JP5170376B2 - Fuel cell sealing structure - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池において、膜電極複合体とその両側に配置されたセパレータとの間を密封するための密封構造に関するものである。 The present invention relates to a sealing structure for sealing between a membrane electrode assembly and separators arranged on both sides thereof in a fuel cell.
燃料電池は、高分子電解質膜(イオン交換膜)の両面に一対の触媒電極層を設けた膜電極複合体(MEA)の厚さ方向両側を、セパレータで挟持した燃料電池セルを多数積層したスタックとなっている。そして、酸化ガス(酸素)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触媒電極層に供給され、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触媒電極層に供給され、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。 A fuel cell is a stack in which a plurality of fuel cell cells are sandwiched between separators on both sides in the thickness direction of a membrane electrode assembly (MEA) in which a pair of catalyst electrode layers are provided on both sides of a polymer electrolyte membrane (ion exchange membrane) It has become. Then, an oxidizing gas (oxygen) is supplied to one catalyst electrode layer from an oxidizing gas passage formed on one surface of each separator, and a fuel gas (hydrogen) is formed on the other surface of each separator. Electric power is generated by an electrochemical reaction that is the reverse reaction of water electrolysis, that is, a reaction that generates water from hydrogen and oxygen, which is supplied from the flow path to the other catalyst electrode layer.
この種の燃料電池においては、燃料ガスや酸化ガス、カソード面から排出される水や余剰の酸化ガス、冷媒などをシールする必要があり、そのためのガスケットが各燃料電池セルに設けられている。ガスケットは、ゴム状弾性材料からなるものであって、セパレータの表面に一体に設けられ、膜電極複合体の表面に密接されるものがよく知られている。 In this type of fuel cell, it is necessary to seal fuel gas, oxidizing gas, water discharged from the cathode surface, excess oxidizing gas, refrigerant, and the like, and a gasket for this purpose is provided in each fuel cell. It is well known that the gasket is made of a rubber-like elastic material and is integrally provided on the surface of the separator and is in close contact with the surface of the membrane electrode assembly.
図9は、従来技術による燃料電池の密封構造を分離状態で示す部分断面図で、この図9において、参照符号110は高分子電解質膜(プロトン膜)111と、その両側に積層状態に設けた触媒電極層112及びガス拡散層(GDL)113を備えた膜電極複合体(MEA)であり、この膜電極複合体110の両側にそれぞれセパレータ120が重ねられて、燃料電池セル100が構成される。
FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell sealing structure according to the prior art in a separated state. In FIG. 9,
膜電極複合体110において、高分子電解質膜111の周縁は、触媒電極層112及びガス拡散層113の周縁から張り出しており、この張り出し部111aには、その両側のセパレータ120に一体的に設けられたガスケット130が密接されている。ガスケット130は、ゴム状弾性材料からなるものであって、所要の面圧を得るために、シール突条131が形成されている。
In the
ところが、膜電極複合体110における高分子電解質膜111は、薄肉で柔軟であるため、多数の燃料電池セル100を積層して締め付け、スタックとして組み立てた状態では、高分子電解質膜111(張り出し部111a)の両側のガスケット130,130に、例え僅かでも組み付け精度によるオフセット(ずれ)があると、シール突条131による面圧極大部のずれδによって、所要の密封面圧を確保できなくなるばかりか、高分子電解質膜111が大きな曲げモーメントを受けて破損するおそれがある。
However, since the
そこで、このようなオフセットによる高分子電解質膜111の曲げ変形や破損を防止する方法として、図10に、他の従来技術による燃料電池の密封構造を分離状態で示すように、シール突条131を有するガスケット130と、フラットなシール面141が形成されたガスケット140とで高分子電解質膜111を挟み込むようにすることが知られている(下記の特許文献1参照)。
ところが、この場合は、シール突条131によるシール面は所要の面圧が確保できるものの、シール面141がフラットなガスケット140側ではシール突条131側に比較して面圧が低下するので、所要のシール性が得られなくなってしまうといった問題がある。したがって、このようなシール性の低下を補うため、図11に、さらに他の従来技術による燃料電池の密封構造を分離状態で示すように、シール突条151とフラットシール面152を有するガスケット150を両側のセパレータ120に互いに対称に設けて、シール突条151とフラットシール面152による高分子電解質膜111の挟み込みを幅方向2箇所で行うようにすることも考えられるが、この場合はガスケット150の幅が大きくなってしまう問題がある。
However, in this case, although the required surface pressure can be secured on the sealing surface by the
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、燃料電池の密封構造において、膜電極複合体の両側のガスケットに、組み付け精度によるオフセットがあっても、所要のシール面圧を確保すると共に、膜電極複合体への曲げモーメントを抑制可能とすることにある。 The present invention has been made in view of the above points, and the technical problem thereof is that, in a fuel cell sealing structure, the gaskets on both sides of the membrane electrode assembly are offset due to assembly accuracy. Even if it exists, it is in making it possible to ensure a required sealing surface pressure and to suppress the bending moment to a membrane electrode composite.
