JP6290603B2 - Gasket for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、液体燃料を燃料側電極に直接供給する直接燃料供給型であって、液体燃料電池におけるスタックの各燃料電池セル間に形成される流路をシールするためのガスケットと、前記燃料電池セルの発電体における厚さ方向両側のガス拡散層(以下、GDLと略称する(GDL:Gas Diffusion Layer))が一体化されたガスケットに関するものである。 The present invention is a liquid fuel to a direct fuel supply type supplied directly to the fuel side electrode, and a gasket for sealing a flow path formed between the fuel cell stack in liquids fuel cell, the fuel The present invention relates to a gasket in which gas diffusion layers (hereinafter abbreviated as GDL (GDL: Gas Diffusion Layer)) on both sides in the thickness direction of a power generation body of a battery cell are integrated.
従来、車両に搭載する燃料電池として、液体燃料を直接供給する直接液体燃料形燃料電池の開発が進められており、例えば、直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)などが知られている。そしてこの種の燃料電池の基本構造は、電解質膜(イオン交換膜)の両面に負極層(アノード)及び正極層(カソード)を設けた膜−電極複合体(以下、MEAと略称する(MEA:Membrane Electrode Assembly))を、カーボン、合成樹脂あるいは金属からなるセパレータで挟み込んでこれをひとつの発電単位(燃料電池セル)としている。そして、各燃料電池セルによる起電力は低いものであるが、多数の燃料電池セルを積層して電気的に直列に接続した燃料電池スタックとすることにより、必要な起電力が得られるようにしている。 Conventionally, development of a direct liquid fuel type fuel cell that directly supplies liquid fuel as a fuel cell mounted on a vehicle has been promoted. For example, a direct methanol type fuel cell (DMFC) is known. Yes. The basic structure of this type of fuel cell is a membrane-electrode assembly (hereinafter abbreviated as MEA (MEA)) in which a negative electrode layer (anode) and a positive electrode layer (cathode) are provided on both surfaces of an electrolyte membrane (ion exchange membrane). Membrane Electrode Assembly)) is sandwiched between separators made of carbon, synthetic resin or metal, and this is used as one power generation unit (fuel cell). And although the electromotive force by each fuel battery cell is low, a required electromotive force can be obtained by stacking a large number of fuel battery cells and electrically connecting them in series. Yes.
そしてこの種の燃料電池は、MEAのアノード側に供給される還元剤の燃料が還元されることによって電子が取り出され、電力を発生するものである。還元剤としては、メタノールなどのアルコール、ヒドラジンなどが用いられる。一方、MEAのカソード側に供給される酸化剤としては酸素や水などが用いられる。さらに、冷却が必要な場合は水や不凍液なども流通させる。そしてこれら複数種類の流体を燃料電池に供給するには、供給すべき空間からこれらの流体が散逸しないように、あるいは他の流体が混入したりすることがないように、これらの流体の流路を確実に密封する必要があり、このため、各燃料電池セルにはゴム状弾性を有する材料、特にゴム弾性体や熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂など、成形性の良い材料で成形されたガスケットが組み込まれている。 In this type of fuel cell, the reducing agent fuel supplied to the anode side of the MEA is reduced to extract electrons and generate electric power. As the reducing agent, alcohol such as methanol, hydrazine or the like is used. On the other hand, oxygen, water, or the like is used as the oxidant supplied to the cathode side of the MEA. In addition, when cooling is necessary, water and antifreeze are also distributed. In order to supply these types of fluids to the fuel cell, the flow paths of these fluids are used so that these fluids are not dissipated from the space to be supplied or other fluids are not mixed. Therefore, each fuel battery cell must be sealed with a rubber-like elastic material, in particular, a gasket formed of a material having good moldability such as a rubber elastic body, a thermoplastic elastomer, or a thermosetting resin. Is incorporated.
