JP5087322B2

JP5087322B2 - ガスシール構造、ガスシール及びガスシール方法

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Publication number: JP5087322B2
Application number: JP2007151798A
Authority: JP
Inventors: 玲一千葉; 嘉隆田畑; 武志小松; 姫子大類; 和彦野沢; 正泰荒川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: JP2008305671A

Description

本発明は、ＳＯＦＣ（Solide Oxide Fuel Cell ：固体酸化物燃料電池）用ガスシールに関するものである。

近年、酸素イオン伝導体を用いたＳＯＦＣに関心が高まりつつある。特にエネルギーの有効利用という観点から、固体燃料電池はカルノー効率の制約を受けないため本質的に高いエネルギー変換効率を有し、さらに良好な環境保全が期待されるなどの優れた特長を備えている（非特許文献１）。

特に平板型セルは高い出力密度が得られることから、高性能な燃料電池システムの実現が可能と期待されている。

この平板型セルを複数枚重ねたスタックを一つの単位として組み立てることが一般的である。このスタックにおいて、セルを電気的に接続し、ガスを各セルにガス供給する方式として、ガス供給部分が電気的接続部分と分離している外部マニホールド型、そして一体化している内部マニホールド型がある。内部マニホールド型スタックは空きスペースを低く抑えることが可能であり、出力密度の高いセルスタックの実現には有利である。非特許文献２には、内部マニホールド型セルスタックのガスシールが開示されている。
田川博明著「固体酸化物燃料電池と地球環境」、アグネ承風社発行、1998年 L.G.J.De Haart and I.C.Vinke, in the proceeding of the Solid Oxide Fuel Cell VII(SOFC VII),(2001),p.111-119. published by The Electrochemical Society Inc.

しかしながら、内部マニホールド型の場合、ガス供給部分と電気接続部分を独立に圧縮することができないため、スタックを接続方向に圧縮して、電気的接続とガスシールの両方を同時に行うことは、極めて高い寸法精度が要求され、実際には非常に困難である。また、セル自体やセルに接触している集電体が長時間、高温に曝されることによって、焼きしまり、これらの部品の寸法がわずかではあるが減少する。このため、長時間にわたって電気的接続とガスシールの両方を同時に行うことは更に困難である。

また、燃料電池システムの運転停止による温度変化に伴い、セルを構成しているセラミックスの熱膨張係数の違いから、セルが僅かに変形する。またセラミックスで構成されているセルとそれに隣接する金属インターコネクタとの熱膨張係数の差のためガスシール部分にギャップを生じやすい。このような変形に対応するためガスシールをある程度の柔軟性を持たせる必要がある。これには、ガラスシールを用いる方法もあるが、液体であるガラスは、高温でセラミックスとの反応劣化を起こしやすく、また結晶化が起きて、長期にわたり安定したガスシールを行うことは難しい。

これを解決するには、ガスシール部分が部品の寸法の減少に伴って変形し且つシール性を保ち続けることが必要である。これによりスタックを圧縮する力は主にセルの電極面に掛かり電気的接続を保ち、且つ弱い圧縮力にもかかわらずガスシール性も保つことができる。

一方、外部マニホールド型の場合は、ガス供給部とセル部分は独立に圧縮することが可能であるが、両者はガス配管によりつながっている。このためセル部分の焼きしまり等によるスタック方向における寸法の減少があるためガス配管部分に応力が掛かってしまう。この結果、セルに非対称な応力がかかり電気的接続に支障がでることが懸念される。従って、外部マニホールド型の場合もガスシール部分が部品の寸法の減少に伴って変形することが必要である。

