JP5617268B2 - 燃料電池の密封構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池において、膜−電極複合体を、その厚さ方向両側に配置したセパレータに一体に設けられたガスケットで挟み込む密封構造に関するものである。

燃料電池は、高分子電解質膜の両面に一対の触媒電極層を設けた膜−電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）及びその厚さ方向両側に積層された多孔質のガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）と、カーボンあるいは金属からなるセパレータとを交互に配置して積層した構造を有し、燃料ガスと酸化ガスを膜−電極複合体の両面へ流通させ、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。

この種の燃料電池においては、燃料ガスや酸化ガス、その反応によって生成した水や余剰の酸化ガス、冷媒などをシールするための密封構造を備える。図８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８において、参照符号１１０は高分子電解質膜及びその両側に設けた触媒電極層などからなる膜−電極複合体であり、この膜−電極複合体１１０の厚さ方向両側にそれぞれセパレータ１２０が積層される。

膜−電極複合体１１０の周縁には、その厚さ方向両側のセパレータ１２０に一体的に設けられたガスケット１３０が密接される。ガスケット１３０はゴム状弾性材料（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）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。

ところが、膜−電極複合体１１０は薄肉で柔軟であるため、例え僅かでも組み付け精度によるオフセット（ずれ）δがあると、シール突条１３１による面圧極大部のずれによって密封性が不安定になる問題がある。また、所要の密封性が確保できたとしても、ガスケット１３０の反力がオフセットδによって大きく変動するため、発電領域（不図示）の積層圧力への影響によって、発電性能も不安定になるおそれがある。

そこで、このようなオフセットによる不具合を防止する方法として、図９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、フラットシール部１４１が形成されたガスケット１４０とで膜−電極複合体１１０の周縁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、この場合はガスケット１３０のシール突条１３１によるシール面は所要の面圧が確保できるものの、ガスケット１４０のフラットシール部１４１によるシール面では面圧が分散され、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１０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とフラットシール部１５２を有するガスケット１５０を両側のセパレータ１２０に互いに巴状に設けて、シール突条１５１とフラットシール部１５２による膜−電極複合体１１０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。

特開２００８−９７８９９号公報

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、安定した密封性を確保すると共に、発電領域の発電性能を安定させることにある。

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頂部が前記膜−電極複合体に密接されるメインリップを有し、前記第二ガスケットは、前記膜−電極複合体に密接されるフラットシール部と、このフラットシール部における前記メインリップの頂部との対向位置に隆起形成されたサブリップを有し、前記メインリップの頂部の幅が前記フラットシール部の幅より狭く、前記メインリップの頂部がフラットに形成され、前記サブリップが前記メインリップの頂部より幅が狭く、前記メインリップの頂部の幅方向両端にそれぞれ第二サブリップを有するものである。

本発明に係る燃料電池の密封構造によれば、膜−電極複合体が、第一ガスケットのメインリップの頂部と第二ガスケットのフラットシール部及びサブリップとの間に挟み込まれるものであって、膜−電極複合体に対する第二ガスケットのフラットシール部の接触面圧がサブリップによって補償され、しかも第一ガスケットにおけるメインリップの頂部の幅が、第二ガスケットのフラットシール部の幅より狭いことによって膜−電極複合体に対する所要の接触面圧が確保される。

また、オフセットが大きくなることによって、第二ガスケットのサブリップが第一ガスケットのメインリップの頂部における幅方向端部と対向されても、膜−電極複合体は、前記サブリップと、前記メインリップの頂部における幅方向端部に形成された第二サブリップとで挟み込まれるので、十分な接触面圧が確保される。

本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、第一ガスケットのメインリップのフラットな頂部と第二ガスケットのフラットシール部及びサブリップとの間で行われるので所要の接触面圧が確保され、このためガスケットの幅を大きくする必要もなく、しかも組み付け精度によるオフセットが発生しても、安定した密封性能が得られると共に、発電領域の発電性能を安定させることができる。

