JP2005158424A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる幅のシール溝を有せずとも、異なるシール面を有するシール部材を配置できる燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１の両側に設けた一対の電極１０、１１をさらに狭持する一対のセパレータ４と、セパレータ４の対向する表面の外縁部に沿って、略同じ幅に形成されたシール溝９を備える。一方のシール溝９に収容され、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｓの幅が比較的小さいシール部材５Ｓと、もう一方のシール溝９に収容され、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｌの幅が比較的大きいシール部材５Ｌと、を備える。さらに、シール部材５Ｓの一端５２Ｓからシール面５０Ｓまでの幅Ｈ１が、シール部材５Ｌの一端５２Ｌからシール面５０Ｌまでの幅Ｈ３と、シール溝９の幅とシール部材５Ｌの幅の差Ｈ４と、の和Ｈ２ｍａｘより大きくなるように構成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、固体高分子電解質膜を電解質として用いた単位セルを複数積層し、これを狭持・加圧することにより組み立てられる燃料電池のガスシール性を向上するためのセル構造に関する。

一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池は、電解質の違いなどにより、様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池が知られている。

また、所定の電力が得られるように、複数の単位セルを積層することにより構成した燃料電池スタックを用いて構成した燃料電池が知られている。この燃料電池スタックを組み立てる際には、セルの積層方向に押さえつけて所定の圧力をかけることにより接触抵抗等を抑制して発電特性を得る。

例えば、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される燃料電池構造体を狭持する第１セパレータと第２セパレータと、固体高分子電解質膜の両面に、互いに対向して配置される、第１および第２シール部材とを備える。第１および第２セパレータは、固体高分子電解質膜の周面を直接狭持する平坦面に形成され、アノード側電極およびカソード側電極を囲繞するとともに、第１および第２シール部材が収容される第１および第２シール溝とを設ける。第１および第２シール部材は、断面矩形状を有し、かつ、それぞれの平面状接触面部の幅寸法が異なるように設定されるとともに、第１シール部材の接触面部全体が、対向する第２シール部材の接触面部の輪郭形状内に配置されるものが知られている。

このように、電解質膜を狭持する一対のシール部について、それぞれの電解質膜と接触するシール面積が異なるように設定することで、シール部同士の接触面でのずれをシール部の寸法差で吸収できるので、電解質膜をシール部で傷つけることなく、確実に固定することが可能となると共に、良好な燃料ガスシールを行うことを可能としている（例えば、特許文献１、参照。）。
特許第３２９２６７０号明細書

しかしながら、上記背景技術においては、燃料極と酸化剤極側のシール部材を位置ずれなく配置するために、第１および第２セパレータに異なる幅のシール溝を形成する必要がある。そのため第１のセパレータと第２のセパレータとを異なる形状に構成する必要があり、部品点数が増加するという問題があった。一方、シール溝幅を同じにしただけでは、シール部材がずれて膜が歪み、シール性能が低下したり、固体高分子電解質膜が損傷する可能性があるといった問題があった。

そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、異なる幅のシール溝を有せずとも、異なるシール面を有するシール部材を配置できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータと、前記セパレータの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝を備える。また、前記一対のセパレータのうち一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的小さい第一シール部材を備える。また、前記一対のセパレータのうちもう一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的大きい第二シール部材を備える。さらに、前記第一シール部材の一端からシール面までの幅が、前記第二シール部材の一端からシール面までの幅と、前記シール溝の幅と前記第二シール部材の幅の差と、の和より大きくなるように構成する。

または、電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータと、前記セパレータの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝を備える。また、前記一対のセパレータのうち一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的小さい第一シール部材を備える。また、前記一対のセパレータのうちもう一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的大きい第二シール部材を備える。さらに、少なくとも前記第一シール部材を収容するシール溝の底面を、テーパ形状に構成する。

または、電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータと、前記セパレータの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝と、前記シール溝に略重なる部分で前記電解質膜に接触し、厚みが前記電極と同じ、またはそれ以下のプレートを備える。また、前記一対のセパレータのうち一方に形成された前記シール溝に収容され、前記プレートと一体に形成されるとともに、前記プレートを介して前記電解質膜と接触するシール面の幅が比較的小さい第一シール部材を備える。さらに、前記一対のセパレータのうちもう一方に形成された前記シール溝に収容され、前記プレートを介して前記電解質膜と接触するシール面の幅が比較的大きい第二シール部材を備える。

または、電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータと、前記セパレータの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝を備える。前記一対のセパレータのうち一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜または前記電極または前記セパレータの少なくとも一つと一体に形成された、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的小さい第一シール部材を備える。また、前記一対のセパレータのうちもう一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的大きい第二シール部材を備える。

または、電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータを備える。また、前記一対のセパレータのうち一方と前記電解質膜と間に、前記電極の外周に沿って構成され、前記セパレータと一体に形成された、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的小さい第一シール部材を備える。さらに、前記一対のセパレータのうちもう一方と前記電解質膜と間に、前記電極の外周に沿って構成され、前記セパレータと一体に形成された、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的大きい第二シール部材を備える。

