JP6280452B2 - 積層部材用ガスケット - Google Patents

Description

本発明は、シール技術に係る密封装置の一種であるガスケットに係り、更に詳しくは、１枚の積層部材に対してゴム状弾性体よりなるガスケットを一体成形した積層部材用ガスケットに関する。本発明のガスケットは例えば、燃料電池用シールの分野で用いられ、またはその他の平面固定シール（熱交換器など）の分野などで用いられる。

例えば、燃料電池スタックは主としてＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極複合体）などの電極反応部とアノードやカソードを隔壁するためのセパレータから構成される。電極反応部の電解質膜はフッ素系の固体高分子膜などが主に用いられ、プロトン伝導性が要求される。セパレータは電解質膜へ流体供給をなすための流路形成や、アノード側で発生した電子を伝導する重要な役割がある。

一方、燃料電池用シールについては、各流体、例えば水素ガスや酸素を含んだ空気、スタックを冷却するための冷媒などがスタックの外部あるいは他流体域へ流出・流入しないようにシールする役割がある。数十Ｗ級の小型電源から１００ｋＷ級の自動車用電源に至るまで、これら燃料電池は複数のセルで構成され、積層されるのが一般的である。燃料電池では例えば燃料側の例を挙げると、水素ガスやメタノールなど水素原子を含む燃料ガスを供給する部分には、供給の連通穴から各セルの反応面にこの燃料ガスを供給し、排出用の連通穴を通ってスタック外へ排出される。このとき反応面では最低でも他流体の連通穴や系外へ漏洩しないシールが必要である。同様に酸素あるいは空気側や冷却水あるいは冷媒側も同じ構成である。水の電気分解でも同様の構成であって、水素発生面と酸素発生面にはそれぞれの流体のシールが必要である。

これらの積層部材は、プロトンを伝導する電解質膜と、取り出した電子を伝導するためのセパレータなどの導電性プレートから構成される。各流体をシールするためのガスケットは電解質膜側または導電性プレート側に取り付けられる。例えばＭＥＡを導電性プレートで挟む場合は、燃料側流路を形成したプレートと空気あるいは酸素流路を形成したプレートを用いる。冷却水あるいは冷媒はこれらのプレート間に供給される。これらの流体をシールするには各層にゴムガスケットや接着材などのシール材が配置される。

上記プレート用シールとしてゴムガスケットに代表される圧縮シールを用いる場合、自動車用や定置用などの積層スタックでは、セパレータの平面上に有底のガスケット装着溝を設け、このガスケット装着溝にガスケットとなるゴム材料を充填し一体成形することが一般的に行なわれている（特許文献１参照）。

特開２００４−２４５３４１号公報

しかしながら近年、燃料電池スタックについてはその構造を小型化することが強く求められており、このスタックの小型化は１セルの厚み、すなわちセルピッチをいかに薄くできるかで決まる。セルピッチを短く（薄く）する手法としては、セパレータ自体の厚みを薄くするとともにガスケット装着溝の深さを浅くする方法がある。しかしながらこの場合、ガスケット装着溝の深さを浅くすればするほど小型化には有効なものの、ガスケット装着溝によるスキマが小さくなり、結果、ガスケットを成形するためのスペースが十分に確保されないことが問題となる。この現象はセパレータに限らず、スタックエンドや、複数セルのブロック間を締結する導電プレートなどにも該当する。

ガスケットスペースを十分に確保するには、セパレータの平面上に有底のガスケット装着溝を設けると云う構成を取りやめ、これに代えて本発明に対する比較例（非公知）として図４に示すように、セパレータ２１を所定の幅寸法ｗ_１を備える帯状のガスケット成形空間２６にて平面上複数の分割部２１Ａ，２１Ｂに分割するとともに分割部２１Ａ，２１Ｂ同士をガスケット成形空間２６に所定の間隔ｗ_３をあけて並べて設けた複数のブリッジ部２７を介して連結した形状とし、ブリッジ部２７間に比較的広面積の貫通部２８を設けることで、ガスケットスペースを確保することが考えられる。

