JP2005302400A - Cell seal for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の一対のセパレータ間をシールする燃料電池用セルシールに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell seal for sealing between a pair of separators of a fuel cell.
燃料電池の発電部は電解質膜や電極等からなり、発電部の最小単位はセルと呼ばれている。例えば、PEFC(固体高分子型燃料電池)の場合には、セルは固体高分子電解質膜、触媒電極、GDL、セパレータ等から構成されている。このセルは、単独で使用される場合もあれば、並列或いは直列に、若しくは両方の組み合わせで使用される場合もある。特に出力が高くなるに従ってセルを直列に積み重ねた構造をとる。このようにスタックされたセルの発電部で反応を行う燃料や酸素(空気)、冷却水等が外部に漏れないようにセルシールによりシールされている。 The power generation part of the fuel cell is composed of an electrolyte membrane, an electrode and the like, and the minimum unit of the power generation part is called a cell. For example, in the case of PEFC (solid polymer fuel cell), the cell is composed of a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst electrode, a GDL, a separator, and the like. This cell may be used alone or in parallel or in series, or a combination of both. In particular, as the output increases, the cells are stacked in series. The fuel, oxygen (air), cooling water, and the like that react in the power generation unit of the stacked cells are sealed with a cell seal so as not to leak to the outside.
また、これら各セルの発電状況(電圧)や各セル内の環境(温度、湿度、圧力、濃度等)を必要に応じて検出し、各種制御や異常検知等の診断を行っている。 Moreover, the power generation status (voltage) of each cell and the environment (temperature, humidity, pressure, concentration, etc.) in each cell are detected as necessary, and various controls and abnormality detection are diagnosed.
近年では、特許文献1のように、FPC(フレキシブルプリンティッドサーキット)をセルシールに一体化させて、セルの薄肉化や配線の整理に対応して、上記検出を容易に行えるようにしていた。
しかしながら、特許文献1に開示された構成であっても、セパレータに接触させる電圧検出用電極が確実に接触できずに電圧の検出に失敗する場合があった。
However, even with the configuration disclosed in
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、セパレータに接触させる電圧検出用電極を確実にセパレータに接触させ、電圧の検出を良好に行う燃料電池用セルシールを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a cell seal for a fuel cell in which the voltage detection electrode to be brought into contact with the separator is reliably brought into contact with the separator and the voltage detection is favorably performed. There is.
上記目的を達成するために本発明にあっては、以下の構成を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention adopts the following configuration.
すなわち、一対のセパレータ間をシールするシール部と、
前記シール部の内側と外側の少なくとも一方にセンサ接続用電極と前記セパレータに接触する電圧検出用電極とを有するフレキシブル配線材と、
を備え、
前記電圧検出用電極の前記セパレータに接触する接触部の裏側に押し付け部材を設けたことを特徴とする燃料電池用セルシールである。
That is, a seal portion that seals between a pair of separators;
A flexible wiring material having a sensor connection electrode and a voltage detection electrode in contact with the separator on at least one of the inside and the outside of the seal portion;
With
The cell seal for a fuel cell, wherein a pressing member is provided on a back side of a contact portion that contacts the separator of the voltage detection electrode.
ここで、フレキシブル配線材としては、FPC(フレキシブルプリンティッドサーキット)やFFC(フレキシブルフラットケーブル)等が挙げられる。フレキシブル配線材は、ベースフィルムやカバーフィルムに、PI、PEN、PET、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂等を使用する。回路部には、銅、アルミ、ニッケル、ステンレス、チタン、タングステン、金、パーマロイ、ニクロム等の導電性の材料を用いる。銅、アルミ等の電解液等で腐食による性能劣化が起こるものにおいては、表面を金等の耐食性のある金属及びその合金や金属化合物、塗料等をメッキや塗布等で被覆することができる。 Here, as a flexible wiring material, FPC (flexible printed circuit), FFC (flexible flat cable), etc. are mentioned. A flexible wiring material uses PI, PEN, PET, an epoxy resin, a phenol resin, or the like for a base film or a cover film. A conductive material such as copper, aluminum, nickel, stainless steel, titanium, tungsten, gold, permalloy, or nichrome is used for the circuit portion. In the case where performance deterioration due to corrosion occurs in an electrolytic solution such as copper or aluminum, the surface can be coated with a metal having corrosion resistance such as gold, an alloy thereof, a metal compound, a paint, or the like by plating or coating.
