JP5062389B2 - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池およびその製造方法に関するものである。
燃料電池スタック内の各セルにおけるガスまたは冷却流路用シール構造体としては、液状ゴム等の弾性体よりなるガスケットをセパレータ上に形成する構造が最も一般的である(特許文献1、2参照)。
一方、一対のセパレータ間に配置されるMEAにガスケットを形成する構造としては、
(1)MEAの外周部に樹脂フィルムを付設して、このフィルム上にガスケットを形成する構造(特許文献3参照)、あるいは
(2)MEAを構成するGDLの両面に液状ゴムの射出成形によってガスケットを成形し、かつ一部の液状ゴムをポーラス構造のGDLに含浸させる構造(特許文献4、5参照)
が検討されている。
これらの従来技術はいずれも、その所期の目的であるシール機能を十分に発揮することができるが、前者(1)には、樹脂フィルムが必要とされることから部品点数および製造工数が増加する不都合があり、また後者(2)には、スタック組立時におけるガスケット圧縮荷重がGDLにも直接作用することからGDLに過度の負担がかかる不都合がある。
上記不都合を解消するには、GDLすなわちMEAの平面上ではなく、MEAの外周側であってMEAの平面延長線上に液状ゴムの射出成形によってゴムシートを成形し、このとき一部の液状ゴムをGDLの周縁部に含浸せしめることによってゴムシートをMEAに一体化するとともに、ゴムシートの両面にガスケット形状のリップラインを一体成形する構造とするのが好ましく、このようにMEAとゴムシートおよびリップラインとを横並び形状の構造とすると、樹脂フィルムを省略することができ、また、ガスケット圧縮荷重がGDLに直接作用するのを防止することができる。
しかしながら、この横並びの構造によると、その製造時、一部の液状ゴムをGDLの周縁部に含浸せしめるときに、含浸領域の幅(奥行)を適切に制御するのが困難であることから、液状ゴムがGDLの平面方向に奥行深く含浸し、その結果、GDLの平面中央に広く設定されるべきMEA反応領域が狭くなって、発電容量が低下する懸念がある。
特開2001−332275号公報 特開2004−63295号公報 特開2003−7328号公報 特開2003−68332号公報 PCT WO2002/043172号公報
本発明は以上の点に鑑みて、MEAを構成するGDLの周縁部にシールリップラインを構成するゴムを含浸する構造のシール構造体において、GDLの周縁部に対するゴムの含浸領域の幅を適切に制御することができ、もってMEA反応領域が狭くなって発電容量が低下するのを抑えることができる燃料電池とその製造方法を提供することを目的とする。
またこれに加えて、シール構造体が自らリップラインの圧縮率を制御する機能を有し、もってリップラインをセパレータに対して適切な姿勢にて密接させることができる燃料電池とその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の請求項1による燃料電池は、一対のセパレータ間に配置されるMEAと、前記MEAの外周側であって前記MEAの平面延長線上に配置されるゴムシートと、前記ゴムシートの両面に一体成形され前記セパレータに密接するガスケット形状のリップラインとを有し、前記MEAの周縁部には、前記ゴムシートを構成する一部のゴムが前記MEAを構成するGDLに含浸せしめられることにより前記ゴムシートを前記MEAに一体化するゴム含浸部を有し、前記MEAの平面内であって前記ゴム含浸部の直ぐ内周側には、前記GDLを圧縮して成形時に前記ゴムが通過しにくいことにより前記ゴムの含浸領域を規制するGDL絞り部が設けられていることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項2による燃料電池は、上記した請求項1の燃料電池において、ゴムシートにおけるリップラインの内周側および外周側の少なくとも一方または双方には、スタック組立時に一対のセパレータ間に挟まれて前記セパレータ間の間隔を規定する定寸止め部が一体成形されていることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項3による燃料電池の製造方法は、上記した請求項1または2の燃料電池を製造する方法であって、MEAをインサートした状態でゴムシートを射出成形する金型は、型締め時に一部のGDLの厚みを圧縮してGDL絞り部を形成するための段差状の押圧部を分割型の対向部に有し、前記金型に設けた押圧部によって一部のGDLの厚みを圧縮した状態で前記射出成形を実施することを特徴とするものである。
更にまた、本発明の請求項4による燃料電池の製造方法は、上記した請求項3の燃料電池の製造方法において、金型に設けた押圧部以外によるGDL圧縮量は0〜20%、押圧部によるGDL圧縮量は30〜50%とすることを特徴とするものである。
上記構成を備えた本発明の請求項1による燃料電池においては、MEAの平面内であってゴム含浸部の直ぐ内周側に、前記GDLを圧縮して成形時に前記ゴムが通過しにくいことにより前記ゴムの含浸領域を規制するGDL絞り部が設けられることから、このGDL絞り部によってゴムの含浸が堰き止められる。請求項3の製造方法に記載したように、このGDL絞り部は、射出成形用金型の分割型対向部に予め設けた段差状の押圧部が型締め時に一部のGDLの厚みを圧縮することによって形成され、これにより該部位においてGDLポーラス構造の空洞の容積が減少することから、含浸抵抗が大きくなり、よってゴムがポーラス内を通過しにくくなる。請求項4に記載したように、金型に設けた押圧部以外によるGDL圧縮量は0〜20%であるのに対して、押圧部によるGDL圧縮量は30〜50%と比較的大きく設定され,よってこの分、ゴムはポーラス内を通過しにくくなる。30%未満であると、十分な絞り効果を発揮することができず、反対に50%を上回ると、GDLに過度の負担がかかる虞がある。
また、本発明の燃料電池においては、ゴムシートの両面に一体成形されたリップラインが一対のセパレータ間に挟まれてセパレータに密接することによりシール機能が発揮されるが、このリップラインのみでは柔軟過ぎることから、スタック組立時における一対のセパレータによるゴム圧縮荷重を適切に受け止めることができず、その結果、ゴム圧縮量が過大となってリップラインが潰れ過ぎることが懸念される。そこで、本発明の請求項2による燃料電池では、ゴムシートにおけるリップラインの内周側および外周側の少なくとも一方または双方に、スタック組立時に一対のセパレータ間に挟まれてセパレータ間の間隔を規定する定寸止め部を一体成形し、この定寸止め部にてゴム圧縮量を適切に制御することにした。
本発明は、以下の効果を奏する。
すなわち、上記構成を備えた本発明の請求項1、3または4による燃料電池またはその製造方法においては、GDLに設けられる絞り部によってゴムの含浸が堰き止められることから、GDLに対するゴムの含浸領域の幅を適切に制御することが可能とされている。したがって本発明所期の目的どおり、MEAの反応領域が狭くなって発電容量が低下するのを未然に防止することができる。
またこれに加えて、本発明の請求項2または3による燃料電池またはその製造方法においては、リップラインに並んで設けられる定寸止め部によってスタック組立時における一対のセパレータ間の間隔が規定されることから、一対のセパレータによるゴム圧縮量を適切に制御することが可能とされている。したがって本発明所期の目的どおり、リップラインをセパレータに対して適切に密接させることができ、安定したシール性能を発揮させることができる。
尚、本発明には、以下の実施形態が含まれる。
