特許 6141103 燃料電池のシール構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6141103

(24)【登録日】2017年5月12日

(45)【発行日】2017年6月7日

(54)【発明の名称】燃料電池のシール構造

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0271 20160101AFI20170529BHJP

   H01M 8/0202 20160101ALI20170529BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20170529BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 S

   H01M8/02 B

   H01M8/10

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2013-110787(P2013-110787)

(22)【出願日】2013年5月27日

(65)【公開番号】特開2014-229584(P2014-229584A)

(43)【公開日】2014年12月8日

【審査請求日】2016年4月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004385

【氏名又は名称】ＮＯＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100071205

【弁理士】

【氏名又は名称】野本 陽一

(74)【代理人】

【識別番号】100179970

【弁理士】

【氏名又は名称】桐山 大

(72)【発明者】

【氏名】島添 稔大

(72)【発明者】

【氏名】渡部 茂

【審査官】 小森 重樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−３２３９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１５８２８６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−３３１８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１００９０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−０２６６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２２２４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２７１

Ｈ０１Ｍ ８／０２０２

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに積層され厚さ方向に対向するセパレータのうち一方のセパレータに形成したシール装着溝に、ゴム状弾性材料からなるガスケットを装着し、このガスケットが、前記シール装着溝に非接着で嵌合される基部と、この基部に隆起形成されて他方のセパレータに形成したシール溝に圧縮状態で密接されるシール突条を有する燃料電池のシール構造において、前記シール溝の幅方向両側に、前記ガスケットの基部を押さえ込む押さえ突起及びこの押さえ突起から見て前記シール溝と反対側に位置する逃げ溝が形成され、前記シール溝とその両側の押さえ突起の幅の和が前記シール装着溝の幅より小さく、前記シール溝とその両側の押さえ突起及び逃げ溝の幅の和が前記シール装着溝の幅より大きいことを特徴とする燃料電池のシール構造。

【請求項2】

押さえ突起がガスケットの基部に対する締め代を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシール構造。

【請求項3】

逃げ溝の溝深さがガスケットの基部の肉厚より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池のシール構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池のシール構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極層を設けた膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の厚さ方向両側にセパレータを積層して燃料電池セルとし、さらにこの燃料電池セルを多数積層したスタック構造となっている。そして酸化ガス（空気）が膜電極複合体のカソード側に供給され、燃料ガス（水素）が膜電極複合体のアノード側に供給され、水の電気分解の逆反応である電気化学反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって、電力を発生するものである。

【0003】

この種の燃料電池は、各燃料電池セルに、燃料ガスや酸化ガス、上述の電気化学反応により生成された水や、余剰空気等をシールするためのガスケットが用いられる。すなわちたとえば図７に示すように、互いに積層されるセパレータ１０１，１０２のうち一方のセパレータ１０１に形成したシール装着溝１０１ａに、ゴム状弾性材料（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなるガスケット１０３を保持し、このガスケット１０３に隆起形成されたシール突条１０３ａを、他方のセパレータ１０２に形成したシール溝１０２ａに密接させるものである。

【0004】

ここで、セパレータ１０１のシール装着溝１０１ａとセパレータ１０２のシール溝１０２ａの幅が互いに同一である場合は、セパレータ１０１，１０２を積層して組み立てる過程で、ガスケット１０３のシール突条１０３ａがその厚さ方向へ圧縮変形されることによる応力で、その根元の基部１０３ｂが盛り上がり、この基部１０３ｂの端部がセパレータ１０１，１０２の溝肩部間に咬み込まれるおそれがある。

【0005】

そして、このような咬み込みを防止するには、図７に示す例のように、ガスケット１０３と対向するセパレータ１０２のシール溝１０２ａの幅Ｗｂを、セパレータ１０１のシール装着溝１０１ａの幅Ｗａよりも大きく設定することが知られている。このように構成すれば、セパレータ１０１，１０２を積層して組み立てる過程で、ガスケット１０３のシール突条１０３ａの圧縮応力によって基部１０３ｂが盛り上がっても、この基部１０３ｂの端部がセパレータ１０１，１０２の溝肩間に咬み込まれるのを抑制又は回避することができる（下記の特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００９−２７７９５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところが、図７に示す例のように、セパレータ１０１のシール装着溝１０１ａが浅い場合や、シール装着溝１０１ａの表面性状などによって、このシール装着溝１０１ａに対するガスケット１０３の基部１０３ｂのアンカー作用が弱い場合は、図８に示すように、セパレータ１０１，１０２を積層して組み立てる過程で、ガスケット１０３のシール突条１０３ａの圧縮応力によって基部１０３ｂが大きく盛り上がり、図９に示すように、内圧Ｐによってガスケット１０３が溝内を幅方向へ変位してしまい、シール機能が低下してしまうおそれがある。

