に排出される。一方、
酸化ガスは矢印Ｃ方向より入口管４ａに入り、マ
ニホールド４より電池積層体１を経由し、図示さ
れてないマニホールドおよび出口管より矢印Ｄ方
向に排出され、燃料ガスおよび酸化ガスは電池積
層体１の単位電池と電気化学反応をして電気を発
生する。

第２図は上記シール構造部の部分拡大図であ
り、電池積層体１の周縁部のシール層６には絶縁
パツキン１１が装着され、Ｏリングパツキン７は
マニホールド２の開口フランジ面に設けられた溝
のなかに挿入されて、前記絶縁パツキン１１と開
口フランジ面の溝との間に介装されている。ここ
で電池積層体１の側面は単位電池および反応ガス
を供給するプレート等からなる単位体の積層から
なつているので平滑でない。従つてこの側面に施
されたシール層６の厚さは層ごとに異なることに
なる。反応ガスのシールはマニホールド蓋の開口
フランジ面と電池積層体のシール層との間では前
述のように絶縁パツキン１１とＯリングパツキン
７により行なわれ、またマニホールドによりカバ
ーされてない電池積層体１の露出部、すなわち電
池積層体１の角部は電池積層体の側面の周縁部に
施されたシール層６で行なわれ、反応ガスの外部
への漏洩を防止している。

さて燃料電池の運転は一般に室温より高い温
度、例えばりん酸形燃料電池では約200℃程度の
温度で運転されるので、燃料電池の起動停止にと
もなう室温と運転温度との温度差により一般にカ
ーボン材料からなる電池積層体と金属からなるマ
ニホールドとの間に介装されたパツキン材に熱膨
脹差による寸法変化が生じる。従つてこの寸法変
化をなんらかの手段で吸収する必要があるが、従
来のマニホールドの取付構造ではこの熱膨脹差に
よる寸法変化が大きくて吸収されず、熱膨脹差が
生じた場合にＯリングパツキンに過大なせん断応
力が生じ、燃料電池の運転、停止に伴うヒートサ
イクルが繰返されるとＯリングパツキンに疲労に
よるひび割れやクラツクが生じ気密性が低下する
という欠点があつた。

（考案の目的） この考案は前述のような欠点に鑑み、電池の運
転、停止による室温と運転温度との温度差に伴う
ヒートサイクルの繰返しを受けた場合にも、電池
積層体とマニホールド蓋との間の気密性を十分確
保できる燃料電池を提供することを目的とする。

（考案の要旨） 本考案の燃料電池は、単位電池を柱状に積層し
た燃料電池積層体と、開口フランジを有する反応
ガス給排用のマニホールドと、前記燃料電池積層
体側面の周縁部に前記開口フランジに対向して設
けられたシール層と、前記燃料電池積層体とマニ
ホールドとの熱膨張係数の中間の値を有する材料
からなる枠状のシールスペーサーと、パツキン材
とを備え、前記シールスペーサーは前記シール層
と開口フランジとの間に介装し、前記パツキン材
は前記シール層とシールスペーサーとの間および
前記開口フランジとシールスペーサーとの間に介
装し、電池積層体とシールスペーサーおよびシー
ルスペーサーとマニホールド蓋の開口フランジ面
との間の熱膨脹差を低減し、パツキン材に過大な
応力や歪がかからないようにしたものである。

（考案の実施例） 以下図面に基づいて本考案の実施例を説明す
る。第３図以降は本考案の実施例を示す図面であ
り、第１図および第２図と同一部分には同一符号
がつけられる。第３図は電池積層体の四方の側面
にマニホールドを取付けた平面断面図であり、電
池積層体１の側面の周縁部に施されたシール層と
燃料ガスの給気、排気用マニホールド２，３およ
び酸化ガスの給気、排気用マニホールド４，５と
の間に電池積層体を構成するカーボン材料の熱膨
脹係数とマニホールド蓋を構成する金属材料の熱
膨脹係数との中間の値の熱膨脹係数をもつ材料、
例えば炭素繊維、グラフアイト粉末をフエノール
系樹脂で成型した複合材料、タンタル等からなる
枠状のシールスペーサー８をマニホールド蓋の開
口フランジ面の枠状の溝２ｂ，３ｂ，４ｂ，５ｂ
に挿入して介装し、シールスペーサー８の対向す
る二側面に設けられた溝のうち一方の溝と電池積
層体側面のシール層との間および他方の溝とマニ
ホールド蓋の開口フランジ面の枠状の溝との間に
枠状のパツキン材としてのＯリングパツキン７を
介装してシール面とし、図示されてない締付手段
により締付けられている。なお反応ガスによる燃
料電池の運転、電気化学反応は従来技術と同じで
ある。

第４図は第３図におけるＸ−Ｘ方向の断面を示
しており、枠状のシールスペーサー８がマニホー
ルド蓋５の開口フランジ面の枠状の溝５ｂに入れ
られ、枠状の、例えばふつ素ゴムからなるＯリン
グパツキン７がシールスペーサー８の枠状の溝に
挿入されているのが示されている。第５図は第３
図における円Ｐ部の部分拡大図であり、電池積層
体１の側面の周縁部に施されたシール層６とマニ
ホールド蓋２の開口フランジ面に設けられた枠状
の溝２ｂの底面との間に枠状で、その対向する二
側面に溝が形成されたシールスペーサー８が介装
され、その一方の溝８ａと電池積層体側面のシー
ル層６との間および他方の溝８ｂとマニホールド
蓋の開口フランジの溝２ｂの底面との間にＯリン
グパツキン７が介装されているのが示されてい
る。

