(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の気密性を向上するガスケットを提供する。【解決手段】ガスケットの中間部１０３は、接触部１０１，１０２との境界部分１０３ａの断面積が接触部１０１および１０２とセパレータ４０との接触面積よりも小さくなるように形成された小断面積部１０３ａを備える。接触部１０１の厚みは中間部の厚みに対して十分薄く、また、中間部の小断面積部１０３ａは他の部分に比してクリアランスの拡大縮小方向への圧力に対して脆弱であるため、クリアランスの拡大縮小方向への圧力に対して中間部１０３が主として伸縮する。従って、ガスケット１００の接触部１０１は、伸縮によって接触面１０１ａとセパレータ４０との接触面積が変化しないように、すなわち、常に一定となるように形成されている。よって、セパレータ４０間のクリアランスはＭＥＧＡ２５の膨張収縮に追従して円滑に拡大する。ＭＥＧＡ２５の損傷を抑制でき燃料電池の発電効率を向上できる。【選択図】図２
2008210531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内容物を挟んで配置された第１の板材と第２の板材の間に、前記内容物を囲むように配置され、内容物の膨張および収縮に応じて伸縮し、前記２つの板材の間を封止するガスケットであって、
前記内容物の伸縮に関わらず一定の第１の接触面積で前記第１の板材と接触する第１の接触部と、
前記内容物の伸縮に関わらず一定の第２の接触面積で前記第２の板材と接触する第２の接触部と、
前記第１の接触部および前記第２の接触部と一体的に形成されている中間部であって、前記第１の接触部および前記第２の接触部の厚みに比べて厚い所定の厚みを有し、断面積が前記第１の接触面積および前記第２の接触面積よりも小さい小断面積部を有する中間部と、を備えるガスケット。
【請求項２】
請求項１記載のガスケットであって、
前記第１の接触部および前記第２の接触部は、前記中間部の厚みに比べて薄い所定の厚みを有する平板状に形成されている、ガスケット。
【請求項３】
請求項１記載のガスケットであって、
変形時における前記中間部の断面積の最大値は、前記第１の接触面積および前記第２の接触面積より小さい、ガスケット。
【請求項４】
請求項１記載のガスケットであって、
前記第１の接触面と前記第１の板材、および、第２の接触面と前記第２の板材の少なくとも一方の接触界面は、接着手段により接着されている、ガスケット。
【請求項５】
燃料電池であって、
電解質膜の両側に電極が形成された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持するように配置され、前記膜電極接合体に対向する部分に、反応ガスを供給するための流路が形成された一対のセパレータと、
前記一対のセパレータの間、かつ、前記膜電極接合体の外周に配置され、前記一対のセパレータに当接して前記反応ガスを封止するガスケットと、を備え、
前記ガスケットは、
前記内容物の伸縮に関わらず一定の第１の接触面積で前記第１の板材と接触する第１の接触部と、
前記内容物の伸縮に関わらず一定の第２の接触面積で前記第２の板材と接触する第２の接触部と、
前記第１の接触部および前記第２の接触部と一体的に形成されている中間部であって、前記第１の接触部および前記第２の接触部の厚みに比べて厚い所定の厚みを有し、断面積が前記第１の接触面積および前記第２の接触面積よりも小さい小断面積部を有する中間部と、を備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池構成部品に関し、特に、気密性を向上するガスケットの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、例えば、固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池は、電解質膜、電解質膜の両側に配置された１対の電極層（アノード、カソード）、電極層の両側に配置された多孔質のガス拡散層、および、電解質膜、電極層を狭持するセパレータを有するセルを複数積層して構成されている。燃料ガスや酸化ガスなどの燃料電池の発電に用いられる反応ガスは、セパレータを積層することにより燃料電池内部に形成されるマニホールドを流れ、ガス拡散層を介して膜電極接合体へ供給される。このような燃料電池において、セパレータ間の、膜電極接合体および拡散層の外周にガスケットを配置して、膜電極接合体およびガス拡散層からの反応ガスの、セパレータとガスケットの境界面からの漏洩を抑制している。
【０００３】
