JP2020047472A - 燃料電池用ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】スタック組立て時に高圧縮状態となりにくく、よって大きな反力が発生せず反力を低減させることができる燃料電池用ガスケットを提供する。【解決手段】電解質膜５１とセパレータの間をシールする燃料電池用ガスケットであって、アノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１を備える。両ガスケット１１，２１はそれぞれリップ状シール１２，２２およびリップ状シール１２，２２より高さの小さいサブシール１４，２４を一体に備える。アノード側のリップ状シール１２はカソード側のサブシール２４と平面上重なる位置に配置され、カソード側のリップ状シール２２はアノード側のサブシール１４と平面上重なる位置に配置される。サブシール１４，２４は、リップ状シール１２，２２から離れるに従って高さが徐々に拡大する向きに傾斜する傾斜面１５，２５と、傾斜面１５，２５の頂部に設けられた反力受け部１６，２６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、シール技術に係る燃料電池用ガスケットに関する。

燃料電池に用いられるスタックでは、セパレータを備える発電セルが複数積層されている。発電セル内部の反応面では、電極を挟んでアノードおよびカソード間で燃料や冷却水を流している。そのためアノードおよびカソード間において、水素、酸素、冷却水をシールする必要がある。

アノードおよびカソード間のシールは、面圧（シール面圧）を発生させる必要があるため、図９（Ａ）に示すようにリップ状シール１２，２２を備えるアノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１を装着することでシール機能を満たしている。

しかしながらこの構成では、図９（Ｂ）に示すようにアノードおよびカソード間でガスケット１１，２１同士に平面上の位置ずれａが発生した場合に、面圧が発生しないことによりシール機能を果たさなくなることや、電解質膜５１を大きく変形させることが懸念される。

この問題を解決するため、図１０に示すようにアノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１のうち何れか一方（図ではカソード側ガスケット２１）をリップ状シール２２を備えるリップタイプのガスケットではなくフラット状シール２３を備えるフラットタイプのガスケットにすることが提案されている。この構成によれば、リップ状シール１２に対し幅広のフラット状シール２３が対向するため、ガスケット１１，２１同士に位置ずれが発生しても面圧を発生させることができる。

しかしながらこの構成では、フラットタイプにしたガスケット２１の電解質膜５１に対する接触面積が増大するため、面圧が分散し、必要なピーク面圧が確保されず、シール機能が低下することが懸念される。

特開２００４−３０３７２３号公報 特開２００８−９７８９９号公報

この問題を解決するため、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、アノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１をそれぞれリップ状シール１２，２２およびフラット状シール１３，２３を一体に備える形状とすることが提案されている。この構成によれば、面圧が多少分散することがあってもリップ状シール１２，２２が複数設けられているため、各リップ状シール１２，２２においてそれぞれシール機能を果たすことができる。

しかしながらこの構成には、更に以下の点で改良の余地がある。

すなわち、ガスケット１１，２１については、その高さの寸法公差を考慮する必要がある。フラット状シール１３，２３の高さが大きいと、スタック組立て時にガスケット１１，２１が極端な高圧縮状態となるため、ガスケット１１，２１に大きな反力が発生する。したがって、この大きな反力を受けて電解質膜５１に変形や破損が発生することが懸念される。

本発明は、スタック組立て時に高圧縮状態となりにくく、よって大きな反力が発生せず反力を低減させることができる燃料電池用ガスケットを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の燃料電池用ガスケットは、電解質膜もしくは前記電解質膜を保持する枠体とその厚み方向両側に配置される一対のセパレータとの間をシールする燃料電池用ガスケットであって、一方の前記セパレータに保持され、前記電解質膜もしくは枠体の一方の面に接触するアノード側ガスケットと、他方の前記セパレータに保持され、前記電解質膜もしくは枠体の他方の面に接触するカソード側ガスケットとを備え、前記アノード側ガスケットおよび前記カソード側ガスケットはそれぞれリップ状シールおよび前記リップ状シールよりも高さの小さいサブシールを一体に備え、前記アノード側ガスケットのリップ状シールは、前記カソード側ガスケットのサブシールと平面上重なる位置に配置され、前記カソード側ガスケットのリップ状シールは、前記アノード側ガスケットのサブシールと平面上重なる位置に配置され、前記アノード側ガスケットのサブシールおよび／または前記カソード側ガスケットのサブシールは、前記リップ状シールから離れるに従って高さが徐々に拡大する向きに傾斜するよう設けられた傾斜面と、前記傾斜面の頂部に設けられた反力受け部とを備えることを特徴とする。

