JP2004165125A - 燃料電池のシール構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】初期のシール性を維持できる燃料電池のシール構造の提供。
【解決手段】（１）ガスケット４３を有する燃料電池のシール構造において、セルのうちガスケット４３のセル積層方向領域にある部分を定寸構造とした。（２）シール材４３の設けられる部材のシール材４３背面に定寸構造を有する。（３）ガスケット４３と接着剤層３８をセル積層方向に互いに重なり合わないように配した。（４）ガスケット４３はガスシール４３Ｂと冷媒シール４３Ａを含む。（５）冷媒シール４３Ａはガスシール４３Ｂより外側にある。（６）ガスケット４３と接着剤層３８とがセル積層方向に重なり合い、定寸部４５に塗布される接着剤にはビーズ４６が混入される。
【選択図】 図６
【解決手段】（１）ガスケット４３を有する燃料電池のシール構造において、セルのうちガスケット４３のセル積層方向領域にある部分を定寸構造とした。（２）シール材４３の設けられる部材のシール材４３背面に定寸構造を有する。（３）ガスケット４３と接着剤層３８をセル積層方向に互いに重なり合わないように配した。（４）ガスケット４３はガスシール４３Ｂと冷媒シール４３Ａを含む。（５）冷媒シール４３Ａはガスシール４３Ｂより外側にある。（６）ガスケット４３と接着剤層３８とがセル積層方向に重なり合い、定寸部４５に塗布される接着剤にはビーズ４６が混入される。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の、とくに固体高分子電解質型燃料電池の、シール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池の単セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータの積層体から構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。ＭＥＡとセパレータ間には、拡散層が設けられる。セパレータには、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路、または冷却媒体を流すための流路が形成される。少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層したセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものから燃料電池スタックを構成する。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
燃料電池ではジュール熱が生じるとともにカソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータには、各セル毎にあるいは複数個（たとえば、２個）のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
特開２０００−１８２６３９号公報は、燃料電池のシール構造を開示している。そこでは、冷媒面に冷媒シール用ガスケットが配され、ガス面にはガスシール用ガスケットが配されている。従来の燃料電池では、通常、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分に、電解質膜、触媒層および拡散層、接着剤層などの部材が配されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１８２６３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池では、ガスケットシールラインのセル積層方向領域に、電解質膜、触媒層および拡散層、接着剤層など、スタック締結荷重がかかった時にクリープを起こしやすい部材が配されているので、燃料電池使用中にそれらの材料がクリープし、ガスケットが初期のシール性を維持することが困難になることがある。
また、セル積層後一定荷重を加えるとガスケットから荷重がかかる部位でセパレータが変形しリークが発生するおそれがある。
本発明の目的は、ガスケットが初期のシール性を維持できる燃料電池のシール構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、ガスケット当たり部のセパレータの変形を防ぎ、リークを防止できる燃料電池のシール構造を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） ガスケットからなるシール部を有する燃料電池のシール構造において、セルのうち前記ガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸構造としたことを特徴とする燃料電池のシール構造。
（２） 複数部材を積層してなる燃料電池の複数部材間をシールするシール材を備え、そのシール材が複数部材の積層後に形成するシールラインに沿って、シール材が設けられる部材のシール材背面に定寸構造を有する燃料電池のシール構造。
（３） ガスケットからなるシール部と接着剤層をセル積層方向に互いに重なり合わないように配した（１）または（２）記載の燃料電池のシール構造。
（４） ガスケットからなるシール部はガスシールと冷媒シールを含む（１）または（２）記載の燃料電池のシール構造。
（５） 冷媒シールはガスシールより外側にある（４）記載の燃料電池のシール構造。
（６） ガスケットと接着剤層とがセル積層方向に重なり合い、定寸構造部に塗布される接着剤には接着剤厚さを規制する部材が混入されている（１）または（２）記載の燃料電池のシール構造。
【０００６】
上記（１）〜（５）の燃料電池のシール構造では、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸構造（スタック締結荷重をかけた時にクリープを起こさないかまたは起こしにくい構造）としたので、ガスケットシールの面圧が減少しないかまたはしにくく、安定したシールが得られる。
上記（６）の燃料電池のシール構造では、ガスケットと接着剤層とがセル積層方向に重なり合っても、定寸構造部に塗布される接着剤には接着剤厚さを規制する部材が混入されているので、積層時の荷重を定寸構造部と接着剤厚さを規制する部材とで支えることができ、変形はガスケットの方で起こるようにし、セパレータの変形が抑えられ、その結果シール性が確保され、リークが防止される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図１３を参照して、説明する。
ただし、図６、図７は本発明の実施例１を示し、図８、図９は、それぞれ、図６、図７の改良前の構造を示す。
また、図１０、図１１は本発明の実施例２を示し、図１２、図１３は、それぞれ、図１０、図１１の改良前の構造を示す。
図１〜図５は本発明の実施例１と実施例２に適用可能である。
【０００８】
まず、本発明の実施例１と実施例２に共通する、または類似する部分を説明する。
本発明の燃料電池のシール構造が適用される燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２、図３に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とを重ねたものからなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる。電極１４とセパレータ１８との間には拡散層１３が設けられ、電極１７とセパレータ１８との間には拡散層１６が設けられる。セパレータ１８には、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス通路２７、２８および燃料電池冷却用の冷媒（通常、冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路ともいう）２６が形成される。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。セルを１層以上重ねてモジュール１９を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール１９を積層してモジュール群とする。セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００９】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、電解質からなる。拡散層１３、１６はカーボン（Ｃ）からなる。
