JP2004206986A - 燃料電池のシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの変形防止と、内圧によるガスケットの倒れの防止との両方を達成できる、燃料電池のシール構造の提供。
【解決手段】（１）セパレータ１８間またはモジュール間のクリアランスに弾性を有するガスケット３３を配置しガスケットを圧縮領域で使用してセパレータ間またはモジュール間をシールした燃料電池のシール構造であって、ガスケット３３をクリアランス範囲において低モジュラス構造とした燃料電池のシール構造。（２）ガスケット３３の最大〜最小荷重特性／クリアランス特性が、クリアランス範囲で、許容される最大反力と最小反力の範囲内に収まるモジュラスである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）のシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）と、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ
【０００３】
上記反応が正常に行われるように、燃料ガス（水素）、酸化ガス（エア）、冷媒（冷却水）は、混じり合わないように、互いにシールされる。ＭＥＡを挟んで対向するセパレータ間、および電解質膜とセパレータ間は接着剤でシールされ、セル間またはモジュール間はガスケットによりシールされる。ガスケットはセルの発電領域を囲むように細い幅をもって線状（以下、細線状という）に延びると共に、セルのマニホールドまわりを囲むように細線状に延びている。
特開２００１−３３２２７６号公報は、高硬度弾性体をベースガスケットとし、このベースガスケットの上下両面へ合成ゴム材からなる硬度３０〜５０°の低硬度ガスケットを配置し、それによってガスケットゴム反力によるセパレータの変形を防止した燃料電池用ガスケットを開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３３２２７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ガスケットゴムの硬度を下げると、セパレータの変形防止には効果があるが、反面、内圧によりガスケットのシール部の倒れが発生し、リークの原因となる。
本発明の目的は、セパレータの変形防止と、内圧によるガスケットの倒れの防止との両方を達成できる、燃料電池のシール構造を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） セパレータ間またはモジュール間のクリアランスに弾性を有するガスケットを配置し該ガスケットを圧縮領域で使用して前記セパレータ間またはモジュール間をシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスケットをクリアランス範囲において低モジュラス構造とした燃料電池のシール構造。
（４） 前記ガスケットの最大〜最小荷重特性／クリアランス特性が、クリアランス範囲で、許容される最大反力と最小反力の範囲内に収まるモジュラスである（１）記載の燃料電池のシール構造。
【０００７】
上記（１）、（２）の燃料電池のシール構造では、ガスケットを低モジュラス（「モジュラス」は弾性係数（Modulus of Elasticity の意味）構造としたので、ゴム硬度を下げずに、また、ガスケット反力全体を下げるのではなく、クリアランス範囲において反力が変化し難い構成とすることができる。その結果、セパレータにダメージを与えるような反力の発生がなく、また、硬度を下げないので、内圧によるガスケットのシール部の倒れとそれによるリークが防止される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池のシール構造を、図１〜図１１を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００９】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図９〜図１１に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）と、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８は、カーボン、またはメタル、またはメタルと樹脂、または導電性樹脂、の何れか、またはその組み合わせからなる。図示例はカーボンセパレータの場合を示しているが、セパレータ１８は、カーボン製に限るものではない。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。燃料ガスも酸化ガスも反応ガスである。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８、冷媒流路２６は、それぞれ、セル面内の流体流路を形成する。
