WO2007010632A1 - 燃料電池用シール構造体およびその製造方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a seal structure that constitutes a component of a fuel cell and a method for manufacturing the same.
  • Patent Document 1 As a gas or cooling channel seal structure in each cell in a fuel cell stack, a structure in which a gasket made of an elastic body such as liquid rubber is formed on a separator is the most common (Patent Document 1, 2).
  • a rubber sheet is formed by injection molding of liquid rubber on the outer peripheral side of the MEA on the GDL, that is, on the MEA plane and on the plane extension line of the MEA. It is preferable to make the rubber sheet integral with the MEA by impregnating the periphery of the GDL with the liquid rubber of the GDL, and to form a gasket-shaped lip line integrally on both sides of the rubber sheet. And rubber sheet and lip lie If the side walls are arranged side by side, the resin film can be omitted, and the gasket compression load can be prevented from acting directly on the GDL.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-332275
  • Patent Document 2 JP 2004-63295 A
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-7328
  • Patent Document 4 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-68332
  • Patent Document 5 PCT WO2002Z043172
  • the present invention is directed to a peripheral structure of the GDL over a seal structure having a structure in which the peripheral edge of the GDL constituting the MEA is impregnated with rubber constituting the seal lip line.
  • the seal structure has a function of controlling the compression rate of the lip line by itself, so that the lip line can be brought into close contact with the separator in an appropriate posture.
  • a seal structure according to claim 1 of the present invention includes a MEA disposed between a pair of separators, and an outer peripheral side of the MEA on a plane extension line of the MEA. And a gasket-shaped lip line that is integrally formed on both sides of the rubber sheet and is in close contact with the separator, and a part of the rubber that constitutes the rubber sheet is formed on the peripheral edge of the MEA.
  • the GDL that composes the MEA can be impregnated.
  • a DL diaphragm is provided.
  • the seal structure according to claim 2 of the present invention is the fuel cell seal structure according to claim 1, wherein at least one of the inner peripheral side and the outer peripheral side of the lip line in the rubber sheet is provided.
  • both are characterized in that a sizing stop portion that is sandwiched between a pair of separators at the time of stack assembly and defines the interval between the cell routers is integrally formed.
  • a method for manufacturing a seal structure according to claim 3 of the present invention is a method for manufacturing the above-described seal structure for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the MEA is inserted.
  • a mold for injection molding a rubber sheet has a stepped pressing part for forming a GDL constriction part at the part opposed to the split mold by compressing the thickness of a part of the GDL at the time of mold clamping. The injection molding is performed in a state where the thickness of a part of the GDL is compressed by the pressing portion provided on the top.
  • the method for manufacturing a seal structure according to claim 4 of the present invention is the method for manufacturing the seal structure for a fuel cell according to claim 3, wherein the GDL compression amount by a portion other than the pressing portion provided in the mold is used. Is characterized by 0 to 20%, and GDL compression by the pressing part is 30 to 50%.
  • a GDL constriction portion that defines a rubber impregnation region is provided in the plane of the MEA and immediately on the inner peripheral side of the rubber impregnation portion. Since it is provided, rubber impregnation is blocked by this GDL throttle.
  • the GDL constricted portion is formed by a stepped pressing portion provided in advance on the split mold facing portion of the injection mold so as to compress the thickness of a part of the GDL when the mold is clamped.
  • the volume of the cavity of the GDL porous structure is reduced at the site, so that the impregnation resistance is increased, so that the rubber passes through the porous body.
  • the GDL compression amount by the portion other than the pressing portion provided in the mold is 0 to 20%, while the GDL compression amount by the pressing portion is set to a relatively large value of 30 to 50%.
  • the rubber passes through the porous body. Sufficient squeezing effect if it is less than 30% If it exceeds 50%, the GDL may be overburdened.
  • the lip which is integrally formed on both surfaces of the rubber sheet is sandwiched between a pair of separators and is brought into close contact with the separators. Since the line alone is too flexible, the rubber compression load by the pair of separators during stack assembly cannot be properly received, and as a result, there is a concern that the rubber compression amount will be excessive and the lip line will be crushed too much.
  • the seal structure according to claim 2 of the present invention at least one or both of the inner peripheral side and the outer peripheral side of the lip line in the rubber sheet is sandwiched between a pair of separators during stack assembly, thereby defining the interval between the separators. It was decided to integrally mold the fixed dimension stop and control the amount of rubber compression appropriately at this fixed dimension stop.
  • the present invention has the following effects.
  • the gap between the pair of separators at the time of stack assembly by the sizing stop portion provided side by side along the lip line Therefore, it is possible to appropriately control the amount of rubber compression by the pair of separators. Therefore, as the intended purpose of the present invention, the lip line can be appropriately brought into close contact with the separator, and stable sealing performance can be exhibited.
  • FIG. 1 is a plan view of a fuel cell seal structure according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 An enlarged cross-sectional view of the main part of the seal structure, taken along line A—A in FIG. 1.
  • FIG. 3 A cross-sectional view of the main part showing the manufacturing method of the seal structure (before clamping)
  • ⁇ 4 Cross-sectional view of the relevant part showing the manufacturing method of the seal structure
  • the present invention includes the following embodiments.
