JP4826716B2

JP4826716B2 - 燃料電池用ガスケット

Info

Publication number: JP4826716B2
Application number: JP2005170573A
Authority: JP
Inventors: 哲也浦川; 慶宏蔵野; 雄一黒木
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: JP2006344541A

Description

本発明は、電解質膜と電極層とを備えたＭＥＡに接着されセパレータに装着されるガスケットリップが樹脂フィルムに一体化された燃料電池用ガスケットに関する。

一般に、燃料電池は高分子電解質膜の両側にアノード用およびカソード用の多孔質触媒電極層が形成されたＭＥＡ（反応電極部）が、ガスケットを介してセパレータに挟持されて単セルを構成し、該単セルが複数段積層されてスタックを構成する。この場合、必要に応じて単セルのＭＥＡとセパレータの間にガス拡散層を設け、また単セル間に冷却層を設けることが行なわれている。

前記の燃料電池に装着されるガスケットは、組立作業性の問題から予めセパレータに直接成形または接着により一体化されるか、またはＭＥＡまたはガス拡散層に直接成形または接着により一体化されて装着されることが多いが、ＭＥＡにガスケットを一体化する場合は、ＭＥＡは薄いシート状であるため操作性に劣り、一体化するときの作業性に劣るとの問題点があった。そのため本発明者らは、下記特許文献１において、予めガスケットをフィルム状に成形した樹脂フィルムに一体化した樹脂フィルム一体形ガスケットをＭＥＡに貼り付けることで、ＭＥＡにガスケットを一体化するときの作業性の改善を提案している。

一方、燃料電池の各セルにおける発電は、水素ガスまたはメタノール等の燃料ガスをアノード側多孔質触媒電極層に、酸素を含む酸化ガスをカソード側多孔質触媒電極層にそれぞれ供給することにより行われる。そのため、一般にセパレータには、積層された各セルにガスを供給するためのマニホールド穴が設けられ、マニホールド穴から各単セルにガスを分配するため各単セルの発電部ガス流路とを結ぶ連絡流路が設けられている。該連絡流路は、マニホールド穴と発電部ガス流路とを結ぶ溝をセパレータに設け、その上に樹脂や金属で成形された流路形成用プレートを配置することで形成される。

また、燃料電池は、より小型化が実用化に向けた大きな課題であり、そのためにはガスケットリップの厚みを極力なくすことが望まれている。一般にガスケットリップの厚みをなくすためには、ガスケットリップに沿ってセパレータに溝部を設けることにより行われているが、前記樹脂フィルム一体ガスケットを上記流路形成用プレートを配置した連絡流路を有するセルに装着した場合、流路形成用プレート上にもガスケットリップが配置されるため、押圧されて圧縮されたガスケットリップの厚さ分だけセルが厚くなるとの問題点があった。

なお、下記特許文献２では、このような問題を解決するためにガスケットリップをセパレータに一体化したセパレータ一体形ガスケットにおいて、流路形成用プレート部に当接するガスケットリップの形状をその他の部分と異ならせることが提案されているが、セパレータ一体形ガスケットでは、ガスケットリップ先端の高さは全て等しく特に成形上の問題点は生じない。しかし、図８に示すように、樹脂フィルム一体形ガスケット１００をＭＥＡ１０１に貼り付けたＭＥＡ一体形ガスケットでは、ガスケットリップ１０２先端の高さを溝部に配置される箇所１０３と流路形成用プレートに配置される箇所１０４で異ならせる必要がある。したがって、ガスケットリップ１０２先端の高さが異なる位置での成形精度が悪い場合には、この部分より漏れが生じることが予想されるため、ガスケットリップ１０２の成形精度を確保するという難易度の高い作業が必要であった。

