JP5976509B2

JP5976509B2 - 燃料電池用ガスケット

Info

Publication number: JP5976509B2
Application number: JP2012253825A
Authority: JP
Inventors: 哲也浦川
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: JP2013131491A

Description

本発明は、燃料電池の発電要素をなす燃料電池セルに用いられるガスケットに関するものである。

ＰＥＦＣ（polymer electrolyte fuel cell；固体高分子形燃料電池）など、比較的低温で運転される燃料電池は、自動車用、家庭用、可搬型電源、携帯端末用電源など、さまざまな分野での用途が期待されており、すでに一部の分野では商用化されている。そしてこのタイプの燃料電池の基本構造は、電解質膜（イオン交換膜）の両面に負極層（アノード）及び正極層（カソード）を設けたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜−電極複合体）を、カーボン、合成樹脂あるいは金属からなるセパレータで挟み込んでこれを一つの発電単位（燃料電池セル）とし、これを積層して直列接続することによって燃料電池スタックとし、高電圧を得られるようにしている。

そしてこの種の燃料電池は、図７に示すように、還元剤（水素Ｈ_２や、水素Ｈ_２を含むメタノールなどの燃料ガス）が一方の流路１１１を通じてＭＥＡ１００におけるアノード１０１に供給され、酸化剤（酸素Ｏ_２を含む空気）が他方の流路１１２を通じてＭＥＡ１００におけるカソード１０２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Ｈ_２と酸素Ｏ_２から水Ｈ_２Ｏを生成する反応によって、電力を発生するものである。

詳しくは、ＭＥＡ１００におけるアノード１０１に供給された水素Ｈ_２は、このアノード１０１の触媒作用によって電子ｅ⁻と水素イオンＨ^＋に分解される。そしてこれによって発生した電子ｅ⁻は、電流として外部の負荷Ｒを通ってＭＥＡ１００におけるカソード１０２へ向けて流れる。また、水素Ｈ_２から電子ｅ⁻が分離されることによって生じた水素イオンＨ^＋は、カソード１０２の電子ｅ⁻に引き付けられるので、ＭＥＡ１００における電解質膜１０３を介してカソード１０２へ移動する。

一方、ＭＥＡ１００におけるカソード１０２に供給された空気中の酸素Ｏ_２は、このカソード１０２の触媒作用により電子ｅ⁻を受け取って酸素イオンＯ⁻となる。そしてこの酸素イオンＯ⁻が、アノード１０１から電解質膜１０３を介して移動して来た水素イオンＨ^＋と結びつくことによって水Ｈ_２Ｏが生成されるのである。

すなわち、この種の燃料電池では、発電に必要な水素Ｈ_２、あるいは水素Ｈ_２を含むメタノールなどからなる還元剤ガスや、酸素Ｏ_２を含む空気からなる酸化剤ガスを両極へ供給して発電し、その結果生じる水Ｈ_２Ｏを排出し、さらに、冷却が必要な場合には冷媒として水や不凍液なども流通させる。そしてこれら複数種類の流体を燃料電池に供給するには、供給すべき空間からこれらの流体が散逸しないように、あるいは他の流体が流入することのないように、これらの流体の流路を確実に密封する必要があり、このため、各燃料電池セルにはゴム状弾性を有する材料、とくにゴム弾性体や熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂など、成形性の良い材料で成形されたガスケットが組み込まれている。

また、発電効率を高めるためには還元剤や酸化剤が非発電領域へ流入しないようにすることが重要である。例えば燃料電池セルの積層方向へ貫通して流体を各燃料電池セルへ供給あるいは各燃料電池セルからの流体を排出する孔（マニホールド孔と呼ばれる）の周辺部も非発電領域であり、このような非発電領域への流体の流入による発電効率の低下を防止するには、各燃料電池セルに組み込むガスケットとして、シート状のガスケットを用いることが有効である。

図８は従来のガスケットの一例を示す部分的な平面図、図９は図８におけるIX−IX線で切断した断面図、図１０は従来のガスケットを積層により圧縮した状態を図９と同じ位置で切断した断面図である。

すなわちこのガスケット２００はセパレータ３００の片面にゴム弾性体などで一体に成形されたものであって、平坦なシート状基部２０１と、このシート状基部２０１の外周部から断面山形をなして突出したシールリップ２０２からなる。そしてシート状基部２０１は、セパレータ３００に開設されたマニホールド孔としての開口部３０１の周辺及びこの開口部３０１から延びる流路溝３０２の形成領域の周辺を覆うように展開しており、その縁部２０１ａが、流路溝３０２の形成領域の縁部と面一となっている。

