燃料電池用ガスケット付セパレータ及び燃料電池スタック

【課題】圧縮時にもガスケットや、セパレータに大きな歪みを発生させることなく、ガスケットの位置ずれを確実に防止し、ガスケットの耐久性の向上と、セパレータの破損防止を実現する燃料電池用ガスケット付セパレータ及び燃料電池スタックを提供すること。
【解決手段】ガスケット２は、セパレータ１に設けられた凸部１１を含む接合部１２の上に形成され、ガスケット２の頂点部２１が、セパレータ１の厚み方向から見て、セパレータ１の凸部１１と重ならないように設けられ、ガスケット２が圧縮された時、ガスケット２の頂点部２１にかかる圧縮力をセパレータの凸部１１を含まない接合部１２で受け、ガスケット２内部の歪みを低く抑えて、シール面圧を確保するので、ガスケット２の耐久性を向上することができ、凸部１１でガスケット２が支持され、ガスケット２の位置ずれを防止することができる。

【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付セパレータ及び燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて、電気と熱を作り出し、燃料の持つ化学エネルギーを直接あるいは間接的に電気エネルギーに変換するので、高い発電効率を得ることができる。
【０００３】
燃料電池は、電解質膜の両面に、アノード、及び、カソードが形成された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、アノード、及び、カソードにそれぞれ燃料ガス、及び、酸化剤ガスを供給排出する流路が形成されたセパレータとからなる単セルモジュールを複数積層したスタックで構成される。
【０００４】
セパレータとＭＥＡ、あるいは、セパレータとセパレータの間には、燃料ガスや、酸化剤ガス、及び、冷却水が、外部や、互いの空間にリークすることを防止するため、それぞれにガスケットが配置され、密閉され、気密性が保持されている。
【０００５】
また、ガスケットがセパレータに一体化して形成されたガスケット付セパレータは、スタックの組立性を向上させることができる。
【０００６】
従来のガスケット付セパレータのガスケット接合部の断面図を図１０に示す。セパレータ１００に形成された一体型ガスケット２００は、金型成型により精度よくセパレータ１００に形成することができるが、圧縮時にガスケット２００がセパレータ１００の表面を滑り、シール性が低下したり、ガスケット２００に歪みが発生してガスケット２００自体の耐久性が低下したりする課題があった。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１には、図１１に示すように、セパレータ１００に突起１０１を設け、その突起１０１を覆うようにガスケット２００を形成する方法が開示されている。この構成によれば、セパレータ１００に設けた突起１０１がガスケット２００を支持して位置ずれを防止するので、ガスケット２００の耐久性を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１８５１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記従来の燃料電池用ガスケット付セパレータは、位置ずれを防止することを目的としてセパレータに突起を設ける構成となっているが、この構成ではガスケットの頂点部と、突起が断面方向で重なっており、頂点部にかかる圧縮力により、圧縮時にガスケット内部に強い応力が発生し、封止ガスケットの信頼性が低下するという課題があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ガスケットの位置ずれを確実に防止し、ガスケットの耐久性を向上する燃料電池用ガスケット付セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用ガスケット付セパレータは、ガスケットが、セパレータに設けられた凸部を含む接合部の上に形成され、ガスケットの頂点部が、セパレータの厚み方向から見て、セパレータの凸部と重ならないように設けられるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池用ガスケット付セパレータは、ガスケットの位置ずれ防止構造を維持した状態で、ガスケットの耐久性を向上することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池用ガスケット付セパレータの平面構成図
【図２】同燃料電池用ガスケット付セパレータの要部断面構成図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池用ガスケット付セパレータの要部平面及び断面構成図
【図４】本発明の実施の形態３における燃料電池用ガスケット付セパレータの要部平面及び断面構成図
