JP4998656B2 - 燃料電池セルの密封構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池において、積層された燃料電池セル間のガス流路を密封するための密封構造に関する。

燃料電池は、高分子電解質膜の両面に一対の触媒電極層を設けた膜電極複合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）の厚さ方向両側を、セパレータで挟持した燃料電池セルを多数、多い場合は数百枚積層したスタック構造をとっている。そして、酸化ガス（酸素）が各セパレータの一方の面に形成された酸化ガス流路から一方の触媒電極層に供給され、燃料ガス（水素）が各セパレータの他方の面に形成された燃料ガス流路から他方の触媒電極層に供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって、電力を発生するものである。

スタック内の各セルのガス流路を密封するためのガスケットは、弾性体からなるものであって、セパレータの表面に一体に設けて膜電極複合体の表面に密接させるものや、逆に、膜電極複合体の表面に一体に設けてセパレータの表面に密接させるものがある。後者の場合、膜電極複合体の両側にシールリップを形成してセパレータとの面圧を確保するのが一般的である（例えば特許文献１参照）。
特再２００２−０８９２４０

この種の燃料電池において、スタックの小型・軽量化を図るには、各セルの部材を薄肉にすることが不可欠である。しかし、膜電極複合体の表面に、弾性体によるシールリップを形成したものにおいて、シール機能の長期耐久性を確保する観点から、シールリップの高さをそれほど小さくすることができないので、スタックの小型化が困難であった。

また、シールリップにより密封機能を奏するガスケットは、各セルを積層することによるスタックの組立時や、密封対象流体（水素ガスや酸化ガス等）の加圧時に、シールリップの倒れも懸念される。

更に、スタックの小型・軽量化には、セパレータを薄肉にすることが有効であるが、カーボン等で成形されたセパレータを薄肉にすると、その機械的強度が低下するため、シールリップの圧縮反力によって、セパレータが変形又は破損しやすくなることが懸念される。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、燃料電池セルの薄肉化によるスタックの小型・軽量化が可能な燃料電池セルの密封構造を提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池セルの密封構造は、膜電極複合体とその厚さ方向両側のセパレータとの間に形成された流路を密封する構造であって、各セパレータの間に前記流路の形成領域を取り囲むように配置された弾性体が前記膜電極複合体に装着され、前記各セパレータが金属板からなるものであって、このセパレータに、前記流路の形成領域を取り囲むように延びて前記弾性体に圧接される突条が前記金属板のプレス成形により屈曲形成され、この突条が、前記弾性体の両側で互いに異なる位置に形成されたものである。このため、弾性体にはシールリップを形成する必要がなく、前記弾性体への突条の圧接による面圧極大部において、優れた密封性を奏し、各突条間で弾性体や膜電極複合体が挟圧されることによる圧縮応力を緩和することができる。

請求項２の発明に係る燃料電池セルの密封構造は、請求項１に記載の構成において、弾性体が、膜電極複合体の外周面に接合されたものである。この場合、弾性体の厚さを、膜電極複合体の厚さと同等あるいはそれ以下にすることによって、燃料電池セルの薄肉化を図ることができる。

請求項１の発明に係る燃料電池セルの密封構造によれば、弾性体にシールリップを形成する必要がなくなるので、燃料電池セルの薄肉化によるスタックの小型・軽量化が実現される。また、シールリップの倒れといった問題が生じ得ないので、信頼性の高い密封構造を得ることができ、セパレータが金属板からなるものであるため、これによる燃料電池セルの薄肉化を図り、スタックの小型・軽量化を実現することができる。しかも各セパレータに形成された突条が、弾性体の両側で互いに異なる位置に圧接されるので、圧縮応力の集中を防止することができ、その結果、更なる燃料電池セルの薄肉化を図り、スタックの小型・軽量化を実現することができる。

請求項２の発明に係る燃料電池セルの密封構造によれば、請求項１による効果に加え、弾性体が、膜電極複合体の外周面に接合されることによって、膜電極複合体とセパレータ間の弾性体の介在による厚さの増大をなくすことができるので、燃料電池セルの一層の薄肉化を図り、スタックの小型・軽量化を実現することができる。

以下、本発明に係る燃料電池セルの密封構造の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。まず図１は、本発明の第一の形態を示す燃料電池セルの部分断面図で、この燃料電池セルにおいて、参照符号１は膜電極複合体、参照符号２は膜電極複合体１の厚さ方向両側に配置されたセパレータ、参照符号３は膜電極複合体１による発電領域を取り囲むように配置された弾性体である。

