JP2004241167A

JP2004241167A - 燃料電池用構成部品

Info

Publication number: JP2004241167A
Application number: JP2003026683A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Inoue; 智広井上
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26
Also published as: US20040151967A1

Abstract

【課題】一対のセパレータプレート２，３および両セパレータプレート２，３間に介装されるガスケット４を有するセル組立時に一対のセパレータプレート２，３が互いに密着する構造の燃料電池用構成部品１において、ガスケット４を成形するのに製法の如何を問わず成形することができ、しかも所望の大きさのガスケット反力を設定することができる燃料電池用構成部品１を提供する。
【解決手段】互いに対向する密着面２ａ，３ａの間に間隙５を有する状態で互いに並列配置される一対のセパレータプレート２，３と、一方または双方のセパレータプレート２に設けたガスケット溝６に配置されるとともに両セパレータプレート２，３に対してそれぞれ接着されたガスケット４とを有し、燃料電池セルの組立時、両セパレータプレート２，３をそれぞれの密着面２ａ，３ａで互いに密着させたときにこれに伴いガスケット４をガスケット溝６内で圧縮変形せしめることにした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用構成部品に係り、さらに詳しくは、一対のセパレータプレートおよび前記両セパレータプレート間に介装されたガスケットを有する燃料電池用構成部品に関するものである。本発明の燃料電池用構成部品は、セル組立時に一対のセパレータプレートが互いに密着することから、主に固体高分子形燃料電池スタックにおける冷却水循環系セパレータとして用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池では、水素、酸素または空気、冷却水等の流体が用いられ、これらの流体はそれぞれが高分子電解質膜やセパレータ等により隔離されている。このため、各流体をシールするためのガスケットも装置構成上の重要な要素となる。しかしながら、前記流体隔離部品のうちセパレータには電気伝導性と熱伝導性および流体不透過性が併せ求められるため、このセパレータは一般に焼成カーボン、樹脂含有カーボンまたはアモルファスカーボン等の非常に強度の低い材料プレートにより形成されている。このため、前記ガスケットとして従来の汎用機器に使用されているような反力の大きいＯリングや平面ガスケットを使用すると、その反力によりセル組立時にセパレータプレートが破損してしまうことがある。
【０００３】
その対策として、例えば特開２０００−１３３２８８号公報記載の発明では、ガスケットの断面形状を山形等にすることによりガスケットに発生する反力を低下させる手段が用いられている。しかしながら、この山形等の形状の整ったガスケットを成形するには、金型を用いることからコストが比較的高く工程が比較的複雑な圧縮成形法や射出成形法を用いなければならず、金型を用いないことからコストが比較的低く工程が比較的簡単なディスペンサー法やスクリーン印刷法を用いるのが困難であるという不都合がある。例えば仮にディスペンサー法により断面山形状のガスケットを成形すると、ガスケットの断面形状を全周に亙って整えることができないために、製品単位または一製品内シール面の部分箇所で使用時に発生する反力の大きさにバラツキが発生し、これによりガスケットのシール性能に支障を来たしてしまうことになる。
【０００４】
また、その他の対策として、例えば特開２００１−１１０４３６号公報記載の発明では、ガスケットを使用しないで接着剤のみで各種部材をシールする方法が提案されている。しかしながらこの場合には、シール反力がゼロであるため、シールの僅かな劣化によりリークが生じるなど、シール性能に関して全く信頼性がない。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１３３２８８号公報
【特許文献２】
特開２００１−１１０４３６号公報
【０００６】
【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、一対のセパレータプレートおよび前記両セパレータプレート間に介装されたガスケットを有するとともにセル組立時に一対のセパレータプレートが互いに密着する構造の燃料電池用構成部品において、ガスケットを成形するのに製法の如何を問わずにこれを成形することができ、しかも所望の大きさのガスケット反力を設定することができる燃料電池用構成部品を提供することを目的とする。