同じ幅のシール溝に収容した、幅の異なる第一シール部材と第二シール部材について、第一シール部材の一端からシール面までの幅が、第二シール部材の一端からシール面までの幅と、シール溝の幅と第二シール部材の幅の差と、の和より大きくなるように構成する。これにより、第一シール部材のシール面は、第二シール部材のシール面内に収容されるので、幅の同じシール溝を用いた場合にも、第一シール部材、第二シール部材を、シール性能を維持し、電解質膜の損傷を抑制できる位置に配置することができる。

または、少なくとも第一シール部材を収容するシール溝の底面を、テーパ形状に構成することで、締付力が加えられた場合には、第一シール部材がテーパ形状の頂点近傍に位置するようにできるので、シール溝の幅に関係なく第一シール部材の位置を設定することができる。その結果、第一シール部材のシール面を、第二シール部材のシール面内に収容させることができ、幅の同じシール溝を用いた場合にも、第一シール部材、第二シール部材を、シール性能を維持し、電解質膜の損傷を抑制できる位置に配置することができる。

または、シール溝に略重なる部分で電解質膜に接触し、厚みが電極と同じ、またはそれ以下のプレートを備え、シール面の幅の小さい第一シール部材をプレートと一体に形成する。これにより、シール溝の幅に関係なく、第一シール部材を所定の位置に設置することができる。その結果、第一シール部材のシール面を、第二シール部材のシール面内に収容させることができ、幅の同じシール溝を用いた場合にも、第一シール部材、第二シール部材を、シール性能を維持し、電解質膜の損傷を抑制できる位置に配置することができる。

または、シール面の幅が比較的小さい第一シール部材を、電解質膜または電極またはセパレータの少なくとも一つと一体に形成するので、シール溝の幅に関係なく、第一シール部材を所定の位置に設置することができる。その結果、第一シール部材のシール面を、第二シール部材のシール面内に収容させることができ、幅の同じシール溝を用いた場合にも、第一シール部材、第二シール部材を、シール性能を維持し、電解質膜の損傷を抑制できる位置に配置することができる。

または、第一シール部材および第二シール部材をセパレータに一体に形成する。これにより、シール溝を必要とせずに、第一シール部材を所定の位置に設置することができる。その結果、第一シール部材のシール面を、第二シール部材のシール面内に収容させることができ、幅の同じシール溝を用いた場合にも、第一シール部材、第二シール部材を、シール性能を維持し、電解質膜の損傷を抑制できる位置に配置することができる。

第１の実施形態について説明する。燃料電池として、図１に示すような固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１を有する単位セル１００を、複数積層することにより構成した燃料電池スタックを用いる。

主に、フッ素系樹脂や炭化水素系樹脂に代表される固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成した電解質膜１を用いる。電解質膜１の一方の側には、少なくとも水素を含む燃料ガスが供給される燃料極１０を、もう一方の側には、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスが供給される酸化剤極１１を備える。燃料極１０、酸化剤極１１（以下、電極１０、１１）を、それぞれ触媒電極層２とガス拡散層３とから構成する。例えば、ガス拡散層３をカーボンクロスやカーボンペーパから構成し、ガス拡散層３の電解質膜１に接触する面に、触媒として白金または白金とその他の金属を含む電極触媒を塗布することにより触媒電極層２を構成する。または、ガス拡散層３と触媒電極層２を別々に構成し、プレス等により一体化してもよい。ここでは、電解質膜１、触媒電極層２、ガス拡散層３を一体に形成することにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。

さらに、ガス拡散層３の外側には、セル間の隔壁をなすセパレータ４を配置する。セパレータ４はガス不透過の緻密性カーボン部材により構成する。燃料極１０側のガス拡散層３ａとセパレータ４ａとの間には燃料ガス流路６を備える。また酸化剤極１１側のガス拡散層３ｃとセパレータ４ｃとの間には酸化剤ガス流路７を構成する。ここでは、セパレータ４ａ、４ｃのガス拡散層３ａ、３ｃに対峙する面に設けた溝より、燃料ガス流路６、酸化剤ガス流路７をそれぞれ構成する。

セパレータ４ｃの酸化剤ガス流路７を有する面の裏面には、発電に伴う熱を除去するための冷却水を流通する冷却水路８を構成する。冷却水路８は必ずしもそれぞれのセル毎に設けなくても良い。ただし、出力が大きくなると燃料電池から除去するべき熱量が大きくなるため、できるだけ多く配置されていることが望ましい。ここでは、両セパレータ４ａ、４ｃの背面に冷却水路８を構成する溝を設け、積層した際に二つの溝が合わさって冷却水路８が構成されるようにしたが、燃料極１０側のセパレータ４ａの背面や、酸化剤極１１側のセパレータ４ｃの背面に、単独で形成してもよい。

