JP7811684B1 - ガスケット、燃料電池、及び水電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】密封対象流体の圧力が高い環境下であっても、密封対象流体の漏れ抑制効果を高めることのできるガスケット、燃料電池、及び水電解装置を提供する。
【解決手段】補強部材３１０と、補強部材３１０に一体的に設けられるゴム状弾性体製のガスケット本体３２０と、を備えるガスケット３００であって、ガスケット本体３２０は、補強部材３１０における一方の表面の一部を開口部の内周縁３１１ｂに沿って覆うように設けられる薄肉部３２１と、開口部内において両面側に向かって突出するように設けられる厚肉部３２２と、を一体に備えると共に、補強部材３１０のヤング率はガスケット本体３２０のヤング率よりも高く、補強部材３１０の厚みをＴＦ、薄肉部３２１の厚みをＴＢ、厚肉部３２２の最大厚みをＴＧとすると、１＜ＴＧ／（ＴＦ＋ＴＢ）≦６０を満たすことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガスケット、燃料電池、及び水電解装置に関する。

燃料電池及び水電解装置においては、電解質膜を含む膜ユニットと、この膜ユニットの両面側に配される一対のセパレータとを有する単セルを複数備えるセルスタックにより構成されるのが一般的である。そして、これらの装置においては、各種流体が流れる通路が形成されており、通路からの流体漏れを抑制するためにガスケットが設けられている。

ガスケットの態様としては、膜ユニットやセパレータにガスケットとしてのゴム状弾性体を一体的に成形するなど各種の態様があるが、膜ユニット及びセパレータとは別部材として用いられることが求められることも多々ある。図６を参照して、従来例に係るガスケットについて説明する。図６は従来例に係るガスケットの使用状態を示す模式的断面図である。図６（ａ）は通路に流体が流れていない状態を示し、同図（ｂ）は通路を流れる流体の圧力が高い状態を示している。

図示の例では、一対のセパレータ２００の間にゴム状弾性体製のガスケット５００が配されている。これにより、通路からの流体の漏れを抑制することができる。しかしながら、通路を流れる流体による圧力Ｐが高まるにつれて、ガスケット５００は密封対象流体側とは反対側に拡がるように変形する。これにより、ガスケット５００は、その厚みが薄くなるように変形するため、セパレータ２００に対する面圧が低下してしまう。従って、流体の圧力によっては、図中矢印Ｌに示すように流体が吹き抜けてしまうことがある。

特開２０１２－１１７１４０号公報

本発明の目的は、密封対象流体の圧力が高い環境下であっても、密封対象流体の漏れ抑制効果を高めることのできるガスケット、燃料電池、及び水電解装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明のガスケットは、
密封対象流体の通路となる開口部を有する薄板状の補強部材と、
前記開口部の内周面全体を覆うように前記補強部材に一体的に設けられるゴム状弾性体製のガスケット本体と、
を備えるガスケットであって、
前記ガスケット本体は、
前記補強部材における一方の表面の一部を前記開口部の内周縁に沿って覆うように設けられる薄肉部と、
前記開口部内において両面側に向かって突出するように設けられる厚肉部と、
を一体に備えると共に、
前記補強部材のヤング率は前記ガスケット本体のヤング率よりも高く、
前記補強部材の厚みをＴＦ、前記薄肉部の厚みをＴＢ、前記厚肉部の最大厚みをＴＧとすると、
３＜ＴＧ／（ＴＦ＋ＴＢ）≦６０
を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、ガスケット本体における厚肉部に対する密封対象流体による圧力が高まっても、補強部材によって、ガスケット本体が拡がってしまうことを抑制することができる。これにより、厚肉部が薄くなるような変形を抑制することができ、密封性能の低下を抑制することができる。そして、ヤング率の関係、及びＴＦ，ＴＢ，ＴＧの関係を上記のような関係を満たすように設定することで、密封対象流体の圧力が高まることによるガスケット本体の変形を効果的に抑制することができる。

本発明の燃料電池は、
電解質膜を含む膜ユニットと、前記膜ユニットの両面側に配される一対のセパレータとを有する単セルを複数備える燃料電池であって、
前記セパレータ同士の間の隙間及び前記セパレータと前記膜ユニットとの間の隙間のうちの少なくとも一方に配される上記のガスケットを備えることを特徴とする。

