(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】
(24)【登録日】2022-01-25
(45)【発行日】2022-02-02
(54)【発明の名称】ガス拡散層一体ガスケット及び燃料電池セル用部材
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0276 20160101AFI20220126BHJP
H01M 8/0273 20160101ALI20220126BHJP
H01M 8/1004 20160101ALN20220126BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20220126BHJP
【FI】
H01M8/0276
H01M8/0273
H01M8/1004
H01M8/10 101
(21)【出願番号】P 2018024073
(22)【出願日】2018-02-14
【審査請求日】2020-12-03
(73)【特許権者】
【識別番号】000004385
【氏名又は名称】NOK株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100179970
【氏名又は名称】桐山 大
(74)【代理人】
【識別番号】100071205
【氏名又は名称】野本 陽一
(72)【発明者】
【氏名】由井 元
(72)【発明者】
【氏名】大場 健一
(72)【発明者】
【氏名】中澤 哲
【審査官】守安 太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開2015-125925(JP,A)
【文献】特開2015-125923(JP,A)
【文献】特開2017-107645(JP,A)
【文献】特開2016-058161(JP,A)
【文献】特開2015-195189(JP,A)
【文献】特開2011-170973(JP,A)
【文献】特開2011-096419(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 8/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
シート状ガスケット取付部材にガスケットを固定したガスケット本体と、
一対のうちの一方のガス拡散層と、
平行に並列された前記シート状ガスケット取付部材と前記一方のガス拡散層との間の隙間に介在して両者を接合する弾性を有する隙間埋め部材と、
を備えることを特徴とするガス拡散層一体ガスケット。
【請求項2】
前記隙間埋め部材は、前記ガスケットと一体に成形されている、
ことを特徴とする請求項1に記載のガス拡散層一体ガスケット。
【請求項3】
前記シート状ガスケット取付部材は、前記隙間埋め部材が入り込む貫通孔を複数個有している、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のガス拡散層一体ガスケット。
【請求項4】
前記隙間埋め部材
は、
電解質膜を挟み込んだ一対の電極のうち一方を前記ガス拡散層に積層させる膜電極接合体が有する前記電解質膜中、前記一対の電極から延出する領域との対面部分に接着剤が充填される領域を有し、
前記接着剤が充填される領域に、余剰の接着剤を溜める溜り溝
を有している、
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一に記載のガス拡散層一体ガスケット。
【請求項5】
請求項1ないし4のいずれか一に記載のガス拡散層一体ガスケットと、
電解質膜とこの電解質膜を両面から挟み込む一対の電極とを有し、一対のうちの一方の前記電極を前記ガス拡散層に積層させ、前記電解質膜を延出させて前記隙間埋め部材に接着して固定した膜電極接合体と、
もう一方の前記電極に積層したもう一方の前記ガス拡散層と、
を備えることを特徴とする燃料電池セル用部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスケット本体と一対のうちの一方のガス拡散層とを一体化したガス拡散層一体ガスケット、及びこのガスケットを用いた燃料電池セル用部材に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池が急速に普及している。燃料電池は発電効率が高く、環境への影響も少ないことから、好ましいエネルギー源として注目を集めている。
【0003】
燃料電池のうち、固体高分子形のものは、複数枚の燃料電池セルを積層したスタック構造を備えている。個々の燃料電池セルは、膜電極接合体(MEA)を一対のセパレータで挟み込んだ構造のもので、膜電極接合体とセパレータとの間に、ガス拡散層(GDL)を配置している。膜電極接合体はアノード電極(陽極)とカソード電極(陰極)とで電解質膜を挟み込んだ構造物であり、セパレータは水素と酸素の流路を形成している。
【0004】