(a)液状ゴム射出成形によりMEA外周部全周にセル組立時セパレータ間隙間より薄いゴムシートをMEA端部に含浸接着することにより形成、ゴムシート両面にガスケット形状のリップラインを形成することによりシール機能を付与するMEA一体ガスケット構造においては、ゴムシートとGDL端部との含浸接着部として、セル組立時にゴムシートとGDLの剥がれ防止を目的に、GDL側含浸領域を十分確保する必要があるが、一方含浸領域がMEA反応領域にまで達してしまうことによる反応面積の減少による発電容量の低下が懸念される。そこで上記懸念対策として、型構造により成形時のGDL圧縮量を含浸部領域については0〜20%程度とし、ゴム含浸抵抗を小さくすることにより、十分に含浸がなされる構造とするとともに、含浸領域から反応領域の間にGDL圧縮量が30〜50%程度となる領域を設けることにより、ゴム含浸抵抗を大きくすることで、反応領域にまでゴムが含浸することを防ぐ構造とする。
(b)MEA外周部にゴムシートを形成、シート上にガスケット形状のリップラインを形成するMEA一体ガスケットの構造において、ゴムシートとGDLの含浸接着部の型構成を含浸領域についてはGDL圧縮量を0〜20%程度とすることで含浸し易い構造とし、含浸部から反対面外側についてはGDL圧縮量を30〜50%とする領域を設けることで反応領域にまで含浸が達しない構造とする。
(c)GDL端部より3mm程度までを含浸領域として、当部分のGDL圧縮量を0〜20%程度とする。含浸領域から反応面の間に2〜5mm程度のGDL圧縮量30〜50%程度の領域を設け、含浸が反応面に達しない構造とする。
(d)上記(a)(b)または(c)の構成によると、MEA一体ガスケット構造において、MEA外周部ゴムシートとGDLとの含浸接着強度を十分確保するとともに、反応領域にまでゴムが含浸することを防ぐことで、発電容量の低下を阻止することができる。
つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
第一実施例・・・
図1は、本発明の第一実施例に係る燃料電池におけるシール構造体1の平面図を示しており、そのA−A線拡大断面図が図2に示されている。当該実施例に係る燃料電池におけるシール構造体1は以下のように構成されている。
すなわち先ず、図2に示すように、電解質膜3の両側(両面側、図2における上側および下側)にGDL(ガス拡散層)4が重ねられて、これらの積層構造よりなるMEA(膜電極複合体)2が形成されており、このMEA2は一対のセパレータ5間に挟み込まれることになる。
当該実施例に係る燃料電池におけるシール構造体1は、この一対のセパレータ5間に挟み込まれるMEA2と、MEA2の外周側(図2における右側)であってMEA2の平面延長線上(延長平面上)に配置されるゴムシート6と、ゴムシート6の両面に一体成形されるとともにセパレータ5に密接するガスケット形状のリップライン(シールリップラインまたはガスケットとも称する)7とを一体に有しており、MEA2の周縁部に、ゴムシート6を構成する一部の液状ゴムがその成形時に、MEA2を構成するポーラス構造のGDL4に含浸せしめられることによって、ゴムシート6をMEA2に一体化するゴム含浸部(含浸領域とも称する)8が所定の幅領域a(例えばa=3mm)に亙って全周に設けられている。
また、MEA2の平面内であってゴム含浸部8の直ぐ内周側(図2における左側)には、液状ゴムの含浸領域を規定するためのGDL絞り部(含浸規制領域とも称する)9が所定の幅領域b(例えばb=2〜5mm)に亙って全周に設けられている。この絞り部9は、該部GDL4を強く圧縮することにより該部GDL4の厚み延いてはMEA2の厚みを大きく縮小したものであって、厚みの縮小に対応してGDL4におけるポーラス構造の空洞の容積が縮小することから、成形時に液状ゴムが通過しにくい構造とされている。
また、MEA2の平面内であってGDL絞り部9の内周側は、MEA反応領域10とされている。
上記構成のシール構造体1は、以下のようにしてこれを製造する。
すなわち先ず、その製造に際しては、図3に示すような射出成形用金型21を使用する。この金型21は、図3から図4へと示すように、その内部にMEA2をインサートするとともに液状ゴムを成形材料としてゴムシート6を射出成形するものであって、互いに組み合わされる上型22および下型23を有し、その対向部にキャビティ空間24が設けられている。
