JP2007042510A - Gasket for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gasket for a fuel cell capable of mitigating stress concentration on a bent part and/or a branch part of the gasket in applying stack fastening force or the like. <P>SOLUTION: This application is as follows: (1) a gasket 33 for a fuel cell composed by changing a characteristic of the gasket depending on curvature; (2) a gasket 33 for a fuel cell where the gasket 33 has a bent part and/or a branch part 35 and is composed by making structures in an outer periphery side part 33c of the gasket and an inner periphery side part 33d in the bent part and/or the branch part different from each other; (3) a gasket 33 for a fuel cell composed by making the cross-sectional shape of the outer periphery side part 33c and that of the inner periphery side part 33d asymmetrical with each other and by setting the cross-sectional area of the inner periphery side part 33d smaller than that of the outer periphery side part 33c; and (4) a gasket 33 for a fuel cell composed by making a material and/or elasticity and/or a density-void ratio in the outer periphery side part and those in the inner periphery side part different from each other. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、湾曲部および／または分岐部を有する燃料電池用ガスケットに関するものであり、とくにスタック締結力をかけた時等のガスケットの湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和させることができる燃料電池用ガスケットに関する。   The present invention relates to a fuel cell gasket having a curved portion and / or a branched portion, and can particularly reduce stress concentration at the curved portion and / or branched portion of the gasket when a stack fastening force is applied. The present invention relates to a gasket for a fuel cell.

特開２００４−５５２７６号公報は、ガスケットを燃料電池セパレータに熱硬化性接着剤によって加熱圧着して燃料電池を開示している。ガスケットは通常ゴム製で、セルを積層してスタックを構成し、積層方向にスタック締結力をかけた時に、セル積層方向に押されて幅方向に拡大され、応力、歪みを生じる。
特開２００４−５５２７６号公報 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-55276 discloses a fuel cell in which a gasket is thermocompression bonded to a fuel cell separator with a thermosetting adhesive. The gasket is usually made of rubber, and a stack is formed by stacking cells. When a stack fastening force is applied in the stacking direction, the gasket is pushed in the cell stacking direction and expanded in the width direction to generate stress and strain.
JP 2004-55276 A

従来のガスケットの断面形状は、直線部、湾曲部（たとえば、コーナ部）、分岐部の何れにおいても、図１１に示すように、ガスケット１の幅方向中心線２に対して左右対称である。
しかし、ガスケットの湾曲部（たとえば、コーナ部）や分岐部では、湾曲や分岐の、ガスケット中心線より外周側にある外周部とガスケット中心線より内周側にある内周部とで幅方向、幅方向と直交方向（円弧の接線方向）の拡大しやすさが異なるので、スタック締結力をかけた時のガスケット内部に生じる歪みが外周部と内周部とで異なり、直線部よりも大きな歪み、応力が発生する。とくに湾曲部や分岐部の内周部では変形する時の肉の逃げ場が少なく変形を拘束され、応力が集中する。このガスケットの歪み、応力集中が大きな部分は、ガスケット剥がれ（ガスケットが接着されているセパレータからの剥がれ）が生じやすく、ガスケット剥がれが生じると、冷却水がスタック外や燃料電池反応ガス流路に洩れるおそれがある。 As shown in FIG. 11, the cross-sectional shape of the conventional gasket is bilaterally symmetric with respect to the center line 2 in the width direction of the gasket 1 in any of a straight portion, a curved portion (for example, a corner portion), and a branch portion.
However, in a curved portion (for example, a corner portion) or a branched portion of the gasket, a width direction between a curved or branched outer peripheral portion on the outer peripheral side from the gasket center line and an inner peripheral portion on the inner peripheral side from the gasket center line, Because the ease of expansion in the width direction and the orthogonal direction (tangential direction of the arc) is different, the distortion that occurs inside the gasket when the stack fastening force is applied differs between the outer peripheral part and the inner peripheral part, and is larger than the straight part , Stress is generated. In particular, at the inner periphery of the curved portion or the branching portion, there is little escape space for meat when deforming, and the deformation is constrained and stress is concentrated. Gasket peeling (peeling from the separator to which the gasket is bonded) is likely to occur at a portion where the distortion and stress concentration of the gasket is large, and if the gasket peels off, the coolant leaks out of the stack or the fuel cell reaction gas flow path. There is a fear.

本発明の目的は、スタック締結力をかけた時等の、ガスケットの湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和させることができる燃料電池用ガスケットを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a gasket for a fuel cell that can alleviate stress concentration at a curved portion and / or a branched portion of the gasket when a stack fastening force is applied.