さて燃料電池が運転されると反応ガスの電池積
層体とマニホールド蓋とのガスシールは前述のよ
うにシールスペーサーを介してＯリングパツキン
によるシール面で行なわれるが、燃料電池の運転
により運転温度が室温より高い温度、例えばりん
酸形燃料電池では運転温度が約200℃程度となり、
このような高い運転温度において、シールスペー
サーの熱膨脹係数が電池積層体およびマニホール
ド蓋との熱膨脹係数の中間の値であるため、シー
ルスペーサーと電池積層体との熱膨脹差、および
シールスペーサーとマニホールド蓋の開口フラン
ジとの熱膨脹差はそれぞれシールスペーサーのな
いときと比較して約半分になり、熱膨脹差による
寸法変化は低減し、Ｏリングパツキンはシール面
として当接する面上を微摺動し、熱膨脹差は吸収
される。また第６図に示すようにシールスペーサ
ー８の表面にポリテトラオロチレンのようなふつ
素樹脂９を薄くコーテイングすればＯリングパツ
キンとシールスペーサー表面との摩擦は低減して
上記熱膨脹差を吸収する摺動性はさらによくな
り、また電気絶縁性をも有する。

第７図は本考案の異なる実施例を示すシール構
造部の部分断面図であり、シールスペーサー８の
両側面に円弧状の溝を設け、Ｏリングパツキン７
をそれぞれの溝に嵌合してシール構造部としたも
のであり、その作用は前述と同じである。

第８図は本考案の異なる実施例を示すシール構
造部の部分断面図であり、シールスペーサー８の
シール層６側の面は円弧状の溝を設けてＯリング
パツキン７を嵌合し、またその反対側の面は平坦
にし、マニホールド蓋２の開口フランジ面に円弧
状の溝を設けてＯリングパツキン７を嵌合してシ
ール構造部としたものであり、その作用は前述と
同じである。

第９図は本考案の更に異なる実施例を示すシー
ル構造部の部分断面図であり、マニホールド蓋２
の開口フランジ面に溝を設けず、開口フランジ面
の平坦な面とシールスペーサー８との間にＯリン
グパツキン８を介装してシール構造部としている
が、その作用は前述と同じである。

（考案の効果） この考案は燃料電池の電池積層体とマニホール
ド蓋との熱膨脹係数の中間の値の熱膨脹係数を有
する材料からなるシールスペーサーを電池積層体
の側面の周縁部に施されたシール層とマニホール
ド蓋の開口フランジ面との間に介装し、シールス
ペーサーと電池積層体側面のシール層との間およ
びシールスペーサーとマニホールド蓋の開口フラ
ンジ面とのシール面にはパツキン材を介装するこ
とにより、燃料電池運転時の室温より高い運転温
度、例えばりん酸形燃料電池では約200℃程度の
温度において、シールスペーサーと電池積層体お
よびシールスペーサーとマニホールド蓋との熱膨
脹差はシールスペーサーのないときと比較して半
分になり、すなわち温度差による熱膨脹差による
寸法変化は非常に少なくなり、パツキン材がシー
ル面として当接する面を微摺動して前記寸法変化
を吸収するので、パツキン材に過大な応力や歪が
かからず、燃料電池の運転、停止によるヒートサ
イクルの繰返しを受けてもパツキン材にひび割れ
やクラツクが生ぜず、十分な気密性を確保できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料電池の一部破断斜視図、第２図は
従来技術によるマニホールドのガスシール構造の
部分拡大斜視図、第３図は本考案を実施した燃料
電池の平面断面図、第４図は第３図におけるＸ−
Ｘ断面図、第５図は第３図における円Ｐ部の拡大
断面図、第６図は表面が被覆されたシールスペー
サーの断面図、第７図、第８図、第９図は本考案
の異なる実施例のガスシール構造を示す部分断面
図である。 １：電池積層体、２：燃料ガス給気用マニホー
ルド、３：燃料ガス排気用マニホールド、４：酸
化ガス給気用マニホールド、５：酸化ガス排気用
マニホールド、６：シール層、７：Ｏリングパツ
キン、８：シールスペーサー。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 単位電池を柱状に積層した燃料電池積層体
   と、開口フランジを有する反応ガス給排用のマ
   ニホールドと、前記燃料電池積層体側面の周縁
   部に前記開口フランジに対向して設けられたシ
   ール層と、前記燃料電池積層体とマニホールド
   との熱膨張係数の中間の値を有する材料からな
   る枠状のシールスペーサーと、パツキン材とを
   備え、前記シールスペーサーは前記シール層と
   開口フランジとの間に介装し、前記パツキン材
   は前記シール層とシールスペーサーとの間およ
   び前記開口フランジとシールスペーサーとの間
   に介装したことを特徴とする燃料電池。 ２ 実用新案登録請求の範囲第１項記載の燃料電
   池において、シールスペーサーは、その表面が
   ふつ素樹脂材料により被覆されてなることを特
   徴とする燃料電池。