このような燃料電池セルは、セパレータに形成した流路を利用し、アノード電極には水素を、カソード電極には酸素を供給する。これによって水の電気分解の逆の電気化学反応によって発電が行なわれる。
【0005】
図14は、燃料電池セルとして提案されている構造の一例を示している。この燃料電池セル1は、シート状ガスケット取付部材2にガスケット3を固定したガスケット本体4を設け、ガスケット本体4と膜電極接合体5とを一対のセパレータ6(6a,6b)で挟み込んでいる。膜電極接合体5は、電解質膜7の両面に一対の電極8(8a,8b)を接合したもので、一対のガス拡散層9(9a,9b)を介して一対のセパレータ6に挟み込まれている。
【0006】
ガスケット本体4と膜電極接合体5とは接合され、一体化されている。ガスケット本体4と膜電極接合体5との接合は、シート状ガスケット取付部材2に対する電解質膜7の接着による。つまり膜電極接合体5の端面より電解質膜7を延出させ、接着剤によってシート状ガスケット取付部材2に接着する。これによってシート状ガスケット取付部材2と電解質膜7との間には、接着層10が形成される。接着層10を形成する接着剤としては、熱硬化性接着剤が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開2015-125925号公報
【文献】特開2017-152281号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
図14に示すような構造のものでは、ガスケット本体4と膜電極接合体5及びガス拡散層9とは別体であるため、両者の間には、どうしても隙間Gが発生してしまう(特許文献1の段落[0006]、特許文献2の段落[0004]参照)。このため
図15に示すように、接着層10を形成する接着剤を硬化させる際の熱によって電解質膜7が線膨張し、隙間Gに入り込んでしまうことがある。隙間に入り込むことで電解質膜の変形や破損が発生してしまう。
【0009】
同種の課題は従来から認識されており、例えば特許文献1の段落[0008]、特許文献2の段落[0004]にも、類似の課題についての記述がある。
【0010】
本発明の課題は、膜電極接合体の電解質膜をガスケット本体のシート状ガスケット取付部材に接着して固定した構造のものにおいて、電解質膜の破損を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
ガス拡散層一体ガスケットは、シート状ガスケット取付部材にガスケットを固定したガスケット本体と、一対のうちの一方のガス拡散層と、平行に並列された前記シート状ガスケット取付部材と前記一方のガス拡散層との間の隙間に介在して両者を接合する弾性を有する隙間埋め部材と、を備える。
【0012】
燃料電池セル用部材は、上記ガス拡散層一体ガスケットと、電解質膜とこの電解質膜を両面から挟み込む一対の電極とを有し、一対のうちの一方の前記電極を前記ガス拡散層に積層させ、前記電解質膜を延出させて前記隙間埋め部材に接着して固定した膜電極接合体と、もう一方の前記電極に積層したもう一方の前記ガス拡散層と、を備える。
【発明の効果】
【0013】
ガスケット本体のシート状ガスケット取付部材と一方のガス拡散層との間に生ずる隙間が隙間埋め部材によって埋められるため、隙間に入り込むことによる電解質膜の破損を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【
図1】第1の実施の形態として、燃料電池部材(セパレータを取り外して示す燃料電池セル)を示す平面図。
【
図2】燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。
【
図3】シート状ガスケット取付部材にガスケットを固定したガスケット本体の平面図。
【
図5】
図2に示す燃料電池セルに用いられるガス拡散層一体ガスケットを示す縦断正面図。
【
図6】第2の実施の形態として、ガス拡散層一体ガスケットを示す縦断正面図。
【
図7】
図6に示すガス拡散層一体ガスケットを用いた燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。
【
図8】第3の実施の形態として、シート状ガスケット取付部材にガスケットを固定したガスケット本体の平面図。
【
図9】ガス拡散層一体ガスケットを示す縦断正面図。
【
図10】
図9に示すガス拡散層一体ガスケットを用いた燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。
【
図11】膜電極接合体の電解質膜と隙間埋め部材との対向面全面に接着層を設けた場合に生ずる可能性がある現象を例示する、ガス拡散層一体ガスケットを用いた燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。
【
図12】第4の実施の形態として、ガス拡散層一体ガスケットを示す縦断正面図。
【
図13】
