JP2007042510A - 燃料電池用ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】 スタック締結力をかけた時等の、ガスケットの湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和させることができる燃料電池用ガスケットの提供。
【解決手段】（１） 曲率に応じてガスケットの特性を変えた燃料電池用ガスケット３３。
（２） ガスケット３３は湾曲部および／または分岐部３５を有し、湾曲部および／または分岐部における、ガスケットの外周側部３３ｃとガスケットの内周側部３３ｄとの構成を互いに異ならせた燃料電池用ガスケット３３。
（３） 外周側部３３ｃの断面形状と内周側部３３ｄの断面形状とを互いに非対称とし、内周側部３３ｄの断面積を外周側部３３ｃの断面積より小とした。
（４） 外周側部と内周側部で、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を互いに異ならせた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、湾曲部および／または分岐部を有する燃料電池用ガスケットに関するものであり、とくにスタック締結力をかけた時等のガスケットの湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和させることができる燃料電池用ガスケットに関する。

特開２００４−５５２７６号公報は、ガスケットを燃料電池セパレータに熱硬化性接着剤によって加熱圧着して燃料電池を開示している。ガスケットは通常ゴム製で、セルを積層してスタックを構成し、積層方向にスタック締結力をかけた時に、セル積層方向に押されて幅方向に拡大され、応力、歪みを生じる。
特開２００４−５５２７６号公報

従来のガスケットの断面形状は、直線部、湾曲部（たとえば、コーナ部）、分岐部の何れにおいても、図１１に示すように、ガスケット１の幅方向中心線２に対して左右対称である。
しかし、ガスケットの湾曲部（たとえば、コーナ部）や分岐部では、湾曲や分岐の、ガスケット中心線より外周側にある外周部とガスケット中心線より内周側にある内周部とで幅方向、幅方向と直交方向（円弧の接線方向）の拡大しやすさが異なるので、スタック締結力をかけた時のガスケット内部に生じる歪みが外周部と内周部とで異なり、直線部よりも大きな歪み、応力が発生する。とくに湾曲部や分岐部の内周部では変形する時の肉の逃げ場が少なく変形を拘束され、応力が集中する。このガスケットの歪み、応力集中が大きな部分は、ガスケット剥がれ（ガスケットが接着されているセパレータからの剥がれ）が生じやすく、ガスケット剥がれが生じると、冷却水がスタック外や燃料電池反応ガス流路に洩れるおそれがある。

本発明の目的は、スタック締結力をかけた時等の、ガスケットの湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和させることができる燃料電池用ガスケットを提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１） 燃料電池を構成する部材間をシールする燃料電池用ガスケットであって、セパレータ板面視でのガスケットの曲率に応じてガスケットの特性を変えた燃料電池用ガスケット。
（２） 前記ガスケットは湾曲部および／または分岐部を有し、湾曲部および／または分岐部における、ガスケットの外周側部とガスケットの内周側部との構成を互いに異ならせた（１）記載の燃料電池用ガスケット。
（３） 前記外周側部の断面形状と前記内周側部の断面形状とを互いに非対称とし、前記内周側部の断面積を前記外周側部の断面積より小とした（２）記載の燃料電池用ガスケット。
（４） 前記外周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率と、前記内周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を、互いに異ならせた（２）または（３）記載の燃料電池用ガスケット。

上記（１）の燃料電池用ガスケットによれば、ガスケットの曲率に応じてガスケットの特性を変えたので、曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど、少ない応力集中で変形することができる構成とすることにより、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和することができる。この応力集中の緩和で、ガスケットのセパレータからの剥がれを防止でき、剥がれによる冷却水の外部やガス流路への漏れも防止することができる。
上記（２）の燃料電池用ガスケットによれば、湾曲部および／または分岐部の、ガスケットの外周側部とガスケットの内周側部との構成を互いに異ならせたので、内周側部を外周側部より、少ない応力集中で変形することができる構成とすることにより、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和することができる。この応力集中の緩和で、ガスケットのセパレータからの剥がれを防止でき、剥がれによる冷却水の外部やガス流路への漏れも防止することができる。
上記（３）の燃料電池用ガスケットによれば、外周側部の断面形状と内周側部の断面形状とを互いに非対称とし、内周側部の断面積を外周側部の断面積より小としたので、スタック締結荷重等（スタック締結荷重、その後の熱応力、クリープによる応力変化等）がかかった時における、湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和することができる。
上記（４）の燃料電池用ガスケットによれば、外周側部と内周側部とで、ガスケットの材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を互いに異ならせたので、内周側部を外周側部より、少ない応力集中で変形することができる構成（内周側の弾性率を外周側弾性率より小さくする（柔らかくする）、密度を小とし空隙率（ガスケット断面での空隙の面積総和／ガスケット断面積）を大にする）とすることにより、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和することができる。

