JP2013500568A - ２重構造を有する金属分離板用ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】薄板型金属分離板の剛性及び気密性を向上できる２重構造を有する金属分離板用ガスケットを開示する。
【解決手段】本発明に係る２重構造を有する金属分離板用ガスケットは、チャンネル及びマニホールドを含む金属本体の前記チャンネル及び各マニホールドの枠領域に強化プラスチックや高硬度ゴムなどの材質で形成され、前記金属本体に剛性を付与する第１のガスケット；及び前記第１のガスケット上にゴムなどの材質で形成され、前記チャンネル及びマニホールドに気密性を付与する第２のガスケット；を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池金属分離板用ガスケットに関するもので、より詳細には、０.３ｍｍ以下の薄板型金属分離板の剛性及び気密性を向上できるように２重構造を有する金属分離板用ガスケットに関するものである。

燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）とは、燃料の酸化によって生じる化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電池であって、最近、化石燃料の枯渇問題、二酸化炭素の発生による温室効果と地球温暖化などの問題を克服するために太陽電池などと共に多くの研究がなされている。

燃料電池は、一般に、水素と酸素の酸化、還元反応を用いて化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。陰極では、水素が酸化されて水素イオンと電子に分離され、水素イオンは、電解質を通して陽極に移動する。このとき、電子は、回路を通して陽極に移動する。陽極では、水素イオン、電子及び酸素が反応して水になる還元反応が生じる。

燃料電池の単位セルは、電圧が低いことから実用性が低下するので、一般に、数個〜数百個の単位セルを積層して使用する。単位セルの積層時、それぞれの単位セル間の電気的接続を行い、反応ガスを分離させる役割をするものが分離板（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ）であって、通常、これを多数連結したものを燃料電池スタックという。

従来の燃料電池用分離板は、グラファイトを流路形態によってミーリング加工することによって製作した。この場合、グラファイト材質の分離板は、スタック全体で５０％の費用、８０％以上の重さを占めていた。したがって、グラファイト材質の分離板には高費用、大きな体積などの問題があった。

前記グラファイト材質の分離板の問題を克服するために、金属材質の金属分離板が開発されたが、金属分離板は、加工性が容易であり、製造単価を下げることができるなどの多くの長所を有する。

一般的な金属分離板の場合、矩形状に備えられる金属本体の中心部に反応ガスチャンネル及び冷却水チャンネルが形成され、各チャンネルの両側に反応ガスを流入及び流出させるための各マニホールドが形成される。チャンネル及び各マニホールドの周辺には、反応ガスの気密性を維持できるようにガスケットが形成される。

一方、最近、金属分離板の厚さが薄くなるにつれて、厚さ０.３ｍｍ以下の薄板型金属分離板に関する研究がなされているが、薄板型金属分離板の場合は剛性が弱い。

したがって、このような薄板型金属分離板の場合、金属分離板の製作時に金属本体、特に、マニホールド部分の変形が頻繁に発生し、金属分離板の製作過程でスプリングバック（ｓｐｒｉｎｇ ｂａｃｋ）現象が多く発生するという問題がある。

本発明の目的は、金属本体にガスケットを形成するとき、まず、強化プラスチックや高硬度ゴムなどの剛性を付与できる材質の第１のガスケットを形成することによって金属本体の剛性を確保し、続いて、ゴムなどの気密性を付与できる材質で第２のガスケットを形成することによって気密性を確保し、結果的に、厚さ０.３ｍｍ以下の薄板型金属分離板の場合にも剛性及び気密性を維持できる２重構造を有する金属分離板用ガスケットを提供することにある。

本発明の最終目的は、前記のような２重構造を有するガスケット構造により、金属分離板の製作時に金属本体を構成するチャンネルやマニホールドの変形を防止し、金属分離板の製作時のスプリングバック現象を低減させることにある。

前記目的を達成するための本発明の一実施例に係る２重構造を有する金属分離板用ガスケットは、チャンネル及びマニホールドを含む金属本体の前記チャンネル及び各マニホールドの枠領域に形成され、前記金属本体に剛性を付与する第１のガスケット；及び前記第１のガスケット上に形成され、前記チャンネル及びマニホールドに気密性を付与する第２のガスケット；を含むことを特徴とする。

本発明に係る２重構造を有する金属分離板用ガスケットは、金属本体のチャンネル及び各マニホールドの枠領域上に強化プラスチックやショアＡ硬度７０以上の高硬度ゴムなどで第１のガスケットを先に形成することによって、厚さ０.３ｍｍ以下の薄板型金属分離板の場合にも剛性を付与することができ、その後、ゴムなどの材質で第２のガスケットを形成することによって金属分離板に気密性を付与することができる。

