JP4896508B2 - Seal structure between components for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、多数枚の構成部材を層積し締結して構成される燃料電池用の構成部材間のシール構造に関する。   The present invention relates to a seal structure between constituent members for a fuel cell configured by stacking and fastening a large number of constituent members.

従来より、固体高分子形等のイオン交換膜からなる電解質膜及びその両面に電極を構成する白金系触媒が担持された触媒担持層を介して積層一体とされたGDL(Gas Diffusion Layer)からなるMEA(Membrane Electrode Assembly)と、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスの供給溝及び反応発熱の冷却用LLC供給溝が形成されたセパレータと、MEAとセパレータ間、セパレータ同士の間をシールするガスケットとから単位セルが構成され、この単位セルを多数枚層積(スタック)し、締結一体として構成される燃料電池が知られている。   Conventionally, it is composed of a GDL (Gas Diffusion Layer) integrated with an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane such as a solid polymer type and a catalyst support layer on which platinum-based catalysts constituting electrodes are supported. Seals between MEA (Mebrane Electrode Assembly), a separator in which a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas supply groove containing oxygen and an LLC supply groove for cooling reaction heat are formed, and between the MEA and the separators. 2. Description of the Related Art A fuel cell is known in which a unit cell is configured from a gasket, a large number of unit cells are stacked, and the unit cell is configured as a fastening unit.

このような燃料電池用の構成部材間のシール構造としては、下記特許文献1に記載のものがある。下記特許文献1には、セパレータ(プレート)にガス及び液体用の流路が設けられるとともに、ガスケット装着用の溝が設けられているものが開示されており、ガスケットの側面と溝の側壁の間には、所定の大きさの間隙が設けられ、この間隙は、燃料電池の組み立て中にガスケットが圧縮されたときに、ガスケットが溝内で横方向に弾性変形するのを妨げないように設定されている。これはここで用いられるゴム等のエラストマー材料が弾性反力に優れたものであるため、単位セルを多数枚層積し締結一体とした場合に、ガスケットが溝内に埋まってしまい、ガスケットの弾力性を失い密封性が失われることないように対策されたものである。   As such a sealing structure between constituent members for a fuel cell, there is one described in Patent Document 1 below. Patent Document 1 below discloses that a separator (plate) is provided with a flow path for gas and liquid and a groove for mounting a gasket is provided between the side surface of the gasket and the side wall of the groove. Is provided with a gap of a predetermined size, which is set so as not to prevent the gasket from elastically deforming laterally in the groove when the gasket is compressed during fuel cell assembly. ing. This is because the elastomer material such as rubber used here is excellent in elastic reaction force, so that when the unit cells are stacked and integrated as one piece, the gasket is buried in the groove, and the elasticity of the gasket The measures are taken so that the sealing property is not lost.

また燃料電池ではないが、シール対象の構成部材の一方に2段溝が形成されたシール構造として、下記特許文献2のものがある。下記特許文献2には、インテークマニホールド用ガスケットの凹陥溝を2段に形成し、中央の溝内にゴム状弾性体を設けた場合には、ガスケットを締め付けた際に圧縮されたゴム状弾性体が一段目の段部に逃げることができるため、ゴム状弾性体の圧縮破壊を防止することができるものが開示されている。
特開2000−249229号公報 特開平8−247292号公報
Moreover, although it is not a fuel cell, there exists a thing of the following patent document 2 as a seal structure in which the two-step groove | channel was formed in one of the structural members to be sealed. In Patent Document 2 below, when the recessed groove of the intake manifold gasket is formed in two stages and a rubber-like elastic body is provided in the central groove, the rubber-like elastic body compressed when the gasket is tightened However, it is possible to prevent the rubber-like elastic body from being compressed and broken because it can escape to the first step.
JP 2000-249229 A JP-A-8-247292

しかしながら、燃料電池用の構成部材間のシール構造において、シール対象となるMEAやセパレータ等の構成部材は、薄くて比較的脆弱なものであるので、ガスケットにより受ける反力が小さく、且つシール性に優れたものが望まれるが、上記特許文献1に記載されるようなシール構造は、ガスケットの弾性反力が大きいため、構成部材へのダメージが無視できないという問題があった。
また、上記特許文献2に記載の2段溝構造は、締め付けた際に圧縮されるゴム状弾性体の圧縮破壊を防止するための「逃げ溝」が形成されているにすぎないものである。
However, in the sealing structure between the constituent members for fuel cells, the constituent members such as MEA and separator to be sealed are thin and relatively fragile, so that the reaction force received by the gasket is small and the sealing performance is improved. Although an excellent one is desired, the seal structure as described in Patent Document 1 has a problem that damage to the constituent members cannot be ignored because the elastic reaction force of the gasket is large.
In addition, the two-step groove structure described in Patent Document 2 is merely provided with “relief grooves” for preventing compression failure of a rubber-like elastic body that is compressed when tightened.