【００１１】
図１１に示すように、セパレータ１８には、セル積層方向に貫通する、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、が設けられる。冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１は、それぞれ、スタック２３内に形成された内部流体マニホールドを形成する。
流体マニホールドは入側流体マニホールドと出側流体マニホールドを有する。
冷媒は入側冷媒マニホールド２９からセル内の冷媒流路２６を通って出側冷媒マニホールド２９へ流れる。
燃料ガスは入側燃料ガスマニホールド３０からセル内の燃料ガス流路２７を通って出側燃料ガスマニホールド３０へ流れる。
酸化ガスは入側酸化ガスマニホールド３１からセル内の酸化ガス流路２８を通って出側酸化ガスマニホールド３１へ流れる。
【００１２】
電解質膜１１を挟んで対向するセパレータ１８間は、発電領域の周りとマニホールド周りで、接着剤３２により互いにシールされる。接着剤３２は、初期は液状であるが、加熱することにより、または所定時間（たとえば、２４時間）放置することによって固化する。
隣接するセル１９間またはモジュール間は、発電領域の周りとマニホールド周りで、ガスケット３３によってもシールされる。図１１において、ガスケット３３を細線状ライン３３で示してある。
【００１３】
図８に示すように、ガスケット３３は、たとえば弾性材からなり、たとえばゴムからなり、具体的にはシリコーンゴムからなる。ゴムガスケットを使用する場合、従来のＯリングの使用におけるように、その圧縮範囲は１０〜４０％程度とするのが一般的であり、ＪＩＳに記載されるなどで設計指標とされている。燃料電池のゴムガスケットも、従来の使用圧縮範囲は同様の概念囲が使われており、１０〜４０％程度とされている。
しかし、各部品精度のバラツキにより、モジュール毎で使用する反力がばらつくため、積層した時に全体としてバランスが崩れ、偏差を均等化しようと変位することで、セパレータ１８の変形が発生する。
また、セル１９を積層する際に、ガスケット３３が必ずしも同軸線上にならないため、セパレータ１８に対して捩じり力が発生し、同様に変形などが発生する。
【００１４】
スタック締結時のガスケット圧縮時の反発力バラツキを低減する方策として、従来は、図３の（ロ）、（ハ）の２つの方向性があり、それぞれに以下の問題がある。
▲１▼ ガスケット自体の反力を全体的に下げる（図３の（イ）→（ロ））
一般的には材料の硬度を低下させると、内圧によるシール部の倒れが発生し、リークの原因となる他、材料のクリープが発生すると、シール可能な最低シール圧が確保できなくなる。また、ガスケット高さを低く設定すると図３（ロ）のように高圧縮側では反力が急激に増大する領域付近を使用することとなり、また、材料のクリープが進行するとシール可能な最低反力が得られなくなる。
▲２▼ クリアランスのバラツキを低減する（図３の（イ）→（ハ））
各部品の精度向上が必要であるが、各部品の精度の積み上げとなるため、実際にはクリアランス（図１０のδ）のバラツキを大幅に低減することは困難である。また、クリアランスを大きく設定し、相対的にクリアランスのバラツキ範囲の比率を低減することも可能であるが、シール部位の厚さ（クリアランス）を十分確保する必要があり、セパレータ１８やモジュールの厚さ、ひいてはスタック２３の長さが増大する。
その他、セパレータ１８が変形しない程度に強固であればセパレータ１８の変形は生じないが、セパレータ１８は剛体ではないので、上下のシール荷重が異なれば、バランスが取れる方向に変位する。変位量を少なくするには、セパレータ１８の断面係数を上げればよいが、モジュールの厚さ、スタック２３の長さが増大することになる。
【００１５】
本発明では、上記▲１▼、▲２▼の方向性とは別の方式で、ガスケット反力を抑え、かつガスケット３３の内圧による倒れとそれによるリークを抑えた。すなわち、本発明では、ガスケット３３の反力全体を下げるのではなく、クリアランス範囲において反力が変化し難い構成とする。
具体的な方法は以下の（ａ）、（ｂ）の通りである。
【００１６】
（ａ） 材料モジュラス（Modulus of Elasticity ）の低減
ガスケット３３の材料の硬度を下げずに内部応力で緩和するような（断面形状が撓みやすい）モジュラスの低い材料を使用した。
図４は、従来のガスケットゴム（従来品）および硬度を下げた従来品と、従来に比べて材料モジュラスを下げた本発明品の、モジュラス特性、すなわち弾性係数（強度（ｋｇ／ｍｍ² ）／伸び（％））を示している。
本発明品のシリコーンゴムガスケット３３の材料モジュラスは、使用領域２０〜６０％域で、従来ガスケットゴムの材料モジュラスに対して１／２以下である。図は引っ張り特性を示しているが、圧縮特性は伸びが圧縮に変わり、強度が引っ張り強度から圧縮強度に変わるだけで他はほぼ同じである。
