JP6363433B2

JP6363433B2 - 積層部材用ガスケット

Info

Publication number: JP6363433B2
Application number: JP2014177792A
Authority: JP
Inventors: 哲也浦川
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-09-02
Also published as: JP2016051669A

Description

本発明は、シール技術に係る密封装置の一種であるガスケットに係り、更に詳しくは、積層部材の平面上に設けたガスケット装着溝にゴム状弾性体よりなるガスケット本体を装着した積層部材用ガスケットに関する。本発明のガスケットは例えば、燃料電池用シールの分野で用いられ、またはその他の平面固定シール（熱交換器など）の分野などで用いられる。

例えば、燃料電池スタックは主としてＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極複合体）などの電極反応部とアノードやカソードを隔壁するためのセパレータから構成される。電極反応部の電解質膜はフッ素系の固体高分子膜などが主に用いられ、プロトン伝導性が要求される。セパレータは電解質膜へ流体供給をなすための流路形成や、アノード側で発生した電子を伝導する重要な役割がある。

一方、燃料電池用シールについては、各流体、例えば水素ガスや酸素を含んだ空気、スタックを冷却するための冷媒などがスタックの外部あるいは他流体域へ流出・流入しないようにシールする役割がある。数十Ｗ級の小型電源から１００ｋＷ級の自動車用電源に至るまで、これら燃料電池は複数のセルで構成され、積層されるのが一般的である。燃料電池では例えば燃料側の例を挙げると、水素ガスやメタノールなど水素原子を含む燃料を供給する部分には、供給の連通穴から各セルの反応面にこの燃料を供給し、排出用の連通穴を通ってスタック外へ排出される。このとき反応面では最低でも他流体の連通穴や系外へ漏洩しないシールが必要である。同様に酸素あるいは空気側や冷却水あるいは冷媒側も同じ構成である。水の電気分解でも同様の構成であって、水素発生面と酸素発生面にはそれぞれの流体のシールが必要である。

これらの積層部材は、プロトンを伝導する電解質膜と、取り出した電子を伝導するためのセパレータなどの導電性プレートから構成される。各流体をシールするためのガスケットは電解質膜側または導電性プレート側に取り付けられる。例えばＭＥＡを導電性プレートで挟む場合は、燃料側流路を形成したプレートと空気あるいは酸素流路を形成したプレートを用いる。冷却水あるいは冷媒はこれらのプレート間に供給される。これらの流体をシールするには各層にゴムガスケットや接着材などのシール材が配置される。

上記プレート用シールとしてゴムガスケットに代表される圧縮シールを用いる場合、自動車用や定置用などの積層スタックでは、セパレータの平面上に有底のガスケット装着溝を設け、このガスケット装着溝にゴムガスケットを装着することが一般的に行なわれている（特許文献１参照）。

特開平７−２６３００４号公報

しかしながら燃料電池スタックでは一般的に、カーボンセパレータは０．５〜２ｍｍ程度、金属セパレータは０．１〜０．５ｍｍ程度の薄いプレートが積層される。また、これらのエンド部は、集電板や絶縁板など概ね数ｍｍ以上の板厚みのプレートでスタッキングされる。各プレート層では、水素ガスなどのアノード流体、エアなどのカソード流体、冷媒などをシールするためのガスケットが必要となる。

一方、使用環境としては、低温では−４０℃、高温では１００数十℃程度まで達するものもある。広い温度範囲をシールする必要があるが、これらの温度を変動するなかで、スタック内では、積層部の変形などが発生する。とくにＭＥＡやセパレータなど厚みが薄い部材は、温度変動により積層方向に反りやうねりが発生しやすい。一方、集電板や絶縁板など、厚い部材は、積層方向への変化が少ない。

つまり、セパレータなどの薄い部材と集電板などの厚い部材の間には、スキマが発生しやすく、このスキマが漏れを起こす原因となっている。反りの大きさによっては、通常締め付け部の高さ方向スキマに対し、数倍もの大きさのスキマが発生する。これを解決するには、比較的大きな断面形状を有するガスケットが必要となるが、装着溝やスタックの小型化の要請から、ガスケットスペースを十分に取ることができず、課題となっている。

