JP2013232385A - シール構造体及び燃料電池スタック構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】優れたガスシール性を発揮し得るシール構造体及び燃料電池スタック構造体を提供する。
【解決手段】シール構造体は、燃料電池スタック構造体において単セルを挟む２つのセパレータの間に配設される。シール構造体は、一方のセパレータ側に配設される流路部材と他方のセパレータ側に配設される流路部材と、２つの流路部材の間に配設されるシール部材とを備える。シール構造体においては、流路部材の少なくとも一方が、２以上の部材の少なくとも１つに形成された少なくとも１つの凹部内に形成された溶接ビードで溶接された溶接接合部材である。
燃料電池スタック構造体は、シール構造体を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、シール構造体及び燃料電池スタック構造体に関する。更に詳細には、本発明は、優れたガスシール性を発揮し得るシール構造体及び燃料電池スタック構造体に関する。

従来、接合方法や接合工程の自由度の拡大及び接合工程の歩留りの向上を実現したうえで、ガスリークが生じる懸念をほとんど皆無とすることが可能である固体電解質型燃料電池のスタック構造体が提案されている（特許文献１参照。）。

このスタック構造体は、単セルと、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入口及び排出口を有すると共に単セルを固定するセル取付部を有する一方の金属製セパレータと、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入口及び排出口を有する他方の金属製セパレータと、両セパレータ間に形成される空間内に収容されて両セパレータのガス導入口及び排出口と連通して空間内に対するガス供給及び排出を行う流路部品を備える。そして、このスタック構造体は、この流路部品が両セパレータのうちの少なくとも一方のセパレータに空間の内部側で接合した固体電解質型燃料電池を積層して成るものである。また、このスタック構造体は、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池が、各々のセパレータの中心部分に位置する段差部同士の溶接による接合により固定してある。

特開２００６−１４７５３２号公報

しかしながら、本発明者らが検討したところ、上記特許文献１に記載されたスタック構造体にあっては、溶接ビードの突出や溶接時の入熱による変形が生じていることが分かった。そして、より厳密なガスシール性の確保を図るにあたっては、平面度の確保が十分でなく、ガスシール性について改善の余地があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、優れたガスシール性を発揮し得るシール構造体及び燃料電池スタック構造体を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、一方のセパレータ側に配設される流路部材と他方のセパレータ側に配設される流路部材と、該２つの流路部材の間に配設されるシール部材とを備え、該流路部材の少なくとも一方を、２以上の部材の少なくとも１つに形成された少なくとも１つの凹部内に形成された溶接ビードで溶接された溶接接合部材とした構成とすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のシール構造体は、燃料電池スタック構造体において単セルを挟む２つのセパレータの間に配設されるシール構造体である。
そして、本発明のシール構造体は、一方のセパレータ側に配設される流路部材と他方のセパレータ側に配設される流路部材と、２つの流路部材の間に配設されるシール部材とを備える。
また、本発明のシール構造体においては、流路部材の少なくとも一方が、２以上の部材の少なくとも１つに形成された少なくとも１つの凹部内に形成された溶接ビードで溶接された溶接接合部材である。

また、本発明の燃料電池スタック構造体は、上記本発明のシール構造体を備える。

本発明によれば、一方のセパレータ側に配設される流路部材と他方のセパレータ側に配設される流路部材と、該２つの流路部材の間に配設されるシール部材とを備え、該流路部材の少なくとも一方を、２以上の部材の少なくとも１つに形成された少なくとも１つの凹部内に形成された溶接ビードで溶接された溶接接合部材とすることなどとした。
そのため、優れたガスシール性を発揮し得るシール構造体及び燃料電池スタック構造体を提供することができる。このような燃料電池スタック構造体は、優れたガスシール性を発揮させて燃料利用率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック構造体の一例を示す概略斜視図である。 第１の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における部分断面図である。 第１の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＡ線に囲まれた領域の一例を示す部分拡大図である。 溝を形成した場合と形成しなかった場合の流路部材の反り量を示すグラフである。 溝を形成した場合と形成しなかった場合の流路部材の収縮量を示すグラフである。 溝を形成した場合と形成しなかった場合の２段スタックにおけるガスリーク量を示すグラフである。 第１の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＡ線に囲まれた領域の他の一例を示す部分拡大図である。 第１の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＡ線に囲まれた領域の更に他の一例を示す部分拡大図である。 第２の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における部分断面図である。 第２の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＢ線に囲まれた領域の一例を示す部分拡大図である。 第３の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における部分断面図である。 第３の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＣ線に囲まれた領域の一例を示す部分拡大図である。 第４の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における部分断面図である。 第４の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＤ線に囲まれた領域の一例を示す部分拡大図である。 第４の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＤ線に囲まれた領域の他の一例を示す部分拡大図である。 第５の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における溝の断面形状の説明図である。

