JP2006260910A - 燃料電池スタックのシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 スタックのセル積層方向に対して、単位燃料電池セルの積層位置の違いにより二種以上のゴム材料を組み合わせることにより、製造コストの増加を招くことなく、シール性を向上させる。
【解決手段】 固体高分子電解質膜１１をアノード電極１２とカソード電極１３とで挟んで構成される単位燃料電池セル１０が、ガスケット（シール部材）１６及びセパレータ１５を介して複数個積層された燃料電池スタック１において、前記シール部材１６を、積層方向に対してシール断面形状を同一とし、かつセル面内でゴム材料を同一となし、さらに積層方向に二種以上のシール材料を組み合わせて構成している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池スタックのシール構造に関する。

固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にアノード電極とカソード電極を配置して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されている。固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記燃料電池スタックにおいて、アノード電極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。

ところで、単位燃料電池セルとセパレータ間にガスケット（シール部材）を配置したシール構造の場合、積層した単位燃料電池セルのうち両端に位置するエンドセルの近傍では、単位燃料電池セルの両端に位置して燃料電池セルを挟み込んでいるエンドプレートの変形によってシールの潰れ代が減少する傾向がある。これは、エンドプレートが四隅近傍で燃料電池スタック内に挿通したタイロッドによって締め付けられているが、締め付けたときにタイロッド近傍とタイロッドから離れた部位（エンドプレートの中央部分）とでは、加圧力のばらつきが生じてしまうためエンドプレートが変形し、シールを所定寸法だけ潰すことができないことによるものである。

また、燃料電池スタックのセル積層方向の温度分布が高い領域もしくは燃料電池スタックを複数配列した場合に温度が高くなる燃料電池スタックでは、ガスケットの劣化が早くなる問題点がある。

また、従来、シールゴム材料の表面に別のシールゴム材料をコートすることによって、各シール材料の長所を旨く引き出してガス透過性の問題を改善した燃料電池用ガスケット構造が提案されている（例えば、特許文献１などに記載）。
特開２００４−５５４２８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているガスケット構造では、シールの構造が複雑であるため、製造コストが増加するという問題点がある。

そこで、本発明では、燃料電池スタックのセル積層方向に対して、単位燃料電池セルの積層位置の違いにより二種類以上のゴム材料を組み合わせてシール部材を配置することにより、製造コストの増加を招くことなく、シール性を向上させることのできる燃料電池スタックのシール構造を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池スタックのシール構造は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、シール部材及びセパレータを介して複数個積層された構造とされている。そして、本発明では、前記シール部材を、積層方向に対してシール断面形状を同一とし、かつセル面内でゴム材料を同一となし、積層方向に二種以上のシール材料を組み合わせて構成している。

本発明の燃料電池スタックのシール構造によれば、加圧力が弱い部分或いは温度分布が高い部分にはシール性に優れるゴム材料からなるシール部材を配置し、加圧力が強い部分或いは温度分布が低い部分にはそれ程シール性に優れるゴム材料でない別の種類のシール部材を配置するようにして、積層方向で二種以上のシール材料を組み合わせることで、製造コストの増加を招くことなく、燃料電池スタック全体のシール性を高めることができる。

以下に、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明の全実施例にわたって共通するかまたは類似する部分の燃料電池スタックの構成及び作用を、図１〜４を参照して説明する。本発明の燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

図１は燃料電池スタック構造を示す斜視図である。スタック１は、起電力を生じる単位電池としての単位燃料電池セル（以下、単にセル１０という）を所定数だけ積層した積層電池の形態で形成される。後述するが、積層されたセル１０は、スタック１内部を貫通するタイロッド５により締結されている。セル１０は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、各セル１０が１Ｖ程度の起電圧を生じる。

図２は固体高分子電解質型燃料電池のセル１０の構造を示す分解斜視図である。イオン交換膜からなる電解質膜１１、この電解質膜１１の一面に配置されたガス拡散層、撥水層および触媒層からなる電極であるアノード電極（燃料極）１２および電解質膜１１の他面に配置されたガス拡散層、撥水層および触媒層からなる電極であるカソード電極（空気極）１３とからなる膜−電極アッセンブリである膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１４と、アノード電極１２とカソード電極１３に燃料ガス（水素）または酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータ１５とをガスケット（シール部材）１６を介して積層した構造を有している。

電解質膜１１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード電極１２およびカソード電極１３は、ガス拡散電極である。ガス拡散電極は、ガス拡散層、撥水層、触媒層から成り、ガス拡散層は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。撥水層は、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラックからなる。

なお、触媒層は前述のようにガス拡散層に担持され電極を形成するとは限らず、電解質膜１１の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている場合がある。その場合、アノード電極１２およびカソード電極１３は、ガス拡散層の表面に撥水層が積層されたガス拡散層接合体で形成される。

セパレータ１５は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。例えば、カーボン材料をプレス成形することによるセパレータ１５や、また、充分な耐食性を実現可能であれば、金属など他の材料によってセパレータ１５を形成することとしてもよい。セパレータ１５にはアノード電極１２との間には燃料ガス流路１７が、カソード電極１３との間には酸化剤ガス流路１８が形成されており、また、必要に応じて冷却媒体流路１９が形成されている。