ガスケットは、例えば、樹脂により形成され、外部からの圧力を受けてセパレータに粘着して、ガスケットとセパレータ間を封止している。ガスケットは、燃料電池の動作時に、膜電極接合体やガス拡散層の膨張収縮に追従して伸縮し、セパレータとガスケットの境界面を封止するとともに、膜電極接合体やガス拡散層の損傷を抑制する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０２５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、膜電極接合体やガス拡散層の膨張収縮により、ガスケットとセパレータとの接触面積が変化することがある。そのため、ガスケットとセパレータとの間の粘着力が増加して、膜電極接合体やガス拡散層の膨張収縮への追従性が低下することにより、膜電極接合体やガス拡散層の損傷の虞がある。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池構成部品の損傷の抑制を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の第１の態様は、内容物を挟んで配置された第１の板材と第２の板材の間に、内容物を囲むように配置され、内容物の膨張および収縮に応じて伸縮し、２つの板材の間を封止するガスケットを提供する。第１の態様のガスケットは、内容物の伸縮に関わらず一定の第１の接触面積で第１の板材と接触する第１の接触部と、内容物の伸縮に関わらず一定の第２の接触面積で第２の板材と接触する第２の接触部と、前記第１の接触部および前記第２の接触部と一体的に形成されている中間部であって、第１の接触部および第２の接触部の厚みに比べて厚い所定の厚みを有し、断面積が第１の接触面積および第２の接触面積よりも小さい小断面積部を有する中間部とを備えることを要旨とする。
【０００８】
第１の態様のガスケットによれば、内容物の膨張もしくは収縮にかかわらず、第１の板材と第１の接触部、および第２の板材と第２の接触部の接触面積を一定に保持できる。また、中間部は第１の接続部および第２の接続部に対して厚いため、クリアランスの拡大縮小方向への圧力に対して中間部が主として伸縮する。よって、第１の接触部および第２の接触部の変形を抑制できる。また、中間部は、第１の接触部と第２の接触部との境界部分に小断面積部を備えるためガスケットの他の部分に比してクリアランスの拡大縮小方向への圧力に対して脆弱である。よって、ガスケットの伸縮性を向上でき、内容物の膨張収縮に対する追従性を向上できる。よって、内容物は円滑に膨張縮でき、気密性を維持しながら、内容物の損傷を抑制できる。
【０００９】
第１の態様のガスケットにおいて、第１の接触部および第２の接触部は、中間部の厚みに比べて薄い所定の厚みを有する平板状に形成されていてもよい。
【００１０】
第１の態様のガスケットによれば、接触部の厚みは中間部の厚みに対して十分薄いため、第１の接触部および第２の接触部の変形量を低減でき、第１の接触部と第１の板材、および、第２の接触部と第２の板材との接触面積の増加を抑制できる。従って、内容物の膨張収縮に対する追従性を向上できる。
【００１１】
第１の態様のガスケットにおいて、変形時における中間部の断面積の最大値は、第１の接触面および第２の接触面より小さくてもよい。
【００１２】
第１の態様のガスケットによれば、中間部が最大限変形した場合にも、第１の接触面および第２の接触面と中間部との接触を高い精度で抑制できる。
【００１３】
第１の態様のガスケットにおいて、第１の接触面と第１の板材、および、第２の接触面と第２の板材少なくとも一方の接触界面は、接着手段により接着されていてもよい。
【００１４】
第１の態様のガスケットによれば、第１の接触面と第１の板材との間の気密性、および、第２の接触面と第２の板材との間の気密性を向上できるとともに、製造過程における負荷を軽減できる。
【００１５】
本発明の第２の態様は、燃料電池を提供する。第２の態様の燃料電池は、電解質膜の両側に電極が形成された膜電極接合体と、膜電極接合体を狭持するように配置され、膜電極接合体に対向する部分に、反応ガスを供給するための流路が形成された一対のセパレータと、一対のセパレータの間、かつ、膜電極接合体の外周に配置され、一対のセパレータに当接して反応ガスを封止するガスケットとを備える。ガスケットは、内容物の伸縮に関わらず一定の第１の接触面積で第１の板材と接触する第１の接触部と、内容物の伸縮に関わらず一定の第２の接触面積で第２の板材と接触する第２の接触部と、第１の接触部および前記第２の接触部と一体的に、第１の接触部および第２の接触部の厚みに比べて厚い所定の厚さに形成され、断面積が第１の接触面積および第２の接触面積よりも小さい小断面積部を有し、第１の板材および第２の板材の間隔の変化に追従して変形する中間部を備えることを要旨とする。
【００１６】
