JP2005285744A - 複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の目的は、Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ（ＰＥＭＦＣ）スタックの締結圧力を低くして、ガスケットの装着を容易にすると共に、効果的なシール性を有する複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造を提供することである。
【解決手段】本発明に係る複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造は、燃料電池スタックの単一セルの組み立て時、複合ガスケットを採用して、純粋なゴムからは得られない剛性の確保のために、支持体となる一面にはシール性を付与し、他の面には接着性を付与して分離板に接着することにより、装着性を改善すると共に、２列ビードの断面形状によりシール性を向上することができ、且つ、低硬度ゴム材質の使用と嵩の減少により締結圧力を減少させて、燃料電池の性能向上に寄与できる効果的なシール構造を有す。
【選択図】図６
【解決手段】本発明に係る複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造は、燃料電池スタックの単一セルの組み立て時、複合ガスケットを採用して、純粋なゴムからは得られない剛性の確保のために、支持体となる一面にはシール性を付与し、他の面には接着性を付与して分離板に接着することにより、装着性を改善すると共に、２列ビードの断面形状によりシール性を向上することができ、且つ、低硬度ゴム材質の使用と嵩の減少により締結圧力を減少させて、燃料電池の性能向上に寄与できる効果的なシール構造を有す。
【選択図】図６
Description
本発明は、Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ（ＰＥＭＦＣ）スタックの締結圧力を低くし、ガスケットの装着性を容易にすると共に、効果的なシール性を提供する複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造（Ｕｎｉｔ ｃｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ−ｇａｓｋｅｔ ｆｏｒ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ）に関するものである。
一般に、自動車用或いは携帯用などに広く使用されているＰＥＭＦＣスタックは、水素極と酸素極とを有する分離板の間にＭｅｍｂｒａｎｅ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ（Ｍ．Ｅ．Ａ）が挿入された構造の単一セルが繰り返し積層される構成を有する。
このように繰り返し積層される分離板とＭ．Ｅ．Ａの数量は、燃料電池の性能に係る事項であって、要求される出力に応じて変わる。
特に、自動車用に適用されるＰＥＭＦＣスタックは、積層されるセルの数が数百個に達する。
従って、分離板１個当たり２個ずつ配置されるガスケットは、分離板とＭ．Ｅ．Ａとが効率的に組み立てられるように、装着が容易で、且つ、締結する圧力を必要最小限に抑えて、全体スタックの低嵩化、軽量化を実現する必要がある。
また、スタックの外部から不純物が浸透することを防止し、マニホルド部においては、燃料ガスと冷却水との相互流入を遮断する特性が要求される。
図１ないし図３は、一般的な燃料電池スタック用単一セルの構造を示す組み立て図である。
図１ないし図３に示すように、ＰＥＭＦＣスタックは、酸素極と水素極が両面に構成された電気伝導性の分離板１０と、水素イオンを通過させて電気を発生するＭ．Ｅ．Ａ１１とから構成される。
ＰＥＭＦＣスタックは、Ｍ．Ｅ．Ａ１１の両面に分離板１０が位置して、その間にガスケット１２が配置され、共に締結される構造で組み立てられる。
ＰＥＭＦＣスタックは、セルの積層数に比例して出力が大きくなるため、要求される積層数が多い場合、セルを構成する部品は、最小の嵩と重量によって最大の性能が得られるように、ガスケットも最小の嵩と面圧が要求される。