【0008】

また、シール突条１０３ａの圧縮応力による基部１０３ｂの盛り上がりを防止するために、図７に示す例とは逆に、ガスケット１０３と対向するセパレータ１０２のシール溝１０２ａの幅を、セパレータ１０１のシール装着溝１０１ａの幅よりも小さくすることも考えられるが、この場合は図１０に示すように、セパレータ１０１，１０２を積層して組み立てる過程で、ガスケット１０３のシール突条１０３ａの圧縮応力によって基部１０３ｂが盛り上がると、結局、基部１０３ｂの端部１０３ｃがセパレータ１０１，１０２の溝肩間に咬み込まれてしまうおそれがある。

【0009】

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、セパレータを積層して組み立てる過程で、ガスケットのシール突条の圧縮応力によって基部が盛り上がってその端部がセパレータの間に咬み込まれるのを抑制又は回避することの可能な燃料電池シール構造を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る燃料電池のシール構造は、互いに積層され厚さ方向に対向するセパレータのうち一方のセパレータに形成したシール装着溝に、ゴム状弾性材料からなるガスケットを装着し、このガスケットが、前記シール装着溝に非接着で嵌合される基部と、この基部に隆起形成されて他方のセパレータに形成したシール溝に圧縮状態で密接されるシール突条を有する燃料電池のシール構造において、前記シール溝の幅方向両側に、前記ガスケットの基部を押さえ込む押さえ突起及びこの押さえ突起から見て前記シール溝と反対側に位置する逃げ溝が形成され、前記シール溝とその両側の押さえ突起の幅の和が前記シール装着溝の幅より小さく、前記シール溝とその両側の押さえ突起及び逃げ溝の幅の和が前記シール装着溝の幅より大きいことを特徴とするものである。なお、ゴム状弾性材料とは、ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料をいう。

【0011】

請求項２の発明に係る燃料電池のシール構造は、請求項１に記載された構成において、押さえ突起がガスケットの基部に対する締め代を有することを特徴とするものである。

【0012】

請求項３の発明に係る燃料電池のシール構造は、請求項１又は２に記載された構成において、逃げ溝の溝深さがガスケットの基部の肉厚より小さいことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る燃料電池のシール構造によれば、セパレータを積層して組み立てる過程で、ガスケットのシール突条がシール溝と圧接し、圧縮されるにしたがい、その応力によってガスケットの基部が盛り上がろうとするが、この基部はシール溝の幅方向両側の押さえ突起によって押さえ込まれ、しかも、もし前記基部の端部がシール装着溝からはみ出ることがあっても、このシール装着溝の溝肩は逃げ溝と対向しているので、前記基部の端部がセパレータ間に咬み込まれるのを有効に抑制又は回避することができる。

【0014】

また、押さえ突起がガスケットの基部に対する締め代を有するものであれば、ガスケットの基部に対する押さえ込み作用を一層高めることができる。

【0015】

また、逃げ溝の溝深さをガスケットの基部の肉厚より小さくしておけば、ガスケットの基部が逃げ溝へ入り込みにくく、このため内圧等によるガスケットの幅方向への変位を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係る燃料電池のシール構造の好ましい第一の実施の形態を示す未積層状態の部分断面図である。

【図2】本発明に係る燃料電池のシール構造の好ましい第一の実施の形態を示す積層状態の部分断面図である。

【図3】本発明に係る燃料電池のシール構造の好ましい第二の実施の形態を示す未積層状態の部分断面図である。

【図4】本発明に係る燃料電池のシール構造の好ましい第二の実施の形態を示す積層状態の部分断面図である。

【図5】本発明に係る燃料電池のシール構造の好ましい第三の実施の形態を示す未積層状態の部分断面図である。

【図6】本発明に係る燃料電池のシール構造の好ましい第三の実施の形態を示す積層状態の部分断面図である。

【図7】従来技術による燃料電池のシール構造の一例を示す未積層状態の部分断面図である。

【図8】従来技術による燃料電池のシール構造の一例において、積層によりガスケットが変形した状態を示す部分断面図である。

【図9】従来技術による燃料電池のシール構造の一例において、積層によりガスケットが変形し、内圧により変位した状態を示す部分断面図である。

【図10】従来技術による燃料電池のシール構造の他の例において、積層によりガスケットが変形した状態を示す部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明に係る燃料電池のシール構造の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。まず図１及び図２は、第一の実施の形態を示すものである。

