JP2012195128A - Gasket for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、又は、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池用ガスケットおよび高分子電解質型燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell used for a portable power source, a power source for an electric vehicle, a domestic cogeneration system, or the like, and more particularly to a gasket for a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte and a polymer electrolyte fuel cell. .
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわち、アノードとカソードから構成される。これらの電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層を有する。このように高分子電解質膜と電極(ガス拡散層を含む)とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜電極接合体(以降、「MEA」とする。)と呼ぶ。 A fuel cell using a polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. This fuel cell basically includes a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, and a pair of electrodes formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, that is, an anode and a cathode. These electrodes are mainly composed of carbon powder supporting a platinum group metal catalyst, and have both a gas permeability and an electronic conductivity disposed on the outer surface of the catalyst layer formed on the surface of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. It has a gas diffusion layer. An assembly in which the polymer electrolyte membrane and the electrode (including the gas diffusion layer) are integrally joined together is called an electrolyte membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”).
また、MEAの両側には、MEAを機械的に挟み込んで固定すると共に、隣接するMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータがそれぞれ配置される。各セパレータにおいてMEAと接触する部分には、それぞれの電極に燃料ガス又は酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水又は余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。このようなガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面にそれぞれ溝を設けてそれぞれガス流路とする方式が一般的である。なお、このように、MEAが一対のセパレータにより挟み込まれた構造体を、「単電池モジュール」と言う。 In addition, on both sides of the MEA, conductive separators for mechanically sandwiching and fixing the MEAs and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series are disposed. In each separator, a gas flow path for supplying a reaction gas such as a fuel gas or an oxidant gas to each electrode and carrying away generated water or surplus gas is formed at a portion in contact with the MEA. Such a gas flow path can be provided separately from the separator, but a system in which a groove is provided on the surface of the separator to form a gas flow path is generally used. A structure in which the MEA is sandwiched between the pair of separators is referred to as a “single cell module”.
各セパレータとMEAとの間に形成されるガス流路への反応ガスの供給、ガス流路からの反応ガス、及び、生成水の排出は、一対のセパレータのうちの少なくとも1つのセパレータの縁部にマニホールド孔と呼ばれる貫通した孔をそれぞれ設け、それぞれのガス流路の出入り口をこれらのマニホールド孔にそれぞれ連通して、各マニホールド孔から各ガス流路に反応ガスを分配することによって行われる。 The supply of the reaction gas to the gas flow path formed between each separator and the MEA, the reaction gas from the gas flow path, and the discharge of the generated water are performed at the edge of at least one separator of the pair of separators. This is done by providing through holes called manifold holes, communicating the inlets and outlets of the respective gas flow paths with these manifold holes, and distributing the reaction gas from each manifold hole to each gas flow path.
また、ガス流路に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスが外部へリークしたり、2種類のガスが互いに混合したりしないように、MEAにおける電極が形成されている部分、すなわち、発電領域の外周を囲むように、一対のセパレータの間には、シール部材としてガスシール材又はガスケットが配置される。これらのガスシール材又はガスケットは、それぞれのマニホールド孔の周囲のシールをも行う。 Further, in order to prevent the fuel gas or oxidant gas supplied to the gas flow path from leaking to the outside or mixing the two kinds of gases with each other, the portion where the electrodes in the MEA are formed, that is, the power generation region A gas sealant or a gasket is disposed as a seal member between the pair of separators so as to surround the outer periphery. These gas seals or gaskets also provide a seal around each manifold hole.
燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、1〜3セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。これらのMEA、セパレータ、及び、冷却部を交互に重ねて行き、10〜200セル積層した後、これらのセルの各端部に集電板と絶縁板とを介して端板を配置し、一対の端板でこれらのセルを挟み、締結ボルト(ロッド)等で両端から固定するのが一般的な積層電池(燃料電池スタック)の構造である。締結方式については、各セパレータの縁部に形成された貫通孔を通し、締結ボルトで締め付ける方法、又は、積層電池全体を端板越しに金属のベルトで締め上げる方式が一般的である。 Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool the fuel cell with cooling water or the like in order to maintain the battery in a favorable temperature state. Usually, a cooling unit for flowing cooling water is provided for every 1 to 3 cells. These MEAs, separators, and cooling units are alternately stacked, and after stacking 10 to 200 cells, an end plate is disposed on each end of these cells via a current collector plate and an insulating plate. These cells are sandwiched between end plates and fixed from both ends with fastening bolts (rods) or the like in a general laminated battery (fuel cell stack) structure. As for the fastening method, a method of passing through a through hole formed in the edge of each separator and fastening with a fastening bolt, or a method of fastening the whole laminated battery with a metal belt over an end plate is common.
