JP4013940B2 - 燃料電池のシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池、ただし、固体高分子電解質型燃料電池に限るものではない）のシール構造に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるセルを１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層して構成される。
ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード）とからなる。ＭＥＡとセパレータとの間には、通常、拡散層が設けられる。この拡散層は、触媒層への反応ガスの拡散をよくするためのものであり、触媒層と協働して電極を構成するので電極の一部と考えてもよい。セパレータは、アノードに燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路およびカソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されるとともに、隣接するセル間の電子の通路を構成している。
セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）とボルトにて固定して、スタックが形成される。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、または、セル積層体の一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通してセル積層体の他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ
上記反応を行うために、スタックには燃料ガス、酸化ガスが供給・排出される。また、セパレータでのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、そこに冷媒が循環され、燃料電池を冷却している。スタック内における燃料ガス、酸化ガス、冷媒のスタックのそれぞれの流路からの洩れと混合を防止するために、燃料電池の構成要素（セパレータ、電解質膜など）間にはシール材が設けられて構成要素間をシールしている。このシール材のシールラインには、モジュール間ガスケットシールラインと、ＭＥＡを挟んだセパレータ間シールラインとがある。セパレータ間シールラインは、ガスケットまたは接着剤シール材からなるシールラインである。
特開２００１−１０２０７２は、これらのシールラインを開示しており、そこでは、異種流体流路間を一重のガスケットまたは接着剤シールでシールしている。
図７、図８は従来シールラインを示している。図７は、従来のモジュール間ガスケットシールライン１を示しており、そこでは、ガスマニホールド回りのシールライン１ａと、反応面内の冷却水流路回りのシールライン１ｂとが、異種流路間部位で共有されて、一重シールライン１ｃを構成している。図８は、従来のＭＥＡを挟んだセパレータ間接着剤シールライン２を示しており、そこでは、燃料ガスマニホールド回りの接着剤シールライン２ａと、酸化ガスマニホールド回りの接着剤シールライン２ｂとが、異種流路間部位で共有されて、一重シールライン２ｃを構成している。
特開２００１−１０２０７２号公報

しかし、従来の燃料電池のシール構造では、異種流体流路間を一重のシール材でシールしていたため、シールラインが切れた場合、隣接する異種流体流路の異種流体が混合することになり、水素と空気が混合した場合は、燃料電池の性能不良、発火が懸念され、ガスと冷却水が混合した場合は、ガスの水路への流れ込みによる冷却不良およびポンプへのガスかみこみ等が懸念される。
本発明の目的は、たとえシールラインに切れ等の局部的不具合が生じても、異種流体の混合を防止することができる燃料電池のシール構造を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） ＭＥＡを２つのセパレータで挟んでモジュールとし、モジュールを積層してスタックとした燃料電池のシール構造であって、
前記シール構造が、モジュール間に設けたガスケットシール材からなるシールラインを有しており、
前記モジュール間のガスケットシール材からなるガスケットシールラインが、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷媒、酸化ガスと冷媒の、異種流体流路間に２本のガスケットシールラインが存在するように、異種流体流路間部位で、二重化されており、前記異種流体流路間部位の前記２本のガスケットシールラインは、互いに離れており、かつ、各種流体流路毎に独立しており、
前記異種流体流路間部位の２本のガスケットシールラインの間の部位がスタック外に連通されており、
前記異種流体流路間部位の二重化された前記ガスケットシールラインは、燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと、酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材からなるガスケットシールライン（５１ｂ）と、反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインと、を有し、
燃料ガスと冷媒の異種流体流路間には燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがあり、
酸化ガスと冷媒の異種流体流路間には酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ｂ）からなるガスケットシールラインと反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがあり、
燃料ガスと酸化ガスの異種流体流路間には燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ｂ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがある、
燃料電池のシール構造。
（２） 前記２本のシールラインがそれぞれ接触する流体に対して耐食性を有する（１）記載の燃料電池のシール構造。