ところで、上述のような燃料電池は、一般的に100〜400枚の単位セルを層積し締結一体として構成されるものであるが、構成部材間をシールするガスケットの反力により、該構成部材間の隙間が一定せず、単位セル毎の小さな誤差が燃料電池全体形状の大きな誤差となってしまい、形状・大きさの一定した燃料電池を構成することが難しいという問題があった。よって、積層される構成部材同士は限りなく面接状態(クリアランス0)となることが望ましいとされている。   By the way, the fuel cell as described above is generally constructed by stacking 100 to 400 unit cells and fastening them together. However, due to the reaction force of the gasket that seals between the constituent members, the constituent members The gap between them is not constant, and a small error for each unit cell becomes a large error of the overall shape of the fuel cell, which makes it difficult to construct a fuel cell having a constant shape and size. Therefore, it is desirable that the constituent members to be laminated are in an infinitely interviewed state (clearance 0).

本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、ガスケットにより構成部材が受ける反力が小さく、積層される構成部材同士を面接状態としながらも、シール性に優れた燃料電池構成用部材間のシール構造を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the reaction force received by the constituent members by the gasket is small, and between the constituent members of the fuel cell excellent in sealing properties while the constituent members to be stacked are in an interview state. The object is to provide a sealing structure.

請求項1の発明に係る燃料電池構成用部材間のシール構造は、多数枚の構成部材を層積し締結して構成されるものであって、シール対象の一方の構成部材は、ガスケット装填用第一溝と、該第一溝の両側に沿って形成された第二溝とを備え、上記第一溝には、低反力のガスケットが上記一方の構成部材の表面位置を超える盛り上がり状態で装填され、シール対象の他方の構成部材をこの一方の構成部材に合体させて締結一体とした時には、上記ガスケットの盛り上がり部分が圧縮変形されて上記第二溝に流入すると共に、シール対象の両構成部材が互いに面接状態とされ、ガスケットは、低粘度の未硬化ガスケット材を前記第一溝に注入し、第一溝の溝縁部での表面張力をして前記盛り上がり部分を形成し、この状態で硬化させてなるものであることを特徴とする。 The seal structure between the fuel cell constituent members according to the invention of claim 1 is configured by laminating and fastening a plurality of constituent members, and one constituent member to be sealed is for gasket loading. A first groove and a second groove formed along both sides of the first groove, wherein the first groove has a low reaction force gasket in a raised state exceeding the surface position of the one component member. When the other component member to be sealed is united with the one component member to be fastened together, the raised portion of the gasket is compressed and deformed and flows into the second groove, and both components to be sealed The members are in contact with each other , and the gasket is formed by injecting a low-viscosity uncured gasket material into the first groove and forming the raised portion by applying surface tension at the groove edge of the first groove. It is made by curing with And wherein the Rukoto.

本発明においては、請求項2の発明のように、ガスケット材は、粘度が5〜10Pa・sのポリイソブチレンを主材とする粘着剤からなり、硬化後の硬度がJISA35〜65°となるものとすることができる。更に請求項の発明のように、ガスケット材は、ディスペンサーにより前記第一溝に注入装填されるものとすることができる。そして、請求項の発明のように、シール対象の両構成部材は、膜−電極接合体及びセパレータとすることもでき、請求項の発明のように、溝の構成は、前記第一溝と、第二溝との間に、一方の構成部材の表面位置より低い堰部が形成されているものとすることができる。また請求項の発明のように、前記第二溝の容積は、上記ガスケット材の盛り上がり容積の100〜120%とすることができる。 In the present invention, as in the invention of claim 2, gasket material consists adhesive viscosity mainly including polyisobutylene 5~10Pa · s, the hardness after curing is JISA35~65 ° Can be. Further, as in the invention of claim 3 , the gasket material can be injected and loaded into the first groove by a dispenser. And like invention of Claim 4 , both the components to be sealed can also be a membrane-electrode assembly and a separator, and like the invention of Claim 5 , the structure of the groove is the first groove. And the weir part lower than the surface position of one component member shall be formed between the 2nd groove | channels. Further, as in the invention of claim 6 , the volume of the second groove can be 100 to 120% of the rising volume of the gasket material.

