(57)【要約】【課題】分離板の破損や変形を防止するとともに、ガスケットの離脱が防止ができる燃料電池スタックの応力集中低減のためのガスケットを提供する。【解決手段】本発明は、ＭＥＡと分離板との間または分離板と分離板との間に挿入され、気密を維持する燃料電池スタックのガスケットにおいて、水素、空気および冷却水マニホールドを形成するために、連結部が“Ｔ”字型または“十”字型構造からなり、圧縮力によるガスケットの変形により前記ガスケットに発生する応力集中を解消するために、１８０°をなす両方向の連結部の分岐部分（ｂｒａｎｃｈ）が一定角度を持ちつつ交差部で出会う構造からなることを特徴とする。【選択図】  図１２
2009070792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＡと分離板との間または分離板と分離板との間に挿入され、気密を維持する燃料電池スタックのガスケットにおいて、
水素、空気および冷却水マニホールドを形成するために、連結部が“Ｔ”字型または“十”字型構造からなり、圧縮力によるガスケットの変形により前記ガスケットに発生する応力集中を解消するために、１８０°をなす両方向の連結部の分岐部分（ｂｒａｎｃｈ）が一定角度を持ちつつ交差部で出会う構造からなることを特徴とする燃料電池スタックのガスケット。
【請求項２】
前記ガスケットは別に製作され、ＭＥＡと分離板との間または分離板と分離板との間に挿入されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックのガスケット。
【請求項３】
前記ガスケットは射出により分離板の両面または分離板の一面およびＭＥＡの支持フィルムまたは支持シートに一体形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックのガスケット。
【請求項４】
前記角度は５°〜６５°であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックのガスケット。
【請求項５】
前記角度は２５°〜４５°であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックのガスケット。
【請求項６】
前記応力集中が発生するガスケットの“Ｔ”字型または“十”字型の連結部地点に応力集中防止用孔が形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックのガスケット。
【請求項７】
前記応力集中が発生するガスケットの直線部地点に応力集中防止用孔が形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックのガスケット。
【請求項８】
前記“Ｔ”字型連結部において、９０°で出会う部位に厚肉を形成し、既存の応力集中点（ａ）と変更後の応力集中点（ｂ）との間に孔の中心点が位置することを特徴とする請求項６記載の燃料電池スタックのガスケット。
【請求項９】
前記直線部に形成された応力集中防止用孔の形態は、円、楕円、多角形の中から選択されるいずれか一つであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池スタックのガスケット。
【請求項１０】
前記直線部に応力集中防止用孔の大きさを確保するために直線部の幅より大きく形成された突出部を含むことを特徴とする請求項９記載の燃料電池スタックのガスケット。
【請求項１１】
前記応力集中防止用孔の大きさは、孔と隣接するガスケット部位の最小幅がガスケット直線部の幅の１／４〜３／４となるように設計されることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池スタックのガスケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックのガスケットに係り、更に詳しくは、圧縮力によるガスケットの変形により特定部位に集中する応力を解消することで、分離板の破損や変形を防止し、更にはガスケットの離脱を防止することができる燃料電池スタックの応力集中低減のためのガスケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは燃料が持っている化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる一種の発電システムである。
