JP5120529B2 - 燃料電池セルシール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルシールに関するものである。

燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ）の厚さ方向両側にガス拡散層を配置し、これをセパレータで挟持して燃料電池セルとし、この燃料電池セルを多数積層した、スタック構造を有する。そして、酸化ガス（空気）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、一方のガス拡散層を介して膜電極複合体のカソード側に供給され、燃料ガス（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、他方のガス拡散層を介して膜電極複合体のアノード側に供給され、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。

この種の燃料電池は、各燃料電池セルに、燃料ガスや酸化ガス、上述の電気化学反応により生成された水や、余剰空気等をシールするための燃料電池セルシール（ガスケット）が装着される。図２は、従来の燃料電池セルシールの一例を示す断面図である。

すなわち、図２において、参照符号１００は、電解質膜１０１と、その両面に設けられた一対の電極層１０２，１０２からなる膜電極複合体であり、その両側に、ガス拡散層１１０，１１０が積層状態に設けられている。従来の燃料電池セルシールは、ガス拡散層１１０，１１０間からその周囲へ突出した膜電極複合体１００の電解質膜１０１の周縁部１０１ａを包蔵するように、ゴム状弾性材料からなるガスケット２００を一体成形したものであって、このガスケット２００の厚さ方向両面が、不図示のセパレータに密接されることにより、密封機能を奏するものである（例えば下記の特許文献参照）。
特開平７−２２０７４２号公報

しかしながら、電解質膜１０１は、極めて薄く柔軟であるため、その周縁部１０１ａにガスケット２００を一体成形する際に、成形材料の射出圧力等によって、ガスケット２００内で前記周縁部１０１ａが屈曲変形されてしまうおそれがあった。図３及び図４は、従来の燃料電池セルシールにおいて電解質膜１０１に変形を生じた状態を示す断面図で、このような変形を生じると、ガスケット２００の密封性が損なわれるおそれがあった。極端な場合は、前記射出圧力等によって、前記周縁部１０１ａが破損するおそれもあった。

また、膜電極複合体１００は、反応ガスと共に供給される水蒸気や、生成される水分等に膨潤され、膨張・収縮する。このため、膜電極複合体１００とその両側のガス拡散層１０２，１０２との間に隙間やずれを生じ、発電効率が低下するおそれがあった。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題とするところは、膜電極複合体の周囲にガスケットが一体的に設けられた燃料電池セルシールにおいて、ガスケットの成形圧力による膜電極複合体の電解質膜の変形や破損がなく、膜電極複合体の膨張・収縮によるガス拡散層とのずれを防止することにある。

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の発明に係る燃料電池セルシールは、電解質膜と、その両面に積層状態に設けられた一対の電極層からなる膜電極複合体の両面に一対のガス拡散層が積層状態に設けられ、前記ガス拡散層間からその周囲へ突出した前記電解質膜の周縁部の片面に補強プレートが配置され、この補強プレートと前記電解質膜の周縁部には互いに重合した所要数のスルーホールが開設され、ゴム状弾性材料からなるガスケットが、前記電解質膜の周縁部及び前記補強プレートを包蔵すると共に前記ガス拡散層の周縁部に接合した状態に一体成形され、このガスケットのゴム状弾性材料の一部が、前記電解質膜の周縁部における前記補強プレートと反対側の面を覆うように接合されると共に前記スルーホールに充填されたものである。

請求項２の発明に係る燃料電池セルシールは、請求項１に記載の構成において、ガスケットと接合されたガス拡散層の周縁部に、前記ガスケットから連続したゴム状弾性材料が含浸されたものである。

請求項１の発明に係る燃料電池セルシールによれば、ガス拡散層間からその周囲へ突出した電解質膜の周縁部が、補強プレートによって補強されるので、前記電解質膜の周縁部に、ガスケットの成形圧力による変形や破損が生じない。しかも、補強プレートと電解質膜の周縁部の互いに重合したスルーホールに充填されたガスケットの一部によるアンカー作用によって、電解質膜と補強プレートがガスケット内に互いに縫合されるように固定される一方、ガスケットとガス拡散層の周縁部も互いに接合されているので、電解質膜（膜電極複合体）とガス拡散層の間に電解質膜の膨張・収縮によるずれや隙間を生じるのを有効に防止することができる。

請求項２の発明に係る燃料電池セルシールによれば、請求項１による効果に加え、ガスケットとガス拡散層の周縁部を、接着剤等を用いることなく接合することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る燃料電池セルシールの好ましい実施の形態を示す断面図である。

この形態において、参照符号１は膜電極複合体（ＭＥＡ）であり、電解質膜１１と、その両面に設けられた一対の電極層１２，１２とからなる。この膜電極複合体１の両側には、多孔質の材料からなるガス拡散層２，２が配置されている。

膜電極複合体１における電解質膜１１の周縁部１１ａは、両側のガス拡散層２，２間からその周囲へ、電極層１２，１２が設けられていない状態で突出しており、その片側には、補強プレート３が密接状態に配置されている。この補強プレート３は、導電性を有するＳＵＳ等の金属薄板や、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の電気絶縁性の無機材料、あるいは、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等から選択される合成樹脂材料からなる。