膜電極複合体１は、高分子電解質膜１１をその厚さ方向両側から一対の触媒電極１２，１２で挟み、更にその厚さ方向外側に、一対のガス拡散層１３，１３を配置したものである。ガス拡散層１３は、水素又は酸素を触媒電極１２に導くための通気性と、水素と酸素の電気化学反応により発生した電力をセパレータ２に導くための導電性とを有しており、例えばカーボン繊維等の多孔質体からなる。

セパレータ２は導電性を有する金属の薄板からなるものであって、各セパレータ２には、プレス成形によって、多数の溝２１が形成されており、この溝２１によって、ガス拡散層１３との間に、燃料ガス（水素ガス）又は酸化ガス（酸素）を通すための流路４が形成されている。

弾性体３は、各セパレータ２と膜電極複合体１との間に介在して、流路４から燃料ガス又は酸化ガスが漏出するのを防止するものであって、膜電極複合体１の外周部に沿って断面コ字形をなすように、ゴム状弾性材料によって、この膜電極複合体１に一体的に成形されている。すなわち、この弾性体３は、膜電極複合体１の外周部におけるセパレータ２との対向面に接合された互いに平行な一対の弾性層３１，３１と、その外縁部間を連続して延びると共に膜電極複合体１の外周面を包囲する端壁部３２からなる。

弾性体３のゴム状弾性材料は、ＶＭＱ（シリコーンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、あるいはＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等から選択され、これを液状ゴムとして、多孔質のガス拡散層１３，１３に含浸させた状態で成形される。図中の参照符号３３は、ガス拡散層１３におけるゴム含浸層を示しており、このゴム含浸層３３は弾性体３と連続するものである。

各セパレータ２には、流路４の形成領域（以下、流路形成領域という）Ａの外周側に、弾性体３を膜電極複合体１の両側から包囲するようにフランジ部２２が形成されており、このフランジ部２２には山形（Ｖ字形）の突条２２ａが形成されている。すなわちこの突条２２ａ，２２ａは、セパレータ２のプレス成形によって屈曲形成されたもので、流路形成領域Ａを取り囲むように延びており、弾性体３の両側で互いに異なる位置に形成され、膜電極複合体１の外周部におけるセパレータ２との対向面に接合された弾性層３１，３１に食い込むように圧接されている。すなわち、図１における上側のセパレータ２の突条２２ａは、下側のセパレータ２の突条２２ａに対して、相対的に外周寄りに位置して形成されており、したがって、弾性体３の弾性層３１，３１に対する突条２２ａ，２２ａの圧接位置が、互いにずれている。

以上の構成を備える燃料電池セルにおいて、膜電極複合体１の両側に形成された流路４，４のうち、一方には燃料ガス（水素）が供給され、他方には酸化ガス（酸素）が供給される。膜電極複合体１の触媒電極１２，１２のうち、ガス拡散層１３を介して燃料ガスが供給される側（アノード）においては、水素分子を水素イオンと電子に分解する反応が行われ、ガス拡散層１３を介して酸化ガスが供給される側（カソード）においては、酸素と水素イオンと電子により水を生成する反応が行われ、これによって起電力を発生する。

各セパレータ２に形成された山形の突条２２ａは、流路形成領域Ａを取り囲むように膜電極複合体１に一体成形された弾性体３の弾性層３１，３１に、燃料電池セルの積層状態において食い込むように圧接されるので、突条２２ａの頂部で弾性層３１との面圧が極大となるので、流路４内を流通する燃料ガス又は酸化ガスに対する優れた密封性を奏すると共に、膜電極複合体１の外周部を弾性的に挟持する機能を有する。また、弾性体３は、その端壁部３２が膜電極複合体１の外周面を包囲するように延びると共に、ガス拡散層１３の外周部にゴム含浸層３３を形成しているので、燃料ガス又は酸化ガスが、多孔質構造のガス拡散層１３を厚さ方向と直交する方向へ透過して外周側へ漏洩することもない。

そして、この形態によれば、上述のように、弾性体３（弾性層３１）に各セパレータ２の突条２２ａを圧接させることによって、シールに有効な面圧極大部を形成しているので、弾性体３にシールリップを形成する必要がなく、このため燃料電池セルの肉厚を減少させることができ、ひいては、燃料電池セルの積層体であるスタックの小型・軽量化が可能となる。しかも、シールリップによる密封構造の場合は、各セルの積層時、あるいは密封対象の水素ガスや酸化ガス等の加圧時に、シールリップが倒れてしまうおそれがあるのに対し、上述の形態においては、そのようなことはない。

また、セパレータ２が、金属板のプレス成形体からなるものであるため、従来のようにカーボン等で成形されたセパレータを用いたものに比較して、十分に薄肉にすることができる。このため、膜電極複合体１、セパレータ２，２及び弾性体３からなる燃料電池セルの肉厚を減少させることができ、ひいては、燃料電池セルの積層体であるスタックの小型・軽量化が可能となる。