請求項1の発明に係る燃料電池用構成部材間のシール構造によれば、シール対象の一方の構成部材には、ガスケット装填用第一溝を備えているので、低反力のガスケットを所定の位置に形成することができ、該第一溝の両側に沿って形成された第二溝とを備えているので、シール対象の両構成部材を合体させて締結一体とした時には、ガスケットの盛り上がり部分が圧縮変形されて第二溝に流入するようにできる。
また、低荷重でもガスケットが十分に圧縮変形されるので、シール対象の両構成部材へ与えるダメージが少なく、且つ両構成部材のシール面を互いに面接状態(クリアランス0)とできる。よって、構成部材を多数枚層積しても、構成部材間の隙間寸法にばらつきが生じることなく、形状・大きさの一定した燃料電池を構成することができると共に、シール性の優れた構造とすることができる。
更に、第一溝及び第二溝が形成される一方の構成部材の表面位置よりガスケットの表面を盛り上げて形成する構造としているので、シール対象となる他方の構成部材の表面は加工する必要がなく、盛り上がり部分の弾性変形によりシール性が確保され、またフラットなまま適用することができる。
According to the seal structure between the constituent elements for a fuel cell according to the first aspect of the present invention, since one constituent member to be sealed is provided with the first groove for loading a gasket, a low reaction force gasket is attached to the predetermined member. And a second groove formed along both sides of the first groove, so that when the two components to be sealed are combined and fastened together, the raised portion of the gasket Can be compressed and deformed to flow into the second groove.
Further, since the gasket is sufficiently compressed and deformed even under a low load, the damage to both constituent members to be sealed is small, and the sealing surfaces of the two constituent members can be in an in-contact state (clearance 0). Therefore, even when a large number of component members are stacked, a fuel cell having a uniform shape and size can be formed without causing variations in the gap size between the component members, and a structure with excellent sealing properties. can do.
Further, since the surface of the gasket is raised from the surface position of one component member where the first groove and the second groove are formed, the surface of the other component member to be sealed need not be processed. The sealing property is ensured by the elastic deformation of the raised portion, and it can be applied flat.

さらに、ガスケットは、低粘度の硬化ガスケット材を第一溝に注入し、第一溝の溝縁部での表面張力をして盛り上がり部分を形成し、この状態で硬化させて形成することができる。よって、低粘度であっても、一溝の溝縁部の表面張力によって、ガスケットの盛り上がり部分を簡単に形成することができる。また低粘度であるが故、ガスケットの盛り上がり部分や例えばディスペンサーにより塗布する際のスタート部及びストップ部に起こりがちな凹凸がならされ、均一な高さのシールトップを形成することができる。更に、ガスケットを成型するための成型金型や複雑なシール設計を要することなく、接着剤なしで構成部材に直接ガスケットを形成することができ、製造コストを抑えることができる。 Further, the gasket may be injected uncured gasket material of the low viscosity first groove, and the surface tension at the groove edge portion of the first groove to form a raised portion is formed by curing in this state it can. Therefore, even if the viscosity is low, the raised portion of the gasket can be easily formed by the surface tension of the groove edge portion of the first groove. Further, because of the low viscosity, uneven portions that tend to occur in the rising portion of the gasket and, for example, the start portion and the stop portion when applied by a dispenser are smoothed, and a seal top having a uniform height can be formed. Furthermore, the gasket can be directly formed on the constituent member without an adhesive without requiring a molding die for molding the gasket or a complicated seal design, and the manufacturing cost can be reduced.

請求項の発明に係る燃料電池用構成部材間のシール構造によれば、ガスケット材は、粘度が5〜10Pa・sのポリイソブチレンを主材とする粘着剤からなり、硬化後の硬度がJISA35〜65°となるものとすることができる。
またガスケット材は、上記のようにポリイソブチレンを主材とするものであるので、これが硬化すれば、燃料電池用の構成部材間をシールするガスケットとして、耐酸性、耐熱性、耐湿性、ガスバリア性に優れたものとすることができる。よって、燃料電池の作動時における過酷な環境下でも、シール性を高く維持することができる。更に該ガスケットはポリイソブチレンを主材とする粘着性のあるものでなるため、シール対象となる構成部材にほどよく粘着し、低反力でありながらより一層シール性の高いものとすることができ、第一溝及び第二溝に接着剤なしでガスケットが粘着するので、接着剤を塗布する工程がなくなり、製造が容易なものとなる。
According to the seal structure between the constituent members for a fuel cell according to the invention of claim 2 , the gasket material is made of an adhesive mainly composed of polyisobutylene having a viscosity of 5 to 10 Pa · s, and the hardness after curing is JIS A35. It can be ˜65 °.
In addition, since the gasket material is mainly composed of polyisobutylene as described above, if it is cured, the gasket material can be used as a gasket for sealing between the components for the fuel cell. Acid resistance, heat resistance, moisture resistance, gas barrier properties It can be made excellent. Therefore, high sealing performance can be maintained even in a harsh environment during operation of the fuel cell. Furthermore, since the gasket is made of an adhesive having polyisobutylene as a main material, it adheres well to the components to be sealed, and can be made to have a higher sealing performance while having a low reaction force. Since the gasket adheres to the first groove and the second groove without an adhesive, the process of applying the adhesive is eliminated, and the manufacturing becomes easy.

