WO2008105348A1 - 燃料電池のシール構造体 - Google Patents

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Tomokazu Hayashi
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention is a seal that is disposed on an outer peripheral portion of a manifold that circulates fluid, and prevents external leakage of fluid that circulates through the manifold and / or contamination of foreign substances including dissimilar fluids into the manifold. Concerning the structure. Background art
  • a force sword layer 1 4 (also referred to as a cathode electrode or an oxidizer electrode) is formed on one surface of the electrolyte membrane 1 2, and an anode layer 1 6 (an anode electrode or a fuel electrode is formed on the other surface).
  • the so-called membrane electrode assembly (MEA) 18 is configured so as to face each other with the electrolyte membrane 12 interposed therebetween.
  • the force sword layer 14 is composed of a force sword catalyst layer (not shown) on the inner side, that is, the electrolyte membrane 12 side, and a force sword diffusion layer (not shown) on the outer side.
  • the anode layer 16 includes an anode catalyst layer (not shown) on the inner side, that is, the electrolyte membrane 12 side, and an anode diffusion layer (not shown) on the outer side thereof.
  • FIG. 7 shows a configuration in which the resin frames 3 4 and 3 6 are further applied.
  • the resin frames 3 4 and 3 6 are preferably used when a so-called metal separator using a metal material such as stainless steel is used as the cathode side separator 22 and the anode side separator 24.
  • FIG. 8 is a schematic view illustrating the shape of one side of the force sword side separator 22 shown in FIG.
  • the force sword side separator 22 has a plurality of perforations extending in the surface direction of the separator, that is, in the stacking direction of the unit cells 10, in the outer peripheral portion of the cell refrigerant flow path 30 located in the central portion.
  • Fluid gas manifold (Oxidizing gas supply manifold 5 0, Oxidizing gas exhaust manifold 5 2, Fuel gas supply manifold 5 4, Fuel gas exhaust manifold 5 6, Refrigerant supply manifold 5 8 and refrigerant Has a discharge manifold 6 0).
  • cathode materials such as oxygen and air are supplied to the force sword layer 14 (FIG. 7) via the oxidizing gas supply manifold 50, and anode materials such as hydrogen gas reformed gas. Is supplied to the anode layer 16 (FIG. 7) via the fuel gas supply manifold 54, thereby generating electric power.
  • the raw material for the power sword or the raw material for the node is a gas, these may be referred to as a reaction gas or a raw material gas.
  • the raw material for sword or the oxidizing gas in which at least a part of the contained oxygen is consumed in the sword layer 14 (Fig. 7), is the oxidant gas discharge manifold together with the produced water generated by the battery reaction, etc. 5 It is discharged to the outside via 2 (Fig. 8).
  • the anode raw material or fuel gas in which at least a part of the contained hydrogen is consumed in the anode layer 16 (Fig. 7), passes through the fuel gas discharge manifold 56 (Fig. 8). It is discharged outside.
  • a fuel cell having a desired power generation performance is formed by stacking a plurality of unit cells 10.
  • Such a fuel cell is normally controlled to have a predetermined temperature range of, for example, 60 to 100 during power generation, but generates heat associated with a chemical reaction during power generation.
  • Heat exchange is performed between the refrigerant circulated in the cell refrigerant flow path 30 via the supply manifold 58 (Fig. 8) and the unit cell 10 whose temperature has risen to prevent overheating of the fuel cell. ing.
  • the refrigerant after flowing through the cell refrigerant flow path 30 passes through the refrigerant discharge manifold 60 (Fig. 8).
  • the discharged refrigerant is supplied again to the refrigerant supply manifold 58 (Fig. 8) and circulated. Sometimes used.
  • a seal member (or gasket) is attached to the outer peripheral portion of each manifold to prevent leakage or mixing of the reaction gas flowing through each manifold, particularly on the separator surface.
  • 6 2 to 7 2 are provided.
  • FIG. 7 which corresponds to an enlarged cross-sectional view of the A—A ′ portion shown in FIG. 8, in the seal groove 7 4 formed in the outer peripheral portion of the fuel gas discharge manifold 5 6, A seal member 68 is provided.
  • the seal member 68 is pressed and clamped between the adjacent unit cells 10 by the surface pressure in the cell stacking direction, so that the fuel gas exhaust manifold 5 The hold prevents leakage to the outside and mixing of oxidant gas and refrigerant into the fuel gas discharge manifold 56.
  • seal members 6 2 to 72 are formed on the outer peripheral portions of the fluid manifolds 50 to 60 shown in FIG. 8, respectively.
  • the required performance depends on the type of fluid flowing through the manifold.
  • oxidizing gas supply manifold 50, oxidizing gas discharge manifold 52, fuel gas supply manifold 54, and fuel gas exhaust manifold 56 (these are collectively referred to as reaction gas manifold hold) 7 to 6 8 are required to have predetermined elasticity and at least gas barrier properties, water resistance, and Z or steam resistance, and the electrolyte shown in FIG.
  • Acid resistance sulfuric acid resistance and acid resistance to hydrogen fluoride
  • the refrigerant supply manifold 58 and the refrigerant discharge manifold 60 are resistant to the refrigerant circulating in the interior, and can be separated overnight or sealed. It is sufficient that the refrigerant does not permeate through the member.
  • a refrigerant manifold when water is used as the refrigerant, it is generally only necessary to have water resistance.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2 0 0 4-3 1 1 2 5 4 discloses a fuel cell seal structure in which a seal member is provided for each portion through which each fluid flows. This seal member is doubled so that it has corrosion resistance against any fluid in the part where different fluids are adjacent to each other, and even if one of the doubled seal members is cut locally The other sealing member can avoid fluid mixing.
  • the fuel cell is normally maintained at a predetermined temperature during operation, but is at a temperature according to the surrounding environment when the fuel cell is stopped, and the seal member is further adapted to the environmental conditions and durability. Etc. are also required.