図12に示すガス拡散層一体ガスケットを用いた燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。
【
図14】従来の一例として、燃料電池セルにおける各部の積層構造を示す縦断正面図。
【
図15】
図14に例示する燃料電池セルにおいて生ずる可能性がある電解質膜の破損という現象を説明するために示す、燃料電池セルの縦断正面図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
[第1の実施の形態]
第1の実施の形態を
図1ないし
図5に基づいて説明する。本実施の形態は、ガス拡散層一体ガスケット101の一例であり、このガス拡散層一体ガスケット101を用いた燃料電池セル201の一例である。
【0016】
図1及び
図2に示すように、燃料電池セル201は、矩形形状をしたガスケット本体111の中央部分に設けられた開口部112に、一対のガス拡散層131(131a,131b)に挟まれた膜電極接合体151を配置している。こうして構成されたものは燃料電池セル用部材211であり、この燃料電池セル用部材211を一対のセパレータ171(171a,171b)で挟み込んで固定することによって、燃料電池セル201となる。
【0017】
図3に示すように、ガスケット本体111は、矩形形状をしたシート状ガスケット取付部材113を基材として、このシート状ガスケット取付部材113にガスケット114を固定した構造のものである。
【0018】
シート状ガスケット取付部材113は、前述した開口部112を中央部分に有し、四隅に四個の流通孔115を有している。これらの流通孔115は、燃料電池セル201が流体を流通させるために有するマニフォールド231をなす(
図1参照)。
【0019】
このようなシート状ガスケット取付部材113は、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、発泡スチレン(PSP)などを材料として形成されている。
【0020】
ガスケット114は、シート状ガスケット取付部材113の周縁近傍を取り囲み、さらに四個の流通孔115を取り囲むように配置されている。したがって開口部112及び四個の流通孔115は、ガスケット114によってシール可能になっている。このようなガスケット114は、
図4に示すように、基部114aとこの基部114aから三角形状に隆起する隆起部114bとを有する断面形状を有しており、さらに後述する隙間埋め部材301を一体に成形している。隙間埋め部材301は、開口部112の内縁側から内側に飛び出す位置まで延出し、一方のガス拡散層131b(
図2、
図5参照)に接合している。
図3は、隙間埋め部材301を一点鎖線で表記している。
【0021】
このようなガスケット114は、例えばシリコーンゴム(VMQ)、フッ素ゴム(FKM)、エチレンプロピレンゴム(EPDM)などを材料として形成されている。
【0022】
燃料電池セル201は、ガス拡散層一体ガスケット101をガスケット本体として、このガス拡散層一体ガスケット101に各層をなす複数の部材を積層した積層構造をなしている。
【0023】
図5に示すように、ガス拡散層一体ガスケット101は、ガスケット本体111をなすシート状ガスケット取付部材113の開口部112に、一方のガス拡散層131bを一体的に連結している(
図2も参照)。シート状ガスケット取付部材113とガス拡散層131bとの連結は、前述した隙間埋め部材301による。つまりガス拡散層一体ガスケット101は、ガスケット114と隙間埋め部材301とを一体に成形し、平行に並列されたシート状ガスケット取付部材113と一方のガス拡散層131bとの間の隙間Gに隙間埋め部材301を介在させて、隙間埋め部材301の端面とガス拡散層131bの端面とを接合させている。
【0024】
隙間埋め部材301は、前述したように、シート状ガスケット取付部材113の上面に積層して開口部112の内縁にまで回り込み、さらにこの内縁側から開口部112内にまで延出している。このときのシート状ガスケット取付部材113と隙間埋め部材301との積層厚み、及び開口部112内での隙間埋め部材301の単独の厚みの寸法は、一方のガス拡散層131bの厚みの寸法とほぼ同一である。ガスケット114が隆起形成されている側と反対側の面において、シート状ガスケット取付部材113、ガス拡散層131b、及び隙間埋め部材301は同一面内に形成されている。
【0025】
このような構成のガス拡散層一体ガスケット101を製造するには、図示しない金型内にシート状ガスケット取付部材113と一方のガス拡散層131bとをセットし、射出形成によってガス拡散層一体ガスケット101及び隙間埋め部材301を一体的に成形する。したがってシート状ガスケット取付部材113とガス拡散層131bとは、ガス拡散層一体ガスケット101及び隙間埋め部材301に加硫接着された状態となり、互いに接合されている。
【0026】
