(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータとＭＥＡの間に介在されるＧＤＬの外周にゴム状弾性材料で一体に成形され、前記セパレータと密接されるガスケットにおいて、前記ガスケット及び前記ガスケットに一体に設けられた補強板の前記セパレータとの対向面に、このガスケットに開設されたマニホールド孔と前記ＭＥＡによるガス反応領域を互いに連通するように延びるガス導入溝が形成されたことを特徴とする燃料電池用ガスケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電要素をなす燃料電池セルに用いられ、ＧＤＬ（Gas Diffusion Layer：ガス拡散層）に一体的に設けられたガスケットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１１〜図１３に示すように、燃料電池は、電解質膜及びその両面に設けた不図示の触媒電極層からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極複合体）１０１を、厚さ方向両側からＧＤＬ１０２，１０３を介してセパレータ１０４，１０５で挟持することによって、発電の最小単位である燃料電池セル１００が構成されている。ＧＤＬ１０２，１０３の外周側には、それぞれゴム状弾性材料（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなるガスケット１０６，１０７が、ＧＤＬ１０２，１０３の縁部へゴム状弾性材料の一部が含浸された状態で一体的に成形されている。
【０００３】
セパレータ１０４，１０５及びガスケット１０６，１０７にはそれぞれ複数のマニホールド孔１０４ａ，１０５ａ，１０６ａ，１０７ａが開設されており、図１１及び図１２に示すように、セパレータ１０４，１０５におけるＧＤＬ１０２，１０３との対向面（図１３に示すＭＥＡ１０１によるガス反応領域１００Ａ）には燃料ガス反応用溝１０４ｂ及び酸化剤ガス反応用溝１０５ｂが形成され、さらにセパレータ１０４，１０５におけるガスケット１０６，１０７との対向面にはマニホールド孔１０４ａ，１０５ａとガス反応領域１００Ａ（燃料ガス反応用溝１０４ｂ及び酸化剤ガス反応用溝１０５ｂ）の間を連通するガス導入溝１０４ｃ及びガス導入溝１０５ｃが形成されている。そして図１３に示す積層状態では、セパレータ１０４，１０５のマニホールド孔１０４ａ，１０５ａとガスケット１０６，１０７のマニホールド孔１０６ａ，１０７ａが互いに重合（連通）されることによって燃料ガス、酸化剤ガスや冷媒の供給通路及び排出通路（マニホールド孔）が形成される。
【０００４】
すなわちこの種の燃料電池は、各燃料電池セル１００において、マニホールド孔を流通する燃料ガス（水素）が、ガス導入溝１０４ｃ、燃料ガス反応用溝１０４ｂ及び一方のＧＤＬ１０２を介してＭＥＡ１０１の一方の触媒電極層（アノード）側に供給され、他のマニホールド孔を流通する酸化剤ガス（空気）が、ガス導入溝１０５ｃ、酸化剤ガス反応用溝１０５ｂ及び他方のＧＤＬ１０３を介してＭＥＡ１０１の他方の触媒電極層（カソード）側に供給され、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するものである。そして、各燃料電池セル１００による起電力は低いものであるが、多数の燃料電池セル１００を積層して電気的に直列に接続したスタックとすることにより、必要な起電力が得られるようになっている（例えば特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３３５４５３号公報
【特許文献２】特開２００７−０２６８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この種の燃料電池は、スタックのますますの小型化・低コスト化が求められており、上述のように、ＧＤＬ１０２，１０３にガスケット１０６，１０７が一体化された構成としたものは、スタック組立等での作業性が向上し、コスト低減に有効である。しかしながら、マニホールド孔とガス反応領域１００Ａ（燃料ガス反応用溝１０４ｂ及び酸化剤ガス反応用溝１０５ｂ）の間のガス導入溝１０４ｃ及びガス導入溝１０５ｃは、セパレータ１０４，１０５の加工により形成しており、加工コストが高いものとなっている。
【０００７】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、燃料電池用ガスケットの改良によって、燃料電池スタックの一層の低コスト化を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池用ガスケットは、セパレータとＭＥＡの間に介在されるＧＤＬの外周にゴム状弾性材料で一体に成形され、前記セパレータと密接されるガスケットにおいて、前記ガスケット及び前記ガスケットに一体に設けられた補強板の前記セパレータとの対向面に、このガスケットに開設されたマニホールド孔と前記ＭＥＡによるガス反応領域を互いに連通するように延びるガス導入溝が形成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池用ガスケットによれば、ガスケット及び前記ガスケットに一体に設けられた補強板に形成されたガス導入溝によって、マニホールド孔とガス反応領域の間で反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を流通させる流路が形成され、セパレータ側にガス導入溝を加工する必要がないので、コストを低減することができる。
