JP2002117872A - 燃料電池用シール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セパレータの破壊を招かない低剛性の弾性材
を用いることができ、かつ、組み付け時に捻れや位置ず
れが生じず組み付け性の向上が図られる剛性を有する燃
料電池用シールを提供する。 【解決手段】 弾性材からなり、電極構造体１の電解膜
４とセパレータ６とに密着させられるシール本体１０
と、このシール本体１０の内部に配されてシール本体１
０と一体成形された補強材２０とを具備する。シールの
剛性を補強材２０で確保することができるので、実質的
にシールとして機能するシール本体１０の剛性を低くす
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池のガスシールに用いられるシールに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、平板状の電極
構造体の両側にセパレータが積層された積層体が単位セ
ルとされ、複数の単位セルが積層されて燃料電池スタッ
クとして構成される。電極構造体は、正極側の電極触媒
層（カソード電極板）と負極側の電極触媒層（アノード
電極板）との間に高分子電解膜が挟まれ、各電極触媒層
の外側にガス拡散層がそれぞれ積層された積層体であ
る。セパレータは電子伝達機能を有する材料からなるも
ので、電極構造体への対向面にはガス通路が形成され、
少なくとも一方のセパレータの表面には冷媒通路が形成
されている。これら通路はいずれも溝状であって、ガス
通路には、燃料ガスである水素ガスと、酸素や空気等の
酸化剤ガスとがそれぞれ独立して流され、冷媒通路に
は、水等の冷媒が流される。セパレータは、各ガス通路
間の凸条がガス拡散層に接触する状態で電極構造体に積
層される。

【０００３】このような燃料電池によると、例えば、負
極側に配されたセパレータのガス通路に燃料ガスを流
し、正極側に配されたセパレータのガス通路に酸化剤ガ
スを流すと、電気化学反応が起こって電気が発生する。
当該燃料電池の作動中においては、ガス拡散層は電気化
学反応によって生成した電子を電極触媒層とセパレータ
との間で伝達させると同時に燃料ガスおよび酸化剤ガス
を拡散させる。また、負極側の電極触媒層は燃料ガスに
化学反応を起こさせプロトンと電子を発生させ、正極側
の電極触媒層は酸素とプロトンと電子から水を生成し、
電解膜はプロトンをイオン伝導させる。そして、正負の
電極触媒層を通して電力が取り出される。

【０００４】上記のような燃料電池においては、燃料ガ
ス、酸化剤ガスおよび冷媒を、それぞれ独立したガス通
路および冷媒通路に流通させる必要があることから、こ
れら通路をシールによって隔絶している。シールする部
位としては、燃料電池スタックの構造により多少異なる
が、例えば、燃料電池スタックを貫通するガス通路の連
通口の周囲、電極構造体の周縁部、セパレータの表面に
設けられる冷媒通路の周囲、セパレータの表面の周縁部
等が挙げられる。

【０００５】従来のシール技術としては、フッ素系、シ
リコーン系、エチレン・プロピレン系等の有機ゴムから
なる弾性材料をシート状やＯリング状に成形してシール
部位に装填し、積層状態で圧縮されることによって生じ
る反発力によってシールする構造が一般的である。この
他には、黒鉛やセラミックス等からなる無機材料を圧縮
した状態とするシールや、加締めによってシールするメ
カニカルシール等が挙げられる。

【０００６】ところで、燃料電池は携行されたり車両に
搭載されたりして使用されるものがある。その場合に
は、特に小型化や薄板化が求められるが、上記セパレー
タは比較的脆い黒鉛でできているため、燃料電池スタッ
クに組み付ける際に破壊を招きやすい。したがって、用
いるシールとしては、柔らかく、かつ、適度な反発力を
有し、組み付け時にセパレータの破壊が起こらない上記
有機ゴムが広く用いられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のゴム
製シールは、断面円形のもの（いわゆるＯリング）や矩
形状のものが一般的であり、ゴムのみで構成されてい
る。ここで、セパレータの形状に合わせたシールは全長
が比較的長く、かつ、全体の薄層化の観点から断面積が
小さいものに制限されがちなので、組み付け時にシール
が捻れたり、取付溝に対して位置がずれるといった不具
合、つまり組み付け不良が生じやすかった。このような
組み付け不良はシール性能の低下を招くものであり、換
言するならば、組み付け不良が生じないようにシールを
装着するには相応の技術が必要で手間がかかり、組み付
け性に劣るものであった。このような問題は、剛性が比
較的高いゴムを用いれば生じないが、その場合には、セ
パレータにかかる面圧が大きくなってセパレータの破壊
を招くおそれがある。

【０００８】上記問題が回避されるシールとして、補強
用の樹脂フィルムの両側にゴムを接着剤で接着したもの
が提供されているが、このようなシールは、接着界面の
剥離によるシール不良や、接着剤の成分の溶出によって
冷媒等が汚染するといった問題がある。また、シールの
締め代方向に補強材が延在する場合には、シールが受け
る圧縮荷重が高くなり、シールとしての適当なへたり性
が損なわれてしまうといった欠点もある。

