JP3952154B2

JP3952154B2 - 燃料電池用構成部品

Info

Publication number: JP3952154B2
Application number: JP2002055137A
Authority: JP
Inventors: 智広井上
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: JP2003257454A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の構成要素をなす燃料電池用の構成部品に関するものであり、更に詳しくは、ガス拡散層とガスケットとの一体品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型の燃料電池においては、一セルあたりの電圧の大きさが化学反応から決定されているため、電圧を増大させるためには、セルを多数積層する必要があり、またその一方で、各セルには、燃料ガスや冷却水をシールするためのガスケットや、ガスや冷却水のマニフォールドになる部分のガスケットが必要である。したがって、このガスケットとしてゴム単体型のものを使用すると、セルを多数積層する場合に多くの手間と時間がかかる不都合がある。
【０００３】
そこで、現在、セパレータとガスケットとを予め一体化する方法や、電解質膜とガスケットとを予め一体化する方法が検討されている。また、電解質膜とガスケットとを一体化するのが難しい場合には、ガス拡散層とガスケットとを一体化する方法が提案されており、この場合は主に、ガス拡散層を構成するカーボン材に対してガスケット材料であるゴムを含浸させることにより一体品を成形している。
【０００４】
しかしながら、このようにガス拡散層に対してゴムを含浸させる場合には、含浸の結果として、ガス拡散層のカーボン繊維がゴム内に分散することになるために、ガスケットの永久圧縮歪みが大きくなり、ガスケットの耐久性に課題が残る場合がある。
【０００５】
また、カナダのバラード社から出願されている米国特許によると、カーボンペーパーに溝を加工し、この溝に沿ってガスケットを接着剤を用いて貼り付ける技術（米国特許第５２８４７１８号公報）や、カーボンペーパーと電解質膜とを一体化した反応電極部（ＭＥＡ）におけるカーボンペーパーに溝を加工し、この溝に沿ってガスケットを一体化する技術（米国特許第５１７６９６６号公報）が開示されている。
【０００６】
しかしながら、前者については、組立工数が多いために、製造に多くの手間と時間がかかるとともにコストの削減が難しいと云う不都合があり、後者については、ＭＥＡ上にガスケットを成形するものであるため、熱硬化性ゴム材料を用いる場合に電解質膜に熱によるダメージを与える虞があると云う不都合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の点に鑑みて、燃料電池で用いられるガス拡散層とガスケットとの一体品において、ガスケットに生じる永久圧縮歪みを小さく抑えることが可能であり、しかも製造が容易で、熱硬化性ゴム材料を用いる場合であっても電解質膜に熱によるダメージを与えることがない燃料電池用構成部品を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池用構成部品は、繊維質を備える平板状のガス拡散層と、前記ガス拡散層の平面上にエンドレス状に配置されたゴムよりなるガスケットとを有し、前記ガス拡散層の平面上には、流路となる透孔部と、前記ガスケットを装着するための貫通部とが設けられ、前記貫通部は前記ガス拡散層を厚さ方向に貫通するとともに前記ガスケットの平面配置に合わせて溝状に設けられ、周上所々に溝の内側部分と外側部分とを繋ぐための橋状の連結部が設けられ、前記ガスケットは、インジェクション法、ディスペンサー法またはスクリーン印刷法により前記溝状の貫通部に沿ってエンドレス状に成形され、その一部は前記ガス拡散層に含浸していることを特徴とするものである。
【０００９】