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明は、つぎのとおりである。
（１） 燃料電池を構成する部材間をシールする燃料電池用ガスケットであって、セパレータ板面視でのガスケットの曲率に応じてガスケットの特性を変えた燃料電池用ガスケット。
（２） 前記ガスケットは湾曲部および／または分岐部を有し、湾曲部および／または分岐部における、ガスケットの外周側部とガスケットの内周側部との構成を互いに異ならせた（１）記載の燃料電池用ガスケット。
（３） 前記外周側部の断面形状と前記内周側部の断面形状とを互いに非対称とし、前記内周側部の断面積を前記外周側部の断面積より小とした（２）記載の燃料電池用ガスケット。
（４） 前記外周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率と、前記内周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を、互いに異ならせた（２）または（３）記載の燃料電池用ガスケット。 The present invention for solving the above problems and achieving the above object is as follows.
(1) A fuel cell gasket for sealing between members constituting a fuel cell, wherein the gasket characteristics are changed in accordance with the curvature of the gasket as viewed from the separator plate surface.
(2) The gasket has a curved portion and / or a branched portion, and the configuration of the outer peripheral side portion of the gasket and the inner peripheral side portion of the gasket is different from each other in the curved portion and / or the branched portion. Gasket for fuel cell.
(3) The cross-sectional shape of the outer peripheral side portion and the cross-sectional shape of the inner peripheral side portion are asymmetric with each other, and the cross-sectional area of the inner peripheral side portion is smaller than the cross-sectional area of the outer peripheral side portion. Gasket for fuel cell.
(4) The material and / or elastic modulus and / or density / void ratio of the outer peripheral side portion, and the material and / or elastic modulus and / or density / void ratio of the inner peripheral side portion, The fuel cell gasket according to (2) or (3), which is different from each other.

上記（１）の燃料電池用ガスケットによれば、ガスケットの曲率に応じてガスケットの特性を変えたので、曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど、少ない応力集中で変形することができる構成とすることにより、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和することができる。この応力集中の緩和で、ガスケットのセパレータからの剥がれを防止でき、剥がれによる冷却水の外部やガス流路への漏れも防止することができる。
上記（２）の燃料電池用ガスケットによれば、湾曲部および／または分岐部の、ガスケットの外周側部とガスケットの内周側部との構成を互いに異ならせたので、内周側部を外周側部より、少ない応力集中で変形することができる構成とすることにより、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和することができる。この応力集中の緩和で、ガスケットのセパレータからの剥がれを防止でき、剥がれによる冷却水の外部やガス流路への漏れも防止することができる。
上記（３）の燃料電池用ガスケットによれば、外周側部の断面形状と内周側部の断面形状とを互いに非対称とし、内周側部の断面積を外周側部の断面積より小としたので、スタック締結荷重等（スタック締結荷重、その後の熱応力、クリープによる応力変化等）がかかった時における、湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和することができる。
上記（４）の燃料電池用ガスケットによれば、外周側部と内周側部とで、ガスケットの材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を互いに異ならせたので、内周側部を外周側部より、少ない応力集中で変形することができる構成（内周側の弾性率を外周側弾性率より小さくする（柔らかくする）、密度を小とし空隙率（ガスケット断面での空隙の面積総和／ガスケット断面積）を大にする）とすることにより、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部の応力集中を緩和することができる。 According to the fuel cell gasket of the above (1), since the gasket characteristics are changed according to the curvature of the gasket, the portion having a higher curvature (smaller curvature radius) can be deformed with less stress concentration. By doing so, the stress concentration of the bending portion and / or the branching portion when the stack fastening force or the like is applied can be reduced. This relaxation of the stress concentration can prevent the gasket from peeling off from the separator, and can also prevent leakage of cooling water to the outside and the gas flow path due to peeling.
According to the fuel cell gasket of (2) above, the configuration of the outer peripheral side portion of the gasket and the inner peripheral side portion of the gasket of the curved portion and / or the branch portion is different from each other. By adopting a configuration that can be deformed with less stress concentration from the side portion, stress concentration at the bending portion and / or the branch portion when a stack fastening force or the like is applied can be reduced. This relaxation of the stress concentration can prevent the gasket from peeling off from the separator, and can also prevent leakage of cooling water to the outside and the gas flow path due to peeling.
According to the fuel cell gasket of (3) above, the cross-sectional shape of the outer peripheral side portion and the cross-sectional shape of the inner peripheral side portion are asymmetric with each other, and the cross-sectional area of the inner peripheral side portion is smaller than the cross-sectional area of the outer peripheral side portion. Therefore, the stress concentration at the curved portion and / or the branch portion when a stack fastening load or the like (stack fastening load, subsequent thermal stress, stress change due to creep, etc.) is applied can be reduced.
According to the fuel cell gasket of (4) above, the gasket material and / or elastic modulus and / or density / void ratio are different between the outer peripheral side and the inner peripheral side. A structure in which the side portion can be deformed with less stress concentration than the outer peripheral side portion (the elastic modulus on the inner peripheral side is made smaller (softer) than the elastic modulus on the outer peripheral side, the density is made smaller, and the porosity (the void in the gasket cross section) By increasing the total area / gasket cross-sectional area), the stress concentration at the curved portion and / or the branch portion when a stack fastening force or the like is applied can be reduced.

