JPWO2005004264A1 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

セパレータ本体に施されたガスケット成形溝にゴムを成形してセパレータ本体にガスケットが一体成形されている燃料電池用セパレータであって、ガスケット成形溝にゴムを成形するときにガスケット成形溝への損傷を抑えることができ、もってセパレータの損傷によりシール性の低下を防止することができる燃料電池用セパレータを提供することを目的とし、セパレータ本体の一の面に形成されるガスケット成形溝の溝幅を他の面に形成されるガスケット成形溝の溝幅より広くし、またはガスケット成形溝における溝側面を傾斜形状とし、若しくは溝底面角部に曲率を設けたことを特徴とする。

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関するものである。

固体高分子形燃料電池は、水素、酸素（空気）を反応させて水を得る過程で電気を取り出す原理を用いて発電する電池である。この燃料電池は、水素イオンを透過する電解質膜と、該電解質膜を挟み込んだ２枚のセパレータとにより形成されるセルが、複数段重ね合わされた燃料電池スタックにより構成されている。なお、セルを形成するセパレータには、水素、酸素を遮断する目的と、電気を取り出すことのできる導電性が要求される。

また、スタック内では、水素、酸素、冷却水を使用するため、これらをシールするためのガスケットが組み込まれているが、ガスケットを予め単独で成形してからスタック内に組付けるにはかなりの工数が必要となるため、例えば特開２００１−１８５１７４公報に記載された発明では、セパレータ本体にガスケットを一体成形する方法が提案され、更にこの一体成形において、内圧によるガスケットリップのずれ防止のためにセパレータ本体の表面にガスケット成形溝を設けるとともに、該ガスケット成形溝内に貫通穴を設けて、この貫通穴のアンカー効果によりガスケットをセパレータ本体両面に固定する方法が提案されている。

一方、ガスケットの材質として、従来は低粘度の液状ゴムであるシリコーンゴムを用いていたが、シリコーンゴムの特性である水素の透過やシリコーンの析出、及びシリコーンゴムの膨潤等の不具合が発生し、その対策として、高粘度のコンパンドタイプのゴムであるＥＰＤＭまたはフッ素ゴムをシリコーンゴムの代替として使用することが特開２００２−５０３６９号公報に記載された発明で提案されている。

しかし、セパレータ本体にガスケットを一体成形する場合、シリコーンゴムは低粘度の液状であるため、低射出圧力で成形することができセパレータへの損傷はないが、ＥＰＤＭやフッ素ゴムを使用すると粘度が高いので高射出圧力が必要となり、図１０に示すように、ガスケット成形溝の底面１０ａまたは１１ａがゴムの圧力によって打ち抜かれる不具合や、ガスケット成形溝の側面強度が低い部分では、溝底面角部１４がゴムの圧力によって打ち抜かれて損傷部１５ができるという不具合が発生し、セパレータ本体の損傷によるシール性が損なわれるという問題があった。

また、燃料電池の小型化と軽量化のためセパレータ本体の薄肉化が進行すると、液状ゴム等を低射出圧力で成形するときにも成形溝の底面や溝底面角部を損傷させるとの問題があった。更に、貫通穴が設けられていない構造のガスケット成形溝であっても、ゴム等を射出成形するときにガスケット成形溝の裏面に成形溝若しくは接着溝等の溝が形成されていると応力が集中するため、ガスケット成形溝の底面が損傷されるとの問題があった。

特開２００１−１８５１７４ 特開２００２−０５０３６９

本発明は以上の点に鑑みて、セパレータ本体に施されたガスケット成形溝に貫通穴を設けてゴムを成形することによりセパレータ本体両面にガスケットを一体成形した燃料電池用セパレータであって、ガスケットの材質に高粘度タイプのＥＰＤＭやフッ素ゴムを使用するため高射出圧力によって成形した場合であっても、ガスケット成形溝の底面がゴムの圧力によって打ち抜かれる不具合や、ガスケット成形溝の側面強度が低い部分における溝底面角部がゴムの圧力によって打ち抜かれるという不具合を発生させないでガスケット成形溝部の損傷を抑えることができ、もってセパレータの損傷によりシール性が低下するのを防止することができるガスケット成形溝を有する燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

