JP2012164588A - 燃料電池セパレータのシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】一体化された燃料電池セパレータのシール部材、及び該シール部材の修理方法を提供する。
【解決手段】燃料電池セパレータ１１において、セパレータ１１と一体に形成される第１のシール部材と、セパレータとは別体からなり第１のシール部材に沿って配置される第２のシール部材とを備え、第１のシール部材に形成された欠損部６と、第２のシール部材に備えられた突起部９を勘合する。また、第１のシール部材の修理方法として、第１のシール部材の一部を除去して欠損部６を形成する工程と、第２のシール部材を第１のシール部材に沿って配置する工程と、突起部９を欠損部６に嵌めこむ嵌合工程とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、シール技術に係り、燃料電池用セパレータに用いられる。

固体高分子型燃料電池は、イオン透過性の電解質膜の両面に電極層およびガス拡散層が積層された膜電極接合体を有し、この膜電極接合体をガス流路層とセパレータで挟持した単セルを複数組み合わせて燃料電池スタックを形成している。電極層は電解質膜の一方の面にアノード電極層が配接され、燃料ガスとして水素ガス等が提供される。他方の面にはカソード電極層が配接され、酸化剤ガスとして酸素や空気が提供される。各電極では固有のガス流路層にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応が行われる。

各セルに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料電池スタック内のマニホールドを経由して各々のセルへ供給されるため、マニホールド孔周囲にはシール部材を配置して燃料ガス及び酸化剤ガス、冷媒等をシールする。このシール部材は樹脂材料から構成されるが、燃料電池内の熱や水蒸気、生成水中の酸、冷媒等と直接接するために、使用に伴い熱劣化、酸劣化等が進行する。また樹脂材料は水素透過性を有するためセル内を流動する水素ガスに曝されることによっても劣化が進行する。シール部材の劣化が進行した場合にはシール性が低下し、これにより燃料電池性能の低下も引き起こすため、劣化箇所を修理若しくは交換する必要性が生じる。

ところで、燃料電池用セパレータのシール部材には、シール部材単体からなるものとセパレータと一体化されるものの二種類がある。単体のシール部材を用いた場合には、取扱い性が良好である反面、スタック積層時にシール部材とセパレータとの間にずれが生じやすく、シール性が低下する虞がある。一方でセパレータと一体化されたシール部材を用いた場合には、セパレータとシール部材との間のずれは生じにくく、高い気密性、シール性が確保できる。燃料電池は複数の流体が内部を流動し高い気密性が必要となるため、別体で構成されたガスケットよりもセパレータ一体型のシール部材を用いることが好ましい。

特開２０１０-１１２４０１

しかしながら、セパレータ一体型のシール部材は、劣化により修理の必要性が生じた場合に、劣化部分のシール材だけを選択して修理若しくは交換することが困難であり、セルごと取り替える必要がある。これまでにセパレータと一体化されたシール部材に対して、部分的な修理を可能とするシール部材や修理方法について開示した例はなく、セルごと修理・交換することが一般的である。また、スタックから単体のセルを取り出す場合、当該セルと隣接セルのシール材とが接触するために、隣接セルのシール材をも破損するおそれがあるため、スタックごと取り替えなければならない場合も生じる。そのため、セパレータ一体型のシール部材を効率的に修理可能とする部材及びその修理方法の確立が望まれている。

なお、単体のシール材に関しては、特許文献１に、シール材に樹脂若しくは金属製の芯材を設け、歩留り性、取扱い性を向上させる例が開示されている。しかし、別体からなるシール部材は位置決めが難しく、シールラインとずれた状態で配置されるおそれがある。ずれが生じた状態でスタックが形成された場合、積層時の荷重により剪断力が発生し、シール材にねじれ、ずれが生じ、セルスタックに撓みが生じ、シール性の低下、燃料電池の発電性能低下、セルスタックの劣化を引き起こす。さらに、樹脂性若しくは金属製の芯材を要するため、部品点数及びコストが増加するという問題が生じる。

そこで、本発明は上記課題に鑑みて発明されたものであり、一体的に形成された燃料電池セパレータのシール部材、及び該シール部材の修理方法を提供することを目的とする。

燃料電池用セパレータであって、セパレータと一体に形成される第１のシール部材と、セパレータとは別体からなり第１のシール部材に沿って配置される第２のシール部材とを備え、第１のシール部材は欠損部を、第２のシール部材は前記欠損部に応じた形状の突起部を有し、前記欠損部と前記突起部は嵌合されることを特徴とする。