また、数百個に達する分離板とＭ．Ｅ．Ａとが直列に積層されて組み立てられなければならないため、効果的な装着方法も備える必要がある。
ガスケットを薄肉化し、締め付け圧力も低減する方法として、一方のセパレータ（分離板）にビード（突起）を設け、このビードを、組み立てる相手のセパレータのガスケットに押し付ける技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法は、セパレータを２種類用意しなければならず、製造工程管理が複雑になるという問題がある。
ガスケットを薄肉化し、締め付け圧力も低減する方法として、一方のセパレータ（分離板）にビード（突起）を設け、このビードを、組み立てる相手のセパレータのガスケットに押し付ける技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法は、セパレータを２種類用意しなければならず、製造工程管理が複雑になるという問題がある。
ここで、燃料電池スタック用単一セル構造で採用しているガスケットの場合、分離板とＭ．Ｅ．Ａとの間に位置してシーリングをしているが、熱による膨張率と収縮率との差によりＭ．Ｅ．Ａとガスケットが嵩変化を起こすようになる。
このような問題は、温度と湿度により収縮と膨張の変形が頻繁に起こるＭ．Ｅ．Ａと、これに接触しているガスケット、即ちゴムの間で発生する熱に対する収縮・膨張の繰り返しにより招来される。
Ｍ．Ｅ．Ａとガスケットは、熱に対する収縮と膨張が繰り返されることにより発生する微細な空間に毛細管現象が生じ、このような隙間に冷却水が浸透して水素と酸素の化学反応に関与することにより、燃料電池の性能を低下、さらには麻痺させてしまう。
また、従来の燃料電池スタック用単一セルの構造では、図４に示したように、分離板１０とＭ．Ｅ．Ａ１１及びガスケット１２の外郭が一致せず、ガスの流れを干渉するようになって、このような影響により供給量の均一性が破れると、燃料電池の性能が低下するようになる。
また、従来のガスケットのような１列ビード形態の断面は、Ｍ．Ｅ．Ａとガスケットの熱による収縮・膨張率の差により微細な空間が生じ、このような空間は、毛細管現象を起こし、マニホルドの冷却水を燃料電池の化学反応領域に浸透させてＭ．Ｅ．Ａを汚染させてしまうが、このような現象は性能に莫大な損失を招来する。
そして、分離板のグルーブ１３の中でガスケットが遊動するようになると、Ｍ．Ｅ．Ａの両側面に当接しているガスケットの位置がずれてしまい、面圧の低下とシール性の低下を起こすようになる。
上述のように、従来の燃料電池スタック用単一セル構造で採用しているガスケットは、分離板の運転温度上昇防止のために使用するエチレングリコールが分離板の内部に浸透するといる問題点があり、また装着性の不良により、スタック締結時、多くの作業時間が必要であるという短所もある。
特開２００４−６３２９５公報
本発明は、このような点に鑑みて案出されたものであって、燃料電池スタックの単一セルの組み立て時に、純粋なゴムのみでは得られない剛性の確保するために、複合ガスケットを採用して、支持体となる一面にはシール性を付与して、他の面には接着性を付与し分離板に接着することにより、装着性を改善すると共に、２列ビードの断面形状によりシール性を向上することができて、且つ、低硬度ゴム材質の使用と嵩の減少を通じて締結圧力を減少させることができる、複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造を提供することにその目的がある。
前記目的を達成するための本発明は、Ｍ．Ｅ．Ａ１１の両面に分離板１０が位置して、その間にガスケット１２がそれぞれ配置され、共に組み立てられる構造からなる燃料電池スタック用単一セル構造において、前記ガスケットには、ゴム材質の２列ビードが備えられ、組み立て時、２列ビードがＭ．Ｅ．Ａを挟んで上下から圧着され、Ｍ．Ｅ．Ａの断面全体の周縁を完全に包むような構造からなることを特徴とする。
また、前記ガスケットは、剛性保持のための支持体とその上に付着されるゴム材質の２列ビードとから構成されることを特徴とする。
また、前記ガスケットは、分離板側との組み立て時、分離板の有するグルーブ内に支持体のみが嵌め込まれる構造で組み立てられることを特徴とする。
