JP2002042837A - 燃料電池のシール構造 - Google Patents
燃料電池のシール構造Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電極構造体の厚さやセパレータの寸法にばら
つきがあっても良好なシール機能が発揮されるととも
に、生産性の向上が図られる燃料電池のシール構造を提
供する。 【解決手段】 一方のセパレータ６のシール部位にシー
ル溝７を設け、このシール溝７に、シール溝７の深さよ
りも肉厚で、かつ先端部が漸次幅狭とされた第１のシー
ル１０を設ける。他方のセパレータ６のシール部位に凸
条８を設け、この凸条８の先端面に一定の幅を有するシ
ート状の第２のシール２０を設ける。第１のシール１０
と第２のシール２０とで高分子電解膜４を挟み込み、ガ
ス通路６ａをシールする。
つきがあっても良好なシール機能が発揮されるととも
に、生産性の向上が図られる燃料電池のシール構造を提
供する。 【解決手段】 一方のセパレータ６のシール部位にシー
ル溝７を設け、このシール溝７に、シール溝７の深さよ
りも肉厚で、かつ先端部が漸次幅狭とされた第１のシー
ル１０を設ける。他方のセパレータ６のシール部位に凸
条８を設け、この凸条８の先端面に一定の幅を有するシ
ート状の第２のシール２０を設ける。第１のシール１０
と第２のシール２０とで高分子電解膜４を挟み込み、ガ
ス通路６ａをシールする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池のガスシール構造に関する。
電池のガスシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、平板状の電極
構造体の両側にセパレータが積層された積層体が１ユニ
ットとされ、複数のユニットが積層されて燃料電池スタ
ックとして構成される。電極構造体は、一般に、正極側
の電極触媒層（カソード電極板）と負極側の電極触媒層
（アノード電極板）との間に高分子電解膜が挟まれ、各
電極触媒層の外側にガス拡散層がそれぞれ積層された積
層体である。セパレータは電子伝達機能を有する材料か
らなるもので、燃料ガスである水素ガス、酸素や空気等
の酸化剤ガスおよび冷媒がそれぞれ独立して流通する多
数の溝状のガス通路を備え、各ガス通路間の凸条がガス
拡散層に接触する状態で、電極構造体に積層されてい
る。
構造体の両側にセパレータが積層された積層体が１ユニ
ットとされ、複数のユニットが積層されて燃料電池スタ
ックとして構成される。電極構造体は、一般に、正極側
の電極触媒層（カソード電極板）と負極側の電極触媒層
（アノード電極板）との間に高分子電解膜が挟まれ、各
電極触媒層の外側にガス拡散層がそれぞれ積層された積
層体である。セパレータは電子伝達機能を有する材料か
らなるもので、燃料ガスである水素ガス、酸素や空気等
の酸化剤ガスおよび冷媒がそれぞれ独立して流通する多
数の溝状のガス通路を備え、各ガス通路間の凸条がガス
拡散層に接触する状態で、電極構造体に積層されてい
る。
【０００３】このような燃料電池によると、例えば、負
極側に配されたセパレータのガス通路に燃料ガスを流
し、正極側に配されたセパレータのガス通路に酸化剤ガ
スを流すと、電気化学反応が起こって電気が発生する。
当該燃料電池の作動中においては、ガス拡散層は電気化
学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータ
との間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化剤ガス
を拡散させる。また、負極側の電極触媒層は燃料ガスに
化学反応を起こさせプロトンと電子を発生させ、正極側
の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、
電解膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、正負の
電極触媒層からを通して電力が取り出される。
極側に配されたセパレータのガス通路に燃料ガスを流
し、正極側に配されたセパレータのガス通路に酸化剤ガ
スを流すと、電気化学反応が起こって電気が発生する。
当該燃料電池の作動中においては、ガス拡散層は電気化
学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータ
との間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化剤ガス
を拡散させる。また、負極側の電極触媒層は燃料ガスに
化学反応を起こさせプロトンと電子を発生させ、正極側
の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、
電解膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、正負の
電極触媒層からを通して電力が取り出される。
【０００４】上記のような燃料電池においては、燃料ガ
ス、酸化剤ガスおよび冷媒を、それぞれ独立したガス通
路に流通させる必要があることから、これらガス通路を
シールによって隔絶している。シールする部位として
は、燃料電池スタックの構造により多少異なるが、例え
ば、燃料電池スタックを貫通するガス通路の連通口の周
囲、電極構造体の周縁部、セパレータの表面に設けられ
