JP7015184B2 - ガス拡散層一体ガスケット及び燃料電池セル用部材 - Google Patents

Description

本発明は、ガスケット本体と一対のうちの一方のガス拡散層とを一体化したガス拡散層一体ガスケット、及びこのガスケットを用いた燃料電池セル用部材に関する。

近年、反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池が急速に普及している。燃料電池は発電効率が高く、環境への影響も少ないことから、好ましいエネルギー源として注目を集めている。

燃料電池のうち、固体高分子形のものは、複数枚の燃料電池セルを積層したスタック構造を備えている。個々の燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟み込んだ構造のもので、膜電極接合体とセパレータとの間に、ガス拡散層（ＧＤＬ）を配置している。膜電極接合体はアノード電極（陽極）とカソード電極（陰極）とで電解質膜を挟み込んだ構造物であり、セパレータは水素と酸素の流路を形成している。

このような燃料電池セルは、セパレータに形成した流路を利用し、アノード電極には水素を、カソード電極には酸素を供給する。これによって水の電気分解の逆の電気化学反応によって発電が行なわれる。

図１４は、燃料電池セルとして提案されている構造の一例を示している。この燃料電池セル１は、シート状ガスケット取付部材２にガスケット３を固定したガスケット本体４を設け、ガスケット本体４と膜電極接合体５とを一対のセパレータ６（６ａ，６ｂ）で挟み込んでいる。膜電極接合体５は、電解質膜７の両面に一対の電極８（８ａ，８ｂ）を接合したもので、一対のガス拡散層９（９ａ，９ｂ）を介して一対のセパレータ６に挟み込まれている。

ガスケット本体４と膜電極接合体５とは接合され、一体化されている。ガスケット本体４と膜電極接合体５との接合は、シート状ガスケット取付部材２に対する電解質膜７の接着による。つまり膜電極接合体５の端面より電解質膜７を延出させ、接着剤によってシート状ガスケット取付部材２に接着する。これによってシート状ガスケット取付部材２と電解質膜７との間には、接着層１０が形成される。接着層１０を形成する接着剤としては、熱硬化性接着剤が用いられる。

特開２０１５－１２５９２５号公報 特開２０１７－１５２２８１号公報

図１４に示すような構造のものでは、ガスケット本体４と膜電極接合体５及びガス拡散層９とは別体であるため、両者の間には、どうしても隙間Ｇが発生してしまう（特許文献１の段落［０００６］、特許文献２の段落［０００４］参照）。このため図１５に示すように、接着層１０を形成する接着剤を硬化させる際の熱によって電解質膜７が線膨張し、隙間Ｇに入り込んでしまうことがある。隙間に入り込むことで電解質膜の変形や破損が発生してしまう。

同種の課題は従来から認識されており、例えば特許文献１の段落［０００８］、特許文献２の段落［０００４］にも、類似の課題についての記述がある。

本発明の課題は、膜電極接合体の電解質膜をガスケット本体のシート状ガスケット取付部材に接着して固定した構造のものにおいて、電解質膜の破損を防止することである。

ガス拡散層一体ガスケットは、シート状ガスケット取付部材にガスケットを固定したガスケット本体と、一対のうちの一方のガス拡散層と、平行に並列された前記シート状ガスケット取付部材と前記一方のガス拡散層との間の隙間に介在して両者を接合する弾性を有する隙間埋め部材と、を備える。

燃料電池セル用部材は、上記ガス拡散層一体ガスケットと、電解質膜とこの電解質膜を両面から挟み込む一対の電極とを有し、一対のうちの一方の前記電極を前記ガス拡散層に積層させ、前記電解質膜を延出させて前記隙間埋め部材に接着して固定した膜電極接合体と、もう一方の前記電極に積層したもう一方の前記ガス拡散層と、を備える。

ガスケット本体のシート状ガスケット取付部材と一方のガス拡散層との間に生ずる隙間が隙間埋め部材によって埋められるため、隙間に入り込むことによる電解質膜の破損を確実に防止することができる。