上記構成を備えた本発明の燃料電池用構成部品においては、ガス拡散層を厚さ方向に貫通する貫通部がガスケットの平面配置に合わせてガス拡散層の平面上に溝状に設けられ、この溝状の貫通部に沿ってガスケットがガス拡散層に対して一体成形されているために、ガスケットはその大部分が溝状の貫通部内に配置されて、ガス拡散層とは平面上重ならないことになる。したがって、ガス拡散層がカーボン繊維等の繊維質を有する場合であっても、この繊維質がガスケット材料であるゴム内に多量に紛れ込むのを抑えることが可能となる。
【００１０】
また、上記構成を備えた本発明の構成部品は、金型等を用いてガス拡散層に対してガスケットを一体成形するものであるために、接着剤による接着の場合よりも工程数が少なくて済むと云う利点がある。
【００１１】
また、本発明の構成部品は、ガス拡散層に対してガスケットを一体成形するものであって電解質膜に対してガスケットを一体成形するものでないために、耐熱性について懸念のある電解質膜に成形時の熱によるダメージを与える虞がない。
【００１２】
尚、本件出願には、以下の技術的事項が含まれる。
【００１３】
すなわち、上記目的を達成するため、本件出願が提案する一の燃料電池用構成部品ないしその製造方法は、
▲１▼ 燃料電池で用いられるガス拡散層とガスケットの一体品において、ガスケットを一体化する部分のガス拡散層に前もってトムソン刃やウォータージェットやレーザーを用いて溝を加工し、その後ガスケットを一体成形するものであり、また、
▲２▼ ガス拡散層で使用される不織布やカーボンペーパー等のガスケットを成形する部分を前もってトムソン刃やウォータージェットやレーザーカット方法を用いて加工し、形状はガスケットの形状に合わせて溝形状にカットするものである。
【００１４】
▲３▼ 上記▲１▼ないし▲２▼項に係る発明の実施形態としては、以下のとおりである。
すなわち、固体高分子形燃料電池に使用されるガス拡散層とガスケットを一体化する。ガス拡散層として使用されるカーボンペーパーや不織布の厚さはおよそ０．１〜０．８ｍｍ程度が良好である。このガス拡散層に前もってトムソン刃等によるダイカットや、ウォータージェットを用いたカットや、レーザーを用いたカットによって溝や流路を形成する。その後、インジェクションやディスペンサーやスクリーン印刷を用いてガスケットを溝内に成形する。成形するゴムの種類としては、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭまたはブチルゴム等が好適である。ガスケットの高さは０．１〜２ｍｍ程度、硬度は１０〜８０度程度が良好である。当該構成部品を金型で成形する場合には、様々なガスケット断面形状が製作できる利点がある。
【００１５】
▲４▼ 以上の▲１▼ないし▲３▼項によれば、以下の作用効果を奏することが可能である。
すなわち先ず、ガスケットの直下にガス拡散層がないため、ガスケットの圧縮永久歪みを低減させることができる。また、ガス拡散層にゴムを一体化する際、金型内への固定が容易である。また、ＭＥＡ上にガスケットを成形するものでなく、カーボンペーパーのみにガスケットを成形する製品であるため、ガスケット成形時の熱による電解質膜のダメージを防ぐことができる。
【００１６】
尚、上記構成部品については、ガスケットがガス拡散層から部分的にずれたり外れたりする可能性がないかが懸念されるが、これに対する回答は以下のとおりである。
【００１７】
すなわち、ガス拡散層を打ち抜き、その後金型内で位置決めを行なってガスケットを一体成形するため、ガス拡散層とガスケットとがずれることはない。また多少ずれても大丈夫なように寸法的な余裕をもたせてガス拡散層の打ち抜きを行なうのが好適である。また、一体成形であるため、ガスケットとガス拡散層には含浸されている部分があり、よってガスケットがガス拡散層から外れる可能性は小さい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池用構成部品１の平面図であって、そのＡ−Ａ線拡大断面図が図２に示されている。また、図３はガス拡散層２を形成する素材の平面図、図４はこの素材に孔や溝等の必要な加工を施した状態のガス拡散層２の単品状態平面図であり、後記するようにこの図４の状態のガス拡散層２に対してガスケット６が一体成形されることになる。
【００２０】
当該実施例に係る構成部品１は、燃料電池で用いられるガス拡散層２とガスケット６との一体品であって、以下のように構成されている。