る冷媒通路の周囲、セパレータの表面の周縁部等が挙げ
られる。
ス、酸化剤ガスおよび冷媒を、それぞれ独立したガス通
路に流通させる必要があることから、これらガス通路を
シールによって隔絶している。シールする部位として
は、燃料電池スタックの構造により多少異なるが、例え
ば、燃料電池スタックを貫通するガス通路の連通口の周
囲、電極構造体の周縁部、セパレータの表面に設けられ
る冷媒通路の周囲、セパレータの表面の周縁部等が挙げ
られる。
【０００５】従来のシール技術としては、フッ素系、シ
リコーン系、エチレン・プロピレン系等の有機ゴムから
なる弾性材料をシート状やＯリング状に成形してシール
部位に装填し、積層状態で圧縮されることによって生じ
る反発力によってシールする構造が一般的である。この
他には、黒鉛やセラミックス等からなる無機材料を圧縮
した状態とするシールや、加締めによってシールするメ
カニカルシール、接着等が挙げられる。
リコーン系、エチレン・プロピレン系等の有機ゴムから
なる弾性材料をシート状やＯリング状に成形してシール
部位に装填し、積層状態で圧縮されることによって生じ
る反発力によってシールする構造が一般的である。この
他には、黒鉛やセラミックス等からなる無機材料を圧縮
した状態とするシールや、加締めによってシールするメ
カニカルシール、接着等が挙げられる。
【０００６】ところで、燃料電池は携行されたり車両に
搭載されたりして使用されるものがある。その場合には
小型化や薄板化が求められ、特にセパレータについて
は、いかに薄くして構造的に成立させるかが課題となっ
ている。そのセパレータの材料としては、焼成した黒鉛
等の曲げ応力で比較的破壊されやすいタイプと、膨張黒
鉛や金属製等のある程度曲げに柔軟なタイプとがある。
前者のタイプのセパレータでは、複数の電極構造体を積
層して燃料電池スタックを組み付ける場合、電極構造体
の厚さのばらつきや、セパレータの寸法のばらつきに伴
うシールどうしの位置ずれによってシール部に応力差が
生じ、セパレータの破壊を招きやすいので、液状シール
をセパレータに塗布し、電極構造体を積層させた後に硬
化させて用いている。一方、後者のタイプのセパレータ
は柔軟性があることから、シール部に応力差が生じても
セパレータによってその応力差の一部が吸収されるの
で、通常の固形状シールが適用されている。
搭載されたりして使用されるものがある。その場合には
小型化や薄板化が求められ、特にセパレータについて
は、いかに薄くして構造的に成立させるかが課題となっ
ている。そのセパレータの材料としては、焼成した黒鉛
等の曲げ応力で比較的破壊されやすいタイプと、膨張黒
鉛や金属製等のある程度曲げに柔軟なタイプとがある。
前者のタイプのセパレータでは、複数の電極構造体を積
層して燃料電池スタックを組み付ける場合、電極構造体
の厚さのばらつきや、セパレータの寸法のばらつきに伴
うシールどうしの位置ずれによってシール部に応力差が
生じ、セパレータの破壊を招きやすいので、液状シール
をセパレータに塗布し、電極構造体を積層させた後に硬
化させて用いている。一方、後者のタイプのセパレータ
は柔軟性があることから、シール部に応力差が生じても
セパレータによってその応力差の一部が吸収されるの
で、通常の固形状シールが適用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記液状シールにあっ
ては、セパレータに塗布してから電極構造体を積層後硬
化するまでの工程で、塗布精度のための粘度や脱泡状態
の管理、あるいは雰囲気温度や塗布機の条件設定等が煩
雑であり、特に、塗布後の形状を保持させるために粘度
が高いことから、精度よく塗布するためには長時間を要
していた。さらに、塗布後のセパレータの搬送時や積層
時には、塗布した液状シールの形状を壊さないようにす
るために多大な注意を要していた。これらの理由から、
液状シールによるシールは生産性に劣っていた。
ては、セパレータに塗布してから電極構造体を積層後硬
化するまでの工程で、塗布精度のための粘度や脱泡状態
の管理、あるいは雰囲気温度や塗布機の条件設定等が煩
雑であり、特に、塗布後の形状を保持させるために粘度
が高いことから、精度よく塗布するためには長時間を要
していた。さらに、塗布後のセパレータの搬送時や積層
時には、塗布した液状シールの形状を壊さないようにす
るために多大な注意を要していた。これらの理由から、
液状シールによるシールは生産性に劣っていた。
【０００８】一方、固形状のシールでは、積層する電極
構造体の厚さやセパレータの寸法のばらつきを極力低減
させることでシール部に生じる応力差を低減させ、これ
によって一定のシール機能を発揮させることができる。
しかしながら、この場合には電極構造体やセパレータの
歩留まりが低下し、やはり生産性の悪化を招くことにな
る。
構造体の厚さやセパレータの寸法のばらつきを極力低減
させることでシール部に生じる応力差を低減させ、これ
によって一定のシール機能を発揮させることができる。
しかしながら、この場合には電極構造体やセパレータの
歩留まりが低下し、やはり生産性の悪化を招くことにな
る。
【０００９】したがって本発明は、電極構造体の厚さや
セパレータの寸法にばらつきがあっても、対向するシー
ルの応力が分散して面圧が均等化され、これによって良
好なシール機能が発揮されるとともに、生産性の向上が
図られる燃料電池のシール構造を提供することを目的と
