JP2015097154A - 燃料電池用ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料を燃料側電極に直接供給する直接燃料供給型であって、ガスケット本体をガス拡散層に一体化した構造を備える電極触媒材料として貴金属（白金）を全く使用しない貴金属フリー液体燃料電池用ガスケットにおいて、積層の際に各ガスケット間の位置ずれが生じるのを防止する。
【解決手段】貴金属フリー液体燃料電池に用いられるガスケットであって、燃料電池セルにおける膜−電極複合体１のアノード側及びカソード側のそれぞれに配置されるガス拡散層２，３に、ガスケット本体６，７が一体に成形されており、アノード側及びカソード側のうち一方のガス拡散層２に成形されたガスケット本体６に、他方のガス拡散層３に成形されたガスケット本体７の外周端部７１ａと嵌合又は遊嵌可能な段差面６５を形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体燃料を燃料側電極に直接供給する直接燃料供給型であって、電極触媒材料として貴金属（白金）を全く使用しない貴金属フリー液体燃料電池におけるスタックの各燃料電池セル間に形成される流路をシールするためのガスケットと、前記燃料電池セルの発電体における厚さ方向両側のガス拡散層（以下、ＧＤＬと略称する（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer））が一体化されたガスケットに関するものである。

従来、車両に搭載する燃料電池として、液体燃料を直接供給する直接液体燃料形燃料電池の開発が進められており、例えば、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）などが知られている。そしてこの種の燃料電池の基本構造は、電解質膜（イオン交換膜）の両面に負極層（アノード）及び正極層（カソード）を設けた膜−電極複合体（以下、ＭＥＡと略称する（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly））を、カーボン、合成樹脂あるいは金属からなるセパレータで挟み込んでこれをひとつの発電単位（燃料電池セル）としている。そして、各燃料電池セルによる起電力は低いものであるが、多数の燃料電池セルを積層して電気的に直列に接続した燃料電池スタックとすることにより、必要な起電力が得られるようにしている。

そしてこの種の燃料電池は、ＭＥＡのアノード側に供給される還元剤の燃料が還元されることによって電子が取り出され、電力を発生するものである。還元剤としては、メタノールなどのアルコール、ヒドラジンなどが用いられる。一方、ＭＥＡのカソード側に供給される酸化剤としては酸素や水などが用いられる。さらに、冷却が必要な場合は水や不凍液なども流通させる。そしてこれら複数種類の流体を燃料電池に供給するには、供給すべき空間からこれらの流体が散逸しないように、あるいは他の流体が混入したりすることがないように、これらの流体の流路を確実に密封する必要があり、このため、各燃料電池セルにはゴム状弾性を有する材料、特にゴム弾性体や熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂など、成形性の良い材料で成形されたガスケットが組み込まれている。

ガスケットは、ゴム状弾性を有するその本体部分（以下、ガスケット本体という）が燃料電池セルの構成部品であるセパレータ、ＭＥＡ、ＧＤＬなどに一体的に成形することにより、燃料電池スタック組み付けの際のハンドリング性を向上させることができる。通常、ガスケット本体がセパレータに一体化されたものである場合は、セパレータがカーボン、合成樹脂あるいは金属からなることから、比較的剛性が大きいためハンドリング性が良く、またセパレータに加工を施してガスケット装着溝を設けたり、セパレータの端部や、セパレータに開設されたマニホールド穴を位置決めの目印として利用して精度良く位置決めして積層することができる。