以下、本発明の一実施形態に係るシール構造体及び燃料電池スタック構造体について、固体酸化物形燃料電池スタック構造体に適用した場合を例に挙げて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック構造体の一例を示す概略斜視図、図２は、第１の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における部分断面図、図３は、図３のＡ線に囲まれた領域の一例を示す部分拡大図である。

本実施形態の燃料電池スタック構造体（以下「セルスタック」という。）１は、複数の固体酸化物形燃料電池（以下「セルユニット」という。）１０を互いに所要の間隙をもって積層してなるものであり、それらセルユニット１０内外に、ガス導入口及びガス排出口を配置した構成となっているホルダ部を介して二種類の反応用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行うようにしたものである。

本実施形態においては、一方の反応用ガスが炭化水素燃料（燃料ガス）であり、他方の反応用ガスが空気であるが、詳細を後述するセルユニットの空気極、燃料極の相対的な配置に応じ、一方の反応用ガスを空気、他方の反応用ガスを炭化水素燃料としてもよい。

セルユニット１０は、固体酸化物形の単セル１１、薄型流路部材１２、流路形成体１３及びセパレータ１４を主要の構成としたものである。

単セル１１は、上記した燃料極（アノード極）１１Ａと空気極（カソード極）１１Ｃとを電解質１１Ｂの上下両側に互いに対設したものであり、貫通孔１１ａを中心に配設した円環形に形成されている。

セパレータ１４は、単セル１１の外径よりも大きな外径にした金属製の板体であり、これの中心に円形孔１４ａが形成されているとともに、その中間部の外周縁部内外面（下面）に、単セル１１の燃料極１１Ａに当接する集電用の金属多孔質体１４Ａが配設されている。
このセパレータ１４の外周縁部には、図示しないが、これの全周にわたる円環形にしたスペーサが固定されているとともに、そのスペーサの上面に、円環形の内周板が内方に延出した状態で固定されている。また、スペーサの下面と電解質の外周縁部上面を、これらの間に介在させたガラス接着剤によって接着固定している。

流路形成体１３は、流路部材１３Ａ、１３Ｂを有しており、これらには、上記したガス流通空間βに上記いずれかの反応用ガスを給排送するための流路を共通に連通させて形成している。

流路部材１３Ａは、単セル１１の貫通孔１１ａの内径よりもやや小さい外径にした円柱形のものである。
流路部材１３Ｂは、これの下面に、ガス流通用溝１３ｃが流路１３ｂとガス流通空間βとを連通させて形成されており、後記する薄型流路部材１２よりもやや大きな外径の円板形にして形成されている。

薄型流路部材１２は、単セル１１の貫通孔１１ａよりも大きな外径の円環形にした金属製の板体である。
すなわち、単セル１１の貫通孔１１ａよりも大きな外径の円環形に形成することにより、平面視において単セル１１の内周縁部に重ね合わせ、この重ね合わせた部分において、ガラス接着剤１５を介して単セル１０の内周縁部上面に接着されている。
上記した流路形成体１３、薄型流路部材１２及びセパレータ１４は、ともに軸線Ｏを中心とした同心配置にしている。

なお、ガラス接着剤１５を介して単セル１１の内周縁部上面に接着した状態において、単セル１１の燃料極１１Ａの下面と、流路部材１３Ｂとの間に空隙を生じさせるように流路部材１３Ａの高さを設定している。

上記の構成からなる流路形成体１３には、これと別体に形成され、シールを確保するためのシール構造体２０を一体的に固着している。
このシール構造体２０は、隣接する他のセルユニット１０間におけるシールを確保するためのものである。

シール構造体２０は、積み重ねた複数枚のセルユニット１０同士を、これらの図示上下両側から弾圧（挟圧）する力の作用によって、単セル１１に変形や破損を生じさせないように、その単セル１１の内周縁領域を押さえる直径にした平面視円形にし、かつ、所要の厚さにして形成されている。また、このシール構造体２０には、流路形成体１３の流路に対向連通する流通孔２０ａを貫通形成している。