している。
セパレータの寸法にばらつきがあっても、対向するシー
ルの応力が分散して面圧が均等化され、これによって良
好なシール機能が発揮されるとともに、生産性の向上が
図られる燃料電池のシール構造を提供することを目的と
している。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、ガス通路を有
する一対のセパレータの間に、高分子電解膜と電極層と
を備えた電極構造体が挟持されて燃料電池が構成され、
該燃料電池における一対のセパレータと高分子電解膜と
の間をシールするシール構造であって、一方のセパレー
タのシール部位にシール溝を設けるとともに、このシー
ル溝に、シール溝の深さよりも肉厚で、かつ先端部が漸
次幅狭とされた第１のシールを設け、他方のセパレータ
のシール部位に凸条を設けるとともに、この凸条の先端
面に一定の幅を有するシート状の第２のシールを設け、
第１のシールと第２のシールとで高分子電解膜を挟み込
むことを特徴としている。
する一対のセパレータの間に、高分子電解膜と電極層と
を備えた電極構造体が挟持されて燃料電池が構成され、
該燃料電池における一対のセパレータと高分子電解膜と
の間をシールするシール構造であって、一方のセパレー
タのシール部位にシール溝を設けるとともに、このシー
ル溝に、シール溝の深さよりも肉厚で、かつ先端部が漸
次幅狭とされた第１のシールを設け、他方のセパレータ
のシール部位に凸条を設けるとともに、この凸条の先端
面に一定の幅を有するシート状の第２のシールを設け、
第１のシールと第２のシールとで高分子電解膜を挟み込
むことを特徴としている。
【００１１】本発明によれば、電解膜を挟んで第１のシ
ールと第２のシールが向かい合い、かつ、積層圧に応じ
た圧力で互いに圧縮し合って電解膜に密着し、セパレー
タのガス通路をシールする。第１のシールは先端部が漸
次幅狭とされているので、セパレータの寸法のばらつき
により両シールに相対的な位置ずれが生じても、第１の
シールの先端面であるシール面は、第２のシールの幅か
ら逸脱することなく一定の面積が確保され、両シール間
で発生する面圧が均等になりやすい。したがって、電極
構造体の厚さやセパレータの寸法のばらつきに影響され
ることなくシール性が確保される。
ールと第２のシールが向かい合い、かつ、積層圧に応じ
た圧力で互いに圧縮し合って電解膜に密着し、セパレー
タのガス通路をシールする。第１のシールは先端部が漸
次幅狭とされているので、セパレータの寸法のばらつき
により両シールに相対的な位置ずれが生じても、第１の
シールの先端面であるシール面は、第２のシールの幅か
ら逸脱することなく一定の面積が確保され、両シール間
で発生する面圧が均等になりやすい。したがって、電極
構造体の厚さやセパレータの寸法のばらつきに影響され
ることなくシール性が確保される。
【００１２】第１および第２のシールの作用を詳述する
と、両者が電解膜を挟んで互いに圧縮し合うと、第１の
シールの幅狭な先端部がシート状の第２のシールに食い
込む状態となるので、第２のシール側で応力を分散させ
ようとする作用が働き、第２のシールに生じる面圧の方
が低くなりやすい。そこで、第２のシールの厚さを薄く
して弾性変形を抑えることで、第２のシールの面圧分散
が極力抑えられる。また、第２のシールにおいては、断
面積を小さくすればするほどシール面積に対する断面積
の割合が減少するため、へたりやすくなる。そこで本発
明では、断面積を極力減らさないようにし、かつ電解膜
との接触面積を小さくさせるために、一方のシール、す
なわち第１のシールを先端部が幅狭とされたものとして
いる。第１のシールの先端部が幅狭で、これに向かい合
う第２のシールを薄いシート状とすることで、電解膜に
圧接する両者の面圧を均等化させることができる。ま
た、厚さの薄い第２のシールのへたりは厚さに対するへ
たり比率が小さいが、肉厚の第２のシール側の反力でそ
れが補われる。
と、両者が電解膜を挟んで互いに圧縮し合うと、第１の
シールの幅狭な先端部がシート状の第２のシールに食い
込む状態となるので、第２のシール側で応力を分散させ
ようとする作用が働き、第２のシールに生じる面圧の方
が低くなりやすい。そこで、第２のシールの厚さを薄く
して弾性変形を抑えることで、第２のシールの面圧分散
が極力抑えられる。また、第２のシールにおいては、断
面積を小さくすればするほどシール面積に対する断面積
の割合が減少するため、へたりやすくなる。そこで本発
明では、断面積を極力減らさないようにし、かつ電解膜
との接触面積を小さくさせるために、一方のシール、す
なわち第１のシールを先端部が幅狭とされたものとして
いる。第１のシールの先端部が幅狭で、これに向かい合
う第２のシールを薄いシート状とすることで、電解膜に
圧接する両者の面圧を均等化させることができる。ま
た、厚さの薄い第２のシールのへたりは厚さに対するへ
たり比率が小さいが、肉厚の第２のシール側の反力でそ
れが補われる。
【００１３】上記第１および第２のシールは、電解膜に
対し電解膜を傾斜させることなくバランスよく密着する
ことが求められる。例えば、一方のシールの高さが高す
ぎると、電解膜はそれに押されて傾斜し、電極層が矩形
状である場合には、その角部に電解膜が強く接触し、冷
熱時の熱サイクルによって生じる膨張と収縮の繰り返し
で電解膜は破損しやすくなる。このような不具合の発生