また、高温では、弾性変形を伴った応力は、緩和され易いので、弾性に依存した接続やシールは長期の使用により効果が低下してしまう。

そこで本発明は、運転停止などの熱サイクルを含む長時間にわたった運転において、電気的接続とガスシールの両方を同時に実現することができるガスシール構造、ガスシール及びガスシール方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のガスシール構造は、固体電解質型燃料電池及び固体電解質型燃料電池へのガスの供給路におけるガスシール構造において、閉じた形状で導電性を有するとともに、複数の噛み合わせ部が形成され、少なくとも噛み合わせ部の間の領域が柔軟性を有するシール部材と、噛み合わせ部に対応する位置に形成された閉じた形状の凹部が形成されたシール対象部品及び他のシール対象部品と、凹部に挿入される係合部とを有し、シール対象部品の凹部が形成された面と、他のシール対象部品の凹部が形成された面とが対向して配置され、これら面の間に配置されたシール部材の各係合部が各凹部に挿入されることで係合部が変形し、凹部と係合部とが噛み合うことを特徴とする。

上記のとおり、本発明のシール部材は導電性を有するとともに、複数の噛み合わせ部が設けられており、噛み合わせ部の間の領域が柔軟性を有する。このため、本発明のシール構造はシール対象部品が変位してもこの変位に追従可能となり、シール特性を維持することができる。

また、本発明のシール部材とシール対象部品とは、係合部がシール対象部品の凹部に挿入されることで係合部が変形し、隙間なく噛み合う。このため、本発明のシール構造は確実にシール部材を保持するとともに両者の電気的接続も確保することができる。

また、本発明のガスシール構造は、係合部が塑性変形し、凹部内の形状が、係合部を凹部内から引き抜く際の抵抗を、係合部を凹部内に挿入する際の抵抗に比べ大きくさせる形状であってもよい。

また、本発明のガスシール構造は、凹部の断面形状が凹部の入口側から凹部の底部に向けて広がるテーパ形状であってもよい。

また、本発明のガスシール構造は、凹部の底部に、係合部の先端に進入させるエッジが形成されているものであってもよい。

また、本発明のガスシール構造は、係合部を凹部の内壁面に押圧する弾性部材を有するものであってもよい。

また、本発明のガスシール構造は、シール部材が円環形状の金属箔であってもよい。

本発明のガスシールは、固体電解質型燃料電池及び固体電解質型燃料電池へのガスの供給路におけるガスシールであって、閉じた形状で導電性を有するとともに、複数の噛み合わせ部が形成され、少なくとも噛み合わせ部の間の領域が柔軟性を有し、噛み合わせ部は、シール対象部品に形成された凹部に対応する位置に形成された、凹部に挿入することが可能な凸部を有し、凸部の内側には係合部を挿入することが可能な空間が形成された構造を有するものである。

本発明のガスシール方法は、固体電解質型燃料電池及び固体電解質型燃料電池へのガスの供給路におけるガスシール方法において、閉じた形状で導電性を有するとともに、複数の噛み合わせ部が形成され、少なくとも噛み合わせ部の間の領域が柔軟性を有するシール部材と、噛み合わせ部に対応する位置に形成された閉じた形状の凹部が形成されたシール対象部品及び他のシール対象部品と、凹部に挿入される係合部とを用意し、シール対象部品の凹部が形成された面と、他のシール対象部品の凹部が形成された面とを対向して配置して、これら面の間にシール部材を配置し、シール部材の各係合部を各凹部に挿入して係合部を変形させ、凹部と係合部とを噛み合わせるものである。

本発明のシール構造によれば、シール対象部品が変位してもシール部材がこの変位に追従可能であるため、シール特性を維持することができる。

本発明のシール構造によれば、導電性を有するシール部材とシール対象部品とは、係合部あるいは凹部の一方を変形させて噛み合わせ部が形成される。このため、本発明のシール構造は確実にシール部材を保持するとともに両者の電気的接続も確保することができる。

図１に本発明のガスシール構造の模式的な側断面図である。また、図２は本発明のシール部材の模式的な斜視図である。なお、図１は左側がシール部材の内周側に相当する。また、以下の説明では添字ａは内周側、添字ｂは外周側を指すものとする。