第２の態様の燃料電池は、膜電極接合体の膨張収縮にかかわらず、セパレータと第１の接触面、およびセパレータと第２の接触面の接触面積を一定に保持できるガスケットを備える。従って、第２の態様の燃料電池によれば、膜電極接合体の膨張収縮に対するガスケットの追従性を向上できる。よって、膜電極接合体は膨張収縮を円滑に行えるため、膜電極接合体の損傷を抑制できる。
【００１７】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
Ａ．第１実施例
Ａ１．燃料電池概略構成
第１実施例の燃料電池の概略構成について、図１および図２を参照して説明する。図１は、第１実施例における燃料電池の概略構成を例示する斜視図である。図２は、第１実施例における燃料電池の断面図を例示する説明図である。第１実施例の燃料電池１０００は、水素ガスと空気との供給を受け、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池１０００は、電解質膜を有する中間部材２０、電気化学反応により生ずる電気を集電する隔壁としてのセパレータ４０を備える。セパレータ４０および中間部材２０は順に繰り返し積層され、その両端からエンドプレート８５，８６により狭持されている。
【００２０】
エンドプレート８５には、アノードガスを供給する供給孔８５ａ、カソードガスを供給する供給孔８５ｂ、アノードオフガスを排出する排出孔８５ｃ、カソードオフガスを排出する排出孔８５ｄ、冷却水を供給する供給孔８５ｅ、冷却水を排出する排出孔８５ｆが形成されている。アノードガスは、図示しない水素タンクから供給孔８５ａを介して燃料電池１０００内部に供給される。カソードガスは、図示しないコンプレッサで圧縮され供給孔８５ｂを介して燃料電池１０００内部に供給される。冷却水は、図示しないラジエータで冷却され供給孔８５ｅを介して燃料電池１０００に供給される。
【００２１】
中間部材２０は、図２に示すように、膜電極接合体２４（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層２３ａ、２３ｂ、ガスケット１００、および、樹脂部３０を備える。ガス拡散層２３ａ、２３ｂはＭＥＡ２４の両面に配置されている。第１実施例では、ＭＥＡ２４、ガス拡散層２３ａおよびガス拡散層２３ｂから構成される部材をＭＥＧＡ２５と呼ぶ。
【００２２】
ＭＥＡ２４は、電解質膜２１の一方の面上に、カソード電極触媒層２２ａを備え，電解質膜２１の他方の面上にアノード電極触媒層２２ｂを備える。電解質膜２１は、例えば、ナフィオンにより形成される。電解質膜２１の表面上に形成されたカソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されて形成されている。
【００２３】
ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、気孔率が約２０％程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、接合によりＭＥＡ２４と一体化されてＭＥＧＡ２５となる。ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、その厚み方向に反応ガスを拡散する。
【００２４】
ＭＥＧＡ２５は、外周がガスケット１００で囲まれており、ＭＥＧＡ２５とガスケット１００と一体的に形成されている。ガスケット１００の外周には樹脂部３０が形成されており、図１に示すように中間部材２０の４辺に沿って樹脂部３０にマニホールド用の連通孔２０ａ〜２０ｆが形成されている。
【００２５】
ガスケット１００は、シリコーンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなり、ＭＥＧＡ２５の外周に射出成形することでＭＥＧＡ２５と一体的に形成されている。本実施例では、ガスケット１００の材料として、シリコーンゴムが用いられている。ガスケット１００は、接触部１０１，１０２および中間部１０３を備える。接触部１０１は、接触面１０１ａでセパレータ４０と接触し、接触部１０２は、接触面１０２ａでセパレータ４０と接触する。中間部１０３は、接触部１０１と１０２との間に形成されており、接触部１０１，１０２との境界部分１０３ａの断面積が接触部１０１および１０２とセパレータ４０との接触面積よりも小さくなるように形成されている。かかる境界部分１０３ａを、以降、第１実施例では、小断面積部１０３ａと呼ぶ。ガスケットの中間部１０３は、ＭＥＧＡ２５の膨張収縮に伴って伸縮する。従って、セパレータ４０間の間隔はＭＥＧＡ２５の膨張収縮に追従して変化する。ＭＥＧＡ２５の膨張収縮に対するガスケットの追従性については後述する。
【００２６】