上記粘度を5Pa・sより小さくした場合は、第一溝の溝縁部で表面張力をして盛り上がることなく、第二溝に横流れしてしまいシール性が維持できない。また硬化時間が長くなる傾向となる。更にシール対象となる構成部材への粘着性に乏しくなる等、物性が低下し(圧縮永久歪み等)、シール性がよくない傾向となる。また上記粘度を10Pa・sより大きくした場合は、粘度が高すぎて、第一溝に充填する際の取り扱い性が悪くなる。特に例えばディスペンサー等により注入がし難いものとなる。また第一溝に注入したガスケットの盛り上がり部分や例えばディスペンサーにより塗布する際のスタート部及びストップ部に起こりがちな凹凸がならされにくく、均一な高さのシールトップを形成することができない傾向となる。   When the viscosity is less than 5 Pa · s, the surface tension does not rise at the groove edge portion of the first groove, and it flows laterally to the second groove and the sealing performance cannot be maintained. In addition, the curing time tends to be long. Furthermore, physical properties are lowered (such as compression set) and the sealing properties tend to be poor, such as poor adhesion to the constituent members to be sealed. Moreover, when the said viscosity is larger than 10 Pa * s, a viscosity is too high and the handleability at the time of filling a 1st groove | channel will worsen. In particular, it becomes difficult to inject with, for example, a dispenser. In addition, it is difficult to form irregularities that tend to occur at the rising portion of the gasket injected into the first groove and at the start and stop portions when applied by, for example, a dispenser, and it is difficult to form a seal top having a uniform height. .

ガスケット材を硬化した後の上記硬度をJISA35°より小さくした場合は、反力が小さくなり過ぎてシール性が悪くなる。また上記硬度をJISA65°より大きくした場合は、ガスケットの盛り上がり部分が圧縮変形されにくいものとなり、シール対象となる両構成部材を互いに面接状態(クリアランス0)にできないものとなってしまう。また反力が大きくなり、シール対象となる構成部材へダメージを与えてしまうものとなる。   When the hardness after the gasket material is cured is less than JIS A35 °, the reaction force becomes too small and the sealing performance is deteriorated. Further, when the hardness is greater than JIS A 65 °, the swelled portion of the gasket is not easily compressed and deformed, and both constituent members to be sealed cannot be brought into an in-contact state (clearance 0). In addition, the reaction force increases and damages the structural member to be sealed.

請求項の発明に係る燃料電池用構成部材間のシール構造によれば、ガスケット材は、ディスペンサーにより第一溝に注入装填されるものとすることができる。
よって、ガスケットを成型するための成型装置を要することなく、例えばオーブン内で加熱硬化させるだけでガスケットを形成できるので、製造工程を大幅に削減することができ、低コストを実現することができる。
According to the seal structure between the constituent elements for a fuel cell according to the invention of claim 3 , the gasket material can be injected and loaded into the first groove by a dispenser.
Therefore, since a gasket can be formed only by heat-curing in an oven, for example, without requiring a molding device for molding the gasket, the manufacturing process can be greatly reduced, and low cost can be realized.

請求項の発明に係る燃料電池用構成部材間のシール構造によれば、シール対象の両構成部材は、膜−電極接合体及びセパレータとすることができ、これら比較的脆弱とされる両構成部材に、ダメージを与えることが少ない低反力のシール構造を実現することができる。 According to the seal structure between the constituent members for a fuel cell according to the invention of claim 4 , both constituent members to be sealed can be a membrane-electrode assembly and a separator, both of which are relatively weak. It is possible to realize a low reaction force seal structure that causes little damage to the member.

請求項の発明に係る燃料電池用構成部材間のシール構造によれば、第一溝と、第二溝との間に、一方の構成部材の表面位置より低い堰部が形成されているので、構成部材の限られた厚み内で第一溝を深く確保できる。 According to the seal structure between the constituent members for a fuel cell according to the fifth aspect of the present invention, the weir portion lower than the surface position of one constituent member is formed between the first groove and the second groove. The first groove can be deeply secured within the limited thickness of the constituent members.

請求項の発明に係る燃料電池用構成部材間のシール構造によれば、前記第二溝の容積は、上記ガスケット材の盛り上がり容積の100〜120%とすることができる。よって、燃料電池の作動時に、ガスケットがガス圧やLLC水圧等により押しだされるような状態になっても、シールされる構成部材間の面接状態(クリアランス0)を維持することができ、高いシール性を発揮できる。
該第二溝の容積をガスケット材の盛り上がり容積の100%より小さくした場合は、ガスケットが構成部材の表面位置からはみ出してしまい、面接状態(クリアランス0)とすることができない傾向となる。
また該第二溝の容積をガスケット材の盛り上がり容積の120%より大きくした場合は、圧縮変形されて第二溝に流入するガスケットと第二溝との間に生じる空間部分が多くなりすぎて、燃料電池の作動時にガスケットが移動しやすくなり、シール性が悪くなってしまう。
According to the seal structure between the constituent members for a fuel cell according to the invention of claim 6 , the volume of the second groove can be 100 to 120% of the rising volume of the gasket material. Therefore, even when the gasket is pushed out by gas pressure, LLC water pressure, etc. during the operation of the fuel cell, it is possible to maintain the contact state (clearance 0) between the components to be sealed, which is high. Sealing performance can be demonstrated.
When the volume of the second groove is made smaller than 100% of the rising volume of the gasket material, the gasket protrudes from the surface position of the constituent member, and there is a tendency that the contact state (clearance 0) cannot be achieved.
In addition, when the volume of the second groove is larger than 120% of the rising volume of the gasket material, the space portion generated between the gasket and the second groove which is compressed and deformed and flows into the second groove is too much, The gasket easily moves during the operation of the fuel cell, resulting in poor sealing performance.