以下に、本発明の燃料電池用ガスケットを、図１〜図１０を参照して説明する。
本発明の燃料電池スタックへのセル電圧モニタ用コネクタ装着方法が適用される燃料電池１０は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。ただし、燃料電池は、セパレータを有するものであればよく、固体高分子電解質型燃料電池１０に限るものではない。
燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図８〜図１０に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１０を構成し、１以上のセル１０からモジュール１９を構成し（１セルが１モジュールを構成する場合は、セル１０とモジュール１９は同じになる）、セルモジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）にボルト・ナット２５にて固定し、一端のエンドプレートに設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかけ、燃料電池スタック２３を構成する。

セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、セル内において互いにシールされている。各セルモジュール１９のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセルモジュール１９同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。第１のシール部材３２は、たとえば接着剤またはガスケットからなり、第２のシール部材は３３はガスケットからなる。

各セル１０（１セルモジュールの場合は、セル１０はセルモジュール１９と同じになる）の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ

セパレータ１８は、カーボンセパレータ、メタルセパレータ、メタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、等の何れかからなるが、図示例では、セパレータ１８がカーボンセパレータの場合を示している。ただし、セパレータ１８はカーボンセパレータに限るものではない。

ガスケット３３は、燃料電池を構成する部材間（たとえば、隣接するモジュールの、セパレータ間、または同じセル内のセパレータ間）をシールし、たとえばゴムガスケットからなる。
ガスケット３３はガスケット３３を挟む２つのセパレータ１８のうちの一方のセパレータ１８に熱溶着（熱溶着はセパレータ１８がメタルセパレータの場合に適用される）や接着剤により固定されていてもよいし、または固定されていなくてもよい。
ガスケット３３は、平板部３３ａと、平板部３３ａから立ち上がり、平板部３３ａより狭い幅をもつ凸部３３ｂとを有する。ガスケット３３はガスケット断面においてガスケット中心線３４を有する。ガスケット中心線３４は、スタック締結荷重がガスケットにかかっていない状態での、凸部３３ｂの頂点（平板部３３ａから遠い方の端点、凸部３３ｂの頂点が幅をもつ場合は凸部の頂点の幅方向中央点）を通り平板部３３ａと直交する線である。

図１に示すように、ガスケット３３は、セルの発電領域（電解質膜があり、燃料ガス、酸化ガスが流れて、発電を起こす領域）と外部との間にあって発電領域を外部からシールする部分と、マニホールド２９、３０、３１を囲む位置にありマニホールド２９、３０、３１を流れる流体を発電領域および外部および他のマニホールドからシール部分とを有する。ガスケット３３は、湾曲部および／または分岐部３５（湾曲部の符号が３５ａ、分岐部の符号が３５ｂ、その両者の少なくとも一方を含んだものの符号が３５）を有する。
ガスケット３３は、湾曲部および／または分岐部３５において、外周側部３３ｃと内周側部３３ｄを有する。ガスケット３３の外周側部３３ｃはガスケット断面においてガスケット中心線３４より外側にあるガスケット部分であり、ガスケットの内周側部３３ｄはガスケット断面においてガスケット中心線３４より内側にあるガスケット部分である。
たとえば、図５の例ではシールライン（ガスケットの頂点を結んだライン）の内側が内周側部３３ｄであり、シールラインの外側が外周側部３３ｃである。
図６の例（シールラインが平面内にある場合）では、分岐シールラインの両側部が内周側部３３ｄであり、分岐シールラインと反対側が外周側部３３ｃである。
図７の例（シールラインが分岐角度が等しい、たとえば３軸直交の場合）では、各シールラインの間（３軸直交の場合は９０度の角度をもつ部分）が内周側部３３ｄであり、他の直線部位が外周側部３３ｃである。

