JP2007194124A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスケットにセル積層方向の荷重がかかった時の、ガスケットの曲がりや交差の内側に位置するガスケット部分の応力集中を緩和できる燃料電池の提供。
【解決手段】ガスケット３２は、板状部と板状部から突出する凸部とを有する断面形状を備えるとともに、交差部とコーナ部を有する断面と直交する面内形状を備えており、ガスケット３２は、面内形状のうち交差部とコーナ部の少なくとも一方のみの部位で燃料電池のプレート部材１８に対して非接着とされている燃料電池。プレート部材１８の、ガスケット３２の非接着部３３に接触する部分の表面またはガスケット３２の非接着部表面が、凹凸面７とされている。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池に関し、とくに燃料電池のガスケットの応力緩和構造に関する。

単位燃料電池は電解質アッセンブリをセパレータで挟んだものから形成される。複数の単位燃料電池は積層され、締結荷重をかけられて、燃料電池スタックを構成する。燃料電池には燃料ガス、酸化ガスが供給され、発電が行われるとともに、冷媒が循環されて冷却される。
燃料ガス、酸化ガス、冷媒を互いにシールするとともに、外部からもシールするために、隣接セルモジュールのプレート部材（たとえば、セパレータ）間および単セル内のプレート部材（たとえば、セパレータ）間には、シール材（たとえば、ガスケット）が組付けられ、セルの発電部の周囲、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールドおよび冷媒マニホールドの周囲をシールする。

特開２００４−５５２７６号公報に開示されているように、ガスケットは、通常、ゴムガスケットからなり、熱硬化性接着剤によって、燃料電池のプレート部材（たとえば、セパレータ）に加熱圧着される。
特開２００４−５５２７６号公報

しかし、図１１に示すように、ガスケット３２は板状部３２ａと凸部３２ｂとを備え板状部の凸部と反対側の面３２ｃで接着剤６にてセパレータ１８に接着され、固定されているので、燃料電池スタックに締結荷重が付与されてガスケット３２にセル積層方向の荷重（スタック化時、および単セルでのガスケット熱圧着時等に凸部を押しつける方向の荷重がかかる）がかかって、図１１の（イ）から（ロ）のように、ガスケット３２が弾性変形した時に、ガスケットのコーナ部（曲がり部）３や交差部（Ｔ字状交差部）４において、図１０に示すように、曲がりや交差の内側１（交差部の場合は９０°の角度をなす側）のガスケット部分３２ｄが、曲がりや交差の外側２（交差部の場合は１８０°の角度をなす側）のガスケット部分３２ｅよりも、ガスケットのゴム材料の変形の逃げ場が少なく、変形が拘束されて、曲がりや交差の内側１にあるガスケット部分３２ｄに応力が集中する。応力が集中するとその部位はガスケット３２のセパレータ１８からの剥がれの起点となったり、ガスケット３２の割れの原因になる。

本発明の目的は、ガスケットにセル積層方向の荷重がかかった時の、ガスケットの曲がりや交差の内側に位置するガスケット部分の応力集中を緩和できる燃料電池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） 反応ガスを電気化学反応させて発電するセルと、前記セルの構成要素であるプレート部材と、前記プレート部材間に組付けられて該プレート部材間をシールするガスケットを備えた燃料電池であって、前記ガスケットは、交差部とコーナ部とそれ以外の一般部を有する面内形状を備えており、前記ガスケットは、面内形状のうち交差部とコーナ部の少なくとも一方の部位で前記プレート部材に対して非接着とされ、交差部とコーナ部の少なくとも一方の部位以外の部位で前記プレート部材の片方の面に接着されている燃料電池。
（２） 前記プレート部材およびガスケットの、前記ガスケットの前記非接着とされた交差部とコーナ部の少なくとも一方の部位に接触する部分の表面が、凹凸面とされている（１）記載の燃料電池。

