JP2009230876A

JP2009230876A - 燃料電池用シール構造およびその製造方法

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Publication number: JP2009230876A
Application number: JP2008071226A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kurano; 慶宏蔵野; Hidetoshi Saso; 秀寿佐宗
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: JP5310991B2

Abstract

【課題】反応ガスが発電エリアを経由せずにマニホールド入口からガスケット装着溝を経由してマニホールド出口へショートカットするのを抑制し、もって燃料電池の発電効率を向上させる。
【解決手段】ＭＥＡ１またはＭＥＡ１に重ねられるフレーム３に一体成形したゴム状弾性体製のガスケット４をセパレータ５に設けたガスケット装着溝６の内面に密接させることによりセル内部の反応ガスがセル外部へ漏洩するのを抑制する燃料電池用シール構造において、セル内部で反応ガスが装着溝６へ流入してショートカットすることがないよう装着溝６の側縁部にガス流入防止部８を設ける。ガス流入防止部８は、ＭＥＡ１またはフレーム３にガスケット４とともに一体成形した薄膜状シール９をＭＥＡ１またはフレーム３とセパレータ５とで挟み込むものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に係り、更に詳しくは、燃料電池セルにおけるシール構造に関するものである。

燃料電池セルは、その主な構成部品として、電解質膜および電極の組み合わせよりなる膜電極複合体（ＭＥＡ）、ガス拡散層（ＧＤＬ）、セパレータならびにガスケット等を有し、アノード側より水素等の燃料ガス、カソード側より空気等の酸化ガスを供給して発電する仕組みとなっている。構成部品の材質としては、セパレータにはカーボンや金属、ガスケットにはゴム等のエラストマー類や樹脂接着剤が使用されている。

また、燃料電池セルに組み込まれるシール構造には様々なタイプがあり、その一つとして、ＭＥＡまたはＭＥＡに重ねられるフレームに一体成形したゴム状弾性体製のガスケットをセパレータに設けたガスケット装着溝の内面に密接させることによりセル内部の反応ガスがセル外部へ漏洩するのを抑制するものがある。尚、このタイプでは、燃料電池に用いられるＭＥＡが数μｍ〜数十μｍ程度で非常に薄く変形しやすいことから、これを保護するとともにハンドリング性を向上させることを目的として、ガスケットを一体成形した樹脂フィルム等のフレームを発電エリアの外側に貼付する手法が常套的に用いられている（特許文献１〜２参照）。

しかしながら上記従来技術によると、燃料ガス等の反応ガスは本来、セルのマニホールド入口から発電エリアを経由して発電しつつマニホールド出口へ流れるべきところ、一部のガスが発電エリアを経由せずにマニホールド入口からガスケット装着溝を経由してマニホールド出口へショートカット（短絡）してしまうことがあり、このようなことがあるとショートカットするガスは発電作用にまったく寄与しないことから、発電効率のロスを生じている。このガスのショートカットはセパレータの材質が金属である場合に特に発生しやすく、これは金属セパレータではプレス加工で溝等の凹凸を形成するので、カーボンセパレータのようにガスケット装着溝を独立して精度良く作ることがむずかしく、よってガスがガスケット装着溝に回り込みやすいからである。

特許第３８２０８８３号公報特開２００３−５６７０４号公報

本発明は以上の点に鑑みて、反応ガスが発電エリアを経由せずにマニホールド入口からガスケット装着溝を経由してマニホールド出口へショートカットするのを抑制し、もって燃料電池の発電効率を向上させることができる燃料電池用シール構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１によるシール構造は、ＭＥＡまたは前記ＭＥＡに重ねられるフレームに一体成形したゴム状弾性体製のガスケットをセパレータに設けたガスケット装着溝の内面に密接させることによりセル内部の反応ガスがセル外部へ漏洩するのを抑制する燃料電池用シール構造において、前記セル内部で前記反応ガスが前記装着溝へ流入してショートカットすることがないように前記装着溝の側縁部にガス流入防止部を設け、前記ガス流入防止部は、前記ＭＥＡまたはフレームに前記ガスケットとともに一体成形した薄膜状シールを前記ＭＥＡまたはフレームと前記セパレータとで挟み込むことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２によるシール構造の製造方法は、上記した請求項１記載の燃料電池用シール構造を製造する方法であって、後（のち）に行なう打ち抜き加工によりフレームとされるプレート状素材に金型を用いてガスケットおよび薄膜状シールを一体成形する成形工程と、前記ガスケットおよび薄膜状シールを一体成形したプレート状素材を打ち抜き加工して前記フレームを成形する打ち抜き工程とを順次実施し、前記成形工程に際して、前記薄膜状シールをバリ状のものとして成形し、前記打ち抜き工程に際して、前記バリ状に成形した薄膜状シールをプレート状素材とともに打ち抜くことにより薄膜状シールに所定の平面形状を賦形することを特徴とするものである。

