JP2009099424A - Gasket member and fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスケット部材及び燃料電池スタックに関し、受ける荷重の増大を抑制しつつ、横ずれによる影響を受け難いガスケット部材及び燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a gasket member and a fuel cell stack, and more particularly to a gasket member and a fuel cell stack that are less susceptible to lateral displacement while suppressing an increase in received load.
一般的に、固体高分子型燃料電池の単位セルは、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、その両面にそれぞれ積層されるセパレータとから構成される。 In general, a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell is composed of a membrane electrode assembly (MEA) and separators stacked on both sides of the membrane electrode assembly (MEA).
膜電極接合体は、Nafion(登録商標:デュポン社製)などの固体高分子電解質膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層及びガス拡散層から構成され酸化剤ガス(例えば、空気)が供給される空気極(カソード極)と、電解質膜の他面に配置された触媒層及びガス拡散層とから構成され燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給される燃料極(アノード極)とを有している。 The membrane electrode assembly is composed of an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte membrane such as Nafion (registered trademark: manufactured by DuPont), a catalyst layer and a gas diffusion layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an oxidant gas ( For example, a fuel electrode (for example, hydrogen gas) that includes an air electrode (cathode electrode) to which air is supplied and a catalyst layer and a gas diffusion layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane (for example, hydrogen gas) is supplied. Anode electrode).
セパレータは、導電性の材料から気密に成型され、膜電極接合体を間に挟んで積層された場合に、膜電極接合体における空気極側に空気室を形成し、燃料極側に燃料室を形成する。燃料電池スタックが構成される場合には、隣り合う単位セルはセパレータが共通とされている。 When the separator is hermetically molded from a conductive material and laminated with the membrane electrode assembly interposed therebetween, an air chamber is formed on the air electrode side of the membrane electrode assembly, and the fuel chamber is formed on the fuel electrode side. Form. When the fuel cell stack is configured, the separators are common to adjacent unit cells.
膜電極接合体とセパレータとを積層して燃料電池を構成した場合に、一対のセパレータ間のガスシール性は、一対のセパレータ間に介在されるガスケットにより確保される。かかる燃料電池用のガスケットとしては、例えば、特許文献1に記載されるガスケットを採用することができる。具体的には、特許文献1には、中央に突出する弾性体からなるリップ(シールリップ)とそのリップの両側に形成された弾性体からなる肩部とを有するシール構造体としてのガスケットが記載されている。 When a fuel cell is configured by laminating a membrane electrode assembly and a separator, the gas sealing property between the pair of separators is ensured by a gasket interposed between the pair of separators. As such a fuel cell gasket, for example, a gasket described in Patent Document 1 can be employed. Specifically, Patent Document 1 describes a gasket as a seal structure having a lip (seal lip) made of an elastic body protruding in the center and shoulder portions made of an elastic body formed on both sides of the lip. Has been.
特許文献1に記載されるタイプのガスケットは、リップがセパレータによって押圧されることにより変形してシール機能を発揮する。その一方で、かかるリップの両側に位置する肩部は、燃料電池スタックの締結によってガスケットが圧縮された場合にリップを側方から支持してリップ倒れを防止すると共に、1のセパレータを介して対向するリップ間に生じたある程度の位置ずれ(例えば、振動によって生じる横ずれ)を許容してシール性を確保する機能を果たす。
ところで、燃料電池スタックにおいて、ガスケット(シール構造体)にかかる荷重(締結荷重)は、膜電極接合体にかかる荷重に比べて低くされることが発電効率の点から望ましい。しかし、ガスケットにかかる荷重を低くする程、横ずれが生じ易くなる。 By the way, in the fuel cell stack, it is desirable from the viewpoint of power generation efficiency that the load (fastening load) applied to the gasket (sealing structure) is lower than the load applied to the membrane electrode assembly. However, the lower the load applied to the gasket, the easier it is to cause a lateral shift.