ガスケットは、ゴム状弾性を有するその本体部分(以下、ガスケット本体という)が燃料電池セルの構成部品であるセパレータ、MEA、GDLなどに一体的に成形することにより、燃料電池スタック組み付けの際のハンドリング性を向上させることができる。通常、ガスケット本体がセパレータに一体化されたものである場合は、セパレータがカーボン、合成樹脂あるいは金属からなることから、比較的剛性が大きいためハンドリング性が良く、またセパレータに加工を施してガスケット装着溝を設けたり、セパレータの端部や、セパレータに開設されたマニホールド穴を位置決めの目印として利用して精度良く位置決めして積層することができる。 The gasket has a rubber-like elastic body part (hereinafter referred to as "gasket body") formed integrally with a separator, MEA, GDL or the like, which is a component of the fuel cell, thereby handling the fuel cell stack during assembly. Can be improved. Normally, when the gasket body is integrated with the separator, the separator is made of carbon, synthetic resin, or metal, so it is relatively rigid and easy to handle. A groove can be provided, or an end portion of the separator or a manifold hole formed in the separator can be used as a positioning mark for accurate positioning and lamination.
一方、ガスケット本体がGDLに一体化されたものである場合は、通常、ガスケット本体はGDLの最外周に途切れないように全周連続して賦形されている。そして、MEAにおけるアノード側とカソード側にそれぞれ独立したGDLを配置する場合は、ガスケット本体も各GDLにそれぞれ別々に成形される。したがって、積層時には、アノード及びカソードを担持したMEAを挟んでアノード側GDL及びカソード側GDLを配置することによって燃料電池セルとする。しかしながら、GDLはカーボンクロスやカーボンフェルト、メタルファイバークロスなどの多孔質材料からなるものであって、ハンドリング時に変形しやすく、さらに板状又はシート状からなることからGDL自体に位置決めとして利用できる目印が無いため、セパレータに一体的に成形したもののように精度良くアノード側とカソード側にそれぞれ独立したGDLに一体化されたガスケット本体同士(ガスケット間)を位置決めすることが難しく、積層時に各ガスケット間あるいはガスケットとMEAの間などに位置ずれを生じる懸念があった。 On the other hand, when the gasket main body is integrated with the GDL, the gasket main body is generally shaped continuously all around so as not to be interrupted at the outermost periphery of the GDL. When the independent GDLs are arranged on the anode side and the cathode side in the MEA, the gasket main body is also separately molded into each GDL. Therefore, at the time of stacking, a fuel cell is obtained by arranging the anode side GDL and the cathode side GDL with the MEA carrying the anode and cathode interposed therebetween. However, GDL is made of a porous material such as carbon cloth, carbon felt, metal fiber cloth, etc., and is easily deformed during handling. Further, since it is made of a plate shape or a sheet shape, GDL itself has a mark that can be used for positioning. Therefore, it is difficult to position the gasket bodies (between gaskets) integrated in the GDL independent on the anode side and the cathode side with high accuracy like those molded integrally with the separator. There was a concern of causing a positional shift between the gasket and the MEA.
そして積層された各ガスケット間に位置ずれがある場合、面圧低下やモーメントの発生によりガスケットの倒れが生じて積層によるガスケット本体の圧縮反力が不安定になったり、密封性が不安定になったりするおそれがあった。 If there is a displacement between the laminated gaskets, the gasket will fall due to a decrease in surface pressure or moment, and the compression reaction force of the gasket body due to lamination becomes unstable, or the sealing performance becomes unstable. There was a risk of it.
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、液体燃料を燃料側電極に直接供給する直接燃料供給型であって、ガスケット本体をガス拡散層に一体化した構造を備える液体燃料電池用ガスケットにおいて、積層の際に各ガスケット間の位置ずれが生じるのを防止することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and the technical problem thereof is a direct fuel supply type in which liquid fuel is directly supplied to a fuel side electrode, and the gasket body is used as a gas diffusion layer. in the gasket for liquids fuel cell Ru with an integrated structure is to prevent the positional deviation between the gasket during lamination occurs.