  • Liquid rubber injection molding is formed by impregnating and bonding a rubber sheet thinner than the gap between the separators at the time of cell assembly around the MEA outer periphery, and gasket-shaped lip lines are formed on both sides of the rubber sheet.
  • MEA Body gasket that provides a sealing function by forming
  • the power generation capacity may decrease due to a decrease in the reaction area due to reaching the reaction region.
  • the mold structure allows the GDL compression amount at the time of molding to be about 0 to 20% in the impregnated region, and by reducing the rubber impregnation resistance, the structure can be sufficiently impregnated.
  • the rubber impregnation resistance is increased by providing a region where the GDL compression amount is about 30 to 50% between the impregnation region and the reaction region, thereby preventing the reaction region from being impregnated with rubber.
  • the GDL compression amount of this portion is about 0 to 20%.
  • the impregnation area force is also set so that an impregnation does not reach the reaction surface by providing an area with a GDL compression amount of about 30-50% between the reaction surfaces and about 2-5 mm.
  • the MEA-body gasket structure ensures sufficient impregnation adhesive strength between the MEA outer peripheral rubber sheet and the GDL. By preventing the reaction zone from being impregnated with rubber, it is possible to prevent a decrease in power generation capacity.
  • FIG. 1 shows a plan view of a seal structure 1 for a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. The seal structure 1 according to this embodiment is configured as follows! RU
  • GDL gas diffusion layer 4
  • MEA membrane electrode assembly
  • the seal structure 1 includes M EA2 sandwiched between the pair of separators 5 and the outer peripheral side of MEA 2 (right side in FIG. 2) on the plane extension line of MEA 2 (on the extension plane) ) And a gasket-shaped lip line (also referred to as a seal lip line or gasket) 7 that is integrally formed on both surfaces of the rubber sheet 6 and is in close contact with the separator 5.
  • the rubber sheet 6 is integrated with the MEA2 by being impregnated with the porous GDL4 that constitutes the MEA2 at the time of molding a part of the liquid rubber that constitutes the rubber sheet 6 at the periphery of the MEA2.
  • the narrowed portion 9 is obtained by strongly compressing the portion GDL4 to greatly reduce the thickness extension of the portion GDL4, and hence the thickness of the MEA 2, and the porous structure of the GDL4 corresponding to the thickness reduction. Since the volume of the cavity is reduced, the liquid rubber is difficult to pass at the time of molding.
  • the MEA reaction region 10 is in the plane of the MEA 2 and on the inner peripheral side of the GDL constriction portion 9.
  • the seal structure 1 having the above-described configuration is manufactured as follows.
  • an injection mold 21 as shown in FIG. 3 is used. As shown in FIG. 3 to FIG. 4, this mold 21 has MEA 2 inserted therein and a rubber sheet 6 made of liquid rubber as a molding material by injection molding. 22 and a lower mold 23, and a cavity space 24 is provided in the opposite part.
  • a step-like pressing portion 25 that forms the throttle portion 9 in the MEA 2 is provided at a position corresponding to the throttle portion 9 in the MEA 2 inserted at a fixed position of the cavity space 24.
  • the pressing portion 25 is a combination of a pair of upper and lower protrusions facing each other, and the GDL4 sandwiched between the pressing portions 25 is strongly compressed when clamping the mold. By extending the thickness, the thickness of the MEA 2 is greatly reduced, thereby forming a thin-walled narrowed portion 9 in the MEA 2.
  • the GDL compression amount (rate) by the pressing portion 25 is set to about 30 to 50%, while the GDL compression amount (rate) by the portion other than the pressing portion 25 is about 0 to 20%. It is set relatively large.
  • an injection gate 26 for injecting liquid rubber into the cavity space 24 is provided in the upper mold 22 at a position corresponding to the rubber-impregnated portion 8 in the MEA 2 inserted in a fixed position of the cavity space 24. Yes.
  • the narrowed portion 9 is formed in the MEA 2 by the pressing portion 25 as shown in FIG. Subsequently, when liquid rubber is injected from the gate 26, the GDL compression amount at the portion corresponding to the rubber impregnated portion 8 is set small as described above. The impregnated portion 8 is formed, and further, the molding space 27 for molding the rubber sheet 6 and the lip line 7 on the outer peripheral side is smoothly filled.
  • the narrowed portion 9 has a dense and hard internal structure.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of the main part of the fuel cell seal structure 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the seal structure 1 according to this embodiment is configured as follows.
  • GDL4 is overlapped on both sides of electrolyte membrane 3 to form MEA2 having a laminated structure, and MEA2 is sandwiched between a pair of separators 5.
  • the seal structure 1 includes a MEA 2 sandwiched between the pair of separators 5, a rubber sheet 6 disposed on the outer peripheral side of the MEA 2 and on a planar extension line of the MEA 2, and a rubber sheet Gasket type that is integrally molded on both sides of 6 and in close contact with separator 5
  • a part of the liquid rubber that constitutes the rubber sheet 6 is impregnated into the porous GDL4 that constitutes the MEA2 at the time of molding.
  • the narrowed portion 9 is obtained by strongly compressing the portion GDL4 to greatly reduce the thickness of the portion GDL4 and hence the thickness of the MEA 2, and in response to the reduction in thickness, the cavity of the porous structure in the GDL4. Since the volume is reduced, the liquid rubber is difficult to pass at the time of molding, and is structured.