  • a special seal member is manufactured and used, it may be possible to combine the characteristics required for various conditions. However, such a seal member is generally expensive and increases the manufacturing cost. The possibility of connecting was great.
  • the present invention provides a fuel cell sealing structure that has an easy and excellent sealing performance against changes in environmental conditions. Disclosure of the invention
  • the configuration of the present invention is as follows.
  • a fuel cell seal structure in which two or more types of seal members are arranged side by side on the outer periphery of an open fluid manifold.
  • a fuel cell seal structure in which a double seal line is formed by arranging two types of seal members on the outer periphery of the fluid manifold that opens.
  • the fluid flowing through the fluid manifold is a reactive gas, and the juxtaposed seal member is disposed in the vicinity of the fluid manifold and has acid resistance.
  • a fuel cell seal structure including an inner seal member.
  • seal member further includes an outer seal member in which performance degradation at low temperature is small.
  • At least a part of the outer seal member is a seal structure for a fuel cell that is integrated with a refrigerant seal member disposed in an outer peripheral portion of a circulation region of the refrigerant manifold.
  • the inner seal member is a seal structure of a fuel cell, which is ethylene propylene rubber or fluororubber.
  • the outer seal member is a seal structure of a fuel cell, which is silicone rubber.
  • a fuel cell separator comprising the above-described seal structure.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an outline of the configuration of a fuel cell seal structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 a is a diagram for explaining the outline of the configuration of the seal structure of the fuel cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 b is a diagram for explaining the outline of the configuration of the seal structure of the fuel cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the outline of the configuration of the seal structure of the fuel cell according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the outline of the structure of the fuel cell seal structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view illustrating the shape of the seal line.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a modification of the shape of the seal line shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the outline of the configuration of the fuel cell.
  • FIG. 8 is a schematic view illustrating the shape of the cathode side separator shown in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of a fuel cell seal structure according to an embodiment of the present invention. Note that the seal structure shown in FIG. 1 has a cross section A—A shown in FIG. 8, in particular, the force side separator 22 around the fuel gas discharge manifold 56 and the cathode side separator Only the part corresponding to the anode side separator night 2 4 in contact with 2 2 is shown, and the other configurations are omitted for the sake of simplicity.
  • the fuel gas discharge penetrating the cathode side separator 22 in the surface direction is placed on the seal groove 1 7 4 formed on the outer peripheral portion of the manifold 5 6, and the seal members 1 6 8 a, 1 6 8 b Are arranged in parallel to form a series of seal structures in the fuel gas discharge manifold 56.
  • the inner seal member 1 6 8 a disposed on the fuel gas discharge manifold 56 side is made of an elastic material having acid resistance. As a result, the inner seal member 1 6 8 a does not cause a problem caused by the acid flowing through the fuel gas discharge manifold 5 6, so that the cathode side separator 2 2 and the anode side separator 2 2 4 Preventing or suppressing fuel gas leakage from the It becomes possible to control.
  • examples of the elastic material that can be suitably used as the inner seal member 16 8 a can include ethylene propylene rubber or fluoro rubber, but at least as long as the elastic material has acid resistance.
  • Ethylene propylene rubber is a polymer containing ethylene and propylene, and is exemplified based on the abbreviations described in JISK 6 3 97, and ⁇ ⁇ ⁇ (ethylene propylene polymer system) and EPDM (ethylene propylene gen 3 polymer system) Etc.
  • fluororubbers examples include F KM, FEPM, FF KM, etc., based on the abbreviations described in JISK 6 3 97, but from the viewpoint of versatility, FKM (vinylidene fluoride) is generally used. Materials are preferably used.
  • fluoro rubber and ethylene propylene rubber which are preferably used as the inner seal member 16 8 a are sulfuric acid or fluorine which may be mixed into the fuel gas discharge manifold 56 by the operation of the fuel cell. Even in an acid atmosphere such as hydrofluoric acid, it exhibits excellent fluid sealing properties, but fluid sealing properties may deteriorate in low-temperature environments. For example, when environmental conditions up to about minus 30 are assumed, application of fluoro rubber or ethylene propylene rubber as a seal member is generally unsuitable.
  • silicone rubber is preferably used as an elastic material having excellent fluid sealing properties even in a low temperature environment.
  • Silicone rubber is generally a material that has corrosion resistance to substances such as water, water vapor, and ethylene glycol, and is a material that is also widely used as a gasket, but on the other hand, it is not compatible with fluoro rubber or ethylene propylene rubber.
  • the acid resistance is generally low, and it is not suitable for use in an environment that may be exposed to an acid atmosphere for a long time. Therefore, an elastic material such as silicone rubber with slightly lower performance at low temperatures but slightly inferior in acid resistance is placed outside the inner seal member 1 6 8 a with respect to the fuel gas discharge manifold 5 6.
  • Components 1 6 8 b are juxtaposed to prevent deterioration of fluid sealability at low temperatures At the same time, by avoiding direct exposure to an acid atmosphere, it is possible to form a seal structure that exhibits excellent sealing performance without being affected by changes in environmental conditions.
  • “having excellent fluid sealing performance even in a low temperature environment” does not necessarily mean an absolute standard. For example, at a predetermined temperature that can be assumed (for example, minus 30), a desired rubber elasticity (for example, a dynamic characteristic after releasing from a 50% stretch state at a predetermined temperature is directly measured. It is specified that the leakage of the fluid between the separator seal members can be prevented under the predetermined low temperature condition.
  • the sealing performance is appropriately set according to the desired performance of the fuel cell.
