JP2006252795A - 燃料電池用ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】 セパレータの厚さ精度の悪さに対応することができ、小さな締め付け圧力によっても完全なガスシールが可能で、かつ、スタック締結時における横ズレの発生を防止することができる燃料電池用ガスケットを提供する。
【解決手段】 本発明の燃料電池用ガスケットは、電解質膜１の両側に電極２、３を配してなる単位セル４がセパレータ６、７を介在して積層してなる燃料電池の電解質膜１とセパレータ６，７との間に配置され、燃料電池内部のガスの漏れをシールするシート状の燃料電池用ガスケットである。このガスケット１０は、その内部に、面方向に沿って扁平する多数の独立気泡あるいは気泡１１を有する。この独立気泡あるいは気泡１１は、面方向に沿って扁平しているので、スタック締結時に圧縮力が加わったときには、面に対して垂直方向に潰れることになる。したがって、従来のガスケットのように面方向に横ズレが発生することがない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池その他の燃料電池のセパレータ間に配置されるガスシール機能を有する燃料電池用ガスケットに関する。

電解質を介して水素と酸素を反応させて電力を得る燃料電池の原理は古くから知られており、使用する電解質の種類によって、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体電解質型（ＳＯＦＣ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）などに分類される。その中でも、固体高分子膜であるイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動し小型化が容易であることから、比較的低出力の家庭用コージェネレーションシステムあるいは電気自動車用電源として、将来主流になるものと予想されている。

固体高分子型燃料電池では、イオン導電性をもつイオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の両側に多孔性の燃料極、空気極を配置し、燃料極に水素を、空気極に酸素を供給することにより、燃料極で水素が水素イオンと電子に分かれる。この水素イオンは、電解質膜の中を移動し、電子は外部回路を通って空気極へ行き、このとき発電が行われる。空気極では酸素、電子及び水素イオンが反応して水が生成される。

固体高分子型燃料電池は、１枚の電解質膜の両側に電極を配置して単位セルとし、さらにこの両面から溝状に形成された反応ガスの流路を有する２枚のセパレータで挟持していおり、このようにして単セルを多数（例えば、２００組）積層することで燃料電池スタックを構成している。そして、このような燃料電池スタックにおいて、内部の反応ガスの漏れをシールするために、セパレータ間にシート状のガスケットが配置される。

ところで、このガスケットの材質としては、ブチル、シリコーン、フッ素等のゴム材質が用いられるが、上述したセパレータは、押し出し成形のカーボン製セパレータでは、±０．０５ｍｍ程度の厚さ精度で製作されるため、通常のゴム製のガスケットでは、この厚さ精度の悪さに対応することができずガスシールが不完全なものとなっていた。また、セルの積層数が増加するにつれて非常に大きな締め付け圧力を必要とし、強度を確保するためにエンドプレートやボルトナットなどの他のハウジングが大掛かりなものとなっていた。そこで、このような問題を解決するための技術として、例えば、下記特許文献１が開示されている。

図５は、特許文献１の「燃料電池」のセルの断面図である。同図に示すように、この燃料電池は、正極３１、電解質３２、負極３３からなる単位セル３４の周縁にガスケット３５を配し、セパレータ３６、３７板を介在して積層されている。このガスケット３５は、独立気泡のスポンジ層３５ａと接着した心材３５ｂがセパレータ板の片面に接着層を介して接着してある。かかる構成により、独立気泡のスポンジ層３５ａがイオン交換膜の厚みを気泡の圧縮によって吸収するため、セパレータの厚さ精度の悪さに対応することができると共に、小さな締め付け圧力によるガスシールを実現している。

特許第３３５３５６７号明細書（図１−２）

しかしながら、上述した特許文献１のガスケットの独立気泡は球状であるため、スタック締結時に圧縮力を受けたときに横方向に傾いてしまう。図６は、電解質３１とセパレータ３６、３７の間に配置される形態のガスケット３５を備える燃料電池の断面図であり、（Ａ）はスタック締結前、（Ｂ）はスタック締結後の状態を示している。同図に示すようにスタック締結時にはガスケット３５が横方向に傾き横ズレを生じている。このため、数十セル以上の高積層スタックでは、１セルあたりのズレ量は小さくても、積層数の増大に伴ってズレ量が益々増大し、許容できなくなる。また、このような横ズレによりガスケット３５が電極部に重なったり、はみ出したりして電池性能を悪化させる恐れがある。そのため、セルを積層する際にしっかりとしたガイドを設け、ズレを防止する必要が生じるが、このような矯正をするとセパレータに過大な力が掛かり、破損などの問題が生じる。