また、前記ガスケットの２列ビードは、圧縮される変形量が受容できるビード間の空間部を含むことを特徴とする。
また、前記２列ビードの両側外郭は、組み立て前（変形前）、支持体の外郭と一致するような構造からなることを特徴とする。
また、前記２列ビードの両側外郭は、組み立て後（変形後）、分離板の外郭と一致するような構造からなることを特徴とする。
また、前記ガスケットの支持体は、プラスチックフィルム、織物及び金属の中から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする。
また、前記ガスケットの支持体には、離型紙を有する接着剤が加工処理されていることを特徴とする。
また、前記ガスケットは、分離板に接着して一体型に適用されることを特徴とする。
以上説明したように、本発明は、２列ビード及び支持体から構成される複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造を提供することにより、装着性を改善して、シール性を確保すると共に、低硬度材質の使用及び嵩の減少を通じて締結圧力を減少させることができるという効果を奏する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図５ないし図７は、本発明による燃料電池スタック用単一セル構造を示す断面図である。
図５ないし図７に示すように、複合ガスケットを含む分離板１０とＭ．Ｅ．Ａ１１との組み立て時、その間で圧着変形されるガスケット１２の２列ビード１４により分離板１０及びＭ．Ｅ．Ａ１１とガスケット１２との外郭を一致させた。
即ち、Ｍ．Ｅ．Ａ１１の両面に分離板１０が位置されて、その間にガスケット１２がそれぞれ配置され、共に締結組立てされて、ガスケット１２の２列ビード１４が最終的に圧着されると、２列ビード１４の外部ビードがＭ．Ｅ．Ａ１１を完全に外部から遮断し、ガスケット１２の外郭面は分離板１０の外郭面と一致する。
これは、締結圧力に対するガスケット１２の変形量を計算して分離板１０に結合される位置を設定することにより、固定された締結圧力に対し一定な変形量を示すことから可能になる。
このような効果により、ガスの均一な供給が可能である。
そして、従来の１列ビードから２列ビード１４に変更改善することにより、Ｍ．Ｅ．Ａ１１を基準に二重のシール構造を提供して、単一セルの内部または外部の汚染を完全に遮断した。
本発明から提供する複合ガスケットの場合、分離板１０のグルーブ１３内に嵌め込まれて完全に接合される形態を有するため、遊動を排除することができ、これにより、一定の面圧維持とシール性の改善を図ることができる。
図８は、複合ガスケットの積層構造と変形前・後の状態を示している。
複合ガスケットは、接着剤の接合された支持体１５、例えばプラスチックフィルムの表面に必要な形状にゴムをコーティングして、所定の形態に切断すると、ガスケットの役割を行うことができる。
コーティングの完了されたガスケットは、裏面の離型紙１７が除去された状態で、分離板１０に加工されたグルーブ１３に接合される。
この際、グルーブ１３内には、２列ビード１４を除いた支持体１５のみが嵌め込まれる。
本発明の接着性プラスチックフィルムは、一定な形態の維持が難しいゴムの特性を補完したもので、組み立て工程における装着性を改善するための方案として提供されるものであって、プラスチックフィルムの他に、織物、金属も適用可能である。
２列ビード状にコーティングされたゴムは、圧縮される変形量を考慮し、ビード間の空間部１６を確保して、接着剤１８は、組み立て後に分解されないようにして、離型紙１７は、離型性の確保のために、プラスチックフィルムあるいは紙材質を使用することができる。
このような２列ビード１４は、組み立て後、圧着されることにより変形するが、図８の左側に示したように、変形前にはビード外郭が支持体１５の外郭と一致するようになるが、変形後には、同図の右側のように押圧されて、ビード外郭は支持体１５の外郭より突出して、このように突出したビード外郭は、分離板１０の外郭と一致するようになる。