本発明の水電解装置は、
電解質膜を含む膜ユニットと、前記膜ユニットの両面側に配される一対のセパレータとを有する単セルを複数備える水電解装置であって、
前記セパレータ同士の間の隙間及び前記セパレータと前記膜ユニットとの間の隙間のうちの少なくとも一方に配される上記のガスケットを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、密封対象流体の圧力が高い環境下であっても、密封対象流体の漏れ抑制効果を高めることができる。

図１は本発明の実施例に係る燃料電池の主要構成を示す模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係る水電解装置の主要構成を示す模式的断面図である。 図３は本発明の実施例に係るセパレータの平面図である。 図４は本発明の実施例に係るガスケットの平面図である。 図５は本発明の実施例に係るガスケットの模式的断面図である。 図６は従来例に係るガスケットの使用状態を示す模式的断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１～図５を参照して、本発明の実施例に係るガスケット、燃料電池、及び水電解装置について説明する。図１は本発明の実施例に係る燃料電池の主要構成を示す模式的断面図である。図２は本発明の実施例に係る水電解装置の主要構成を示す模式的断面図である。図３は本発明の実施例に係るセパレータの平面図である。なお、図１中の下側のセパレータの断面図は、図３中のＡＡ断面図に相当する。図４は本発明の実施例に係るガスケット
の平面図である。図５は本発明の実施例に係るガスケットの模式的断面図であり、図５（ａ）は図４中のＢＢ断面図に相当する。なお、図５（ａ）はガスケット単体の状態を示し、同図（ｂ）（ｃ）は燃料電池にガスケットが組み込まれた状態において単セルの断面図の一部を示している。

＜燃料電池＞
図１を参照して、本実施例に係るガスケットを適用可能な燃料電池について説明する。一般的に、燃料電池は、複数の単セルからなるセルスタックとして構成される。図１においては、単セルの一部の模式的断面図を示している。単セルは、膜ユニットとしてのＭＥＡ１００Ａ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、その両面に設けられる一対のセパレータ２００Ａによって構成される。なお、セルスタックにおいては、冷却液が流される個所において、ＭＥＡが介在されずに、セパレータ同士が隣り合うように設けられる個所も存在する。ＭＥＡ１００Ａは、電解質膜１１０と、電解質膜１１０の両面にそれぞれ備えられる一対のガス拡散層１２０，１３０とを備えている。そして、セパレータ２００Ａの表面には流体の通路となる凹部２１０が設けられている。

以上のような構成により、ＭＥＡ１００Ａの一方の面側に燃料ガスが供給され、他方の面側に酸化剤ガスが供給されることで、電解質膜１１０において化学反応が起こり、水と電子が生成されることで、発電させることができる。そして、密封対象流体（燃料ガス、酸化剤ガス、水、冷却水）の漏れを抑制するために、燃料電池にはガスケットが設けられる。

＜水電解装置＞
図２を参照して、本実施例に係るガスケットを適用可能な水電解装置について説明する。一般的に、水電解装置は、複数の単セルからなるセルスタックとして構成される。図２においては、単セルの一部の模式的断面図を示している。単セルは、膜ユニット１００Ｂと、その両面に設けられる一対のセパレータ２００Ｂによって構成される。膜ユニット１００Ｂは、電解質膜１１０と、電解質膜１１０の両面にそれぞれ備えられる集電体１４０，１５０とを備えている。そして、セパレータ２００Ａの表面には流体の通路となる凹部２１０が設けられている。

以上のような構成により、セル内に純水が供給された状態で電力が供給されることで、電解質膜１１０によって水素イオンと酸素イオンに分解され、膜ユニット１００Ｂの一方の面側においては酸素分子を含む水が流れ、他方の面側においては水素分子を含む水が流れる。そして、密封対象流体（純水、酸素分子を含む水、水素分子を含む水）の漏れを抑制するために、水電解装置にはガスケットが設けられる。

＜セパレータ＞
特に図３を参照して、セパレータについて詳細に説明する。燃料電池１０Ａに用いられるセパレータ２００Ａと、水電解装置１０Ｂに用いられるセパレータ２００Ｂの基本的な構成は同一であるので、代表して、セパレータ２００Ａを用いて具体的な構成を説明する。