燃料システムは大きく、電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システム、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空中の酸素を供給する空気供給システム、燃料電池スタックの反応熱をシステム外部に除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御する熱および水管理システムとを含む。
前記構成にて燃料電池システムでは燃料である水素と空気中の酸素による電気化学反応により電気を発生させ、反応副産物として熱と水を排出する。
現在、自動車用として広く使用されている燃料電池スタックは出力密度が高い固体高分子電解質形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。
【０００３】
図１は、従来の燃料電池スタック構造を表す図面である。燃料電池スタックは、水素イオンが移動する電解質膜を中心として、膜の両側に電気化学反応が起きる電極、触媒層が付着する３Ｌ  ＭＥＡ（膜電極接合体  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１と、ＭＥＡの両面に作動気体の流路を形成し、冷却水通路を作り、燃料電池の支持体の役割を行う分離板２と、ＭＥＡと分離板の間で作動気体を均等に分布し、発生した電気を伝達する役割を行う気体拡散層（ＧＤＬ）３が反復的に積層される構造である。
【０００４】
最近では、ＭＥＡ１の保護とハンドリングの容易性を確保するために支持フィルムや支持シート４を触媒層が除外されたＭＥＡ１の両面に接着させて一体形に製作している。
この時、分離板２とＭＥＡ１との間の気密が維持され、水素および空気が外部に漏出せず、分離板２内に構成されている水素マニホールド、空気マニホールドおよび冷却水マニホールド相互間の流体の漏れが発生しないように設計する必要がある。
このような気密を維持するのがガスケット８である。一般的に、ガスケット材質としてはＳｈｏｒｅ−Ａ５０度内外の硬度を有するフッ素系またはシリコーン系高分子が主に使用され、射出成形方式で製作されて分離板２と分離板との間または分離板とＭＥＡ１との間に挿入した後、外部に締結板９と締結ボルト１４を利用して圧力を加えて気密を維持させる。
【０００５】
燃料電池セルを積層してスタックを作った後、外部締結装置を構成して圧縮力を加える場合、ガスケットは弾性変形して気密を保つ。
しかし、ガスケットの変形量が設計構造上１ヶ所に集中すると、そこで分離板が集中応力を受け、分離板の材質の弾性が相対的に低い炭素系である場合、破損が発生する。
更に、前記分離板が薄板から製作された金属分離板である場合、破損は発生しないが、分離板の平坦度が維持されないため、気密を維持することができないだけでなく、ガスケットが基準位置から離脱する現象も発生する。
特に、高い圧力で作動するスタックの場合、ガスケットが分離板外部に滑り出る現象が発生する。このように、ガスケットの位置が離脱するのを防止するために、黒鉛分離板の場合、ガスケットシートに溝（ｇｒｏｏｖｅ）を形成するが、応力集中による分離板破損は避けにくい。
【０００６】
一方、ガスケットの離脱を防止する目的として、ＭＥＡ周囲に孔を形成し、液相ゴム材料を射出してガスケット一体形ＭＥＡを製造する方法または分離板に孔を形成し、液相ゴム材料を射出してガスケット一体形分離板を製作する方法が研究されており、別の支持シートに孔を形成し、支持シート両面を通過して射出ガスケットを一体化する技術が開発されている。
金属分離板の場合、分離板の外周端部位に屈曲端部を構成し、ガスケットが押され出ることを防止するか、または、ガスケットの変形量を規制するためにスペーサ（ｓｐａｃｅｒ）を挿入した形態が開発されており、クリップを使用して分離板、ガスケットそしてＭＥＡを一体化する技術も公開されている。
【０００７】
米国特許７，０８７，３３９号公報（特許文献１）には、硬度が高い支持シートに蜂の巣構造を有する薄いゴム板を接着させ、ＭＥＡと一体化させた構造からなる密封表面を有する燃料電池膜電極接合体が開示されている。
しかし、特許文献１は分離板の間隔を一定に維持し、スタック組立時、圧縮後の組立公差を減らせる長所があるが、十分に気密を維持するためにガスケットの面積が広くなければならない。
自動車用分離板の場合、車両パッケージが容易となるように分離板内の反応面積を大きくして、出力密度を高める必要があるが、広面積のガスケットは分離板内の非反応面積の比率を高め、スタックの体積が大きくなるため、車両用には適しない。
