JP4360132B2 - 燃料電池用ガスケット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられるガスケットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池には、電気化学反応を生じさせるために供給される燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスや、電気化学反応に伴う発熱を除去するために供給される水等の冷却媒体を互いにシールするためのガスケットが組込まれている。このガスケットとしてはいろいろな方式のものが用いられているが、いずれの方式のガスケットにおいても、所要締付け力が低いこと、電池構成部品の厚さのばらつきが吸収可能であること、組立て時の位置ずれの裕度が高いこと、の３点が具備すべき主要な要件となっている。
【０００３】
これらの要件を満たすものとして、例えば特許文献１には、図７に例示したごとく、ガスケット１の凸状部をセパレータ２の溝面に配し、ガスケット１の平面部を電解質膜側に配して電解質膜を対向して挟持する構成としたガスケットや、図８に例示したごとく、断面が台形状のガスケット１をセパレータ２の溝部に組込んで一体に成形し、台形状の先端部で電解質膜を対向して挟持する構成としたものが開示されている。また、特許文献２においては、図９に示したごとく、ガスケット１をセパレータ２の溝部に組込んで一体に成形し、かつ電解質膜を対向して挟持する一対のガスケット１のうち一方の先端部を平面状に形成したものが示されている。
【０００４】
上記の図７〜図９に示した断面形状を有するガスケットにおいては、いずれのガスケットも突起部分を備えているので、締付けの際には、締付け力が突起部分に局所的に集中し、この部分が大きく変形してシールすることとなるので、電池スタック全体に加える締付け力を大きくしなくても効果的に締付けてシールすることができる。また、このように突起部分の変形量を大きくとることができるので、締付け時の圧縮量の調整の裕度が大きく、他の電池構成部品の厚さのばらつきを容易に吸収することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２８３８９３号公報
【特許文献２】
特開２００１−１８５１７４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、従来の燃料電池用ガスケットには、図７〜図９に示したごとく突起部を備えた構成のガスケットが用いられており、この突起部に締付け力を集中させることによって、電池スタック全体に加える締付け力を低減し、かつ、電池構成部品の厚さのばらつきの吸収を可能にしている。
一方、このように突起部に締付け力を集中させてシールを行う方式のガスケットを用いる場合には、電解質膜を挟んで相対するガスケットの突起部が同一の位置に保持される必要があり、電解質膜を挟んで相対するセパレータの位置調整を正確に行い、かつガスケットをセパレータの所定の位置に正確に固定する必要があるが、ガスケットの突起部の幅が狭いため、組立てに際して位置ずれを生じてシール不良を発生する恐れが高い。
【０００７】
これらのうち、図７に示したごとき断面構成のガスケットにおいては、セパレータの溝に、ガスケットが変形可能な空間が確保されているため、組立ての際、ガスケットがセパレータの溝中で移動しやすく、所定の位置に正確に固定することが困難である。また、この方式ではガスケットがセパレータの溝中に固定されていないため組立ての際に脱落し、組立て作業の円滑な進行を阻害するという難点を有している。
また、図８の構成では特に幅の狭い一対の突起部で電解質膜を挟んでシールする構成であるため、特に位置合わせが困難であり、位置ずれによるシール特性の低下が生じる危険性が高くなる。これに対して図９の構成のごとく、一方のガスケットのシール面を広い平面とすれば、この広いシール面ともう一方の幅の狭い突起部とを相対して配することが容易となり、位置ずれによるシール特性の低下を回避することが容易となる。しかしながら、本構成においては、例えばセパレータのガス流路の上をまたいで反対面のガスケットが配置される領域では、平面状のシール面を有するガスケットでは十分な応力が得られず、シール不良を生じる恐れがある。また、このように相対するガスケットを異なる構成とすれば、成形用の金型が２種類必要となるので製作コストが高くなるという難点がある。
【０００８】
本発明は上記のごとき従来技術の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、セパレータに位置ずれを生じることなく配設され、かつ、シール面に締付け力が効果的に加わり、適切なシール性能を確保した電池スタックが小さな締付け力で、かつ、電極部材の厚さのばらつきの影響を受けることなく組立て可能な燃料電池用ガスケットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
