WO2019239769A1 - 燃料電池のシール構造 - Google Patents

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創平 白川
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell seal structure.
  • a membrane electrode assembly As a conventional structure of a fuel cell, a membrane electrode assembly (MEA) provided with a pair of electrode layers on both surfaces of an electrolyte membrane is provided, and a pair of metal separators are laminated on both sides in the thickness direction to form a power generation cell.
  • MEA membrane electrode assembly
  • This type of fuel cell supplies an oxidizing gas (air) to the cathode side of the membrane electrode assembly and supplies a fuel gas (hydrogen) to the anode side, so that an electrochemical reaction that is the reverse reaction of water electrolysis Generates power.
  • each flow path is formed by a metal separator, for example.
  • Metal separators are made by joining a pair of plate-like members made of a metal material such as iron or aluminum, and forming a flow path for the medium between these pair of members or between other members. To do. Individual power generation cells are stacked and sandwiched between a pair of end plates to form a fuel cell stack.
  • Patent Document 1 This type of fuel cell is described in Patent Document 1, for example.
  • a plurality of power generation cells 14 created by sandwiching a membrane electrode assembly 12 between a pair of metal separators 13 are stacked and sandwiched between a pair of end plates 15.
  • the power generation cells 14 located at both end portions are end cells 14 a, and the end cells 14 a are sandwiched between end plates 15 via insulating plates 16.
  • FIG. 6 shows a state in which the resin film 17 forming a part of the membrane electrode assembly 12 is sandwiched between the pair of metal separators 13.
  • the pair of metal separators 13 also sandwich electrode layers (not shown) provided on both surfaces of the resin film 17.
  • the metal separator 13 is not in direct contact with the membrane electrode assembly 12 itself such as the resin film 17 or the electrode layer, but is bonded to the seal bead 18 via an elastic member 19 provided in a film shape.
  • the elastic member 19 is a film-like member formed on the seal bead 18 by, for example, a rubber-like elastic material.
  • Patent Document 1 introduces an elastic member 19 as a resin material (56a) (see paragraph [0035] of Document 1). Such an elastic member 19 is formed, for example, by preparing a rubber material containing an adhesive component and printing it on the seal bead 18.
  • the seal bead 18 sandwiches the membrane electrode assembly 12 via the elastic member 19.
  • both end portions of the end cell 14a are in contact with the insulating plate 16 provided on the end plate 15 as shown in FIGS.
  • the insulating plate 16 is generally made of resin and has a coefficient of thermal expansion different from that of the metal separator 13. For this reason, as shown in FIG. 8, a displacement due to relative displacement occurs between the metal separator 13 and the insulating plate 16 due to a change in the temperature environment (see the white arrow), whereby a shearing force acts on the elastic member 19. Then, the seal bead 18 may be peeled off.
  • Patent Document 1 describes an invention in which a groove 20 is provided in an insulating plate 16 and the seal member 21 is accommodated in the groove 20 with play (paragraph [of Document 1] [paragraph [ [0048] to [0062]).
  • the seal member 21 is an elastic polymer material, for example, a rubber-like elastic member such as silicon rubber, acrylic rubber, or nitrile rubber.
  • the seal member 21 is not fitted into the groove 20 but is stored with play by the gap G. Is bonded or fused to the bottom surface of the film (see paragraph [0049] of Document 1).
  • Such a seal structure should provide a solution to the problem that the elastic member 19 peels from the seal bead 18 described above.
  • FIG. 10 when a displacement occurs between the metal separator 13 and the insulating plate 16, the seal member 21 is flexed freely within the gap G, and the position between the metal separator 13 and the insulating plate 16. This is because the deviation is absorbed.
  • a seal member described in Patent Document 1, for example, a seal member 21 as shown in FIG. 9, is required to be greatly bent when a relative displacement occurs between the metal separator 13 and the insulating plate 16 (see FIG. 9). 10, see FIG.
  • the seal structure using the seal member can absorb the positional deviation between the metal separator and the insulating plate due to the change of the temperature environment, while reducing the surface pressure between the metal separator and the insulating plate. Cause it to occur. At this time, it is only necessary to generate a sufficient surface pressure to seal between the two. However, since the sealing member is largely and freely bent, it is difficult to obtain a necessary surface pressure.
  • An object of the present invention is to increase the surface pressure between the two while absorbing a displacement between the metal separator and the insulating plate due to a change in temperature environment.
  • the seal structure of the fuel cell of the present invention includes an elastic member provided in a film shape on a seal bead of a metal separator included in an end cell positioned at both ends of a fuel cell stack in which a plurality of power generation cells are stacked, and positioned at the both ends.
  • a groove provided along a position facing the seal bead in an insulating plate provided on an end plate that sandwiches the end cell, and the seal bead is stored in the groove with play in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the groove.
