JP2006526249A - ポリマー電解質燃料電池の密閉構造 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、ポリマー電解質燃料電池の密閉構造に関し、ディスペンサを利用して弾性ゴムが満たされた密閉溝を有するセパレータと、前記セパレータ及び膜電極接合体間に介在されたガスケットとを備える。すなわち、本発明によれば、ディスペンサを利用して弾性ゴムを、セパレータに形成された密閉溝に満たした後、弾性ゴムが満たされた部分及び膜電極接合体間にガスケットを介在させることによりガスケットの厚さに偏差が生じても弾性ゴムによって吸収できる。また、弾性ゴムの厚さに偏差が発生してもガスケットが一定の圧力で覆っているので、応力不均衡が発生しても膜電極接合体に直接伝達しないでガスケットが分散させるので応力不均衡を解消できる。

Description

本発明は、ポリマー電解質燃料電池の密閉構造に関し、特に、セパレータ（bipolar plate）と膜電極接合体（membrane electrode assembly）との接合面の間から反応気体又は冷却水などが漏洩することを防止するためのポリマー電解質燃料電池の密閉構造に関する。

一般的に、ポリマー電解質を用いた燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとを用いた電気化学反応により、電気及び熱を発生させる。ポリマー電解質燃料電池は、７０−８０℃の低温で動作可能であり、高い電流密度を維持することができる。このような理由でポリマー電解質燃料電池は、始動が早く、小型化することができ、軽量な電池を作ることができるので、移動用電源、自動車用電源、家庭用熱併給発電設備など多様な分野に適用できる。

図１は、このようなポリマー電解質燃料電池の一例を図示したものであって、ポリマー電解質膜と電極とを備える膜電極接合体（ＭＥＡ、１０）、反応に使われるガスを電極に送り反応生成物を排出するガス拡散層（fluid distribution layer、１２）、及び反応ガスと冷却水とを外部から供給し酸化電極（anode）と還元電極（cathode）とを分離する導電性セパレータ（separator、１４）などから構成される。燃料電池スタック（stack）は、このような膜電極接合体、ガス拡散層及びセパレータを必要な容量に応じて積層して構成し、スタックは外部から適切な圧力を与える装置を通じて、各単位電池がずれる又は外れることなく一体化することができる。

また、前記膜電極接合体（１０）とセパレータ（１４）との上部及び下部には、それぞれ反応に必要な水素及び酸素と、反応熱を冷却するための冷却水とを供給又は排出するための多数のマニホールド（２０）が形成されている。水素、酸素及び冷却水は、スタックの外側の配管、前記セパレータのマニホールド及び各単位電池のセパレータに形成されているガス流路を通じて電極に供給される。

一方、水素と酸素とが反応する反応領域及び各マニホールドから水素、酸素及び冷却水が漏洩することを防止するために、密閉手段を含む必要がある。しかしながら、燃料電池の場合、その特性のため運転及び停止がよく繰り返され、燃料電池の運転中には化学反応による熱の発生のため膨脹及び収縮が頻繁に起きることになる。従って、燃料電池のための密閉構造は、頻繁な膨脹及び収縮が起きる場合にも密閉性を維持する必要があり、膨脹及び収縮過程における燃料電池の各構成要素に発生する応力分布が可能な限り均一でありさえすれば疲労による故障を防止することができる。

このために電極及びマニホールドの周りにはガスケットが配置される。燃料電池を密封するためのガスケットとしては、製作が容易で厚さの偏差が少ないという長所から、ガラスファイバーで強化させたシリコーンシート又はテフロン（登録商標）シートがよく使われる。

このような強化シリコーン又はテフロンシートは、内蔵されたガラスファイバーによる優れた機械的剛性を有し、スタックの結着の際、過度な圧力にも機械的耐久性を維持することができる。しかしながら、収縮及び復元率が大きくないので燃料電池の運転中、熱及び水分による部品膨脹の際ガス漏洩の虞があり、表面が荒く、材質が相対的に堅いため、ガスケットの表面を通じてガスが漏洩する可能性もある。

それ以外の短所としては、スタックの結着の際、その厚さをガス拡散層より厚くすれば、一般的にガス拡散層として用いるカーボン紙又はカーボン布より機械的剛性が大きいので抵抗が増加し、ガス拡散層及びセパレータ間の接触が不十分になる。逆に、あまり薄くすればガスケット表面に作用する圧力が十分ではないためガスが漏出するので、適切な厚さを選定することは困難である。