また、シール部の材料には、シリコーンゴム、フルオロシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、水素添加イソプレンゴム、水素添加ブタジエンゴム、水素添加スチレンイソプレンゴム等の飽和系ゴム或いはそれらの液状ゴム、またはスチレンブタジエンスチレンブロック共重合体やスチレンイソプレンスチレンブロック共重合体等のブロック型熱可塑性エラストマー或いはそれらの不飽和結合部を水素添加した熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、オレフィン系エラストマー等の熱可塑性エラストマーが用いられる。 In addition, the material of the seal portion includes silicone rubber, fluorosilicone rubber, ethylene propylene rubber, fluorine rubber, butyl rubber, hydrogenated isoprene rubber, hydrogenated butadiene rubber, hydrogenated styrene isoprene rubber and the like, or their liquid rubber. Or block type thermoplastic elastomers such as styrene butadiene styrene block copolymers and styrene isoprene styrene block copolymers, or thermoplastic elastomers obtained by hydrogenation of their unsaturated bonds, polyester thermoplastic elastomers, olefin elastomers, etc. A thermoplastic elastomer is used.
ここで、フレキシブル配線材とシール部とは、シール部形成後に接着剤等により接着することができる。また、シール部の化学結合の一部にカルボキシル基、水酸基、ケトン、イミド等の官能基を導入したり、接着剤成分をシール部に配合したりすることにより自己接着性のシール部とすることもでき、接着剤を用いることなく接着し、シール機能を付与できる。これらフレキシブル配線材とシール部との接着は、フレキシブル配線材の材料とシール部の材料との関係で適宜選択される。 Here, the flexible wiring material and the seal portion can be bonded with an adhesive or the like after the seal portion is formed. In addition, a self-adhesive seal part may be formed by introducing a functional group such as a carboxyl group, a hydroxyl group, a ketone, or an imide into a part of the chemical bond of the seal part, or by adding an adhesive component to the seal part. It can also be bonded without using an adhesive and can provide a sealing function. The adhesion between the flexible wiring material and the seal portion is appropriately selected depending on the relationship between the material of the flexible wiring material and the material of the seal portion.
この構成であると、電圧検出用電極は、押し付け部材の反力を得て、接触部がセパレータとの接触を保つ。 With this configuration, the voltage detection electrode obtains the reaction force of the pressing member, and the contact portion maintains contact with the separator.
また、センサ接続用電極と電圧検出用電極が同時に1枚のフレキシブル配線材にて設置できるので、取扱いが容易である。 In addition, since the sensor connection electrode and the voltage detection electrode can be simultaneously installed with one flexible wiring material, the handling is easy.
前記押し付け部材の反力を、前記シール部の前記セパレータをシールする反力よりも小さく、前記接触部が前記セパレータとの接触を保てるように設定したことが好ましい。押し付け部材の反力がシール部のセパレータをシールする反力よりも小さいので、押し付け部材によってシール部のシール性を悪化させてしまうことがない。 It is preferable that a reaction force of the pressing member is set to be smaller than a reaction force of the seal portion that seals the separator, and the contact portion can maintain contact with the separator. Since the reaction force of the pressing member is smaller than the reaction force sealing the separator of the seal portion, the sealing member does not deteriorate the sealing performance of the seal portion.
前記押し付け部材は、弾性体であることが好ましい。弾性体の押し付け部材は、適切な反力を生じることができる。 The pressing member is preferably an elastic body. The pressing member of the elastic body can generate an appropriate reaction force.
