JP7178882B2 - 燃料電池用ガスケット - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用ガスケットに関する。

燃料電池に用いられるスタックでは、セパレータを備える発電セルが複数積層されている。発電セル内部の反応面では、電極を挟んでアノードおよびカソード間で燃料や冷却水を流している。そのためアノードおよびカソード間において、水素、酸素、冷却水をシールする必要がある。

アノードおよびカソード間のシールは、面圧（シール面圧）を発生させる必要があるため、図３（Ａ）に示すようにリップ状シール１２，２２を備えるアノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１を装着することでシール機能を満たしている。

特開２００４－３０３７２３号公報 特開２００８－９７８９９号公報

しかしながらこの構成では、図３（Ｂ）に示すようにアノードおよびカソード間でガスケット１１，２１同士に平面上の位置ずれａが発生した場合に、面圧が発生しないことによりシール機能を果たさなくなることや、電解質膜およびこれを保持する枠体などよりなる電解質材５１を大きく変形させることが懸念される。

この問題を解決するため、図４に示すようにアノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１のうち何れか一方（図ではカソード側ガスケット２１）をリップ状シール２２を備えるリップタイプのガスケットではなくフラット状シール２３を備えるフラットタイプのガスケットにすることが考えられる。この構成によれば、リップ状シール１２に対し幅広のフラット状シール２３が対向するため、ガスケット１１，２１同士に位置ずれが発生しても面圧を発生させることができる。

しかしながらこの構成では、フラットタイプにしたガスケット２１の電解質材５１に対する接触面積が増大するため、面圧が分散し、必要なピーク面圧が確保されず、シール機能が低下することが懸念される。

この問題を解決するため、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、アノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１をそれぞれリップ状シール１２，２２およびフラット状シール１３，２３を一体に備える形状とすることが考えられる。この構成によれば、面圧が多少分散することがあってもリップ状シール１２，２２が複数設けられているため、各リップ状シール１２，２２においてそれぞれシール機能を果たすことができる。

しかしながらこの構成には、更に以下の点で改良の余地がある。

ガスケット１１，２１の高さ寸法公差を考慮すると、ガスケット１１，２１が最大高さのときと最小高さのときを考慮しなければならない。また、電解質材５１にも圧縮限界（上限／下限）があるため、電解質材５１を最も圧縮するとき（高圧縮時）と最も圧縮しないとき（低圧縮時）を考慮する必要がある。フラット状シール１３，２３の高さが大き過ぎると図６に示すように、高圧縮時にリップ状シール１２，２２とフラット状シール１３，２３が互いに接触してガスケット１１，２１の幅方向中央部（リップ状シール１２，２２およびフラット状シール１３，２３間）にひずみが集中しゴム破壊の要因となる可能性があり、フラット状シール１３，２３の高さが小さ過ぎるとシール面圧が発生しないおそれがある。

本発明は、スタック組立て時に高圧縮状態となってもリップ状シールとフラット状シールが接触しにくく、ひずみが集中しにくく、ガスケットの耐久性を向上させることを課題とする。

燃料電池用ガスケットの一態様は、電解質材を間に挟んで互いに対向する一対のセパレータのうちの一方のセパレータに保持されるガスケット基部と、前記ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するリップ状シールと、前記リップ状シールに対し溝を挟んで設けられ、前記ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するフラット状シールと、前記リップ状シールにおける前記溝と反対側の側面に設けられ、前記リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもつ反対側傾斜面と、前記リップ状シールにおける前記溝側の側面に設けられ、前記リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもち、この傾斜角度が前記反対側傾斜面の傾斜角度よりも小さい溝側傾斜面と、を備え、前記リップ状シールが前記一方のセパレータと前記電解質材との間でシール高さ方向に圧縮されてセル組立て状態とされたとき、前記リップ状シールと前記フラット状シールとの間に前記溝の一部が空間として残される。