また、下記特許文献３では、ＭＥＡの周囲を樹脂フレームシートで固定し、該樹脂フレームシートにガスケットを直接成形したＭＥＡ一体形ガスケットにおいて、マニホールド部と発電部ガス流路とを結ぶ連絡流路にはガスケットリップが形成されていないように解されるが、この場合における樹脂フレームシートの厚さは約１ｍｍと厚く、かなりの剛性を有するものである。したがって、該樹脂フレームシートは流路形成用プレート部の役割を兼ねて連絡流路部を形成させているものと推察される。また、流路形成用プレート部を別体で配置し、これを剛性の高い樹脂フレームシートで押圧した場合、微小な反りやうねりを有し平面度が必ずしも高くないセパレータに合わせても合わせ面全体に一様に接するようにすることが難しく、連絡流路部でセパレータ若しくは流路形成用プレートと樹脂フレームシートとの剛体同士が密着する可能性が低く、シール性の点で問題があると推察される。更に、流路形成用プレートの上面部とセパレータ表面との高さが異なった場合、樹脂フレームシートの剛性が高いため、流路形成用プレートの上面部がセパレータ表面より低いときは、樹脂フレームシートの流路形成用プレートへの当接が不十分となりシール性が確保されず、逆に流路形成用プレートの上面部が高いときには、該部分への荷重が過大となり、セパレータの割れ等の不具合や、該当接部周囲のガスケットリップ部の押圧が不十分となりシール性が低下するとの問題点が推察される。

特開２００３−０５６７０４公報特開２００３−１９７２４９公報特開２００２−２３１２７４公報

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、ＭＥＡの両面に接着されてセパレータとの間に装着される樹脂フィルムにガスケットリップが一体化された燃料電池用ガスケットにおいて、セルの薄型化を図ることができると共に、難易度の高い作業を伴わないでシール性の向上を図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目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る燃料電池用ガスケットは、セパレータの平面上に燃料供給または排出用のマニホールド穴および発電部ガス流路を設け、同じく前記セパレータの平面上に前記マニホールド穴および発電部ガス流路をそれぞれ取り囲むとともにこれらを仕切るように堰部を設け、前記マニホールド穴および発電部ガス流路間の堰部に前記堰部を横切るガス通路として複数の導入溝よりなる連絡流路を設け、前記複数の導入溝よりなる連絡流路の上面に取付用凹部を設け、前記取付用凹部に流路形成用プレートを組み合わせ、前記取付用凹部に組み合わせた流路形成用プレートはその上面が前記堰部の上面と面一状に並べられ、前記堰部のうち前記取付用凹部を設けた以外の部分にガスケット装着溝を設けた燃料電池に組み付けられる燃料電池用ガスケットであって、当該燃料電池用ガスケットは、前記堰部に対応してＭＥＡの両面に接着された樹脂フィルムと、前記樹脂フィルムの平面上に一体成形されたガスケットリップとを備え、ただし当該燃料電池用ガスケットのうち前記ガスケット装着溝に配置される部分には前記ガスケットリップが設けられているが、前記流路形成用プレートに配置される部分には前記ガスケットリップが設けられていないことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に係る燃料電池用ガスケットは、請求項１に記載の燃料電池用ガスケットを燃料電池に装着したとき、前記流路形成用プレートに前記ガスケットリップは当接せず前記樹脂フィルムのみが当接し、前記流路形成用プレートと前記樹脂フィルムとの当接部は前記ＭＥＡを介して反対側に位置するガスケットリップの反力の押圧によりシールされることを特徴とするものである。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明の燃料電池用ガスケットはガスケットリップが樹脂フィルムに一体化されているので、ＭＥＡと一体化するときに薄いシート状のＭＥＡに容易に一体化することができると共に、一体化されたＭＥＡの周囲は樹脂フィルムで補強されているので、ＭＥＡの取り扱い性に優れる。

更に、樹脂フィルムに一体化されるガスケットリップに段差を設ける必要がないので簡易な作業で成形を行うことがでると共に、精度が低いと漏れの原因になる段差がないのでシールの信頼性を上げることができる。

また、ＭＥＡとセパレータとの組付けの際に、流路形成用プレートとの当接部にはガスケットリップが形成されていないのでセルの薄型化を図ることができ、しかも、該当接部では流路形成用プレートと樹脂フィルムとが当接するので、シール性を確保することができる。更に、該当接部はＭＥＡを介して反対側に位置するガスケットリップの反力の押圧でシールを行っているので、所望の範囲でシール面圧を得ることができる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示して説明する。ただし、この発明の範囲は、特に限定的記載がないかぎりは、この実施の形態に記載されている内容に限定する趣旨のものではない。

図１は、セパレータの連絡流路が形成されている面を上にした状態の平面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ線の拡大断面図を示し、図３は、図１におけるＢ−Ｂ線の拡大断面図を示している。図４は、図１に示したセパレータに挟持されるＭＥＡと一体となった本発明に係る燃料電池用ガスケットの合わせ面を上にした状態を示す平面図であり、図５は、図４におけるＡ−Ａ線の拡大断面図を示し、図６は、図４におけるＢ−Ｂ線の拡大断面図を示している。また、図７は、図２と図５とを合わせた状態を示す断面図である。

