JP7053298B2 - 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７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７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８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Ｇ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、一対のガス拡散層に挟まれた膜電極接合体を配置する開口部を設けたシート状ガスケット取付部材と、前記開口部の周縁を取り囲むように前記シート状ガスケット取付部材の一面にのみ固定されたガスケットと、前記一対のガス拡散層のうちの一方のガス拡散層と、前記シート状ガスケット取付部材の端部と前記一方のガス拡散層の端部とを積層させ、前記シート状ガスケット取付部材の前記一面とは反対側の面と前記一方のガス拡散層とを同一面内に平行に配列して接合する接合部と、を備え、前記接合部は、膜電極接合体を配置する側を上層としたとき、前記シート状ガスケット取付部材の端部を上層側にして前記ガス拡散層の端部に積層している。

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一方のガス拡散層に積層させ、前記電解質膜を延出させて前記接合部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生じないため、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。 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７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（図２、図３、図５参照）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に形成されている。

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、接合部１９１による。接合部１９１は、シート状ガスケット取付部材１１３の端部と、一対のうちの一方のガス拡散層１３１ｂの端部とを積層させ、これらのシート状ガスケット取付部材１１３とガス拡散層１３１ｂとを平行に配列して接合している。

このとき接合部１９１は、膜電極接合体１５１を配置する側を上層としたとき（図２、図５中の上側）、シート状ガスケット取付部材１１３の端部を上層側にしてガス拡散層１３１ｂの端部に積層している。シート状ガスケット取付部材１１３とガス拡散層１３１ｂとの下層側は、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、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。そしてシート状ガスケット取付部材１１３における開口部１１２の内縁端部と、一方のガス拡散層１３１ｂの端部とを積層させ、例えば熱溶着によって接合する。こうしてガス拡散層一体ガスケット１０１が形成される。

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、接合部１９１において、シート状ガスケット取付部材１１３に接着されて固定されている。したがってシート状ガスケット取付部材１１３における開口部１１２の内縁端部と電解質膜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、本実施の形態によれば、ガスケット本体１１１のシート状ガスケット取付部材１１３と一方のガス拡散層１３１ｂとの間には隙間（図７中の隙間Ｇ参照）が生じない。このため隙間に入り込むことによる電解質膜１５２の破損（図８参照）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、接合部１９１は、膜電極接合体１５１を配置する側を上層としたとき（図２、図５中の上側）、シート状ガスケット取付部材１１３の端部を上層側にしてガス拡散層１３１ｂの端部に積層している。これによってシート状ガスケット取付部材１１３とガス拡散層１３１ｂとの下層側を同一面内に形成することができ、一方のセパレータ１７１ｂとの間の密着性を良好にすることができる。

［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。

本実施の形態のガス拡散層一体ガスケット１０１、及びこれを用いた燃料電池セル用部材２１１は、シート状ガスケット取付部材１１３を二層構造にしている。つまりシート状ガスケット取付部材１１３は、下層フィルム１１３ａに上層フィルム１１３ｂを積層させて接合した二層構造を有している。下層フィルム１１３ａは、例えばポリプロピレン（ＰＰ）からなり、上層フィルム１１３ｂは、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）からなる。

このような構成において、シート状ガスケット取付部材１１３は二層構造を有しているために、下層フィルム１１３ａと上層フィルム１１３ｂとの特性を適宜設定することができる。例えば下層フィルム１１３ａは、一方のセパレータ１７１ｂとの密着性に優れた材料を用い、上層フィルム１１３ｂは、ガスケット１１４との接合親和性が高い材料を用いるなどのように、下層フィルム１１３ａと上層フィルム１１３ｂとの特性を異ならせることが可能である。

［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やガスケット１１４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。また二層構造のシート状ガスケット取付部材１１３を第２の実施の形態として示したが、実施に際しては、三層以上の多層構造にしたシート状ガスケット取付部材１１３を用いるようにしてもよい。

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
１９１ 接合部
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

Claims (3)

1. 一対のガス拡散層に挟まれた膜電極接合体を配置する開口部を設けたシート状ガスケット取付部材と、
   前記開口部の周縁を取り囲むように前記シート状ガスケット取付部材の一面にのみ固定されたガスケットと、
   前記一対のガス拡散層のうちの一方のガス拡散層と、
   前記シート状ガスケット取付部材の端部と前記一方のガス拡散層の端部とを積層させ、前記シート状ガスケット取付部材の前記一面とは反対側の面と前記一方のガス拡散層とを同一面内に平行に配列して接合する接合部と、
   を備え、
   前記接合部は、膜電極接合体を配置する側を上層としたとき、前記シート状ガスケット取付部材の端部を上層側にして前記ガス拡散層の端部に積層している、
   ことを特徴とするガス拡散層一体ガスケット。
2. 前記シート状ガスケット取付部材は、多層構造を有している、
   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. 請求項１又は２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一方のガス拡散層に積層させ、前記電解質膜を延出させて前記接合部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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