【０００９】したがって本発明は、セパレータの破壊を
招かない低剛性の弾性材を用いながらも、組み付け時に
捻れや位置ずれが生じず組み付け性の向上が図られる燃
料電池用シールを提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、一対の電極触
媒層の間に高分子電解膜が挟まれ、各電極触媒層の外側
にガス拡散層が積層されてなる電極構造体と、燃料ガス
あるいは酸化剤ガスが流通するガス通路を有し、電極構
造体の外側に積層されるセパレータとの間に介装され、
ガス通路をシールする燃料電池用シールであって、弾性
材からなり、電極構造体とセパレータとに密着させられ
るシール本体と、このシール本体の内部に配されてシー
ル本体と一体成形された補強材とを具備することを特徴
としている。

【００１１】また、本発明は、一対の電極触媒層の間に
高分子電解膜が挟まれ、各電極触媒層の外側にガス拡散
層が積層されてなる電極構造体と、この電極構造体の両
側に積層され、少なくとも一方に冷媒が流通する冷媒通
路が形成されたセパレータとからなる単位セルが、セパ
レータどうしを重ねて複数積層される際に、これらセパ
レータの間に介装されて冷媒通路をシールする燃料電池
用シールであって、弾性材からなり、各単位セルのセパ
レータに密着させられるシール本体と、このシール本体
の内部に配されてシール本体と一体成形された補強材と
を具備することを特徴としている。

【００１２】本発明のシールは、ゴム等の弾性材からな
るシール本体と、このシール本体に一体成形される補強
材とから構成されるので、シール本体が低剛性であって
も、シール自体の剛性は補強材によって確保される。し
たがって、シール本体を低剛性の材料で構成することが
でき、セパレータの破壊を招くことなく適切な面圧でシ
ールをセパレータに密着させることができる。これは、
シールの圧縮量のばらつきが大きくても、極端に面圧が
変化しない低剛性のシール断面を設計することができる
ことにつながる。また、本発明のシールを冷却側にも使
用することで、電極構造体側のシールとの応力差を小さ
くすることができ、応力差によって生じるセパレータの
曲げが低減し、セパレータの破損を防止することができ
る。さらに、補強材により剛性が確保されることから、
従来生じていた組み付け時の捻れや位置ずれは発生せ
ず、組み付け性の向上が図られる。補強材は、接着剤を
用いることなくシール本体に一体成形されるので、接着
剤による弊害は生じないとともに、振動等の外力によっ
てシール本体から補強材が離脱することが防がれる。

【００１３】さらに、シール本体を加硫ゴムで成形する
場合、加硫成形後の脱型時に生じやすいシール本体の変
形が補強材により抑えられるので、シール本体の破損が
防がれる。なお、本発明のシール本体の材料としては、
フッ素系、シリコーン系、エチレン・プロピレン系等の
有機ゴムや熱可塑性エラストマーからなる弾性材料が好
適に用いられる。

【００１４】本発明では、弾性変形した際に生じる反発
力が適度に確保される観点から、シール本体における電
極構造体およびセパレータに対する密着部の断面形状
が、円弧状、角状または円弧状と角状とを組み合わせた
形状であることを好ましい形態としている。

【００１５】また、補強材はシート状であって、その材
質としては、ステンレス鋼、アルミニウム合金、ポリイ
ミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂またはポリ
エチレンナフタレート樹脂が好適とされる。

【００１６】また、本発明のシール本体は、電極構造体
とセパレータ、あるいは重ねられるセパレータに挟まれ
て弾性変形させられるシール部と、このシール部から外
方に延びるフィン部とを有し、少なくともこのフィン部
に補強材が配されるとともに、補強材の全面がフィン部
で被われている形態を含む。この形態によれば、実質的
なシールはシール部によりなされ、フィン部はシール性
に直接影響しない。このため、シール本体を、金型内に
設定したキャビティに材料を注入して成形する場合、材
料の注入口をフィン部に連続させることにより、シール
部を注入口の影響を受けることのない所望の形状、すな
わちシール性の高い形状に成形することができる。ま
た、補強材がフィン部で被われることにより、補強材は
ガスに接触せず耐食性が向上する。

【００１７】さらに、シール本体からの補強材の抜けを
防止する抜け防止手段を設けることにより、振動等の外
力によってシール本体から補強材が離脱することがより
一層防がれる。