ガスケット１６は、例えばシリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）またはフッ素ゴム等のゴム状弾性材料によって形成されている。かかるガスケット１６は、単独で形成されていてもよいが、セパレータ１５あるいは弾性係数の大きい薄板材料に一体化されていても構わない。弾性係数の大きい薄板材料は例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのような材料で形成されており、電解質膜１１に例えば熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンのような液状シールによって接着される。

スタック１は、前述のセル１０を多数積層してセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、集電板２、絶縁板３、エンドプレート４を配置して構成され、これらをセル積層方向に締め付け、該セル積層体の内部に貫通した貫通孔にタイロッド５を挿通させ、そのタイロッド５の端部にナットを螺合することによって締結固定される。タイロッド５は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、セル１０同士の電気的短絡を防止するため、表面が絶縁処理されている。

集電板２は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。エンドプレート４は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。また、２枚の集電板２には、それぞれ出力端子２Ａが設けられており、この出力端子２Ａからスタック１で生じた起電力を出力可能としている。

ただし、締結方法はタイロッド５をスタック１内部に貫通する必要はなく、スタック１外部でエンドプレート４同士をテンションロッド５により締め付ける機構であっても良い。

また、図３に示すように、スタック１のセル積層方向一端の第１エンドプレート４Ａと該エンドプレート４Ａのセル積層方向内側に設けた絶縁板３との間に、第２エンドプレート４Ｂが配置され、エンドプレート４Ａと第２エンドプレート４Ｂ間にバネ等の加圧装置６を設置し、エンドプレート（４Ａ、４）間をタイロッド５によって締め付ける機構であっても良い。

「第１実施例」
図１に示す構造を有する燃料電池スタックにおいて、テンションロッド５によってスタック１に付与した軸力を受ける場合、テンションロッド５から遠い位置では、エンドプレート４等のスタッキング部材が変形し、面圧が低くなることによって、例えばセル１０と集電板２との間に配置されているシール部材１６の潰れ高さが減少し、シール性能が低下する恐れがある。

図４には、本発明の第１実施例に係わるシール構造を採用した燃料電池スタック構造の斜視図を示す。本実施例では、シール部材１６を、積層方向に対してシール断面形状を同一とし、かつセル面内でゴム材料を同一としている。すなわち、第１実施例に係わるシール構造では、従来のシールゴム材料の表面に別のシールゴム材料をコートしたシール材を使用するのではなく、セル１０の積層方向においてシール部材１６のシール断面形状を全て同一形状とし、かつ同一のセル１０内では同一のゴム材料からなるシール部材１６を使用している。換言すると、スタック１に使用するシール部材１６には同一形状のものを使用すると共に、同一のセル１０内では、異なるゴム材料は使用しない。

また、第１実施例では、エンドプレート４の近傍部（燃料電池スタックの両端からそれぞれ内側の５セル程度；図中記号Ａで示す領域）のシール部材１６には、例えばフッ素系ゴムのような圧縮永久歪の小さい材料を使用している。エンドプレート４の近傍部は、タイロッド５にかかる軸力によるスタッキング部材の変形によって、例えばセル１０と集電板２との間に配置されているシール部材１６の潰れ高さが減少して（つまり、シールするのに必要な潰れが確保できないため）シール性能が低下する恐れがあるが、その加圧力が低下する部分にのみ、例えばフッ素系ゴムのような圧縮永久歪の低いゴム材料からなるシール部材１６を配置する。

このようにすれば、エンドプレート４の近傍部で加圧力が低下しても例えばセパレータ１５とシール部材１６とが充分に密着するので、従来技術のようなシールゴム材料の表面に別のシールゴム材料をコートしたシール部材をセル全体に用いることなく、製造コストの増加を招かずにシール性能を高めることができる。

「第２実施例」
図５には、本発明の第２実施例に係わるシール構造の断面図を示す。第２実施例に係わるシール構造は、第１実施例に係わるシール構造と同様、シール部材１６を、積層方向に対してシール断面形状を同一とし、かつセル面内でゴム材料を同一となしている。そして特に、この第２実施例では、例えば冷却水流路１９が２セルに１流路とした場合に冷却水の通らないセルは温度が高くなる傾向があり、この領域にのみ圧縮永久歪の小さい材料あるいは、耐熱性が良好な材料からなるシール部材１６（図５中網掛けで示す部分）を配置している。

温度が高くなる傾向にある領域では、シール性能が早く低下する傾向にあるが、その近傍部にのみ例えばフッ素系ゴムのような圧縮永久歪の低い材料あるいは、耐熱性が良好なゴム材料からなるシール部材１６を配置する。このようにすれば、ある領域セル１０で温度分布が高くなっても例えばセパレータ１５とシール部材１６とが充分に密着するので、従来技術のようなシールゴム材料の表面に別のシールゴム材料をコートしたシール部材をセル全体に用いることなく、製造コストの増加を招かずにシール性能を高めることができる。