また、実施の態様として、上記記載の燃料電池用ガスケットにおいて、前記傾斜面の一部に凹部または凸部が設けられていることを特徴とする。

また、実施の態様として、上記記載の燃料電池用ガスケットにおいて、前記サブシールにおける前記リップ状シールと反対側の側面は、前記リップ状シールから離れるに従って高さが徐々に縮小する向きに傾斜する傾斜面状に形成されていることを特徴とする。

また、実施の態様として、上記記載の燃料電池用ガスケットにおいて、前記リップ状シールと前記サブシールの間にフラット部が設けられていることを特徴とする。

更にまた、実施の態様として、上記記載の燃料電池用ガスケットにおいて、前記フラット部の一部に凹部または凸部が設けられていることを特徴とする。

本発明では上記構成により、フラット状シールに代えて傾斜面および反力受け部を備えるサブシールが設けられているため、スタック組立て時ガスケットに圧縮荷重が入力したときにガスケットが弾性変形しやすくなり高圧縮状態となりにくい。したがってガスケットに大きな反力が発生せず、反力を低減させることができる。

また、このように反力の低減が実現されると、サブシールの高さを或る程度大きく設定することが許容される。したがってサブシールの高さが不足して反対側のリップ状シールに面圧が発生しないと云った事態が発生するのを回避することができ、よってシール性を確保することが可能とされる。

第１実施の形態に係るガスケットの要部断面図 同ガスケットに圧縮荷重が入力した状態を示す要部断面図 同ガスケットの反力特性を示すグラフ図 同ガスケットの面圧特性を示すグラフ図 第２実施の形態に係るガスケットの要部断面図 第３実施の形態に係るガスケットの要部断面図 第４実施の形態に係るガスケットの要部断面図 第５実施の形態に係るガスケットの要部断面図 従来例に係るガスケットの要部断面図 他の従来例に係るガスケットの要部断面図 他の従来例に係るガスケットの要部断面図

第１実施の形態・・・・
図１に示すように、実施の形態に係るガスケットは、燃料電池用ガスケットとして用いられる。燃料電池用ガスケットは、電解質膜５１もしくはこれを保持する枠体（図示せず）とその厚み方向両側に配置された一対のセパレータ３１，４１との間でシール機能を発揮し、セル内部Ｉの水素、酸素もしくは冷却水などの密封流体がセル外部Ｏへ漏洩しないようにこの密封流体をシールする。

燃料電池用ガスケットは、一方のセパレータ３１に接着され保持されるとともに電解質膜５１もしくは枠体の一方の面５１ａに接触するアノード側ガスケット１１と、他方のセパレータ４１に接着され保持されるとともに電解質膜５１もしくは枠体の他方の面５１ｂに接触するカソード側ガスケット２１との組み合わせにより構成されている。ガスケット１１，２１はセル反応面の周りやセルマニホールドの周りなどに配置されている。ガスケット１１，２１は所定のゴム状弾性体によって形成されている。

アノード側ガスケット１１は、断面山形のシールリップを設けたメインリップとしてのリップ状シール１２と、そのセル外部Ｏ側に配置されたサブシール１４とを一体に備え、これらのリップ状シール１２およびサブシール１４がガスケット幅方向に並んで設けられている。当該燃料電池用ガスケットでは、上記従来技術における平面上にフラット面を設けたフラット状シールが設けられておらず、フラット状シールに代えてサブシール１４が設けられている。

サブシール１４は、リップ状シール１２から離れるに従って高さ寸法が徐々に拡大する向きに傾斜するよう設けられた傾斜面１５と、この傾斜面１５の頂部（高さ位置が最も高い部位）に設けられた断面円弧形の反力受け部１６とを平面上に備えている。傾斜面１５および反力受け部１６はサブシール１４の全長すなわちガスケット１１の全長に亙って設けられている。サブシール１４の高さ寸法はリップ状シール１２の高さ寸法よりも小さく形成されている。サブシール１４におけるリップ状シール１２と反対側の側面１７は、セパレータ３１から直角に立ち上がる垂直面状の側面とされている。

カソード側ガスケット２１は、サブシール２４と、そのセル外部Ｏ側に配置され、断面山形のシールリップを設けたメインリップとしてのリップ状シール２２とを一体に備え、これらのサブシール２４およびリップ状シール２２がガスケット幅方向に並んで設けられている。当該燃料電池用ガスケットでは、上記従来技術における平面上にフラット面を設けたフラット状シールが設けられておらず、フラット状シールに代えてサブシール２４が設けられている。