また、このキャビティ空間24の定位置にインサートされるMEA2における上記絞り部9に対応する位置には、MEA2に絞り部9を形成すべく、段差状の押圧部25が設けられている。この押圧部25は、互いに対向する上下一対の突起の組み合わせよりなり、型締め時にこの押圧部25に挟まれるGDL4を強く圧縮することによりGDL4の厚み延いてはMEA2の厚みを大きく縮小し、これによりMEA2に薄肉状の絞り部9を形成する。この押圧部25によるGDL圧縮量(率)は30〜50%程度に設定され、これは、押圧部25以外の部位によるGDL圧縮量(率)が0〜20%程度であるのに対して、比較的大きく設定されている。
また、キャビティ空間24の定位置にインサートされるMEA2におけるゴム含浸部8に対応する位置には、キャビティ空間24に液状ゴムを注入すべく、注入ゲート26が上型22に設けられている。
上記構成の金型21にMEA2をインサートして型締めすると、図4に示すように押圧部25によってMEA2に絞り部9が形成される。次いで引き続き、ゲート26から液状ゴムを注入すると、ゴム含浸部8に対応する部位におけるGDL圧縮量は上記したように小さく設定されているので、液状ゴムはGDL4に対して円滑に含浸してゴム含浸部8を形成し、更にその外周側のゴムシート6およびリップライン7を成形するための成形空間27に円滑に充填される。
これに対して、ゴム含浸部8の内周側に位置する絞り部9におけるGDL圧縮量は上記したように大きく設定されているので、この絞り部9に対して液状ゴムは殆んど含浸することがない。したがって、液状ゴムの含浸領域の幅をほぼ予定値(当該実施例では、上記したように幅a=3mm)どおりに設定することができ、よってゴム含浸領域が内周側へ拡大するのを防止することができる。
また、成形完了後、絞り部9は、上記したようにポーラス構造の空洞の容積が縮小されているので、内部構造が緻密でかつ硬い部位となる。
第二実施例・・・
図5は、本発明の第二実施例に係る燃料電池におけるシール構造体1の要部断面図を示しており、当該実施例に係る燃料電池におけるシール構造体1は以下のように構成されている。
すなわち先ず、電解質膜3の両側にGDL4が重ねられて、これらの積層構造よりなるMEA2が形成されており、このMEA2は一対のセパレータ5間に挟み込まれる。
当該実施例に係るシール構造体1は、この一対のセパレータ5間に挟み込まれるMEA2と、MEA2の外周側であってMEA2の平面延長線上に配置されるゴムシート6と、ゴムシート6の両面に一体成形されるとともにセパレータ5に密接するガスケット形状のリップライン7とを一体に有しており、MEA2の周縁部に、ゴムシート6を構成する一部の液状ゴムがその成形時に、MEA2を構成するポーラス構造のGDL4に含浸せしめられることによって、ゴムシート6をMEA2に一体化するゴム含浸部8が所定の幅領域a(例えばa=3mm)に亙って全周に設けられている。
また、MEA2の平面内であってゴム含浸部8の直ぐ内周側(図5における左側)には、液状ゴムの含浸領域を規定するためのGDL絞り部9が所定の幅領域b(例えばb=2〜5mm)に亙って全周に設けられている。この絞り部9は、該部GDL4を強く圧縮することにより該部GDL4の厚み延いてはMEA2の厚みを大きく縮小したものであって、厚みの縮小に対応してGDL4におけるポーラス構造の空洞の容積が縮小することから、成形時に液状ゴムが通過しにくい構造とされている。
また、MEA2の平面内であってGDL絞り部9の内周側は、MEA反応領域10とされている。
更にまた、ゴムシート6の両面におけるリップライン7の内周側および外周側にはそれぞれ、スタック組立時に一対のセパレータ5間に挟まれてセパレータ5間の間隔を規定するための定寸止め部(サブリップまたはゴムスペーサーまたは荷重受け部とも称する)11,12が一体成形されている。
上記リップライン7は、その求められるシール機能について長期耐久性を要求されることから、圧縮時に高い面圧を発現する形状とされ、具体的には、断面山形ないし三角形状に形成されて鋭利な先細の先端部を有し、かつその高さ寸法hを定寸止め部11,12の高さ寸法hよりも高く設定されている(h>h)。