燃料電池の電解質膜とセパレータとの間に配されて反応ガスあるいは冷却媒体のシールに用いられる燃料電池用ガスケットを、セパレータに備えられた溝に嵌め込まれる凸部、凸部の周りにセパレータ表面に接触する底面、および底面となす角が鋭角ではない側面、を有する底部と、底部の反凸部側に電解質膜側に開いた凹部を形成する側壁と、を備えて構成することとし、さらに、側壁が凹部の外側に傾斜しているものとする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用ガスケットの実施の形態を図面を用いて説明する。
＜実施例１＞
図１は、本発明の燃料電池用ガスケットの第１の実施例の構成を示す要部断面図で、セパレータの溝に嵌め込まれ、圧縮前の自由状態にあるときの断面を電解質膜を介して配される一対のガスケットについて示したものである。図に見られるように、本実施例の燃料電池用ガスケット１は、セパレータ２に接する側に、セパレータ２に備えられた溝に嵌め込まれる凸部１ｂ、凸部１ｂの周りにセパレータ表面に接触する底面、および底面となす角が鋭角でない側面、を有する底部と、底部の反凸部側に、電解質膜側に開いた凹部を形成する側壁と、を備えている。また、側壁が凹部の外側に傾斜しているように構成されている。本構成の燃料電池用ガスケット１は、電解質膜側に設けられた上記の凹部の底面が電解質膜に接するように圧縮して使用される。したがって、燃料電池用ガスケット１のセパレータ２の表面から凹部の底面までの厚さは、膜電極接合体の電極部材の厚みの最小値とほぼ等しい値に設定することが望ましい。
【００１１】
図６は、本実施例の燃料電池用ガスケットが装着されるセパレータの表面形状を示す正面図である。本セパレータ２は、膜電極接合体の燃料電極側に配されるセパレータで、電極面に対応する中心領域に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路５が備えられており、側端に備えられた一対の燃料ガスマニホールド６の一方より燃料ガスを供給し、もう一方へと排出することによって燃料ガス流路５に燃料ガスが流通される。なお、７は、他のセパレータに備えられた空気流路に空気を流通させるための空気マニホールドであり、８は、セパレータの裏面に備えられた冷却水流路に冷却水を流通させるための冷却水マニホールドである。本実施例の燃料電池用ガスケットは、燃料ガス流路５と各種マニホールドの外周を囲むように配置されたシール溝４に凸部１ｂを挿入して装着される。ガスケットが燃料ガス流路５をまたぐ部分にはカバープレート９が配置され、ガスケットの応力を受けている。
【００１２】
セパレータは、フェノール樹脂を含むカーボン材よりなり、その厚さは、両面に流路用溝を備えたもので３mm 、片面にのみ流路用溝を備えたもので２mmである。なお、流路用溝の深さは１mmである。また、シール溝４の深さと幅は、ともに１mmである。このシール溝４を用いて装着される本実施例の燃料電池用ガスケットはフッ素ゴムにより形成されている。フッ素ゴムが最適であるが、フッ素ゴムに替えてシリコンゴム等を用いてもよい。本燃料電池用ガスケットの幅は５mmであり、凸部１ｂは、図１に見られるように、前記のシール溝４に嵌め合わされる寸法に形成されている。したがって、セパレータへの装着時にガスケットが位置ずれを生じる危険性がなく、かつ、脱落する恐れもない。
【００１３】
図２は、第１の実施例の燃料電池用ガスケットの通常の圧縮状態における形状を示す要部断面図である。本図において、１はガスケット、２はセパレータ、３は挟持される電解質膜である。すでに述べたように、圧縮前の自由状態において、突起部１ａの中心線がセパレータ表面の垂線に対して傾斜を有するように構成されているので、圧縮すると圧縮応力はこの中心線に沿って加わり、凸部１ｂは図示したごとくシール溝４の底面より浮き上がり、空隙δが生じることとなる。このため、加重の大半は突起部１ａとその周辺の変形に使われるため、少ない加重で効果的にシール面が構成される。なお、ガスケットを、図１０のごとく、電解質膜側を平面状とし、シール溝４に挿入する凸部１ｂの高さを高くした形状に構成すれば、凸部１ｂを圧縮変形させるために大きな力が必要となることを考慮すれば、本実施例のごとくガスケットの電解質膜側に凹部を備えた構成の利点が明らかとなる。
【００１４】