ここで、ガスケットが受ける荷重の低減は、例えば、肩部の幅を狭くすることによって達成可能である。しかし、その反面で、肩部の幅を狭める程、肩部としての機能が果たされなくなる。即ち、肩部の幅が狭まったことにより、リップに対する支持力が弱まってリップ倒れが生じ易くなると共に、横ずれに対する許容範囲が小さくなって横ずれ時にシール性を確保することが困難となる。 Here, reduction of the load which a gasket receives can be achieved by narrowing the width | variety of a shoulder part, for example. However, as the width of the shoulder is narrowed, the function as the shoulder is not performed. That is, as the width of the shoulder portion is narrowed, the supporting force with respect to the lip is weakened, and the lip falls easily, and the allowable range for the lateral displacement becomes small, and it becomes difficult to ensure the sealing performance at the lateral displacement.
このように、特許文献1に記載されるガスケットなど、従来のガスケットは、ガスケットが受ける荷重を低減させるにあたり、荷重の低減に伴って生じる解決すべき課題があった。 As described above, conventional gaskets such as the gasket described in Patent Document 1 have a problem to be solved that occurs with a reduction in load when reducing the load that the gasket receives.
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、受ける荷重の抑制と横ずれによる悪影響の回避とを両立し得るガスケット部材及び燃料電池スタックを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a gasket member and a fuel cell stack that can achieve both suppression of a load received and avoidance of an adverse effect due to lateral displacement.
この目的を達成するために、請求項1記載のガスケット部材は、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜の両面に積層された一対の電極層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に設けられ各電極層へ供給するガスの流路を有する一対のセパレータとを備えた燃料電池に用いられ、前記膜電極接合体と前記一対のセパレータとの間に配置されてガスシール性を確保するものであって、前記セパレータに当接して該セパレータからの圧力を受ける、弾性体から構成される肩部を備え、前記肩部における前記セパレータとの当接面が凹凸形状に構成されている。 In order to achieve this object, the gasket member according to claim 1 includes a membrane electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrode layers laminated on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the membrane. Used in a fuel cell including a pair of separators provided on both surfaces of an electrode assembly and having a gas flow path for supplying gas to each electrode layer, and disposed between the membrane electrode assembly and the pair of separators. A gas sealing property is ensured, comprising a shoulder portion made of an elastic body that comes into contact with the separator and receives pressure from the separator, and the contact surface of the shoulder portion with the separator is uneven. It is configured.
請求項2記載のガスケット部材は、請求項1記載のガスケット部材において、前記凹凸形状は、前記肩部における前記セパレータとの当接面に凹設された吸着構造である。 A gasket member according to a second aspect is the gasket member according to the first aspect, wherein the concave-convex shape is a suction structure recessed in a contact surface of the shoulder with the separator.
請求項3記載の燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜の両面に積層された一対の電極層とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に設けられ各電極層へ供給するガスの流路を有する一対のセパレータと、前記膜電極接合体と前記一対のセパレータとの間に配置される請求項1又は2に記載のガスケット部材と、を備えた燃料電池単位セルを、複数積層させて構成される。 The fuel cell stack according to claim 3 is provided on both sides of the membrane electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrode layers laminated on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. And a gasket member according to claim 1, wherein the gasket member is disposed between the membrane electrode assembly and the pair of separators. A plurality of fuel cell unit cells are stacked.
請求項1記載のガスケット部材によれば、弾性体から構成される肩部が、セパレータに当接して該セパレータからの圧力を受けるものであると共に、該セパレータとの当接面が凹凸形状に構成されている。 According to the gasket member of claim 1, the shoulder portion made of an elastic body is in contact with the separator and receives pressure from the separator, and the contact surface with the separator is formed in an uneven shape. Has been.
よって、肩部におけるセパレータとの当接面の静止摩擦係数μが増大するので、凹凸形状のない肩部と比較して横ずれが生じ難い。従って、ガスケット部材が受ける荷重を低減しても、ガスケット部材の横ずれを好適に抑制できる。 Therefore, since the static friction coefficient μ of the contact surface with the separator in the shoulder portion increases, it is difficult for lateral displacement to occur as compared with a shoulder portion having no uneven shape. Therefore, even if the load received by the gasket member is reduced, the lateral displacement of the gasket member can be suitably suppressed.