  • the sealing member while the positional deviation between the metal separator and the insulating plate due to changes in the temperature environment is absorbed by the sealing member, the surface pressure between the groove and the sealing member is increased by the bottom protrusion, and the sealing effect is improved. Can be made.
  • the schematic diagram which shows schematic structure of a fuel cell stack is a vertical sectional view showing a first embodiment of a fuel cell seal structure.
  • FIG. The vertical sectional view which illustrates the state where the seal member which received the applied pressure from the medium passing through the flow path is displaced.
  • the vertical sectional view showing a 2nd embodiment of the seal structure of a fuel cell.
  • FIG. 5 is a vertical sectional view showing a third embodiment of a fuel cell seal structure.
  • the vertical sectional view which shows the contact state of the metal separator of an end cell, and an insulating board.
  • FIG. 8 is a vertical cross-sectional view illustrating a state in which a displacement due to relative displacement caused by a difference in thermal expansion coefficient occurs between the metal separator and the insulating plate illustrated in FIG. 7.
  • the vertical sectional view which shows the structural example which interposed the sealing member between the metal separator and insulating board of an end cell.
  • FIG. 10 is a vertical cross-sectional view illustrating a state in which a displacement due to a relative displacement caused by a difference in thermal expansion coefficient occurs between the metal separator and the insulating plate illustrated in FIG. 9.
  • the present embodiment relates to a sealing technique used for a polymer electrolyte fuel cell, and particularly relates to a sealing structure 102 that seals an end cell 111a of a fuel cell stack 101 (see FIG. 1).
  • the seal structure 102 of the end cell 111a located below the pair of end cells 111a shown in FIG. 1 is described.
  • the upper, lower, left, and right directions are specified, but this specification is based on the state shown in FIG. Therefore, in the case of the end cell 111a located at the upper side, the upper, lower, left and right are reversed from the present embodiment.
  • the fuel cell stack 101 is arranged in a direction different from the direction shown in FIG. 1, the vertical and horizontal directions specified in the present embodiment are completely different. Regardless of the direction in which the fuel cell stack 101 is positioned, it is possible to easily understand the directionality of each part by taking into consideration the vertical and horizontal directions specified in the present embodiment.
  • the fuel cell stack 101 has a structure in which a plurality of power generation cells 111 are stacked, and both ends thereof are sandwiched by a pair of end plates 131 and fastened.
  • the power generation cell 111 is a structure that extracts electric energy from hydrogen and oxygen.
  • a membrane electrode assembly 112 called MEA (Membrane Electrode Assembly) is provided, and a pair of metal separators 113 are provided on both sides in the thickness direction.
  • the membrane electrode assembly 112 is provided with a pair of electrode layers (not shown) on the cathode side and the anode side on both surfaces of an electrolyte membrane made of, for example, a resin film 114 made of a solid polymer.
  • the metal separator 113 is a plate made of a metal material such as iron or aluminum, and a plurality of seal beads 115 are regularly arranged.
  • a pair of metal separators 113 is prepared for one power generation cell 111.
  • the pair of metal separators 113 sandwich the membrane electrode assembly 112 and form a plurality of channels 116 on both sides of the membrane electrode assembly 112.
  • the flow path 116 is formed by the seal bead 115.
  • the power generation cell 111 supplies an oxidizing gas (air) to the cathode side of the membrane electrode assembly 112 and supplies a fuel gas (hydrogen) to the anode side, thereby performing an electrochemical reaction that is a reverse reaction of water electrolysis. Generate power.
  • the flow path 116 is used not only as an oxidizing gas (air) and a fuel gas (hydrogen) but also as a flow path for circulating cooling water.
  • the power generation cells 111 located at both ends are called end cells 111a.
  • the end cell 111 a faces the end plate 131.
  • the end cell 111a and the end plate 131 are not directly facing each other, and an insulating plate 132 is interposed therebetween.
  • the insulating plate 132 is made of an insulating material such as resin, for example, polycarbonate or phenol resin.
  • the metal separator 113 has a plurality of seal beads 115 regularly arranged.
  • the seal beads 115 are elastically deformed to realize a seal with the sandwiched membrane electrode assembly 112.
  • the seal bead 115 is positioned on a close contact surface with another member, and the elastic member 117 is bonded and fixed.
  • the elastic member 117 is formed, for example, by preparing a rubber material containing an adhesive component and printing it on the seal bead 115. Therefore, the seal bead 115 does not directly contact the membrane electrode assembly 112 but contacts the membrane electrode assembly 112 via the elastic member 117.
  • seal bead 115 provided in a region other than both end portions of the end cell 111a that contacts the membrane electrode assembly 112 through the elastic member 117.
