JP5569675B2

JP5569675B2 - 燃料電池用シール構造

Info

Publication number: JP5569675B2
Application number: JP2009288686A
Authority: JP
Inventors: 静夫中村; 慶宏蔵野
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: JP2011129445A

Description

本発明は、燃料電池に係り、更に詳しくは、燃料電池セルにおけるシール構造に関するものである。

燃料電池セルは、その主な構成部品として、電解質膜および電極層の組み合わせよりなる膜電極複合体（ＭＥＡ）、ガス拡散層（ＧＤＬ）、セパレータならびにガスケット等を有し、アノード側より水素等の燃料ガス、カソード側より空気等の酸化ガス（以下、両ガスを総称して反応ガスとも称する）を供給して発電する仕組みとなっている。

また、燃料電池セルに組み込まれるシール構造には様々なタイプがあり、その一つとして図７に示すように、電解質膜３および電極層４の組み合わせよりなる膜電極複合体２ならびに前記膜電極複合体２に組み合わされるガス拡散層５を有する発電体１にガスケット２１を一体的に設け、ガスケット２１にシールリップ２５を設け、シールリップ２５をセパレータ４１に密接させることにより、セル内部を流れる反応ガスがセル外部へ漏洩するのを抑制するものが知られている（特許文献１参照）。図８に示すようにシールリップ２５は発電体１の外周縁部に全周に亙って設けられるとともに、発電体１の平面上に設定される貫通穴（マニホールド穴）１１の回りを囲むように設けられている。

しかしながら、上記従来のシール構造によると、図７の断面図に示したように各構成部品をセルとして組み立てたときに、シールリップ２５の内側にシールリップ２５の長手方向（図では紙面直交方向）に沿って空隙４４が形成され、この空隙４４によりガス供給口１２（図８）から空隙４４を経由してガス排出口１３（図８）へ至る反応ガスの短絡流路が形成されることから、発電効率のロスを生じる不都合がある。

すなわち図８の平面図に示したように、反応ガスは本来、セパレータ４１に設けた流路溝４３（図７）に案内される等して、ガス供給口１２から発電体１平面中央の発電領域１４を経由して発電しつつガス排出口１３へ流れるべきところ（矢印Ｃ）、一部のガスが発電領域１４を経由せずにガス供給口１２から前記空隙４４を経由してガス排出口１３へ短絡（ショートカット）してしまうことがあり（矢印ＤまたはＥ）、このようなことがあると短絡するガスは発電作用にまったく寄与しないことから、発電効率のロスを生じることになる。

特開２００８−４７２９５号公報特許第３８２０８８３号公報

本発明は以上の点に鑑みて、膜電極複合体およびガス拡散層を有する発電体にガスケットを一体的に設けるタイプのシール構造において、反応ガスが発電領域を経由せずにガス供給口からシールリップ内側の空隙を経由してガス排出口へ短絡するのを抑制し、もって燃料電池の発電効率を向上させることができる燃料電池用シール構造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による燃料電池用シール構造は、膜電極複合体およびガス拡散層を有する発電体に一体的に設けられたガスケットを有し、前記ガスケットは、セル内部の反応ガスがセル外部へ漏洩するのを抑制するシールリップを有し、前記シールリップの内側にはセル組立時、前記シールリップの長手方向に沿って空隙が形成され、前記空隙によりガス供給口から前記空隙を経由してガス排出口へ至る反応ガスの短絡流路が形成される燃料電池用シール構造において、前記ガスケットに前記シールリップとともにサブリップを一体成形し、前記サブリップは、前記シールリップの内側において前記シールリップと交叉するよう設けられ、セル組立時、前記サブリップを設けた部位において前記空隙の開口断面積を縮小しまたは前記空隙を閉塞し、これにより前記短絡流路を遮り、前記サブリップは、その高さ寸法が前記シールリップの高さ寸法よりも低く設定され、ただし前記シールリップに連なる部位では、前記サブリップの高さ寸法が前記シールリップに近付くに連れ徐々に高くなる形状とされ、前記サブリップの高さ寸法が前記シールリップに近付くに連れ徐々に高くなる形状は、前記サブリップの稜線が円弧状曲線をなすとともに前記円弧状曲線が前記シールリップの先端部に外接する接円弧形状とされ、前記サブリップは、その底面の一部で、一部のガスケット成形材料が多孔質体よりなる前記ガス拡散層の気孔内に含浸することによって成形された含浸部に繋がり、更に前記サブリップは、その長手方向一端部で前記シールリップに一体に繋がるとともに長手方向他端部で前記発電体上に達し、前記サブリップの底面はその一部で前記ガスケットの基部に繋がり、一部で前記含浸部に繋がり、一部で前記発電体のガス拡散層に密接していることを特徴とするものである。