また、セパレータから受ける圧力を形成された凸部に分散できるので、つぶし代に対する荷重の変化が緩やかなものとなる。そのため、凹凸形状のない平坦な肩部と比較して、
肩部の幅を広く(又は、セパレータとの当接面の面積を大きく)しても荷重の制御がし易く、過度な荷重の付加を抑制できる。従って、肩部としての機能を十分に発揮し得る幅を肩部に持たせることができ、横ずれ時においてもシール性を好適に確保することができる。
In addition, since the pressure received from the separator can be distributed to the formed convex portions, the load changes with respect to the crushing margin. Therefore, compared to a flat shoulder with no uneven shape,
Even if the width of the shoulder portion is wide (or the area of the contact surface with the separator is increased), the load can be easily controlled, and an excessive load can be suppressed. Accordingly, the shoulder portion can have a width that can sufficiently exhibit the function as the shoulder portion, and the sealing performance can be suitably ensured even during lateral displacement.
以上のように、請求項1記載のガスケット部材によれば、肩部におけるセパレータとの当接面を凹凸形状に構成したことにより、横ずれによる悪影響を回避しつつ、受ける荷重を抑制できるという効果がある。 As described above, according to the gasket member of the first aspect, since the contact surface with the separator in the shoulder portion is configured to be uneven, there is an effect that the load received can be suppressed while avoiding the adverse effects due to the lateral displacement. is there.
請求項2記載のガスケット部材によれば、請求項1記載のガスケット部材の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。肩部におけるセパレータとの当接面に形成された凹凸形状が、該当接面に凹設された吸着構造であるので、負圧による吸着によって横ずれをより有効に防止できるという効果がある。 According to the gasket member of the second aspect, in addition to the effect produced by the gasket member according to the first aspect, the following effect is obtained. Since the uneven shape formed on the contact surface of the shoulder with the separator is a suction structure recessed in the corresponding contact surface, there is an effect that lateral displacement can be more effectively prevented by suction due to negative pressure.
請求項3記載の燃料電池スタックは、請求項1又は2に記載されるガスケット部材を用いるので、請求項1又は2に記載されるガスケット部材が奏する効果と同様の効果を奏する。 Since the fuel cell stack according to the third aspect uses the gasket member according to the first or second aspect, the fuel cell stack has the same effect as the gasket member according to the first or second aspect.
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。まず、図1から図5を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。図1は、燃料電池の単位セル10が複数積層された燃料電池スタック100の一部を示す分解斜視図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an exploded perspective view showing a part of a
図1に示すように、燃料電池スタック100は、内周側に膜電極接合体20が一体化されているガスケット部材40と、メタルセパレータ60とが交互に多数積層された構造(図1では、3枚のガスケット部材40と3枚のメタルセパレータ60のみを図示)を有する。なお、この燃料電池スタック100の積層方向の両端には、エンドプレート(図示せず)が配置されており、ボルト(図示せず)及びナット(図示せず)などを用いて両エンドプレートを締結することによって、交互に積層されるガスケット部材20及びメタルセパレータ60を加圧挟持している。
As shown in FIG. 1, the
ここで、燃料電池の単位セル10は、膜電極接合体20と、膜電極接合体20の外周側に配設されているガスケット部材40と、膜電極接合体20の両面側に位置するメタルセパレータ60とによって構成される。なお、図1に示すように、1のメタルセパレータ60は、隣接する単位セル10のセパレータとして共通に使用されている。
Here, the
膜電極接合体20は、Nafion(登録商標:デュポン社製)やAciplex(登録商標:旭化成(株)製)などの固体高分子電解質膜21(図2(c)参照)と、該固体高分子電解質膜の両面に各々積層されて接合された一対の電極層22,23(図2(c)参照)とから構成される。
The
膜電極接合体20における両電極層22,23は、どちらも、触媒層(図示せず)とガス拡散層(図示せず)とから構成され、触媒層の側が固体高分子電解質膜に接合されている。これらの電極層は、供給されるガスの種類に応じて、空気極(カソード極)又は燃料極(アノード極)とされる。なお、以下では、電極層22を空気極22とし、電極層23を燃料極23として説明する。
Both electrode layers 22 and 23 in the
なお、空気極22及び燃料極23における図示されないガス拡散層は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布などが使用される。 A gas diffusion layer (not shown) in the air electrode 22 and the fuel electrode 23 is composed of carbon woven fabric, carbon paper, or the like capable of gas diffusion. For example, carbon cloth, carbon paper, carbon fiber A nonwoven fabric made of or the like is used.