  • the seal beads 115 at both end portions of the end cell 111 a face the insulating plate 132 provided on the end plate 131 and do not face the membrane electrode assembly 112.
  • the seal member 151 is a rubber-like elastic member having a rectangular cross section.
  • a groove 133 is provided in the insulating plate 132 along a position facing the seal bead 115.
  • the seal member 151 is accommodated in the groove 133 and is in close contact with the seal bead 115. At this time, the seal member 151 is in close contact with the elastic member 117 provided on the seal bead 115.
  • the groove 133 is wider than the seal member 151, and a gap G is generated between the groove 133 and the seal member 151.
  • each part is assembled so that the gap G is generated with the same width on both sides of the seal member 151. Therefore, the seal member 151 is accommodated in the groove 133 with play by the gap G in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the groove 133 (the depth direction in FIG. 2).
  • the seal member 151 is integrally formed with a bottom protrusion 152 on the bottom surface thereof.
  • the bottom ridge 152 is positioned at the center of the bottom surface of the seal member 151 and extends along the longitudinal direction of the seal member 151 (the depth direction in FIG. 2).
  • the gap between the metal separator 113 and the insulating plate 132 positioned at both end portions of the end cell 111a is sealed by the elastic restoring force of the bent seal bead 115.
  • the seal bead 115 is in close contact with the bottom surface of the groove 133 of the insulating plate 132 through the elastic member 117 and the seal member 151.
  • the metal separator 113 made of metal and the insulating plate 132 made of resin have different coefficients of thermal expansion, displacement due to relative displacement occurs between the two due to changes in the temperature environment (see FIG. 8).
  • the seal member 151 is flexed freely within the gap G and absorbs the displacement.
  • no shearing force acts on the elastic member 117, and the elastic member 117 can be prevented from peeling off from the seal bead 115.
  • the seal member 151 is pressed by the seal bead 115 and comes into close contact with the bottom surface of the groove 133 of the insulating plate 132. At this time, if the pressing force by the seal bead 115 is relatively strong, the bottom protrusion 152 is crushed and the entire bottom surface of the seal member 151 is in close contact with the bottom surface of the groove 133. On the other hand, if the pressing force by the seal bead 115 is relatively weak, the bottom surface protrusion 152 is not crushed greatly, and the bottom surface of the seal member 151 is not in close contact with the bottom surface of the groove 133 as a whole.
  • the contact area of the bottom protrusion 152 with respect to the bottom surface of the groove 133 is much smaller than the area of the bottom surface of the seal member 151.
  • the surface pressure when the pressing force from the seal bead 115 is the same is remarkably increased, and the close contact force is improved.
  • the surface pressure with respect to the bottom surface of the groove 133 is compared with the configuration example in which the bottom surface protrusion 152 is not provided.
  • the bottom ridge 152 is disposed at the center of the bottom surface of the seal member 151 that receives the most pressing force from the seal bead 115. For this reason, the surface pressure of the seal member 151 against the bottom surface of the groove 133 can be increased efficiently.
  • the bottom ridge 152 does not necessarily have to be positioned at the center of the bottom surface of the seal member 151, and may be disposed at a position offset from the center.
  • the fuel cell stack 101 also forms a flow path 116 between the metal separator 113 located at both end portions of the end cell 111a and the insulating plate 132 provided on the end plate 131. For this reason, the seal member 151 receives a pressurizing force due to the flow of the medium through the flow path 116. For example, if the medium passing through the flow path 116 flows in the direction indicated by the white arrow in FIG. 3, the seal member 151 receives pressure from the right side in the drawing.
  • the seal member 151 does not fix the seal member 151 to the bottom surface of the groove 133. This is because the bottom surface protrusion 152 is provided, and therefore the seal member 151 cannot be fixed to the bottom surface of the groove 133 regardless of adhesion or welding. For this reason, the seal member 151 that has received the applied pressure due to the flow of the medium passing through the flow path 116 may be displaced toward the downstream side of the flow.
  • the seal member 151 If the seal member 151 is displaced, the seal member 151 cannot freely bend, and the function of the seal member 151 that prevents the elastic member 117 from applying a shearing force is impaired. For example, in the example shown in FIG. 3, the seal member 151 is shifted to a position close to the left side wall among the side walls in the groove 133, so that free deflection to the left side is restricted.
  • the side protrusion 153 is integrally formed with the seal member 151.
  • the side protrusions 153 are structures that protrude continuously from the both end surfaces of the seal member 151 along the longitudinal direction, and are formed integrally with the seal member 151.
  • the side protrusions 153 each have a rectangular cross section and are positioned at the center of the seal member 151 in the height direction.
  • the distance between the ends 153a of the pair of left and right side projections 153 is, for example, substantially the same as or slightly shorter than the separation distance between both side walls of the groove 133.
