JP4678123B2

JP4678123B2 - ガスケット

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Publication number: JP4678123B2
Application number: JP2003375132A
Authority: JP
Inventors: 慶宏蔵野; 岳士真下
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2023-11-05
Also published as: EP1717494A4; KR20060038356A; US20060131819A1; US20090075143A1; EP1717494A1; WO2005024279A1; JP2005098476A; US8304119B2; KR101142651B1; EP1717494B1

Description

本発明は、固定部材間を密封するガスケットであって、特に、燃料電池のセパレータやＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ装置）のトップカバーの密封手段として適用可能なガスケットに関する。

燃料電池は、高分子電解質膜を一対の触媒電極層で挟んだＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜・電極複合体）と、カーボン製のセパレータとからなる燃料電池セルを多数、多い場合は数百枚積層したスタック構造をとっている。そして、酸化ガス（酸素）が各セパレータの一方の面に形成された酸化ガス流路から一方の触媒電極層に供給され、水素が各セパレータの他方の面に形成された燃料ガス流路から他方の触媒電極層に供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と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。

図７は、燃料電池の一部を示す断面図で、１０１は高分子電解質膜、１０２Ａ，１０２Ｋはその両側の触媒電極層、１０３はセパレータである。セパレータ１０３には、ゴム状弾性材料からなるガスケット１０４が設けられており、そのシール凸条１０４ａが高分子電解質膜１０１に密接することによって、触媒電極層１０２Ａ，１０２Ｋに供給される水素ガスや酸化ガスが外部へ漏洩するのを防止している。従来、この種のガスケット１０４は、成形後、セパレータ１０３に接着剤１０５を介して接着することが知られている。

ここで、セパレータ１０３は、触媒電極層１０２Ａ，１０２Ｋに供給されるガスを密封する作用のほか、触媒電極層１０２Ａ，１０２Ｋからの集電板としての作用も有し、高分子電解質膜１０１等の両側のセパレータ１０３は、それぞれ陰極及び陽極となるので、絶縁しておく必要がある。このため、従来は、例えば下記の特許文献１〜３に記載されているように、ＭＥＡによる発電部の周囲で、セパレータ間に絶縁手段を設けている。すなわち、特許文献１に記載された絶縁手段においては、高分子電解質膜の外周縁をセパレータの外周縁と同形同大とすることによって、この高分子電解質膜でセパレータ間の絶縁を図っている。また、特許文献２あるいは特許文献３に記載されたもののように、高分子電解質膜の大きさが発電領域の周縁部までに限定されている場合は、高分子電解質膜の外周側で、セパレータ間にシート状の絶縁層を介在させている。
特開２００３−１９７２４９特開２００１−２８３８９３特開２００２−１５８０１８

しかしながら、図７のような構造によれば、セパレータ１０３（又は高分子電解質膜１０１）とガスケット１０４とを接着している接着剤１０５の層が途切れた部分があると、そこで漏れを発生するため、接着剤１０５は、接着面の全周に塗布している。ところが、接着剤１０５の一部が符号１０５ａで示されるようにガスケット１０４の接着面からはみ出して、ガス流路に大量に露出していると、接着剤１０５からの溶出成分によって、電池性能に悪影響を及ぼすことがあった。

また、特許文献１のような構造によれば、高価な高分子電解質膜を発電に供しない部分まで面積を広げているため、コストが高くなってしまう問題がある。この点、特許文献２あるいは特許文献３のものは、このような問題はないが、シート状の絶縁層に別体のガスケットリップ（線状突起）を設けており、この場合、ガスケットリップを、ずれ防止や密封性の観点から、シート状絶縁層に接着剤を用いて接着している。したがって、図７に示されるものと同様に、接着剤の一部がガス流路等に露出し、接着剤からの溶出成分によって、電池性能に悪影響を及ぼすおそれがあった。また、長期間の使用においては、絶縁層とガスケットリップの接着剥がれを生じて、密封性を損なうおそれもあった。

本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、燃料電池のセパレータ等、板体に接着されるガスケットにおいて、接着手段からの溶出成分による影響を抑制することにある。

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の発明に係るガスケットは、板体に接着されるガスケットにおいて、ゴム状弾性体単体からなり、接着対象板体と密接される背面シール部と、この背面シール部に対して密封対象空間と反対側となる位置にあって接着剤の塗布により前記接着対象板体に接着される接着部と、前記背面シール部と接着部との間に凹設されて余剰接着剤を保持する接着剤溜りを有するものである。