図７に示すように、単一セルの締結組み立てが完了された状態で、２列ビード１４は、Ｍ．Ｅ．Ａ１１の断面を挟んで上下の分離板１０により圧着されながら、上下２つのビードを利用しＭ．Ｅ．Ａ１１の断面（４面）全体の周縁を完全に包むことができるようになる。
勿論、Ｍ．Ｅ．Ａ１１の内側断面、即ち図面の右側に位置する断面（内部ビードにより包まれる部分）は、３面のみが包まれるようになる。
本発明に係る単一セル構造、特に複合ガスケットは、剛性確保のための支持体１５としてプラスチックフィルムを採用している。
支持体１５は一面には接着剤を塗布加工し、他面にはゴムをコーティングした。
ゴムがコーティングされた面は、Ｍ．Ｅ．Ａ１１に当接して、接着剤１８が塗布加工された面は、分離板１０にあるグルーブ１３に接着され分離板１０と一体となる。
このような接着性プラスチックフィルムとゴムは、締結圧力を低く保持すると共に、８０〜９０℃の運転温度で変形が起こらないようにして、且つ、化学反応から発生する強酸の雰囲気と水に腐食されないような耐久性を持たせることが好ましい。
このために、本発明では、製作過程と燃料電池の雰囲気温度下で収縮がなく、強酸に対する耐久性を有しながら薄板の形態に加工できるプラスチック材質、例えば、耐熱性と耐薬品性、寸法安定性に優れたポリエチレンテレフタレート、ポリイミドなどのエンジニアリングプラスチックを使用した。
この他にも使用可能な材料としては、織物、金属などがある。
プラスチックフィルムの表面に塗布される接着剤も、製造工程で熱による変形がなく、装着後に成分の露出があってはならないため、材質の選択と量の調節が重要であり、本発明では、アクリル系接着剤を使用した。
このようなプラスチックフィルム、即ち支持体１５には、２列ビード１４を作るためのゴムが塗布されるが、本発明では、シルクスクリーン工法を適用してビードを成形した。
シルクスクリーン工法とは、シルク、ナイロン、テトロンの繊維またはステンレスチールなどで織った紗（スクリーン）を枠に張って固定した後、その上に手工的または光化学的方法により版膜を作って、必要な画像以外の目を塞いだ後、枠内に材料をのせてスキージー（Ｓｑｕｅｅｇｅｅ）でスクリーンの内面を摺動し、材料を版膜のない部分のスクリーンに通過させて板の下の対象物に材料を塗布する工法である。
このようにシルクスクリーン工法により形成されたビードは、常温または高温で一定時間の硬化工程を経て製品として完成される。
このようなシルクスクリーン工法は、工程が簡単で、適切な供給量の調節により材料の損失を最少化することができると共に、寸法安定性に優れているという長所を有してしる。
そして、圧縮成形（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ）、ＭＩＰＧ（Ｍｏｌｄｅｄ Ｉｎ Ｐｌａｃｅ Ｇａｓｋｅｔ）、ＦＩＰＧ（Ｆｏｒｍｅｄ Ｉｎ Ｐｌａｃｅ Ｇａｓｋｅｔ）などの方法に比べ、費用が低廉で、製品の製作が迅速である。
また、一般に１００μｍ以下の厚さに適用されるシルクスクリーン工法を、本発明では２００〜４００μｍに適用したため、幾つかの条件が伴われる。
本発明のように、比較的厚い厚さの塗布のためには、液状ゴムの粘度、液状ゴムの固形分比率、断面形状などに制約を受ける。
本発明で適用されたゴムは、粘度が２００〜４００Ｐｏｉｓｅであって、固形分（不揮発分）７０％以上の液状シリコン系あるいはフッ素系材質を使用し、一つのビードの幅が１．５〜２ｍｍを形成した。
フッ素系ゴムは、強酸に対する耐久性を確保しているが、シリコン系ゴムを使用する場合は、耐酸性シリコンゴムを使用しなければならない。
また、締結圧力を低く保持するために、ゴム硬度（Ｈａｒｄｎｅｓｓ Ｓｈｏｒｅ Ａ）がＨｓ２０〜３０の材質を使用した。
また、本発明では、分離板において水素と酸素とが電気化学反応をする部分反応領域（Ａｃｔｉｖｅ Ａｒｅａ）に冷却水が浸透する現象を防止するために、既存の１列ビード形態を２列ビード形態に改善した。
このように改善された２列ビード形態は、分離板の反応領域を基準に内部ビードと外部ビードとに区分されて、分離板の酸素極と水素極との内部ビードの間にはＭ．Ｅ．Ａが当接して、外部ビードは、ゴム同士のみが接触するようになり、二重にシーリングをすることになる。