【０００７】
【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、互いに対向する密着面の間に間隙を有する状態で互いに並列配置される一対のセパレータプレートと、一方または双方の前記セパレータプレートに設けたガスケット溝に配置されるとともに前記両セパレータプレートに対してそれぞれ接着されたガスケットとを有し、燃料電池セルの組立時、前記両セパレータプレートをそれぞれの密着面で互いに密着させたときにこれに伴い前記ガスケットを前記ガスケット溝内で圧縮変形せしめることを特徴とするものである。
【０００８】
上記特許文献１記載の発明において、ガスケット反力を低減させるのにガスケットの断面形状を山形としたのは、ガスケットが一方のセパレータプレートのみに接着されて他方のセパレータプレートに対しては非接着で密接（山形の頂端部で密接）する構成であったからであり、このため、ガスケット成形手段としては比較的簡易なディスペンサー法やスクリーン印刷法を用いることができなかったわけである。これに対して、上記構成を備えた本発明の燃料電池用構成部品によると、ガスケットが一対のセパレータプレートに対してそれぞれ接着されるために、ガスケットの断面形状を山形に限らず成形することが可能となり、よってガスケットをその製法の如何を問わずに成形することが可能となる。
【０００９】
また、一対のセパレータプレートが互いの間に間隙を有して並列配置されるとともに、ガスケットがセル組立時、両セパレータプレートを互いに密着させたときにガスケット溝内で圧縮変形せしめられるために、一対のセパレータプレート間の間隙の大きさを製造時に適宜調整することにより、所望の大きさのガスケット反力を設定することが可能となる。セル組立前、一対のセパレータプレートは互いに密着しておらず、ガスケットは圧縮せしめられておらず、よってガスケットに反力は発生していないことになる。尚、このガスケット反力が一般に小さい方が好ましいことは上記したとおりである。
【００１０】
また、上記構成の本発明の燃料電池用構成部品はその使用時、一対のセパレータプレートが互いに密着した状態とされるために、電気伝導性を損なうことのないようセパレータ同士を密着させる必要のある冷却水循環系セパレータとして用いるのが好適である。
【００１１】
尚、本件出願には、以下の技術的事項が含まれる。
【００１２】
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およびその製造方法は以下の内容を備えている。
【００１３】
（１）セパレータプレートの一方または両方にガスケット材が挟持される溝部を有し、これらセパレータプレート面を密着させてなる燃料電池セルにおいて、この密着面が隙間を有する状態でガスケット材の成形およびそのセパレータプレートへの接着を行ない、その後にこれらセパレータプレートを押圧して密着させ燃料電池セルが組み立てられることを特徴とする燃料電池用ガスケットの製造方法。
【００１４】
（２）上記（１）の製造方法において、上記密着面の隙間Ｄが、このときのガスケット溝の間隔ｄ_１がセパレータプレートを密着させた状態でのガスケット溝の間隔ｄ_２に対して１０１〜１５０％（または、Ｄ＝ｄ_１−ｄ_２かつｄ_２＜ｄ_１＜１．５ｄ_２）となるように設定されることを特徴とする燃料電池用ガスケットの製造方法。
【００１５】
（３）上記製造方法によれば、以下の効果を奏することができる。
【００１６】
（３−１）弾性体からなるガスケット材がこれを挟持するセパレータプレートと接着され、かつガスケット材による弾性体の反力が作用するため、弾性体の反力を小さく設定した構成でも、シール性能について高い信頼性を得ることができる。
【００１７】
（３−２）セパレータプレート間の隙間を密着時に所望の反力が得られるように調節することにより、低反力状態のガスケットであっても、接着剤との併用効果により、高いシール性能を有することができる。
【００１８】
（３−３）弾性体の反力のみによりシールする従来の山型のガスケット材に比べ、硬化前の弾性体を所定の高さ寸法まで押圧し、かつシール時の反力を小さく設定するようにすると、弾性体の成形ムラの影響を軽減することができ、ディスペンサー方式やスクリーン印刷等の弾性体の塗布手段を採用することができる。
【００１９】