  • the MEA reaction region 10 is in the plane of the MEA 2 and on the inner peripheral side of the GDL restricting portion 9.
  • the inner side and the outer side of the lip line 7 on both sides of the rubber sheet 6 are respectively sandwiched between a pair of separators 5 during stack assembly so as to define the interval between the separators 5.
  • Sizing stop parts (also called sub lip, rubber spacer or load receiving part) 11, 12 are molded.
  • the lip line 7 Since the lip line 7 is required to have long-term durability for its required sealing function, the lip line 7 has a shape that develops a high surface pressure during compression, and specifically has a cross-sectional mountain shape or a triangular shape. And has a sharp tapered tip, and its height dimension h is set higher than the height dimension h of the fixed stop portions 11 and 12 (h> h).
  • the sizing stoppers 11 and 12 are controlled so that the lip line 7 has a desired compression ratio, that is, the lip line 7 has a desired height with respect to the compression load.
  • the shape is such that little or no deformation occurs with respect to the compressive load. Specifically, it is formed in a trapezoidal or quadrangular cross section, has a flat tip, and The height dimension h on both sides is set lower than the height dimension h of the lip line 7 (h ⁇
  • both sizing stops 11, 12 are set to the same height dimension h and flat.
  • the tip portion is arranged on the same plane.
  • the hardness of the rubber elastic body made of the cured liquid rubber is about 40 to 50 degrees.
  • the compression rate of lip line 7 is set to about 30-50%. Therefore, on the inner peripheral side and outer peripheral side of the lip line 7 and between the sizing stop portions 11 and 12, respectively, the relief portion of the rubber elastic body is allowed to allow compression deformation of the lip line 7.
  • the distance d between the tip of the lip line 7 and each sizing stop 11, 12 is about 2 to 5mm in actual size.
  • FIG. 5 shows an initial state before assembling the fuel cell stack.
  • FIG. 6 shows Thus, the lip line 7 is sandwiched between the pair of separators 5 and is compressed and deformed, and is brought into close contact with the inner surface of the separator 5 by the reaction force.
  • the compressive load is continuously applied and the separator 5 comes into contact with the sizing stops 11 and 12, the sizing stops 11 and 12 are shaped so as not to deform against the compressive load.
  • the interval c is defined, and as a result, the compression rate of the lip line 7 is controlled where it is sufficient to develop the sealing function.
  • the sizing stoppers 11 and 12 function as a spacer that is sandwiched between a pair of separators 5 that are displaced in the direction of narrowing the interval c and stops the displacement. Therefore, the seal structure 1 can control the compression rate of the lip line 7 by having the sizing stop portions 11 and 12 by itself, and thereby the following effects can be exhibited. ing.
  • the compression rate of the lip line 7 is not controlled by complicating the cross-sectional shape of the separator 5; It is possible to reduce the thickness by simplifying the cross-sectional shape.
  • the inner surface of the separator 5 may be completely flat except for the portion where the groove-like channel 5a is formed.
  • seal structure 1 configured as described above exhibits the following effects.
  • the sizing stoppers 11 and 12 are integrally formed with the rubber sheet 6 and formed of a rubber elastic body, the sizing stoppers 11 and 12 are formed of a hard material such as hard grease. Compared with the case where the sizing is performed, the rise of the stress at the time of fixed sizing can be made gradual. Accordingly, it is possible to expect a component damage preventing effect due to the buffering effect.
  • the structure of the seal structure 1 according to the second embodiment can be variously modified within a range in which the object of the present invention can be realized. It's okay.
  • the sizing stop portions 11 and 12 are provided on both the inner peripheral side and the outer peripheral side of the lip line 7, but either the inner peripheral side or the outer peripheral side.
  • a configuration may be adopted in which fixed dimension stop portions 11 and 12 are provided on only one side.
  • the fixed dimension stop portions 11 and 12 are provided over the entire circumference.
  • the circumference is divided and arranged (a plurality are arranged with a gap in the circumference). Also good! ,.
  • the thickness of the rubber sheet 6 is set to be the same as the thickness of the MEA 2, and the thickness of the rubber sheet 6 is amplified so that the lip is applied to both the front and back surfaces.
  • Line 7 and sizing stoppers 11 and 12 are integrally molded.
  • the thickness of sizing stoppers 11 and 12 is set to the same dimension as the thickness of MEA2, and the thickness of lip line 7 is It may be configured to be larger than this, and to form groove-like space portions 13 and 14 between the lip line 7 and the sizing stop portions 11 and 12.
  • the manufacturing method of the seal structure 1 according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that the mold 21 used has a molding space for molding the sizing stoppers 11 and 12. Is the same as Therefore, the detailed description of avoiding duplication is omitted.