一方、ガスケット本体がＧＤＬに一体化されたものである場合は、通常、ガスケット本体はＧＤＬの最外周に途切れないように全周連続して賦形されている。そして、ＭＥＡにおけるアノード側とカソード側にそれぞれ独立したＧＤＬを配置する場合は、ガスケット本体も各ＧＤＬにそれぞれ別々に成形される。したがって、積層時には、アノード及びカソードを担持したＭＥＡを挟んでアノード側ＧＤＬ及びカソード側ＧＤＬを配置することによって燃料電池セルとする。しかしながら、ＧＤＬはカーボンクロスやカーボンフェルト、メタルファイバークロスなどの多孔質材料からなるものであって、ハンドリング時に変形しやすく、さらに板状又はシート状からなることからＧＤＬ自体に位置決めとして利用できる目印が無いため、セパレータに一体的に成形したもののように精度良くアノード側とカソード側にそれぞれ独立したＧＤＬに一体化されたガスケット本体同士(ガスケット間)を位置決めすることが難しく、積層時に各ガスケット間あるいはガスケットとＭＥＡの間などに位置ずれを生じる懸念があった。

そして積層された各ガスケット間に位置ずれがある場合、面圧低下やモーメントの発生によりガスケットの倒れが生じて積層によるガスケット本体の圧縮反力が不安定になったり、密封性が不安定になったりするおそれがあった。

特開２００２−４２８３８号公報

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、液体燃料を燃料側電極に直接供給する直接燃料供給型であって、ガスケット本体をガス拡散層に一体化した構造を備える電極触媒材料として貴金属（白金）を全く使用しない貴金属フリー液体燃料電池用ガスケットにおいて、積層の際に各ガスケット間の位置ずれが生じるのを防止することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池用ガスケットは、貴金属フリー液体燃料電池に用いられるガスケットであって、燃料電池セルにおける膜−電極複合体のアノード側及びカソード側のそれぞれに配置されるガス拡散層に、ガスケット本体が一体に成形されており、アノード側及びカソード側のうち一方のガス拡散層に成形されたガスケット本体に、他方のガス拡散層に成形されたガスケット本体の外周端部と嵌合又は遊嵌可能な段差面を形成したものである。

このように構成すれば、アノード側及びカソード側のうち一方のガス拡散層に成形されたガスケット本体と、他方のガス拡散層に成形されたガスケット本体は、その一方の段差面と他方の外周端部が嵌合又は遊嵌された状態で、膜−電極複合体のアノード側及びカソード側に積層されることから、各ガスケットが互いに高精度に位置決めされる。

請求項２の発明に係る燃料電池用ガスケットは、請求項１に記載の構成において、アノード側及びカソード側のうち一方のガス拡散層に成形されたガスケット本体に、他方のガス拡散層に成形されたガスケット本体の外周端部と嵌合又は遊嵌可能な段差面の内周側に位置して、膜−電極複合体の外周端部と嵌合又は遊嵌可能な第二段差面を形成したものである。

このように構成すれば、各ガスケットが互いに高精度に位置決めされると共に、アノード側及びカソード側のうち一方のガスケット本体に形成された第二段差面と膜−電極複合体の外周端部が嵌合又は遊嵌によって、膜−電極複合体も高精度に位置決めされる。

本発明に係る燃料電池用ガスケットによれば、積層時に各ガスケットが互いに高精度に位置決めされるため、位置ずれによって圧縮反力や密封面圧が不安定になるのを有効に防止して、密封の信頼性、ひいては燃料電池の信頼性を向上することができる。

本発明に係る燃料電池用ガスケットが適用される燃料電池の概略構成を示す説明図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットが適用される燃料電池のセルを示す平面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第一の実施の形態を、図２におけるＡ−Ａ位置で切断して示す未積層状態の要部断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第一の実施の形態を、図２におけるＡ−Ａ位置で切断して示す積層状態の要部断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第二の実施の形態を、図２におけるＡ−Ａ位置で切断して示す未積層状態の要部断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第二の実施の形態を、図２におけるＡ−Ａ位置で切断して示す積層状態の要部断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず図１は、本発明に係る燃料電池用ガスケットが適用される燃料電池の概略構成を示すものであり、図２は、燃料電池におけるひとつの発電単位である燃料電池セルを示すものである。