上記構成を有する本発明のシール構造においては、セル内部で反応ガスがガスケット装着溝へ流入してショートカットすることがないようガスケット装着溝の側縁部にガス流入防止部が設けられているために、このガス流入防止部によって反応ガスがガスケット装着溝へ流入するのが抑制される。したがってマニホールド入口からガスケット装着溝を経由してマニホールド出口へ流れるガスの流れを堰き止め、これによりショートカットを防止することが可能となる。ガス流入防止部は、ＭＥＡまたはフレームにガスケットとともに一体成形した薄膜状シールをＭＥＡまたはフレームとセパレータとで挟み込むことによりシール部とするものであって、ガスケット装着溝の内部ではなく側縁部においてショートカット流路を閉塞するものである。ガスケット装着溝の内部でショートカット流路を閉塞するにはガスケットの側面にリブを一体成形してこのリブを堰として装着溝内へ圧入することになるが、この手法によると装着溝およびリブの寸法精度上の都合によって過充填が発生し、これによりＭＥＡやセパレータに歪みが発生する虞があるところ、上記本発明の手法によれば、このような不都合が発生するのを未然に防止することが可能となる。

また、上記構成の本発明のシール構造を製造するには、後に行なう打ち抜き加工によりフレームとされるプレート状素材に金型を用いてガスケットおよび薄膜状シールを一体成形する成形工程と、このガスケットおよび薄膜状シールを一体成形したプレート状素材を打ち抜き加工してフレームを成形する打ち抜き工程とを順次実施し、このとき、成形工程に際して、薄膜状シールをバリ状のものとして成形し、次いで打ち抜き工程に際して、バリ状に成形した薄膜状シールをプレート状素材とともに打ち抜くことにより薄膜状シールに所定の平面形状を賦形する。このような手法によると、フレームと薄膜状シールの平面形状を揃えることができるばかりでなく、金型にエアーベントが積極的に設けられることから、成形品（ガスケット）にエアーが入る等の成形上の不都合が発生するのを未然に防止することが可能となる。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明のシール構造においては上記したように、セル内部で反応ガスがガスケット装着溝へ流入してショートカットすることがないようガスケット装着溝の側縁部にガス流入防止部が設けられているために、このガス流入防止部によって反応ガスがガスケット装着溝へ流入するのが抑制され、ショートカットが防止され、ガスはマニホールド入口から発電エリアを経由して発電しつつマニホールド出口へ流れることになる。したがって燃料電池の発電効率を向上させることができる。

また、本発明の製造方法においては上記したように、フレームと薄膜状シールの平面形状を揃えることができるばかりでなく、金型にエアーベントが設けられることから、エアー入り等の成形上の不都合が発生するのを未然に防止することができる。薄膜状シールはその名のとおり薄い膜状であるので、打ち抜き加工が困難化することもない。

本発明には、以下の実施形態が含まれる。

（１）燃料電池用ＭＥＡ一体シールには、ＭＥＡ端部にシール（ガスケット）を直接一体成形するタイプや、予め樹脂フィルム等の枠体（フレーム）にシールを一体成形してからこれをＭＥＡに貼り付けるタイプ等がある。いずれの場合もシール成形時に金型にて型締めを実施することから、型締め分のスペースが発電面とシールの間にできてしまい、セパレータプレートの溝と組み合わせた場合、燃料ガスのショートカットによるロスが問題となる。このショートカットを防止する方法として、シールリップの側面にショートカット防止のリブを設ける方法があるが、金型加工が難しく、またプレートの寸法精度との問題で上手く隙間を埋めるのが難しく、過充填になってしまう可能性がある。

