JP6579308B2 - 燃料電池スタックのシール構造 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池スタックのシール構造に関し、より詳しくは、隣り合うセルの間のシールを維持するシール構造に関する。

従来、複数のセルを積層して構成された燃料電池スタックは公知である（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
図３〜図４に示すように、従来の一般的な燃料電池スタック１は、アノード側ターミナル電極２及びカソード側ターミナル電極３と、それらの間に積層状態で設けられる多数のセル４とを備えている。各セル４は、金属板からなる一対のセパレータ５Ａ、５Ｂと、それらの間に挟持される図示しない電解質膜、空気極及び燃料極を備えている。また、各セル４のセパレータ５Ａ、５Ｂの間には、所要箇所に絶縁用ゴム６が設けられている。そして、隣り合うセル４、４における隣り合うセパレータ５Ａと５Ｂとの間には、それらの輪郭に沿って無端状をしたゴムのシール材７が設けられている。
そして、図示しない複数の締結ボルトとそれらに螺合されるナットとにより両ターミナル電極２、３と全てのセル４が締結されると、ゴムからなる各シール部材７の弾性によって隣り合うセル４、４の隣り合うセパレータ５Ａ、５Ｂ間のシールが維持されるようになっている（図４参照）。このように、従来の燃料電池スタック１においては、隣り合うセル４、４の隣り合うセパレータ５Ａ、５Ｂの間にゴムのシール部材７が配置されることにより、各セル４の内方側で流通する流体（水素、空気及び水）がセル４の外部へ漏れないようになっている。

特開２００８−２１０７０７号公報 特開２００９−１４０７５５号公報

ところで、図４に示した従来のシール構造においては次のような問題があった。すなわち、前述したように、燃料電池スタック１は多数のセル４を積層して構成されているので、全体としては数百枚のセパレータ５Ａ、５Ｂを複数の締結ボルトとナットで締結する必要がある。そのため、従来では、締結ボルトの軸力が弱くなるために、上記シール部材７として十分な厚さと比較的高い寸法精度が要求されるという問題があった。一例として従来品のシール部材７は、厚さｔが１００μm±１０μmのものが用いられている。
しかも、従来では、ゴムを所定厚さでインジェクション成形することでシール部材７を製造すると同時に該シール部材７をセパレータ５Ａ又は５Ｂの一面に貼り付けていたものである。因みに、従来では、上記ゴムのインジェクション成形・貼り付け作業に約３０分を要していた。そのため、従来の燃料電池スタック１のシール構造は、生産性が悪いという問題があった。

上述した事情に鑑み、本発明は、一対のアノード側ターミナル電極及びカソード側ターミナル電極と、それらの間に積層状態で設けられる複数のセルと、隣り合うセルの間のシールを維持するシール部材とを備え、上記セルは、板状をした一対のセパレータと、それらの間に挟持される電解質膜、空気極及び燃料極とを備え、
上記両ターミナル電極及び複数のセルが締結ボルトによって締結された際に、上記シール部材によって隣り合うセルの間のシールを維持するようにした燃料電池スタックにおいて、
各セルにおける一方のセパレータに該セパレータの輪郭に沿った無端状の溝を設けて、この溝内にシール部材を充填するとともに、各セルにおける他方のセパレータに、上記溝とシール部材の位置に合わせて、隣接するセルに向けて膨出するフルビードを形成し、
締結ボルトにより両ターミナル電極と複数のセルが締結された際に、隣り合う一方のセルにおけるセパレータのフルビードが、他方のセルにおけるセパレータのシール部材に密着するようになっており、
また、上記溝の裏面とフルビードとの間には絶縁用ゴムが設けられていることを特徴とするものである。

このような構成によれば、フルビードがシール部材に密着することで、シールを確実に維持することができる。また、従来品と比較してシール部材の厚さを薄くすることが可能となり、それにより製造時におけるシール部材の厚さの管理が容易となる。したがって、生産性とシール性が良好な燃料電池スタックのシール構造を提供することができる。

本発明の一実施例を示す斜視図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部の断面図であり、図２（ａ）は締結ボルトによりセルが締結される前の状態を示し、図２（ｂ）は締結ボルトによりセルが締結された後の状態を示している。 従来技術を示す斜視図。 図３のＩＶ―ＩＶ線に沿う要部の断面図。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１ないし図２において、燃料電池スタック１は図３に示した従来技術と同様の基本構成を備えている。すなわち、本実施例の燃料電池スタック１は、一対のアノード側ターミナル電極２及びカソード側ターミナル電極３と、それらの間に積層状態で設けられる多数のセル４、４とを備えている。各セル４は、長方形をしたチタンの薄板からなる一対のセパレータ５Ａ、５Ｂと、それらの間に挟持される図示しない電解質膜、空気極及び燃料極を備えている。また、一対のセパレータ５Ａ、５Ｂの間の所要箇所に絶縁用ゴム６が設けられている。そして、上記両ターミナル電極２，３及び多数のセル４は、図示しない４本の締結ボルトとそれらの先端に螺合されるナットによって一体に締結されるようになっている。