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の密封構造は、膜電極複合体を、その厚さ方向一側に配置されたセパレータに一体的に設けたゴム状弾性材料からなる第一ガスケットと、厚さ方向他側に配置されたセパレータに一体的に設けたゴム状弾性材料からなる第二ガスケットで挟み込む密封構造において、前記第一ガスケットは、前記膜電極複合体と密接される第一シール突条を有し、前記第二ガスケットは、前記第一シール突条の延長形状と対応する延長形状をなして前記膜電極複合体と密接される複数の第二シール突条を有し、この第二シール突条は前記膜電極複合体に対する前記第一シール突条の密接幅より小さいピッチで互いに平行に並んで形成されたものである。
As a means for effectively solving the technical problem described above, the fuel cell sealing structure according to the invention of
請求項1の構成によれば、第一シール突条が、必ず1つ以上の第二シール突条との間で膜電極複合体を挟み込むことになり、すなわち膜電極複合体に対する第一シール突条の密接領域が、1つ以上の第二シール突条と対向することになるので、第一ガスケットと第二ガスケットに、組み付け精度によるオフセットがあっても、膜電極複合体に大きな曲げモーメントが作用しない。また、第二ガスケットに、第二シール突条によって局部的に高い面圧を確保することができる。
According to the configuration of
請求項2の発明に係る燃料電池の密封構造は、請求項1に記載の構成において、第二シール突条が、第一シール突条と略同形同大の延長形状を有する中央のシール突条と、その両側にそれぞれ1本以上形成された他のシール突条とからなるものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell sealing structure according to the first aspect, wherein the second seal protrusion has a central seal protrusion having an extended shape substantially the same shape and size as the first seal protrusion. It consists of a strip and one or more other seal projections formed on both sides thereof.
請求項2の構成によれば、第一ガスケットと第二ガスケットが正規の位置決め状態で組み付けられた場合は、第一ガスケットにおける第一シール突条が、第二ガスケットにおける中央のシール突条と対向し、第一ガスケットと第二ガスケットに、組み付け精度によるオフセットがある場合は、オフセットの方向によって、第一シール突条が、前記中央のシール突条より内周側又は外周側のシール突条と対向し、又は複数のシール突条に跨って対向する。
According to the configuration of
請求項1又は2の発明に係る燃料電池の密封構造によれば、膜電極複合体の挟み込みが、第一ガスケットにおける第一シール突条と、第二ガスケットにおける複数の第二シール突条との間で行われるので、第二ガスケットのシール面をフラットにした場合のように面圧が分散されることがなく、十分な密封性が確保される。またこのためガスケットの幅を大きくする必要もなく、しかも第一及び第二ガスケットに、組み付け精度によるオフセットがあっても、膜電極複合体への曲げモーメントが抑制されるので、膜電極複合体の大きな曲げ変形や破損を有効に防止することができる。 According to the fuel cell sealing structure of the first or second aspect of the invention, the sandwiching of the membrane electrode assembly is caused by the first seal protrusion in the first gasket and the plurality of second seal protrusions in the second gasket. Therefore, the surface pressure is not dispersed as in the case where the sealing surface of the second gasket is flattened, and sufficient sealing performance is ensured. For this reason, it is not necessary to increase the width of the gasket, and even if the first and second gaskets have an offset due to the assembly accuracy, the bending moment to the membrane electrode assembly is suppressed. Large bending deformation and breakage can be effectively prevented.