セパレータ２００Ａは、流体の通路となる凹部２１０と、流体を各単セルに供給するための複数のマニホルド（便宜上、第１マニホルド２２１、第２マニホルド２２２、第３マニホルド２２３と称する）とを備えている。例えば、第１マニホルド２２１には燃料ガスが流れ、第２マニホルド２２２には酸化剤ガスが流れ、第３マニホルド２２３には冷却水が流れるように利用される。この図では、凹部２１０に第１マニホルド２２１を流れる流体が流れる場合の構成が示されている。図中、太い点線ＭＬは、単セルが構成された場合において、ＭＥＡ１００Ａと対向する領域を示している。また、図中、細い点線ＳＬは、
後述するガスケット３００が密着するシールラインを示している。図示のようにシールラインＳＬは、一対の第１マニホルド２２１及び凹部２１０が設けられる領域を囲み、また、第２マニホルド２２２と第３マニホルド２２３をそれぞれ囲むように構成される。

＜ガスケット＞
図４及び図５を参照して、本実施例に係るガスケット３００について詳細に説明する。本実施例に係るガスケット３００は、薄板状の補強部材３１０と、補強部材３１０に一体的に設けられるゴム状弾性体（天然ゴム、シリコンゴム、ＥＰＤＭ、ＶＭＱ等）製のガスケット本体３２０とから構成される。本実施例に係るガスケット３００の平面形状における外形の寸法形状は、セパレータ２００Ａ（セパレータ２００Ｂについても同様）の平面形状における外形の寸法形状と同一となるように設定されている。これにより、隣り合うセパレータ２００Ａ（セパレータ２００Ｂ）の間にガスケット３００を重ねるように配すればよいので、組み立て作業は容易である。

そして、補強部材３１０は、樹脂（ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＰ、ＰＰＳ、ＰＥＮ等）製のフィルム、剛性の高い樹脂製の部材、金属（ＳＵＳ、ＡＬ等）製の部材などにより構成される。この補強部材３１０には、密封対象流体の通路となる開口部３１１が複数設けられている。なお、複数の開口部３１１は、セパレータ２００Ａ（セパレータ２００Ｂ）とガスケット３００を重ね合わせた際において、上記のシールラインＳＬによりそれぞれ囲まれる領域の外側を囲むようにそれぞれ設けられる。換言すれば、開口部３１１の内周面３１１ａの内側に、かつ開口部３１１の内周面３１１ａに沿うようにシールラインＳＬが形成される。

ガスケット本体３２０は、補強部材３１０に設けられた複数の開口部３１１の内周面全体を覆うようにそれぞれ設けられる。そして、ガスケット本体３２０は、薄肉部３２１と厚肉部３２２とを一体に備えている。薄肉部３２１は、補強部材３１０における一方の表面の一部を開口部３１１の内周縁３１１ｂに沿って覆うように設けられる。また、厚肉部３２２は、開口部内において両面側に向かって突出するように設けられる。

そして、本実施例においては、補強部材３１０のヤング率は、ガスケット本体３２０のヤング率よりも高くなるように構成されている。なお、補強部材３１０として、樹脂製のフィルムを採用した場合におけるヤング率は、樹脂材料がＰＥの場合には０．２ＧＰａ～０．５ＧＰａ、樹脂材料がＰＰの場合には１．０ＧＰａ～２．０ＧＰａ、樹脂材料がＰＥＴの場合には２ＧＰａ～４ＧＰａである。これに対し、ガスケット本体３２０のヤング率は、ゴム材料が天然ゴムの場合には０．０１ＧＰａ～０．１ＧＰａ、ゴム材料がシリコンゴムの場合には０．０１ＧＰａ～０．１ＧＰａとなる。

また、本実施例においては、以下の関係を満たすように、各部の寸法が設定されている。すなわち、補強部材３１０の厚みをＴＦ、薄肉部３２１の厚みをＴＢ、厚肉部３２２の最大厚みをＴＧとすると、１＜ＴＧ／（ＴＦ＋ＴＢ）≦６０を満たすように設定されている。例えば、ＴＧの最大値を１．５ｍｍ、（ＴＦ＋ＴＢ）の最小値を０．０２５ｍｍに設定することができる。

更に、単セルにガスケット３００が組み込まれた場合において、Ｔ１（＝ＴＦ＋ＴＢ）よりも、圧縮された状態のガスケット本体３２０の最大厚みＴ２の方が大きくなるように構成されている。