を防ぐためには、各シールの高さを、両者が電解膜を挟
んでシールした場合に電解膜がいずれか一方側に傾斜し
ない高さに設定すればよい。
対し電解膜を傾斜させることなくバランスよく密着する
ことが求められる。例えば、一方のシールの高さが高す
ぎると、電解膜はそれに押されて傾斜し、電極層が矩形
状である場合には、その角部に電解膜が強く接触し、冷
熱時の熱サイクルによって生じる膨張と収縮の繰り返し
で電解膜は破損しやすくなる。このような不具合の発生
を防ぐためには、各シールの高さを、両者が電解膜を挟
んでシールした場合に電解膜がいずれか一方側に傾斜し
ない高さに設定すればよい。
【００１４】次に、本発明のセパレータおよびシールの
好ましい材質について説明する。セパレータは、金属ま
たは金属と黒鉛の複合材料からなるもの、あるいは、樹
脂と黒鉛の複合材料からなるものが好ましく用いられ
る。また、第１および第２のシールは、ゴム、樹脂また
はゴムと樹脂の複合材料からなるものが好ましく用いら
れる。ゴムとしては、フッ素系、シリコーン系、エチレ
ン・プロピレン系等の有機ゴムが挙げられる。
好ましい材質について説明する。セパレータは、金属ま
たは金属と黒鉛の複合材料からなるもの、あるいは、樹
脂と黒鉛の複合材料からなるものが好ましく用いられ
る。また、第１および第２のシールは、ゴム、樹脂また
はゴムと樹脂の複合材料からなるものが好ましく用いら
れる。ゴムとしては、フッ素系、シリコーン系、エチレ
ン・プロピレン系等の有機ゴムが挙げられる。
【００１５】セパレータを金属または金属と黒鉛の複合
材料で構成すると、柔軟性を有することから、セパレー
タの破壊を招きにくい。また、製造にあたっては、プレ
ス加工により表面側にシール溝を、裏面側に凸条をそれ
ぞれ同時に、かつ互いに対応するように形成することが
できる。これによると、シール溝に第１のシールを設
け、反対側の凸条に第２のシールを設け、これらを交互
に積層していけば、シール部の位置ずれが起きにくくシ
ールの安定性が増す。また、第１および第２のシールを
セパレータに対し同時に成形することができ、生産性の
向上が図られる。
材料で構成すると、柔軟性を有することから、セパレー
タの破壊を招きにくい。また、製造にあたっては、プレ
ス加工により表面側にシール溝を、裏面側に凸条をそれ
ぞれ同時に、かつ互いに対応するように形成することが
できる。これによると、シール溝に第１のシールを設
け、反対側の凸条に第２のシールを設け、これらを交互
に積層していけば、シール部の位置ずれが起きにくくシ
ールの安定性が増す。また、第１および第２のシールを
セパレータに対し同時に成形することができ、生産性の
向上が図られる。
【００１６】また、セパレータを樹脂と黒鉛の複合材料
で構成することによっても、柔軟性を有するセパレータ
とすることができる。ここで、用いる黒鉛としては、と
りわけ膨張黒鉛が好適に用いられる。この膨張黒鉛は、
天然黒鉛を原料とし、それを精製後、酸処理し、さらに
高温高圧下で黒鉛のＣ軸（黒鉛結晶構造の六角網面間
隙）方向を拡大させることにより可撓性を付与したもの
であって、荷重に対する寸法変化が比較的大きく、エン
ジンのガスケット等に適用されている。このような膨張
黒鉛に、圧縮成形時にフェノール樹脂等を含浸してセパ
レータを構成すれば、柔軟性を有することに加え気密性
が高くなるので、セパレータ本来が備えるガス拡散機能
と電子導電機能が向上するとともに、セパレータどうし
の積層継ぎ目のシール性を具備させることができる。
で構成することによっても、柔軟性を有するセパレータ
とすることができる。ここで、用いる黒鉛としては、と
りわけ膨張黒鉛が好適に用いられる。この膨張黒鉛は、
天然黒鉛を原料とし、それを精製後、酸処理し、さらに
高温高圧下で黒鉛のＣ軸（黒鉛結晶構造の六角網面間
隙）方向を拡大させることにより可撓性を付与したもの
であって、荷重に対する寸法変化が比較的大きく、エン
ジンのガスケット等に適用されている。このような膨張
黒鉛に、圧縮成形時にフェノール樹脂等を含浸してセパ
レータを構成すれば、柔軟性を有することに加え気密性
が高くなるので、セパレータ本来が備えるガス拡散機能
と電子導電機能が向上するとともに、セパレータどうし
の積層継ぎ目のシール性を具備させることができる。
【００１７】なお、本発明の第１のシールおよび第２の
シールをセパレータに設ける方法としては、各シールと
セパレータとを個別に成形し、組み付け時にシールをセ
パレータ間に挟み込むか、あるいはシールをセパレータ
に接着させる方法が挙げられる。また、金型等にセパレ
ータをセットし、金型内に形成したキャビティにシール
材料を射出して一体成形する方法を採ることもできる。
このような射出成形法は、生産性が高く、組み付け時の
取り扱いが容易になるといった利点を有する。
シールをセパレータに設ける方法としては、各シールと
セパレータとを個別に成形し、組み付け時にシールをセ
パレータ間に挟み込むか、あるいはシールをセパレータ
に接着させる方法が挙げられる。また、金型等にセパレ
ータをセットし、金型内に形成したキャビティにシール
材料を射出して一体成形する方法を採ることもできる。
このような射出成形法は、生産性が高く、組み付け時の
取り扱いが容易になるといった利点を有する。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。図１〜図７は、本発明のシール構造