上記（１）の燃料電池によれば、ガスケットのうち交差部とコーナ部の少なくとも一方が、セパレータに対して非接着とされ、プレート部材（たとえば、セパレータ）に対して相対的に変形および／または変位することができるので、スタック化時または単セル製作時にガスケットにセル積層方向（ガスケット厚み方向）の荷重がかかって、ガスケットの非接着部分の曲がりや交差の内側部に応力が集中しようとしても、ガスケットの非接着部分がプレート部材（たとえば、セパレータ）の面内方向にプレート部材（たとえば、セパレータ）に対して変形および／または変位して応力集中を逃がすため、ガスケットの非接着部分の曲がりや交差の内側にあるガスケット部分の応力集中を緩和、低減することができる。その結果、ガスケットの非接着部分の曲がりや交差の内側にガスケット部分が、ガスケットのプレート部材（たとえば、セパレータ）からの剥がれの起点やガスケットの割れの発生部位となることが防止される。
上記（２）の燃料電池では、プレート部材（たとえば、セパレータ）およびガスケットの、ガスケットの非接着とされた交差部とコーナ部の少なくとも一方の部位に接触する部分の表面が凹凸面とされてもよい。凹凸面の場合は、ガスケットにセル積層方向（ガスケット厚み方向）の荷重がかかって、ガスケットがプレート部材（たとえば、セパレータ）に対してプレート部材の面内方向に変位および／または変形しようとする際の摩擦力が大きくなる。したがって、凹凸面とした場合は、凹凸面としない場合よりも、ガスケットの非接着部分がプレート部材に対して拘束されている状態（接着されている状態）に近づく。凹凸面の凹凸度合いは、必要に応じて、選定すればよい。

以下に、本発明の燃料電池を図１〜図９を参照して説明する。
本発明が適用される燃料電池は、ゴム等のガスケットが使用可能な低温型燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。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１０は、図５〜図７に示すように、電解質アッセンブリ、たとえば膜−電極アッセンブリ１９（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、プレート部材１８（たとえば、セパレータ、以下、プレート部材をセパレータという）との積層体からなる。
膜−電極アッセンブリ１９は、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１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を重ねて単セル１０を構成し、単セル１０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、セル積層体にセル積層方向の締結力を付与し、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。

各セル１９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

各種流体は、互いから、かつ、外部から、ガスケット３２により、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡ１９を挟む２つのセパレータ１８間は、第１のガスケット３２Ａによってシールされており、隣接するセル１０同士の間は、第２のガスケット３２Ｂによってシールされている。
第１のガスケット３２Ａは、たとえば、接着剤（液状で塗布され固化後弾性体となる）からなり、第２のガスケット３２Ｂは、たとえば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等のゴムガスケットからなる。ただし、第１のガスケット３２Ａ、第２のガスケット３２Ｂとも、接着剤、またはゴムガスケットから構成されてもよい。
ガスケット３２は、固化後の第１のガスケット３２Ａと、第２のガスケット３２Ｂの何れであってもよい。すなわち、ガスケット３２と言った場合、ガスケット３２は、第２のガスケット３２Ｂであってもよいし、第１のガスケット３２Ａであってもよいし、第１のガスケット３２Ａと第２のガスケット３２Ｂの両方であってもよい。

セパレータ１８は、カーボンセパレータ（カーボン粉とバインダを混合して成形した、または成形後切削したセパレータ）、またはメタルセパレータ（金属板をプレス成形した、または切削したセパレータ）、またはメタルセパレータと樹脂フレーム（中抜きした、樹脂製の矩形枠）との組み合わせ、または導電性樹脂セパレータ、等からなる。

ガスケット３２は、燃料電池のセパレータ１８間（隣接セルのセパレータ１８間であってもよいし、あるいは単セルのＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間でもよい）に組付けられてセパレータ１８間をシールする。