セパレータ１８は、第１の部材１８Ａ、１８Ｂと、燃料電池発電部対応部２９（燃料電池の発電部に対応する部分）に中抜き穴をもつフレーム状の第２の部材１８Ｃ、１８Ｄとに、分割形成されている。
第１の部材１８Ａ、第２の部材１８Ｃは、ＭＥＡの燃料極側に配置されている部材であり、第１の部材１８Ａは燃料ガスと冷却水とを区画している。第１の部材１８Ｂ、第２の部材１８Ｄは、ＭＥＡの空気極側に配置されている部材であり、第１の部材１８Ｂは、酸化ガスと冷却水とを区画している。
第１の部材１８Ａ、１８Ｂは金属製で、以下、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂともいう。第２の部材１８Ｃ、１８Ｄは（非導電性）樹脂製で、以下、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄともいう。
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、不透過性で、金属からなり、たとえば金属板（たとえば、ステンレス板）に導電性金属をメッキ（たとえば、ニッケルメッキ）したものからなる。
【００１０】
図３に示すように、ＭＥＡはセパレータ１８で挟まれる。セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配置して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。
燃料電池発電部対応部２９は、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されており、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分は、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。
【００１１】
図３〜図７に示すように、メタルセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部２９のＭＥＡ側の面には燃料ガス流路２７が形成されたガス流路部が形成されており、ＭＥＡ側と反対側の面には冷却水流路２６が形成されている。
同様に、メタルセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部２９のＭＥＡ側の面には酸化ガス流路２８が形成されたガス流路部が形成されており、ＭＥＡ側と反対側の面には冷却水流路２６が形成されている。
燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、ＭＥＡを挟んで互いに対応している。
メタルセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷却水流路２６と、隣のセルのメタルセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷却水流路２６とは、セル積層方向に隔てられることなく、連通している。
【００１２】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのガス流路部では、図４（図４はメタルセパレータ１８Ａを示すがメタルセパレータ１８Ｂもメタルセパレータ１８Ａに準じる）に示すように、ガス流路を燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する一対の対向部３０、３１間方向に折り返し屈曲させることにより、流路が長くなるようにしてあり、これによって、ＭＥＡに同じ量の反応ガスを供給する場合のガス流速が増し、燃料電池出力が上がるとともに、生成水がガス流路２７、２８に溜まりにくくしてある。
燃料ガス流路２７は、複数個、並列に形成されており、酸化ガス流路２８も、複数個、並列に形成されている。
セパレータ１８の裏面に形成される冷却水流路２６は、一対の対向部３０、３１にわたって直線状に延び、Ｕターン部をもたない。
【００１３】
また、図３〜図５に示すように、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと燃料ガス出口２７ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃと酸化ガス出口２８ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。
また、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃとは、セパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。
【００１４】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０、３１には、マニホルド部が形成されている。マニホルド部には、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４が形成されている。
燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷却水マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、入り側の空気マニホルド３４ａが設けられ、他方３１には、出側の冷却水マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、出側の空気マニホルド３４ｂが設けられる。
燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４は、ガス流路２７、２８が位置するガス流路部に対して、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に中心位置からオフセットしている。すなわち、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４の中心位置は、ガス流路部の対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向の中心位置に対して、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向にずれている。
【００１５】
図３、図５（図５は樹脂マニホルド１８Ｄの場合を示すが、樹脂マニホルド１８Ｃの場合も樹脂マニホルド１８Ｄに準じる）に示すように、樹脂マニホルド１８Ｃ、１８Ｄには、マニホルド部とガス流路部とを連通するガス流路連通部３７が形成されている。ガス流路連通部３７には、ガスの流れの方向をいったん対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に向けるとともに、ガス流路部との間のガスの流入・流出を対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化させるガス整流部３５、３６が形成されている。ガス整流部３５が入り側のガスマニホルドから流入するガスをガス流路部の全幅に均一に拡げてガス流路部へ流出させ、ガス流路部３６がガス流路部から流入するガスをガスマニホルド長に縮小してガスマニホルドへ流出させる。
各ガス整流部３５、３６は同じまたは類似の構造を有する。各ガス整流部３５、３６は、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に延びる１つ以上（図示例では２つ）の突条を該突条の長手方向（対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向）に等間隔に分断して形成された多数の突起からなる。ガスがガス整流部３５、３６を通る時に、ガス流れがいったん突条の長手方向に向けられ、多数の突起間の等間隔の多数の隙間からガス流路部に流入、流出することにより、ガス流路部との間のガスの流入・流出が対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化される。
【００１６】
樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂ側に突出する、ガス流路高さ確保のための、突起４０が形成されている。突起４０はガス整流部とマニホルド部との間に一列に多数並べて形成されている。
