(57)【要約】【課題】電池スタックに組み込まれるプレートの変形を防止することでシール性能を向上させた燃料電池用プレートのシール構造を提供する。【解決手段】第１電池プレート１は、膜電極接合体２のアノード電極２ａに対向する面側に燃料ガスを流通するガス流路１ａが設けられ、その反対側の面に冷却水を流通する水流路１ｂが設けられると共に、外周部に凸条シール部１４が設けられ、且つ要部にリブ１１、１２と小突起１３が設けられる。第２電池プレート３は、膜電極接合体２のカソード電極２ｂに対向する面側に酸化剤ガスを流通するガス流路３ａが設けられ、外周部には前記凸条シール部１４とほぼ同形状パターンの凸条シール部１７が設けられる。更に、絶縁板５は、第２電池プレート３の平坦面３ｂに対向する面側に前記凸条シール部１７と同形状パターンの凸条シール部１８が設けられる。締付板６は、絶縁板５の平坦面５ａに対向する面側に凸条シール部１７と同形状の凸条シール部１９が設けられる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置していることを特徴とする燃料電池用プレートのシール構造。
【請求項２】
２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池用プレートのシール構造。
【請求項３】
２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び／又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び／又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置していることを特徴とする燃料電池用プレートのシール構造。
【請求項４】
２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び／又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び／又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池用プレートのシール構造。
【請求項５】
前記凸条シール部は、その凸条が形成されるシート状材料のほぼ中央に位置して設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項記載の燃料電池用プレートのシール構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用プレートのシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合して膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成し、この膜電極接合体の両側から反応ガスの流路を設けた電池プレートで挟持してセル（単位セルユニット）を構成し、このセルを複数積層し、両端部に絶縁板及び締付板を当てがってロッド等により締め付け一体化することにより電池スタックを構成する。そして、アノード側に対向する電池プレートの流路に燃料ガスを流通させると共に、カソード側に対向する電池プレートの流路に酸化剤ガスを流通させ、前記固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることで直流電力を発電する。
【０００３】
前記電池プレートには、外周部に供給孔及び排出孔が設けられており、これら供給孔及び排出孔は電池スタックの積層方向に連通している。電池スタックに供給される反応ガスは、供給孔を通って各電池プレートに分配され、分配された反応ガスは各電池プレートにおいて供給孔から流路に流れ込み、流路を流通した後に余剰の反応ガスは排出孔に排出され、この排出孔を通って電池スタック外部に排出される。
【０００４】
このようにして、電池プレートの流路に反応ガスを流通させて反応させるが、その際反応ガスがリークしないように電池プレートの外周部に例えば加硫ゴムのパッキンを接着してシールしている。このパッキンは通常電池プレートの外周部の内縁に形成された外枠部と、供給孔、排出孔及び流路の存在する発電部（前記電極面が流路面に対向）を囲む内枠部と、各電池プレートの役割以外の供給孔及び排出孔の周囲を囲む仕切部とから構成され、これらはいずれも凸条にパターン形成されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２９４２５４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電池スタックに組み込まれる電池プレートのうち、例えば片面に反応ガス流路が設けられ、他面に冷却水流路が設けられたものがある。このような電池プレートが組み込まれている電池スタックにおいては、反応ガスの供給孔及び排出孔の他に冷却水を供給するための供給孔及び排出孔が設けられて電池スタックの積層方向に連通するように構成される。冷却水を供給するのは電池スタックでの発電反応（電気化学反応）が発熱反応であるためであり、冷却水を流通させて冷却することにより電池スタックを適正な運転温度に保持する必要がある。
