JP2017117722A - 燃料電池用ガスケット及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のセル部品３０，４０間への組み付け時のハンドリング性を一層向上させた燃料電池用ガスケット１０を提供する。【解決手段】セル部品３０，４０間のシール対象領域Ｃを取り囲む形状の合成樹脂製のフレーム１１と、フレーム１１に一体的に接合されたゴム状弾性体製のガスケット本体１２からなり、ガスケット本体１２は、フレーム１１のうちシール対象領域Ｃ側の端部にこの端部の厚さ方向両面を覆うように接合された被覆部１２１，１２２と、被覆部１２１，１２２からシール対象領域Ｃ側へ延びると共にフレーム１１のシール対象領域Ｃ側を向いた面に接合されフレーム１１より厚肉に形成された連結部１２３と、連結部１２３からシール対象領域Ｃ側へ延びセル部品３０，４０に圧縮状態で密接されるシール部１２４からなる。【選択図】図２

Description

本発明は、補強フレームを一体に有する燃料電池用ガスケット及びその製造方法に関する。

燃料電池は、基本的には電解質膜の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ（膜−電極複合体）を備える発電体を、セパレータで挟持して燃料電池セルとし、更にこの燃料電池セルを多数積層したスタック構造となっている。そして、酸化ガス（酸素）が各セパレータの一方の面に形成された酸化ガス流路から一方の触媒電極層（カソード）に供給され、水素が各セパレータの他方の面に形成された燃料ガス流路から他方の触媒電極層（アノード）に供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって、電力を発生するものである。

燃料電池スタックでは、１つのセル内にカソードガス（酸化ガス）層、アノードガス（燃料ガス）層、冷媒層を有し、燃料電池スタックは、たとえば１台につき４００〜５００セルが積層され、すなわち１０００層を超える流体層を有するものがある。そして、これらの流体層は、層内を流通する流体が漏洩することのないように密封する必要がある。密封の手段としては、発電体における反応面の外周に沿ってシール手段を設け、さらに、必要に応じて流体の供給・排出用のマニホールド穴を囲うようにシール手段を設けることが知られている。そしてこのようなシール手段としては、ゴム又は熱可塑性エラストマーなどのゴム状弾性体からなるガスケットや、リジッドな接着剤が使用される。

ゴム状弾性体からなるガスケットの場合、燃料電池セルを構成するセパレータなどの積層部材に一体的に成形することが好ましい。その理由は、燃料電池スタックの組立の際に省力化できるからである。しかしながら燃料電池スタックの構造によっては、ある程度サブアッセンブリされたユニットの間や、ユニットと最も外側の部材（例えば集電板）との間などの密封手段としては、ゴム単体からなるガスケットが使用されることがある。このゴム単体ガスケットは、自動車用燃料電池のセパレータほどの領域をシールするとなると、剛性が小さいためシール溝へ組み付ける際に捩れてしまいやすく、したがって作業性が悪く、機械化も難しいことから、装着作業を手作業によって行わざるを得ず、結果として膨大な作業工数が必要となってしまう。

そこで、ゴム状弾性体からなるガスケットを、合成樹脂や金属からなる薄板状のシートを打ち抜いて形成した補強用フレーム（フレーム体）に一体に成形することによって、組み付け時のハンドリング性を向上させたものが知られている（例えば下記の特許文献１参照）。

特許第５４６８４５７号公報

しかしながら、従来の燃料電池用ガスケットによれば、シール部とフレームを連結している連結部は、厚さがフレームの肉厚より小さいゴム状弾性体からなるものであるため、変形しやすく、依然として組み付け時のハンドリング性に懸念が残るものである。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、組み付け時のハンドリング性を一層向上させた燃料電池用ガスケットを提供することにある。

上述した技術的課題を解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池用ガスケットは、燃料電池のセル部品間に介装される燃料電池用ガスケットにおいて、前記セル部品間のシール対象領域を取り囲む形状の合成樹脂製のフレームと、前記フレームに一体的に接合されたゴム状弾性体製のガスケット本体からなり、前記ガスケット本体は、前記フレームのうち前記シール対象領域側の端部にこの端部の厚さ方向両面を覆うように接合された被覆部と、前記被覆部から前記シール対象領域側へ延びると共に前記フレームの前記シール対象領域側を向いた面に接合され前記フレームより厚肉に形成された連結部と、前記連結部から前記シール対象領域側へ延び前記セル部品に圧縮状態で密接されるシール部からなることを特徴とする。