前記押し付け部材は、前記シール部の材料と同材料で形成されることが好ましい。シール部の材料と同材料の押し付け部材は、製作がシール部と同時に行え、製作が容易である。 The pressing member is preferably formed of the same material as that of the seal portion. The pressing member made of the same material as the material of the seal portion can be manufactured at the same time as the seal portion, and is easy to manufacture.
前記押し付け部材は、前記シール部と一体で構成されることが好ましい。シール部と一体の押し付け部材は、製作がシール部と一体化して行え、製作が容易である。また、シール部を位置決めすると、押し付け部材も位置固定でき、組み込み作業時に手間がない。 The pressing member is preferably configured integrally with the seal portion. The pressing member integral with the seal portion can be manufactured integrally with the seal portion and is easy to manufacture. Further, when the seal portion is positioned, the position of the pressing member can be fixed, and there is no trouble in assembling work.
前記押し付け部材の高さは、前記シール部の高さよりも低いことが好ましい。押し付け部材の高さがシール部の高さよりも低いと、容易に、押し付け部材の反力を、シール部のセパレータをシールする反力よりも小さく、接触部がセパレータとの接触を保てるように設定することができる。 The height of the pressing member is preferably lower than the height of the seal portion. If the height of the pressing member is lower than the height of the seal part, the reaction force of the pressing member is easily set to be smaller than the reaction force for sealing the separator of the seal part so that the contact part can keep contact with the separator. can do.
前記押し付け部材の弾性率は、前記シール部の弾性率よりも低いことが好ましい。押し付け部材の弾性率がシール部の弾性率よりも低いと、さらに容易に、押し付け部材の反力を、シール部のセパレータをシールする反力よりも小さく、接触部がセパレータとの接触を保てるように設定することができる。 The elastic modulus of the pressing member is preferably lower than the elastic modulus of the seal portion. When the elastic modulus of the pressing member is lower than the elastic modulus of the seal portion, the reaction force of the pressing member is more easily smaller than the reaction force of sealing the separator of the seal portion so that the contact portion can keep contact with the separator. Can be set to
前記押し付け部材は、板バネ構造にて支持されることが好ましい。板バネ構造にて支持された押し付け部材は、反力を容易に得ることができる。 The pressing member is preferably supported by a leaf spring structure. The pressing member supported by the leaf spring structure can easily obtain a reaction force.
本発明によると、セパレータに接触させる電圧検出用電極を確実にセパレータに接触させ、電圧の検出を良好に行うことができる。 According to the present invention, the voltage detection electrode brought into contact with the separator can be reliably brought into contact with the separator, and the voltage can be detected satisfactorily.
(第1の実施の形態)
図1〜図5を参照して、第1の実施の形態について説明する。図1(a)は第1の実施の形態に係るセルシールを示す平面図であり、図1(b)は図1(a)のAA断面図である。図2は第1の実施の形態に係るセルシールのFPCを示す図である。図3(a)は第1の実施の形態に係るセルシールのFPCに設けられたセンサ接続要電極を示す平面図であり、図3(b)は図3(a)のBB断面図である。図4(a)は第1の実施の形態に係るセルシールのFPCに設けられた電圧検出用電極を示す平面図であり、図4(b)は図4(a)のCC断面図である。図5(a)は第1の実施の形態の他の例に係るセルシールのFPCに設けられた電圧検出用電極を示す平面図であり、図5(b)は図5(a)のCC断面図である。
(First embodiment)
The first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a plan view showing a cell seal according to the first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 2 is a view showing the FPC of the cell seal according to the first embodiment. FIG. 3A is a plan view showing a sensor connection required electrode provided in the FPC of the cell seal according to the first embodiment, and FIG. 3B is a BB cross-sectional view of FIG. FIG. 4A is a plan view showing a voltage detection electrode provided in the FPC of the cell seal according to the first embodiment, and FIG. 4B is a CC cross-sectional view of FIG. FIG. 5A is a plan view showing a voltage detection electrode provided in the FPC of the cell seal according to another example of the first embodiment, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the CC line in FIG. FIG.