突起４０は、セルが積層されてセル積層方向に締め付けられた時、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂが樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄに寄るのを防止して、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄ間のガス流路の高さを正規の高さに維持する。
【００１７】
樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０、３１に設けられたガス流路連通部３７に、流路抵抗部４１、４２が形成されている。
流路抵抗部４１、４２を形成すると、ガス流路連通部３７と燃料電池発電部対応部２９のガス流路部との間のガスの出入り口の圧力差が少なくなり、ガスのガス流路部への分配がより均一になる。
【００１８】
図４、図６、図７に示すように、セル間は、隣り合うメタルセパレータ間にガスケットからなるシール部４３を配して、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４を、互いからシールする。シール部４３は、ゴムシールからなり、そのシールラインを図４に２点鎖線で示してある。ガスケットの断面形状は凸部４３ａを有するほぼＴ字状であり、その場合は、上記シールラインは凸部４３ａの部分である。ガスケットはＯリングであってもよい。
【００１９】
図５、図６、図７に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、セル積層方向に、隣り合う部材（メタルセパレータまたは樹脂フレーム）との間をシールして、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４を、互いからシールするために、接着剤が塗布された接着剤シール部３８（図５で斜線を施した部分）が形成されている。
図６、図７に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、シール部３８を形成するための接着剤を塗布する部分と塗布しない部分との境界に、シール用接着剤のはみ出しを防止する堰３９（接着剤塗布部を非塗布部より低くした段差部）が形成されており、該堰３９は接着剤の非塗布部への垂れ込み、はみ出しを防止している。
【００２０】
図６、図７に示すように、ガスケットからなるシール部４３（ガスケットの断面形状が凸部４３ａを有する場合は、シール部４３の凸部４３ａ）のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分は定寸構造とされている。
すなわち、複数部材を積層してなる燃料電池の複数部材間をシールするシール材４３を備えた燃料電池のシール構造において、該シール構造は、そのシール材４３が複数部材の積層後に形成するシールラインに沿って、シール材４３が設けられる部材のシール材背面に定寸構造を有する。
ここで、定寸構造とは、スタック２３に締結荷重をかけた時に、クリープを起こさないかまたはクリープを起こしにくい構造で、一定の寸法を維持することが可能な構造をいう。
セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは、クリープを起こさないかまたはクリープを起こしにくい部材であり、その部材のみからなる構造は定寸構造である。しかし、電解質膜１１、触媒層１２、１５、拡散層１３、１６、および接着剤シール部３８はスタック２３に締結荷重をかけた時にクリープを起こすので、定寸構造を構成しない。
【００２１】
ガスケットからなるシール部４３はガスシール４３Ｂと冷媒シール４３Ａを含む。ガスシール４３Ｂはガスマニホルド３３、３４およびガス流路２７、２８をまわりから囲んでシールし、冷媒シール４３Ａは冷媒マニホルド３２および冷媒流路２６をまわりから囲んでシールする。ガスシール４３Ｂと冷媒シール４３Ａには、同じ断面形状を持つゴムガスケットが用いられている。
【００２２】
冷媒シール４３Ａはガスシール４３Ｂよりセル積層方向視で外側（マニホルド３２、３３、３４より離れている側）にある。この構造によって、たとえ、冷媒シール４３Ａに水洩れが生じても、水がガス流路に侵入することがなく、水のガス流路への侵入によるフラッディングや発電不全が起こることはない。また、冷媒シール４３Ａがガスシール４３Ｂよりセル積層方向視で外側にあるため、たとえば洩れが発生しても、ガスより先に冷媒が洩れるため、その段階で洩れが検出され対策がとられるため、安全である。
【００２３】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の実施例１の燃料電池のシール構造を説明する。本発明による改良前は、図８（図６の構造の改良前を示す）、図９（図７の構造の改良前を示す）に示すように、ガスケットからなるシール部４３のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分には、接着剤シール部３８や電解質膜１１などがある構造であった。そのため、スタック締結荷重がかかって接着剤シール部３８や電解質膜１１などがクリープを起こすと、ガスケットからなるシール部４３のシール面圧が減少し、ガス洩れや水洩れを起こすおそれがあった。
【００２４】
これに対し、本発明による改良後は、図６、図７に示すように、ガスケットからなるシール部４３のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分は、セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄのみから構成されている。そして、セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの内樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄは、ガスケットからなるシール部４３の外側で段階状に厚くなっていて（厚肉部４４）、厚肉部４４でセパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは直接接触しているため、ガスケットシール部４３のゴム自体が変形しても、セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの直接接触部およびセパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄのゴムシールの背面部は、セル積層方向に寸法変化せず、定寸構造となっている。したがって、スタック締結荷重がかかっても、ガスケットシール部４３のシール面圧が従来のように減少することはなく、ガス洩れや水洩れを起こすおそれがなくなる。
【００２５】
本発明の実施例１のシール構造では、ガスケットからなるシール部４３の凸部４３ａ（シールライン）と接着剤層３８がセル積層方向に互いに重なり合わないように配置してある（シール部４３の凸部４３ａ以外の部分とは重なってもよい）。すなわち、ガスケットシール部４３のシールライン（図４の２点鎖線）が接着剤層３８の塗布領域（図５のハッチを施した部分）よりも、セル積層方向視で、外側（マニホルド３２、３３、３４より離れている側）にある。ただし、ガスケットシール部４３のシールラインはセル面内において、屈曲しているので、接着剤層３８とセル積層方向視で一部交差する部位が生じるが、その部位は重なり合いは許容するものとする。
この重なり合いを抑制した構造によって、ガスケットシール部４３のシール面圧が従来のように接着剤のクリープによって減少することはなく、ガス洩れや水洩れを防止できる。
【００２６】
本発明の実施例２の燃料電池のシール構造を説明する。本発明による改良前は、図１２（図１０の構造の改良前を示す）、図１３（図１１の構造の改良前を示す）に示すように、ガスケットからなるシール部４３のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分には、接着剤シール部３８が存在する構造であった。そのため、スタック締結荷重がかかってガスケットからなるシール部４３の当たり部にセル積層方向に対応する部分にある接着剤シール部３８がクリープや厚さ方向の変形を起こすと、その部位のメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂも変形し、ガスケットからなるシール部４３のシール面圧が減少し、ガス洩れや水洩れを起こすおそれがあった。
【００２７】
これに対し、本発明による改良後は、図１０、図１１に示す構造をとる。すなわち、ガスケット４３（ガスケットからなるシール部）と接着剤層３８（接着剤シール部）とがセル積層方向に重なり合っている。ここで、図１０は、単セルの状態を、図１１はセル積層状態で締結荷重がかかった状態を示す。