また、請求項２の発明に係る燃料電池用ガスケットは、請求項１に記載された構成において、フレームのうちガスケット本体の被覆部が接合された部分に薄肉部が形成されたことを特徴とする。

また、請求項３の発明に係る燃料電池用ガスケットは、請求項１又は２に記載された構成において、シール部に、ガスケット本体の厚さ方向両側へ隆起した複数対のシールビードが形成されたことを特徴とする。

また、請求項４の発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法は、請求項１〜３のいずれかに記載された燃料電池用ガスケットを製造する方法において、フレームを射出成形することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用ガスケットによれば、ガスケット本体が、フレームのうちシール対象領域側の端部にこの端部の厚さ方向両面を覆うように形成された被覆部及びこの被覆部から延びてフレームより厚肉に形成された連結部によってフレームに接合されているため、フレームとの接合部分の剛性が大きく、このため組み付けの際にシール部が捩れたり倒れたりしにくく、ハンドリング性を一層向上させることができる。

また、本発明に係る燃料電池用ガスケットの製造方法によれば、フレームを射出成形するため、フレームの製作過程で無駄になる材料が少なく、このため材料の歩留まりを向上させ、しかもフレームの厚みが部分的に異なる仕様とするなど、設計の自由度を向上させることができる。

本発明に係る燃料電池用ガスケットの第一の実施の形態を単体で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第一の実施の形態を、複数層の燃料電池セルへの装着状態で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第一の実施の形態を、一方のセパレータ上に配置した状態で示す部分的な断面斜視図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第二の実施の形態を単体で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第二の実施の形態を、複数層の燃料電池セルへの装着状態で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第二の実施の形態を、一方のセパレータ上に配置した状態で示す部分的な断面斜視図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第三の実施の形態を単体で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第三の実施の形態を、複数層の燃料電池セルへの装着状態で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第三の実施の形態を、一方のセパレータ上に配置した状態で示す部分的な断面斜視図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第四の実施の形態を単体で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第四の実施の形態を、複数層の燃料電池セルへの装着状態で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第四の実施の形態を、一方のセパレータ上に配置した状態で示す部分的な断面斜視図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第五の実施の形態を単体で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第五の実施の形態を、複数層の燃料電池セルへの装着状態で示す部分的な断面図である。 本発明に係る燃料電池用ガスケットの第五の実施の形態を、一方のセパレータ上に配置した状態で示す部分的な断面斜視図である。

以下、本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず図１〜図３は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの第一の実施の形態を示すものである。この燃料電池用ガスケット１０は、図２に示すように燃料電池に組み付けられるものであって、図２において、参照符号２０は、電解質膜及びその両面に設けた触媒電極層（アノード及びカソード）からなる膜−電極複合体（ＭＥＡ）と、その厚さ方向両側に積層したガス拡散層からなる発電体である。そしてこの発電体２０の厚さ方向両側に金属板を成形したセパレータ３０，４０が積層されることによって、燃料電池セル１が構成され、多数の燃料電池セル１が燃料電池用ガスケット１０を介して積層されることによって燃料電池スタックを構成している。なお、セパレータ３０，４０は、請求項１に記載されたセル部品に相当する。

発電体２０とその一側のセパレータ３０の間には、このセパレータ３０に屈曲形成された流路溝３１によって例えば燃料ガス流路Ａが画成されており、発電体２０とその他側のセパレータ４０の間には、このセパレータ４０に屈曲形成された流路溝４１によって例えば酸化剤ガス流路Ｂが画成されている。そしてこれら燃料ガス流路Ａ及び酸化剤ガス流路Ｂは、発電体２０の周囲に一体的に設けた弾性体シート５０によってシールされている。すなわちこの燃料電池は、各燃料電池セル１において、燃料ガス流路Ａを流通する燃料ガスが、発電体２０におけるアノード側に供給され、酸化剤ガス流路Ｂを流通する酸化剤ガスが、発電体２０におけるカソード側に供給され、水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するものである。

また、セパレータ３０，４０の間には、発電に伴い発生する反応熱を除去するための冷媒液を流通させる冷媒流路Ｃが画成されており、燃料電池用ガスケット１０は、この冷媒流路Ｃをシールするものである。燃料電池用ガスケット１０は、図１及び図３にも示すように、合成樹脂製のフレーム１１と、このフレーム１１に一体に設けられたゴム状弾性体製のガスケット本体１２からなる。