以下に、本発明の燃料電池用ガスケットを、図１〜図１０を参照して説明する。
本発明の燃料電池スタックへのセル電圧モニタ用コネクタ装着方法が適用される燃料電池１０は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。ただし、燃料電池は、セパレータを有するものであればよく、固体高分子電解質型燃料電池１０に限るものではない。
燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。 Below, the gasket for fuel cells of this invention is demonstrated with reference to FIGS.
The fuel cell 10 to which the cell voltage monitoring connector mounting method of the present invention is applied is, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell. However, the fuel cell only needs to have a separator, and is not limited to the solid polymer electrolyte fuel cell 10.
The fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.

固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図８〜図１０に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１０を構成し、１以上のセル１０からモジュール１９を構成し（１セルが１モジュールを構成する場合は、セル１０とモジュール１９は同じになる）、セルモジュール１９を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）にボルト・ナット２５にて固定し、一端のエンドプレートに設けた調整ネジにてその内側に設けたバネを介してセル積層体にセル積層方向の締結荷重をかけ、燃料電池スタック２３を構成する。 As shown in FIGS. 8 to 10, the solid polymer electrolyte fuel cell (cell) 10 is composed of a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18.
The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 made of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and a catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane. It consists of electrodes (cathode, air electrode) 17. Between the membrane-electrode assembly and the separator 18, diffusion layers 13 and 16 are provided on the anode side and the cathode side, respectively.
A cell 10 is formed by stacking the membrane-electrode assembly and the separator 18 to form a module 19 from one or more cells 10 (when one cell forms one module, the cell 10 and the module 19 are the same), Cell modules 19 are stacked to form a cell stack, and terminals 20, insulators 21 and end plates 22 are arranged at both ends of the cell stack in the cell stacking direction, and the end plates 22 at both ends are arranged outside the cell stack in the cell stacking direction. Fastened to a fastening member (for example, tension plate 24) with bolts and nuts 25, and fastened in the cell stacking direction to the cell stack through a spring provided on the inside with an adjustment screw provided on one end plate The fuel cell stack 23 is configured by applying a load.

セパレータ１８には、発電領域において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
燃料ガス、酸化ガス、冷媒は、セル内において互いにシールされている。各セルモジュール１９のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセルモジュール１９同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。第１のシール部材３２は、たとえば接着剤またはガスケットからなり、第２のシール部材は３３はガスケットからなる。 The separator 18 is formed with a fuel gas passage 27 for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode 14 in the power generation region, and an oxidizing gas for supplying oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode 17. A flow path 28 is formed. The separator 18 is also formed with a refrigerant flow path 26 for flowing a refrigerant (usually cooling water). In the separator 18, a fuel gas manifold 30, an oxidizing gas manifold 31, and a refrigerant manifold 29 are formed in the non-power generation region. The fuel gas manifold 30 is in communication with the fuel gas passage 27, the oxidizing gas manifold 31 is in communication with the oxidizing gas passage 28, and the refrigerant manifold 29 is in communication with the refrigerant passage 26.
The fuel gas, the oxidizing gas, and the refrigerant are sealed with each other in the cell. The two separators 18 sandwiching the MEA of each cell module 19 are sealed by a first seal member 32, and the adjacent cell modules 19 are sealed by a second seal member 33. The first seal member 32 is made of, for example, an adhesive or a gasket, and the second seal member 33 is made of a gasket.

各セル１０（１セルモジュールの場合は、セル１０はセルモジュール１９と同じになる）の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ An ionization reaction that converts hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons is performed on the anode 14 side of each cell 10 (in the case of a one-cell module, the cell 10 is the same as the cell module 19). The electrolyte moves through the electrolyte membrane 11 to the cathode 17 side. On the cathode 17 side, oxygen, hydrogen ions, and electrons (electrons generated at the anode of the adjacent MEA pass through the separator, or electrons generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction). From an external circuit to the cathode of the other cell), and water is generated according to the following equation.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O

セパレータ１８は、カーボンセパレータ、メタルセパレータ、メタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、等の何れかからなるが、図示例では、セパレータ１８がカーボンセパレータの場合を示している。ただし、セパレータ１８はカーボンセパレータに限るものではない。   The separator 18 includes any one of a carbon separator, a metal separator, a combination of a metal separator and a resin frame, and the illustrated example shows a case where the separator 18 is a carbon separator. However, the separator 18 is not limited to a carbon separator.