燃料電池を密封するための別の方法として、弾性復元力が優れ、柔らかい性質を有するシリコーン系、フッ素系、又はオレフィン系ゴムをガスケット材料として用いる方法がある。ゴム材料のガスケットの製造方法は、金型を用いてＯリング形状に作る方法、セパレータの上に直接金型を配置して噴射成形する方法、及びディスペンサを利用してガスケットを製造する方法などがある。

しかしながら、金型を利用してガスケットをＯリング形状に製造する方法は、ガスケットを製造した後、スタックの結着の際、一つ一つセパレータ表面に金型を配置しなければならないという不便があり、セパレータの上に直接金型を配置して噴射成形する方法は、ガスケットの製造の際、金型の形状及び寸法をガスケットに合わせなければならないという短所がある。

また、ディスペンサを利用する従来のガスケットの製造方法は、封止剤を注射器のようなものに入れて押圧する方法なので、開始地点及び終了地点での弾性ゴム材料の厚さを一定に形成できないという問題点がある。すなわち、セパレータにあらかじめ適切な厚さ及び深さを有する密閉溝を形成した後、Ｘ−Ｙ軸ロボットによって動作するディスペンサを利用して液体状態の弾性ゴム材料を密閉溝に沿って移動しながら充填するが、弾性ゴムが終了地点及び開始地点で重なるので他の部分に比べて厚くなる。

このため、スタックの結着の際、セパレータ及び膜電極接合体での面圧が不均一になり密閉性が低下するだけでなく、長期間繰り返して使用する場合このような応力不均衡による疲労故障のため寿命を縮める短所がある。
米国特許第６４４０５９７号明細書

本発明は、上述した従来技術に関する短所を解決するために考案されたものであって、ガスケットの厚さに偏差が生じても、密閉性を低下しないだけでなく、セパレータ及び膜電極接合体に加えられる応力不均衡を分散することができる構造を備えたポリマー電解質燃料電池の密閉構造を提供することを目的とする。

また、本発明は、比較的取り扱いが簡便なディスペンサを利用して、セパレータに形成された密閉溝に弾性ゴムを全体的に均一な厚さに充填することができるので、不均一な面圧の発生を防止して密閉性を高め、製品の寿命を延ばすことができるポリマー電解質燃料電池の密閉構造を提供することをまた別の目的とする。

上述した技術的課題を解決するために、本発明は、ディスペンサを利用して弾性ゴムが満たされた密閉溝を有するセパレータと、前記セパレータ及び膜電極接合体間に介在されたガスケットとを備えることを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、ディスペンサを利用して、弾性ゴムをセパレータに形成された密閉溝に充填した後、弾性ゴムが充填された部分及び膜電極接合体間にガスケットを介在させることでガスケットの厚さに偏差が生じても弾性ゴムによって吸収できる。また、弾性ゴムの厚さに偏差が生じてもガスケットが一定した圧力で覆っているので、応力不均衡が発生しても膜電極接合体に直接伝達しないでガスケットにより分散するので応力不均衡を解消できる。

前記密閉溝は、セパレータの反応領域の外周部と、水素、酸素及び冷却水のマニホールドの外周面とに形成されることが望ましい。

一方、ディスペンサを利用する場合、開始地点及び終了地点での厚さが他の部分に比べて相対的に大きいので、前記密閉溝と接触して形成され、前記密閉溝の幅より広い幅を有するアンカー部を更に備えることが望ましい。

すなわち、アンカー部から開始してアンカー部で終了するようにディスペンサを制御して、弾性ゴムを充填することで、開始地点及び終了地点の厚さを均一にすることができる。また、アンカー部ではその幅が十分広いので、開始地点及び終了地点が一部重複して厚さが一時的に増加しても、弾性ゴムが左右に拡散され厚さが均一になる。

望ましくは、前記アンカー部は、密閉溝の厚さの1.5 倍に相当する幅に形成する。それにより、弾性ゴムが過度に拡散してむしろ密閉溝での厚さより薄くなり密閉性が低下することを効果的に防止することができる。

また、前記密閉溝及びアンカー部の深さを同一に設定して、ディスペンサが均一な速度で動くことが望ましい。アンカー部の深さが密閉溝の深さと異なる場合、グルーブの表面まで満たすためにはディスペンサの移動速度を変更しなければならないという不便がある。

一方、アンカー部の位置は、前記密閉溝と接触している場合には任意の位置に形成することができる。すなわち、密閉溝の一部の幅を左右に拡張してアンカー部を形成することもできる。しかしながら、前記アンカー部を前記密閉溝の外側に、密閉溝の経路方向に対して直角をなすように形成することがより望ましい。