また、セパレータ４の電解質膜１に対向する表面の外縁部に沿って、シール溝９を備える。図１に示すように、セパレータ４および電解質膜１の積層面に対して、電極１０、１１の積層面を小さく構成する。これにより、セパレータ４の外縁部に沿って電解質膜１に直接対峙する領域が構成される。この領域にシール溝９を構成して後述するシール部材５を配置することにより各電極１０、１１をシールする。ここでは、燃料極１０側のセパレータ４ａに構成するシール溝９ａと、酸化剤極１１側のセパレータ４ｃに構成するシール溝９ｃの溝幅を略同じに形成する。さらには、シール溝９ａ、９ｃを、互いに同形状に構成する。

シール溝９に、電解質膜１とセパレータ４との間をシールするシール部材５を収容する。このとき、燃料極１０側に配置されたシール部材５ａと、酸化剤極１１側に配置されたシール部材５ｃにより、電解質膜１が外縁部に沿って狭持されるように構成される。シール部材５ａにより、燃料極１０が囲繞され、燃料極１０に供給される燃料ガスがシールされる。また、シール部材５ｃにより酸化剤極１１が囲繞され、酸化剤極１１に供給される酸化剤ガスがシールされる。つまり、シール部材５は、燃料ガス、酸化剤ガスの漏洩を防ぐとともにこれらの混合を防ぐ役割を果たし、シール溝９は、シール部材５を所定の位置に維持する役割を果たす。

また、冷却水路８が形成される領域の外周に沿っても、シール溝とシール部材を構成することにより、冷却水の漏洩を抑制するのが好ましい。図１に示す単位セル１００が複数積層された際に、隣合う単位セル１００のセパレータ４ａ、４ｃ間に、外縁部に沿ってシール部材を配置することにより、冷却水の漏洩を防止することができる。

なお、図１においては、シール部材５の断面形状を略円形状に示したが、本実施形態ではこのシール部材５の断面形状を工夫することにより、シール機能を向上し、電解質膜１の損傷を抑制する。

シール部材５の形状について説明する。図２に、シール部材５の断面形状の例を示す。シール材質としては、例えば、フッ素系ゴム、ＥＰＤＭ（ethylene-propylene terpolymer）、シリコンゴムを用いる。また、例えばシール部材５をＯリング状に形成する。

電解質膜１を介して対峙するシール部材５の、それぞれの電解質膜１に接触するシール面５０の幅が異なるように形成する。ここでは、図２（ａ）〜（ｆ）に示すように、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓが、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌより小さくなるように構成する。なお、シール部材５Ｓを燃料極１０側のシール部材５ａとし、シール部材５Ｌを酸化剤極１１側のシール部材５ｃとしてもよいし、またはその反対としてもよい。

ここでは、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌの投影面内に、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓが収容されるように構成する。図３に示すように、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓの端部５１Ｓから、シール部材５Ｓの端部５２Ｓまでの幅Ｈ１が、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌの端部５１Ｌからシール溝９の端部９０ｙまでの幅Ｈ２より、常に大きくなるように構成する。幅Ｈ２の最大値は、図３に示すように、シール部材５Ｌを、シール溝９の一方の側面（端部９０ｘ）に接触させて配置させた際の、シール面５０Ｌの端部５１Ｌから、シール溝９のもう一方の側面（端部９０ｙ）までの幅Ｈ２ｍａｘとなる。そこでシール部材５およびシール溝９を、幅Ｈ１が最大幅Ｈ２ｍａｘより大きいという条件を満たすように構成する。言い換えれば、シール部材５Ｓの端部５２Ｓからシール面５０Ｓまでの幅Ｈ１が、シール部材５Ｌの端部５２Ｌからシール面５０Ｌまでの幅Ｈ３と、シール溝９とシール部材５Ｌとの幅の差Ｈ４と、の和Ｈ２ｍａｘより大きくなるように構成する。これにより、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌの投影面内に、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓが常に収容されるように構成することができる。これにより、シール部材５Ｌ、５Ｓによるシール機能を向上できるとともに、電解質膜１に余計なストレスをかけることにより損傷を与えるのを防ぐことができる。

なお、シール部材５Ｓの断面は、図２（ａ）（図３）に示すような円形状に限らず、図２（ｂ）、（ｄ）に示すように、シール部材５Ｓをシール溝９の底面から開口部に向けて幅が広くなる矩形状に構成してもよい。または、シール部材５Ｓを図２（ｃ）、（ｆ）に示すような電解質膜１に向かった凸形状や、図２（ｅ）に示すような電解質膜１に向かって凸のアーチ形状に構成してもよい。さらに、シール部材５Ｌも、図２（ｆ）に示すように様々な形状とすることができる。つまり、幅Ｈ１が最大幅Ｈ２ｍａｘより大きくなるように構成されていれば、シール部材５Ｓ、５Ｌの形状は、図２、図３に限定するものではない。

ここで、シール部材５の形状の比較例を図４に示す。これは、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌ内に、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓが収容されていない場合を示している。このような場合には、電解質膜１に対峙するシール部材５Ｌ、５Ｓ同士の締付によって剪断力が発生する。その結果、電解質膜１の変形や破損を招き、シール性の低下を引き起こす可能性がある。

