JP2007200751A

JP2007200751A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2007200751A
Application number: JP2006018941A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Urakawa; 哲也浦川; Yoshihiro Kurano; 慶宏蔵野
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: JP4968505B2

Abstract

【課題】本発明は、製造が容易で、シール要素に発生するシール面圧を常に一定に保つことにより、長期間安定した密封性を発揮できる。
【解決手段】多数の積層状に配置される燃料電池用セパレータであって、金属プレートの凸部が重なり合う部分の両凹部に前記シール要素を形成すると共に、前記シール要素の両側に存在する二枚の前記金属プレート相互の両凹部により内側の空所及び外側の空所が形成されており、少なくとも前記両空所の一方の空所には前記弾性材製シール部材が充填されて閉鎖領域が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

従来、燃料電池は、単セルが複数重ね合わせられたセルスタックを備える構成である。
ここで、単セルは、電解質膜が触媒層とガス拡散層とからなるアノード及びカソードにより挟み込まれ、更に、これが一対のセパレータにより挟み込まれる構成である。
ここで、セパレータは、燃料の流通路及び酸化剤の流通路を形成する役割、燃料と酸化剤を分離する役割、反応ガスを各単セルに供給したり、反応に使用されなかったガスを各単セルから排出させたりするガスマニホールドとしての役割、反応熱を除去するための冷却剤を流す役割、反応ガスを電池外部に漏らさない為のシールの役割を担っている。

セパレータは、カーボンまたは金属を素材とするプレート状のものが一般的に用いられている。
そして、金属製のプレートの場合には、反応領域付近に凹凸加工が施され、この凹凸部によって、燃料及び酸化剤の流通路が形成されるのが一般的である。
また、この様に凹凸加工が施されたプレートを二枚重ねることで、プレート間にできた隙間を冷却剤の流通路として利用する技術も知られている（特開２００２−３０５００６号公報）。

この種、プレートを二枚重ねてセパレータを構成する場合には、一般的な一枚のプレートからなるセパレータの場合と同様に両面にそれぞれ燃料漏れ防止用ガスケットと酸化剤漏れ防止用ガスケットを設けるだけでなく、二枚のプレート間にもガスケットを設けなければならない。

そのため、ガスケットを形成する工程も増えてしまう問題点があった。
これを解消する技術として、第四図に示す構造のものが知られている（特開２００４−１５２７４５号公報）。
すなわち、重ね合わせた二枚のプレート１００、２００を貫通する連通孔１４０を設け、この連通孔１４０を介してセパレータの両側のガスケットを連通させる技術が知られている。

しかし、連通孔１４０はプレート上の限られた個所に存在するのみである。その結果、
連通孔１４０が存在しない、二枚のプレート１００、２００の合わせ面間から冷却剤（水）が漏出する危険があった。すなわち、連通孔１４０にゴム状弾性材製シール要素４００が充填されている個所では、冷却剤Ａが図上右側に漏出することはないが、連通孔１４０が存在しない個所では、シール要素４００が存在しないため、冷却剤の漏出を確実に防ぐことが出来なかった。

特に、二枚のプレート１００、２００の合わせ面間に異物が介在した場合や、プレート１００、２００の表面に凹凸や、一定以上の表面粗さが存在した場合は顕著であった。
この様な場合、二枚のプレート１００、２００の合わせ面間に接着剤、シーラント剤、両面粘着テープなどを介在させ、冷却剤の漏出を確実に防ぐことも可能であるが、製造コストが増大し、作業も複雑になる問題を有していた。

以上のように、上記の従来例の場合にもいくつかの課題を残している。
特開２００２−３０５００６号公報特開２００４−１５２７４５号公報

本発明の目的は、製造が容易で、密封性に優れた燃料電池用セパレータを提供することである。
また、シール要素に発生するシール面圧を常に一定に保つことにより、長期間安定した密封性を発揮できる燃料電池用セパレータを提供することである。
更にまた、電解質膜がフレームを介して押圧される態様とすることにより、更に安定した密封性を発揮できる燃料電池用セパレータを提供することである。

本発明は、上記課題を解決する為に以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の燃料電池用セパレータは、多数の積層状に配置される燃料電池用セパレータであって、表裏に凹凸が形成された２枚の金属プレートが線対称に重ね合わされて、その周縁部において弾性材製シール部材により、両面にシール要素を形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、前記金属プレートの凸部が重なり合う部分の両凹部に前記シール要素を形成すると共に、前記シール要素の両側に存在する二枚の前記金属プレート相互の両凹部により内側の空所及び外側の空所が形成されており、少なくとも前記両空所の一方の空所には前記弾性材製シール部材が充填されて閉鎖領域が形成され、前記閉鎖領域及び前記シール要素は前記金属プレートに設けた連通孔により相互に連通する構成としたことを特徴とする。

