JP2017107703A - 燃料電池のシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のシール構造の十分なシール性を確保する。【解決手段】燃料電池の単セルのセパレータの表面に設置され、隣接する単セルの間に配置されるシール部材を有するシール構造が提供される。セパレータは、シール部材の外周側に、セパレータの外周方向へ傾斜して形成された外周側傾斜壁を備え、シール部材は、単セルの間を密封する中央シール部と、中央シール部の両側に中央シール部と一体に形成され、中央シール部よりも厚みの小さな周縁シール部とを備え、中央シール部の外周側に設けられた周縁シール部の幅は、セパレータの平面視において、外周側傾斜壁の幅よりも大きく構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池のシール構造に関する。

一般に、燃料電池は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。各単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータとを有する。セパレータには、単セル内に反応ガスを流すための反応ガス流路と、単セル内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路とが形成されている。また、セパレータには、反応ガスの入口および出口として機能する反応ガスマニホールドと、冷却媒体流路の入口および出口として機能する冷却媒体マニホールドとが形成されている。反応ガス流路や、冷却媒体流路、反応ガスマニホールド、冷却媒体マニホールドの周囲には、適宜、それぞれの流体の漏洩を抑制するためのシール部材が設けられている。また、セパレータの表面において、それらのシール部材の外周側および内周側にそれぞれ傾斜壁が形成されている例が特許文献１によって開示されている。

特開２０１４−２１６２４７号公報

しかしながら、従来技術では、シール部材に内圧がかかった際に、シール部材が外周側傾斜壁に当たって傾斜壁に乗り上げてしまい、十分なシール性を確保できない場合があるという問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池のシール構造が提供される。この燃料電池のシール構造は、燃料電池の単セルのセパレータの表面に設置され、隣接する単セルの間に配置されるシール部材を有する。前記セパレータは、前記シール部材の外周側に、前記セパレータの外周方向へ傾斜して形成された外周側傾斜壁を備える。前記シール部材は、前記単セルの間を密封する中央シール部と、前記中央シール部の両側に前記中央シール部と一体に形成され、前記中央シール部よりも厚みの小さな周縁シール部と、を備える。前記中央シール部の外周側に設けられた前記周縁シール部の幅は、前記セパレータの平面視において、前記外周側傾斜壁の幅よりも大きく構成されている。

この形態のシール構造によれば、シール部材に内圧がかかった際、シール部材は外周側傾斜壁の方向へ移動し、外周側の周縁シール部が中央シール部よりも先に外周側傾斜壁に当たる。外周側の周縁シール部の幅は外周側傾斜壁の幅よりも大きいため、中央シール部が外周側傾斜壁に当たる前に、シール部材の移動が停止する。このように、外周側の周縁シール部の幅を外周側傾斜壁の幅よりも大きくすることにより、単セルの間の密封に機能する中央シール部が外周側傾斜壁に乗り上げることなく、十分なシール性を確保できる。

本発明は、上記形態のシール構造以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上記形態のシール構造を備える燃料電池のセパレータ、そのセパレータを備える燃料電池の単セル、その単セルを備える燃料電池、その燃料電池を備える燃料電池システム等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 単セルのアノード側セパレータをＭＥＡとは反対側から見た概略平面図である。 第１実施形態における酸化剤ガス出口マニホールド付近を拡大して示す概略平面図である。 第１実施形態におけるシール部材の断面を示す説明図である。 第２実施形態におけるシール部材の断面を示す説明図である。 第３実施形態におけるシール部材の断面を示す説明図である。 第４実施形態における酸化剤ガス出口マニホールド付近を拡大して示す概略平面図である。 第４実施形態におけるシール部材の断面を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００を備えている。燃料電池スタック１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。なお、単セル１４０の積層方向は、鉛直方向Ｙに垂直な方向Ｘとなっている。

燃料電池スタック１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク１５０から、シャットバルブ１５１、レギュレータ１５２、配管１５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管１６３を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管１５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池スタック１００には、また、エアポンプ１６０および配管１６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管１５４を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。

さらに、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するため、ウォーターポンプ１７１および配管１７２を介して、ラジエータ１７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体は、配管１７３を介してラジエータ１７０に循環する。冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、冷却媒体として水（「冷却水」とも呼ぶ）が用いられる。