【図５】同燃料電池用ガスケット付セパレータの別の形状の断面構成図
【図６】本発明の実施の形態４における燃料電池用ガスケット付セパレータの要部平面及び断面構成図
【図７】同燃料電池用ガスケット付セパレータの別の形状の断面構成図
【図８】同燃料電池用ガスケット付セパレータの別の形状の断面構成図
【図９】本発明の実施の形態５における燃料電池用ガスケット付セパレータの要部平面及び断面構成図
【図１０】従来の燃料電池用ガスケット付セパレータの断面構成図
【図１１】従来の燃料電池用ガスケット付セパレータの別の形状の断面構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、セパレータと、前記セパレータに形成されたガスケットと、を備える燃料電池用ガスケット付セパレータにおいて、前記ガスケットは、前記セパレータに設けられた凸部を含む接合部の上に形成され、前記ガスケットの頂点部は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記セパレータの前記凸部と重ならないように設けられることを特徴とする。
【００１５】
この構成により、ガスケットが圧縮された時、ガスケットの頂点部にかかる圧縮力をセパレータの凸部を含まない接合部で受け、ガスケット内部の歪みを低く抑えて、シール面圧を確保するので、ガスケットの耐久性を向上することができる。
【００１６】
また、凸部でガスケットが支持されるので、ガスケットの位置ずれを防止することができ、ガスケットのシール性と耐久性を確保することができる。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、前記ガスケットは、前記セパレータと対向する板体と密着する前記頂点部を含む密着部と、前記セパレータと対向する前記板体に接触しない非接触部と、からなり、前記セパレータの厚み方向から見て、前記ガスケットの前記非接触部と重なるように、前記セパレータに凸部を設けることを特徴とする。
【００１８】
この構成により、ガスケットの内部に大きな応力が発生する密着部の下に、セパレータの凸部を形成しないので、ガスケットの内部の歪をさらに低く抑えることができ、ガスケ
ットの耐久性を確保することができる。
【００１９】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記セパレータの接合部は、一対の凸部を備え、前記ガスケットは、前記頂点部が、前記一対の凸部の間に位置するように、前記セパレータの前記一対の凸部を含む前記接合部の上に形成されることを特徴とする。
【００２０】
この構成により、頂点部が一対の凸部の間で移動が規制され、頂点部をガスケットの中央に配置させ、位置ずれを防止することができるので、ガスケットのシール性と耐久性を向上することができる。
【００２１】
第４の発明は、第１ないし３のいずれか一つの発明において、前記セパレータの前記接合部は、前記凸部及び平坦な平坦部のみからなることを特徴とする。
【００２２】
この構成により、セパレータの厚みを一定以上確保することができ、セパレータの強度を維持することができる。そのため、セパレータの破損を抑制でき、かつ、ガスケットのシール性と耐久性を確保することができる。特に、破損が起こりやすいカーボン及び樹脂を含むセパレータを用いる場合、セパレータの破損をより確実に抑制できる。
【００２３】
第５の発明は、第１ないし３いずれか一つの発明において、前記セパレータの前記接合部は、凹部を備え、前記ガスケットは、前記密着部が、前記凹部の上に来るように、前記セパレータの前記凸部及び前記凹部を含む前記接合部の上に形成されることを特徴とする。
【００２４】
この構成により、接合部の接触面積が増大し、ガスケットの接合強度が向上するとともに、ガスケットの位置ずれをさらに防止するので、ガスケットの耐久性をより向上することができる。
【００２５】
第６の発明は、第５の発明において、前記凹部及び前記凹部と前記セパレータ本体との境界部は、曲面であることを特徴とする。
【００２６】
この構成により、ガスケットが凹部と前記セパレータ本体との境界部から受ける圧縮力を分散させることができるので、ガスケットの境界部における内部の応力を低く抑えることができ、ガスケットの耐久性を向上することができる。
【００２７】
また、ガスケットをセパレータに一体成形する時、粘度の高い液状ガスケット材料を用いた場合、射出圧力を高くする必要があるが、凹部を曲面にするので、凹部が受ける射出圧力が分散され、セパレータの凹部における内部の応力を低く抑えることができ、セパレータの破損を防止することができる。
【００２８】
第７の発明は、第５又は６の発明において、前記ガスケットが形成されるシールラインに沿って前記凹部が複数配置される、ことを特徴とする。
【００２９】
この構成により、凹部とガスケットの接触面積を増加させ、凹部とガスケットの接合強度を向上させるので、ガスケットがセパレータにより強固に固定され、ガスケットの位置ずれをさらに防止することができる。