詳しくは、燃料電池用ガスケット１０におけるフレーム１１は、ガスケット本体１２を形成しているゴム状弾性体よりも剛性の高い合成樹脂からなり、射出成形によって、図２に示すセパレータ３０，４０間のシール対象領域である冷媒流路Ｃを取り囲む形状に製作されており、言い換えれば、セパレータ３０，４０に流路溝３１，４１の形成領域を取り囲むように形成されたガスケット収容溝３２，４２間に遊嵌状態に配置可能な形状に製作されている。

また、燃料電池用ガスケット１０におけるガスケット本体１２は、フレーム１１に液状ゴムなどの成形用ゴム材料によって一体成形されたものであって、フレーム１１のうち冷媒流路Ｃ側の端部にその厚さ方向両面１１ａ，１１ｂを覆うように接合された被覆部１２１，１２２と、この被覆部１２１，１２２から冷媒流路Ｃ側へ延びると共にフレーム１１のうち冷媒流路Ｃ側を向いた面１１ｃに接合された連結部１２３と、この連結部１２３から冷媒流路Ｃ側へ延びるシール部１２４からなる。

ガスケット本体１２における連結部１２３の表面は、被覆部１２１，１２２の表面と面一となっており、したがって連結部１２３はフレーム１１より厚肉となっている。また、ガスケット本体１２におけるシール部１２４は、連結部１２３とほぼ同じ厚さの板状の基部１２４ｃと、この基部１２４ｃから厚さ方向両側へ隆起形成された１対のシールビード１２４ａ，１２４ｂとからなる。したがって、シール部１２４は全体として連結部１２３よりも厚肉であり、ひいてはフレーム１１より厚肉であり、図２に示す組み付け状態において、シールビード１２４ａ，１２４ｂがセパレータ３０，４０のガスケット収容溝３２，４２に適当な圧縮状態で密接されるようになっている。

上記の構成を備える第一の実施の形態の燃料電池用ガスケット１０によれば、ゴム状弾性体からなるガスケット本体１２が、合成樹脂からなるフレーム１１によって補強されているので、燃料電池セル１，１間（セパレータ３０，４０間）への組み付け時の良好なハンドリング性を確保することができる。

特に、ガスケット本体１２は、フレーム１１のうち冷媒流路Ｃ側の端部の厚さ方向両面を覆うように形成された被覆部１２１，１２２と、この被覆部１２１，１２２と連続してフレーム１１より厚肉に形成された連結部１２３によってフレーム１１に接合されているため、フレーム１１とシール部１２４の間の剛性が大きく、このため組み付けの際にシール部１２４が捩れたり倒れたりしにくく、組み付け時のハンドリング性を一層向上させることができる。またその結果、シールの信頼性も向上する。

また、フレーム１１を例えば従来のように合成樹脂や金属からなるシートを打ち抜いて製作する場合、シートの大部分が無駄になってしまい、しかも全体の厚みが均一な仕様のものしか得られないが、上記構成の燃料電池用ガスケット１０によれば、フレーム１１は合成樹脂の射出成形によって製作されるため、製作過程で無駄になる材料が少なく、このため材料の歩留まりを向上させることができ、しかもフレーム１１の厚みが部分的に異なる仕様とするなど、設計の自由度を向上させることができる。

また、ガスケット本体１２におけるシール部１２４はゴム状弾性体のみからなり、すなわちシールビード１２４ａ，１２４ｂ間にはフレーム１１が存在しないため、シール部１２４（シールビード１２４ａ，１２４ｂ）の圧縮量を大きくして十分なシール面圧及びシール幅を確保することができる。

図４〜図６は、フレーム１１の厚みを部分的に異なる仕様とした例として、本発明に係る燃料電池用ガスケットの第二の実施の形態を示すものである。

この実施の形態の燃料電池用ガスケット１０は、フレーム１１のうち、ガスケット本体１２の被覆部１２１，１２２が接合された部分（冷媒流路Ｃ側の端部）に、薄肉部１１１が形成されたものである。すなわち、フレーム１１は合成樹脂の射出成形によって製作されたものであって、ガスケット本体１２の被覆部１２１，１２２が接合されたフレーム１１の端部の厚さ方向両面１１ａ，１１ｂには、薄肉部１１１とそれ以外の部分との境界となる段差１１１ａ，１１１ｂが形成されている。薄肉部１１１の肉厚は、確保すべき剛性を考慮して適切に設定されることはもちろんである。なお、その他の部分は先に説明した図１〜図３に示す第一の実施の形態と同様に構成されている。