そこで本実施形態のように、シール部材５Ｌの比較的幅の大きなシール面５０Ｌの投影面内に、シール部材５Ｓの比較的幅の小さなシール面５０Ｓが収容されるように配置することで、電解質膜１に剪断力が生じるのを抑制することができ、シール性を維持することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

電解質膜１の両側に設けた一対の電極１０、１１をさらに狭持する一対のセパレータ４ａ、４ｃと、セパレータ４ａ、４ｃの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝９ａ、９ｃを備える。一対のセパレータ４のうち一方に形成されたシール溝９に収容され、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｓの幅が比較的小さいシール部材５Ｓと、一対のセパレータ４のうちもう一方に形成されたシール溝９に収容され、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｌの幅が比較的大きいシール部材５Ｌと、を備える。さらに、シール部材５Ｓの一端５２Ｓからシール面５０Ｓまでの幅Ｈ１が、シール部材５Ｌの一端５２Ｌからシール面５０Ｌまでの幅Ｈ３と、シール溝９の幅とシール部材５Ｌの幅の差Ｈ４と、の和Ｈ２ｍａｘより大きくなるように構成する。これにより、シール部材５Ｓがシール溝９内の目標の位置からずれて配置された場合にも、常にシール面５０Ｓがシール面５０Ｌの投影面内に収容される位置に設置される。つまり、シール溝９の幅が同じ場合にも、電解質膜１の変形や破損を抑制し、シール性の低下を抑制することができる範囲内に常に設置することができる。

一対のシール溝９を、略同一形状に構成する。これにより、セパレータ４ａ、４ｃを同一形状に構成することができるので、構成部品を低減してコストを抑えることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

単位セル１００の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、シール部材５の断面を図５に示すように構成する。

電解質膜１を介して対峙するシール部材５Ｓ、５Ｌを、同じ断面形状に構成する。シール部材５を、対向する平行な面５４、５５を有し、面５４の幅は面５５の幅より小さくなるように構成する。面５４、５５を結ぶ二つの側面５６、５７は、図５（ａ）に示すような平面、または（ｂ）に示すような曲面により構成する。

このようなシール部材５を電解質膜１を狭持するように配置する際に、シール部材５Ｓは電解質膜１に面５４が接触するように、シール部材５Ｌは電解質膜１に面５５が接触するように配置する。つまり、電解質膜１に面５４が接触するほうが、比較的シール面５０Ｓの幅が小さいシール部材５Ｓとなり、電解質膜１に面５５が接触する方が、比較的シール面５０Ｌの幅が大きいシール部材５Ｌとなる。

なお、第１の実施形態と同様に、シール部材５Ｓの端部からシール面５０Ｓまでの幅Ｈ１が、シール部材５Ｌの端部からシール面５０Ｌまでの幅Ｈ３と、シール溝９とシール部材５Ｌの幅の差Ｈ４の合計Ｈ２ｍａｘより大きくなるように構成する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

シール部材５Ｓとシール部材５Ｌを、それぞれのシール面５０Ｓ、５０Ｌの幅とシール溝９との接触部分の幅が異なる略同一形状のシール部材により構成する。つまり、シール部材５Ｓ、５Ｌを同一形状の部品から構成することができるので、コストを低減することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。単位セル１００の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、ここではシール部材５を図６のように構成する。

シール溝９に、少なくともシール部材５Ｓの位置決め手段を持たせる。例えば、図６に示すように、シール溝９の底面９２をテーパ形状に構成する。このとき、シール部材５を設置する目的の位置に、テーパ形状の頂点９１がくるようにシール溝９を構成する。ここでは、二つの斜面よりシール溝９の底面９２を構成し、その二つの斜面の接続部分（頂点９１）が目的の位置となるように構成する。例えば、シール溝９の中心に頂点９１が配置されるように底面９２を構成する。

積層方向に締付力が加えられると、シール部材５が、この斜めに形成された底面９２に沿ってシール溝９内を頂点９１に向かって移動する。このとき、底面９２と接触するシール部材５の接面は、底面９２との摩擦抵抗をできるだけ少なくする形状を取ることが好ましい。例えば、接面近傍を曲面により形成する。

なお、ここでは、シール部材５Ｓ、５Ｌを収容するシール溝９に関して、底面９２をテーパ形状に構成したが、すくなくともシール部材５Ｓを収容するシール溝９に関して、底面９２をテーパ形状に構成すればよい。

図７に、シール部材５の設置時の状態を説明する図を示す。ここでは、シール部材５Ｓを収容するシール溝９に関してのみ、底面９２をテーパ形状し、シール部材５Ｌを収容するシール溝９については底面を平面により構成する。図７（ａ）には、シール部材５Ｓの断面図を、図７（ｂ）には、シール部材５Ｓを積層面から見た平面図を示す。