ガスケット３３は、セパレータ板面視（セパレータ板面に垂直な方向から見た時）でのガスケット３３の曲率に応じてガスケット３３の特性を変えてある。
たとえば、ガスケット３３の外周側部３３ｃとガスケット３３の内周側部３３ｄとの構成は互いに異ならせてある。湾曲部および／または分岐部３５における、ガスケット３３の外周側部３３ｃとガスケット３３の内周側部３３ｄとの構成は、ガスケット３３にスタック締結力がかかって変形（凸部３３ｂがセル積層方向に圧縮されるとともの幅方向に拡がる変形）した時にガスケット３３の内周側部３３ｄに応力が集中しないか、または集中しにくいように、互いに異ならせてある。この場合、以下の構成１、２の何れか少なくと一方（構成１、または構成２、または構成１と構成２）を採用することができる。

〔構成１〕
構成１は、図２（スタック締結荷重がかかる前の状態を示す）、図３（スタック締結荷重がかかった後の状態を示す）に示すように、外周側部３３ｃの断面形状と内周側部３３ｄの断面形状とを、ガスケット中心線３４を中心にして左右に、互いに非対称とし、内周側部３３ｄの断面積Ｓｉを外周側部３３ｃの断面積Ｓｏより小とした構成である。すなわち、内周側部３３ｄのボリュームを外周側部３３ｃのボリュームより小さくする。
この場合、図２のように、凸部３３ｂの形状をガスケット中心線３４を中心にして左右に、互いに非対称とし、スタック締結荷重をかけない自由状態において、内周側部３３ｄのガスケット中心線３４から凸部３３ｂ外形までの距離Ｗｉを、外周側部３３ｃの、ガスケット中心線３４から凸部３３ｂ外形までの距離Ｗｏより小とする構成をとってもよいし、あるいは、図４に示すように、内周側部３３ｄのガスケット中心線３４から凸部３３ｂ外形までの距離Ｗｉを凸部頂点から平板部３３ａにむかってある距離までは０とし、その距離を越えると平板部３３ａにむかって幅Ｗｉが徐々に拡がり、外周側部３３ｃのガスケット中心線３４から凸部３３ｂ外形までの距離Ｗｏを凸部頂点から平板部３３ａにむかって徐々に拡がるようにした構成としてもよい。

〔構成２〕
外周側部３３ｃの、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率と、内周側部３３ｄの、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を、互いに異ならせた構成をとることができる。
すなわち、外周側部３３ｃの材質と内周側部３３ｄの材質を異ならせる、および／または、外周側部３３ｃの弾性率と内周側部３３ｄの弾性率を互いに異ならせる、および／または、外周側部３３ｃの密度・空隙率と内周側部３３ｄの密度・空隙率を互いに異ならせた構成をとることができる。
この場合、内周側部３３ｄの弾性率を外周側部３３ｃの弾性率より小さくする（柔らかくする）、内周側部３３ｄの密度を外周側部３３ｃの密度より小とし内周側部３３ｄの空隙率（ガスケット断面での空隙の面積総和／ガスケット断面積を大にする）を外周側部３３ｃの空隙率より大とする。
また、外周側部３３ｃとガスケット３３の内周側部３３ｄとの特性を変える、上記の構成１、２の他、
〔構成３〕ガスケットの曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど材料の量を減らす、断面積を小にすることや、
〔構成４〕ガスケットの曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど材料の弾性率を低くする、
などによっても、湾曲部および／または分岐部３５の応力を緩和することができる。

つぎに、本発明の作用・効果を説明する。
モジュール１９を積層し、スタック締結荷重をかけると、ガスケット３３は変形し、たとえば図２の状態から図３の状態になる。この場合、ガスケット３３の、湾曲および／または分岐部３５では、変形に際して生じる歪み、応力が、外周側部３３ｃと内周側部３３ｄとで異なり、内周側部３３ｄの方が曲がりの接線方向および幅方向に変形が拘束されて大きな応力（圧縮応力）が生じる。
その結果、図１１の形状をもつ従来ガスケットでは、セパレータとの接合が剥がれたり、（接着されていない場合は）圧着力が変化したりして、洩れが生じやすかった。

しかし、本発明の燃料電池用ガスケット３３では、ガスケット３３の曲率に応じてガスケット３３の特性を変えたので、曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど、少ない応力集中で変形することができる構成とすることにより（たとえば、ガスケットの曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど材料の量を減らす、断面積を小にするか、または、ガスケットの曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど材料の弾性率を低くすることにより）、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部３５の応力集中を緩和することができる。この応力集中の緩和で、ガスケット３３のセパレータ１８からの剥がれを防止でき、剥がれによる冷却水の外部やガス流路への漏れも防止することができる。