しかしながらこの場合、分割部２１Ａ，２１Ｂの厚み寸法ｔ_２に対しブリッジ部２７の厚み寸法ｔ_１を同等のままに設定すると、ブリッジ部２７と貫通部２８においてガスケット３１の厚みが随分と異なるため、ガスケット３１の面圧特性ないし反力特性が随分と異なることになり、その結果として、ガスケット３１によるシール特性をその長手方向で均一化することができないと云う問題がある。

本発明は以上の点に鑑みて、ブリッジ部を備えるガスケット成形空間にゴム状弾性体よりなるガスケットを一体成形する構成の積層部材用ガスケットにおいて、ガスケットスペースを十分に確保することができ、しかもガスケットによるシール特性をその長手方向で可能なかぎり均一化することができ、もって優れたシール性能を発揮することが可能な積層部材用ガスケットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１による積層部材用ガスケットは、１枚の積層部材に対してゴム状弾性体よりなるガスケットを一体成形した積層部材用ガスケットであって、前記積層部材は、所定の幅寸法を備える帯状のガスケット成形空間にて平面上複数の分割部に分割されるとともに前記分割部同士を前記ガスケット成形空間に所定の間隔をあけて並べて設けた複数のブリッジ部を介して連結した形状を備え、前記分割部の厚み寸法に対し前記ブリッジ部の厚み寸法を小さく形成し、前記ガスケット成形空間にて前記分割部および前記ブリッジ部に対して前記ガスケットを一体成形したことを特徴とする。

また、本発明の請求項２による積層部材用ガスケットは、上記した請求項１記載の積層部材用ガスケットにおいて、前記ブリッジ部は前記ガスケット成形空間の長手方向に対し直交する方向に延設され、かつ前記ブリッジ部の幅寸法よりも互いに隣り合うブリッジ部間の間隔寸法のほうが大きく形成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３による積層部材用ガスケットは、上記した請求項１または２記載の積層部材用ガスケットにおいて、前記分割部における前記ガスケット成形空間に面する厚み面に前記ブリッジ部と同じ厚み寸法の張り出し部が設けられ、前記張り出し部に対し前記ブリッジ部が一体に繋がっていることを特徴とする。

上記構成を備える本発明の積層部材用ガスケットにおいては、１枚の積層部材が帯状のガスケット成形空間にて平面上複数の分割部に分割されるとともに分割部同士がガスケット成形空間に所定の間隔をあけて並べて設けた複数のブリッジ部を介して連結された形状とされているため、ブリッジ部間に比較的広面積の貫通部が設けられ、この貫通部によって十分な大きさのガスケットスペースを確保することが可能とされる。

また、そのうえで、分割部の厚み寸法に対しブリッジ部の厚み寸法のほうが小さく形成されているため、分割部の厚み寸法に対しブリッジ部の厚み寸法が同等に形成される場合と比較して、ブリッジ部と貫通部においてガスケットの厚み差を小さく設定することが可能とされる。ブリッジ部の厚み寸法としては、分割部同士を一体に繋ぐための強度が確保されれば良い。

ブリッジ部としては、これをガスケット成形空間の長手方向に対し直交する方向に延設するのが好適であり、これによればブリッジ部をガスケット成形空間の長手方向に対し斜め方向に延設する場合と比較して、ブリッジ部の長さ寸法が短く設定されブリッジ部の平面積も小さく設定されるため、これに伴って貫通部の平面積を大きく設定することが可能とされる（ガスケット成形空間の平面積からブリッジ部の平面積を差し引いた分が貫通部の平面積とされるため）。また、ブリッジ部の幅寸法よりも互いに隣り合うブリッジ部間の間隔寸法のほうを大きく形成するのが好適であり、これによっても貫通部の平面積を大きく設定することが可能とされる。