【００２１】
すなわち先ず、カーボンプレート、カーボンペーパーまたは不織布等によって平板状に形成されたガス拡散層２が設けられており、このガス拡散層２の平面上に、燃料ガスや冷却水等の流路となる透孔部３と、ガスケット６を一体成形するための貫通部４とがそれぞれ所定の平面配置をもって形成されている。透孔部３はガス拡散層２を厚さ方向に貫通する孔であり、貫通部４もガス拡散層２を厚さ方向に貫通する孔であるが、後者の貫通部４は、ガスケット６の平面配置に合わせてガス拡散層２の平面上に溝状のものとして設けられている。また、ガスケット６が平面上エンドレスに配置される場合、溝状の貫通部４もこれに合わせてエンドレス溝として形成されるべきであるが、これではエンドレス溝の内側部分において一部のガス拡散層２が抜け落ちてしまうため、これを防止すべく、エンドレス溝の周上所々に、エンドレス溝の内側部分と外側部分とを繋ぐための橋状の連結部５が設けられている。
【００２２】
以上の説明が図４の状態であり、この図４のガス拡散層２に対して図１に示すようにガスケット６を一体成形し、すなわち溝状の貫通部４に沿ってガスケット６をガス拡散層２に対して一体成形する。図２の断面図に示すように、ガスケット６は貫通部４内に余さず充填され、かつガス拡散層２の上面よりも上方に突出するとともに、ガス拡散層２の下面よりも下方に突出するよう形成されて両面ガスケットを構成しており、このような断面形状のガスケット６が上記エンドレス溝に沿ってエンドレス状に形成されている。ガス拡散層２の厚さはおよそ０．１〜０．８ｍｍ程度、ガスケット６の高さはおよそ０．１〜２ｍｍ程度とされている。また、図示はしないが、ガスケット６はその一部において貫通部４の内面に対して含浸しており、よってガスケット６がガス拡散層２から外れることがないように構成されている。
【００２３】
つぎに上記構成の構成部品１の製造方法を説明する。
【００２４】
すなわち先ず、図３に示したように平面状のガス拡散層２を用意し、ついで図４に示したように、このガス拡散層２にトムソン刃等によるダイカット法、ウォータージェットカット法またはレーザーカット法等によって透孔部３および貫通部４を形成する。ついで、この単品として仕上げられたガス拡散層２をインジェクション金型のキャビティ空間にセットし、ゴム材料を流し込んでガスケット６を成形する。この成形時、ゴム材料の一部がガス拡散層２に含浸して両者が一体化されることは上記したとおりである。ゴム材料の種類としては、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭまたはブチルゴム等が好適であり、成形されるガスケット６の硬度は１０〜８０度程度が好適である。
【００２５】
上記構成の構成部品１によれば、以下の作用効果を奏することが可能である。
【００２６】
すなわち先ず第一に、ガス拡散層２を厚さ方向に貫通する貫通部４がガスケット６の平面配置に合わせてガス拡散層２に溝状のものとして設けられ、この溝状の貫通部４に沿ってガスケット６がガス拡散層２に対して一体成形されているために、ガスケット６はその大部分が溝状の貫通部４内に配置されて、ガス拡散層２とは平面上重ならない位置に配置される。したがって、ガス拡散層２のカーボン繊維等の繊維質がガスケット材料であるゴム内に多量に紛れ込むのを抑えることができるために、当該構成部品１の装着使用時にガスケット６に生じる永久圧縮歪みを小さく抑えることができる。図示したガスケット６は上記したように両面ガスケットであって、両面のそれぞれに断面略三角形状のシールリップ６ａを有しており、装着使用時にこのシールリップ６ａが強く圧縮変形せしめられることになるが、このシールリップ６ａは溝状の貫通部４における溝幅の略中央の、含浸の影響が小さい位置に配置されている。したがって、このように断面三角形状のシールリップ６ａを備えたガスケット６は装着使用時に強く圧縮されることがあっても、大きな永久圧縮歪みを生じることがない。
【００２７】
また、上記構成の構成部品１は、金型を用いてガス拡散層２に対してガスケット６を一体成形するものであるために、ガス拡散層２に対してガスケット６を接着剤により接着する場合と比較して、工程数を少なく抑えることができる。したがって、構成部品１の製造を容易化することができ、かつ構成部品１の製造コストないし部品コストを低減させることができる。