上記の構成を備える第二の実施の形態の燃料電池用ガスケット１０によれば、第一の実施の形態と同様の効果に加え、フレーム１１の端部に薄肉部１１１が形成されたことによってその分だけ被覆部１２１，１２２が厚くなるので、ガスケット本体１２をフレーム１１と一体成形する際に被覆部１２１，１２２のゴム材料の賦形性を高めることができる。またこのため、被覆部１２１，１２２の成形不良を防止し、ひいてはフレーム１１との所要の接合強度を確保することができる。

次に、図７〜図９は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの第三の実施の形態を示すものである。

この実施の形態の燃料電池用ガスケット１０は、ガスケット本体１２のシール部１２４に、その厚さ方向両側へ隆起した２対のシールビード１２４ａ，１２４ｂが形成されたものである。その他の部分は先に説明した図４〜図６に示す第二の実施の形態と同様に構成されており、すなわちフレーム１１のうち、ガスケット本体１２の被覆部１２１，１２２が接合された部分（冷媒流路Ｃ側の端部）に、薄肉部１１１が形成されている。

上記の構成を備える第三の実施の形態の燃料電池用ガスケット１０によれば、第二の実施の形態と同様の効果に加え、ガスケット本体１２のシール部１２４が２対のシールビード１２４ａ，１２４ｂを有するため、セパレータ３０，４０のガスケット収容溝３２，４２間における組み付け状態が安定し、したがって図８に示す積層状態において、上下の燃料電池用ガスケット１０，１０に組み付け精度による僅かなずれがあってもシール性が補償され、ガスケット収容溝３２，４２間で圧縮したときのシールビード１２４ａ，１２４ｂの倒れも生じにくくなる。

次に、図１０〜図１２は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの第四の実施の形態を示すものである。

この実施の形態の燃料電池用ガスケット１０は、第三の実施の形態よりもさらに多くの列のシールビード１２４ａ，１２４ｂを設け、すなわちガスケット本体１２のシール部１２４に３対のシールビード１２４ａ，１２４ｂを形成することによって、組み付け状態の一層の安定化を図ったものである。

この実施の形態では、シールビード１２４ａ，１２４ｂの列を増やすことによって、図７〜図９に示す第三の実施の形態に比較してフレーム１１の幅Ｗが小さいものとなっているが、それによって組み付け時のハンドリング性が損なわれたり、ガスケット本体１２に対する補強機能が損なわれたりする懸念がある場合は、フレーム１１の幅Ｗを大きくすることが望ましい。

図１３〜図１５は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの第五の実施の形態は、上述のような観点から、図１０〜図１２に示す形態に比較して、フレーム１１の幅Ｗを大きくしたものである。このように構成することによって、組み付け時のハンドリング性及び剛性を確保することができる。

１ 燃料電池セル
１０ 燃料電池用ガスケット
１１ フレーム
１１１ 薄肉部
１２ ガスケット本体
１２１，１２２ 被覆部
１２３ 連結部
１２４ シール部
２０ 発電体
３０，４０ セパレータ（セル部品）
Ｃ 冷媒流路（シール対象領域）

Claims (4)

1. 燃料電池のセル部品間に介装される燃料電池用ガスケットにおいて、前記セル部品間のシール対象領域を取り囲む形状の合成樹脂製のフレームと、前記フレームに一体的に接合されたゴム状弾性体製のガスケット本体からなり、前記ガスケット本体は、前記フレームのうち前記シール対象領域側の端部にこの端部の厚さ方向両面を覆うように接合された被覆部と、前記被覆部から前記シール対象領域側へ延びると共に前記フレームの前記シール対象領域側を向いた面に接合され前記フレームより厚肉に形成された連結部と、前記連結部から前記シール対象領域側へ延び前記セル部品に圧縮状態で密接されるシール部からなることを特徴とする燃料電池用ガスケット。
2. フレームのうちガスケット本体の被覆部が接合された部分に薄肉部が形成された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。
3. シール部に、ガスケット本体の厚さ方向両側へ隆起した複数対のシールビードが形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用ガスケット。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用ガスケットを製造する方法において、フレームを射出成形することを特徴とする燃料電池用ガスケットの製造方法。

Images