シール溝９の中心に、電解質膜１との対極側に頂点９１が配置されるように底面９２を斜めのテーパ形状に構成する。そして組みつけ前の状態で、図７（ｂ）に示すように、シール溝９の中心を結ぶ長さよりもシール部材５の長さを短く設定しておく。つまり、組付け前には、図７（ａ）においては、点線で描かれた状態となる。

このような状態から積層方向に締付力が加えられると、発電を行う電極１０、１１の反応面を中心に、シール部材５Ｓが放射状の向きにセットされる。このシール部材５Ｓの位置決めに伴う移動に併せて、電解質膜１が電極１０、１１の反応面を中心に放射上に張られるため、組立時に発生する電解質膜１のしわなどを解消することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

電解質膜１の両側に設けた一対の電極１０、１１をさらに狭持する一対のセパレータ４ａ、４ｃと、セパレータ４ａ、４ｃの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝９を備える。また、一対のセパレータ４のうち一方に形成された前記シール溝９に収容され、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｓの幅が比較的小さいシール部材５Ｓと、一対のセパレータ４のうちもう一方に形成されたシール溝９に収容され、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｌの幅が比較的大きいシール部材５Ｌと、を備える。さらに、少なくともシール部材５Ｓを収容するシール溝９の底面９２を、テーパ形状に構成する。これにより、シール溝９内のシール部材５Ｓの設置位置を設定することができる。その結果、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓを、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌ内に収容させることができ、幅の同じシール溝９を用いた場合にも、シール部材５Ｓ、５Ｌを、シール性能を維持し、電解質膜１の損傷を抑制できる位置に配置することができる。

また、組付け前には、シール部材５Ｓをシール溝９の底面９２に形成されたテーパ形状の頂点９１より内周側に配置し、組付け時の締付力により、シール部材５Ｓをテーパ形状の頂点９１側に移動させる。これにより、電解質膜１を反応領域を中心とする放射方向に略均等に引っ張ることができるので、電解質膜１のしわなどを抑制して平面状に保つことができる。

さらに、一対のシール溝９を、略同一形状に構成する。これにより、セパレータ４ａ、４ｃを同一形状に構成することができるので、構成部品を低減することができ、コストを抑制することができる。また、シール部材５Ｌを収容するシール溝９の底面９２についてもテーパ形状とすることで、組付け時に、電解質膜１の表側と裏側で均等に放射方向に引っ張ることができるので、電解質膜１に発生するしわなどをより低減して平面状に保つことができる。

このように、シール溝９にシール部材５の配置の位置決め手段を持たせることで、シール部材５の幅に対するシール溝９の寸法差を大きくすることができ、加工精度を緩和できる。さらに、セパレータ４のシール溝９の加工や、セパレータ４のモールド成形を行う成形型の型形状で対応をとることができる。その結果、シール部材５を目的の位置５１に設置することができるので、確実なシールを達成できる。

次に、第４の実施形態について説明する。単位セル１００の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、ここではシール部材５を図８のように構成する。

電解質膜１と、少なくとも一方のシール部材５との間にプレート１２を備える。図８（ａ）には、シール部材５Ｌと電解質膜１との間にプレート１２ａを配置した場合、（ｂ）には、シール部材５Ｓと電解質膜１との間にプレート１２ｂを配置した場合、（ｃ）には、シール部材５Ｌ、５Ｓと電解質膜１との間それぞれにプレート１２ａ、１２ｂを配置した場合を示す。

プレート１２は、その厚みを、電極１０、１１（またはガス拡散層３）の締付時の厚み以下とする。または、プレート１２の厚みを、電極１０、１１の締付時の厚みと等しくして、スペーサプレートとしての機能も併せ持っても良い。また、プレート１２の幅は、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓの幅より大きくなるように構成する。例えば、プレート１２の幅をシール溝９の幅より大きく構成する。

シール部材５Ｓ、５Ｌの少なくとも一方は、プレート１２を介して電解質膜１を狭持する。そのため、プレート１２は、その配置箇所、ならびに、シール部材５からの荷重により、変形しない部材により構成する。シール面５０Ｌに比較して幅が小さいシール面５０Ｓには、集中的に荷重がかかるため、電解質膜１の変形を生じる可能性があるが、プレート１２を用いることで、その変形を防ぐことができる。

また、プレート１２の配置形状の選択、並びに、用いるシール部材５の断面形状に応じて、電解質膜１の両側に配置されるシール部材５に必要となる潰れ量が異なる場合がある。そこで、プレート１２の厚さを調整して、それぞれの極におけるシール構造に併せて両極のシール部材５の潰れ量を変えることで、電解質膜１の変形を抑制しつつ、シールを達成することもできる。

なお、本実施形態では、第１の実施形態に用いた構成にプレート１２を加えたが、第２または第３の実施形態に用いた構成にプレート１２を用いても良い。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１から第３の実施形態と異なる効果のみを説明する。