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Abstract

 MEAを構成するGDLの周縁部にシールリップラインを構成するゴムを含浸する構造のシール構造体において、GDL周縁部に対するゴム含浸領域の幅を適切に制御し、もってMEA反応領域が狭くなって発電容量が低下するのを抑制することを目的とする。この目的達成のため、一対のセパレータ5間に配置されるMEA2と、MEA2の外周側であってその平面延長線上に配置されるゴムシート6と、ゴムシート6の両面に一体成形されセパレータ5に密接するガスケット形状のリップライン7とを有する。MEA2の周縁部には、ゴムシート6を構成する一部のゴムがMEA2を構成するGDL4に含浸せしめられることによりゴムシート6をMEA2に一体化するゴム含浸部8が設けられている。そして、MEA2の平面内であってゴム含浸部8の直ぐ内周側には、ゴムの含浸領域を規定するためのGDL絞り部9が設けられている。

Description

明 細 書
燃料電池用シール構造体およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池セルの構成要素をなすシール構造体およびその製造方法に 関するものである。
背景技術
[0002] 燃料電池スタック内の各セルにおけるガスまたは冷却流路用シール構造体としては 、液状ゴム等の弾性体よりなるガスケットをセパレータ上に形成する構造が最も一般 的である (特許文献 1、 2参照)。
[0003] 一方、一対のセパレータ間に配置される MEAにガスケットを形成する構造としては
(1) MEAの外周部に榭脂フィルムを付設して、このフィルム上にガスケットを形成す る構造 (特許文献 3参照)、あるいは
(2) MEAを構成する GDLの両面に液状ゴムの射出成形によってガスケットを成形し 、かつ一部の液状ゴムをポーラス構造の GDLに含浸させる構造 (特許文献 4、 5参照 )
が検討されている。
[0004] これらの従来技術は 、ずれも、その所期の目的であるシール機能を十分に発揮す ることができるが、前者(1)には、榭脂フィルムが必要とされることから部品点数およ び製造工数が増加する不都合があり、また後者(2)には、スタック組立時におけるガ スケット圧縮荷重が GDLにも直接作用することから GDLに過度の負担が力かる不都 合がある。
[0005] 上記不都合を解消するには、 GDLすなわち MEAの平面上ではなぐ MEAの外 周側であって MEAの平面延長線上に液状ゴムの射出成形によってゴムシートを成 形し、このとき一部の液状ゴムを GDLの周縁部に含浸せしめることによってゴムシー トを MEAに一体ィ匕するとともに、ゴムシートの両面にガスケット形状のリップラインを 一体成形する構造とするのが好ましぐこのように MEAとゴムシートおよびリップライ ンとを横並び形状の構造とすると、榭脂フィルムを省略することができ、また、ガスケッ ト圧縮荷重が GDLに直接作用するのを防止することができる。
[0006] し力しながら、この横並びの構造によると、その製造時、一部の液状ゴムを GDLの 周縁部に含浸せしめるときに、含浸領域の幅(奥行)を適切に制御するのが困難であ ることから、液状ゴムが GDLの平面方向に奥行深く含浸し、その結果、 GDLの平面 中央に広く設定されるべき MEA反応領域が狭くなつて、発電容量が低下する懸念 がある。
[0007] 特許文献 1 :特開 2001— 332275号公報
特許文献 2 :特開 2004— 63295号公報
特許文献 3:特開 2003 - 7328号公報
特許文献 4:特開 2003— 68332号公報
特許文献 5 :PCT WO2002Z043172号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 本発明は以上の点に鑑みて、 MEAを構成する GDLの周縁部にシールリップライ ンを構成するゴムを含浸する構造のシール構造体にぉ ヽて、 GDLの周縁部に対す るゴムの含浸領域の幅を適切に制御することができ、もって MEA反応領域が狭くな つて発電容量が低下するのを抑えることができる燃料電池用シール構造体とその製 造方法を提供することを目的とする。
[0009] またこれに加えて、シール構造体が自らリップラインの圧縮率を制御する機能を有 し、もってリップラインをセパレータに対して適切な姿勢にて密接させることができる燃 料電池用シール構造体とその製造方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0010] 上記目的を達成するため、本発明の請求項 1によるシール構造体は、一対のセパ レータ間に配置される MEAと、前記 MEAの外周側であって前記 MEAの平面延長 線上に配置されるゴムシートと、前記ゴムシートの両面に一体成形され前記セパレー タに密接するガスケット形状のリップラインとを有し、前記 MEAの周縁部には、前記 ゴムシートを構成する一部のゴムが前記 MEAを構成する GDLに含浸せしめられるこ とにより前記ゴムシートを前記 MEAに一体ィ匕するゴム含浸部を有し、前記 MEAの平 面内であって前記ゴム含浸部の直ぐ内周側には、前記ゴムの含浸領域を規定する G DL絞り部が設けられていることを特徴とするものである。
[0011] また、本発明の請求項 2によるシール構造体は、上記した請求項 1の燃料電池用シ ール構造体において、ゴムシートにおけるリップラインの内周側および外周側の少な くとも一方または双方には、スタック組立時に一対のセパレータ間に挟まれて前記セ ノルータ間の間隔を規定する定寸止め部が一体成形されていることを特徴とするも のである。