先ずセパレータ１は、図１乃至図３に示す通りであり、以下のように構成されている。すなわち、このセパレータ１の平面隅部に水素ガスまたはメタノール等の燃料ガスを供給する燃料供給用マニホールド穴１１と燃料排出用マニホールド穴１２がセパレータ１を厚さ方向に貫通するようにそれぞれ対をなして設けられている。セパレータ１の一の面１Ａにおいて燃料供給用マニホールド穴１１から平面中央の発電部ガス流路１３を経由して燃料排出用マニホールド穴１２へ流体が流通するように、燃料供給用マニホールド穴１１と発電部ガス流路１３との間の堰部１４に連絡流路１５が設けられると共に、発電部ガス流路１３と燃料排出用マニホールド穴１２との間の堰部１４にも同じく連絡流路１５が設けられている。

連絡流路１５は、堰部１４を横切るように複数の導入溝１６が平行に設けられ、各導入溝１６をトンネル状にすべく連絡流路１５の上面に樹脂製または金属製のプレート状の流路形成用プレートを組み合わせるための取付用凹部１７が設けられている。なお、この取付用凹部１７の深さと流路形成用プレートの厚さとが調整されることにより、流路形成用プレートは取付用凹部１７に組合された状態でその上面がセパレータ１の堰部１４の上面と面一状若しくは略面一状になる。また、セパレータ１の堰部１４に連絡流路１５と取付用凹部１７を設けた以外の部分には断面矩形状のガスケット装着溝１８が設けられている。

次に燃料電池用ガスケット３は、図４乃至図６に示す通りであり、以下のように構成されている。すなわち高分子電解質膜４１と多孔質触媒電極層４２とを備えたＭＥＡ（反応電極部）４の両面（４Ａ，４Ｂ）に、ゴム状弾性体のガスケットリップ３２と樹脂製の樹脂フィルム３１とが一体となった燃料電池用ガスケット３が図示しない接着剤を介して接着している。この場合に、連絡流路１５が形成されているセパレータ１の一の面１Ａと接するＭＥＡ４の一の面４Ａに接着している燃料電池用ガスケット３は、流路形成用プレート上に配置されるガス導入部３３に、ガスケットリップ３２が設けられていない。しかし、ＭＥＡ４の他の面４Ｂに接着している燃料電池用ガスケット３は、ガス導入部３３のＭＥＡを介して反対側部３４にもガスケットリップ３２が設けられている。

すなわち、図７に示す通り、ＭＥＡ４の一の面４Ａに接着しセパレータ１の一の面１Ａに接する燃料電池用ガスケット３は、流路形成用プレート２上に配置されるガス導入部３３にガスケットリップが設けられていないので樹脂フィルム３１のみが流路形成用プレート２と当接するように設けられていて、流路形成用プレート２と樹脂フィルム３１との当接部のＭＥＡ４を介して反対側である反対側部３４には、樹脂フィルム３１と一体となったガスケットリップ３２が設けられている。

したがって、上記構成においては、ガスケットリップ３２が樹脂フィルム３１に一体化されているので、ＭＥＡ４と一体化するときに薄いシート状のＭＥＡ４に容易に一体化することが可能となるとと共に、一体化されたＭＥＡ４の周囲は樹脂フィルムで補強されることになるので、燃料電池用ガスケット３をセパレータに一体化して装着作業をするより、ＭＥＡ４に一体化して装着作業した方が、ＭＥＡ４の取り扱い性に優れる。

更に、樹脂フィルム３１に一体化されるガスケットリップ３２に段差を設ける必要がないので簡易な作業で成形を行うことがでると共に、精度が低いと漏れの原因になる段差がないのでシールの信頼性を上げることが可能となる。