上記構成を有する本発明のシール構造においては、膜電極複合体およびガス拡散層を有する発電体にガスケットが一体的に設けられ、ガスケットにシールリップとともにサブリップが一体成形され、サブリップが、シールリップの内側においてシールリップと交叉するように設けられて、セルとして組み立てられたときにサブリップを設けた部位において空隙の開口断面積を縮小しまたは空隙を閉塞し、これにより反応ガスの短絡流路を遮るものとされている。したがって、反応ガスがシールリップ内側の空隙に沿って流れようとするとこれをサブリップが堰き止める作用をなすことから、反応ガスが短絡流路を流れにくくすることが可能とされている。サブリップは短絡流路に少なくとも１箇所設けられるが、複数箇所に設ければその分、堰き止め効果が増大する。

また、本発明では、上記したようにガスケットにシールリップとともにサブリップが一体成形されるが、このうちシールリップはセル内部の反応ガスがセル外部へ漏洩しないようこれをシールすると云う重要な作用を果たすものである。また本発明では、シールリップにサブリップが交叉するように設けられる。したがってシールリップの高さ寸法に対しサブリップの高さ寸法を高くまたは同じに設定すると、両リップの交叉部近くでシールリップに十分なシール面圧を立てられなくなることが懸念される。

そこで、これに対策するには、シールリップの高さ寸法に対しサブリップの高さ寸法を低く設定し、これによりシールリップに十分なシール面圧を確保する。

但し、サブリップの高さ寸法をサブリップの全長に亙って同じに設定すると、両リップの交叉部において高さの違いによる段差が生じ、この段差がセルとして組み立てられたときにサブリップ側の凹みとなって残り、凹みは空隙を閉塞しないので、ここから反応ガスが漏れることが懸念される。

そこで、これに対策するには、サブリップを、シールリップに連なる部位でサブリップの高さ寸法がシールリップに近付くに連れ徐々に高くなる形状とする。これによれば、上記凹みとなって残るような段差が形成されないため、凹みが生じるのを防止することが可能となる。

尚、サブリップの高さ寸法がシールリップに近付くに連れ徐々に高くなる形状としては、サブリップの稜線が円弧状曲線をなすとともにこの円弧状曲線がシールリップの先端部に外接する接円弧形状とするのが最も好ましい。これはサブリップの圧縮時における応力分布が最も安定化するからである。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明においては上記したように、ガスケットにシールリップとともにサブリップが一体成形され、反応ガスがシールリップ内側の空隙内を流れようとするとこれをサブリップが堰き止めることから、反応ガスが短絡流路を流れにくくなる。したがって、膜電極複合体およびガス拡散層を有する発電体にガスケットを一体的に設けるタイプのシール構造において、反応ガスが発電領域を経由せずにガス供給口からシールリップ内側の空隙を経由してガス排出口へ短絡するのを抑制し、もって燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、シールリップに十分なシール面圧を確保することができるとともに、両リップの交叉部に段差による凹みが生じないため、凹みから反応ガスが漏れるのを防止することができる。

比較例に係るシール構造を有する燃料電池セルの要部断面図本発明の実施例に係るシール構造を有する燃料電池セルの組立前の状態を示す要部断面図図３（Ａ）は図２におけるＦ方向矢視図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）におけるＧ−Ｇ線拡大断面図同燃料電池セルの組立後の状態を示す要部断面図図５（Ａ）は同シール構造におけるガスケットの組立前の状態を示す要部断面図、図５（Ｂ）は同ガスケットの組立後の状態を示す要部断面図図６（Ａ）はガスケットの他の例を示す組立前の状態の要部断面図、図６（Ｂ）は同ガスケットの組立後の状態を示す要部断面図従来例に係るシール構造を有する燃料電池セルの要部断面図発電体の一般構造を示す平面図