以下に本発明の最良の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図1は本発明のシール構造が採用される燃料電池用構成部材の分解一部断面図、図2は図1におけるX部の拡大図、図3及び図4は別実施形態の図2と同様図である。ここで図1は、燃料構成用構成部材が層積締結される前の状態を示している。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 is an exploded partial cross-sectional view of a fuel cell component in which the seal structure of the present invention is adopted, FIG. 2 is an enlarged view of a portion X in FIG. 1, and FIGS. 3 and 4 are the same as FIG. 2 of another embodiment. FIG. Here, FIG. 1 shows a state before the constituent members for fuel composition are fastened by layer stacking.

図1に示すように、燃料電池本体(スタック)は、固体高分子形等のイオン交換膜からなる電解質膜及びその両面に電極を構成する白金系触媒が担持された触媒担持層を介して積層一体とされたGDLからなるMEA3と、このMEA3を挟装するセパレータ1、2とによって1個の単位セルを構成し、この単位セルが多数枚層積され、締結して構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell main body (stack) is laminated via an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane such as a solid polymer type and a catalyst carrying layer on which platinum catalyst constituting an electrode is carried on both sides thereof. One unit cell is constituted by the MEA 3 made of the integrated GDL and the separators 1 and 2 sandwiching the MEA 3, and a plurality of unit cells are stacked and fastened.

セパレータ1、2のMEA3に対面する側には、凹溝による燃料ガス流路1a、酸化ガス流路2aが形成され、また、セパレータ1の反MEA3側には、凹溝による冷媒流路1bが形成されており、該燃料電池は、MEA3を挟んで一対の電極(アノード、カソード)が配され、上記燃料ガス流路1aを通じてアノード電極に、上記酸化ガス流路2aを通じてカソード電極に各々燃料ガス及び酸化ガスを供給し、両電極で起こる化学反応を利用して生じるエネルギーを電力として得ている。
燃料電池の燃料ガスとして用いられる水素は、無色、無臭の可燃性のガスで分子量が小さいため僅かな隙間から漏れないよう、また燃料ガスと酸化ガスとが混合すると発電効率が低下するため、セパレータ1、2の所定部位にはガスケット4が一体形成されている。
On the side of the separators 1 and 2 facing the MEA 3, a fuel gas flow path 1 a and an oxidizing gas flow path 2 a are formed by a concave groove. In this fuel cell, a pair of electrodes (anode and cathode) are arranged with the MEA 3 in between, and the fuel gas is supplied to the anode electrode through the fuel gas passage 1a and to the cathode electrode through the oxidizing gas passage 2a. In addition, an oxidizing gas is supplied, and energy generated by using a chemical reaction occurring at both electrodes is obtained as electric power.
Hydrogen used as a fuel gas for fuel cells is a colorless, odorless flammable gas that has a low molecular weight so that it does not leak through a small gap. Also, when fuel gas and oxidizing gas are mixed, the power generation efficiency decreases. A gasket 4 is integrally formed at predetermined portions 1 and 2.

シール対象の一方の構成部材となるセパレータ1には、ガスケット装填用第一溝11と、該第一溝11の両側に沿って形成される第二溝12とを備えており、図例のものにおいては(図2(a))、第二溝12は該第一溝11より浅く形成されている。ガスケット4は、低粘度で未硬化な状態のガスケット材をロボット等に取り付けられたディスペンサーDにより、第一溝11へ注入装填され、第一溝11の溝縁部11aでの表面張力をして盛り上がり部分が形成される。
第一溝11に装填されるガスケット材は、図2(a)に示す表面位置Lを超える程度の盛り上がり状態まで装填された後、その状態で加熱硬化され、ガスケット4となる。そして、図2(b)の白抜き矢印の方向にMEA3をセパレータ1へ合体させて締結一体とした時には、該盛り上がり部分が、図2(b)のように圧縮変形されて第二溝12に流入すると共に、MEA3とセパレータ1とが、互いに面接状態(クリアランス0)とされる。
The separator 1 which is one constituent member to be sealed includes a first groove 11 for loading a gasket and second grooves 12 formed along both sides of the first groove 11. In FIG. 2 (FIG. 2A), the second groove 12 is formed shallower than the first groove 11. The gasket 4 is injected and loaded into the first groove 11 by a dispenser D attached to a robot or the like with a low-viscosity and uncured gasket material, and the surface tension at the groove edge 11a of the first groove 11 is applied. A raised part is formed.
The gasket material loaded in the first groove 11 is loaded to a raised state exceeding the surface position L shown in FIG. When the MEA 3 is united with the separator 1 in the direction of the white arrow in FIG. 2B to be fastened and integrated, the raised portion is compressed and deformed into the second groove 12 as shown in FIG. At the same time, the MEA 3 and the separator 1 are brought into an interview state (clearance 0).

