(57)【要約】      （修正有）【課題】インシュレータ等の燃料電池の構成要素において、ガラス繊維が溶解するとか金属が侵されるといった不都合なく、ガスや生成水を通過させることができる燃料電池用ガスケットを提供する。【解決手段】燃料電池の構成要素であり、流体通路１８が形成されたインシュレータ１３に使用される燃料電池用ガスケット２２を、インシュレータ１３における流体通路１８に面した端部である口金に着脱自在に取付けるための取付手段を有した芯材２３と、流体通路１８からインシュレータ１３を遮断させるべく芯材２３に固定支持されたシール部材とを有して成る別部品に構成する。【選択図】図３
2005108526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の構成要素であり、流体通路が形成されたシール対象部材に使用される燃料電池用ガスケットであって、
前記シール対象部材における前記流体通路に面した端部に取付けるための取付手段を有した芯材と、前記流体通路から前記シール対象部材を遮断させるべく前記芯材に固定支持されたシール部材とを有して成る燃料電池用ガスケット。
【請求項２】
請求項１において、
前記取付手段は、前記芯材を着脱自在に前記シール対象部材に取付けるものに構成されている燃料電池用ガスケット。
【請求項３】
請求項２において、
前記取付手段は、前記芯材に、前記シール対象部材に形成された凹部又は突片に係止嵌合させる部分を設けることで構成されている燃料電池用ガスケット。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記シール部材は、前記芯材の表面側及び裏面側とにシール作用する表シール部と裏シール部と、前記芯材を前記流体から遮断すべく前記表裏のシール部に亘って連続形成された側面シール部とを有した断面略コ字状のものに構成されている燃料電池用ガスケット。
【請求項５】
前記シール対象部材の前記流体通路に面した端面に、前記芯材を一体化させることにより、請求項１〜４のいずれかの燃料電池用ガスケットを有した燃料電池用部品。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかの燃料電池用ガスケットが装備された燃料電池用部品、又は請求項５の燃料電池用部品を備えた燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記シール対象部材が、インシュレータであ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、燃料電池用ガスケットに係り、詳しくは、セパレータやインシュレータに形成されたマニホールド部分をシールするためのガスケット等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体の両側にセパレータが積層されたものが一つのセルとなり、複数のセルを積層して燃料電池のスタックとして構成されている。電極構造体は、正極側の電極触媒層（カソード）と、負極側の電極触媒層（アノード）との間に高分子電極膜が挟まれ、各電極触媒層の外側にガス拡散層が配置された積層体である。セパレータは電子伝達機能を有する材料から成るもので、電極構造体への対向面にはガス通路が形成され、少なくとも一方のセパレータの表面には冷媒通路が形成されている。
【０００３】
これら通路はいずれも溝状であって、ガス通路には燃料ガスである水素ガスと酸素や空気等の酸化剤ガスが夫々独立して流され、冷媒通路には水或いはエチレングリコール等の冷媒が流される。セパレータは、各ガス通路間の突起部がガス拡散層に接触する状態で電極構造体に積層される。
【０００４】
このような燃料電池によると、例えば、負極側に配されたセパレータのガス通路に燃料ガスを流し、正極側に配されたセパレータのガス通路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こって電気が発生する。この燃料電池の作動中においては、ガス拡散層は電気化学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータとの間で伝達させると同時に燃料ガス及び酸化剤ガスを拡散させる。また、負極側の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、電解膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、正負の電極触媒層を通して電力が取り出される。
【０００５】
