JP2003197249A - 燃料電池用シール材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スタック組立時にシール材１４の全長に亙っ
て適切な大きさの反力を発生させることができ、安定し
てセルを積層することができる燃料電池用シール材１４
を提供する。 【解決手段】 固体高分子型燃料電池において、セパレ
ータ１をシールするシール材１４の断面形状が、各ガス
を供給および排出するためにマニホールド穴２，３に隣
接する部分でセパレータ１に溝加工されたガス導入部６
に配置する箇所のみ異形断面（異形断面部１６）をもつ
ことにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の構成要
素の一つをなす燃料電池用シール材に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子電
解質膜と電極とが一体となった所謂膜電極接合体の両側
に、導電性材料よりなるセパレータが配置された単セル
が多数積層された構造となっている。

【０００３】この固体高分子電解質膜または膜電極接合
体の燃料極、酸化剤極の両側へそれぞれ燃料ガス、酸化
剤ガスを効率良く供給し、ガスリークをなくすために、
また目的のガス以外の流体が流入しないように、膜電極
接合体とセパレータとの間にシール材が配置されるのが
一般的な構造である。

【０００４】ここで、膜電極接合体を介して燃料極側と
酸化剤極側に配置されるシール材はそれぞれ、燃料極側
では燃料供給口および排出口、酸化剤極側では酸化剤供
給口および排出口とセパレータ面との間（以下、ガス導
入部または単に導入部とも称する）に各ガスがスムーズ
に流れるために、原則としてシールのない形状としなけ
ればならない。

【０００５】しかしながら、膜電極接合体を介して配置
されるセパレータはそれぞれが積層し、燃料供給用およ
び排出用、酸化剤供給用および排出用のマニホールド穴
が貫通した形状となる。

【０００６】また、ここに配置されるシール材は、燃料
極側では酸化剤の供給用および排出用のマニホールド穴
を、酸化剤極では燃料の供給用および排出用のマニホー
ルド穴を完全に囲いシールしなければならない。

【０００７】すなわち、このような構成においては、膜
電極接合体を介して両極側のシール材形状が、各々のマ
ニホールド穴からセパレータ導入部の部分で一方の極で
はシール部分があり、他方の極ではシール部のない状態
で向き合ってしまう。

【０００８】したがって、このような形状にてスタック
を積層した場合、膜を介して片方だけに存在するシール
部は十分な反力を得ることができず、その結果として、
セパレータと膜電極接合体間でシールすべきマニホール
ド穴部からシール漏れを起こしてしまう。

【０００９】この問題を解決するため、特開２００１−
６６９５号公報には、セパレータのマニホールド穴から
プレート面へまたはその逆向きに導入する部分の溝部
に、溝部とほぼ等しい大きさの中空体を設置し、更にこ
の上にシート状シール材を配置し、膜電極接合体を介し
て反対極にあるシート状シール材との間で面圧を確保す
るようにした技術が記載されている。

【００１０】しかしながら、この従来技術は、使用する
シール材をシート状のものに限定したものである。

【００１１】けだし、例えば当該従来技術の一実施例の
ように溝部にパイプ状の中空体を配置したならば、Ｏリ
ング等のスクィーズ状シール材を装着した場合に十分な
面圧を確保することができない。

【００１２】したがって、この従来技術は、使用可能な
シール材をシート状のものに限定したものとなるが、シ
ート状のシール材はその厚さがシート全面に亙って均一
に形成されているために、数百セルも積層したセルスタ
ックにおいては反力が大きくなり、また通電面積が制約
され易い等の点で好ましくなく問題である。

【００１３】また、本願発明者らは先に、図７に示すよ
うに、セパレータ５１に設けたガス導入部の溝５２がト
ンネル状となるようにセパレータ５１にプレート状のブ
リッジ部材５３を嵌め込むとともに、セパレータ５１お
よびブリッジ部材５３上に射出成形等によってシール材
５４を一体成形する技術を案出しており、この先行技術
によれば、セルを積層した場合に発生する反力を適切な
大きさに抑えることができ、通電面積においてもシート
状シール材方式と比較すると自由度が増す。