  • the side protrusion 153 abuts its end 153a against the side wall of the groove 133, so that even if a pressure is applied due to the flow of the medium through the flow path 116, the seal member 151 responds accordingly. There is no movement in the groove 133. Thereby, uneven distribution of the seal member 151 in the groove 133 can be prevented.
  • the side protrusion 153 is continuously formed on the seal member 151. For this reason, the deformation of the seal member 151 that receives the applied pressure due to the flow of the medium through the flow path 116 is suppressed, and the seal member 151 can be prevented from falling off from the groove 133.
  • the distance connecting the end portions 153a of the pair of left and right side projections 153 is substantially the same as or slightly shorter than the separation distance between both side walls of the groove 133. For this reason, the seal member 151 is held in the groove 133 by the frictional resistance between the end portions 153a of the pair of left and right side projections 153 and both side walls of the groove 133, and the end plate 131 and the insulating plate are insulated so that the groove 133 is on the lower side. Even if the plate 132 is turned over, the seal member 151 can be prevented from falling off. Such holding of the seal member 151 improves workability when the fuel cell stack 101 is manufactured.
  • the distance connecting the end portions 153a of the pair of left and right side projections 153 may be set longer than the separation distance between both side walls of the groove 133. In this case, the mounting workability of the seal member 151 with respect to the groove 133 is reduced by one step, but the retainability of the seal member 151 with respect to the groove 133 is enhanced.
  • the side surface protrusion 153 illustrated the structural example which is a structure which protrudes continuously from the both end surfaces of the sealing member 151 along a longitudinal direction, it is not necessarily essential that it is continuous. In implementation, the side protrusions 153 may be formed so as to protrude intermittently from both end faces of the seal member 151 along the longitudinal direction.
  • This embodiment is a configuration example in which the arrangement position and shape of the side protrusions 153 are changed with respect to the configuration example of the second embodiment.
  • the change of the arrangement position relates to the height at which the side protrusion 153 is arranged.
  • the side protrusion 153 is arranged at the center in the height direction of the seal member 151.
  • a side protrusion 153 is disposed at the lower end of the seal member 151.
  • the change in shape relates to the shape of the end 153a of the side protrusion 153.
  • the side protrusion 153 has a rectangular cross section.