そのとき発生した生成水は、カソード側のセパレータの表面に設けられた流路を経由して未反応の酸素と共にマニホールドを通じて排出される。この生成水中には電解膜から発生する硫酸及びフッ酸が含まれており、これらの酸に対して影響を受け難い素材がセパレータやガスケット材料として用いられている。因みに、セパレータは現在カーボンの成形品が、ガスケット材料としてはフッ素系のエラストマーが主流になりつつある。
【０００６】
ところで、燃料電池のスタックは２枚のセパレータの間にアノード電極、電解質膜、カソード電極が組み込まれて一つのセルに構成されていて、そのセルが数十から数百枚積層し、かつ、その末端に絶縁を目的としたインシュレータを装備することで燃料電池本体を形成している。このような燃料電池に関する例としては、例えば、特許文献１や特許文献２において開示されたものが知られている。
【０００７】
インシュレータの材料には、熱や荷重による変形を防止するために、近年では、エポキシをベースとしたガラス繊維入りのＦＲＰが用いられることが多い。そして、このインシュレータにもガスや生成水の通過するマニホールドが設けられており、反応によって発生した生成水等がマニホールド部を流れることとなる。
【０００８】
そこで、従来、インシュレータにおけるマニホールド部分の構造は、図１２に示すように、ＦＲＰ板製のインシュレータ１の表裏の各面１ａ，１ｂには、孔であるマニホールド２の周縁部に位置させて凹入溝３，４を形成し、それら各凹入溝３，４に断面が略山型形状のゴム製のシールリング５を接着する構造とされていた。つまり、燃料電池として組付けられた状態では、各シールリング５が圧縮されてマニホール２をその全周に亘ってシールし、ガスや生成水を、それらの漏洩がない状態としてマニホールド２に流すのである。
【０００９】
しかしながら、上述したように、生成水には硫酸とフッ酸とが含まれているので、過酷な運転条件下では、その生成水がマニホールド内を流れるときに、生成水中に含まれるフッ酸とＦＲＰ中のガラス繊維とが反応して、ガラス繊維が溶解するという不都合を招くおそれがある。
【００１０】
前述の従来技術では、インシュレータ１におけるシールリング５の内側部分（マニホールド２側部分）６を設けてあり、インシュレータ本体にまで影響が及ぶには時間が掛かるが、その内側部分６からガラス繊維が溶解する不都合はすぐに生じる。そして、その不都合が、時間の経過に伴って次第にインシュレータ本体に及んでゆくとともに、溶解したガラス繊維が生成水中に流れ出す問題がある。
また、インシュレータやセパレータが金属製の場合でも、生成水に含まれる硫酸によって侵されるおそれがある。
【００１１】
さらに、インシュレータに使用されている素材が、前述したようにエポキシベースのＦＲＰであるときには、比較的熱的に弱く、ゴム製ガスケットの成形温度以下で変形してしまう性質がある。そのため、ガスケットをインシュレータに直接一体形成させるという、生産性の良い加工手段を採ることが困難であり、接着によって一体化させる手段を採らざるを得ないものでもあった。このように、インシュレータやセパレータといった燃料電池の構成要素におけるガスケットには、改善の余地が残されているものであった。
【特許文献１】特開２０００−４８８４９号公報
【特許文献２】特開２００２−２９８８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、インシュレータ等の燃料電池の構成要素において、ガラス繊維が溶解するとか金属が侵されるといった不都合なく、ガスや生成水を通過させることができる燃料電池用ガスケットを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１の構成は、燃料電池の構成要素であり、流体通路が形成されたシール対象部材に使用される燃料電池用ガスケットにおいて、シール対象部材における流体通路に面した端部に取付けるための取付手段を有した芯材と、流体通路からシール対象部材を遮断させるべく芯材に固定支持されたシール部材とを有して成ることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の構成は、請求項１の構成において、取付手段は、芯材を着脱自在にシール対象部材に取付けるものに構成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３の構成は、請求項２において、取付手段は、芯材に、シール対象部材に形成された凹部又は突片に係止嵌合させる部分を設けることで構成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４の構成は、請求項１〜３のいずれかにおいて、シール部材は、芯材の表面側及び裏面側とにシール作用する表シール部と裏シール部と、芯材を流体から遮断すべく表裏のシール部に亘って連続形成された側面シール部とを有した断面略コ字状のものに構