「第３実施例」
図６には、本発明の第３実施例に係わるシール構造を採用した燃料電池スタック構造の斜視図を示す。第３実施例に係わるシール構造は、第１及び第２実施例に係わるシール構造と同様、シール部材１６を、積層方向に対してシール断面形状を同一とし、かつセル面内でゴム材料を同一としている。そして特に、この第３実施例では、例えば放熱面積が少なく温度が高くなる傾向のあるスタック中央部分（図中、記号Ｂで示す領域）にのみ、例えばフッ素系ゴムのような圧縮永久歪の小さいゴム材料からなるシール部材１６を配置している。

温度が高くなる傾向にある領域では、シール性能が早く低下する傾向にあるが、その近傍にのみ例えばフッ素系ゴムのような圧縮永久歪の低い材料あるいは、耐熱性が良好なゴム材料からなるシール部材１６を配置する。このようにすれば、ある領域セル１０で温度分布が高くなっても例えばセパレータ１５とシール部材１６とが充分に密着するので、従来技術のようなシールゴム材料の表面に別のシールゴム材料をコートしたシール部材をセル全体に用いることなく、製造コストの増加を招かずにシール性能を高めることができる。

「第４実施例」
図７には、本発明の第４実施例に係わるシール構造を採用した燃料電池スタックを複数配列してなる燃料電池スタック郡の斜視図を示す。第４実施例に係わるシール構造は、第１乃至第３実施例に係わるシール構造と同様、シール部材１６を、積層方向に対してシール断面形状を同一とし、かつセル面内でゴム材料を同一としている。そして特に、この第４実施例では、スタック１を並べて複数配列する場合に、例えば放熱面積が少なく温度が高くなる傾向にある中央に配置されたスタック（図中、記号Ｃで示す）に対してのみ、例えばフッ素系ゴムのような圧縮永久歪の小さいゴム材料からなるシール部材１６を用いる。

温度が高くなる傾向にあるスタックＣでは、シール性能が早く低下する傾向にあるが、そのスタックＣにのみ例えばフッ素系ゴムのような圧縮永久歪の低い材料あるいは、耐熱性が良好なゴム材料からなるシール部材１６を使用する。このようにすれば、あるセル１０の温度が高くなっても例えばセパレータ１５とシール部材１６とが充分に密着するので、従来技術のようなシールゴム材料の表面に別のシールゴム材料をコートしたシール部材をセル全体に用いることなく、製造コストの増加を招かずにシール性能を高めることができる。

「第５実施例」
第５実施例では、前記した第１実施例から第３実施例の各実施例において使用したシール部材１６として、ゴムシール材料のゴム硬度を同一としている。このようにすれば、シールによる反力及びガス拡散層の面圧の分布をセル１０の積層方向において均一にすることが可能となり、各セル１０の発電性能が均一となる効果を得ることができる。

燃料電池スタックの構造を示す斜視図である。 燃料電池単セルの構造を示す斜視図である。 燃料電池スタックの構造を示す側面図である。 第１実施例に係わるシール構造を採用した燃料電池スタック構造の斜視図である。 第２実施例に係わるシール構造の断面図である。 第３実施例に係わるシール構造を採用した燃料電池スタック構造の斜視図である。 第４実施例に係わるシール構造を採用した燃料電池スタックを複数配列してなる燃料電池スタック郡の斜視図である。

符号の説明

１…スタック
２…集電板
２Ａ…出力端子
３…絶縁板
４…エンドプレート
４Ａ…第１エンドプレート
４Ｂ…第２エンドプレート
５…テンションロッド
６…加圧装置
１０…セル
１１…高分子膜
１２…アノード電極
１３…カソード電極
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ
１６…ガスケット（シール部材）
１７…燃料ガス流路
１８…酸化剤ガス流路
１９…冷却媒体流路

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、シール部材及びセパレータを介して複数個積層された燃料電池スタックのシール構造において、
   前記シール部材は、積層方向に対してシール断面形状を同一とし、かつセル面内でゴム材料を同一となし、積層方向に二種以上のシール材料を組み合わせて構成されている
   ことを特徴とする燃料電池スタックのシール構造。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックのシール構造であって、
   エンドプレート近傍でのセルには、ゴム材料の圧縮永久歪が他部分の圧縮永久歪よりも小さい材料からなるシール部材を配置した
   ことを特徴とする燃料電池スタックのシール構造。
3. 請求項１に記載の燃料電池スタックのシール構造であって、
   温度分布が高い領域セルには、ゴム材料の圧縮永久歪が他部分の圧縮永久歪よりも小さい材料からなるシール部材を配置した
   ことを特徴とする燃料電池スタックのシール構造。
4. 請求項１に記載の燃料電池スタックを複数配列する際に、温度分布の高くなる燃料電池スタックには、ゴム材料の圧縮永久歪が他部分の圧縮永久歪よりも小さい材料からなるシール部材を配置した
   ことを特徴とする燃料電池スタックのシール構造。
5. 少なくとも請求項１から請求項４の何れか一つに記載の燃料電池スタックのシール構造であって、
   前記シール部材を構成するゴムシール材料の硬度が同一である
   ことを特徴とする燃料電池スタックのシール構造。

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