上記（１）〜（２）の燃料電池のシール構造では、シールラインを異種流体流路間で二重化したので、１つのシールラインに透過または切れによる洩れが生じても、洩れた流体はシールライン間を通ってスタック外部に排出されるだけで、異種流体が混合することはない。スタック外部に排出された流体は、外部の管理された処理システムにより安全に処理される。
上記（２）の燃料電池のシール構造では、各シールラインのシール材をそのシールラインが接する流体に対し耐食性をもつ材料から構成したので、異種流体に対する耐食性を向上できる。従来は１つのシールラインのシール材に２種の流体が接するので、２種の流体に対する耐食性をもつ材料を選定することが困難であったが、本発明では、シール材が１種の流体にしか接しないので、耐食性のある材料の選定は容易である。

以下に、本発明の燃料電池のシール構造を図１〜図６を参照して説明する。
本発明の燃料電池のシール構造は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０に適用される。ただし、それ以外のタイプの燃料電池であってもよい。燃料電池１０は、燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に搭載、配置されてもよい。

固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とからなるセルを１層以上重ねてモジュール１９とし、モジュール１９を積層したセル積層体から構成される。

図１、図２に示すように、ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード）１７とからなる。ＭＥＡとセパレータ１８との間には、通常、拡散層１３、１６（アノード側拡散層１３、カソード側拡散層１６）が設けられる。この拡散層１３、１６は、触媒層１２、１５への反応ガスの拡散をよくするためのもので、触媒層と協働して電極１４、１７を構成すると考えてもよい。

セパレータ１８は、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路２７およびカソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されるとともに、隣接するセル間の電子の通路を構成している。燃料ガス流路２７は燃料ガスマニホールド３０に連通し、酸化ガス流路２８は酸化ガスマニホールド３１に連通する。また、セパレータでのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷却水）が流れる流路２６が形成されており、そこに冷媒が循環され、燃料電池を冷却している。冷媒流路２６は冷媒マニホールド２９に連通する。セパレータ１８の材料は、カーボン、導電性樹脂、メタルの何れであってもよい。

セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）と２５ボルトにて固定して、スタック２３が形成される。
スタック２３の一端側には、エンドプレート２２とインシュレータ２１との間にプレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート３２とエンドプレート２２との間にばね機構３３が設けられてセルにかかる荷重の変動を抑制している。

図３〜図６に示すように、スタック内における燃料ガス、酸化ガス、冷媒のスタックのそれぞれの流路２６、２７、２８からの洩れを防止するために、燃料電池の構成要素間にはシール材５０が設けられ、構成要素間をシールしている。各シール材５０は幅をもって流路（マニホールドを含む）まわりに連続して配され、シールラインを構成している。

シール材５０は、モジュール１９間に設けられたガスケットシール材５１と、ＭＥＡの両側に配された、モジュールを構成する２以上のセパレータ１８間のシール材５２と、からなる。ガスケットシール材５１が配されている面とシール材５２が配されている面とは、セル積層方向に位置が異なっており、別面である。
モジュール間ガスケットシール材５１はゴムシール材で、通常、セパレータ面に焼付られており、接着剤ではないため、モジュール間で分離可能である。モジュールを構成するセパレータ間のシール材５２は、接着剤またはガスケットからなるシール材である。シール材５２が接着剤シール材からなる場合は、シール材５２はモジュール１９を構成するセパレータ１８同士の接着剤ともなる。図示例では１モジュールに複数のセパレータがある場合を示しており、１モジュールを構成する複数のセパレータ同士はシール材５２によって互いに接着されていてもよい。

モジュール間のガスケットシール材５１のシールラインとセパレータ間のシール材５２からなるシールラインの少なくとも一方のシールラインは、異種流体流路間部位で、二重化されている。二重化されたシールラインの間の部位はスタック外部に通じている。
異種流体流路（マニホールドを含む）間部位以外では、シールラインは１本であってよい。

図３〜図５に示すように、モジュール間のガスケットシールライン（ガスケットシール材５１のシールライン）は、燃料ガスマニホールド３０まわりのガスケットシール材５１ａからなるラインと、酸化ガスマニホールド３１まわりのガスケットシール材５１ｂからなるラインと、反応部位の冷媒流路２６まわりのガスケットシール材５１ｃからなるラインと、からなり、異種流体流路（マニホールドを含む）間部位では、二重化されていてシールラインが２本ある。
すなわち、燃料ガス流路と冷媒流路間ではガスケットシール材５１ａからなるラインとガスケットシール材５１ｃからなるラインとの２本のシールラインがあり、酸化ガス流路と冷媒流路間ではガスケットシール材５１ｂからなるラインとガスケットシール材５１ｃからなるラインとの２本のシールラインがあり、燃料ガス流路と酸化ガス流路間ではガスケットシール材５１ａからなるラインとガスケットシール材５１ｂからなるラインとの２本のシールラインがある。２本のシールライン間部位（５１ａ、５１ｂ、５１ｃの何れか２本の間）はスタック外に通じている。