上記構成の燃料電池用セパレータによれば、セパレータ一体型の第１のシール部材に形成された欠損部に、第２のシール部材の突起部を嵌合することで第２のシール部材の位置決めを容易に可能とする。つまり、別体から構成された第２のシール部材を用いて、シール性を損なうことなく、セパレータ上に配置、位置決めすることが出来る。これにより、セパレータ一体型の第１のシール部材に不具合が生じた場合においても、第１のシール部材を有効利用しながら別体からなる第２のシール部材を用いて、シール性を向上させることが可能となる。また、芯材を備えることなく、燃料電池の小型化、コスト削減効果も期待できる。

上記構成の燃料電池用セパレータにおいて、嵌合部はセパレータの縁部側に設けられること、また突起部の弾性率は第１のシール部材の弾性率より相対的に大きいことが好ましい。

上記構成のシール部材によれば、嵌合部をセパレータ縁部側に形成することにより、第１のシール部材と隣接するセパレータ構成部品と第２のシール部材の突起部とが干渉することがないため、他のセパレータ構成部品へ影響を及ぼすことなく、目的とする箇所のみを確実にシールすることが出来る。

また、突起部の弾性率を第１のシール部材の弾性率より大きくすることで、第１のシール部材が突起部の形状に合わせて弾性変形するため、位置決め時にシール材のずれが生じることを防ぐことが出来る。これにより第２のシール部材が嵌合部にて第１のシール部材と固定され、ずれを生じることなく高い気密性を保持できるため、シール性が向上する。

燃料電池セパレータ用のシール部材修理方法としては、セパレーターと一体化された第１のシール部材の一部を除去して欠損部を形成する工程と、セパレータとは別体からなり、突起部を有する第２のシール部材を第１のシール部材に沿って配置する工程と、前記突起部を前記欠損部に嵌めこむ嵌合工程とを備えることを特徴とする。

上記構成のシール部材の修理方法によれば、セパレータと一体化された第１のシール部材を有効利用することが出来、セパレータ毎交換する必要がなく、コスト削減が可能である。また、セパレータと一体化された第１のシール部材を軸として、第１のシール部材に沿うように別体の第２のシール部材を配置するため、ずれを生じることなく正確に位置決めできる。

また、上記構成のシール部材の修理方法において、欠損部を形成する工程は、第１のシール部材において、セパレータの縁部側に複数の欠損部を形成する工程であること、欠損部は突起部の断面幅よりわずかに小さい幅に形成することが好ましい。

上記構成のシール部材によれば、嵌合部をセパレータの縁部側に形成することにより、第１のシール部材と隣接するセパレータ構成部品と第２のシール部材の突起部とが干渉することがないため、他のセパレータ構成部品へ影響を及ぼすことなく、目的とする箇所のみを確実にシールすることが出来る。また、突起部の断面幅より欠損部の幅をわずかに小さくすることで、嵌合工程において第２のシール部材を嵌め込む際に、欠損部における第１のシール部材が第２のシール部材の形状に併せて変形し、第１及び第２のシール部材がより強固に連結するため、第２のシール部材がシール部位からずれることなく確実にシールすることが可能である。

また、突起部の弾性率が、第１のシール部材の弾性率より相対的に大きい第２のシール部材を用いることが好ましい。

上記構成のシール部材の修理方法によれば、突起部の弾性率を第１のシール部材の弾性率より大きくすることにより、嵌合工程において突起部を欠損部に嵌め込む際に、突起部は変形せず、欠損部が突起部の形状に合わせて弾性変形するため、第２のシール部材にずれ、よじれが生じることを抑制できる。これにより第２のシール部材が嵌合部にて第１のシール部材と固定され、ずれが生じることなく高い気密性を保持できるため、シール性が向上する。

本発明によれば、燃料電池セパレータ用シール部材の位置決め性、歩み留まり性を向上すると共に、セパレータと一体化されたシール部材の修理を容易に行うことが出来、これにより長寿命化、発電性能を向上させた燃料電池を提供できる。

本発明の実施の形態における燃料電池スタックを示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セルの平面図である。 図３における破線部の拡大図及び断面図である シール部材の修理方法を示した図である。 本発明の実施の形態におけるシール部材の修理工程を示したフロー図である。 第２実施形態におけるシール部材を示した図である。 第２実施形態におけるシール部材の修理方法を示した図である。