すなわちこの種の燃料電池は、電解質膜の一方の面に負極層（アノード）を設けると共に他方の面に正極層（カソード）を設けた膜−電極複合体（以下、ＭＥＡと略称する）１を、厚さ方向両側から、カーボンクロスやカーボンフェルト、メタルファイバークロスなどガスの流通を許容する無数の微細貫通空隙を有する多孔質材料からなる板状又はシート状のガス拡散層（以下、ＧＤＬと略称する）２，３を介して、カーボン、合成樹脂あるいは金属からなるセパレータ４，５で挟み込み、これを発電の最小単位である燃料電池セル１０として、この燃料電池セル１０を複数組積層し、不図示のボルト、ナット等の締め付け機構により一体化して燃料電池スタックが構成されるものである。

一方のＧＤＬ２（以下、第一ＧＤＬ２という）の外周側には、ゴム状弾性材料（ゴム弾性体又はゴム状弾性を有する熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂など）からなる第一ガスケット本体６が一体に成形されており、他方のＧＤＬ３（以下、第二ＧＤＬ３という）の外周側には、第一ガスケット本体６と同じゴム状弾性材料からなる第二ガスケット本体７が一体に成形されている。

なお、第一ＧＤＬ２は、ＭＥＡ１のアノード側及びカソード側のうち一方に積層配置されるものであり、第二ＧＤＬ３は、ＭＥＡ１のアノード側及びカソード側のうち他方に積層配置されるものである。また、第一ガスケット本体６及び第二ガスケット本体７は、請求項１に記載されたガスケット本体に相当するものである。

セパレータ４，５と、第一ＧＤＬ２に一体成形された第一ガスケット本体６には、それぞれ複数のマニホールド孔４ａ，５ａ，６ａが開設されており、積層状態では、セパレータ４，５のマニホールド孔４ａ，５ａと第一ガスケット本体６のマニホールド孔６ａが互いに重合（連通）されることによって還元剤（貴金属フリー液体燃料）、酸化剤や冷媒の供給通路及び排出通路（マニホールド）１０ａが形成されるようになっている。

そしてこの燃料電池は、各燃料電池セル１０において、マニホールド孔を流通する還元剤が、第一ＧＤＬ２及び第二ＧＤＬ３のうちの一方のＧＤＬを介してＭＥＡ１のアノード側に供給され、他のマニホールド孔を流通する酸化剤が、第一ＧＤＬ２及び第二ＧＤＬ３のうちの他方のＧＤＬを介してＭＥＡ１のカソード側に供給され、還元剤の水素原子と酸化剤の酸素から水を生成する反応によって電力を発生するものである。そして、各燃料電池セル１による起電力は低いものであるが、多数の燃料電池セル１を積層して電気的に直列に接続した燃料電池スタックとすることによって、必要な高電圧を得るものである。

図３及び図４は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第一の実施の形態として、ＭＥＡ１と、第一ＧＤＬ２及びこれと一体の第一ガスケット本体６と、第二ＧＤＬ３及びこれと一体の第二ガスケット本体７を図２のＡ−Ａ位置で切断して示すものである。

図３に示すように、第一ガスケット本体６は、そのゴム状弾性材料の一部が第一ＧＤＬ２の端縁部に含浸して硬化することによって、この第一ＧＤＬ２の外周を包囲するように一体に成形されている。なお、参照符号２１は、第一ＧＤＬ２に第一ガスケット本体６のゴム状弾性材料が含浸された領域（含浸部）を示す。

第一ガスケット本体６には、その板状基部６１におけるＭＥＡ１との積層面に対して厚さ方向反対側を向いた面（図３における下面）に、第一ＧＤＬ２の外周（含浸部２１の外周）を取り囲むように延びる断面山形の隆起形状をなすシールリップ６２と、マニホールド孔６ａの外周を取り囲むように延びる断面山形の隆起形状をなすシールリップ６３が形成され、ＭＥＡ１との積層面と同じ側の面（図３における上面）に、シールリップ６３と背中合わせでマニホールド孔６ａの外周を取り囲むように延びる断面山形の隆起形状をなすシールリップ６４と、ＭＥＡ１の外周を取り囲むように延びる段差面６５が形成されている。この段差面６５は、シールリップ６４よりも低い突条６６の内周面をなすように形成されている。