したがって、本発明に係る２重構造を有するガスケットが適用された金属分離板は、金属本体に剛性を付与することができ、また、マニホールド部分の変形防止及びスプリングバックの低減効果も得ることができる。

本発明に係る２重構造を有する金属分離板用ガスケットの一実施例を概略的に示した図である。 金属分離板のチャンネル及び各マニホールドの枠に本発明に係る２重構造を有するガスケットが形成された状態を概略的に示した図である。 本発明に係る２重構造を有するガスケットが適用された燃料電池用金属分離板の例を示した平面図である。

以下、添付の各図面を参照して本発明に係る２重構造を有する金属分離板用ガスケットについて詳細に説明する。

このような過程で図面に示した各線の厚さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性と便宜上、誇張して図示する場合がある。

また、後述する各用語は本発明での機能を考慮して定義された用語であって、これは、使用者、運用者の意図又は慣例によって変わり得る。

したがって、これら各用語は、本明細書全般にわたった内容に基づいて定義しなければならないだろう。

図１は、本発明に係る２重構造を有する金属分離板用ガスケットの一実施例を概略的に示した図である。

図１を参照すると、チャンネル及びマニホールドを含む金属本体１１０の両面には２重にガスケット１２０、１３０が形成されている。

まず、金属本体１１０の両面には第１のガスケット１２０が形成されている。第１のガスケット１２０は、強化プラスチックや高硬度ゴムなどの剛性を付与できる材質で形成される。

このとき、強化プラスチックは、主に熱硬化性マトリックス樹脂に強度を付与するための補強材が添加されているもので、機械的強度と耐熱性に優れた特性を有するプラスチックである。

このような強化プラスチックを構成するマトリックス樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂などを単独に又は２種以上を混合して用いることができ、前記マトリックス樹脂に添加される補強材としては、ガラス繊維、炭素繊維及び芳香族ナイロン繊維などがあり得る。

また、高硬度ゴムは、一般的なゴム素材にカーボンブラック、シリカ、連続繊維などの添加剤を添加したものであって、硬化後にショアＡ硬度が７０以上で、耐衝撃性及び剛性を付与するようになる。

このような強化プラスチックや高硬度ゴムなどの剛性を付与できる素材で第１のガスケット１２０が先に形成されることによって金属本体１１０に剛性を付与できるようになり、これを通して、第２のガスケット１３０の形成過程や金属分離板の製作時における金属本体の変形を防止することができ、また、マニホールド部分の変形やスプリングバック現象などを低減できるようになる。

金属本体１１０はチャンネル及びマニホールドを含み、これらは、金属分離板の予め指定された領域に配置される。チャンネルは、反応ガスチャンネル及び冷却水チャンネルを含み、マニホールドは、反応ガス流入マニホールド、冷却水流入マニホールド、反応ガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールドなどを含むことができる。

このとき、第１のガスケット１２０は、上述したように、金属本体１１０、特に、厚さ０.３ｍｍ以下の薄板型金属本体に剛性を付与するためのものであって、軽くかつ高強度を有する強化プラスチックや高硬度ゴムなどからなり、射出成形やその他方法を通して形成することができる。

次に、第１のガスケット１２０の上部には第２のガスケット１３０が形成されている。第２のガスケット１３０は、チャンネルとマニホールドなどの気密性を確保するためのものであって、成形が容易なゴム材質で形成することができる。このような第２のガスケット１３０形成用のゴムとしてはシリコンゴムを挙げることができるが、これに制限されることはない。

このとき、第２のガスケット１３０は、金属本体１１０の気密性を高めるために、すなわち、チャンネル及びマニホールドの反応ガス及び冷却水を完全に気密状態にするために、図１に示したように、第１のガスケット１２０に厚さ方向に一部が埋め込まれている場合がある。これは、射出成形の例を挙げると、ゴム材質で第２のガスケット１３０を形成するための射出成形時に、第１のガスケット１２０の成形圧力より高く成形圧力を設定することによって達成することができる。

図２は、金属分離板のチャンネル及び各マニホールドの枠に本発明に係るガスケットが形成された状態を概略的に示した図である。

図２を参照すると、金属分離板は、チャンネル領域２１１及びマニホールド２１２ａ、２１２ｂが形成されている金属本体２１０と、前記金属本体２１０のチャンネル領域２１１に形成されるチャンネルと、前記金属本体２１０の複数のマニホールド２１２ａ、２１２ｂとを含む。チャンネル領域２１１に形成されるチャンネルは、反応ガスチャンネル及び冷却水チャンネルを含むことができ、複数のマニホールド２１２ａ、２１２ｂは、反応ガス流入マニホールド、冷却水流入マニホールド、反応ガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールドなどになり得る。