【００１８】上記抜け防止手段としては、補強材に形成
された孔と、この孔に貫通して補強材に係合するシール
本体の係合部とから構成され、シール本体の電極構造体
あるいはセパレータへの接触面積Ｓに対する補強材の孔
の総面積Ｌが占める割合Ｋが２０％以上であることが好
ましい。これを式で表すと、以下の通りである。 Ｋ（孔の面積率）＝Ｌ（孔の総面積）／（Ｓ）シール本
体の接触面積Ｋ≧２０（％） この形態によれば、シール本体の一部である係合部が補
強材の孔に貫通して係合することにより、補強材の抜け
が防止される。そして、補強材の孔の面積率が上記のよ
うにシール本体の接触面積の２０％以上確保されること
により、シール本体の厚さを大きくすることなく体積を
効果的に増大させることができる。これにより、補強材
で阻害されがちなシール時の変形が十分に行われ、適切
な面圧でシール本体をセパレータに密着させることがで
きる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。図１は、実施形態に係るシールが組
み込まれた燃料電池の単位セルＣを示しており、図中符
号１は平面視長方形状の電極構造体である。この電極構
造体１は、カソード電極板（電極触媒層）２とアノード
電極板（電極触媒層）３との間に高分子電解膜４が挟ま
れ、各電極板２，３の外側にガス拡散層５が積層されて
なるものである。そして、ガス拡散層５の外側に、セパ
レータ６がそれぞれ積層されている。各セパレータ６の
電極構造体１への対向面には、多数の溝状のガス通路６
ａが形成されている。これらガス通路６ａの一方側に
は、水素ガス等の燃料ガスが流され、他方側には酸素や
空気等の酸化剤ガスが流される。また、図１の上側のセ
パレータ６の外面には、冷媒が流される多数の溝状の冷
媒通路６ｂが形成されている。

【００２０】電極構造体１における中央の電解膜４は、
各電極板２，３および各ガス拡散層５よりも面積が大き
く均一幅の周縁部４ａが露出している。そして、その周
縁部と上下のセパレータ６との間に、各電極板２，３お
よび各ガス拡散層５を囲むようにしてシール７がそれぞ
れ装着されている。また、上側のセパレータ６の周囲に
も、冷媒通路６ｂをシールするシール７が装着される。
このような構成からなる燃料電池の単位セルＣを複数積
層し、かつ、所定の組み付け圧で組み付けることによ
り、燃料電池スタックが構成される。

【００２１】図２（ａ）は、上記シール７の断面を示し
ており、このシール７は、弾性材からなるシール本体１
０と、シール本体１０内に一体成形されたシート状の補
強材２０とから構成されている。シール７は、補強材２
０を金型内にセットし、金型内に設定したキャビティに
シール材料を注入することにより、シール材料よりなる
シール本体１０が補強材２０に一体成形されて製造され
る。

【００２２】シール本体１０は、断面円形のシール部１
１と、このシール部１１から外方に延びるフィン部１２
とを有している。シール部１１は電極構造体１の電解膜
４とセパレータ６とに挟まれて弾性変形させられ、実質
的にシール機能を発揮する部分である。シール部１１は
断面円形であることから、電解膜４およびセパレータ６
への密着部である上端部および下端部は、断面形状が円
弧状である。フィン部１２は、シール部１１の中心を通
る方向であって、かつシール７全体で規定される面方向
に沿って延びており、その幅（図２（ａ）で左右方向の
長さ）は、シール部１１の直径と同等か、あるいはやや
長く設定される。なお、シール本体１０は、フッ素系、
シリコーン系、エチレン・プロピレン系等の有機ゴムや
熱可塑性エラストマーからなるもので、比較的低剛性で
あることが好ましい。

【００２３】補強材２０は、フィン部１２に沿って延び
ており、シール部１１の中心を過ぎるまでシール部１１
内に入り込んでいる。この場合、補強材２０の一端縁が
フィン部１２の端縁から露出している。補強材２０の材
質としては、ステンレス鋼、アルミニウム合金、ポリイ
ミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂またはポリ
エチレンナフタレート樹脂から選定される。

【００２４】上記シール７は、図１に示したように、１
つの単位セルＣにおける電解膜４の周縁部４ａと両側の
セパレータ６との間に挟み込まれて装着される。そし
て、複数の単位セルＣが積層される際に、重ねられる上
下のセパレータ６との間にもシール７が挟まれて装着さ
れる。そして、複数の単位セルＣが積層され、かつ、所
定の組み付け圧で組み付けられて燃料電池スタックとし
て構成された状態で、組み付け圧に応じた圧力で圧縮さ
れ、電解膜４とセパレータ６との間と、セパレータ６間
をシールする。

【００２５】次に、上記シールの作用効果を説明する。
まず、シール本体１０が低剛性であっても、シール７自
体の剛性は補強材２０によって確保される。したがっ
て、シール本体１０を低剛性の材料で構成することがで
き、セパレータ６の破壊を招くことなく適切な面圧でセ
パレータ６に密着させることができる。これは、シール
本体１０の圧縮量のばらつきが大きくても、極端に面圧
が変化しない低剛性のシール断面を設計することができ
ることにつながる。また、補強材２０により剛性が確保
されることから、燃料電池スタックを組み付ける際の捻
れや位置ずれが発生せず、組み付け性の向上が図られ
る。

【００２６】また、補強材２０は、接着剤を用いること
なくシール本体１０に一体成形されるので、接着剤によ
る弊害は生じないとともに、振動等の外力によってシー
ル本体１０から補強材２０が離脱することが防がれる。
さらに、シール本体１０を加硫ゴムで成形する場合、加
硫成形後の脱型時に生じやすいシール本体１０の変形が
補強材２０により抑えられるので、シール本体１０の破
損が防がれる。