また、第一ガスケット本体６の板状基部６１は、段差面６５を境にして外周側が内周側より相対的に厚肉となっており、段差面６５より内周側では、第一ＧＤＬ２と略同等の厚さに形成されている。

一方、第二ガスケット本体７は、そのゴム状弾性材料の一部が第二ＧＤＬ３の端縁部に含浸して硬化することによって、この第二ＧＤＬ３の外周を包囲するように一体に成形されている。なお、参照符号３１は、第一ＧＤＬ２に第二ガスケット本体７のゴム状弾性材料が含浸された領域（含浸部）を示す。

第二ガスケット本体７には、その板状基部７１におけるＭＥＡ１との積層面に対して厚さ方向反対側を向いた面（図３における上面）に、第二ＧＤＬ３の外周（含浸部３１の外周）を取り囲むように延びる断面山形の隆起形状をなすシールリップ７２が形成されている。

また、第二ガスケット本体７の板状基部７１は、第二ＧＤＬ３と略同等の厚さに形成されており、その外周端部７１ａの平面形状の大きさは、第一ガスケット本体６の段差面６５の平面形状よりも僅かに小さく形成されており、したがってこの第二ガスケット本体７は、図４に示すように、前記段差面６５の内周に嵌め込み可能となっている。また、前記段差面６５の高さは、ＭＥＡ１と第二ガスケット本体７の板状基部の厚さの和と同等又はそれ以上となっている。

図４に示す積層状態では、ＭＥＡ１を、その厚さ方向両側から第一ＧＤＬ２及びこれと一体の第一ガスケット本体６と、第二ＧＤＬ３及びこれと一体の第二ガスケット本体７を介してセパレータ４，５で挟持することによって燃料電池セル１０が構成される。このとき、ＭＥＡ１の外周部は、その両側の第一ガスケット本体６及び第二ガスケット本体７によって密接状態で挟持され、第一ガスケット本体６に形成されたシールリップ６２，６３，６４及び第二ガスケット本体７に形成されたシールリップ７２は、適当に圧縮された状態でセパレータ４，５に密接され、これによって、ＭＥＡ１と第一ＧＤＬ２及び第二ＧＤＬ３が積層された発電領域の周囲が密封されると共に、セパレータ４，５のマニホールド孔４ａ，５ａと前記発電領域との間の流路から還元剤又は酸化剤が漏れないように前記流路が密封される。

以上のように構成された第一の実施の形態によれば、積層の際に、第一ＧＤＬ２に一体成形された第一ガスケット本体６と、第二ＧＤＬ３に一体成形された第二ガスケット本体７は、第一ガスケット本体６に形成された段差面６５と第二ガスケット本体７の板状基部７１の外周端部７１ａが互いに遊嵌されることから、互いに高精度に位置決めされる。

したがって、積層過程で、剛性の低い第一ＧＤＬ２に一体成形された第一ガスケット本体６と、剛性の低い第二ＧＤＬ３に一体成形された第二ガスケット本体７を互いに位置決めする作業を容易に行うことができ、しかも第一ガスケット本体６に形成されたシールリップ６２と第二ガスケット本体７に形成されたシールリップ７２が同じ位置で圧縮されるので、積層によるシールリップ６２，７２の圧縮反力が不安定になったり、密封性が不安定になったりすることがない。

次に図５及び図６は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第二の実施の形態として、ＭＥＡ１と、第一ＧＤＬ２及びこれと一体の第一ガスケット本体６と、第二ＧＤＬ３及びこれと一体の第二ガスケット本体７を図２のＡ−Ａ位置で切断して示すものである。