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用ガスケットは、液体燃料電池に用いられるガスケットであって、燃料電池セルにおける膜−電極複合体のアノード側及びカソード側のそれぞれに配置されるガス拡散層に、これらのガス拡散層の外周を包囲するように板状基部に隆起形状をなすシールリップが形成されたガスケット本体が一体に成形されており、アノード側及びカソード側のうち一方の前記ガス拡散層に成形された前記ガスケット本体の板状基部に、他方の前記ガス拡散層に成形された前記ガスケット本体の板状基部の外周端部と嵌合又は遊嵌可能な段差面を形成したものである。 As means for effectively solving the above technical problem, the fuel cell gasket according to the invention of claim 1 is a gasket used for a liquid fuel cell, and is an anode of a membrane-electrode composite in a fuel cell. The gas diffusion layers arranged on the cathode side and the cathode side are integrally molded with a gasket body in which a sealing lip having a raised shape is formed on the plate-like base so as to surround the outer periphery of these gas diffusion layers. , the plate-like base portion of the anode side and the cathode side the gasket body which is molded into the gas diffusion layer of one of, fitting an outer peripheral edge of the plate-shaped base portion of the gasket body which is molded to the other of the gas diffusion layer A step surface that can be fitted or loosely fitted is formed.
このように構成すれば、アノード側及びカソード側のうち一方のガス拡散層に成形されたガスケット本体と、他方のガス拡散層に成形されたガスケット本体は、その一方の段差面と他方の板状基部の外周端部とが嵌合又は遊嵌された状態で、膜−電極複合体のアノード側及びカソード側に積層されることから、各ガスケットが互いに高精度に位置決めされる。 If comprised in this way, the gasket main body shape | molded by one gas diffusion layer in the anode side and the cathode side, and the gasket main body shape | molded by the other gas diffusion layer are the one step surface and the other plate shape. in a state where the outer edge of the base portion is fitted or loosely fitted film - from being stacked on the anode side and the cathode side of the electrode assembly, each gasket is precisely positioned to each other.
請求項2の発明に係る燃料電池用ガスケットは、請求項1に記載の構成において、アノード側及びカソード側のうち一方の前記ガス拡散層に成形された前記ガスケット本体の板状基部に、前記段差面の内周側に位置して、前記膜−電極複合体の外周端部と嵌合又は遊嵌可能な第二段差面を形成したものである。
Fuel cell gaskets according to the invention of
このように構成すれば、各ガスケットが互いに高精度に位置決めされると共に、アノード側及びカソード側のうち一方のガスケット本体の板状基部に形成された第二段差面と膜−電極複合体の外周端部が嵌合又は遊嵌によって、膜−電極複合体も高精度に位置決めされる。 If comprised in this way, while each gasket is positioned with high precision mutually, the 2nd level | step difference surface formed in the plate-shaped base part of one gasket main body among an anode side and a cathode side, and the outer periphery of a membrane electrode assembly The membrane electrode assembly is also positioned with high accuracy by the end fitting or loose fitting.
本発明に係る燃料電池用ガスケットによれば、積層時に各ガスケットが互いに高精度に位置決めされるため、位置ずれによって圧縮反力や密封面圧が不安定になるのを有効に防止して、密封の信頼性、ひいては燃料電池の信頼性を向上することができる。 According to the fuel cell gasket according to the present invention, the gaskets are positioned with high accuracy at the time of stacking, so that it is possible to effectively prevent the compression reaction force and the sealing surface pressure from becoming unstable due to misalignment. The reliability of the fuel cell and the reliability of the fuel cell can be improved.
以下、本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず図1は、本発明に係る燃料電池用ガスケットが適用される燃料電池の概略構成を示すものであり、図2は、燃料電池におけるひとつの発電単位である燃料電池セルを示すものである。 Hereinafter, preferred embodiments of a gasket for a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell to which a fuel cell gasket according to the present invention is applied, and FIG. 2 shows a fuel cell as one power generation unit in the fuel cell.