燃料電池用ガスケットの別の一態様は、電解質材を間に挟んで互いに対向する一対のセパレータのうちの一方のセパレータに保持されるアノード側ガスケット基部と、前記アノード側ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するアノード側リップ状シールと、前記アノード側リップ状シールに対し溝を挟んで設けられ、前記アノード側ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するアノード側フラット状シールと、前記アノード側リップ状シールにおける前記溝と反対側の側面に設けられ、前記アノード側リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもつアノード反対側傾斜面と、前記アノード側リップ状シールにおける前記溝側の側面に設けられ、前記アノード側リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもち、この傾斜角度が前記アノード反対側傾斜面の傾斜角度よりも小さいアノード溝側傾斜面と、前記一対のセパレータのうちの反対側のセパレータに保持されるカソード側ガスケット基部と、前記アノード側フラット状シールに対応して前記カソード側ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するカソード側リップ状シールと、前記カソード側リップ状シールに対し溝を挟んで設けられ、前記アノード側リップ状シールに対応して前記カソード側ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するカソード側フラット状シールと、前記カソード側リップ状シールにおける前記溝と反対側の側面に設けられ、前記カソード側リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもつカソード反対側傾斜面と、前記カソード側リップ状シールにおける前記溝側の側面に設けられ、前記カソード側リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもち、この傾斜角度が前記カソード反対側傾斜面の傾斜角度よりも小さいカソード溝側傾斜面と、を備え、前記アノード側リップ状シールが前記一方のセパレータと前記電解質材との間でシール高さ方向に圧縮されてセル組立て状態とされたとき、前記アノード側リップ状シールと前記アノード側フラット状シールとの間に前記溝の一部が空間として残され、前記カソード側リップ状シールが前記反対側のセパレータと前記電解質材との間でシール高さ方向に圧縮されてセル組立て状態とされたとき、前記カソード側リップ状シールと前記カソード側フラット状シールとの間に前記溝の一部が空間として残される。

本発明では、スタック組立て時に高圧縮状態となってもリップ状シールとフラット状シールが接触しにくく、ひずみが集中しにくく、ガスケットの耐久性を向上させることができる。

実施の形態のガスケットの要部断面図 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）とも同ガスケットの圧縮状態を示す要部断面図 （Ａ）（Ｂ）とも背景技術で説明したガスケットの要部断面図 背景技術で説明したガスケットの要部断面図 （Ａ）（Ｂ）とも背景技術で説明したガスケットの要部断面図 同ガスケットの圧縮状態を示す要部断面図

実施の形態で説明するガスケットは、燃料電池用ガスケットとして用いられる。図１に示すように燃料電池用ガスケット１は、電解質膜およびこれを保持する枠体などよりなる電解質材５１とその厚み方向両側に配置された一対のセパレータ３１，４１との間でシール機能を発揮し、セル内側Ｉの水素、酸素もしくは冷却水などの密封流体がセル外側Ｏへ漏洩しないようにこの密封流体をシールする。

燃料電池用ガスケット１は、一方のセパレータ（アノード側セパレータ）３１に接着され保持されるとともに電解質材５１の一方の面５１ａ（電解質膜を保持する枠体の一方の面）に接触するアノード側ガスケット１１と、反対側のセパレータ（カソード側セパレータ）４１に接着され保持されるとともに電解質材５１の反対側の面５１ｂ（電解質膜を保持する枠体の反対側の面）に接触するカソード側ガスケット２１との組み合わせにより構成されている。アノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１はそれぞれセル反応面の周りやセルマニホールドの周りなどに配置されている。アノード側ガスケット１１およびカソード側ガスケット２１はそれぞれ所定のゴム状弾性体によって形成されており、具体的にはシリコン材、ＥＰＤＭ材またはフッ素材などによって形成されているが、これらの材質に限定されるものではない。また、電解質膜を保持する枠体は、ＰＥＮ、ＰＯＭまたはＰＰＳなどによって形成されているが、これらの材質に限定されるものではない。

アノード側ガスケット１１は、一方のセパレータ３１に接着等の手段で固定された平板状のガスケット基部１２と、このガスケット基部１２の平面上に設けられ、断面山形のシールリップ状に形成されたリップ状シール（リップ部）１３と、そのセル外側Ｏに配置され、ガスケット基部１２の平面上に設けられ、フラット状シール面（フラット面）を設けたフラット状シール（フラット部）１４とを一体に備えている。リップ状シール１３とフラット状シール１４との間には溝１５が設けられ、リップ状シール１３およびフラット状シール１４は溝１５を挟んでガスケット幅方向に並んで設けられている。リップ状シール１３は、フラット状シール１４よりも高さ寸法を大きく形成されている。

断面山形のシールリップ状に形成されたリップ状シール１３は、頂部１３ａと、頂部１３ａのセル内側Ｉ（溝１５と反対側）に設けられた反対側傾斜面１３ｂと、頂部１３ａのセル外側Ｏ（溝１５側）に設けられた溝側傾斜面１３ｃとを備えている。反対側傾斜面１３ｂは、頂部１３ａを通る垂直面１３Ａに対し所定の傾斜角度θ_１を持つように形成されている。溝側傾斜面１３ｃは、頂部１３ａを通る垂直面１３Ａに対し所定の傾斜角度θ_２を持つように形成され、この溝側傾斜面１３ｃの傾斜角度θ_２が反対側傾斜面１３ｂの傾斜角度θ_１よりも小さく設定されている（θ_１＞θ_２）。