この第二の実施の形態において、上述した第一の実施の形態と異なるところは、第一ＧＤＬ２に一体に成形された第一ガスケット本体６に、第二ＧＤＬ３に一体に成形された第二ガスケット本体７の板状基部７１の外周端部７１ａと遊嵌可能な段差面６５の内周側に位置して、ＭＥＡ１の外周端部１ａと遊嵌可能な第二段差面６７を形成した点にある。

第二段差面６７は、段差面６５を形成している突条６６よりも突出高さの低い第二突条６８の内周面をなすように形成されている。また、第二ガスケット本体７の板状基部７１の外周端部７１ａの近傍には、前記第二突条６８と遊嵌可能な第三段差面７１ｂが形成されている。その他の部分は、第一の実施の形態と同様に構成することができる。

以上のように構成された第二の実施の形態によれば、第一の実施の形態と同様、積層の際に、第一ＧＤＬ２に一体成形された第一ガスケット本体６と、第二ＧＤＬ３に一体成形された第二ガスケット本体７は、第一ガスケット本体６に形成された段差面６５と第二ガスケット本体７の板状基部７１の外周端部７１ａが互いに遊嵌されることによって、互いに高精度に位置決めされる。

加えて、第二ガスケット本体７の板状基部７１は、積層時に第三段差面７１ｂと第二突条６８が互いに遊嵌されることによっても位置決めされ、しかも、ＭＥＡ１もその外周端部１ａが第二突条６８による第二段差面６７と遊嵌されることによって、ＭＥＡ１とＧＤＬ(第一ＧＤＬ２、第二ＧＤＬ３)及びこれと一体のガスケット本体(第一ガスケット本体６、第二ガスケット本体７)が高精度に位置決めされる。

したがって、積層過程でそれ自体に位置決めとして利用できる目印がないシート状のＭＥＡ１と、それ自体に位置決めとして利用できる目印がない板状又はシート状のＧＤＬ２に一体成形された第一ガスケット本体６と、それ自体に位置決めとして利用できる目印がない板状又はシート状のＧＤＬ３に一体成形された第二ガスケット本体７を互いに位置決めする作業を一層容易に行うことができ、しかも第一ガスケット本体６に形成されたシールリップ６２と第二ガスケット本体７に形成されたシールリップ７２が同じ位置で圧縮されるので、積層によるシールリップ６２，７２の圧縮反力が不安定になったり、密封性が不安定になったりすることがない。

なお、上述した第一及び第二の実施の形態では、ＭＥＡ１と第一ＧＤＬ２及び第二ＧＤＬ３が積層された発電領域の周囲を密封するシールリップ６２，７２と、マニホールド１０ａの周囲を密封するシールリップ６３，６４が互いに独立して形成されたものを示したが、発電領域の周囲を密封するシールリップが、一部のマニホールド１０ａを包囲するように延びるように形成されたものとしても良い。

１ ＭＥＡ（膜−電極複合体）
２ 第一ＧＤＬ（ガス拡散層）
３ 第二ＧＤＬ（ガス拡散層）
４，５ セパレータ
６ 第一ガスケット本体（ガスケット本体）
６５ 段差面
６６ 突条
６７ 第二段差面
６８ 第二突条
７ 第二ガスケット本体（ガスケット本体）

Claims (2)

1. 貴金属フリー液体燃料電池に用いられるガスケットであって、燃料電池セルにおける膜−電極複合体のアノード側及びカソード側のそれぞれに配置されるガス拡散層に、ガスケット本体が一体に成形されており、アノード側及びカソード側のうち一方のガス拡散層に成形されたガスケット本体に、他方のガス拡散層に成形されたガスケット本体の外周端部と嵌合又は遊嵌可能な段差面を形成したことを特徴とする燃料電池用ガスケット。
2. アノード側及びカソード側のうち一方のガス拡散層に成形されたガスケット本体に、他方のガス拡散層に成形されたガスケット本体の外周端部と嵌合又は遊嵌可能な段差面の内周側に位置して、膜−電極複合体の外周端部と嵌合又は遊嵌可能な第二段差面を形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガスケット。

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