請求項２の発明に係るガスケットは、請求項１に記載の構成において、背面シール部が主リップの背面に形成されたものである。

請求項３の発明に係るガスケットは、請求項１又は２に記載の構成において、背面シール部が、接着対象板体に形成されたガスケット装着溝の底部に密接されるものである。

請求項４の発明に係るガスケットは、請求項３に記載の構成において、主リップと背面シール部の間の部分から前記背面シール部に対して密封対象空間と反対側へ突出した延長部を有し、この延長部の背面が接着部となっており、前記延長部の先端に、互いに近接配置される他のガスケットにおける延長部の先端に凹面と凸面同士で密嵌可能な密嵌部が形成されたものである。

請求項１の発明に係るガスケットによれば、その接着部（接着剤）と密封対象空間との間が、背面シール部によって密封されるため、密封対象空間へ接着剤中の含有成分が溶出するのを有効に防止することができ、例えば燃料電池用セパレータのガスケットとして適用した場合に、密封対象空間である酸化ガス流路又は燃料ガス流路中への成分溶出による悪影響を有効に防止することができ、しかも接着部と接着対象板体との間から背面シール部側へはみ出そうとする余剰接着剤は、接着剤溜りに保持されるため、密封対象空間側への余剰接着剤のはみ出しを、確実に防止することができる。また、接着対象板体との固定側での密封は背面シール部によって行い、接着剤による密封性に依存するものではないため、接着剤の使用量を削減できると共に、溶出成分の量も抑制することができる。

請求項２の発明に係るガスケットは、背面シール部が主リップのつぶし代による反力を受けるので、接着対象板体との密接力が増大し、接着部（接着剤）と密封対象空間との間での密封性を一層向上することができる。

請求項３の発明に係るガスケットは、ガスケットの背面シール部が、接着対象板体に形成されたガスケット装着溝によって位置決めされるので、ガスケットを安定的に固定することができる。

請求項４の発明に係るガスケットによれば、接着対象板体に互いに近接配置される複数のガスケットを装着する場合、一方のガスケットにおける延長部の先端と他方のガスケットにおける延長部の先端を凹面と凸面同士で密嵌させた状態で、双方の延長部の背面の接着部を接着することができる。

以下、本発明に係る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説明する。まず図１は、本発明に係るガスケットを燃料電池用ガスケットとして適用した第一の形態を単体で示す部分的な断面斜視図、図２は、同じく装着状態で示す部分的な断面斜視図である。なお、以下の説明においては、「背面」とは、ガスケット１における主リップ１１と反対側を向いた面、すなわちセパレータ３側を向いた面のことである。

すなわち、この形態によるガスケット１は、請求項１〜３に対応する構成を備えるもので、図２に示されるように、接着剤２を介して燃料電池のセパレータ３に接着され、このセパレータ３と高分子電解質膜４との間に介在して、不図示の触媒電極層へ水素ガス又は酸化ガス（酸素）を供給するための燃料ガス流路又は酸化ガス流路等の密封対象空間Ｓから、燃料ガス又は酸化ガスが漏出するのを防止するものであって、ゴム状弾性材料、好ましくはＶＭＱ（シリコーンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、あるいはＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）等から選択されるゴム状弾性材料で成形されている。なお、セパレータ３は、請求項１に記載された接着対象板体に相当するものであって、カーボンで成形されており、導電性を有する。

そして図１に示されるように、ガスケット１は、山形に突出した主リップ１１と、その背面側に突出した背面シール部１２と、主リップ１１と背面シール部１２の間の部分から密封対象空間Ｓと反対側へ突出した延長部１３と、この延長部１３の背面側に突出形成された接着部１４とを有する。また、背面シール部１２と接着部１４との間には、溝状の接着剤溜り１５が凹設されている。

一方、図２に示されるように、セパレータ３には、ガスケット１の装着位置と対応して延びる矩形断面のガスケット装着溝３１が形成されている。このガスケット装着溝３１は、ガスケット１における背面シール部１２及び接着部１４を収容可能な幅に形成されている。すなわちガスケット１は、その延長部１３の端部と接着部１４との間の段差部１６において、ガスケット装着溝３１における密封対象空間Ｓと反対側の溝肩３２に位置決めされた状態で、背面シール部１２が、ガスケット装着溝３１の底部３１ａのうち、密封対象空間Ｓ寄りの位置に密接され、接着部１４が、ガスケット装着溝３１の底部３１ａのうち、密封対象空間Ｓと反対側寄りの位置に、接着剤２を介して接着されるようになっている。

