JP2003257454A - 燃料電池用構成部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池で用いられるガス拡散層２とガスケ
ット６との一体品において、ガスケット６に生じる永久
圧縮歪みを小さく抑えることが可能であり、しかも製造
が容易で、熱硬化性ゴム材料を用いる場合であっても電
解質膜に熱によるダメージを与えることがない燃料電池
用構成部品１を提供する。 【解決手段】 燃料電池に用いられるガス拡散層２とガ
スケット６との一体品であって、ガス拡散層２を厚さ方
向に貫通する貫通部４をガスケット６の平面配置に合わ
せてガス拡散層２の平面上に溝状に設け、この溝状の貫
通部４に沿ってガスケット６をガス拡散層２に対して一
体成形することにした。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の構成要
素をなす燃料電池用の構成部品に関するものであり、更
に詳しくは、ガス拡散層とガスケットとの一体品に関す
るものである。 【０００２】 【従来の技術】固体高分子型の燃料電池においては、一
セルあたりの電圧の大きさが化学反応から決定されてい
るため、電圧を増大させるためには、セルを多数積層す
る必要があり、またその一方で、各セルには、燃料ガス
や冷却水をシールするためのガスケットや、ガスや冷却
水のマニフォールドになる部分のガスケットが必要であ
る。したがって、このガスケットとしてゴム単体型のも
のを使用すると、セルを多数積層する場合に多くの手間
と時間がかかる不都合がある。 【０００３】そこで、現在、セパレータとガスケットと
を予め一体化する方法や、電解質膜とガスケットとを予
め一体化する方法が検討されている。また、電解質膜と
ガスケットとを一体化するのが難しい場合には、ガス拡
散層とガスケットとを一体化する方法が提案されてお
り、この場合は主に、ガス拡散層を構成するカーボン材
に対してガスケット材料であるゴムを含浸させることに
より一体品を成形している。 【０００４】しかしながら、このようにガス拡散層に対
してゴムを含浸させる場合には、含浸の結果として、ガ
ス拡散層のカーボン繊維がゴム内に分散することになる
ために、ガスケットの永久圧縮歪みが大きくなり、ガス
ケットの耐久性に課題が残る場合がある。 【０００５】また、カナダのバラード社から出願されて
いる米国特許によると、カーボンペーパーに溝を加工
し、この溝に沿ってガスケットを接着剤を用いて貼り付
ける技術（米国特許第５２８４７１８号公報）や、カー
ボンペーパーと電解質膜とを一体化した反応電極部（Ｍ
ＥＡ）におけるカーボンペーパーに溝を加工し、この溝
に沿ってガスケットを一体化する技術（米国特許第５１
７６９６６号公報）が開示されている。 【０００６】しかしながら、前者については、組立工数
が多いために、製造に多くの手間と時間がかかるととも
にコストの削減が難しいと云う不都合があり、後者につ
いては、ＭＥＡ上にガスケットを成形するものであるた
め、熱硬化性ゴム材料を用いる場合に電解質膜に熱によ
るダメージを与える虞があると云う不都合がある。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の点に鑑
みて、燃料電池で用いられるガス拡散層とガスケットと
の一体品において、ガスケットに生じる永久圧縮歪みを
小さく抑えることが可能であり、しかも製造が容易で、
熱硬化性ゴム材料を用いる場合であっても電解質膜に熱
によるダメージを与えることがない燃料電池用構成部品
を提供することを目的とする。 【０００８】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の燃料電池用構成部品は、燃料電池に用いら
れるガス拡散層とガスケットとの一体品であって、前記
ガス拡散層を厚さ方向に貫通する貫通部を前記ガスケッ
トの平面配置に合わせて前記ガス拡散層の平面上に溝状
に設け、前記溝状の貫通部に沿って前記ガスケットを前
記ガス拡散層に対して一体成形したことを特徴とするも
のである。 【０００９】上記構成を備えた本発明の燃料電池用構成
部品においては、ガス拡散層を厚さ方向に貫通する貫通
部がガスケットの平面配置に合わせてガス拡散層の平面