このような積層電池においては、単電池モジュールを面内(積層方向に直交する平面内)で均一な締結力で締め付け、シールを確実に行なうことが重要である。近年では安全性保証のために、可燃ガスと外気とを確実に分離することが可能な2重シールが要求されている。しかし、低コスト化のためにスタックの小型化及び省スペース化も要求されており、2重シールが要求される場合には、締結荷重が増大し、締結部材が複雑になり、スタック体積が増大することが一般的であるため、2重シールとスタックの小型化及び低締結力化の要求とは相反することになる。 In such a stacked battery, it is important that the unit cell module is fastened with a uniform fastening force in a plane (in a plane orthogonal to the stacking direction) and sealed securely. In recent years, in order to ensure safety, a double seal capable of reliably separating combustible gas and outside air is required. However, miniaturization and space saving of the stack are also required for cost reduction. When double seal is required, the fastening load increases, the fastening member becomes complicated, and the stack volume increases. Since it is common to do this, it conflicts with the requirements for the double seal and the miniaturization and low fastening force of the stack.
かかる燃料電池用のシールに関しては、特許文献1に記載の従来のシール断面図である図6に示すように、シール部の薄肉化、組立性の向上、位置ずれの防止、等が優れているという観点から、リップ201を1次リップ206と2次リップ207の2つから構成しシール性を確保したガスケットが考案されている。
With regard to such a seal for a fuel cell, as shown in FIG. 6 which is a cross-sectional view of a conventional seal described in Patent Document 1, it is excellent in reducing the thickness of the seal portion, improving assemblage, preventing misalignment, and the like. In view of the above, a gasket has been devised in which the
また、特許文献2では、シール性が良好で、反力を低く抑えることができると共に、ガスケットの倒れを防ぐことができるガスケットの一例として、図7に示す環状の内周両側つば部311と環状の外周両側つば部312とに連結された環状のシール部からなるガスケット303が提案されている。
Further, in Patent Document 2, as an example of a gasket that has a good sealing property, can keep the reaction force low, and can prevent the gasket from collapsing, an annular inner
しかしながら、上記従来の構成では、安全性保証のために可燃ガスと外気との2重シールが要求される場合には、前記した燃料電池用ガスケットはいずれも、スタックの小型化及び省スペース化と低締結圧化と、密閉すべき流体の圧力に耐えうる強度すなわちシール性の保持、シールの耐食性維持などの複数の課題解決を図ったものではない。 However, in the above-described conventional configuration, when a double seal of combustible gas and outside air is required for safety assurance, any of the above-described gaskets for fuel cells can reduce the size and space of the stack. It is not intended to solve a plurality of problems such as low fastening pressure, strength that can withstand the pressure of the fluid to be sealed, that is, maintaining the sealing property, and maintaining the corrosion resistance of the seal.
具体的には、特許文献1は、2重に確実なシール性を保持するには、リップが小さすぎるためにシール性が低くなり、特許文献2では、単純に2重シールにした場合はシールに必要な面積が大きくなるため、スタック体積及び締結圧が増大してしまう。また、可燃ガスと接触するシールに発生する応力が大きいと耐食性が低下してしまう。 Specifically, in Patent Document 1, the sealing performance is low because the lip is too small to maintain a reliable sealing performance in double, and in Patent Document 2, the sealing is performed when the double sealing is simply performed. Since the area required for the process increases, the stack volume and the fastening pressure increase. Moreover, if the stress generated in the seal in contact with the combustible gas is large, the corrosion resistance is lowered.