【００１３】
また、ガス導入溝がガスケットに一体に埋設された補強板に形成されることによって、ガスケットの圧縮によるガス導入溝の変形が防止され、しかもガス導入溝の形成部分の機械的強度が補償されるので、燃料電池スタックの組立を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃料電池用ガスケットの第一の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に積層方向から見た分離状態の平面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用ガスケットの第一の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に図１のI−I線位置で切断して示す分離状態の部分断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用ガスケットの第一の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に図１のI−I線位置で切断して示す積層状態の部分断面図である。
【図４】燃料電池セルにおける発電のメカニズムを概略的に示す説明図である。
【図５】本発明に係る燃料電池用ガスケットの第二の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に積層方向から見た分離状態の平面図である。
【図６】本発明に係る燃料電池用ガスケットの第二の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に図５のV−V線位置で切断して示す分離状態の部分断面図である。
【図７】本発明に係る燃料電池用ガスケットの第二の実施の形態の他の例を、ＭＥＡ及びセパレータと共に図５のV−V線位置で切断して示す分離状態の部分断面図である。
【図８】本発明に係る燃料電池用ガスケットの第三の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に積層方向から見た分離状態の平面図である。
【図９】本発明に係る燃料電池用ガスケットの第三の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に図８のVIII−VIII線位置で切断して示す分離状態の部分断面図である。
【図１０】本発明に係る燃料電池用ガスケットの第三の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に図８のVIII−VIII線位置で切断して示す積層状態の部分断面図である。
【図１１】従来技術に係る燃料電池用ガスケットの一例を、ＭＥＡ及びセパレータと共に積層方向から見た分離状態の平面図である。
【図１２】従来技術に係る燃料電池用ガスケットの一例を、ＭＥＡ及びセパレータと共に図１１のXI−XI位置で切断して示す分離状態の部分断面図である。
【図１３】従来技術に係る燃料電池用ガスケットの一例を、ＭＥＡ及びセパレータと共に図１１のXI−XI線位置で切断して示す積層状態の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
まず図１は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの第一の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に積層方向から見た分離状態の平面図、図２は、図１のI−I線位置で切断して示す分離状態の部分断面図、図３は、図１のI−I線位置で切断して示す積層状態の部分断面図である。
【００１７】
これらの図における参照符号１，２は本発明に係るガスケットであって、ゴム状弾性材料（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）、好ましくはエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、パーフルオロゴム（ＦＦＫＭ）などから選択された材料で板状又はシート状に成形されている。
【００１８】
ＧＤＬ（Gas Diffusion Layer：ガス拡散層）３，４は、金属製の多孔体やカーボン繊維など、ガスの流通を許容する無数の微細貫通空隙を有する多孔質の導電性材料からなる同形同大の板状又はシート状のものであって、ガスケット１，２は、そのゴム状弾性材料の一部がＧＤＬ３，４の端縁部に浸透して硬化することによって、ＧＤＬ３，４の外周を包囲するように、このＧＤＬ３，４に一体に成形されている。