すなわちこの種の燃料電池は、電解質膜の一方の面に負極層(アノード)を設けると共に他方の面に正極層(カソード)を設けた膜−電極複合体(以下、MEAと略称する)1を、厚さ方向両側から、カーボンクロスやカーボンフェルト、メタルファイバークロスなどガスの流通を許容する無数の微細貫通空隙を有する多孔質材料からなる板状又はシート状のガス拡散層(以下、GDLと略称する)2,3を介して、カーボン、合成樹脂あるいは金属からなるセパレータ4,5で挟み込み、これを発電の最小単位である燃料電池セル10として、この燃料電池セル10を複数組積層し、不図示のボルト、ナット等の締め付け機構により一体化して燃料電池スタックが構成されるものである。
That is, this type of fuel cell has a membrane-electrode assembly (hereinafter abbreviated as MEA) 1 in which a negative electrode layer (anode) is provided on one surface of an electrolyte membrane and a positive electrode layer (cathode) is provided on the other surface. A plate-like or sheet-like gas diffusion layer (hereinafter abbreviated as GDL) made of a porous material having innumerable fine through-holes that allow gas to flow from both sides in the thickness direction, such as carbon cloth, carbon felt, and metal fiber cloth. 2) and 3) are sandwiched by
一方のGDL2(以下、第一GDL2という)の外周側には、ゴム状弾性材料(ゴム弾性体又はゴム状弾性を有する熱可塑性エラストマー、熱硬化性樹脂など)からなる第一ガスケット本体6が一体に成形されており、他方のGDL3(以下、第二GDL3という)の外周側には、第一ガスケット本体6と同じゴム状弾性材料からなる第二ガスケット本体7が一体に成形されている。
On the outer peripheral side of one GDL 2 (hereinafter referred to as the first GDL 2), a
なお、第一GDL2は、MEA1のアノード側及びカソード側のうち一方に積層配置されるものであり、第二GDL3は、MEA1のアノード側及びカソード側のうち他方に積層配置されるものである。また、第一ガスケット本体6及び第二ガスケット本体7は、請求項1に記載されたガスケット本体に相当するものである。
The first GDL2 is stacked on one of the anode side and the cathode side of the MEA1, and the second GDL3 is stacked on the other of the anode side and the cathode side of the MEA1. The
セパレータ4,5と、第一GDL2に一体成形された第一ガスケット本体6には、それぞれ複数のマニホールド孔4a,5a,6aが開設されており、積層状態では、セパレータ4,5のマニホールド孔4a,5aと第一ガスケット本体6のマニホールド孔6aが互いに重合(連通)されることによって還元剤(液体燃料)、酸化剤や冷媒の供給通路及び排出通路(マニホールド)10aが形成されるようになっている。
A plurality of
そしてこの燃料電池は、各燃料電池セル10において、マニホールド孔を流通する還元剤が、第一GDL2及び第二GDL3のうちの一方のGDLを介してMEA1のアノード側に供給され、他のマニホールド孔を流通する酸化剤が、第一GDL2及び第二GDL3のうちの他方のGDLを介してMEA1のカソード側に供給され、還元剤の水素原子と酸化剤の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。そして、各燃料電池セル1による起電力は低いものであるが、多数の燃料電池セル1を積層して電気的に直列に接続した燃料電池スタックとすることによって、必要な高電圧を得るものである。
In this fuel cell, in each
図3及び図4は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第一の実施の形態として、MEA1と、第一GDL2及びこれと一体の第一ガスケット本体6と、第二GDL3及びこれと一体の第二ガスケット本体7を図2のA−A位置で切断して示すものである。