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項５の構成は、シール対象部材の流体通路に面した端面に、芯材を一体化させることにより、請求項１〜４のいずれかの燃料電池用ガスケットを有した燃料電池用部品としたことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６の構成は、請求項１〜４のいずれかの燃料電池用ガスケットが装備された燃料電池用部品、又は請求項５の燃料電池用部品を備えた燃料電池であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項７の構成は、請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記シール対象部材は、インシュレータであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の燃料電池用ガスケットは、シール対象部材における流体通路に面した端部に取付けるための取付手段を有した芯材と、流体通路からシール対象部材を遮断させるべく芯材に固定支持されたシール部材とを有して構成されているので、シール対象部材を流体からほぼ完全に遮断することが可能になる。これにより、シール対象部材がＦＲＰ製である場合に、生成水に含まれるフッ酸とＦＲＰ中のガラス繊維とが反応してガラス繊維が溶解するとか、金属製である場合には含有硫酸によって金属が侵されるといった不都合が解消され、シール対象部材の損傷が生じない良好な状態を長期に亘って維持できるものが得られた。また、シール対象部材とは別の芯材にシール部材を設けるので、シールの成形温度に十分耐えて一体成形が可能であり、生産性が改善できる利点もある。
【００２１】
請求項２の燃料電池用ガスケットは、シール対象部材に着脱自在に取付けてあるから、損傷したときに交換が容易で、メンテナンス性に優れるとともに、種類の異なる複数のシール対象部材に適用可能となり、汎用性に優れる効果も奏することができる。
【００２２】
請求項３の燃料電池用ガスケットは、シール対象部材に形成された凹部又は突片と係止嵌合される部分を設けてあるので、治具等を用いることなく、所定の相対位置に組付けできる復元性が得られるとともに、これら両者の組込みに伴う押し込み量も決めることができて、生産性に優れる合理的なものにできた。
【００２３】
請求項４の燃料電池用ガスケットは、シール部材の断面形状を略コ字形状としたので、シール対象部材だけでなく、芯材も流体から遮断することができるので、芯材、即ちガスケットの寿命（耐用年数）を改善できる効果がある。
【００２４】
請求項５の燃料電池用部品や、請求項６の燃料電池では、以上のいずれかの効果を奏する燃料電池用ガスケットを備えており、より改善された燃料電池用部品、或いは燃料電池を提供することができた。
【００２５】
請求項７の燃料電池用ガスケットでは、シール対象部部材が、より高い絶縁性の要求されるインシュレータであるから、インシュレータの良好な絶縁性が維持されて信頼性に優れるものとなる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００２７】
図１に、自動車に搭載される燃料電池の概略の全体斜視図が、図２に燃料電池の端部構造を示す部分側面図が、そして、図３にはインシュレータの平面図が夫々示されている。図４にはガスケットの平面図を示し、図５〜７はガスケット各部の断面図を示してある。尚、図３における仮想線３０は、シール対象部材がセパレータ１２であるときの、水素、空気、又は冷却水をシールするシール部材を示している。
【００２８】
燃料電池Ｅは、図１、図２に示すように、所期の電圧を得るべく、セパレータ１２を介して積層された多数のセル（単電池）１１を、一対のインシュレータ１３の間に配置し、さらにその両外側に配置した一対の圧力プレート１４で挟み込む構造とされている。両端の圧力プレート１４どうしは、図示しない緊張機構によって互いに接近する方向に押圧されており、それによって、多数のセル１１、多数のセパレータ１２、及び一対のインシュレータ１３を挟持固定して一体化してある。
【００２９】
セル１１は、板状カーボン製の燃料極（アノード）１５と、板状カーボン製の空気極（カソード）１６とを、固体高分子電解膜１７を介して対向配置して成る三層構造のものに構成されている。セパレータ１２も、カーボンの成形品によるものが多い。つまり、三層構造で成る一つのセル１１は、一対のセパレータ１２の間にサンドイッチされたような構成とされている。
【００３０】