【００１９】
また、参照符号５はＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極複合体）で、電解質膜及びその両面に設けた不図示の触媒電極層からなり、参照符号６，７は、カーボンあるいは導電性金属からなるセパレータである。
【００２０】
そして図３に示す積層状態では、ＭＥＡ５を、その厚さ方向両側からＧＤＬ３，４を介してセパレータ６，７で挟持することによって、発電の最小単位である燃料電池セル１０が構成される。このとき、ＭＥＡ５の外周部は、その両側のガスケット１，２によって密接挟持され、このガスケット１，２におけるＭＥＡ５と反対側の面は、セパレータ６，７に密接される。
【００２１】
ガスケット１，２には、それぞれ複数対のマニホールド孔１ａ，２ａが開設されており、セパレータ６，７にもガスケット１，２のマニホールド孔１ａ，２ａと対応する位置にマニホールド孔６ａ，７ａが開設されている。したがって図３に示す積層状態では、マニホールド孔１ａ，２ａと６ａ，７ａが互いに重合（連通）されることによって燃料ガス、酸化剤ガスや冷媒の供給通路及び排出通路（マニホールド孔）が形成される。
【００２２】
一方のセパレータ６におけるＧＤＬ３との対向面には複数の燃料ガス反応用溝６ｂが形成されており、他方のセパレータ７におけるＧＤＬ４との対向面には複数の酸化剤ガス反応用溝７ｂが形成されており、図３に示す積層状態では、ＭＥＡ５と、ＧＤＬ３，４と、燃料ガス反応用溝６ｂ及び酸化剤ガス反応用溝７ｂが互いに重合した領域がガス反応領域１０Ａ、すなわち発電領域となっており、このガス反応領域１０Ａの周囲がガスケット１，２によってシールされる。
【００２３】
ガスケット１におけるセパレータ６との対向面には、マニホールド孔１ａとガス反応領域１０Ａにおける燃料ガス反応用溝６ｂを互いに連通するように延びるガス導入溝１ｂが形成されており、同様に、ガスケット２におけるセパレータ７との対向面には、マニホールド孔２ａとガス反応領域１０Ａにおける酸化剤ガス反応用溝７ｂを互いに連通するように延びるガス導入溝２ｂが形成されている（図２及び図３にはガス導入溝２ｂは不図示）。なお、ガスケット１のガス導入溝１ｂは、図２に符号３ａで示すように、ＧＤＬ３の端部へ達するように延在されており、ガスケット２のガス導入溝２ｂも同様に、ＧＤＬ４の端部へ達するように延在されている。
【００２４】
上述のように構成された燃料電池セル１０は、図４に示すように、水素Ｈ2を含む燃料ガスが燃料ガス流路（ガス導入溝１ｂ及び燃料ガス反応用溝６ｂ）及び一方のＧＤＬ３を介してＭＥＡ５における一方の触媒電極層（アノード）５２に供給され、酸素Ｏ2を含む酸化剤ガス（空気）が酸化剤ガス流路（ガス導入溝２ｂ及び酸化剤ガス反応用溝７ｂ）及び他方のＧＤＬ４を介してＭＥＡ５における他方の触媒電極層（カソード）５３に供給され、水素Ｈ2と酸素Ｏ2から水Ｈ2Ｏを生成する電気化学反応によって電力を発生するものである。
【００２５】
すなわち、ＭＥＡ５におけるアノード５２に供給された燃料ガス中の水素Ｈ2は、このアノード５２の触媒作用によって電子ｅ-と水素イオンＨ+に分解され、電子ｅ-は、電流として外部負荷Ｒを通ってＭＥＡ５におけるカソード５３へ向けて流れる。そして水素Ｈ2から電子ｅ-が分離されることによって生じた水素イオンＨ+は、カソード５３の電子ｅ-に引き付けられるので、ＭＥＡ５における電解質膜５１を介してカソード５３へ移動する。
【００２６】
一方、ＭＥＡ５におけるカソード５３に供給された酸化剤ガス中の酸素Ｏ2は、このカソード５３の触媒作用により電子ｅ-を受け取って、酸素イオンＯ-となる。そしてこの酸素イオンＯ-が、アノード５２から電解質膜５１を介して移動して来た水素イオンＨ+と結びつくことによって水Ｈ2Ｏが生成されるのである。
【００２７】
このとき、図３に示すようにマニホールド孔１ａ，２ａと６ａ，７ａが互いに重合（連通）されることによって形成された流路と、ガス反応領域１０Ａにおける燃料ガス反応用溝６ｂや酸化剤ガス反応用溝７ｂとの間での燃料ガスや酸化剤ガスなどの流通は、ガス導入溝１ｂ又は２ｂを介して行われる。そしてガス導入溝１ｂ，２ｂは、ＧＤＬ３，４の端部へ達するように延在されているため、燃料ガス反応用溝６ｂ及び酸化剤ガス反応用溝７ｂとの間での流通が円滑に行われる。
【００２８】
そして上記構成によれば、ガス導入溝１ｂ，２ｂはガスケット１，２に形成されたものであるため、金属又はカーボンからなるセパレータ６，７側にガス導入溝を加工する必要がない。しかもこのガス導入溝１ｂ，２ｂは、ＧＤＬ３，４へゴム状弾性材料でガスケット１，２を一体成形する際に、成形用金型内で同時に形成されるので、コストを低減することができる。
【００２９】
また、ガス導入溝１ｂ，２ｂの設計変更の際には、セパレータ６，７の設計を変更する必要がなく、ガスケット１，２の設計変更で対応することができ、したがってこのような設計変更の際のコスト低減にも寄与することができる。
【００３０】