そして、定寸構造が、（イ）ガスケット４３とセル積層方向に重なり合う部位において樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄにメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂに向かって凸状に形成されたバックアップ部４５と、（ロ）バックアップ部４５（定寸構造部）に塗布され、接着剤厚さを規制する部材（たとえば、ビーズ４６）が混入された接着剤層３８（接着剤シール部）と、を有している。
【００２８】
通常、接着剤層３８は、図１２、図１３において、内部シール性確保のため１００μｍ程度の厚さが必要であるが、本発明の実施例２では、図１０、図１１に示すように、たとえば、バックアップ部４５の高さを５０μｍ程度とし、接着剤層３８のうちバックアップ部４５頂面に塗布される部分の厚さを５０μｍ程度とする。そして、粒子をほぼ球状としたビーズ４６の粒子径を接着剤層３８のうちバックアップ部４５頂面に塗布される部分の厚さとほぼ同じ、したがって約５０μｍにしておく。
【００２９】
シール構造はつぎのようにして形成される。
▲１▼ 接着剤３８にビーズ４６（粒子径が、たとえば約５０μｍ）を混入する。
▲２▼ 樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄにバックアップ部４５を形成する。
▲３▼ メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂにガスケット４３を接着する。
▲４▼ ＭＥＡと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄを接着する。
▲５▼ ＭＥＡと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄを接着したものに、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂをビーズ４６入り接着剤３８で接着する。この状態が図１０である。
▲６▼ セルを積層し、一定荷重をかける。この状態が図１１である。
【００３０】
本発明の実施例２の作用については、図１１に示すように、セル積層時の荷重をバックアップ部４５とビーズ４６が支える。バックアップ部４５頂面の接着剤層中では接着剤層が押圧荷重を受けた時にビーズ４６は自動的に１層となり、バックアップ部４５頂面の接着剤層の厚さは定寸となる。バックアップ部４５も定寸を維持する。したがって、バックアップ部４５とバックアップ部４５頂面の接着剤層との合計厚みは変化せず定寸を維持し、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのガスケット４３対応部分は屈曲変形を生じない。その代わりに、ガスケット４３は変形する。メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのガスケット４３対応部分が屈曲変形を生じないことによって、ガスケット４３でのセルのシール性が確保され、リークが阻止される。
【００３１】
また、バックアップ部４５頂面の接着剤層の厚さが定寸となるため、他の部位での接着剤層３８の厚さにかかわらず、安定した厚さの燃料電池セルとそれを積層したスタック２３の生産が可能となる。
セル厚さが安定すると、積層した時の荷重の、ＭＥＡ部とガスケット部の比率が各セルで一定となるため、燃料電池の発電領域におけるセパレータの拡散層を押す荷重もほぼ一定になり、積層セルの各々で発電性能もほぼ一定になり、バラツキが少なくなり、電池性能が安定する。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１〜６の燃料電池のシール構造によれば、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸部材（スタック締結荷重をかけた時にクリープを起こさないかまたは起こしにくい部材）から構成したので、または定寸構造としたので、ガスケットシールの面圧が減少しないかまたはしにくく、安定したシールが得られる。
請求項３の燃料電池のシール構造によれば、ガスケットシール部と接着剤層がセル積層方向視で重なり合わないようにした（ただし、一部交差は許容するものとする）ので、ガスケットシール部４３のシール面圧が従来のように接着剤のクリープによって減少することはなく、ガス洩れや水洩れを防止できる。
請求項５の燃料電池のシール構造によれば、冷媒シールがガスシールよりセル積層方向視で外側にあるので、たとえ、冷媒シールに水洩れが生じても、水がガス流路に侵入することがなく、燃料電池の信頼性が向上する。また、冷媒シールがガスシールよりセル積層方向視で外側にあるので、たとえ洩れが生じても、ガスより先に冷媒が洩れるため、冷媒洩れの段階で対策をとることができ、安全である。
請求項６の燃料電池のシール構造によれば、ガスケットと接着剤層とがセル積層方向に重なり合い、定寸構造部（バックアップ部）に塗布される接着剤には接着剤厚さを規制する部材（たとえば、粒子径を規定されたビーズ）が混入されているので、ガスケット対応部位で、セル積層時の荷重を定寸構造部（バックアップ部）と接着剤厚さを規制する部材（たとえば、ビーズ）とで支えることができ、変形はガスケットの方で起こるようになり、セパレータの変形が抑えられ、その結果シール性が確保され、リークが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、全体概略図である。
【図２】図１の燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリの一部拡大断面図である。
【図３】図１の燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、単セルの分解斜視図である。
【図４】図１の燃料電池の単セルの平面図である。
【図５】図１の燃料電池のセパレータの樹脂フレームの平面図である。
【図６】本発明の実施例１の燃料電池のシール構造の断面図であり、図４のＤ−Ｄ断面図である。
【図７】本発明の実施例１の燃料電池のシール構造の断面図であり、図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】改良前の図４のＤ−Ｄ断面図である。
【図９】改良前の図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】本発明の実施例２の燃料電池のシール構造の単セルの断面図である。
【図１１】本発明の実施例２の燃料電池のシール構造のセル積層時で荷重をかけた時の断面図である。
【図１２】図１０に示す部分の、改良前の断面図である。
【図１３】図１１に示す部分の、改良前の断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 第１の部材（燃料ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ）
１８Ｂ 第１の部材（酸化ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ）
１８Ｃ 第２の部材（樹脂フレーム）
１８Ｄ 第２の部材（樹脂フレーム）
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルトまたはナット
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２７ａ 燃料ガス流路の平行直線部
２７ｂ 燃料ガス流路のＵターン部
２７ｃ 燃料ガス入口
２７ｄ 燃料ガス出口
２８ 酸化ガス流路
２８ａ 酸化ガス流路の平行直線部
２８ｂ 酸化ガス流路のＵターン部
２８ｃ 酸化ガス入口
２８ｄ 酸化ガス出口
２９ 燃料電池発電部対応部
３０、３１ 対向部
３２ 冷却水マニホルド
３２ａ 入り側の冷却水マニホルド
３２ｂ 出側の冷却水マニホルド
３３ 燃料ガスマニホルド
３３ａ 入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ 出側の燃料ガスマニホルド
３４ 空気マニホルド
３４ａ 入り側の空気マニホルド
３４ｂ 出側の空気マニホルド
３５ ガス整流部
３６ ガス整流部
３７ ガス流路連通部
３８ 接着剤からなるシール部
３９ 堰
４０ 突起
４１、４２ 流路抵抗部
４３ ゴムガスケットからなるシール部
４３ａ シール部の凸部
４４ 樹脂フレームの厚肉部
４５ バックアップ部