ガスケット３３は、燃料電池を構成する部材間（たとえば、隣接するモジュールの、セパレータ間、または同じセル内のセパレータ間）をシールし、たとえばゴムガスケットからなる。
ガスケット３３はガスケット３３を挟む２つのセパレータ１８のうちの一方のセパレータ１８に熱溶着（熱溶着はセパレータ１８がメタルセパレータの場合に適用される）や接着剤により固定されていてもよいし、または固定されていなくてもよい。
ガスケット３３は、平板部３３ａと、平板部３３ａから立ち上がり、平板部３３ａより狭い幅をもつ凸部３３ｂとを有する。ガスケット３３はガスケット断面においてガスケット中心線３４を有する。ガスケット中心線３４は、スタック締結荷重がガスケットにかかっていない状態での、凸部３３ｂの頂点（平板部３３ａから遠い方の端点、凸部３３ｂの頂点が幅をもつ場合は凸部の頂点の幅方向中央点）を通り平板部３３ａと直交する線である。 The gasket 33 seals between members constituting the fuel cell (for example, between separators of adjacent modules or between separators in the same cell), and is made of, for example, a rubber gasket.
The gasket 33 may be fixed to one of the two separators 18 sandwiching the gasket 33 by heat welding (the heat welding is applied when the separator 18 is a metal separator) or an adhesive, or It does not have to be fixed.
The gasket 33 includes a flat plate portion 33a and a convex portion 33b that rises from the flat plate portion 33a and has a narrower width than the flat plate portion 33a. The gasket 33 has a gasket center line 34 in the gasket cross section. The gasket center line 34 indicates the apex of the convex portion 33b when the stack fastening load is not applied to the gasket (the end point far from the flat plate portion 33a, or the apex of the convex portion if the apex of the convex portion 33b has a width). This is a line that passes through the center point in the width direction and is orthogonal to the flat plate portion 33a.

図１に示すように、ガスケット３３は、セルの発電領域（電解質膜があり、燃料ガス、酸化ガスが流れて、発電を起こす領域）と外部との間にあって発電領域を外部からシールする部分と、マニホールド２９、３０、３１を囲む位置にありマニホールド２９、３０、３１を流れる流体を発電領域および外部および他のマニホールドからシール部分とを有する。ガスケット３３は、湾曲部および／または分岐部３５（湾曲部の符号が３５ａ、分岐部の符号が３５ｂ、その両者の少なくとも一方を含んだものの符号が３５）を有する。
ガスケット３３は、湾曲部および／または分岐部３５において、外周側部３３ｃと内周側部３３ｄを有する。ガスケット３３の外周側部３３ｃはガスケット断面においてガスケット中心線３４より外側にあるガスケット部分であり、ガスケットの内周側部３３ｄはガスケット断面においてガスケット中心線３４より内側にあるガスケット部分である。
たとえば、図５の例ではシールライン（ガスケットの頂点を結んだライン）の内側が内周側部３３ｄであり、シールラインの外側が外周側部３３ｃである。
図６の例（シールラインが平面内にある場合）では、分岐シールラインの両側部が内周側部３３ｄであり、分岐シールラインと反対側が外周側部３３ｃである。
図７の例（シールラインが分岐角度が等しい、たとえば３軸直交の場合）では、各シールラインの間（３軸直交の場合は９０度の角度をもつ部分）が内周側部３３ｄであり、他の直線部位が外周側部３３ｃである。 As shown in FIG. 1, the gasket 33 includes a portion between the power generation region of the cell (the region where an electrolyte membrane is provided and fuel gas and oxidant gas flow to generate power) and the outside, and the power generation region is sealed from the outside. The fluid is located at a position surrounding the manifolds 29, 30, 31, and the fluid flowing through the manifolds 29, 30, 31 has a power generation region and a seal portion from the outside and other manifolds. The gasket 33 has a curved portion and / or a branched portion 35 (the curved portion has a sign 35a, the branched portion has a sign 35b, and includes at least one of them).
The gasket 33 has an outer peripheral side portion 33 c and an inner peripheral side portion 33 d at the curved portion and / or the branch portion 35. An outer peripheral side portion 33c of the gasket 33 is a gasket portion outside the gasket center line 34 in the gasket cross section, and an inner peripheral side portion 33d of the gasket is a gasket portion inside the gasket center line 34 in the gasket cross section.
For example, in the example of FIG. 5, the inner side of the seal line (line connecting the apexes of the gasket) is the inner peripheral side portion 33d, and the outer side of the seal line is the outer peripheral side portion 33c.
In the example of FIG. 6 (when the seal line is in a plane), both sides of the branch seal line are the inner peripheral side portion 33d, and the opposite side of the branch seal line is the outer peripheral side portion 33c.
In the example of FIG. 7 (when the seal lines have the same branching angle, for example, when the three axes are orthogonal), the inner peripheral side portion 33d is between the seal lines (the portion having an angle of 90 degrees when the three axes are orthogonal). The other straight portion is the outer peripheral side portion 33c.