電解質膜１の少なくとも一方の側に、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓより幅の大きいプレート１２を備える。シール部材５Ｓまたはシール部材５Ｌの少なくとも一方は、プレート１２を介して電解質膜１に接触する。これにより、シール部材５Ｓが、局所的に電解質膜１にストレスを加えることによる電解質膜１の変形を抑制することができる。その結果、電解質膜１の損傷を抑制することができる。

また、このプレート１２の厚さを、締付時の電極１０、１１の厚さとすることで、スペーサとして用いることができる。さらに、このプレート１２の厚さを調整することで、シール部材５の潰れ量を調整することができ、つまりは、電解質膜１に与える圧力を調整することができるので、電解質膜１の変形を生じることなくシール機能を向上することができる。

次に、第５の実施形態について説明する。単位セル１００の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、ここではシール部材５を図９のように構成する。

電解質膜１を介したシール部材５同士での接触部分において、シール部材５の柔らかさのバランスが不適切であると、シール面５０Ｓの幅が小さいシール部材５Ｓが、シール面５０Ｌの幅が大きなシール部材５Ｌに埋もれてしまう。このような場合には、電解質膜１に不要なストレスをかけることになり、シール性を損なったり、電解質膜１の劣化を促進する可能性がある。

そこで、本実施形態では、シール面５０Ｓの幅が比較的小さいシール部材５Ｓについては、対極に配置されるシール部材５Ｌと比べて柔らかい材料を選択する。図９においては、白い部分が比較的柔らかい部分、黒い部分が比較的固い部分となる。なお、この場合には、シール部材５Ｓ、５Ｌ全体について、柔らかさを異ならせる必要はない。例えば、図９（ｂ）に示すように、シール部材５Ｌの電解質膜１に接触する近傍についてのみ比較的硬く構成してもよい。または、シール部材５Ｓの電解質膜１に接触する近傍についてのみ比較的柔らかく構成してもよい。

なお、本実施形態では、第１の実施形態に用いたシール部材５について、柔らかさの差をつけたが、第２の実施形態に用いたシール部材５についても同様とすることができる。第３の実施形態については、シール部材５の目標位置への移動が確保される範囲で、シール部材５Ｓをシール部材５Ｌに比較して柔らかくすることができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１〜第３の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

シール部材５Ｓの少なくともシール面５０Ｓ近傍を、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌ近傍より柔らかい部材により構成する。これにより、電解質膜１に局所的にストレスがかかることにより変形が生じるのを抑制することができるので、シール性を維持し、電解質膜１の劣化が生じるのを抑制することができる。

次に、第６の実施形態について説明する。ここでは、図１０〜図１３に示すように、シール部材５を他の構成要素と一体化することにより、シール部材５を所定の位置に配置する。

図１０には、シール部材５をセパレータ４に一体化した例を示す。セパレータ４の外縁部に沿って、シール部材５を一体に構成する。このときには、積層時にシール部材５Ｌのシール面５０Ｌの投影面内にシール部材５Ｓのシール面５０Ｓが収まるように、予めセパレータ４のシール部材５の設置位置を設定しておき、シール部材５とセパレータ４を一体化してから、膜電極接合体（ＭＥＡ）と積層することにより単位セル１００を構成する。この場合には、特にシール溝９を必要としない。ただし、シール溝９を構成して、シール部材５の潰れ量を調整してもよい。

図１１には、シール部材５を電解質膜１に一体化した例を示す。電解質膜１両側に、外縁に沿ってシール部材５Ｓ、５Ｌを一体化する。このとき、シール部材５Ｓ、５Ｌは、積層時にシール溝９に収容される位置に形成する。また、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓが、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌの投影面内に収容されるように一体化する。電解質膜１を狭持するようにシール部材５Ｓ、５Ｌを一体化することにより、比較的容易にシール部材５Ｓ、５Ｌの中心を重ねることができ、互いのずれを抑制することができる。このようなシール部材５を有するＭＥＡを、さらにセパレータ４で狭持することにより単位セル１００を構成する。

図１２には、シール部材５をガス拡散層３に一体化した例を示す。ガス拡散層３の外周に沿ってシール部材５を一体化する。シール部材５を有するガス拡散層３に電極触媒を塗布して電極触媒層２を形成して電極１０、１１を構成し、さらに電極１０、１１で電解質膜１を狭持することによりＭＥＡを構成する。ＭＥＡをセパレータ４で狭持することにより単位セル１００を構成する。このとき、シール部材５がシール溝９に収容されるように設定する。

図１３には、シール部材５をプレート１２と一体化した例を示す。ここでは、プレート１２の幅をシール溝９の幅より大きく構成し、また、厚さを電極１０、１１の締付時の厚さとすることで、プレート１２がスペーサとしての機能を有するように構成する。さらに、プレート１２の外周は、電解質膜１の外周と略同じとなるように構成する。

プレート１２にシール部材５を一体化させる。ここでは、単位セル１００組み立て時に、セパレータ４に形成したシール溝９に、プレート１２に一体化したシール部材５が収容されるように構成する。また、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌの投影面内に、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓが収まるように、シール部材５を一体化する。

