JP5045026B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

図４および図５に示すように、マニホールド入口１０からマニホールド出口１１へ通じる溝状の反応ガス誘導通路４を平面上に設けたセパレータ５を両側に配置して高分子電解質膜（ＭＥＡ）１を挟み込む構造の燃料電池においては、高分子電解質膜１の両側に配置されるガス拡散層（ＧＤＬ）２の外周部の寸法精度や組立位置精度の都合により、ガス拡散層２の外周部とこのガス拡散層２を収容すべくセパレータ５に設けた段差１２との間に隙間ｃが発生する。この隙間ｃは、ガス拡散層２が段差１２へ乗り上げないようにするため、無くすことは実際上困難な隙間である。

しかしながら、このようにガス拡散層２の外周部とセパレータ５の段差１２との間に隙間ｃが存在すると、この隙間ｃがマニホールド入口１０とマニホールド出口１１とを短絡させる隙間流路１３を形成する。

したがって、反応ガスは、本来その全てが反応ガス誘導通路４を流れるべきところ、図５に波線矢印で示すようにその一部が隙間流路１３を流れ、この隙間流路１３を流れるガスは反応しないことから、この分、燃料電池の発電効率が低下する不都合がある。

また、従来、図６および図７に示すように、反応ガスが所定のガス誘導通路４以外を流れるのを有効に阻止することを目的として、セパレータ５および電解質膜１間をシールするシール部材３０とセパレータ５内部に配置されるガス拡散層２０との間に形成される隙間流路１３に充填シール４０を設けた燃料電池が提案されているが、この従来技術には以下のような不都合がある（特開２００４−１１９１２１号公報）。

すなわち、図６の平面図に示すように、マニホールド入口１０とマニホールド出口１１とを短絡する隙間流路１３において、この隙間流路１３を閉塞する充填シール４０は、マニホールド入口１０近傍、マニホールド出口１１近傍および隙間流路１３の屈曲部近傍の三箇所に設けられるが、このように一本の長い隙間流路１３に充填シール４０を三箇所設けるだけでは、これにより閉塞される隙間流路１３の長さ（充填シール５７間の間隔）が極めて長く設定されることになる。したがって、ガス拡散層２０の外周部から漏れ出る反応ガスがこの閉塞された隙間流路１３に滞留し、この滞留した反応ガスが閉塞された隙間流路１３を流れてマニホールド出口１１近傍でガス拡散層２０外周部からガス誘導通路４側へ戻ると云う流れが発生し、このような変則的な流れが発生すると、充填シール４０を設けても十分な効率改善の効果を得ることができない。

また、図７の断面図に示すように、液状シールや固体充填シール等よりなる充填シール４０は、ガス拡散層２０の外周部にピタリと隣接するように成形されている。この場合、ガス拡散層２０外周の寸法精度は一般にあまり良くなく、またガス拡散層２０を含む膜電極複合体５０とセパレータ５との組立位置精度にも限界があるため、このような構成では、充填シール４０をガス拡散層２０の外周部に隣接するように配置しようとすると、ガス拡散層２０の寸法や組立位置のバラツキにより充填シール４０とガス拡散層２０とが重なり合う事態が発生する。したがって、このように充填シール４０とガス拡散層２０とが重なり合った部位においてはスタック組立時に過大な締付け反力が発生し、薄い金属板や脆弱なカーボンプレート等よりなるセパレータ５や電解質膜１に大きなダメージを与えることになる。このため、実際の充填シール４０の配置は、ガス拡散層２０の寸法や組立位置のバラツキを考慮して安全側の小さめに設定する必要があり、この場合には充填シール４０とガス拡散層２０との間に隙間が形成される箇所も当然出てくることから、やはり目的の効率改善の効果を低下させることになる。

更に、スタックの組み立てをより容易にするために、第８図に示す様に、電解質膜１と、この電解質膜１の両面に配置されたガス拡散層２，２と、セパレータ５および電解質膜１間をシールするシール部材３とを一体化したものが提案された。
しかし、ガス拡散層２の寸法精度や組立位置のバラツキにより、不可避的に隙間流路１３が存在してしまう。

特開２００４−１１９１２１号公報 特開２００５−２８５３５０号公報 特開２００６−１２０３７６号公報

本発明は以上の点に鑑みて、マニホールド入口とマニホールド出口とを短絡する隙間流路をシールで閉塞するに際し、閉塞した隙間流路を反応ガスが流れにくく、シールとガス拡散層との間に隙間が発生しにくく、シール効果に優れ、もって発電効率を効果的に向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

またこれに加えて、上記隙間流路を閉塞する弾性材層がガス拡散層の一部に一体的設けられているため、シール部材、電解質膜、ガス拡散層を一体化した効果を損なうことがない。
このため、スタックの組立作業が容易に行える燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明にあっては、一対の電極間に配置した高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置したガス拡散層と、ガス拡散層の周縁に前記ガス拡散層と一体的に設けたシール部材と、マニホールド入り口から出口へ通じる反応ガス誘導通路を設けたセパレータとよりなる燃料電池において、
前記ガス拡散層の周縁に段部を設けて薄肉部を形成し、前記段部の角部に弾性材層を設けると共に、前記セパレータに突状部を設け、前記突状部の内側をテーパ面とし、前記弾性材層が前記テーパ面に当接する様になしたことを特徴とする。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
請求項１記載の発明の燃料電池によれば、弾性材層により隙間流路を閉塞して反応ガスの流れを阻止することから、反応ガスが隙間流路を流れて発電効率が低下するのを抑えることが出来る。
また、請求項２記載の発明の燃料電池によれば、従来の構成を大きく変えることなく、隙間流路を極力小さく抑えることが出来る。

