JP2020029900A - シール構造及びこれを備える燃料電池用構成部品 - Google Patents

Abstract

【課題】シールビードの全長に亙って強度やシール性を一定に保持することができ、しかも流体を流通させることができるシール構造を提供する。【解決手段】プレート１１と、プレート１１における平面を流体流入側領域および流体流出側領域に仕切るようプレートに設けられたシールビード５Ａａと、流体流入側領域においてプレート１１を板厚方向に貫通するように設けられた流体流入側連通孔１４と、流体流出側領域においてプレート１１を板厚方向に貫通するように設けられた流体流出側連通孔１５と、プレート１１におけるシールビード５Ａａの突出方向と反対側の面に重ねられた流路空間形成プレート２１と、流体流入側連通孔１４および流体流出側連通孔１５を互いに連通させるよう流路空間形成プレート２１に設けられた流路空間２３と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、シール構造及びこれを備える燃料電池用構成部品に関する。

例えば図４に示すように、燃料電池スタック５１において積層プレート５２間で燃料や冷却水等の流体をシールするには、中間プレート５３にフルビードよりなるシールビード５４を設け、このシールビード５４を積層プレート５２間で挟み込む構成のシール構造が用いられている。フルビードよりなるシールビード５４は、断面台形に形成され、一対の斜面部５４ａと、斜面部５４ａ間の天板部５４ｂとを一体に備えている。

また、このシール構造において、例えばマニホールド穴５５から発電部（図示せず）へ流体を供給すべく流体流路を設ける場合には、フルビードよりなるシールビード５４の斜面部５４ａに連通孔５６を設け、この連通孔５６を経由して流体を流通させている。

特許第４９５９１９０号公報

上記シール構造によると図５に示すように、フルビードよりなるシールビード５４の斜面部５４ａに連通孔５６を設けるため、この連通孔５６を設けた部分で、連通孔５６を設けていない他の部分と比較してシールビード５４の強度が低下することがある。したがって連通孔５６を設けた部分でシールビード５４のシール面圧が低下し、シール性に影響を及ぼすことが懸念される。

本発明は、シールビードの全長に亙ってシールビードの強度やシール性を一定に保持することができ、しかも流体を流通させることができるシール構造とこれを備える燃料電池用構成部品を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明のシール構造は、プレートと、前記プレートの平面を流体流入側領域および流体流出側領域に仕切るよう前記プレートに設けられたシールビードと、前記流体流入側領域において前記プレートを板厚方向に貫通するように設けられた流体流入側連通孔と、前記流体流出側領域において前記プレートを板厚方向に貫通するように設けられた流体流出側連通孔と、前記プレートにおける前記シールビードの突出方向と反対側の面に重ねられた流路空間形成プレートと、前記流体流入側連通孔および前記流体流出側連通孔を互いに連通させるよう前記流路空間形成プレートに設けられた流路空間と、を備えることを特徴とする。

また、実施の態様として、上記記載のシール構造において、前記プレートおよび前記流路空間形成プレートの組み合わせよりなるシールユニットを複数、同じ向きに重ね合わせ、前記流体流入側領域に対応して一のシールユニットにおける前記プレートと他のシールユニットにおける前記流路空間形成プレートの間に流体流入側流路空間を設け、前記流体流出側領域に対応して一のシールユニットにおける前記プレートと他のシールユニットにおける前記流路空間形成プレートの間に流体流出側流路空間を設け、一のシールユニットにおける前記シールビードと他のシールユニットにおける前記流路空間の底面部の間に流路仕切部を設け、前記流体流入側流路空間から前記流体流入側連通孔、前記流路空間および前記流体流出側連通孔を経由して前記流体流出側流路空間へ至る流体流路を設けたことを特徴とする。

また、実施の態様として、上記記載のシール構造において、前記一のシールユニットにおけるシールビードと前記他のシールユニットにおける流路空間の底面部の間にガスケットを介装することを特徴とする。