以下、本発明に係る燃料電池の密封構造を、図面を参照しながら説明する。まず図1は、本発明の好ましい実施の形態に係る燃料電池の密封構造を、分離状態で示す部分断面図である。 Hereinafter, a fuel cell sealing structure according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial sectional view showing a fuel cell sealing structure according to a preferred embodiment of the present invention in a separated state.
図1において、参照符号10は高分子電解質膜(プロトン膜)11と、その両側に積層状態に設けた触媒電極層12及びガス拡散層(GDL)13を備えた膜電極複合体(MEA)であり、この膜電極複合体10の両側にそれぞれセパレータ20A,20Bが重ねられて、燃料電池セル1が構成されている。
In FIG. 1,
膜電極複合体10において、高分子電解質膜11の周縁は、触媒電極層12及びガス拡散層13の周縁から張り出しており、この張り出し部11aが、一方のセパレータ20Aに一体的に設けられた第一ガスケット30と、他方のセパレータ20Bに一体的に設けられた第二ガスケット40の間に挟み込まれることによって、燃料ガス(水素)や酸化ガス、その電気化学反応により生成されて排出される水や余剰の酸化ガス、冷媒などが、それぞれの流路から漏れることのないように密封されている。
In the
第一ガスケット30及び第二ガスケット40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)、パーフルオロゴム(FFKM)などから選択されたゴム状弾性材料からなるものである。
The
そしてこのうち、第一ガスケット30は、先端がR面をなす山形の第一シール突条31を有するものであって、上述のゴム状弾性材料の液状ゴムを用い、通常の圧縮成形、LIM成形あるいはSIM成形によって成形してからセパレータ20Aの表面に貼り付けるか、あるいはセパレータ20Aの表面に一体成形することができる。
Of these, the
一方、第二ガスケット40は、第一ガスケット30における第一シール突条31の延長形状と対応する延長形状をなして膜電極複合体10の電解質膜11の張り出し部11aと密接される複数(図示の例では5本)の第二シール突条41(41a〜41e)を有するものであって、第一ガスケット30と同様、ゴム状弾性材料の液状ゴムを用い、通常の圧縮成形、LIM成形あるいはSIM成形によって成形してからセパレータ20Bの表面に貼り付けるか、あるいはセパレータ20Bの表面に一体成形することができる。
On the other hand, the
第二ガスケット40における第二シール突条41は、膜電極複合体10の電解質膜11の張り出し部11aに対する第一シール突条31の密接幅(例えば第一シール突条31の先端R面の幅)wより小さいピッチpで、この第一シール突条31と平行に並んで形成されている。そして、各第二シール突条41は先端がR面をなすものであって、その曲率半径は、第一シール突条31における先端R面の曲率半径の1/2以下としてある。また、複数の第二シール突条41a〜41eのうち、中央のシール突条41cは、第一シール突条31と略同形同大の延長形状に形成されており、したがって、膜電極複合体10の両側で、セパレータ20A,20B(第一ガスケット30と第二ガスケット40)が正規の位置決め状態で組み付けられた場合は、第一ガスケット30の第一シール突条31が、第二ガスケット40における中央のシール突条41cと正対するようになっている。
The
図2は、第二ガスケット40の第二シール突条41の形状例を示す断面図で、このうち(A)に示される例は、各第二シール突条41が蒲鉾形で、その間の谷底部42が平坦に形成されており、(B)に示される例は、第二シール突条41と谷底部42が波状をなして形成されており、(C)に示される例は、第二シール突条41のピッチpを(A)及び(B)に比較して狭くしたものである。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the shape of the
なお、第二ガスケット40の幅(外側の第二シール突条41aから41eまでの幅)は、想定される最大のオフセット量を考慮して、適切に決定される。
The width of the second gasket 40 (the width from the outer
上記構成において、燃料電池セル1を多数積層し、不図示のボルト・ナットで締め付けて燃料電池スタックとして組み立てた状態では、膜電極複合体10における高分子電解質膜11の張り出し部11aが、第一ガスケット30の第一シール突条31と第二ガスケット40の第二シール突条41a〜41eとの間に挟み込まれる。このとき、セパレータ20A,20B(第一ガスケット30と第二ガスケット40)が正規の位置決め状態で組み付けられているか否かに拘らず、高分子電解質膜11に対する第一シール突条31の密接領域が、1つ以上の第二シール突条41と対向することになり、すなわち第一シール突条31の圧縮力が必ず1つ以上の第二シール突条41に作用するので、組み付け精度によるオフセットがあっても、高分子電解質膜11に大きな曲げモーメントが作用しない。