ガスケット３３は、セパレータ板面視（セパレータ板面に垂直な方向から見た時）でのガスケット３３の曲率に応じてガスケット３３の特性を変えてある。
たとえば、ガスケット３３の外周側部３３ｃとガスケット３３の内周側部３３ｄとの構成は互いに異ならせてある。湾曲部および／または分岐部３５における、ガスケット３３の外周側部３３ｃとガスケット３３の内周側部３３ｄとの構成は、ガスケット３３にスタック締結力がかかって変形（凸部３３ｂがセル積層方向に圧縮されるとともの幅方向に拡がる変形）した時にガスケット３３の内周側部３３ｄに応力が集中しないか、または集中しにくいように、互いに異ならせてある。この場合、以下の構成１、２の何れか少なくと一方（構成１、または構成２、または構成１と構成２）を採用することができる。 The gasket 33 has the characteristics of the gasket 33 changed according to the curvature of the gasket 33 as viewed from the separator plate surface (when viewed from the direction perpendicular to the separator plate surface).
For example, the outer peripheral side portion 33c of the gasket 33 and the inner peripheral side portion 33d of the gasket 33 are different from each other. The configuration of the outer peripheral side portion 33c of the gasket 33 and the inner peripheral side portion 33d of the gasket 33 in the curved portion and / or the branch portion 35 is deformed by applying a stack fastening force to the gasket 33 (the convex portion 33b is in the cell stacking direction). In order to prevent stress from concentrating or difficult to concentrate on the inner peripheral side portion 33d of the gasket 33 when it is compressed and deformed to expand in the width direction, they are different from each other. In this case, at least one of the following configurations 1 and 2 (configuration 1 or configuration 2 or configuration 1 and configuration 2) can be adopted.

〔構成１〕
構成１は、図２（スタック締結荷重がかかる前の状態を示す）、図３（スタック締結荷重がかかった後の状態を示す）に示すように、外周側部３３ｃの断面形状と内周側部３３ｄの断面形状とを、ガスケット中心線３４を中心にして左右に、互いに非対称とし、内周側部３３ｄの断面積Ｓｉを外周側部３３ｃの断面積Ｓｏより小とした構成である。すなわち、内周側部３３ｄのボリュームを外周側部３３ｃのボリュームより小さくする。
この場合、図２のように、凸部３３ｂの形状をガスケット中心線３４を中心にして左右に、互いに非対称とし、スタック締結荷重をかけない自由状態において、内周側部３３ｄのガスケット中心線３４から凸部３３ｂ外形までの距離Ｗｉを、外周側部３３ｃの、ガスケット中心線３４から凸部３３ｂ外形までの距離Ｗｏより小とする構成をとってもよいし、あるいは、図４に示すように、内周側部３３ｄのガスケット中心線３４から凸部３３ｂ外形までの距離Ｗｉを凸部頂点から平板部３３ａにむかってある距離までは０とし、その距離を越えると平板部３３ａにむかって幅Ｗｉが徐々に拡がり、外周側部３３ｃのガスケット中心線３４から凸部３３ｂ外形までの距離Ｗｏを凸部頂点から平板部３３ａにむかって徐々に拡がるようにした構成としてもよい。 [Configuration 1]
As shown in FIG. 2 (shows the state before the stack fastening load is applied) and FIG. 3 (shows the state after the stack fastening load is applied), the configuration 1 shows the cross-sectional shape of the outer peripheral side portion 33c and the inner peripheral side. The cross-sectional shape of the portion 33d is asymmetric with respect to the left and right about the gasket center line 34, and the cross-sectional area Si of the inner peripheral side portion 33d is smaller than the cross-sectional area So of the outer peripheral side portion 33c. That is, the volume of the inner peripheral side portion 33d is made smaller than the volume of the outer peripheral side portion 33c.
In this case, as shown in FIG. 2, the shape of the convex portion 33b is asymmetrical to the left and right with respect to the gasket center line 34, and the gasket center line 34 of the inner peripheral side portion 33d is in a free state where no stack fastening load is applied. The distance Wi from the outer shape of the convex portion 33b to the outer shape of the outer peripheral side portion 33c may be smaller than the distance Wo from the gasket center line 34 to the outer shape of the convex portion 33b. Alternatively, as shown in FIG. The distance Wi from the gasket center line 34 of the peripheral side portion 33d to the outer shape of the convex portion 33b is set to 0 until a distance from the convex portion apex to the flat plate portion 33a, and when the distance is exceeded, the width Wi is increased toward the flat plate portion 33a. A configuration in which the distance Wo from the gasket center line 34 of the outer peripheral side portion 33c to the outer shape of the convex portion 33b is gradually increased from the convex portion vertex toward the flat plate portion 33a. It may be.