【０００７】
冷却水流路が設けられた電池プレートにあっては、冷却水流路の設けられた面側にも、外周部にパッキンを接着してシールし冷却水の漏れ防止を図っているが、冷却水の供給孔及び排出孔の位置は反応ガスの供給孔及び排出孔の位置とは異なるため、電池プレートの表裏面でパッキンのシール用凸条の位置が互いにずれてしまう。
【０００８】
このような電池プレートを含む電池スタックを前記ロッド等で締め付け一体化すると、電池プレートの表裏面で位置ずれが生じているシール用凸条によって締付圧力に差異が生じ、凸条に対向している部分が押されて変形することがある。加硫ゴムによるパッキンの凸条はある程度の弾性を有するため押し潰されて締付圧力を吸収するが、特に薄い電池プレートを使用した場合には変形の影響を受け易く、シールが破壊されることがある。
【０００９】
本発明は、このような従来技術における問題を解消するためになされ、薄い電池プレートであってもパッキンのシール用凸条によって変形が生じないようにした燃料電池用プレートのシール構造を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置していることを特徴とする。
【００１１】
又、本発明の請求項２は、２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の請求項３は、２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び／又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び／又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置していることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４は、２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び／又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び／又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項５は、請求項１乃至請求項４いずれか１項記載の燃料電池用プレートのシール構造において、前記凸条シール部は、その凸条が形成されるシート状材料のほぼ中央に位置して設けられていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池用プレートのシール構造の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、電池スタックの構成部材を分解して示す斜視図である。この場合、例として２セル構造のものを示しており、右上の列は左下列プレートのそれぞれ裏面側を表示（分かりやすくするために透視して実線で表示）してある。
【００１６】
図１において、１は片面に燃料ガスを流通するためのガス流路１ａが直線状に並設され、他面に冷却水を流通させるための水流路１ｂが直線状に並設された第１電池プレートであり、四隅部には燃料ガスの供給孔Ｇ１と排出孔Ｇ２及び冷却水の供給孔Ｗ１と排出孔Ｗ２がそれぞれ設けられている。この第１電池プレート１は、ガス流路１ａ面が膜電極接合体２のアノード電極２ａ側に対向するように配置される。１′は片面に燃料ガスを流通するためのガス流路１ａが直線状に並設され、他面は流路が設けられていない平坦面１ｃに形成された第３電池プレートであり、四隅部には燃料ガスの供給孔Ｇ１と排出孔Ｇ２及び冷却水の供給孔Ｗ１と排出孔Ｗ２がそれぞれ設けられている。この第３電池プレート１′は、ガス流路１ａ面が膜電極接合体２のアノード電極２ａ側に対向するように配置される。
【００１７】
３は片面に酸化剤ガスを流通するためのガス流路３ａが直線状に並設され、他面は流路が設けられていない平坦面３ｂに形成された第２電池プレートであり、四隅部には上記第１電池プレート１、第３電池プレート１′に対応させて燃料ガスの供給孔Ｇ１と排出孔Ｇ２及び冷却水の供給孔Ｗ１と排出孔Ｗ２がそれぞれ設けられている。この第２電池プレート３は、ガス流路３ａ面が膜電極接合体２のカソード電極２ｂ側に対向するように配置される。