  • VMQ vinyl methyl silicone rubber
  • F VM Q Fluorinated silicone rubber
  • liquid or paste-like PIB polyisobutylene
  • LTV Low Temperature Vulcanizable
  • FIG. 2 a is a diagram illustrating an outline of a seal structure for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
  • the inner seal member 1668a and the outer seal member 1668b have substantially the same structure as the seal structure shown in FIG. 1 except that they are formed into a single body.
  • the seal member can be molded at a time.
  • the width of the seal groove 2 7 4 is made smaller than the width of the seal groove 1 7 4 shown in FIG. It is also possible.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the outline of a seal structure of a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
  • the inner seal member 1 6 8 a is provided to cover the edge portion 2 3 of the cathode side separator 2 2 that forms the fuel gas discharge manifold 5 6 It has almost the same structure as the seal structure.
  • the edge portion 2 3 is covered with an acid-resistant inner sealing member 1 6 8 a, so that not only sealing performance is ensured, but also a metal separator as a force sword side separator 2 2 and an anode side separator 2 4 It is possible to prevent the corrosion of the edge portions 23, which can occur when using overnight.
  • at least the edge portion 25 of the anode separator 24 is also coated with a resin material 1 69 that has the same or other acid resistance as the inner seal member 16 8 a. Is preferred.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an outline of a seal structure for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
  • the outer seal member 1 6 8 b has substantially the same configuration as the seal structure shown in FIG. 1, except that the anode side separator 24 is formed on the anode side separator 24.
  • FIGS. 4 by providing a seal structure with two or more types of seal members arranged in parallel on the outer periphery of the fuel gas discharge manifold 56, gas due to deterioration of the seal member due to acid or environmental changes It becomes possible to effectively prevent or suppress the leakage of fuel gas due to the deterioration of the sealing performance.
  • the seal structure including the inner seal member 1 6 8 a and the outer seal member 1 6 8 b is the fuel gas discharge manifold shown in FIG. Not only on the outer periphery of the metal 56, but also on the outer periphery of the oxidizing gas supply manifold 50, the oxidizing gas discharge manifold 52, and the fuel gas supply manifold 55 that may be exposed to an acidic atmosphere. It can also be applied to the part.
  • the inner seal member 16 8 a having acid resistance is not necessary in the outer peripheral portions of the refrigerant supply manifold 58 and the refrigerant discharge manifold 60, but other embodiments
  • the inner seal member 1 6 8 a by applying a steam-resistant seal member that has particularly good fluid sealability at high temperatures, the fluid sealability of each seal member due to temperature change can be improved. It is also possible to suppress or prevent refrigerant leakage due to changes.
  • the characteristics required for the seal material are diverse, and only one type of seal member can satisfy the characteristics. Even when this is difficult, or even when the environmental conditions change greatly, a plurality of seal members can act complementarily to contribute to the maintenance of fluid sealability.
  • each seal member may be performed by any method.
  • a seal member molded in a predetermined shape in advance may be bonded to a predetermined position on the surface of the cathode side separator.
  • a seal member material having fluidity is applied or adhered to the surface of the force sword side separator 22 and bonded to the anode side separator 24 of the adjacent unit cell, and then dried and cured.
  • a seal member material having fluidity is applied or adhered to a predetermined position, dried and cured, and after forming a linear seal member (also referred to as a seal line), press contact is performed. A desired fluid sealing property is ensured.
  • FIG. 5 is a schematic view illustrating the shape of the seal line formed on the surface of the force sword side separator 22.
  • the reaction gas (supply or discharge) through which the fuel gas or oxidant gas flows is connected to the outer periphery of the manifold 1 5 4, the inner seal member or inner seal line 1 6 8 a having acid resistance,
  • the outer seal member or the outer seal line 1 6 8 b is installed in parallel with the outer seal member 1 6 8 b to maintain the desired fluid seal well, especially at low temperatures, and the fluid seal inside and outside the reaction gas manifold 1 5 4 The sex is secured.
  • refrigerant (supply and / or discharge) manifold 1 5 8 and an outer peripheral portion of a refrigerant flow path region 1 3 0 formed with a refrigerant flow path include refrigerant manifold 1 5 8 and refrigerant flow path area 1
  • a refrigerant seal line 1 6 8 c is installed to prevent leakage of refrigerant flowing through 30 and to prevent foreign matter from entering the refrigerant manifold 15 8 and the refrigerant flow path region 1 30 from the outside. It is installed.
  • water, ethylene glycol, or the like is generally preferably used as the refrigerant.
  • the refrigerant manifold 1 5 8 and the refrigerant flow path region 1 3 0 are not configured to allow fluid to flow directly into the electrode, so unlike the reactive gas manifold 1 5 4, the seal member Acid resistance is not required.
  • a silicone rubber that has a good sealing property against the circulating refrigerant and can maintain a good fluid sealing property even under a low temperature condition is preferably used.
  • the refrigerant seal lines 1 68 c provided in the two are close to each other, and it is common that a seal line made of silicone rubber is suitable for both. For this reason, for example, as shown in FIG. 6, by forming at least part of the outer seal line 1 6 8 b of the reaction gas manifold 1 5 4 and the refrigerant seal line 1 6 8 c as one body, a seal structure is obtained. The required area can be reduced, and the overall size of the fuel cell can be reduced.
  • the cross-sectional shapes of the inner seal member (inner seal line) 1 6 8 a and the outer seal member (outer seal line) 1 6 8 b do not need to be the same shape and are required. It can be set as appropriate according to the seal characteristics. Also, in the embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 6, a seal structure including an inner seal member (inner seal line) 1 6 8 a and an outer seal member (outer seal line) 1 6 8 b Is described as being formed between the cathode side separator 22 and the anode side separator 24, but it is provided on the outer periphery of the fluid manifold, particularly the reactive gas manifold.
  • the present invention is not limited to this as long as the sealing property inside and outside the fluid manifold can be secured, and it may be formed between any members.