従って、本発明の目的は、上記従来の課題を解決するものであり、高分子電解質型燃料電池において、確実にシール性を保証可能な多重シール構造を提供し、同時に相反する要求であるスタックの小型化及び低締結力化、可燃ガスに対する耐食性の向上を実現することができる高分子電解質型燃料電池用ガスケットおよび高分子電解質型燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and in a polymer electrolyte fuel cell, provides a multiple seal structure capable of reliably ensuring sealing performance, and at the same time, a conflicting requirement of a stack. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell gasket and a polymer electrolyte fuel cell that can achieve downsizing, low fastening force, and improved corrosion resistance against combustible gas.
上述の目的を達成するために、本発明は、以下のように構成する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の第1態様にかかる高分子電解質型燃料電池用ガスケットは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の表裏両面の外周に配置されたシール部材と、前記膜電極接合体と前記シール部材を挟む一対のセパレータとを有する単電池モジュールが複数層積層されて積層体を構成し、前記積層体の両端に配置された一対の端板を介して締結部材により挟みつけて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
前記シール部材は、前記膜電極接合体の前記表裏両面の外周部に一体成形して構成され、
前記シール部材としては、シール性をそれぞれ備える2列のシールリップを面内平行に連続して設け、前記2列のシールリップのうち一つの可燃ガス側のシールリップが山形状を形成し、前記ガス側のシールリップと連続的に構成された前記可燃ガス側のシールリップの外側に位置した外気側シールリップが、少なくとも一つの山形状を有する多段の山形状を形成し、かつ、前記可燃ガス側シールリップのシール底辺から山形状部の頂点までの高さは、前記外気側シールリップのシール底辺から山形状部の頂点の高さよりも小さいことを特徴とする高分子電解質型燃料電池用ガスケットを提供する。
The gasket for a polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect of the present invention includes a membrane electrode assembly, a seal member disposed on both outer surfaces of the membrane electrode assembly, the membrane electrode assembly and the seal. A fuel assembled by laminating a plurality of unit cell modules having a pair of separators sandwiching a member to form a laminate, and sandwiched by a fastening member via a pair of end plates disposed at both ends of the laminate In a polymer electrolyte fuel cell comprising a battery stack,
The seal member is integrally formed on the outer peripheral portions of the front and back surfaces of the membrane electrode assembly,
As the seal member, two rows of seal lips each having sealing properties are continuously provided in parallel in a plane, and one of the two rows of seal lips has a mountain shape, and the flammable gas-side seal lip forms a mountain shape, An outside air-side seal lip located outside the combustible gas-side seal lip continuously formed with a gas-side seal lip forms a multi-stage mountain shape having at least one mountain shape, and the combustible gas A gasket for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that a height from the bottom of the side seal lip to the top of the mountain-shaped portion is smaller than a height from the bottom of the seal of the outside air seal lip to the top of the mountain-shaped portion I will provide a.