以上のように構成されるガスケット３００が単セルに組み込まれた状態においては、ガスケット３００は、セパレータと電解質膜との間の隙間、及びセパレータ同士の間の隙間のうちの少なくとも一方に配される。これにより、ガスケット本体３２０における厚肉部
３２２の両面は、セパレータ２００Ａと電解質膜１１０に接触する（図５（ｂ）参照）か、一対のセパレータ２００Ａのそれぞれに接触する（図５（ｃ）参照）。これにより、マニホルドを流れる流体、及び凹部２１０を流れる流体の漏れを抑制することができる。なお、図５（ｂ）（ｃ）においては、燃料電池の場合の構成を示しているが、水電解装置においても同様である。

＜本実施例に係るガスケット、燃料電池、及び水電解装置の優れた点＞
本実施例によれば、ガスケット本体３２０における厚肉部３２２に対する密封対象流体による圧力Ｐ（図５（ｂ）（ｃ）参照）が高まっても、補強部材３１０によって、ガスケット本体３２０が拡がってしまうことを抑制することができる。すなわち、補強部材３１０は殆ど変形することがないので、厚肉部３２２が補強部材３１０の内周面３１１ａによって支持されることでガスケット本体３２０（厚肉部３２２）の変形を抑制することができる。これにより、厚肉部３２２が薄くなるような変形を抑制することができ、密封性能の低下を抑制することができる。そして、本実施例においては、ヤング率の関係、及びＴＦ，ＴＢ，ＴＧの関係を上記のような関係を満たすように設定することで、密封対象流体の圧力が高まることによるガスケット本体３２０の変形を効果的に抑制することができる。なお、ＴＧ／（ＴＦ＋ＴＢ）を１以下に設定すると厚肉部３２２が圧縮されず漏れが生じるおそれがある。より好ましくは、３＜ＴＧ／（ＴＦ＋ＴＢ）を満たすのが望ましい。これにより、補強部材３１０の剛性を確保しながら厚肉部３２２を十分に圧縮できるため、密封性能をより高めることができる。また、ＴＧ／（ＴＦ＋ＴＢ）を６０よりも大きくすると厚肉部３２２の変形抑制効果が不十分となり、吹き抜け抑制効果が十発揮されないおそれがある。以上より、密封対象流体の圧力が高い環境下であっても、密封対象流体の漏れ抑制効果を高めることができる。

１０Ａ：燃料電池
１０Ｂ：水電解装置
１００Ａ：ＭＥＡ
１００Ｂ：膜ユニット
１１０：電解質膜
１２０，１３０：ガス拡散層
１４０，１５０：集電体
２００，２００Ａ，２００Ｂ：セパレータ
２１０：凹部
２２１：第１マニホルド
２２２：第２マニホルド
２２３：第３マニホルド
３００：ガスケット
３１０：補強部材
３１１：開口部
３１１ａ：内周面
３１１ｂ：内周縁
３２０：ガスケット本体
３２１：薄肉部
３２２：厚肉部

Claims (3)

1. 密封対象流体の通路となる開口部を有する薄板状の補強部材と、
   前記開口部の内周面全体を覆うように前記補強部材に一体的に設けられるゴム状弾性体製のガスケット本体と、
   を備えるガスケットであって、
   前記ガスケット本体は、
   前記補強部材における一方の表面の一部を前記開口部の内周縁に沿って覆うように設けられる薄肉部と、
   前記開口部内において両面側に向かって突出するように設けられる厚肉部と、
   を一体に備えると共に、
   前記補強部材のヤング率は前記ガスケット本体のヤング率よりも高く、
   前記補強部材の厚みをＴＦ、前記薄肉部の厚みをＴＢ、前記厚肉部の最大厚みをＴＧとすると、
   ３＜ＴＧ／（ＴＦ＋ＴＢ）≦６０
   を満たすことを特徴とするガスケット。
2. 電解質膜を含む膜ユニットと、前記膜ユニットの両面側に配される一対のセパレータとを有する単セルを複数備える燃料電池であって、
   前記セパレータ同士の間の隙間及び前記セパレータと前記膜ユニットとの間の隙間のうちの少なくとも一方に配される請求項１に記載のガスケットを備えることを特徴とする燃料電池。
3. 電解質膜を含む膜ユニットと、前記膜ユニットの両面側に配される一対のセパレータとを有する単セルを複数備える水電解装置であって、
   前記セパレータ同士の間の隙間及び前記セパレータと前記膜ユニットとの間の隙間のうちの少なくとも一方に配される請求項１に記載のガスケットを備えることを特徴とする水電解装置。