このとき、前記チャンネルと各マニホールドを取り囲む枠領域には第１のガスケット２２０が形成されており、前記第１のガスケット２２０の上部には第２のガスケット２３０が形成されている。もちろん、チャンネル及び各マニホールドの枠領域のみならず、金属分離板でシーリングが要求される部分がある場合、その部分にも第１のガスケットを形成することができる。

第１のガスケット２２０は、強化プラスチックや高硬度ゴムなどの剛性を付与できる素材で形成されている。第１のガスケット２２０は、射出成形やその他方法などでチャンネル及び各マニホールドの枠に形成され、第１のガスケット２２０を通して金属本体２１０に剛性を付与する。

したがって、強化プラスチックや高硬度ゴム材質などからなる第１のガスケット２２０が形成されることによって、金属分離板の薄板化傾向による厚さ０.３ｍｍ以下の金属本体にも十分な剛性を付与できるようになり、これによって、第２のガスケット２３０の形成時などにおける金属本体の変形を防止できるという効果がある。

第２のガスケット２３０は、ゴムのように気密性を付与できる材質で形成することができ、このようなゴムとしてはシリコンゴムなどがあり得る。第２のガスケット２３０は、射出成形方法などで第１のガスケット２２０の上部に形成され、第２のガスケット２３０を通して金属本体２１０、具体的にはチャンネル及び各マニホールドに気密性を付与する。

図２に示した第１のガスケット２２０及び第２のガスケット２３０の２重構造は多様な方法で形成することができ、代表的には２重射出成形を提示することができる。すなわち、強化プラスチックや高硬度ゴムなどで１次射出成形を行い、チャンネル及びマニホールドを含む金属本体に剛性を付与する第１のガスケットを形成した後、シリコンゴムなどで２次射出成形を行い、第１のガスケット上に金属本体に気密性を付与する第２のガスケットを形成する。

図３は、本発明に係る２重構造を有するガスケットが適用された燃料電池用金属分離板の例を示した平面図である。

図３を参照すると、金属分離板は、矩形状の金属本体３００を基準にして長さ方向の一側に第１の反応ガス流入マニホールド３２０、冷却水流入マニホールド３２４及び第２の反応ガス流入マニホールド３２８が形成されている。前記一側と対向する他側には、第１の反応ガス排出マニホールド３６０、冷却水排出マニホールド３６４及び第２の反応ガス排出マニホールド３６８が形成されている。金属本体３００の中心部には反応ガスチャンネル３４０及び冷却水チャンネル３４５が形成されている。ここで、図３では、矩形状の金属本体３００の長さ方向の一部を省略した。

反応ガスチャンネル３４０は、金属本体の第１の面から第２の面に突出する形態であって、プレス機械によるスタンピング工程で形成することができ、冷却水チャンネル３４５は、反応ガスチャンネル３４０の突出部分間に形成される。

次に、第１の反応ガス流入マニホールド３２０、冷却水流入マニホールド３２４及び第２の反応ガス流入マニホールド３２８は、一体化された高分子フレーム構造によって定義することができる。同様に、第１の反応ガス排出マニホールド３６０、冷却水排出マニホールド３６４及び第２の反応ガス排出マニホールド３６８も、一体化された高分子フレーム構造によって定義することができる。

このとき、第１の反応ガス流入マニホールド３２０、冷却水流入マニホールド３２４及び第２の反応ガス流入マニホールド３２８は、金属本体自体で最初から分割されたものでない場合がある。すなわち、金属本体自体は、一つのマニホールドに形成することができ、その後、マニホールドを形成するためのフレーム構造で第１の反応ガス流入マニホールド３２０及び冷却水流入マニホールド３２４を分割する一つの分割部３２２と、冷却水流入マニホールド３２４及び第２の反応ガス流入マニホールド３２８を分割する他の一つの分割部３２６を含むことによって複数のマニホールドに分割することができる。これは、第１の反応ガス排出マニホールド３６０、冷却水排出マニホールド３６４及び第２の反応ガス排出マニホールド３６８でも各分割部３６２、３６６を通して同様に適用することができる。

また、複数のマニホールド３２０、３２４、３２８、３６０、３６４、３６８と反応ガスチャンネル３４０との間の領域には、反応ガス流入ホール３３５及び反応ガス排出ホール３５０が形成される。

このような構造の金属分離板は、分割部３２２、３２６、３６２、３６６及び反応ガス流出入ホール３３５、３５０が金属本体に形成されるのでなく、マニホールドを形成するための高分子フレーム構造と一体化できるので、金属分離板全体の剛性及び気密性をより向上できるという長所を有し、このような金属分離板の特性向上を通して燃料電池の電池効率、寿命特性なども向上させることができる。