図９に示すように、ガスケット３２は、板状部３２ａと板状部３２ａの一面から突出する凸部３２ｂとを有する断面形状を備えている。
また、図１〜図４、図８に示すように、ガスケット３２は、交差部（Ｔ字状交差部）４と、コーナ部（曲がり部）３と、交差部４およびコーナ部３以外の一般部（直線状部）５を有する、断面と直交する面内形状を備えている。
ガスケット３２は、交差部（Ｔ字状交差部）４とコーナ部（曲がり部）３において、曲がりや交差の内側１（交差部の場合は９０°の角度をなす側）にあるガスケット部分３２ｄと、曲がりや交差の外側２（交差部の場合は１８０°の角度をなす側）にある部分３２ｅとを有する。

ガスケット３２は、面内形状のうち交差部４とコーナ部３の少なくとも一方（交差部４、またはコーナ部３、または交差部４とコーナ部３の両方）の部位でセパレータ１８に対して非接着とされ（ガスケット３２の非接着部分に符号３３を付す）、非接着部分３３以外の部分で、板状部３２ａの凸部３２ｂと反対側の面３２ｃにて、面３２ｃの全幅において、セパレータ１８の表面に接着されている。

接着は接着剤６を塗布して熱圧着（温度を上げた治具でガスケット３２をセパレータ１８に押しつける）することにより行われるが、それ以外の方法によって接着されてもよい。
非接着は、ガスケット３２の非接着部分３３に接着剤６を塗布しないことにより行われる。温度を上げた治具でガスケット３２をセパレータ１８に押しつけても、接着剤６を塗布していないので、ガスケット３２はセパレータ１８に接着されない。

セパレータ１８の、ガスケット３２の非接着部分３３に接触するセパレータ部分の表面は、図４に示すように、凹凸面７（ギザギザを付けられた面や、粗面）とされていてもよい。ただし、凹凸面とされずに平滑面のままであってもよい。凹凸面７は、セパレータの表面の代わりに、ガスケット３２の表面に形成されてもよい。凹凸面７とすることにより、ガスケット３２の非接着部分３３において、セパレータ１８とガスケット３２との接触面の、面内方向摩擦係数が（完全非接着の場合よりも）大きくなり、拘束状態（ガスケット３２がセパレータ１８に接着された状態）と非拘束状態（非接着状態）との中間状態となる。

拘束状態と非拘束状態との中間状態とする理由は、非接着、非拘束の場合は、後述するように、非接着部分３３の曲がりや交差の内側部１の応力集中が緩和、低減するが、完全に非拘束とすると、ガスケットの配置設計によっては、ガスケットの流体圧による変形が大となってガスケットとセパレータ間にリークが生じるおそれも考えられるので、拘束状態と非拘束状態の中間の状態に置きたい場合があり、それに対応するためである。
凹凸面７の凹凸の度合い（摩擦係数の大きさ）は、望まれる拘束状態と非拘束状態との中間状態に応じて、適宜、選定されればよい。

上記構造をとることにより、つぎに作用、効果が得られる。
ガスケット３２のうち交差部４とコーナ部３の少なくとも一方が、セパレータ１８に対して非接着とされ、非接着部分３３はセパレータ１８に対して面内方向に相対的に変形および／または変位することができるので、スタック化時または単セル製作時に、ガスケット３２にセル積層方向（ガスケット厚み方向）の荷重がかかっても、ガスケット３２の非接着部分３３における、曲がりや交差の内側１にあるガスケット部分３２ｄの応力集中が緩和、低減する。すなわち、スタック化時または単セル製作時に、ガスケット３２がセル積層方向に圧縮された時に、ガスケット３２の非接着部分３３が拘束されていれば、非接着部分３３の曲がりや交差の内側１にあるガスケット部分３２ｄに、非接着部分３３の曲がりや交差の外側２にあるガスケット部分３２ｅよりも大きな応力が生じて、非接着部分３３の曲がりや交差の内側１にあるガスケット部分３２ｄに応力集中が生じるが、本発明ではガスケット３２の非接着部分３３が拘束されていないので、ガスケット３２がセル積層方向に圧縮された時に、ガスケット３２の非接着部３３（のゴム材料）はセパレータ１８の面内方向（とくにガスケット３２の幅方向）にセパレータ１８に対して変形および／または変位することができ、拘束されていれば生じたであろう集中応力を逃がすので、ガスケット３２の非接着部分３３における、曲がりや交差の内側１にあるガスケット部分３２ｄの応力集中が緩和、低減する。その結果、ガスケット３２の曲がりや交差の内側１にあるガスケット部分３２ｄが、ガスケット３２の、セパレータ１８からの剥がれの起点や、ガスケット３２の割れの発生部位となることが防止される。