本発明のガスシール構造は、円環形状で導電性を有するとともに、内周部側に内周部側噛み合わせ部１９ａ、外周側に外周側噛み合わせ部１９ｂが形成され、内周部側噛み合わせ部１９ａと外周側噛み合わせ部１９ｂとの間の領域が柔軟性を有するシール部材３と、シール部材３によってシールされる１組のシール対象部品１、２と、シール対象部品１、２の凹部４に挿入される係合部７とを有する。

シール部材３は上述したように円環形状であり、その内周部には内周側噛み合わせ部１９ａが設けられ、外周部には外周側噛み合わせ部１９ｂが設けられている。シール部材３は金属箔からなるものであり、その材質としてはＣｒｏｐｅｒ２２の他、ＺＭＧ２３２などアルミニウムやシリコンを含むクロム系耐熱合金が好ましい。シール部材３は金属箔からなるため導電性を有し、かつ柔軟性を有する。

係合部７は塑性変形する材質のものが用いられ、例えば、シール部材３と同様にＣｒｏｐｅｒ２２、ＺＭＧ２３２などアルミニウムやシリコンを含むクロム系耐熱合金が好ましい。係合部７はシール部材３と一体的な構成であってもよい。なお、係合部７の塑性変形を比較的大きくした場合には、係合部７をシール部材３と別体としても良く、この場合、銀やパラジウムなどの貴金属を用いるのが好ましい。また、係合部７はその先端部を、変形しやすいように柔らかい材質で構成してもよい。

なお、本発明において係合部７とは、シール部材３を凹部４内に押し込むものであり、凹部４あるいは係合部７のいずれか一方が変形することでシール部材３と凹部４とを噛み合わさせる機能を有する。

シール対象部品１の内周側の面９ａに凹部４ａが形成されている。凹部４ａの断面形状は入口５ａから底部６ａに向けて広がるテーパ形状となっている。また、シール対象部品２の外周側の面９ｂにも同様の形状の凹部４ｂが形成されている。

次に、本発明のシール方法について図１（ａ）及び図１（ｂ）を用いて説明する。

まず、シール対象部品１の面９ａ側と、シール対象部品２の面９ｂ側とを対向して配置する。このように配置することでシール対象部品１の面９ａにはシール対象部品２の押圧面１０ｂが対面し、シール対象部品２の面９ｂにはシール対象部品１の押圧面１０ａが対面することとなる。シール部材３はこれら面９ａと面９ｂとの間に配置する。係合部７ａはシール部材３を挟んで凹部４ａに対応する位置に配置され、係合部７ｂはシール部材３を挟んで凹部４ｂに対応する位置に配置される。

さらに係合部７ａと押圧面１０ｂとの間、及び係合部７ｂと押圧面１０ａとの間にはそれぞれスペーサ８が挟み込まれている。このスペーサ８はシール部材３を凹部４に噛み込ませる際にのみ用いるものであり、シールがなされた後には取り除かれる。

以上の状態で図１（ａ）に示すように、シール対象部品１の背面１１側から荷重をかける。これにより、図１（ｂ）に示すように係合部７ａは凹部４ａ内にて押しつぶされ塑性変形する。同様に係合部７ｂも凹部４ｂ内にて押しつぶされ塑性変形する。このように係合部７が凹部４の内部で押しつぶされ塑性変形することで係合部７は凹部４の内部形状に沿うように変形し、隙間なく噛み合う。つまり、係合部７の断面形状は入口５側から底部６に向けて広がるテーパ形状となる。そうすると、係合部７を凹部４から引き抜こうとしても入口５の部分で引っ掛かるため、引き抜きにくくなる。

すなわち、本発明のシール構造は、係合部７が塑性変形する前は、係合部７は入口５からなんら抵抗を受けることなく、凹部４内に挿入させることができる一方、係合部７を凹部４内から係合部７を引き抜こうとする際には、塑性変形して広がった係合部７が入口５の抵抗を受けるため、容易に係合が解除されないものとなっている。このため、本発明のシール構造は確実にシール部材３を保持するとともに両者の電気的接続も確保することができる。