更に、燃料電池の小型化と軽量化等により薄肉化が進行したセパレータ本体に形成されている貫通穴を有する成形溝においては、低射出圧力で液状ゴム等を成形するときでも、成形溝の底面や溝底面角部が液状ゴム等の圧力によって損傷を受けることがないガスケット成形溝を有する燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

また、両面に溝が形成されているセパレータ本体で貫通穴がなく背面に溝が形成されている成形溝にゴム等を射出成形するときに、成形溝の底面がゴム等の圧力によって損傷を受けることがないガスケット成形溝を有する燃料電池用セパレータ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による燃料電池用セパレータは、セパレータ本体に施されたガスケット成形溝に貫通穴を設けてゴムを成形することにより前記セパレータ本体両面にガスケットを一体成形した燃料電池用セパレータであって、前記セパレータ本体の一の面に形成される前記ガスケット成形溝の溝幅を他の面に形成される前記ガスケット成形溝の溝幅より広くしたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２による燃料電池用セパレータは、セパレータ本体に施されたガスケット成形溝に貫通穴を設けてゴムを成形することにより前記セパレータ本体両面にガスケットを一体成形した燃料電池用セパレータであって、前記セパレータ本体に形成された前記ガスケット成形溝における溝側面を傾斜形状としたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３による燃料電池用セパレータは、セパレータ本体に施されたガスケット成形溝に貫通穴を設けてゴムを成形することにより前記セパレータ本体両面にガスケットを一体成形した燃料電池用セパレータであって、前記セパレータ本体に形成された前記ガスケット成形溝における溝底面角部に曲率を設けたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４による燃料電池用セパレータは、両面に溝が形成されているセパレータ本体の少なくとも一の面に形成されているガスケット成形溝にゴムを成形することにより前記セパレータ本体にガスケットを成形した燃料電池用セパレータであって、前記セパレータ本体の一の面に形成される前記ガスケット成形溝の溝幅を他の面であって前記ガスケット成形溝の背面に形成される前記溝の溝幅より広くしたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５による燃料電池用セパレータは、両面に溝が形成されているセパレータ本体の少なくとも一の面に形成されているガスケット成形溝にゴムを成形することにより前記セパレータ本体にガスケットを成形した燃料電池用セパレータであって、前記セパレータ本体の一の面に形成される前記ガスケット成形溝および他の面であって前記ガスケット成形溝の背面に形成される前記溝における溝側面を傾斜形状としたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６による燃料電池用セパレータは、両面に溝が形成されているセパレータ本体の少なくとも一の面に形成されているガスケット成形溝にゴムを成形することにより前記セパレータ本体にガスケットを成形した燃料電池用セパレータであって、前記セパレータ本体の一の面に形成される前記ガスケット成形溝および他の面であって前記ガスケット成形溝の背面に形成される前記溝における溝底面角部に曲率を設けたことを特徴とするものである。

上記構成を備えた本発明の請求項１乃至３に係る燃料電池用セパレータによれば、一の面に形成されるガスケット成形溝の溝幅が他の面に形成されるガスケット成形溝の溝幅より広くし、またはガスケット成形溝の溝側面を傾斜形状にし、若しくは溝底面角部に曲率を設けたので、高粘度コンパウンドタイプのＥＰＤＭやフッ素ゴム等を用いて高射出圧力で成形した場合であっても、ガスケット成形溝の底面がゴムの圧力によって打ち抜かれる不具合を防止することが可能となる。また、ガスケット成形溝の側面強度が低い部分における溝底面角部がゴムの圧力によって打ち抜かれるという不具合を防止することが可能となる。