つぎに本発明の実施例を説明するが、説明の便宜上、先ず対応する比較例を説明し、それから実施例を説明する。

比較例・・・
図１は、比較例に係るシール構造を有する燃料電池セルの要部断面を示している。

当該比較例においては、電解質膜（図示せず）の上下両面に電極層（図示せず）が重ねられて膜電極複合体２が形成されるとともに膜電極複合体２の上下両面にガス拡散層５が重ねられて発電体１が形成され、この発電体１にガスケット２１が一体的に設けられ、ガスケット２１にシールリップ２５が設けられ、セルとして組み立てられたときにシールリップ２５がセパレータ４１に密接することにより、セル内部を流れる反応ガスがセル外部へ漏洩するのを抑制するものとされている。

ガスケット２１は、所定のゴム状弾性体よりなり、上記発電体１と同じ厚み寸法のガスケット基部２２が発電体１の外周部に設けられ、ガスケット成形時に一部のガスケット成形材料が多孔質体よりなるガス拡散層５周縁部の気孔内に含浸することによって発電体１に一体化されている。以下このガスケット成形材料が含浸した部位を含浸部２３とも称する。シールリップ２５はガスケット基部２２の上下両面にそれぞれ設けられている。シールリップ２５の断面形状は、その高さが高くなるに連れて幅が徐々に狭くなる三角形ないし略三角形状とされ、その先端部には断面円弧（アール）形のリップ端２５ａが設けられている。セパレータ４１には、シールリップ２５を納める空間を確保するための凹部形状４２が設けられ、またその内側に位置して、反応ガスを発電領域に広く拡散するための流路溝４３が設けられている。

上記比較例において、各構成部品がセルとして組み立てられると、各シールリップ２５の内側（図では左側）に位置して、発電体１、ガスケット２１およびセパレータ４１に囲まれるようにして空隙４４が形成され、この空隙４４はシールリップ２５の長手方向（図では紙面直交方向）に沿って長く延びるものである。したがってこの空隙４４によりガス供給口から空隙４４を経由してガス排出口へ至る反応ガスの短絡流路が形成され、これにより発電効率のロスを生じる場合がある。

実施例・・・
そこで、本発明の実施例では、上記構成に加えて、以下の対策が施されている。

すなわち、図２および図３に示すように、上記ガスケット２１にシールリップ２５とともにサブリップ２６が一体成形され、このサブリップ２６は、シールリップ２５の内側においてシールリップ２５と交叉するように設けられ、図４に示すようにセルとして組み立てられたときに、当該サブリップ２６を設けた部位において空隙４４の開口断面積を縮小し、または空隙４４を閉塞し、これにより反応ガスの短絡流路を遮るものとされている。

サブリップ２６は、シールリップ２５の長手方向と直交する方向に長く形成され、その長手方向一端部でシールリップ２５に一体に繋がっている。長手方向の他端部は発電体１上に達している。サブリップ２６の底面はその一部でガスケット基部２２に繋がり、一部で含浸部２３に繋がり、一部で発電体１のガス拡散層５に密接している。

また、サブリップ２６は、固有のリップ基部２７を有し、このリップ基部２７の平面上にリップ基部２７より幅狭なビード状を呈する断面円弧（アール）形のリップ端２８が設けられている。リップ基部２７およびリップ端２８はそれぞれサブリップ２６の全長に亙って設けられている。

また、サブリップ２６は、シールリップ２５の長手方向一部に部分的に設けられるものであって、短絡流路１本ごとに１箇所または複数箇所設けられている。

上記構成の対策を施したうえで各構成部品をセルとして組み立てると図４に示すようになり、すなわちサブリップ２６によってシールリップ２５内側の空隙４４の開口断面積が縮小され、または空隙４４が閉塞され、これにより反応ガスの短絡流路が遮られる。したがって、反応ガスがシールリップ２５内側の空隙４４に沿って流れようとしてもこれをサブリップ２６が堰き止めることから、反応ガスは短絡流路を流れず、または少なくとも流れにくくなる。したがって本発明所期の目的どおり、膜電極複合体２およびガス拡散層５を有する発電体１にガスケット２１を一体的に設けるタイプのシール構造において、反応ガスが発電領域を経由せずにガス供給口からシールリップ２５内側の空隙４４を経由してガス排出口へ短絡するのを抑制し、もって燃料電池の発電効率を向上させることができる。

尚、当該実施例では、上記したようにガスケット２１にシールリップ２５とともにサブリップ２６が一体成形されるが、前者のシールリップ２５はセル内部の反応ガスがセル外部へ漏洩しないようこれをシールすると云う重要な作用を果たすものである。また当該実施例では、シールリップ２５にサブリップ２６がその長手方向一端部でＴ字状に交叉するように設けられている。したがってシールリップ２５の高さ寸法に対してサブリップ２６の高さ寸法を高くまたは同じに設定すると、両リップ２５，２６の交叉部近くでシールリップ２５に十分なシール面圧を立てられなくなり、シール面圧が不足する事態が発生することが懸念される。