【００１４】しかしながら、この先行技術では、上記し
たようにシール材の種類として、セパレータ５１および
ブリッジ部材５３に対して一体成形される一体成形型の
シール材の利用を想定しているために、予め別途成形さ
れるＯリング等のスクィーズ状シール材を利用するに
は、なお改良の余地がある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の点に鑑
みて、セパレータにおけるガス導入部の溝がトンネル状
となるようにセパレータにブリッジ部材を組み合わせる
とともにセパレータおよびブリッジ部材上にシール材を
配置するブリッジ式シールにおいて、Ｏリング等のスク
ィーズ状シール材（ガスケット）を利用可能とすること
を目的とする。また、スタック組立時にシール材の全長
に亙って適切な大きさの反力を発生させることができ、
安定してセルを積層することができる燃料電池用シール
材を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１による燃料電池用シール材は、固
体高分子型燃料電池において、セパレータをシールする
シール材の断面形状が、各ガスを供給および排出するた
めにマニホールド穴に隣接する部分でセパレータに溝加
工されたガス導入部に配置する箇所のみ異形断面をもつ
ことを特徴とするものである。

【００１７】また、本発明の請求項２による燃料電池用
シール材は、上記した請求項１の燃料電池用シール材に
おいて、異形断面部に、つば部を有する形状としたこと
を特徴とするものである。

【００１８】また、本発明の請求項３による燃料電池用
シール材は、セパレータの一面に設けたシール材装着溝
と、前記セパレータにおけるガス導入部の溝がトンネル
状となるように前記セパレータの一面に組み合わせたブ
リッジ部材上とに連続して配置されるシール材であっ
て、当該シール材における前記装着溝に装着される部分
は、装着時に前記装着溝内に配置される溝内部分と、前
記装着溝から突出して少なくともその一部で相手材に密
接する突出部分とを有し、当該シール材における前記ブ
リッジ部材上に配置される部分は、前記突出部分と同じ
断面形状を呈して前記突出部分と連続的に成形されてい
ることを特徴とするものである。

【００１９】また、本発明の請求項４による燃料電池用
シール部材は、上記した請求項３の燃料電池用シール材
において、当該シール材におけるブリッジ部材上に配置
される部分の側部に、前記ブリッジ部材に対する接触面
積を増大させるためのつば部が一体成形されていること
を特徴とするものである。

【００２０】Ｏリング等のスクィーズ状シール材（ガス
ケット）は、取付部材（本願発明の場合はセパレータ）
に予め設けられるシール材装着溝に装着され、その断面
（高さ）の一部が装着溝から突出して相手部材に密接す
ることによりシール作用をなすものである。したがっ
て、その断面（高さ）の全部ではなく一部のみが装着溝
から突出した状態で装着されるために、断面（高さ）の
全部が取付部材および相手部材間に配置され挟圧される
シート状シール材と違って、スタック積層時に発生する
反力の大きさを低減できるものである。

【００２１】しかしながら、ここで留意すべきは、上記
ブリッジ式シールにおいて、セパレータにはこれが比較
的厚いために装着溝を形成することができるが、プレー
ト状ブリッジ部材にはこれが比較的薄いために装着溝を
形成することができない。したがって仮にシール材の断
面形状（高さ）をその全長に亙って同じに形成するとブ
リッジ部材上に配置される部分は断面（高さ）の全部が
ブリッジ部材上に配置され、セパレータの装着溝に装着
される部分との間にシール面の高低差を生じてしまう。

【００２２】そこで、本発明の請求項１によるシール材
においては、上記したようにシール材の断面形状をセパ
レータのガス導入部に配置する箇所のみ異形断面とする
ことにより、装着時に上記高低差が生じるのを実質的に
防止するものである。

