(57)【要約】【課題】      ガスケットの剥離を防止することが可能な燃料電池用シール構造、及び、当該燃料電池用シール構造を備える燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池構成部材２４の表面に配置される接着剤層１２と、当該接着剤層１２を介して燃料電池構成部材２４の表面へ取り付けられるガスケット１１とを備え、燃料電池２００内の流体と接触し得る、接着剤層１２の表面が、耐食性材料１３、１３によって被覆されている、燃料電池用シール構造２０とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池構成部材の表面に配置される接着剤層と、該接着剤層を介して前記表面へ取り付けられるガスケットとを備え、
燃料電池内の流体と接触し得る、前記接着剤層の表面が、耐食性材料によって被覆されていることを特徴とする、燃料電池用シール構造。
【請求項２】
前記接着剤層、並びに、前記ガスケット及び前記耐食性材料の少なくとも一部が、前記燃料電池構成部材の凹部に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用シール構造。
【請求項３】
前記燃料電池構成部材はセパレータであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池用シール構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のシール構造を備えることを特徴とする、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用シール構造及び該燃料電池用シール構造を備える燃料電池に関し、特に、ガスケットの剥離を防止することが可能な、燃料電池用シール構造、及び、該燃料電池用シール構造を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層と、当該電解質層の両側に配設される電極（カソード及びアノード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、外部に取り出している。燃料電池の中でも、固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を構成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。
【０００４】
燃料電池における電気発生の源となる電気化学反応は、以下の工程で進行する。まず、セパレータに形成された溝等を通してアノードへと届けられた水素は、触媒の存在下、水素イオンと電子とに分解される。
アノード側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                    （式１）
そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜を通過してカソードへと移動する。電解質膜はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜を通過することができず、外部の回路を通って空気極へと移動する。燃料電池においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方で、カソードへと届けられた酸素が、空気極へと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。
カソード側：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ    (式２)
【０００５】
一方、ＰＥＦＣの単セルでは、上記反応の副反応によりＯＨラジカル等も生成される。単セル内でＯＨラジカルが生成されると、このＯＨラジカルによって電解質膜等の一部が損傷され、酸が溶出することが知られている。
【０００６】
このように、ＰＥＦＣでは、アノードに水素含有ガス（以下において、「水素」と記述することがある。）を、カソードに酸素含有ガス（以下において、「空気」と記述することがある。）をそれぞれ供給することにより、ＭＥＡで電気化学反応を起こしている。したがって、電気エネルギーを効率良く発生させるには、上記反応ガスの漏洩（ガス漏れ）を防止することが必要である。また、ＰＥＦＣの作動中に生成される酸が系外へ溶出することを防止することも、必要とされる。そのため、ＰＥＦＣでは、ガスケットを備えるシール構造を設けることで、反応ガス及び酸性溶液等の漏れを防止している。
【０００７】
これまでに、燃料電池用シール構造に関する技術はいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、ガスケットを、熱硬化性接着剤を介して集電極フレーム（上記セパレータに相当）へ接着することを特徴とする、燃料電池用ガスケットに関する技術が開示されている。かかる技術によれば、ガスケットにより強力かつ安定的に密封されるので、燃料電池の発電効率を最大に高めることが可能になるとしている。
【０００８】
また、特許文献２には、一面に貼着機能を備えたシート状ガスケット取付部材と、このシート状ガスケット取付部材と一体化されたゴム状弾性材製のガスケット本体とを有し、シート状ガスケット取付部材の貼着機能によって相手取付部材に取り付けられることを特徴とする、ガスケットに関する技術が開示されている。かかる技術によれば、ガスケット本体がシート状ガスケット取付部材を介して相手取付部材に接着されるため、相手取付部材が低強度の材料や薄板であっても割れ等が発生する虞がないため、相手取付部材とガスケットとを容易に一体化することができる、としている。
【０００９】