図2に示すように、燃料電池セル201は、ガス拡散層一体ガスケット101をガスケット本体として、これに膜電極接合体151を積層し、一対のうちのもう一方のガス拡散層131aをさらに積層して燃料電池セル用部材211を形成している。
【0027】
膜電極接合体151は、電解質膜152と、この電解質膜152を両面から挟み込む一対の電極153(153a,153b)とを有している。電解質膜152は、一対の電極153の端面から飛び出すようにして延出し、隙間埋め部材301に接着されて固定されている。したがって隙間埋め部材301と電解質膜152の端部との間には、接着層154が形成されている。
【0028】
このような構成において、ガスケット本体111と膜電極接合体151及びガス拡散層131(131a,131b)とは別体であるため、両者の間には、どうしても隙間Gが発生する。このため接着層154を形成する接着剤や、スタッキングした個々の燃料電池セル1を固定する接着剤(図示せず)を硬化させる際の熱によって電解質膜7が線膨張し、隙間Gに入り込んでしまうことがある。隙間Gに電解質膜7が入り込んだ場合、例えばスタッキングに際して燃料電池セル1に加わる面圧によってシート状ガスケット取付部材2が変形し、隙間Gの間隔が狭まるなどした場合、電解質膜7が破損する可能性がある。
【0029】
これに対して本実施の形態によれば、隙間Gが隙間埋め部材301によって埋められるため、ここに入り込むことによる電解質膜152の破損を確実に防止し、その保護を図ることができる。
【0030】
本実施の形態によれば、ガスケット114と隙間埋め部材301とが一体に成形されているので、ガスケット114の成形時に隙間埋め部材301も同時に完成し、その製造工程を単純化することができる。
【0031】
[第2の実施の形態]
第2の実施の形態を
図6及び
図7に基づいて説明する。第1の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。
【0032】
図6に示すように、本実施の形態のガス拡散層一体ガスケット101は、ガスケット114と隙間埋め部材301とを別体に形成している。隙間埋め部材301はシート状ガスケット取付部材113の上面に積層し、ガスケット114に接しない位置から開口部112の内縁にまで回り込み、さらに開口部112内にまで延出している。
【0033】
このときの隙間埋め部材301の厚み寸法は、第1の実施の形態と同様である。つまりシート状ガスケット取付部材113と隙間埋め部材301との積層厚み、及び開口部112内での隙間埋め部材301の単独の厚みの寸法は、一方のガス拡散層131bの厚みの寸法とほぼ同一である。
【0034】
またガスケット114が隆起形成されている側と反対側の面において、シート状ガスケット取付部材113、ガス拡散層131b、及び隙間埋め部材301が同一面内に形成されていることも、第1の実施の形態と同様である。
【0035】
前述したとおり、ガスケット114は、例えばシリコーンゴム(VMQ)、フッ素ゴム(FKM)、エチレンプロピレンゴム(EPDM)などを材料として形成されている。これに対して隙間埋め部材301は、例えば熱可塑性エストラマー(TPE)を材料として形成されている。
【0036】
本実施の形態のガス拡散層一体ガスケット101を製造するには、一例として、シート状ガスケット取付部材113にガスケット114を固定した一体品を形成する。この一体品は、加硫接着や熱溶着によって形成することが可能である。そして図示しない金型内に、形成した一体品と一方のガス拡散層131bとをセットし、射出形成によって隙間埋め部材301を一体的に成形する。
【0037】
ガス拡散層一体ガスケット101を製造する別の一例は、すべての部品、つまりシート状ガスケット取付部材113、ガスケット114、ガス拡散層131b、及び隙間埋め部材301を熱圧着によって接合させる。
【0038】
ガス拡散層一体ガスケット101を製造するさらに別の一例は、シート状ガスケット取付部材113にガスケット114を固定した一体品を形成する。これと前後して、図示しない金型内に一方のガス拡散層131bをセットし、射出形成によって隙間埋め部材301を一体的に成形する。そしてガスケット114を固定したシート状ガスケット取付部材113に、ガス拡散層131bと一体的にした隙間埋め部材301を接着する。接着は、スクリーン印刷やスプレー塗布などの手法によって、例えばシート状ガスケット取付部材113又は隙間埋め部材301に接着剤の層を成膜し、相手方の部材を接着剤の層に押し付けることによって行われる。
【0039】
図7に示すように、こうして構成したガス拡散層一体ガスケット101を用いて燃料電池セル用部材211を形成するには、第1の実施の形態と同様に、ガス拡散層一体ガスケット101をガスケット本体として、これに膜電極接合体151を積層し、一対のうちのもう一方のガス拡散層131aをさらに積層する。
【0040】
このような構成において、本実施の形態においても、隙間Gが隙間埋め部材301によって埋められるため、ここに入り込むことによる電解質膜152の破損を確実に防止し、その保護を図ることができる。