（２）そこで、本発明では、ショートカットを防止する手段として、従来金型押えに使用していたエリアに積極的にバリを洩らすことにより薄膜をＭＥＡ端部表面またはフレーム表面に形成し、そこをセパレータプレートの溝の内周面（内周部）と接触させることによりシール部とし、燃料ガスが溝に回り込み難い構造を提案する。

（３）本発明に用いるゴム材料は、特に規定はないが、好ましくは、低粘度ゴム材料または液状ゴム材料とする。材料の種類としては、燃料電池の使用環境下に耐え得る、シリコーン、フッ素ゴム、ＥＰＤＭゴム、ブチルゴム等が候補として挙げられる。樹脂フィルム等のフレームに一体成形する場合は、自己接着性を有するゴム材料を用いるのが有効であり、自己接着性のない場合は、予め接着処理を施す必要がある。ＭＥＡに一体成形する場合は、ＭＥＡの耐熱性によって使用できるゴム材料は限定される。一般的に使用されるイオン交換膜は耐熱性が１５０度以下のレベルにあり、一般的なゴム材料は加硫温度が低過ぎて成形できないため、低温成形可能な液状ゴムにて対応することになる。液状ゴムを使用することで、ＭＥＡのＧＤＬ部への含浸も視野に入れた開発が可能となる。バリの状態の調整は、型締め力、射出圧、速度、温度の調整によりコントロールすることとなる。

（４）セパレータプレートの溝の内周面（内周部）とＭＥＡ上またはフレーム上の薄肉バリ（薄膜）との組み合わせとすることにより、溝内にリブを設けることなく燃料ガスのショートカットを防止することができる。また、成形時に問題となるエアーベントを積極的につけることとなり、エアー入りなどの成形不具合に対するロバスト性を向上させることができる。また、リブによる過圧縮や、プレートの変形などを防止することもできる。

つぎに本発明の実施例を説明するが、説明の便宜上、先ず比較例を説明する。

比較例・・・
図６は、比較例に係る燃料電池セルの要部断面を示しており、図７は図６における上側のセパレータ５を取り外した状態の同セルの全体平面を示している。図６は図７のＡ−Ａ線拡大断面となる。

図６の断面図において、符号１は、電解質膜（図示せず）の上下両面に電極（図示せず）を重ね合わせたＭＥＡ（膜電極複合体）を示しており、このＭＥＡ１の上下両面にそれぞれ平面中央（図では右側）に位置してＧＤＬ（ガス拡散層）２が重ねられるとともに、外周部（図では左側）に位置して図７に示す平面形状の樹脂フィルムよりなるフレーム（枠体）３が重ねられ、このフレーム３の平面上にそれぞれ図７に示す平面形状のゴム状弾性体よりなるガスケット４が一体成形されている。また符号５は、上記各構成部品を挟み込む上下一対のセパレータを示している。

図７に示すように、セルの平面上には、マニホールド入口１１、発電エリア（発電部）１２およびマニホールド出口１３が設けられており、矢印Ｂにて示すように燃料ガス等の反応ガスがマニホールド入口１１から発電エリア１２を経由して発電しつつマニホールド出口１３へ流れることになる。したがってこのように流れる反応ガスがセル外部へ漏れることがないよう、マニホールド入口１１、発電エリア１２およびマニホールド出口１３の周りにガスケット４が設けられている。またセルの平面上には、他のガスや冷却水等をセル厚み方向に通過させるための透孔部１４が所要数設けられているので、これらの周りにもガスケット４が設けられている。

図６に戻って、セパレータ５には、ガスケット４を収容するためのガスケット装着溝６が設けられており、またその内側（図では右側）に位置して発電エリア１２内で反応ガスを案内するための流路溝７が設けられている。ガスケット装着溝６はガスケット４の全部を収容するので、図７に示したガスケット４の平面形状と同じ平面形状にレイアウトされている。ガスケット４はこのガスケット装着溝６に装着されてその内面に密接し、これにより反応ガスがセル内部からセル外部へ漏洩するのを抑制する。