すなわち、作業の特性上、アンカー部に充填された弾性ゴムの厚さが密閉溝部分に充填された弾性ゴムの厚さより大きくなるが、燃料電池スタックに結着された状態でのセパレータは、内側よりは相対的に外側部分により大きい力が加えられることになる。従って、アンカー部をシーリング領域の外側に形成することによって外側部分に加えられる圧力を効果的に吸収することができるので、結果的にセパレータ全体に加えられる圧力が均一に分散される。この点で、前記燃料電池スタックの結着の際、膜電極接合体の前面及び背面に位置する各セパレータのアンカー部が互いに左右対称に位置することがより望ましい。

一方、前記弾性ゴムは、シリコーン系、フッ素系及びオレフィン系ゴムのうちのいずれか一つの素材から作られることができる。

また、ガスケットは、熱膨脹率の差による変形及び応力不均衡を防止することができるので、セパレータと同一の素材で製造されることが望ましい。

また、本発明は、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の密閉構造を用いてポリマー電解質燃料電池が製造されることをまた別の特徴としている。

以下、添付された図面を参照して、本発明によるポリマー電解質燃料電池の実施例を詳細に説明する。また、本発明において、燃料電池の基本的な作動原理及び方法は従来のものと同一であるのでこれに対する説明は省略する。

図２を参照すると、実施例のセパレータ（１００）は、中央部に水素及び酸素が反応する反応領域（１０２）が形成され、上部にはそれぞれ水素、酸素及び冷却水が供給されるマニホールド（１０４、１０６、１０８）が形成される。また、下部にもそれぞれ冷却水、酸素及び水素を排出するためのマニホールド（１０４’、１０６’、１０８’）が形成される。

前記セパレータ（１００）は、燃料電池内に水素及び酸素を含む空気が互いに混じらないようにし、膜電極接合体を電気的に接続する役割を果たし、積層された単位電池の機械的な支持体として機能する。また、反応気体が電極に均等に流れ、適切な水分管理により膜を乾燥させず、還元電極から生成される水を排出する機能を果たす。セパレータ（１００）の素材としては、黒鉛又は炭素複合材が使用可能であり、金属板を使用することもできる。金属板を使用する場合には、腐食の可能性があるので、表面を高伝導性、耐腐食性物質でコーティングをする必要がある。本実施例では、セパレータ（１００）として炭素複合材が使われる。

一方、前記反応領域及び各マニホールドの外周部には密閉溝（１１０、１１０’）が形成され、図２及び図３は、前記密閉溝に弾性ゴムを満たした状態を図示する。ここで、反応領域に位置する密閉溝（１１０）の内、左側下部頂点部分には、前記密閉溝（１１０）の幅の1.5 倍に相当する幅を有するアンカー部（１１２）がセパレータ（１００）の外側に向けて延びるように形成される。前記密閉溝及びアンカー部は、ＣＮＣ加工又はプレス金型などを用いて形成可能であり、図示された実施例で、密閉溝（１１０）は0.3mm の深さと2mm の幅とを有するように形成され、アンカー部（１１２）は0.3mm の深さと3mm の幅とを有するように形成される。この場合、弾性ゴムは1.2mm の幅と0.6mm の厚さでディスペンサ（不図示）から排出される。すなわち、弾性ゴムは、セパレータの表面から部分的に突出した状態で密閉溝に満たされ、密閉溝及びアンカー部の具体的な寸法は必要な容量及び燃料電池の大きさに応じて変更可能である。

図３に示したように、前記アンカー部（１１２）から弾性ゴムの充填作業を開始し、アンカー部（１１２）で終了すれば、アンカー部の幅が広く形成されているので、弾性ゴムの厚さが不均一に充填されても左右に拡散されて開始地点及び終了地点が重なり、弾性ゴムの厚さが一定になる。

弾性ゴムが密閉溝及びアンカー部に満たされた後、セパレータを１００℃のオーブンで３０分間熱処理すれば、液体状態の弾性ゴムが乾燥して固体状態になる。一方、上述した同一の方法で、前記水素、酸素及び冷却水マニホールドの外周部にも弾性ゴムが満たされることは勿論である。

図４乃至図６を参照すると、上述したセパレータ（１００）を用いる燃料電池は、中央に通常の膜電極接合体（３００）が位置し、膜電極接合体（３００）の前面と背面とには、前記反応領域（１０２）、水素、酸素及び冷却水マニホールド（１０４、１０６、１０８、１０４’、１０６’、１０８’）とそれぞれ対応する部分（２０２、２０４、２０６、２０８、２０６’、２０８’）が穿孔された一対のガスケット（２００、２００’）が接し、その外側には上述した一対のセパレータ（１００、１００’）が付着される。

