JP4008819B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、２つの構成部材と、該部材と境を接しているガス室と、前記部材間に配置されていてガス室の周囲に対しガス室を封鎖するシール体を備えた燃料電池に関する。

燃料電池は、水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）とを一緒に電気化学反応に導き入れることで電気エネルギーと熱を発生し、水素と酸素との化合で水（Ｈ₂Ｏ）を生ずる。この目的のために、燃料電池の陽極ガス室に水素、陰極ガス室に酸素が導入される。水素は、燃料電池に純粋な水素として供給され、或いは水素を含む燃料ガスとして供給される。酸素は、燃料電池に純粋な酸素、又は例えば空気の形で供給されてもよい。燃料電池をこのようなものとして構成するか、或いは多数の燃料電池からなる燃料電池ブロックを構成する場合に注意すべき点は、燃料電池の陰極ガス室から陽極ガス室が気密に隔離されていることである。更に、燃料電池ブロックのガス室は、両作動ガスのどちらも燃料電池ブロックから漏れることがないように外側の雰囲気に対し封鎖せねばならない。従って燃料電池のガス室は１つ以上のシールでもって封鎖されている。

燃料電池のガス室シールは、燃料電池の運転中燃料電池の作動ガスの一方と接触する。燃料電池の作動ガスは、特に燃料電池が純粋な酸素で運転される場合に、化学的に非常に攻撃的である。低温度燃料電池も少なくとも７０℃の温度で運転されることが加わって問題を難しくする。７０℃又はそれを越える温度と結びついた純粋の酸素の化学的攻撃は、従来の弾性シールの場合、シールが弾性と機械的安定性を失うという結果を招く。

そこで、本発明の課題は、作動ガスに対して化学的に安定なガス室シールを備えた燃料電池を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、２つの構成部材と、該部材と境を接しているガス室と、前記部材間に配置されていてガス室の周囲に対しガス室を封鎖するシール備えた燃料電池において、シールが少なくとも次の部分範囲、即ちカーボンブラックを充填され、ビスフェノールで網状結合した弗素ゴムからなる部分範囲を含むことにより解決される。

長年の実験の結果、カーボンブラックを充填され且つビスフェノールで網状結合した弗素ゴムは、１２０℃に加熱された純酸素に対し数百時間にわたり化学的に安定であることが明らかになった。この化学的な安定性に伴い、弗素ゴムは高い形状安定性を失わず、その結果燃料電池のガス室の持続的な信頼性のある封鎖を保証する。更に、原料は、適切なコストで成形工具にて加工でき、容易に気密なシール面が形成されるように低い多孔度を有する。更に、原料は良好に金属表面と気密接続可能である。ビスフェノールで網状結合され且つカーボンブラックを充填された弗素ゴムは高い電気抵抗を持つ。これに伴い、原料は、燃料電池の運転中異なる電位にある燃料電池の２つの構成部材を気密に且つ電気的に絶縁して互いに接続するのに適している。

シールは、単にカーボンブラックを充填されビスフェノールで網状結合した弗素ゴムが作動ガスと接触するよう形成されている。このため、シールは少なくともその一部範囲がこの弗素ゴムからなる。シールは完全に弗素ゴムから構成できるが、種々の層から構成してもよく、その際作動ガスと接触しない層は他の材料からなっていてもよい。

シールは一片又は多片で構成できる。更に、ガス室は必然的に唯一のシールにより封鎖せねばならない訳ではなく、多数の互いに分離されたシールで封鎖されていてもよい。ガス室も完全に封鎖せねばならない訳ではなく、例えばガス室からのガス供給およびガス排出のための複数の開口が開けられていてもよい。シールはガス室からガス室周囲へのガスの流出を防ぐ。この周囲は燃料電池のまわりの外部雰囲気であってもよいし、封鎖されたガス室か又はそのまわりに配置された他のガス室であってもよく、このガス室は例えば別のシールによって燃料電池のまわりの雰囲気から隔てられている。

燃料電池の両構成部材は、例えば接続導体板と電解質電極ユニット、又は２つの接続導体板であり、しかも構成部材はシールに境を接する動作被膜で覆われていてもよい。

本発明の好ましい実施形態では、弗素ゴムは弗素ポリメチレンゴムである。かかる弗素ゴムは非常に僅かの水分吸収性を有し、これは特に湿った作動ガスで作動する燃料電池の場合に有利である。この原料は、水気を吸って膨潤することはないし、べとつくこともなく、従って特別に耐久的な優れた形状安定性を有する。

弗素ゴムは６０〜８５のショアＡ硬さ数を持つと望ましい。この硬さを持つ弗素ゴムは、例えば２つの金属構成部材の封鎖に十分な弾性を有し、しかも同時に構成部材により著しく変形されたり破壊されたりすることがないようにするに十分な耐圧性を持つ。

本発明の他の有利な実施形態では、構成部材は板状であり、シールは枠状に構成部材間に配置され、かつシールは構成部材を互いに隔離する。この際燃料電池のガス室の一方は枠の内側に配置される。この構成では、例えば接続導体板、枠状のシールおよび電解質電極ユニットが互いに層状に積層される。上述の弗素ゴムは、燃料電池の寿命期間中、シールに支持機能を持たせ得る程僅かしか変形ない、十分な機械的・化学的安定性を示す。