【0041】
[第3の実施の形態]
第3の実施の形態を
図8ないし
図10に基づいて説明する。第2の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。
【0042】
図8に示すように、本実施の形態は、シート状ガスケット取付部材113と隙間埋め部材301との接合を強固にするために、シート状ガスケット取付部材113に、複数個の貫通孔116を設けている。貫通孔116は、開口部112を取り囲むようにその内縁に沿って配列され、隙間埋め部材301が積層される個所に位置づけられている。
【0043】
図9に示すように、本実施の形態のガス拡散層一体ガスケット101を製造するには、第2の実施の形態と同様に、まずシート状ガスケット取付部材113にガスケット114を固定した一体品を形成する。そして図示しない金型内に、形成した一体品と一方のガス拡散層131bとをセットし、射出形成によって隙間埋め部材301を一体的に成形する。このとき隙間埋め部材301を形成することになる溶融した材料、例えば熱可塑性エストラマー(TPE)は、複数個の貫通孔116に入り込み、冷却後の固化によって貫通孔116内で突起状に固まる。
【0044】
したがって本実施の形態のガス拡散層一体ガスケット101によれば、シート状ガスケット取付部材113と隙間埋め部材301との間の接合状態を強固にすることが可能である。
【0045】
図10に示すように、こうして構成したガス拡散層一体ガスケット101を用いて燃料電池セル用部材211を形成するには、第1及び第2の実施の形態と同様に、ガス拡散層一体ガスケット101をガスケット本体として、これに膜電極接合体151を積層し、一対のうちのもう一方のガス拡散層131aをさらに積層する。
【0046】
[第4の実施の形態]
第4の実施の形態を
図11ないし
図13に基づいて説明する。第2の実施の形態と同一部分は同一符号で示し、説明も省略する。
【0047】
第2の実施の形態のガス拡散層一体ガスケット101において、接着層154は、一対の電極153(153a,153b)からの電解質膜152の延出領域全体にわたり存在しているわけではなく、
図7中、シート状ガスケット取付部材113の垂直投影面と一致する領域内にとどまっている。
【0048】
これに対して
図11に示すように、電解質膜152が一対の電極153(153a,153b)から延出する領域の全体にわたって接着層154の形成領域を拡大することを想定する。この場合、隙間埋め部材301と電解質膜152との接着に際して、予め決められている接着領域から接着剤がはみ出してしまうことがある。
図11中、接着剤がはみ出して硬化した接着層154のはみ出し部分を符号Lで示す。
【0049】
図11に例示するように、接着剤がはみ出すことによって形成される接着層154のはみ出し部分Lは、膜電極接合体151の一方の電極153b、あるいは一方のガス拡散層131bを圧迫し、燃料電池セル201の特性を変化させてしまう。本実施の形態は、接着層154のはみ出し部分Lの発生を防止するための実施の一形態を紹介する。
【0050】
図12に示すように、接着層154のはみ出し部分L(
図11参照)の発生を防止するために、本実施の形態では、隙間埋め部材301に溜り溝302を形成している。溜り溝302は、隙間埋め部材301の周縁に沿って形成されている。
【0051】
このような構成において、隙間埋め部材301と電解質膜152とを接着するための接着剤は溜り溝302に逃げるため、接着層154にはみ出し部分Lが生じないようにすることが可能となる。これによってはみ出し部分Lが膜電極接合体151の一方の電極153b、あるいは一方のガス拡散層131bを圧迫し、燃料電池セル201の特性を変化させてしまうような不都合の発生を防止することができる。
【0052】
[変形例]
実施に際しては、各種の変形や変更が可能である。
【0053】
例えばシート状ガスケット取付部材113、ガスケット114、及び隙間埋め部材301については、上記各実施の形態で例示した材料に限らず、これらを他の材料によって形成するようにしてもよい。ガス拡散層一体ガスケット101の製造方法についても、上記各実施の形態で示した製造方法に限定されず、各種の製造方法を採用することが可能である。
【0054】
その他、実施に際しては、あらゆる変更や変形が可能である。
【符号の説明】
【0055】
101 ガス拡散層一体ガスケット
111 ガスケット本体
112 開口部
113 シート状ガスケット取付部材
114 ガスケット
115 流通孔
131(131a,131b) ガス拡散層
151 膜電極接合体
152 電解質膜
153(153a,153b) 電極
154 接着層
171(171a,171b) セパレータ
201 燃料電池セル
211 燃料電池セル用部材
231 マニフォールド
301 隙間埋め部材
302 溜り溝
L はみ出し部分