JP2007280615A - 燃料電池用シール構造とそのシールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＩＰＧ法によるシール作成時の不均一を抑制する燃料電池用シール構造とその製造方法を提供する。
【解決手段】固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒の外部への漏洩及び混入を防止し、キュアード・インプレス・ガスケット法により成形される燃料電池用シール構造において、互いに重ね合わされる２つの部材１６、１７のシール部位に、予め一方の部材１６に塗布されたシール材を接触させた状態で、加熱硬化して形成されたシール１４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用シール構造とそのシールの製造方法に関するものである。

通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡという）を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる（特許文献１参照）。

陽極反応： Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
陰極反応： ２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）
前記固体高分子型燃料電池の１組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックを構成している。

供給されるガスや冷媒の外部への漏洩、およびガスの混入を防止するために、ＭＥＡとセパレータ間、または各セパレータ間に液状シールを塗布して各ガス流路からのガスの外部、または他のガス流路への漏えいを防止し、シール性を確保する技術がある。その技術の一例としてキュアード・インプレス・ガスケット法（以下、ＣＩＰＧ法という）がある（特許文献２）。

ＣＩＰＧ法では、未硬化のシールを所定部材、たとえば一方のセパレータのシール面に塗布して加熱硬化させ、その後、他方のセパレータに押圧してシール性を発揮する。このため、ＣＩＰＧ法では所定部材に直接シールを塗布、成形するため、生産性が高く、一般的には金型等を必要としないという効果がある。また、加熱硬化後に他方のセパレータと物理的に密着してシール性を担保するため、メンテンナンス等で必要な場合にはシールをセパレータから剥離することができる。
特開平８−１０６９１４号公報 特開平５−２４６４５６号公報

しかしながら、ＣＩＰＧ法で成形されたシールの表面には凹凸や皺が発生しやすく、シール表面が均一にならず、十分なシール性を担保できないという問題がある。この課題を解決するため、特許文献２に記載の技術では、シール塗布後に金型にて表面を平滑化し、その後、硬化するようにしている。しかしこの技術では、表面を平滑化するための金型を必要とするため、金型費や工程数の増加によるコストアップ、開発時間の長期化が必要となる。

したがって、本発明の目的は、ＣＩＰＧ法で成形されたシールにおいてシール性を確実に担保する燃料電池用シール構造とそのシールの製造方法を提供することである。

本発明は、固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒の外部への漏洩及び混入を防止し、キュアード・インプレス・ガスケット法により成形される燃料電池用シール構造において、互いに重ね合わされる２つの部材のシール部位に、予め一方の部材に塗布されたシール材を接触させた状態で、加熱硬化して形成されたシールを備えることを特徴とする。

本発明では、シール硬化前に他方の部材に接触させて、その後シールを硬化させることで、シール表面の不均一を抑制し、またシールが他方の部材と確実に接合して、シール性を確実にすることができる。

図１は、固体高分子電解質型燃料電池の単セル１０の構造を示す斜視図である。

単セル１０は、イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１１と、この電解質膜１１の一面に配置され、ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるアノード（燃料極）１２、および電解質膜１１の他面に配置され、ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるカソード（空気極）１３とからなるＭＥＡを備える。さらに単セル１０は、ＭＥＡを挟持して、アノード１２に燃料ガス（水素）を、カソード１３に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路をそれぞれ形成するセパレータ１６、１７を備え、セパレータ１６、１７はシール１４を介して電解質膜１１の保持部を挟持して、各電極１２、１３とセパレータ１６、１７間との密封性を確保する構造を有し、シール１４により供給される燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の外部への漏洩及び混入が防止される。

電解質膜１１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、所定の湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード１２およびカソード１３は、ガス拡散電極であり、ガス拡散層、撥水層、触媒層からなる。ガス拡散層は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトなど、適当なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。撥水層は、例えばポリテトラフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラックからなる。

なお、触媒層は前述のようにガス拡散層に担持され電極を形成するとは限らず、電解質膜１１の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている場合がある。その場合、アノード１２およびカソード１３は、ガス拡散層の表面に撥水層が積層されたガス拡散層接合体で形成される。

セパレータ１６、１７は、適当な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。例えば、カーボン材料をプレス成形することによる製法や、充分な耐食性を有する金属など他の材料によって形成される。アノード側セパレータ１６にはアノード１２の反応面に面して燃料ガス流路が、カソード側セパレータ１７にはカソード１３の反応面に面して酸化剤ガス流路１８が、それぞれ形成されており、また、単セル１０を適正温度に維持するための冷媒が流通する冷却媒体流路１９が、ガス流路の反対面に形成される。