また、図１（ｂ）に示すように、シールがなされた後のシール部材３の内周側噛み合わせ部１９ａと外周側噛み合わせ部１９ｂとの間の領域３ａはある程度ゆとりを持たせた状態となっている。本発明のシール部材３は素材自体が柔軟性を有するとともに領域３ａにてゆとりを持たせているので、シール対象部品１、２が図中矢印ａ、ｂ方向に変位したとしてもこの変位に追従可能であり、シール特性を維持することができる。

このような構造であるため、本発明のガスシール構造は、シール対象部品１、２が熱サイクルを含む長時間にわたって運転され、かつ互いの電気的接続が要求されるような部品であってもシール特性を維持しつつ、両者の電気的接続も確保することができる。特に、本発明はＳＯＦＣ用ガスシールとして用いた場合、セルや集電体の寸法の減少、熱サイクルによる膨張収縮等が起きてもシール特性を維持しつつ、両者の電気的接続も確保することができる点で有利である。

なお、シール部材３の形状は、図２に示すような円環形状のものに限定されるものではない。すなわち、閉じた形状で、中空の部分とその外周部分でガスを分離（シール）する働きを有するものであれば四角、三角等どのような形状であってもよい。

また、図１に示したシール対象部品１、２は凹部４ａ、４ｂが内周側と外周側に半径方向に分けて設けられていたが、図３に示すような構成であってもよい。図３のガスシール構造は、同一半径上に凹部４を設け、シール部材３は折り曲げて用いる。この場合、１箇所に加重をかけるだけで係合部４の挿入が完了する。よって、スペーサ８も１枚で済み、シールに要する工程を短縮化することができる。さらに、この構成の場合、シール部材３の占める面積を最小限にできるなどの利点がある。

なお、図３に示す構成において、シール部材３は、図４に示すように係合部７が設けられる部分に係合部７よりも硬く変形しにくい材質からなる台座１２を設け、他の部分に柔軟性をもたせるようにしてもよい。台座１２を設けることで係合部７に加重が掛かりやすく塑性変形を促進することができる。また、金属箔は、その一部に柔軟性があれば十分であり、特に係合部に近い部分は応力が掛かり破損しやすいので、台座１２のような厚い板と組み合わせて用いる方が好ましい。なお、台座１２はシール部材３と別体として設けられているものであってもよいし、あるいは一体的なものであってもよい。

また、係合部７は、先端部にのみ塑性変形しやすい金属を用い、スペーサ８で押圧される側を鉄クロム合金などの耐熱性の高い合金を用いるものであってもよい。このような構造とすることで各部の寸法精度を高くする必要がない。

または、図５に示すように、凹部４の底部６にエッジ１４を設け、係合部７がこのエッジ１４に食い込む構成としてもよい。これにより係合効果を高めることができる。また、このように一部にエッジがあるなど鋭利であれば、角の部分のみに集中応力が働くため、この部分が局所的に変形しシール性が高まり有利である。さらには寸法性を高め噛み合わせのクリアランスを小さくすることでも同様の効果が期待できる。なお、図５の構成において、係合部７はシール部材３と別体として設けられているものであってもよいし、あるいは一体的なものであってもよい。

また、これとは逆に図６に示すように、係合部７側にエッジ１５を設け凹部４の底部６に塑性変形部１６を設けるものであってもよい。また、これらエッジ１４、１５を有する構成においてもエッジ１４、１５の食い込みを促進させるため、図６に示すように台座１７上に係合部７を設けるようにしてもよい。なお、図６の構成において、係合部７及び台座１７はシール部材３と別体として設けられているものであってもよいし、あるいは一体的なものであってもよい。

