WO2020195002A1 - 燃料電池用ガスケット - Google Patents

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稔大 島添
後藤 修平
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Nok株式会社
本田技研工業株式会社
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell gasket formed by a seal bead provided on a pair of metal bipolar plates that are interposed between a plurality of reaction electrode portions and joined to each other.
  • a reaction electrode portion having a pair of electrode layers provided on both sides of an electrolyte membrane is provided, and a pair of bipolar plates are laminated on both sides in the thickness direction to form a fuel cell.
  • a stack structure in which a plurality of batteries are stacked.
  • oxidation gas air
  • fuel gas hydrogen
  • a flow path for a medium such as an oxidation gas (air), a fuel gas (hydrogen), or cooling water is provided.
  • a flow path is formed by, for example, a bipolar plate.
  • a bipolar plate is made by joining a pair of plate-shaped members made of a metal material such as iron or aluminum to form a flow path for a medium between these pair of members or another member. ..
  • Patent Document 1 a fuel cell is produced by sandwiching a reaction electrode portion and a gas diffusion layer (“gas dispersion layer” in Patent Document 1) between a pair of bipolar plates.
  • gas dispersion layer gas dispersion layer
  • Patent Document 1 shows two manifolds (see FIG. 4 of Patent Document 1). These manifolds are used as channels for reactants and cooling materials.
  • the bipolar plate seals the periphery of the manifold with a seal bead, and forms a bead arrangement at a position corresponding to the reaction electrode portion forming the electrochemically active region.
  • one manifold is surrounded by a seal bead in the form of a full bead.
  • the sealing bead for example a medium such as H 2 or water and has a function of supplying the reaction electrode portion (see paragraph [0054] of document 1).
  • the two seal beads surrounding one of the above manifolds form a cavity inside.
  • the seal bead of one of these two has a hole-shaped hole (see FIG. 5b of Patent Document 1).
  • the medium shown in FIGS. 5a and 5b of Patent Document 1 that is, from the outside of the cavity to the inside of the cavity through the hole, and from the inside of the cavity to the outside of the cavity through the hole on the opposite side. Can be supplied (see paragraph [0054] of Document 1).
  • the other manifold is used to allow cooling water to flow in the gap between the two bipolar plates joined to each other.
  • the other manifold is surrounded by a seal bead in the form of a full bead. This seal bead has a function of flowing cooling water (see paragraph [0055] of Document 1).
  • the two seal beads surrounding the other manifold have a cavity inside.
  • One of these two seal beads is provided with a hole-shaped hole at a position facing the manifold, and adjacent seal beads are connected to each other via a tunnel (see FIG. 6b of Patent Document 1). Due to such a structure, the cooling water supplied from the manifold flows into the first cavity through the hole, and is supplied from this cavity to the next cavity through the tunnel (see paragraph [0062] of Reference 1).
  • This phenomenon is a phenomenon in which the pressure received by the seal bead is partially insufficient and causes leakage of a medium such as a reaction medium or cooling water, so it is necessary to surely prevent it.
  • the seal bead with a tunnel has a lower linear pressure than the seal bead without a tunnel, which causes a decrease in the linear pressure. It is speculated that the pressure release that occurs in the seal bead may be due to such a decrease in linear pressure.
  • An object of the present invention is to prevent pressure release from occurring in the seal bead provided on the bipolar plate.
  • the fuel cell gasket of the present invention is provided on a pair of metal bipolar plates interposed between a plurality of reaction electrode portions and fastened together with the reaction electrode portions to be joined to each other, and at least one of the bipolar plates.
  • the present invention it is possible to suppress the decrease in linear pressure that occurs in the seal bead, and therefore it is possible to prevent the seal bead provided on the bipolar plate from causing pressure release.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line BB in FIG.
  • a graph showing the relationship between the ratio of the tunnel height to the bead height and the linear pressure generated in the bead.
  • the present embodiment relates to a fuel cell gasket provided by a bipolar plate used for a fuel cell constituting a fuel cell.
  • the fuel cell gasket 51 of the present embodiment is formed by a seal bead 111 formed on a bipolar plate 101.