  • the seal structure of the present invention has two or more kinds of seal members with different characteristics arranged in parallel on the outer peripheral portion of the fluid manifold, so that it can withstand various fluid atmospheres and environmental conditions flowing through the fluid manifold.
  • the required sealing performance is complementarily maintained, and fluid sealing performance can be maintained for a long time.
  • it is possible to exhibit excellent sealing performance over a long period of time under various environmental conditions.
  • the present invention can be suitably used as a fuel cell seal structure.

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Abstract

反応ガスマニホールド（１５４）の外周部分に内側シール部材（１６８ａ）と外側シール部材（１６８ｂ）を並設した。反応ガスマニホールド（１５４）の最近傍に配設された内側シール部材（１６８ａ）は耐酸性を有し、外側シール部材（１６８ｂ）は低温での性能低下が小さい材料でそれぞれ構成されることが好適である。内側シール部材（１６８ａ）としてはエチレンプロピレンゴムまたはフッ素ゴムを、外側シール部材（１６８ｂ）としてはシリコーンゴムを用いることができる。

Description

明 細 書 燃料電池のシール構造体 技術分野
本発明は、 流体を流通させるマ二ホールドの外周部分に配設され、 マ二ホー ルドを流通する流体の外部漏出および または異種流体を含む異物のマ二ホー ルド内への混入を防止するシール構造体に関する。 背景技術
従来の燃料電池の構成の概略について説明する。 図 7に例示したように、 電 解質膜 1 2の一方の面に力ソード層 1 4 (カソード極または酸化剤極ともいう） と、 もう一方の面にアノード層 1 6 (アノード極または燃料極ともいう） とを 電解質膜 1 2を挟んで対向するように設け、 いわゆる膜電極接合体 （M E A) 1 8が構成されている。 力ソード層 1 4は、 内側すなわち電解質膜 1 2側の図 示しない力ソード触媒層と、 その外側の図示しない力ソード拡散層から構成さ れている。 一方、 アノード層 1 6は、 内側すなわち電解質膜 1 2側の図示しな いアノード触媒層と、その外側の図示しないアノード拡散層とをそれぞれ含み、 構成されている。
また、 力ソード層 1 4の外側には、 酸化ガス流路 2 6およびセル冷媒流路 3 0が形成された力ソード側セパレー夕 2 2が、 アノード層 1 6の外側には、 燃 料ガス流路 2 8およびセル冷媒流路 3 0が形成されたアノード側セパレ一夕 2 4が、 それぞれ接着剤 3 2により一体化されて、 単位セル 1 0が形成される。 なお、 図 7では、 さらに樹脂フレーム 3 4 , 3 6を適用した構成について示し ている。 樹脂フレーム 3 4 , 3 6は一般に、 ステンレス鋼などの金属材料を使 用したいわゆるメタルセパレー夕をカソード側セパレ一夕 2 2、 アノード側セ パレ一夕 2 4として用いた場合に好適に使用されるものであるが、 例えば炭素 材料を適用したいわゆるカーボンセパレー夕などの場合には省略してよい。 図 8は、 図 7に示した力ソード側セパレー夕 2 2について、 特にセル冷媒流 路 3 0の形成された一方面側の形状を例示する概略図である。 図 8において、 力ソード側セパレ一夕 2 2は、 中央部分に位置するセル冷媒流路 3 0の外周部 分に、 セパレー夕の面方向、 すなわち単位セル 1 0の積層方向に貫通する複数 の流体ガスマ二ホールド （酸化ガス供給マ二ホールド 5 0、 酸化ガス排出マ二 ホールド 5 2、 燃料ガス供給マ二ホールド 5 4、 燃料ガス排出マ二ホールド 5 6、 冷媒供給マ二ホールド 5 8および冷媒排出マ二ホールド 6 0 ) を有する。 図 8において、 酸素や空気などのカソード用原料が酸化ガス供給マ二ホール ド 5 0を経由して力ソード層 1 4 (図 7 ) に、 また、 水素ガズゃ改質ガスなど のアノード用原料が燃料ガス供給マ二ホールド 5 4を経由しでアノード層 1 6 (図 7 ) に、 それぞれ供給されることにより、 発電する。 力ソード用原料ゃァ ノード用原料が、 特に気体の場合には、 これらを反応ガスまたは原料ガスと称 する場合もある。
含有する酸素の少なくとも一部が力ソード層 1 4 (図 7 ) 内で消費された、 力ソード用原料または酸化ガスは、 電池反応により生成した生成水などととも に酸化ガス排出マ二ホールド 5 2 (図 8 ) を経由して外部に排出される。一方、 含有する水素の少なくとも一部がアノード層 1 6 (図 7 ) 内で消費された、 ァ ノード用原料または燃料ガスは、 燃料ガス排出マ二ホールド 5 6 (図 8 ) を経 由して外部に排出される。
図 7に例示するように単位セル 1 0を複数枚積層させることにより、 所望の 発電性能を有する燃料電池が形成される。 このような燃料電池は通常、 発電時 には例えば 6 0でから 1 0 0で程度の所定の温度範囲となるように制御されて いるが、 発電時には化学反応に伴う熱を発生するため、 冷媒供給マ二ホールド 5 8 (図 8 ) を経由してセル冷媒流路 3 0に流通させた冷媒と温度上昇した単 位セル 1 0との間で熱交換を行ない、 燃料電池の過熱を防止している。 セル冷 媒流路 3 0を流通した後の冷媒は、 冷媒排出マ二ホールド 6 0 (図 8 ) を経由 して燃料電池外部に排出されるが、 例えば車両などの移動体に搭載された燃料 電池システムにおいては、排出された冷媒を再び冷媒供給マ二ホールド 5 8 (図 8 ) に供給し、 循環して利用される場合もある。