【０００８】
米国特許６，２３１，０５３号公報（特許文献２）には、支持シートに穴を開け、液相ゴム材質を射出する場合、シート両面に連結されるようにする燃料電池用ガスケットが開示されている。
特許文献２は、液相ゴムガスケットによりＭＥＡとも一体化された構造となっており、特許文献１と異なる点は射出ガスケットを適用し、この時、支持シートに穴を作り、支持シートの両面にガスケットを連結し、内部圧力や圧縮応力の集中によるガスケットの押出を防止するものである。
しかし、このような構造は内部圧力によりガスケットが外に押し出されることを効果的に防止することができるが、穴の間で気密が維持されない場合、水素と酸素が混ざり、触媒層の劣化を引き起こし、危険な状況を誘発する恐れがある。
【０００９】
特開２００４−２０７０７４号公報（特許文献３）には、金属セパレータにガスケットを多重シール構造で射出する燃料電池が開示されている。これは、分離板の外周端部に屈曲端部を構成し、ガスケットが外部に押し出される現象を防止し、追加的にシールまたは金属セパレータの変形量を規制するためにスペーサを端部に構成し、シールおよびセパレータを一体化して成形した構造である。
しかし、このような構造は多重シール構造の外側に再びスペーサを追加することで、セパレータの面積が広くなるという短所がある。更に、金属セパレータの端付近に屈曲端部をスタンピングしにくいことが予想され、全体的に構造が複雑である。
また、金属セパレータ内に水素、酸素および冷却水マニホールドが形成されなければならない場合、マニホールドとマニホールドの間の狭い間隔にこのような構造を適用することが困難である。
【００１０】
米国特許７，０６３，９１１号公報（特許文献４）には、分離板に孔をつくり、分離板両面にガスケットを連結させて射出した燃料電池用ガスケットおよびその製造方法が開示されている。これは、分離板にガスケットシート（ｇｒｏｏｖｅ）  を作り、ガスケットが逸脱するのを追加的に防止するものである。
しかし、この方法によると、孔の間に水素と酸素が混ざる確率を減らすことができるが、膜板成形で製作される金属分離板の場合は適用が不可能である。
【００１１】
特開第２００４−２４１２０８号公報（特許文献５）には、液相ゴムを射出し、金属分離板と一体化させてクリップを交互にはさんで固定した構造の燃料電池が開示されており、この特許もまた特許文献３のように、金属分離板内に水素、酸素および冷却水マニホールドが形成されなければならない場合、マニホールドとマニホールドの間の狭い間隔にこのような構造を適用することが困難である。
【００１２】
米国特許公開２００６／０２３６５３５号公報（特許文献６）には、支持シートを分離板外郭と同様に穴を作り、液相ゴムガスケットを射出で製作し、ＭＥＡをレーザー溶接で支持シートに溶接させる一体化した高分子電解質膜燃料電池用ガスケットアッセンブリの製造方法が開示されている。
更に、フランジ形態のプラスティック支持構造をなし、支持シートに付着して変形量制限のためにスペーサを支持構造に対して垂直方向に挿入した形態である。
しかし、本特許もやはり、ガスケット一体形ＭＥＡ製作に関するものであり、特許文献２と類似しており、支持構造の構成は特許文献３と類似しているが、分離板ではなくＭＥＡに一体化させた点に差がある。
【特許文献１】米国特許７，０８７，３３９号公報
【特許文献２】米国特許６，２３１，０５３号公報
【特許文献３】特開２００４−２０７０７４号公報
【特許文献４】米国特許７，０６３，９１１号公報
【特許文献５】特開２００４−２４１２０８号公報
【特許文献６】米国特許公開２００６／０２３６５３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、分離板の破損や変形を防止するとともに、ガスケットの離脱が防止ができる燃料電池スタックの応力集中低減のためのガスケットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するための本発明は、ＭＥＡと分離板との間または分離板と分離板との間に挿入され、気密を維持する燃料電池スタックのガスケットにおいて、水素、空気および冷却水マニホールドを形成するために、連結部が“Ｔ”字型または“十”字型構造からなり、圧縮力によるガスケットの変形により前記ガスケットに発生する応力集中を解消するために、１８０°をなす両方向の連結部の分岐部分（ｂｒａｎｃｈ）が一定角度を持ちつつ交差部で出会う構造からなることを特徴とする。