セパレータ５が金属によって成形される場合、上記したようにプレス加工の都合等で寸法誤差が生じやすいことから、セパレータ５とフレーム３との間に比較的大きな隙間Ｃが形成されることがある。隙間Ｃはセルの平面上随所に形成される。したがって発電エリア１２の流路溝７からガスケット装着溝６へ反応ガスが流入するので、当該比較例によると以下の不都合が生じることになる。

すなわち図７に示したように、反応ガスは本来、図上矢印Ｂにて示すようにマニホールド入口１１から発電エリア１２を経由して発電しつつマニホールド出口１３へと流れるべきところ、矢印ＣまたはＤにて示すように発電エリア１２を経由せずにマニホールド入口１１からガスケット装着溝６を経由してマニホールド出口１３へとショートカットしてしまうことがあり、このようなことがあると矢印ＣまたはＤのショートカット経路を流れる反応ガスは発電作用にまったく寄与しないことから、発電効率のロスを生じることになる。ショートカット経路を流れる反応ガスはガスケット装着溝６内を溝長手方向に沿って流れ、図６で云えば反応ガスはガスケット装着溝６内を紙面直交方向に流れることになる。

実施例・・・
そこで、本発明実施例に係るシール構造では、上記反応ガスのショートカットを抑制すべく図１および図２に示すように、ガスケット装着溝６の側縁部にガス流入防止部８を設け、これによりセル内部で反応ガスがガスケット装着溝６へ流入するのを抑制することにした。ガス流入防止部８は、フレーム３の平面上にガスケット４とともに一体成形した薄膜状シール９をフレーム３とセパレータ５とで挟み込むことにより上記間隙Ｃを閉塞するものである。

当該実施例において、ガスケット４は、所定の幅寸法および高さ寸法を有する台座状のガスケット基部４ａの幅方向中央にシールリップ４ｂを一体成形したもので、このシールリップ４ｂがガスケット装着溝６の内面すなわち溝底面に密接する。ガスケット４はガスケット装着溝６の幅方向中央に配置されるとともにガスケット基部４ａの幅寸法すなわちガスケット４の幅寸法はガスケット装着溝６の幅寸法よりも小さく設定されているので、ガスケット４はガスケット装着溝６の側面に届いていない。そこで、ガスケット４の側縁部に薄膜状シール９を一体成形し、これをフレーム３とセパレータ５との間に挟み込むことにしたものである。薄膜状シール９の厚み寸法は、ガスケット４の高さ寸法よりも随分と小さく設定され、ガスケット基部４ａの高さ寸法と比較しても随分と小さく設定されている。薄膜状シール９はガスケット４の全長に亙って設けられている。

上記構成のシール構造によれば、フレーム３とセパレータ５の間の間隙Ｃが薄膜状シール９によって閉塞されることから、セル内部で反応ガスがガスケット装着溝６へ流入することがない。したがってガスケット装着溝６を経由するショートカットを抑制することができる。

つぎに、上記シール構造の製造方法を説明すると、上記フレーム３、ガスケット４および薄膜状シール９は、以下の手順で製造する。

（１）成形工程
すなわち先ず、図３および図５（Ａ）に示すように、後に行なう打ち抜き加工によりフレーム３とされる樹脂プレートよりなるプレート状素材３Ａを用意し、このプレート状素材３Ａの一面にガスケット４を一体成形する。一体成形はガスケット成形用の金型（図示せず）を用いてガスケット４を成形するのと同時にガスケット４をプレート状素材３Ａに固着することにより行ない、金型にプレート状素材３Ａを挿入し、型締めし、成形材料を注入してガスケット４を成形・固着する。成形材料が自己接着性を有する場合は必要ないが、自己接着性を有さない場合には予め接着処理を施すことになる。

またこのとき、金型によりガスケット４の周りに万遍なく薄膜状シール９をバリ状のものとして一体成形する。薄膜状シール９はガスケット４と一体に成形され、プレート状素材３Ａに固着（被着）される。金型のパーティング部には薄膜状シール９が確実に成形されるよう金型およびプレート状素材３Ａ間に位置して間隙を設定する等の特別の構造を設けても良いが、成形材料として流動性の高い低粘度ゴム材料や液状ゴム材料を用いたり、型締め力、射出圧、射出速度、温度等を調整したりすることによってもバリ状のものは成形可能であるので、既存の金型設備をそのまま用いることも可能である。