[0012] また、本発明の請求項 3によるシール構造体の製造方法は、上記した請求項 1また は 2の燃料電池用シール構造体を製造する方法であって、 MEAをインサートした状 態でゴムシートを射出成形する金型は、型締め時に一部の GDLの厚みを圧縮して G DL絞り部を形成するための段差状の押圧部を分割型の対向部に有し、前記金型に 設けた押圧部によって一部の GDLの厚みを圧縮した状態で前記射出成形を実施す ることを特徴とするちのである。
[0013] 更にまた、本発明の請求項 4によるシール構造体の製造方法は、上記した請求項 3 の燃料電池用シール構造体の製造方法において、金型に設けた押圧部以外による GDL圧縮量は 0〜20%、押圧部による GDL圧縮量は 30〜50%とすることを特徴と するものである。
[0014] 上記構成を備えた本発明の請求項 1によるシール構造体においては、 MEAの平 面内であってゴム含浸部の直ぐ内周側に、ゴムの含浸領域を規定する GDL絞り部が 設けられることから、この GDL絞り部によってゴムの含浸が堰き止められる。請求項 3 の製造方法に記載したように、この GDL絞り部は、射出成形用金型の分割型対向部 に予め設けた段差状の押圧部が型締め時に一部の GDLの厚みを圧縮することによ つて形成され、これにより該部位にぉ 、て GDLポーラス構造の空洞の容積が減少す ることから、含浸抵抗が大きくなり、よってゴムがポーラス内を通過しに《なる。請求 項 4に記載したように、金型に設けた押圧部以外による GDL圧縮量は 0〜20%であ るのに対して、押圧部による GDL圧縮量は 30〜50%と比較的大きく設定され,よつ てこの分、ゴムはポーラス内を通過しに《なる。 30%未満であると、十分な絞り効果 を発揮することができず、反対に 50%を上回ると、 GDLに過度の負担力かかる虞が ある。
[0015] また、本発明のシール構造体においては、ゴムシートの両面に一体成形されたリツ プラインが一対のセパレータ間に挟まれてセパレータに密接することによりシール機 能が発揮される力 このリップラインのみでは柔軟過ぎることから、スタック組立時にお ける一対のセパレータによるゴム圧縮荷重を適切に受け止めることができず、その結 果、ゴム圧縮量が過大となってリップラインが潰れ過ぎることが懸念される。そこで、本 発明の請求項 2によるシール構造体では、ゴムシートにおけるリップラインの内周側 および外周側の少なくとも一方または双方に、スタック組立時に一対のセパレータ間 に挟まれてセパレータ間の間隔を規定する定寸止め部を一体成形し、この定寸止め 部にてゴム圧縮量を適切に制御することにした。
発明の効果
[0016] 本発明は、以下の効果を奏する。
[0017] すなわち、上記構成を備えた本発明の請求項 1、 3または 4によるシール構造体ま たはその製造方法においては、 GDLに設けられる絞り部によってゴムの含浸が堰き 止められることから、 GDLに対するゴムの含浸領域の幅を適切に制御することが可 能とされている。したがって本発明所期の目的どおり、 MEAの反応領域が狭くなつて 発電容量が低下するのを未然に防止することができる。
[0018] またこれに加えて、本発明の請求項 2または 3によるシール構造体またはその製造 方法においては、リップラインに並んで設けられる定寸止め部によってスタック組立時 における一対のセパレータ間の間隔が規定されることから、一対のセパレータによる ゴム圧縮量を適切に制御することが可能とされている。したがって本発明所期の目的 どおり、リップラインをセパレータに対して適切に密接させることができ、安定したシー ル性能を発揮させることができる。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]本発明の第一実施例に係る燃料電池用シール構造体の平面図
[図 2]同シール構造体の要部拡大断面図であって図 1における A— A線拡大断面図 [図 3]同シール構造体の製造方法を示す要部断面図 (型締め前) 圆 4]同シール構造体の製造方法を示す要部断面図 (型締め後)
圆 5]本発明の第二実施例に係る燃料電池用シール構造体の要部断面図 圆 6]同シール構造体の組立状態を示す要部断面図
符号の説明
1 シール構造体
2 MEA
3 電解質膜
4 GDL
5 セノ レータ
6 ゴムシート
7 リップライン
8 ゴム含浸部
9 GDL絞り部
10 MEA反応領域
11, 12 定寸止め部
13, 14 溝状空間部
21 射出成形用金型
22 上型 (分割型)
23 下型 (分割型)
24 キヤビティ空間
25 押圧部
26 注入ゲート
27 成形空間
発明を実施するための最良の形態
[0021] 尚、本発明には、以下の実施形態が含まれる。
[0022] (a)液状ゴム射出成形により MEA外周部全周にセル組立時セパレータ間隙間より薄 いゴムシートを MEA端部に含浸接着することにより形成、ゴムシート両面にガスケット 形状のリップラインを形成することによりシール機能を付与する MEA—体ガスケット 構造においては、ゴムシートと GDL端部との含浸接着部として、セル組立時にゴムシ ートと GDLの剥がれ防止を目的に、 GDL側含浸領域を十分確保する必要があるが 、一方含浸領域が MEA反応領域にまで達してしまうことによる反応面積の減少によ る発電容量の低下が懸念される。そこで上記懸念対策として、型構造により成形時の GDL圧縮量を含浸部領域にっ 、ては 0〜20%程度とし、ゴム含浸抵抗を小さくする ことにより、十分に含浸がなされる構造とするとともに、含浸領域から反応領域の間に GDL圧縮量が 30〜50%程度となる領域を設けることにより、ゴム含浸抵抗を大きく することで、反応領域にまでゴムが含浸することを防ぐ構造とする。