【００３０】
第８の発明は、第１〜７のいずれか１つの発明において、前記凸部及び前記凸部と前記セパレータ本体との境界部は、曲面である、ことを特徴とする。
【００３１】
この構成により、ガスケットが凸部から受ける圧縮力を分散させることができるので、
ガスケットの凸部における内部の応力を低く抑えることができ、ガスケットの耐久性を向上することができる。
【００３２】
また、ガスケットをセパレータに一体成形する時、粘度の高い液状ガスケット材料を用いた場合、射出圧力を高くする必要があるが、凸部とセパレータ本体との境界部を曲面にするので、境界部が受ける射出圧力が分散され、セパレータの境界部における内部の応力を低く抑えることができ、セパレータの破損を防止することができる。
【００３３】
第９の発明は、第１〜８のいずれか１つの発明において、前記ガスケットが形成されるシールラインに沿って前記凸部が複数配置される、ことを特徴とする。
【００３４】
この構成により、凸部とガスケットの接触面積を増加させ、凸部とガスケットの接合強度を向上させるので、ガスケットがセパレータにより強固に固定され、ガスケットの位置ずれをさらに防止することができる。
【００３５】
第１０の発明は、一対の電極及び電解質膜を備えた膜電極接合体と、前記膜電極接合体に反応ガスを供給し排出する流路を備えた第１から９の発明のうちいずれか１つに記載の燃料電池用ガスケット付セパレータと、を複数積層した燃料電池スタックである。
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
（実施の形態１）
燃料電池は、水素イオン伝導性を有する電解質膜の両面に、アノード、及び、カソードが形成された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス／酸化剤ガスを供給排出する流路となる溝が形成されたセパレータとからなる単セルモジュールを複数積層したスタックで構成される。
【００３８】
図１は、実施の形態１におけるセパレータの平面構成図を示す。アノード、及び、カソードに配設されるセパレータ１は、カーボンや、金属などの導電性材料からなり、セパレータ１とＭＥＡ、あるいは、セパレータ１と別のセパレータとの間、及び、各種マニホールド３には、燃料ガスや、酸化剤ガス、及び、冷却水が、外部や、互いの空間にリークすることを防止するため、それぞれにガスケット２が配置され、密閉され、気密性が保持されている。
【００３９】
また、セパレータ１のアノード及びカソードの電極面に面する側には、それぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給（または排出）する流路４が形成されている。流路４の構成としては、例えば、サーペンタイン状の流路が挙げられる。さらに、セパレータ１のアノード及びカソードに直接面していない側には、燃料電池を冷却する冷却媒体を供給（または排出）する冷却媒体流路が形成されている。なお、ガスケット２はセパレータ１に一体化して形成されることにより、スタックの組立性を向上させることができる。
【００４０】
図２は、図１のＡ部のガスケット接合部の断面図である。図２に示すように、実施の形態１の燃料電池用ガスケット付セパレータのガスケット２は、セパレータ１に設けられた凸部１１を含む接合部１２の上に形成され、ガスケットの頂点部２１が、セパレータ１の厚み方向から見て、セパレータ１の凸部１１と重ならないように、接合部１２の上方に位置するように設けられる。この構成により、ガスケット２が圧縮された時、ガスケット２の頂点部２１にかかる圧縮力をセパレータの凸部１１を含まない接合部１２で受けることとなり、ガスケット２内部の歪みを低く抑えて、シール面圧を確保するので、ガスケット２の耐久性を向上することができる。さらに、凸部１１でガスケット２が支持されるので
、ガスケット２の位置ずれを防止することができ、ガスケット２のシール性と耐久性を確保することができる。
【００４１】
また、凸部１１及び凸部１１とセパレータ１との第１境界部１３は、Ｒ面取りが施されている曲面であり、ガスケット２が凸部１１から受ける圧縮力を分散させることができる構成となっている。この構成により、ガスケット２の凸部１１における内部の応力を低く抑えることができ、ガスケット２の耐久性を向上することができる。さらに、ガスケット２をセパレータ１に一体成形する時、粘度の高い液状ガスケット材料を用いた場合、射出圧力を高くする必要があるが、凸部１１とセパレータ１との第１境界部１３を曲面にするので、第１境界部１３が受ける射出圧力が分散され、セパレータ１の第１境界部１３における内部の応力を低く抑えることができ、セパレータ１の破損を防止することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