【００２７】さらに、シール部１１は断面円形であり、
電解膜４およびセパレータ６への密着部である上端部お
よび下端部の断面形状が円弧状であるので、圧縮を受け
て弾性変形した際に生じる反発力が適度に確保され、高
いシール性を示す。

【００２８】次に、図３〜図５を参照して複数の単位セ
ルからなる燃料電池スタックの構成例を示す。これら図
で、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明
を簡略化する。

【００２９】図３に示す燃料電池スタックは、図１と同
様の構成の単位セルＣを２段積層した構成である。この
場合、電極構造体１の電解膜４の周縁部４ａと上下のセ
パレータ６との間に装着されるシール８のシール本体１
０は、断面円形のシール部１１の両側にフィン部１２が
突出した形態である。そして、シール部１１内に、補強
材２０が内包されている。一方、上下の単位セルＣ間に
装着されて冷媒通路６ｂをシールするシール９は、断面
円形で、補強材を備えていない従来型のＯリングであ
る。

【００３０】図４の燃料電池スタックは、単位セルＣが
３段以上積層された構成であって、図３のものとは逆
に、電解膜４とセパレータ６との間のガス通路６ａがシ
ール８でシールされ、単位セルＣ間の冷媒通路６ｂがシ
ール９でシールされている。

【００３１】図５の燃料電池スタックは、単位セルＣが
２段以上積層された構成であって、電解膜４とセパレー
タ６との間と、単位セルＣ間の冷媒通路６ｂとが、いず
れもシール８でシールされている。

【００３２】次に、図２および図６〜図９を参照して本
発明に係るシールの他の形態を説明する。上述した図２
（ａ）のシール７は、シール本体１０のシール部１１が
断面円形であったが、図２（ｂ）のシール本体１０はシ
ール部１１が断面矩形状であり、対向する一対の角部が
密着部として上下に配されている。また、図２（ｃ）の
シール本体１０はシール部１１が断面リップ状であり、
鋭角の角部が密着部として上下に配されている。また、
図２（ｄ）のシール本体１０はシール部１１の上下がそ
れぞれ断面台形状であり、上下面が密着部である。図２
の各シールの補強材２０は、いずれも、シール本体１０
に入り込み、かつ、一端縁がフィン部１２の端縁から露
出している。

【００３３】次に説明する図６〜図８のシールは、補強
材２０の形態が図２のものと異なり、シール本体１０の
シール部１１は図２（ａ）〜（ｄ）のいずれかと共通し
ている。そこで、説明の便宜上、図２（ａ）のようにシ
ール部１１の断面が円形のものを円形タイプ、図２
（ｂ）のようにシール部１１の断面が矩形状のものを角
タイプ、図２（ｃ）のようにシール部１１の断面がリッ
プ状のものをリップタイプ、図２（ｄ）のようにシール
部１１の断面が台形状のものを台形タイプと称する。

【００３４】図６（ａ）は円形タイプ，図６（ｂ）は角
タイプ、図６（ｃ）はリップタイプ、図６（ｄ）は台形
タイプであり、いずれも、補強材２０はシール部１１内
に入り込んでおらずフィン部１２内に存し、かつ、一端
縁がフィン部１２の端縁から露出している。

【００３５】図７（ａ）は円形タイプ，図７（ｂ）は角
タイプ、図７（ｃ）はリップタイプ、図７（ｄ）は台形
タイプであり、いずれも、補強材２０はフィン部１２か
らシール部１１内に入り込んでおり、かつ、一端縁はフ
ィン部１２の端縁から露出していない。すなわち、補強
材２０はシール本体１０に完全に内包され、全面がシー
ル本体１０で被われている。

【００３６】図８（ａ）は円形タイプ，図８（ｂ）は角
タイプ、図８（ｃ）はリップタイプ、図８（ｄ）は台形
タイプであり、いずれも、補強材２０はシール部１１内
に入り込んでおらずフィン部１２内に存し、かつ、一端
縁はフィン部１２の端縁から露出していない。すなわ
ち、補強材２０はフィン部１２内に完全に内包され、全
面がフィン部１２で被われている。

【００３７】図６および図８に示した各シールにあって
は、シール本体１０のシール部１１に補強材２０が入り
込んでいないのでシール部１１の実質的な剛性がより低
下し、セパレータ６に対するシール圧が一層緩和され
る。また、図７および図８に示した各シールにあって
は、補強材２０がシール本体１０で被われているので、
ガスとの接触が回避され、補強材２０の耐食性が向上す
る。