[0023] (b) MEA外周部にゴムシートを形成、シート上にガスケット形状のリップラインを形成 する MEA—体ガスケットの構造にぉ 、て、ゴムシートと GDLの含浸接着部の型構成 を含浸領域にっ 、ては GDL圧縮量を 0〜20%程度とすることで含浸し易 、構造とし 、含浸部力も反対面外側については GDL圧縮量を 30〜50%とする領域を設けるこ とで反応領域にまで含浸が達しな 、構造とする。
[0024] (c) GDL端部より 3mm程度までを含浸領域として、当部分の GDL圧縮量を 0〜20 %程度とする。含浸領域力も反応面の間に 2〜5mm程度の GDL圧縮量 30〜50% 程度の領域を設け、含浸が反応面に達しない構造とする。
[0025] (d)上記(a) (b)または(c)の構成によると、 MEA—体ガスケット構造にぉ 、て、 ME A外周部ゴムシートと GDLとの含浸接着強度を十分確保するとともに、反応領域にま でゴムが含浸することを防ぐことで、発電容量の低下を阻止することができる。
実施例
[0026] つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
[0027] 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シール構造体 1の平面図を示して おり、その A— A線拡大断面図が図 2に示されている。当該実施例に係るシール構 造体 1は以下のように構成されて!、る。
[0028] すなわち先ず、図 2に示すように、電解質膜 3の両側(両面側、図 2における上側お よび下側)に GDL (ガス拡散層) 4が重ねられて、これらの積層構造よりなる MEA (膜 電極複合体) 2が形成されており、この MEA2は一対のセパレータ 5間に挟み込まれ ることになる。
[0029] 当該実施例に係るシール構造体 1は、この一対のセパレータ 5間に挟み込まれる M EA2と、 MEA2の外周側(図 2における右側)であって MEA2の平面延長線上 (延 長平面上)に配置されるゴムシート 6と、ゴムシート 6の両面に一体成形されるとともに セパレータ 5に密接するガスケット形状のリップライン (シールリップラインまたはガスケ ットとも称する) 7とを一体に有しており、 MEA2の周縁部に、ゴムシート 6を構成する 一部の液状ゴムがその成形時に、 MEA2を構成するポーラス構造の GDL4に含浸 せしめられることによって、ゴムシート 6を MEA2に一体ィ匕するゴム含浸部(含浸領域 とも称する) 8が所定の幅領域 a (例えば a= 3mm)に亙って全周に設けられて ヽる。
[0030] また、 MEA2の平面内であってゴム含浸部 8の直ぐ内周側(図 2における左側)に は、液状ゴムの含浸領域を規定するための GDL絞り部 (含浸規制領域とも称する) 9 が所定の幅領域 b (例えば b = 2〜5mm)に亙って全周に設けられている。この絞り部 9は、該部 GDL4を強く圧縮することにより該部 GDL4の厚み延 、ては MEA2の厚 みを大きく縮小したものであって、厚みの縮小に対応して GDL4におけるポーラス構 造の空洞の容積が縮小することから、成形時に液状ゴムが通過しにく 、構造とされて いる。
[0031] また、 MEA2の平面内であって GDL絞り部 9の内周側は、 MEA反応領域 10とさ れている。
[0032] 上記構成のシール構造体 1は、以下のようにしてこれを製造する。
[0033] すなわち先ず、その製造に際しては、図 3に示すような射出成形用金型 21を使用 する。この金型 21は、図 3から図 4へと示すように、その内部に MEA2をインサートす るとともに液状ゴムを成形材料としてゴムシート 6を射出成形するものであって、互い に組み合わされる上型 22および下型 23を有し、その対向部にキヤビティ空間 24が 設けられている。
[0034] また、このキヤビティ空間 24の定位置にインサートされる MEA2における上記絞り 部 9に対応する位置には、 MEA2に絞り部 9を形成すベぐ段差状の押圧部 25が設 けられている。この押圧部 25は、互いに対向する上下一対の突起の組み合わせより なり、型締め時にこの押圧部 25に挟まれる GDL4を強く圧縮することにより GDL4の 厚み延 、ては MEA2の厚みを大きく縮小し、これにより MEA2に薄肉状の絞り部 9を 形成する。この押圧部 25による GDL圧縮量 (率)は 30〜50%程度に設定され、これ は、押圧部 25以外の部位による GDL圧縮量 (率)が 0〜20%程度であるのに対して 、比較的大きく設定されている。
[0035] また、キヤビティ空間 24の定位置にインサートされる MEA2におけるゴム含浸部 8 に対応する位置には、キヤビティ空間 24に液状ゴムを注入すベぐ注入ゲート 26が 上型 22に設けられている。
