JP2007042510A - Gasket for fuel cell - Google Patents
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Abstract
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。
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
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
The
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
The membrane-electrode assembly includes an
A
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
The fuel gas, the oxidizing gas, and the refrigerant are sealed with each other in the cell. The two
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 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
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
The
The
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
The
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
In the example of FIG. 6 (when the seal line is in a plane), both sides of the branch seal line are the inner
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
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
For example, the outer
〔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
In this case, as shown in FIG. 2, the shape of the
〔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
That is, the material of the outer
In this case, the elastic modulus of the inner
In addition to the above-described
[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
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
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
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
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
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
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)
25 Bolt /
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
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