また、膜電極接合体20における図示されない触媒層としては、例えば、白金触媒が担持されたカーボンと電解質とを含んで構成された層を採用することができる。
In addition, as the catalyst layer (not shown) in the
次に、図2から図4を参照して、本実施形態のガスケット部材40について説明する。図2(a)は、内周側に膜電極接合体20が一体化されているガスケット部材40の一面側を模式的に示す斜視図であり、図2(b)は、図2(a)に示すガスケット部材40の裏面側を模式的に示す斜視図であり、図2(c)は、図2(a)のIIc−IIc線における断面図である。なお、図2(a)及び図2(c)では、図面の理解を容易にする目的で、シール構造体45,51の詳細な構成を省略して示している。
Next, the
図3(a)は、図2(a)において矢印IIIa方向から見た部分の正面図であり、図3(b)は、図3(a)のIIIb−IIIb線における断面図であり、図3(c)は、図2(a)において矢印IIIc方向から見た部分の正面図である。なお、図面の理解を容易にする目的で、図3(a)における肩部45b,45cに対し、並びに、図3(c)における肩部51b,51cに対してハッチングを施している。
3 (a) is a front view of the portion viewed from the direction of arrow IIIa in FIG. 2 (a), and FIG. 3 (b) is a cross-sectional view taken along line IIIb-IIIb in FIG. 3 (a). 3 (c) is a front view of a portion viewed from the direction of arrow IIIc in FIG. 2 (a). For the purpose of facilitating understanding of the drawing, hatching is applied to the
また、図4(a)は、シール構造体45,51を模式的に示す拡大断面図であり、図4(b)は、図4(a)におけるA部、即ち、肩部45c,51cの先端部の拡大図である。なお、図4(b)は、肩部45c,51cの先端部の拡大図であるが、肩部45b,51bの先端部も同様の形状である。
4A is an enlarged cross-sectional view schematically showing the
ガスケット部材40は、膜電極接合体20の外周側に配設されて、その両面にそれぞれ対向して配置される一対のメタルセパレータ60との間のガスシール性を確保するための部材である。このガスケット部材40は、ガスケット部材40の一面を構成する空気極ガスケット41と、他面を構成する燃料極ガスケット42とから構成される。空気極ガスケット41及び燃料極ガスケット42は、ゴムや樹脂などの絶縁性弾性体から構成されており、それぞれ、絶縁性弾性体を該当形状に射出成型することによって作製される。
The
ここで、各ガスケット41,42の一面側(互いに接着される側の面)には、補強板を兼ねる接着フィルムシート(図示せず)が配設されており、これらの接着フィルムシートを対向させて両ガスケット41,42を接着させることにより、ガスケット部材40が作製される。なお、空気極ガスケット41及び燃料極ガスケット42には、それぞれ、膜電極接合体20に応じた開口41a及び42aが形成されており、ガスケット部材40作製時には、空気極ガスケット41と燃料極ガスケット42との間に膜電極接合体20を介在させた上で接着させる。よって、膜電極接合体20が接着フィルムシート(図示せず)によって固定されて、その結果、ガスケット部材40は、その内周側に膜電極接合体20が一体化されたものとして得られる。
Here, an adhesive film sheet (not shown) that also serves as a reinforcing plate is disposed on one side of each
ガスケット部材40は、膜電極接合体20を挟む両端側に開口部43,44を有している。これらの開口部43,44は、燃料電池スタック100の積層方向(図2(a)における矢印Z方向又はその反対方向)に燃料ガス(例えば、水素ガス)を流通させる流路とされるものである。
The
かかる開口部43,44から空気極22や外界へ燃料ガスが漏洩することを防止するため、ガスケット部材40における空気極ガスケット41には、開口部43,44の周囲にシール構造体45が形成されている。
In order to prevent fuel gas from leaking from the
このシール構造体45は、シールリップ部45aと、断面視におけるシールリップ部45aの両側(即ち、シールリップ45aの内周側及び外周側)に位置する肩部45b,45cと、シールリップ部45aと肩部45bとの間に形成される溝部45dと、シールリップ部45aと肩部45cとの間に形成される溝部45eとから構成される。かかるシール構造体は、低荷重でのシール性を確保できるように低硬度(例えば、硬度40〜50度程度)の絶縁性弾性体から構成されている。
The