図 8において、 各マ二ホールド内を流通する反応ガスゃ冷媒などの、 特にセ パレー夕面での漏出や混入を防止するために、各マニホ一ルドの外周部分には、 シール部材 （またはガスケット） 6 2〜7 2がそれぞれ設けられている。 例え ば、 図 8に示された A— A '部分の断面拡大図に相当する、図 7を参照すると、 燃料ガス排出マ二ホールド 5 6の外周部分に形成されたシール溝 7 4内に、 シ 一ル部材 6 8が設けられている。 シール部材 6 8は、 隣り合う単位セル 1 0間 の、 セル積層方向への面圧により押圧挟持されることにより、 燃料ガス排出マ 二ホールド 5 6内部を流通する燃料ガスの、 他のマ二ホールドゃ外部への漏出 や、 燃料ガス排出マ二ホールド 5 6内への酸化ガスゃ冷媒などの混入を防止し ている。
ところで、 図 8に示す各流体マ二ホールド 5 0〜 6 0の外周部分には、 それ ぞれ、 シール部材 6 2〜 7 2が形成されているが、 これらのシール部材 6 2〜 7 2に要求される性能は、 そのマ二ホールドを流通する流体の種類によって異 なる。 例えば、 酸化ガス供給マ二ホールド 5 0、 酸化ガス排出マ二ホールド 5 2、 燃料ガス供給マ二ホールド 5 4および燃料ガス排出マ二ホールド 5 6 (こ れらをまとめて反応ガスマ二ホールドと称する場合もある） の外周部分に設け られるシール部材 6 2〜 6 8には、 所定の弾性を有し、 少なくともガスバリア 性、 耐水および Zまたは耐スチーム性を有することが要求され、 さらに図 7の 電解質膜 1 2に由来する耐酸性 （耐硫酸性およびノまたは耐フッ化水素酸性） もまた要求される。 一方、 冷媒供給マ二ホールド 5 8および冷媒排出マ二ホー ルド 6 0 (これらをまとめて冷媒マニホールドと称する場合もある） について は、 内部を流通する冷媒に対する耐性があり、 セパレ一夕間やシール部材内を 冷媒が浸透しない構成とすれば十分であり、 例えば水を冷媒として使用した場 合においては通常、 耐水性を有していれば良い。 日本国特開 2 0 0 4— 3 1 1 2 5 4号公報には、 それぞれの流体の流通する 部位ごとにシール部材を設けた燃料電池のシール構造について開示されてい る。 このシール部材は、 異種流体が隣り合う部分においてはどちらの流体に対 しても耐食性を有するよう二重化されており、 仮に二重化されたシール部材の うちどちらか一方が局部的に切れてしまっても、 他方のシール部材により、 流 体の混合を回避することが可能となる。
前述のように、燃料電池は通常、運転時には所定の温度で維持されているが、 停止時には周囲環境に応じた温度となっており、 シール部材はさらに、 それら の環境条件に対する順応性や耐久性なども要求される。 しかしながら、 流体に 対する耐食性と環境条件に対して要求される特性とを同時に満たすようなシー ル部材材料の選択は非常に困難であり、 このことは日本国特開 2 0 0 4 - 3 1 1 2 5 4号公報に記載の技術を適用した場合についても同様であった。 このた め、 予めシール部材の幅を広くしたり、 厚みを厚くしたり、 などといった対応 をする場合もあったが、 体格が大きくなるばかりでなく、 条件によってはなお 流体のシール性が不十分な場合もある。 さらに、 特殊なシール部材を製造し、 使用すれば、 さまざまな条件に対して要求される特性を兼ね備えることが可能 な場合もあったが、 かかるシール部材は一般に高価であり、 製造コストの増大 に繋がる可能性が大きかった。
本発明は、 環境条件の変化に対しても、 容易にかつ優れたシール性能を有す る燃料電池のシール構造体を提供する。 発明の開示
本発明の構成は以下のとおりである。
( 1 ) 開口する流体マ二ホールドの外周部分に 2種以上のシール部材を並設 した、 燃料電池のシール構造体である。
( 2 )開口する流体マ二ホールドの外周部分に 2種類のシール部材を並設し、 2重シールラインを形成した、 燃料電池のシール構造体である。 ( 3 )上記シール構造体において、 前記流体マ二ホールドを流通する流体は、 反応ガスであり、 並設されたシール部材は、 前記流体マ二ホールドの最近傍に 配設され、 耐酸性を有する内側シール部材を含む、 燃料電池のシール構造体で ある。
( 4 ) 上記シール構造体において、 前記シール部材は、 低温での性能低下が 小さい外側シール部材をさらに含む、 燃料電池のシール構造体である。
( 5 )上記シール構造体において、 前記外側シール部材の少なくとも一部は、 冷媒マニホールドの流通領域の外周部分に配設される冷媒シール部材と一体で ある、 燃料電池のシール構造体である。
( 6 ) 上記シール構造体において、 前記内側シール部材は、 エチレンプロピ レンゴムまたはフッ素ゴムである、 燃料電池のシール構造体である。
( 7 ) 上記シール構造体において、 前記外側シール部材は、 シリコーンゴム である、 燃料電池のシール構造体である。
( 8 ) 上記シール構造体を備える、 燃料電池用セパレー夕である。
( 9 ) 上記シール構造体を備える、 燃料電池である。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成の概略 について説明する図である。
図 2 aは、 本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成 の概略について説明する図である。
図 2 bは、 本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成 の概略について説明する図である。
図 3は、 本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成の 概略について説明する図である。