上記構成を備えるガスケット２００は、図１０に示すように燃料電池セルに組み込んで積層によりシールリップ２０２が完全につぶれるように圧縮した状態では、シート状基部２０１が例えばＭＥＡ又は他方のセパレータからなる積層部品４００との間で開口部３０１の周辺及び流路溝３０２の形成領域の周辺の隙間を埋めるように介在することによって、この隙間への還元剤ガスや酸化剤ガスの流入を防止している。なお、シート状のガスケットの従来技術としては、例えば下記の特許文献１のようなものがある。

特開２００４−３４２５１６号公報

しかしながら、従来のガスケット２００によれば、シート状基部２０１が過圧縮された場合、図１０に示すように、シート状基部２０１の縁部２０１ａが膨出するように変形して流路溝３０２の形成領域（あるいは図８に示す開口部３０１）へはみ出してしまい、その分、流路面積が減少して所定のガスの流量や冷媒液の流量が確保できなくなって、結果的に発電効率や冷却効率が低下するおそれがあった。

一方、このような過圧縮状態とならないように、積層による締め付け力を小さくすると、非発電領域である開口部３０１の周辺や流路溝３０２の領域の周辺で、基部２０１と積層部品４００との間に隙間ができて、ここに還元剤ガスや酸化剤ガスが流入してしまい、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、その技術的課題は、非発電領域への還元剤ガスや酸化剤ガスの流入や、流路領域へのガスケットのはみ出しによる発電効率の低下や、冷媒液のマニホールド孔での流路領域へのガスケットのはみ出しによる冷却効率の低下を有効に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、本発明に係る燃料電池用ガスケットは、燃料電池セルの積層部品間に介在されるガスケットであって、ゴム状弾性を有する材料からなり、前記燃料電池セルの流路領域を包囲するように延びて内側縁部が前記流路領域の縁部に達する平坦なシート状基部を有し、前記シート状基部に、前記内側縁部に沿って延びる微小突条が周設され、この微小突条は、完全につぶされても前記シート状基部の内側縁部を膨出変形させない大きさに形成されたものである。なお、ここでいう流路領域とは、マニホールド孔やこのマニホールド孔から延びる流路溝の形成領域を総称するものである。

上記構成の燃料電池用ガスケットは、燃料電池セルの積層部品間に組み込むことによって、燃料電池セルの流路内を流通する還元剤、酸化剤、冷媒液などの流体を密封するものであり、流路領域の縁部に沿った微小突条がつぶれるように圧縮された状態で前記積層部品に密接されることによって、局部的に密封面圧が上昇し、流路領域の周辺の隙間へ前記流体が流入するのを防止する。そしてこの微小突条が完全につぶされてもガスケットのシート状基部の内側縁部は流路領域へ向けて膨出変形せず、このため流路面積が減少しない。

本発明に係る燃料電池用ガスケットによれば、微小突起によって非発電領域の隙間へ還元剤や酸化剤などの流体が流入するのを防止すると共に、圧縮によるシート状基部の内側縁部の膨出変形による流路面積の減少を防止することができるので、発電効率の低下を有効に防止することができる。

本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第一の実施の形態を示す部分的な平面図である。図１におけるII−II線で切断した断面図である。第一の実施の形態の燃料電池用ガスケットを積層により圧縮した状態を図２と同じ位置で切断した断面図である。本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第二の実施の形態を示す部分的な平面図である。図４におけるＶ−Ｖ線で切断した断面図である。第二の実施の形態の燃料電池用ガスケットを積層により圧縮した状態を図４と同じ位置で切断した断面図である。燃料電池セルにおける発電のメカニズムを概略的に示す説明図である。従来のガスケットの一例を示す部分的な平面図である。図８におけるIX−IX線で切断した断面図である。従来のガスケットを積層により圧縮した状態を図９と同じ位置で切断した断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず図１〜図３は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの第一の実施の形態を示すもので、このうち図１は燃料電池用ガスケットの部分的な平面図、図２は図１におけるII−II線で切断した断面図、図３は、ガスケットを積層により圧縮した状態を図２と同じ位置で切断した断面図である。

図１及び図２において、参照符号２は燃料電池セルを構成する積層部品であるセパレータであって、カーボン、合成樹脂あるいは金属からなる板状又はシート状を呈し、マニホールド孔となる複数の開口部（図１では１カ所のみ示す）２１が開設されると共に、表面に、前記各開口部２１から延びる多数の流路溝２２が、発電領域と対応する範囲で形成されている。

第一の実施の形態のガスケット１は、セパレータ２の片面に、ゴム状弾性を有する材料（ゴム弾性体又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）で一体に成形されたものであって、平坦なシート状基部１１と、このシート状基部１１の外周部から断面山形をなして突出したシールリップ１２を備える。

シート状基部１１は、セパレータ２の開口部２１の周辺及び流路溝２２の形成領域２０の周辺を覆うように展開しており、シート状基部１１の内側縁部１１ａが、開口部２１の開口縁部２１ａ及び流路溝２２の形成領域２０の縁部２０ａに達し、この縁部２１ａ，２０ａと面一をなしている。

