JP4268850B2 - 燃料電池用シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用シール構造に係り、詳しくは、セルを構成する複数の板状体のうちの対向するものどうしの間に、これら両板状体どうしの間をシールすべく弾性材製のガスケットを介装してある燃料電池用シール構造に関するものである。

固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体の両側にセパレータが積層されたものが一つのセル、即ち単位セルとなり、複数の単位セルを積層して燃料電池のスタックとして構成されている。電極構造体は、正極側の電極触媒層（カソード）と、負極側の電極触媒層（アノード）との間に高分子の電解質膜（高分子電極膜）が挟まれ、各電極触媒層の外側にガス拡散層が配置された積層体である。セパレータは電子伝達機能を有する材料から成るもので、電極構造体への対向面にはガス通路が形成され、少なくとも一方のセパレータの表面には冷媒通路が形成されている。

これら通路はいずれも溝状であって、ガス通路には燃料ガスである水素ガスと酸素や空気等の酸化剤ガスが夫々独立して流され、冷媒通路には水或いはエチレングリコール等の冷媒が流される。セパレータは、各ガス通路間の突起部がガス拡散層に接触する状態で電極構造体に積層される。そして、それらガスがセル外に漏れ出ることを防止するためのガスケットが装備されている。即ち、セパレータや電解質膜等の、セルを構成すべく積層配備される板状体は、それらの周囲において対向する板状体との間にガスケットを介装させてシールすることが行われている。

このように対向する板状体どうしの間にガスケットを有したもの、例えば、セパレータと電解質膜との間にガスケットを介装させた燃料電池用シール構造としては、特許文献１において開示されたものが知られており、隣合うセパレータどうしの間にガスケットを介装させた燃料電池用シール構造としては、特許文献２において開示されたものが知られている。また、特許文献３に開示されたガスケットや、特許文献４に開示された燃料電池のシール構造も知られている。
特開２００３−１７０９３号公報 特開平９−２８９０２９号公報（特に、図１０や図１１を参照） 特開２００３−５６７０４号公報 特開２００２−４２８３７号公報（特許３４００４１５）

燃料電池のセルを構成する電解質膜等の板状体は、その面積の割には厚さが薄く、また材料面からも剛性には乏しいという性質を有している。そのため、板状体は、これの周囲部に配される弾性材製ガスケットの存在により、セルスタックとして組付けると、少なからず曲げモーメントを受けることになり、それによって曲げ変形し易いという問題がある。

そこで、ガスケットの存在に起因した曲げモーメントを軽減すべく、ガスケットの押圧力を低くすること、所謂「低反力型」ガスケットが試された。例えば、ガスケット材料であるゴムのバネ定数を下げるべく、図９に示すように、ガスケット２１の断面形状を、一対の板状体２２のうちの一方の板状体２２に固着支持される薄肉幅広状のベース部ｃから突出するビード部ａの幅寸法を狭くすることが考えられた。つまり、図９に示す従来の一般的なガスケット３１の断面形状（仮想線）に比べて、ビード部ａの幅だけを狭くしたのである。

これにより、ガスケットの圧縮変形量は変えることなく、弾性材の圧縮による反力を軽減することはできたのである。しかしながら、多数の板状体２２を締付けての燃料電池としての組付け状態において、図１０に示すように、ガス圧等による内圧がガスケット２１に矢印のように作用すると、その幅の細くなったビード部ａの先端部が、仮想線で示すように倒れ変位し易くなり、その結果、反力が少なくなり過ぎてシール性が損なわれるという新たな問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、セルを構成する複数の板状体のうちの対向するものどうしの間に、これら両板状体どうしの間をシールすべく弾性材製のガスケットを介装してある燃料電池用シール構造において、燃料電池用の板状体に無理な曲げモーメントが作用しない「低反力型」ガスケットを、ガス圧等による内圧によってビード部が大きく倒れたり、それによってシール性が損なわれる不都合が生じないようにしながら実現させる点にある。

請求項１の構成は、セルを構成する複数の板状体のうちの対向するものどうしの間に、これら両板状体どうしの間をシールすべく弾性材製のガスケットを介装してある燃料電池用シール構造において、
前記ガスケットの断面形状を、前記対向する板状体のうちの一方の板状体に固着される薄肉幅広状のベース部と、このベース部の幅方向の中間部において他方の板状体に向って突出するビード部とを有した山形に設定するとともに、前記ベース部の幅方向で中間の位置においては、前記ベース部とこれが固着される部分の一方の板状体に、密閉状の空間部が形成されていることを特徴とするものである。

請求項２の構成は、請求項１において、前記ガスケットにおける前記ビード部の裾野部分に、前記ベース部の上面よりも下方に凹入する逃し部を形成してあることを特徴とするものである。