に係る第１〜第７実施形態であって、燃料電池スタック
の積層形態をそれぞれ示している。これら図で、符号１
は平面視長方形状の電極構造体、６はガス通路６ａを有
するセパレータである。電極構造体１は、正極と負極で
ある一対のガス拡散電極板（電極層）２，３の間にイオ
ン交換樹脂等からなる電解膜４が挟まれた三層構造であ
る。電極構造体１における中央の電解膜４は、各電極板
２，３よりも面積が大きく均一幅の周縁部４ａが露出し
ている。そして、その周縁部４ａと各セパレータ６との
間がシールされている。
施形態を説明する。図１〜図７は、本発明のシール構造
に係る第１〜第７実施形態であって、燃料電池スタック
の積層形態をそれぞれ示している。これら図で、符号１
は平面視長方形状の電極構造体、６はガス通路６ａを有
するセパレータである。電極構造体１は、正極と負極で
ある一対のガス拡散電極板（電極層）２，３の間にイオ
ン交換樹脂等からなる電解膜４が挟まれた三層構造であ
る。電極構造体１における中央の電解膜４は、各電極板
２，３よりも面積が大きく均一幅の周縁部４ａが露出し
ている。そして、その周縁部４ａと各セパレータ６との
間がシールされている。
【００１９】図１〜図５に示すセパレータ６は、ステン
レス鋼やアルミニウム合金からなる金属板を断面ジグザ
グ状にプレス成形したものであり、表裏に形成された溝
がガス通路６ａとして構成されている。図１の場合は、
電極構造体１の両側に１つのセパレータ６が積層されて
おり、これらは、隣接するセパレータ６の溝が向き合わ
ないように積層されている。図２〜図５の場合は、電極
構造体１の両側に、隣り合う溝のうちの一方の溝が向き
合い、他方の溝が向き合わない状態で２つのセパレータ
６が積層されている。図６および図７に示すセパレータ
６は、膨張黒鉛を成形したものであり、溝によるガス通
路６ａを有している。
レス鋼やアルミニウム合金からなる金属板を断面ジグザ
グ状にプレス成形したものであり、表裏に形成された溝
がガス通路６ａとして構成されている。図１の場合は、
電極構造体１の両側に１つのセパレータ６が積層されて
おり、これらは、隣接するセパレータ６の溝が向き合わ
ないように積層されている。図２〜図５の場合は、電極
構造体１の両側に、隣り合う溝のうちの一方の溝が向き
合い、他方の溝が向き合わない状態で２つのセパレータ
６が積層されている。図６および図７に示すセパレータ
６は、膨張黒鉛を成形したものであり、溝によるガス通
路６ａを有している。
【００２０】図１〜図５に示したセパレータ６において
は、その周縁部に、プレス成形によってシール溝７と凸
条８とが表裏一体に形成されている。これらシール溝７
と凸条８は、電解膜４の周縁部４ａを挟んで互いに対向
している。また、図６および図７に示したセパレータ６
においては、その周縁部の表裏面に、シール溝７と、こ
れに対応する凸条８がそれぞれ形成されている。そし
て、各シール溝７には第１のシール１０が設けられ、ま
た、各凸条８の先端面には第２のシール２０が設けられ
ている。
は、その周縁部に、プレス成形によってシール溝７と凸
条８とが表裏一体に形成されている。これらシール溝７
と凸条８は、電解膜４の周縁部４ａを挟んで互いに対向
している。また、図６および図７に示したセパレータ６
においては、その周縁部の表裏面に、シール溝７と、こ
れに対応する凸条８がそれぞれ形成されている。そし
て、各シール溝７には第１のシール１０が設けられ、ま
た、各凸条８の先端面には第２のシール２０が設けられ
ている。
【００２１】上記第１のシール１０および第２のシール
２０によりガス通路６ａがシールされる構造は、図１〜
図７のいずれの場合も同様であり、その構造を図８を参
照して説明する。同図に示すように、シール溝７に設け
られた第１のシール１０は、シール溝７に埋め込まれ、
かつシール溝７の深さよりも肉厚であり、先端部が台形
状に形成され幅狭となっている。一方、第２のシール２
０は一定厚さのシート状であって、凸条８の先端面に設
けられている。これらシール１０，２０は有機ゴム系で
あって、例えば、射出成形等の手段によりセパレータ６
に一体成形される。なお、図２および図７においては、
セパレータ６どうしのシール部は第１のシール１０によ
ってシールされている。
２０によりガス通路６ａがシールされる構造は、図１〜
図７のいずれの場合も同様であり、その構造を図８を参
照して説明する。同図に示すように、シール溝７に設け
られた第１のシール１０は、シール溝７に埋め込まれ、
かつシール溝７の深さよりも肉厚であり、先端部が台形
状に形成され幅狭となっている。一方、第２のシール２
０は一定厚さのシート状であって、凸条８の先端面に設
けられている。これらシール１０，２０は有機ゴム系で
あって、例えば、射出成形等の手段によりセパレータ６
に一体成形される。なお、図２および図７においては、
セパレータ６どうしのシール部は第１のシール１０によ
ってシールされている。
【００２２】上記第１のシール１０および第２のシール
２０によるシール構造によれば、電解膜４を挟んで各シ
ール１０，２０が向かい合い、かつ、燃料電池スタック
として構成される際の積層圧に応じた圧力で互いに圧縮
し合って電解膜４に密着し、セパレータ６のガス通路６
ａをシールする。第１のシール１０および第２のシール
２０において、両者が電解膜４を挟んで圧縮されると、
第１のシール１０の幅狭な先端部が第２のシール２０に