また、分割部におけるガスケット成形空間に面する厚み面にブリッジ部と同じ厚み寸法の張り出し部を設けて、この張り出し部に対しブリッジ部を一体に繋ぐことも考えられ、この場合には、ブリッジ部とともに張り出し部もガスケットに埋設されるため、ガスケットに対するアンカー作用（積層部材に対しガスケットを抜け止めする作用）を増大することが可能とされる。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち本発明においては以上説明したように、１枚の積層部材が帯状のガスケット成形空間にて平面上複数の分割部に分割されるとともに分割部同士がブリッジ部を介して連結された形状とされているため、ブリッジ部間に比較的広面積の貫通部が設けられ、この貫通部によって十分な大きさのガスケットスペースが確保される。したがって分割部の厚み寸法に対しガスケットの厚み寸法を実質的に同等または同等以上の大きさに設定することができるなど、ガスケット形状に関する設計の自由度を拡大することができ、これにより締め代が不足したり過圧縮が発生したりするのを抑制することができる。

また、そのうえで本発明では、分割部の厚み寸法に対しブリッジ部の厚み寸法が小さく形成されているため、分割部の厚み寸法に対しブリッジ部の厚み寸法が同等に形成される場合と比較してブリッジ部と貫通部においてガスケットの厚み差が小さく設定される。したがって本発明所期の目的どおり、ガスケットによるシール特性をその長手方向で可能なかぎり均一化することができ、もって優れたシール性能を発揮することが可能な積層部材用ガスケットを提供することができる。

また、ブリッジ部をガスケット成形空間の長手方向に対し直交する方向に延設したり、ブリッジ部の幅寸法よりも互いに隣り合うブリッジ部間の間隔寸法のほうを大きく形成したりすることにより、貫通部の平面積を十分に大きく設定することができる。

更にまた、分割部におけるガスケット成形空間に面する厚み面にブリッジ部と同じ厚み寸法の張り出し部を設けてこの張り出し部に対しブリッジ部を一体に繋ぐことによりブリッジ部および張り出し部がともにガスケットに埋設されるため、ガスケットに対するアンカー作用を増大させることができる。

本発明の実施例に係る積層部材用ガスケットの平面図 図２（Ａ）は同積層部材用ガスケットに備えられるセパレータの一部斜視図、図２（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ同積層部材用ガスケットの一部断面図 図３（Ａ）は本発明の他の実施例に係る積層部材用ガスケットに備えられるセパレータの一部斜視図、図３（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ同積層部材用ガスケットの一部断面図 図４（Ａ）は比較例に係る積層部材用ガスケットに備えられるセパレータの一部斜視図、図４（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ同積層部材用ガスケットの一部断面図

本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）本発明では、穴部（貫通部）とブリッジ部の面圧、反力差を極力小さくするため、ブリッジ部を板厚よりも小さくする。
（２）燃料電池などの積層スタック部材において、導電性プレートなどの積層部材間にシール機能を必要とする部分において、シール材が積層部材に一体的に形成されており、シール部には貫通穴が設けられ、穴部を繋ぐブリッジ部が積層部材の板厚よりも薄いことを特徴とするシール構造。
（３）本発明によれば、ブリッジ部の段差が薄いことにより、穴部とブリッジ部の面圧特性の不均一さを解消することができる。積層部材はセパレータに限定されず、積層部材のすべてに適用できる。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の実施例に係る積層部材用ガスケット１１の全体平面を示し、この積層部材用ガスケット１１は、１枚の積層部材に対してゴム状弾性体よりなるガスケットを一体成形（ガスケット成形材料をその固形化と同時に積層部材に接着）したものである。