燃料電池スタック１００に備えられる単セル１４０は、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）３０を一対のセパレータ、すなわちアノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０によって挟持された構成となっている。アノード側セパレータ５０は、ＭＥＡ３０側の面に筋状の複数の燃料ガス流路溝５２を備え、ＭＥＡ３０と反対側の面に筋状の複数の冷却媒体流路溝５４を備える。カソード側セパレータ４０は、ＭＥＡ３０側の面に筋状の複数の酸化剤ガス流路溝４２を備える。なお、アノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ４０によって挟持されるＭＥＡ３０の外周には、絶縁性を有する樹脂製のフレーム部材３２が設けられている。

図２は、単セル１４０のアノード側セパレータ５０をＭＥＡ３０とは反対側から見た概略平面図である。図２において、表裏方向が積層方向Ｘであり、上下方向が鉛直方向Ｙである。また、鉛直方向Ｙおよび積層方向Ｘに垂直な図中の左右方向は水平方向Ｚである。アノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ４０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。本実施形態では、セパレータ４０，５０はメタルプレスセパレータである。

アノード側セパレータ５０の水平方向Ｚの一端縁部には、燃料ガス入口連通マニホールド６２と、冷却媒体出口マニホールド８４と、酸化剤ガス入口連通マニホールド７２と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に配置されている。これに対して、他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド７４と、冷却媒体入口連通マニホールド８２と、燃料ガス出口マニホールド６４と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に並んで配置されている。燃料ガス入口連通マニホールド６２および燃料ガス出口マニホールド６４と、酸化剤ガス入口連通マニホールド７２および酸化剤ガス出口マニホールド７４と、冷却媒体入口連通マニホールド８２および冷却媒体出口マニホールド８４、は水平方向Ｚの両側の外縁部分で互いに対向するように配置されている。

カソード側セパレータ４０の燃料ガス入口マニホールド（図示しない）から供給された燃料ガスは、単セル１４０の燃料ガス流路溝５２（図１）に分配された後、燃料ガス出口マニホールド６４によって燃料ガス流路溝５２において利用されなかった燃料ガスが集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、カソード側セパレータ４０の酸化剤ガス入口マニホールド（図示しない）から供給された酸化剤ガスは、単セル１４０の酸化剤ガス流路溝４２（図１）に分配された後、酸化剤ガス出口マニホールド７４によって酸化剤ガス流路溝４２において利用されなかった酸化剤ガスが集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。さらに、カソード側セパレータ４０の冷却媒体入口マニホールド（図示しない）から供給された冷却媒体は、アノード側セパレータ５０のディンプル５６が設けられた一端を介して拡散され、冷却媒体流路溝５４を流れて、冷却媒体流路溝５４からディンプル５６が設けられた他端を介して、冷却媒体出口マニホールド８４によって集められ、燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、アノード側セパレータ５０のＭＥＡ３０とは反対側から見た平面において、冷却媒体入口連通マニホールド８２と、冷却媒体流路溝５４と、冷却媒体出口マニホールド８４とは、水平方向Ｚに互いに連通して、冷却媒体流路面２００を構成する。なお、各マニホールド６２，６４，７２，７４，８２，８４は開口が略矩形状である。また、各マニホールドは燃料電池スタック１００の積層方向Ｘに伸びる形状を有している。

アノード側セパレータ５０のＭＥＡ３０とは反対側から見た平面には、各反応ガスマニホールド６２，６４，７２，７４および冷却媒体流路面２００をそれぞれ囲むシール部材ＳＬ１〜ＳＬ５（「ガスケット」とも呼ぶ）を有するシール構造が形成されている。シール部材ＳＬ１〜ＳＬ５は、複数の単セル１４０を積層した際に、隣接する他の単セル１４０の表面に当接し、２つの単セル１４０の間を密封する機能を有する。具体的には、シール部材ＳＬ１，ＳＬ２が燃料ガスの漏洩を抑制するためのものであり、シール部材ＳＬ３，ＳＬ４が酸化剤ガスの漏洩を抑制するためのものであり、シール部材ＳＬ５が冷却媒体の漏洩を抑制するためのものである。これらのシール部材ＳＬ１〜ＳＬ５は、射出成形やプレス成形等により形成されるもので、シール部材ＳＬ１〜ＳＬ５の材料としては、ゴムや熱可塑性エラストマー等を用いることができる。また、シール部材ＳＬ１〜ＳＬ５は、接着剤によってセパレータに貼り合わされることによって固定される。なお、これらのシール部材ＳＬ１〜ＳＬ５の両側には、外周側傾斜壁８１と内周側傾斜壁８３とが形成されている。