食い込む状態となるが、第２のシール２０の厚さが薄く
弾性変形が抑えられることで、第２のシール２０の面圧
分散が極力抑えられる。また、第１のシール１０は先端
部が幅狭であり、電解膜４への密着面であるシール面の
面積が小さいので、第２のシール２０はへたりにくい。
このように、第１のシール１０の先端部が幅狭で、これ
に向かい合う第２のシール２０を薄いシート状とするこ
とで、電解膜に圧接する両者の面圧を均等化させること
ができる。また、厚さの薄い第２のシール２０のへたり
は、厚さに対するへたり比率が小さいが、肉厚の第２の
シール２０側の反力でそれが補われる。
２０によるシール構造によれば、電解膜４を挟んで各シ
ール１０，２０が向かい合い、かつ、燃料電池スタック
として構成される際の積層圧に応じた圧力で互いに圧縮
し合って電解膜４に密着し、セパレータ６のガス通路６
ａをシールする。第１のシール１０および第２のシール
２０において、両者が電解膜４を挟んで圧縮されると、
第１のシール１０の幅狭な先端部が第２のシール２０に
食い込む状態となるが、第２のシール２０の厚さが薄く
弾性変形が抑えられることで、第２のシール２０の面圧
分散が極力抑えられる。また、第１のシール１０は先端
部が幅狭であり、電解膜４への密着面であるシール面の
面積が小さいので、第２のシール２０はへたりにくい。
このように、第１のシール１０の先端部が幅狭で、これ
に向かい合う第２のシール２０を薄いシート状とするこ
とで、電解膜に圧接する両者の面圧を均等化させること
ができる。また、厚さの薄い第２のシール２０のへたり
は、厚さに対するへたり比率が小さいが、肉厚の第２の
シール２０側の反力でそれが補われる。
【００２３】以上の作用により、セパレータ６の寸法の
ばらつきにより各シール１０，２０に相対的な位置ずれ
が生じても、第１のシール１０の先端面であるシール面
は、第２のシール２０の幅から逸脱することなく一定の
面積が確保され、両シール１０，２０間で発生する面圧
が均等になりやすい。したがって、電極構造体１の厚さ
やセパレータ６の寸法のばらつきに影響されることな
く、シール性が確保される。
ばらつきにより各シール１０，２０に相対的な位置ずれ
が生じても、第１のシール１０の先端面であるシール面
は、第２のシール２０の幅から逸脱することなく一定の
面積が確保され、両シール１０，２０間で発生する面圧
が均等になりやすい。したがって、電極構造体１の厚さ
やセパレータ６の寸法のばらつきに影響されることな
く、シール性が確保される。
【００２４】上記第１のシール１０の形態は一例であ
り、図９（ａ）〜（ｆ）に、先端部が幅狭となる断面形
状の変形例を挙げている。図９（ａ）のシールはシール
溝７からの突出部全体が断面台形状である。また、図９
（ｂ）は楕円状、図９（ｃ）は段差状、図９（ｄ）が三
角形のリブ状、図９（ｅ），（ｆ）が細いリブ状であ
る。第１のシール１０においては、高さと幅が一定であ
っても、先端部の断面形状によって圧縮時の反力を適宜
に変えることができる。
り、図９（ａ）〜（ｆ）に、先端部が幅狭となる断面形
状の変形例を挙げている。図９（ａ）のシールはシール
溝７からの突出部全体が断面台形状である。また、図９
（ｂ）は楕円状、図９（ｃ）は段差状、図９（ｄ）が三
角形のリブ状、図９（ｅ），（ｆ）が細いリブ状であ
る。第１のシール１０においては、高さと幅が一定であ
っても、先端部の断面形状によって圧縮時の反力を適宜
に変えることができる。
【００２５】
【実施例】次に、実施例を提示して本発明の効果を実証
する。 ［実施例］図１０に示すように、一対のガス拡散電極
２，３の間に電解膜４を挟んで電極構造体１を構成し、
この電極構造体１をセパレータに相当する上下の治具３
０，４０で挟んだ。上下の治具３０，４０の互いの対向
面には、それぞれシール溝７および凸条８が形成されて
いる。そして、上下の治具３０，４０に装着したシール
１０，２０を、電解膜４を挟んで対向させ、さらに上下
の治具３０，４０を図示せぬ締結治具で互いに締結さ
せ、上下のシール１０，２０を電解膜４に密着させてシ
ールした。この状態から、上側治具３０の中心に空けら
れた加圧孔よりヘリウムガスを送り込み、単位時間当た
りのシール部からのガス漏れ量を測定した。上下の治具
３０，４０、ガス拡散電極２，３、電解膜４、シール１
０，２０の仕様と、試験時の条件を以下の通りとした。
する。 ［実施例］図１０に示すように、一対のガス拡散電極
２，３の間に電解膜４を挟んで電極構造体１を構成し、
この電極構造体１をセパレータに相当する上下の治具３
０，４０で挟んだ。上下の治具３０，４０の互いの対向
面には、それぞれシール溝７および凸条８が形成されて
いる。そして、上下の治具３０，４０に装着したシール
１０，２０を、電解膜４を挟んで対向させ、さらに上下
の治具３０，４０を図示せぬ締結治具で互いに締結さ
せ、上下のシール１０，２０を電解膜４に密着させてシ
ールした。この状態から、上側治具３０の中心に空けら
れた加圧孔よりヘリウムガスを送り込み、単位時間当た
りのシール部からのガス漏れ量を測定した。上下の治具
３０，４０、ガス拡散電極２，３、電解膜４、シール１
０，２０の仕様と、試験時の条件を以下の通りとした。
【００２６】・上側治具３０ 材質：ＳＵＳ３１６ 外寸：９０×９０×５（ｍｍ） シール溝７：幅×深さ×全長＝２×０．３×２５６（ｍ