【００３８】次に、図９（ａ）〜（ｄ）に示すシール
は、円形タイプの変形例であって、補強材２０が設けら
れたフィン部１２が、シール部１１の両側（内側と外
側）に形成されている。これらは、補強材２０の形態が
異なっており、図９（ａ）のシールの補強材２０はシー
ル部１１内に入り込んでおり、かつ、一端部がフィン部
１２の端縁から露出している。図９（ｂ）のシールの補
強材２０はシール部１１内に入り込んでおらずフィン部
１２内に存し、かつ、一端縁がフィン部１２の端縁から
露出している。図９（ｃ）のシールの補強材２０はフィ
ン部１２からシール部１１内に入り込んでおり、かつ、
フィン部１２内に完全に内包されている。図９（ｄ）の
シールの補強材２０はシール部１１内に入り込んでおら
ずフィン部１２内に存し、かつ、フィン部１２内に完全
に内包されている。

【００３９】図９に示したシールにあっては、フィン部
１２がシール部１１の両側に形成され、これらフィン部
１２に補強材２０が設けられているので、内外いずれの
方向へのシール部１１の捻れが抑制され、シール部１１
の弾性変形は上下方向に規制されやすい。したがって、
剛性ならびに組み付け性の向上がより図られる。

【００４０】次に、図１０および図１１を参照して、補
強材２０がシール本体１０から露出したタイプにおいて
シール本体１０から補強材２０の抜けを防止する抜け防
止手段を備えたシールの例を挙げる。なお、図１０およ
び図１１に示すシールは円形タイプであって、図１０の
シールは補強材２０がシール部１１に入り込んだタイ
プ、図１１のシールは補強材２０がシール部１１に入り
込んでおらずフィン部１２のみに存するタイプである。

【００４１】図１０（ａ），（ｂ）に示すシールの補強
材２０のフィン部１２に対応する箇所には、それぞれ円
形、楕円形の孔２０ａ，２０ｂが形成されており、これ
ら孔２０ａ，２０ｂに、フィン部１２のゴムが埋め込ま
れて補強材２０が係合する係合部１２ａ，１２ｂがそれ
ぞれ形成されている。これらシールによれば、補強材２
０は、フィン部１２の係合部１２ａ，１２ｂに係合する
ことによって露出側への抜けが防止される。

【００４２】図１１（ａ）〜（ｃ）に示すシールの補強
材２０の反露出側（シール部１１側）の端縁には、それ
ぞれ切欠き２０ｃ，２０ｄ，２０ｅが形成されている。
切欠き２０ｃの形状はＬ字状、切欠き２０ｄの形状は楕
円形の一部、切欠き２０ｅの形状は台形状であり、いず
れの場合も、端縁側の開口の長さより内奥側の長さが大
きい。そして、これら切欠き２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ
に、フィン部１２のゴムが埋め込まれて係合部１２ｃ，
１２ｄ，１２ｅがそれぞれ形成されており、係合部１２
ｃ，１２ｄ，１２ｅのくさび効果により、補強材２０の
抜けが防止される。また、図１１（ｄ）に示すシールの
補強材２０には、円形の孔２０ｆが形成されており、こ
の孔２０ｆに、フィン部１２のゴムが埋め込まれて補強
材２０が係合する係合部１２ｆが形成され、補強材２０
の露出側への抜けが防止されるようになっている。

【００４３】次に、図１２を参照して本発明の抜け防止
手段の別の形態を説明する。図１２（ａ）は、補強材２
０の両面にシール本体１０が接着されたシールであっ
て、シール本体１０は断面円形で、補強材２０はシール
本体１０の両側に突出している。補強材２０には、長手
方向に間隔をおいて多数の円形の孔２０ｇが形成されて
おり、これら孔２０ｇに、シール本体１０のゴムが貫通
して補強材２０が係合する係合部１２ｇが形成されてい
る。このシールによれば、補強材２０はシール本体１０
の係合部１２ｇに係合することによって抜けが防止され
る。

【００４４】ところで、図１２（ａ）に示したシール
は、例えば図５に示したシール７のように、電解膜とセ
パレータとの間やセパレータ間に介装されるが、燃料電
池スタックとして構成された際には、組み付け圧によっ
て図１２（ｂ）に示すようにシール本体１０が潰れて変
形する。そして、この状態での電解膜あるいはセパレー
タへの接触面積Ｓに対する補強材２０の孔２０ｇの総面
積Ｌが占める割合Ｋ Ｋ（孔の面積率）＝Ｌ（孔の総面積）／（Ｓ）シール本
体の接触面積 が、２０％以上に設定されている。この設定値は、孔２
０ｇの大きさおよび数を調節することによって確保され
る。このように、補強材２０の孔２０ｇの面積率をシー
ル本体１０の接触面積の２０％以上確保することによ
り、シール本体１０の厚さを大きくすることなく体積を
効果的に増大させることができる。その結果、補強材２
０で阻害されがちなシール時の変形が十分に行われ、適
切な面圧でシール本体１０をセパレータに密着させるこ
とができる。

【００４５】上記の抜け防止手段につき、シール本体の
接着面積に対する補強材の孔の総面積がシール性に及ぼ
す影響について検証する。図１３（ａ）〜（ｃ）に示す
タイプＡ〜Ｃのシールを用いて燃料電池スタックを構成
し、リーク量を測定するリーク試験を行った。タイプＡ
のシールの補強材２０の孔２０ｇは円形で、シール本体
１０の接触面積に対する総面積率は１０．０％である。
タイプＢのシールの補強材２０の孔２０ｇも円形である
が、タイプＡよりも密に配列されており、シール本体１
０の接触面積に対する総面積率は２０．０％である。タ
イプＣのシールの補強材２０の孔２０ｇは長円形で、シ
ール本体１０の接触面積に対する総面積率は３０．０％
である。