ガス拡散層２，２間から突出した電解質膜１１の周縁部１１ａには、周方向所定間隔でスルーホール１１ｂが開設されており、前記周縁部１１ａの片側に配置された補強プレート３にも同様に、周方向所定間隔でスルーホール３ａが開設されており、互いに重合している。

膜電極複合体１の周囲には、ガスケット４が、一体に設けられている。このガスケット４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）などから選択されたゴム状弾性材料からなるものであって、それらの液状ゴムを用いてＬＩＭ成形あるいはＳＩＭ成形によって成形されたものである。

詳しくは、このガスケット４は、膜電極複合体１における電解質膜１１の周縁部１１ａ及びその片側に配置された補強プレート３を包蔵すると共に、ガス拡散層２，２の周縁部に接合されており、厚さ方向両側にシールリップ４ａが形成されている。

ガスケット４を形成しているゴム状弾性材料の一部は、電解質膜１１の周縁部１１ａ及び補強プレート３の、互いに重合（連通）したスルーホール１１ｂ，３ａ内に充填され、柱状連結部４ｂとなっている。したがって、この柱状連結部４ｂによるアンカー作用によって、電解質膜１１の周縁部１１ａと補強プレート３が、ガスケット４内で互いに縫合されるように固定されている

ガス拡散層２，２の周縁部には、ガスケット４から連続したゴム状弾性材料が含浸されたゴム含浸部２ａ，２ａが形成されている。このゴム含浸部２ａ，２ａは、ガス拡散層２，２が多孔質の材料からなるため、液状ゴムを用いてガスケット４を射出成形する際に、液状ゴムの一部が含浸されて硬化することにより形成されたものである。したがって、ガスケット４は、このゴム含浸部２ａ，２ａを介して、ガス拡散層２，２の周縁部にしっかりと接合されている。

そして先に説明したように、柱状連結部４ｂのアンカー作用によって、電解質膜１１の周縁部１１ａ及び補強プレート３とガスケット４が互いに一体化されると共に、このガスケット４とガス拡散層２，２の周縁部もゴム含浸部２ａ，２ａを介して互いに一体化されているので、電解質膜１１（膜電極複合体１）とガス拡散層２，２の間に電解質膜１１の膨張・収縮によるずれや隙間を生じるのを有効に防止することができる。

上述の構成を備える燃料電池セルシールの製造に際しては、まず、電解質膜１１とその両面の電極層１２，１２からなる膜電極複合体１の両側に一対のガス拡散層２，２を積層し、このガス拡散層２，２から周囲へ突出した電解質膜１１の周縁部１１ａの片側に、補強プレート３を、そのスルーホール３ａが電解質膜１１の周縁部１１ａのスルーホール１１ｂと重合するように配置して、接着等の手段により仮固定する。次にこの状態で、不図示の金型にセットし、この金型によって膜電極複合体１の周囲に画成されたキャビティに、例えばＬＩＭ成形法によって、成形用液状ゴムを射出充填し、架橋硬化させることによって、図示のような断面形状のガスケット４を成形する。

上述の成形過程では、電解質膜１１の周縁部１１ａが補強プレート３によって補強されているので、成形用液状ゴムの射出圧等によって容易に変形することがない。また、成形用液状ゴムの一部は、互いに重合（連通）したスルーホール１１ｂ，３ａ内に流れ込んで硬化することにより柱状連結部４ｂとなる一方、多孔質の材料からなるガス拡散層２，２の周縁部に成形用液状ゴムの一部が含浸されて硬化することによりゴム含浸部２ａ，２ａが形成される。

本発明に係る燃料電池セルシールの好ましい実施の形態を示す断面図である。 従来の燃料電池セルシールの一例を示す断面図である。 従来の燃料電池セルシールにおいて電解質膜１０２に変形を生じた状態を示す断面図である。 従来の燃料電池セルシールにおいて電解質膜１０２に変形を生じた状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 膜電極複合体
１１ 電解質膜
１１ａ 周縁部
１１ｂ スルーホール
１２ 電極層
２ ガス拡散層
２ａ ゴム含浸部
３ 補強プレート
３ａ スルーホール
４ ガスケット
４ａ シールリップ
４ｂ 柱状連結部

Claims (2)

1. 電解質膜（１１）と、その両面に積層状態に設けられた一対の電極層（１２，１２）からなる膜電極複合体（１）の両面に一対のガス拡散層（２，２）が積層状態に設けられ、前記ガス拡散層（２，２）間からその周囲へ突出した前記電解質膜（１１）の周縁部（１１ａ）の片面に補強プレート（３）が配置され、この補強プレート（３）と前記電解質膜（１１）の周縁部（１１ａ）には互いに重合した所要数のスルーホール（３ａ，１１ｂ）が開設され、ゴム状弾性材料からなるガスケット（４）が、前記電解質膜（１１）の周縁部（１１ａ）及び前記補強プレート（３）を包蔵すると共に前記ガス拡散層（２）の周縁部に接合した状態に一体成形され、このガスケット（４）のゴム状弾性材料の一部が、前記電解質膜（１１）の周縁部（１１ａ）における前記補強プレート（３）と反対側の面を覆うように接合されると共に前記スルーホール（３ａ，１１ｂ）に充填されたことを特徴とする燃料電池セルシール。
2. ガスケット（４）と接合されたガス拡散層（２）の周縁部に、前記ガスケット（４）から連続したゴム状弾性材料が含浸されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルシール。

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