また、実施の態様として、上記記載のシール構造において、前記プレートは、前記シールビードが潰れやすいよう比較的軟質の板材よりなり、前記流路空間形成プレートは、前記流路空間が潰れにくいよう比較的硬質の板材よりなることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池用構成部品は、上記記載のシール構造を備えることを特徴とする。

本発明では、上記構成により、シールビードの全長に亙ってシールビードの強度やシール性を一定に保持することができ、しかも流体を流通させることができる。

実施の形態に係るシール構造を備える燃料電池用構成部品の平面図 （Ａ）は同シール構造の要部断面図であって図１におけるＡ−Ａ線拡大断面図、（Ｂ）は同シール構造の要部断面図であって図１におけるＢ−Ｂ線拡大断面図 同シール構造の組み立て状態を示す断面図 背景技術に係るシール構造の断面図 同シール構造における連通孔を設けたシールビードの一部斜視図

図１に示すように、平面長方形状を呈する燃料電池用構成部品１の平面中央に発電部（流路部）２が設けられ、その両側に位置して複数（図では４箇所）のマニホールド穴３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ）が燃料電池用構成部品１をその厚み方向（紙面直交方向）に貫通するように設けられている。

発電部２を流通する流体が外部へ漏洩しないようかつ外部のダストが内部へ侵入しないよう燃料電池用構成部品１の外周部に、シールビードよりなるシール部（外周シール部）４が枠状に設けられている。

各マニホールド穴３を穴縦方向（紙面直交方向）に流通する流体が発電部２へ流入しないようかつ発電部２を流通する流体が各マニホールド穴３へ流出しないよう各マニホールド穴３の周りに、シールビードよりなるシール部（マニホールド用シール部）５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ）が設けられている。

一のマニホールド穴３Ａから発電部２へ流体を供給するよう一のマニホールド穴３Ａを囲むシール部５Ａと交差してこのシール部５Ａを流体が通過可能にするための流路構造６（６Ａ）が設けられている。

また、発電部２から他の一のマニホールド穴３Ｂへ流体を排出するよう他の一のマニホールド穴３Ｂを囲むシール部５Ｂと交差してこのシール部５Ｂを流体が通過可能にするための流路構造６（６Ｂ）が設けられている。

両流路構造６Ａ，６Ｂは、構成が同一ないし対称であるため、以下では一方の流路構造６Ａについて説明し、他方の流路構造６Ｂの説明を省略する。

図２（Ａ）は、図１におけるＡ−Ａ線拡大断面を示し、図２（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ線拡大断面を示している。

燃料電池用構成部品１は、第１のプレートとして金属板よりなるプレート（ビード形成プレート）１１を備え、このビード形成プレート１１の平面上に、このビード形成プレート１１における平面上の領域をマニホールド穴３Ａ側の流体流入側領域１２と発電部２側の流体流出側領域１３とに仕切るよう上記シールビードよりなるシール部５Ａが設けられている。シールビードはこれを符号５Ａａにて示し、このシールビード５Ａａは断面半円形ないし円弧形または台形のフルビードよりなる。

マニホールド穴３Ａ側の流体流入側領域１２に位置してビード形成プレート１１の平面上に、ビード形成プレート１１をその板厚方向に貫通するよう流体流入側連通孔１４が所要数（図１では３箇所）設けられている。

発電部２側の流体流出側領域１３に位置してビード形成プレート１１の平面上に、ビード形成プレート１１をその板厚方向に貫通するよう流体流出側連通孔１５が所要数（図１では３箇所）設けられている。

上記ビード形成プレート１１におけるシールビード５Ａａの突出方向（図２では上方）と反対側の面（図２では下面）に、第二のプレートとして金属板よりなる流路空間形成プレート２１が重ねられ、溶接等の固定手段２２によって固定されている。

この流路空間形成プレート２１には、上記流体流入側連通孔１４および流体流出側連通孔１５を互いに連通させるよう流路空間２３が設けられており、この流路空間２３を設けるため、流路空間形成プレート２１は部分的に板厚方向（図２では下方）へ突出する立体構造とされている。