しかして、本実施例は、図２（ａ）、（ｂ）に示したシール構造により、隣り合うセル４、４の間のシールを維持するようになっている。より詳細には、セル４の一方のセパレータ５Ａには、その輪郭に沿って無端状の溝５Ａａが形成されており、この無端状の溝５Ａａ内にスクリーン印刷によりゴムからなるシール部材７が充填されている。つまり、シール部材７もセパレータ５Ａの輪郭に沿って無端状に設けられている。溝５Ａａの深さｄは５０μｍに設定してあり、シール部材７の厚さｔは５０μｍ±８μｍとなっている。なお、ゴム塗料からなるシール部材７をセパレータ５Ａの溝５Ａａにスクリーン印刷で充填する際の所要時間は８秒程度である。図２に示すように、溝５Ａａ内のシール部材７の表面は、その隣接位置となるセパレータ５Ａの表面と同一平面となっている。
また、セル４の他方のセパレータ５Ｂには、上記溝５Ａａ及びシール部材７の位置に対応させて、かつ、隣のセル４のシール部材７に向けて膨出するフルビード５Ｂａが形成されている。このフルビード５Ｂａも、セパレータ５Ｂの輪郭に沿って無端状に形成されており、フルビード５Ｂａの断面は半円形となっている。フルビード５Ｂａの最大膨出量ｈは約５０μｍに設定されており、フルビード５Ｂａの基部の幅は、溝５Ａａの底部の幅と実質的に同じ寸法となっている。さらに、溝５Ａａの裏面と半円形のフルビード５Ｂａとの間にも絶縁用ゴム６が設けられている。
以上の構成により、各セル４の内方側に配置された図示しない電解質膜、空気極及び燃料極は、無端状のシール部材７とフルビード５Ｂａによって囲繞されている。

そして、上記両ターミナル電極２，３及び全てのセル４が図示しない複数の締結ボルトとナットによって一体に締結されると、一方のセル４におけるセパレータ５Ｂのフルビード５Ｂａが、隣接位置のセル４のセパレータ５Ａのシール部材７に密着するようになっている（図２（ｂ）参照）。
ここで、フルビード５Ｂａはチタンの薄板からなり半円形に膨出しているので、それ自体で弾性を備えている。また、溝５Ａａ内のシール部材７はゴムからなり、弾性を備えている。そのため、フルビード５Ｂａの頂部がシール部材７に強く密着して、その部分のシールが確実に維持されるようになっている。つまり、隣り合うセル４、４の間のシールが確実に維持されるので、セル４の内方側を流通する流体（水素、酸素、水）がセル４の外部に漏れるのを確実に阻止することができる。
また、本実施例においては、溝５Ａａ内に充填されるシール部材７の厚さは、前述した従来品のシール部材の厚さの半分となっている。そのため、本実施例においては、粘度の低いゴム塗料を用いることができ、それを溝５Ａａに充填してシール部材７とすることができる。そして、このように粘度が低いゴム塗料を用いることができるので、シール部材７の表面が平滑となり、シール部材７の厚さの精度を向上させることができる。このように、本実施例によれば、従来と比較してシール部材７の厚さを薄くすることが可能となり、それにより製造時におけるシール部材７の厚さの管理が容易となる。したがって、本実施例によれば、生産性とシール性が良好な燃料電子スタック１のシール構造を提供することができる。

なお、上記実施例においては、フルビード５Ｂａの断面は半円形となっているが、フルビード５Ｂａの断面は上記溝５Ａａと同様に台形状であっても良い。また、上記溝５Ａａの断面形状は台形状となっているが、フルビード５Ａａと同様に半円形であっても良い。

１‥燃料電池スタック ２‥アノード側ターミナル電極
３‥カソード側ターミナル電極 ４‥セル
５Ａ‥セパレータ ５Ａａ‥溝
５Ｂ‥セパレータ ５Ｂａ‥フルビード
７‥シール部材

Claims (4)

1. 一対のアノード側ターミナル電極及びカソード側ターミナル電極と、それらの間に積層状態で設けられる複数のセルと、隣り合うセルの間のシールを維持するシール部材とを備え、上記セルは、板状をした一対のセパレータと、それらの間に挟持される電解質膜、空気極及び燃料極とを備え、
   上記両ターミナル電極及び複数のセルが締結ボルトによって締結された際に、上記シール部材によって隣り合うセルの間のシールを維持するようにした燃料電池スタックにおいて、
   各セルにおける一方のセパレータに該セパレータの輪郭に沿った無端状の溝を設けて、この溝内にシール部材を充填するとともに、各セルにおける他方のセパレータに、上記溝とシール部材の位置に合わせて、隣接するセルに向けて膨出するフルビードを形成し、
   締結ボルトにより両ターミナル電極と複数のセルが締結された際に、隣り合う一方のセルにおけるセパレータのフルビードが、他方のセルにおけるセパレータのシール部材に密着するようになっており、
   また、上記溝の裏面とフルビードとの間には絶縁用ゴムが設けら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. 上記溝は断面が台形状となっており、該溝内にシール部材が充填されており、上記フルビードは断面が半円形となっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックのシール構造。
3. 上記シール部材はゴムからなり、スクリーン印刷によって上記溝に充填されており、上記シール部材の表面は、その隣接位置のセパレータの表面と同一平面となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタックのシール構造。
4. 上記溝の深さ及び上記シール部材の厚さは５０μｍに設定されており、上記フルビードの膨出量は５０μｍに設定されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタックのシール構造。

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