サブシール２４は、リップ状シール２２から離れるに従って高さ寸法が徐々に拡大する向きに傾斜するよう設けられた傾斜面２５と、この傾斜面２５の頂部（高さ位置が最も高い部位）に設けられた断面円弧形の反力受け部２６とを備えている。傾斜面２５および反力受け部２６はサブシール２４の全長すなわちガスケット２１の全長に亙って設けられている。サブシール２４の高さ寸法はリップ状シール２２の高さ寸法よりも小さく形成されている。サブシール２４におけるリップ状シール２２と反対側の側面２７は、セパレータ４１から直角に立ち上がる垂直面状の側面とされている。

アノード側ガスケット１１のリップ状シール１２は、そのリップ先端がカソード側ガスケット２１のサブシール２４の傾斜面２５と平面上重なる位置に配置されている。

カソード側ガスケット２１のリップ状シール２２は、そのリップ先端がアノード側ガスケット１１のサブシール１４の傾斜面１５と平面上重なる位置に配置されている。

上記構成を備える燃料電池用ガスケットがスタックとして組み立てられて当該ガスケットに対し圧縮荷重が入力すると、図２に示すようにアノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１においてそれぞれリップ状シール１２，２２のリップ先端が電解質膜５１もしくは枠体に接触するとともにサブシール１４，２４の反力受け部１６，２６が電解質膜５１もしくは枠体に接触し、サブシール１４，２４の傾斜面１５，２５は反力受け部１６，２６近傍の一部のみが電解質膜５１もしくは枠体に接触して他の部分は電解質膜５１もしくは枠体に接触しない状態とされ、傾斜面１５，２５と電解質膜５１もしくは枠体の間に隙間空間１８，２８が形成される。

したがって、この隙間空間１８，２８をゴム材料の逃げ空間として利用することが可能であって、サブシール１４，２４が弾性変形しやすく高圧縮状態になりにくいため、ガスケット１１，２１全体として大きな反力が発生せず、発生する反力の大きさを低減させることができる。比較試験の結果としては図３のグラフ図に示すように、フラット状シール１３，２３を設けた場合（図１１参照、比較例）と比較して、反力が十分に減少することが確認されている。

また、その一方で、サブシール１４，２４が反力受け部１６，２６による狭い範囲で電解質膜５１もしくは枠体に接触するため、図４のグラフ図に示すように、発生するピーク面圧の大きさは比較例とほぼ同等とされる。したがってサブシール１４，２４においてもシール性を発揮することが可能とされる。

また、上記したように反力の低減（低反力）が実現されると、サブシール１４，２４の高さ寸法を或る程度大きく設定することが許容される。したがってサブシール１４，２４の高さ寸法が不足して反対側のリップ状シール１２，２２に面圧が発生しないと云った事態が発生するのを未然に回避することができ、よってガスケット全体としてのシール性を確保することが可能とされる。

尚、当該実施の形態では、傾斜面１５，２５および反力受け部１６，２６がアノード側ガスケット１１のサブシール１４およびカソード側ガスケット２１のサブシール２４の双方に設けられているが、これらの傾斜面１５，２５および反力受け部１６，２６は何れか一方のサブシール１４，２４のみに設けられても良い。

サブシール１４，２４は、以下のような構成であっても良い。

第２実施の形態・・・・
図５に示す例では、上記第１実施の形態に係る構成に加えて、サブシール１４，２４の傾斜面１５，２５の一部に、発生する反力の大きさを調節するため、凹部１９，２９が設けられている。凹部１９，２９は、サブシール１４，２４の長手方向に延びる溝として形成されている。凹部１９，２９は断面円弧形に形成されている。凹部１９，２９は複数が設けられても良い。凹部１９，２９はこれに代えて、或いはこれとともに凸部（図示せず）が設けられても良い。この場合、凸部はサブシール１４，２４の長手方向に延びる突条として形成される。凸部の断面形状は円弧形とされる。凸部は複数が設けられても良い。

第３実施の形態・・・・
図６に示す例では、サブシール１４，２４におけるリップ状シール１２，２２と反対側の側面１７，２７が、発生する反力の大きさを調節するため、リップ状シール１２，２２から離れるに従って高さ寸法が徐々に縮小する向きに傾斜する傾斜面状の側面として形成されている。このようにサブシール１４，２４の側面１７，２７が傾斜面状に形成されると、反力受け部１６，２６が側面１７，２７のほうに倒れにくくなる。