次に電気化学反応により生ずる電気を集電するセパレータ４０について説明する。セパレータ４０は、三つの金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータ４０である。具体的には、ガス拡散層２３ａと接触するカソードプレート４１と、ガス拡散層２３ｂと接触するアノードプレート４３と、両プレートの中間に挟まれ、主に冷却水の流路となる中間プレート４２とから構成されている。三つのプレートは、その厚み方向に、流路用の凹凸形状のない平坦な表面を有し（つまり、ガス拡散層２３ａ，２３ｂとの接触面が平坦であり）、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から構成されている。また、三つのプレートには、上述の各種マニホールドを構成する貫通孔が設けられている。こうした構造の三つのプレートを積層して接合することで、セパレータ４０の内部には、各種流体の流路が形成される。
【００２７】
燃料電池１０００は、所定の締結圧で締結されている。所定の締結力での締結時にセパレータ４０間に形成される隙間をクリアランスと呼ぶ。第１実施例では、所定の締結力での締結時のクリアランスはＬである。
【００２８】
Ａ２．ガスケット詳細構成：
ガスケットの詳細構成について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、第１実施例におけるガスケットとセパレータ４０との接触面積について説明する模式図である。図４は、従来技術におけるガスケットとセパレータ４０との接触面積について説明する模式図である。図３および図４では、説明を簡易にするために、ガスケットとＭＥＧＡ２５とが一体的に形成されていないように示している。
【００２９】
図３および図４に示すように、従来技術の燃料電池および第１実施例の燃料電池において、所定の締結圧での締結時（通常時）、ガスケットはセパレータ４０と接触面積ｄ１で接触している。この際のガスケットの弾性力は従来技術および第１実施例ともに、弾性力Ｆ１である。ガスケットは樹脂製であるため、燃料電池の締結時に加えられる締結圧によりセパレータ４０に粘着する。
【００３０】
ＭＥＧＡ２５の膨張時、クリアランスはＬから拡大する。従来技術では、ガスケット２００のセパレータ４０との接触面２０１は略球形であるため、クリアランスの拡大により、ガスケットがセパレータ４０から剥離し始め、ガスケット２００とセパレータ４０との接触面積が減少し始める。例えば、図４に示すように、ガスケット２００とセパレータ４０との接触面積がｄ１からｄ２となる（ｄ１＞ｄ２）。この際、ガスケット２００のセパレータ４０に対する粘着力Ｆ２が、セパレータ４０との粘着を維持するために、言い換えれば、セパレータ４０との接触面積減少を抑制するために、クリアランスの拡大を妨げる方向に作用する。
【００３１】
弾性力Ｆ１と粘着力Ｆ２との関係が以下の（式１）の場合には、ガスケット２００による気密性が確保されるとともに、ＭＥＧＡ２５の膨張に伴ってセパレータ４０間のクリアランスが円滑に拡大する。従って、ＭＥＧＡ２５の膨張に対するガスケット２００の追従性は維持される。
【００３２】
弾性力Ｆ１−粘着力Ｆ２＞０    …（式１）
【００３３】
しかし、弾性力Ｆ１と粘着力Ｆ２が（式２）の関係の場合、すなわち、粘着力Ｆ２が弾性力Ｆ１よりも大きくなると、セパレータ４０間のクリアランスは弾性力Ｆ１と粘着力Ｆ２とがほぼ等しくなった状態から拡大できない。従って、ＭＥＧＡ２５の膨張に対するガスケット２００の追従性が維持されない。この結果、ＭＥＧＡ２５の膨張によりＭＥＡ２４やガス拡散層に負荷がかかって損傷し、燃料電池１０００の発電効率が低下する。
【００３４】
弾性力Ｆ１−粘着力Ｆ２＜０    …（式２）
【００３５】
粘着力Ｆ２は、ガスケット２００とセパレータ４０との接触時間が長くなるに伴い、また、ガスケット２００とセパレータ４０との接触圧力が高くなるにつれて大きくなる。係る場合に、追従性低下という問題が生じやすい。また、ガスケット２００の弾性力Ｆ１は、低温環境下では低下するため、相対的に粘着力Ｆ２の影響が増大する。よって、低温環境下においても追従性低下という問題が生じやすい。
【００３６】
一方、第１実施例のガスケット１００は、接触部１０１が所定の厚みを有する平板状に形成され、中間部１０３は、中間部１０３と接触部１０１との境界部分１０３ａの断面積が小さくなるように形成されている小断面積部１０３ａを備える。接触部１０１の厚みは中間部の厚みに対して十分薄く、また、小断面積部１０３ａは他の部分に比してクリアランスの拡大縮小方向への圧力に対して脆弱であるため、クリアランスの拡大縮小方向への圧力に対して中間部１０３が主として伸縮する。従って、ガスケット１００の接触部１０１は、伸縮によって接触面１０１ａとセパレータ４０との接触面積が変化しないように、すなわち、常に一定となるように形成されている。また、変形時におけるガスケットの中間部１０３の断面積の最大値が、第１の接触面とセパレータとの接触面積、および、第２の接触面１０２ａとセパレータとの接触面積より小さくなるように形成されている。こうすれば、変形時に中間部がセパレータに接触することを抑制できる。