図 4は、 本発明の別の実施の形態における燃料電池のシール構造体の構成の 概略について説明する図である。 図 5は、 シールラインの形状を例示する概略図である。
図 6は、 図 5に示したシールラインの形状の変形例を示す概略図である。 図 7は、 燃料電池の構成の概略について説明する図である。
図 8は、図 7に示したカソード側セパレー夕の形状を例示する概略図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を用いて詳細に説明する。 なお、 以下に示す本発明の実施の形態 において、 図 7， 図 8に示した従来の燃料電池と同様の構成については同一の 符号を付し、 その説明については省略するか、 または簡単な説明にとどめる。 また、 図面中の各部材の寸法については必ずしも実際の部材寸法に一致してい ない。
[実施の形態 1 ]
図 1は、 本発明の実施の形態における燃料電池のシール構造体の概略につい て説明する図である。 なお、 図 1に示したシール構造体は、 .図 8に示す A— A ， 断面において、 特に燃料ガス排出マ二ホールド 5 6周辺の力ソード側セパレ 一夕 2 2およびカソ一ド側セパレー夕 2 2に接触し対面するアノード側セパレ 一夕 2 4に相当する部分についてのみを示し、 他の構成については簡単のため に省略した。
図 1において、 カソード側セパレー夕 2 2を面方向に貫通する燃料ガス排出 マ二ホールド 5 6の外周部分に形成されたシール溝 1 7 4上に、 シール部材 1 6 8 a , 1 6 8 bが並設され、 燃料ガス排出マ二ホールド 5 6部分における一 連のシール構造体が形成されている。 燃料ガス排出マ二ホールド 5 6側に配設 された内側シール部材 1 6 8 aは、 耐酸性を有する弾性材料で構成される。 こ れにより、 内側シール部材 1 6 8 aは、 燃料ガス排出マ二ホールド 5 6を流通 する酸に起因する不具合を生じないため、 カソード側セパレ一夕 2 2とァノー ド側セパレ一夕 2 4との間からの燃料ガスの漏出を長期にわたり防止または抑 制することが可能となる。
本実施の形態において、 内側シール部材 1 6 8 aとして好適に用い得る弾性 材料の例としては、 エチレンプロピレンゴムまたはフッ素ゴムを挙げることが 可能であるが、 少なくとも耐酸性を有する弾性材料であれば良く、 これらに限 定されない。 エチレンプロピレンゴムは、 エチレンとプロピレンを含む重合体 であり、 J I S K 6 3 9 7に記載された略号に基づいて例示すると、 Ε Ρ Μ (エチレンプロピレン重合体系） および E P D M (エチレンプロピレンジェン 3重合体系） などが挙げられる。 フッ素ゴムは、 J I S K 6 3 9 7に記載さ れた略号に基づいて例示すると、 F KM， F E P M, F F KMなどが挙げられ るが、 汎用性の観点から、 一般に F K M (フッ化ビニリデン系） の材料が好適 に用いられる。
上述のように、 内側シール部材 1 6 8 aとして好適に用いられるフッ素ゴム やエチレンプロピレンゴムは、 燃料電池の運転により燃料ガス排出マ二ホール ド 5 6内に混入する可能性のある硫酸やフッ化水素酸等の酸雰囲気において も、 優れた流体シール性を発揮する反面、 低温環境下では流体シール性が低下 する場合がある。 例えばマイナス 3 0で程度までの環境条件を想定した場合に は、 シール部材としてのフッ素ゴムやエチレンプロピレンゴムの適用は一般に 不向きである。
一方、 低温環境下でも優れた流体シール性を有する弾性材料として、 シリコ —ンゴムが好適に用いられる。 シリコーンゴムは一般に、 水や水蒸気、 ェチレ ングリコール等の物質に対しては耐食性を有しており、 ガスケットゃパッキン としても汎用されている材料であるが、 その反面、 フッ素ゴムやエチレンプロ ピレンゴムと比較すると一般に耐酸性が低く、 長期にわたり酸雰囲気に曝され る可能性のある環境下での使用には適さない。 そこで、 低温での性能低下が小 さいが、 耐酸性のやや劣るシリコーンゴムなどの弾性材料を、 内側シール部材 1 6 8 aの、 燃料ガス排出マ二ホールド 5 6に対して外側に、 外側シール部材 1 6 8 bとして並設させて、 低温領域における流体シール性の低下を防止する とともに、 酸雰囲気に対する直接の露出を回避させることにより、 環境条件の 変化に対しても影響されず、 優れたシール性能を発揮するシール構造を形成す ることが可能となる。 なお、 ここでいう 「低温環境下でも優れた流体シール性 を有する」 とは、 必ずしも絶対的な基準を指すものではない。 例えば、 想定し 得る所定の温度 （例えば、 マイナス 3 0で） において、 所望のゴム弾性 （例え ば、 所定温度において 5 0 %伸張状態から解放してからの動的な特性を直接測 定し、 1秒以内に略 1 0 0 %もとの状態に戻るものを採用） を有することによ り、 上記所定の低温条件下においてセパレーターシール部材間の流体の漏出を 防止し得る、 と規定することも可能であるが、 かかるシール性能は、 希望とす る燃料電池の性能に応じて適宜設定されるものである。
本実施の形態において、 外側シール部材 1 6 8 bとして用いることの可能な 弾性材料として、 J I S K 6 3 9 7に記載された略号に基づいて例示すると、 V M Q (ビニルメチルシリコーンゴム）， F VM Q (フッ素化シリコーンゴム） などが挙げられる。 また、 場合によっては、 常温にて液状またはペースト状の P I B (ボリイソブチレン） や L T V (Low Temperature Vulcanizab le) を使 用することも可能である。
[実施の形態 2 ]
