JP2011170973A - 燃料電池用シール構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、セパレータ間の間隙を出来るだけ小さくして、燃料電池スタック全体を小型化すること、及びセパレータ間の間隙のバラツキを無くすことを目的とする。
【解決手段】一対の電極間に配置した高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置した２枚のガス拡散層と、前記ガス拡散層の周縁に、自身のゴム部材の一部が含浸した結合層を介して前記ガス拡散層と一体化したゴム状弾性材製シール部材とが、マニホールド入り口から出口へ通じる反応ガス誘導通路を設けた１対のセパレータにより挟持されている燃料電池用シール構造体において、
前記２枚のガス拡散層の各々に、別個独立に形成した前記結合層を介して２種類のシール部材を設けると共に、前記各々の結合層を、互いに重なり合う事が無い様に配置したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用シール構造体に関するものである。

図４に示すように、一対の電極間に配置した高分子電解質膜１０と、この高分子電解質膜１０の両面に配置した２枚のガス拡散層２０、２０と、このガス拡散層２０、２０の周縁に、ゴム部材の一部が含浸した結合層６０を介してガス拡散層２０、２０と一体化したゴム状弾性材製シール部材３０とが、マニホールド入り口から出口へ通じる反応ガス誘導通路４０を設けた１対のセパレータ５０、５０により挟持されている燃料電池用シール構造体が知られている。（特許文献１）

このシール構造体は、セパレータ５０、５０との間に挟持される前は、図５に示す構造を有している。
すなわち、ゴム状弾性材製シール部材３０のゴム部材の一部が含浸した結合層６０により、高分子電解質膜１０と、この高分子電解質膜１０の両面に配置した２枚のガス拡散層２０、２０と、ゴム状弾性材製シール部材３０とが一体化されている。
そして、このシール構造体は、図４に示す様に、セパレータ５０、５０との間に挟持される。

しかし、ガス拡散層２０、２０の周縁に存在する、ゴム部材の一部が含浸した結合層６０は、ゴム部材が含浸ししているため、セパレータ５０、５０間で圧縮して結合層６０の厚みを薄くすることは困難である。
また、予め、結合層６０を構成するガス拡散層２０をより多く圧縮して、結合層６０の厚みを薄くする方法も試みられたが、ガス拡散層２０を圧縮し過ぎると、ゴム部材の含浸が上手く行かず、シール部材３０とガス拡散層２０、２０との一体化が難しくなる問題を招来した。
特に、セパレータ５０、５０が脆弱なカーボン材である場合は、特に困難であった。
このため、セパレータ５０、５０間の間隙を出来るだけ小さくして、燃料電池スタック全体を小型化すること、及びセパレータ５０、５０間の間隙のバラツキをなくすことが出来ない問題を惹起した。

特開２００８−４７３１４号公報 特開２００７−２６８４７号公報 特開２００８−２９３６８４号公報

本発明は以上の点に鑑みて、セパレータ間の間隙を出来るだけ小さくして、燃料電池スタック全体を小型化すること、及びセパレータ間の間隙のバラツキを無くすことを目的とする。

上記目的を達成するために本発明にあっては、一対の電極間に配置した高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配置した２枚のガス拡散層と、前記ガス拡散層の周縁に、自身のゴム部材の一部が含浸した結合層を介して前記ガス拡散層と一体化したゴム状弾性材製シール部材とが、マニホールド入り口から出口へ通じる反応ガス誘導通路を設けた１対のセパレータにより挟持されている燃料電池用シール構造体において、
前記２枚のガス拡散層の各々に、別個独立に形成した前記結合層を介して２種類のシール部材を設けると共に、前記各々の結合層を、互いに重なり合う事が無い様に配置したことを特徴とする。

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シール構造体によれば、セパレータ間の間隙を出来るだけ小さくして、燃料電池スタック全体を小型化すること、及びセパレータ間の間隙のバラツキを無くすことが出来る。
また、請求項２記載の発明の燃料電池用シール構造体によれば、セパレータ間の間隙を出来るだけ小さくして、より確実に燃料電池スタック全体を小型化することが出来る。

更に、請求項３記載の発明の燃料電池用シール構造体によれば、セパレータ間に大きな面圧を与えることなく、反応ガスの外部への漏洩を確実に阻止することが出来る。
更に、請求項４記載の発明の燃料電池によれば、より確実にセパレータ間の間隙を小さく抑えることが出来る。