  • one bipolar plate 101a is a pair of bipolar plates forming a fuel cell
  • the other bipolar plate 101b is a pair of bipolar plates forming a fuel cell adjacent thereto.
  • These bipolar plates 101a and 101b are joined to each other to form a cavity 112 in the facing portion of the seal bead 111, which is in the form of a full bead.
  • the one located on the left side is also referred to as a cavity 112a
  • the one located on the right side is also referred to as a cavity 112b.
  • the seal beads 111 are patterned and formed on the bipolar plates 101a and 101b.
  • the seal bead 111 has a shape in which inclined side walls 111s are connected to both ends of the top 111t.
  • the inclination of the side wall 111s is an obtuse angle rising from the base of the bipolar plate 101.
  • the top 111t looks like a flat shape at first glance, but is actually formed on a curved surface that is slightly curved upward.
  • the curvature of the curved curved surface can be appropriately set. The larger the curvature, the closer to a flat surface, and the smaller the curvature, the more emphasized the curved surface shape.
  • the seal bead 111 may have various shapes without being limited to such a shape. For example, it is permissible to make a polygonal shape such as a pentagon.
  • a tunnel 121 is provided between the two seal beads 111.
  • a tunnel 121 is also provided between the seal bead 111 located on the left side and the seal bead 111 (not shown) located on the left side.
  • the tunnel 121 is connected to the side wall 111s of the two seal beads 111.
  • the tunnel 121 is formed in a rectangular cross section as an example.
  • the tunnel 121 is not limited to such a shape, and it is possible to give the tunnel 121 various shapes such as a trapezoidal cross section and a shape having a curved surface in part.
  • the two bipolar plates 101a and 101b are formed except for the region where the seal bead 111 is provided.
  • the surface contact is complete, and a space is formed only in the portion of the cavity 112. Therefore, the space demarcating the cavity 112 is sealed from other spaces.
  • the region where the tunnel 121 is provided does not come into surface contact, and the cavities 112 are connected to each other by the tunnel 121. Have been contacted.
  • the sealing material 131 is laminated on the surface of the sealing bead 111.
  • a low-rigidity base material having a steel plate thickness of 0.05 to 0.2 mm and a Vickers hardness of 300 or less is used.
  • austenitic stainless steel SUS316L, 310S, 303L, 304L, 304
  • ferrite stainless steel SUS430
  • nickel and nickel alloys Ni—Cu alloy, Hastelloy, Inconel
  • titanium and titanium alloys ⁇ -, ⁇ -, ⁇ ).
  • the stack tightening line pressure when a plurality of fuel cell cells are tightened and stacked is, for example, an average line pressure of 0.5 to 10 N / mm. This is because if it is less than 0.5 N / mm, the surface pressure is insufficient and a leak occurs, and if it exceeds 10 N / mm, a leak due to buckling occurs.
  • sealing material 131 for example, silicon, cyfel, EPDM (ethylene / propylene / diene rubber), FKM (fluororubber), PIB (polyisobutylene) are used.
  • silicon, cyfel, EPDM (ethylene / propylene / diene rubber), FKM (fluororubber), PIB (polyisobutylene) are used as the material of the sealing material 131.
  • silicon, cyfel, EPDM (ethylene / propylene / diene rubber), FKM (fluororubber), PIB (polyisobutylene) are used as the material of the sealing material 131.
  • Such a sealing material 131 is formed on the surface of the seal bead 111 by screen printing, for example, with a thickness of 100 ⁇ m or less.
  • H1 / H2 is set to 1.6 or more.
  • the seal bead 111 has a curved shape at the top 111t, so that the height dimension of the top 111t is not uniform.
  • the height H1 of the seal bead 111 referred to here means the height dimension of the highest portion of the top 111t.
  • the tunnel 121 Since the tunnel 121 has a rectangular cross section, its top is a flat surface with a uniform height. Therefore, the height H2 of the tunnel is the height of the top of the tunnel. However, as described above, it is possible to give the tunnel 121 various shapes at the time of implementation. When the top of the tunnel 121 has a curved surface shape, the height H2 of the tunnel 121 means the height dimension of the highest portion of the top, similarly to the height H1 of the seal bead 111.