図３は、図２に示したアノード側セパレータ５０の酸化剤ガス出口マニホールド７４付近を拡大して示す概略平面図である。シール部材ＳＬ４は、中央シール部２１と周縁シール部２２とを有する。シール部材ＳＬ４の隣には、冷却媒体用のシール部材ＳＬ５が形成されている。

図４は、図３に示したシール部材ＳＬ４のＡＡ断面を示す説明図である。シール部材ＳＬ４の中央シール部２１は、複数の単セル１４０を積層した状態で２つの単セル１４０の間を密封する際に機能する。シール部材ＳＬ４の周縁シール部２２は、中央シール部２１の両側に中央シール部２１と一体に形成され、中央シール部２１よりも厚みが小さく構成されている。本明細書において、「厚み」とは、単セル１４０の積層方向の寸法を意味する。また、周縁シール部２２の幅Ｗｂは、外周側傾斜壁８１の幅Ｗｗよりも大きく構成されている。なお、シール部材ＳＬ４における形状的特徴は、他のシール部材ＳＬ１〜ＳＬ３，ＳＬ５においても同様である。

図４（ａ）は、シール部材ＳＬ４に圧力がかかっていない状態の説明図である。破線で示したカソード側セパレータ４０は、隣接する他の単セル１４０のものである。図４（ｂ）は、燃料電池スタック１００を組み立てる際に、隣接する他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０をアノード側セパレータ５０に当てた状態の説明図である。このとき、シール部材ＳＬ４の中央シール部２１はカソード側セパレータ４０に当たり、単セル１４０の積層方向に圧縮されて変形する。図４（ｃ）は、シール部材ＳＬ４に内圧（白抜きの矢印）がかかった状態の説明図である。シール部材ＳＬ４に内圧がかかった際、シール部材ＳＬ４は外周側傾斜壁８１の方向へ移動し、外周側の周縁シール部２２が中央シール部２１よりも先に外周側傾斜壁８１に当たる。外周側の周縁シール部２２の幅Ｗｂは外周側傾斜壁８１の幅Ｗｗよりも大きいため、中央シール部２１が外周側傾斜壁８１に当たる前に、シール部材ＳＬ４の移動が停止する。このように、外周側の周縁シール部２２の幅Ｗｂを外周側傾斜壁８１の幅Ｗｗよりも大きくすることにより、単セル１４０の間の密封に機能する中央シール部２１が外周側傾斜壁８１に乗り上げることなく、十分なシール性を確保できる。なお、中央シール部２１の両側にある２つの周縁シール部２２のうち、内周側の周縁シール部２２の幅は、外周側傾斜壁８１の幅Ｗｗよりも小さくてもよい。また、外周側の周縁シール部２２のうち、移動して外周側傾斜壁８１に当たるのは、外周側傾斜壁８１と並走する部分であり、他の部分（図３において冷却媒体用のシール部材ＳＬ５と並走する部分）は外周側傾斜壁８１に当たるおそれはない。従って、外周側傾斜壁８１に当たる可能性のある部分についてのみ、外周側の周縁シール部２２の幅Ｗｂを外周側傾斜壁８１の幅Ｗｗよりも大きくするようにしてもよい。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態におけるシール部材ＳＬ４ａの断面を示す説明図である。図４に示した第１実施形態との違いは、周縁シール部２２ａの一部の厚みが大きくなった点だけであり、これ以外の構成は、第１実施形態と同様であるので図示および説明を省略する。