カソード側ガスケット２１は、反対側のセパレータ４１に接着等の手段で固定された平板状のガスケット基部２２と、このガスケット基部２２の平面上に設けられ、断面山形のシールリップ状に形成されたリップ状シール（リップ部）２３と、そのセル内側Ｉに配置され、ガスケット基部２２の平面上に設けられ、フラット状シール面（フラット面）を設けたフラット状シール（フラット部）２４とを一体に備えている。リップ状シール２３とフラット状シール２４との間には溝２５が設けられ、リップ状シール２３およびフラット状シール２４は溝２５を挟んでガスケット幅方向に並んで設けられている。リップ状シール２３は、フラット状シール２４よりも高さ寸法を大きく形成されている。

断面山形のシールリップ状に形成されたリップ状シール２３は、頂部２３ａと、頂部２３ａのセル外側Ｏ（溝２５と反対側）に設けられた反対側傾斜面２３ｂと、頂部２３ａのセル内側Ｉ（溝２５側）に設けられた溝側傾斜面２３ｃとを備えている。反対側傾斜面２３ｂは、頂部２３ａを通る垂直面２３Ａに対し所定の傾斜角度θ_３を持つように形成されている。溝側傾斜面２３ｃは、頂部２３ａを通る垂直面２３Ａに対し所定の傾斜角度θ_４を持つように形成され、この溝側傾斜面２３ｃの傾斜角度θ_４が反対側傾斜面２３ｂの傾斜角度θ_３よりも小さく設定されている（θ_３＞θ_４）。

アノード側ガスケット１１のリップ状シール１３は、カソード側ガスケット２１のフラット状シール２４と平面上重なる位置に配置されている。カソード側ガスケット２１のリップ状シール２３は、アノード側ガスケット１１のフラット状シール１４と平面上重なる位置に配置されている。

上記構成の燃料電池用ガスケット１においては、アノード側ガスケット１１のリップ状シール１３がカソード側ガスケット２１のフラット状シール２４と平面上重なる位置に配置され、カソード側ガスケット２１のリップ状シール２３がアノード側ガスケット１１のフラット状シール１４と平面上重なる位置に配置されているため、両ガスケット１１，２１に平面上の位置ずれが発生しても、アノード側ガスケット１１のリップ状シール１３とカソード側ガスケット２１のフラット状シール２４が依然として平面上重なる位置に配置され、カソード側ガスケット２１のリップ状シール２３とアノード側ガスケット１１のフラット状シール１４も依然として平面上重なる位置に配置されるので、シール面圧を発生させることが可能とされている。

上記構成の燃料電池用ガスケット１においては、両ガスケット１１，２１に圧縮荷重が入力すると図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、両ガスケット１１，２１が入力荷重の大きさに応じて徐々に変形するが、アノード側ガスケット１１のリップ状シール１３における溝側傾斜面１３ｃの傾斜角度θ_２が反対側傾斜面１３ｂの傾斜角度θ_１よりも小さく設定されているため、リップ状シール１３は溝１５側に倒れにくく、傾斜角度の大きな反対側傾斜面１３ｂと電解質材５１との間の空間１３ｄをゴム変形の逃げ場としながらガスケット高さ方向に圧縮される。したがって図２（Ｃ）に示す荷重入力完了のセル組立て完了状態となってもリップ状シール１３とフラット状シール１４が接触しにくく、接触しても図示するようにリップ状シール１３とフラット状シール１４との間に溝１５の一部が空間として残される。したがってリップ状シール１３とフラット状シール１４が強く接触することによるひずみの集中が発生しにくく、よってガスケット１１の耐久性を向上させることができる。発生するシール面圧の大きさは、反対側傾斜面１３ｂの傾斜角度θ_１と溝側傾斜面１３ｃの傾斜角度θ_２が同等（θ_１＝θ_２）である場合（図５（Ａ））と比較して、ほぼ同じであることが確認されている。