本発明は上述した問題を解決するために創案されたものであり、セパレータの厚さ精度の悪さに対応することができ、小さな締め付け圧力によっても完全なガスシールが可能で、かつ、スタック締結時における横ズレの発生を防止することができる燃料電池用ガスケットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池用ガスケットは、電解質膜の両側に電極を配してなる単位セルがセパレータを介在して積層してなる燃料電池の前記電解質膜とセパレータとの間に配置され、該燃料電池内部のガスの漏れをシールするシート状の燃料電池用ガスケットであって、その内部に、面方向に沿って扁平する多数の独立気泡あるいは気泡を有する、ことを特徴としている（請求項１）。

また、本発明の燃料電池用ガスケットは、電解質膜の両側に電極を配してなる単位セルがセパレータを介在して積層してなる燃料電池の前記セパレータ間に配置され、該燃料電池内部のガスの漏れをシールするシート状の燃料電池用ガスケットであって、
その内部に、面方向に沿って扁平する多数の独立気泡あるいは気泡を有する、ことを特徴としている（請求項２）。

本発明の燃料電池用ガスケットによれば、その内部に、多数の独立気泡あるいは気泡を有しているので、スタック締結時にはこの独立気泡あるいは気泡がセパレータの厚さ精度の悪さを吸収して、シール性を向上させることができ、しかも小さな締め付け圧力でもってスタックを締結することができる。また、この独立気泡あるいは気泡は、面方向に沿って扁平しているので、スタック締結時に圧縮力が加わったときには、面に対して垂直方向に潰れることになる。したがって、従来のガスケットのように面方向に横ズレが発生することがなく、このため、ガスケットが電極部に重なったり、はみ出したりすることがなく、電池性能の悪化を有効に防止することが可能となる。また、横ズレ防止用にガイドを設ける等の矯正手段が不要であり、これにより、セパレータに過大な力が掛かることによる破損の問題も解消することができる。

このように、本発明の燃料電池用ガスケットによれば、セパレータの厚さ精度の悪さに対応することができ、小さな締め付け圧力によっても完全なガスシールが可能で、かつ、スタック締結時における横ズレの発生を有効に防止することができる、等の優れた効果が得られる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池用ガスケットを備えた燃料電池の要部断面図であり、（Ａ）はスタック締結前を示し、（Ｂ）はスタック締結後を示している。

同図に示すように、電解質膜１の両側に多孔性の燃料極２、空気極３を配して単位セル４が構成されている。電解質膜１は矩形平板状であり、イオン導電性をもつイオン交換膜からなる高分子電解質膜である。燃料極２と空気極３は、それぞれ、電解質膜１に接触する白金などの触媒層２ａ、３ａと、ガス拡散層として機能するカーボン製の多孔質支持層２ｂ、３ｂとからなる。なお、この例では、電解質膜１の厚さは約５０μｍ、触媒層２ａ、３ａの厚さは約１５μｍ、多孔質支持層２ｂ、３ｂの厚さは約２００μｍである。

単位セル４の両側には、燃料極２と空気極３にそれぞれ水素と酸素を供給するための溝が形成されたセパレータ６、７が配置され、これを多数（例えば２００組）積層し、図示しないエンドプレートで両側から挟み込んでボルトナットで締結することにより燃料電池スタックを構成する。なお、この燃料電池は、内部マニホールド型であり、電解質膜１、セパレータ６、７及び後述するガスケット１０には、燃料電池内部にガスを供給し又は排出するためのガス通路１３が設けられている。

電解質膜１の面積は燃料極２、空気極３の面積よりも広い。このため、電解質膜１の周縁部は、燃料極２、空気極３の周縁部よりも外側に突出している。また、電解質膜１とセパレータ６、７の面積はほぼ同一であり、このため、両者の周縁部の位置はほぼ一致している。

電解質膜１の周縁部の両側であって、この電解質膜１とセパレータ６、７との間には、燃料電池内部のガスの漏れをシールするためのシート状のガスケット１０が配置されており、このガスケット１０は、接着剤によりセパレータ６、７に接着されている。この例では、スタック締結前のガスケット１０の厚さは０．８ｍｍである。

図１に示すように、このガスケット１０は、その内部に、多数の独立気泡あるいは気泡１１を有してスポンジ状に形成されている。このため、図１（Ｂ）のように、スタック締結時には約０．２ｍｍまで圧縮され、その独立気泡あるいは気泡１１がセパレータの厚さ精度の悪さを吸収して、シール性を向上させることができ、しかも、小さな締め付け圧力でもってスタックを締結することができる。

また、この独立気泡あるいは気泡１１は、面方向に沿って扁平した形状をしている。この扁平形状は、ガスケットの横断面内で楕円であってもよく、また、この面内であればどの方向を向いていてもよい。本実施形態では、このガスケットの材質として、オレフィン系の高分子化合物であるポリオレフィンを用いている。図２は、本実施形態で用いたポリオレフィン発泡シートの断面写真（Ａ）と、表面写真（Ｂ）を示す。なお、ガスケットの材質は上記のものに限定されず、その他、エチレンプロピエンジエン（ＥＰＤＭ）、ブチル、シリコーン、フッ素等のゴム材質を適用することもできる。