【００２３】したがって、ここに異形断面とは、該部
（ブリッジ部材上に配置される部分（ガス導入部に配置
する箇所））の断面形状が他の部分（セパレータの装着
溝に装着される部分）の断面形状と異なるように形成さ
れることであるが、より具体的には請求項３に記載した
ように、セパレータの一面に設けた装着溝と、セパレー
タにおけるガス導入部の溝がトンネル状となるようにセ
パレータの一面に組み合わせたブリッジ部材上とに連続
して配置されるシール材において、装着溝に装着される
部分は、装着時に装着溝内に配置される溝内部分と、装
着溝から突出して少なくともその一部で相手材に密接す
る突出部分とを有しており、これに対してブリッジ部材
上に配置される部分は、上記突出部分と同じ断面形状を
呈して上記突出部分と連続的に成形されている部分のみ
を有することになる。

【００２４】またこれに加えて、請求項２に記載したよ
うに、異形断面部につば部を設けたり、請求項４に記載
したように、ブリッジ部材上に配置される部分の側部に
つば部を一体成形したりすると、取付部材に対する異形
断面部ないしブリッジ部材上に配置される部分の接触
（着座）姿勢を安定化させることが可能となる。

【００２５】尚、本件出願には、以下の技術的事項が含
まれる。

【００２６】すなわち、上記目的を達成するため、本件
出願が提案する一の発明は、セパレータの燃料極および
酸化剤極の膜電極接合体側および冷却側に配置されるＯ
リング方式によるシールについての発明であり、その実
施形態として以下の内容を備えている。

【００２７】

【発明の実施の形態】Ｏリング方式では一般にセパレー
タと一体成形でない場合、セパレータにシール材を配置
する溝部が構成されるが、上述した各極のブリッジ構造
となっている燃料供給用流路および燃料排出用流路につ
いてのみプレート上およびその前後となるセパレータ上
はシール材のための溝加工がなく、したがってこの部分
のみシール材断面が溝部に収まる部分がない異形断面構
造となっている（シール材異形断面部）。本シール材の
断面は円状には限定されず、楕円状、矩形状、多角形状
など、様々な形状が考えられる。また、本Ｏリング方式
ではセパレータに配置されたとき、電解質膜に当接する
部分は、セパレータ溝に収まる部分（以下、シール材全
形断面部または全形断面部とも称する）とブリッジ部の
異形断面部とも当然同一の高さになっているが、全形断
面部と異形断面部の厚み（高さ）の違いをどのくらいに
設定すれば良いか等は、セパレータ溝深さ等によって異
なり、一概には言えないが全形断面高さ：異形断面高さ
＝１０：３〜１０：７の範囲内にするのが良く、好まし
くは１０：４〜１０：６である。更に、ブリッジ部分異
形断面部のプレートと当接する部分につば部を持つ構造
とすることにより、プレートとＯリングが安定に当接さ
れ、適正な反力を得ることができる。つば部の幅（大き
さ）はセパレータ上に構成されるプレートの幅にもよる
が、全形断面部の幅：（全形断面部＋つば部）の幅＝
１：２以下が好ましい。

【００２８】以上のような構造をもつＯリング方式シー
ル材を用いることにより、膜電極接合体に当接する両極
のシール材は全ての面で膜を介して向き合うことにな
り、適正な反力を得ることができ、安定してセルを積層
することができる。すなわちこのような構成にすること
により、セルのスタックが均等に面圧が確保され、発電
効率を上げることができる。

【００２９】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説
明する。

【００３０】図１は、本発明の実施例に係るシール材
（燃料極側シール材）１４を装着したセパレータ（燃料
極側セパレータ）１の平面を示しており、そのＡ−Ａ線
拡大断面図が図２に示されている。また、図３は図１に
おけるＢ−Ｃ−Ｄ−Ｅ線拡大断面図であって、膜電極接
合体２１、酸化剤極側セパレータ２５および酸化剤極側
シール材２６等を組み合わせた状態の断面を示し、すな
わちこの図３は燃料電池セル単位の断面を示している。