４６ 接着剤厚さを規制する部材（たとえば、ビーズ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の、とくに固体高分子電解質型燃料電池の、シール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池の単セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータの積層体から構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。ＭＥＡとセパレータ間には、拡散層が設けられる。セパレータには、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路、または冷却媒体を流すための流路が形成される。少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層したセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものから燃料電池スタックを構成する。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
燃料電池ではジュール熱が生じるとともにカソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータには、各セル毎にあるいは複数個（たとえば、２個）のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
特開２０００−１８２６３９号公報は、燃料電池のシール構造を開示している。そこでは、冷媒面に冷媒シール用ガスケットが配され、ガス面にはガスシール用ガスケットが配されている。従来の燃料電池では、通常、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分に、電解質膜、触媒層および拡散層、接着剤層などの部材が配されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１８２６３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池では、ガスケットシールラインのセル積層方向領域に、電解質膜、触媒層および拡散層、接着剤層など、スタック締結荷重がかかった時にクリープを起こしやすい部材が配されているので、燃料電池使用中にそれらの材料がクリープし、ガスケットが初期のシール性を維持することが困難になることがある。
また、セル積層後一定荷重を加えるとガスケットから荷重がかかる部位でセパレータが変形しリークが発生するおそれがある。
本発明の目的は、ガスケットが初期のシール性を維持できる燃料電池のシール構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、ガスケット当たり部のセパレータの変形を防ぎ、リークを防止できる燃料電池のシール構造を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） ガスケットからなるシール部を有する燃料電池のシール構造において、セルのうち前記ガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸構造としたことを特徴とする燃料電池のシール構造。
（２） 複数部材を積層してなる燃料電池の複数部材間をシールするシール材を備え、そのシール材が複数部材の積層後に形成するシールラインに沿って、シール材が設けられる部材のシール材背面に定寸構造を有する燃料電池のシール構造。
（３） ガスケットからなるシール部と接着剤層をセル積層方向に互いに重なり合わないように配した（１）または（２）記載の燃料電池のシール構造。
（４） ガスケットからなるシール部はガスシールと冷媒シールを含む（１）または（２）記載の燃料電池のシール構造。
（５） 冷媒シールはガスシールより外側にある（４）記載の燃料電池のシール構造。
（６） ガスケットと接着剤層とがセル積層方向に重なり合い、定寸構造部に塗布される接着剤には接着剤厚さを規制する部材が混入されている（１）または（２）記載の燃料電池のシール構造。
【０００６】
上記（１）〜（５）の燃料電池のシール構造では、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸構造（スタック締結荷重をかけた時にクリープを起こさないかまたは起こしにくい構造）としたので、ガスケットシールの面圧が減少しないかまたはしにくく、安定したシールが得られる。
上記（６）の燃料電池のシール構造では、ガスケットと接着剤層とがセル積層方向に重なり合っても、定寸構造部に塗布される接着剤には接着剤厚さを規制する部材が混入されているので、積層時の荷重を定寸構造部と接着剤厚さを規制する部材とで支えることができ、変形はガスケットの方で起こるようにし、セパレータの変形が抑えられ、その結果シール性が確保され、リークが防止される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図１３を参照して、説明する。
ただし、図６、図７は本発明の実施例１を示し、図８、図９は、それぞれ、図６、図７の改良前の構造を示す。
また、図１０、図１１は本発明の実施例２を示し、図１２、図１３は、それぞれ、図１０、図１１の改良前の構造を示す。
図１〜図５は本発明の実施例１と実施例２に適用可能である。
【０００８】
まず、本発明の実施例１と実施例２に共通する、または類似する部分を説明する。
本発明の燃料電池のシール構造が適用される燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２、図３に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とを重ねたものからなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる。電極１４とセパレータ１８との間には拡散層１３が設けられ、電極１７とセパレータ１８との間には拡散層１６が設けられる。セパレータ１８には、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス通路２７、２８および燃料電池冷却用の冷媒（通常、冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路ともいう）２６が形成される。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。セルを１層以上重ねてモジュール１９を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール１９を積層してモジュール群とする。セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００９】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、電解質からなる。拡散層１３、１６はカーボン（Ｃ）からなる。
セパレータ１８は、第１の部材１８Ａ、１８Ｂと、燃料電池発電部対応部２９（燃料電池の発電部に対応する部分）に中抜き穴をもつフレーム状の第２の部材１８Ｃ、１８Ｄとに、分割形成されている。
第１の部材１８Ａ、第２の部材１８Ｃは、ＭＥＡの燃料極側に配置されている部材であり、第１の部材１８Ａは燃料ガスと冷却水とを区画している。第１の部材１８Ｂ、第２の部材１８Ｄは、ＭＥＡの空気極側に配置されている部材であり、第１の部材１８Ｂは、酸化ガスと冷却水とを区画している。
第１の部材１８Ａ、１８Ｂは金属製で、以下、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂともいう。第２の部材１８Ｃ、１８Ｄは（非導電性）樹脂製で、以下、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄともいう。
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、不透過性で、金属からなり、たとえば金属板（たとえば、ステンレス板）に導電性金属をメッキ（たとえば、ニッケルメッキ）したものからなる。
【００１０】
図３に示すように、ＭＥＡはセパレータ１８で挟まれる。セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配置して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。