【００２８】
また、上記構成の構成部品１においては、一体成形時に金型内に配置されるガス拡散層２に予め溝状の貫通部４が設けられるために、この溝状の貫通部４を利用してガス拡散層２を金型に対し位置決めすることにより、ガス拡散層２を金型に対して容易にしかも正確に位置決めすることができる。したがってこの点からも構成部品１の製造を容易化することができ、かつ成形精度を向上させることができる。
【００２９】
更にまた、上記構成の構成部品１は、ガス拡散層２とガスケット６とを一体成形するものであって、上記従来技術のように電解質膜とガスケットとを一体成形するものでない。したがって、耐熱性について懸念のある電解質膜に成形時の熱によるダメージを与える虞がなく、この点についての憂慮を解消することができる。
【００３０】
尚、上記実施例では、ガスケット６をガス拡散層２の両面に突出する両面ガスケットとして成形したが、これに代えて、ガス拡散層２の何れか一方の面のみに突出する片面ガスケットとして成形することも可能である。また、ガスケット６の断面形状には様々なものが考えられ、本発明はその断面形状を限定するものではない。また、上記実施例では、ガスケット６を金型によって成形することにしたが、ディスペンサー法やスクリーン印刷法等を用いて成形することにしても良い。但し、ガスケット６を金型で成形する場合には、ガスケット６の断面形状を任意に設定し得る利点がある。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
【００３２】
すなわち、上記構成を備えた本発明の燃料電池用構成部品においては先ず、ガス拡散層を厚さ方向に貫通する貫通部がガスケットの平面配置に合わせてガス拡散層に溝状のものとして設けられ、この溝状の貫通部に沿ってガスケットがガス拡散層に対して一体成形されているために、ガスケットはその大部分が溝状の貫通部内に配置され、ガス拡散層とは平面上重ならない位置に配置される。したがって、ガス拡散層のカーボン繊維等の繊維質がガスケット材料であるゴム内に多量に紛れ込むのを抑えることができるために、当該構成部品の装着使用時にガスケットに生じる永久圧縮歪みを小さく抑えることができる。
【００３３】
また、上記構成を備えた構成部品は、ガス拡散層に対してガスケットを一体成形するものであるために、ガス拡散層に対してガスケットを接着剤により接着する場合と比較して、工程数を少なく抑えることができる。したがって、構成部品の製造を容易化し、かつコストを低減させることができる。
【００３４】
更にまた、上記構成を備えた構成部品は、ガス拡散層に対してガスケットを一体成形するものであって上記従来技術のように電解質膜に対してガスケットを一体成形するものでないために、耐熱性について危惧のある電解質膜に成形時の熱によるダメージを与える虞がなく、よってこの点についての憂慮を解消することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池用構成部品の平面図
【図２】図１におけるＡ−Ａ線拡大断面図
【図３】同構成部品の製造工程説明図であって、ガス拡散層成形素材の平面図
【図４】同じく同構成部品の製造工程説明図であって、ガス拡散層単品完成状態を示す平面図
【符号の説明】
１燃料電池用構成部品
２ガス拡散層
３透孔部
４貫通部
５連通部
６ガスケット
６ａシールリップ

Claims

繊維質を備える平板状のガス拡散層（２）と、前記ガス拡散層（２）の平面上にエンドレス状に配置されたゴムよりなるガスケット（６）とを有し、
前記ガス拡散層（２）の平面上には、流路となる透孔部（３）と、前記ガスケット（６）を装着するための貫通部（４）とが設けられ、前記貫通部（４）は前記ガス拡散層（２）を厚さ方向に貫通するとともに前記ガスケット（６）の平面配置に合わせて溝状に設けられ、周上所々に溝の内側部分と外側部分とを繋ぐための橋状の連結部（５）が設けられ、
前記ガスケット（６）は、インジェクション法、ディスペンサー法またはスクリーン印刷法により前記溝状の貫通部（４）に沿ってエンドレス状に成形され、その一部は前記ガス拡散層（２）に含浸していることを特徴とする燃料電池用構成部品。