〔構成２〕
外周側部３３ｃの、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率と、内周側部３３ｄの、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を、互いに異ならせた構成をとることができる。
すなわち、外周側部３３ｃの材質と内周側部３３ｄの材質を異ならせる、および／または、外周側部３３ｃの弾性率と内周側部３３ｄの弾性率を互いに異ならせる、および／または、外周側部３３ｃの密度・空隙率と内周側部３３ｄの密度・空隙率を互いに異ならせた構成をとることができる。
この場合、内周側部３３ｄの弾性率を外周側部３３ｃの弾性率より小さくする（柔らかくする）、内周側部３３ｄの密度を外周側部３３ｃの密度より小とし内周側部３３ｄの空隙率（ガスケット断面での空隙の面積総和／ガスケット断面積を大にする）を外周側部３３ｃの空隙率より大とする。
また、外周側部３３ｃとガスケット３３の内周側部３３ｄとの特性を変える、上記の構成１、２の他、
〔構成３〕ガスケットの曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど材料の量を減らす、断面積を小にすることや、
〔構成４〕ガスケットの曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど材料の弾性率を低くする、
などによっても、湾曲部および／または分岐部３５の応力を緩和することができる。 [Configuration 2]
The material and / or elastic modulus and / or density / void ratio of the outer peripheral side portion 33c and the material and / or elastic modulus and / or density / void ratio of the inner peripheral side portion 33d are different from each other. Can be configured.
That is, the material of the outer peripheral side portion 33c and the material of the inner peripheral side portion 33d are made different and / or the elastic modulus of the outer peripheral side portion 33c and the elastic modulus of the inner peripheral side portion 33d are made different from each other, and / or the outer periphery. A configuration in which the density and porosity of the side portion 33c and the density and porosity of the inner peripheral side portion 33d are different from each other can be employed.
In this case, the elastic modulus of the inner peripheral side portion 33d is made smaller (softer) than the elastic modulus of the outer peripheral side portion 33c, and the density of the inner peripheral side portion 33d is made smaller than the density of the outer peripheral side portion 33c. The porosity (the total area of the voids in the gasket cross section / the gasket cross-sectional area is increased) is made larger than the void ratio of the outer peripheral side portion 33c.
In addition to the above-described configurations 1 and 2, which change the characteristics of the outer peripheral side portion 33c and the inner peripheral side portion 33d of the gasket 33,
[Configuration 3] The gasket has a higher curvature (a smaller radius of curvature), reducing the amount of material, reducing the cross-sectional area,
[Configuration 4] The elastic modulus of the material is lowered as the gasket has a higher curvature (smaller radius of curvature).
Also, the stress of the curved portion and / or the branch portion 35 can be relaxed.

つぎに、本発明の作用・効果を説明する。
モジュール１９を積層し、スタック締結荷重をかけると、ガスケット３３は変形し、たとえば図２の状態から図３の状態になる。この場合、ガスケット３３の、湾曲および／または分岐部３５では、変形に際して生じる歪み、応力が、外周側部３３ｃと内周側部３３ｄとで異なり、内周側部３３ｄの方が曲がりの接線方向および幅方向に変形が拘束されて大きな応力（圧縮応力）が生じる。
その結果、図１１の形状をもつ従来ガスケットでは、セパレータとの接合が剥がれたり、（接着されていない場合は）圧着力が変化したりして、洩れが生じやすかった。 Next, functions and effects of the present invention will be described.
When the modules 19 are stacked and a stack fastening load is applied, the gasket 33 is deformed, for example, from the state of FIG. 2 to the state of FIG. In this case, in the curved and / or branching portion 35 of the gasket 33, the distortion and stress generated upon deformation differ between the outer peripheral side portion 33c and the inner peripheral side portion 33d, and the inner peripheral side portion 33d is in the tangential direction of the bending. And deformation is constrained in the width direction, and a large stress (compressive stress) is generated.
As a result, in the conventional gasket having the shape shown in FIG. 11, the junction with the separator is peeled off or the pressure-bonding force is changed (when not bonded), and leakage is likely to occur.