本実施の形態では、互いに重ねられる一対のセパレータ間の反応電極部(MEA)の周縁をシールするために燃料電池用セルシール(以下、セルシールという)が用いられている。 In the present embodiment, a fuel cell cell seal (hereinafter referred to as a cell seal) is used to seal the periphery of a reaction electrode portion (MEA) between a pair of separators stacked on each other.
反応電極部は、電解質膜(イオン交換膜)の両側に正電極(GDL:ガス拡散層をもつ電極)及び負電極(GDL:ガス拡散層をもつ電極)を重ね合わせたものである。 The reaction electrode part is obtained by superposing a positive electrode (GDL: electrode having a gas diffusion layer) and a negative electrode (GDL: electrode having a gas diffusion layer) on both sides of an electrolyte membrane (ion exchange membrane).
セルシール1は、図1(a)に示すように、概略、反応電極部の周縁を囲むシール部2と、シール部2を貫通してシール部2の外側から内側へと延びるフレキシブル配線材としてのFPC(フレキシブルプリンティッドサーキット)3と、を備えている。FPC3は、図1(a)のAA断面を示す図1(b)に示すようにシール部2の中心を貫通している。
As shown in FIG. 1A, the
シール部2は、一対のセパレータにそれぞれ所定の圧縮代をもって密接し、一対のセパレータ間をシールする。このシール部2は、自己接着機能を有するフッ素ゴムからなる。
The
FPC3は、図2に示すように、シール部2の内側でセンサが取り付けられるセンサ接続用電極としての第1ランド部31と、シール部2の外側でセパレータと接触しセパレータからの電圧を検出する電圧検出用電極としての第2ランド部32と、を有する。FPC3には、ベースフィルム及びカバーフィルムにPIを使用し、導体33として銅箔を使用している。また、第1、第2ランド部31,32は耐食性を持たせるため、金メッキ36が施されている。このように1つのFPC3に第1、第2ランド部31,32が同時に形成されているので、運搬や設置が容易に行え、取扱いに優れる。
As shown in FIG. 2, the
第1ランド部31は、図3(a)に示すように、2本の金メッキした矩形の端部を有する電極である。そして、図3(a)のBB断面を示す図3(b)に示すように、ベースフィルム34とカバーフィルム35とで導体33を挟み、カバーフィルム35に導体33を一部露出させてその露出部を金メッキ36したものである。第1ランド部31は、シール部2の内側に2つ設けられる。
As shown in FIG. 3A, the
また、第2ランド部32は、図2に示すように、1つの円形の金メッキ36した端部を有する電極であり、金メッキ36の部分がセパレータと接触する接触部となっている。この接触部の周辺は、セパレータとの接触を容易にするため、カバーフィルム35がかけら
れていない。また、第2ランド部32の銅箔部分の端縁における立ち上がりの端面にも金メッキ36が施せるように、第2ランド部32の銅箔部分が露出するようにパターニングされている。
As shown in FIG. 2, the
第2ランド部は、本実施の形態のようにシール部2の外側に配置される。これは、シール部2の内側のセパレータ表面には通常ガス流路溝が形成されており、第2ランド部32とセパレータとの接触に不利であるからである。
The second land portion is disposed outside the
そして、図4に示すように、第2ランド部32の金メッキ36された接触部の裏側に押し付け部材としての押圧部4を有している。そして、押圧部4の反力を、シール部2のセパレータをシールする反力よりも小さく、接触部がセパレータとの接触を保てるように設定している。これにより、押圧部4は、一対のセパレータ間のシール部のシール性を悪化させることなく、第2ランド部32の接触部を確実にセパレータに接触させている。
And as shown in FIG. 4, it has the
この押圧部4は、シール部2と同材料のフッ素ゴムで形成されているが、シール部2とは分離されており、第2ランド部32の自由度が増すようにしている。このため、第2ランド部32を先にセパレータに位置合わせし、その後、シール部2をセパレータに配置するようにし、セルシールの組み込み作業を容易に行えるようにすることもできる。
The
なお、押圧部4のゴム材料をシール部2に比して低弾性率のものにすることもできる。シール部2に比して低弾性率のゴム材料を押圧部に用いることにより、取扱い性を良くするためにシール部2よりも押圧部4が厚くなった場合においても、押圧部4の反力を抑制し、シール部2のシール性を悪化させないようにできる。
Note that the rubber material of the
また、図5に示すように、押圧部4を小さく設け、押圧部4の反力をシール部2の反力よりも小さく抑えるようにしてもよい。これによっても、押圧部4の反力を抑制し、シール部2のシール性を悪化させないようにできる。