燃料電池発電部対応部２９は、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されており、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分は、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。
【００１１】
図３〜図７に示すように、メタルセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部２９のＭＥＡ側の面には燃料ガス流路２７が形成されたガス流路部が形成されており、ＭＥＡ側と反対側の面には冷却水流路２６が形成されている。
同様に、メタルセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部２９のＭＥＡ側の面には酸化ガス流路２８が形成されたガス流路部が形成されており、ＭＥＡ側と反対側の面には冷却水流路２６が形成されている。
燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８とは、ＭＥＡを挟んで互いに対応している。
メタルセパレータ１８Ａの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷却水流路２６と、隣のセルのメタルセパレータ１８Ｂの燃料電池発電部対応部のＭＥＡ側と反対側の面の冷却水流路２６とは、セル積層方向に隔てられることなく、連通している。
【００１２】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのガス流路部では、図４（図４はメタルセパレータ１８Ａを示すがメタルセパレータ１８Ｂもメタルセパレータ１８Ａに準じる）に示すように、ガス流路を燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する一対の対向部３０、３１間方向に折り返し屈曲させることにより、流路が長くなるようにしてあり、これによって、ＭＥＡに同じ量の反応ガスを供給する場合のガス流速が増し、燃料電池出力が上がるとともに、生成水がガス流路２７、２８に溜まりにくくしてある。
燃料ガス流路２７は、複数個、並列に形成されており、酸化ガス流路２８も、複数個、並列に形成されている。
セパレータ１８の裏面に形成される冷却水流路２６は、一対の対向部３０、３１にわたって直線状に延び、Ｕターン部をもたない。
【００１３】
また、図３〜図５に示すように、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと燃料ガス出口２７ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃと酸化ガス出口２８ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。
また、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部２９の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃとは、セパレータの燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに反対側に位置している。
【００１４】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０、３１には、マニホルド部が形成されている。マニホルド部には、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４が形成されている。
燃料電池発電部対応部２９を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷却水マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、入り側の空気マニホルド３４ａが設けられ、他方３１には、出側の冷却水マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、出側の空気マニホルド３４ｂが設けられる。
燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４は、ガス流路２７、２８が位置するガス流路部に対して、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に中心位置からオフセットしている。すなわち、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４の中心位置は、ガス流路部の対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向の中心位置に対して、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向にずれている。
【００１５】
図３、図５（図５は樹脂マニホルド１８Ｄの場合を示すが、樹脂マニホルド１８Ｃの場合も樹脂マニホルド１８Ｄに準じる）に示すように、樹脂マニホルド１８Ｃ、１８Ｄには、マニホルド部とガス流路部とを連通するガス流路連通部３７が形成されている。ガス流路連通部３７には、ガスの流れの方向をいったん対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に向けるとともに、ガス流路部との間のガスの流入・流出を対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化させるガス整流部３５、３６が形成されている。ガス整流部３５が入り側のガスマニホルドから流入するガスをガス流路部の全幅に均一に拡げてガス流路部へ流出させ、ガス流路部３６がガス流路部から流入するガスをガスマニホルド長に縮小してガスマニホルドへ流出させる。
各ガス整流部３５、３６は同じまたは類似の構造を有する。各ガス整流部３５、３６は、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に延びる１つ以上（図示例では２つ）の突条を該突条の長手方向（対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向）に等間隔に分断して形成された多数の突起からなる。ガスがガス整流部３５、３６を通る時に、ガス流れがいったん突条の長手方向に向けられ、多数の突起間の等間隔の多数の隙間からガス流路部に流入、流出することにより、ガス流路部との間のガスの流入・流出が対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に均一化される。
【００１６】
樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂ側に突出する、ガス流路高さ確保のための、突起４０が形成されている。突起４０はガス整流部とマニホルド部との間に一列に多数並べて形成されている。
突起４０は、セルが積層されてセル積層方向に締め付けられた時、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂが樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄに寄るのを防止して、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄ間のガス流路の高さを正規の高さに維持する。
【００１７】
樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、燃料電池発電部対応部２９を挟んで対向する対向部３０、３１に設けられたガス流路連通部３７に、流路抵抗部４１、４２が形成されている。
流路抵抗部４１、４２を形成すると、ガス流路連通部３７と燃料電池発電部対応部２９のガス流路部との間のガスの出入り口の圧力差が少なくなり、ガスのガス流路部への分配がより均一になる。
【００１８】
図４、図６、図７に示すように、セル間は、隣り合うメタルセパレータ間にガスケットからなるシール部４３を配して、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４を、互いからシールする。シール部４３は、ゴムシールからなり、そのシールラインを図４に２点鎖線で示してある。ガスケットの断面形状は凸部４３ａを有するほぼＴ字状であり、その場合は、上記シールラインは凸部４３ａの部分である。ガスケットはＯリングであってもよい。