図 2 aは、 本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の概略 について説明する図である。 図 2 aにおいて、 内側シール部材 1 6 8 aおよび 外側シール部材 1 6 8 bがー体に成形されたことを除き、 図 1に示すシール構 造体とほぼ同様の構成を有している。 内側シール部材 1 6 8 aおよび外側シー ル部材 1 6 8 bを例えば 2色成形により一体に成形することにより、 シール部 材を一度に成形することが可能となる。 さらに、 内側シール部材 1 6 8 aと外 側シール部材 1 6 8 bとの間隔が不要となるため、 シール溝 2 7 4の幅を図 1 に示すシール溝 1 7 4の幅よりも狭くすることも可能となる。また、図 2 bは、 内側シール部材 1 6 8 aおよび外側シール部材 1 6 8 bの一部が一体に成形さ れた変形例である。 本構成についても、 シール溝 2 7 4の幅を図 1に示すシー ル溝 1 7 4の幅よりも狭くすることも可能となり、 好適である。
[実施の形態 3 ]
図 3は、 本発明の他の実施の形態における燃料電池のシール構造体の概略に ついて説明する図である。 内側シール部材 1 6 8 aが、 燃料ガス排出マ二ホー ルド 5 6を形成する、 カソード側セパレー夕 2 2のエッジ部分 2 3を被覆する ように設けられていることを除き、 図 1に示すシール構造体とほぼ同様の構成 を有している。 エッジ部分 2 3が耐酸性を有する内側シール部材 1 6 8 aによ り被覆されることにより、 シール性の確保のみならず、 力ソード側セパレー夕 2 2およびアノード側セパレー夕 2 4として特にメタルセパレ一夕を使用した 場合に起こり得る、 エッジ部分 2 3の腐食をもあわせて防止することが可能と なる。 なお、 本実施の形態においては、 少なくともアノード側セパレー夕 2 4 のエッジ部分 2 5についても内側シール部材 1 6 8 aと同一または他の耐酸性 を有する樹脂材料 1 6 9により被覆しておくことが好ましい。
[実施の形態 4 ]
図 4は、 本発明の別の実施の形態における燃料電池のシール構造体の概略に ついて説明する図である。 外側シール部材 1 6 8 bをアノード側セパレー夕 2 4に形成させたことを除き、 図 1に示したシール構造体とほぼ同様の構成を有 している。 図 4に示すように、 燃料ガス排出マ二ホールド 5 6の外周部分に 2 種以上のシール部材を並設したシール構造体を備えることにより、 酸によるシ 一ル部材の劣化や環境変化によるガスシール性の低下に伴う燃料ガスの漏出を 効果的に防止または抑制することが可能となる。 図 1〜4に例示した本実施の形態において、 内側シール部材 1 6 8 aと外側 シール部材 1 6 8 bとを含むシール構造体は、 図 8に示す燃料ガス排出マニホ 一ルド 5 6の外周部分に限らず、 酸性雰囲気に曝される可能性のある酸化ガス 供給マ二ホールド 5 0、 酸化ガス排出マ二ホールド 5 2および燃料ガス供給マ 二ホールド 5 4の各外周部分においても適用することが可能である。 また、 冷 媒供給マ二ホールド 5 8および冷媒排出マ二ホールド 6 0の外周部分において は、 前述したように耐酸性を有する内側シール部材 1 6 8 aは不要であるが、 他の実施の形態として、 例えば、 内側シール部材 1 6 8 aに代えて、 高温での 流体シール性が特に良好な、 耐スチーム性を有するシール部材を適用すること により、 温度変化による各シール部材の流体シール性の変化に伴う冷媒の漏出 を抑制または防止することも可能である。 すなわち、 流体マ二ホールドの外周 部分に、 特性の異なる 2種以上のシール部材を並設することにより、 シール部 材に要求される特性が多岐にわたり、 一種類のシール部材だけではその特性を 満たすことが困難な場合や、 また環境条件が大きく変化する場合であっても、 複数のシール部材が相補的に作用して、 流体シール性の維持に寄与することが 可能となる。
図 1〜4に例示した本実施の形態のシール構造体において、 各シール部材の 成形は、 いかなる方法によるものであっても良い。 例えば、 予め所定の形状に 成形したシール部材をカソ一ド側セパレ一夕 2 2表面の所定の位置に接着させ て良いが、 接着に使用する適切な接着剤を選定する必要がある。 また、 流動性 を有するシール部材材料を力ソード側セパレ一夕 2 2表面に塗布または付着さ せた状態で隣り合う単位セルのアノード側セパレー夕 2 4と接着させた後に乾 燥、 硬化させても良いが、 数十枚から数百枚程度の単位セルを一度に積層させ るのは困難であるため、 コスト高に繋がる可能性がある。 好適には、 流動性を 有するシール部材材料を、所定の位置に塗布または付着させ、乾燥、硬化ざせ、 線状のシール部材 （シールラインとも称する） を形成させた後に、 圧接するこ とにより、 所望の流体シール性を確保する。
[実施の形態 5 ] 図 5は、 力ソード側セパレー夕 2 2表面に形成されたシールラインの形状を 例示する概略図である。 図 5においては、 燃料ガスまたは酸化ガスの流通する 反応ガス （供給または排出） マ二ホールド 1 5 4の外周部分には、 耐酸性を有 する内側シール部材または内側シールライン 1 6 8 aと、 特に低温での性能低 下が小さく、 所望の流体シール性を良好に維持する外側シール部材または外側 シールライン 1 6 8 bとが並設されており、 反応ガスマ二ホールド 1 5 4内外 の流体シール性を確保している。 一方、 冷媒 （供給および/または排出） マ二 ホールド 1 5 8および図示しない冷媒流路の形成された冷媒流路領域 1 3 0の 外周部分には、 冷媒マニホールド 1 5 8および冷媒流路領域 1 3 0を流通する 冷媒の、 外部への漏出を防止し、 また外部から冷媒マニホールド 1 5 8および 冷媒流路領域 1 3 0への異物の混入を防止する、 冷媒シールライン 1 6 8 cが 配設されている。
本実施の形態において、 冷媒には一般に水やエチレングリコールなどが好適 に用いられる。また、冷媒マニホールド 1 5 8および冷媒流路領域 1 3 0には、 電極内に流体が直接流通する構成とはなっていないため、 反応ガスマ二ホール ド 1 5 4とは異なり、 シール部材には耐酸性は要求されない。 このため、 冷媒 シールライン 1 6 8 cとして、 流通する冷媒に対するシール性が良好であり、 特に低温条件下においても良好な流体シール性を保持することの可能なシリコ ーンゴムが好適に用いられる。