上述の構成において、ガスケット１をセパレータ３に接着する際には、まずセパレータ３におけるガスケット装着溝３１の底部３１ａのうち、密封対象空間Ｓと反対側寄りの位置に、接着剤２を塗布し、ガスケット１の接着部１４を、段差部１６において、ガスケット装着溝３１の密封対象空間Ｓと反対側の溝肩３２に位置決めした状態で、接着剤２の塗布面に押し付けて接着する。このとき、余剰接着剤２ａは、接着部１４の両側へはみ出すが、接着部１４と背面シール部１２との間には接着剤溜り１５が凹設されているので、接着部１４から背面シール部１２側へ向けてはみ出した余剰接着剤２ａは、接着剤溜り１５内に保持され、背面シール部１２側への介入が有効に防止される。

また、ガスケット１は、その主リップ１１が、図２に一点鎖線で示される高分子電解質膜４に、所要のつぶし代をもって密接されるので、その反力によって、主リップ１１の背面側に形成された背面シール部１２も、適当な面圧でガスケット装着溝３１の底部３１ａに密接される。このため、接着剤溜り１５内の余剰接着剤２ａからの溶出成分が、密封対象空間Ｓへ放出されるのを有効に防止することができる。なお、高分子電解質膜４は、その厚さ方向両側に不図示の触媒電極層（燃料極及び空気極）が設けられ、ＭＥＡを構成している。

また、接着対象板体であるセパレータ３との固定側での密封は、背面シール部１２によって行われ、前記底部３１ａと接着部１４との間に介在する接着剤２には依存されない。したがって、接着剤２は、ガスケット１の固定に必要な量であれば、必ずしも前記底部３１ａの全周に塗布する必要はなく、したがって接着剤２の使用量を削減することができると共に、接着剤２からの溶出成分の量も抑制することができる。そして、接着剤２を前記底部３１ａの全周に塗布した場合は、背面シール部１２と接着部１４の双方で密封を行うことになるため、二重シール作用によって、密封対象空間Ｓに対する密封性を著しく高いものとすることができる。

次に図３は、本発明に係るガスケットを燃料電池用ガスケットとして適用した第二の形態を装着状態で示す部分的な断面斜視図である。この形態も、基本的には請求項１〜３に対応する構成を備えるものであって、主リップ１１と背面シール部１２の間の部分から密封対象空間Ｓと反対側へ突出した延長部１３のフラットな背面が、接着部１４となっており、セパレータ３のガスケット装着溝３１は、ガスケット１の背面シール部１２を収容可能な幅に形成されている。

すなわち、ガスケット１の接着部１４は、ガスケット装着溝３１の密封対象空間Ｓと反対側の溝肩３２に、接着剤２を介して接着される。接着剤溜り１５は、背面シール部１２と接着部１４との間に段差溝状に形成されており、溝肩３２に接着剤２を塗布して接着部１４を接着する際に、溝肩３２と接着部１４との間から背面シール部１２側へはみ出した余剰接着剤２ａは、ガスケット装着溝３１の密封対象空間Ｓと反対側の端部３１ａと接着剤溜り１５との間に保持され、背面シール部１２側への介入が有効に防止される。したがって、第一の形態と同様の効果が実現される。

次に図４は、本発明に係るガスケットを燃料電池用ガスケットとして適用した第三の形態を装着状態で示す部分的な断面斜視図である。この形態のガスケット１は、請求項１〜２に対応する構成を備えるもので、一点鎖線で示される高分子電解質膜４に所要のつぶし代をもって密接される山形の主リップ１１と、その背面側に突出形成された複数条の背面シール部１２と、主リップ１１の基部から密封対象空間Ｓと反対側へ突出した延長部１３と、この延長部１３の背面側に前記背面シール部１２と並列的に突出形成された接着部１４とを有する。また、背面シール部１２と接着部１４との間には、溝状の接着剤溜り１５が凹設されている。