実施の形態２の燃料電池用ガスケット付セパレータについて、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池用ガスケット付セパレータのガスケット２接合部の断面構成図である。ガスケット２は、セパレータ１と対向する板体と密着する、頂点部２１を含む密着部２２と、セパレータ１と対向する板体に接触しない非接触部２３と、からなり、セパレータ１の厚み方向から見て、ガスケット２の非接触部２３のと重なるように、前記セパレータに凸部１１を設けられている。それ以外の点は実施の形態１と同様の構成であり、説明を省略する。
【００４３】
特に、ガスケット２は、セパレータ１に設けられた凸部１１を含む接合部１２の上に形成され、頂点部２１を含む密着部２２は、セパレータ１の凸部１１を含まない接合部１２と重なるように設けられる。この構成により、セパレータ１と対向する板体によりガスケット２が圧縮された時、ガスケット２の内部に大きな応力が発生する密着部２２にかかる圧縮力をセパレータ１の凸部１１を含まない接合部１２で受け、ガスケット２の内部歪みを低く抑えて、シール面圧を確保することができる。さらに、ガスケット２全体の高さを最小限に抑えることができ、複数のモジュールを積層したスタックのサイズを小型化することができるだけでなく、ガスケット２の耐久性を向上することができる。
【００４４】
ここで、セパレータ１と対向する板体とは、別のセパレータ、ＭＥＡ、ＭＥＡを保持する枠体、または、端板やマニホールド配管など、セパレータ１との間に気密を必要とする部材を示す。
【００４５】
また、圧縮時に応力のかからない非接触部２３の下に形成された凸部１１でガスケット２を支持することができるので、ガスケット２の位置ずれを防止することができ、複数のモジュールが積層されても、ガスケット２の頂点部２１の小さな位置ずれが重なることが抑制され、圧縮時にガスケット２や、セパレータ１に大きな歪みを発生させることなく、ガスケット２のシール性と耐久性を確保し、セパレータ１の破損を防止することができる。
【００４６】
（実施の形態３）
実施の形態３の燃料電池用ガスケット付セパレータについて、図４と図５を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池用ガスケット付セパレータのガスケット２接合部の平面及び断面構成図である。セパレータ１の接合部１２は、一対の凸部１１ａ及び１１ｂを備えている。ガスケット２は、一対の凸部１１ａ及び１１ｂを含む接合部１２の上に形成されている。そして、ガスケット２の一対の非接触部２３の下にそれぞれ一対の凸部１１ａ及び１１ｂが形成され、頂点部２１は、セパレータ１の凸部１１ａ及び１１ｂを含まず、一対の凸部１１ａ及び１１ｂの間に位置する接合部１２と重なるように設けられている。それ以外の点は実施の形態２と同様の構成であり、説明を省略する
。
【００４７】
一対の凸部１１ａ及び１１ｂの形状は、図５に示す概略三角形状でもよく、その角部及び凸部１１ａ及び１１ｂとセパレータ１との第１境界部１３は、Ｒ面取りが施されている曲面であり、ガスケット２が凸部１１ａ及び１１ｂから受ける圧縮力を分散させることができる構成となっている。
【００４８】
本発明の実施の形態３の構成により、頂点部２１が一対の凸部１１ａ及び１１ｂの間で移動が規制され、頂点部２１をガスケット２の中央に配置させるとともに、位置ずれを防止することができるので、ガスケット２のシール性と耐久性をさらに向上することができる。
【００４９】
（実施の形態４）
実施の形態４の燃料電池用ガスケット付セパレータについて、図６〜図８を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態４における燃料電池用ガスケット付セパレータのガスケット２接合部の断面図である。セパレータ１の接合部１２は凹部１４を備え、ガスケット２は凸部１１ａ及び１１ｂと、凹部１４を含む接合部１２の上に形成されている。ガスケット２の頂点部２１は、セパレータ１の凸部１１ａ及び１１ｂを含まない、凹部１４と重なるように設けられている。これらの構成により、接合部１２の接触面積が増大し、ガスケット２の接合強度が向上するとともに、ガスケット２の位置ずれをさらに防止するので、ガスケット２の耐久性をより向上することができる。これらの点で、実施の形態２と異なるが、それ以外は同様の構成であり、説明を省略する。なお、凹部１４の形状は、図７、あるいは、図８に示すような形状でもよい。
【００５０】
また、図６の凹部１４及び凹部１４とセパレータ１との第２境界部１５を曲面とすることで、ガスケット２が凹部１４とセパレータ１との第２境界部１５から受ける圧縮力を分散させることができ、ガスケット２の第２境界部１５における内部の応力を低く抑えることができ、ガスケット２の耐久性を向上することができる。
【００５１】