そこで、これに対策するため、当該実施例では、図５（Ａ）に拡大して示すようにシールリップ２５の高さ寸法ｈ_１に対してサブリップ２６の高さ寸法ｈ_２が若干低く設定され、これによりシールリップ２５に十分なシール面圧が確保されている。

但し、同図に示したようにサブリップ２６の高さ寸法ｈ_２をサブリップ２６の全長に亙って同じに設定すると、両リップ２５，２６の交叉部に高さの違いによる段差２９が生じ、この段差２９がセルとして組み立てられたときに、図５（Ｂ）に示すようにサブリップ２６側の凹み３０となって残り、ここから反応ガスが漏れることが懸念される。

そこで、これに対策するため、当該実施例では、サブリップ２６が、シールリップ２５に連なる部位でサブリップ２６の高さ寸法ｈ_２がシールリップ２５に近付くに連れ徐々に高くなる形状とされ、一層好適には図６（Ａ）に示すように、サブリップ２６の稜線３１が円弧状曲線をなすとともにこの円弧状曲線がシールリップ２５先端部の円弧状曲線に外接する接円弧形状３２とされている。この構成によれば、図６（Ｂ）に示すように凹み３０が形成されないことから、サブリップ２６によるシール性を向上することができる。

上記実施例におけるその他の構成および作用効果は、上記比較例と同じである。したがって、図面に同一の符号を付してその説明を省略する。

尚、上記実施例では、膜電極複合体２およびガス拡散層５を有する発電体１にガスケット２１を一体的に設ける構造として、含浸による構造を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、膜電極複合体２の外周縁部をガス拡散層５の外周縁部より突出するよう長く形成し、この突出部の平面上にガスケット２１を設けるようにしても良い。また、突出部の代わりとして樹脂系素材のプレートまたはフィルム等よりなる部材を膜電極複合体２の外周縁部に取り付け、この部材の平面上にガスケット２１を設けるようにしても良い。

１発電体
２膜電極複合体
３電解質膜
４電極層
５ガス拡散層
２１ガスケット
２２ガスケット基部
２３，２４含浸部
２５シールリップ
２５ａ，２８リップ端
２６サブリップ
２７リップ基部
２９段差
３０凹み
３１稜線
３２接円弧形状
４１セパレータ
４２凹部形状
４３流路溝
４４空隙

Claims

膜電極複合体およびガス拡散層を有する発電体に一体的に設けられたガスケットを有し、
前記ガスケットは、セル内部の反応ガスがセル外部へ漏洩するのを抑制するシールリップを有し、前記シールリップの内側にはセル組立時、前記シールリップの長手方向に沿って空隙が形成され、前記空隙によりガス供給口から前記空隙を経由してガス排出口へ至る反応ガスの短絡流路が形成される燃料電池用シール構造において、
前記ガスケットに前記シールリップとともにサブリップを一体成形し、
前記サブリップは、前記シールリップの内側において前記シールリップと交叉するよう設けられ、セル組立時、前記サブリップを設けた部位において前記空隙の開口断面積を縮小しまたは前記空隙を閉塞し、これにより前記短絡流路を遮り、
前記サブリップは、その高さ寸法が前記シールリップの高さ寸法よりも低く設定され、ただし前記シールリップに連なる部位では、前記サブリップの高さ寸法が前記シールリップに近付くに連れ徐々に高くなる形状とされ、
前記サブリップの高さ寸法が前記シールリップに近付くに連れ徐々に高くなる形状は、前記サブリップの稜線が円弧状曲線をなすとともに前記円弧状曲線が前記シールリップの先端部に外接する接円弧形状とされ、
前記サブリップは、その底面の一部で、一部のガスケット成形材料が多孔質体よりなる前記ガス拡散層の気孔内に含浸することによって成形された含浸部に繋がり、
更に前記サブリップは、その長手方向一端部で前記シールリップに一体に繋がるとともに長手方向他端部で前記発電体上に達し、前記サブリップの底面はその一部で前記ガスケットの基部に繋がり、一部で前記含浸部に繋がり、一部で前記発電体のガス拡散層に密接していることを特徴とする燃料電池用シール構造。