FIGS. 3 and 4 show, as a preferred first embodiment of the fuel cell gasket according to the present invention, the MEA 1, the
図3に示すように、第一ガスケット本体6は、そのゴム状弾性材料の一部が第一GDL2の端縁部に含浸して硬化することによって、この第一GDL2の外周を包囲するように一体に成形されている。なお、参照符号21は、第一GDL2に第一ガスケット本体6のゴム状弾性材料が含浸された領域(含浸部)を示す。
As shown in FIG. 3, the
第一ガスケット本体6には、その板状基部61におけるMEA1との積層面に対して厚さ方向反対側を向いた面(図3における下面)に、第一GDL2の外周(含浸部21の外周)を取り囲むように延びる断面山形の隆起形状をなすシールリップ62と、マニホールド孔6aの外周を取り囲むように延びる断面山形の隆起形状をなすシールリップ63が形成され、MEA1との積層面と同じ側の面(図3における上面)に、シールリップ63と背中合わせでマニホールド孔6aの外周を取り囲むように延びる断面山形の隆起形状をなすシールリップ64と、MEA1の外周を取り囲むように延びる段差面65が形成されている。この段差面65は、シールリップ64よりも低い突条66の内周面をなすように形成されている。
The
また、第一ガスケット本体6の板状基部61は、段差面65を境にして外周側が内周側より相対的に厚肉となっており、段差面65より内周側では、第一GDL2と略同等の厚さに形成されている。
Further, the plate-
一方、第二ガスケット本体7は、そのゴム状弾性材料の一部が第二GDL3の端縁部に含浸して硬化することによって、この第二GDL3の外周を包囲するように一体に成形されている。なお、参照符号31は、第一GDL2に第二ガスケット本体7のゴム状弾性材料が含浸された領域(含浸部)を示す。
On the other hand, the
第二ガスケット本体7には、その板状基部71におけるMEA1との積層面に対して厚さ方向反対側を向いた面(図3における上面)に、第二GDL3の外周(含浸部31の外周)を取り囲むように延びる断面山形の隆起形状をなすシールリップ72が形成されている。
The second gasket
また、第二ガスケット本体7の板状基部71は、第二GDL3と略同等の厚さに形成されており、その外周端部71aの平面形状の大きさは、第一ガスケット本体6の段差面65の平面形状よりも僅かに小さく形成されており、したがってこの第二ガスケット本体7は、図4に示すように、前記段差面65の内周に嵌め込み可能となっている。また、前記段差面65の高さは、MEA1と第二ガスケット本体7の板状基部の厚さの和と同等又はそれ以上となっている。
Further, the plate-
図4に示す積層状態では、MEA1を、その厚さ方向両側から第一GDL2及びこれと一体の第一ガスケット本体6と、第二GDL3及びこれと一体の第二ガスケット本体7を介してセパレータ4,5で挟持することによって燃料電池セル10が構成される。このとき、MEA1の外周部は、その両側の第一ガスケット本体6及び第二ガスケット本体7によって密接状態で挟持され、第一ガスケット本体6に形成されたシールリップ62,63,64及び第二ガスケット本体7に形成されたシールリップ72は、適当に圧縮された状態でセパレータ4,5に密接され、これによって、MEA1と第一GDL2及び第二GDL3が積層された発電領域の周囲が密封されると共に、セパレータ4,5のマニホールド孔4a,5aと前記発電領域との間の流路から還元剤又は酸化剤が漏れないように前記流路が密封される。
In the laminated state shown in FIG. 4, the MEA 1 is separated from both sides in the thickness direction through the
以上のように構成された第一の実施の形態によれば、積層の際に、第一GDL2に一体成形された第一ガスケット本体6と、第二GDL3に一体成形された第二ガスケット本体7は、第一ガスケット本体6に形成された段差面65と第二ガスケット本体7の板状基部71の外周端部71aが互いに遊嵌されることから、互いに高精度に位置決めされる。
According to the first embodiment configured as described above, the first gasket
したがって、積層過程で、剛性の低い第一GDL2に一体成形された第一ガスケット本体6と、剛性の低い第二GDL3に一体成形された第二ガスケット本体7を互いに位置決めする作業を容易に行うことができ、しかも第一ガスケット本体6に形成されたシールリップ62と第二ガスケット本体7に形成されたシールリップ72が同じ位置で圧縮されるので、積層によるシールリップ62,72の圧縮反力が不安定になったり、密封性が不安定になったりすることがない。