請求項１の燃料電池用シール構造では、弾性材製のガスケットの断面形状を、一方の板状体に固着される薄肉幅広状のベース部と、このベース部から突出するビード部とを有した山形に設定するとともに、ベース部の幅方向で中間の位置において、ベース部とこれが固着される部分の一方の板状体に密閉状の空間部を形成する構成している。

従って、燃料電池用として好適な「低反力型」ガスケットを実現することができた。

また、請求項２の燃料電池用シール構造のように、ガスケットにおけるビード部の裾野部分に、ベース部の上面よりも下方に凹入する逃し部を形成すれば、応力集中を緩和できるので、ビード部がセルの内圧によって傾くことに起因して、ビード部の付根部分に亀裂が生じることを回避できる利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に、自動車に搭載される燃料電池の概略の全体斜視図が、図２に燃料電池の端部構造を示す部分側面図が、図３と図４には、燃料電池の組付け前と後におけるガスケットの状況を示す断面図が夫々示されている。図５〜図７には、本発明の第１〜第３別実施形態によるシール構造の断面図が夫々示されている。

燃料電池Ｅは、図１、図２に示すように、一対のセパレータ２間に積層構成される単位セル１を、所期の電圧を得るべく多数重ね合わせてセルスタックを形成し、そのセルスタックを、一対のインシュレータ３に間に配置し、さらにその両外側に配置した一対の圧力プレート４で挟み込むことによって構成されている。両端の圧力プレート４どうしは、これらに亘って架設される複数の長ボルト５及びナット６による締付機構によって互いに接近する方向に押圧されており、それによって、多数のセル１、多数のセパレータ２、及び一対のインシュレータ３を挟持固定して一体化することにより、組付け状態とされている。

セル１は、板状体であるカーボン製の燃料極（アノード）７と、板状体であるカーボン製の空気極（カソード）８とを、固体高分子型で板状体である電解質膜（イオン交換膜とも言う）９を介して対向配置して成る三層構造のものに構成されている。板状体であるセパレータ２もカーボンの成形品であり、その表裏の各面には溝状のガス流路２ａ（図３，４参照）が刻設されている。つまり、三層構造で成る一つのセル１は、一対のセパレータ２の間にサンドイッチされたような構成となっている。

この燃料電池Ｅには、これを積層方向に貫通する状態で、ガスや生成水等の流体通路であるマニホールド１０が複数形成されている。即ち、この例では燃料電池Ｅとしての左右夫々に三つのマニホールド１０が上下に並べて配列されており、各エンドプレート４には、マニホールド１０を図示しない所定の配管構造に接続するための取出し筒１１が装備されている。そして、セパレータ２や電解質膜９等には、各マニホールド１０や、これに連通すべくセパレータ２等に刻設されたガス流路２ａ（図３，４参照）に対してシールするためのセル用ガスケット１２、及びセパレータ用ガスケット１３が装備されている。

ゴム製のセル用ガスケット１２は、図２に示すように、単位セル１を挟持するセパレータ２と電解質膜９との間に介装されている。つまり、セパレータ２と電解質膜９との外郭形状は、燃料極７と空気極８のそれよりも幾分大きく設定されていて、各セパレータ２の外周部と電解質膜９の外周部とは、燃料極７又は空気極８を介して対向配置される構造となっており、セル用ガスケットは、燃料極７や空気極８の外側において電解質膜９の外郭形状に沿った略矩形で環状のものに形成されている。

セパレータ用ガスケット１３は、図２〜図４に示すように、隣合うセパレータ２どうしの間をシールする環状のものであり、一方のセパレータ（一方の板状体の一例であり、図３，４では下側に描かれている）２に接着によって固着されるゴム製のものである。その断面形状は、一方のセパレータ２の周囲に形成された一段厚さの薄い段差面２ｂに接着される薄肉幅広状のベース部１３Ｂと、このベース部１３Ｂの幅方向の中間部において他方のセパレータ（他方の板状体の一例であり、図３，４では上側に描かれている）２に向って突出するビード部１３Ａとを有した山形に設定されている。

このセパレータ用ガスケット１３は、ビード部１３Ａの幅が一般的なガスケットに比べて幅狭な「低反力型」に設定されている（図８参照）。そのため、図４に示すように、セパレータ２どうしが接触状態となる組付け時において、ガス流路２ａからの内圧が（矢印で示す）セパレータ用ガスケット１３に作用すると、強度が弱まったビード部１３Ａが、他方のセパレータ２との押圧接触による摩擦力に抗して、セル外方側（図４では左側）に倒れ変位することがある。つまり、図４に仮想線で示すように、ビード部１３Ａの先端部分ａが横移動を伴って倒れるようになる。