【００３１】先ず、セパレータ１は以下のように構成さ
れている。

【００３２】すなわち先ず、このセパレータ１の平面隅
部に燃料供給用マニホールド穴２および燃料排出用マニ
ホールド穴３がセパレータ１を厚さ方向に貫通するよう
対をなして設けられており、セパレータ１の一面におい
て燃料供給用マニホールド穴２から平面中央の燃料流路
４を経由して燃料排出用マニホールド穴３へ燃料ガスが
流通するように、燃料供給用マニホールド穴２および燃
料流路４間の堰部５にガス導入部６としての燃料供給用
流路７が設けられるとともに、燃料流路４および燃料排
出用マニホールド穴３間の堰部８にも同じくガス導入部
６としての燃料排出用流路９が設けられている。この燃
料供給用流路７におけるブリッジ部材１１およびシール
材１４を用いたシール構造（ブリッジ式シール）と、燃
料排出用流路９におけるブリッジ部材１１およびシール
材１４を用いたシール構造（ブリッジ式シール）とは同
じ構成であるため、以下前者についてのみ説明する。

【００３３】すなわち、ガス導入部６である燃料供給用
流路７に複数（図では六本）の溝１０が堰部５を横切る
ガス通路として互いに平行に設けられており、各溝１０
をトンネル状にすべく燃料供給用流路７の上面に樹脂製
または金属製のプレート状のブリッジ部材１１が組み合
わされている。

【００３４】複数の溝１０よりなる燃料供給用流路７の
上面には、このブリッジ部材１１を組み合わせるための
取付用凹部１２が設けられており、この取付用凹部１２
の深さとブリッジ部材１１の厚さとが調整されることに
より、ブリッジ部材１１は取付用凹部１２に組み合わさ
れた状態でその上面がセパレータ１の堰部５の上面と面
一状ないし略面一状に並べられている。また、セパレー
タ１の堰部５において燃料供給用流路７および取付用凹
部１２を設けた以外の部分にはその全長に亙って断面矩
形状のシール材装着溝１３が設けられている。

【００３５】シール材１４は、所定のゴム材料によって
図１に示すような平面形状に形成されているが、このシ
ール材１４はその断面形状が、装着溝１３に装着される
部分１５とブリッジ部材１１上に配置される部分１６と
で互いに異なるように形成されている。

【００３６】すなわち、前者の装着溝１３に装着される
部分１５は、図４（Ａ）に示すように、装着時に装着溝
１３内に配置される溝内部分１５ａと、装着溝１３から
突出して少なくともその一部で相手材（膜電極接合体２
１の電解質膜２２）に密接する突出部分１５ｂとを有す
るように成形されており、図ではこの前者部分１５の断
面形状が溝内部分１５ａおよび突出部分１５ｂの組み合
わせにより円形に形成されている。この前者部分１５は
これを全形断面部とも称する。

【００３７】これに対して、後者のブリッジ部材１１上
に配置される部分１６は、図４（Ｂ）に示すように、前
者部分１５の突出部分１５ｂと同じ断面形状を呈してこ
の突出部分１５ｂと連続的に成形されている連続部分１
６ａのみを有するように成形されており、図ではこの後
者部分１６の断面形状が前者部分１５の突出部分１５ｂ
と同じく弓弦形に形成されている。この後者部分１６は
これを異形断面部とも称する。

【００３８】また、同図に示すように、この異形断面部
１６の側部両側にはそれぞれ、ブリッジ部材１１に対す
るこの異形断面部１６の接触面積を増大させるために平
板状のつば部（リップ部とも称する）１７が全長に亙っ
て一体成形されている。

【００３９】尚、セパレータ１には、図１に示すよう
に、酸化剤供給用マニホールド穴１８および酸化剤排出
用マニホールド穴１９がセパレータ１を厚さ方向に貫通
するように対をなして設けられているが、これらは燃料
流路４に連通するものではないため、これらの回りのシ
ール材１４は全周に亙って全形断面部１５によって構成
されている。