本発明の他の有利な実施形態では、燃料電池ブロックが多数の上述の如き燃料電池を含み、その際、シールは各々両構成部材をはめ込まれていて、燃料電池ブロックに安定性を与える接続体をなしている。弗素ゴムの形状安定性により、シールは接続体において燃料電池ブロックに安定性を与える役割を果たす。更に、かかる装置は次の利点を持つ。即ち板状の構成部材を積層して燃料電池ブロックにした後、板状の構成部材を強く押し合わせることで安定な燃料電池ブロックを形成するばかりか、同時に燃料電池ブロックの内部のガス室を封鎖できる。このため、燃料電池ブロックの組立が著しく簡単になる。更にシール内へ電圧導入部材をはめ込むことで該部材を周囲から電気的に絶縁できる。このようにはめ込んだ部材を燃料電池ブロックにおいて周囲に対するシールをなすように積み重ねるだけで、燃料電池ブロックのこれらの部材が外側からの接触に対し保護される。ブロックの外側からの部材への不慮の接触による短絡の危険を、非常に簡単な方法で防止できる。

本発明の実施例を図面に基づき説明する。図１は２つの燃料電池１の断面を示す。燃料電池１は、図示しない他の燃料電池と共に燃料電池ブロックを形成する。燃料電池は、運転のために酸化ガスとして純粋な酸素を用いるべく設計されたＰＥＭ燃料電池（ポリマー電解質膜燃料電池）である。各燃料電池１は、１つの電解質電極ユニット３と、該ユニットの平たい両面に隣接する２つの接続導体板５とを含む。図１に示す中央の接続導体板５は、図１に示す燃料電池１の両方の構成部材である。電解質電極ユニット３と接続導体板５との間に、各々各燃料電池１の陽極ガス室７又は陰極ガス室９が配置されている。接続導体板は水が貫流可能なサーモカードであり、該カードによりこれに境を接するガス室を加熱・冷却可能である。

接続導体板５は枠状のシール１１にはめ込まれている。シール１１はカーボンブラックを充填され、ビスフェノールで網状結合された弗素ポリメチレンゴムからなる。このようなゴムは、例えば、「der Gummiwerk Kraiburg GmbH & Co．」D-84478 Waldkraiburgから「VA 7 AMZ」の商品名で入手可能である。２つのシール１１の各々は枠状に電解質電極ユニット３をはめ込まれ、各シール１１は、それが電解質電極ユニット３と接続導体板５との間に延在するよう形成されている。電解質電極ユニット３と接続導体板５との間に延在するシール１１のこの部分は、全体のシール１１と同様に、電解質電極ユニット３の縁に沿って延びている。従って、シールは枠状に電解質電極ユニット３と接続導体板５との間に配置され、そにより両構成部材を互いに隔てている。シール１１の材料は、室温において１０¹⁰Ωｃｍよりも大きい体積固有抵抗率を有するので、接続導体板５はシール１１で各々互いに電気的に絶縁されて保持される。

図１に示す両燃料電池１の上下の各側には、図１には示さない燃料電池があり、これらセルは図示した燃料電池と共に燃料電池ブロックを構成する。燃料電池１は、図１には示されない多数の引張棒で押し付けられている。この場合に生じる圧力に伴い、７５のショアＡ硬さ数を有するシール１１は僅かしか変形しない。しかし圧力で、ガス室７、９が燃料電池ブロックの周囲から気密に封鎖されるようなシール１１の押し付けが生じる。押し付けられたシール１１は、燃料電池ブロックに安定性を与える接続体を成す。

燃料電池ブロックの運転中、図示しない供給管と排出管を経て陽・陰極ガス室７、９へ水素と酸素が流れる。従って、各シール１１は、燃料電池１の運転中、純粋な水素とも純粋な酸素とも接触する。しかしシール１１は、１０００時間の運転の間において作動ガスである水素および酸素で腐食されることなく形状およびシール能力を維持するほど化学的並びに機械的に非常に安定である。

本発明による燃料電池の実施例を示す一部断面斜視図

符号の説明

１ 燃料電池、３ 構成部材(電解質電極ユニット)、５ 構成部材（接続導体板）、７ 陽極ガス室、９ 陰極ガス室

Claims (2)

1. 電解質電極ユニット（３）と接続導体板（５）とからなる板状の２つの構成部材（３、５）と、該構成部材に燃料電池の作動ガスが接するように構成したガス室（７、９）と、前記構成部材（３、５）間に枠状に配置され、構成部材（３、５）を互いに隔離して前記ガス室の周囲に対してガス室（７、９）を封鎖するシール（１１）とを備えたポリマー電解質膜燃料電池（１）において、
   前記シール（１１）の少なくとも作動ガスと接する部分の材料は、カーボンブラックが充填され、ビスフェノールで網状結合された弗素ゴムからなり、前記弗素ゴムは弗素ポリメチレンゴムであって、そのショアＡ硬さ数は６０〜８５であることを特徴とするポリマー電解質膜燃料電池（１）。
2. 前記シール（１１）は構成部材（３、５）の各々をはめ込まれ燃料電池ブロックに安定性を与える接続体をなすことを特徴とする請求項１記載のポリマー電解質膜燃料電池（１）を多数備えた燃料電池ブロック（１）。

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