ｍ） ・下側治具４０ 材質：ＳＵＳ３１６ 外寸：９０×９０×５（ｍｍ） 凸条８：幅×高さ×全長＝２×０．５×２５６（ｍｍ） ・ガス拡散電極２，３ 材質：Ｐｔ／Ｃ触媒付きカーボンクロス 外寸：６０×６０×０．５（ｍｍ） ・電解膜４ 材質：ペルフルオロスルホン酸ポリマー ・上側シール１０ 材質：シリコーン（硬度５０゜） シール溝７：高さ×全長＝０．９２５×２５６（ｍｍ） 幅＝シール溝７側の底面から高さ０．５２ｍｍまで２ｍ
ｍ 先端面の幅１ｍｍ ・下側シール２０ 材質：シリコーン（硬度５０゜） 幅×高さ×全長＝２×０．１２５×２５６（ｍｍ） ・上下の治具３０，４０の締結荷重：１Ｎ／ｍｍ ・ヘリウムガスの供給圧力：２００ｋＰａ
ｍ） ・下側治具４０ 材質：ＳＵＳ３１６ 外寸：９０×９０×５（ｍｍ） 凸条８：幅×高さ×全長＝２×０．５×２５６（ｍｍ） ・ガス拡散電極２，３ 材質：Ｐｔ／Ｃ触媒付きカーボンクロス 外寸：６０×６０×０．５（ｍｍ） ・電解膜４ 材質：ペルフルオロスルホン酸ポリマー ・上側シール１０ 材質：シリコーン（硬度５０゜） シール溝７：高さ×全長＝０．９２５×２５６（ｍｍ） 幅＝シール溝７側の底面から高さ０．５２ｍｍまで２ｍ
ｍ 先端面の幅１ｍｍ ・下側シール２０ 材質：シリコーン（硬度５０゜） 幅×高さ×全長＝２×０．１２５×２５６（ｍｍ） ・上下の治具３０，４０の締結荷重：１Ｎ／ｍｍ ・ヘリウムガスの供給圧力：２００ｋＰａ
【００２７】［比較例１］図１１に示すように、対向面
が平な上下の治具３１，４１を用い、断面正方形状の上
下のシール１１，２１によるシール構造とした以外は、
実施例１と同様にしてガス漏れ試験を行った。上下のシ
ール１１，２１の仕様は次の通りである。 ・上下のシール１１，２１ 材質：シリコーン（硬度５０゜） 幅×高さ×全長＝２×０．６２５×２５６（ｍｍ）
が平な上下の治具３１，４１を用い、断面正方形状の上
下のシール１１，２１によるシール構造とした以外は、
実施例１と同様にしてガス漏れ試験を行った。上下のシ
ール１１，２１の仕様は次の通りである。 ・上下のシール１１，２１ 材質：シリコーン（硬度５０゜） 幅×高さ×全長＝２×０．６２５×２５６（ｍｍ）
【００２８】［比較例２］比較例１のシール１１，２１
の横方向への位置ずれの最大公差が、Ｘ方向、Ｙ方向で
それぞれ０．５ｍｍ、したがって上下のシール１１，２
１の最大位置ずれ量を１ｍｍと想定した。これに基づ
き、図１２に示すように、比較例１のシール部分をずら
し、対向するシール１１，２１の幅が全長にわたって１
ｍｍとした（比較例１は２ｍｍ）以外は、比較例１と同
様にしてガス漏れ試験を行った。
の横方向への位置ずれの最大公差が、Ｘ方向、Ｙ方向で
それぞれ０．５ｍｍ、したがって上下のシール１１，２
１の最大位置ずれ量を１ｍｍと想定した。これに基づ
き、図１２に示すように、比較例１のシール部分をずら
し、対向するシール１１，２１の幅が全長にわたって１
ｍｍとした（比較例１は２ｍｍ）以外は、比較例１と同
様にしてガス漏れ試験を行った。
【００２９】［比較例３］下側のシール２２の幅を４ｍ
ｍとし、これ以外は比較例１と同様にしてガス漏れ試験
を行った（図１３）。
ｍとし、これ以外は比較例１と同様にしてガス漏れ試験
を行った（図１３）。
【００３０】［比較例４］比較例１の下側治具４１を用
い、下側シール２３の高さを０．９２５ｍｍとした以外
は、実施例と同様にしてガス漏れ試験を行った（図１
４）。
い、下側シール２３の高さを０．９２５ｍｍとした以外
は、実施例と同様にしてガス漏れ試験を行った（図１
４）。
【００３１】［比較例５］比較例１の上側治具３１およ
び下側治具４１を用い、上側治具３１に実施例と同様の
上側シール１０を装着した。そして、下側シール２４の
高さが０．９２５ｍｍとした以外は、比較例４と同様に
してガス漏れ試験を行った（図１５）。
び下側治具４１を用い、上側治具３１に実施例と同様の
上側シール１０を装着した。そして、下側シール２４の
高さが０．９２５ｍｍとした以外は、比較例４と同様に
してガス漏れ試験を行った（図１５）。
【００３２】上記のガス漏れ試験は、測定雰囲気温度が
２０〜２４℃での初期、測定雰囲気温度が−４０℃で１
時間を経た後に９０℃で１時間おく冷熱サイクル、測定
雰囲気温度が９０℃での高温耐久の３種類の条件で行っ
た。それらの結果を表１に示す。
２０〜２４℃での初期、測定雰囲気温度が−４０℃で１
時間を経た後に９０℃で１時間おく冷熱サイクル、測定
雰囲気温度が９０℃での高温耐久の３種類の条件で行っ
た。それらの結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
【００３４】表１で明らかなように、実施例ではガス漏
れが発生せず、シール性に問題がないことが実証され
た。一方、各比較例では、冷熱サイクルあるいは高温耐
久の少なくともいずれか一方でガス漏れが認められ、シ
ールにも不具合が発生した。
れが発生せず、シール性に問題がないことが実証され
た。一方、各比較例では、冷熱サイクルあるいは高温耐
久の少なくともいずれか一方でガス漏れが認められ、シ
ールにも不具合が発生した。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電極構造体の厚さやセパレータの寸法にばらつきがあっ
ても、対向するシールの応力が分散して面圧が均等化さ
れ、これによって良好なシール機能が発揮されるととも
に、生産性の向上が図られるといった効果を奏する。