同様に、カソード側ガスケット２１のリップ状シール２３における溝側傾斜面２３ｃの傾斜角度θ_４が反対側傾斜面２３ｂの傾斜角度θ_３よりも小さく設定されているため、リップ状シール２３は溝２５側に倒れにくく、傾斜角度の大きな反対側傾斜面２３ｂと電解質材５１との間の空間２３ｄをゴム変形の逃げ場としながらガスケット高さ方向に圧縮される。したがって図２（Ｃ）に示す荷重入力完了のセル組立て完了状態となってもリップ状シール２３とフラット状シール２４が接触しにくく、接触しても図示するようにリップ状シール２３とフラット状シール２４との間に溝２５の一部が空間として残される。したがってリップ状シール２３とフラット状シール２４が強く接触することによるひずみの集中が発生しにくく、よってガスケット２１の耐久性を向上させることができる。発生するシール面圧の大きさは、反対側傾斜面２３ｂの傾斜角度θ_３と溝側傾斜面２３ｃの傾斜角度θ_４が同等（θ_３＝θ_４）である場合（図５（Ａ））と比較して、ほぼ同じであることが確認されている。

１ 燃料電池用ガスケット
１１ アノード側ガスケット
１２，２２ ガスケット基部
１３，２３ リップ状シール
１３ａ，２３ａ 頂部
１３ｂ，１３ｃ，２３ｂ，２３ｃ 傾斜面
１３ｄ，２３ｄ 空間
１３Ａ，２３Ａ 垂直面
１４，２４ フラット状シール
１５，２５ 溝
２１ カソード側ガスケット
３１，４１ セパレータ
５１ 電解質材（枠体）
Ｉ セル内側
Ｏ セル外側

Claims (2)

1. 電解質材を間に挟んで互いに対向する一対のセパレータのうちの一方のセパレータに保持されるガスケット基部と、
   前記ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するリップ状シールと、
   前記リップ状シールに対し溝を挟んで設けられ、前記ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するフラット状シールと、
   前記リップ状シールにおける前記溝と反対側の側面に設けられ、前記リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもつ反対側傾斜面と、
   前記リップ状シールにおける前記溝側の側面に設けられ、前記リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもち、この傾斜角度が前記反対側傾斜面の傾斜角度よりも小さい溝側傾斜面と、
   を備え、
   前記リップ状シールが前記一方のセパレータと前記電解質材との間でシール高さ方向に圧縮されてセル組立て状態とされたとき、前記リップ状シールと前記フラット状シールとの間に前記溝の一部が空間として残される
   ことを特徴とする燃料電池用ガスケット。
2. 電解質材を間に挟んで互いに対向する一対のセパレータのうちの一方のセパレータに保持されるアノード側ガスケット基部と、
   前記アノード側ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するアノード側リップ状シールと、
   前記アノード側リップ状シールに対し溝を挟んで設けられ、前記アノード側ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するアノード側フラット状シールと、
   前記アノード側リップ状シールにおける前記溝と反対側の側面に設けられ、前記アノード側リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもつアノード反対側傾斜面と、
   前記アノード側リップ状シールにおける前記溝側の側面に設けられ、前記アノード側リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもち、この傾斜角度が前記アノード反対側傾斜面の傾斜角度よりも小さいアノード溝側傾斜面と、
   前記一対のセパレータのうちの反対側のセパレータに保持されるカソード側ガスケット基部と、
   前記アノード側フラット状シールに対応して前記カソード側ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するカソード側リップ状シールと、
   前記カソード側リップ状シールに対し溝を挟んで設けられ、前記アノード側リップ状シールに対応して前記カソード側ガスケット基部に設けられ、前記電解質材に接触するカソード側フラット状シールと、
   前記カソード側リップ状シールにおける前記溝と反対側の側面に設けられ、前記カソード側リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもつカソード反対側傾斜面と、
   前記カソード側リップ状シールにおける前記溝側の側面に設けられ、前記カソード側リップ状シールの頂部を通る垂直面に対し傾斜角度をもち、この傾斜角度が前記カソード反対側傾斜面の傾斜角度よりも小さいカソード溝側傾斜面と、
   を備え、
   前記アノード側リップ状シールが前記一方のセパレータと前記電解質材との間でシール高さ方向に圧縮されてセル組立て状態とされたとき、前記アノード側リップ状シールと前記アノード側フラット状シールとの間に前記溝の一部が空間として残され、
   前記カソード側リップ状シールが前記反対側のセパレータと前記電解質材との間でシール高さ方向に圧縮されてセル組立て状態とされたとき、前記カソード側リップ状シールと前記カソード側フラット状シールとの間に前記溝の一部が空間として残される、
   ことを特徴とする燃料電池用ガスケット。

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