さらに、特許文献３には、耐食性材料を金属薄板にメッキしたセパレータの、両面又は片面に接着剤を用いることなく液状ゴム硬化物（上記ガスケットに相当）を成形した、燃料電池用ガスケットに関する技術が開示されている。かかる技術によれば、メッキ処理を施したセパレータに接着剤を塗布しなくても、セパレータに液状ゴム硬化物が強固に固定されるため、製造工程を簡略化することが可能になる、としている。
【特許文献１】特開２００４−５５２７６号公報
【特許文献２】特開２００３−５６７０４号公報
【特許文献３】特開２００１−３３２２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、接着剤を介してガスケットを接着している。そのため、接着剤が、単セル内を流れる反応ガス、電気化学反応により生成される水、あるいはセパレータを冷却すべき冷却水等と接触することにより劣化すると、ガスケットの接着機能が低下してガスケットがセパレータから剥離し、密封性が低下しやすいという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術でも、貼着機能を有する接着剤や粘着剤を介してガスケットが取り付けられるため、接着剤が劣化するとガスケットがセパレータから剥離し、密封性が低下しやすいという問題があった。さらに、特許文献３に開示されている技術では、接着剤を介さずに、液状ゴム硬化物がセパレータに固定されているため、単セルへと加えられる外力等により液状ゴム硬化物が剥離し密封性が損なわれる虞があるという問題があった。
【００１１】
そこで本発明は、ガスケットの剥離を防止することが可能な燃料電池用シール構造、及び、当該燃料電池用シール構造を備える燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、燃料電池構成部材の表面に配置される接着剤層と、当該接着剤層を介して燃料電池構成部材の表面へ取り付けられるガスケットとを備え、燃料電池内の流体と接触し得る、接着剤層の表面が、耐食性材料によって被覆されていることを特徴とする、燃料電池用シール構造により、上記課題を解決する。
【００１３】
ここに、接着剤層が配置される燃料電池構成部材の具体例としては、セパレータ等を挙げることができる。また、接着剤層を構成する接着剤は、燃料電池構成部材にガスケットを接着可能であれば特に限定されるものではなく、その具体例としては、アクリル系の接着剤、シリコン系の接着剤等を挙げることができる。さらに、ガスケットは、燃料電池内に密封空間を形成可能であれば特に限定されるものではなく、例えば、ゴム材等を用いることが可能である。当該ゴム材の具体例としては、フッ素ゴム（ＦＰＭ）、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）等を挙げることができる。加えて、耐食性材料は、接着剤層の腐食損傷を防止可能な耐食性を有していれば特に限定されるものではなく、例えば、樹脂材、ゴム材、金属等を用いることができる。樹脂材の具体例としては、フッ素樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を、ゴム材の具体例としては、ＦＰＭ、ＥＰＤＭ、クロロピレンゴム（ＣＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）等を、金属の具体例としては、金、白金等を、それぞれ挙げることができる。また、燃料電池内の流体とは、単セル内等に存在し得る流体を意味し、具体的には、水素、空気等の反応ガス、電気化学反応によって生成される水（水蒸気）、及び、セパレータを冷却すべきＬＬＣ等の冷却媒体等を意味している。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池用シール構造において、接着剤層、並びに、ガスケット及び耐食性材料の少なくとも一部が、燃料電池構成部材の凹部に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
ここに、燃料電池構成部材の凹部の形態は、接着剤層、ガスケット、及び、耐食性材料を配置可能であれば特に限定されるものではない。また、接着剤層、ガスケット、及び、耐食性材料を配置するために形成された凹部であっても良く、燃料電池構成部材の表面に予め存在する凹部に、接着剤層、ガスケット、及び、耐食性材料が配置される形態であっても良い。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池用シール構造において、燃料電池用構成部材はセパレータであることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用シール構造を備えることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、ガスケットを燃料電池構成部材に接着固定すべき接着剤層が、耐食性材料によって被覆されている。そのため、当該耐食性材料によって、接着剤層の腐食損傷を防止することが可能になり、接着剤の接着性を長期間に亘って維持することが可能になる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、ガスケットの剥離を長期間に亘って防止することが可能な、燃料電池用シール構造を提供することが可能になる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、接着剤層、並びに、ガスケット及び耐食性材料の少なくとも一部が、燃料電池構成部材の凹部に配置されるので、耐食性材料を接着剤表面に固定することが容易になる。