Further, as shown in FIG. 5, the
このFPC3は、図1に示すように、シール部2に一体化されている。一体化は、FPC3をシール部2形状の金型内に配置し、シール部2の材料となるフッ素ゴムを圧縮成形して行う。これによって、シール部2を貫通したFPC3を有するセルシール1を実現している。
The
以上のようにシール部2とFPC3が一体化したセルシール1を用い、FPC3の第1、第2ランド部31,32を所定位置に配置することにより、シール部2内の流体等を漏洩することなく、容易に、第1ランド部31に接続したセンサによってセル内部の状態を検出し、また第2ランド部32によってセパレータの電圧を検出することができる。
As described above, by using the
(第2の実施の形態)
図6を参照して、第2の実施の形態について説明する。図6(a)は第2の実施の形態に係るセルシールを示す平面図であり、図6(b)は図6(a)のDD断面図である。
(Second Embodiment)
The second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6A is a plan view showing a cell seal according to the second embodiment, and FIG. 6B is a DD cross-sectional view of FIG. 6A.
本実施の形態では、シール部2に第2ランド部32の押圧部4が一体化している。このため、シール部2と押圧部4を同時に製作でき、製作が容易である。また、シール部2を位置決めすると、第2ランド部32も位置固定でき、組み込み作業時に手間がない。
In the present embodiment, the
このセルシール1の場合には、シール部2よりも第2ランド部32の押圧部4の厚みを薄くする、或いは接触面績を少なくする等により発生する押圧部4の反力をシール部2の反力よりも少なくすることで、シール部2の反力低減によるシール性の悪化を抑えることができる。
In the case of this
(第3の実施の形態)
図7を参照して、第3の実施の形態について説明する。図7(a)は第3の実施の形態に係るセルシールを示す平面図であり、図7(b)は図7(a)のDD断面図である。
(Third embodiment)
A third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7A is a plan view showing a cell seal according to the third embodiment, and FIG. 7B is a DD sectional view of FIG. 7A.
本実施の形態では、押圧部4は板バネ構造にて支持されている。すなわち、シール部2から押圧部4に続く部分にゴムバネ5が設けられている。これによって、板バネの原理が利用でき、第2ランド部32の密着力がより向上する。
In the present embodiment, the
(第4の実施の形態)
図8を参照して、第4の実施の形態について説明する。図8(a)は第4の実施の形態に係るセルシールを示す平面図であり、図8(b)は図8(a)のAA断面図である。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8A is a plan view showing a cell seal according to the fourth embodiment, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
本実施の形態では、シール部2とFPC3とをセパレータ6上で一体化する。すなわち、まずFPC3をセパレータ6上に配置し、その上にシール部2を一体化する。
In the present embodiment, the
FPC3とセパレータ6間にはFPC3若しくはセパレータ6に予め接着剤7を塗布し、FPC3とセパレータ6を接着している。FPC3とセパレータ6間の接着剤7は、FPC3上にシール部2を一体化する際に、FPC3の位置決めをなすとともに、FPC3の位置ズレを防止する。
Between the
本実施の形態では、セパレータ6にFPC3をシール部2とともに一体化でき、十分なシール性を確保できる。
In the present embodiment, the
また、第2ランド部32においては、接触部の表面への押圧部4の材料の回り込みを防ぐために接触部の表面積の内側にのみ配置できるようにしたり、押圧部4を別途製作しておき接着剤等で後貼りするようにしたりしてもよい。
Further, in the
(第5の実施の形態)
図9を参照して、第5の実施の形態について説明する。図9(a)は第5の実施の形態に係るセルシールを示す平面図であり、図9(b)は図9(a)のAA断面図である。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9A is a plan view showing a cell seal according to the fifth embodiment, and FIG. 9B is an AA cross-sectional view of FIG. 9A.