第１の実施の形態として、燃料電池部材（セパレータを取り外して示す燃料電池セル）を示す平面図。 燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。 シート状ガスケット取付部材にガスケットを固定したガスケット本体の平面図。 図４中のＡ－Ａ線断面図。 図２に示す燃料電池セルに用いられるガス拡散層一体ガスケットを示す縦断正面図。 第２の実施の形態として、ガス拡散層一体ガスケットを示す縦断正面図。 図６に示すガス拡散層一体ガスケットを用いた燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。 第３の実施の形態として、シート状ガスケット取付部材にガスケットを固定したガスケット本体の平面図。 ガス拡散層一体ガスケットを示す縦断正面図。 図９に示すガス拡散層一体ガスケットを用いた燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。 膜電極接合体の電解質膜と隙間埋め部材との対向面全面に接着層を設けた場合に生ずる可能性がある現象を例示する、ガス拡散層一体ガスケットを用いた燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。 第４の実施の形態として、ガス拡散層一体ガスケットを示す縦断正面図。 図１２に示すガス拡散層一体ガスケットを用いた燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。 従来の一例として、燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。 図１４に例示する燃料電池セルにおいて生ずる可能性がある電解質膜の破損という現象を説明するために示す、燃料電池セルの縦断正面図。

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。本実施の形態は、ガス拡散層一体ガスケット１０１の一例であり、このガス拡散層一体ガスケット１０１を用いた燃料電池セル２０１の一例である。

図１及び図２に示すように、燃料電池セル２０１は、矩形形状をしたガスケット本体１１１の中央部分に設けられた開口部１１２に、一対のガス拡散層１３１（１３１ａ，１３１ｂ）に挟まれた膜電極接合体１５１を配置している。こうして構成されたものは燃料電池セル用部材２１１であり、この燃料電池セル用部材２１１を一対のセパレータ１７１（１７１ａ，１７１ｂ）で挟み込んで固定することによって、燃料電池セル２０１となる。

図３に示すように、ガスケット本体１１１は、矩形形状をしたシート状ガスケット取付部材１１３を基材として、このシート状ガスケット取付部材１１３にガスケット１１４を固定した構造のものである。

シート状ガスケット取付部材１１３は、前述した開口部１１２を中央部分に有し、四隅に四個の流通孔１１５を有している。これらの流通孔１１５は、燃料電池セル２０１が流体を流通させるために有するマニフォールド２３１をなす（図１参照）。

このようなシート状ガスケット取付部材１１３は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、発泡スチレン（ＰＳＰ）などを材料として形成されている。

ガスケット１１４は、シート状ガスケット取付部材１１３の周縁近傍を取り囲み、さらに四個の流通孔１１５を取り囲むように配置されている。したがって開口部１１２及び四個の流通孔１１５は、ガスケット１１４によってシール可能になっている。このようなガスケット１１４は、図４に示すように、基部１１４ａとこの基部１１４ａから三角形状に隆起する隆起部１１４ｂとを有する断面形状を有しており、さらに後述する隙間埋め部材３０１を一体に成形している。隙間埋め部材３０１は、開口部１１２の内縁側から内側に飛び出す位置まで延出し、一方のガス拡散層１３１ｂ（図２、図５参照）に接合している。図３は、隙間埋め部材３０１を一点鎖線で表記している。

このようなガスケット１１４は、例えばシリコーンゴム(ＶＭＱ)、フッ素ゴム(ＦＫＭ)、エチレンプロピレンゴム(ＥＰＤＭ)などを材料として形成されている。

燃料電池セル２０１は、ガス拡散層一体ガスケット１０１をガスケット本体として、このガス拡散層一体ガスケット１０１に各層をなす複数の部材を積層した積層構造をなしている。

図５に示すように、ガス拡散層一体ガスケット１０１は、ガスケット本体１１１をなすシート状ガスケット取付部材１１３の開口部１１２に、一方のガス拡散層１３１ｂを一体的に連結している（図２も参照）。シート状ガスケット取付部材１１３とガス拡散層１３１ｂとの連結は、前述した隙間埋め部材３０１による。つまりガス拡散層一体ガスケット１０１は、ガスケット１１４と隙間埋め部材３０１とを一体に成形し、平行に並列されたシート状ガスケット取付部材１１３と一方のガス拡散層１３１ｂとの間の隙間Ｇに隙間埋め部材３０１を介在させて、隙間埋め部材３０１の端面とガス拡散層１３１ｂの端面とを接合させている。