以上のように、本発明の高分子電解質型燃料電池ガスケットおよび高分子電解質型燃料電池によれば、確実にシール性を保証可能な多重シール構造を提供し、同時に相反する要求であるスタックの小型化及び低締結力化、可燃ガスに対する耐食性の向上を実現するシール構造を提供することができる。さらに、外気側シールリップが直接可燃ガスや水といった流体に接しないためにメインリップの耐久性向上を実現するシール構造を提供することができる。 As described above, according to the polymer electrolyte fuel cell gasket and the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, it is possible to provide a multiple seal structure capable of reliably ensuring the sealing performance, and at the same time to reduce the size of the stack which is a conflicting requirement. It is possible to provide a seal structure that realizes a reduction in the tightening force and an improvement in corrosion resistance against combustible gas. Furthermore, since the outside air-side seal lip does not directly come into contact with a fluid such as combustible gas or water, it is possible to provide a seal structure that can improve the durability of the main lip.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1実施形態にかかる高分子電解質形燃料電池(PEFC)の一例である燃料電池スタック30の構造を、一部を分解して模式的に示す斜視図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a part of a structure of a
図1に示すように、燃料電池スタック30は、その中心部に、単電池モジュール(セル)1を複数層積層させてセル積層体20が構成されている。なお、セル積層体20の両端部の最外層には、集電板2と、内面に弾性体の一例としての多数の内側バネ4を有する端板3とが配置されている。頭部7aに外側バネ5が嵌め込まれた4本の締結ボルト7が、セル積層体20の一方の端部から、端板3と集電板2とセル積層体20と集電板2と端板3とのそれぞれの角部のボルト孔6を貫通し、ナット8がねじ込まれて締結されるように構成されている。
As shown in FIG. 1, a
第1実施形態では、一例として、セル1は60個積層されてセル積層体20を構成し、締結部材の一例として、ボルト孔6に挿通される締結ボルト7とナット8とで締結されている。なお、締結部材は、締結ボルト7とナット8とで構成するものに限らず、締結バンドなど他の構成でも良い。
In the first embodiment, as an example, 60 cells 1 are stacked to form a
各集電板2は、セル積層体20の両外側にそれぞれ配置し、発電された電気を効率良く集電できるように、一例として、銅板に金メッキが施したものを使用している。なお、集電板2には、電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス鋼、又は、アルミニウム等を使用しても良い。また、各集電板2の表面処理には、スズメッキ、又は、ニッケルメッキ等を施してもよい。各集電板2の外側には、電気を絶縁するために電気絶縁性のある材料を用いた端板3を配置し、絶縁の役割も兼用させている。
Each current collector plate 2 is disposed on both outer sides of the
ここで、端板3には、一例として、ポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて射出成形で製作したものを使用している。端板3と一体となっている各配管3aは、セル積層体20の各マニホールドに、マニホールド用シール部材の一例として機能しかつマニホールド用貫通穴を有するガスケット(図示せず)を介して押し当てられて連通させて構成している。各端板3の内側には、セル1に荷重を加える前記多数の内側バネ4が、電解質膜電極接合体(以降、「MEA」とする。)9の投影部分、つまり、セル1の内側に、集中的に均等に配置され、締め付けた状態で例えば8.4kNの荷重がセル積層体20に加えられるように締め付け寸法が管理されている。
Here, as the end plate 3, for example, a material manufactured by injection molding using polyphenylene sulfide resin is used. Each pipe 3 a integrated with the end plate 3 is pressed against each manifold of the
外側バネ5は、各締結ボルト7の頭部7aと端板3の外面との間に配置されて、複数本の締結ボルト7と複数個のナット8で組立時に調整されて、例えば10kNで締結されている。