【００１８】
上記第１電池プレート１と第２電池プレート３とで膜電極接合体２を挟持することで単セル４が構成され、第３電池プレート１′と第２電池プレート３とで膜電極接合体２を挟持することで他の単セル４′が構成される。図１の場合は２セル構成であるから単セル４、４′が２つ隣接して配置される。電池スタックは、通常２セル以上積層されるのが一般的である。
【００１９】
５、５′は単セル４、４′の端部に配置される絶縁板であり、四隅部に上記第２電池プレート３、第３電池プレート１′に対応させて燃料ガスの供給孔Ｇ１と排出孔Ｇ２及び冷却水の供給孔Ｗ１と排出孔Ｗ２がそれぞれ設けられている。
【００２０】
６、６′は絶縁板５、５′の外側に配置される締付板であり、四隅部に上記絶縁板５、５′に対応させて燃料ガスの供給孔Ｇ１と排出孔Ｇ２及び冷却水の供給孔Ｗ１と排出孔Ｗ２がそれぞれ設けられている。
【００２１】
これらの構成部材を図１に示すような配置状態で積層し、図示を省略したロッド等で締付一体化することにより２セルの電池スタックを構成することができる。
【００２２】
本実施形態においては、前記第１電池プレート１は図２（ａ）のようにガス流路１ａ側の面に前記燃料ガスの供給孔Ｇ１に連結する凹部状の供給用マニホールド１ｃが設けられてガス流路１ａの入口に連通しており、又前記燃料ガスの排出孔Ｇ２に連結する凹部状の排出用マニホールド１ｄが設けられてガス流路１ａの出口に連通している。更に、ガス流路１ａの入口にはノズル部材７、出口には薄い金属板８がそれぞれ第１電池プレート１面と同一面となるように取り付けられ、供給孔Ｇ１及び排出孔Ｇ２の近傍に薄い金属板９、１０がそれぞれ第１電池プレート１面と同一面となるように取り付けられている。
【００２３】
又、図２（ｂ）のように第１電池プレート１の水流路１ｂ側の面は、前記冷却水の供給孔Ｗ１に連結する凹部状の供給用マニホールド１ｅが設けられて水流路１ｂの入口に連通しており、又前記水の排出孔Ｗ２に連結する凹部状の排出用マニホールド１ｆが設けられて水流路１ｂの出口に連通している。更に、供給孔Ｗ１及び排出孔Ｗ２の近傍に複数のリブ１１、１２がそれぞれ設けられ、且つ排出用マニホールド１ｆには水流路１ｂの仕切り凸部に対応させて円形の小突起１３をそれぞれ設けてある。
【００２４】
図２（ｂ）において、１４は第１電池プレート１の水流路１ｂ面側の外周部に設けられた凸条シール部（太線で示す）であり、前記水の供給孔Ｗ１→供給用マニホールド１ｅ→水流路１ｂ→排出用マニホールド１ｆ→水の排出孔Ｗ２に至る冷却水の流通範囲を囲むと共に、この流通範囲とは無関係の前記燃料ガスの供給孔Ｇ１及び排出孔Ｇ２を囲むようにして設けられている。
【００２５】
前記第２電池プレート３は、図３（ａ）のように上部に凹部状の供給用マニホールド３ｃが設けられて前記各ガス流路３ａの入口に連通しており、下部には排出用流路３ｄが設けられて各ガス流路３ａの出口に連通し、ガス流路３ａの入口にはノズル部材１５、出口には薄い金属板１６がそれぞれ第２電池プレート３面と同一面となるように取り付けられている。
【００２６】
１７は第２電池プレート３のガス流路３ａ面側の外周部に設けられた凸条シール部であり、外部から供給される酸化剤ガス（この場合は空気）が流入する供給用マニホールド３ｃ→ガス流路３ａ→排出用流路３ｄに至る酸化剤ガスの流通範囲を囲むと共に、この流通範囲とは無関係の前記燃料ガスの供給孔Ｇ１と排出孔Ｇ２、及び水の供給孔Ｗ１と排出孔Ｗ２をそれぞれ囲むようにして設けられている。この凸条シール部１７の上縁部は複数の切り込み１７ａを設けて外部から供給用マニホールド３ｃ内に酸化剤ガスが流入できるようにしてあり、凸条シール部１７の下縁部は排出用流路３ｄから外部に酸化剤ガスが排出できるようにしてある。
【００２７】
第２電池プレート３の他面側は図３（ｂ）に示すように平坦面３ｂに形成されている。又、前記膜電極接合体２は図３（ａ）に示すようにガス流路３ａ面に密着して配置され、その外周部は上記凸条シール部１７によりシールされている。
【００２８】
前記単セル４においては、膜電極接合体２を挟んで第１電池プレート１と第２電池プレート３とが接合されているが、第１電池プレート１の凸条シール部１４と第２電池プレート３の凸条シール部１７とは殆ど同じ形状のパターンが採用されている。従って、凸条シール部１４と凸条シール部１７とは電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置することとなる。これにより、第１電池プレート１と第２電池プレート３とが強い締め付け力で接合されても、プレートに変形が生じることはない。前記単セル４′においては、膜電極接合体２を挟んで第３電池プレート１′と第２電池プレート３とが接合されているが、第３電池プレート１′の平坦面１ｃ側には第２電池プレート３の凸条シール部１７と同一形状パターンの凸条シール部１４′が設けられている。従って、凸条シール部１４′と凸条シール部１７とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置することとなる。これにより、第３電池プレート１′と第２電池プレート３とが強い締め付け力で接合されても、プレートに変形が生じることはない。