ガスケット３２の非接着部分３３に接触するセパレータ部分の表面またはそれに対応するガスケット３２の表面が凹凸面７とされた場合は、ガスケット３２にセル積層方向（ガスケット厚み方向）の荷重がかかって、ガスケット３２がセパレータ１８に対してセパレータ１８の面内方向に変位および／または変形しようとする際の摩擦力が大きくなる。したがって、凹凸面７とした場合は、凹凸面としない場合よりも、ガスケット３２の非接着部分３３がセパレータ１８に対して拘束されている（接着されている）状態に近づく。凹凸面７の凹凸度合いは、必要に応じて、適宜選定されればよい。

本発明の燃料電池の、ガスケットシールラインを示す、セパレータの正面図である。 図１の燃料電池の、ガスケットシールラインに沿って見た、ガスケットの一部側面図である。 図１の燃料電池の、ガスケットシールラインと直交する方向に見た、ガスケットの断面図である。 本発明の燃料電池の、ガスケット非接着部に対応するセパレータ面を凹凸面とした場合の、ガスケットシールラインに沿って見た、ガスケットの一部側面図である。 本発明の燃料電池を組み込んだ燃料電池スタックの側面図である。 図５の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。 図５の燃料電池の正面図である。 本発明の燃料電池の、ガスケットの非接着部の、コーナ部や交差部の曲がりや交差の内側と外側を示す、正面図である。 本発明の燃料電池の、ガスケットの非接着部の、ガスケットシールラインと直交する方向に見た、断面図である。 ガスケットのコーナ部や交差部でガスケットがセパレータに接着されている場合の燃料電池（従来の燃料電池）の、ガスケットの、曲がりや交差の内側と外側を示す、正面図である。 ガスケットのコーナ部や交差部でガスケットがセパレータに接着されている場合の燃料電池（従来の燃料電池）の、ガスケットの、ガスケットシールラインと直交する方向に見た、断面図である。

符号の説明

１ 曲がりや交差の内側
２ 曲がりや交差の外側
３ コーナ部（曲がり部）
４ 交差部（Ｔ字状交差部）
５ 一般部（直線状部）
６ 接着剤
７ 凹凸面
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 ＭＥＡ
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
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ ガスケット
３２Ａ 第１のガスケット
３２Ｂ 第２のガスケット
３２ａ 板状部
３２ｂ 凸部
３２ｃ 板状部の凸部と反対側の面
３２ｄ 曲がりや交差の内側にあるガスケット部分
３２ｅ 曲がりや交差の外側にあるガスケット部分
３３ 非接着部

Claims (2)

1. 反応ガスを電気化学反応させて発電するセルと、前記セルの構成要素であるプレート部材と、前記プレート部材間に組付けられて該プレート部材間をシールするガスケットを備えた燃料電池であって、前記ガスケットは、交差部とコーナ部とそれ以外の一般部を有する面内形状を備えており、前記ガスケットは、面内形状のうち交差部とコーナ部の少なくとも一方の部位で前記プレート部材に対して非接着とされ、交差部とコーナ部の少なくとも一方の部位以外の部位で前記プレート部材の片方の面に接着されている燃料電池。
2. 前記プレート部材およびガスケットの、前記ガスケットの前記非接着とされた交差部とコーナ部の少なくとも一方の部位に接触する部分の表面が、凹凸面とされている請求項１記載の燃料電池。

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