上記ビード形成プレート１１および流路空間形成プレート２１の組み合わせは、燃料電池用構成部品１におけるシールユニット（単位ユニット）３１を形成している。

そして、燃料電池スタックを組み立てるに際しては図３に示すように、シールユニット３１を複数、同じ向きに接合することなく重ね合わせる。

シールユニット３１を複数、同じ向きに重ね合わせると、上記マニホールド穴３Ａ側の流体流入側領域１２において一（図では下側）のシールユニット３１Ａにおけるビード形成プレート１１と他（図では上側）のシールユニット３１Ｂにおける流路空間形成プレート２１の間に、マニホールド穴３Ａに連通する流体流入側流路空間３２が形成される。

また、シールユニット３１を複数、同じ向きに重ね合わせると、上記発電部２側の流体流出側領域１３において一（図では下側）のシールユニット３１Ａにおけるビード形成プレート１１と他（図では上側）のシールユニット３１Ｂにおける流路空間形成プレート２１の間に流体流出側流路空間３３が形成される。

また、シールユニット３１を複数、同じ向きに重ね合わせると、一（図では下側）のシールユニット３１Ａにおけるシールビード５Ａａと他（図では上側）のシールユニット３１Ｂにおける流路空間２３の底面部２４が接触し、ここに流路仕切部３４が形成される。

尚、一（図では下側）のシールユニット３１Ａにおけるシールビード５Ａａと他（図では上側）のシールユニット３１Ｂにおける流路空間２３の底面部２４の間には図示するようにゴム状弾性体よりなるガスケット（フラットゴム）３５を介装するのが好適であり、これにより流路仕切部３４におけるシール性を一層向上させることができる。また、ガスケット３５として所定の幅を備えるフラットゴムを使用することにより、ユニット３１Ａ，３１Ｂ間に平面上の位置ズレが発生した場合でもシール性を担保することができる。ガスケット３５は、貼付けまたは塗布等の手段により底面部２４に固定される。

上記構成により、一（図では下側）のシールユニット３１Ａおよび他（図では上側）のシールユニット３１Ｂの間に、流体流入側流路空間３２から流体流入側連通孔１４、流路空間２３および流体流出側連通孔１５を経由して流体流出側流路空間３３へ至る流体流路３６が設けられている。

上記構成の流路付きシール構造ないし燃料電池用構成部品１においては、ビード形成プレート１１の平面上にシールビード５Ａａが設けられているが、このシールビード５Ａａには上記背景技術（図４および図５）における連通孔５６に相当するような横穴状の連通孔が設けられていない。したがってシールビード５Ａａの全長に亙ってシールビード５Ａａの強度やシール性を一定に保持することが可能とされている。

また、流体流入側流路空間３２から流体流入側連通孔１４、流路空間２３および流体流出側連通孔１５を経由して流体流出側流路空間３３へ至る流体流路３６が設けられているため、シールビード５Ａａに横穴状の連通孔が設けられていなくても流体をマニホールド穴３Ａから発電部２へ、或いは発電部２からマニホールド穴３Ｂへと流通させることが可能とされている。

したがって、シールビード５Ａａの全長に亙ってシールビード５Ａａの強度やシール性を一定に保持することができ、しかも必要に応じて流体を流通させることができるシール構造とこれを備える燃料電池用構成部品を提供することができる。

各プレート１１，２１の材質として、ビード形成プレート１１は、シールビード５Ａａが潰れやすくシール面圧を発生しやすいよう比較的軟質の板材（軟金属）により形成するのが好ましく、一方、流路空間形成プレート２１は、流路空間２３が潰れにくいように比較的硬質の板材（硬金属）により形成するのが好ましい。シールビード５Ａａが潰れやすいとシール性を向上させることが可能とされ、流路空間２３が潰れにくいと流路空間２３の形状維持が見込まれ、所定量の流体（気体や液体）を流通させることが可能とされる。