The outer spring 5 is disposed between the head 7a of each fastening bolt 7 and the outer surface of the end plate 3, and is adjusted at the time of assembly by a plurality of fastening bolts 7 and a plurality of
セル1は、表裏両面の周縁部にシール部材の一例としてのガスケット14をそれぞれ有するMEA9を一対の導電性のセパレータ10、具体的にはアノード側セパレータ10a及びカソード側セパレータ10cで挟み、さらに、一方のセパレータ例えばカソード側セパレータ10cの外側に冷却水セパレータ10wを配置して構成されている。各セパレータ10a,10c及びMEA9の周縁部には、燃料ガス、酸化剤ガス、及び、冷却水が流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、マニホールド孔11が穿たれている。
The cell 1 includes an
また、冷却水セパレータ10wには、燃料ガス、酸化剤ガス、及び、冷却水が流通する一対の貫通孔、すなわち、マニホールド孔11が穿たれている。複数個のセル1が積層されたセル積層体20の状態では、これらマニホールド孔11が積層されて互いに連通し、燃料ガス間にホールド、酸化剤ガスマニホールド、冷却水マニホールドをそれぞれ独立して形成している。
The cooling
MEAの本体部9aは、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、及び高分子電解質膜の周縁部より内側の部分の内外両面に形成された一対の電極層、すなわちアノードとカソードの電極層とより構成されている。電極層は、ガス拡散層と、ガス拡散層と高分子電解質膜との間に配置される触媒層とを有する積層構造を有している。
The MEA
アノード側セパレータ10a及びカソード側セパレータ10cは、平板状であって、MEA9と接触する側の面、すなわち内面は、MEAの本体部9aとガスケット14との形状にそれぞれ対応した形状を有するように構成している。アノード側セパレータ10a及びカソード側セパレータ10cのそれぞれには、一例として、東海カーボン株式会社製グラッシーカーボン(厚さ3mm)を用いることができる。各セパレータ10a,10c,10Wでは、各種マニホールド孔及びボルト孔6が該各セパレータ10a,10c,10wを厚み方向に貫通している。
The anode-
また、各セパレータ10a,10c,10wの内面には、燃料ガス流路溝12aと酸化剤ガス流路溝116cとがそれぞれ形成され、セパレータ10wの内面(カソード側セパレータ10c側の面)には冷却水流路溝12wが形成されている。各種マニホールド孔と、ボルト孔6と、燃料ガス流路溝12aと、酸化剤ガス流路溝116cと、冷却水流路溝等12wとは、切削加工あるいは成形加工によりそれぞれ形成されている。
In addition, a fuel
MEA9の表面と裏面とにそれぞれ配置されたガスケット14は、弾性体で構成されたシール部材であり、MEA9と一体形成され、MEA9とセパレータ10a,10cとの押圧によって、セパレータ10a,10cの内面の形状に応じてガスケット14は変形し、MEAの本体部9aの外周及びマニホールド孔11の外周がガスケット14でシールされている。アノード側セパレータ10a及びカソード側セパレータ10cのMEA9と反対側の背面(外面)には、各種マニホールド孔11の周囲に、耐熱性の材質からなるスクイーズパッキン等の一般的なシール部材(図示せず)が配設されている。このパッキンなどのシール部材によって、隣接するセル1間において、各種マニホールド孔11のセル1間の連接部からの燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水のそれぞれの漏出が防止される。
The
ここで、図2に、前記第1実施形態における燃料電池スタック30のMEA9のより具体的な構造の平面図を示す。
Here, FIG. 2 shows a plan view of a more specific structure of the
同図において、MEA9の外周部に枠体13が成形され、MEAの本体部9a及びマニホールド孔11の外周にガスケット14を成形して配置している。MEAの本体部9aと枠体13と、ガスケット14との部分断面A−Aを図3(b)に示す。図3(a)には、従来例のMEA109において同様な部分で切断したときのガスケット構造の部分断面図、図3(b)に前記第1実施形態のガスケット14の構造の部分断面図を示す。
In the figure, a
図3(a)及び図3(b)において、MEA109及びMEA9の外周に、樹脂から成る枠体113及び枠体13を成形により設け、枠体113および枠体13上の上下面にガスケット114およびガスケット14を一体成形している。ここで、従来例と上述の第1の実施形態とでは、枠体113および枠体13の上下面に成形されたガスケット114−1およびガスケット14−1とガスケット114−2,および、ガスケット14−2はそれぞれ上下で同じ断面形状を持っている。
3 (a) and 3 (b), a
上述の第1実施形態では、枠体13の上下面に成形されたガスケット14−1とガスケット14−2はそれぞれ上下で同じ断面形状を持つものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図3(b)のMEA9の上下内部に流れる流体の種類、温度、又は、圧力条件などによっては、上面を従来例のガスケット形状とする一方、下面のみを前記第1実施形態のガスケット14の形状としてもよい。より具体的には、例えば、上面を冷却水のみが流れる場合には、上面を従来のガスケット114によるシールとすることが好ましく、下面を可燃ガス又は酸化剤ガスが流れる場合には、前記第1実施形態の多重シールのガスケット14を採用すると、上面よりも厳格なシール性が要求される下面において、前記第1実施形態にかかる顕著な効果を発揮することができる。