更に、請求項５記載の発明の燃料電池用シール構造体によれば、成形が容易である。

更に、請求項６記載の発明の燃料電池用シール構造体によれば、脆弱なカーボン材製のセパレータを使用する燃料電池用として特に適している。

本発明に係る燃料電池用シール構造体の部分断面図である。 本発明に係る燃料電池用シール構造体の各構成部品を示した図である。 図２の各構成部品を重ね合わせた状態の図である。 従来例に係る燃料電池用シール構造体を示す部分断面図である。 図４に示した燃料電池用シール構造体をセパレータ間に挟持する前の図である。

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図乃至３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。

図１に示す様に、本発明の燃料電池用シール構造体は、一対の電極間に配置した高分子電解質膜１と、この高分子電解質膜１の両面に配置した２枚のガス拡散層２ａ、２ｂと、このガス拡散層２ａ、２ｂの周縁に、自身のゴム部材の一部が含浸した結合層６ａ、６ｂを介してガス拡散層２ａ、２ｂと一体化したゴム状弾性材製シール部材３ａ、３ｂとが、マニホールド入り口から出口へ通じる反応ガス誘導通路４ａ、４ｂを設けた１対のセパレータ５ａ、５ｂにより挟持されている。

そして、この２枚のガス拡散層２ａ、２ｂの各々には、別個独立に形成した結合層６ａ、６ｂを介して２種類のシール部材３ａ、３ｂを設けると共に、各々の結合層６ａ、６ｂを、互いに重なり合う事が無い様に配置している。
すなわち、本発明の燃料電池用シール構造体は、図４の従来技術の様に、高分子電解質膜１０と、この高分子電解質膜１０の両面に配置した２枚のガス拡散層２０、２０と、このガス拡散層２０、２０の周縁に、ゴム部材の一部が含浸した結合層６０を介してガス拡散層２０、２０と一体化したゴム状弾性材製シール部材３０とが全て一体化された形で成形されるのではなく、図２に示す様に、２枚のガス拡散層２ａ、２ｂの各々には、別個独立に形成した結合層６ａ、６ｂを介して２種類のシール部材３ａ、３ｂを設けると共に、２枚のガス拡散層２ａ、２ｂに挟まれる形で高分子電解質膜１が配置される態様としている。
本実施例では、高分子電解質膜１の端部が、結合層６ｂの端部と略一致する長さとしているが、高分子電解質膜１の長さを更に長くして、シール部材３ａ、３ｂ間で挟持する形とすると、シール性能を更に高める事が出来る。

そして、このシール部材３ａ、３ｂには、セパレータ５ａ、５ｂと当接するリップ部３１ａ、３１ｂを備えている。
更に、このシール部材３ａ、３ｂには、リップ部３１ａ、３１ｂと結合層６ａ、６ｂとを連結している連結部３２ａ、３２ｂが存在する。

そして、この連結部３２ａ、３２ｂの肉厚Ｚａ、Ｚｂは、結合層６ａ、６ｂの厚さＷａ、Ｗｂより薄い構成としている。
このことにより、図１に示す様に、１対のセパレータ５ａ、５ｂにより挟持された際、一方の結合層６ａ（図上上方側）が、他方の結合層６ｂ（図上下方側）を超えて他方のセパレータ５ｂ側（図上下方側）に移動できる為、より確実にセパレータ間の間隙を小さく抑えることが出来る。

また、図２の各部材を重ね合わせた状態を示す図３から明らかなように、一方のシール部材３ａ（図上上方）の連結部３２ａ長さは、他方のシール部材３ｂ（図上下方）の連結部３２ｂの長さに、結合層６ｂの長さをプラスした長さより長くなる設計としている。
しかし、他方のシール部材３ｂ（図上下方）の連結部３２ｂの長さは、極力短いことが、燃料電池の発電効率を高める上で好ましい。
同様に、一方のシール部材３ａ（図上上方）の連結部３２ａの長さは、各々の結合層６ａ、６ｂが重なり合う事が避けられる範囲の最小の長さが好ましく、あまり長くなり過ぎると、燃料電池の発電効率を高める上で好ましくない。