また、ガスケット２をセパレータ１に一体成形する時、粘度の高い液状ガスケット材料を用いた場合、射出圧力を高くする必要があるが、凹部１４を曲面にすることで、凹部１４が受ける射出圧力が分散され、セパレータ１の凹部１４における内部の応力を低く抑えることができ、セパレータ１の破損を防止することができる。
【００５２】
（実施の形態５）
実施の形態５の燃料電池用ガスケット付セパレータについて、図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態５における燃料電池用ガスケット付セパレータの凸部及び凹部の形成されたシールラインの平面及び断面構成図である。ガスケット２が形成されるシールラインに沿って凸部１１ａ及び１１ｂ、及び凹部１４が複数配置される点で、実施の形態４と異なるが、それ以外は同様の構成であり、説明を省略する。
【００５３】
この構成により、凸部１１ａ及び１１ｂ、及び凹部１４とガスケットの接触面積を増加させ、凸部１１ａ及び１１ｂ、及び凹部１４とガスケット２の接合強度を向上させるので、ガスケット２がセパレータ１により強固に固定され、ガスケット２の位置ずれをさらに防止することができる。
【００５４】
なお、実施の形態１〜５では、内部マニホールド型の燃料電池システムに対して利用される形態を示すが、これに限定されたものではなく、外部マニホールド型の燃料電池に対して適用してももちろん有効である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明の燃料電池用ガスケット付セパレータ及び燃料電池スタックは、水素などの可燃性ガスや、水を取り扱う燃料電池、特にモジュールを複数積層したスタック等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１セパレータ
１１、１１ａ、１１ｂ凸部
１２接合部
１３第１境界部
１４凹部
１５第２境界部
２ガスケット
２１頂点部
２２密着部
２３非接触部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータと、
前記セパレータに形成されたガスケットと、
を備える燃料電池用ガスケット付セパレータにおいて、
前記ガスケットは、前記セパレータに設けられた凸部を含む接合部の上に形成され、
前記ガスケットの頂点部は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記セパレータの前記凸部と重ならないように設けられる、
燃料電池用ガスケット付セパレータ。
【請求項２】
前記ガスケットは、前記セパレータと対向する板体と密着する前記頂点部を含む密着部と、前記セパレータと対向する前記板体に接触しない非接触部と、からなり、
前記セパレータの厚み方向から見て、前記ガスケットの前記非接触部と重なるように前記セパレータに凸部を設ける、
請求項１に記載の燃料電池用ガスケット付セパレータ。
【請求項３】
前記セパレータの接合部は、一対の凸部を備え、
前記ガスケットは、前記頂点部が、前記一対の凸部の間に位置するように、前記セパレータの前記一対の凸部を含む前記接合部の上に形成される、
請求項１又は２に記載の燃料電池用ガスケット付セパレータ。
【請求項４】
前記セパレータの前記接合部は、前記凸部及び平坦な平坦部のみからなる、
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の燃料電池用ガスケット付セパレータ。
【請求項５】
前記セパレータの前記接合部は、凹部を備え、
前記ガスケットは、前記頂点部が、前記凹部の上に来るように、前記セパレータの前記凸部及び前記凹部を含む前記接合部の上に形成される、
請求項１ないし３いずれか一つに記載の燃料電池用ガスケット付セパレータ。
【請求項６】
前記凹部及び前記凹部と前記セパレータ本体との境界部は、曲面である、
請求項５に記載の燃料電池用ガスケット付セパレータ。
【請求項７】
前記ガスケットが形成されるシールラインに沿って前記凹部が複数配置される、
請求項５又は６に記載の燃料電池用ガスケット付セパレータ。
【請求項８】
前記凸部及び前記凸部と前記セパレータ本体との境界部は、曲面である、
請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料電池用ガスケット付セパレータ。
【請求項９】
前記ガスケットが形成されるシールラインに沿って前記凸部が複数配置される、
請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料電池用ガスケット付セパレータ。
【請求項１０】
一対の電極及び電解質膜を備えた膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に反応ガスを供給し排出する流路を備えた請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池用ガスケット付セパレータと、
を複数積層した燃料電池スタック。

【図１】