（２）打ち抜き工程
次いで、上記ガスケット４および薄膜状シール９を一体成形したプレート状素材３Ａを打ち抜き型等を用いて打ち抜き加工し、これにより図４および図５（Ｂ）に示すフレーム３を成形する。打ち抜き加工されたフレーム３には、マニホールド入口１１、発電エリア１２、マニホールド出口１３となる各透孔部およびその他の透孔部１４が形成される。またこのとき、上記バリ状に成形した薄膜状シール９をプレート状素材３Ａとともに打ち抜き、これにより薄膜状シール９にフレーム３と同じ平面形状を賦形する。

尚、マニホールド入口１１と発電エリア１２の境界部１５および発電エリア１２とマニホールド出口１３の境界部１６はそれぞれ反応ガスの正規流路となるので、ここに薄膜状シール９を設ける必要はない。

上記手順の製造方法によれば、フレーム３と薄膜状シール９の平面形状を揃えることができるばかりでなく、ガスケット４および薄膜状シール９を一体成形することにより金型における薄膜状シール９成形部の末端部位にエアーベントが設けられることになる。したがってガスケット４にエアーが混入するのを未然に防止することができる。

上記実施例では、ガスケット４および薄膜状シール９をフレーム３上に一体成形したが、セルの構造によってはこれらをＭＥＡ１上に一体成形しても良い。また各断面図において、薄膜状シール９はガスケット４の内側（図上右側、セル内側）のみでなく外側（図上左側、セル外側）にも設けられているが、ガス流入防止部８はガスケット４の内側に設けられるので、薄膜状シール９は少なくともガスケット４の内側に設けられていれば良い。ガスケット装着溝６については、その外側の側面が省略された段差状のものであっても良い。

本発明の実施例に係るシール構造を有する燃料電池セルの組み立て前の状態を示す要部断面図同セルの組み立て後の状態を示す要部断面図同シール構造の製造工程の説明図であってフレーム打ち抜き前の状態を示す平面図同シール構造の製造工程の説明図であってフレーム打ち抜き後の状態を示す平面図（Ａ）は図３におけるＢ−Ｂ線拡大断面図、（Ｂ）は図４におけるＣ−Ｃ線拡大断面図比較例に係る燃料電池セルの要部断面図同セルの内部構造説明図

符号の説明

１ＭＥＡ
２ＧＤＬ
３フレーム
３Ａプレート状素材
４ガスケット
４ａガスケット基部
４ｂシールリップ
５セパレータ
６ガスケット装着溝
７流路溝
１１マニホールド入口
１２発電部
１３マニホールド出口
１４透孔部
１５，１６境界部

Claims

ＭＥＡまたは前記ＭＥＡに重ねられるフレームに一体成形したゴム状弾性体製のガスケットをセパレータに設けたガスケット装着溝の内面に密接させることによりセル内部の反応ガスがセル外部へ漏洩するのを抑制する燃料電池用シール構造において、
前記セル内部で前記反応ガスが前記装着溝へ流入してショートカットすることがないように前記装着溝の側縁部にガス流入防止部を設け、
前記ガス流入防止部は、前記ＭＥＡまたはフレームに前記ガスケットとともに一体成形した薄膜状シールを前記ＭＥＡまたはフレームと前記セパレータとで挟み込むことを特徴とする燃料電池用シール構造。
請求項１記載の燃料電池用シール構造を製造する方法であって、
後に行なう打ち抜き加工によりフレームとされるプレート状素材に金型を用いてガスケットおよび薄膜状シールを一体成形する成形工程と、前記ガスケットおよび薄膜状シールを一体成形したプレート状素材を打ち抜き加工して前記フレームを成形する打ち抜き工程とを順次実施し、
前記成形工程に際して、前記薄膜状シールをバリ状のものとして成形し、前記打ち抜き工程に際して、前記バリ状に成形した薄膜状シールをプレート状素材とともに打ち抜くことにより薄膜状シールに所定の平面形状を賦形することを特徴とする燃料電池用シール構造の製造方法。