また、本発明のガスシール構造は、図７に示すように弾性部材１８と組み合わせることも可能である。図７に示す例では、シール部材３の噛み合わせ部１９を凹部４に挿入する際、噛み合わせ部１９とともに弾性部材１８を凹部４内に挿入する。噛み合わせ部１９は入口５を通過する際には塑性変形せずに弾性変形しながら通過する。入口５を通過した後、噛み合わせ部１９は弾性部材１８の押圧力により凹部４の内壁面に押し付けられ塑性変形する。図７に示す構成の場合、弾性部材１８が凹部４内にて塑性変形した噛み合わせ部１９を凹部４の内壁面に押圧し続けるため、係合を強固なものとすることができる。

また、本発明は、シール部材３は塑性変形をせず、挿入時に凹部４が一時的に弾性変形して入口５が少し開きシール部材３が挿入されるガスシール構造としてもよい。挿入後は弾性変形はほとんど無くなるため応力も掛からず、運転時の応力緩和による変形を免れることができる。しかし、係合部分を解離させるような力が（熱サイクルなどで）一時的に生じても応力緩和はほとんど進まない。

このほか、本発明は係合部分にガラスシール材を入れることも可能である。

また、本発明は内周側噛み合わせ部１９ａ及び外周側噛み合わせ部１９ｂの２つのシール部を有する構成を一例として例示したがこれに限定されるものではなく、３つ以上シール部を有するものであってもよい。

以下に本発明の実施例を説明する。なお、当然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
多孔質で且つ厚さ１．５ｍｍのＮｉＯ−ＹＳＺ（０．８９ＺｒＯ₂−０．０８Ｙ₂Ｏ₃）燃料極基板上に、緻密なＳｃ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃添加ジルコニアＳＡＳＺ（０．８９ＺｒＯ₂−０．１０Ｓｃ₂Ｏ₃−０．０１Ａｌ₂Ｏ₃）電解質薄膜が設けられ、その上にＬＮＦ（ＬａＮｉ_0.6Ｆｅ_0.4Ｏ₃）からなる空気極が設けられている燃料極支持型セル（直径６ｃｍ、空気極の直径は５ｃｍ）を２枚用意し、これらのセルに燃料ガスおよび空気を供給し且つ電気的に接続するために、耐熱合金の一種である鉄クロム合金（Ｃｒｏｆｅｒ２２）からなる３枚のインターコネクタでサンドイッチされた形で上下に積み上げられている。これをセルスタックと呼ぶ。

図８に燃料電池のスタック用インターコネクタの上面透視図を示す。

インターコネクタ２０は中心部にセル配置部２４が設けられ、セル配置部２４の周辺に空気供給穴２１、燃料ガス供給穴２２、及び燃料ガス回収穴２３が配置されている。

インターコネクタ２０と燃料極の間には、多孔質のニッケルマットをはさみ、空気極とインターコネクタの間は、ＬＮＦをペースト状にしたものを塗り乾燥して接合した。

空気はインターコネクタ２０に沿った空気供給穴２１からに沿って各セルの中心位置まで導かれ中心から放射状に流れるようになっている。燃料ガス供給穴２２から供給される燃料ガスは、セル配置部２４セルの端部から入り、セル配置部２４セル端部から出て燃料ガス回収穴２３へと流入する。燃料ガスの導入部は金属板を張り合わせてトンネル構造となっている。

電気炉に入れられたセルスタックは動作温度である８００℃まで昇温され、スタック全体を約２０ｋｇ重の力で圧縮した状態で、ガスを供給した。本発明のガスシール構造３０は空気供給穴２１、燃料ガス供給穴２２、及び燃料ガス回収穴２３のそれぞれの周囲に本発明のガスシール構造３０が設けられている。セルの周囲とインターコネクタとの接触部分にはガラスシールが使用されている。

ここで、本発明のガスシール構造３０の断面は同心円に配置された二つの噛み合わせ部からなっている。各噛み合わせ部の断面は図１に示すように、シール対象部品１とシール対象部品２の係合部は対称な形となっており、同心円の凹部４である溝は、断面が内部ほど幅が広いオーバーハング状である。凹部４の入口での幅は２ｍｍで底部６での幅は２．４ｍｍ、深さは２ｍｍである。係合部７の断面は高さ４ｍｍ幅１．９ｍｍの四角で、先端部分が長さ０．７ｍｍにわたって銀でできている。これらの同心円の係合部７は、鉄クロム系耐熱合金インターコネクタ上に、セルの中心位置と同心円状に、外径９ｃｍ、内径７ｃｍのトーラス状の厚さ０．０４ｍｍのインコネル箔に直径が７．６ｃｍ径の位置と、直径８．４ｃｍの位置に配置されている。