以下、本発明の実施形態について、図１から図３に基づいて説明する。図１は燃料電池スタック１を示し、図２は燃料電池セル２（以下、セル２と称す）を示す。図３（ａ）は図２の破線部を拡大した図であり、図３（ｂ）、（ｃ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図、図３（ｄ）は図３（ｂ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。図１に示すように、燃料電池スタック１は、セル２を基本単位として複数積層することでスタックを形成する。積層されたセル２は、電気的に直列に接続されている。各セル２による発電で得られた電流が、積層されたセル２の両端部に設けられた集電板３０に集電され、電気負荷や２次電池等の電力機器に供給される。なお、本実施形態では、セル２を複数積層したスタック構造としているが、セル１個を備えるものとしてもよい。

セル２は外周端部に燃料ガスマニホールド１８、酸化剤ガスマニホールド２０、冷却水マニホールド２２を備える。これらのマニホールドは、セル２の積層方向に貫通するように設けられており、単セル２が複数積層されて燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の流路が各々形成される。セル２において、燃料ガスマニホールド１８、酸化剤ガスマニホールド２０、冷却水マニホールド２２の各マニホールド周囲、及びセル２の縁部にはセパレータ一体型シール部材５（以下、一体型シール部材５と称す）が設けられており、マニホールド間、及びセル間をシールして燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の流路を区画する。尚、本発明の特許請求の範囲に規定した第１のシール部材は、一体型シール部材５に該当する。

次に、図３を用いて、図２の破線部におけるシール部材を説明する。図３（ａ）に示すように、セパレータ１１上であって、マニホールド１８の周囲には、一体型シール部材５が設けられる。一体型シール部材５は四角形の環状形状からなり、セパレータ１１と一体的に構成され、各辺に欠損部６を有する。欠損部６は、一体型シール部材５の一部分に凹み形状が設けられた構造を指し、一体型シール部材５の一部分を切除若しくは削ることで形成される。一体型シール部材５は、一般的に燃料電池セパレータに用いられるシール部材、例えばシリコーン、ＦＫＭ、ＥＰＤＭなどから形成される。本実施の形態においては、燃料ガスマニホールド１８の形状に対応させるために一体型シール部材５の形状を正方形としたが、これに限られるものではなく、燃料ガスマニホールド１８の形状に応じて適宜選択可能である。

一体型シール部材５の内周かつマニホールド１８の周囲には、一体型シール部材５に沿って別体シール部材３が配置される。別体シール部材３は四角形の環状シール部７と突起部９を備え、突起部９は環状シール部材７の各辺から水平方向外側へ突出する。別体シール部材３はセパレータとは一体化されず、突起部９を一体型シール部材５の欠損部６と勘合して勘合部４を形成する。環状シール部７の一辺の長さＬ２は一体型シール部材５の一辺の長さＬ１より小さく（Ｌ２＜Ｌ１）形成される。一体型シール部材５と同様に、別体シール部材３はシリコーン、ＦＫＭ、ＥＰＤＭなどの樹脂、弾性部材から構成されるが、突起部９の弾性率は環状シール部７の弾性率より大きく形成される。例えば、ＪＩＳ Ｋ ６２５３に基づき、デュロメータタイプＡ硬度計で測定された硬度が６０の環状シール部７と、硬度８０の突起部９を用いることが可能である。尚、本発明の特許請求の範囲に規定した第２のシール部材は、別体シール部材３に該当する。

図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ‘断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。また、図３（ｄ）は図３（ｂ）におけるＣ−Ｃ’断面図であり、一体型シール部材５側から見た状態を示した図である。

図３（ｂ）に示すように、セパレータ１１は溝部２４を有し、該溝部２４に一体型シール部材５及び別体シール部材３が配置される。一体型シール部材５は溝部２４の中央付近にてセパレータと一体化されており、別体シール部材３は一体型シール部材５の内周に沿って配置される。図３（ｃ）に示すように、Ｂ−Ｂ’断面においては一体型シール部材５は上部が一部剥離され、隣接して配置された別体シール部材３の突起部９がシール部材５の上面に配置される。図３（ｄ）に示すように、Ｃ−Ｃ’断面おいては一体型シール部材５の中央部に欠損部６が形成され、欠損部６には別体シール部材３の突起部９が嵌合され勘合部４を形成する。本実施形態では、別体シール部材３の突起部９における断面を四角形としたが、一体型シール部材５の欠損部６に対応する形状を備えればよく適宜選択可能である。

続いて、図４、図５を用いて一体型シール部材５の修理を可能とする修理部材及び修理方法を説明する。図４（ａ）は一体型シール部材５に欠損部６を形成した状態を示す図である。図４（ｂ）は別体シール部材３を示し、図４（ｃ）は一体型シール部材５に別体シール部材３の突起部９を嵌合させた状態を示す図である。図５はシール部材の修理工程を示したフロー図である。