すなわち、上記したシールを確保することにより、隣接積層される他のセルユニット１０との密着性を高めることができ、それらのシール性を環境温度に因らず良好に保つことができるとともに、積層荷重の低減を図ることができる。

本実施形態においては、薄型流路部材１２の上面（外面）にシール構造体２０を一体的に固着しているとともに、セパレータ１４の下面（外面）にも一体的に固着している。

シール構造体２０について、図３により具体的に説明する。シール構造体２０は、一方のセパレータ側に配設される流路部材２１と、他方のセパレータ側に配設される流路部材２２と、２つの流路部材の間に配設されるシート状のシール部材２３とを備える。そして、一方の流路部材２２は、２つの部材２２Ａ，２２Ｂのうち部材２２Ａのシール部材に対向する位置に形成された凹部２２ａ内に形成された溶接ビード２４で溶接されて溶接接合部材となる。
このように、溶接ビードを溝状の凹部内に形成することによって、溶接ビードが突出せず、シール面を平坦にすることができるため、ガスシール性を向上させることができる。
なお、溝状の凹部は円形に連続して形成されたものであってもよく、不連続に形成されたものであってもよい。溶接に際しては、例えば、レーザー溶接を適用することが好ましいが、これに限定されるものではない。
また、溶接に際しては、凹部を溶接するので、溶接時の入熱量が低減し、溶接時の反り上がり（収縮）が抑制される。これによっても、シール面の平坦度が確保され、ガスシール性を向上させることができる。

図４は、溝を形成した場合と形成しなかった場合の流路部材の反り量を示すグラフであり、図５は、溝を形成した場合と形成しなかった場合の流路部材の収縮量を示すグラフであり、図６は、溝を形成した場合と形成しなかった場合の２段スタックにおけるガスリーク量を示すグラフである。なお、溝を形成しなかった場合には、深さ０．９５ｍｍまで入熱して溶接するのに９Ｖの電圧を要し、溝を形成した場合には、深さ０．７ｍｍまで入熱して溶接するのに６ｖの電圧を要した。また、ガスリーク量を求める試験においては、常温（２０℃）において、ヘリウムを１０ｋＰａの圧力で供給する加速試験を行った。

図４より、反り量が２５．７μｍから１８．２μｍとなり、２９％低減できることが分かる。また、図５より、収縮量が３６．７μｍから２５．７μｍとなり、３０％低減できることが分かる。更に、要する電圧としては２６％低減できることが分かる。これにより、製造コストを低減できるという利点が得られることも分かる。更に、図６より、ガスリーク量が２．５ｃｃ／ｍｉｎから０．２ｃｃ／ｍｉｎとなり、９２％低減できることが分かる。

図７は、第１の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＡ線に囲まれた領域の他の一例を示す部分拡大図である。なお、本例の燃料電池スタック構造体は、Ａ線に囲まれた領域以外の構成については、上記の例と同一の構成であるため、その説明を省略する。
本例におけるシール構造体２０は、一方のセパレータ側に配設される流路部材２１と、他方のセパレータ側に配設される流路部材２２と、２つの流路部材の間に配設されるシール部材２３とを備える。そして、一方の流路部材２２は、２つの部材２２Ａ，２２Ｂのうち部材２２Ａに形成された複数の凹部２２ａ内のうちの１つに形成された溶接ビード２４で溶接されて溶接接合部材となる。
このように、溶接ビードを複数の溝状の凹部内の少なくとも１つに形成することによっても、溶接ビードが突出せず、シール面を平坦にすることができるため、ガスシール性を向上させることができる。また、漏れ出たガスが複数の溝を通過する際に圧力が低下するため、ガスシール性がより向上する。更に、溶接に際しては、凹部を溶接するので、溶接時の入熱量が低減し、溶接時の反り上がり（収縮）が抑制される。これによっても、シール面の平坦度が確保され、ガスシール性を向上させることができる。