一方、定寸止め部11,12はそれぞれ、リップライン7が所望の圧縮率となるよう、すなわちリップライン7が圧縮荷重に対して所望の高さ寸法となるように制御することが要求され、このため圧縮荷重に対して殆んどあるいは全く変形を生じない形状とされ、具体的には、断面台形ないし四角形状に形成されて平坦な先端部を有し、かつその両面に亙る高さ寸法hをリップライン7の高さ寸法hよりも低く設定されている(h<h)。また、両定寸止め部11,12は互いに同じ高さ寸法hに設定されており、平坦な先端部は同一平面上に配置されている。
上記液状ゴムの硬化物よりなるゴム弾性体の硬度は、40〜50度程度と柔らかめに設定されており、リップライン7の圧縮率は30〜50%程度に設定されている。したがって、リップライン7の内周側および外周側であって定寸止め部11,12との間にはそれぞれ、リップライン7の圧縮変形を許容すべくゴム弾性体の逃げ部としての溝状空間部13,14が設定されているが、この溝状空間部13,14の容積は可及的に小さいことが望ましく、これにより定寸止め部11,12が支えとして機能することによってリップ倒れを抑制する構造とされている。リップライン7の先端部と各定寸止め部11,12との距離dは実寸で2〜5mm程度が目安とされる。
図5は、燃料電池スタックを組み立てる以前の初期状態を示しており、この初期状態からスタックを組み立ててシール構造体1に厚さ方向の圧縮荷重が加えられると、図6に示すように、リップライン7が一対のセパレータ5間に挟まれて圧縮変形し、その反力によってセパレータ5の内面に密接する。引き続き圧縮荷重が加えられてセパレータ5が定寸止め部11,12に接触すると、この定寸止め部11,12は圧縮荷重に対して変形しない形状であるために、セパレータ5間の間隔cが規定され、その結果として、リップライン7の圧縮率がシール機能を発現するのに十分なところで制御される。このとき定寸止め部11,12は、間隔cを狭める方向に変位する一対のセパレータ5間に挟まれて変位を停止させるスペーサーとして機能する。したがって、シール構造体1は定寸止め部11,12を有することによって自らリップライン7の圧縮率を制御することが可能とされており、これにより以下の効果を発揮することが可能とされている。
(1)すなわち先ず、従来技術において散見されるようにセパレータ5の断面形状を複雑化することによってリップライン7の圧縮率を制御するものではないために、セパレータ5の断面形状を単純なものとしてその薄肉化を実現することができる。図5に示したように、セパレータ5の内面は、溝状流路5aの形成部位以外、全くの平坦であって良い。
(2)また、一対のセパレータ5間に専用のスペーサーを介在させることによってセパレータ5間の間隔を規制するものではないために、このスペーサーによる部品点数や組立工数の増大をなくすことができる。
また併せて、上記構成のシール構造体1は、以下の効果を発揮する。
(3)リップライン7の直ぐ隣りに定寸止め部11,12が設けられているために、定寸止め部11,12が支えとして機能することによって、リップ倒れが発生するのを抑制することができる。
(4)定寸止め部11,12がゴムシート6に一体成形されていてゴム弾性体によって成形されているために、定寸止め部11,12が硬質樹脂などの硬材によって成形される場合と比較して、定寸止め時の応力の立ち上がり度合いを緩やかなものとすることができる。したがって、その緩衝効果による部品破損防止効果を期待することができる。
(5)また、スタックとして組立後のゴム弾性による防振効果を期待することもできる。防振効果は、燃料電池が車載用等として過酷な条件下にて使用されるときに、極めて重要な要素となる。
尚、上記第二実施例に係る燃料電池におけるシール構造体1は、上記本発明の目的を実現可能な範疇にてその構成を種々変更することが可能であり、例えば以下のようなものであっても良い。