同様に、図６に示すように、各モジュールのＭＥＡを挟んだ２つのセパレータ間のシールライン（シール材５２のシールライン）は、燃料ガスマニホールド３０および燃料ガス流路２７まわりの接着剤シール材５２ａからなるラインと、酸化ガスマニホールド３１および酸化ガス流路２８まわりの接着剤シール材５２ｂからなるラインと、からなり（冷媒流路まわりのシール材５２はない）、異種流体流路（マニホールドを含む）間部位では、二重化されていてシールラインが２本ある。
すなわち、燃料ガス流路と酸化ガス流路間ではシール材５２ａからなるラインとシール材５２ｂからなるラインとの２本のシールラインがある。２本のシールライン５２ａ、５２ｂ間部位はスタック外に通じている。

二重化により各種流体流路毎に独立させたガスケットシールライン５１は、各々が接触する流体に対して耐食性をもつ材料から構成されている。同様に、二重化により各種流体流路毎に独立させたシールライン５２は、各々が接触する流体に対して耐食性をもつ材料から構成されている。たとえば、酸化ガス流路に接触するシール材５１ｂ、５２ｂは、燃料電池運転停止時に流路に残った反応生成水が酸性を帯びている場合があるので、耐酸性の材料を使用することが望ましい。また、冷媒流路に接触するシール材５１ｃは、冷媒にＬＬＣが用いられる場合、ＬＬＣに対して耐食性をもつ材料であることが望ましい。
従来の、異種流体流路間が一重シールの場合には、それが接する２つの流体に対する耐食性が異なる場合、それを同時に満足することは困難であるが、本発明では、二重シールで各シール材が１種の流体にしか接しないので、接する流体に対する耐食性を満足させることは容易である。

図４に示すように、ガスマニホールド（３０または３１）と反応面内（燃料電池発電部）のガス流路（２７または２８）とを連通するガス連通部５３（とくに圧力の高い、ガス導入側のガス連通部）にセル積層方向に対応する部位に、モジュール間に、セパレータ（ガス連通部５３のガス圧を受けるセパレータ部位）をガス圧がかかる側と反対側から押さえるバックアップ構造５４が設けられている。そして、このバックアップ構造５４は、モジュール間ガスケットシール５１の二重シール間部位に、すなわち、２本のシールライン間部位（５１ａと５１ｃの間、および／または、５１ｂと５１ｃの間）に、設けられている。

バックアップ構造５４は、セパレータの２本のシールライン間部位に設けた凸部から構成されている。セパレータ面がシール材５１配設部位が中央の発電部位に比べてセパレータ厚さ方向に後退しているので、その後退量だけ突出する凸部を設け、隣接するモジュール側にもバックアップ構造となる凸部を設けて、凸部の先端面を当接させることにより、バックアップ構造５４が構成されている。
図５は、バックアップ構造５４を設けない場合には、ガス圧によってセパレータが２点鎖線のように変形することを示している。ただし、バックアップ構造５４を設けない図５も本発明に含まれる。

つぎに、本発明の燃料電池のシール構造の作用を説明する。
本発明の燃料電池のシール構造では、シールライン５１および／または５２を異種流体流路間で二重化したので、１つのシールラインに透過または切れによる洩れが生じても、洩れた流体はシールライン間部位を通ってスタック２３外部に排出されるだけで、異種流体が混合することはない。これによって、燃料ガスと酸化ガスとが混合することはなく、また、燃料ガスや酸化ガスが冷媒流路に侵入することがない。その結果、混合による燃料電池の性能低下、燃料ガスと空気との混合による火災のおそれ、ガスの冷却水への侵入による冷却不足、ポンプのガス巻き込みによるポンピング不良、等のおそれを無くすことができる。また、スタック２３外部に排出された流体は、燃料電池スタック２３が図示略のケーシング内に配置されているので、外部の管理された処理システムにより安全に処理される。