【００４０】全体を符号２１で示す膜電極接合体は、電
解質膜２２、燃料極側電極およびガス拡散層２３ならび
に酸化剤極側電極およびガス拡散層２４の組み合わせに
よって構成されており、電解質膜２２の一面に対してシ
ール材１４が密接する。

【００４１】また、図３における図上上側の酸化剤極側
セパレータ２５およびこれに組み付けられる酸化剤極側
シール材２６は、燃料ガスではなく酸化剤ガスを流通さ
せるものであるため、図示はしないが酸化剤供給用マニ
ホールド穴および酸化剤排出用マニホールド穴におい
て、上記と同様なブリッジ式シールを有している。

【００４２】上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電
極接合体２１の電解質膜２２に当接する両極のシール材
１４，２６が電解質膜２２を介して全面で向き合って欠
けるところがないために、スタック組立時にシール材１
４の全長に亙って適切な大きさの反力を発生させること
ができ、安定してセルを積層することができる。したが
って、シール性および組立作業性を向上させることがで
き、これらの作用効果を上記したブリッジ式シールでＯ
リング等のスクィーズ状シール材（ガスケット）を利用
するものにおいて実現することができる。

【００４３】また、装着溝１３に装着されずにブリッジ
部材１１上に配置される異形断面部１６の側部両側にそ
れぞれ、ブリッジ部材１１に対するこの異形断面部１６
の接触面積を増大させるための平板状のつば部１７が全
長に亙って一体成形されているために、ブリッジ部材１
１に対するこの異形断面部１６の接触（着座）姿勢を安
定化させ、適切な大きさの反力を発生させ、該部シール
性を向上させることができる。

【００４４】尚、シール材１４における全形断面部１５
の断面形状は、図４に示したＯリング状の円形に限られ
ず、例えば図５に示すような矩形状（図では正方形）
や、図６に示すような多角形状（図では六角形）等であ
っても良く、何れの場合も異形断面部１６は全形断面部
１５の一部断面形状に形成される。

【００４５】

【発明の効果】本発明は、以下の効果を奏する。

【００４６】すなわち、上記構成を備えた本発明の請求
項１によるシール材においては、シール材の断面形状を
セパレータのガス導入部に配置する箇所のみ異形断面と
することにより、スタック組立時にシール材の全長に亙
って適切な大きさの反力を発生させることができ、安定
してセルを積層することができる。したがって、シール
性および組立作業性を向上させることができる。

【００４７】またこれに加えて、上記構成を備えた本発
明の請求項２によるシール材においては、異形断面部に
つば部を有する形状とされているために、異形断面部の
接触（着座）姿勢を安定化させ、適切な大きさの反力を
発生させ、該部シール性を向上させることができる。

【００４８】また、上記構成を備えた本発明の請求項３
によるシール材においては、当該シール材における装着
溝に装着される部分の断面形状を溝内部分と突出部分と
組み合わせにするとともに当該シール材におけるブリッ
ジ部材上に配置される部分を上記突出部分と同じ断面形
状を呈して突出部分と連続的に成形されるものとしたた
めに、スタック組立時にシール材の全長に亙って適切な
大きさの反力を発生させることができ、安定してセルを
積層することができる。したがって、シール性および組
立作業性を向上させることができる。

【００４９】またこれに加えて、上記構成を備えた本発
明の請求項４によるシール材においては、当該シール材
におけるブリッジ部材上に配置される部分の側部にブリ
ッジ部材に対する接触面積を増大させるつば部が一体成
形されているために、上記部分の接触（着座）姿勢を安
定化させ、適切な大きさの反力を発生させ、該部シール
性を向上させることができる。

【００５０】また上記したように、本発明のシール材
は、セパレータにおけるガス導入部の溝がトンネル状と
なるようにセパレータにブリッジ部材を組み合わせると
ともにセパレータおよびブリッジ部材上にシール材を配
置するブリッジ式シールにおいて、Ｏリング等のスクィ
ーズ状シール材（ガスケット）を利用可能としたもので
もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るシール材を装着したセパ
レータの平面図