In the first embodiment described above, the gasket 14-1 and the gasket 14-2 formed on the upper and lower surfaces of the
一例として、枠体13としてはグラスファイバー添加ポリプロピレン、ガスケット14としてはオレフィン系熱可塑性エラストマの一種を使用することができる。ガスケット材料として、熱硬化樹脂は成形時の流動性が非常に高く、MEA9の電極にまで含浸してしまうため、熱可塑性樹脂の方が好ましい。また、枠体13とガスケット14のそれぞれは、接着性を材料自体が有するものを使用すると、更にシール性は向上する。
As an example, a glass fiber-added polypropylene can be used as the
図3(a)は、従来のガスケット114の構造を示した部分断面図であり、シールリップ114aは1段の山形状の構造となっている。また、図3(b)は、上述の第1実施形態のシール構造を示した部分断面図である。上下のガスケット14−1と14−2は同じ形状をしているため、上側のガスケット14−1を代表例として、以下、説明する。
FIG. 3A is a partial cross-sectional view showing the structure of a
枠体13に一体成形されたガスケット14−1は、MEAの本体部9aの外形である四角形の各辺と並列にMEA9の面内で平行して2列連続した、四角形枠形状の可燃ガス側の第1シールリップ15と四角形枠形状の第2シールリップ16とで構成し、第1シールリップ15は図3(b)の上下方向(厚み方向)に1段の山形状で構成し、第2シールリップ16は図3(b)の上下方向(厚み方向)に少なくとも2段の山形状で構成している。
The gasket 14-1 formed integrally with the
より詳細には、ガスケット14−1は、図3(b)の断面図において、可燃ガス側(図3(b)の左側)に配置された第1シールリップ15が、枠体13の表面から隆起した第1段目の第1上側山形状部15aから構成されている。また、MEAの本体部9a側(図3(b)の右側)に配置された第2シールリップ16は、枠体13の表面から隆起した第1段目の第2下側山形状部16aと、第2下側山形状部16aの頂点としての第2下側頂点16bと、第2下側山形状部16aの第2下側頂点16bの付近からさらに隆起した第2段目の第2上側山形状部16cと、第2上側山形状部16cの頂点としての第2リップシール頂点16dとで形成されている。平面的に見ても、第2上側山形状部16cの底面部分の曲率半径は、第2下側山形状部16aの第2下側頂点16bの付近の曲率半径よりも小さくして、第2上側山形状部16cと第2下側山形状部16aとのつなぎ目で段部が形成されるようにしている。
More specifically, the gasket 14-1 has a
第1シールリップ15の高さH1は、第2シールリップ16の高さH2より低くなるように設定する。そして、さらに、第1上側山形状部15aの底部と第2下側山形状部16aの底部とが一体となって連続部14pを形成して、第1シールリップ15及び第2シールリップ16間が連続した形状となるようにしている。第1シールリップ15及び第2シールリップ16間の連続部14pの高さH3は、枠体13からスタック組立後のセパレータ保持位置までの高さH4よりも低く設定している。
The height H1 of the
図4(a)〜(d)は、本発明の上述の第1実施形態のように構成したガスケット14−1、14−2がセパレータ10cとの押圧によって、セパレータ10a,10cの内面の形状に応じてガスケット14―1が変形して行く様子を示す図である。
4A to 4D show the shapes of the inner surfaces of the
スタック組立時にセパレータ10a,10cに、最初に、第2上側山形状部16cが接触して(図4(b))、容易にかつ大きく弾性変形することができる変形容易部として第2上側山形状部16cが機能するようにしている。更にセパレータ10a,10cが押圧され第1上側山形状部15aが接触する(図4(c))。第2上側山形状部16cが変形容易部として大きく弾性変形したのち、第2下側山形状部16aの頂点の部分が変形してセパレータ10a,10cとの間でのシール面積を拡大させるシール面積拡大部として第2下側山形状部16aが機能する(図4(c))。
When the stack is assembled, first, the second upper mountain-shaped portion 16c comes into contact with the
この結果、スタック組立の際の締付荷重負荷時に、第1シールリップ15及び第2シールリップ16の頂点がセパレータ10a又は10cの対向面に対して安定して接触して弾性変形を開始することになり、スタック30の小型化及び単電池モジュール1の薄型化を確実に実現することができる(図4(d))。加えて、ガスケット14−1(14−2)に発生する応力分布については、第1シールリップ15の第1上側山形状部15aに発生する応力σ9は、通常ガス圧より高く、第2シールリップ16の第2上側山形状部16cに発生する応力σ1より小さくなる。更に、σ1はシール材料の許容応力より低くすると良い。第1シールリップ15及び第2シールリップ16が、それぞれセパレータ10a又は10cの対向面に接触してシール性を発揮することにより、第1シールリップ15は通常運転時の低負荷耐圧時にシール性を発揮し、第2シールリップ16は異常運転時の高負荷耐圧時にシール性を発揮するように、機能性をもたせることによってより効果的にシール性の保証可能な2重シール構造を提供することができる。