【0018】

図１に示す未積層状態において、参照符号１は燃料電池セルを構成する一方のセパレータ、参照符号２は他方のセパレータである。一方のセパレータ１における他方のセパレータ２との対向面にはシール装着溝１１が形成され、このシール装着溝１１にはガスケット３が装着されている。

【0019】

ガスケット３はゴム状弾性材料によって成形されたものであって、セパレータ１におけるシール装着溝１１に、このシール装着溝１１を埋めるように非接着で嵌合され、上面がシール装着溝１１の溝肩と略面一の扁平な基部３１と、この基部３１の幅方向中間部に隆起形成されたシール突条３２を有する。

【0020】

他方のセパレータ２における一方のセパレータ１との対向面には、前記セパレータ１におけるシール装着溝１１の幅方向中間部と対向し底面にガスケット３のシール突条３２が適宜圧縮状態で密接されるシール溝２１と、このシール溝２１の幅方向両側に位置し前記ガスケット３の基部３１に当接される押さえ突起２２，２２及びこの押さえ突起２２，２２から見て前記シール溝２１と反対側に位置する逃げ溝２３，２３が形成されている。

【0021】

セパレータ２のシール溝２１の幅Ｗ_２１、言い換えれば押さえ突起２２，２２間の幅は、積層による圧縮状態でのガスケット３のシール突条３２のシール溝２１に対する充填率が１００％を超えない範囲に設定される。そしてこのシール溝２１とその両側の押さえ突起２２，２２の幅の和Ｗ_２１＋Ｗ_２２×２（＝Ｗａ）は、セパレータ１のシール装着溝１１の幅Ｗ_１１より小さく、前記シール溝２１とその両側の押さえ突起２２，２２及び逃げ溝２３，２３の幅の和Ｗ_２１＋Ｗ_２２×２＋Ｗ_２３×２（＝Ｗｂ）は、前記シール装着溝１１の幅Ｗ_１１より大きいものとなっている。また、シール溝２１の深さと逃げ溝２３の深さと押さえ突起２２の高さは同じである。

【0022】

したがって、セパレータ１，２を積層して組み立てる過程では、まずガスケット３のシール突条３２がシール溝２１の底面と圧接し、圧縮されていくのにしたがって、その応力によってガスケット３の基部３１がシール装着溝１１から盛り上がり、浮き上がろうとするが、この基部３１は、図２に示すようにシール溝２１の両側の押さえ突起２２，２２によって押さえ込まれる。また、Ｗａ＜Ｗ_１１＜Ｗｂであることによって、前記基部３１の両端は逃げ溝２３と対向することになる。したがって、ガスケット３の基部３１の端部がセパレータ１，２の間に咬み込まれるのを有効に抑制又は回避することができる。

【0023】

次に図３及び図４は、第二の実施の形態を示すものである。この実施の形態において、上述した第一の実施の形態と異なるところは、押さえ突起２２の高さがセパレータ２におけるセパレータ１との積層面２ａよりもΔｈだけ高く、このため、図４に示す積層状態において押さえ突起２２がガスケット３の基部３１に対して締め代Ｑをもって当接するようになっていることにある。その他の構成は、第一の実施の形態と同様である。

【0024】

このように構成すれば、ガスケット３の基部３１に対する押さえ突起２２の押さえ込み力が高まるので、内圧等によるガスケット３の幅方向への変位を有効に防止することができる。

【0025】

なお、押さえ突起２２の締め代Ｑが大きいほど、積層によってセパレータ１，２に作用する負荷が大きくなるため、それを考慮してΔｈは適切に設定される。

【0026】

次に図５及び図６は、第三の実施の形態を示すものである。この実施の形態において、先に説明した第一の実施の形態と異なるところは、セパレータ２における逃げ溝２３の溝深さｄをガスケット３の基部３１の肉厚ｔ（≒シール装着溝１１の深さ）より小さくしたことにある。その他の構成は、第一の実施の形態と同様である。

【0027】

このように構成すれば、ガスケット３が内圧を受けても、ガスケット３の基部３１が逃げ溝２３へ入り込みにくく、このためガスケット３の幅方向への変位を防止することができる。

【0028】

なお、この第三の実施の形態においても、第二の実施の形態と同様、押さえ突起２２にガスケット３の基部３１に対する締め代を設定した構成とすることができる。

【符号の説明】

【0029】

１ 一方のセパレータ
１１ シール装着溝
２ 他方のセパレータ
２１ シール溝
２２ 押さえ突起
２３ 逃げ溝
３ ガスケット
３１ 基部
３２ シール突条

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】