シールリップ部45aは、燃料電池スタック100の構成時(積層時)に対向するメタルセパレータ60から押圧されて変形し、そのメタルセパレータ60と密接することによってガスシール機能を発揮する部分である。肩部45b,45cは、後述する肩部51b,51cと共に、燃料電池スタック100の構成時(積層時)に一対のメタルセパレータ60の間隔を規定すると共に、シールリップ45aを側方から支持してリップ倒れを防止する機能を果たす。また、溝部45d,45eは、圧縮荷重によるシールリップ部45aの変形を許容するための絶縁性弾性体の逃げ部として機能する部分である。
The
より詳細には、シールリップ部45aは、ガスシール機能の長期耐久性に対する要求を満たすべく、図4(a)に示すような断面山形状や断面三角形状など、鋭利な先細の先端部を有していると共に、その高さが肩部45b,45cの高さより高くなる(即ち、先端部が肩部45b,45cより高い位置となる)ように構成されている。
More specifically, the
図4(a)に示すように、肩部45b,45cは、シールリップ部45aを所望の圧縮率に制御できる(即ち、シールリップ部45aを圧縮荷重に対して所望の高さに制御できる)よう、いずれもシールリップ部45aの高さより低く、互いに略同一の高さであるように構成されている。
As shown in FIG. 4A, the
また、肩部45b,45cの先端部が広幅とされているので、ガスケット部40の横ずれをある程度許容することができ、許容範囲内において横ずれによるシール性の低下を防止することができる。
In addition, since the front end portions of the
図4(b)に示すように、本実施形態のガスケット部材40において、幅広である肩部45cの先端部は、多数の突起状凸部81を有する凹凸形状に構成されている。なお、図示はしないが、肩部45bもまた、肩部45cと同様に、先端部が広幅であると共に、多数の突起状凸部81を有する凹凸形状に構成されている。
As shown in FIG. 4 (b), in the
ここで、図5を参照して、肩部45b,45cの先端部を凹凸形状としたことによる利点について説明する。図5(a)は、本実施形態において先端部を凹凸形状に構成した肩部45b,45cのつぶし代Sと、幅がTである肩部45b,45cにかかる荷重Fとの関係を示すグラフである。図5(b)は、比較例とする従来のガスケット部材の肩部、即ち、先端部が平坦に構成された肩部のつぶし代Sと、幅がTである肩部にかかる荷重Fとの関係を示すグラフである。
Here, with reference to FIG. 5, the advantage by making the front-end | tip part of the
図5(a)及び図5(b)に示すグラフの横軸は、肩部のつぶし代Sを示す軸であり、左から右へ向かうにつれてつぶし代Sが大きいことを示す。一方、縦軸は、肩部にかかる荷重Fを示す字句であり、下から上へ向かうにつれて肩部にかかる荷重が大きくなることを示す。なお、グラフに対する理解を容易にする目的で、各グラフの下方に、本実施形態のシール構造体45のイメージ(図5(a))と従来のシール構造体のイメージ(図5(b))とを付している。
The horizontal axes of the graphs shown in FIG. 5A and FIG. 5B are axes indicating the shoulder crushing margin S, and indicate that the crushing margin S increases from left to right. On the other hand, the vertical axis is a phrase indicating the load F applied to the shoulder, and indicates that the load applied to the shoulder increases from the bottom to the top. For the purpose of facilitating understanding of the graph, an image of the
図5(b)に示すように、肩部の先端部が平坦である場合には、つぶし代Sの増加に対する荷重Fの変化が急激であるのに対し、図5(a)に示すように、先端部が凹凸形状に構成された肩部45b,45cの場合には、つぶし代Sの増加に対して荷重Fは緩やかに変化する。
As shown in FIG. 5B, when the tip of the shoulder is flat, the change in the load F with respect to the increase in the crushing margin S is abrupt, whereas as shown in FIG. In the case of the
即ち、本実施形態のガスケット部材40におけるシール構造体45の肩部45b,45cは、先端部が多数の突起状凸部81を有する凹凸形状に構成されているので、メタルセパレータ60から受ける圧力(荷重)を各突起状凸部81に分散するでき、その結果として、つぶし代Sに対する荷重の変化を従来の平坦な肩部に比べて緩やかな変化とすることができる。
That is, the
よって、肩部への好適な荷重範囲をFa≦F≦Fbとしたとき、かかる好適な荷重範囲を達成するつぶし代Sの範囲が、先端部が平坦である肩部の場合にW2であるのに対して、先端部が凹凸形状に構成された本実施形態における肩部45b,45cの場合には、W2より広い範囲であるW1とされる。