  • H1 / H2 is set to 1.6 or more with respect to the relationship between the height H1 of the seal bead 111 and the height H2 of the tunnel 121.
  • the inventor of the present application created a prototype in order to suppress the decrease in linear pressure caused in the seal bead 111, and experimented while changing the ratio of the height H1 of the seal bead 111 to the height H2 of the tunnel 121. Was repeated.
  • the material used as the sealing material 131 is a silicon material with a rubber hardness of 50 °. This was screen-printed to a thickness of 40 ⁇ m to obtain a sealing material 131.
  • the sealing material 131 was common to all the prototypes 1 to 5.
  • the graph shown in FIG. 5 shows the results of the above experiment.
  • a sharp rise in linear pressure can be seen between prototype 3 and prototype 4. That is, the linear pressure of the prototype 1 is about 1.5 N / mm, the linear pressure of the prototype 2 is about 1.6 strong, the linear pressure of the prototype 3 is about 1.7 weak, and the linear pressures of the prototypes 1 to 3 are lines. There is no big difference in pressure.
  • the linear pressure rises to a little over 2 N / mm. In other words, the linear pressure increases by 0.3 N / mm or more with respect to the prototype 3.
  • prototypes 4 and 5 are desirable. That is, it is a prototype in which H1 / H2 has a value of less than 1.6 and 1.8.
  • each part is set to have a dimensional relationship in which H1 / H2 is 1.6 or more with respect to the relationship between the height H1 of the seal bead 111 and the height H2 of the tunnel 121. This makes it possible to suppress the decrease in linear pressure that occurs in the seal bead 111 and prevent the seal bead 111 from causing pressure release.
  • the seal bead 111 may not be formed on either of the bipolar plates 101a and 101b as in the present embodiment, but may be formed only on either of the bipolar plates 101a or 101b. All other transformations and changes are possible.

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Abstract

双極板に設けたシールビードに圧力抜けを生じさせないようにすること。 反応電極部と共に締結されて互いに接合される金属製の一対の双極板101(101a,101b)を複数枚の反応電極部の間に介在させ、少なくとも一方の双極板101にシールビード111をフルビードの形態でパターン化して設け、隣接するシールビード111の間にトンネル121を架け渡して内部を連絡させた構造の燃料電池用ガスケット51を設け、シールビード111の高さをH1、トンネルの高さをH2とした場合、H1/H2を1.6以上に設定した。