室温でセルスタックを組み立てる時に、係合部７を挿入するが、この時に先端の銀の部分が潰れて溝内部を埋め係合部７が解離し難くなる。ここで、仮のスペーサ８を使用して、内周側噛み合わせ部１９ａを押して係合部７を凹部４内に挿入し、次に外周側噛み合わせ部１９ｂ外周部のシールを挿入した。

図８に示す様に、セルを納める部分の他にも、空気と燃料を流すガスシールを必要とする箇所が３カ所ある。ここでは、これらの小径のシール部にはパイレックスガラスリングを挟んで溶融させシールとしている。

燃料には、室温加湿の水素を用いた。２枚のセルのスタックでトータルの開放電圧は約２．０Ｖと高くガスシールが機能していることがわかった。電流を２アンペア流したところ、電圧は、１．７Ｖであり電気的接合も十分であることがわかった。この状態で、運転、１００時間ごとに運転を停止し室温まで降温した後、再度昇温し、同じ運転を行う熱サイクル試験を行った。最終的に１０００時間の運転を行ったところ、電圧および開放電圧に変化は見られなかったが、スタック全体が０．２ｍｍほど圧縮された。

以上の様に、セル自体が長期の運転により圧縮されてもシール部分がそれに対応して変形するためガスシール性および電気的接続特性が保たれることが実証された。
（実施例２）
実施例１において、ガスシール構造を図５に示したものとした。すなわち、係合部７の先端部をパラジウムとし、凹部４の底部６に断面三角形のエッジ１４を設けてある。凹部４の深さ、幅は２ｍｍで、エッジ１４は高さ０．８ｍｍで底辺の幅が０．４ｍｍとした。これに厚さ０．１ｍｍのトーラス状のインコネル箔塗を銀ろう付けしてある。スタック組み上げ時に係合部分を挿入し、実施例１と同様の試験を行った。

このセルスタックの開放電圧は２．０Ｖであり、電流が２Ａでの、電圧は、１．８Ｖと良好であった。また、実施例１と同様の熱サイクル試験を行い、計１０００時間の運転後は、スタック全体がやはり０．２ｍｍほど圧縮された。しかし電圧および開放電圧に変化は見られなかった。
（実施例３）
実施例３において、ガスシール構造を図６に示したものとした。すなわち、鉄クロム系耐熱合金製の係合部７の先端部に実施例２と同じ三角のエッジ１５を設け、凹部４の底面に塑性変形部１６としてＰｄのシートが銀ろう付けされている。スタック組み上げ時に係合部分を挿入し、実施例１と同様の試験を行った。

このセルスタックの開放電圧は２．０Ｖであり、電流が２Ａでの、電圧は、１．８Ｖと良好であった。また、１０００時間動作後は、スタック全体がやはり０．２ｍｍほど圧縮された。しかし電圧および開放電圧に変化は見られなかった。
（実施例４）
実施例１において、ガスシール構造を図３に示したものとした。すなわち、２カ所あるシール部分を直径７．５ｃｍの同一周上に配置し、スタック組み上げ時に仮のスペーサを用い上下の係合部を同時に挿入した。また、図８の小径のガスシール部にもこれと同じ形状のシールを使用した。即ち、直径１ｃｍのガス路の外周に、内径１．５ｃｍ、外径２．０ｃｍの折り曲げたトーラス状（上記の金属箔）の金属箔と係合部を奥部に挿入厚着し、先端部分を変形させた。その後、実施例１と同様の試験を行った。