ここで、第二溝12の容積は、ガスケット材の盛り上がり容積の100〜120%とすれば、燃料電池の作動時に、ガスケット4がガス圧やLLC水圧等により押しだされるような状況になっても、シールする構成部材間の面接状態(クリアランス0)を維持することができ、高いシール性を発揮できる。
図2(a)(b)は、第二溝12の容積が、ガスケット材の盛り上がり容積の100%になるように形成された例を示している。このように構成すれば、MEA3とセパレータ1とを層積締結した際に、第二溝12に流入したガスケット4が、セパレータ1の表面位置からはみ出ることなく、MEA3とセパレータ1とを互いに面接状態(クリアランス0)とすることができる。
図3(a)(b)は、第二溝12の容積が、ガスケット材の盛り上がり容積の120%になるように形成された例を示している。このように上記容積を120%までにおさえれば、MEA3とセパレータ1と層積し締結した際に、圧縮変形されて第二溝12に流入するガスケット4と第二溝12との間に生じる空間部分Cにより、燃料電池の作動時にガスケット4が多少移動しても、シール性に影響を与えることなくシール性を保持することができる。
Here, if the volume of the second groove 12 is 100 to 120% of the rising volume of the gasket material, the gasket 4 is pushed out by gas pressure, LLC water pressure, etc. during the operation of the fuel cell. Even in this case, it is possible to maintain the contact state (clearance 0) between the constituent members to be sealed, and to exhibit high sealing performance.
2A and 2B show an example in which the volume of the second groove 12 is formed to be 100% of the rising volume of the gasket material. With this configuration, when the MEA 3 and the separator 1 are layered, the gasket 4 that has flowed into the second groove 12 does not protrude from the surface position of the separator 1, and the MEA 3 and the separator 1 are in a face-to-face state. (Clearance 0).
FIGS. 3A and 3B show an example in which the volume of the second groove 12 is 120% of the rising volume of the gasket material. Thus, if the volume is limited to 120%, the space generated between the gasket 4 and the second groove 12 which is compressed and deformed and flows into the second groove 12 when the MEA 3 and the separator 1 are layered and fastened. The portion C can maintain the sealing performance without affecting the sealing performance even if the gasket 4 moves somewhat during the operation of the fuel cell.

本発明のシール構造によれば、ガスケット4が低反力でなり、且つガスケット4のつぶれ代として第二溝12を備えているため、MEA3とセパレータ1とは、クリアランスを0とした状態で締結一体とすることができるので、燃料電池全体として、MEA3とセパレータ1との隙間がゼロとなるから、多数枚層積された全体形状での設計誤差が小さくなる。また本発明のシール構造によれば、単位セルを積み重ねてスタックを締結する際に、ガスケット4はMEA3とセパレータ1との間で図2(a)の2点鎖線位置Lまで、圧縮変形し、その復元弾力によって、シールが維持されるとともに、ガスケット4は該MEA3或いはセパレータ1、2に適度に粘着するので一層シール性の向上を図ることができる。更にガスケット4は、粘着性があるので、第一溝11にディスペンサーDで塗布することにより装填し、硬化させればよく、接着剤を塗布しなくても、セパレータ1、2と強固に接着され一体形成することができる。
なお、ガスケット材の硬化方法は、加熱硬化、常温硬化等、限定されるものではないが、装填時にガスケット材に含まれてしまう空気を除去した後、常温硬化する方法が簡易でコスト面においても有効である。
According to the seal structure of the present invention, since the gasket 4 has a low reaction force and the second groove 12 is provided as a crushing margin of the gasket 4, the MEA 3 and the separator 1 are fastened with a clearance of 0. Since they can be integrated, the gap between the MEA 3 and the separator 1 becomes zero as a whole fuel cell, and the design error in the overall shape in which a large number of layers are stacked is reduced. Further, according to the seal structure of the present invention, when stacking unit cells and fastening the stack, the gasket 4 is compressed and deformed between the MEA 3 and the separator 1 to the two-dot chain line position L in FIG. The seal is maintained by the restoring elasticity, and the gasket 4 is appropriately adhered to the MEA 3 or the separators 1 and 2, so that the sealing performance can be further improved. Further, since the gasket 4 is sticky, it can be loaded and cured by applying it to the first groove 11 with the dispenser D, and can be firmly bonded to the separators 1 and 2 without applying an adhesive. It can be integrally formed.
The method of curing the gasket material is not limited to heat curing, room temperature curing, etc., but the method of room temperature curing after removing the air contained in the gasket material at the time of loading is simple and cost-effective. It is valid.