図８は、第１の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＡ線に囲まれた領域の更に他の一例を示す部分拡大図である。なお、本例の燃料電池スタック構造体は、Ａ線に囲まれた領域以外の構成については、上記の例と同一の構成であるため、その説明を省略する。
本例におけるシール構造体２０は、一方のセパレータ側に配設される流路部材２１と、他方のセパレータ側に配設される流路部材２２と、２つの流路部材の間に配設されるシール部材２３とを備える。そして、一方の流路部材２２は、２つの部材２２Ａ，２２Ｂのうち部材２２Ａに形成された複数の凹部２２ａ内のうちの全てに形成された溶接ビード２４で溶接されて溶接接合部材となる。
このように、溶接ビードを複数の溝状の凹部内の全てに形成することによっても、溶接ビードが突出せず、シール面を平坦にすることができるため、ガスシール性を向上させることができる。また、溶接に際しては、凹部を溶接するので、溶接時の入熱量が低減し、溶接時の反り上がり（収縮）が抑制される。これによっても、シール面の平坦度が確保され、ガスシール性を向上させることができる。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における部分断面図、図１０は、第２の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＢ線に囲まれた領域の一例を示す部分拡大図である。なお、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本例におけるシール構造体２０’は、一方のセパレータ側に配設される流路部材２１と、他方のセパレータ側に配設される流路部材２２と、２つの流路部材の間に配設されるシール部材２３とを備える。そして、一方の流路部材２１は、２つの部材２１Ａ，２１Ｂのうち部材２１Ａに形成された凹部２１ａ内に形成された溶接ビード２４で溶接されて溶接接合部材となる。また、このとき、溶接ビード２４が突出する側に配設されたシール部材２３が破損しないように、他方の流路部材２２の溶接ビードに対向する位置にも、凹部２２ａが形成されている。
このように、溶接ビードを溝状の凹部内に形成することによって、溶接ビードが突出せず、シール面を平坦にすることができるた、ガスシール性を向上させることができる。また、溶接ビードが形成される凹部とシール部材とが対向しない場合であっても、溶接ビードが突出する側に凹部を形成することによって、シール構造体としての平坦度を確保することができ、ガスシール性を向上させることができる。また、溶接に際しては、凹部を溶接するので、溶接時の入熱量が低減し、溶接時の反り上がり（収縮）が抑制される。これによっても、シール面の平坦度が確保され、ガスシール性を向上させることができる。

（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における部分断面図、図１２は、第３の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＣ線に囲まれた領域の一例を示す部分拡大図である。なお、第１又は第２の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本例におけるシール構造体２０”は、一方のセパレータ側に配設される流路部材２１と、他方のセパレータ側に配設される流路部材２２と、２つの流路部材の間に配設されるシール部材２３とを備える。そして、双方の流路部材２１，２２が、それぞれ２つの部材２１Ａ，２１Ｂ、部材２２Ａ，２２Ｂのうち部材２１Ｂ，２２Ａに形成された凹部２１ｂ、２２ａ内に形成された溶接ビード２４で溶接されて溶接接合部材となる。
このように、溶接ビードを溝状の凹部内に形成することによって、溶接ビードが突出せず、シール面を平坦にすることができるため、ガスシール性を向上させることができる。また、溶接に際しては、凹部を溶接するので、溶接時の入熱量が低減し、溶接時の反り上がり（収縮）が抑制される。これによっても、シール面の平坦度が確保され、ガスシール性を向上させることができる。

（第４の実施形態）
図１３は、第４の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における部分断面図、図１４は、第４の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＤ線に囲まれた領域の一例を示す部分拡大図である。なお、第１〜第３の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本例におけるシール構造体２０’’’は、一方のセパレータ側に配設される流路部材２１と、他方のセパレータ側に配設される流路部材２２と、２つの流路部材の間であって、凹部内に配設されるリング状のシール部材２３とを備える。そして、一方の流路部材２２が、２つの部材２２Ａ，２２Ｂのうち部材２２Ａに形成された凹部２２ａ内に形成された溶接ビード２４で溶接されて溶接接合部材となる。
このように、溶接ビードとリング状のシール部材とを、これらが干渉しないように、溝状の凹部内に配設することによって、溶接ビードが突出せず、ガスシール性を向上させることができる。また、溶接に際しては、凹部を溶接するので、溶接時の入熱量が低減し、溶接時の反り上がり（収縮）が抑制される。これによっても、シール面の平坦度が確保され、ガスシール性を向上させることができる。