【００１５】
前記ガスケットは別に製作され、ＭＥＡと分離板との間または分離板と分離板との間に挿入されることを特徴とする。
【００１６】
前記ガスケットは射出により分離板の両面または分離板の一面およびＭＥＡの支持フィルムまたは支持シートに一体形成されることを特徴とする。
【００１７】
前記角度は５°〜６５°であることを特徴とする。
【００１８】
前記角度は２５°〜４５°であることを特徴とする。
【００１９】
前記応力集中が発生するガスケットの“Ｔ”字型または“十”字型の連結部地点に応力集中防止用孔が形成されることを特徴とする。
【００２０】
前記応力集中が発生するガスケットの直線部地点に応力集中防止用孔が形成されることを特徴とする。
【００２１】
前記“Ｔ”字型連結部において、９０°で出会う部位に厚肉を形成し、既存の応力集中点（ａ）と変更後の応力集中点（ｂ）との間に孔の中心点が位置することを特徴とする。
【００２２】
前記直線部に形成された応力集中防止用孔の形態は、円、楕円、多角形の中から選択されるいずれか一つであることを特徴とする。
【００２３】
前記直線部に応力集中防止用孔の大きさを確保するために直線部の幅より大きく形成された突出部を含むことを特徴とする。
【００２４】
前記応力集中防止用孔の大きさは、孔と隣接するガスケット部位の最小幅がガスケット直線部の幅の１／４〜３／４となるように設計されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による燃料電池スタックの応力集中低減のためのガスケットによると、圧縮力によるガスケットの変形により特定部位に集中する応力を解消することで、分離板の破損や変形を防止し、更に、ガスケットの離脱を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。
【実施例】
【００２７】
図２は一般的に、燃料電池分離板の気密を維持するために使用されるガスケットの構造を表す図面である。
既存のガスケット関連特許は、ガスケットがその位置から離脱することを防止するために、ガスケットを分離板と一体化またはＭＥＡと一体化させるか、補助的な支持構造を構成する方法が提示されている。
本発明はこのような付加的な手段ではなく圧縮力によるガスケット１０の変形により特定部位に集中する応力を解消することで、分離板２の破損や変形を防止し、更に、ガスケット１０の離脱を防止することができるようにした点に特徴がある。
【００２８】
燃料電池分離板用ガスケット１０は、水素、酸素そして冷却水が分離板２の外部に漏れ出ることを防ぐ機能を有するだけでなく、冷却水マニホールド１２ａ，１２ｂと水素マニホールド１３ａ，１３ｂとの間、冷却水マニホールド１２ａ，１２ｂと空気マニホールド１１ａ，１１ｂとの間、そして水素と酸素マニホールドとの間で作動流体が混ざることを防止するものでければならない。
このために、ガスケットの一部には“Ｔ”字構造や“十”字構造で交差する連結部が構成されている。
このような“Ｔ”字構造のガスケット部分が圧縮圧力を受けると、図３から分かるように、ガスケット８の３方向の分岐部分（ｂｒａｎｃｈ）が集まる連結部に変形による応力集中が発生し、割れやすい炭素や黒鉛分離板の場合、破損が起き、金属分離板の場合、分離板が曲がったりガスケットが外部に離脱する現象が発生する。
【００２９】
このような現象を防止するために、本発明は図４に示すように、互いに１８０°（反対方向）をなすガスケット１０の２方向のフレーム（ｂｒａｎｃｈ）が各々一定角度αを有するように設計し、応力集中点を分離板の外郭に近い既存の（ａ）位置から分離板内側に移動した（ｂ）位置に移動させ、分離板の外側方向へのガスケット１０の離脱の危険性を最小にしただけでなく、ベクター的に応力集中を分散させる効果を具現した。
角度αは５°〜６５°まで可能であり、好ましくは、２０°〜４５°が適切である。
αが５°未満である場合は、ベクター的な応力分散効果が微々である。一方、６５°を超過する場合は、分離板で電気化学的反応に関与していないガスケット支持部位（ｄｅａｄ  ｓｐａｃｅ）の面積が広くなり、出力密度が高い車両用燃料電池スタックを製作することが困難なためである。
【００３０】
図５は、ガスケットフレームが９０°をなして構成された従来のガスケット構造を表す図面であり、図６は、本発明の一実施例によるガスケット構造を表す図面である。