  • a curved cross-sectional shape is given to the end 153a of the side protrusion 153. More specifically, the end 153a of the side protrusion 153 is formed so that the lower surface side corner has a larger radius of curvature than the upper surface side corner.
  • the seal member 151 according to the present embodiment in which the arrangement position and the shape are changed as described above with respect to the side protrusion 153 according to the second embodiment is a cross section like a hat in which a ridge extends in the horizontal direction. It has a shape.
  • the amount of bending at the side surface protrusion 153 is reduced as compared with the second embodiment. It is the same.
  • the difference from the second embodiment is the ease of bending of the seal member 151 in the portion where the side protrusions 153 are provided.
  • the seal member 151 can be easily bent as compared with the configuration example of the second embodiment. It is the region above the side protrusion 153 that determines the ease of bending of the seal member 151. If the overall height is the same, this embodiment has more portions that are more easily bent. Because.

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Abstract

発電セルを複数個積層した燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルに含まれる金属セパレータのシールビードと、一対のエンドセルを挟み込むエンドプレートに設けられた絶縁板との間をシールするシール構造を設ける。このシール構造は、シールビードに対面する位置に沿って絶縁板に溝を設け、シールビードに設けた弾性部材に密接するシール部材を溝に収納し、シール部材の底面中央部から長手方向に沿って底面突条を突出させている。

Description

燃料電池のシール構造
 本発明は、燃料電池のシール構造に関する。
 燃料電池の従来構造として、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極接合体(MEA)を備え、その厚み方向両側に一対の金属セパレータを積層して発電セルとし、この発電セルを複数個積層したスタック構造をなすものがある。この種の燃料電池は、膜電極接合体のカソード側に酸化ガス(空気)を供給し、アノード側に燃料ガス(水素)を供給することで、水の電気分解の逆反応である電気化学反応によって電力を発生する。
 積層された発電セル内には、酸化ガス(空気)や燃料ガス(水素)、冷却水などの媒体のための流路が設けられている。個々の流路は、例えば金属セパレータによって形成されている。金属セパレータは、鉄やアルミニウムなどの金属材料からなる一対の板状の部材を接合させたもので、これらの一対の部材の間や別の部材との間に、媒体のための流路を形成する。個々の発電セルは、積層されて両端を一対のエンドプレートに挟み込まれ、燃料電池スタックとなる。
 この種の燃料電池は、例えば特許文献1に記載されている。
 図6に示すように、燃料電池スタック11は、膜電極接合体12を一対の金属セパレータ13で挟んで作成した発電セル14を複数個積層し、一対のエンドプレート15で挟み込んでいる。両端部に位置する発電セル14はエンドセル14aとされ、エンドセル14aは、絶縁板16を介してエンドプレート15に挟み込まれている。
 図6は、膜電極接合体12の一部をなす樹脂フィルム17を一対の金属セパレータ13に挟み込んでいる状態を示している。膜電極接合体12の詳細は省略して示しているが、一対の金属セパレータ13は、樹脂フィルム17の両面に設けられた図示しない電極層も挟み込んでいる。ただし金属セパレータ13は、樹脂フィルム17や電極層などの膜電極接合体12それ自体には直接接触せず、シールビード18に膜状に設けた弾性部材19を介して接合している。
 弾性部材19は、例えばゴム状弾性材料によってシールビード18上に成形された膜状のものである。特許文献1は、樹脂材(56a)として弾性部材19を紹介している(文献1の段落[0035]参照)。このような弾性部材19は、例えば接着成分を含有するゴム材を用意し、これをシールビード18に印刷することによって成形されている。
 図6に示すように、シールビード18は、弾性部材19を介して膜電極接合体12を挟み込んでいる。これに対してエンドセル14aの両端部分では、図6及び図7に示すように、エンドプレート15に設けられた絶縁板16に接触している。絶縁板16は一般的に樹脂製であり、金属セパレータ13とは熱膨張率が異なる。このため図8に示すように、温度環境の変化によって金属セパレータ13と絶縁板16との間に相対変位による位置ずれが生じ(白抜き矢印参照)、これによって弾性部材19には剪断力が作用して、シールビード18から剥離してしまうことがある。