隙間埋め部材３０１は、前述したように、シート状ガスケット取付部材１１３の上面に積層して開口部１１２の内縁にまで回り込み、さらにこの内縁側から開口部１１２内にまで延出している。このときのシート状ガスケット取付部材１１３と隙間埋め部材３０１との積層厚み、及び開口部１１２内での隙間埋め部材３０１の単独の厚みの寸法は、一方のガス拡散層１３１ｂの厚みの寸法とほぼ同一である。ガスケット１１４が隆起形成されている側と反対側の面において、シート状ガスケット取付部材１１３、ガス拡散層１３１ｂ、及び隙間埋め部材３０１は同一面内に形成されている。

このような構成のガス拡散層一体ガスケット１０１を製造するには、図示しない金型内にシート状ガスケット取付部材１１３と一方のガス拡散層１３１ｂとをセットし、射出形成によってガス拡散層一体ガスケット１０１及び隙間埋め部材３０１を一体的に成形する。したがってシート状ガスケット取付部材１１３とガス拡散層１３１ｂとは、ガス拡散層一体ガスケット１０１及び隙間埋め部材３０１に加硫接着された状態となり、互いに接合されている。

図２に示すように、燃料電池セル２０１は、ガス拡散層一体ガスケット１０１をガスケット本体として、これに膜電極接合体１５１を積層し、一対のうちのもう一方のガス拡散層１３１ａをさらに積層して燃料電池セル用部材２１１を形成している。

膜電極接合体１５１は、電解質膜１５２と、この電解質膜１５２を両面から挟み込む一対の電極１５３（１５３ａ，１５３ｂ）とを有している。電解質膜１５２は、一対の電極１５３の端面から飛び出すようにして延出し、隙間埋め部材３０１に接着されて固定されている。したがって隙間埋め部材３０１と電解質膜１５２の端部との間には、接着層１５４が形成されている。

このような構成において、ガスケット本体１１１と膜電極接合体１５１及びガス拡散層１３１（１３１ａ，１３１ｂ）とは別体であるため、両者の間には、どうしても隙間Ｇが発生する。このため接着層１５４を形成する接着剤や、スタッキングした個々の燃料電池セル１を固定する接着剤（図示せず）を硬化させる際の熱によって電解質膜７が線膨張し、隙間Ｇに入り込んでしまうことがある。隙間Ｇに電解質膜７が入り込んだ場合、例えばスタッキングに際して燃料電池セル１に加わる面圧によってシート状ガスケット取付部材２が変形し、隙間Ｇの間隔が狭まるなどした場合、電解質膜７が破損する可能性がある。

これに対して本実施の形態によれば、隙間Ｇが隙間埋め部材３０１によって埋められるため、ここに入り込むことによる電解質膜１５２の破損を確実に防止し、その保護を図ることができる。

本実施の形態によれば、ガスケット１１４と隙間埋め部材３０１とが一体に成形されているので、ガスケット１１４の成形時に隙間埋め部材３０１も同時に完成し、その製造工程を単純化することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態を図６及び図７に基づいて説明する。第１の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

図６に示すように、本実施の形態のガス拡散層一体ガスケット１０１は、ガスケット１１４と隙間埋め部材３０１とを別体に形成している。隙間埋め部材３０１はシート状ガスケット取付部材１１３の上面に積層し、ガスケット１１４に接しない位置から開口部１１２の内縁にまで回り込み、さらに開口部１１２内にまで延出している。

このときの隙間埋め部材３０１の厚み寸法は、第１の実施の形態と同様である。つまりシート状ガスケット取付部材１１３と隙間埋め部材３０１との積層厚み、及び開口部１１２内での隙間埋め部材３０１の単独の厚みの寸法は、一方のガス拡散層１３１ｂの厚みの寸法とほぼ同一である。

またガスケット１１４が隆起形成されている側と反対側の面において、シート状ガスケット取付部材１１３、ガス拡散層１３１ｂ、及び隙間埋め部材３０１が同一面内に形成されていることも、第１の実施の形態と同様である。

前述したとおり、ガスケット１１４は、例えばシリコーンゴム(ＶＭＱ)、フッ素ゴム(ＦＫＭ)、エチレンプロピレンゴム(ＥＰＤＭ)などを材料として形成されている。これに対して隙間埋め部材３０１は、例えば熱可塑性エストラマー（ＴＰＥ）を材料として形成されている。