Description

燃料電池用ガスケット
 本発明は、複数枚の反応電極部の間に介在して互いに接合される金属製の一対の双極板に設けられたシールビードによって形成される燃料電池用ガスケットに関する。
 燃料電池の従来構造として、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた反応電極部(MEA)を備え、その厚み方向両側に一対の双極板を積層して燃料電池セルとし、この燃料電池セルを複数個積層したスタック構造をなすものがある。この種の燃料電池は、反応電極部のカソード側に酸化ガス(空気)を供給し、アノード側に燃料ガス(水素)を供給することで、水の電気分解の逆反応である電気化学反応によって電力を発生する。
 積層された燃料電池セル内には、酸化ガス(空気)や燃料ガス(水素)、冷却水などの媒体のための流路が設けられている。このような流路は、例えば双極板によって形成されている。双極板は、鉄やアルミニウムなどの金属材料からなる一対の板状の部材を接合させたもので、これらの一対の部材の間や別の部材との間に媒体のための流路を形成する。
 例えば特許第4959190号公報(以下、特許文献1)には、反応電極部とガス拡散層(特許文献1では「ガス分散層」)とを一対の双極板で挟んで燃料電池セルを作製し、このような燃料電池セルを複数枚積層し、締結することによって製造された燃料電池が記載されている。
 反応電極部とガス拡散層とを一対の双極板で挟むという構造上、隣り合う燃料電池セルは、積層されることによって双極板同士を接合させる。接合する二枚の双極板は、例えば図5b及び図6bに示されているように、それぞれフルビードの形態のシールビードを備えている。これらのシールビードの位置を合わせて二枚の双極板を接合させることで、互いに対面するシールビードの内部にはキャビティが形成される。キャビティの内外の空間は、Hや水等の媒体を流通させる流路として利用される。
 特許文献1には、二つのマニホールドが示されている(特許文献1の図4参照)。これらのマニホールドは、反応物質や冷却物質の流路として利用される。双極板は、マニホールドの周囲をシールビードでシールし、電気化学活性領域をなす反応電極部に対応する位置にビード配列を形成している。
 特許文献1の図5bに示されているように、一方のマニホールドは、フルビードの形態のシールビードで囲まれている。このシールビードは、例えばHあるいは水等の媒体を反応電極部に供給する機能を有している(文献1の段落[0054]参照)。
 より詳しくは、上記一方のマニホールドを取り囲む二つのシールビードは、内部にキャビティを形成している。これらの二つのうちの一方のシールビードは、ホール状の孔部を備えている(特許文献1の図5b参照)。これによって特許文献1の図5a及び図5bに示されている矢印の方向、つまりキャビティ外から孔部を介してキャビティ内へ、そしてキャビティ内から反対側の孔部を介してキャビティ外へという媒体の供給が可能になる(文献1の段落[0054]参照)。
 特許文献1の図6bに示されているように、もう一方のマニホールドは、互いに接合する二枚の双極板の間のギャップに冷却水を流すために用いられる。もう一方のマニホールドは、フルビードの形態のシールビードで囲まれている。このシールビードは、冷却水を流す機能を有している(文献1の段落[0055]参照)。
 より詳しくは、上記もう一方のマニホールドを取り囲む二つのシールビードは、内部にキャビティを形成している。これらの二つのうちの一方のシールビードは、マニホールドに面する位置にホール状の孔部を備え、トンネルを介して隣接するシールビード同士を連結している(特許文献1の図6b参照)。このような構造上、マニホールドから供給された冷却水は孔部を介して最初のキャビティに流れ込み、このキャビティからトンネルを介して次のキャビティに供給される(文献1の段落[0062]参照)。
 燃料電池セルを積層して燃料電池を作製した際、双極板に設けられたシールビードに圧力抜けが生ずることがある。この現象は、シールビードによって受けられる圧力が部分的に不足する現象で、反応媒体や冷却水などの媒体漏れの原因となるため、確実に防止することが必要である。
 この出願の発明者等は、シールビードに生ずる圧力抜けの原因を模索したところ、一つの要因として、トンネルの有無が関係していることを突き止めた。つまり特許文献1の図5a及び図6aに示されているように、マニホールドの周辺のシールビードには、トンネルを有しないものと(特許文献1の図5a参照)、トンネルを有するものとがある(特許文献1の図6a参照)。これらの二種類のシールビードを比較すると、トンネルの有り無しによって、圧縮時の反力特性が相違することがわかった。
 より詳細には、トンネルを有するシールビードはトンネルを有しないシールビードに比べて線圧が低くなり、これが線圧の低下をもたらしている。シールビードに生ずる圧力抜けは、このような線圧の低下が原因なのではないかと推察される。