このセルスタックの開放電圧は２．１Ｖであり、電流が２Ａでの、電圧は、１．９Ｖと良好であった。また、１０００時間動作後は、スタック全体がやはり０．２ｍｍほど圧縮された。しかし電圧および開放電圧に変化は見られなかった。
（実施例５）
実施例４において、ガスシール構造を図４に示したものとした。すなわち、係合部分に近い金属箔の面積を減らし、係合部を延長した形とした。延長部分は鉄クロム系耐熱合金製で厚さが０．５ｍｍと厚い。実施例４と同様の方法で組み立て、その後、実施例４と同様の試験を行った。

このセルスタックの開放電圧は２．２Ｖであり、電流が２Ａでの、電圧は、２．０Ｖと良好であった。また、１０００時間動作後は、スタック全体がやはり０．２ｍｍほど圧縮された。しかし電圧および開放電圧に変化は見られなかった。
（実施例６）
実施例１において、ガスシール構造を図７に示したものとした。すなわち、シール部材３はほとんど塑性変形をせず、挿入時に凹部４が一時的に弾性変形して入口５が少し開きシール部材３が挿入される。挿入後は弾性変形はほとんど無くなるため応力も掛からず、運転時の応力緩和による変形を免れることができる。係合する部分は、線径が４ｍｍ、内径が７ｃｍのオーリングとなっている。金属箔は、厚さ０．０２ｍｍの金箔を用いている。この場合は、挿入時に金属箔が塑性変形を伴っている。実施例と同様に仮のスペーサを用いて係合部分を挿入し、実施例１と同様の試験を行った。

このセルスタックの開放電圧は２．０Ｖであり、電流が２Ａでの、電圧は、１．９Ｖと良好であった。また、１０００時間動作後は、スタック全体がやはり０．２ｍｍほど圧縮された。しかし電圧および開放電圧に変化は見られなかった。

以上説明したように、本発明では塑性変形を伴うなど長期間高温に曝されていても、シール性を失わない噛み合わせ構造を２カ所有し、それを柔軟性のある金属箔で接続した構造とした。

これにより、熱サイクルや長期の運転によりシール部分のギャップ長が変化した場合でも、それに追従してガスシール性を保持することができ、また、シール部材が柔軟性を有するので、マニホールドを圧縮する加重は、主にセルの電極部分にかかるため電気的接続が保持できる。

これにより信頼性の高い固体電解質型燃料電池用のシールを得ることに成功した。本発明はＳＯＦＣの高信頼性に大きな貢献をなすものである。

本発明のガスシール構造の模式的な側断面図である。本発明のシール部材の模式的な斜視図である。本発明のガスシール構造であり、凹部が同一半径状に形成されている構成の模式的な側断面図である。本発明のガスシール構造であり、凹部が同一半径状に形成され、かつシール部材が台座を有する構成の模式的な側断面図である。本発明のガスシール構造であり、凹部の底部にエッジが設けられた構成の模式的な側断面図である。本発明のガスシール構造であり、係合部の先端部分にエッジが設けられた構成の模式的な側断面図である。本発明のガスシール構造であり、凹部の入口を一時的に弾性変形させて係合部を挿入する構成の模式的な側断面図である。燃料電池のスタック用インターコネクタの上面透視図である。

符号の説明

１、２シール対象部品
３シール部材
３ａ領域
４凹部
５入口
６底部
７係合部
８スペーサ
９ａ、９ｂ面
１０ａ、１０ｂ押圧面
１１背面
１２台座
１４エッジ
１５エッジ
１６塑性変形部
１７台座
１８弾性部材
１９ａ内周側噛み合わせ部
１９ｂ外周側噛み合わせ部
２０インターコネクタ
２１空気供給穴
２２燃料ガス供給穴
２３燃料ガス回収穴
２４セル配置部
３０ガスシール構造