本実施の形態のガス拡散層一体ガスケット１０１を製造するには、一例として、シート状ガスケット取付部材１１３にガスケット１１４を固定した一体品を形成する。この一体品は、加硫接着や熱溶着によって形成することが可能である。そして図示しない金型内に、形成した一体品と一方のガス拡散層１３１ｂとをセットし、射出形成によって隙間埋め部材３０１を一体的に成形する。

ガス拡散層一体ガスケット１０１を製造する別の一例は、すべての部品、つまりシート状ガスケット取付部材１１３、ガスケット１１４、ガス拡散層１３１ｂ、及び隙間埋め部材３０１を熱圧着によって接合させる。

ガス拡散層一体ガスケット１０１を製造するさらに別の一例は、シート状ガスケット取付部材１１３にガスケット１１４を固定した一体品を形成する。これと前後して、図示しない金型内に一方のガス拡散層１３１ｂをセットし、射出形成によって隙間埋め部材３０１を一体的に成形する。そしてガスケット１１４を固定したシート状ガスケット取付部材１１３に、ガス拡散層１３１ｂと一体的にした隙間埋め部材３０１を接着する。接着は、スクリーン印刷やスプレー塗布などの手法によって、例えばシート状ガスケット取付部材１１３又は隙間埋め部材３０１に接着剤の層を成膜し、相手方の部材を接着剤の層に押し付けることによって行われる。

図７に示すように、こうして構成したガス拡散層一体ガスケット１０１を用いて燃料電池セル用部材２１１を形成するには、第１の実施の形態と同様に、ガス拡散層一体ガスケット１０１をガスケット本体として、これに膜電極接合体１５１を積層し、一対のうちのもう一方のガス拡散層１３１ａをさらに積層する。

このような構成において、本実施の形態においても、隙間Ｇが隙間埋め部材３０１によって埋められるため、ここに入り込むことによる電解質膜１５２の破損を確実に防止し、その保護を図ることができる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態を図８ないし図１０に基づいて説明する。第２の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

図８に示すように、本実施の形態は、シート状ガスケット取付部材１１３と隙間埋め部材３０１との接合を強固にするために、シート状ガスケット取付部材１１３に、複数個の貫通孔１１６を設けている。貫通孔１１６は、開口部１１２を取り囲むようにその内縁に沿って配列され、隙間埋め部材３０１が積層される個所に位置づけられている。

図９に示すように、本実施の形態のガス拡散層一体ガスケット１０１を製造するには、第２の実施の形態と同様に、まずシート状ガスケット取付部材１１３にガスケット１１４を固定した一体品を形成する。そして図示しない金型内に、形成した一体品と一方のガス拡散層１３１ｂとをセットし、射出形成によって隙間埋め部材３０１を一体的に成形する。このとき隙間埋め部材３０１を形成することになる溶融した材料、例えば熱可塑性エストラマー（ＴＰＥ）は、複数個の貫通孔１１６に入り込み、冷却後の固化によって貫通孔１１６内で突起状に固まる。

したがって本実施の形態のガス拡散層一体ガスケット１０１によれば、シート状ガスケット取付部材１１３と隙間埋め部材３０１との間の接合状態を強固にすることが可能である。

図１０に示すように、こうして構成したガス拡散層一体ガスケット１０１を用いて燃料電池セル用部材２１１を形成するには、第１及び第２の実施の形態と同様に、ガス拡散層一体ガスケット１０１をガスケット本体として、これに膜電極接合体１５１を積層し、一対のうちのもう一方のガス拡散層１３１ａをさらに積層する。

［第４の実施の形態］
第４の実施の形態を図１１ないし図１３に基づいて説明する。第２の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。

第２の実施の形態のガス拡散層一体ガスケット１０１において、接着層１５４は、一対の電極１５３（１５３ａ，１５３ｂ）からの電解質膜１５２の延出領域全体にわたり存在しているわけではなく、図７中、シート状ガスケット取付部材１１３の垂直投影面と一致する領域内にとどまっている。