上に溝状に設けられ、この溝状の貫通部に沿ってガスケ
ットがガス拡散層に対して一体成形されているために、
ガスケットはその大部分が溝状の貫通部内に配置され
て、ガス拡散層とは平面上重ならないことになる。した
がって、ガス拡散層がカーボン繊維等の繊維質を有する
場合であっても、この繊維質がガスケット材料であるゴ
ム内に多量に紛れ込むのを抑えることが可能となる。 【００１０】また、上記構成を備えた本発明の構成部品
は、金型等を用いてガス拡散層に対してガスケットを一
体成形するものであるために、接着剤による接着の場合
よりも工程数が少なくて済むと云う利点がある。 【００１１】また、本発明の構成部品は、ガス拡散層に
対してガスケットを一体成形するものであって電解質膜
に対してガスケットを一体成形するものでないために、
耐熱性について懸念のある電解質膜に成形時の熱による
ダメージを与える虞がない。 【００１２】尚、本件出願には、以下の技術的事項が含
まれる。 【００１３】すなわち、上記目的を達成するため、本件
出願が提案する一の燃料電池用構成部品ないしその製造
方法は、 燃料電池で用いられるガス拡散層とガスケットの一
体品において、ガスケットを一体化する部分のガス拡散
層に前もってトムソン刃やウォータージェットやレーザ
ーを用いて溝を加工し、その後ガスケットを一体成形す
るものであり、また、 ガス拡散層で使用される不織布やカーボンペーパー
等のガスケットを成形する部分を前もってトムソン刃や
ウォータージェットやレーザーカット方法を用いて加工
し、形状はガスケットの形状に合わせて溝形状にカット
するものである。 【００１４】 上記ないし項に係る発明の実施形
態としては、以下のとおりである。すなわち、固体高分
子形燃料電池に使用されるガス拡散層とガスケットを一
体化する。ガス拡散層として使用されるカーボンペーパ
ーや不織布の厚さはおよそ０．１〜０．８ｍｍ程度が良
好である。このガス拡散層に前もってトムソン刃等によ
るダイカットや、ウォータージェットを用いたカット
や、レーザーを用いたカットによって溝や流路を形成す
る。その後、インジェクションやディスペンサーやスク
リーン印刷を用いてガスケットを溝内に成形する。成形
するゴムの種類としては、シリコーンゴム、フッ素ゴ
ム、ＥＰＤＭまたはブチルゴム等が好適である。ガスケ
ットの高さは０．１〜２ｍｍ程度、硬度は１０〜８０度
程度が良好である。当該構成部品を金型で成形する場合
には、様々なガスケット断面形状が製作できる利点があ
る。 【００１５】 以上のないし項によれば、以下の
作用効果を奏することが可能である。すなわち先ず、ガ
スケットの直下にガス拡散層がないため、ガスケットの
圧縮永久歪みを低減させることができる。また、ガス拡
散層にゴムを一体化する際、金型内への固定が容易であ
る。また、ＭＥＡ上にガスケットを成形するものでな
く、カーボンペーパーのみにガスケットを成形する製品
であるため、ガスケット成形時の熱による電解質膜のダ
メージを防ぐことができる。 【００１６】尚、上記構成部品については、ガスケット
がガス拡散層から部分的にずれたり外れたりする可能性
がないかが懸念されるが、これに対する回答は以下のと
おりである。 【００１７】すなわち、ガス拡散層を打ち抜き、その後
金型内で位置決めを行なってガスケットを一体成形する
ため、ガス拡散層とガスケットとがずれることはない。
また多少ずれても大丈夫なように寸法的な余裕をもたせ
てガス拡散層の打ち抜きを行なうのが好適である。ま
た、一体成形であるため、ガスケットとガス拡散層には
含浸されている部分があり、よってガスケットがガス拡
散層から外れる可能性は小さい。 【００１８】 【発明の実施の形態】つぎに本発明の実施例を図面にし
たがって説明する。 【００１９】図１は、本発明の実施例に係る燃料電池用
構成部品１の平面図であって、そのＡ−Ａ線拡大断面図
が図２に示されている。また、図３はガス拡散層２を形
成する素材の平面図、図４はこの素材に孔や溝等の必要
な加工を施した状態のガス拡散層２の単品状態平面図で
あり、後記するようにこの図４の状態のガス拡散層２に
対してガスケット６が一体成形されることになる。 【００２０】当該実施例に係る構成部品１は、燃料電池
で用いられるガス拡散層２とガスケット６との一体品で