電解質膜１および電極１０、１１を備えたＭＥＡを、このシール部材５を一体化させたプレート１２により狭持する。このとき、ＭＥＡを構成する電解質膜１の外縁に沿ってプレート１２が配置される。さらにセパレータ４によって狭持することにより、単位セル１００を構成する。

なお、シール溝９の幅とシール部材５Ｌの幅に大きな差がない場合などには、シール部材５Ｓについてのみ一体化させてもよい。シール部材５Ｓを他の構成部材と一体化させることで、シール部材５Ｓを目標の位置に設置できるので、シール部材５Ｌの設置位置に幅ができ、シール部材５Ｌを独立して設置することができる。または、本実施形態のようにシール部材５Ｓ、５Ｌについて、他の構成部材と一体化して目標の位置に設置させてもよい。この場合には、設置位置を確実にすることができる。

また、シール部材５は図１０〜図１３に示した形状に限らず、条件を満たすものであればよい。例えば、図１４に示すような形状としてもよい。図１４（ａ）には、断面が略四角形状の幅の異なるシール部材５Ｓ、５Ｌを用いた場合を示す。図１４（ｂ）には、一方に電解質膜１に向かうにつれて幅が小さくなる矩形状のシール部材５Ｓを用いた場合を示す。図１４（ｃ）には、一方が電解質膜１に向かうにつれて幅が大きくなる矩形状のシール部材５Ｓを用いた場合を示す。図１４（ｄ）には、電解質膜１に向かって凸形状に構成されるシール面５０Ｓを備えるシール部材５Ｓを用いる場合を示す。このように、シール部材５は様々な形状とすることができる。なお、図１４は、シール溝９を用いない場合について示しているが、シール溝９を用いた場合も同様である。

このように他の構成要素に一体化して構成することで、シール溝９を用いない場合や、シール溝９の幅を燃料極１０側と酸化剤極１１側とで同一とした場合にも、シール面５０の大きさの異なるシール部材５Ｓ、５Ｌを所定の位置に設置することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

電解質膜１の両側に設けた一対の電極１０、１１をさらに狭持する一対のセパレータ４と、セパレータ４の対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝９を備える。また、シール溝９に略重なる部分で電解質膜１に接触し、厚みが電極１０または１１と同じ、またはそれ以下のプレート１２を備える。また、一対のセパレータ４のうち一方に形成されたシール溝９に収容され、プレート１２と一体に形成されるとともに、プレート１２を介して電解質膜１と接触するシール面５０Ｓの幅が比較的小さいシール部材５Ｓを備える。さらに、一対のセパレータ４のうちもう一方に形成されたシール溝９に収容され、プレート１２を介して電解質膜１と接触するシール面５０Ｌの幅が比較的大きいシール部材５Ｌを備える。これにより、プレート１２に一体化されたシール部材５Ｓは、その設置位置を設定することができる。その結果、シール溝９の幅に関係なく、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌの投影面内に、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓを収めることができ、シール性を維持し、電解質膜１の損傷を抑制することができる。

または、電解質膜１の両側に設けた一対の電極１０、１１をさらに狭持する一対のセパレータ４と、セパレータ４の対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝９を備える。また、一対のセパレータ４のうち一方に形成されたシール溝９に収容され、電解質膜１または電極１０、１１またはセパレータ４の少なくとも一つと一体に形成された、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｓの幅が比較的小さいシール部材５Ｓを備える。さらに、一対のセパレータ４のうちもう一方に形成されたシール溝９に収容され、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｌの幅が比較的大きいシール部材５Ｌ備える。このように、他の構成部材に一体化することにより、シール部材５Ｓの設置位置を設定することができるので、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌの投影面内に、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓが収容されるように構成することができる。その結果、電解質膜１の劣化を抑制するとともに、シール性を維持することができる。

なお、一対のシール溝９を、略同一形状に構成することで、セパレータ４ａ、４ｃを同一形状に構成することができるので、構成部品を低減してコストを抑制することができる。

また、電解質膜１の両側に設けた一対の電極１０、１１をさらに狭持する一対のセパレータ４と、一対のセパレータ４のうち一方と電解質膜１と間に、電極１０または１１の外周に沿って構成され、セパレータ４と一体に形成された、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｓの幅が比較的小さいシール部材５Ｓを備える。また、一対のセパレータ４のうちもう一方と電解質膜１と間に、電極１０または１１の外周に沿って構成され、セパレータ４と一体に形成された、電解質膜１との接触部分であるシール面５０Ｌの幅が比較的大きいシール部材５Ｌを備える。このように、シール部材５Ｓ、５Ｌをそれぞれセパレータ４に一体化して構成する場合には、シール溝９を必要とせずに、シール部材５Ｌのシール面５０Ｌの投影面内に、シール部材５Ｓのシール面５０Ｓが収容されるように構成することができる。その結果、電解質膜１の劣化を抑制するとともに、シール性を維持することができる。