しかし、本発明の燃料電池用ガスケット３３では、ガスケット３３の曲率に応じてガスケット３３の特性を変えたので、曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど、少ない応力集中で変形することができる構成とすることにより（たとえば、ガスケットの曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど材料の量を減らす、断面積を小にするか、または、ガスケットの曲率が高い（曲率半径が小さい）部分ほど材料の弾性率を低くすることにより）、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部３５の応力集中を緩和することができる。この応力集中の緩和で、ガスケット３３のセパレータ１８からの剥がれを防止でき、剥がれによる冷却水の外部やガス流路への漏れも防止することができる。   However, in the fuel cell gasket 33 of the present invention, the characteristics of the gasket 33 are changed in accordance with the curvature of the gasket 33, so that the portion having a higher curvature (smaller radius of curvature) can be deformed with less stress concentration. (For example, the portion of the gasket having a higher curvature (smaller radius of curvature) reduces the amount of material, the cross-sectional area is reduced, or the portion of the gasket having a higher curvature (smaller radius of curvature) is made of material. By reducing the elastic modulus, the stress concentration of the bending portion and / or the branch portion 35 when a stack fastening force or the like is applied can be reduced. By relaxing the stress concentration, the gasket 33 can be prevented from peeling off from the separator 18, and leakage to the outside of the cooling water and the gas flow path due to peeling can be prevented.

たとえば、湾曲部および／または分岐部３５の、ガスケットの外周側部３３ｃとガスケットの内周側部３３ｄとの構成を互いに異ならせる場合、内周側部３３ｄを外周側部３３ｃより、少ない応力集中で変形することができる構成とすることにより、スタック締結力等がガスケット３３にかかった時における、湾曲部および／または分岐部３５の内周側部３３ｄの応力集中を緩和することができる。この応力集中の緩和で、ガスケット３３のセパレータ１８からの剥がれを防止でき、剥がれによる冷却水の外部やガス流路への漏れも防止することができる。   For example, when the configuration of the outer peripheral side portion 33c of the gasket and the inner peripheral side portion 33d of the gasket of the curved portion and / or the branch portion 35 is different from each other, the inner peripheral side portion 33d is less stress concentrated than the outer peripheral side portion 33c. By adopting a configuration that can be deformed by the above, it is possible to relieve stress concentration on the inner peripheral side portion 33d of the curved portion and / or the branch portion 35 when a stack fastening force or the like is applied to the gasket 33. By relaxing the stress concentration, the gasket 33 can be prevented from peeling off from the separator 18, and leakage to the outside of the cooling water and the gas flow path due to peeling can be prevented.

また、外周側部３３ｃの断面形状と内周側部３３ｄの断面形状とを互いに非対称とし、内周側部３３ｄの断面積を外周側部３３ｃの断面積より小とした場合は、スタック締結荷重等（スタック締結荷重、その後の熱応力、クリープによる応力変化等）がかかった時における、湾曲部および／または分岐部３５の応力集中を緩和することができる。   When the cross-sectional shape of the outer peripheral side portion 33c and the cross-sectional shape of the inner peripheral side portion 33d are asymmetric with each other and the cross-sectional area of the inner peripheral side portion 33d is smaller than the cross-sectional area of the outer peripheral side portion 33c, the stack fastening load The stress concentration of the bending portion and / or the branching portion 35 when a stacking load, a subsequent thermal stress, a stress change due to creep, or the like is applied can be reduced.

また、外周側部の断面形状と前記内周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を互いに異ならせた場合は、内周側部３３ｄを外周側部３３ｃより、少ない応力集中で変形することができる構成（内周側の弾性率を外周側弾性率より小さくする（柔らかくする）、密度を小とし空隙率（ガスケット断面での空隙の面積総和／ガスケット断面積）を大にする）とすることにより、スタック締結力等がかかった時における、湾曲部および／または分岐部３５の応力集中を緩和することができる。   In addition, when the cross-sectional shape of the outer peripheral side portion and the material, and / or elastic modulus, and / or density / void ratio of the inner peripheral side portion are different from each other, the inner peripheral side portion 33d is changed from the outer peripheral side portion 33c. Configuration that can be deformed with less stress concentration (elastic modulus on the inner circumference side is smaller (softer) than elastic modulus on the outer circumference side, density is reduced and void ratio (total void area in gasket section / gasket sectional area) ) Is increased), the stress concentration of the bending portion and / or the branch portion 35 when a stack fastening force or the like is applied can be reduced.