本発明は以上の点に鑑みて、ガスケットを装着するガスケット装着溝が小型化され、これに伴ってガスケットの断面積が小型化されても、十分なシール性能を発揮することが可能な積層部材用ガスケット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による積層部材用ガスケットは、積層部材の平面上に設けたガスケット装着溝にゴム状弾性体よりなるガスケット本体を装着した積層部材用ガスケットであって、前記ガスケット本体は、前記装着溝に嵌め込まれるガスケット基部と、前記基部の平面上に設けられたシールリップ部とを一体に有し、前記シールリップ部は、前記積層部材が積層され前記ガスケット本体が厚み方向に圧縮されたときに前記シールリップ部が密封流体側へ倒れるよう前記装着溝の溝幅方向に非対称の形状を備え、更に、前記装着溝は、前記シールリップ部の倒れを助長すべく密封流体側から反密封流体側へかけて溝深さが徐々に深くなるよう前記装着溝の溝底面が傾斜面状とされていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２による積層部材用ガスケットは、上記した請求項１記載の積層部材用ガスケットにおいて、前記ガスケット本体におけるガスケット基部の下面に、前記シールリップ部の倒れに際し梃子の支点として作用するビード状突起が設けられていることを特徴とする。

上記構成を備える本発明の積層部材用ガスケットにおいて、積層部材が積層されてガスケット本体が厚み方向に圧縮されるとシールリップ部がその先端部をもって積層の相手方（隣りの積層部材）に接触し、更に密封流体側へ倒れるよう弾性変形し、このシールリップ部が倒れる方向は密封流体側であるので、装着後は密封流体側の圧力が高いほどシールリップ部が積層の相手方に強く押し付けられるセルフシール機能が発揮される。したがってガスケット本体の断面積がそれほど大きくなくても、十分なシール性能を発揮することが可能とされる。

本発明において、シールリップ部が密封流体側へ倒れやすいのは、このシールリップ部が装着溝の溝幅方向に非対称の形状を備えるためであるが、更に装着溝が、シールリップ部の倒れを助長すべく密封流体側から反密封流体側へかけて溝深さが徐々に深くなるよう装着溝の溝底面が傾斜面状とされている。したがって積層部材が積層されてガスケット本体が厚み方向に圧縮されるとガスケット本体がその全体として溝深さが深いほうへ傾くことになり、よってシールリップ部が密封流体のほうへ倒れやすい。

また、ガスケット本体におけるガスケット基部の下面に、シールリップ部の倒れに際して梃子の支点として作用するビード状突起が設けることも考えられ、この場合には、梃子の作用によりガスケット本体の傾きが大きくなるため、これに伴ってシールリップ部の倒れも大きくなる。

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以上説明したように、積層部材が積層されガスケット本体が厚み方向に圧縮されたときにシールリップ部が密封流体側へ倒れるよう弾性変形し、これにより密封流体側の圧力が高いほどシールリップ部が積層の相手方に強く押し付けられるセルフシール機能が発揮される。したがってガスケット本体の断面積がそれほど大きくなくても、十分なシール性能を発揮することができる。また、装着溝の溝底面が傾斜面状とされているため、ガスケット本体の傾きが大きくなり、よってシールリップ部の倒れを大きくすることができる。

また、ガスケット基部の下面にビード状突起を設けることによりこの突起が梃子の支点として作用するため、ガスケット本体の傾き、延いてはシールリップ部の倒れを一層大きくすることができる。そして、シールリップ部が倒れやすいということは、積層部材の積層に伴う締め代が小さくてもシールリップ部が積層の相手方に強く押し付けられるので、優れたシール性を発揮することができる。

本発明の実施例に係る積層部材用ガスケットの平面図図１におけるＣ−Ｃ線拡大断面図であって同ガスケットの一部拡大断面図同ガスケットを積層した状態を示す一部断面図

本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）ガスケットのリップ形状を非対称で、かつ、リップが倒れやすい構造とし、締め代が小さくても、内圧により倒れたガスケットをシール部材に押し付けてシールするガスケットであって、さらに、リップとは反対側の、ガスケット底部に嵌合される取り付け部材の溝底に傾斜を付けて、倒れを確実にする、あるいは、想定側と逆に倒れないようにする。
（２）左右非対称の断面形状よりなるガスケットにおいて、圧縮時にガスケットが倒れ、内圧によってシールする構造を有し、ガスケットの装着溝底が傾斜している構造。また、上記傾斜部に面するガスケット断面形状がビードを有する構造。
（３）取り付け溝底面とガスケット底面の間にスキマあり。
（４）取り付け溝の側壁でガスケットの基部側面を支持する。リップ先端のみが座屈する。
（５）従来通りの底部フラットでは圧縮率１４％で漏れたが、溝底に３％の角度を付けることにより漏れが止まった。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の実施例に係る積層部材用ガスケット１１の全体平面を示し、この積層部材用ガスケット１１は、積層部材の平面上に設けたガスケット装着溝にゴム状弾性体よりなるガスケット本体を装着したものである。