あって、以下のように構成されている。 【００２１】すなわち先ず、カーボンプレート、カーボ
ンペーパーまたは不織布等によって平板状に形成された
ガス拡散層２が設けられており、このガス拡散層２の平
面上に、燃料ガスや冷却水等の流路となる透孔部３と、
ガスケット６を一体成形するための貫通部４とがそれぞ
れ所定の平面配置をもって形成されている。透孔部３は
ガス拡散層２を厚さ方向に貫通する孔であり、貫通部４
もガス拡散層２を厚さ方向に貫通する孔であるが、後者
の貫通部４は、ガスケット６の平面配置に合わせてガス
拡散層２の平面上に溝状のものとして設けられている。
また、ガスケット６が平面上エンドレスに配置される場
合、溝状の貫通部４もこれに合わせてエンドレス溝とし
て形成されるべきであるが、これではエンドレス溝の内
側部分において一部のガス拡散層２が抜け落ちてしまう
ため、これを防止すべく、エンドレス溝の周上所々に、
エンドレス溝の内側部分と外側部分とを繋ぐための橋状
の連結部５が設けられている。 【００２２】以上の説明が図４の状態であり、この図４
のガス拡散層２に対して図１に示すようにガスケット６
を一体成形し、すなわち溝状の貫通部４に沿ってガスケ
ット６をガス拡散層２に対して一体成形する。図２の断
面図に示すように、ガスケット６は貫通部４内に余さず
充填され、かつガス拡散層２の上面よりも上方に突出す
るとともに、ガス拡散層２の下面よりも下方に突出する
よう形成されて両面ガスケットを構成しており、このよ
うな断面形状のガスケット６が上記エンドレス溝に沿っ
てエンドレス状に形成されている。ガス拡散層２の厚さ
はおよそ０．１〜０．８ｍｍ程度、ガスケット６の高さ
はおよそ０．１〜２ｍｍ程度とされている。また、図示
はしないが、ガスケット６はその一部において貫通部４
の内面に対して含浸しており、よってガスケット６がガ
ス拡散層２から外れることがないように構成されてい
る。 【００２３】つぎに上記構成の構成部品１の製造方法を
説明する。 【００２４】すなわち先ず、図３に示したように平面状
のガス拡散層２を用意し、ついで図４に示したように、
このガス拡散層２にトムソン刃等によるダイカット法、
ウォータージェットカット法またはレーザーカット法等
によって透孔部３および貫通部４を形成する。ついで、
この単品として仕上げられたガス拡散層２をインジェク
ション金型のキャビティ空間にセットし、ゴム材料を流
し込んでガスケット６を成形する。この成形時、ゴム材
料の一部がガス拡散層２に含浸して両者が一体化される
ことは上記したとおりである。ゴム材料の種類として
は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭまたはブチ
ルゴム等が好適であり、成形されるガスケット６の硬度
は１０〜８０度程度が好適である。 【００２５】上記構成の構成部品１によれば、以下の作
用効果を奏することが可能である。 【００２６】すなわち先ず第一に、ガス拡散層２を厚さ
方向に貫通する貫通部４がガスケット６の平面配置に合
わせてガス拡散層２に溝状のものとして設けられ、この
溝状の貫通部４に沿ってガスケット６がガス拡散層２に
対して一体成形されているために、ガスケット６はその
大部分が溝状の貫通部４内に配置されて、ガス拡散層２
とは平面上重ならない位置に配置される。したがって、
ガス拡散層２のカーボン繊維等の繊維質がガスケット材
料であるゴム内に多量に紛れ込むのを抑えることができ
るために、当該構成部品１の装着使用時にガスケット６
に生じる永久圧縮歪みを小さく抑えることができる。図
示したガスケット６は上記したように両面ガスケットで
あって、両面のそれぞれに断面略三角形状のシールリッ
プ６ａを有しており、装着使用時にこのシールリップ６
ａが強く圧縮変形せしめられることになるが、このシー
ルリップ６ａは溝状の貫通部４における溝幅の略中央
の、含浸の影響が小さい位置に配置されている。したが
って、このように断面三角形状のシールリップ６ａを備
えたガスケット６は装着使用時に強く圧縮されることが
あっても、大きな永久圧縮歪みを生じることがない。 【００２７】また、上記構成の構成部品１は、金型を用
いてガス拡散層２に対してガスケット６を一体成形する