As a result, when a tightening load is applied during stack assembly, the apexes of the
よって、従来よりもシール性が向上するために、従来例よりもシール高さを低くすることができ、反力を小さくすることができるという効果も発揮される。また、枠体13とガスケット14の材料として互いに接着性の無いものをそれぞれ使用した場合には、枠体13のガスケット14を成形させる部分の表面の表面粗さを粗くしたりすると、シール性の向上に効果がある。ガスケット14は、合成ゴム、EPDM、又は、シリコーンなどの樹脂材料でも形成することができる。
Therefore, since the sealing performance is improved as compared with the conventional case, the effect that the seal height can be made lower than that of the conventional example and the reaction force can be reduced is also exhibited. Further, when materials having no adhesiveness are used as the materials of the
図3(c)は図3(a)の従来のガスケット形状で2重シールにした場合に発生するリップシール頂点114rの応力20と、図3(b)の本発明の上述の第1実施形態のガスケット形状の場合に発生する第1リップシール頂点15dの応力21、第2リップシール頂点16dに発生する応力22を比較したシミュレーション結果を示す図である。
FIG. 3 (c) shows the
同図において、縦軸はシールリップ頂点に発生する応力を表し、横軸はガスケットが押圧されたときの圧縮率を表している。シミュレーションは、米国SIMULIA社の有限要素法を使った汎用構造解析ソフトABAQUSで実施した。本発明の上述の第1実施形態のガスケット14の形状では、第1リップシールと第2リップシールに機能性を持たせることにより、第1リップシールに発生する応力21を従来例より約64%低減することができる。その結果、ガスケット114を2個並列させて構成された2重シール構造と比較して、単電池モジュール1においてガスケット14の占有面積が少なくて済むため、省スペースが可能となり、スタック30の小型化及び低締結力化、さらには第1リップシール反力の低応力化により、可燃ガスによるゴムの劣化が少なく耐久性の向上を実現することが可能である。
In the figure, the vertical axis represents the stress generated at the apex of the seal lip, and the horizontal axis represents the compression ratio when the gasket is pressed. The simulation was performed with general-purpose structural analysis software ABAQUS using the finite element method of SIMULIA, USA. In the shape of the
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するように、その他の態様で実施できる。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement in another aspect so that it may illustrate below.
(実施の形態2)
図5は、本発明の第2実施形態のシール構造の部分断面図を示している。
(Embodiment 2)
FIG. 5 shows a partial cross-sectional view of the seal structure of the second embodiment of the present invention.
このガスケット14は、第2シールリップ16の両側に、それぞれ第1シールリップ15を構成し、第2シールリップ16の高さをH2、第1リップシールの高さをH1とし、その関係がH1<H2である。同じもしくは異なる流体がそれぞれ直接第1リップシールに接することがないため、可燃ガスなどの流体に対する耐久性の向上を実現することが可能である。
The
なお、図5では、2つの第1リップシール高さを等しくしているが、これに限定することなく2つのリップシール高さを異なる高さとしてもよい。 In FIG. 5, the two first lip seal heights are made equal, but the two lip seal heights may be different from each other without being limited to this.
本発明の高分子電解質型燃料電池用ガスケットは、ポータブル電源、電気自動車用電源、又は、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池用ガスケットとして有用である。 The gasket for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is useful as a gasket for a fuel cell used for a portable power source, an electric vehicle power source, a home cogeneration system, or the like.