積層部材は、具体的には燃料電池用セパレータ２１であって、所定の厚み寸法を備えるとともに平面長方形状を呈し、その平面中央に燃料ガス等の流体が流れる流路域２２が設けられ、その隅部に流路域２２へ流体を供給するための流体供給用マニホールド穴２３、および流路域２２から流体を排出するための流体排出用マニホールド穴２４、ならびに他系統のマニホールド穴２５が設けられ、流体供給用マニホールド穴２３から流路域２２を経由して流体排出用マニホールド穴２４へ流れる流体が外部へ漏洩したり他系統のマニホールド穴２５へ流れ込んだりしないよう、また他系統のマニホールド穴２５を流れる流体が流入したりしないよう流体供給用マニホールド穴２３、流路域２２および流体排出用マニホールド穴２４を囲み、更に他系統のマニホールド穴２５を個別に囲むようにガスケット装着溝２６が設けられ、この装着溝２６にガスケット本体３１が装着されている。

図２は、図１におけるＣ−Ｃ線拡大断面を示し、図の左側が密封流体側Ａ、右側が反密封流体側（大気側）Ｂとされている。セパレータ２１の平面上に断面矩形状ないし略矩形状を呈するガスケット装着溝２６が設けられ、この装着溝２６にゴム状弾性体よりなるガスケット本体３１が非接着で装着されている。

ガスケット本体３１は、装着溝２６に嵌め込まれるガスケット基部３２と、基部３２の平面上に設けられたシールリップ部３３とを一体に有している。

基部３２は、装着溝２６の溝幅と同等ないし略同等の横幅を備える横長の断面矩形状ないし略矩形状とされている。

シールリップ部３３は、基部３２の平面上において反密封流体側Ｂへ偏在して設けられ、その断面形状を先細の三角形状ないし略三角形状とされている。またこの断面三角形状のシールリップ部３３は密封流体側Ａの斜面３３ａおよび反密封流体側Ｂの斜面３３ｂを備えるところ、前者の密封流体側Ａの斜面３３ａのほうが後者の反密封流体側Ｂの斜面３３ｂよりも傾斜勾配が急に設定されている。したがってシールリップ部３３は、セパレータ２１が積層されてガスケット本体３１がその厚み方向（図１では上下方向）に圧縮されたときにこのシールリップ部３３が密封流体側Ａのほうへ倒れるように装着溝２６の溝幅方向に非対称の形状とされている。

また、装着溝２６は上記したように断面矩形状ないし略矩形状とされているところ、シールリップ部３３の倒れを助長すべく密封流体側Ａから反密封流体側Ｂへかけて溝深さが徐々に深くなるように装着溝２６の溝底面２６ａが傾斜面状とされている。したがって装着溝２６の溝底面２６ａには、密封流体側Ａへ向けての所定の傾斜角度θが設定され、この傾斜角度θは例えば３度前後とされている。

また、ガスケット本体３１における基部３２の下面に、シールリップ部３３の倒れに際して梃子の支点として作用することが可能なビード状突起３４が設けられており、図では同形同大のビード状突起３４が３本互いに平行に設けられている。

図２は、ガスケット本体３１をその厚み方向に圧縮する前の初期的な装着状態を示し、この初期的な装着状態においては、基部３２の下面に設けたビード状突起３４が装着溝２６の溝底面２６ａに接触するので、装着溝２６の溝底面２６ａと基部３２の下面との間に所定の間隔ｔ_１が設けられている。

また、上記したように装着溝２６は傾斜面状とされているので、ビード状突起３４はその３本のうち密封流体側Ａ側のビード状突起３４のみが装着溝２６の溝底面２６ａに接触し、中央のビード状突起３４と装着溝２６の溝底面２６ａとの間に所定の間隔ｔ_２が設けられ、反密封流体側Ｂのビード状突起３４と装着溝２６の溝底面２６ａとの間にも所定の間隔ｔ_３が設けられている（ただし作図の都合上、ｔ_２は図示していない）。