【００４６】リーク試験は、まず、シールを介装しなが
ら５つの単位セルを積層し、この積層体を２０００ｋｇ
の締め付け荷重で締め付け燃料電池スタックを構成し
た。この燃料電池スタックのガス通路に、圧力調整器お
よびマスフローメータを通したＨｅガスを供給し、ガス
通路の内圧を１００Ｋｐａに保持する。ガス通路からＨ
ｅガスの漏れが生じると、マスフローメータが作動して
内圧を一定の１００ＫｐａにするためＨｅガスが供給さ
れるので、その供給量をリーク量として測定した。この
リーク試験を、タイプＡ〜Ｃのシールを用いた各燃料電
池スタックにつき１０回行い、平均値を求めた。なお、
１回の測定時間は２０分、測定環境温度は２５℃であっ
た。表１にリーク試験の結果を示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】表１で明らかなように、補強材の孔の面積
率がシール本体の接触面積の１０％では、リーク量は
０．０３ＣＣ／ｍｉｎであったのに対し、２０％以上で
は、リーク量は０．００１ＣＣ／ｍｉｎ以下と格段に低
減した。これは、圧縮を受けるシール本体の変形が十分
になされて電解膜やセパレータへの密着性が良好である
からと推測される。

【００４９】次に、図１４〜図１７を参照して、シール
を製造するにあたり、補強材２０を金型内にセットし、
金型内に設定したキャビティにシール材料を注入して成
形する際のシール材料のゲート（注入口）の構造の例を
挙げる。なお、図１４〜図１７に示すシールは円形タイ
プであって、図１４、図１５のシールは補強材２０がフ
ィン部１２から露出したタイプ、図１６、図１７のシー
ルは補強材２０がフィン部１２に内包されているタイプ
である。

【００５０】図１４（ａ）は、Ｌ字状のゲートがシール
部１１の突端に連続する金型によってシール本体１０を
成形したシールを示しており、３０で示す部分がゲート
での成形部分である。このようなゲートは、例えば、図
１４（ｂ）に示すように断面が長方形状、図１４（ｃ）
に示すように断面が楕円形状、図１４（ｄ）に示すよう
に断面が円形状のもの等が挙げられる。

【００５１】図１５（ａ）は、上下に延びるゲートがフ
ィン部１２の上部に連続する金型によってシール本体１
０を成形したシールを示しており、３１で示す部分がゲ
ートでの成形部分である。このようなゲートは、例え
ば、図１５（ｂ）に示すように断面が長方形状、図１５
（ｃ）に示すように断面が楕円形状、図１５（ｄ）に示
すように断面が円形状のもの等が挙げられる。また、こ
の形態の場合、ゲートはフィン部１２の上側および下側
の両方に設定してもよい。

【００５２】図１６（ａ）は、上下に延びるゲートがフ
ィン部１２の端部の上部に連続する金型によってシール
本体１０を成形したシールを示しており、３２で示す部
分がゲートでの成形部分である。このようなゲートは、
例えば、図１６（ｂ）に示すように断面が長方形状、図
１６（ｃ）に示すように断面が楕円形状、図１６（ｄ）
に示すように断面が円形状のもの等が挙げられる。

【００５３】図１７（ａ）は、Ｌ字状のゲートがフィン
部１２の端縁に連続する金型によってシール本体１０を
成形したシールを示しており、３３で示す部分がゲート
での成形部分である。このようなゲートは、例えば、図
１７（ｂ）に示すように断面が長方形状、図１７（ｃ）
に示すように断面が楕円形状、図１７（ｄ）に示すよう
に断面が円形状のもの等が挙げられる。

【００５４】上記のようなゲートは、金型に複数設けら
れ、ゲートの数、設定箇所等は、シールの平面視形状に
より適宜に設定される。また、１つのシールに対して上
記ゲートの構造のうちの１つの種類を適用する他、複数
種類を組み合わせて用いることができる。また、必要に
応じてゲートとシール本体１０との境界部分に、ゲート
による成形部分を切り離しやすくする食い切り（薄肉
部）を設けてもよい。