本実施の形態におけるシール部材の修理方法は、欠損部形成工程（Ｓ１０１）、シール部材配置工程（Ｓ１０２）、嵌合工程（Ｓ１０３）から構成される。まず、Ｓ１０１にて、一体型シール部材５の各辺中央部に欠損部６を形成する。欠損部６の形成方法としては、例えば、カッターなどの鋭利な器具を用いて各辺中央部に二箇所ずつ切れ込みを入れ、二箇所の切れ込みの間を削る若しくは剥離する。欠損部６は、凹字形状であって、欠損部６の幅Ｄ１は突起部９の断面幅よりわずかに小さく形成される。突起部９の断面幅とは図４（ｂ）における幅Ｄ２に相当し、突起部９を延伸方向と垂直な面で切断した際の断面においてセパレータに対して水平方向の幅を指す。尚、欠損部６は二箇所の切れ込みの間において、一体型シール部材５を全て剥離して凹凸を形成してもよく、また一体型シール部材５の上層部のみを剥離し、下層部を保持した状態で凹凸を形成しても良い。

続いて、Ｓ１０２に進み、別体シール部材３を一体型シール部材５内部に配置する。具体的には、セパレータ１１に設けられた溝部２４上であって一体型シール部材５の内周部かつ燃料ガスマニホールド１８の外周部に別体シール部材３を配置する。この時、別体シール部材３の突起部９と欠損部６が対応する位置に、別体シール部材３を一体型シール部材５に沿わせて配置する。

さらに、Ｓ１０３では一体型シール部材５の欠損部６に隣接配置された別体シール部材３の突起部９を嵌め込み勘合部４を形成する。この時、突起部９の弾性率は一体型シール部材５の弾性率より大きいため、突起部９の形状にあわせて一体型シール部材５が弾性変形しながら嵌め合わされる。

以上、本実施の形態によるシール部材及びシール部材の修理方法によれば、セパレータ１１と一体化された一体型シール部材５を基軸として別体シール部材３を配置し、さらに突起部９を欠損部６に嵌合することで位置決めを行うため、ずれが生じることなく正確に配置できる。また、セパレータ１１と一体化された一体型シール部材５を有効利用し、別体シール部材３を配置するだけで修理を可能とするため、セル毎交換する必要がない。これにより修理工程の簡素化、コスト削減効果が得られる。

続いて、第２の実施形態について、図６、図７に基づいて説明する。図６は、図３と同様に図２の破線部を取り出して示した図である。第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

第２実施形態では、一体型シール部材５において、セパレータ１１の縁部側に三箇所の欠損部１６を備える。欠損部１６は、一体型シール部材５の内周側と外周側で異なる幅に形成される。好ましくは、外周側の幅Ｄ３が内周側の幅Ｄ４より大きく形成される。尚、セパレータ１１の縁部側とは、セパレータ１１上であって外周に近い端部領域のことを指すものとする。

別体シール部材１３は、環状シール部７と突起部１９を備え、突起部１９は環状シール部７においてセパレータ１１の縁部側に三箇所設けられる。突起部１９の平面形状は台形形状であり、平行な二辺が環状シール部７と平行になるよう、かつ短辺が環状シール部７と隣接するように配置される。これにより、環状シール部７から水平方向外側へ突出する二辺に異なる角度へ広がりを持たせることが出来る。本実施の形態では突起部１９を台形形状として例示したが、突起部１９が任意の幅を有し、突起部１９の先端部幅Ｄ５と他端部幅（環状シール部７と接する部位での幅）Ｄ６とが異なればよく、具体的形状は適宜選択可能である。なお、先端部幅Ｄ５が他端部幅Ｄ６より大きく形成されることが好ましい。

また、突起部１９は環状シール部７から水平方向外側へ突出し、先端に鍵曲がり部１５を供える。鍵曲がり部１５は、突起部１９を挟んでシール部７とは反対側に、突起部１９からセパレータ１１に向かって屈折して設けられる。これにより図６（ｂ）に示すように、欠損部１６と突起部１９が嵌めあわされた嵌合部１４においては、別体シール部材１３のシール部７、突起部１９、鍵曲がり部１５によって一体型シール部材５が覆われた構造が形成される。