【００１９】
図５、図６、図７に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、セル積層方向に、隣り合う部材（メタルセパレータまたは樹脂フレーム）との間をシールして、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４を、互いからシールするために、接着剤が塗布された接着剤シール部３８（図５で斜線を施した部分）が形成されている。
図６、図７に示すように、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄには、シール部３８を形成するための接着剤を塗布する部分と塗布しない部分との境界に、シール用接着剤のはみ出しを防止する堰３９（接着剤塗布部を非塗布部より低くした段差部）が形成されており、該堰３９は接着剤の非塗布部への垂れ込み、はみ出しを防止している。
【００２０】
図６、図７に示すように、ガスケットからなるシール部４３（ガスケットの断面形状が凸部４３ａを有する場合は、シール部４３の凸部４３ａ）のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分は定寸構造とされている。
すなわち、複数部材を積層してなる燃料電池の複数部材間をシールするシール材４３を備えた燃料電池のシール構造において、該シール構造は、そのシール材４３が複数部材の積層後に形成するシールラインに沿って、シール材４３が設けられる部材のシール材背面に定寸構造を有する。
ここで、定寸構造とは、スタック２３に締結荷重をかけた時に、クリープを起こさないかまたはクリープを起こしにくい構造で、一定の寸法を維持することが可能な構造をいう。
セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは、クリープを起こさないかまたはクリープを起こしにくい部材であり、その部材のみからなる構造は定寸構造である。しかし、電解質膜１１、触媒層１２、１５、拡散層１３、１６、および接着剤シール部３８はスタック２３に締結荷重をかけた時にクリープを起こすので、定寸構造を構成しない。
【００２１】
ガスケットからなるシール部４３はガスシール４３Ｂと冷媒シール４３Ａを含む。ガスシール４３Ｂはガスマニホルド３３、３４およびガス流路２７、２８をまわりから囲んでシールし、冷媒シール４３Ａは冷媒マニホルド３２および冷媒流路２６をまわりから囲んでシールする。ガスシール４３Ｂと冷媒シール４３Ａには、同じ断面形状を持つゴムガスケットが用いられている。
【００２２】
冷媒シール４３Ａはガスシール４３Ｂよりセル積層方向視で外側（マニホルド３２、３３、３４より離れている側）にある。この構造によって、たとえ、冷媒シール４３Ａに水洩れが生じても、水がガス流路に侵入することがなく、水のガス流路への侵入によるフラッディングや発電不全が起こることはない。また、冷媒シール４３Ａがガスシール４３Ｂよりセル積層方向視で外側にあるため、たとえば洩れが発生しても、ガスより先に冷媒が洩れるため、その段階で洩れが検出され対策がとられるため、安全である。
【００２３】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の実施例１の燃料電池のシール構造を説明する。本発明による改良前は、図８（図６の構造の改良前を示す）、図９（図７の構造の改良前を示す）に示すように、ガスケットからなるシール部４３のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分には、接着剤シール部３８や電解質膜１１などがある構造であった。そのため、スタック締結荷重がかかって接着剤シール部３８や電解質膜１１などがクリープを起こすと、ガスケットからなるシール部４３のシール面圧が減少し、ガス洩れや水洩れを起こすおそれがあった。
【００２４】
これに対し、本発明による改良後は、図６、図７に示すように、ガスケットからなるシール部４３のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分は、セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄのみから構成されている。そして、セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの内樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄは、ガスケットからなるシール部４３の外側で段階状に厚くなっていて（厚肉部４４）、厚肉部４４でセパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄは直接接触しているため、ガスケットシール部４３のゴム自体が変形しても、セパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの直接接触部およびセパレータ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄのゴムシールの背面部は、セル積層方向に寸法変化せず、定寸構造となっている。したがって、スタック締結荷重がかかっても、ガスケットシール部４３のシール面圧が従来のように減少することはなく、ガス洩れや水洩れを起こすおそれがなくなる。
【００２５】
本発明の実施例１のシール構造では、ガスケットからなるシール部４３の凸部４３ａ（シールライン）と接着剤層３８がセル積層方向に互いに重なり合わないように配置してある（シール部４３の凸部４３ａ以外の部分とは重なってもよい）。すなわち、ガスケットシール部４３のシールライン（図４の２点鎖線）が接着剤層３８の塗布領域（図５のハッチを施した部分）よりも、セル積層方向視で、外側（マニホルド３２、３３、３４より離れている側）にある。ただし、ガスケットシール部４３のシールラインはセル面内において、屈曲しているので、接着剤層３８とセル積層方向視で一部交差する部位が生じるが、その部位は重なり合いは許容するものとする。
この重なり合いを抑制した構造によって、ガスケットシール部４３のシール面圧が従来のように接着剤のクリープによって減少することはなく、ガス洩れや水洩れを防止できる。
【００２６】
本発明の実施例２の燃料電池のシール構造を説明する。本発明による改良前は、図１２（図１０の構造の改良前を示す）、図１３（図１１の構造の改良前を示す）に示すように、ガスケットからなるシール部４３のセル積層方向領域にある燃料電池構成部分には、接着剤シール部３８が存在する構造であった。そのため、スタック締結荷重がかかってガスケットからなるシール部４３の当たり部にセル積層方向に対応する部分にある接着剤シール部３８がクリープや厚さ方向の変形を起こすと、その部位のメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂも変形し、ガスケットからなるシール部４３のシール面圧が減少し、ガス洩れや水洩れを起こすおそれがあった。
【００２７】
これに対し、本発明による改良後は、図１０、図１１に示す構造をとる。すなわち、ガスケット４３（ガスケットからなるシール部）と接着剤層３８（接着剤シール部）とがセル積層方向に重なり合っている。ここで、図１０は、単セルの状態を、図１１はセル積層状態で締結荷重がかかった状態を示す。
そして、定寸構造が、（イ）ガスケット４３とセル積層方向に重なり合う部位において樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄにメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂに向かって凸状に形成されたバックアップ部４５と、（ロ）バックアップ部４５（定寸構造部）に塗布され、接着剤厚さを規制する部材（たとえば、ビーズ４６）が混入された接着剤層３８（接着剤シール部）と、を有している。
【００２８】
通常、接着剤層３８は、図１２、図１３において、内部シール性確保のため１００μｍ程度の厚さが必要であるが、本発明の実施例２では、図１０、図１１に示すように、たとえば、バックアップ部４５の高さを５０μｍ程度とし、接着剤層３８のうちバックアップ部４５頂面に塗布される部分の厚さを５０μｍ程度とする。そして、粒子をほぼ球状としたビーズ４６の粒子径を接着剤層３８のうちバックアップ部４５頂面に塗布される部分の厚さとほぼ同じ、したがって約５０μｍにしておく。
【００２９】
シール構造はつぎのようにして形成される。
▲１▼ 接着剤３８にビーズ４６（粒子径が、たとえば約５０μｍ）を混入する。