【００５５】次に、シール本体１０のシール部１１に対
する補強材２０の入り込み率が、シール部１１の最大発
生面圧と圧縮永久歪みに及ぼす影響について検証する。

【００５６】（Ａ）補強材の入り込み率と最大発生面圧 補強材２０の入り込み率が異なる円形タイプのシール
を、図１８に示す上下１組の治具にセットし、各シール
の最大発生面圧を測定した。治具は、シールが嵌まり込
む溝４０ａを備えた下側治具４０と、面圧センサ（ニッ
タ社製、Ｉ−ＳＣＡＮ１００）６０がセットされた上側
治具４１との組み合わせであって、下側治具４０の溝４
０ａにシールを嵌め込んでセットする。そして、上側治
具４１を下降させて面圧センサ６０をシール部１１に突
き当て、その時に発生する面圧を面圧センサ６０により
測定した。なお、測定に供したシールのシール部１１の
直径は０．８ｍｍであり、補強材２０の入り込み率は、
０％、２５％、５０％、７５％の４種類とした。入り込
み率は、次式で求められる。 入り込み率(％)＝シール部への入り込み量(ｍｍ)／シー
ル部断面径×１００ 上記測定の結果を図２０に示す。

【００５７】（Ｂ）補強材の入り込み率と圧縮永久歪み 図１９に示す上下１組の治具を用いて、補強材２０の入
り込み率が異なる円形タイプのシール（上記の試験と同
様）の圧縮永久歪みを求めた。治具は、シールが嵌まり
込む溝５０ａを備えた下側治具５０と、上側治具５１と
の組み合わせであって、下側治具５０の溝５０ａにシー
ルを嵌め込んでセットし、まず、上側治具５１を下降さ
せてシール部１１を高さ方向で２５％圧縮する。次い
で、そのままの状態を保持し、１００℃の恒温槽の中で
熱劣化させる。７０時間経過後、シールを取り出し、圧
縮前の初期と熱劣化後の各シール部１１の高さを比較し
て、次式により各シールの圧縮永久歪みを求めた。 圧縮永久歪み(％)＝(Ｈ_０−Ｈ_１／Ｈ_０−ｄ)×１００ Ｈ_０：シール部の初期高さ（ｍｍ） Ｈ_１：シール部の熱劣化後の高さ（ｍｍ） ｄ ：溝５０ａの深さ（ｍｍ） 上記測定結果を図２１に示す。

【００５８】本実施形態のシールの場合、面圧は、シー
ル性が保証される観点から０．２ＭＰａ以上必要であ
り、一方、セパレータ６の破損を防止する観点から０．
５ＭＰａ以下が適切である。図２０に示すように、補強
材２０の入り込み率が５０％を超えると面圧が急激に上
昇する傾向にあり、５０％を超える領域で入り込み率に
ばらつきがあると、面圧のばらつきも大きくなる。ま
た、図２１に示すように、補強材２０の入り込み率が５
０％を超えると圧縮永久歪みが急激に上昇する傾向にあ
り、入り込み率が５０％以下であると、適度なへたり性
を保持させることができる。これらのことから、補強材
２０の入り込み率は、５０％以下に設定されることが望
ましいと判断される。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
シールは、シール本体と、シール自体の剛性を確保する
補強材とを具備する構成なので、セパレータの破壊を招
かない低剛性のシール本体を用いながらも、燃料電池ス
タックの組み付け時に捻れや位置ずれが生じず組み付け
性の向上が図られるといった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係るシールが適用され
た単位セルの縦断面図である。