板材の具体例は、以下のようになる。
（１）金属材質の違いを利用する。例えばビード形成プレート１１をチタンとし、流路空間形成プレート２１をＳＵＳ３０４Ｌとする。
（２）板厚違いを利用する。例えばビード形成プレート１１をＳＵＳ３０４Ｌの板厚：０．０８ｍｍとし、流路空間形成プレート２１をＳＵＳ３０４Ｌの板厚：０．１０ｍｍとする。
（３）表面処理の有無を利用する。例えばビード形成プレート１１をチタンの熱処理無しとし、流路空間形成プレート２１をチタンの熱処理有りとする。

また、シールユニット３１Ａ，３１Ｂを燃料電池セルにおけるセパレータとする場合には、両シールユニット３１Ａ，３１Ｂの間であって一（図では下側）のシールユニット３１Ａにおけるシールビード５Ａａと他（図では上側）のシールユニット３１Ｂにおける流路空間２３の底面部２４の間にＭＥＡ（膜電極複合体、図示せず）を挟み込むことになる。この場合、シール性の確保に関しては、一（図では下側）のシールユニット３１Ａにおけるシールビード５ＡａとＭＥＡの間、ならびに他（図では上側）のシールユニット３１Ｂにおける流路空間２３の底面部２４とＭＥＡの間にそれぞれガスケット３５を介装することが好ましい。

１ 燃料電池用構成部品
２ 発電部
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ マニホールド穴
４，５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ シール部
５Ａａ シールビード
６，６Ａ，６Ｂ 流路構造
１１ ビード形成プレート
１２ 流体流入側領域
１３ 流体流出側領域
１４ 流体流入側連通孔
１５ 流体流出側連通孔
２１ 流路空間形成プレート
２２ 固定手段
２３ 流路空間
２４ 底面部
３１，３１Ａ，３１Ｂ シールユニット
３２ 流体流入側流路空間
３３ 流体流出側流路空間
３４ 流路仕切部
３５ ガスケット
３６ 流体流路

Claims (5)

1. プレートと、
   前記プレートの平面を流体流入側領域および流体流出側領域に仕切るよう前記プレートに設けられたシールビードと、
   前記流体流入側領域において前記プレートを板厚方向に貫通するように設けられた流体流入側連通孔と、
   前記流体流出側領域において前記プレートを板厚方向に貫通するように設けられた流体流出側連通孔と、
   前記プレートにおける前記シールビードの突出方向と反対側の面に重ねられた流路空間形成プレートと、
   前記流体流入側連通孔および前記流体流出側連通孔を互いに連通させるよう前記流路空間形成プレートに設けられた流路空間と、を備えることを特徴とするシール構造。
2. 請求項１記載のシール構造において、
   前記プレートおよび前記流路空間形成プレートの組み合わせよりなるシールユニットを複数、同じ向きに重ね合わせ、
   前記流体流入側領域に対応して一のシールユニットにおける前記プレートと他のシールユニットにおける前記流路空間形成プレートの間に流体流入側流路空間を設け、
   前記流体流出側領域に対応して一のシールユニットにおける前記プレートと他のシールユニットにおける前記流路空間形成プレートの間に流体流出側流路空間を設け、
   一のシールユニットにおける前記シールビードと他のシールユニットにおける前記流路空間の底面部の間に流路仕切部を設け、
   前記流体流入側流路空間から前記流体流入側連通孔、前記流路空間および前記流体流出側連通孔を経由して前記流体流出側流路空間へ至る流体流路を設けたことを特徴とするシール構造。
3. 請求項２記載のシール構造において、
   前記一のシールユニットにおけるシールビードと前記他のシールユニットにおける流路空間の底面部の間にガスケットを介装することを特徴とするシール構造。
4. 請求項１、２または３記載のシール構造において、
   前記プレートは、前記シールビードが潰れやすいよう比較的軟質の板材よりなり、
   前記流路空間形成プレートは、前記流路空間が潰れにくいよう比較的硬質の板材よりなることを特徴とするシール構造。
5. 請求項１、２、３または４記載のシール構造を備えることを特徴とする燃料電池用構成部品。

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