JP2018181604A5

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Publication number: JP2018181604A5
Application number: JP2017079527A
Authority: JP
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2020-02-06
Anticipated expiration: 2037-04-13

Description

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ。）は、それぞれに発電体である膜電極接合体を有する燃料電池セルが、複数個、積層された燃料電池スタックとして構成される場合がある。燃料電池スタックでは、一般に、積層方向に隣り合う燃料電池セル同士の間に、反応ガスや冷媒など、燃料電池スタックの内部に供給される流体の漏洩を防止するシールラインを形成するガスケットが配置される（例えば、下記特許文献１，２等）。そうしたガスケットは、通常、樹脂材料によって構成され、燃料電池セルに当接して、高さ方向に圧縮されることによって、シールラインを形成する。

本実施形態では、膜電極接合体２０は、その外周を囲むフレーム部材２４と一体化されている。フレーム部材２４は気密性および絶縁性を有する樹脂材料によって構成される。上述したマニホールドＭ１〜Ｍ６（図１）は、各燃料電池セル１１においてフレーム部材２４を貫通するように設けられている。

各セパレータ３１，３２は導電性およびガス不透過性を有する板状部材によって構成される。本実施形態では、各セパレータ３１，３２は、メタルセパレータであり、ステンレス鋼やチタンなどの金属部材をプレス成形したプレス成形板によって構成されている。各セパレータ３１，３２はメタルセパレータによって構成されていなくてもよい。各セパレータ３１，３２は、例えば、カーボンを板状に成形した部材によって構成されてもよい。

各セパレータ３１，３２では、冷媒のための溝部４３およびガスケット５０Ａのための溝部４４はそれぞれ、互いに積層方向ＳＤに対向し合うように、対応する位置に形成されている。燃料電池スタック１０では、各セパレータ３１，３２のそれぞれの溝部４３が対向しあって、隣接する各燃料電池セル１１同士の間に管状の冷媒流路を形成する。また、各セパレータ３１，３２のそれぞれの溝部４４が対向しあって、隣接する各燃料電池セル１１同士の間にガスケット５０Ａを収容する管状の空間を形成する。

燃料電池セル１１の発電領域ＥＡは、供給側のマニホールドＭ１〜Ｍ３の列と、排出側のマニホールドＭ４〜Ｍ６の列とに挟まれている。本実施形態では、燃料ガスのためのマニホールドＭ１，Ｍ４は、発電領域ＥＡを挟んで対角する角部に設けられている。酸化剤ガスのためのマニホールドＭ２，Ｍ５はそれぞれ、燃料ガスのためのマニホールドＭ１，Ｍ４とは反対側の角部に位置している。冷媒供給用のマニホールドＭ３は、反応ガス供給用のマニホールドＭ１，Ｍ２の間に配列され、冷媒排出用のマニホールドＭ６は、反応ガス供給用のマニホールドＭ４，Ｍ５の間に配列されている。なお、マニホールドＭ１〜Ｍ６の配置構成は、これに限定されることはなく、適宜、変更が可能である。

ガスケット５０Ａは、シール領域を囲む環状部材として構成され、例えば、ゴムや熱可塑性エラストマー等の樹脂材料の射出成形によって作製される。本実施形態では、ガスケット５０Ａは、反応ガスのためのマニホールドＭ１，Ｍ２，Ｍ４，Ｍ５のそれぞれを囲むように配置されている。また、ガスケット５０Ａは、冷媒用のマニホールドＭ３，Ｍ６と発電領域ＥＡとを囲むように配置されている。

ガスケット５０Ａは、第１シール部５１ａと、第２シール部５１ｂと、連結部５２と、を備える。第１シール部５１ａは、ガスケット５０Ａのシール対象であるシール領域を囲む。第２シール部５１ｂは、第１シール部５１ａによって囲まれた領域の外側においてシール領域を囲む。連結部５２は、第１シール部５１ａと第２シール部５１ｂとを連結している。本実施形態では、連結部５２は、ガスケット５０Ａの高さ方向における中央部位において、第１シール部５１ａと第２シール部５１ｂとの間に架設されている。本実施形態では、ガスケット５０Ａの全体が同じ樹脂材料で構成されている。

第２台座部５４ｂは、第２リップ部５３ｂの下方に位置し、第１燃料電池セル１１ａの第２セパレータ３２に当接して第２リップ部５３ｂを支持する（図４Ｂ）。本実施形態では、第２台座部５４ｂは、図４Ａの切断面において下方に向かって凸の略半円形状の断面を有する突起部として形成されている。

第１シール部５１ａにおいて、第１燃料電池セル１１ａ側に配置される中心ＣＰａよりも上方の部位を「第１シール部側上方部位６１」と呼ぶ。また、第２燃料電池セル１１ｂ側に配置される中心ＣＰａよりも下方の部位を「第１シール部側下方部位６２」と呼ぶ（図４Ａ，図４Ｂ）。同様に、第２シール部５１ｂにおいて、第２燃料電池セル１１ｂ側に配置される中心ＣＰｂよりも上方の部位を「第２シール部側上方部位６３」と呼ぶ。また、第１燃料電池セル１１ａ側に配置される中心ＣＰｂよりも下方の部位を「第２シール部側下方部位６４」と呼ぶ。なお、以下において、「上方部位６１，６３」と呼ぶときは、「第１シール部側上方部位６１」と「第２シール部側上方部位６３」の両方を意味する。同様に、「下方部位６２，６４」と呼ぶときは、「第１シール部側下方部位６２」と「第２シール部側下方部位６４」の両方を意味する。

ガスケット５０Ｂでは、ガスケット５０Ｂが圧縮されていない状態において、第１リップ部５３ａの頂点５３ｔと第２台座部５４ｂの底面５４ｆは、ほぼ同じ高さ位置に位置しており、高さ方向に垂直な第１仮想平面Ｐ１上に位置している（図５Ａ）。そのため、ガスケット５０Ｂの組み付け工程において、第１リップ部５３ａおよび第２台座部５４ｂを重力方向下側にして、第１燃料電池セル１１ａ上に配置すれば、ガスケット５０Ｂの高さ方向とガスケット５０Ｂの圧縮方向とを一致させることができる。よって、ガスケット５０Ｂが歪んだ状態で組み付けられてしまうことが抑制される。

同様に、ガスケット５０Ｂが圧縮されていない状態において、第２リップ部５３ｂの頂点５３ｔと第１台座部５４ａの底面５４ｆは、ほぼ同じ高さ位置に位置しており、高さ方向に垂直な第２仮想平面Ｐ２上に位置している（図５Ａ）。そのため、ガスケット５０Ｂの組み付け工程において、第２リップ部５３ｂおよび第１台座部５４ａを重力方向下側にして、第２燃料電池セル１１ｂ上に配置しても、ガスケット５０Ｂの高さ方向とガスケット５０Ｂの圧縮方向とを一致させることができる。よって、ガスケット５０Ｂが歪んだ状態で組み付けられてしまうことが抑制される。

ガスケット５０Ｅは、例えば、多色成形法によって作製される。２色成形法によって作製する場合には、ガスケット５０Ｅは、例えば、次のような工程で作製することができる。まず、第１金型内に弾性率の異なる２種類の樹脂材料を流し込み、第１シール部側上方部位６１と第２シール部側下方部位６４とを成形する。次に、成形された第１シール部側上方部位６１と第２シール部側下方部位６４とを、第２金型内に配置し、第２金型内に、弾性率の異なる２種類の樹脂材料を流し込むことによって、第１シール部側下方部位６２と第２シール部側上方部位６３とを成形する。これによって、上方部位６１，６３と下方部位６２，６４とで弾性率が異なるガスケット５０Ｅが得られる。

６−１．変形例１：
上記実施形態においては、第１セパレータ３１はアノード側のセパレータであり、第２セパレータ３２は、カソード側のセパレータである。これに対して、第１セパレータ３１をカソード側のセパレータとし、第２セパレータ３２をアノード側のセパレータとしてもよい。つまり、第１シール部５１ａが第１燃料電池セル１１ａのカソード側にシールラインＳＬを形成し、第２シール部５１ｂが第２燃料電池セル１１ｂのアノード側にシールラインＳＬを形成する構成に代えて、第１シール部５１ａが第１燃料電池セル１１ａのアノード側にシールラインＳＬを形成し、第２シール部５１ｂが第２燃料電池セル１１ｂのカソード側にシールラインＳＬを形成する構成が採用されてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。