第２実施形態におけるシール部材ＳＬ４ａの周縁シール部２２ａのうち、中央シール部２１ａに接続していない端部は、中央シール部２１ａに接続している部分よりも厚みが大きく、アノード側セパレータ５０と接触している。すなわち、周縁シール部２２ａは略Ｌ字形状に形成されており、中央シール部２１ａの両側において、周縁シール部２２ａとアノード側セパレータ５０との間にギャップＧが設けられている。但し、ギャップＧを省略し、ギャップＧの部分にもシール部材が存在する形状を採用してもよい。この構成においても、第１実施形態と同様に、単セル１４０の間の密封に機能する中央シール部２１ａが外周側傾斜壁８１に乗り上げることなく、十分なシール性を確保できる。加えて、内圧が極めて大きい場合、第１実施形態におけるシール部材ＳＬ４の外周側の周縁シール部２２と比べて、一部厚みの大きい外周側の周縁シール部２２ａは、外周側傾斜壁８１の圧迫により変形しにくくなる。これにより、外周側の周縁シール部２２ａによってシール部材ＳＬ４ａの移動を止めやすくなり、中央シール部２１ａが外周側傾斜壁８１に乗り上げにくくなり、さらにシール性を高めることができる。また、シール部材ＳＬ４ａの周縁シール部２２ａの最大厚さは、他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ５０との間のクリアランスＣＬの２０％以下であることが好ましい。こうすれば、外周側の周縁シール部２２ａが外周側傾斜壁８１に圧迫され、変形によって外周側の周縁シール部２２ａの厚みがさらに増大した場合にも、その部分がアノード側セパレータ５０に当たった他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０を圧迫しないので、シール性が過度に低下しない。なお、第２実施形態において、シール部材ＳＬ４ａの外周側の周縁シール部２２ａのみ、厚みの大きくなった部分を有してもよい。

Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態におけるシール部材ＳＬ４ｂの断面を示す説明図である。図５に示した第２実施形態との違いは、周縁シール部２２ｂの角部Ｅａ，Ｅｂが面取りされている点だけであり、これ以外の構成は、第２実施形態と同様であるので図示および説明を省略する。

図６（ａ）は、アノード側セパレータ５０に当たった他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０がずれた状態で、シール部材ＳＬ４ｂに内圧（白抜きの矢印）がかかった際の断面図である。図６（ｂ）は、シール部材ＳＬ４ｂの周縁シール部２２ｂの角部Ｅａ，Ｅｂが面取りされていない場合について同様な状態を示している。内圧によってシール部材ＳＬ４ｂが外周側傾斜壁８１まで移動した際、角部Ｅｂが面取りされていない場合、角部Ｅｂが他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０に圧迫されると同時に、その反力（図６（ｂ）中白抜きの矢印）が他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０に作用する。このため、シール部材ＳＬ４ｂの中央シール部２１ｂが他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０から受ける圧力が減少し、シール性が低下する。これに対して、図６（ａ）に示したように、シール部材ＳＬ４ｂの周縁シール部２２ｂの角部Ｅａ，Ｅｂを面取りすれば、アノード側セパレータ５０に当たった他の単セル１４０のカソード側セパレータ４０がずれても、十分なシール性を確保できる。なお、第３実施形態において、外周側の周縁シール部２２ｂの角部Ｅｂのみ面取りされてもよい。

Ｄ．第４実施形態：
図７は、第４実施形態における酸化剤ガス出口マニホールド７４付近を拡大して示す概略平面図である。図３に示した第１実施形態との違いは、シール部材ＳＬ４ｃとシール部材ＳＬ５ｃの隣り合う部分、具体的には、隣り合う周縁シール部２２ｃと周縁シール部２４ｃ、が一体に連結している点だけであり、これ以外の構成は、第１実施形態と同様であるので図示および説明を省略する。図示の便宜上、図７におけるシール部材の部分はハッチングで示している。

図８は、図７に示したシール部材ＳＬ４ｃ，ＳＬ５ｃの断面を示す説明図である。図８（ａ）は、シール部材ＳＬ４ｃのＢＢ断面を示す説明図である。図８（ｂ）は、シール部材ＳＬ５ｃのＣＣ断面を示す説明図である。図８（ａ）におけるＢＢ断面は、酸化剤ガス出口マニホールド７４の４つのコーナー部のうち、アノード側セパレータ５０の外周側に位置する特定コーナー部に配置され、シール部材ＳＬ５ｃと連結した部分を有するシール部材ＳＬ４ｃの断面を示している。図８（ｂ）におけるＣＣ断面は、シール部材ＳＬ４ｃと連結している部分を有しないシール部材ＳＬ５ｃの断面を示している。また、シール部材ＳＬ５ｃと連結している部分を有しないシール部材ＳＬ４ｃの断面もＣＣ断面と同様である。シール部材ＳＬ４ｃにおいて、特定コーナー部に配置された周縁シール部２２ｃは、シール部材ＳＬ５ｃと連結しているため、外周側の周縁シール部２２ｃの幅Ｗｂ１が、シール部材ＳＬ４ｃと連結している部分を有しないシール部材ＳＬ５ｃの外周側の周縁シール部２４ｃの幅Ｗｂよりも大きく構成されている。