Therefore, when the preferable load range to the shoulder portion is Fa ≦ F ≦ Fb, the range of the crushing margin S that achieves the preferable load range is W2 in the case of the shoulder portion having a flat tip portion. On the other hand, in the case of the
従って、本実施形態のガスケット部材40におけるシール構造体45は、先端部が平坦である肩部に比べて、肩部45b,45cの幅を広くしても荷重の制御をし易く、過度な荷重の付加を抑制することができるので、肩部としての機能を十分に発揮し得る幅を肩部45b,45cに持たせることができ、横ずれ時においてもシール性を好適に確保することが可能となる。
Accordingly, the
さらに、肩部45b,45cの先端部、即ち、メタルセパレータ60との当接面を凹凸形状に構成したことにより、かかる当接面の静止摩擦係数μが増大し、その結果、メタルセパレータ60との摩擦力が増加する。従って、本実施形態におけるガスケット部材40は、先端部が平坦である肩部を有する従来のガスケット部材に比べて、横ずれが生じ難い。よって、ガスケット部材40が受ける荷重を低減しても、ガスケット部材40の横ずれを好適に抑制できる。
In addition, since the tips of the
再度、図2から図4に戻って説明する。ガスケット部材40における空気極ガスケット41には、対向する2端辺46a,46b側の開放された凹部46が形成されている。この凹部46は、メタルセパレータ60を積層した場合に空気極側コレクタ63(図6(a)参照)を収容し、酸化剤ガスとしての空気が空気極22上を矢印X方向(又はその反対方向)に流通する空気室を形成する。
The description will be continued from FIG. 2 to FIG. 4 again. The
一方で、ガスケット部材40における燃料極ガスケット42の外周にはシール構造体51が形成されている。このシール構造体51は、燃料電池スタック100(又は単位セル10)から外界への燃料ガスの漏洩を防止するものである。
On the other hand, a
シール構造体51は、上述したシール構造体45と同様に、シールリップ部51aと、断面視におけるシールリップ部51aの両側(即ち、シールリップ45aの内周側及び外周側)に位置する肩部51b,51cと、シールリップ部51aと肩部51bとの間に形成される溝部51dと、シールリップ部51aと肩部51cとの間に形成される溝部51eとから構成される。
Similar to the
シールリップ部51aは、シールリップ45aと同様に、燃料電池スタック100の構成時(積層時)に対向するメタルセパレータ60から押圧されて変形し、そのメタルセパレータ60と密接することによってガスシール機能を発揮する部分であり、鋭利な先細の先端部を有していると共に、その高さが肩部51b,51cの高さより高くなるように構成されている。
Similar to the
肩部51b,51cは、上述した肩部45b,45cと共に、一対のメタルセパレータ60の間隔を規定する部分であり、その高さがシールリップ部51aの高さより低く、互いに略同一の高さであるように構成されている。また、肩部51b,51cは、肩部45b,45cと同様に、先端部が広幅であると共に、多数の突起状凸部81を有する凹凸形状に構成されている(図4(b)参照)。
The
よって、先端部が多数の突起状凸部81を有する凹凸形状に構成されている肩部51b,51cを有するシール構造体51は、上述したシール構造体45と同様の効果を奏する。即ち、メタルセパレータ60との当接面の静止摩擦係数μが増大するので、横ずれを生じ難くすることができると共に、荷重の制御をし易いので、肩部としての機能を十分に発揮し得る幅を肩部51b,51cに持たせることができ、横ずれ時においてもシール性を好適に確保することが可能となる。
Therefore, the
また、溝部51d,51eは、上述した溝部45d,45eと同様に、圧縮荷重によるシールリップ部51aの変形を許容するための絶縁性弾性体の逃げ部として機能する部分である。
Moreover, the
また、ガスケット部材40における燃料極ガスケット42には、凹部52が形成されている。この凹部52は、メタルセパレータ60を積層した場合に燃料極側コレクタ62(図6(b)参照)を収容し、燃料ガス(例えば、水素)が燃料極23上を矢印Y方向(又はその反対方向)に流通する燃料室を形成する。
A
次に、図6を参照して、本実施形態のメタルセパレータ60について説明する。図6(a)は、メタルセパレータ60の一面側を模式的に示す斜視図であり、図6(b)は、図6(a)に示すメタルセパレータ60の裏面側を模式的に示す斜視図であり、図6(c)は、図6(a)のVIc−VIc線における断面図である。
Next, the
メタルセパレータ60は、板状のセパレータ本体61と、セパレータ61の一面に設けられた燃料極側コレクタ62と、セパレータ61の他面に設けられた空気極側コレクタ63とから構成される。
The