一方、反応ガスチャンネル３４０及び冷却水チャンネル３４５を含むチャンネルが形成されるチャンネル領域の４側面と複数のマニホールドの気密性を確保するためのガスケットが形成される。このとき、ガスケットは、チャンネル領域及び複数のマニホールドの枠を取り囲むように形成される第１のガスケット３３０及び前記第１のガスケット３３０上に形成される第２のガスケット３３１の２重構造で形成される。

第１のガスケット３３０は、強化プラスチックや高硬度ゴムなどで形成され、金属本体３００に剛性を付与する役割をし、第１のガスケット３３０上に形成される第２のガスケット３３１は、シリコンゴムなどの気密性を付与できる材質で形成され、チャンネル及び複数のマニホールドに気密性を付与する。このような第１のガスケット３３０及び第２のガスケット３３１は、上述したように二重射出やその他方法などを通して形成することができる。

図３に示した構造で形成される燃料電池用金属分離板は、複数が積層結合されて燃料電池スタックを形成するが、このとき、各金属分離板間の領域には電気生産のための膜―電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）が挿入される。ここで、図３に示した分離板の構造、特に２重ガスケット構造３３０、３３１は、各金属分離板間又は金属分離板と膜―電極接合体との間の気密性を向上させることができ、これによって安定的な反応ガスの供給及び排出を行うことができる。

ここで、第１の反応ガス流入マニホールド３２０及び第２の反応ガス流入マニホールド３２８は、金属本体３００の反応ガスチャンネル３４０に水素又は酸素などの反応ガスを供給する役割をする。このとき、第１の反応ガス流入マニホールド３２０を通して反応ガスチャンネル３４０に供給される第１の反応ガスが酸素である場合、第２の反応ガス流入マニホールド３２８を通して反応ガスチャンネル３４０に供給される第２の反応ガスは水素になり、反対に、第１の反応ガスが水素である場合、第２の反応ガスは酸素になる。

一方、冷却水流入マニホールド３２４を通して金属本体３００に流入した冷却水は、冷却水チャンネル３４５に沿って流れながら燃料電池の反応熱を冷却し、冷却水排出マニホールド３６４を通して金属本体３００の外部に排出される。

各反応ガス流入マニホールド３２０、３２８に流入した反応ガスは、反応ガスチャンネル３４０に誘導させ、金属本体３００の表面に沿って流して電極（図示せず）と反応させる。このとき、燃料電池スタックでは、前記金属本体３００と電極との間にガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ；ＧＤＬ）をさらに形成し、各反応ガスの流動をより容易にすることができる。

金属材質の金属本体３００は、燃料電池のスタック体積を減少させるために厚さ０.３ｍｍ以下の薄板型で形成することができ、この場合も、本発明に係る２重ガスケット構造、特に、強化プラスチックや高硬度ゴムなどの材質の第１のガスケット３３０を通して金属本体３００に剛性が付与され、金属本体３００の変形を最大限に防止することができ、また、マニホールド部分の変形防止及びスプリングバック低減などの効果を得ることができる。

本発明は、図面に示した実施例を参考にして説明したが、これは、例示的なものに過ぎなく、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解するだろう。

したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、下記の特許請求の範囲によって定めなければならないだろう。

Claims (8)

1. チャンネル及びマニホールドを含む金属本体の前記チャンネル及び各マニホールドの枠領域に形成され、前記金属本体に剛性を付与する第１のガスケット；及び
   前記第１のガスケット上に形成され、前記チャンネル及びマニホールドに気密性を付与する第２のガスケット；を含むことを特徴とする金属分離板用ガスケット。
2. 前記第１のガスケットは強化プラスチック又は高硬度ゴム材質で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の金属分離板用ガスケット。
3. 前記強化プラスチックは、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂から選択される少なくとも１種のマトリックス樹脂にガラス繊維、炭素繊維及び芳香族ナイロン繊維から選択される少なくとも１種の補強材が添加されているものであることを特徴とする、請求項２に記載の金属分離板用ガスケット。
4. 前記第２のガスケットはゴム材質で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の金属分離板用ガスケット。
5. 前記金属本体は０.３ｍｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の金属分離板用ガスケット。
6. 前記チャンネルは反応ガスチャンネル及び冷却水チャンネルを含み、
   前記マニホールドは反応ガスマニホールド及び冷却水マニホールドを含むことを特徴とする、請求項１に記載の金属分離板用ガスケット。
7. 前記第２のガスケットは、前記第１のガスケットに厚さ方向に一部が埋め込まれていることを特徴とする、請求項１に記載の金属分離板用ガスケット。
8. チャンネル及びマニホールドを含む金属本体に剛性を付与する第１のガスケットを形成すること；及び
   前記第１のガスケット上に前記金属本体に気密性を付与する第２のガスケットを形成すること；を含み、
   前記第１のガスケット及び第２のガスケットは射出成形によってそれぞれ形成されることを特徴とする金属分離板用ガスケット形成方法。
   

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