第一溝11に装填されるガスケット材は、粘度が5〜10Pa・sのポリイソブチレンを主材とする粘着剤からなり、硬化後の硬度がJISA35〜65°となるものが望ましい。
なぜなら、これによれば、ディスペンサーD等によって注入装填がなされやすく、また装填後においても、第一溝11の溝縁部11aでの表面張力によって、理想的な盛り上がり部分を形成することができるからである。
ここでポリイソブチレンに充填される充填剤は特に限定するものではないが、例えば酸化チタン、カーボン、シリカ、クレー、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、珪藻土、アルミナ、レキセイ炭、ゼオライト等、一般的に使われる充填剤を用いることができる。また充填剤の他、ポリイソブチレンを主材として配合される添加剤としては、硬化剤、触媒、老化防止剤等が適宜添加される。
The gasket material loaded in the first groove 11 is preferably made of an adhesive mainly composed of polyisobutylene having a viscosity of 5 to 10 Pa · s, and has a hardness after curing of JISA 35 to 65 °.
This is because according to this, it is easy to carry out injection loading by the dispenser D or the like, and even after loading, an ideal raised portion can be formed by the surface tension at the groove edge portion 11a of the first groove 11. It is.
Here, the filler to be filled in polyisobutylene is not particularly limited, but for example, titanium oxide, carbon, silica, clay, calcium carbonate, barium sulfate, diatomaceous earth, alumina, lexi charcoal, zeolite, etc. are generally used. A filler can be used. In addition to the filler, as an additive blended with polyisobutylene as a main material, a curing agent, a catalyst, an antiaging agent, and the like are appropriately added.

なお、ここでMEA3を構成するGDLは、炭素繊維又は金属繊維のシートからなり、その電解質膜に対面する側は白金系触媒が担持された触媒担持層となし、この触媒担持層の内、酸化ガスが拡散される側の触媒担持層が酸素極(カソード)、燃料ガスが拡散される側の触媒担持層が燃料極(アノード)とされている。また電解質膜は、固体高分子形のイオン交換膜からなり、厚さが25μm程度のものが採用されるが、これに限定されるものではない。
またセパレータ1、2としては、ステンレス等の金属板に限らず、導電性樹脂製のものや炭素粉末と合成樹脂とを混ぜて圧縮成型したカーボンプレートであってもよい。
Here, the GDL constituting the MEA 3 is made of a sheet of carbon fiber or metal fiber, and the side facing the electrolyte membrane is a catalyst supporting layer supporting a platinum-based catalyst. The catalyst support layer on the gas diffusion side is the oxygen electrode (cathode), and the catalyst support layer on the fuel gas diffusion side is the fuel electrode (anode). The electrolyte membrane is made of a solid polymer ion exchange membrane and has a thickness of about 25 μm, but is not limited thereto.
The separators 1 and 2 are not limited to metal plates such as stainless steel, but may be made of conductive resin, or carbon plates formed by mixing carbon powder and synthetic resin.

図4(a)(b)に示す例は、第一溝11と、第二溝12との間に、セパレータ1の表面位置より低い高さの堰部13が形成されているものとすることを特徴とする。なお、本実施例の構成・効果において、上記実施例1と共通する部分には同一の符号を付し、また共通する部分についての説明は割愛する。
本実施例においては、シール対象のMEA3とセパレータ1とを図3(b)に示す白抜き矢印方向へ締結一体とすると、ガスケット4が圧縮変形され、堰部13を乗り越えて第二溝へと流入すると共に、MEA3とセパレータ1とが互いに面接状態(クリアランス0)となる。
In the example shown in FIGS. 4A and 4B, a dam portion 13 having a height lower than the surface position of the separator 1 is formed between the first groove 11 and the second groove 12. It is characterized by. In the configuration and effect of the present embodiment, the same reference numerals are given to the portions common to the first embodiment, and the description of the common portions is omitted.
In this embodiment, when the MEA 3 to be sealed and the separator 1 are fastened together in the direction of the white arrow shown in FIG. 3 (b), the gasket 4 is compressed and deformed, gets over the weir 13 and into the second groove. At the same time, the MEA 3 and the separator 1 are brought into an interview state (clearance 0).

尚、本発明のシール構造が用いられる燃料電池用構成部材の全体形状等は図例のものに限定されないことは言うまでもない。また、図例ではMEAとセパレータとの間のシール構造について述べたが、燃料電池用の構成部材のシール対象として、セパレータとセパレータ同士のシール構造にも、本発明が適用可能であることも言うまでもない。更に第二溝は、第一溝に沿って形成されるものであればよく、その溝の形状・構成は図例に限定されるものではなく、また第二溝は、第一溝の両側に形成されるものに限定されず、第一溝のいずれか一方(片側)にのみ形成されるものであってもよい。そして、第一溝及び第二溝は、MEAに設けられるものであってもよい。   Needless to say, the overall shape and the like of the constituent members for a fuel cell in which the seal structure of the present invention is used are not limited to those shown in the drawings. In the illustrated example, the seal structure between the MEA and the separator has been described. However, it goes without saying that the present invention can also be applied to a seal structure between a separator and a separator as a sealing target of a component for a fuel cell. Yes. Furthermore, the second groove may be formed along the first groove, and the shape and configuration of the groove are not limited to the illustrated example, and the second groove is formed on both sides of the first groove. It is not limited to what is formed, and may be formed only on one side (one side) of the first groove. And a 1st groove | channel and a 2nd groove | channel may be provided in MEA.