この燃料電池Ｅには、これを積層方向に貫通する状態で、ガスや生成水等の流体通路であるマニホールド１８，１９が形成されている。即ち、第１マニホールド１８と、第２マニホールド１９とを上下に並べての対が、燃料電池Ｅとしての左右夫々に配備されており、両端の圧力プレート１４に形成された取出し筒２０，２１により、図示しない所定の配管構造に接続される。セパレータ１２やインシュレータ１３には、各マニホールド１８，１９を形成するためのガスケット２２が装備されている。
【００３１】
次に、ガスケット２２及びその装着構造について説明する。シール対象部材の一例であるインシュレータ１３に使用されるガスケット（燃料電池用ガスケット）２２は、図３〜図７に示すように、インシュレータ１３におけるマニホールド１８，１９に面した端部１３ａに取付けるための取付手段ｔを有した芯材２３と、各マニホールド１８，１９からインシュレータ１３を遮断させるべく芯材２３に固定支持されたシール部材２４とを有して構成されている。つまり、シール対象部材は、セルスタック（燃料電池Ｅ）の両端に配置される集電板（セパレータ１２）と、エンドプレート（圧力プレート１４）との間に介在されるインシュレータである。
【００３２】
芯材２３は、加工し易い金属（例えば、ＳＰＣＣやＳＰＨＣ等圧延鋼板、鋳造や鍛造による鋳鉄、或いはステンレス等、種々のものが可能である）で成る平面視で略「日」字形状を呈しており、前後左右の計４箇所に、矩形状で横側方に張出た突出部２５が一体形成されている。突出部２５は、芯材２３の一方の外面と面一で、かつ、芯材２３の厚みの約半分弱の厚みを有しており、インシュレータ１３の口金２６に形成された凹部２７に対して嵌合自在である。
【００３３】
シール部材２４は、断面が略コ字状でゴム材製であって、芯材２３の表裏の両面２３ａ，２３ｂと、マニホールド１８，１９を形成する内側の横側面２３ｃとの三面を覆う形状に形成されている。つまり、芯材２３の表面側及び裏面側とにシール作用する表シール部２４Ａと裏シール部２４Ｂと、芯材２３をガスや生成水等の流体から遮断すべく表裏のシール部２４Ａ，２４Ｂに亘って連続形成された側面シール部２４Ｃとを有した断面略コ字状のものに構成されている。そして、表及び裏のシール部２４Ａ，２４Ｂには、厚み方向に突出したビード２８が一体形成されている。ビード２８は、図示のように略三角形の他、半円形や矩形でも良い。
【００３４】
インシュレータ１３は、最も端に配置されたセパレータ（即ち、セルスタックの両端に配置される集電板）１２、と、圧力プレート（エンドプレート）１４との間に介在されるものであり、ＦＲＰ製のインシュレータ本体１３Ａと、ガスケット２２を着脱可能に装着するための口金２６とから構成されている。これら両端のセパレータ１２や圧力プレート１４は、ステンレス鋼板製であることが多い。尚、セルスタックとは、セパレータ１２を介してセル１１を多数積層した構成を指し、燃料電池本体と呼ばれることも多い。
【００３５】
口金２６は、芯材２３を密着内嵌させるべく、芯材２３の外周と略同寸法で同形状の内周を有した環状の金属材で形成されており、図７や図８に示すように、突出部（「係止嵌合させる部分」の一例）２５を嵌入させる矩形状の凹部２７が４箇所形成されている。また、口金２６には、これを強固にインシュレータ本体１３Ａに一体化するための薄肉周辺部２６ａが形成されている。
【００３６】
この突出部２５を凹部２７に嵌合させる構造で成る取付手段ｔにより、ガスケット２２のインシュレータ１３への入れ込み位置が自動的に決まるとともに、その入れ込み方向に対するガスケット２２とインシュレータ１３との抜け止め作用も生じるので、実用上において合理的な構造となる利点がある。尚、図７に示すように、インシュレータ１３の厚みｄ１と、シール部材２４の基準厚みｄ２と、ビード２８部分に厚みｄ３との三者の関係は、ｄ３＞ｄ１＞ｄ２とすれば、組付け時にビード２８が変形し易くて良いが、ｄ３＞ｄ１＝ｄ２やｄ３＞ｄ１≒ｄ２の関係に設定しても良い。
【００３７】
ガスケット２２は、次のような工程によって作成される。先ず、アルコールやケトン等の有機溶剤によって芯材２３の汚れや油分を十分に除去する洗浄工程を行い、それから表裏の両面２３ａ，２３ｂ，及び横側面２３ｃに接着剤を塗布する塗布工程を行う。ここで、接着剤の塗布方法としては、ディッピング、スプレー、刷毛塗り、ディスペンサーによる塗布等のいずれでも良い。また、接着剤の種類によっては、風乾させた後に、所定の温度にて焼き付け処理を行うこともある。
【００３８】
そして、接着剤が塗られた芯材２３を金型（図示省略）にセットし、射出成形によって芯材２３にシール部材２４の材料を射出し、表裏のシール部２４Ａ，２４Ｂ及び側面シール部２４Ｃを、表裏の両面２３ａ，２３ｂ及び横側面２３ｃに接着させる射出貼着工程を行う。この射出貼着工程では、射出された材料の熱により、芯材２３に塗布されている接着剤が熱せられ、芯材２３とシール部材２４とが、いわゆる「焼き付け接着」される状態になり、これら両者をより強固に一体化できる利点がある。尚、各図において、接着剤を描くことは省略してある。