たとえば、湾曲部および／または分岐部３５の、ガスケットの外周側部３３ｃとガスケットの内周側部３３ｄとの構成を互いに異ならせる場合、内周側部３３ｄを外周側部３３ｃより、少ない応力集中で変形することができる構成とすることにより、スタック締結力等がガスケット３３にかかった時における、湾曲部および／または分岐部３５の内周側部３３ｄの応力集中を緩和することができる。この応力集中の緩和で、ガスケット３３のセパレータ１８からの剥がれを防止でき、剥がれによる冷却水の外部やガス流路への漏れも防止することができる。

また、外周側部３３ｃの断面形状と内周側部３３ｄの断面形状とを互いに非対称とし、内周側部３３ｄの断面積を外周側部３３ｃの断面積より小とした場合は、スタック締結荷重等（スタック締結荷重、その後の熱応力、クリープによる応力変化等）がかかった時における、湾曲部および／または分岐部３５の応力集中を緩和することができる。

また、外周側部の断面形状と前記内周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を互いに異ならせた場合は、内周側部３３ｄを外周側部３３ｃより、少ない応力集中で変形することができる構成（内周側の弾性率を外周側弾性率より小さくする（柔らかくする）、密度を小とし空隙率（ガスケット断面での空隙の面積総和／ガスケット断面積）を大にする）とすることにより、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部３５の応力集中を緩和することができる。

本発明の燃料電池用ガスケットの、セパレータに装着されている状態の、正面図である。 図１の燃料電池用ガスケットの、スタック締結荷重がかかる前の、湾曲部および／または分岐部での、断面図である。 図１の燃料電池用ガスケットの、スタック締結荷重がかかった後の、湾曲部および／または分岐部での、断面図である。 図１の燃料電池用ガスケット（図２とは異なる断面形状をもつガスケット）の、スタック締結荷重がかかる前の、湾曲部および／または分岐部での、断面図である。 本発明の燃料電池用ガスケットの、湾曲部における、シールラインと断面の外周側部、内周側部の位置関係を示す図である。 本発明の燃料電池用ガスケットの、平面内分岐部における、外周側部と内周側部の位置関係を示す図である。 本発明の燃料電池用ガスケットの、立体分岐部における、外周側部と内周側部の位置関係を示す図である。 本発明の燃料電池用ガスケットが適用される燃料電池スタックの側面図である。 図８の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。 図８の燃料電池スタックのセパレータの正面図である。 従来の燃料電池用ガスケットの、スタック締結荷重がかかる前の、湾曲部および／または分岐部での、断面図である。

符号の説明

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３、１６ 拡散層
１４ アノード
１７ カソード
１８ セパレータ
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ 燃料電池スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト・ナット
２６ 冷媒流路（流体流路）
２７ 燃料ガス流路（流体流路）
２８ 酸化ガス流路（流体流路）
２９ 冷媒マニホールド（流体マニホールド）
３０ 燃料ガスマニホールド（流体マニホールド）
３１ 酸化ガスマニホールド（流体マニホールド）
３２ 接着剤またはガスケット
３３ ガスケット
３３ａ 平板部
３３ｂ 凸部
３３ｃ 外周側部
３３ｄ 内周側部
３４ ガスケット中心線
３５ 湾曲部および／または分岐部
３５ａ 湾曲部
３５ｂ 分岐部

Claims (4)

1. 燃料電池を構成する部材間をシールする燃料電池用ガスケットであって、セパレータ板面視でのガスケットの曲率に応じてガスケットの特性を変えた燃料電池用ガスケット。
2. 前記ガスケットは湾曲部および／または分岐部を有し、湾曲部および／または分岐部における、ガスケットの外周側部とガスケットの内周側部との構成を互いに異ならせた請求項１記載の燃料電池用ガスケット。
3. 前記外周側部の断面形状と前記内周側部の断面形状とを互いに非対称とし、前記内周側部の断面積を前記外周側部の断面積より小とした請求項２記載の燃料電池用ガスケット。
4. 前記外周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率と、前記内周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を、互いに異ならせた請求項２または請求項３記載の燃料電池用ガスケット。

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