積層部材は、具体的には燃料電池用セパレータ２１であって、所定の厚み寸法を備えるとともに平面長方形を呈し、その平面中央に燃料ガス等の流体が流れる流路域２２が設けられ、その隅部に流路域２２へ流体を供給するための流体供給用マニホールド穴２３、および流路域２２から流体を排出するための流体排出用マニホールド穴２４、ならびに他系統のマニホールド穴２５が設けられ、流体供給用マニホールド穴２３から流路域２２を経由して流体排出用マニホールド穴２４へ流れる流体が外部へ漏洩したり他系統のマニホールド穴２５へ流れ込んだりしないよう、また他系統のマニホールド穴２５を流れる流体が流入したりしないよう流体供給用マニホールド穴２３、流路域２２および流体排出用マニホールド穴２４を囲み、更に他系統のマニホールド穴２５を個別に囲むようにガスケット（ガスケット本体）３１が配置されている。

第１実施例・・・
図２（Ａ）は、図１のＤ部おけるセパレータ２１を拡大して示し、すなわちセパレータ２１は、所定の幅寸法ｗ_１を備える帯状のガスケット成形空間２６にて平面上複数の分割部２１Ａ，２１Ｂに分割されるとともに互いに隣り合う分割部２１Ａ，２１Ｂ同士をブリッジ部２７を介して一体に連結した形状を備えるものとされている。帯状のガスケット成形空間２６は、上記図１に示したガスケット３１の平面形状に対応してガスケット３１と同じ平面形状に設けられている。ブリッジ部２７は、ガスケット成形空間２６の長手方向（矢印Ｘ方向）に沿って複数（多数）が所定の間隔ｗ_３をあけて並べられ、互いに隣り合うブリッジ部２７同士の間はセパレータ２１をその厚み方向に貫通する貫通部２８とされている。

図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるＥ−Ｅ線断面を示すとともに図２（Ｃ）は図２（Ａ）におけるＦ−Ｆ線断面を示し、前者の図２（Ｂ）に示すようにブリッジ部２７はその厚み寸法ｔ_１を分割部２１Ａ，２１Ｂの厚み寸法ｔ_２よりも小さく設定され、分割部２１Ａ，２１Ｂにおけるガスケット成形空間２６に面する厚み面の略中央に配置されている。

また、図２（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ、上記ガスケット成形空間２６において分割部２１Ａ，２１Ｂおよびブリッジ部２７に対してゴム状弾性体よりなるガスケット３１を一体成形した状態を示し、図示するようにガスケット３１は、セパレータ２１の厚み方向両面にてそれぞれシール作用を発揮する両面ガスケットとして成形され、ガスケット成形空間２６内に充填された充填部３２と、ガスケット成形空間２６から食み出すように成形された上下一対のガスケット基部３３と、この基部３３の幅方向略中央に設けられた同じく一対のシールリップ部３４とを一体に有している。

また、ブリッジ部２７はガスケット成形空間２６の長手方向に対し直交する方向（矢印Ｙ方向）に延設されている。また、ブリッジ部２７はその全長に亙って一定の厚み寸法ｔ_１および幅寸法ｗ_２を備え、その断面形状を四角形（長方形または正方形）とされている。また、これに伴って貫通部２８はその平面形状を四角形（長方形または正方形）とされている。また、ブリッジ部２７の幅寸法ｗ_２よりも互いに隣り合うブリッジ部２７間の間隔寸法ｗ_３すなわち貫通部２８の寸法ｗ_３のほうが大きく設定され、これによりガスケット成形空間２６の平面積に占める貫通部２８の割合がブリッジ部２７の割合よりも大きく設定されている。