【００２９】
又、第１電池プレート１の凸条シール部１４と第２電池プレート３の凸条シール部１７とで形状パターンが一部異なる箇所には、凸部即ち前記第１電池プレート１の水流路１ｂ面側に設けられたリブ１１、１２及び小突起１３（図２（ｂ）参照）が存在しているので、この第１電池プレート１のリブ１１、１２及び小突起１３に対応する第２電池プレート３の凸条シール部分によって第１電池プレート１のガス流路１ａ面側が強く押されても、その裏面側の水流路１ｂ面に変形が生じることはない。
【００３０】
一方、電池スタックの両端部に位置する第２電池プレート３と絶縁板５及び／又は締付板６の間、第３電池プレート１′と絶縁板５′及び／又は締付板６′の間のシール構造においても上記と同様の構成が採用されている。
【００３１】
図４は、前記絶縁板５の片面を示しており、その外周部に前記第２電池プレート３と同一形状パターンの凸条シール部１８が設けられている。この絶縁板５の四隅部に設けられた前記燃料ガスの供給孔Ｇ１と排出孔Ｇ２及び冷却水の供給孔Ｗ１と排出孔Ｗ２が凸条シール部１８により囲まれている。絶縁板５の他面側は図１に示すように平坦面５ａとなっている。尚、絶縁板５の片面には集電板２０が取り付けられ、外部端子接続用のタブ２０ａが側方に突出している。絶縁板５′も絶縁板５と同様の構成であるが、集電板は平坦面５ａ側に取り付けられている（図１）。
【００３２】
図５は、前記締付板６の片面を示しており、その外周部に上記絶縁板５と同一形状パターンの凸条シール部１９が設けられている。この締付板６の四隅部に設けられた前記燃料ガスの供給孔Ｇ１と排出孔Ｇ２及び冷却水の供給孔Ｗ１と排出孔Ｗ２が凸条シール部１９により囲まれている。この締付板６の他面側は図１に示すように平坦面６ａとなっている。
【００３３】
電池スタック内においては、図１のように前記第２電池プレート３の平坦面３ｂに、絶縁板５の凸条シール部１８が設けられている側の面を対向させて配置し、且つ絶縁板５の平坦面５ａに、締付板６の凸条シール部１９が設けられている側の面を対向させて配置して締め付けにより接合される。もう一方の絶縁板５′は第３電池プレート１′の凸条シール部１４′が設けられている面に平坦面５ａ側を対向させて配置し、もう一方の締付板６′は絶縁板５′の凸条シール部１８が設けられている面に平坦面６ａ側を対向させて配置する。尚、この締付板６′は両面とも平坦面に形成されている。
【００３４】
この場合、絶縁板５の凸条シール部１８及び締付板６の凸条シール部１９と第２電池プレート３の凸条シール部１７とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置するので、絶縁板５及び締付板６と第２電池プレート３とが強い締め付け力で接合されても、各凸条シール部により平坦面側が押されても絶縁板５及び締付板６と第２電池プレート３にいずれも変形が生じることはない。絶縁板５′の凸条シール部１８と第３電池プレート１′の凸条シール部１４′とに関しても同様のことが言える。これらの凸条シール部において、電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所が生じるパターンを採用した場合には、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部を設けることで対処することができる。
【００３５】
前記第１電池プレート１の凸条シール部１４、第２電池プレート３の凸条シール部１７、第３電池プレート１′の凸条シール部１４′、絶縁板５、５′の凸条シール部１８及び締付板６の凸条シール部１９は、いずれも加硫ゴム等からなるシート状材料に一体に設けてこれをプレートに接着することによりそれぞれ構成することができる。又、各凸条シール部は、図６のようにその凸条が形成されるシート状材料のほぼ中央に位置して設けられていると、変形偏り防止の上で好ましい。
【００３６】
このようにして構成された電池スタックは、一方の締付板例えば締付板６の供給孔Ｇ１から燃料ガスを供給して第１電池プレート１及び第３電池プレート１′のガス流路１ａに分配して流通させ、外部から取り込んだ酸化剤ガス（空気）を第２電池プレート３のガス流路３ａにそれぞれ流通させることでその間に挟まれている膜電極接合体２の高分子電解質膜を介して単セル４、４′にて直流電力を発電することができる。又、一方の締付板例えば締付板６の供給孔Ｗ１から冷却水を供給して第１電池プレート１の水流路１ｂに流通させることにより単セル４、４′の発電部を冷却することができる。