そして、これらの間隔ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３の大小関係はｔ_１＞ｔ_３＞ｔ_２とされ、またこれらの間隔ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３はいずれもガスケット本体３１が反密封流体側Ｂへ傾くための構成として設けられている。

図３は、図２の初期的な装着状態からセパレータ２１を積層してガスケット本体３１をその厚み方向に圧縮した状態を示し、この装着・圧縮状態において、シールリップ部３３はその先端部３３ｃをもって積層の相手方（隣りのセパレータ）４１に接触し、更に密封流体側Ａへ倒れるよう弾性変形し、このシールリップ部３３が倒れる方向は密封流体側Ａであるので、装着後は密封流体側Ａの圧力Ｐが高いほどシールリップ部３３が積層の相手方４１に強く押し付けられるセルフシール機能が発揮される。したがってこのようにセルフシール機能が発揮されるので、ガスケットスペースが小さくガスケット本体２１の断面積がそれほど大きくなくても、当該ガスケット１１によれば十分なシール性能を発揮することができる。

尚、上記構成の積層部材用ガスケット１１においては、以下の構成にもとづいて、シールリップ部３３が密封流体側Ａへ倒れやすくされている。
すなわち第１に、シールリップ部３３が装着溝２６の溝幅方向に非対称の形状とされていること。
第２に、密封流体側Ａから反密封流体側Ｂへかけて溝深さが徐々に深くなるよう装着溝２６の溝底面２６ａが傾斜面状とされていること。
第３に、ガスケット本体３１におけるガスケット基部３２の下面に、シールリップ部３３の倒れに際して梃子の支点として作用するビード状突起３４が設けられていること。

この第３点に関しては、セパレータ２１が積層されてガスケット本体３１がその厚み方向に圧縮されると、先ず、密封流体側Ａ側のビード状突起３４を梃子の支点としてガスケット本体３１が図上右下がりに傾き、中央のビード状突起３４が装着溝２６の溝底面２６ａに接触する。次いで、中央のビード状突起３４を梃子の支点としてガスケット本体３１が図上右下がりに傾き、反密封流体側Ｂのビード状突起３４が装着溝２６の溝底面２６ａに接触する。次いで更に、反密封流体側Ｂのビード状突起３４を梃子の支点としてガスケット本体３１が図上右下がりに傾き、基部３２下面の反密封流体側Ｂの端部が装着溝２６の溝底面２６ａに近付き、或いは近付いたうえで装着溝２６の溝底面２６ａに接触する。

したがってこのように３本のビード状突起３４が梃子の支点として順次作用するため、ガスケット本体３１が段階的にかつ大きく傾くことが可能とされ、これによりシールリップ部３３が密封流体側Ａへ大きく倒れ込む。

但し、本発明において、このようにビード状突起３４の形成数を３本としたのは単なる一例であって、ビード状突起３４の形成数は１本でも良く、２本でも良く、４本以上であっても良い。また、その形成数にかかわらずビード状突起３４と基部３２下面の反密封流体側Ｂの端部との間には所定の溝幅方向の間隔を設けることが好ましい。

１１積層部材用ガスケット
２１セパレータ（積層部材）
２２流路域
２３，２４，２５マニホールド穴
２６ガスケット装着溝
２６ａ溝底面
３１ガスケット本体
３２基部
３３シールリップ部
３３ａ，３３ｂ斜面
３３ｃ先端部
３４ビード状突起
４１積層の相手側部品
Ａ密封流体側
Ｂ反密封流体側

Claims

積層部材の平面上に設けたガスケット装着溝にゴム状弾性体よりなるガスケット本体を装着した積層部材用ガスケットであって、
前記ガスケット本体は、前記装着溝に嵌め込まれるガスケット基部と、前記基部の平面上に設けられたシールリップ部とを一体に有し、
前記シールリップ部は、前記積層部材が積層され前記ガスケット本体が厚み方向に圧縮されたときに前記シールリップ部が密封流体側へ倒れるよう前記装着溝の溝幅方向に非対称の形状を備え、
更に、前記装着溝は、前記シールリップ部の倒れを助長すべく密封流体側から反密封流体側へかけて溝深さが徐々に深くなるよう前記装着溝の溝底面が傾斜面状とされていることを特徴とする積層部材用ガスケット。
請求項１記載の積層部材用ガスケットにおいて、
前記ガスケット本体におけるガスケット基部の下面に、前記シールリップ部の倒れに際し梃子の支点として作用するビード状突起が設けられていることを特徴とする積層部材用ガスケット。