第４実施の形態・・・・
図７に示す例では、リップ状シール１２，２２とサブシール１４，２４の間に、発生する反力の大きさを調節するため、フラット面を備えるフラット部２０，３０が設けられている。ガスケット１１，２１の全幅が一定の場合、このようにフラット部２０，３０が設けられるとサブシール１４，２４の幅が削減され、この分、傾斜面１５，２５の傾斜角度が大きく形成される。

第５実施の形態・・・・
図８に示す例では、リップ状シール１２，２２とサブシール１４，２４の間に、発生する反力の大きさを調節するため上記第４実施の形態と同様に、フラット面を備えるフラット部２０，３０が設けられている。ガスケット１１，２１の全幅が一定の場合、フラット部２０，３０が設けられるとサブシール１４，２４の幅が削減され、この分、傾斜面１５，２５の傾斜角度が大きく形成される。また更に加えて、フラット部２０，３０の平面上の一部に、上記第２実施の形態と同様な凹部１９，２９または凸部が設けられている。

上記第２ないし第５実施の形態に係るガスケットにおいては、第１実施の形態に係るガスケットと同様に、傾斜面１５，２５および反力受け部１６，２６を備えるサブシール１４，２４が設けられ、さらに隙間空間１８，２８が形成されるため、発生する反力の大きさを低減させることができ、低圧縮時にもシール機能を果たすことができる。また、凹部１９，２９、凸部、傾斜面状の側面１７，２７またはフラット部２０，３０などが設けられているため、発生する反力の大きさや分布、電解質膜５１もしくは枠体に対するガスケット１１，２１の接触姿勢などを微調整することができる。

ガスケット１１，２１の材質（ゴム材料）としては、シリコン材、ＥＰＤＭ材、フッ素材等が考えられるが、これらに限定されるものではない。枠体としては、おおむねヤング率３ＧＰａ以上、厚み２５０μｍ程度（ＭＥＡの両側で）程度のものを用いるのが適している。枠体の材質としては、ＰＥＮ、ＰＯＭ、ＰＰＳ等が用いられる。

１１ アノード側ガスケット
１２，２２ リップ状シール
１４，２４ サブシール
１５，２５ 傾斜面
１６，２６ 反力受け部
１７，２７ 側面
１８，２８ 隙間空間
１９，２９ 凹部
２０，３０ フラット部
２１ カソード側ガスケット
３１，４１ セパレータ
５１ 電解質膜
Ｉ セル内部
Ｏ セル外部

Claims (5)

1. 電解質膜もしくは前記電解質膜を保持する枠体とその厚み方向両側に配置される一対のセパレータとの間をシールする燃料電池用ガスケットであって、
   一方の前記セパレータに保持され、前記電解質膜もしくは枠体の一方の面に接触するアノード側ガスケットと、他方の前記セパレータに保持され、前記電解質膜もしくは枠体の他方の面に接触するカソード側ガスケットとを備え、
   前記アノード側ガスケットおよび前記カソード側ガスケットはそれぞれリップ状シールおよび前記リップ状シールよりも高さの小さいサブシールを一体に備え、
   前記アノード側ガスケットのリップ状シールは、前記カソード側ガスケットのサブシールと平面上重なる位置に配置され、
   前記カソード側ガスケットのリップ状シールは、前記アノード側ガスケットのサブシールと平面上重なる位置に配置され、
   前記アノード側ガスケットのサブシールおよび／または前記カソード側ガスケットのサブシールは、前記リップ状シールから離れるに従って高さが徐々に拡大する向きに傾斜するよう設けられた傾斜面と、前記傾斜面の頂部に設けられた反力受け部とを備えることを特徴とする燃料電池用ガスケット。
2. 請求項１記載の燃料電池用ガスケットにおいて、
   前記傾斜面の一部に凹部または凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池用ガスケット。
3. 請求項１記載の燃料電池用ガスケットにおいて、
   前記サブシールにおける前記リップ状シールと反対側の側面は、前記リップ状シールから離れるに従って高さが徐々に縮小する向きに傾斜する傾斜面状に形成されていることを特徴とする燃料電池用ガスケット。
4. 請求項１記載の燃料電池用ガスケットにおいて、
   前記リップ状シールと前記サブシールの間にフラット部が設けられていることを特徴とする燃料電池用ガスケット。
5. 請求項４記載の燃料電池用ガスケットにおいて、
   前記フラット部の一部に凹部または凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池用ガスケット。

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