前記膜電極接合体（３００）の中央部の前面及び背面には一対のガス拡散層（３１０、３１０’）が付着されて、前記ガスケット（２００）の反応領域に対応する部分（２０２）の縁は前記ガス拡散層（３１０）の側面と接するように付着され、膜電極接合体（３００）全体の厚さを均一にし、構造的支持体として機能する。膜電極接合体（３００）の上部及び下部にも上述したような水素、酸素及び冷却水マニホールド（３０４、３０６、３０８）が形成される。

図５では、前記弾性ゴム（１１０、１１０’）が表面から一定量突出しているが、図６に示した組み立てた状態では、前記ガスケット（２００）の表面に押されて密着した状態を維持するので、ガスケットの厚さが不均一であっても前記弾性ゴムによって漏洩を防止することができる。また、弾性ゴムが圧縮され、その反力によって加えられる応力が直接膜電極接合体に伝わるのではなく、前記ガスケットを通じて均一に分散して伝達されるので応力不均衡による変形及び破損を防止できる。

以上説明したような構成を備えた本発明によれば、弾性ゴム及びガスケットによって二重に密封されるので密閉性が大きく向上するだけでなく、弾性ゴム又はガスケットの表面が不均一である場合にも相互作用によって緩衝して補うので、長期間繰り返して使用した場合でも初期の密閉性をそのまま維持することができる長所がある。

すなわち、ガスケットの厚さに偏差が発生してもセパレータから部分的に突出した弾性ゴムと接触するので、ガスケットの加工の際、精密度を低くすることができ、製造費用を節減することができる。また、設計の際にもより柔軟に対処することができる。更に、ディスペンサによって排出される弾性ゴムの表面が不均一である場合にも、ガスケットが表面を圧縮した状態で組み立てられるので完全な密封が可能になり、また弾性ゴムによって発生する応力が不均一であってもガスケットを通じて拡散され膜電極接合体に伝達されるので応力不均衡による問題を最小限に抑えることができる。

また、弾性ゴムが満たされる密閉溝の一部にアンカー部を設けることにより、ディスペンサによって充填された弾性ゴムの開始地点及び終了地点での厚さの偏差を最小限に抑えられ、また弾性ゴム材料の損失を減らすことができるので生産費用を節減することができる効果がある。

一般的なポリマー電解質燃料電池の構造を説明するための分解斜視図である。 本発明によるポリマー電解質燃料電池の密閉構造の一実施例のうち、セパレータを図示した正面図である。 図２のＡ部分を拡大して示した斜視図である。 図２に示したセパレータが適用されたポリマー電解質燃料電池を示す、図１に相当する斜視図である。 図４に示したポリマー電解質燃料電池の組み立て前の状態を示す縦断面図である。 図５に示したポリマー電解質燃料電池が組み立てされた状態を示す縦断面図である。

Claims (9)

1. ディスペンサを利用して弾性ゴムが満たされた密閉溝を有するセパレータと、前記セパレータ及び膜電極接合体間に介在されたガスケットとを備えることを特徴とするポリマー電解質燃料電池の密閉構造。
2. 前記密閉溝と接触して、前記密閉溝の幅より広い幅を有するアンカー部を備えることを特徴とする請求項１に記載のポリマー電解質燃料電池の密閉構造。
3. 前記アンカー部は、前記密閉溝の厚さの1.5 倍に相当する幅を有することを特徴とする請求項２に記載のポリマー電解質燃料電池の密閉構造。
4. 前記密閉溝及び前記アンカー部の深さが等しいことを特徴とする請求項３に記載のポリマー電解質燃料電池の密閉構造。
5. 前記アンカー部は、前記密閉溝の外側に、前記密閉溝の経路方向に対して直角をなすように形成してあることを特徴とする請求項１に記載のポリマー電解質燃料電池の密閉構造。
6. 前記膜電極接合体の前面及び背面に位置する各セパレータに、前記アンカー部が互いに対称に位置することを特徴とする請求項５に記載のポリマー電解質燃料電池の密閉構造。
7. 前記弾性ゴムはシリコーン系、フッ素系及びオレフィン系ゴムのうちのいずれか一つの素材から作られることを特徴とする請求項１に記載のポリマー電解質燃料電池の密閉構造。
8. 前記ガスケットはセパレータと同一の素材で製造されることを特徴とする請求項１に記載のポリマー電解質燃料電池の密閉構造。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の密閉構造を用いて製造してなることを特徴とするポリマー電解質燃料電池。

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