一方、接着対象板体であるセパレータ３には、図２又は図３のようなガスケット装着溝が形成されておらず、ガスケット１の接着部１４は、図示されていない高分子電解質膜と対向するセパレータ３のフラットな表面３ａに、接着剤２を介して接着されると共に、その密封対象空間Ｓ側に位置する背面シール部１２が密接される。接着の際に、セパレータ３の表面３ａと接着部１４との間から背面シール部１２側へはみ出した余剰接着剤２ａは、接着剤溜り１５に保持され、背面シール部１２への介入が有効に防止される。したがって、第一の形態と同様の効果が実現される。

ここで、図５は、ガスケット１を取り付けたセパレータ３の表面を示す図である。図中の参照符号３３は、セパレータ３の表面に形成されて燃料ガス又は酸化ガスを流す多数の流路溝であり、３４は、セパレータ３に開設されて流路溝３３と連通するマニホールド、３５，３６は、セパレータ３に開設されて、それぞれ不図示の流路溝に連通されたマニホールドである。

図５に示されるセパレータ３において、ガスケット１は、流路溝３３の形成領域及びマニホールド３４の開口部を取り囲むように設けられたものと、マニホールド３５の開口部を取り囲むように設けられたものと、マニホールド３６の開口部を取り囲むように設けられたものを有する。そして、参照符号VIで示される部分では、流路溝３３の形成領域及びマニホールド３４の開口部を取り囲むガスケット１とマニホールド３５の開口部を取り囲むガスケット１の一部、又は流路溝３３の形成領域及びマニホールド３４の開口部を取り囲むガスケット１と、マニホールド３６の開口部を取り囲むガスケット１の一部が、互いに近接した状態で平行に延びている。

図６は、本発明に係るガスケットを燃料電池用ガスケットとして適用した第四の形態を装着状態で示す部分的な断面斜視図である。この形態によるガスケット１は、基本的には請求項１〜４に対応する構成を備えるものであって、上述した図５におけるVI部のように、互いに近接した状態で平行に延びる部分のある場合に好適に適用されるものである。すなわち、図６に示されるガスケット１Ａ，１Ｂは、それぞれ異なる流体を密封対象とするものであって、例えば一方のガスケット１Ａによる密封対象空間Ｓ１は燃料ガスが流通し、他方のガスケット１Ｂによる密封対象空間Ｓ２は、酸化ガスが流通する。

ガスケット１Ａ，１Ｂは、基本的には先に説明した図３（第二の形態）と同様のものであって、すなわち山形に突出し高分子電解質膜４に所要のつぶし代をもって密接される主リップ１１Ａ，１１Ｂと、その背面側に形成された背面シール部１２Ａ，１２Ｂと、主リップ１１Ａ，１１Ｂと背面シール部１２Ａ，１２Ｂの間の部分から突出した延長部１３Ａ，１３Ｂをそれぞれ有し、延長部１３Ａ，１３Ｂのフラットな背面が、接着部１４Ａ，１４Ｂとなっている。また、一方のガスケット１Ａにおける延長部１３Ａの先端には凹面状の嵌合溝１３ａが形成され、他方のガスケット１Ｂにおける延長部１３Ｂの先端は前記嵌合溝１３ａと密嵌可能な凸面状に形成されている。

一方、セパレータ３には、ガスケット１Ａ，１Ｂの各背面シール部１２Ａ，１２Ｂの設置位置と対応して延びる矩形断面の一対のガスケット装着溝３１Ａ，３１Ｂが形成されている。このガスケット装着溝３１Ａ，３１Ｂは、前記背面シール部１２Ａ，１２Ｂを収容可能な幅に形成され、両溝３１Ａ，３１Ｂ間の間隔（溝肩３７の幅）は、ガスケット１Ａにおける延長部１３Ａの嵌合溝１３ａとガスケット１Ｂにおける延長部１３Ｂの先端を嵌合させた時の両延長部１３Ａ，１３Ｂの長さより僅かに小さいものとなっている。