（３−４）弾性体の頂端部を平面とすると、従来の山型のガスケット材に比べ低反力でもシール面積が増大したことによるシール性能の向上が狙える。
【００２０】
（３−５）本発明におけるガスケット材では、使用時に弾性体が劣化して反力が低下し、仮に負の反力が作用しても、弾性体がセパレータプレート面と接着しているので、シール対象流体のリークをより遅らせることができる（シール寿命の延長）。
【００２１】
【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と、当該実施例に係る燃料電池用構成部品は、固体高分子形燃料電池スタックにおける冷却水循環系セパレータとして用いられるものである。
【００２２】
図１は、当該実施例に係る燃料電池用構成部品１を示しており、同図（Ａ）はその製造過程上における断面図、同図（Ｂ）はその完成状態（セル組立前）の断面図、同図（Ｃ）はその使用状態（セル組立後）の断面図をそれぞれ示している。
【００２３】
当該実施例に係る燃料電池用構成部品１は、以下のように構成されている。
【００２４】
すなわち図１（Ｂ）に示すように、当該燃料電池用構成部品１は、図上上下一対のセパレータプレート２，３と、この一対のセパレータプレート２，３間に介装されたガスケット４とにより構成されている。セパレータプレート２，３は焼成カーボン、樹脂含有カーボンまたはアモルファスカーボン等によって成形されており、ガスケット４はゴム状弾性体によって成形されている。
【００２５】
一対のセパレータプレート２，３は、互いに対向する密着面２ａ，３ａの間に所定の大きさＤの間隙５を有しており、この間隙５を介して互いに並列配置されている。
【００２６】
ガスケット４は、図上上側の一方のセパレータプレート２の下面に設けたガスケット溝６に配置されており、かつ一対のセパレータプレート２，３に対してそれぞれ接着されている。
【００２７】
また、当該燃料電池用構成部品は、図１（Ｃ）に示すように、燃料電池セルとして組み立てられる際、一対のセパレータプレート２，３がそれぞれの密着面２ａ，３ａで互いに密着されると、ガスケット溝６の大きさがｄ_１からｄ_２へと減少するため、これに伴ってガスケット４がガスケット溝６内で圧縮変形せしめられて反力を発生させるように構成されている。
【００２８】
つぎに上記燃料電池用構成部品１の製造方法を説明すると、先ず図１（Ａ）は図上下側のセパレータプレート３上に、ガスケット４として使用される硬化前の弾性体４０を塗布または１次成形した状態を示している。図上上側のセパレータプレート２にはこの段階までの間に、ガスケット４を装着するためのガスケット溝６を形成しておく。尚、当該実施例では、ガスケット溝６を一方のセパレータプレート２のみに形成しているが、図２に示すように、一対のセパレータプレート２，３にそれぞれガスケット溝６，７を形成するようにしても良い。
【００２９】
ここで、弾性体４０は、ディスペンサー方式やスクリーン印刷等の手段により塗布することが工程上望ましい。但し、金型を用いて圧縮成形や射出成形により１次成形しても良く、この場合には、弾性体４０が完全に硬化する前に加熱等の硬化処理を終了させる。また、加熱硬化させ成形した弾性体４０をガスケット完成品として後貼りによりセパレータプレート３上に貼り付けても良く、この場合には、弾性体４０の高さ寸法ｈを一対のセパレータプレート２，３間の間隙５が所定の寸法となるように設定する。
【００３０】
弾性体４０の断面形状は、上記従来技術のように山形状としても良いが、本発明の効果としてあまり高いガスケット４の反力は必要としないことから、セパレータプレート２，３との接着面の拡大による接着力の増大を目的として、弾性体４０の頂端部４０ａを平面形状とすることが望ましい。
【００３１】
弾性体４０の種類としては、シリコーン系、フッ素系、ブチル系、ＥＰＤＭまたはエポキシ系等の弾性材料があり、好ましくはシリコーン系の弾性材料が用いられる。尚、用いる弾性材料がセパレータプレート２，３と接着性を有する場合には、弾性体４０のみをセパレータプレート３上に塗布または１次成形するが、充分な接着力が得られない場合には、各セパレータプレート２，３と弾性体４０との間に接着剤８，９を塗布してから、セパレータプレート２，３と弾性体４０とを接着する。
【００３２】
図１（Ｂ）は、製造方法としては、各セパレータプレート２，３と硬化前または１次成形後の弾性体４０とを接着し、一方のセパレータプレート２の密着面２ａと他方のセパレータプレート３の密着面３ａとの間に間隙５を設けるように押圧し、この状態でこの弾性体４０を加熱処理等により硬化・成形させた状態を示している。このときの加熱条件は、用いる弾性材料により異なるが、シリコーン系弾性材料では１００〜１６０℃の間で適宜設定される。