この様な構成とすることにより、図３に示す様に、各々の結合層６ａ、６ｂが、互いに重なり合う事が無い。
この結果、図１に示す様に、本発明の燃料電池用シール構造体が、１対のセパレータ５ａ、５ｂにより挟持された際、２種類の結合層６ａ、６ｂが相互に重なり合うことが無い為、セパレータ５ａ、５ｂ間の間隙を、より小さく出来る効果を発揮出来る。
また、１対のセパレータ５ａ、５ｂの間隙Ｘは、結合層６ａ、の厚さＷａと結合層６ｂの厚さＷｂの合計厚さよりも小さく設計されている。
このことにより、セパレータ間の間隙を出来るだけ小さくして、より確実に燃料電池スタック全体を小型化することが出来る。

更に、図３に示す様に、セパレータ５ａ、５ｂにより挟持される前の両リップ部３１ａ、３１ｂ間の間隙Ｖは、セパレータ５ａ、５ｂにより挟持される前の２枚のガス拡散層２ａ、２ｂと高分子電解質膜１とを重ね合わせた合計厚さＹよりも大きい設計としている。
このことにより、より確実に、反応ガスの外部への漏洩を阻止することが出来る。

また、シール部材３ａ、３ｂは、一般的な合成ゴムや、ＴＰＥが用いられるが、成形性の観点から、液状ゴムが好ましい。
液状ゴムとしては、液状シリコーンゴム、液状フッ素ゴム、液状ＥＰＤＭ、液状ＡＣＭ等である。

更に、セパレータ５ａ、５ｂの材質としては、金属材、カーボン材等適宜選択して用いられるが、本発明に係る燃料電池用シール構造体は、脆弱なカーボン材に好適に用いられる。

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。

１ 高分子電解質膜
２ａ、２ｂ ガス拡散層
３ａ、３ｂ シール部材
４ａ、４ｂ 反応ガス誘導通路
５ａ、５ｂ セパレータ
６ａ、６ｂ 結合層
３１ａ、３１ｂ リップ部
３２ａ、３２ｂ 連結部

Claims (6)

1. 一対の電極間に配置した高分子電解質膜（１）と、前記高分子電解質膜（１）の両面に配置した２枚のガス拡散層（２ａ）、（２ｂ）と、前記ガス拡散層（２ａ）、（２ｂ）の周縁に、自身のゴム部材の一部が含浸した結合層（６ａ）、（６ｂ）を介して前記ガス拡散層（２ａ）、（２ｂ）と一体化したゴム状弾性材製シール部材（３ａ）、（３ｂ）とが、マニホールド入り口から出口へ通じる反応ガス誘導通路（４ａ）、（４ｂ）を設けた１対のセパレータ（５ａ）、（５ｂ）により挟持されている燃料電池用シール構造体において、
   前記２枚のガス拡散層（２ａ）、（２ｂ）の各々に、別個独立に形成した前記結合層（６ａ）、（６ｂ）を介して２種類のシール部材（３ａ）、（３ｂ）を設けると共に、前記各々の結合層（６ａ）、（６ｂ）を、互いに重なり合う事が無い様に配置したことを特徴とする燃料電池用シール構造体。
2. 前記１対のセパレータ（５ａ）、（５ｂ）の間隙（Ｘ）は、前記結合層（６ａ）の厚さ（Ｗａ）と前記結合層（６ｂ）の厚さ（Ｗｂ）の合計厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用シール構造体。
3. 前記シール部材（３ａ）、（３ｂ）は、前記セパレータ（５ａ）、（５ｂ）と当接するリップ部（３１ａ）、（３１ｂ）を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用シール構造体。
4. 前記シール部材（３ａ）、（３ｂ）は、前記リップ部（３１ａ）、（３１ｂ）と前記結合層（６ａ）、（６ｂ）とを連結している連結部（３２ａ）、（３２ｂ）が存在すると共に、前記連結部（３２ａ）、（３２ｂ）の肉厚（Ｚａ）、（Ｚｂ）は、前記結合層（６ａ）、（６ｂ）
   の厚さ（Ｗａ）、（Ｗｂ）より薄いことを特徴とする請求項３記載の燃料電池用シール構造体。
5. 前記シール部材（３ａ）、（３ｂ）が液状ゴムを用いて成形されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の燃料電池用シール構造体。
6. 前記セパレータ（５ａ）、（５ｂ）が、カーボン材製であることを特徴とする請求項１〜５いずれか一項に記載の燃料電池用シール構造体。

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