【００３７】
電池スタック内に組み込まれた各プレートは、前記締付板６′を除いてそれぞれ片面側にほぼ同形又は同一のパターンで凸条シール部が設けられ、しかも一部凸条シール部に対応しない箇所にはリブや小突起等の凸部が設けられているため、強い締付力で接合されても各プレートがいずれも隣接するプレートの凸条シール部によって変形することはなく、更に反応ガス流路面、冷却水流路面及び燃料ガスの供給孔と排出孔、並びに冷却水の供給孔と排出孔が全てほぼ完全にシールされる。これにより、電池スタックの発電特性を向上させると共に、各プレートを薄く形成することが可能となるため電池スタックを小型化することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置しているので、締付時でのプレートの変形を防止して単セル部分のガスシールを著しく向上させることができる。
【００３９】
又、本発明に係る請求項２の発明によれば、２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックにおいて、膜電極接合体を挟持する一方の電池プレートに設けられた凸条シール部と、他方の電池プレートに設けられた凸条シール部とが電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられているので、２つの凸条シール部の形状が多少異なっていても締付時での電池プレートの変形を防止して単セル部分のガスシールを向上させることができる。
【００４０】
更に、本発明に係る請求項３の発明によれば、２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び／又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び／又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿ってほぼ同一線上に位置しているので、締付時でのプレートの変形を防止して電池スタック端部のシール性能を向上させることができる。
【００４１】
本発明に係る請求項４の発明によれば、２種類以上の電池プレートで構成する電池スタックの両端部に位置する電池プレートと絶縁板及び／又は締付板の間のシール構造において、前記電池プレートに形成された凸条シール部と、前記絶縁板及び／又は締付板に形成された凸条シール部とは電池スタックの積層方向に沿って同一線上に位置していない箇所に、一方の凸条シール部に対向させて他方に凸部が設けられているので、締付時でのプレートの変形を防止して電池スタック端部のシール性能を確保することができる。
【００４２】
本発明に係る請求項５の発明によれば、請求項１乃至請求項４いずれか１項の燃料電池用プレートのシール構造において、前記凸条シール部は、その凸条が形成されるシート状材料のほぼ中央に位置して設けられていることを特徴とし、これによりプレート締付時における変形偏りを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における電池スタックの構成部材を分解して示す斜視図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る第１電池プレートのガス流路面を示す側面図、（ｂ）はその他面側を透視して示す側面図である。
【図３】（ａ）は本発明に係る第２電池プレートのガス流路面を示す側面図、（ｂ）はその他面側を透視して示す側面図である。
【図４】本発明に係る絶縁板の片面を示す側面図である。
【図５】本発明に係る一方の締付板の片面を示す側面図である。
【図６】本発明に係る凸条シール部がシート状材料のほぼ中央部に設けられている状態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…第１電池プレート
１ａ…ガス流路
１ｂ…水流路
１′…第３電池プレート
２…膜電極接合体
２ａ…アノード電極
２ｂ…カソード電極
３…第２電池プレート
３ａ…ガス流路
４、４′…単セル
５、５′…絶縁板
６、６′…締付板
１１、１２…リブ
１３…小突起
１４、１４′、１７、１８、１９…凸条シール部
２０…集電板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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