本発明のシール構造が採用される燃料電池用構成部材の分解一部断面図である。1 is an exploded partial cross-sectional view of a fuel cell component in which a seal structure of the present invention is employed. 図1におけるX部の拡大図である。It is an enlarged view of the X section in FIG. 別実施形態の図2と同様図である。It is a figure similar to FIG. 2 of another embodiment. 別実施形態の図2と同様図である。It is a figure similar to FIG. 2 of another embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1、2 セパレータ
11 第一溝
11a 溝縁部
12 第二溝
13 堰部
3 MEA
4 ガスケット
C 空間部分
D ディスペンサー
L 表面位置
1, 2 Separator 11 First groove 11a Groove edge 12 Second groove 13 Weir 3 MEA
4 Gasket C Space part D Dispenser L Surface position

Claims (6)

多数枚の構成部材を層積し締結して構成される燃料電池用の構成部材間のシール構造であって、
シール対象の一方の構成部材は、ガスケット装填用第一溝と、該第一溝の両側に沿って形成された第二溝とを備え、上記第一溝には、低反力のガスケットが上記一方の構成部材の表面位置を超える盛り上がり状態で装填され、シール対象の他方の構成部材をこの一方の構成部材に合体させて締結一体とした時には、上記ガスケットの盛り上がり部分が圧縮変形されて上記第二溝に流入すると共に、シール対象の両構成部材が互いに面接状態とされ、
前記ガスケットは、低粘度の未硬化ガスケット材を前記第一溝に注入し、第一溝の溝縁部での表面張力をして前記盛り上がり部分を形成し、この状態で硬化させてなるものであることを特徴とする燃料電池用構成部材間のシール構造。
A seal structure between constituent members for a fuel cell configured by stacking and fastening a large number of constituent members,
One component to be sealed includes a first groove for gasket loading and a second groove formed along both sides of the first groove, and a low reaction force gasket is provided in the first groove. When it is loaded in a raised state exceeding the surface position of one constituent member and the other constituent member to be sealed is combined with this one constituent member and fastened together, the raised portion of the gasket is compressed and deformed, and While flowing into the two grooves, both components to be sealed are brought into an interview state with each other,
The gasket is formed by injecting a low-viscosity uncured gasket material into the first groove, forming a bulge portion by applying surface tension at the groove edge of the first groove, and curing in this state. There is provided a sealing structure between constituent members for a fuel cell.
請求項1に記載の燃料電池用構成部材間のシール構造において、  The seal structure between the constituent members for a fuel cell according to claim 1,
前記ガスケット材は、粘度が5〜10Pa・sのポリイソブチレンを主材とする粘着剤からなり、硬化後の硬度がJISA35〜65°となるものであることを特徴とする燃料電池用構成部材間のシール構造。  The gasket material is made of an adhesive mainly composed of polyisobutylene having a viscosity of 5 to 10 Pa · s, and has a hardness after curing of JIS A of 35 to 65 °. Seal structure.
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池用構成部材間のシール構造において、  In the seal structure between the constituent members for a fuel cell according to claim 1 or 2,
前記ガスケット材は、ディスペンサーにより前記第一溝に注入装填されるものであることを特徴とする燃料電池用構成部材間のシール構造。  The gasket structure is a sealing structure between constituent members for a fuel cell, wherein the gasket material is injected and loaded into the first groove by a dispenser.
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の燃料電池用構成部材間のシール構造において、  In the seal structure between the constituent members for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
シール対象の両構成部材は、膜−電極接合体及びセパレータであることを特徴とする燃料電池用構成部材間のシール構造。  A sealing structure between constituent members for a fuel cell, wherein both constituent members to be sealed are a membrane-electrode assembly and a separator.
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の燃料電池用構成部材間のシール構造において、  In the seal structure between the structural members for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
前記第一溝と、第二溝との間に、一方の構成部材の表面位置より低い高さの堰部が形成されていることを特徴とする燃料電池用構成部材間のシール構造。  A sealing structure between constituent members for a fuel cell, wherein a weir portion having a height lower than the surface position of one constituent member is formed between the first groove and the second groove.
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池用構成部材間のシール構造において、  In the seal structure between the structural members for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
前記第二溝の容積は、上記ガスケット材の盛り上がり容積の100〜120%であることを特徴とする燃料電池用構成部材間のシール構造。  The volume structure of the second groove is 100 to 120% of the rising volume of the gasket material.
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