Claims

固体電解質型燃料電池及び前記固体電解質型燃料電池へのガスの供給路におけるガスシール構造において、
閉じた形状で導電性を有するとともに、複数の噛み合わせ部が形成され、前記噛み合わせ部の間の領域が柔軟性を有するシール部材と、
前記噛み合わせ部に対応する位置に形成された閉じた形状の凹部が形成されたシール対象部品及び他の前記シール対象部品と、
前記凹部に挿入される係合部とを有し、
前記シール対象部品の前記凹部が形成された面と、他の前記シール対象部品の前記凹部が形成された面とが対向して配置され、これら前記面の間に配置された前記シール部材の前記各係合部が前記各凹部に挿入されることで前記係合部が変形し、前記凹部と前記係合部とが噛み合うことを特徴とするガスシール構造。
前記係合部が塑性変形し、前記凹部内の形状が、前記係合部を前記凹部内から引き抜く際の抵抗を、前記係合部を前記凹部内に挿入する際の前記抵抗に比べ大きくさせる形状である請求項１に記載のガスシール構造。
前記凹部の断面形状が前記凹部の入口側から前記凹部の底部に向けて広がるテーパ形状である請求項２に記載のガスシール構造。
前記凹部の底部に、前記係合部の先端に進入させるエッジが形成されている請求項２または３に記載のガスシール構造。
前記係合部を前記凹部の内壁面に押圧する弾性部材を有する請求項１または３に記載のガスシール構造。
固体電解質型燃料電池及び前記固体電解質型燃料電池へのガスの供給路におけるガスシール構造において、
閉じた形状で導電性を有するとともに、複数の噛み合わせ部が形成され、前記噛み合わせ部の間の領域が柔軟性を有するシール部材と、
前記噛み合わせ部に対応する位置に形成された閉じた形状の凹部が形成されたシール対象部品及び他の前記シール対象部品と、
前記凹部に挿入される係合部とを有し、
前記シール対象部品の前記凹部が形成された面と、他の前記シール対象部品の前記凹部が形成された面とが対向して配置され、前記係合部の先端にエッジが形成されると共に、前記凹部の底部に塑性変形部が設けられ、これら前記面の間に配置された前記シール部材の前記各係合部が前記各凹部に挿入されることで前記エッジの侵入により前記塑性変形部が変形し、前記凹部と前記係合部とが噛み合うことを特徴とするガスシール構造。
前記シール部材は円環形状の金属箔である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のガスシール構造。
固体電解質型燃料電池及び前記固体電解質型燃料電池へのガスの供給路におけるガスシールであって、
閉じた形状で導電性を有するとともに、複数の噛み合わせ部が形成され、少なくとも前記噛み合わせ部の間の領域が柔軟性を有し、
前記噛み合わせ部は、シール対象部品に形成された凹部に対応する位置に形成された、凹部に挿入することが可能な凸部を有し、該凸部の内側には係合部を挿入することが可能な空間が形成された構造である、ガスシール。
固体電解質型燃料電池及び前記固体電解質型燃料電池へのガスの供給路におけるガスシールであって、
閉じた形状で導電性を有するとともに、複数の噛み合わせ部が形成され、少なくとも前記噛み合わせ部の間の領域が柔軟性を有し、
前記噛み合わせ部は、シール対象部品の凹部に挿入される、シール部材と一体となった係合部が設けられた構造である、ガスシール。
固体電解質型燃料電池及び前記固体電解質型燃料電池へのガスの供給路におけるガスシール方法において、
閉じた形状で導電性を有するとともに、複数の噛み合わせ部が形成され、少なくとも前記噛み合わせ部の間の領域が柔軟性を有するシール部材と、前記噛み合わせ部に対応する位置に形成された閉じた形状の凹部が形成されたシール対象部品及び他の前記シール対象部品と、前記凹部に挿入される係合部とを用意し、
前記シール対象部品の前記凹部が形成された面と、他の前記シール対象部品の前記凹部が形成された面とを対向して配置して、これら前記面の間に前記シール部材を配置し、
前記シール部材の前記各係合部を前記各凹部に挿入して前記係合部を変形させ、前記凹部と前記係合部とを噛み合わせるガスシール方法。