 図9に例示するように、特許文献1には、絶縁板16に溝20を設け、この溝20に遊びをもってシール部材21を収納するようにした発明が記載されている(文献1の段落[0048]~[0062]参照)。シール部材21は、弾性を有する高分子材料、例えばシリコンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴムなどのゴム状弾性部材であり、溝20に嵌合するのではなく、隙間Gによる遊びをもって収納され、溝20の底面に接着又は融着されている(文献1の段落[0049]参照)。このようなシール構造は、前述したシールビード18から弾性部材19が剥離するという問題に対して、解決策を与えるはずである。図10に示すように、金属セパレータ13と絶縁板16との間に位置ずれが生じたとき、シール部材21は隙間Gの範囲で自由に撓み、金属セパレータ13と絶縁板16との間の位置ずれを吸収するからである。
特開2018-022595号公報
 特許文献1に記載されているシール部材、例えば図9に示すようなシール部材21は、金属セパレータ13と絶縁板16との間に相対変位が発生したとき、大きく撓むことが求められる(図10、文献1の図8参照)。このためシール部材を用いたシール構造は、温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれを吸収することができる一方で、金属セパレータと絶縁板との間の面圧の低下を生じさせる。このとき両者間をシールするのに十分な面圧が発生すればよいのだが、シール部材は大きく自由に撓むため、必要な面圧を得られにくい。
 その結果シール性能が低下するため、改善が求められる。
 本発明の課題は、温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれを吸収しながら、両者間の面圧を高め得るようにすることである。
 本発明の燃料電池のシール構造は、発電セルを複数個積層した燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルに含まれる金属セパレータのシールビードに膜状に設けられた弾性部材と、前記両端に位置するエンドセルを挟み込むエンドプレートに設けられた絶縁板中、前記シールビードに対面する位置に沿って設けられた溝と、前記溝にこの溝の長手方向と直交する方向に遊びをもって収納され、前記シールビードに設けられた弾性部材に密接するシール部材と、前記シール部材の底面からこのシール部材の長手方向に沿って突出する底面突条と、を備えることによって上記課題を解決する。
 本発明によれば、温度環境の変化による金属セパレータと絶縁板との間の位置ずれをシール部材によって吸収しながら、底面突条によって溝とシール部材と間の面圧を高め、シール効果を向上させることができる。
燃料電池スタックの概略構造を示す模式図。 燃料電池のシール構造の第1の実施の形態を示す垂直断面図。 流路を通る媒体から加圧力を受けたシール部材が変位した状態を例示する垂直断面図。 燃料電池のシール構造の第2の実施の形態を示す垂直断面図。 燃料電池のシール構造の第3の実施の形態を示す垂直断面図。 従来の燃料電池スタックの概略構造を示す模式図。 エンドセルの金属セパレータと絶縁板との接触状態を示す垂直断面図。 図7に示す金属セパレータと絶縁板との間に、熱膨張率の違いを原因とする相対変位による位置ずれが生じている状態を例示する垂直断面図。 エンドセルの金属セパレータと絶縁板との間にシール部材を介在させた構成例を示す垂直断面図。 図9に示す金属セパレータと絶縁板との間に、熱膨張率の違いを原因とする相対変位による位置ずれが生じている状態を例示する垂直断面図。
 実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、固体高分子形燃料電池に用いられるシール技術に係り、特に燃料電池スタック101のエンドセル111aをシールするシール構造102に関する(図1参照)。
 本実施の形態では、図1に示す一対のエンドセル111aのうち、下方に位置するエンドセル111aのシール構造102について説明している。説明の便宜上、上下左右と方向を特定しているが、この特定は図1に示す状態を基準としている。したがって上方に位置するエンドセル111aの場合、本実施の形態とは上下左右が反転する。また図1に示す方向とは異なる向きに燃料電池スタック101を配置した場合、本実施の形態中で特定している上下左右の方向性は、全く異なるものとなる。もっともいかなる方向に燃料電池スタック101を位置づけたとしても、本実施の形態で特定する上下左右の方向を参酌すれば、各部の方向性を容易に理解することが可能である。
(第1の実施の形態)
 第1の実施の形態を図1及び図2に基づいて説明する。
 図1に示すように、燃料電池スタック101は、発電セル111を複数個積層し、その両端を一対のエンドプレート131によって挟み込み、締着した構造を有している。
 発電セル111は、水素と酸素とから電気エネルギーを取り出す構造物である。MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれる膜電極接合体112を備え、その厚み方向両側に一対の金属セパレータ113を備えている。
 膜電極接合体112は、固体高分子から構成された例えば樹脂フィルム114からなる電解質膜の両面に、カソード側及びアノード側となる一対の電極層(図示せず)を設けている。金属セパレータ113は、鉄やアルミニウムなどの金属材料からなるプレートであり、複数個のシールビード115を規則的に配列している。一つの発電セル111に対して、金属セパレータ113は一対用意されている。一対の金属セパレータ113は膜電極接合体112を挟み込み、膜電極接合体112の両側に複数個の流路116を形成する。流路116は、シールビード115によって形成される。
 発電セル111は、膜電極接合体112のカソード側に酸化ガス(空気)を供給し、アノード側に燃料ガス(水素)を供給することで、水の電気分解の逆反応である電気化学反応によって電力を発生する。このとき流路116は、酸化ガス(空気)及び燃料ガス(水素)のみならず、冷却水を流通させる流路としても用いられる。
 燃料電池スタック101において、両端に位置する発電セル111はエンドセル111aと呼ばれる。エンドセル111aはエンドプレート131に対面している。ただしエンドセル111aとエンドプレート131とは直接対面しているわけではなく、両者間には絶縁板132が介在している。絶縁板132は樹脂などの絶縁材料、例えばポリカーボネートやフェノール樹脂などによって形成されている。
 前述したように、金属セパレータ113は複数個のシールビード115を規則的に配列している。積層された複数個の発電セル111の両側に配置した一対のエンドプレート131を締着したとき、シールビード115は弾性変形し、挟み込んでいる膜電極接合体112との間のシールを実現する。