更に、上記構成を備えた本発明の請求項１乃至３に係る燃料電池用セパレータによれば、燃料電池の小型化と軽量化等によりセパレータ本体の薄肉化が進行し液状ゴム等を低出力で射出成形したときでも、ガスケット成形溝の底面がゴムの圧力によって打ち抜かれる不具合を防止することが可能となる。また、ガスケット成形溝の側面強度が低い部分における溝底面角部がゴムの圧力によって打ち抜かれるという不具合を防止することが可能となる。

また、上記構成を備えた本発明の請求項４乃至６に係る燃料電池用セパレータによれば、セパレータ本体の一の面に形成されるガスケット成形溝の溝幅を他の面であって成形溝の背面に形成されている溝の溝幅より広くし、またはガスケット成形溝及び該ガスケット成形溝の背面に形成される溝の溝側面を傾斜形状にし、若しくは溝底面角部に曲率を設けているので、ガスケット成形溝にゴム等を射出成形した場合であっても、ガスケット成形溝の底面がゴムの圧力によって打ち抜かれる不具合の発生を防止することが可能となる。

上記構成を備えた本発明の請求項１乃至３に係る燃料電池用セパレータは、高粘度コンパウンドタイプのＥＰＤＭやフッ素ゴム等を用いて高射出圧力で成形した場合であっても、ガスケット成形溝の底面がゴムの圧力によって打ち抜かれる不具合や、ガスケット成形溝の側面強度が低い部分における溝底面角部がゴムの圧力によって打ち抜かれるという不具合が発生しないのでガスケット成形溝の損傷を抑えることができ、もってセパレータの損傷によりシール性が低下するのを防止することができる。

更に、上記構成を備えた本発明の請求項１乃至３に係る燃料電池用セパレータは、燃料電池の小型化と軽量化等によりセパレータ本体の薄肉化が進行し液状ゴム等を低出力で射出成形したときでも、ガスケット成形溝の底面がゴムの圧力によって打ち抜かれる不具合や、ガスケット成形溝の側面強度が低い部分における溝底面角部がゴムの圧力によって打ち抜かれるという不具合が発生しないのでガスケット成形溝の損傷を抑えることができ、もってセパレータの損傷によりシール性が低下するのを防止することができる。

また、上記構成を備えた本発明の請求項４乃至６に係る燃料電池用セパレータは、成形溝にゴム等を射出成形した場合であっても、ガスケット成形溝の底面がゴムの圧力によって打ち抜かれる不具合が発生しないのでガスケット成形溝の損傷を抑えることができ、もってセパレータの損傷によりシール性が低下するのを防止することができる。

［図１］本発明の実施例に係る燃料電池用セパレータの斜視図である。
［図２］本発明の実施例に係る燃料電池用セパレータを構成しているセパレータ本体の一部平面図である。
［図３］本発明の第一実施例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。
［図４］本発明の第二実施例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。
［図５］本発明の第三実施例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。
［図６］本発明の第四実施例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。
［図７］本発明の第五実施例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。
［図８］本発明の第六実施例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。
［図９］本発明の第七実施例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。
［図１０］本発明の第八実施例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。
［図１１］本発明の第九実施例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。
［図１２］従来例に係る燃料電池用セパレータの要部断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池セパレータ
２ セパレータ本体
２ａ，２ｂ セパレータ本体の表面
３ ガスケット
４ 貫通穴
５，７ 台座部
６，８ リップ部
９ 連結部
１０，１１ 成形溝
１０ａ，１１ａ 溝底面部
１２，１３ 埋設部
１４ 溝底面角部
１５ 損傷部
１６，１７ 溝側面

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施例を説明する。ただし、この発明の範囲は、特に限定的記載がない限り、この実施の形態に記載されている内容に限定する趣旨のものではない。

第一実施例・・・
図１は、本発明の第一実施例に係る燃料電池用セパレータ１の斜視図を示しており、図２は、燃料電池用セパレータ１を構成しているセパレータ本体２の一部平面図を示しており、図３は、図１のＡ−Ａ線での要部断面図を示している。