シール１４は、図では説明のため別部品のように記載されるが、前述の通り、ＣＩＰＧ法によりシールが形成される対象部品のシール面に直接塗布され、加熱硬化して形成される。シール１４は、熱硬化性の材料からなる液状シールによって形成され、ＭＥＡと各セパレータ１６、１７との間の他、各セパレータ１６、１７間の結合に用いてもよい。

図２は、ＣＩＰＧ法を用いてセパレータとＭＥＡ間にシールを形成する第１実施形態の断面図である。

まず、（ａ）に示すように、アノード１２に対面して形成される燃料ガス流路を取り囲むようにアノード側セパレータ１６の外縁部の平面（シール面）１６ａにシール１４を図示しない装置を用いて塗布する。塗布した状態では、シール１４は硬化前の状態にあり、（ｂ）に示すように、この状態で相手部品であるＭＥＡの電解質膜１１（あるいは電解質膜１１の保持部）をアノード側セパレータ１６に積層する。積層時には、図示しない治具を用いてセパレータ１６、ＭＥＡの位置決めを行って、またセパレータ１６と電解質膜１１との積層方向の距離を所定高さに設定し、さらには、積層される部品のうねりの矯正や積層時の部品落下を防止するために、構成部品を治具に吸引する真空吸引を行う。なお、塗布するシールの高さは、アノード側セパレータ１６にＭＥＡが積層した時にシール１４が電解質膜１１のシール面１１ａに接する所定の高さとする。シール１４が電解質膜１１に接触した状態を維持したまま、シール１４を高温加熱して硬化させる。硬化することによりシール１４はアノード側セパレータ１６及び電解質膜１１に接合してアノード側セパレータ１６とＭＥＡを一体化する。なお、ＭＥＡの電解質膜１１とセパレータ１６との積層方向の距離は、シール１４の圧縮率等を考慮して設定すればよい。

接合した後、（ｃ）に示すように、燃料電池の発電時には積層方向の荷重が付加され、シール１４は圧縮変形して、シール１４及びアノード１２に作用する圧力が所定圧となるように調圧される。

通常のＣＩＰＧ法によるシール１４の成形では、一方の部材のシール面１６ａにシールを塗布した後、加熱して硬化させ、その後に相手部材のシール面１１ａに接触、保持してシール性を担保するものである。対して本実施形態では、一方の部材のシール面１６ａにシールを塗布後、加熱硬化する前に相手部材のシール面１１ａと接触させて、その状態を維持して加熱硬化させるようにした。このように、シール硬化前に相手部品のシール面１１ａと接触させて、その後シールを硬化させることで、シール高さを一定とすることができ、シール性のバラツキを抑制することができ、またシールが相手部品と確実に接合して、シール性を確実にすることができる。

図３は、ＣＩＰＧ法を用いてセパレータとＭＥＡ間にシールを形成する第２の実施形態の断面図である。

第１の実施形態では、図２（ｂ）に示すアノード側セパレータ１６のシール面１６ａにシール１４を塗布した後、ＭＥＡ１１のシール面１１ａに接触した場合に、ＭＥＡ１１、アノード側セパレータ１６が十分な面剛性を備えていない場合にたわみ、シール１４の高さにバラツキが生じることになる。これを防止する手法として、この実施形態では予め、所定枚数のセパレータ１６、１７及びＭＥＡ１１とを接着剤２１を用いて一体化して剛性を高めておく。そして、一体化した一対のセパレータ１６、１７とＭＥＡ１１を積層して、その間にシール１４を形成するようにした。

図３を用いて説明すると、（ａ）でまず一対のセパレータ１６、１７を接着剤２１を用いて接着し、さらにセパレータ１７とＭＥＡ１１とを接着剤２１で接着する。これで（ｂ）に示すように、一対のセパレータ１６、１７とＭＥＡ１１とが一体的に形成される。このとき、カソード１３には所定の荷重が作用し、所定圧に維持される。

一体的に形成された一対のセパレータ１６、１７とＭＥＡ１１を積層して、アノード側の電解質膜１１のシール面１１ａとアノード側セパレータ１６のシール面１６ａとの間にシール１４を形成する。そして、図示しないが図２の場合と同様に、アノード側セパレータ１６と電解質膜１１にシール１４が接した状態で加熱して、シール１４を硬化させ、燃料電池発電時には積層方向に荷重を負荷してアノード１２が所定圧となるように荷重を負荷する。

このように予め、一対のセパレータ１６、１７とＭＥＡとを一体的に接着しておくことで、剛性の高い部材を構成することができ、これら間に本発明のＣＩＰＧ法を用いてシール１４を形成することにより、部品のたわみ、うねりによるシール高さのバラツキを抑制することができる。