 本発明の課題は、双極板に設けたシールビードに圧力抜けを生じさせないようにすることである。
 本発明の燃料電池用ガスケットは、複数枚の反応電極部の間に介在し、前記反応電極部と共に締結されて互いに接合される金属製の一対の双極板と、少なくとも一方の前記双極板に設けられたシールビードと、隣接する前記シールビードの間に架け渡されて内部を連絡させるトンネルと、を備え、前記シールビードの高さをH1、前記トンネルの高さをH2とした場合、H1/H2を1.6以上に設定した。
 本発明によれば、シールビードに生ずる線圧の低下を抑制することができ、したがって双極板に設けたシールビードに圧力抜けを生じさせないようにすることができる。
実施の一形態を示す双極板の一部の斜視図。 その平面図。 図2におけるA-A線断面図。 図2におけるB-B線断面図。 ビード高さに対するトンネル高さの割合とビードに生ずる線圧との関係を示すグラフ。
 本実施の形態は、燃料電池を構成する燃料電池セルに用いる双極板が有する燃料電池用ガスケットに関する。
 図1に示すように、本実施の形態の燃料電池用ガスケット51は、双極板101に形成されたシールビード111によって形成されている。図1中、一方の双極板101aは、燃料電池セルを形成する一対の双極板のうちの一方で、もう一方の双極板101bは、これと隣接する燃料電池セルを形成する一対の双極板のうちの一方である。これらの双極板101a,101bは互いに接合され、いずれもフルビードの形態であるシールビード111の対面部分にキャビティ112を形成している。図1中、左側に位置するものをキャビティ112a、右側に位置するものをキャビティ112bとも呼ぶ。シールビード111は、パターン化されて双極板101a,101bに形成されている。
 シールビード111は、一例として、頂部111tの両端に傾斜した側壁111sが連絡する形状を有している。側壁111sの傾斜は、双極板101の基部から鈍角で立ち上がる形状の傾斜である。図1、図3~図4に示すように、頂部111tは一見平坦な形状に見えるが、実際には上方に向けて僅かに湾曲した湾曲面に形成されている。頂部111tの湾曲面形状に関しては、湾曲する曲面の曲率を適宜設定することが可能である。曲率が大きいほど平坦面に近付き、曲率が小さくなると曲面形状が強調される。もっとも実施に際しては、このような形状に限定されず、各種の形状をシールビード111に持たせてもよい。例えば五角形などの多角形形状にすることも許容される。
 図1、図2に示すように、二つのシールビード111の間には、トンネル121が設けられている。左側に位置するシールビード111とさらに左側に位置する図示しないシールビード111との間にも、トンネル121が設けられている。トンネル121は、二つのシールビード111の側壁111sに連結している。
 トンネル121は、一例として、断面矩形形状に形成されている。もっとも実施に際してはこのような形状に限定されず、例えば断面台形形状、一部に曲面を有する形状等、各種の形状をトンネル121に持たせることが可能である。
 図3に示すように、トンネル121が設けられていない部分(図2中のA-A線断面)では、シールビード111が設けられている領域を除いて、二枚の双極板101a,101bは完全に面接触をし、キャビティ112の部分にのみ空間を形成している。したがってキャビティ112を画する空間は、他の空間からシールされている。
 図4に示すように、トンネル121が設けられている部分(図2中のB-B線断面)では、トンネル121が設けられている領域も面接触はせず、キャビティ112同士がトンネル121によって連絡されている。
 こうして構成された燃料電池用ガスケット51では、シールビード111の表面にシール材131が積層されている。
 ここで双極板101の材料としては、一例として、鋼板板厚0.05~0.2mmで、ビッカース硬度300以下の低剛性基材が用いられる。例えばオーステナイト系ステンレス(SUS316L、310S、303L、304L、304)、フェライト系ステンレス(SUS430)、ニッケル及びニッケル合金(Ni-Cu合金、ハステロイ、インコネル)、チタン及びチタン合金(α-、β-、α-β)などの使用が好適である。
 複数枚の燃料電池セルを締め付けてスタックする際のスタック締め付け線圧は、例えば平均線圧0.5~10N/mmである。0.5N/mmを下回ると面圧が足りずにリークが発生し、反対に10N/mmを超えると座屈によるリークが発生するためである。
 シール材131の材料としては、例えばシリコン、サイフェル、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエンゴム)、FKM(フッ素ゴム)、PIB(ポリイソブチレン)が用いられる。このようなシール材131は、例えば100μm以下の厚みで、スクリーン印刷によってシールビード111の表面に形成される。
 本実施の形態において重要なことは、シールビード111の高さH1と、トンネル121の高さH2との比率である。図4に示すように、本実施の形態では、H1/H2が1.6以上に設定されている。