当該第一実施例に係る燃料電池セパレータ１は、図１に示すとおり、セパレータ本体２およびガスケット３をそれぞれ構成部品として有しており、これらの構成部品が以下のように構成されている。

すなわち先ず、炭素粉と熱硬化性樹脂のフェノールとの混合物が圧縮成形されたセパレータ本体２の両面２ａ，２ｂにそれぞれガスケット成形溝１０，１１が図２に示すようにガスケットの延設方向に沿って形成されており、この両成形溝１０，１１の底面１０ａ，１１ａ同士を連通するように貫通穴４が両成形溝１０，１１に沿って所要数形成されている。ここで、図３に示すとおり、セパレータ本体２の両面２ａ，２ｂに形成されている成形溝１０，１１の溝幅は、一の面２ａの溝幅Ｄが他の面２ｂの溝幅ｄより広く成形されている。具体的には、成形溝の溝幅の比率（Ｄ／ｄ）が１０５％以上であればよく、１２０〜２００％であることがより好ましい。

ガスケット３には、セパレータ本体２の一の面２ａ側の成形溝１０内に配置された埋設部１２と、この埋設部１２に支持されて成形溝１０外へ突出した台座部５と、この台座部５に支持された断面が山形形状のリップシール部６と、セパレータ本体２の他の面２ｂ側の成形溝１１内に配置された埋設部１３と、この埋設部１３に支持されて成形溝１１外へ突出した台座部７と、この台座部７に支持された断面が山形形状のリップシール部８と、貫通穴４に配置されて両埋設部１２，１３を連結した連結部９が一体的に設けられている。

第二実施例・・・
図４は、本発明の第二実施例に係る燃料電池用セパレータ１の要部断面図を示しており、当該第二実施例に係る燃料電池セパレータ１は、セパレータ本体２およびガスケット３をそれぞれ構成部品として有しており、これらの構成部品が以下のように構成されている。

すなわち先ず、炭素粉と熱硬化性樹脂のフェノールとの混合物が圧縮成形されたセパレータ本体２の両面２ａ，２ｂにそれぞれガスケット成形溝１０，１１が図２に示すようにガスケットの延設方向に沿って形成されており、この両ガスケット成形溝１０，１１の底面同士を連通するように貫通穴４が両成形溝１０，１１に沿って所要数形成されている。ここで、図４に示すように、セパレータ本体２の両面２ａ，２ｂに形成されているガッスケット成形溝１０，１１における溝側面１６，１７の形状が傾斜形状に成形されている。

ガスケット３には、セパレータ本体２の一の面２ａ側の成形溝１０内に配置された埋設部１２と、この埋設部１２に支持されて成形溝１０外へ突出した台座部５と、この台座部５に支持された断面が山形形状のリップシール部６と、セパレータ本体２の他の面２ｂ側の成形溝１１内に配置された埋設部１３と、この埋設部１３に支持されて成形溝１１外へ突出した台座部７と、この台座部７に支持された断面が山形形状のリップシール部８と、貫通穴４に配置されて両埋設部１２，１３を連結した連結部９が一体的に設けられている。

第三実施例・・・
図５は、本発明の第三実施例に係る燃料電池用セパレータ１の要部断面図を示しており、当該第三実施例に係る燃料電池セパレータ１は、セパレータ本体２およびガスケット３をそれぞれ構成部品として有しており、これらの構成部品が以下のように構成されている。

すなわち先ず、炭素粉と熱硬化性樹脂のフェノールとの混合物が圧縮成形されたセパレータ本体２の両面２ａ，２ｂにそれぞれガスケット成形溝１０，１１が図２に示すようにガスケットの延設方向に沿って形成されており、この両成形溝１０，１１の底面同士を連通するように貫通穴４が両成形溝１０，１１に沿って所要数形成されている。ここで、図５に示すように、セパレータ本体２の両面２ａ，２ｂに形成されているガスケット成形溝１０，１１における溝底面角部１４に曲率が設けられている。