Accordingly, the
次に図5及び図6は、本発明に係る燃料電池用ガスケットの好ましい第二の実施の形態として、MEA1と、第一GDL2及びこれと一体の第一ガスケット本体6と、第二GDL3及びこれと一体の第二ガスケット本体7を図2のA−A位置で切断して示すものである。
Next, FIG. 5 and FIG. 6 show, as a second preferred embodiment of the fuel cell gasket according to the present invention, the MEA 1, the
この第二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、第一GDL2に一体に成形された第一ガスケット本体6に、第二GDL3に一体に成形された第二ガスケット本体7の板状基部71の外周端部71aと遊嵌可能な段差面65の内周側に位置して、MEA1の外周端部1aと遊嵌可能な第二段差面67を形成した点にある。
In this second embodiment, the difference from the first embodiment described above is that the
第二段差面67は、段差面65を形成している突条66よりも突出高さの低い第二突条68の内周面をなすように形成されている。また、第二ガスケット本体7の板状基部71の外周端部71aの近傍には、前記第二突条68と遊嵌可能な第三段差面71bが形成されている。その他の部分は、第一の実施の形態と同様に構成することができる。
The
以上のように構成された第二の実施の形態によれば、第一の実施の形態と同様、積層の際に、第一GDL2に一体成形された第一ガスケット本体6と、第二GDL3に一体成形された第二ガスケット本体7は、第一ガスケット本体6に形成された段差面65と第二ガスケット本体7の板状基部71の外周端部71aが互いに遊嵌されることによって、互いに高精度に位置決めされる。
According to the second embodiment configured as described above, similarly to the first embodiment, the
加えて、第二ガスケット本体7の板状基部71は、積層時に第三段差面71bと第二突条68が互いに遊嵌されることによっても位置決めされ、しかも、MEA1もその外周端部1aが第二突条68による第二段差面67と遊嵌されることによって、MEA1とGDL(第一GDL2、第二GDL3)及びこれと一体のガスケット本体(第一ガスケット本体6、第二ガスケット本体7)が高精度に位置決めされる。
In addition, the plate-
したがって、積層過程でそれ自体に位置決めとして利用できる目印がないシート状のMEA1と、それ自体に位置決めとして利用できる目印がない板状又はシート状のGDL2に一体成形された第一ガスケット本体6と、それ自体に位置決めとして利用できる目印がない板状又はシート状のGDL3に一体成形された第二ガスケット本体7を互いに位置決めする作業を一層容易に行うことができ、しかも第一ガスケット本体6に形成されたシールリップ62と第二ガスケット本体7に形成されたシールリップ72が同じ位置で圧縮されるので、積層によるシールリップ62,72の圧縮反力が不安定になったり、密封性が不安定になったりすることがない。
Therefore, a sheet-like MEA 1 without a mark that can be used as a positioning in itself in the lamination process, and a
なお、上述した第一及び第二の実施の形態では、MEA1と第一GDL2及び第二GDL3が積層された発電領域の周囲を密封するシールリップ62,72と、マニホールド10aの周囲を密封するシールリップ63,64が互いに独立して形成されたものを示したが、発電領域の周囲を密封するシールリップが、一部のマニホールド10aを包囲するように延びるように形成されたものとしても良い。
In the first and second embodiments described above, the
1 MEA(膜−電極複合体)
2 第一GDL(ガス拡散層)
3 第二GDL(ガス拡散層)
4,5 セパレータ
6 第一ガスケット本体(ガスケット本体)
65 段差面
66 突条
67 第二段差面
68 第二突条
7 第二ガスケット本体(ガスケット本体)
1 MEA (membrane-electrode composite)
2 First GDL (gas diffusion layer)
3 Second GDL (gas diffusion layer)
4,5
65 Stepped
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