従来は、異種流体流路間の一重シール部は、それが接する２つの流体の一方に対してのみ耐食性をもたすことができるが、両方の流体に対して耐食性を上げることはできなかった。しかし、本発明では、シールラインの二重化により、各シールラインのシールは１種類の流体にのみ接するようになるので、各シールラインをそのシールラインが接する流体に対し耐食性をもつ材料から構成することができるようになる。

図４に示すように、バックアップ構造５４を設けた場合は、ガスマニホールドと反応面内（燃料電池発電部ガス流路）とを連通するガス連通部５３のセパレータ部分にガス連通部５３からガス圧がかかった時に、そのガス圧荷重をバックアップ構造５４で受けて押さえることができ、セパレータ１８に変形や割れ、亀裂が生じることを防止できる。図５は、ガス連通部５３のセパレータ部分にガス連通部５３からガス圧がかかってセパレータが変形したところを誇張して示すが、バックアップ構造５４を設けたため、図４に示すように、セパレータの変形を押さえることができる。ただし、バックアップ構造５４が無い図５も本発明に含まれる。

本発明の燃料電池のシール構造が適用される燃料電池の全体概略図である。 図１の燃料電池のセパレータの平面図である。 図１の燃料電池のモジュールの、ガスケットシール部での、一部拡大平面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う燃料電池のモジュールの、バックアップ構造有りの場合の、一部拡大断面図である。 燃料電池のモジュールの、バックアップ構造無しの場合の、一部拡大断面図である。 図１の燃料電池の、ＭＥＡを挟むセパレータ間のシール部での、一部拡大平面図である。 従来の燃料電池の、ガスケットシール部での、一部拡大平面図である（本発明の図３に対応する従来図）。 従来の燃料電池の、ＭＥＡを挟むセパレータ間のシール部での、一部拡大平面図である（本発明の図６に対応する従来図）。

符号の説明

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード）
１８ セパレータ
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ テンションプレート
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ プレッシャプレート
３３ ばね機構
５０ シール材
５１ ガスケットシール材
５１ａ 燃料ガスマニホールド３０まわりのガスケットシール材
５１ｂ 酸化ガスマニホールド３１まわりのガスケットシール材
５１ｃ 冷媒流路２６まわりのガスケットシール材
５２ シール材
５２ａ 燃料ガスマニホールド３０および燃料ガス流路２７まわりのシール材
５２ｂ 酸化ガスマニホールド３１および酸化ガス流路２８まわりのシール材
５３ ガス連通部
５４ バックアップ構造

Claims (2)

1. ＭＥＡを２つのセパレータで挟んでモジュールとし、モジュールを積層してスタックとした燃料電池のシール構造であって、
   前記シール構造が、モジュール間に設けたガスケットシール材からなるシールラインを有しており、
   前記モジュール間のガスケットシール材からなるガスケットシールラインが、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷媒、酸化ガスと冷媒の、異種流体流路間に２本のガスケットシールラインが存在するように、異種流体流路間部位で、二重化されており、前記異種流体流路間部位の前記２本のガスケットシールラインは、互いに離れており、かつ、各種流体流路毎に独立しており、
   前記異種流体流路間部位の２本のガスケットシールラインの間の部位がスタック外に連通されており、
   前記異種流体流路間部位の二重化された前記ガスケットシールラインは、燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと、酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材からなるガスケットシールライン（５１ｂ）と、反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインと、を有し、
   燃料ガスと冷媒の異種流体流路間には燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがあり、
   酸化ガスと冷媒の異種流体流路間には酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ｂ）からなるガスケットシールラインと反応部位の冷媒流路まわりのガスケットシール材（５１ｃ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがあり、
   燃料ガスと酸化ガスの異種流体流路間には燃料ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ａ）からなるガスケットシールラインと酸化ガスマニホールドまわりのガスケットシール材（５１ｂ）からなるガスケットシールラインの２本のガスケットシールラインがある、
   燃料電池のシール構造。
2. 前記２本のシールラインがそれぞれ接触する流体に対して耐食性を有する請求項１記載の燃料電池のシール構造。

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