本発明の燃料電池用ガスケットの、セパレータに装着されている状態の、正面図である。It is a front view of the state with which the gasket for fuel cells of this invention is mounted | worn with the separator. 図１の燃料電池用ガスケットの、スタック締結荷重がかかる前の、湾曲部および／または分岐部での、断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell gasket of FIG. 1 at a curved portion and / or a branch portion before a stack fastening load is applied. 図１の燃料電池用ガスケットの、スタック締結荷重がかかった後の、湾曲部および／または分岐部での、断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell gasket of FIG. 1 at a curved portion and / or a branched portion after a stack fastening load is applied. 図１の燃料電池用ガスケット（図２とは異なる断面形状をもつガスケット）の、スタック締結荷重がかかる前の、湾曲部および／または分岐部での、断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell gasket of FIG. 1 (a gasket having a cross-sectional shape different from that of FIG. 2) at a curved portion and / or a branch portion before a stack fastening load is applied. 本発明の燃料電池用ガスケットの、湾曲部における、シールラインと断面の外周側部、内周側部の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the seal line, the outer peripheral side part of a cross section, and an inner peripheral side part in the curved part of the gasket for fuel cells of this invention. 本発明の燃料電池用ガスケットの、平面内分岐部における、外周側部と内周側部の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the outer peripheral side part and inner peripheral side part in the in-plane branch part of the gasket for fuel cells of this invention. 本発明の燃料電池用ガスケットの、立体分岐部における、外周側部と内周側部の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the outer peripheral side part and inner peripheral side part in the three-dimensional branch part of the gasket for fuel cells of this invention. 本発明の燃料電池用ガスケットが適用される燃料電池スタックの側面図である。It is a side view of the fuel cell stack to which the gasket for fuel cells of the present invention is applied. 図８の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of a part of the fuel cell stack of FIG. 8. 図８の燃料電池スタックのセパレータの正面図である。It is a front view of the separator of the fuel cell stack of FIG. 従来の燃料電池用ガスケットの、スタック締結荷重がかかる前の、湾曲部および／または分岐部での、断面図である。It is sectional drawing in the curved part and / or branch part before the stack fastening load is applied of the conventional gasket for fuel cells.

符号の説明Explanation of symbols

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３、１６ 拡散層
１４ アノード
１７ カソード
１８ セパレータ
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ 燃料電池スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト・ナット
２６ 冷媒流路（流体流路）
２７ 燃料ガス流路（流体流路）
２８ 酸化ガス流路（流体流路）
２９ 冷媒マニホールド（流体マニホールド）
３０ 燃料ガスマニホールド（流体マニホールド）
３１ 酸化ガスマニホールド（流体マニホールド）
３２ 接着剤またはガスケット
３３ ガスケット
３３ａ 平板部
３３ｂ 凸部
３３ｃ 外周側部
３３ｄ 内周側部
３４ ガスケット中心線
３５ 湾曲部および／または分岐部
３５ａ 湾曲部
３５ｂ 分岐部 10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membranes 13 and 16 diffusion layer 14 anode 17 cathode 18 separator 19 module 20 terminal 21 insulator 22 end plate 23 fuel cell stack 24 fastening member (tension plate)
25 Bolt / Nut 26 Refrigerant flow path (fluid flow path)
27 Fuel gas flow path (fluid flow path)
28 Oxidizing gas channel (fluid channel)
29 Refrigerant manifold (fluid manifold)
30 Fuel gas manifold (fluid manifold)
31 Oxidizing gas manifold (fluid manifold)
32 Adhesive or gasket 33 Gasket 33a Flat plate portion 33b Protruding portion 33c Outer peripheral side portion 33d Inner peripheral side portion 34 Gasket center line 35 Curved portion and / or branch portion 35a Curved portion 35b Branch portion

Claims (4)

燃料電池を構成する部材間をシールする燃料電池用ガスケットであって、セパレータ板面視でのガスケットの曲率に応じてガスケットの特性を変えた燃料電池用ガスケット。   A fuel cell gasket for sealing between members constituting a fuel cell, wherein the gasket characteristics are changed according to the curvature of the gasket as viewed from the separator plate. 前記ガスケットは湾曲部および／または分岐部を有し、湾曲部および／または分岐部における、ガスケットの外周側部とガスケットの内周側部との構成を互いに異ならせた請求項１記載の燃料電池用ガスケット。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the gasket has a curved portion and / or a branched portion, and the configuration of the outer peripheral side portion of the gasket and the inner peripheral side portion of the gasket in the curved portion and / or the branched portion is different from each other. Gasket. 前記外周側部の断面形状と前記内周側部の断面形状とを互いに非対称とし、前記内周側部の断面積を前記外周側部の断面積より小とした請求項２記載の燃料電池用ガスケット。   3. The fuel cell according to claim 2, wherein a cross-sectional shape of the outer peripheral side portion and a cross-sectional shape of the inner peripheral side portion are asymmetric with each other, and a cross-sectional area of the inner peripheral side portion is smaller than a cross-sectional area of the outer peripheral side portion. gasket. 前記外周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率と、前記内周側部の、材質、および／または弾性率、および／または密度・空隙率を、互いに異ならせた請求項２または請求項３記載の燃料電池用ガスケット。   The material and / or elastic modulus and / or density / void ratio of the outer peripheral side portion and the material and / or elastic modulus and / or density / void ratio of the inner peripheral side portion are different from each other. The gasket for a fuel cell according to claim 2 or claim 3.
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