【００３７】
よって、ＭＥＧＡ２５の膨張時、クリアランスが変化しても、ガスケット１００の接触面１０１ａとセパレータ４０との接触面積が変化しないため、粘着力Ｆ２は、弾性力Ｆ１に対向する方向には作用せず、クリアランスの拡大は妨げられない。従って、ガスケット１００による気密性が確保されるとともに、ＭＥＧＡ２５の膨張に伴ってセパレータ４０間のクリアランスが円滑に拡大する。従って、ＭＥＧＡ２５の膨張に対するガスケット１００の追従性は維持される。
【００３８】
第１実施例のガスケット１００によれば、接触部と中間部との境界の断面積を接触部とセパレータ４０との接触面積より小さくなるように形成しているため、セパレータ４０間のクリアランスの拡大にかかわらず接触部とセパレータ４０との接触面積を一定に維持できる。従って、ガスケットとセパレータ４０間の気密性を維持しつつ、ＭＥＧＡ２５の膨張に対するガスケットの追従性を維持できる。よって、ＭＥＡやガス拡散層の損傷を抑制でき、燃料電池の発電効率を向上できる。
【００３９】
また、第１実施例の燃料電池によれば、ガスケットとセパレータ４０との接触面のうち、少なくとも一方は接着剤により接着されている。従って、気密性の向上を図ることができるとともに、製造過程の負荷を軽減できる。
【００４０】
Ｂ．変形例：
（１）図５は、変形例におけるガスケットの構成を例示する模式図である。図６に示すように、ガスケット４００の中間部は、中間部の他の部分よりも断面積が小さくなる部位４０１を含んでいてもよい。こうすれば、低反力でガスケットの伸縮幅を増加でき、追従性を向上できる。
【００４１】
（２）図６は、変形例におけるガスケット４１０の構成を例示する模式図である。図７に示すように、ガスケット４１０の中間部４１５は、上下方向（クリアランス拡大方向）に対して非対称に形成されていてもよい。また、同様に、ガスケットは、左右方向（クリアランス拡大方向に交差する方向）に対称的に形成されていなくてもよい。
【００４２】
（３）第１実施例のガスケットは、ガスケットの上側接触面および下側接触面のセパレータ４０との接触面積をほぼ同一となるように形成されているが、上側接触面と下側接触面のセパレータ４０との接触面積は異なっていてもよい。図７は、変形例におけるガスケット４２０の構成を例示する模式図である。図８に示すように、例えば、ガスケット４２０の上側接触面の接触面積（Ｘ）が下側接触面の接触面積（Ｙ）よりも大きくてもよい。また、その逆に下側接触面の接触面積が上側接触面の接触面積よりも大きくてもよい。
【００４３】
（４）第１実施例のガスケットは、下側接触面とセパレータ４０とを接着剤により接着しているが、締結時にかかる締結圧により接触面とセパレータ４０と間には粘着力が生じるため接着剤による接着をしなくてもよい。ただし、接着することにより、製造過程の負荷を軽減でき、気密性を向上できるという利点がある。
【００４４】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１実施例における燃料電池の概略構成を例示する斜視図。
【図２】第１実施例における燃料電池の断面図を例示する説明図。
【図３】第１実施例におけるガスケットとセパレータの接触面積について説明する模式図。
【図４】従来技術におけるガスケットとセパレータとの接触面積について説明する模式図。
【図５】変形例におけるガスケットの構成を例示する模式図。
【図６】変形例におけるガスケットの構成を例示する模式図。
【図７】変形例におけるガスケットの構成を例示する模式図。
【符号の説明】
【００４６】
２０…中間部材
２１…電解質膜
２２ａ…カソード電極触媒層
２２ｂ…アノード電極触媒層
２３ａ…ガス拡散層
２３ｂ…ガス拡散層
２４…膜電極接合体
２５…ＭＥＧＡ
３０…樹脂部
４０…セパレータ
４１…カソードプレート
４２…中間プレート
４３…アノードプレート
８５…エンドプレート
８５ａ、８５ｂ、８５ｅ…供給孔
８５ｃ、８５ｄ、８５ｆ…排出孔
１００…ガスケット
１０１…接触部
１０１ａ…接触面
１０２…接触部
１０２ａ…接触面
１０３…中間部
１０３ａ…小断面積部
２００、４００、４１０，４２０…ガスケット
２０１…接触面
４１５…中間部
１０００…燃料電池
【図１】
2008210531.tif 000003
【図２】
2008210531.tif 000004
【図３】
2008210531.tif 000005
【図４】
2008210531.tif 000006
【図５】
2008210531.tif 000007
【図６】
2008210531.tif 000008
【図７】
2008210531.tif 000009