次に図２は、本発明の第二の形態を示す燃料電池セルの部分断面図である。この燃料電池セルにおいて、上述した図１の形態と異なるところは、突条２２ａの断面形状にある。その他の部分は図１の形態と同様に構成されているので、図１と同一又は対応する部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。すなわち、図２における上側のセパレータ２の突条２２ａは、下側のセパレータ２の突条２２ａに対して、相対的に外周寄りに位置して形成されており、したがって、弾性体３の弾性層３１，３１に対する突条２２ａ，２２ａの圧接位置が、互いにずれている。

図１又は図２の形態によれば、突条２２ａ，２２ａが弾性体３の弾性層３１，３１に互いに異なる位置で圧接するので、弾性層３１，３１及びガス拡散層１３，１３に圧縮応力が集中しにくく、したがって、燃料電池セルの一層の薄肉化が可能となる。また、突条２２ａによる弾性層３１との圧接部の面圧分布は、図１の形態に比較して緩やかに変化する。

次に図３は、本発明の第三の形態を示す燃料電池セルの部分断面図である。この燃料電池セルは、弾性体３が、膜電極複合体１と略同等の肉厚を有する矩形断面状に成形されていて、高分子電解質膜１１をその厚さ方向両側から触媒電極１２，１２で挟み、更にその厚さ方向外側にガス拡散層１３，１３を配置した積層構造の膜電極複合体１の外周面に、一体的に成形されており、多孔質のガス拡散層１３，１３の外周部における弾性体３との接合部には、弾性体３から連続したゴム含浸層３３が形成され、セパレータ２，２の断面山形の突条２２ａ，２２ａが、弾性体３の両側で互いに異なる位置に形成されたものである。すなわち、図３における上側のセパレータ２の突条２２ａは、下側のセパレータ２の突条２２ａに対して、相対的に外周寄りに位置して形成されており、したがって、弾性体３に対する突条２２ａ，２２ａの圧接位置が、互いにずれている。

次に図４は、本発明の第四の形態を示す燃料電池セルの部分断面図である。この燃料電池セルは、突条２２ａの断面形状のみが、上述した図３の形態と異なる。すなわち、突条２２ａが断面円弧状をなすように形成されていて、突条２２ａによる弾性体３との圧接部の面圧分布は、図３の形態に比較して緩やかに変化するようになっており、図４における上側のセパレータ２の突条２２ａは、下側のセパレータ２の突条２２ａに対して、相対的に外周寄りに位置して形成されており、したがって、弾性体３に対する突条２２ａ，２２ａの圧接位置が、互いにずれている。

図３又は図４の形態によれば、突条２２ａ，２２ａが弾性体３の両面に互いに異なる位置で圧接するので、弾性体３が突条２２ａ，２２ａ間で圧縮応力の発生が生じにくく、したがって弾性体３の一層の薄肉化、ひいては燃料電池セルの一層の薄肉化が可能となる。

本発明に係る燃料電池セルの密封構造の第一の形態を示す燃料電池セルの部分断面図である。 本発明に係る燃料電池セルの密封構造の第二の形態を示す燃料電池セルの部分断面図である。 本発明に係る燃料電池セルの密封構造の第三の形態を示す燃料電池セルの部分断面図である。 本発明に係る燃料電池セルの密封構造の第四の形態を示す燃料電池セルの部分断面図である。

符号の説明

１ 膜電極複合体
１１ 高分子電解質膜
１２ 触媒電極
１３ ガス拡散層
２ セパレータ
２１ 溝
２２ フランジ部
２２ａ 突条
３ 弾性体
３１ 弾性層
３２ 端壁部
３３ ゴム含浸層
４ 流路
Ａ 流路形成領域

Claims (2)

1. 膜電極複合体（１）とその厚さ方向両側のセパレータ（２）との間に形成された流路（４）を密封する構造であって、各セパレータ（２）の間に前記流路（４）の形成領域（Ａ）を取り囲むように配置された弾性体（３）が前記膜電極複合体（１）に装着され、前記各セパレータ（２）が金属板からなるものであって、このセパレータ（２）に、前記流路（４）の形成領域（Ａ）を取り囲むように延びて前記弾性体（３）に圧接される突条（２２ａ）が前記金属板のプレス成形により屈曲形成され、この突条（２２ａ）が、前記弾性体（３）の両側で互いに異なる位置に形成されたことを特徴とする燃料電池セルの密封構造。
2. 弾性体（３）が、膜電極複合体（１）の外周面に接合されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルの密封構造。

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