上記構成を備える積層部材用ガスケット１１においては上記したように、１枚の積層部材２１が帯状のガスケット成形空間２６にて平面上複数の分割部２１Ａ，２１Ｂに分割されるとともに分割部２１Ａ，２１Ｂ同士がガスケット成形空間２６に所定の間隔ｗ_３をあけて並べて設けた複数のブリッジ部２７を介して連結された形状とされているため、ブリッジ部２７間に比較的広面積の貫通部２８が設けられ、この貫通部２８によって十分な大きさのガスケットスペースを確保することが可能とされている。したがって分割部２１Ａ，２１Ｂの厚み寸法ｔ_２に対しガスケット３１の厚み寸法（ガスケット基部３３の厚み寸法）ｔ_３を実質的に同等または同等以上の大きさに設定することができるなど、ガスケット形状に関する設計の自由度を拡大することができ、これによりガスケット３１の締め代が不足したりガスケット３１に過圧縮が発生したりするのを抑制することができる。

また、そのうえで、分割部２１Ａ，２１Ｂの厚み寸法ｔ_２に対しブリッジ部２７の厚み寸法ｔ_１のほうが小さく形成されているため、分割部２１Ａ，２１Ｂの厚み寸法ｔ_２に対しブリッジ部２７の厚み寸法ｔ_１が同等に形成される場合（図４、比較例）と比較して、ブリッジ部２７と貫通部２８においてガスケット３１の厚み差を小さく設定することが可能とされている。したがってガスケット３１によるシール特性をその長手方向で可能なかぎり均一化することができ、もって優れたシール性能を発揮することが可能な積層部材用ガスケット１１を提供することができる。

また、ブリッジ部２７がガスケット成形空間２６の長手方向に対し直交する方向に延設されるとともにブリッジ部２７の幅寸法ｗ_２よりも互いに隣り合うブリッジ部２７間の間隔寸法ｗ_３すなわち貫通部２８の長さ寸法ｗ_３のほうが大きく設定されているため、ガスケット成形空間２６の平面積に占める貫通部２８の割合がブリッジ部２７の割合よりも大きく設定されている。したがって貫通部２８の平面積が大きく設定され、図２（Ｃ）の断面に示すようにブリッジ部２７がなくガスケット３１のみが充填された領域がガスケット成形空間２６に広く設定されるため、上記ガスケット形状に関する設計の自由度を更に拡大することができる。

尚、本発明において、上記したようにガスケット３１によるシール特性をその長手方向で可能なかぎり均一化することができるのは、以下の理由による。

すなわち本発明では、分割部２１Ａ，２１Ｂの厚み寸法ｔ_２に対しブリッジ部２７の厚み寸法ｔ_１が小さく形成されている（ｔ_２＞ｔ_１）。これにより、ブリッジ部２７におけるガスケット３１の高さ寸法と貫通部２８におけるガスケット３１の高さ寸法とをほぼ等しくできるとともにゴムボリュームもほぼ等しくできる。よって帯状のガスケット成形空間２６の全域に亙って、ブリッジ部２７におけるガスケット３１の上下方向の面圧特性と貫通部２８におけるガスケット３１の上下方向の面圧特性とをほぼ均一化できる。

更に詳細には、本発明では図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ガスケット３１の高さ寸法は、ブリッジ部２７におけるガスケット３１の高さ寸法ｔ_４（片面ガスケットの高さ寸法であって、充填部３２の高さ、基部３３の高さおよびシールリップ部３４の高さの和）と貫通部２８におけるガスケット３１の高さ寸法ｔ_４’（同じく片面ガスケットの高さ寸法であって、充填部３２の高さ、基部３３の高さおよびシールリップ部３４の高さの和）とでほぼ等しい（ｔ_４≒ｔ_４’）。またゴムボリュームもブリッジ部２７と貫通部２８とでほぼ等しい。すなわち片側リップ断面としてみた場合の縦断面形状がブリッジ部２７におけるガスケット３１と貫通部２８におけるガスケット３１とでほぼ同じとされている。したがって本発明では、ガスケット３１が圧縮されたときの反力がブリッジ部２７と貫通部２８とで殆ど差を生じない。