セパレータ本体61は、隣接する単位セル10間のガス遮断部材として機能するものであり、導電性の薄板から構成され、ガスケット部材40の開口部43,44に対応する位置(即ち、積層した場合に開口部43,44と連通される位置)に、燃料ガスの流路となる開口部61a,61bが開口されている。なお、セパレータ本体61を構成する導電性の薄板としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキ等の耐腐食導電処理を施した薄板を使用できる。
The
燃料極側コレクタ62は、ガスケット部材40の凹部52a(図2参照)に収容されて膜電極接合体20における燃料極23側に接触して電極反応によって生じた電流を集電する集電体である。
The fuel
この燃料極側コレクタ62は、セパレータ本体61の一面側から同じ高さに立設され、開口部61aと開口部61bとの間に延びる導電性を有する複数本のリブ62aと、これらのリブ62aの先端に配設された多数の開口を有する導電性の板材(例えば、エキスパンドメタルやパンチングメタル等のメタル板材など)である集電部材62bとから構成される。そして、セパレータ本体61と隣接するリブ62aと集電部材62aとにより囲まれる空間62cが燃料ガス流路として機能する。
The fuel
一方で、空気極側コレクタ63は、ガスケット部材40の凹部46(図2参照)に収容されて膜電極接合体20における空気極22側に接触して電極反応によって生じた電流を集電する集電体である。
On the other hand, the air
この空気極側コレクタ63は、セパレータ本体61の他面側から同じ高さに立設され、リブ62aと略直交する方向に延びる導電性を有する複数本のリブ63aと、これらのリブ63aの先端に配設された多数の開口を有する導電性の板材(例えば、エキスパンドメタルやパンチングメタル等のメタル板材など)である集電部材63bとから構成される。そして、セパレータ本体61と隣接するリブ63aと集電部材63bとにより囲まれる空間63cが空気流路として機能する。なお、空気極側コレクタ63は、多数の開口を有する集電部材63bを有しているので、電極反応の結果として空気極22において生成された水を空間63c(空気流路)へ透過することができる。
The air
上述した燃料極側コレクタ62を構成するリブ62a及び集電部材62b、並びに、空気側コレクタ63を構成するリブ63a及び集電部材63bとしては、上述したセパレータ本体61として採用した材質、即ち、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキ等の耐腐食導電処理を施したものを使用できる。
As the
以上説明したように、この第1実施形態によれば、ガスケット部材40における肩部45b,45c,51b,51cの先端部、即ち、メタルセパレータ60との当接面となる部分を、多数の突起状凸部81を有する凹凸形状に構成したことにより、静止摩擦係数μの増加によって横ずれが防止されると共に、荷重が各突起状凸部81に分散されたことによって肩部の荷重制御が広幅においても容易となる。その結果、横ずれによる悪影響を回避しつつ、シール構造体45,51にかかる荷重を低く抑制することができる。
As described above, according to the first embodiment, the tip portions of the
次に、図7を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。図7(a)は、本発明における第2実施形態のシール構造体45,51を模式的に示す拡大断面図であり、図7(b)は、図7(a)におけるA部、即ち、肩部45c,51cの先端部の拡大図である。なお、図7(b)は、肩部45c,51cの先端部の拡大図であるが、肩部45b,51bの先端部も同様の形状である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Fig.7 (a) is an expanded sectional view which shows typically the sealing
上述した第1実施形態のシール構造体45,51の肩部45b,45c,51b,51cが幅広の先端部に多数の突起状凸部81を有する凹凸形状に構成されていたのに対し、この第2実施形態では、図7(b)に示すように、肩部45b,51b(肩部45c,51cも同様)の幅広の先端部に凹設された多数の凹部82を有する凹凸形状に構成されている。
Whereas the
これらの凹部82は、吸盤として機能する吸盤構造(吸着構造)として形成されている。即ち、シール構造体45,51がメタルセパレータ60によって押圧されると、凹部82は、その内部に生じた負圧によってメタルセパレータ60を吸着する。
These
よって、この第2実施形態のシール構造体45,51によれば、先端部が凹凸形状であることによる静止摩擦係数μの増大に加え、吸盤構造として凹設された凹部82による吸着効果によって、横ずれの発生を有効に抑制することができる。
Therefore, according to the
また、吸盤構造である凹部82がメタルセパレータ60を吸着できるので、ガスケット部材40とメタルセパレータ60とを位置決めした状態で保持可能であり、積層工程時における位置ずれを抑制できる。
Moreover, since the recessed