ところが、本発明によるシール構造では、図４に示すように、他方のセパレータ２には、倒れ変位したビード部１３Ａの先端部分ａを側方から受止め可能な外周壁である受止部２Ｕが形成されているので、倒れ変位した先端部分ａは、受止部２Ｕの内周面２ｃに押圧接触状態で受け止められる。従って、受止部２Ｕを適宜に配置設定することにより、ビード部１３Ａの倒れ変位量を、シール性を損なわない範囲内に設定することが自在である。勿論、ビード部１３Ａの倒れ過ぎが生じないようにすることができる。

そして、受止部２Ｕの内周面２ｃに押圧接触状態で受け止められるから、ビード部１３Ａと受止部２Ｕとの間にシール作用が新たに生じることになる。その結果、ビード部１３Ａは、段差面２ｂと内周面２ｃとの互いに交差する二面に押圧接触する状態がもたらされることとなり、却ってシール性能が改善されるようになる。

つまり、受止部２Ｕを設ける工夫により、ビード部１３Ａの倒れ過ぎを無くしてシール性の悪化が回避可能になるとともに、板状体に優しい低反力型故にビード部１３Ａの保形性が弱いという性質、並びにガスケットに作用する内圧の存在との双方を利用して、よりシール性を向上させることも可能にし得たのである。尚、受止部２Ｕは周状に形成されており、その厚さは、他方のセパレータ２の厚みに等しい。

燃料電池用シール構造としては、図５に示す構成としても良い。即ち、セパレータ用ガスケット１３の断面形状を、一方のセパレータ２に接着される薄肉幅広状のベース部１３Ｂと、このベース部１３Ｂの幅方向の中間部において他方のセパレータ２に向って突出するビード部１３Ａとを有した山形に設定するとともに、ベース部１３Ｂの幅方向で中間の位置においては、ベース部１３Ｂとこれが固着される部分の一方のセパレータ２との少なくともいずれか一方に、密閉状の空間部１４が形成されている。

この場合のセパレータ用ガスケット１３は、ビード部１３Ａの幅が、図３のように狭いものでは無く、従来と同じ幅を有した一般的な形状であり（図８参照）、一方のセパレータ２に設けた空間部１４を併せて初めて「低反力型」として機能する構造になっている。

つまり、長ボルト５とナット６との締付操作による組付状態では、図５に仮想線で示すように、ビード部１３Ａが圧縮変形するとともに、そのビード部１３Ａに押されるベース部１３Ｂが空間部１４に侵入するように変位する。このベース部１３Ｂの変位には、ベース部１３Ｂ自身の弾性に加えて、密閉状の空間部１４がエアクッションとして機能することによる弾性も生じるので、ビード部１３Ａの幅を狭めて弾性を弱くしなくても、ガスケット１３のトータルとしての弾性係数（バネ定数）が低くなり、「低反力型」に構成されている。

尚、図示は省略するが、ベース部１３Ｂを接着する際には、先ず、一方のセパレータ２の段差面２ａに接着剤を塗布することになるが、従来と同じ塗布設備を用いる工程都合上、そのときには空間部１４にも接着剤が塗布されてしまう。従って、それを見越して空間部１４の大きさは、必要となる体積よりもやや大きめに設定しておくと好都合である。

また、図５において、ベース部１３Ｂに破線で示すように、空間部分１４をベース部１３Ｂに形成しても良い。この場合、接着材で空間部１４が埋まることの無いように留意する。そして、ガスケット側の空間部１４と、前述したセパレータ側の空間部１４との双方を設ける構造としても良い。

燃料電池用シール構造としては、図６に示す構成としても良い。即ち、セパレータ用ガスケット１３の断面形状を、一方のセパレータ２に固着（接着）される薄肉幅広状のベース部１３Ｂと、このベース部１３Ｂの幅方向の中間部において他方のセパレータ２に向って突出するビード部１３Ａとを有した山形に設定するとともに、ビード部１３Ａに、このビード部１３Ａがその突出方向に圧縮された際の倒れ方向を確定させるための倒れ癖部１５を形成してある。

倒れ癖部１５は、自由状態においてビード部１３Ａを意図的に曲げ形成してあることであって、その折れ曲り部分のことを指している。この場合は、先端部分ａが燃料電池のセルとしての内側（図６では右側）に倒れる状態に曲げてあり、倒れ癖部１５に応力集中し易くしてある。故に、他方のセパレータ２が寄って来る組付け状態においては、その他方のセパレータ２の段差面２ｂに押されたビード部１３Ａは、図６に仮想線で示すように、ビード部長手方向（図６では上下方向）に圧縮されながら、セル内側に倒れる方向に屈曲変位するようになる。