これに対して図１１に示すように、電解質膜１５２が一対の電極１５３（１５３ａ，１５３ｂ）から延出する領域の全体にわたって接着層１５４の形成領域を拡大することを想定する。この場合、隙間埋め部材３０１と電解質膜１５２との接着に際して、予め決められている接着領域から接着剤がはみ出してしまうことがある。図１１中、接着剤がはみ出して硬化した接着層１５４のはみ出し部分を符号Ｌで示す。

図１１に例示するように、接着剤がはみ出すことによって形成される接着層１５４のはみ出し部分Ｌは、膜電極接合体１５１の一方の電極１５３ｂ、あるいは一方のガス拡散層１３１ｂを圧迫し、燃料電池セル２０１の特性を変化させてしまう。本実施の形態は、接着層１５４のはみ出し部分Ｌの発生を防止するための実施の一形態を紹介する。

図１２に示すように、接着層１５４のはみ出し部分Ｌ（図１１参照）の発生を防止するために、本実施の形態では、隙間埋め部材３０１に溜り溝３０２を形成している。溜り溝３０２は、隙間埋め部材３０１の周縁に沿って形成されている。

このような構成において、隙間埋め部材３０１と電解質膜１５２とを接着するための接着剤は溜り溝３０２に逃げるため、接着層１５４にはみ出し部分Ｌが生じないようにすることが可能となる。これによってはみ出し部分Ｌが膜電極接合体１５１の一方の電極１５３ｂ、あるいは一方のガス拡散層１３１ｂを圧迫し、燃料電池セル２０１の特性を変化させてしまうような不都合の発生を防止することができる。

［変形例］
実施に際しては、各種の変形や変更が可能である。

例えばシート状ガスケット取付部材１１３、ガスケット１１４、及び隙間埋め部材３０１については、上記各実施の形態で例示した材料に限らず、これらを他の材料によって形成するようにしてもよい。ガス拡散層一体ガスケット１０１の製造方法についても、上記各実施の形態で示した製造方法に限定されず、各種の製造方法を採用することが可能である。

その他、実施に際しては、あらゆる変更や変形が可能である。

１０１ ガス拡散層一体ガスケット
１１１ ガスケット本体
１１２ 開口部
１１３ シート状ガスケット取付部材
１１４ ガスケット
１１５ 流通孔
１３１（１３１ａ，１３１ｂ） ガス拡散層
１５１ 膜電極接合体
１５２ 電解質膜
１５３（１５３ａ，１５３ｂ） 電極
１５４ 接着層
１７１（１７１ａ，１７１ｂ） セパレータ
２０１ 燃料電池セル
２１１ 燃料電池セル用部材
２３１ マニフォールド
３０１ 隙間埋め部材
３０２ 溜り溝
Ｌ はみ出し部分

Claims (5)

1. シート状ガスケット取付部材にガスケットを固定したガスケット本体と、
   一対のうちの一方のガス拡散層と、
   平行に並列された前記シート状ガスケット取付部材と前記一方のガス拡散層との間の隙間に介在して両者を接合する弾性を有する隙間埋め部材と、
   を備えることを特徴とするガス拡散層一体ガスケット。
2. 前記隙間埋め部材は、前記ガスケットと一体に成形されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス拡散層一体ガスケット。
3. 前記シート状ガスケット取付部材は、前記隙間埋め部材が入り込む貫通孔を複数個有している、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス拡散層一体ガスケット。
4. 前記隙間埋め部材は、
   電解質膜を挟み込んだ一対の電極のうち一方を前記ガス拡散層に積層させる膜電極接合体が有する前記電解質膜中、前記一対の電極から延出する領域との対面部分に接着剤が充填される領域を有し、
   前記接着剤が充填される領域に、余剰の接着剤を溜める溜り溝を有している、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載のガス拡散層一体ガスケット。
5. 請求項１ないし４のいずれか一に記載のガス拡散層一体ガスケットと、
   電解質膜とこの電解質膜を両面から挟み込む一対の電極とを有し、一対のうちの一方の前記電極を前記ガス拡散層に積層させ、前記電解質膜を延出させて前記隙間埋め部材に接着して固定した膜電極接合体と、
   もう一方の前記電極に積層したもう一方の前記ガス拡散層と、
   を備えることを特徴とする燃料電池セル用部材。
   

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