このように、ガスケット１０の独立気泡あるいは気泡１１が面方向に沿って扁平しているので、図１（Ｂ）のように、スタック締結時に圧縮力が加わったときには、ガスケット１０は面に対して垂直方向に潰れることになる。したがって、図６に示した従来のガスケットのように面方向に横ズレが発生することがない。また、これにより、ガスケット１０が電極部に重なったり、はみ出したりすることもない。

図３は、本発明のガスケットを用いた燃料電池と従来のガスケットを用いた燃料電池のＩＶ特性を示した図であり、実線が本発明のガスケットを用いた場合、点線が従来のガスケットを用いた場合を示している。この図から分かるように、本発明のガスケットは、従来のガスケットと比較してＩＶ特性が良好である。これは、上述したように、スタック締結時にガスケットが電極部に重なったり、はみ出したりすることがなく、従来のガスケットのように電池性能を悪化させることがないからである。

このように本発明の第１実施形態による燃料電池用ガスケットによれば、その内部に、多数の独立気泡あるいは気泡１１を有しているので、スタック締結時にはこの独立気泡あるいは気泡１１がセパレータ６、７の厚さ精度の悪さを吸収して、シール性を向上させることができ、しかも小さな締め付け圧力でもってスタックを締結することができる。

また、この独立気泡あるいは気泡１１は、面方向に沿って扁平しているので、スタック締結時に圧縮力が加わったときには、面に対して垂直方向に潰れることになる。したがって、従来のガスケットのように面方向に横ズレが発生することがなく、このため、ガスケットが電極部に重なったり、はみ出したりすることがなく、電池性能の悪化を有効に防止することが可能となる。

また、横ズレ防止用にガイドを設ける等の矯正手段が不要であり、これにより、セパレータに過大な力が掛かることによる破損の問題も解消することができる。

つまり、セパレータの厚さ精度の悪さに対応することができ、小さな締め付け圧力によっても完全なガスシールが可能で、かつ、スタック締結時における横ズレの発生を有効に防止することができる、等の優れた効果が得られる。

次に、本発明の第２実施形態による燃料電池用ガスケットについて説明する。図４は、 本発明の第２実施形態による燃料電池用ガスケットを備えた燃料電池の要部断面図であり、（Ａ）はスタック締結前を示し、（Ｂ）はスタック締結後を示している。

電解質膜１、燃料極２、空気極３、セパレータ６、７の構成は、基本的には上述した第１実施形態と同様である。

本実施形態では、電解質膜１の面積は燃料極２、空気極３の面積よりも広いため、電解質膜１の周縁部は、燃料極２、空気極３の周縁部よりも外側に突出している。また、セパレータ６、７の面積は電解質膜１の面積よりも広いため、セパレータ６、７の周縁部は、電解質膜１の周縁部よりも更に外側に突出している。

電解質膜１の周縁部の片側であって、その両側のセパレータ６、７の周縁部の間には、燃料電池内部のガスの漏れをシールするためのシート状のガスケット１０が配置されており、このガスケットは、接着剤によりセパレータ６に接着されている。このガスケットは、第１実施形態のガスケット１０と同様の材質からなり、同様に、その内部に面方向に沿って扁平する多数の独立気泡あるいは気泡１１を有している。したがって、図２（Ｂ）のように、スタック締結時に圧縮力が加わったときには、ガスケット１０は面に対して垂直方向に潰れることになる。つまり、本発明の第２実施形態によっても、上述した第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態による燃料電池用ガスケットを示す図である。 ポリオレフィン発泡シートの断面写真（Ａ）と表面写真（Ｂ）である。 本発明のガスケットを用いた場合と、従来のガスケットを用いた場合のＩＶ特性を比較する図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池用ガスケットを示す図である。 特許文献１の「燃料電池」の断面図である。 従来技術を説明する図である。

符号の説明

１ 電解質膜
２ 燃料極
３ 空気極
２ａ、３ａ 触媒層
２ｂ、３ｂ 多孔質支持層
４ 単位セル
６、７ セパレータ
１０ ガスケット
１１ 独立気泡あるいは気泡
１３ ガス通路

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に電極を配してなる単位セルがセパレータを介在して積層してなる燃料電池の前記電解質膜とセパレータとの間に配置され、該燃料電池内部のガスの漏れをシールするシート状の燃料電池用ガスケットであって、
   その内部に、面方向に沿って扁平する多数の独立気泡あるいは気泡を有する、ことを特徴とする燃料電池用ガスケット。
2. 電解質膜の両側に電極を配してなる単位セルがセパレータを介在して積層してなる燃料電池の前記セパレータ間に配置され、該燃料電池内部のガスの漏れをシールするシート状の燃料電池用ガスケットであって、
   その内部に、面方向に沿って扁平する多数の独立気泡あるいは気泡を有する、ことを特徴とする燃料電池用ガスケット。

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