そして、その状態で、ガス流路２ａからの内圧が（白抜き矢印で示す）セパレータ用ガスケット１３に作用すると、その内圧はセル内側に倒れこんでいるビード部１３Ａを起そうとする力となり、それによって先端部分ａがより強く段差面２ｂに押付けられるように作用する。従って、ガスケット１３を、ビード部１３Ａの幅を狭くした「低反力型」に設定しても、前述の内圧に負けてセル外側に倒れるということはなく、寧ろ、その内圧を利用してガスケット１３の段差面２ａへの押圧力を強めることができ、シール性を向上させることに成功している。

尚、図６に示すように、ビード部１３Ａの付根部位をベース部１３Ｂに侵入するように湾曲状に凹入させた逃がし部１６を形成しておけば、ビード部１３Ａの倒れ変位による応力集中を緩和でき、クラック等の損傷の発生を未然に防止し得る利点がある。

また、倒れ癖部１５としては、図８（ａ）に示すように、ビード部１３Ａを、一方の縦面を垂直に、かつ、他方の縦面を傾斜させて、即ち、片傾斜させて先窄まり形状とする形状設定手段でも良い。この手段では、他方のセパレータの段差面２ｂによるビード部１３Ａの押圧点が、最初からセル内側に偏っていることになり、その押圧点の幅方向中心からの位置ずれ、及び略三角形状のビード部１３Ａの形状面から、組付け状態では、図８（ａ）に仮想線で示すように、ビード部１３Ａは必ずセル内側に倒れ込むようになる。

さらに、倒れ癖部１５としては、図８（ｂ）に示すように、ビード部１３Ａの根元部分におけるいずれかの側（セル内側）に、横向きに凹入するように形成された切欠きとしても良い。この場合には、組付けに伴ってビード部１３Ａがその長手方向に圧縮されると、切欠き１５部位において応力集中し、やはり、ビード部１３Ａはセル内側に向けて倒れるようになる。

燃料電池用シール構造としては、図７に示す構成としても良い。即ち、基本的には図５に示す構造を踏襲したエアクッション併合構造による「低反力型」ガスケット１３とするものであり、違いとしては、次の２点である。一つは、ガスケット１３におけるビード部１３Ａの裾野部分に、ベース部１３Ｂの上面よりも下方に凹入する逃し溝（逃がし部の一例）１６を形成した点であり、もう一つは、一方のセパレータ２の段差面２ｂに形成された空間部１４の両端を跨ぐ状態の切欠き溝１７を、ベース部１３Ｂの接着側面に形成した点である。

そして、逃がし溝１６の存在により、ビード部１３Ａが前述の内圧によって傾くことに起因して、ビード部１３Ａの付根部分に亀裂が生じることが回避できるとともに、切欠き溝１７の存在により、ベース部１３Ｂの下面が、空間部分１４の存在によって形成された段差面２ｂのピン角２ｐに擦れて損傷する不都合が回避できる。

また、これら逃し溝１６と切欠き溝１７との存在によりビード部１３Ａ下方のベース部１３Ｂの厚さが薄くなってバネ定数が下がるので、ビード部１３Ａの幅を狭くすることなく、又は僅かに狭めるだけで、前述した内圧によるビード部１３Ａの倒れが起きないようにしながら、「低反力型」ガスケット１３を構成できるという利点が得られる。

燃料電池の概略構造を示す全体斜視図 燃料電池の端部構造を示す一部切欠き側面図 組付け前におけるシール構造を示す燃料電池の部分断面図（実施例１） 組付け後におけるシール構造を示す燃料電池の部分断面図（実施例１） 実施例２によるシール構造を示す断面図 実施例３によるシール構造を示す断面図 実施例４によるシール構造を示す断面図 （ａ）、（ｂ）共に、倒れ癖部の別構造を示すガスケットの断面図 従来ガスケットにおける一般的断面形状と低反力型断面形状との比較を示す図 従来の低反力ガスケットに内圧が作用した状態を示す断面図

符号の説明

２ 板状体
２Ｕ 受止部
１３ ガスケット
１３Ａ ビード部
１３Ｂ ベース部
１４ 空間部
１５ 倒れ癖部
１６ 逃し部
ａ 先端部分

Claims (2)

1. セルを構成する複数の板状体のうちの対向するものどうしの間に、これら両板状体どうしの間をシールすべく弾性材製のガスケットを介装してある燃料電池用シール構造であって、
   前記ガスケットの断面形状を、前記対向する板状体のうちの一方の板状体に固着される薄肉幅広状のベース部と、このベース部の幅方向の中間部において他方の板状体に向って突出するビード部とを有した山形に設定するとともに、前記ベース部の幅方向で中間の位置においては、前記ベース部とこれが固着される部分の一方の板状体に、密閉状の空間部が形成されている燃料電池用シール構造。
2. 請求項１において、
   前記ガスケットにおける前記ビード部の裾野部分に、前記ベース部の上面よりも下方に凹入する逃し部を形成してある燃料電池用シール構造。

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