JP5019574B2 - 燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造に係り、さらに詳細には、燃料電池車両の冷始動性の向上のために冷却水として使用する超純粋水の代りに不凍液を利用する時、上記不凍液の漏出による膜電極接合体の汚染を防止してスタックを安定的に使用できる燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造に関するものである。

一般に、燃料電池（Ｆｕｅｌ−Ｃｅｌｌ）は、大きく分けて電気化学反応を起こす電極と、反応により生じる水素イオンを伝達する電解質膜と、上記した電極と電解質とを支持するセパレータからなる。

上記のように、燃料電池のうち高分子電解質燃料電池は、他の形態の燃料電池に比べて効率や電流密度及び出力密度が高くて始動時間が短いと同時に固体電解質を用いるので腐食及び電解質調節が不要である長所を有し、排気ガスから純粋な水のみを排出する環境に優しい動力源として現在、全世界の自動車業界で活発に研究が進んでいる。

高分子電解質燃料電池は、水素と酸素との電気化学的反応を介して水と熱を発生させながら、電気を生じる装置であって、供給される水素がＡｎｏｄｅ電極の触媒で水素イオンと電子に分離し、分離した水素イオンは電解質膜を通じてＣａｔｈｏｄｅに移動する。この時、供給された酸素と外部導線に沿って電子とが結合して水を生成しながら、電気エネルギーを発生させる。この時、発生する理論電位は約１．３Ｖで、反応式は次のようになる。
Ａｎｏｄｅ： Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ
Ｃａｔｈｏｄｅ： １／２Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ → Ｈ_２Ｏ

自動車用燃料電池においては、上記電位よりさらに高い電位を要するが、さらに高い電位を得るためには個別単位電池を必要な電位だけ積層する必要があり、このように積層したものをスタック（Ｓｔａｃｋ）と言う。

上記のスタックから発生する熱を冷却するためにセパレータを用いる。上記セパレータは、電気伝導度が大きいほど電子を円滑に伝導させ、電気伝導度の大きいセパレータを用いれば、冷却水としては電気伝導度の低い蒸留水を使用しなければならない。

一方、上記の燃料電池には、水素と空気が反応する反応領域及び各マニホールドから水素、空気及び冷却水の漏れを防止するためシーリング手段を備える必要があり、燃料電池の場合、その特性上、運転及び停止が頻繁に繰り返され、運転中には化学反応による熱発生で収縮膨張が頻繁に起こる。

上記の燃料電池用シーリング構造は、頻繁な収縮膨張が起こる場合にも、密閉性を維持しなければならない。膨張及び収縮過程で燃料電池の各構成要素に発生する応力分布が均一である場合は、疲れによる破壊を防止することができる。

最近では、零下の温度で作動しない問題点を改善するための既存のヒーターを利用したスタックを加熱する方式から脱皮し、冷却水を不凍液に変えて使用する努力をしている。

これまでに開発された冷却不凍液は、燃料電池の膜電極接合体を汚し、円滑なイオン交換性を低下させるなど、燃料電池の性能を低下させる問題点が発生しており、これに対する至急な対応が求められている。このために電極及びマニホールド周りにはガスケットが備えられる。燃料電池シーリングのためのガスケットとしては、製作が容易で厚さの偏差が小さい長所を有するガラス繊維で強化したシリコンシーツ（ｓｈｅｅｔ）や、テプロン（登録商標）シーツが多く用いられる。しかし、上記ガスケットを実際にスタックに設置する場合、満足できるほどのシーリング効果が得られず、これに対する対応が必要とされていた。
特開２００６−２０２５３５号公報 特開２００３−１２３８００号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、冷却水として使用する超純粋水の代りに不凍液を使用し、燃料電池車両の冷始動性の向上と共に、上記不凍液使用に係る膜電極接合体の汚染が防止できる燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造を提供することである。

本発明による燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造は、高分子電解質膜と電極からなる膜電極接合体、及び、空気、水素及び不凍液が流出入できるマニホールドが前記膜電極接合体の１側及び他側に配置されているセパレータと膜電極接合体との間に設置されるガスケットを備え、前記ガスケットはセパレータの不凍液マニホールドから漏れる不凍液による前記膜電極接合体の汚染を防止できるようにガスケットの下面に沿って汚染防止溝が形成されていることを特徴とする。

前記汚染防止溝はガスケットの下面について連通するように形成され、前記汚染防止溝の深さは同じで、断面は四角形、半円形、または、三角形のうちの何れか１つであることを特徴とする。

本発明による燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造は、不凍液を冷却水として使用する燃料電池車両において、上記不凍液の漏れによるスタックの汚染を防止して安定的に走行することができる效果を有する。

以下、本発明に係る燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造の実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造を示す図面であり、図２（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造の使用状態図である。

本発明による燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケットは、高分子電解質膜と電極からなる膜電極接合体１０、及び、膜電極接合体１０の１側および他側に設置されて空気、水素及び不凍液が流出入できるようにマニホールドが形成されたセパレータ２０と膜電極接合体１０との間に設置されるガスケット３０を備えている。ガスケット３０には、セパレータ２０の不凍液マニホールドから漏れる不凍液による膜電極接合体１０の汚染が防止できるようにガスケット３０の下面に沿って汚染防止溝３２が形成されている。

汚染防止溝３２は、ガスケット３０の下面に沿って連通形成され、その深さは一定であり、その断面は、四角形、半円形、または、三角形のうちのいずれか１つである。

次に、上記燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造の実施形態について図面に基づいて説明する。
図２（ａ）に示すように、燃料電池車両が走行中、不凍液の流動するセパレータ２０（図１参照）に設置されたガスケット３０の冷却水マニホールド３０ｂから外部に不凍液が漏出（矢印方向）すれば、冷却水マニホールド３０ｂに隣接する水素マニホールド３０ａと空気マニホールド３０ｃには不凍液が流入せず、ガスケット３０の下側に不凍液が流入する。

図に示すように、ガスケット３０の下側に流入する不凍液は、汚染防止溝３２に流入して移動するが、汚染防止溝３２がガスケット３０の下面に沿って連通しているため、水素マニホールド３０ａと空気マニホールド３０ｃの領域へと不凍液が流入することはない。

セパレータ２０が複数積層されたスタック（図示せず）が正常に作動すると、スタック温度は８０℃まで上昇する。図２（ｂ）に示すように、スタック温度が上昇すると、冷却水マニホールド３０ｂから漏れる不凍液は、汚染防止溝３２上で蒸発するため、水素マニホールド３０ａと空気マニホールド３０ｃ及び膜電極接合体１０の領域へは侵透せず、スタック運転に余り影響を与えない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

本発明による燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造を示す図面である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明による燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造の実施形態図である。

符号の説明

１０…膜電極接合体
２０…セパレータ
３０…ガスケット
３２…汚染防止溝

Claims (4)

1. 高分子電解質膜と電極からなる膜電極接合体、及び、
   空気、水素及び不凍液が流出入できるマニホールドが前記膜電極接合体の１側及び他側に配置されているセパレータと膜電極接合体との間に設置されるガスケットを備え、前記ガスケットはセパレータの不凍液マニホールドから漏れる不凍液による前記膜電極接合体の汚染を防止できるようにガスケットの下面に沿って汚染防止溝が形成されていることを特徴とする燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造。
2. 前記汚染防止溝はガスケットの下面に沿って連通するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造。
3. 前記汚染防止溝は同一深さに形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造。
4. 前記汚染防止溝の断面は四角形、半円形、または、三角形のうちの何れか１つであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両のスタック汚染を防止するガスケット構造。
   
   
   
   

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