なお、上記実施形態においては、セパレータ４を、緻密質からなるカーボン材で構成しているが、この限りではなく、セパレータ４を、多孔質性のカーボン材、または金属製のプレートにより構成してもよい。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更が為し得ることはいうまでもない。

本発明は、燃料電池のシール構造に適用することができる。特に、複数の単位セルを積層して構成する固体高分子電解質型燃料電池に適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成図である。 第１の実施形態に用いるシール部材の構成図である。 第１の実施形態に用いるシール部材の条件を示す図である。 比較例として用いるシール部材の構成図である。 第２の実施形態に用いるシール部材の構成図である。 第３の実施形態に用いるシール部材の構成図である。 第３の実施形態におけるシール部材設置を説明する図である。 第４の実施形態に用いるシール部材の構成図である。 第５の実施形態に用いるシール部材の構成図である。 第６の実施形態のセパレータとシール部材を一体化した際の構成図である。 第６の実施形態の電解質膜とシール部材を一体化した際の構成図である。 第６の実施形態のガス拡散層とシール部材を一体化した際の構成図である。 第６の実施形態のプレートとシール部材を一体化した際の構成図である。 第６の実施形態におけるシール部材の形状例を示す図である。

符号の説明

１ 電解質膜
３ ガス拡散層
４ セパレータ
５ シール部材
５Ｓ シール面の幅が比較的小さいシール部材
５Ｌ シール面の幅が比較的大きいシール部材
５０ シール面
５１ シール面端部
５２ シール部材端部
９ シール溝
９１ （テーパ形状の）頂点
９２ 底面
１０ 燃料極（電極）
１１ 酸化剤極（電極）

Claims (10)

1. 電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータと、
   前記セパレータの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝と、
   前記一対のセパレータのうち一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的小さい第一シール部材と、
   前記一対のセパレータのうちもう一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的大きい第二シール部材と、を備え、
   さらに、前記第一シール部材の一端からシール面までの幅が、
   前記第二シール部材の一端からシール面までの幅と、前記シール溝の幅と前記第二シール部材の幅の差と、の和より大きくなるように構成することを特徴とする燃料電池。
2. 前記第一シール部材と前記第二シール部材を、それぞれのシール面の幅と前記シール溝との接触部分の幅が異なる略同一形状のシール部材により構成する請求項１に記載の燃料電池。
3. 電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータと、
   前記セパレータの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝と、
   前記一対のセパレータのうち一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的小さい第一シール部材と、
   前記一対のセパレータのうちもう一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的大きい第二シール部材と、を備え、
   さらに、少なくとも前記第一シール部材を収容するシール溝の底面を、テーパ形状に構成することを特徴とする燃料電池。
4. 組付け前には、前記第一シール部材を前記シール溝底面に形成されたテーパ形状の頂点より内周側に配置し、組付け時の締付力により、前記第一シール部材をテーパ形状の頂点側に移動させる請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記電解質膜の少なくとも一方の側に、前記第一シール部材のシール面より幅の大きいプレートを備え、
   前記第一シール部材または前記第二シール部材の少なくとも一方は、前記プレートを介して前記電解質膜に接触する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 前記第一シール部材の、少なくともシール面近傍を、前記第二シール部材のシール面近傍より柔らかい部材により構成する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
7. 電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータと、
   前記セパレータの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝と、
   前記シール溝に略重なる部分で前記電解質膜に接触し、厚みが前記電極と同じ、またはそれ以下のプレートと、
   前記一対のセパレータのうち一方に形成された前記シール溝に収容され、前記プレートと一体に形成されるとともに、前記プレートを介して前記電解質膜と接触するシール面の幅が比較的小さい第一シール部材と、
   前記一対のセパレータのうちもう一方に形成された前記シール溝に収容され、前記プレートを介して前記電解質膜と接触するシール面の幅が比較的大きい第二シール部材と、を備えることを特徴とする燃料電池。
8. 電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータと、
   前記セパレータの対向する表面の外縁部に沿って形成され、それぞれについて略同じ幅に形成された一対のシール溝と、
   前記一対のセパレータのうち一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜または前記電極または前記セパレータの少なくとも一つと一体に形成された、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的小さい第一シール部材と、
   前記一対のセパレータのうちもう一方に形成された前記シール溝に収容され、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的大きい第二シール部材と、を備えることを特徴とする燃料電池。
9. 前記一対のシール溝を、略同一形状に構成する請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池。
10. 電解質膜の両側に設けた一対の電極をさらに狭持する一対のセパレータと、
    前記一対のセパレータのうち一方と前記電解質膜と間に、前記電極の外周に沿って構成され、前記セパレータと一体に形成された、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的小さい第一シール部材と、
    前記一対のセパレータのうちもう一方と前記電解質膜と間に、前記電極の外周に沿って構成され、前記セパレータと一体に形成された、前記電解質膜との接触部分であるシール面の幅が比較的大きい第二シール部材と、を備えたことを特徴とする燃料電池。