また、前記閉鎖領域が前記シール要素を挟む前記両空所に設けると、更にシール性が良い。

更に、前記両空所を形成している二枚の前記金属プレートの頂部は、各々同一平面上にあり、前記シール要素は前記平面より突出して存在する態様とすると、長期間安定した密封性能が維持出来る。

更にまた、前記セパレータ間に挟持される電解質膜に、弾性材製フレームを設け、前記電解質膜が、前記フレームを介して、前記シール要素及び前記両空所を形成している二枚の前記金属プレートの頂部により挟持されている態様とすることにより、電解質膜を損なうことなく、長期間安定した密封性能が維持出来る。

また、前記弾性材製シール部材が液状ゴムを用いて形成する場合は、成形が容易で、連通孔を介して、確実に目的とする個所にシール要素を充填できる為、確実な密封を達成できる。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
請求項１記載の発明の燃料電池用セパレータによれば、二枚の金属プレートの合わせ面から冷却剤が漏れ出すことが無く、たとえシールリングと接する二部材の少なくとも一方の部材表面に凹凸や、傷が存在したとしても密封性を損なうことのない燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

また、請求項２記載の発明の燃料電池用セパレータによれば、長期間安定した密封性能が維持出来る燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

更に、請求項３記載の発明の燃料電池用セパレータによれば、接触面における良好なシール性能が確保できる燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

更にまた、請求項４記載の発明の燃料電池用セパレータによれば、電解質膜を損なうことなく、長期間安定した密封性能が維持出来る燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

また、請求項５記載の発明の燃料電池用セパレータによれば、成形が容易で、連通孔を介して、確実に目的とする個所にシール要素を充填できる為、確実な密封を達成できる燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
第１図に基づき発明を実施するための最良の形態について説明する。
燃料電池は、単セルが複数重ね合わせられたセルスタックを備える構成である。
ここで、単セルは、電解質膜が触媒層とガス拡散層とからなるアノード及びカソードにより挟み込まれ、更に、これが一対の燃料電池用セパレータにより挟み込まれる構成である。
ここで、燃料電池用セパレータは、燃料の流通路及び酸化剤の流通路を形成する役割、燃料と酸化剤を分離する役割、反応ガスを各単セルに供給したり、反応に使用されなかったガスを各単セルから排出させたりするガスマニホールドとしての役割、反応熱を除去するための冷却剤を流す役割、反応ガスを電池外部に漏らさない為のシールの役割を担っている。

多数の積層状に配置される燃料電池用セパレータであって、表裏に凹凸が形成された２枚の金属プレート１、２が線対称に重ね合わされている。
そして、その周縁部には弾性材製シール部材３により、両面にシール要素４、５が形成されている。
ここで使用される弾性材製シール部材３の材質としては、二トリルゴム、ＥＰＤＭ、ウレタンゴム、シリコーンゴム、弗素ゴム等が適宜、使用用途に応じ選択して用いられる。特に、これらの液状ゴムが好ましい。
金属プレート１、２の凸部６、７が重なり合って、上下両面に形成される両凹部８、９にシール要素４、５が形成される。

このシール要素４、５は、両金属プレート１、２の凸部６、７が、互いに接する部分を貫通して設けられた、連通孔１４により互いに連結一体化されている。
そして、シール要素４、５の両側に存在する二枚の金属プレート１、２相互の両凹部８、９により内側の空所１０及び外側の空所１１が形成されている。
この両空所１０、１１には弾性材製シール部材３が充填されて閉鎖領域１２、１３を形成している。

この閉鎖領域１２、１３は両金属プレート１、２の傾斜面（側面）に設けた連通孔１４、１４、１４，１４により相互に連通している。
従って、上下両面に設けたシール要素４、５及び閉鎖領域１２、１３は、連通孔１４、１４、１４，１４により相互に連通している。
本実施例では、両金属プレート１、２の凸部６、７が、互いに接する部分に連通孔１４を設けているが、両金属プレート１、２の傾斜面（側面）に設けた連通孔１４、１４、１４，１４を介して、両シール要素４、５が連通する形としても良い。
すなわち、シール要素４側から注入された弾性材製シール部材３は、閉鎖領域１２、１３を充填した後、傾斜面（側面）に設けた連通孔１４、１４から出て、シール要素５を形成する形としても良い。