▲２▼ 樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄにバックアップ部４５を形成する。
▲３▼ メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂにガスケット４３を接着する。
▲４▼ ＭＥＡと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄを接着する。
▲５▼ ＭＥＡと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄを接着したものに、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂをビーズ４６入り接着剤３８で接着する。この状態が図１０である。
▲６▼ セルを積層し、一定荷重をかける。この状態が図１１である。
【００３０】
本発明の実施例２の作用については、図１１に示すように、セル積層時の荷重をバックアップ部４５とビーズ４６が支える。バックアップ部４５頂面の接着剤層中では接着剤層が押圧荷重を受けた時にビーズ４６は自動的に１層となり、バックアップ部４５頂面の接着剤層の厚さは定寸となる。バックアップ部４５も定寸を維持する。したがって、バックアップ部４５とバックアップ部４５頂面の接着剤層との合計厚みは変化せず定寸を維持し、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのガスケット４３対応部分は屈曲変形を生じない。その代わりに、ガスケット４３は変形する。メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのガスケット４３対応部分が屈曲変形を生じないことによって、ガスケット４３でのセルのシール性が確保され、リークが阻止される。
【００３１】
また、バックアップ部４５頂面の接着剤層の厚さが定寸となるため、他の部位での接着剤層３８の厚さにかかわらず、安定した厚さの燃料電池セルとそれを積層したスタック２３の生産が可能となる。
セル厚さが安定すると、積層した時の荷重の、ＭＥＡ部とガスケット部の比率が各セルで一定となるため、燃料電池の発電領域におけるセパレータの拡散層を押す荷重もほぼ一定になり、積層セルの各々で発電性能もほぼ一定になり、バラツキが少なくなり、電池性能が安定する。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１〜６の燃料電池のシール構造によれば、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸部材（スタック締結荷重をかけた時にクリープを起こさないかまたは起こしにくい部材）から構成したので、または定寸構造としたので、ガスケットシールの面圧が減少しないかまたはしにくく、安定したシールが得られる。
請求項３の燃料電池のシール構造によれば、ガスケットシール部と接着剤層がセル積層方向視で重なり合わないようにした（ただし、一部交差は許容するものとする）ので、ガスケットシール部４３のシール面圧が従来のように接着剤のクリープによって減少することはなく、ガス洩れや水洩れを防止できる。
請求項５の燃料電池のシール構造によれば、冷媒シールがガスシールよりセル積層方向視で外側にあるので、たとえ、冷媒シールに水洩れが生じても、水がガス流路に侵入することがなく、燃料電池の信頼性が向上する。また、冷媒シールがガスシールよりセル積層方向視で外側にあるので、たとえ洩れが生じても、ガスより先に冷媒が洩れるため、冷媒洩れの段階で対策をとることができ、安全である。
請求項６の燃料電池のシール構造によれば、ガスケットと接着剤層とがセル積層方向に重なり合い、定寸構造部（バックアップ部）に塗布される接着剤には接着剤厚さを規制する部材（たとえば、粒子径を規定されたビーズ）が混入されているので、ガスケット対応部位で、セル積層時の荷重を定寸構造部（バックアップ部）と接着剤厚さを規制する部材（たとえば、ビーズ）とで支えることができ、変形はガスケットの方で起こるようになり、セパレータの変形が抑えられ、その結果シール性が確保され、リークが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、全体概略図である。
【図２】図１の燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリの一部拡大断面図である。
【図３】図１の燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、単セルの分解斜視図である。
【図４】図１の燃料電池の単セルの平面図である。
【図５】図１の燃料電池のセパレータの樹脂フレームの平面図である。
【図６】本発明の実施例１の燃料電池のシール構造の断面図であり、図４のＤ−Ｄ断面図である。
【図７】本発明の実施例１の燃料電池のシール構造の断面図であり、図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】改良前の図４のＤ−Ｄ断面図である。
【図９】改良前の図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】本発明の実施例２の燃料電池のシール構造の単セルの断面図である。
【図１１】本発明の実施例２の燃料電池のシール構造のセル積層時で荷重をかけた時の断面図である。
【図１２】図１０に示す部分の、改良前の断面図である。
【図１３】図１１に示す部分の、改良前の断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 第１の部材（燃料ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ）
１８Ｂ 第１の部材（酸化ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ）
１８Ｃ 第２の部材（樹脂フレーム）
１８Ｄ 第２の部材（樹脂フレーム）
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルトまたはナット
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２７ａ 燃料ガス流路の平行直線部
２７ｂ 燃料ガス流路のＵターン部
２７ｃ 燃料ガス入口
２７ｄ 燃料ガス出口
２８ 酸化ガス流路
２８ａ 酸化ガス流路の平行直線部
２８ｂ 酸化ガス流路のＵターン部
２８ｃ 酸化ガス入口
２８ｄ 酸化ガス出口
２９ 燃料電池発電部対応部
３０、３１ 対向部
３２ 冷却水マニホルド
３２ａ 入り側の冷却水マニホルド
３２ｂ 出側の冷却水マニホルド
３３ 燃料ガスマニホルド
３３ａ 入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ 出側の燃料ガスマニホルド
３４ 空気マニホルド
３４ａ 入り側の空気マニホルド
３４ｂ 出側の空気マニホルド
３５ ガス整流部
３６ ガス整流部
３７ ガス流路連通部
３８ 接着剤からなるシール部
３９ 堰
４０ 突起
４１、４２ 流路抵抗部
４３ ゴムガスケットからなるシール部
４３ａ シール部の凸部
４４ 樹脂フレームの厚肉部
４５ バックアップ部
４６ 接着剤厚さを規制する部材（たとえば、ビーズ）
Claims (6)
- ガスケットからなるシール部を有する燃料電池のシール構造において、セルのうち前記ガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸構造としたことを特徴とする燃料電池のシール構造。
- 複数部材を積層してなる燃料電池の複数部材間をシールするシール材を備え、そのシール材が複数部材の積層後に形成するシールラインに沿って、シール材が設けられる部材のシール材背面に定寸構造を有する燃料電池のシール構造。
- ガスケットからなるシール部と接着剤層をセル積層方向に互いに重なり合わないように配した請求項１または請求項２記載の燃料電池のシール構造。
- ガスケットからなるシール部はガスシールと冷媒シールを含む請求項１または請求項２記載の燃料電池のシール構造。
- 冷媒シールはガスシールより外側にある請求項４記載の燃料電池のシール構造。
- ガスケットと接着剤層とがセル積層方向に重なり合い、定寸構造部に塗布される接着剤には接着剤厚さを規制する部材が混入されている請求項１または請求項２記載の燃料電池のシール構造。
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