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。 As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. It can be guessed.
例えば、上記各実施形態では、シールリップ部45aの外周側及び内周側の両方に肩部45b,45cを設け、シールリップ部51aの外周側及び内周側の両方に肩部51b,51cを設けるように構成したが、肩部を、シールリップ部の外周側又は内周側のいずれか一方のみに設けるものとしてもよい。
For example, in each of the above embodiments, the
また、上記第1実施形態では、肩部45b,45c,51b,51cの先端部に形成される凹凸形状を、多数の突起状凸部81を有する凹凸形状とし、上記第2実施形態では、肩部45b,45c,51b,51cの先端部に形成される凹凸形状を、多数の凹部82を有する凹凸形状としたが、肩部の先端部に溝状の凹凸を形成する構成としてもよい。その際、溝の延びる方向としては、肩部の長手方向、短手方向(幅方向)、斜め方向のいずれでもよく、溝が上面視において直線状に延びていても、曲線状に延びていても、波状に延びていてもよい。
Moreover, in the said 1st Embodiment, the uneven | corrugated shape formed in the front-end | tip part of
10 単位セル
20 膜電極接合体
21 固体高分子電解質膜
22 空気極(一対の電極層の一部)
23 燃料極(一対の電極層の一部)
40 ガスケット部材
45a シールリップ部(シールリップ)
45b 肩部
45c 肩部
51a シールリップ部(シールリップ)
51b 肩部
51c 肩部
60 メタルセパレータ(セパレータ)
81 突起状凸部(凹凸形状の一部)
82 凹部(凹凸形状の一部、吸着構造)
100 燃料電池スタック
10
23 Fuel electrode (part of a pair of electrode layers)
40
81 Protruding convex part (part of irregular shape)
82 Concavity (part of uneven shape, adsorption structure)
100 Fuel cell stack
Claims (3)
前記セパレータに当接して該セパレータからの圧力を受ける、弾性体から構成される肩部を備え、
前記肩部における前記セパレータとの当接面が凹凸形状に構成されていることを特徴とするガスケット部材。 A membrane electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrode layers laminated on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a gas flow provided to each electrode layer provided on both sides of the membrane electrode assembly A gasket member that is used in a fuel cell including a pair of separators having a path and is disposed between the membrane electrode assembly and the pair of separators to ensure gas sealing properties,
A shoulder portion made of an elastic body that contacts the separator and receives pressure from the separator,
A gasket member, wherein a contact surface of the shoulder portion with the separator is formed in an uneven shape.
A membrane electrode assembly having a solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrode layers laminated on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a gas flow supplied to each electrode layer provided on both sides of the membrane electrode assembly A plurality of fuel cell unit cells each including a pair of separators having a path, and the gasket member according to claim 1 or 2 disposed between the membrane electrode assembly and the pair of separators. A fuel cell stack, characterized by comprising.
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