尚、本実施例では、内側の空所１０及び外側の空所１１の両方に、弾性材製シール部材３を充填して、両側に閉鎖領域１２、１３を設ける態様としているため、冷却剤の漏れをより確実に防止できるが、内側の空所１０及び外側の空所１１の何れか一方にのみ、閉鎖領域１２、１３を設ける態様としても冷却剤の漏れを防止する効果は得られる。
両空所１０、１１を形成している二枚の前記金属プレート１、２の頂部１５、１５は各々同一平面上にあり、シール要素４、５は平面より突出して存在する。
そして、このシール要素４、５が電解質膜を挟持することにより、燃料及び酸化剤の漏洩を防ぐ役割を果す。

シール要素４、５の断面形状は、平面より突出して存在する個所は、半円形状を呈しているが、この形状に限定されるものではなく、第三図に示す実施例の如く、シール要素４、５の凸部両面に窪みを設ける態様としても良い。
この様に、窪みを設ける態様とした場合は、シール要素４、５の逃げ部が存在することになるため、シール面圧を低く抑える事ができる利点がある。

そして、この様に構成された燃料電池用セパレータは、第二図に示す形で積層される。
すなわち、セパレータ０、０のシール要素４、５間に電解質膜１６が挟持される。
そして、電解質膜１６が触媒層とガス拡散層とからなるアノード及びカソードにより挟み込まれたＭＥＡ１８が、両金属プレート１、２の頂部１５，１５により挟持される。
このことにより、電解質膜１６がシール要素４、５により過大に押し付けられることが無く、常に、最適なシール面圧が維持出来る。

更に、第三図に示す他の実施例について説明する。
第二図に示した実施例と相違する点は、弾性材製フレーム１７を設け、電解質膜１６がフレーム１７を介して、シール要素４、５及び前記両空所１０、１１を形成している二枚の金属プレート１、２の頂部１５、１５により挟持されている点である。
このことにより、電解質膜１６の損傷を確実に防止すると共に、この個所におけるシールをより確実なものできる。
このフレーム１７は、ゴム若しくは樹脂により、一体若しくは別体に成形されたものが用いられる。

また、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

燃料電池用セパレータにかかる発明の実施の形態を示す半断面図である。図１の燃料電池用セパレータ二枚を組立てた単セルを示す半断面図である。燃料電池用セパレータにかかる他の実施形態の単セルを示す半断面図である。燃料電池用セパレータにかかる従来技術を示す半断面図である。

符号の説明

１、２‥‥金属プレート
３‥‥弾性材製シール部材
４、５‥‥シール要素
６、７‥‥凸部
８、９‥‥凹部
１０‥‥内側の空所
１１‥‥外側の空所
１２、１３‥‥閉鎖領域
１４‥‥連通孔
１５‥‥頂部
１６‥‥電解質膜
１７‥‥フレーム
１８‥‥ＭＥＡ

Claims

多数の積層状に配置される燃料電池用セパレータであって、表裏に凹凸が形成された２枚の金属プレート（１）（２）が線対称に重ね合わされて、その周縁部において弾性材製シール部材（３）により、両面にシール要素（４）（５）を形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、前記金属プレート（１）（２）の凸部（６）（７）が重なり合う部分の両凹部（８）（９）に前記シール要素（４）（５）を形成すると共に、前記シール要素（４）（５）の両側に存在する二枚の前記金属プレート（１）（２）相互の両凹部（８）（９）により内側の空所（１０）及び外側の空所（１１）が形成されており、少なくとも前記両空所（１０）（１１）の一方の空所（１０）（１１）には前記弾性材製シール部材（３）が充填されて閉鎖領域（１２）（１３）が形成され、前記閉鎖領域（１２）（１３）及び前記シール要素（４）（５）は前記金属プレート（１）（２）に設けた連通孔（１４）により相互に連通する構成としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記閉鎖領域（１２）（１３）が前記シール要素（４）（５）を挟む前記両空所（１０）（１１）に設けられたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
前記両空所（１０）（１１）を形成している二枚の前記金属プレート（１）（２）の頂部（１５）（１５）は各々同一平面上にあり、前記シール要素（４）（５）は前記平面より突出して存在することを特徴とする請求項１乃至２記載の燃料電池用セパレータ。
前記セパレータ（０）（０）間に挟持される電解質膜（１６）に弾性材製フレーム（１７）を設け、前記電解質膜（１６）が前記フレーム（１７）を介して、前記シール要素（４）（５）及び前記両空所（１０）（１１）を形成している二枚の前記金属プレート（１）（２）の頂部（１５）（１５）により挟持されていることを特徴とする請求項１乃至３記載の燃料電池用セパレータ。
前記弾性材製シール部材（３）が液状ゴムを用いて形成されていることを特徴とする請求項１乃至４記載の燃料電池用セパレータ。