図４は、ＣＩＰＧ法を用いてセパレータ間にシールを形成する第３の実施形態の断面図である。

（ａ）ではアノード側セパレータ１６の外縁部のシール面１６ａにシール１４を塗布する。そして所定の距離を置いてカソード側セパレータ１７を重ね、シール１４がカソード側セパレータ１７のシール面１７ａに接するようにするが、（ｂ）に示すように、このときに治具２０を用いて所定の距離を維持するようにする。所定距離を維持した状態でシール１４を加熱硬化して、シール１４の成形を完了する。実際に使用する際には（ｃ）に示すように、一対のセパレータ１６、１７を挟持するように積層方向に荷重が負荷され、シール１４が所定の圧縮率となるように撓ませて使用される。

治具２０を用いることにより、シール１４形成時の積層方向の部材間隔を一定として、シール１４の加熱時の高さを調整し、シール１４の高さを最適高さとすることができる。

図５は、ＣＩＰＧ法を用いてセパレータ間にシールを形成する第４の実施形態の断面図である。この実施形態の第３の実施形態との相違点は、シール１４が塗布されるセパレータ１６、１７のシール面１６ａ、１７ａの表面粗さを粗く処理するようにした点である。例えば、セパレータ１６、１７のシール面１６ａ、１７ａにサンドブラスト処理を施すようにした。シール１４に圧力が作用した場合、例えば、内圧が高まり外側にシールが押し出されるような場合に、シール面１６ａ、１７ａの表面粗さを粗くすることにより、クサビ効果によりシール１４とセパレータ１６、１７間の接合力が高められ、より高い内圧に抗することができるようになる。

また、シール１４が塗布されるシール面１６ａに積層方向に所定高さの凸部２１を設け、この凸部２１は燃料電池スタック状態で相手部材（図ではカソード側セパレータ１７）に接触する。したがって、この凸部２１の高さｈによりシール１４の圧縮率を規定することができる。圧縮率が高いとシール１４のヘタリが早くなり、圧縮率が低いとシール１４が相手部材に接触する面圧が低くなり、シール性が低下する。

また、シール１４の塗布量が多い場合には、シールの撓みによるセパレータ等に作用する反力が大きくなり、セパレータ等の変形を招きやすくなる。かつ塗布部分が広くなるため、セパレータ等のサイズが大きくなる。一方、塗布量が少ない場合には、塗布量の不均一による面圧のバラツキが生じやすく、シール性が低下する恐れを生じる。このため、シール高さに加えて、シール塗布量を考慮する必要がある。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

燃料電池セルの断面図である。 第１の実施形態のシール塗布部の断面図である。 第２の実施形態のシール塗布部の断面図である。 第３の実施形態のシール塗布部の断面図である。 第４の実施形態のシール塗布部の断面図である。

符号の説明

１０：単セル
１１：電解質膜
１１ａ：シール面
１２：アノード
１３：カソード
１４：シール
１６：アノードセパレータ
１６ａ：シール面
１７：カソード側セパレータ
１７ａ：シール面
１８：酸化剤ガス流路
１９：冷却媒体流路
２０：治具
２１：接着剤

Claims (8)

1. 固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒の外部への漏洩及び混入を防止し、キュアード・インプレス・ガスケット法により成形される燃料電池用シール構造において、
   互いに重ね合わされる２つの部材のシール部位に、予め一方の部材に塗布されたシール材を接触させた状態で、加熱硬化して形成されたシールを備えることを特徴とする燃料電池用シール構造。
2. 前記シールの硬化時の積層方向の高さは、前記燃料電池の発電状態での積層方向のシールの高さより高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用シール構造。
3. 前記一方の部材及び前記他方の部材は、ＭＥＡとセパレータであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用シール構造。
4. 前記一方の部材及び前記他方の部材は、セパレータであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用シール構造。
5. 前記一方の部材のシールが塗布される面の表面粗さは、前記他方の部材のシールを塗布する面の表面粗さより粗いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池用シール構造。
6. 前記一方の部材または前記他方の部材の少なくとも一方のシールが塗布される面に、積層方向に凸状の突起を設け、この突起により前記一方の部材と前記他方の部材間の距離を設定することで、前記シールの圧縮率を調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池用シール構造。
7. 固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒の外部への漏洩及び混入を防止し、キュアード・イン・パレス・ガスケット法により成形される燃料電池用シールにおいて、
   シールされる一方の部材にシールを塗布し、
   塗布後、シールされる前記一方の部材と他方の部材の積層方向の間隔を、燃料電池発電時の間隔より大きく、かつ前記塗布したシールが前記他方の部材に接触する所定の間隔に配置し、
   前記一方の部材と前記他方の部材間の前記間隔を維持した状態で、前記シールを加熱硬化させ、シールされる前記部材同士を接合することを特徴とする燃料電池用シールの製造方法。
8. 前記所定の間隔は、治具を用いて配置することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用シールの製造方法。