したがって、請求項２に記載の発明によれば、ガスケットの剥離を長期間に亘って容易に防止することが可能な、燃料電池用シール構造を提供することが可能になる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、セパレータは燃料電池構成部材の中でも強度が高いため、凹部の形成が容易である。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、ガスケットの剥離を長期間に亘って防止することが可能な燃料電池用シール構造により、燃料電池内の密封性が維持されるので、発電効率を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ＰＥＦＣは、単セルへと供給される水素及び空気（以下において、これらをまとめて「反応ガス」と記述することがある。）を用いて発電しており、その発電時に水が生成される一方、副反応により、ＯＨラジカル等も生成される。単セル内で生成されるＯＨラジカル等は、単セル内の構成部材（電解質膜、触媒層等）に備えられる電解質成分を劣化させ、この劣化により、微量の酸が溶出する。そのため、単セル内は酸性環境であり、当該酸性環境下に、反応ガスや水等の流体が存在している。さらに、ＰＥＦＣのセパレータは、冷却水等の冷却媒体により冷却されるため、この冷却媒体も単セル内に存在する可能性がある。
【００２３】
燃料電池の発電効率を向上させるためには、単セルへと供給される反応ガスが効率良く利用される必要があり、反応ガスの利用効率は、単セルを密封することにより向上可能である。そのため、従来から、セパレータに取り付けられるガスケットを用いて単セルを密封する技術が知られており、ガスケットは接着剤を介して固定されるのが一般的である。しかし、上述のように、単セル内は数種類の流体が存在する酸性環境であるため、かかる流体により接着剤が腐食損傷される虞がある。接着剤が損傷（劣化）すると、ガスケットがセパレータから剥離しやすくなり、単セルの密封性が低下しやすい。なお、接着剤を高耐食性材料により構成する形態も考えられるが、単セル内の流体と直接接触する環境で、当該材料の耐食性を長期間に亘って維持することは、困難である。
【００２４】
他方、接着剤を用いることなく、セパレータにガスケットを直接固定する技術もこれまでに提案されているが、かかる形態ではガスケットの接着力が低下しやすいため、単セルの密封性を保ち難いという問題がある。
【００２５】
本発明は、かかる観点からなされたものであり、その要旨は、ガスケットを燃料電池構成部材へ取り付ける際に用いられる接着剤層の表面を、耐食性材料で被覆し、接着剤層と燃料電池内の流体との接触を防止することにある。かかる形態とすれば、接着剤層の劣化が防止され、接着剤の接着能を長期間に亘って維持可能である。そのため、ガスケットの剥離を防止し得る燃料電池用シール構造を提供することが可能になり、発電性能を向上させ得る燃料電池とすることが可能になる。
【００２６】
以下に図面を参照しつつ、本発明について具体的に説明する。以下において、燃料電池用シール構造を、単に「シール構造」と、接着剤層を単に「接着剤」と、それぞれ表記することがある。
【００２７】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池用シール構造を備える燃料電池の一部、及び、当該シール構造の形態例を概略的に示す断面図であり、紙面上下方向が、セパレータの積層方向である。図１（Ａ）は、第１実施形態にかかる燃料電池用シール構造を有する、燃料電池（以下において、「単セル」と記述することがある。）の一部を拡大して示す断面図である。一方、図１（Ｂ）は、第１実施形態にかかる燃料電池用シール構造の形態例を概略的に示す断面図であり、当該シール構造が設けられる部位を拡大して示している。以下、図１を参照しつつ、第１実施形態にかかる燃料電池用シール構造について説明する。
【００２８】
図１（Ａ）に示すように、第１実施形態にかかる単セル１００は、セパレータ１４の端部に形成されたシール構造１０、１０を備えている。一方、単セル１００は、電解質膜１、及び、当該電解質膜１の両側に配設されるアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層３ａを備えるＭＥＡ４と、ＭＥＡ４の外側に配設されるアノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂと、を備える積層体５を備え、積層体５の外側に配設されるセパレータ１４、１４’の、積層体５側の面には、それぞれ、反応ガス供給路６ａ、６ａ、…、６ｂ、６ｂ、…が形成されている。そして、積層体５が、セパレータ１４、１４’によって挟まれ、セパレータ１４、１４’、及び、セパレータ１４に形成されているシール構造１０、１０によって積層体５が存在する空間（以下において、「密封空間」と記述することがある。）が密封されることにより、単セル１００が作製される。
【００２９】
一方、図１（Ｂ）に示すように、第１実施形態にかかるシール構造１０は、単セル１００の構成部材であるセパレータ１４の表面に配置される接着剤１２と、当該接着剤１２を介してセパレータ１４の表面へ取り付けられるガスケット１１と、接着剤１２の表面を被覆すべき耐食性材料１３、１３と、を備えており、耐食性材料１３、１３により、ガスケット１１及び接着剤１２の表面が被覆されている。そのため、密封空間内に存在する流体（水素、空気、生成水等）は、ガスケット１１には直接接触可能である一方、接着剤１２は耐食性材料１３、１３によって被覆されているので、当該耐食性材料１３、１３によって接着剤１２の表面が被覆されている限り、上記流体と接着剤１２とは直接接触しない。したがって、シール構造１０によれば、密封空間内の流体による、接着剤１２の腐食損傷を防止することが可能であり、接着剤１２の接着能が維持されるため、ガスケットの剥離を長期間に亘って防止すること、及び、上記密封空間の密封性を長期間に亘って維持することが可能になる。そして、燃料電池１００は、かかる形態のシール構造１０、１０を備えているので、反応ガスの供給効率が向上する。そのため、第１実施形態にかかるシール構造１０、１０を備える形態とすることで、発電効率を向上させ得る燃料電池１００を提供することが可能になる。