 シールビード111は、前述したとおり、頂部111tに湾曲形状を持たされているので、頂部111tの高さ寸法が一律ではない。ここでいうシールビード111の高さH1は、頂部111tのうち最も高い部分の高さ寸法を意味する。
 トンネル121は断面矩形形状であることから、その頂部は一律の高さを持つ平坦面になっている。このためトンネルの高さH2は、その頂部の高さである。もっとも前述したとおり、実施に際しては、トンネル121には各種の形状を持たせることが可能である。トンネル121の頂部を湾曲面形状にした場合には、シールビード111の高さH1と同様に、トンネル121の高さH2も、頂部のうち最も高い部分の高さ寸法を意味することになる。
 このような構成において、本実施の形態では、シールビード111の高さH1とトンネル121の高さH2との関係について、H1/H2が1.6以上に設定されている。これによってシールビード111に生ずる線圧の低下が抑制され、シールビード111に圧力抜けを生じさせないようにすることができる。
 本出願の発明者は、シールビード111に生ずる線圧の低下を抑制するために、試作品を作成し、シールビード111の高さH1と、トンネル121の高さH2との比率を変えながら実験を繰り返した。
 試作品としては、双極板101の材料として、板厚0.1mmのSUS304Lを用いた。これをプレス加工し、シールビード111とトンネル121とを有する双極板101を作製した。このときシールビード111の高さH1とトンネル121の高さH2とは、プレス金型によって調整可能である。実験に際して用意したのは、H1/H2の組み合わせが六種類の値となる試作品である。具体的にはH1/H2の値が1.4弱、1.45、1.5強、1.6、そして1.8弱の値となる試作品を用意した。説明の便宜上、
・試作品1:H1/H2=1.4弱
・試作品2:H1/H2=1.45
・試作品3:H1/H2=1.5強
・試作品4:H1/H2=1.6
・試作品5:H1/H2=1.8弱と呼ぶ。
 またシール材131として用いたのは、ゴム硬度50°のシリコン材である。これを40μmの厚さでスクリーン印刷し、シール材131とした。シール材131については、試作品1から試作品5まですべて共通とした。
 実験は、上記六種類のH1/H2の組み合わせとなる試作品について、オートグラフにて所定荷重でシールビード111を圧縮したときのシールビード111とトンネル121との交差部分の線圧を確認した。線圧の確認は、感圧紙によって行った。
 図5に示すグラフは、上記実験の結果を示している。このグラフから明らかなように、試作品3と試作品4との間に、線圧の急激な立ち上がりがみられる。つまり試作品1の線圧は1.5N/mm程度、試作品2の線圧は1.6強、試作品3の線圧は1.7弱程度であり、試作品1から3までは線圧に大きな違いがみられない。これに対して試作品4では2N/mm強まで線圧が上昇する。つまり試作品3に対して0.3N/mm以上もの線圧の上昇がみられるわけである。
 以上の実験結果より、試作品4及び5が望ましいことがわかる。つまりH1/H2が1.6及び1.8弱の値になる試作品である。こうした検証により、本実施の形態では、シールビード111の高さH1とトンネル121の高さH2との関係について、H1/H2が1.6以上となる寸法関係に各部を設定した。これによってシールビード111に生ずる線圧の低下を抑制し、シールビード111に圧力抜けを生じさせないようにすることが可能となる。
 実施に際しては、上述した以外にも各種の変更や変形が許容される。例えばシールビード111は、本実施の形態のように双極板101a,101bのいずれにも形成するのではなく、いずれか一方の双極板101a又は101bにのみ形成するようにしてもよい。その他あらゆる変形や変更が可能である。
51 燃料電池用ガスケット
101 双極板
101a 双極板
101b 双極板
111 シールビード
112 キャビティ
112a キャビティ
112b キャビティ
121 トンネル
131 シール材
 

Claims (2)

  1.  複数枚の反応電極部の間に介在し、前記反応電極部と共に締結されて互いに接合される金属製の一対の双極板と、
     少なくとも一方の前記双極板に設けられたシールビードと、
     隣接する前記シールビードの間に架け渡されて内部を連絡させるトンネルと、
     を備え、前記シールビードの高さをH1、前記トンネルの高さをH2とした場合、H1/H2を1.6以上に設定した、
     ことを特徴とする燃料電池用ガスケット。
  2.  前記双極板は、オーステナイト系ステンレスと、フェライト系ステンレスと、ニッケル及びニッケル合金と、チタン及びチタン合金とのうちのいずれか一つの材料によって形成されている、
     ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用ガスケット。
     
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