図５の垂直設計時、約１００枚以上の分離板が積層されると、黒鉛分離板が破損されるなどの問題が頻繁に発生するが、図６の設計では、２００枚以上の分離板が積層されても破損やガスケット１０の離脱などの問題がほとんど発生しない。
図４の設計方法以外に、積層時に簡単に応力集中を解消することができる方法として、図７または図８に示したように、応力集中点に孔を形成し、ガスケット２０の変形量を孔の空間で吸収する方法がある。
【００３１】
この方法は非常に単純であるが、ガスケットの幅が非常に狭い場合は適用が難しい。このような場合、図９のように設計し、９０°をなすガスケット３０の部位に、図４で説明したように設計し、連結部の内側に厚肉を作り、孔を形成するための空間を確保し、図４で定められた既存の応力集中点（ａ）と変形した応力集中点（ｂ）との間に孔の中心が位置するように設計する。
図８の十字に交差するガスケット部位にも９０°で出会う部分にガスケット格子を作り、応力集中点（ａ）に孔を作る。
一方、ガスケットの直線部が短い場合は問題がないが、分離板が長い場合、図２のように、長い直線部が生じる。このような場合にも、図１０に示すように、応力が一点に集中して発生し、ガスケット８の離脱が発生する。
【００３２】
このような場合、図１１に示すように、長いガスケット直線部位に一つ以上の孔を構成し、応力を分散させてガスケット４０の離脱を防止することができる。図７〜図９において、孔のサイズは孔と隣接するガスケット部位の最小幅がガスケット直線部の幅であるＬの１／３〜３／４となるように設計する。
図１２と図１３は、本発明によるガスケット４０，３０が分離板２またはＭＥＡ１の上に載せられている状態を示している。
前記ガスケットは液状のシリコーン系、フッ素系またはフッ素シリコーン系高分子で製作され、黒鉛または炭素複合物質の分離板、ステンレススチールなどのような金属系の分離板およびＭＥＡの支持シートに構成され、液相高分子を分離板に直接射出して一体化させるか、別に製作して分離板に接着剤で接合させる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の燃料電池スタックの構造を表す図面である。
【図２】従来のガスケット構造を表す図面である。
【図３】従来の“Ｔ”字型ガスケットの連結部を表す図面である。
【図４】本発明の一実施例によるガスケット連結部を表す図面である。
【図５】従来のガスケットの一部を表す図面である。
【図６】本発明の一実施例によるガスケットの一部を表す図面である。
【図７】本発明の別の実施例によるガスケットの連結部を表す図面である。
【図８】本発明の別の実施例によるガスケットの連結部を表す図面である。
【図９】本発明のまた別の実施例によるガスケットの連結部を表す図面である。
【図１０】従来のガスケットの直線部を表す図面である。
【図１１】本発明のまた別の実施例によるガスケットの直線部を表す図面である。
【図１２】本発明の実施例による応力集中防止用孔が適用されたガスケットを表す図面である。
【図１３】本発明の実施例による応力集中防止用孔が適用されたガスケットを表す図面である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ＭＥＡ                          
２  分離板
３  気体拡散層                      
４  支持シート
５  水素チャンネル                  
６  冷却水チャンネル
７  空気チャンネル
８、１０、２０、３０、４０  ガスケット
９  締結板                              
１１ａ、１１ｂ  空気マニホールド
１２ａ、１２ｂ  冷却水マニホールド
１３ａ、１３ｂ  水素マニホールド
１４  締結ボルト
【図１】
2009070792.tif 000003
【図２】
2009070792.tif 000004
【図３】
2009070792.tif 000005
【図４】
2009070792.tif 000006
【図５】
2009070792.tif 000007
【図６】
2009070792.tif 000008
【図７】
2009070792.tif 000009
【図８】
2009070792.tif 000010
【図９】
2009070792.tif 000011
【図１０】
2009070792.tif 000012
【図１１】
2009070792.tif 000013
【図１２】
2009070792.tif 000014
【図１３】
2009070792.tif 000015