本実施の形態では、FPC3をセパレータ6に設けた溝8内に配置し、シール部2とFPC3とをセパレータ6上で一体化する。すなわち、まずFPC3をセパレータ6の溝8内に配置し、その上にシール部2を一体化する。
In the present embodiment, the
FPC3とセパレータ6間にはFPC3若しくはセパレータ6に予め接着剤7を塗布し、FPC3とセパレータ6を接着している。
Between the
本実施の形態では、セパレータ6の溝8内にFPC3が配置されることから、FPC3の厚みが無視でき、シール部2の面圧を保持できる。特にFPC3の厚みが厚いとき、或いはシール部2の厚みが薄いときに有効である。
In the present embodiment, since the
(第6の実施の形態)
図10を参照して、第6の実施の形態について説明する。図10(a)は第6の実施の形態に係るセルシールを示す平面図であり、図10(b)は図10(a)のAA断面図である。
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10A is a plan view showing a cell seal according to the sixth embodiment, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
本実施の形態では、FPC3をシール部2の設けられる反応電極部の周縁にまで延長している。
In the present embodiment, the
セルシール1は、シール部2においてもFPC3を中心に有している。これにより、セルシール1のシール部2全面とFPC3は一体となり、全周において均一な面圧を保持できる。また、同時にFPC3がセルシール1の芯の役割を果たし、組み付け性を向上させることができる。
The
(第7の実施の形態)
図11を参照して、第7の実施の形態について説明する。図11(a)は第7の実施の形態に係るセルシールを示す平面図であり、図11(b)は図11(a)のAA断面図である。
(Seventh embodiment)
The seventh embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11A is a plan view showing a cell seal according to the seventh embodiment, and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
本実施の形態では、FPC3をシール部2の設けられる反応電極部の周縁にまで延長し、FPC3の片面にだけシール部2を形成している。
In the present embodiment, the
セルシール1は、反応電極部の周縁のFPC3の片面にシール部2が形成され、もう一方のFPC3の片面には接着剤7を塗布する。これによって、FPC3とシール部2の一体品を接着剤7によって、直接セパレータ6に貼り付けることができる。
In the
本発明は、燃料電池用セルシールとして用いられる。また、本発明は、シール部とフレキシブル配線材とが一体化されたシール装置が用いられる環境であればどのような産業分野でも用いることができる。 The present invention is used as a cell seal for fuel cells. In addition, the present invention can be used in any industrial field as long as it is an environment in which a seal device in which a seal portion and a flexible wiring material are integrated is used.
1 セルシール
2 シール部
3 FPC(フレキシブルプリンティッドサーキット)
31 第1ランド部
32 第2ランド部
33 導体
34 ベースフィルム
35 カバーフィルム
36 金メッキ
4 押圧部
5 ゴムバネ
6 セパレータ
7 接着剤
8 溝
1
31
Claims (8)
前記シール部の内側と外側の少なくとも一方にセンサ接続用電極と前記セパレータに接触する電圧検出用電極とを有するフレキシブル配線材と、
を備え、
前記電圧検出用電極の前記セパレータに接触する接触部の裏側に押し付け部材を設けたことを特徴とする燃料電池用セルシール。 A seal portion for sealing between a pair of separators;
A flexible wiring material having a sensor connection electrode and a voltage detection electrode in contact with the separator on at least one of the inside and the outside of the seal portion;
With
A cell seal for a fuel cell, wherein a pressing member is provided on a back side of a contact portion that contacts the separator of the voltage detection electrode.
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