[0036] 上記構成の金型 21に MEA2をインサートして型締めすると、図 4に示すように押圧 部 25によって MEA2に絞り部 9が形成される。次いで引き続き、ゲート 26から液状ゴ ムを注入すると、ゴム含浸部 8に対応する部位における GDL圧縮量は上記したように 小さく設定されているので、液状ゴムは GDL4に対して円滑に含浸してゴム含浸部 8 を形成し、更にその外周側のゴムシート 6およびリップライン 7を成形するための成形 空間 27に円滑に充填される。
[0037] これに対して、ゴム含浸部 8の内周側に位置する絞り部 9における GDL圧縮量は上 記したように大きく設定されているので、この絞り部 9に対して液状ゴムは殆んど含浸 することがない。したがって、液状ゴムの含浸領域の幅をほぼ予定値(当該実施例で は、上記したように幅 a= 3mm)どおりに設定することができ、よってゴム含浸領域が 内周側へ拡大するのを防止することができる。
[0038] また、成形完了後、絞り部 9は、上記したようにポーラス構造の空洞の容積が縮小さ れて 、るので、内部構造が緻密でかつ硬 、部位となる。
[0039] 第二実施例 · · ·
図 5は、本発明の第二実施例に係る燃料電池用シール構造体 1の要部断面図を示 しており、当該実施例に係るシール構造体 1は以下のように構成されている。
[0040] すなわち先ず、電解質膜 3の両側に GDL4が重ねられて、これらの積層構造よりな る MEA2が形成されており、この MEA2は一対のセパレータ 5間に挟み込まれる。
[0041] 当該実施例に係るシール構造体 1は、この一対のセパレータ 5間に挟み込まれる M EA2と、 MEA2の外周側であって MEA2の平面延長線上に配置されるゴムシート 6 と、ゴムシート 6の両面に一体成形されるとともにセパレータ 5に密接するガスケット形 状のリップライン 7とを一体に有しており、 MEA2の周縁部に、ゴムシート 6を構成する 一部の液状ゴムがその成形時に、 MEA2を構成するポーラス構造の GDL4に含浸 せしめられることによって、ゴムシート 6を MEA2に一体ィ匕するゴム含浸部 8が所定の 幅領域 a (例えば a= 3mm)に亙って全周に設けられて ヽる。
[0042] また、 MEA2の平面内であってゴム含浸部 8の直ぐ内周側(図 5における左側)に は、液状ゴムの含浸領域を規定するための GDL絞り部 9が所定の幅領域 b (例えば b = 2〜5mm)に亙って全周に設けられている。この絞り部 9は、該部 GDL4を強く圧 縮することにより該部 GDL4の厚み延いては MEA2の厚みを大きく縮小したものであ つて、厚みの縮小に対応して GDL4におけるポーラス構造の空洞の容積が縮小する ことから、成形時に液状ゴムが通過しにく 、構造とされて 、る。
[0043] また、 MEA2の平面内であって GDL絞り部 9の内周側は、 MEA反応領域 10とさ れている。
[0044] 更にまた、ゴムシート 6の両面におけるリップライン 7の内周側および外周側にはそ れぞれ、スタック組立時に一対のセパレータ 5間に挟まれてセパレータ 5間の間隔を 規定するための定寸止め部(サブリップまたはゴムスぺーサーまたは荷重受け部とも 称する) 11, 12がー体成形されている。
[0045] 上記リップライン 7は、その求められるシール機能について長期耐久性を要求され ることから、圧縮時に高い面圧を発現する形状とされ、具体的には、断面山形ないし 三角形状に形成されて鋭利な先細の先端部を有し、かつその高さ寸法 hを定寸止 め部 11, 12の高さ寸法 hよりも高く設定されている(h >h )。
2 1 2
[0046] 一方、定寸止め部 11, 12はそれぞれ、リップライン 7が所望の圧縮率となるよう、す なわちリップライン 7が圧縮荷重に対して所望の高さ寸法となるように制御することが 要求され、このため圧縮荷重に対して殆んどあるいは全く変形を生じない形状とされ 、具体的には、断面台形ないし四角形状に形成されて平坦な先端部を有し、かつそ の両面に亙る高さ寸法 hをリップライン 7の高さ寸法 hよりも低く設定されている (h <
2 1 2 h ) 0また、両定寸止め部 11, 12は互いに同じ高さ寸法 hに設定されており、平坦な
1 2
先端部は同一平面上に配置されている。
[0047] 上記液状ゴムの硬化物よりなるゴム弾性体の硬度は、 40〜50度程度と柔らかめに 設定されており、リップライン 7の圧縮率は 30〜50%程度に設定されている。したが つて、リップライン 7の内周側および外周側であって定寸止め部 11, 12との間にはそ れぞれ、リップライン 7の圧縮変形を許容すべくゴム弾性体の逃げ部としての溝状空 間部 13, 14が設定されているが、この溝状空間部 13, 14の容積は可及的に小さい ことが望ましぐこれにより定寸止め部 11, 12が支えとして機能することによってリップ 倒れを抑制する構造とされている。リップライン 7の先端部と各定寸止め部 11, 12と の距離 dは実寸で 2〜5mm程度が目安とされる。
[0048] 図 5は、燃料電池スタックを組み立てる以前の初期状態を示しており、この初期状 態からスタックを組み立ててシール構造体 1に厚さ方向の圧縮荷重が加えられると、 図 6に示すように、リップライン 7がー対のセパレータ 5間に挟まれて圧縮変形し、その 反力によってセパレータ 5の内面に密接する。引き続き圧縮荷重が加えられてセパレ ータ 5が定寸止め部 11, 12に接触すると、この定寸止め部 11, 12は圧縮荷重に対 して変形しない形状であるために、セパレータ 5間の間隔 cが規定され、その結果とし て、リップライン 7の圧縮率がシール機能を発現するのに十分なところで制御される。 このとき定寸止め部 11, 12は、間隔 cを狭める方向に変位する一対のセパレータ 5間 に挟まれて変位を停止させるスぺーサ一として機能する。したがって、シール構造体 1は定寸止め部 11, 12を有することによって自らリップライン 7の圧縮率を制御するこ とが可能とされており、これにより以下の効果を発揮することが可能とされている。