本発明の好ましい第一の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。 第一の実施の形態において、オフセットが発生した状態を分離状態で示す部分断面図である。 第一の実施の形態において、メインリップの頂部の幅を図１に示される例よりも小さくした例を、分離状態で示す部分断面図である。 本発明の好ましい第二の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。 膜−電極複合体に対するガスケットの接触面圧を測定した結果を示す線図である。 図５の線図における実施例によるガスケットの接触面圧の測定部位を説明するための図である。 図５の線図における比較例によるガスケットの接触面圧の測定部位を説明するための図である。 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ある。 他の従来技術による燃料電池の密封構造を、分離状態で示す部分断面図である。 他の従来技術による燃料電池の密封構造を、分離状態で示す部分断面図である。

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。図１は、本発明の好ましい第一の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。

図１において、参照符号１０は高分子電解質膜及びその両側に積層状態に設けた触媒電極層を備えた膜−電極複合体であり、この膜−電極複合体１０の両側にそれぞれセパレータ２０Ａ，２０Ｂが重ねられることによって、燃料電池セル１が構成される。

膜−電極複合体１０の周縁部１０ａは、一方のセパレータ２０Ａに一体的に設けられたゴム状弾性材料（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなる第一ガスケット３０と、他方のセパレータ２０Ｂに一体的に設けられたゴム状弾性材料からなる第二ガスケット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るようになっている。

第一ガスケット３０は、一方のセパレータ２０Ａに形成された溝２１内に一体接合された基部３１と、この基部３１から隆起したメインリップ３２からなり、膜−電極複合体１０に密接されるメインリップ３２の頂部３２ａはフラットに形成されている。一方、第二ガスケット４０は、他方のセパレータ２０Ｂに形成された溝２２内に一体接合された基部４１と、この基部４１から隆起したフラットシール部４２と、さらにこのフラットシール部４２に隆起形成されたサブリップ４３を有するものである。

第一ガスケット３０におけるメインリップ３２の頂部３２ａは、膜−電極複合体１０に密接されるものであって、その幅ｗ１は想定される最大オフセット量の２倍より広く、第二ガスケット４０におけるフラットシール部４２の幅ｗ２より狭いものとなっている。また、フラットシール部４２に形成されたサブリップ４３は、膜−電極複合体１０との接触面圧を局部的に高める部分であってメインリップ３２の頂部３２ａとの対向位置に形成され、その幅ｗ３がメインリップ３２の頂部３２ａの幅ｗ１より狭いものとなっている。

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の周縁部１０ａが、第一ガスケット３０のメインリップ３２と第二ガスケット４０のフラットシール部４２との間に挟み込まれる。

そして、第一ガスケット３０のメインリップ３２は、膜−電極複合体１０に密接される頂部３２ａの幅ｗ１が第二ガスケット４０のフラットシール部４２の幅ｗ２より十分に狭いので、膜−電極複合体１０に対する十分な接触面圧が確保される。一方、膜−電極複合体１０に対する第二ガスケット４０のフラットシール部４２の接触面圧は、サブリップ４３によって局部的に大きくなる。このため、第一ガスケット３０と第二ガスケット４０による良好な密封性を奏する。

ここで図２に示されるように、セパレータ２０Ａとセパレータ２０Ｂ、言い換えれば第一ガスケット３０と第二ガスケット４０に、組み付け精度による僅かなオフセットδ（メインリップ３２の頂部３２ａの幅方向中心とフラットシール部４２のサブリップ４３の幅方向中心とのずれとして示される）があったとしても、膜−電極複合体１０に対するメインリップ３２の頂部３２ａの密接領域はそれより幅の広いフラットシール部４２と対向すると共に、このフラットシール部４２に隆起形成されたサブリップ４３がメインリップ３２の頂部３２ａと対向することになる。これは、メインリップ３２の頂部３２ａの幅ｗ１が、想定される最大オフセット量の２倍より広いものとなっているからである。