【図２】 補強材がシール部内に入り込み、かつ露出し
たタイプのシールの各形態を示す断面図である。

【図３】 本発明の他の実施形態に係るシールが適用さ
れた燃料電池スタックの一例を示す縦断面図である。

【図４】 本発明の他の実施形態に係るシールが適用さ
れた燃料電池スタックの別の例を示す縦断面図である。

【図５】 本発明の他の実施形態に係るシールが適用さ
れた燃料電池スタックのさらに別の例を示す縦断面図で
ある。

【図６】 補強材がシール部内に入り込んでおらず、か
つ露出したタイプのシールの各形態を示す断面図であ
る。

【図７】 補強材がシール部内に入り込み、かつ露出し
ていないタイプのシールの各形態を示す断面図である。

【図８】 補強材がシール部内に入り込んでおらず、か
つ露出していないタイプのシールの各形態を示す断面図
である。

【図９】 フィン部が内外両側に形成されたタイプのシ
ールの各形態を示す断面図である。

【図１０】 補強材がシール部内に入り込んだタイプに
おける抜け防止手段の形態を示す断面図および平面図で
ある。

【図１１】 補強材がシール部内に入り込んでいないタ
イプにおける抜け防止手段の形態を示す断面図および平
面図である。

【図１２】 本発明に係る他の抜け防止手段が適用され
たシールの（ａ）断面図、（ｂ）変形状態の断面図であ
る。

【図１３】 （ａ）〜（ｃ）はリーク試験に使用したタ
イプＡ〜Ｃのシールの断面図および一部平面図である。

【図１４】 シール本体の成形時のゲートがシール部の
突端に連続する形態を示す断面図および平面図である。

【図１５】 補強材が露出するタイプであって、シール
本体の成形時のゲートがフィン部の上部に連続する形態
を示す断面図および平面図である。

【図１６】 補強材が露出しないタイプであってシール
本体の成形時のゲートがフィン部の上部に連続する形態
を示す断面図および平面図である。

【図１７】 補強材が露出しないタイプであってシール
本体の成形時のゲートがフィン部の端縁に連続する形態
を示す断面図および平面図である。

【図１８】 シールの最大発生面圧を測定する装置の断
面図である。

【図１９】 シールの圧縮永久歪みを測定する装置の断
面図である。

【図２０】 補強材入り込み率と最大発生面圧との関係
を示す線図である。

【図２１】 補強材入り込み率と圧縮永久歪みとの関係
を示す線図である。

【符号の説明】

１…電極構造体、２…カソード電極板（電極触媒層）、
３…アノード電極板（電極触媒層）、４…高分子電解
膜、５…ガス拡散層、６…セパレータ、６ａ…ガス通
路、６ｂ…冷媒通路、７，８…シール、１０…シール本
体、１１…シール部、１２…フィン部、１２ａ〜１２ｇ
…係合部（抜け防止手段）、２０…補強材、２０ａ〜２
０ｇ…孔（抜け防止手段）。

【手続補正書】

【提出日】平成１３年３月１５日（２００１．３．１
５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項４

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５７】（Ｂ）補強材の入り込み率と圧縮永久歪み 図１９に示す上下１組の治具を用いて、補強材２０の入
り込み率が異なる円形タイプのシール（上記の試験と同
様）の圧縮永久歪みを求めた。治具は、シールが嵌まり
込む溝５０ａを備えた下側治具５０と、上側治具５１と
の組み合わせであって、下側治具５０の溝５０ａにシー
ルを嵌め込んでセットし、まず、上側治具５１を下降さ
せてシール部１１を高さ方向で２５％圧縮する。次い
で、そのままの状態を保持し、１００℃の恒温槽の中で
熱劣化させる。７０時間経過後、シールを取り出し、圧
縮前の初期と熱劣化後の各シール部１１の高さを比較し
て、次式により各シールの圧縮永久歪みを求めた。 圧縮永久歪み(％)＝(Ｈ_０−Ｈ_１ )／(Ｈ_０−ｄ)×１００ Ｈ_０：シール部の初期高さ（ｍｍ） Ｈ_１：シール部の熱劣化後の高さ（ｍｍ） ｄ ：溝５０ａの深さ（ｍｍ） 上記測定結果を図２１に示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 晋朗 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 若穂囲 俊哉 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 田中 広行 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CX08 EE02 EE18 HH02

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の電極触媒層の間に高分子電解膜が
   挟まれ、各電極触媒層の外側にガス拡散層が積層されて
   なる電極構造体と、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが流通
   するガス通路を有し、前記電極構造体の外側に積層され
   るセパレータとの間に介装され、前記ガス通路をシール
   する燃料電池用シールであって、 弾性材からなり、前記電極構造体と前記セパレータとに
   密着させられるシール本体と、このシール本体の内部に
   配されてシール本体と一体成形された補強材とを具備す
   ることを特徴とする燃料電池用シール。
2. 【請求項２】 一対の電極触媒層の間に高分子電解膜が
   挟まれ、各電極触媒層の外側にガス拡散層が積層されて
   なる電極構造体と、この電極構造体の両側に積層され、
   少なくとも一方に冷媒が流通する冷媒通路が形成された
   セパレータとからなる単位セルが、前記セパレータどう
   しを重ねて複数積層される際に、これらセパレータの間
   に介装されて前記冷媒通路をシールする燃料電池用シー
   ルであって、 弾性材からなり、前記各単位セルの前記セパレータに密
   着させられるシール本体と、このシール本体の内部に配
   されてシール本体と一体成形された補強材とを具備する
   ことを特徴とする燃料電池用シール。
3. 【請求項３】 前記シール本体における前記電極構造体
   および前記セパレータに対する密着部の断面形状が、円
   弧状、角状または円弧状と角状とを組み合わせた形状で
   あることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電
   池用シール。
4. 【請求項４】 前記補強材はシート状であって、ステン
   レス鋼、アルミニウム合金、ポリイミド樹脂、ポリフェ
   ニレンサルファイド樹脂またはポリエチレンナフタレー
   ト樹脂からなるものであることを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれかに記載の記載の燃料電池用シール。
5. 【請求項５】 前記シール本体は、前記電極構造体と前
   記セパレータ、あるいは重ねられるセパレータに挟まれ
   て弾性変形させられるシール部と、このシール部から当
   該シールの外方に延びるフィン部とを有し、少なくとも
   このフィン部に前記補強材が配されるとともに、補強材
   の全面がフィン部で被われていることを特徴とする請求
   項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用シール。
6. 【請求項６】 前記シール本体からの前記補強材の抜け
   を防止する抜け防止手段が設けられていることを特徴と
   する請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用シー
   ル。
7. 【請求項７】 前記抜け防止手段は、前記補強材に形成
   された孔と、この孔に貫通して補強材に係合する前記シ
   ール本体の係合部とから構成され、 シール本体の前記電極構造体あるいは前記セパレータへ
   の接触面積Ｓに対する補強材の孔の総面積Ｌが占める割
   合Ｋが、２０％以上であることを特徴とする請求項１〜
   ６のいずれかに記載の燃料電池用シール。