次に図５は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの第二の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に積層方向から見た分離状態の平面図、図６は、図５のV−V線位置で切断して示す分離状態の部分断面図、図７は、第二の実施の形態の他の例を、ＭＥＡ及びセパレータと共に図５のV−V線位置で切断して示す分離状態の部分断面図である。
【００３１】
この第二の実施の形態において、上述した第一の実施の形態と異なるところは、ガスケット１，２が、ゴム状弾性材料からなるガスケット本体１１，２１と、このガスケット本体１１，２１に一体に設けられ、前記ゴム状弾性材料よりも剛性の高い材料、例えば合成樹脂又は金属等からなる補強板１２，２２からなることにある。補強板１２，２２の平面投影形状は、ガスケット本体１１，２１の平面投影形状と略相似となっている。その他の部分の構成は、基本的に第一の実施の形態と同様である。
【００３２】
このうち図６に示す例は、補強板１２，２２の材質が、燃料ガスや酸化剤ガスに対する化学的安定性が不足するような場合に、補強板１２，２２をガスケット本体１１，２１に埋設状態で一体成形することによって、補強板１２，２２が燃料ガスや酸化剤ガスに接触しないようにしたものである。また、図７に示す例は、補強板１２，２２の材質が、燃料ガスや酸化剤ガスに対する化学的安定性に問題のない場合に、補強板１２，２２を半埋設状態、すなわちガスケット本体１１，２１から一部露出した埋設状態で一体成形したものである。なお、ＭＥＡ５の外周部は、ガスケット本体１１，２１の密接によって密封されるようになっている。
【００３３】
第二の実施の形態によれば、ガスケット本体１１，２１の全域に一体に設けられた補強板１２，２２によってガスケット１，２の機械的強度が補償され、すなわちガス導入溝１ｂ，２ｂの形成によるガスケット１，２の強度低下が防止されるので、セル（スタック）の組立を容易にすることができる。
【００３４】
次に図８は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの第三の実施の形態を、ＭＥＡ及びセパレータと共に積層方向から見た分離状態の平面図、図９は、図８のVIII−VIII線位置で切断して示す分離状態の部分断面図、図１０は、図８のVIII−VIII線位置で切断して示す積層状態の部分断面図である。
【００３５】
この第三の実施の形態は、ガスケット１，２が、ゴム状弾性材料からなるガスケット本体１１，２１と、このガスケット本体１１，２１におけるマニホールド孔１ａ，２ａとＧＤＬ３，４の間、すなわちガス導入溝１ｂ，２ｂの形成領域に位置して一体に設けられた補強板１３，２３からなるものであって、補強板１３，２３は前記ゴム状弾性材料よりも剛性の高い材料、例えば燃料ガスや酸化剤ガスに対する化学的安定性に問題のない合成樹脂又は金属等からなり、ガスケット１，２のガス導入溝１ｂ，２ｂが、補強板１３，２３に形成されている点にある。なお、ＭＥＡ５の外周部は、ガスケット本体１１，２１の密接によって密封されるようになっている。その他の構成は、基本的に第一の形態と同様である。
【００３６】
この第三の実施の形態によれば、ガスケット１，２におけるガス導入溝１ｂ，２ｂの形成部分の機械的強度が補償されるので、セル（スタック）の組立を容易にすることができるのに加え、図１０に示す積層状態でのガスケット本体１１，２１の圧縮によるガス導入溝１ｂ，２ｂの流路断面の縮小が防止される。
【００３７】
またガスケット１，２は、ガス導入溝１ｂ，２ｂが予め補強板１３，２３に形成され、この補強板１３，２３にガスケット本体１１，２１が一体成形されることによって得られたものであるため、ガス導入溝１ｂ，２ｂの設計変更の際、この補強板１３，２３のみの設計変更で対応することができ、したがってこのような設計変更の際のコスト低減にも寄与することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１，２  ガスケット
１１，２１  ガスケット本体
１２，１３，２２，２３  補強板
１ａ，２ａ，６ａ，７ａ  マニホールド孔
１ｂ，２ｂ  ガス導入溝
３，４  ＧＤＬ
５  ＭＥＡ
６，７  セパレータ
６ｂ  燃料ガス反応用溝
７ｂ  酸化剤ガス反応用溝
１０Ａ  ガス反応領域
【図１】
0005835554.tif 000002
【図２】
0005835554.tif 000003
【図３】
0005835554.tif 000004
【図４】
0005835554.tif 000005
【図５】
0005835554.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005835554.tif 000008
【図８】
0005835554.tif 000009
【図９】
0005835554.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0005835554.tif 000012
【図１２】
0005835554.tif 000013
【図１３】
0005835554.tif 000014