前記のようにゴムが二重にシーリングをすると、外部ビードは、ゴムのみが接触するようになり、収縮・膨張による冷却水の浸透を防止して、Ｍ．Ｅ．Ａとスタック外部を完全に遮断し、Ｍ．Ｅ．Ａが外部の干渉を全く受けないという効果がある。
そして、燃料電池の性能に及ぼす影響を考慮し、１個のビード当たりの体積を最小化した２列ビードの形状は、セル（マニホルド部）あるいは外部の汚染から完全に遮断される効果がある。
また、本発明では、ガスケットを分離板に装着して所定の圧力で締結した時、圧縮する力によるゴムの変形量が分離板の外郭と一致するようにすることにより、単一セル（マニホルド部）で反応ガスが分離板あるいはＭ．Ｅ．Ａ、ガスケットの干渉を受けずに円滑に供給されるため、供給量の不均一による性能の低下が防止される効果がある。
さらに、Ｍ．Ｅ．Ａ両極に配置される分離板に結合されたガスケットの当接面を一致させるために、分離板の表面にガイドの役割をするグルーブを成形して接着することにより、締結時、ずれが生じないようにした。
分離板に加工されるグルーブは、０．０５〜０．１ｍｍの深さで形成して、締結圧力によるゴムの変形量を計算し外郭から一定間隔でグルーブの加工位置を設定した。
１０ 分離板
１１ Ｍ．Ｅ．Ａ
１２ ガスケット
１３ グルーブ
１４ ２列ビード
１５ 支持体
１６ 空間部
１７ 離型紙
１８ 接着剤
１１ Ｍ．Ｅ．Ａ
１２ ガスケット
１３ グルーブ
１４ ２列ビード
１５ 支持体
１６ 空間部
１７ 離型紙
１８ 接着剤
Claims (9)
- Ｍ．Ｅ．Ａ１１の両面に分離板１０が位置して、その間にガスケット１２がそれぞれ配置され、共に組み立てられる構造からなる燃料電池スタック用単一セル構造において、
前記ガスケット１２には、ゴム材質の２列ビード１４が備えられ、組み立て時、２列ビード１４がＭ．Ｅ．Ａ１１を挟んで上下から圧着され、Ｍ．Ｅ．Ａ１１の断面全体の周縁を完全に包むような構造からなることを特徴とする、複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造。 - 前記ガスケット１２は、剛性保持のための支持体１５とその上に付着されるゴム材質の２列ビード１４とから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造。
- 前記ガスケット１２は、分離板１０側との組み立て時、分離板１０の有するグルーブ１３内に支持体１５のみが嵌め込まれる構造で組み立てられることを特徴とする、請求項１または２に記載の複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造。
- 前記ガスケット１２の２列ビード１４は、圧縮される変形量が受容できるビード間の空間部１６を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造。
- 前記２列ビード１４の両側外郭は、組み立て前（変形前）、支持体１５の外郭と一致するような構造からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造。
- 前記２列ビード１４の両側外郭は、組み立て後（変形後）、分離板１０の外郭と一致するような構造からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造。
- 前記ガスケット１２の支持体１５は、プラスチックフィルム、織物及び金属の中から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする、請求項２に記載の複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造。
- 前記ガスケット１２の支持体１５には、離型紙１７を有する接着剤１８が加工処理されていることを特徴とする、請求項３に記載の複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造。
- 前記ガスケット１２は、分離板１０に接着して一体型に適用されることを特徴とする、請求項３に記載の複合ガスケットを含む燃料電池スタック用単一セル構造。
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