【図２】図１におけるＡ−Ａ線拡大断面図

【図３】上記シール材およびセパレータを含む燃料電池
セルの断面図

【図４】（Ａ）は上記シール材における全形断面部の断
面形状説明図、（Ｂ）は上記シール材における異形断面
部の断面形状説明図

【図５】（Ａ）は全形断面部の断面形状の他の例を示す
説明図、（Ｂ）は異形断面部の断面形状の他の例を示す
説明図

【図６】（Ａ）は全形断面部の断面形状の他の例を示す
説明図、（Ｂ）は異形断面部の断面形状の他の例を示す
説明図

【図７】燃料電池用ブリッジ型シールの説明図

【符号の説明】

１ 燃料極側セパレータ（セパレータ） ２ 燃料供給用マニホールド穴 ３ 燃料排出用マニホールド穴 ４ 燃料流路 ５，８ 堰部 ６ ガス導入部 ７ 燃料供給用流路 ９ 燃料排出用流路 １０ 溝 １１ プレート状のブリッジ部材 １２ プレート状のブリッジ部材取付用凹部 １３ シール材装着溝 １４ 燃料極側シール材（シール材） １５ シール装着溝に装着される部分（全形断面部） １５ａ 溝内部分 １５ｂ 突出部分 １６ プレート状のブリッジ部材上に配置される部分
（異形断面部） １６ａ 連続部分 １７ つば部 １８ 酸化剤供給用マニホールド穴 １９ 酸化剤排出用マニホールド穴 ２１ 膜電極接合体 ２２ 電解質膜 ２３ 燃料極側電極およびガス拡散層 ２４ 酸化剤極側電極およびガス拡散層 ２５ 酸化剤極側セパレータ ２６ 酸化剤極側シール材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蔵野 慶宏 神奈川県藤沢市辻堂新町４−３−１ エヌ オーケー株式会社内 Ｆターム(参考） 3J040 BA01 EA01 EA15 HA03 HA04 HA09 HA30 5H026 AA06 CC03 CX08

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子型燃料電池において、セパレ
   ータ（１）をシールするシール材（１４）の断面形状
   が、各ガスを供給および排出するためにマニホールド穴
   （２）（３）に隣接する部分でセパレータ（１）に溝加
   工されたガス導入部（６）に配置する箇所のみ異形断面
   をもつことを特徴とする燃料電池用シール材。
2. 【請求項２】 請求項１の燃料電池用シール材におい
   て、 異形断面部（１６）に、つば部（１７）を有する形状と
   したことを特徴とする燃料電池用シール材。
3. 【請求項３】 セパレータ（１）の一面に設けたシール
   材装着溝（１３）と前記セパレータ（１）におけるガス
   導入部（６）の溝（１０）がトンネル状となるように前
   記セパレータ（１）の一面に組み合わせたブリッジ部材
   （１１）上とに連続して配置されるシール材（１４）で
   あって、 当該シール材（１４）における前記装着溝（１３）に装
   着される部分（１５）は、装着時に前記装着溝（１３）
   内に配置される溝内部分（１５ａ）と、前記装着溝（１
   ３）から突出して少なくともその一部で相手材に密接す
   る突出部分（１５ｂ）とを有し、 当該シール材（１４）における前記ブリッジ部材（１
   １）上に配置される部分（１６）は、前記突出部分（１
   ５ｂ）と同じ断面形状を呈して前記突出部分（１５ｂ）
   と連続的に成形されていることを特徴とする燃料電池用
   シール材。
4. 【請求項４】 請求項３の燃料電池用シール材におい
   て、 当該シール材（１４）におけるブリッジ部材（１１）上
   に配置される部分（１６）の側部に、前記ブリッジ部材
   （１６）に対する接触面積を増大させるためのつば部
   （１７）が一体成形されていることを特徴とする燃料電
   池用シール材。