【００３３】
また、このときの間隙５の大きさＤは、セパレータプレート２，３を密着させた状態でのガスケット溝６の間隔ｄ_２に対して成形時の該溝間隔ｄ_１（＝弾性体４０の高さ寸法ｈ）が１０１〜１５０％（または、Ｄ＝ｄ_１−ｄ_２かつｄ_２＜ｄ_１＜１．５０ｄ_２）、好ましくは１０５〜１３０％（または、Ｄ＝ｄ_１−ｄ_２かつ１．０５ｄ_２＜ｄ_１＜１．３０ｄ_２）となるように設定する。これより弾性体４０の高さ寸法ｈが低いと、弾性体４０とセパレータプレート２との接着が不十分となり、またこれより弾性体４０の高さ寸法ｈが高いと、必要以上に弾性体４０の反力がセパレータプレート２，３にかかることからセパレータプレート２，３の破損等を招く場合がある。
【００３４】
図１（Ｃ）は、燃料電池セルを組み立てるに際して、一対のセパレータプレート２，３を押圧により互いに密着させた状態を示している。このときの方法としては、通常の燃料電池セルの組立方法にしたがって、セルの各構成部品を積層した状態で全体を押圧し、これを固定する。
【００３５】
図３は、比較例に係る燃料電池用構成部品を示している。
【００３６】
すなわち先ず、図３（Ａ）は、セパレータプレート３上に断面山形状の弾性体４０を成形した状態を示しており、この段階で弾性体４０は既に加熱処理による硬化・成形が終了している。
【００３７】
また、図３（Ｂ）は、一対のセパレータプレート２，３を押圧により密着させた状態を示しており、ガスケット４の山形頂端部４ａでシールが行なわれることから、その反力の低下によりシール対象流体のリークが生じる虞がある。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
【００３９】
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よれば、一対のセパレータプレートおよび前記両セパレータプレート間に介装されたガスケットを有するとともにセル組立時に一対のセパレータプレートが互いに密着する構造の燃料電池用構成部品において、ガスケットが一対のセパレータプレートに対してそれぞれ接着される構成であるために、ガスケットの断面形状を山形に限らず成形することが可能であり、よってガスケットをその製法の如何を問わずに成形することが可能である。具体的には、上記したように圧縮成形法や射出成形法のほかに、比較的簡易なディスペンサー法やスクリーン印刷法等を用いることが可能となる。
【００４０】
また、一対のセパレータプレートが互いの間に間隙を有して並列配置されるとともに、ガスケットがセル組立時、両セパレータプレートを互いに密着させたときにガスケット溝内で圧縮変形せしめられる構成であるために、一対のセパレータプレート間の間隙の大きさを製造時に適宜調整することにより所望の大きさのガスケット反力を設定することが可能であり、具体的には、上記したようにガスケット反力を小さく設定することができる。
【００４１】
したがってこれらのことから、製造が比較的簡易で、反力によりセパレータプレートが破損することなく、しかもシール性能に優れたセパレータ製品を提供することができる。
【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を示す図であって、同図（Ａ）は製造過程上における断面図、同図（Ｂ）は完成状態の断面図、同図（Ｃ）は使用状態の断面図
【図２】本発明の他の実施例に係る燃料電池用構成部品を示す図であって、同図（Ａ）は製造過程上における断面図、同図（Ｂ）は完成状態の断面図、同図（Ｃ）は使用状態の断面図
【図３】比較例に係る燃料電池用構成部品を示す図であって、同図（Ａ）は製造過程上における断面図、同図（Ｂ）は完成状態および使用状態の断面図
【符号の説明】
１燃料電池用構成部品
２，３セパレータプレート
２ａ，３ａ密着面
４ガスケット
４０弾性体
４０ａ頂端部
５間隙
６，７ガスケット溝
８，９接着剤

Claims

互いに対向する密着面（２ａ）（３ａ）の間に間隙（５）を有する状態で互いに並列配置される一対のセパレータプレート（２）（３）と、一方または双方の前記セパレータプレート（２）に設けたガスケット溝（６）に配置されるとともに前記両セパレータプレート（２）（３）に対してそれぞれ接着されたガスケット（４）とを有し、
燃料電池セルの組立時、前記両セパレータプレート（２）（３）をそれぞれの密着面（２ａ）（３ａ）で互いに密着させたときにこれに伴い前記ガスケット（４）を前記ガスケット溝（６）内で圧縮変形せしめることを特徴とする燃料電池用構成部品。