シート状基部１１には、その内側縁部１１ａに沿って延びる微小突条１３が周設されている。この微小突条１３は、シールリップ１２に比較して断面積が十分に小さく、完全に圧縮されてもシート状基部１１の内側縁部１１ａを膨出変形させない大きさに形成されている。また、微小突条１３の内周面は、シート状基部１１の内側縁部１１ａとほぼ面一、すなわち開口部２１の開口縁部２１ａ及び流路溝２２の形成領域２０の縁部２０ａとほぼ面一をなしている。

以上のような構成を備える第一の実施の形態の燃料電池用ガスケット１は、これと一体のセパレータ２と共に燃料電池セルに組み込まれ、この燃料電池セルにおける他の積層部品、例えばセパレータ２の片側に配置される他方のセパレータあるいはＭＥＡなどの積層部品３と密接され、開口部２１及び流路溝２２を流通する還元剤ガスや酸化剤ガス、あるいは冷媒液などの流体を密封するものである。

なお、この例においては、図２に示すセパレータ２とシート状基部１１の接合面から微小突条１３の頂部までの高さｈを、先に説明した図９に示す従来のガスケット２００のシート状基部２０１の厚さｔに相当するものとする。したがって、図３に示す組み付け状態において、セパレータ２と積層部品３との積層間隔を、先に説明した図１０のセパレータ３００と積層部品４００との積層間隔と同等とした場合、ガスケット１は、シールリップ１２及び微小突条１３のみがほぼ完全につぶされた状態で積層部品３と密接され、シート状基部１１は殆ど圧縮されない状態とすることができる。

そして、開口部２１の開口縁部２１ａ及び流路溝２２の形成領域２０の縁部２０ａに沿って延びる微小突条１３は、積層方向への締結力が小さくても容易につぶれ、この微小突条１３の圧縮によって局部的に密封面圧が立つので、開口部２１の周辺や流路溝２２の形成領域２０の周辺などの非発電領域を覆うように展開するシート状基部１１と積層部品３との間へ、還元剤ガスや酸化剤ガスなどが流入するのを有効に防止し、このため、発電効率の低下を防止することができる。

また、ガスケット１の微小突条１３が完全につぶれた状態に圧縮されても、この微小突条１３は十分に小さいものであるため圧縮による応力がシート状基部１１で吸収され、しかもシート状基部１１は殆ど圧縮されていないため、シート状基部１１の内側縁部１１ａは、開口部２１の開口縁部２１ａ及び流路溝２２の形成領域２０の縁部２０ａから膨出しない。このため開口部２１における流路面積及び流路溝２２における流路面積が減少せず、したがって所定の起電力を得るための還元剤ガスや酸化剤ガス、あるいは冷却のための冷媒液などの流量を確保することができる。

次に図４は本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第二の実施の形態を示す部分的な平面図、図５は図４におけるＶ−Ｖ線で切断した断面図、図６は、第二の実施の形態の燃料電池用ガスケットを積層により圧縮した状態を図４と同じ位置で切断した断面図である。

第二の実施の形態のガスケット１において、第一の実施の形態と異なるところは、ラバーオンリーで成形されており、シールリップ１２及び微小突条１３がシート状基部１１の両面に形成されている点にある。シート状基部１１は、取り扱い性の観点から、第一の実施の形態に比較して厚肉に成形されている。

そしてこの実施の形態による燃料電池用ガスケット１も、燃料電池セルにおけるセパレータやＭＥＡなどの積層部品４，５の間に組み込まれて、これら積層部品４，５と密接され、マニホールド孔を形成している積層部品４，５の開口部４１，５１及び不図示の流路溝を流通する還元剤ガスや酸化剤ガス、あるいは冷媒液などの流体を密封するもので、シールリップ１２及び微小突条１３のみがほぼ完全につぶされた状態で積層部品４，５と密接され、シート状基部１１は殆ど圧縮されない状態とすることができる。

したがって、第一の実施の形態と同様の効果を実現することができるものである。

１ガスケット
１１シート状基部
１１ａ内側縁部
１２シールリップ
１３微小突条
２セパレータ（積層部品）
２０流路溝の形成領域（流路領域）
２０ａ縁部
２１開口部（流路領域）
２１ａ開口縁部
３〜５積層部品

Claims

燃料電池セルの積層部品間に介在されるガスケットであって、ゴム状弾性を有する材料からなり、前記燃料電池セルの流路領域を包囲するように延びて内側縁部が前記流路領域の縁部に達する平坦なシート状基部を有し、前記シート状基部に、前記内側縁部に沿って延びる微小突条が周設され、この微小突条は、完全につぶされても前記シート状基部の内側縁部を膨出変形させない大きさに形成されたことを特徴とする燃料電池用ガスケット。