ものであるために、ガス拡散層２に対してガスケット６
を接着剤により接着する場合と比較して、工程数を少な
く抑えることができる。したがって、構成部品１の製造
を容易化することができ、かつ構成部品１の製造コスト
ないし部品コストを低減させることができる。 【００２８】また、上記構成の構成部品１においては、
一体成形時に金型内に配置されるガス拡散層２に予め溝
状の貫通部４が設けられるために、この溝状の貫通部４
を利用してガス拡散層２を金型に対し位置決めすること
により、ガス拡散層２を金型に対して容易にしかも正確
に位置決めすることができる。したがってこの点からも
構成部品１の製造を容易化することができ、かつ成形精
度を向上させることができる。 【００２９】更にまた、上記構成の構成部品１は、ガス
拡散層２とガスケット６とを一体成形するものであっ
て、上記従来技術のように電解質膜とガスケットとを一
体成形するものでない。したがって、耐熱性について懸
念のある電解質膜に成形時の熱によるダメージを与える
虞がなく、この点についての憂慮を解消することができ
る。 【００３０】尚、上記実施例では、ガスケット６をガス
拡散層２の両面に突出する両面ガスケットとして成形し
たが、これに代えて、ガス拡散層２の何れか一方の面の
みに突出する片面ガスケットとして成形することも可能
である。また、ガスケット６の断面形状には様々なもの
が考えられ、本発明はその断面形状を限定するものでは
ない。また、上記実施例では、ガスケット６を金型によ
って成形することにしたが、ディスペンサー法やスクリ
ーン印刷法等を用いて成形することにしても良い。但
し、ガスケット６を金型で成形する場合には、ガスケッ
ト６の断面形状を任意に設定し得る利点がある。 【００３１】 【発明の効果】本発明は、以下の効果を奏する。 【００３２】すなわち、上記構成を備えた本発明の燃料
電池用構成部品においては先ず、ガス拡散層を厚さ方向
に貫通する貫通部がガスケットの平面配置に合わせてガ
ス拡散層に溝状のものとして設けられ、この溝状の貫通
部に沿ってガスケットがガス拡散層に対して一体成形さ
れているために、ガスケットはその大部分が溝状の貫通
部内に配置され、ガス拡散層とは平面上重ならない位置
に配置される。したがって、ガス拡散層のカーボン繊維
等の繊維質がガスケット材料であるゴム内に多量に紛れ
込むのを抑えることができるために、当該構成部品の装
着使用時にガスケットに生じる永久圧縮歪みを小さく抑
えることができる。 【００３３】また、上記構成を備えた構成部品は、ガス
拡散層に対してガスケットを一体成形するものであるた
めに、ガス拡散層に対してガスケットを接着剤により接
着する場合と比較して、工程数を少なく抑えることがで
きる。したがって、構成部品の製造を容易化し、かつコ
ストを低減させることができる。 【００３４】更にまた、上記構成を備えた構成部品は、
ガス拡散層に対してガスケットを一体成形するものであ
って上記従来技術のように電解質膜に対してガスケット
を一体成形するものでないために、耐熱性について危惧
のある電解質膜に成形時の熱によるダメージを与える虞
がなく、よってこの点についての憂慮を解消することも
できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例に係る燃料電池用構成部品の平
面図 【図２】図１におけるＡ−Ａ線拡大断面図 【図３】同構成部品の製造工程説明図であって、ガス拡
散層成形素材の平面図 【図４】同じく同構成部品の製造工程説明図であって、
ガス拡散層単品完成状態を示す平面図 【符号の説明】 １ 燃料電池用構成部品 ２ ガス拡散層 ３ 透孔部 ４ 貫通部 ５ 連通部 ６ ガスケット ６ａ シールリップ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 燃料電池に用いられるガス拡散層（２）
   とガスケット（６）との一体品であって、前記ガス拡散
   層（２）を厚さ方向に貫通する貫通部（４）を前記ガス
   ケット（６）の平面配置に合わせて前記ガス拡散層
   （２）の平面上に溝状に設け、前記溝状の貫通部（４）
   に沿って前記ガスケット（６）を前記ガス拡散層（２）
   に対して一体成形したことを特徴とする燃料電池用構成
   部品。