 シールビード115は、他の部材との間の密接面に位置させて、弾性部材117を接着固定している。弾性部材117は、例えば接着成分を含有するゴム材を用意し、これをシールビード115に印刷することによって成形されている。したがってシールビード115は、膜電極接合体112に直接接触するのではなく、弾性部材117を介して膜電極接合体112に接触している。
 もっとも弾性部材117を介して膜電極接合体112に接触するのは、エンドセル111aの両端部分以外の領域に設けられたシールビード115である。エンドセル111aの両端部分のシールビード115は、エンドプレート131に設けられた絶縁板132に対面し、膜電極接合体112には対面しない。
 エンドセル111aの両端部分のシールビード115と絶縁板132との間には、シール部材151が介在している。シール部材151は、断面矩形形状のゴム状弾性部材である。絶縁板132には、シールビード115に対面する位置に沿って溝133が設けられている。シール部材151はこの溝133に収納され、シールビード115に密接する。このときシール部材151が密接するのは、シールビード115に設けられた弾性部材117である。
 図2に示すように、溝133はシール部材151よりも幅が広くなっており、溝133とシール部材151との間には隙間Gが発生している。燃料電池スタック101の組立に際しては、シール部材151の両側に同じ幅で隙間Gが発生するように、各部が組み付けられる。したがってシール部材151は、溝133の長手方向(図2中の奥行き方向)と直交する方向に隙間Gによる遊びをもって溝133に収納されている。
 シール部材151は、その底面に底面突条152を一体に成形している。底面突条152は、シール部材151の底面中央部に位置づけられ、シール部材151の長手方向(図2中の奥行き方向)に沿って延びている。
 このような構成において、エンドセル111aの両端部分に位置する金属セパレータ113と絶縁板132との間は、撓んだシールビード115の弾性復元力によってシールされる。このときシールビード115は、弾性部材117とシール部材151とを介して絶縁板132の溝133の底面に密接する。
 金属製の金属セパレータ113と樹脂製の絶縁板132とでは熱膨張率が異なるため、温度環境の変化に伴い、両者の間には相対変位による位置ずれが発生する(図8参照)。金属セパレータ113と絶縁板132との間に位置ずれが発生したとき、シール部材151は隙間Gの範囲内で自由に撓み、その位置ずれを吸収する。これによって弾性部材117には剪断力が作用せず、シールビード115からの弾性部材117の剥離を防止することができる。
 シール部材151は、シールビード115に押圧されて絶縁板132の溝133の底面に密接する。このときシールビード115による押圧力が相対的に強ければ、底面突条152は潰れてシール部材151の底面全面が溝133の底面に密接する。これに対してシールビード115による押圧力が相対的に弱ければ、底面突条152は大きく潰れず、シール部材151の底面は、全面的には溝133の底面に密接しない。
 いずれの場合であっても、溝133の底面に対する底面突条152の接触面積は、シール部材151の底面の面積に対してはるかに小さい。このため底面突条152が設けられていない構成例(例えば図9、図10参照)と比べると、シールビード115からの押圧力が同一である場合の面圧が格段に高まり、密接力が向上する。とりわけシールビード115による押圧力が相対的に弱く、底面突条152が完全に潰れ切らないような場合、底面突条152が設けられていない構成例と比較して、溝133の底面に対する面圧が著しく高まり、シール性が向上する。
 底面突条152は、シールビード115からの押圧力を最も強く受けるシール部材151の底面中央部に配置されている。このため溝133の底面に対するシール部材151の面圧を効率よく上昇させることができる。
 もっとも実施に際しては、底面突条152は必ずしもシール部材151の底面中央部に位置づけられていなければならないわけではなく、中央部からオフセットした位置に配置されていてもよい。
(第2の実施の形態)
 第2の実施の形態を図3及び図4に基づいて説明する。第1の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。
 図3に示すように、燃料電池スタック101は、エンドセル111aの両端部分に位置する金属セパレータ113とエンドプレート131に設けられた絶縁板132との間にも、流路116を形成する。このためシール部材151は、流路116を通る媒体の流れによって加圧力を受ける。例えば流路116を通る媒体が図3中の白抜き矢印で示す方向に流れるとすると、図中、シール部材151は右側からの加圧力を受ける。
 このときシール部材151は、例えば特許文献1に記載されているような構造とは異なり、溝133の底面にシール部材151を固定していない。底面突条152を設けているために、接着によるか溶着によるかを問わず、溝133の底面にシール部材151を固定することができないからである。このため流路116を通る媒体の流れによる加圧力を受けたシール部材151は、流れの下流側方向に向けて位置ずれを生ずることがある。
 シール部材151に位置ずれが生ずると、シール部材151が自由に撓むことができなくなり、弾性部材117に剪断力を作用させないというシール部材151の機能が損なわれてしまう。例えば図3に示す一例では、溝133内の側壁のうち左側に位置する側壁に寄った位置にシール部材151は偏移しているので、左側への自由な撓みが規制されてしまう。
 そこで本実施の形態では、シール部材151に側面突部153を一体に成形している。側面突部153は、シール部材151の両端面から長手方向に沿って連続的に突出する構造体で、シール部材151と一体に成形されている。
 側面突部153は、それぞれ断面矩形形状で、シール部材151の高さ方向中央部に位置づけられている。
 左右一対の側面突部153の端部153a同士を結んだ距離は、例えば溝133の両側壁間の離隔距離とほぼ同じか、あるいは僅かに短い長さを有している。
 このような構成において、側面突部153はその端部153aを溝133の側壁に突き当てるので、流路116を通る媒体の流れによる加圧力を受けたとしても、これに応じてシール部材151が溝133内を移動してしまうことがない。これにより溝133内でのシール部材151の偏在を防止することができる。
 側面突部153は、シール部材151に連続的に成形されている。このため流路116を通る媒体の流れによって加圧力を受けたシール部材151の変形が抑制され、溝133からのシール部材151の脱落を防止することができる。