すなわち、上述の構成において、ガスケット１Ａ，１Ｂをセパレータ３に接着する際には、まずセパレータ３におけるガスケット装着溝３１Ａ，３１Ｂの間の溝肩３７に接着剤２を塗布し、ガスケット１Ａにおける延長部１３Ａの嵌合溝１３ａとガスケット１Ｂにおける延長部１３Ｂの先端を嵌合させた状態で、双方の背面シール部１２Ａ，１２Ｂをそれぞれガスケット装着溝３１Ａ，３１Ｂに挿入すると共に、延長部１３Ａ，１３Ｂの背面の接着部１４Ａ，１４Ｂを、接着剤２の塗布面（溝肩３７）に押し付けて接着する。このとき、余剰接着剤２ａは、溝肩３７と接着部１４Ａ，１４Ｂの間から両側へはみ出すが、ガスケット１Ａにおける接着部１４Ａと背面シール部１２Ａとの間、及びガスケット１Ｂにおける接着部１４Ｂと背面シール部１２Ｂとの間には、それぞれ接着剤溜り１５Ａ，１５Ｂが設けられているので、はみ出した余剰接着剤２ａ，２ａは、接着剤溜り１５Ａ，１５Ｂ内に保持され、背面シール部１２Ａ，１２Ｂ側への介入が有効に防止される。

なお、上述した形態はいずれも、ガスケット１をセパレータ３側に接着しているが、高分子電解質膜４に接着され、主リップ１１がセパレータ３と密接されるものについても実施可能である。この場合、高分子電解質膜４が請求項１に記載された接着対象板体に相当することとなる。

また、上述のような形態のガスケットは、燃料電池のほかにも、例えばパソコンのハード・ディスク・ドライブ装置（ＨＤＤ）において、記憶媒体であるハード・ディスクや、このハード・ディスクに対するデータの読み出しや書き込みを行うヘッド及びこれを駆動するアクチュエータ等を収容するケースを密閉する、ガスケット一体型トップカバーのガスケット等にも実施することができる。

本発明に係るガスケットを燃料電池用ガスケットとして適用した第一の形態を単体で示す部分的な断面斜視図である。本発明に係るガスケットを燃料電池用ガスケットとして適用した第一の形態を装着状態で示す部分的な断面斜視図である。本発明に係るガスケットを燃料電池用ガスケットとして適用した第二の形態を装着状態で示す部分的な断面斜視図である。本発明に係るガスケットを燃料電池用ガスケットとして適用した第三の形態を装着状態で示す部分的な断面斜視図である。ガスケットを取り付けたセパレータの表面を示す図である。本発明に係るガスケットを図５におけるVI部に好適に適用される第四の形態を装着状態で示す部分的な断面斜視図である。従来の技術によるガスケットを装着した燃料電池の一部を示す断面図である。

１，１Ａ，１Ｂガスケット
１１，１１Ａ，１１Ｂ主リップ
１２，１２Ａ，１２Ｂ背面シール部
１３，１３Ａ，１３Ｂ延長部
１３ａ嵌合溝
１４，１４Ａ，１４Ｂ接着部
１５接着剤溜り
１６段差部
２接着剤（接着手段）
２ａ余剰接着剤
３セパレータ（接着対象板体）
３ａフラットな表面
３１，３１Ａ，３１Ｂガスケット装着溝
３１ａ底部
３２，３７溝肩
３３流路溝（密封対象空間）
３４〜３６マニホールド（密封対象空間）
４高分子電解質膜
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２密封対象空間

Claims

板体に接着されるガスケット（１）において、ゴム状弾性体単体からなり、接着対象板体に密接される背面シール部（１２）と、この背面シール部（１２）に対して密封対象空間（Ｓ）と反対側となる位置にあって接着剤（２）の塗布により前記接着対象板体に接着される接着部（１４）と、前記背面シール部（１２）と接着部（１４）との間に凹設されて余剰接着剤（２ａ）を保持する接着剤溜り（１５）を有することを特徴とするガスケット。
背面シール部（１２）が主リップ（１１）の背面に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のガスケット。
背面シール部（１２）が、接着対象板体に形成されたガスケット装着溝（３１）の底部（３１ａ）に密接されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスケット。
主リップ（１１Ａ，１１Ｂ）と背面シール部（１２Ａ，１２Ｂ）の間の部分から前記背面シール部（１２Ａ，１２Ｂ）に対して密封対象空間（Ｓ）と反対側へ突出した延長部（１３Ａ，１３Ｂ）を有し、この延長部（１３Ａ，１３Ｂ）の背面が接着部（１４Ａ，１４Ｂ）となっており、前記延長部（１３Ａ，１３Ｂ）の先端に、互いに近接配置される他のガスケットにおける延長部（１３Ｂ，１３Ａ）の先端に凹面と凸面同士で密嵌可能な密嵌部が形成されたことを特徴とする請求項３に記載のガスケット。