更に、請求項３記載の発明の燃料電池によれば、使用条件が変っても、従来の構成を大きく変えることなく、隙間流路を極力小さく抑えることが出来る。
更に、請求項４記載の発明の燃料電池によれば、ガス拡散層の性能を低下させることなく、隙間流路を極力小さく抑えることが出来る。
更に、請求項５記載の発明の燃料電池によれば、弾性材層とテーパ面との密接が容易に行うことが出来る。

更に、請求項６記載の発明の燃料電池によれば、成形が容易である。
更に、請求項７記載の発明の燃料電池によれば、ガス拡散層まで液状ゴムがしみ込むため、ガス拡散層の周縁部におけるガス漏れをより確実に防止できる。
更に、請求項８記載の発明の燃料電池によれば、成形が容易である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
第１図乃至３図に基づき発明を実施するための最良の形態について説明する。

第１図において、一対の電極間に配置した高分子電解質膜１の上下両面には、ガス拡散層２、２が配置されている。
そして、このガス拡散層２、２の周縁には、ガス拡散層２、２と一体的に設けたシール部材３が設けられている。
このガス拡散層２、２の周縁は、段部９を介して薄肉部６となっており、この段部９の角部には、弾性材層９、９が設けてある。
この弾性材層９、９は、液状ゴム材や樹脂ラテックスをガス拡散層２、２の段部９の角部に含浸させて形成してもよく、段部９の角部表面をゴム皮膜で覆う形で形成しても良い。
第１図に示した、ガス拡散層２、２、電解質膜１、シール部材３及び弾性材層９１、９１が一体化された部材は、第２図に示す、マニホールド入り口から出口へ通じる反応ガス誘導通路４を設けた二枚のセパレータ５、５間に挟持される。

このセパレータ５、５には、誘導通路４を囲む様に突状部８が設けられ、この突状部８により薄肉部６が挟持されるとともに、突状部８の内側には円弧形状のテーパ面８１、８１が形成されている。
このテーパ面８１は直線状の傾斜面であっても良い。
シール部材３は、一般的な合成ゴムや、TPEが用いられるが、成形性の観点から、液状ゴムが好ましい。
液状ゴムとしては、液状シリコーンゴム、液状ふっ素ゴム、液状EPDM、液状ACM等である。

シール性の観点から、材質は低硬度で自己粘着性のあるものが好ましい。
液状ゴムを用いて成形すると、シール部材３を成形する際に、液状ゴムがガス拡散層２、２の薄肉部６にしみ込んで、高分子電解質膜１及びガス拡散層２、２を一体化する。
弾性材層９１は、シール部材３が成形される際に、同一の材質で成形することが好ましい。
第２図の状態から、最終組立て状態である第３図のものに於いては、弾性材層９１がテーパ面８１に密着して、隙間流路を閉塞している。
また、セパレータ５、５の突起部８、８により、薄肉部６が挟持される構成となっている。

このことにより、燃料電池の発電効率を低下させることがないものである。

また、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

燃料電池にかかる発明の実施の形態を示す断面図である。 図１のセパレータを除いた組込み前の燃料電池を示す断面図である。 図１のセパレータを除いた組込み前の他の燃料電池を示す断面図である。 従来例に係る燃料電池を示す断面図である。 図４に示した燃料電池のセパレータの平面図である。 他の従来例に係る燃料電池のセパレータの平面図である。 図６のセパレータを用いた従来例の燃料電池用を示す断面図である。 セパレータを除いた組込み前の他の従来例に係る燃料電池を示す断面図である。 図８の部材をセパレータと共に組み込んだ他の従来例に係る燃料電池を示す断面図である。

符号の説明

１‥‥電解質膜
２‥‥ガス拡散層
３‥‥シール部材
４‥‥誘導通路
５‥‥セパレータ
６‥‥薄肉部
８‥‥突状部
９‥‥段部
81‥‥テーパ面
91‥‥弾性材層

Claims (8)

1. 一対の電極間に配置した高分子電解質膜（１）と、前記高分子電解質膜（１）の両面に配置したガス拡散層（２）、（２）と、ガス拡散層（２）、（２）の周縁に前記ガス拡散層（２）、（２）と一体的に設けたシール部材（３）と、マニホールド入り口から出口へ通じる反応ガス誘導通路（４）を設けたセパレータ（５）、（５）とよりなる燃料電池において、
   前記ガス拡散層（２）、（２）の周縁に段部（９）を設けて薄肉部（６）を形成し、前記段部（９）の角部に弾性材層（９１）を設けると共に、前記セパレータ（５）、（５）に突状部（８）、（８）を設け、前記突状部（８）、（８）の内側をテーパ面（８１）とし、前記弾性材層（９１）が前記テーパ面（８１）に当接する様になしたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記弾性材層（９１）が液状ゴム材を前記ガス拡散層（２）、（２）の一部に含浸させて形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記弾性材層（９１）が樹脂ラテックスを前記ガス拡散層（２）、（２）の一部に含浸させて形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記弾性材層（９１）が前記段部（９）の角部表面をゴム皮膜で覆う形で形成したものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記テーパ面（８１）が円弧形状であることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記シール部材（３）が液状ゴムを用いて成形されていることを特徴とする請求項１または５記載の燃料電池。
7. 前記シール部材（３）を成形する際の液状ゴムが前記ガス拡散層（２）、（２）の薄肉部（６）にしみ込んで前記高分子電解質膜（１）及び前記ガス拡散層（２）、（２）を一体化していることを特徴とする請求項１〜６いずれか一項に記載の燃料電池。
8. 前記弾性材層（９１）が前記シール部材（３）と同一の材質であることを特徴とする請求項６または７記載の燃料電池。
   

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