 左右一対の側面突部153の端部153a同士を結んだ距離は、溝133の両側壁間の離隔距離とほぼ同じか、あるいは僅かに短い長さを有している。このため左右一対の側面突部153の端部153aと溝133の両側壁との間の摩擦抵抗によってシール部材151は溝133に保持され、溝133が下側になるようにエンドプレート131及び絶縁板132をひっくり返したとしても、シール部材151の脱落を防止することができる。このようなシール部材151の保持は、燃料電池スタック101の製造に際して、作業性を良好にする。
 もっとも実施に際しては、左右一対の側面突部153の端部153a同士を結んだ距離は、溝133の両側壁間の離隔距離よりも長く設定されていてもよい。この場合には、溝133に対するシール部材151の装着作業性は一歩後退することになる反面、溝133に対するシール部材151の保持性が高まる。
 また側面突部153は、シール部材151の両端面から長手方向に沿って連続的に突出する構造体である構成例を例示したが、連続的であることは必ずしも必須ではない。実施に際して側面突部153は、シール部材151の両端面から長手方向に沿って断続的に突出成形されていてもよい。
(第3の実施の形態)
 第3の実施の形態を図5に基づいて説明する。第1及び第2の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。
 本実施の形態は、第2の実施の形態の構成例に対して、側面突部153の配置位置と形状とを変更した構成例である。
 配置位置の変更は、側面突部153を配置する高さに関する。第2の実施の形態では、シール部材151の高さ方向中央部に側面突部153を配置している。これに対して本実施の形態では、シール部材151の下端に側面突部153を配置している。
 形状の変更は、側面突部153の端部153aの形状に関する。第2の実施の形態では、側面突部153に断面矩形形状を与えている。これに対して本実施の形態では、断面湾曲形状を側面突部153の端部153aに与えている。より詳しくは、側面突部153の端部153aは、下面側隅部の方が上面側隅部よりも大きな曲率半径を持つように形成されている。
 第2の実施の形態の側面突部153に対して、上記したような配置位置及び形状の変更を加えられた本実施の形態のシール部材151は、鍔が水平方向に延びるハットのような断面形状を有している。
 このような構成において、側面突部153を設けていない第1の実施の形態の構成例と比較して、側面突部153の部分では撓み量が減少することは、第2の実施の形態と同様である。
 第2の実施の形態と相違するのは、側面突部153を設けた部分におけるシール部材151の撓みやすさである。本実施の形態では、シール部材151の下端両側から側面突部153を突出させているので、第2の実施の形態の構成例と比較して、シール部材151を撓みやすくすることができる。シール部材151の撓みやすさを決定づけるのは側面突部153よりも上方の領域であるところ、全体の高さが同じであるならば、本実施の形態の方が撓みやすい部分をより多く備えているからである。
 したがって本実施の形態によれば、ある程度の撓みやすさをシール部材151に与えることができる。
 燃料電池スタック101の組み立てに際しては、溝133に対してシール部材151を押し込む作業が必要になる。このとき側面突部153は、溝133の両側壁に対向する部分が断面湾曲形状に形成されているので、溝133にシール部材151を押し込む作業の作業性が良好になる。
(変形例)
 実施に際しては、各種の変形や変更が可能である。上記実施の形態は、絶縁板132の溝133及びシール部材151はもとよりのこと、金属セパレータ113やシールビード115などについても、形状、寸法比率、材質などの様々な要素について一つの例を挙げているにすぎない。実施に際しては、個々の要素の属性が保たれる限り、あらゆる変更や変形が可能である。
101  燃料電池スタック
102  シール構造
111  発電セル
111a エンドセル
112  膜電極接合体
113  金属セパレータ
114  樹脂フィルム
115  シールビード
116  流路
117  弾性部材
131  エンドプレート
132  絶縁板
133  溝
151  シール部材
152  底面突条
153  側面突部
153a 端部
  G  隙間

Claims (6)

  1.  発電セルを複数個積層した燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルに含まれる金属セパレータのシールビードに膜状に設けられた弾性部材と、
     前記両端に位置するエンドセルを挟み込むエンドプレートに設けられた絶縁板中、前記シールビードに対面する位置に沿って設けられた溝と、
     前記溝にこの溝の長手方向と直交する方向に遊びをもって収納され、前記シールビードに設けられた弾性部材に密接するシール部材と、
     前記シール部材の底面からこのシール部材の長手方向に沿って突出する底面突条と、
     を備えることを特徴とする燃料電池のシール構造。
  2.  前記底面突条は、前記シール部材の底面中央部に配置されている、
     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.  前記シール部材は、前記シール部材の両端面からこのシール部材の長手方向に沿って突出し、前記溝の長手方向の両側壁にそれぞれ対面する側面突部を備える、
     ことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池のシール構造。
  4.  前記側面突部は、前記シール部材の高さ方向中央部に配置されている、
     ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池のシール構造。
  5.  前記側面突部は、前記シール部材の下端に配置されている、
     ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池のシール構造。
  6.  前記側面突部は、前記溝の両側壁に対向する部分に断面湾曲形状を有している、
     ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池のシール構造。
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