電極構造体の厚さやセパレータの寸法にばらつきがあっ
ても、対向するシールの応力が分散して面圧が均等化さ
れ、これによって良好なシール機能が発揮されるととも
に、生産性の向上が図られるといった効果を奏する。
【図１】 本発明の第１実施形態に係るシール構造が適
用された燃料電池の断面図である。
用された燃料電池の断面図である。
【図２】 本発明の第２実施形態に係るシール構造が適
用された燃料電池の断面図である。
用された燃料電池の断面図である。
【図３】 本発明の第３実施形態に係るシール構造が適
用された燃料電池の断面図である。
用された燃料電池の断面図である。
【図４】 本発明の第４実施形態に係るシール構造が適
用された燃料電池の断面図である。
用された燃料電池の断面図である。
【図５】 本発明の第５実施形態に係るシール構造が適
用された燃料電池の断面図である。
用された燃料電池の断面図である。
【図６】 本発明の第６実施形態に係るシール構造が適
用された燃料電池の断面図である。
用された燃料電池の断面図である。
【図７】 本発明の第７実施形態に係るシール構造が適
用された燃料電池の断面図である。
用された燃料電池の断面図である。
【図８】 本発明のシール構造の概念を示す断面図であ
る。
る。
【図９】 本発明の第２のシールの変形例を示す断面図
である。
である。
【図１０】 実施例のガス漏れ試験の構造を示す断面図
である。
である。
【図１１】 比較例１のガス漏れ試験の構造を示す断面
図である。
図である。
【図１２】 比較例２のガス漏れ試験の構造を示す断面
図である。
図である。
【図１３】 比較例３のガス漏れ試験の構造を示す断面
図である。
図である。
【図１４】 比較例４のガス漏れ試験の構造を示す断面
図である。
図である。
【図１５】 比較例５のガス漏れ試験の構造を示す断面
図である。
図である。
１…電極構造体 ２，３…ガス拡散電極板（電極層） ４…高分子電解膜 ６…セパレータ ６ａ…ガス通路 ７…シール溝 ８…凸条 １０…第１のシール ２０…第２のシール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻 誠 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 EE02 EE06 EE18
Claims (3)
- 【請求項１】 ガス通路を有する一対のセパレータの間
に、高分子電解膜と電極層とを備えた電極構造体が挟持
されて燃料電池が構成され、該燃料電池における前記一
対のセパレータと前記高分子電解膜との間をシールする
シール構造であって、 一方のセパレータのシール部位にシール溝を設けるとと
もに、このシール溝に、シール溝の深さよりも肉厚で、
かつ先端部が漸次幅狭とされた第１のシールを設け、 他方のセパレータのシール部位に凸条を設けるととも
に、この凸条の先端面に一定の幅を有するシート状の第
２のシールを設け、 前記第１のシールと前記第２のシールとで、前記高分子
電解膜を挟み込むことを特徴とする燃料電池のシール構
造。 - 【請求項２】 前記セパレータは、金属または金属と黒
鉛の複合材料からなり、 前記第１および第２のシールは、ゴム、樹脂またはゴム
と樹脂の複合材料からなることを特徴とする請求項１に
記載の燃料電池のシール構造。 - 【請求項３】 前記セパレータは、樹脂と黒鉛の複合材
料からなり、 前記第１および第２のシールは、ゴム、樹脂またはゴム
と樹脂の複合材料からなることを特徴とする請求項１に
記載の燃料電池のシール構造。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000223342A JP3400415B2 (ja) | 2000-07-25 | 2000-07-25 | 燃料電池のシール構造 |
| US09/906,004 US6872485B2 (en) | 2000-07-25 | 2001-07-17 | Sealing structure for fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000223342A JP3400415B2 (ja) | 2000-07-25 | 2000-07-25 | 燃料電池のシール構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002042837A true JP2002042837A (ja) | 2002-02-08 |
| JP3400415B2 JP3400415B2 (ja) | 2003-04-28 |
Family
ID=18717453
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2000223342A Expired - Fee Related JP3400415B2 (ja) | 2000-07-25 | 2000-07-25 | 燃料電池のシール構造 |
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|---|---|
| US (1) | US6872485B2 (ja) |
| JP (1) | JP3400415B2 (ja) |
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