したがって、オフセットδがあっても、膜−電極複合体１０が第一ガスケット３０のメインリップ３２の頂部３２ａと第二ガスケット４０のフラットシール部４２及びサブリップ４３で挟み込まれた状態となるので、膜−電極複合体１０に対する第一ガスケット３０及び第二ガスケット４０の安定した接触面圧が得られ、その結果、安定した密封性能が確保されると共に、膜−電極複合体１０に大きな曲げモーメントが作用せず、さらにはガスケット３０，４０の反力がオフセットδによって大きく変動することがないので、図１及び図２における左側に存在する発電領域（不図示）の積層圧力への影響が少なく、その結果、安定した発電性能も確保される。

なお、想定される組み付け精度による最大オフセット量が小さい場合には、それに応じて、図３に示されるように第一ガスケット３０におけるメインリップ３２の頂部３２ａの幅ｗ１を狭くすることができるので、膜−電極複合体１０に対するメインリップ３２の接触面圧を高めることができる。

次に図４は、本発明の好ましい第二の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。

この第二の実施の形態において、上述した第一の実施の形態と異なるところは、第一ガスケット３０におけるメインリップ３２の頂部３２ａの幅方向両端にそれぞれ第二サブリップ３３を有する点にある。

このような構成とすれば、膜−電極複合体１０に対する接触面圧の局大部がサブリップ４３と第二サブリップ３３，３３によって複数個所に形成されるので、一層良好な密封性を奏する。

しかも組み付け精度によるオフセットが大きくなることによって、第二ガスケット４０のサブリップ４３が第一ガスケット３０のメインリップ３２の頂部３２ａにおける幅方向端部との対向位置までずれても、膜−電極複合体１０は、サブリップ４３と第二サブリップ３３とで挟み込まれることになるので、十分な接触面圧が確保される。

図５は、膜−電極複合体に対するガスケットの接触面圧を測定した結果を、実施例と比較例とで比較して示す線図である。このうち実施例としては、図６に示されるように、第一の実施の形態として先に説明した図１と同様のものを用い、サブリップ４３と対向する部分での膜−電極複合体１０と第一ガスケット３０のメインリップ３２の接触面圧Ａ、及び膜−電極複合体１０とサブリップ４３の接触面圧Ｂを測定した。また比較例としては、図７に示されるように、従来技術として先に説明した図１０と同様のものを用い、膜−電極複合体１０とシール突条１５１の頂部の接触面圧Ｃ、及びシール突条１５１の頂部と対向する部分での膜−電極複合体１０とフラットシール部１５２の接触面圧Ｄを測定した。

この測定結果から、比較例では、シール突条１５１によるＣ部の接触面圧とフラットシール部１５２によるＤ部の接触面圧の差が大きいのに対し、本発明の実施例では、メインリップ３２によるＡ部の接触面圧とサブリップ４３によるＢ部の接触面圧の差が小さく、しかもＡ部及びＢ部の接触面圧が、双方とも比較例におけるフラットシール部１５２の接触面圧Ｄよりも高くなることが確認された。したがって本発明の実施例によれば、Ａ部とＢ部の接触面圧の差が小さいため膜−電極複合体１０の曲げ変形が抑制され、しかも膜−電極複合体１０に対する十分な、かつ安定した接触面圧によって、安定した密封性能を確保できることがわかる。

１ 燃料電池セル
１０ 膜−電極複合体
２０Ａ，２０Ｂ セパレータ
２１，２２ 溝
３０ 第一ガスケット
３２ メインリップ
３２ａ 頂部
３３ 第二サブリップ
４０ 第二ガスケット
４２ フラットシール部
４３ サブリップ

Claims (1)

1. 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頂部が前記膜−電極複合体に密接されるメインリップを有し、前記第二ガスケットは、前記膜−電極複合体に密接されるフラットシール部と、このフラットシール部における前記メインリップの頂部との対向位置に隆起形成されたサブリップを有し、前記メインリップの頂部の幅が前記フラットシール部の幅より狭く、前記メインリップの頂部がフラットに形成され、前記サブリップが前記メインリップの頂部より幅が狭く、前記メインリップの頂部の幅方向両端にそれぞれ第二サブリップを有することを特徴とする燃料電池の密封構造。

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