また、ＭＥＡ４とセパレータ１との組付けの際に、ガス導入部３３である流路形成用プレート２上に配置される部分にはガスケットリップが形成されていないのでセルの薄型化を図ることができる。しかも、ガス導入部３３で流路形成用プレー２トと樹脂フィルム３１とが当接したとき、樹脂フィルム３１は柔軟性を有するＭＥＡ４に接着しある程度の柔軟性を有しているので、セパレータ１や流路形成用プレート２の平面度が多少悪くとも追随性に優れ、したがって、流路形成用プレート２がゴム弾性体のガスケットリップでない樹脂フィルム３１と接触してもシール性を確保することが可能となる。更に、柔軟性をある程度残す構成であるので、流路形成用プレート２と樹脂フィルム３１との当接部において、ＭＥＡ４を介して反対側に位置する反対側部３４のガスケットリップ３２の反力を該当接部に伝えることができ、例えセパレータ１表面と流路形成用プレート２上面で多少高さのずれが生じても、所望の範囲でシール面圧を得ることが可能となる。

なお、ガスケットリップ３２の高さとセパレータ１に設けるガスケット装着溝１８の深さの関係は、スタック組立て時にガスケットリップ３２の圧縮率が３０〜５０％の範囲に設定されるのが好適である。

また、流路形成用プレート２の厚さは、理想的にはセパレータ１の表面と流路形成用プレート２の上面部が完全に一致することが望ましいが、本件の柔軟性を有するＭＥＡ一体型ガスケットにおいては、多少の段差を吸収することができ、シール性を考慮すると、その段差の許容範囲は±１００μｍ以下，好ましくは±２０μｍ以下が好適である。

なお、本実施例では、ＭＥＡ４をセパレータ１で挟持した構成であるが、ＭＥＡ４とセパレータ１との間にガス拡散層を設け、またセルを積層する間に冷却層を適宜設けても良い。

本発明に係る燃料電池用ガスケットを挟持するセパレータの平面図図１におけるＡ−Ａ線の拡大断面図図１におけるＢ−Ｂ線の拡大断面図本発明に係るＭＥＡと一体となった燃料電池用ガスケットの平面図図４におけるＡ−Ａ線の拡大断面図図４におけるＢ−Ｂ線の拡大断面図図２と図５とを合わせた状態を示す断面図従来例のＭＥＡと一体となった燃料電池用ガスケットの平面図

符号の説明

１セパレータ
１１，１２マニホールド穴
１３発電部ガス流路
１４堰部
１５連絡流路
１６導入溝
１７取付用凹部
１８ガスケット装着溝
２流路形成用プレート
３燃料電池用ガスケット
３１樹脂フィルム
３２ガスケットリップ
４ＭＥＡ
４１電解質膜
４２電極層

Claims

セパレータ（１）の平面上に燃料供給または排出用のマニホールド穴（１１）（１２）および発電部ガス流路（１３）を設け、同じく前記セパレータ（１）の平面上に前記マニホールド穴（１１）（１２）および発電部ガス流路（１３）をそれぞれ取り囲むとともにこれらを仕切るように堰部（１４）を設け、前記マニホールド穴（１１）（１２）および発電部ガス流路（１３）間の堰部（１４）に前記堰部（１４）を横切るガス通路として複数の導入溝（１６）よりなる連絡流路（１５）を設け、前記複数の導入溝（１６）よりなる連絡流路（１５）の上面に取付用凹部（１７）を設け、前記取付用凹部（１７）に流路形成用プレート（２）を組み合わせ、前記取付用凹部（１７）に組み合わせた流路形成用プレート（２）はその上面が前記堰部（１４）の上面と面一状に並べられ、前記堰部（１４）のうち前記取付用凹部（１７）を設けた以外の部分にガスケット装着溝（１８）を設けた燃料電池に組み付けられる燃料電池用ガスケット（３）であって、
当該燃料電池用ガスケット（３）は、前記堰部（１４）に対応してＭＥＡ（４）の両面に接着された樹脂フィルム（３１）と、前記樹脂フィルム（３１）の平面上に一体成形されたガスケットリップ（３２）とを備え、ただし当該燃料電池用ガスケット（３）のうち前記ガスケット装着溝（１８）に配置される部分には前記ガスケットリップ（３２）が設けられているが、前記流路形成用プレート（２）に配置される部分には前記ガスケットリップ（３２）が設けられていないことを特徴とする燃料電池用ガスケット。
請求項1に記載の燃料電池用ガスケットを燃料電池に装着したとき、
前記流路形成用プレートに前記ガスケットリップは当接せず前記樹脂フィルムのみが当接し、前記流路形成用プレートと前記樹脂フィルムとの当接部は前記ＭＥＡを介して反対側に位置するガスケットリップの反力の押圧によりシールされることを特徴とする燃料電池用ガスケット。