(A)上記第二実施例では、リップライン7の内周側および外周側の双方にそれぞれ定寸止め部11,12を設ける構成としたが、内周側または外周側のいずれか一方のみに定寸止め部11,12を設ける構成としても良い。
(B)上記第二実施例では、定寸止め部11,12を全周に亙って設ける構成としたが、周上分割配置(周上間隔を開けて複数配置)する構成としても良い。
(C)上記第二実施例では、MEA2の厚さに対してゴムシート6の厚さを同じに設定し、このゴムシート6の厚さを増幅させるようにしてその表裏両面にリップライン7および定寸止め部11,12を一体成形する構成としたが、MEA2の厚さに対して定寸止め部11,12の厚さを同じ寸法に設定し、リップライン7の厚さをこれよりも大きく設定し、リップライン7および定寸止め部11,12間に溝状の空間部13,14を形成する構成としても良い。
また、上記第二実施例係る燃料電池におけるシール構造体1の製造方法は、その使用する金型21が定寸止め部11,12を成形するための成形空間を有する以外、第一実施例と同じである。したがって重複を避けるべく、その詳細な説明を省略する。
本発明の第一実施例に係る燃料電池におけるシール構造体の平面図 同シール構造体の要部拡大断面図であって図1におけるA−A線拡大断面図 同シール構造体の製造方法を示す要部断面図(型締め前) 同シール構造体の製造方法を示す要部断面図(型締め後) 本発明の第二実施例に係る燃料電池におけるシール構造体の要部断面図 同シール構造体の組立状態を示す要部断面図
1 シール構造体
2 MEA
3 電解質膜
4 GDL
5 セパレータ
6 ゴムシート
7 リップライン
8 ゴム含浸部
9 GDL絞り部
10 MEA反応領域
11,12 定寸止め部
13,14 溝状空間部
21 射出成形用金型
22 上型(分割型)
23 下型(分割型)
24 キャビティ空間
25 押圧部
26 注入ゲート
27 成形空間

Claims (4)

  1. 一対のセパレータ(5)間に配置されるMEA(2)と、前記MEA(2)の外周側であって前記MEA(2)の平面延長線上に配置されるゴムシート(6)と、前記ゴムシート(6)の両面に一体成形され前記セパレータ(5)に密接するガスケット形状のリップライン(7)とを有し、
    前記MEA(2)の周縁部には、前記ゴムシート(6)を構成する一部のゴムが前記MEA(2)を構成するGDL(4)に含浸せしめられることにより前記ゴムシート(6)を前記MEA(2)に一体化するゴム含浸部(8)を有し、
    前記MEA(2)の平面内であって前記ゴム含浸部(8)の直ぐ内周側には、前記GDL(4)を圧縮して成形時に前記ゴムが通過しにくいことにより前記ゴムの含浸領域を規制するGDL絞り部(9)が設けられていることを特徴とする燃料電池
  2. 請求項1の燃料電池において、
    ゴムシート(6)におけるリップライン(7)の内周側および外周側の少なくとも一方または双方には、スタック組立時に一対のセパレータ(5)間に挟まれて前記セパレータ(5)間の間隔(c)を規定する定寸止め部(11)(12)が一体成形されていることを特徴とする燃料電池
  3. 請求項1または2の燃料電池を製造する方法であって、
    MEA(2)をインサートした状態でゴムシート(6)を射出成形する金型(21)は、型締め時に一部のGDL(4)の厚みを圧縮してGDL絞り部(9)を形成するための段差状の押圧部(25)を分割型(22)(23)の対向部に有し、
    前記金型(21)に設けた押圧部(25)によって一部のGDL(4)の厚みを圧縮した状態で前記射出成形を実施することを特徴とする燃料電池の製造方法。
  4. 請求項3の燃料電池の製造方法において、
    金型(21)に設けた押圧部(25)以外によるGDL圧縮量は0〜20%、押圧部(25)によるGDL圧縮量は30〜50%とすることを特徴とする燃料電池の製造方法。
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