【００３０】
２．第２実施形態
図２は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池用シール構造を備える燃料電池の一部、及び、当該シール構造の形態例を概略的に示す断面図であり、紙面上下方向が、セパレータの積層方向である。図２（Ａ）は、第２実施形態にかかる燃料電池用シール構造を有する、燃料電池の一部を拡大して示す断面図である。一方、図２（Ｂ）は、第２実施形態にかかる燃料電池用シール構造の形態例を概略的に示す断面図であり、当該シール構造が設けられる部位を拡大して示している。図２において、図１に示す燃料電池及びシール構造と同様の構成を採る部材には、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３１】
図２（Ａ）に示すように、第２実施形態にかかる燃料電池セル２００は、セパレータ２４の端部に形成された凹部２４ａ、２４ａに、シール構造２０、２０が配置されている。一方、単セル２００は、電解質膜１、アノード触媒層２ａ、及びカソード触媒層３ａを備えるＭＥＡ４と、アノード拡散層２ｂ及びカソード拡散層３ｂとを備える積層体５を備え、積層体５の外側に配設されるセパレータ２４、１４’の、積層体５側の面には、それぞれ、反応ガス供給路６ｃ、６ｃ、…、６ｂ、６ｂ、…が形成されている。そして、セパレータ２４、１４’、及び、セパレータ２４に備えられるシール構造２０、２０によって積層体５が存在する空間が密封されることにより、単セル２００が作製される。
【００３２】
一方、図２（Ｂ）に示すように、第２実施形態にかかるシール構造２０は、接着剤１２、ガスケット１１、及び、耐食性材料１３、１３を備えている。このように、シール構造２０の各構成部材がセパレータの凹部２４ａに配置されれば、耐食性材料１３、１３により、接着剤１２の表面を容易に被覆することが可能になる。したがって、第２実施形態にかかるシール構造２０によれば、接着剤１２の腐食損傷を容易に防止することが可能になるので、ガスケット１１の剥離を容易に防止することが可能になる。そして、燃料電池２００は、かかる形態のシール構造２０、２０を備えているので、反応ガスの供給効率が向上する。そのため、第２実施形態にかかるシール構造２０、２０を備える形態とすることで、発電効率を向上させ得る燃料電池２００を提供することが可能になる。
【００３３】
本発明において、耐食性材料は、接着剤の劣化を防止するために用いられ、ガスケットは、接着剤を介してセパレータに接着されている。そのため、本発明にかかる耐食性材料は、少なくとも耐食性を有していれば良く、接着性（粘着性）は、原則として要求されない。但し、上記第１実施形態及び第２実施形態のように、耐食性材料が、ガスケット及び接着剤の表面を被覆し得る形態で備えられる場合には、接着性を有する耐食性材料を用いても良い。かかる形態の耐食性材料を用いれば、接着剤及び耐食性材料を介して、ガスケットをセパレータ上に固定することが可能になるため、ガスケットの剥離をより一層効果的に防止し得る、燃料電池用シール構造、及び、当該燃料電池用シール構造を備える燃料電池を提供することが可能になる。
【００３４】
本発明に用いられる耐食性材料は、燃料電池内の環境に耐えることができ、かつ、燃料電池の作動時においても接着剤の表面を被覆可能なものであれば、特に限定されない。本発明にかかる耐食性材料の具体例としては、フッ素樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂材、ＦＰＭ、ＥＰＤＭ、ＣＲ、ＮＢＲ等のゴム材、金、白金等の金属等を挙げることができる。
【００３５】
本発明において、接着剤の表面に耐食性材料を配置する方法は、接着剤の表面に固定可能であれば特に限定されるものではない。当該配置方法の具体例としては、スプレー塗布法や、注射器等を用いて配設する方法等を挙げることができる。
【００３６】
また、本発明において、接着剤は、燃料電池構成部材（例えば、セパレータ等）の表面に、ガスケットを、密封空間を形成し得る形態で固定可能なものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、従来のシール構造において使用されていた接着剤等を用いることが可能である。本発明にかかる接着剤の具体例としては、アクリル系の接着剤や、シリコン系の接着剤等を挙げることができる。
【００３７】
さらに、本発明において、ガスケットは、燃料電池内に密封空間を形成可能であれば特に限定されるものではなく、例えば、ゴム材等を用いることが可能である。ゴム材の具体例としては、ＦＰＭ、シリコンゴム、ＥＰＤＭ等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１実施形態にかかる燃料電池用シール構造を備える燃料電池セル、及び、当該シール構造の形態例を概略的に示す断面図である。
【図２】第２実施形態にかかる燃料電池用シール構造を備える燃料電池セル、及び、当該シール構造の形態例を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０、２０  燃料電池用シール構造
１１  ガスケット
１２  接着剤
１３  耐食性材料
１４、２４  セパレータ
１００、２００  燃料電池
【図１】
2007059256.tif 000003
【図２】
2007059256.tif 000004