ガスケット３には、セパレータ本体２の一の面２ａ側の成形溝１０内に配置された埋設部１２と、この埋設部１２に支持されて成形溝１０外へ突出した台座部５と、この台座部５に支持された断面が山形形状のリップシール部６と、セパレータ本体２の他の面２ｂ側の成形溝１１内に配置された埋設部１３と、この埋設部１３に支持されて成形溝１１外へ突出した台座部７と、この台座部７に支持された断面が山形形状のリップシール部８と、貫通穴４に配置されて両埋設部１２，１３を連結した連結部９が一体的に設けられている。

第四実施例・・・
また、上記第一実施例乃至第三実施例においては、貫通穴の位置とガスケットのシール性に寄与するリップ領域の位置が重なり合っている場合であるが、第四実施例では、図６に示す通り貫通穴４の位置とガスケットのシール性に寄与するリップ領域Ｅの位置がオフセットした位置に配置された場合である。なお、ここで、「ガスケットのシール性に寄与するリップ領域Ｅ」とは、シールリップ３の高さｈの１／３〜１／２までの範囲がこれに該当し、これよりも裾側にヒケが形成されてもシール性への影響はごく小さい。したがってこのリップ領域Ｅは、リップ３の全幅よりも若干小さいものである。

第五実施例・・・
また、一の面２ａに形成されるガスケット成形溝１０の形状と他の面２ｂに形成されるガスケット成形溝１１の形状は同一形状である必要はなく、図７に示す第五実施例の通り、他の面２ｂに形成されているガスケット成形溝１１の溝側面１７のみを傾斜形状としても良い。

第六実施例・・・
また、第五実施例と同様に、一の面２ａに形成されるガスケット成形溝１０の形状と他の面２ｂに形成されるガスケット成形溝１１の形状は同一形状である必要はなく、図８に示す第六実施例の通り、一の面２ａに形成されているガスケット成形溝１０は溝底面角部１４に曲率を設けた形状とし、他の面２ｂに形成されているガスケット成形溝１１は溝側面１７を傾斜形状とした場合であっても良い。

第七実施例・・・
図９は、本発明の第七実施例に係る燃料電池用セパレータ１の要部断面図を示しており、一の面２ａに形成されている成形溝１０と他の面２ｂに形成されている成形溝１１とを連通する貫通穴が形成されていない場合である。

この場合に、一の面２ａに形成されているガスケット成形溝１０の溝幅Ｄが成形溝１０の裏面であって他の面２ｂに形成されている成形溝１１の溝幅ｄより広く成形されている。具体的には、成形溝１０、１１の溝幅の比率（Ｄ／ｄ）が１０５％以上であればよく、１２０〜２００％であることがより好ましい。なお、他の面２ｂに形成されている溝１１は、本実施例では成形溝で説明したが、成形溝でなく接着溝等であっても良い。

第八実施例・・・
図１０は、本発明の第八実施例に係る燃料電池用セパレータ１の要部断面図を示しており、第七実施例と同様に貫通穴が形成せれていない場合であって、一の面２ａに形成されているガスケット成形溝１０および他の面２ｂであってガスケット成形溝１０の背面に形成されている成形溝１１における溝側面１６，１７の形状が傾斜形状に成形されている。なお、他の面２ｂに形成されている溝１１は、本実施例では成形溝で説明したが、成形溝でなく接着溝等であっても良い。

第九実施例・・・
図１１は、本発明の第九実施例に係る燃料電池用セパレータ１の要部断面図を示しており、第七実施例乃至第八実施例と同様に貫通穴が形成せれていない場合であって、一の面２ａに形成されているガスケット成形溝１０および他の面２ｂであってガスケット成形溝１０の背面に形成されている成形溝１１における溝底面角部１４に曲率が設けられている。なお、他の面２ｂに形成されている溝１１は、本実施例では成形溝で説明したが、成形溝でなく接着溝等であっても良い。