また、図４からわかるように、本発明品のシリコーンゴムガスケット３３の強度は従来ガスケットゴムの強度の１２０％より高い。
【００１７】
（ｂ） ガスケット高さｈを比較的高く（従来品より高く）設定し、高圧縮領域で使用すること
モジュラスの低い材料であるため、ガスケット高さｈを比較的高く設定し（図８に示すように、高さは０．８４ｍｍ）、一般的に行われている１０〜４０％程度の圧縮（図５に従来品の約１０％の最低圧縮、中間圧縮、約４５％の最大圧縮を示す）より高圧縮側の領域２０〜６０％（図６に本発明品の約２０％の最低圧縮、中間圧縮、約５５％の最大圧縮を示す）で使用するようにする。高圧縮側の領域２０〜６０％で使用しても、低モジュラスのため、反力が従来ガスケットに比べて増大することはない。ただし、図６に示すように、ガスケット材料の変形量は大きく、内部応力も高くなる。そのため、樹脂強度を高くすることが必要である。図４に示すように、本発明品の樹脂強度は従来品の樹脂強度に比べて高い。モジュラスが低く、樹脂強度が高ければ、ゴムボリュームを持たせて倒れやすいという欠点を補っても、反力が低くかつ材料破壊に至らない形状設計が可能であ。
【００１８】
以上の２点（ａ、ｂ）を行うことにより、図１に示す反力特性を得る。すなわち、広いクリアランス範囲において、必要なシール圧（反力）を確保しつつ、反力偏差を低減することが可能となる他、セパレータ１８にダメージを与えるような反力は発生しない。
また、クリアランスが異なる場合でも、ゴム硬度を下げた場合のようなガスケット倒れによるリークが発生しなくなる。また、材料クリープが発生した場合でも、シール可能な最低シール圧が確保できる。
【００１９】
高圧縮領域で使用しても反力のバラツキが大きく成らないことから、ガスケット用のクリアランスを予め狭く（ガスケットに対しては低く）設定することができるため、セパレータ１８の厚さ、モジュール厚さを薄くすることができる。それにより、スタック２３の長さを低減できる。
この場合の具体的な反力特性は、クリアランスを広めに設定した場合よりも効果が低減するが、図７のようになり、モジュラスの高い材料を用いた場合（従来の場合）よりも、全体的に反力範囲は低く設計することが可能となる。
上記は、本発明をモジュール間ガスケットに適用した場合を説明したが、本発明の適用対象は、ＭＥＡを挟持するセパレータ間用のシール剤（接着剤３２の代替）として使用することも可能である。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１、２の燃料電池のシール構造によれば、ガスケットを低モジュラス構造としたので、ゴム硬度を下げずに、また、ガスケット反力全体を下げるのではなく、クリアランス範囲において反力が変化し難い構成とすることができる。その結果、セパレータにダメージを与えるような反力の発生がなく、また、硬度を下げないので、内圧によるガスケットのシール部の倒れとそれによるリークが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のシール構造で用いられるガスケットの荷重（反力）／クリアランスのグラフである。
【図２】従来品ガスケットの荷重（反力）／クリアランスのグラフである。
【図３】（イ）の特性をもつ従来品ガスケットにおける、圧縮時の反力バラツキを低減する方策の方向性を示す２つ（（ロ）、（ハ））の、荷重（反力）／クリアランスのグラフである。
【図４】本発明品と従来品（通常従来品、硬度を下げた従来品）のモジュラス特性図（強度／伸びのグラフ）である。
【図５】従来品のガスケットの、使用範囲を示す断面図である。
【図６】本発明品のガスケットの、使用範囲を示す断面図である。
【図７】本発明品と従来品のシール荷重／クリアランス特性を比較して示したグラフである。
【図８】本発明品のガスケットの圧縮前の断面図である。
【図９】燃料電池のスタックの側面図である。
【図１０】燃料電池のスタックの一部の断面図である。
【図１１】燃料電池のセルの正面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト・ナット
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ 接着剤
３３ ガスケット

Claims (2)

1. セパレータ間またはモジュール間のクリアランスに弾性を有するガスケットを配置し該ガスケットを圧縮領域で使用して前記セパレータ間またはモジュール間をシールした燃料電池のシール構造であって、前記ガスケットをクリアランス範囲において低モジュラス構造とした燃料電池のシール構造。
2. 前記ガスケットの最大〜最小荷重特性／クリアランス特性が、クリアランス範囲で、許容される最大反力と最小反力の範囲内に収まるモジュラスである請求項１記載の燃料電池のシール構造。

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