本実施の形態において、 反応ガス （供給または排出） マ二ホールド 1 5 4の 外周部分に設けられた外側シールライン 1 6 8 と、 冷媒マニホールド 1 5 8 および冷媒流路領域 1 3 0の外周部分に設けられた冷媒シールライン 1 6 8 c とは、 互いに近接しており、 また、 どちらもシリコーンゴム製のシールライン が好適であることが共通している。 このため、 例えば図 6に示すように、 反応 ガスマ二ホールド 1 5 4の外側シールライン 1 6 8 bと、 冷媒シールライン 1 6 8 cの少なくとも一部を一体として形成することにより、 シール構造に必要 な領域の面積を低減させることが可能となり、 全体として燃料電池の体格の縮 小に寄与することも可能となる。 本発明の実施の形態において、 内側シール部材 （内側シールライン） 1 6 8 aと、 外側シール部材 （外側シールライン） 1 6 8 bの断面形状は、 同一形状 である必要はなく、 要求されるシール特性に応じて適宜設定することが可能で ある。 また、 図 1〜6を用いて説明した本発明の実施の形態において、 内側シ —ル部材（内側シールライン） 1 6 8 a、外側シール部材（外側シールライン） 1 6 8 bを含むシール構造は特にカソ一ド側セパレー夕 2 2とアノード側セパ レ一夕 2 4との間に形成されたものとして説明したが、 流体マ二ホールド、 特 に反応ガスマ二ホールドの外周部分に設けられ、 流体マ二ホールド内外のシー ル性を確保し得るものであればこれに限らず、 いかなる部材間に形成されたも のであってもよい。 本発明のシール構造体は、 流体マ二ホールドの外周部分に 特性の異なる 2種以上のシール部材を並設させることにより、 流体マ二ホール ドを流通する種々の流体雰囲気や、 環境条件に対して要求されるシール性能を 相補的に保持し、 長期にわたる流体シール性の維持を可能とする。 以上のように、 実施の形態又は変形例によれば、 種々の環境条件下において 優れたシール性能を長期にわたり発揮することが可能となる。 産業上の利用可能性
本発明は、燃料電池のシール構造体として好適に利用することが可能である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 開口する流体マ二ホールドの外周部分に 2種以上のシール部材を並設した ことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
2 . 開口する流体マ二ホールドの外周部分に 2種類のシール部材を並設し、 2 重シールラインを形成したことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
3 . 請求の範囲 1に記載のシール構造体において、
前記流体マ二ホールドを流通する流体は、 反応ガスであり、
並設されたシール部材は、 前記流体マ二ホールドの最近傍に配設され、 耐酸 性を有する内側シール部材を含むことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
4 . 請求の範囲 2に記載のシール構造体において、
前記流体マ二ホールドを流通する流体は、 反応ガスであり、
並設されたシール部材は、 前記流体マ二ホールドの最近傍に配設され、 耐酸 性を有する内側シール部材を含むことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
5 . 請求の範囲 3に記載のシール構造体において、
前記シール部材は、 低温での性能低下が小さい外側シール部材をさらに含む ことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
6 . 請求の範囲 4に記載のシール構造体において、
前記シール部材は、 低温での性能低下が小さい外側シール部材をさらに含む ことを特徴とする燃料電池のシール構造体。
7 . 請求の範囲 5に記載のシール構造体において、
前記外側シール部材の少なくとも一部は、 冷媒マニホールドの流通領域の外 周部分に配設される冷媒シール部材と一体であることを特徴とする燃料電池の シール構造体。
8 . 請求の範囲 6に記載のシール構造体において、
前記外側シール部材の少なくとも一部は、 冷媒マニホールドの流通領域の外 周部分に配設される冷媒シール部材と一体であることを特徴とする燃料電池の シール構造体。
9 . 請求の範囲 3に記載のシール構造体において、
前記内側シール部材は、 エチレンプロピレンゴムまたはフッ素ゴムであるこ とを特徴とする燃料電池のシール構造体。
1 0 . 請求の範囲 4に記載のシール構造体において、
前記内側シール部材は、 エチレンプロピレンゴムまたはフッ素ゴムであるこ とを特徴とする燃料電池のシール構造体。
1 1. 請求の範囲 5に記載のシール構造体において、
前記外側シール部材 、 シリコーンゴムであることを特徴とする燃料電池の シール構造体。
12. 請求の範囲 6に記載のシール構造体において、
前記外側シール部材は、 シリコーンゴムであることを特徴とする燃料電池の シール構造体。
1 3. 請求の範囲 1に記載の燃料電池のシール構造体を備える、 燃料電池用セ パレー夕。
14. 請求の範囲 2に記載の燃料電池のシール構造体を備える、 燃料電池用セ パレー夕。
1 5. 請求の範囲 3に記載の燃料電池のシール構造体を備える、 燃料電池用セ パレー夕。
16. 請求の範囲 4に記載の燃料電池のシール構造体を備える、 燃料電池用セ パレー夕。
17. 請求の範囲 1に記載の燃料電池のシール構造体を備える、 燃料電池。
18. 請求の範囲 2に記載の燃料電池のシール構造体を備える、 燃料電池。
19. 請求の範囲 3に記載の燃料電池のシール構造体を備える、 燃料電池。
20. 請求の範囲 4に記載の燃料電池のシール構造体を備える、 燃料電池。
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