なお、上記第一実施例乃至第九実施例に係るセパレータ本体２に使用される材質としては、炭素粉と熱硬化性樹脂との混合物以外の炭素粉と熱可塑性樹脂との混合物であっても良い。

更に、上記第一実施例乃至第九実施例に係るガスケット３の材質にＥＰＤＭやフッ素ゴムを使用して一体成形する方法としては射出成形方法以外のトランスファー成形による方法であっても良い。

Claims (6)

1. セパレータ本体（２）に施されたガスケット成形溝（１０，１１）に貫通穴（４）を設けてゴムを成形することにより前記セパレータ本体両面（２ａ，２ｂ）にガスケット（３）を一体成形した燃料電池用セパレータ（１）であって、前記セパレータ本体（２）の一の面（２ａまたは２ｂ）に形成される前記ガスケット成形溝（１０または１１）の溝幅（Ｄまたはｄ）を他の面（２ｂまたは２ａ）に形成される前記ガスケット成形溝（１１または１０）の溝幅（ｄまたはＤ）より広くしたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. セパレータ本体（２）に施されたガスケット成形溝（１０，１１）に貫通穴（４）を設けてゴムを成形することにより前記セパレータ本体両面（２ａ，２ｂ）にガスケット（３）を一体成形した燃料電池用セパレータ（１）であって、前記セパレータ本体（２）に形成された前記ガスケット成形溝（１０，１１）における溝側面（１６，１７）を傾斜形状としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. セパレータ本体（２）に施されたガスケット成形溝（１０，１１）に貫通穴（４）を設けてゴムを成形することにより前記セパレータ本体両面（２ａ，２ｂ）にガスケット（３）を一体成形した燃料電池用セパレータ（１）であって、前記セパレータ本体（２）に形成された前記ガスケット成形溝（１０，１１）における溝底面角部（１４）に曲率を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 両面（２ａ，２ｂ）に溝（１０，１１）が形成されているセパレータ本体（２）の少なくとも一の面（２ａまたは２ｂ）に形成されているガスケット成形溝（１０または１１）にゴムを成形することにより前記セパレータ本体（２）にガスケット（３）を成形した燃料電池用セパレータ（１）であって、前記セパレータ本体（２）の一の面（２ａまたは２ｂ）に形成される前記ガスケット成形溝（１０または１１）の溝幅（Ｄまたはｄ）を他の面（２ｂまたは２ａ）であって前記ガスケット成形溝（１０または１１）の背面に形成される前記溝（１１または１０）の溝幅（ｄまたはＤ）より広くしたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
5. 両面（２ａ，２ｂ）に溝（１０，１１）が形成されているセパレータ本体（２）の少なくとも一の面（２ａまたは２ｂ）に形成されているガスケット成形溝（１０または１１）にゴムを成形することにより前記セパレータ本体（２）にガスケット（３）を成形した燃料電池用セパレータ（１）であって、前記セパレータ本体（２）の一の面（２ａまたは２ｂ）に形成される前記ガスケット成形溝（１０または１１）および他の面（２ｂまたは２ａ）であって前記ガスケット成形溝（１０または１１）の背面に形成される前記溝（１１または１０）における溝側面（１６，１７）を傾斜形状としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
6. 両面（２ａ，２ｂ）に溝（１０，１１）が形成されているセパレータ本体（２）の少なくとも一の面（２ａまたは２ｂ）に形成されているガスケット成形溝（１０または１１）にゴムを成形することにより前記セパレータ本体（２）にガスケット（３）を成形した燃料電池用セパレータ（１）であって、前記セパレータ本体（２）の一の面（２ａまたは２ｂ）に形成される前記ガスケット成形溝（１０または１１）および他の面（２ｂまたは２ａ）であって前記ガスケット成形溝（１０または１１）の背面に形成される前記溝（１１または１０）における溝底面角部（１４）に曲率を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。

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