In the above configuration, in the state where a large number of
また、第二ガスケット40が圧縮力を受けることによって、各第二シール突条41a〜41eがつぶされて局部的に面圧が上昇するので、シール面をフラットにした場合に比較して高い密封性を確保することができる。
Further, since the
図3は、図1の形態において、オフセットが発生していない状態、すなわち第一ガスケット30と第二ガスケット40が正規の位置に組み付けられた場合の未圧縮状態(A)と圧縮状態(B)を示す断面図である。すなわち、セパレータ20A,20B(第一ガスケット30と第二ガスケット40)にオフセットが発生していない場合は、図3(A)に示されるように、第一ガスケット30における第一シール突条31が、第二ガスケット40における中央の第二シール突条41cと正対するので、図3(B)に示される圧縮状態では、第一シール突条31からの圧縮力が、低剛性の薄肉の高分子電解質膜11を介して中央の第二シール突条41cに作用する。
FIG. 3 shows a state in which no offset is generated in the form of FIG. 1, that is, an uncompressed state (A) and a compressed state (B) when the
図4は、図3(B)に示される状態、すなわちオフセットが発生していない状態で圧縮された場合の第一シール突条31側とその反対側の面圧を測定した結果を示す線図である。この図4に示されるように、図1の形態によれば、第二シール突条41cの面圧が、第一シール突条31とほぼ同等の高いものとなる。このため、優れた密封性を確保することができる。
FIG. 4 is a diagram showing the results of measuring the surface pressure on the
また、図5は、図1の形態において、オフセットが発生した状態、すなわち第一ガスケット30と第二ガスケット40が互いにずれた状態で組み付けられた場合の未圧縮状態(A)と圧縮状態(B)を示す断面図である。すなわち、図5(A)に示されるように、セパレータ20A,20B(第一ガスケット30と第二ガスケット40)にオフセットが発生している場合は、第一シール突条31が、第二ガスケット40における中央の第二シール突条41cから片側へずれた位置で、単一又は複数の第二シール突条41と対向するため、図5(B)に示される圧縮状態では、第一シール突条31からの圧縮力が、低剛性の薄肉の高分子電解質膜11を介して単一又は複数の第二シール突条41へ作用することになるが、それによる高分子電解質膜11の変形は小さく抑えられる。
FIG. 5 shows an uncompressed state (A) and a compressed state (B) when the offset is generated in the form of FIG. 1, that is, when the
図6は、図5(B)に示される状態、すなわちオフセットが発生した状態で圧縮された場合の第一シール突条31側とその反対側の面圧を測定した結果を示す線図である。この図6に示されるように、図1の形態によれば、オフセットが発生した状態では、先に説明した図3のようにオフセットが発生していない場合に比較して面圧が低下するが、その低下は10%程度に抑制され、しかも、第二シール突条41cに、第一シール突条31とほぼ同等の面圧が確保されることがわかる。
FIG. 6 is a diagram showing the results of measuring the surface pressure on the
また、図7は、比較例として、第一シール突条31を有する第一ガスケット30と、フラットなシール面51が形成されたガスケット50を組み付けた場合の未圧縮状態(A)と圧縮状態(B)を示す断面図、図8は、図7(B)に示される圧縮状態において第一シール突条31側とその反対側のシール面51の面圧を測定した結果を示す線図である。すなわち、図7(A)に示されるように、第一ガスケット30における第一シール突条31がガスケット50におけるフラットなシール面51と対向するため、図7(B)に示される圧縮状態では、第一シール突条31側の面圧に比較してフラットなシール面51側の面圧が大幅に低下している。
7 shows, as a comparative example, an uncompressed state (A) and a compressed state (A) when the
したがって、以上の測定結果から、図1の形態による優位性が確認できた。 Therefore, the superiority by the form of FIG. 1 was confirmed from the above measurement result.
1 燃料電池セル
10 膜電極複合体
11 高分子電解質膜
12 触媒電極層
13 ガス拡散層
20A,20B セパレータ
30 第一ガスケット
31 第一シール突条
40 第二ガスケット
41(41a〜41e) 第二シール突条
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