本実施の形態におけるシール部材の修理方法は第１の実施形態と同様に欠損部形成工程（Ｓ１０１）、シール部材配置工程（Ｓ１０２）、嵌合工程（Ｓ１０３）から構成される。欠損部形成工程（Ｓ１０１）では、一体型シール部材５において三箇所の欠損部１６が形成されるが、一体型シール部材５の内周側と外周側とで欠損部１６の幅が異なる様に形成される。好ましくは、外周側の幅Ｄ３が内周側の幅Ｄ４より大きく形成される。

シール部材配置工程（Ｓ１０２）では、一体型シール部材５の内部であって欠損部１６と突起部１９とが各々対応する位置に別体シール部材１３を配置し、嵌合工程（Ｓ１０３）では欠損部１６に突起部１９を各々嵌め込み勘合部１４を形成する。このとき、別体シール部材１３は環状シール部７と突起部１９の先端に形成された鍵曲がり部１５との間に一体型シール部材５を挟むように嵌め合わされる。

以上、本実施の形態によるシール部材及びシール部材の修理方法によれば、突起部９の先端に形成された鍵曲がり部１５がストッパーの働きをするため、一体型シール部材５と別体シール部材１３がより強固に嵌合される。また、突起部１９及び欠損部１６の幅が先端部と他端部で異なるため、環状シール部７から水平方向外側へ向けて勘合部１４に広がりを持たせることが出来、多方向からの外力に対してもずれを抑制することが可能である。尚、本実施の形態では一つの勘合部内において環状シール部７から水平方向外側へ広がりを持たせた形状を示したが、一体型シール部材５と突起部１９の接合面が複数ヶ所存在し、各々の接合面が互いに異なる角度に形成されれば位置決め効果、ずれ抑制効果は生じ、異なる角度を付与した接合面を複数の勘合部間に有する形態でもよい。

また、突起部１９が幅を有することにより、別体シール部材１３を容易に把持することが可能となるため取扱い性が向上する。さらに、セパレータ１１の縁部側に突起部９と欠損部１６を形成し、両者を嵌合するため、一体型シール部材５と隣り合うその他のセル構成部品との干渉を防ぐことが出来る。これにより、ずれを生じさせることなく別体シール部材１３を配接、位置決めが可能となり、シール性の向上、燃料電池性能の向上を得ることが出来る。

１ 燃料電池スタック、２ 燃料電池セル、３ 別体シール部材、４ 勘合部、５ 一体型シール部材、６ 欠損部、７ 環状シール部、９ 突起部、１１ セパレ−タ、１３ 別体シール部材、１４ 勘合部、１５ 鍵曲がり部、１６ 欠損部、１８ 燃料ガスマニホールド、１９ 突起部、２０ 酸化剤ガスマニホールド、２２ 冷却水マニホールド、２４ 溝部、３０ 集電板

Claims (7)

1. 燃料電池用セパレータであって、
   セパレータと一体に形成される第１のシール部材と、
   セパレータとは別体からなり、第１のシール部材に沿って配置される第２のシール部材とを備え、
   第１のシール部材は欠損部を、
   第２のシール部材は前記欠損部に応じた形状の突起部を有し、
   前記欠損部と前記突起部は嵌合されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
   前記嵌合部はセパレータの縁部側に設けられることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１若しくは２に記載の燃料電池用セパレータにおいて、
   前記突起部の弾性率は前記第１のシール部材の弾性率より相対的に大きいことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 燃料電池セパレータ用のシール部材を修理する方法であって、
   セパレータと一体化された第１のシール部材の一部を除去して欠損部を形成する工程と、
   セパレータとは別体からなり、突起部を有する第２のシール部材を前記第１のシール部材に沿って配置する工程と、
   前記突起部を前記欠損部に嵌めこむ嵌合工程とを備えることを特徴とする燃料電池セパレータ用のシール部材修理方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池セパレータ用のシール部材修理方法において、
   前記欠損部を形成する工程は、
   第１のシール部材において、セパレータの縁部側に前記欠損部を形成する工程であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用のシール部材修理方法。
6. 請求項４若しくは請求項５に記載の燃料電池セパレータ用のシール部材修理方法において、
   前記欠損部を形成する工程は、
   前記突起部の断面幅より相対的に小さい幅に欠損部を形成することを特徴とする燃料電池セパレータ用のシール部材修理方法。
7. 請求項４から請求項６のいずれかに記載の燃料電池セパレータ用のシール部材修理方法において、
   前記突起部の弾性率が、第１のシール部材の弾性率より相対的に大きい第２のシール部材を用いることを特徴とする燃料電池セパレータ用のシール部材修理方法。