図３は、第１の実施例の燃料電池用ガスケットの最大圧縮状態における形状を示す要部断面図である。図２のごとき通常の圧縮状態からさらにガスケットを圧縮すると、ガスケットの変形が進み、図３のごとくセパレータのシール溝４の内部にも再び完全に充填されて、シール面はほぼ平面状態となる。このように本実施例の燃料電池用ガスケットでは、特に過大な圧縮力を加えなくとも、通常の圧縮状態から最大圧縮状態に至る広範囲の圧縮状態が選定できるので、膜電極接合体を構成する電極部材の厚みのばらつきによる変形量の違いに対して柔軟に対応することができる。なお、最大圧縮状態からさらにガスケットを圧縮するには、平板状ガスケットを圧縮する場合と同様に、非常に大きな圧力が必要となる。
【００１５】
図４は、電解質膜を介して対向するセパレータの位置ずれが生じた場合の本実施例の燃料電池用ガスケットの通常の圧縮状態における形状を示す要部断面図である。図のように、セパレータ２の位置ずれによって対向するガスケット１の位置にずれが生じても、ずれ量が所定の範囲以内であれば、ガスケット１の突起部１ａの少なくとも一方では十分な変形量を確保することが可能であり、シール性能が確保される。
なお、本実施例の燃料電池用ガスケットでは、電解質膜を介して対向するガスケットを同一形状に形成すればよいので、成形金型が少量で済む。また、対向面が平面であっても同程度の圧縮力でシールを形成することができる。
【００１６】
＜実施例２＞
図５は、本発明の燃料電池用ガスケットの第２の実施例の構成を示す要部断面図で、図１に示した第１の実施例と同様に、セパレータの溝に嵌め込まれ、圧縮前の自由状態にあるときの断面を電解質膜を介して配される一対のガスケットについて示したものである。
本実施例の燃料電池用ガスケット１の第１の実施例との相違点は、電解質膜に接する面の形状にある。すなわち、第１の実施例では、図１に見られるごとく電解質膜に接する面が平面状に形成されていたのに対して、本実施例では滑らかな曲面状に形成されている。
【００１７】
本実施例の燃料電池用ガスケット１においては、このように電解質膜に接する面を滑らかな曲面状に形成したことによって、圧縮を加えると曲面部が滑りながら変形するので、圧縮変形量が中間的な量においても電解質膜とガスケットとの間に空隙ができにくくなり、シール可能な変形範囲を広く採ることができる。ただし、本構成では電解質膜を変形させる力がガスケットより加わるので、電解質膜は所定の強度を備える必要がある。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
燃料電池の電解質膜とセパレータとの間に配されて反応ガスあるいは冷却媒体のシールに用いられる燃料電池用ガスケットを、請求項１に記載のごとく、セパレータ側に、セパレータに備えられた溝に嵌め込まれる凸部、凸部の周りにセパレータ表面に接触する底面、および底面となす角が鋭角でない側面、を有する底部と、底部の反凸部側に、電解質膜側に開いた凹部を形成する側壁と、を備えて構成することとし、さらに、側壁が凹部の外側に傾斜しているものとしたので、
セパレータに位置ずれを生じることなく配設され、かつ、シール面に締付け力が効果的に加わり、適切なシール性能を確保した電池スタックが小さな締付け力で、かつ、電極部材の厚さのばらつきの影響を受けることなく組立て可能な燃料電池用ガスケットが得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用ガスケットの第１の実施例の構成を示す要部断面図
【図２】第１の実施例の燃料電池用ガスケットの通常の圧縮状態における形状を示す要部断面図
【図３】第１の実施例の燃料電池用ガスケットの最大圧縮状態における形状を示す要部断面図
【図４】位置ずれが生じた場合の本実施例の燃料電池用ガスケットの通常の圧縮状態における形状を示す要部断面図
【図５】本発明の燃料電池用ガスケットの第１の実施例の構成を示す要部断面図
【図６】第１の実施例の燃料電池用ガスケットが装着されるセパレータの表面形状を示す正面図
【図７】燃料電池用ガスケットの従来例の構成を示す要部断面図
【図８】燃料電池用ガスケットの他の従来例の構成を示す要部断面図
【図９】燃料電池用ガスケットの他の従来例の構成を示す要部断面図
【図１０】第１の実施例と比較するために示した燃料電池用ガスケットの要部断面図
【符号の説明】
１ 燃料電池用ガスケット
１ａ 突起部
１ｂ 凸部
２ セパレータ
３ 電解質膜
４ シール溝

Claims (1)

1. 燃料電池の電解質膜とセパレータとの間に配されて反応ガスあるいは冷却媒体のシールに用いられる燃料電池用ガスケットであって、
   セパレータに備えられた溝に嵌め込まれる凸部と、凸部の周りにセパレータ表面に接触する底面と、前記底面となす角が鋭角ではない側面と、を有する底部と、
   前記底部の反凸部側に、電解質膜側に開いた凹部を形成する側壁と、
   を備え、
   前記側壁が前記凹部の外側に傾斜している燃料電池用ガスケット。

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