これに対し、比較例では図４（Ｂ）に示すように、ブリッジ部２７においてガスケット３１が上記充填部３２に相当する構成を備えていないため、ガスケット３１の高さ寸法が図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ブリッジ部２７におけるガスケット３１の高さ寸法ｔ_４と貫通部２８におけるガスケット３１の高さ寸法ｔ_４’とで大きく異なっている（ｔ_４≪ｔ_４’）。さらに、縦断面形状も同じでなく、相似形状でもなく、ゴムボリュームはブリッジ部２７に対し貫通部２８のほうがかなり大きい。したがって比較例では、ガスケット３１が圧縮されたときの上下方向の反力がブリッジ部２７と貫通部２８とで大きな差を生じることになる。

第２実施例・・・
つぎに、図３は本発明の他の実施例を示し、当該実施例では、分割部２１Ａ，２１Ｂにおけるガスケット成形空間２６に面する厚み面に張り出し部２９が設けられ、この張り出し部２９はその厚み寸法ｔ_５がブリッジ部２７の厚み寸法ｔ_１と同等に設定され、この張り出し部２９に対しブリッジ部２７が一体に繋がった形状とされている。張り出し部２９はガスケット成形空間２６の幅方向両側にそれぞれ設けられ、またそれぞれガスケット成形空間２６の全長に亙って設けられている。またこのように張り出し部２９の厚み寸法ｔ_５がブリッジ部２７の厚み寸法ｔ_１と同等に設定されているので、張り出し部２９およびブリッジ部２７は１枚の平板状とされている。当該実施例のその他の構成は上記第１実施例と同じとされている。

当該実施例によれば、ブリッジ部２７とともに張り出し部２９もガスケット３１に埋設されるため、ガスケット３１に対するアンカー作用（セパレータ２１に対しガスケット３１を抜け止めする作用）を増大することができる。また、張り出し部２９の張り出し長さを適宜変更することにより、ガスケット３１に発生する反力の大きさや、延いては締め代の大きさを調整したりすることもできる。

尚、上記各実施例では、ガスケット３１を両面ガスケットとしたが、ガスケット３１は片面ガスケットであっても良く、この場合にはシールリップ部３４がセパレータ２１の両面何れかのみに設けられることになる。

１１ 積層部材用ガスケット
２１ セパレータ（積層部材）
２１Ａ，２１Ｂ 分割部
２２ 流路域
２３，２４，２５ マニホールド穴
２６ ガスケット成形空間
２７ ブリッジ部
２８ 貫通部
２９ 張り出し部
３１ ガスケット
３２ 充填部
３３ 基部
３４ シールリップ部

Claims (3)

1. １枚の積層部材に対してゴム状弾性体よりなるガスケットを一体成形した積層部材用ガスケットであって、
   前記積層部材は、所定の幅寸法を備える帯状のガスケット成形空間にて平面上複数の分割部に分割されるとともに前記分割部同士を前記ガスケット成形空間に所定の間隔をあけて並べて設けた複数のブリッジ部を介して連結した形状を備え、
   前記分割部の厚み寸法に対し前記ブリッジ部の厚み寸法を小さく形成し、
   前記ガスケット成形空間にて前記分割部および前記ブリッジ部に対して前記ガスケットを一体成形したことを特徴とする積層部材用ガスケット。
2. 請求項１記載の積層部材用ガスケットにおいて、
   前記ブリッジ部は前記ガスケット成形空間の長手方向に対し直交する方向に延設され、かつ前記ブリッジ部の幅寸法よりも互いに隣り合うブリッジ部間の間隔寸法のほうが大きく形成されていることを特徴とする積層部材用ガスケット。
3. 請求項１または２記載の積層部材用ガスケットにおいて、
   前記分割部における前記ガスケット成形空間に面する厚み面に前記ブリッジ部と同じ厚み寸法の張り出し部が設けられ、前記張り出し部に対し前記ブリッジ部が一体に繋がっていることを特徴とする積層部材用ガスケット。

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