9,109 MEA
9a MEAの本体部
13,113 枠体
14,114,114−1,114−2,303 ガスケット
14−1 枠体13上面のガスケット
14−2 枠体13下面のガスケット
14p 連続部
15 第1シールリップ
15a 第1上側山形状部
15d 第1リップシール頂点
16 第2シールリップ
16a 第2下側山形状部
16b 第2下側頂点
16c 第2上側山形状部
16d 第2リップシール頂点
9,109 MEA
9a MEA
Claims (3)
前記2列のシールリップのうち一方のシールリップは山形状をなし、他方のシールリップは、少なくとも一つの山形状を有する多段の山形状にて構成され、
かつ、前記一方のシールリップのシール底辺から山形状部の頂点までの高さは、前記他方のシールリップのシール底辺から山形状部の頂点の高さよりも小さいこと、
を特徴とする高分子電解質型燃料電池用ガスケット。 Two rows of seal lips are provided continuously in parallel in the plane,
Of the two rows of seal lips, one seal lip has a mountain shape, and the other seal lip has a multi-stage mountain shape having at least one mountain shape,
And the height from the seal bottom of the one seal lip to the top of the mountain-shaped portion is smaller than the height of the top of the mountain-shaped portion from the seal bottom of the other seal lip,
A polymer electrolyte type fuel cell gasket.
前記膜電極接合体の少なくとも片面の外周に配置されたシール部材と、
前記膜電極接合体と前記シール部材とを挟む一対のセパレータと、
を有する単電池モジュールが複数積層されて積層体を構成し、前記積層体の両端に配置された一対の端板を介して締結部材により挟みつけて組み立てられた燃料電池スタックを備える高分子電解質型燃料電池において、
前記シール部材は、前記膜電極接合体の少なくとも片面の外周部に一体成形して構成され、かつ、シール性をそれぞれ備える2列のシールリップを面内平行に連続して設けられ、前記2列のシールリップのうち一つの可燃ガス側シールリップは山形状をなし、外気側シールリップは、少なくとも一つの山形状を有する多段の山形状にて構成され、
前記可燃ガス側シールリップのシール底辺から山形状部の頂点までの高さは、前記外気側シールリップのシール底辺から山形状部の頂点の高さよりも小さいこと、
を特徴とする高分子電解質型燃料。 A membrane electrode assembly;
A seal member disposed on the outer periphery of at least one surface of the membrane electrode assembly;
A pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly and the seal member;
A polymer electrolyte type comprising a fuel cell stack that is assembled by laminating a plurality of unit cell modules having a structure to form a laminated body and sandwiched by a fastening member via a pair of end plates disposed at both ends of the laminated body In fuel cells,
The seal member is integrally formed on an outer peripheral portion of at least one side of the membrane electrode assembly, and two rows of seal lips each having a sealing property are continuously provided in parallel in the plane, and the two rows Among the seal lips, one combustible gas side seal lip has a mountain shape, and the outside air side seal lip is constituted by a multi-stage mountain shape having at least one mountain shape,
The height from the bottom of the flammable gas side seal lip to the top of the mountain-shaped portion is smaller than the height of the top of the mountain-shaped portion from the bottom of the seal on the outside air side seal lip,
A polymer electrolyte fuel characterized by
流体側シールリップの枠体から山形状部の頂点までの高さをH1とし、
前記流体側シールリップの次に配置されているシールリップの枠体から山形状部の頂点の高さH2とし、
前記シールリップの次に配置されている流体側シールリップの枠体から山形状部の頂点までの高さをH3とするとき、
前記高さH1,H2及びH3の相関関係は、
H1<H2、かつ、H3<H2を満足するよう形成されており、
前記3列のシールリップ間の部分の高さは、前記膜電極接合体の表裏各面の前記セパレータで前記2列のシールリップを締め付ける高さより低く形成されている、
請求項2記載の高分子電解質型燃料電池用ガスケット。 The seal member is provided with three rows of seal lips each provided with a sealing property in parallel in a plane,
H 1 is the height from the fluid side seal lip frame to the peak of the mountain-shaped part,
The height H 2 of the apex of the mountain-shaped portion from the seal lip frame disposed next to the fluid side seal lip,
When the height from the frame body of the fluid side seal lip disposed next to the seal lip to the apex of the mountain-shaped portion is H 3 ,
The correlation between the heights H 1 , H 2 and H 3 is
H 1 <H 2 and H 3 <H 2 are satisfied,
The height of the portion between the three rows of seal lips is formed to be lower than the height at which the two rows of seal lips are tightened by the separators on the front and back surfaces of the membrane electrode assembly.
The gasket for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 2.
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