図１５は、第４の実施形態に係る燃料電池スタック構造体のＤ線に囲まれた領域の他の一例を示す部分拡大図である。なお、本例の燃料電池スタック構造体は、Ｄ線に囲まれた領域以外の構成については、上記の例と同一の構成であるため、その説明を省略する。
本例におけるシール構造体２０’’’は、一方のセパレータ側に配設される流路部材２１と、他方のセパレータ側に配設される流路部材２２と、２つの流路部材の間であって、凹部内に配設されるリング状のシール部材２３とを備える。そして、一方の流路部材２２が、２つの部材２２Ａ，２２Ｂのうち部材２２Ａに形成された凹部２２ａ内に形成された溶接ビード２４で溶接されて溶接接合部材となる。このとき、凹部が形成された一方の流路部材２２Ａとシール部材２３を介して対向する他方の流路部材２１が、凹部２２ａに対向する位置に凸部２１ｃを有し、凹部２２ａと凸部２１ｃとが嵌合している。
このように、溶接ビードとリング状のシール部材とを、これらが干渉しないように、溝状の凹部内に配設することによって、溶接ビードが突出せず、ガスシール性を向上させることができる。このとき、対向して設けた凹部と凸部によって、よりガスシール性を向上させることもできる。また、溶接に際しては、凹部を溶接するので、溶接時の入熱量が低減し、溶接時の反り上がり（収縮）が抑制される。これによっても、シール面の平坦度が確保され、ガスシール性を向上させることができる。

（第５の実施形態）
図１６は、第５の実施形態に係る燃料電池スタック構造体における溝の断面形状の説明図である。なお、第１〜第４の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態において、溝の長手方向に対して垂直な断面における形状としては、矩形（（Ａ）参照。）や半円形（（Ｂ）参照。）とすることが好ましい。しかしながら、これらに限定されるものではない。矩形や半円形の溝は機械加工で形成することができる。また、半円形の溝はハーフエッチングにより容易に形成することができるという利点もある。加工性の観点から、断面形状が矩形である溝は、幅が狭い方が好ましく、現時点では０．４ｍｍ程度であり、また、厚板部材に適しており、断面形状が半円形である溝は、溶接ビードが突出しなければ、現時点では最小半径を０．１ｍｍとすることができ、薄板部材に適している。

以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上述した各実施形態に記載した構成は、各実施形態毎に限定されるものではなく、例えば凹部の位置や個数、形状などの構成の細部を変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることができる。

また、例えば、燃料電池スタック構造体において単セルを挟む２つのセパレータの間に配設されるシール構造体について説明したが、固体高分子形燃料電池において、セパレータ接合体の溶接部位とシール部材との接触によってガスシールを行う場合にも、本発明のシール構造体を適用することができる。具体的には、セパレータ接合体の片面に凹部を形成してその内部に溶接ビードが形成されるようにしたり、セパレータ接合体の両面に凹部を形成し、それらの内部に溶接ビードが形成されるようにしたりすることができる。

１…燃料電池スタック構造体、１０…固体酸化物形燃料電池、１１…単セル、１１Ａ…燃料極、１１Ｂ…電解質、１１Ｃ空気極、１２…薄型流路部材、１３…流路形成体、１３Ａ，１３Ｂ…流路部材、１４…セパレータ、１４Ａ…金属多孔質体、１５…ガラス接着剤、２０，２０’，２０”，２０’’’…シール構造体、２１，２２…流路部材、２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ…部材、２３…シール部材、２１ａ，２１ｂ，２２ａ…凹部、２１ｃ…凸部、２４…溶接ビード

Claims (8)

1. 燃料電池スタック構造体において単セルを挟む２つのセパレータの間に配設されるシール構造体であって、
   一方のセパレータ側に配設される流路部材と他方のセパレータ側に配設される流路部材と、該２つの流路部材の間に配設されるシール部材とを備え、
   上記流路部材の少なくとも一方が、２以上の部材の少なくとも１つに形成された少なくとも１つの凹部内に形成された溶接ビードで溶接された溶接接合部材である
   ことを特徴とするシール構造体。
2. 上記凹部が溝であることを特徴とする請求項１に記載のシール構造体。
3. 上記シール部材が上記２つの流路部材の間に配設されるシート状のシール部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシール構造体。
4. 上記凹部が、上記シート状のシール部材に対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のシール構造体。
5. 上記シール部材が上記２つの流路部材の間であって、上記凹部内に配設されるリング状のシール部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシール構造体。
6. 上記凹部が形成された一方の流路部材と上記シール部材を介して対向する他方の流路部材が、該凹部に対向する位置に凸部を有し、該凹部と該凸部とが嵌合していることを特徴とする請求項１に記載のシール構造体。
7. 上記溝の長手方向に対して垂直な断面における形状が矩形又は半円形であることを特徴とする請求項２に記載のシール構造体。
8. 請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のシール構造体を備えたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。

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