[0049] (1)すなわち先ず、従来技術において散見されるようにセパレータ 5の断面形状を複 雑ィ匕することによってリップライン 7の圧縮率を制御するものではないために、セパレ ータ 5の断面形状を単純なものとしてその薄肉化を実現することができる。図 5に示し たように、セパレータ 5の内面は、溝状流路 5aの形成部位以外、全くの平坦であって 良い。
(2)また、一対のセパレータ 5間に専用のスぺーサーを介在させることによってセパレ ータ 5間の間隔を規制するものではないために、このスぺーサ一による部品点数や組 立工数の増大をなくすことができる。
[0050] また併せて、上記構成のシール構造体 1は、以下の効果を発揮する。
[0051] (3)リップライン 7の直ぐ隣りに定寸止め部 11, 12が設けられているために、定寸止 め部 11, 12が支えとして機能することによって、リップ倒れが発生するのを抑制する ことができる。
(4)定寸止め部 11, 12がゴムシート 6に一体成形されていてゴム弾性体によって成 形されているために、定寸止め部 11, 12が硬質榭脂などの硬材によって成形される 場合と比較して、定寸止め時の応力の立ち上がり度合いを緩やかなものとすることが できる。したがって、その緩衝効果による部品破損防止効果を期待することができる。
(5)また、スタックとして組立後のゴム弾性による防振効果を期待することもできる。防 振効果は、燃料電池が車載用等として過酷な条件下にて使用されるときに、極めて 重要な要素となる。
[0052] 尚、上記第二実施例に係るシール構造体 1は、上記本発明の目的を実現可能な範 疇にてその構成を種々変更することが可能であり、例えば以下のようなものであって も良い。
[0053] (A)上記第二実施例では、リップライン 7の内周側および外周側の双方にそれぞれ 定寸止め部 11, 12を設ける構成としたが、内周側または外周側のいずれか一方の みに定寸止め部 11, 12を設ける構成としても良い。
[0054] (B)上記第二実施例では、定寸止め部 11, 12を全周に亙って設ける構成としたが、 周上分割配置 (周上間隔を開けて複数配置)する構成としても良!、。
[0055] (C)上記第二実施例では、 MEA2の厚さに対してゴムシート 6の厚さを同じに設定し 、このゴムシート 6の厚さを増幅させるようにしてその表裏両面にリップライン 7および 定寸止め部 11, 12を一体成形する構成としたが、 MEA2の厚さに対して定寸止め 部 11, 12の厚さを同じ寸法に設定し、リップライン 7の厚さをこれよりも大きく設定し、 リップライン 7および定寸止め部 11, 12間に溝状の空間部 13, 14を形成する構成と しても良い。
[0056] また、上記第二実施例に係るシール構造体 1の製造方法は、その使用する金型 21 が定寸止め部 11, 12を成形するための成形空間を有する以外、第一実施例と同じ である。したがって重複を避けるベぐその詳細な説明を省略する。

Claims

請求の範囲
[1] 一対のセパレータ(5)間に配置される MEA (2)と、前記 MEA (2)の外周側であつ て前記 MEA (2)の平面延長線上に配置されるゴムシート(6)と、前記ゴムシート(6) の両面に一体成形され前記セパレータ(5)に密接するガスケット形状のリップライン( 7)とを有し、
前記 MEA(2)の周縁部には、前記ゴムシート(6)を構成する一部のゴムが前記 M EA (2)を構成する GDL (4)に含浸せしめられることにより前記ゴムシート(6)を前記 MEA (2)に一体化するゴム含浸部(8)を有し、
前記 MEA(2)の平面内であって前記ゴム含浸部(8)の直ぐ内周側には、前記ゴム の含浸領域を規定する GDL絞り部(9)が設けられて ヽることを特徴とする燃料電池 用シール構造体。
[2] 請求項 1の燃料電池用シール構造体にお!、て、
ゴムシート(6)におけるリップライン(7)の内周側および外周側の少なくとも一方また は双方には、スタック組立時に一対のセパレータ(5)間に挟まれて前記セパレータ( 5)間の間隔 (c)を規定する定寸止め部(11) (12)がー体成形されていることを特徴 とする燃料電池用シール構造体。
[3] 請求項 1または 2の燃料電池用シール構造体を製造する方法であって、
MEA(2)をインサートした状態でゴムシート(6)を射出成形する金型(21)は、型締 め時に一部の GDL (4)の厚みを圧縮して GDL絞り部(9)を形成するための段差状 の押圧部(25)を分割型(22) (23)の対向部に有し、
前記金型(21)に設けた押圧部(25)によって一部の GDL (4)の厚みを圧縮した状 態で前記射出成形を実施することを特徴とする燃料電池用シール構造体の製造方 法。
[4] 請求項 3の燃料電池用シール構造体の製造方法にお 、て、
金型(21)に設けた押圧部(25)以外による GDL圧縮量は 0〜20%、押圧部(25) による GDL圧縮量は 30〜50%とすることを特徴とする燃料電池用シール構造体の 製造方法。
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