シール部材ＳＬ４ｃに内圧がかかった際、シール部材ＳＬ４ｃは外周側傾斜壁８１の方向へ移動し、外周側の周縁シール部２２ｃが中央シール部２１ｃよりも先に外周側傾斜壁８１に当たる。外周側の周縁シール部２２ｃの幅Ｗｂ１は外周側傾斜壁８１の幅Ｗｗよりも大きいため、中央シール部２１ｃが外周側傾斜壁８１に当たる前に、シール部材ＳＬ４ｃの移動が停止する。このように、第４実施形態においても、第１実施形態と同様に、十分なシール性を確保できる。加えて、上述特定コーナー部に配置され、シール部材ＳＬ５ｃと連結した部分を有するシール部材ＳＬ４ｃの外周側の周縁シール部２２ｃの幅Ｗｂ１は、シール部材ＳＬ４ｃと連結している部分を有しないシール部材ＳＬ５ｃの外周側の周縁シール部２４ｃの幅Ｗｂよりも大きく構成される。これにより、外周側の周縁シール部２２ｃによってシール部材ＳＬ４ｃの移動を早く止めることができ、中央シール部２１ｃが外周側傾斜壁８１に乗り上げにくくなり、さらにシール性を高めることができる。なお、第２実施形態または第３実施形態におけるシール部材の形状的特徴は、第４実施形態におけるシール部材の形状的特徴に付け加えてもよい。また、上述すべての実施形態において、内周側傾斜壁８３を省略してもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した各実施形態における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…燃料電池システム
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…中央シール部
２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…周縁シール部
２４ｃ…周縁シール部
３０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
３２…フレーム部材
４０…カソード側セパレータ
４２…酸化剤ガス流路溝
５０…アノード側セパレータ
５２…燃料ガス流路溝
５４…冷却媒体流路溝
５６…ディンプル
６２…燃料ガス入口連通マニホールド
６４…燃料ガス出口マニホールド
７２…酸化剤ガス入口連通マニホールド
７４…酸化剤ガス出口マニホールド
８１…外周側傾斜壁
８２…冷却媒体入口連通マニホールド
８３…内周側傾斜壁
８４…冷却媒体出口マニホールド
１００…燃料電池スタック
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…単セル
１５０…水素タンク
１５１…シャットバルブ
１５２…レギュレータ
１５３…配管
１５４…排出配管
１６０…エアポンプ
１６１…配管
１６３…排出配管
１７０…ラジエータ
１７１…ウォーターポンプ
１７２…配管
１７３…配管
２００…冷却媒体流路面
ＣＬ…クリアランス
Ｅａ…角部
Ｅｂ…角部
Ｇ…ギャップ
ＳＬ１〜ＳＬ５…シール部材
ＳＬ４ａ，ＳＬ４ｂ，ＳＬ４ｃ…シール部材
ＳＬ５ｃ…シール部材
Ｘ…積層方向
Ｙ…鉛直方向
Ｚ…水平方向

Claims (1)

1. 燃料電池の単セルのセパレータの表面に設置され、隣接する単セルの間に配置されるシール部材を有するシール構造であって、
   前記セパレータは、前記シール部材の外周側に、前記セパレータの外周方向へ傾斜して形成された外周側傾斜壁を備え、
   前記シール部材は、前記単セルの間を密封する中央シール部と、前記中央シール部の両側に前記中央シール部と一体に形成され、前記中央シール部よりも厚みの小さな周縁シール部と、を備え、
   前記中央シール部の外周側に設けられた前記周縁シール部の幅は、前記セパレータの平面視において、前記外周側傾斜壁の幅よりも大きく構成されている、
   シール構造。

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