【００３９】
このようにして形成されたガスケット２２を、各突出部２５が対応する凹部２７に係止嵌合される状態（図８参照）で、口金２６に強制的に内嵌して組み込むことにより、ガスケット２２が装備されたインシュレータ（燃料電池用部品の一例）１３を構成することができる。この構成によるインシュレータ１３では、ガスケット２２のシール部材２４のシール機能により、インシュレータ本体１３Ａ、口金２６、及び芯材２３のいずれもマニホールド１８，１９から遮断されており、ガスや生成水に含まれる成分による悪影響が生じないようになっている。
【００４０】
ガスケット２２は，インシュレータ１３に対して着脱自在であるから、シール部材２４が損傷したり、耐用年数が過ぎたような場合には、ガスケット２２ごと交換が容易である。また、インシュレータ本体１３Ａとは別部材である芯材２３は金属製であり、ゴム材のシール部材２４の成形温度で変形することはないから、前述したように、芯材２３にシール部材２４を直接に射出して一体成形できるので、生産性も改善することができる。さらに、ガスケット２２を、インシュレータ１３以外の燃料電池用部品（セパレータ１２等）にも使用可能であり、汎用性に富む利点もある。
〔別実施形態〕
【００４１】
〈１〉  ガスケット２２の形状（構造）は、図９に示すように、単純にインシュレータ１３に内嵌合（圧入）させる構造でも良い。また、ガスケット２２の形成方法としては、予め所定形状に形成されているシール部材２４を、接着剤が塗布された芯材２３に嵌合させて貼着一体化させる方法であっても良い。
【００４２】
〈２〉  ガスケット２２の形状（構造）は、図１０に示すように、芯材２３に嵌装されたシール部材２４の外側の側面シール部２４Ｄを介してインシュレータ１３に内嵌合（圧入）させる構造でも良い。また、図示はしないが、基本的に図９に示す構造としておき、部分的に図１０に示す構造を採ることにより、よりインシュレータ１３にフィットさせて組付ける手段も可能である。
【００４３】
〈３〉  インシュレータ１３の形状（構造）は、図１１に示すように、ガスケット２２の嵌合部に抜け止め突起２９を一体的に設けて、ガスケット２２の組付け易さや、抜け止め作用が得られるようにしても良い。
【００４４】
〈４〉  ガスケット２２は、インシュレータ１３の他、セパレータ１２等の燃料電池用部品に適用自在である。ガスケット２２を、圧入やカシメ（加締）或いは貼着、溶着等の取外し不能な取付手段ｔを用いて燃料電池用部品１３に装備する構成でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】燃料電池の概略構造を示す全体斜視図
【図２】燃料電池の端部構造を示す部分側面図
【図３】インシュレータの平面図
【図４】燃料電池用ガスケットの平面図
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図
【図６】図４のＢ−Ｂ線断面図
【図７】図４のＣ−Ｃ線断面図
【図８】ガスケットの突出部をインシュレータ本体の凹部に入れ込む作用図
【図９】ガスケットの第１別嵌合構造を示す要部の断面図
【図１０】ガスケットの第２別嵌合構造を示す要部の断面図
【図１１】ガスケットの第３別嵌合構造を示す要部の断面図
【図１２】従来のガスケット構造を示すインシュレータ要部の断面図
【符号の説明】
【００４６】
１３            シール対象部材、燃料電池用部品、インシュレータ
１８            流体通路
２２            燃料電池用ガスケット
２３            芯材
２４            シール部材
２４Ａ          表シール部
２４Ｂ          裏シール部
２４Ｃ          側面シール部
２５            凹部又は突片
２６            端部
２７            係止嵌合させる部分
ｔ              取付手段
【図１】
2005108526.tif 000003
【図２】
2005108526.tif 000004
【図３】
2005108526.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005108526.tif 000008
【図７】
2005108526.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005108526.tif 000011
【図１０】
2005108526.tif 000012
【図１１】
2005108526.tif 000013
【図１２】
2005108526.tif 000014